CN117537259A - 液氢氢气化站能量补偿系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及储能技术领域，公开了一种液氢氢气化站能量补偿系统及其工作方法，液氢氢气化站能量补偿系统包括：低压液氢储罐和高压气氢储罐；一级能量回收装置，包括低压氢气室、高压液氢室和磁制冷冷机；低压氢气室适于与低压液氢储罐连接形成储液氢蒸发气体回收循环；二级能量回收装置，包括高压氢气室、液态二氧化碳室和斯特林机；高压液氢室和高压氢气室连接于低压液氢储罐与高压气氢储罐之间以形成液氢汽化循环；低温换热器，低温换热器适于与液态二氧化碳室以及外界冷负荷形成液态二氧化碳循环。本发明不仅能够对大量低温冷能充分利用，而且能够在长周期存储过程中降低液氢损耗率。

Description

液氢氢气化站能量补偿系统及其工作方法

技术领域

本发明涉及储能技术领域，具体涉及一种液氢氢气化站能量补偿系统及其工作方法。

背景技术

随着新能源装机逐渐增加，新能源对电力系统的冲击问题日益严重。氢作为可长期存储的洁净二次能源，其配合新能源消纳的作用日益凸显。但新能源富集区域与负荷消费中心存在较大的时空差异。新能源通过电力系统送出再进行负荷侧制氢模式存在较大实行困难，且既有通道存在容量上限，考虑制氢的经济性有可能存在与传统负荷竞争电力资源的问题，现阶段新能源侧制氢则作为较为可行的实施方案，随之而来的氢能源的大范围送出成了新的制约因素。氢气的大规模液化并送出是其中具备经济性与可行性的送出方案之一。

但液氢在储运过程中存在蒸发损失，尤其是涉及到用户端的长期存储面临着较大的困难。现阶段用户端加氢站是较为重要的应用场景，其中液氢的长期低温保存、液氢蒸发气化是必须要面对和解决的问题。但现阶段尚未有较为全面和针对性的技术能全面的解决上述问题。液氢的存储温度需低于-253℃，由于车载氢动力系统发展速度，未来较长一段时间高压气氢加注将有固定的生存空间，高压气氢在加注过程中不低于-50℃。在此过程，如何将冷量充分利用，实现液氢低温的保障供应与站用电的自持，是现阶段需要攻关的关键点。

现有技术中，例如，公告号为CN108386716A的专利文献公开了将长期存储过程中由于蒸发气化(液氢损失)，产生的低温气态氢气抽取，加热后用于站内燃料电池发电，但是液氢每日仍以5％的损耗率损失。公告号为CN214119667U的专利文献公开了将长期存储过程中由于蒸发气化(液氢损失)，产生的低温气态氢气抽取后，作为加氢过程的预冷媒介以抵消氢气加注过程中产生的逆焦-汤效应，并在加压后与高压氢气合并，进行加注，该方案用深冷级别冷能为目标低温加注温度预冷，温差过大，造成能量品位损失过大，且换热器运行安全性不高。公告号为CN113375045A的专利文献公开了通过在系统设置一中间压力加注工艺，将长期存储过程中由于蒸发气化(液氢损失)，产生的低温气态氢气抽取后，加热并增压至20MPa并进行存储，加注过程中先加注20MPa氢气，再加注45MPa氢气。与上一方案有一定改进，但整体上仍无法做到对液氢损耗率的有效控制。

因此，现有技术中，现有的液氢气化加氢站难以对大量低温冷能充分利用，且难以在长周期存储过程中降低液氢损耗率。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种液氢氢气化站能量补偿系统及其工作方法，以解决现有技术中现有的液氢气化加氢站难以对大量低温冷能充分利用，且难以在长周期存储过程中降低液氢损耗率的问题。液氢氢气化站能量补偿系统主要包括低压液氢储罐、高压气氢储罐、一级能量回收装置、二级能量回收装置、液氢收集罐和低温换热器；其中，低压液氢储罐中的氢气被送入一级能量回收装置的低压氢气室内，经过磁制冷液化后存入液氢收集罐，随后再送回到低压液氢储罐，完成储液氢蒸发气体回收循环；低压液氢储罐中的液氢添加至一级能量回收装置的高压液氢室内，经过其中的励磁加热后进入二级能量回收装置中的高压氢气室，经过斯特林机的冷端舱室后汽化并存入高压气氢储罐，完成液氢汽化循环；二级能量回收装置中的液态二氧化碳室的液态二氧化碳为冷负荷提供冷量，冷量富余时通过低温换热器排入大气，完成液态二氧化碳循环；本发明通过在在低压液氢储罐与高压氢气储罐之间增加一级能量回收装置和二级能量回收装置，从而实现液氢汽化过程冷量的深度回收与利用，并将液氢加氢站的氢蒸发气进行回收。液氢汽化过程中最易浪费也是最难回收的能量主要为深冷部分的冷量回收，本发明通过磁制冷与斯特林的双级能量回收，将液氢汽化的深冷能量进行回收，其中，第一级能量回收，将磁制冷工艺置于低压液氢与高压液氢工艺之间，利用固体制冷的特性预热高压液氢的同时实现冷量的存储并提升品位，这部分冷量可用于低压液氢中因蒸发吸热产生的低温氢气的重新液化，以降低液氢损耗率和存储时长；第二级能量回收，将斯特林发电循环置于预热后的深冷高压液氢与气化后的低温高压气氢工艺之间，利用斯特林温差发电的特性，一方面汽化液氢的同时，一方面进行发电，所发电力用于驱动液氢气化站内部所需电力；在两级能量回收后，通过带压二氧化碳，作为储能介质将剩余冷量进行存储，一方面该部分冷量可用于常规高压气氢加注时的预冷冷源，一方面该部分冷量可用于室温段低温冷源供给，过余部分再进行排放。

第一方面，本发明提供了一种液氢氢气化站能量补偿系统，包括：

低压液氢储罐和高压气氢储罐；

一级能量回收装置，包括低压氢气室、高压液氢室和磁制冷冷机；

低压氢气室适于与低压液氢储罐连接形成储液氢蒸发气体回收循环，磁制冷冷机适于向低压氢气室内释放冷量，以使由低压液氢储罐进入低压氢气室内的氢气液化并重新回收循环至低压液氢储罐内；

二级能量回收装置，包括高压氢气室、液态二氧化碳室和斯特林机；

高压液氢室和高压氢气室连接于低压液氢储罐与高压气氢储罐之间以形成液氢汽化循环，磁制冷冷机适于向高压液氢室内释放热量，以对由低压液氢储罐进入高压液氢室的液氢进行预热；斯特林机适于使得高压氢气室的液氢吸热汽化并存储于高压气氢储罐内；

低温换热器，低温换热器适于与液态二氧化碳室以及外界冷负荷形成液态二氧化碳循环。

通过在低压液氢储罐和高压气氢储罐之间设置一级能量回收装置，将磁制冷工艺置于低压液氢与高压液氢工艺之间，利用固体制冷的特性预热高压液氢的同时实现冷量的存储并提升品位，这部分冷量可用于低压液氢中因蒸发吸热产生的低温氢气的重新液化，以降低液氢损耗率和存储时长，与此同时，通过对液氢增压过程中增加一级能量回收装置作为第一级冷量回收，同时实现对高压低温液氢的预热，并通过磁制冷工艺将回收冷量用于给低压液氢储罐1中吸热蒸发出的氢气进行液化；通过在低压液氢储罐和高压气氢储罐之间设置二级能量回收装置，对液氢汽化过程中增加斯特林机作为第二级冷量回收，同时实现预热后的高压低温液氢的汽化，并通过斯特林机将冷量回收并用于温差发电，所发电力用于驱动液氢气化站内部所需电力；液氢汽化过程中通过冷量的梯级利用，末段可回收冷量，若有冷负荷可用于室温段制冷需要或作为常规高压气氢加注前预冷冷源，过余部分通过风冷装置进行排放；这样不仅能够对大量低温冷能充分利用，而且能够在长周期存储过程中降低液氢损耗率。

在一种可选的实施方式中，磁制冷冷机包括若干磁棒，磁棒适于在低压氢气室与高压液氢室之间往复移动；

当磁棒位于低压氢气室内时，磁棒适于向低压氢气室内释放冷量，以使存储于低压氢气室内的氢气液化；

磁制冷冷机还包括磁场区，磁场区设置于高压液氢室内；当磁棒位于高压液氢室时，磁棒受磁场区的励磁作用向高压液氢室内释放热量，以对高压液氢室内的液氢进行预热。

在一种可选的实施方式中，磁制冷冷机还包括：

行程缸杆，置于高压液氢室内；

螺纹杆，其一端与行程缸杆螺旋传动连接，另一端与磁棒相连接，螺纹杆适于在电机的驱动下旋转并相对行程缸杆轴向移动，以带动磁棒在低压氢气室与高压液氢室之间往复移动。

在一种可选的实施方式中，磁制冷冷机还包括换热套管，换热套管通过封头连接于行程缸杆的轴向一端，换热套管适于包覆螺纹杆和磁棒，以隔绝磁制冷冷机的内部与外部之间的质交换。

在一种可选的实施方式中，斯特林机包括：

缸体，其内设置有活塞；

缸体由活塞间隔形成冷端舱室和热端舱室，冷端舱室内置于高压氢气室内，热端舱室内置于液态二氧化碳室内，冷端舱室与热端舱室之间形成温差以驱动活塞发生运动做功并发电。

在一种可选的实施方式中，斯特林机还包括：

冷端强化翅片，设置于缸体靠近冷端舱室的一侧；

热端强化翅片，设置于缸体靠近热端舱室的一侧；

冷端强化翅片和热端强化翅片适于分别在高压氢气室内与液态二氧化碳室内强化传热以在缸体内部形成温差驱动活塞往复移动，以通过活塞带动后续执行机构对外做功并发电。

在一种可选的实施方式中，斯特林机还包括：

固定轴；

飞轮，与固定轴同轴设置；

连杆，其一端与活塞转动连接，另一端与飞轮转动连接，连杆适于在活塞的驱动下带动飞轮转动。

在一种可选的实施方式中，低压液氢储罐上开设有液氢蒸发气体出口和再生液氢回流口；低压氢气室上开设有液氢蒸发气体进口和再生液氢出口；

液氢蒸发气体进口适于与液氢蒸发气体出口相连通，再生液氢出口适于与再生液氢回流口相连通，从而形成储液氢蒸发气体回收循环。

在一种可选的实施方式中，液氢蒸发气体进口与液氢蒸发气体出口之间设置有氢气循环压缩机，氢气循环压缩机适于克服管道沿程阻力将低压液氢储罐上部堆积的已经汽化的氢气由液氢蒸发气体进口泵入低压氢气室内。

在一种可选的实施方式中，再生液氢出口与再生液氢回流口之间设置有液氢收集罐和液氢循环泵，液氢收集罐适于对低压氢气室内液化后的液氢进行存储，液氢循环泵适于将液氢收集罐内的液氢泵入低压液氢储罐内。

在一种可选的实施方式中，低压液氢储罐包括第一绝热层，第一绝热层适于围合形成低压液氢储罐的内腔；

低压氢气室包括第二绝热层，第二绝热层适于围合形成低压氢气室的内腔；

高压液氢室包括第三绝热层，第三绝热层适于围合形成高压液氢室的内腔；

液氢收集罐包括第四绝热层，第四绝热层适于围合形成液氢收集罐的内腔；

高压氢气室包括第五绝热层，第五绝热层适于围合形成高压氢气室的内腔；

液态二氧化碳室包括第六绝热层，第六绝热层适于围合形成液态二氧化碳室的内腔；

高压气氢储罐包括第七绝热层，第七绝热层适于围合形成高压气氢储罐的内腔。

通过如此设置，能够避免低压液氢储罐、低压氢气室、高压液氢室、液氢收集罐、高压氢气室、液态二氧化碳室和高压气氢储罐的内外部进行热交换。

在一种可选的实施方式中，低压液氢储罐上还开设有液氢增压出口；高压液氢室上开设有高压液氢预热入口和高压液氢预热出口；高压氢气室上开设有高压氢汽化入口与高压氢汽化出口；高压气氢储罐上开设有高压气氢进口和高压气氢出口；

高压液氢预热入口适于与液氢增压出口相连通，高压液氢预热出口适于与高压氢汽化入口相连通，高压氢汽化出口适于与高压气氢进口相连通，从而形成液氢汽化循环。

在一种可选的实施方式中，高压液氢预热入口与液氢增压出口之间设置有一级液氢增压泵，一级液氢增压泵适于对来自液氢增压出口的液氢进行一级增压并经由高压液氢预热入口泵入高压液氢室内；

高压液氢预热出口与高压氢汽化入口之间设置有二级液氢增压泵，二级液氢增压泵适于对来自高压液氢预热出口的液氢进行二级增压并经由高压氢汽化入口泵入高压氢气室内。

在一种可选的实施方式中，液态二氧化碳室上开设有第一液态二氧化碳入口与第一液态二氧化碳出口；

低温换热器上开设有第二液态二氧化碳进口与第二液态二氧化碳出口；

第一液态二氧化碳入口适于与第二液态二氧化碳出口相连通，第一液态二氧化碳出口适于与第二液态二氧化碳进口相连通，从而形成液态二氧化碳循环。

在一种可选的实施方式中，第一液态二氧化碳出口与第二液态二氧化碳进口之间设置有三通阀，三通阀的其中两个端口分别与第一液态二氧化碳出口与第二液态二氧化碳进口相连接，另外的端口与供冷口相连接。

第二方面，本发明还提供了一种如上述的液氢氢气化站能量补偿系统的工作方法，包括：

低压液氢储罐内汽化的氢气经过氢气循环压缩机泵入低压氢气室内，磁棒进入低压氢气室内并释放冷量，使得存储于低压氢气室内的氢气液化，低压氢气室内压力降低乃至产生负压并连续由低压液氢储罐吸入氢气，液化后的液氢排入液氢收集罐内存储，当达到足够量时启动液氢循环泵以将液氢泵回至低压液氢储罐中，完成储液氢蒸发气体回收循环；

低压液氢储罐内的液氢经由一级液氢增压泵一级增压后存储于高压液氢室内，磁棒进入高压液氢室内被磁场励磁并放热，以对高压液氢室内的液氢进行预热，预热后的液氢经由二级液氢增压泵二级增压后存储于高压氢气室内，通过斯特林机的冷端舱室进行吸热汽化，存储于高压气氢储罐内，完成液氢汽化循环；

液态二氧化碳存储于液态二氧化碳室内，当有冷负荷时液态二氧化碳通过供冷口将冷量输送至冷负荷需求点，当冷负荷不足以消纳该冷量时启动低温换热器将冷量排向大气。

本发明方法通过磁制冷与斯特林的双级能量回收，将液氢汽化的深冷能量进行回收；其中，第一级能量回收，将磁制冷工艺置于低压液氢与高压液氢工艺之间，利用固体制冷的特性预热高压液氢的同时实现冷量的存储并提升品位，这部分冷量可用于低压液氢中因蒸发吸热产生的低温氢气的重新液化，以降低液氢损耗率和存储时长；第二级能量回收，将斯特林发电循环置于预热后的深冷高压液氢与气化后的低温高压气氢工艺之间，利用斯特林温差发电的特性，一方面汽化液氢的同时，一方面进行发电，所发电力用于驱动液氢气化站内部所需电力；在两级能量回收后，通过带压二氧化碳，作为储能介质将剩余冷量进行存储，一方面该部分冷量可用于常规高压气氢加注时的预冷冷源，一方面该部分冷量可用于室温段低温冷源供给，过余部分再进行排放，这样不仅能够对大量低温冷能充分利用，而且能够在长周期存储过程中降低液氢损耗率。

在一种可选的实施方式中，当低压液氢储罐管内压力恢复到正常运行水平或略低于常压时关闭低压液氢储罐与低压氢气室之间的通路。

在一种可选的实施方式中，液态二氧化碳在液态二氧化碳室内的运行压力为P，P满足7MPa≤P≤10MPa，运行温度为T，T满足-50℃≤T≤-30℃，从而保障二氧化碳不会汽化。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的一种液氢氢气化站能量补偿系统的工作原理示意图；

图2为图1中一级能量回收装置的工作原理示意图；

图3为图2中磁制冷冷机的磁棒位于低压氢气室内时的工作原理示意图；

图4为图2中磁制冷冷机的磁棒位于高压液氢室内时的工作原理示意图；

图5为图1中二级能量回收装置的工作原理示意图；

图6为图5中斯特林机的工作原理示意图。

附图标记说明：

1、低压液氢储罐；10、第一绝热层；11、液氢蒸发气体出口；12、再生液氢回流口；13、液氢增压出口；14、氢气循环压缩机；15、液氢循环泵；16、液氢灌注入口；

2、一级能量回收装置；21、低压氢气室；210、第二绝热层；211、液氢蒸发气体进口；212、再生液氢出口；22、高压液氢室；220、第三绝热层；221、高压液氢预热入口；222、高压液氢预热出口；23、磁制冷冷机；231、磁棒；232、磁场区；233、行程缸杆；234、螺纹杆；235、换热套管；236、封头；24、一级液氢增压泵；25、二级液氢增压泵；

3、液氢收集罐；30、第四绝热层；31、收集罐进口；32、收集罐出口；

4、二级能量回收装置；41、高压氢气室；410、第五绝热层；411、高压氢汽化入口；412、高压氢汽化出口；42、液态二氧化碳室；420、第六绝热层；421、第一液态二氧化碳入口；422、第一液态二氧化碳出口；43、斯特林机；431、缸体；432、活塞；433、冷端舱室；434、热端舱室；435、冷端强化翅片；436、热端强化翅片；437、固定轴；438、飞轮；439、连杆；

5、高压气氢储罐；50、第七绝热层；51、高压气氢进口；52、高压气氢出口；

6、低温换热器；61、第二液态二氧化碳进口；62、第二液态二氧化碳出口；63、三通阀；64、供冷口。

具体实施方式

为解决现有技术中现有的液氢气化加氢站难以对大量低温冷能充分利用，且难以在长周期存储过程中降低液氢损耗率的问题，本发明提供一种液氢氢气化站能量补偿系统及其工作方法，液氢氢气化站能量补偿系统主要包括低压液氢储罐、高压气氢储罐、一级能量回收装置、二级能量回收装置、液氢收集罐和低温换热器；其中，低压液氢储罐中的氢气被送入一级能量回收装置的低压氢气室内，经过磁制冷液化后存入液氢收集罐，随后再送回到低压液氢储罐，完成储液氢蒸发气体回收循环；低压液氢储罐中的液氢添加至一级能量回收装置的高压液氢室内，经过其中的励磁加热后进入二级能量回收装置中的高压氢气室，经过斯特林机的冷端舱室后汽化并存入高压气氢储罐，完成液氢汽化循环；二级能量回收装置中的液态二氧化碳室的液态二氧化碳为冷负荷提供冷量，冷量富余时通过低温换热器排入大气，完成液态二氧化碳循环；本发明通过在在低压液氢储罐与高压氢气储罐之间增加一级能量回收装置和二级能量回收装置，从而实现液氢汽化过程冷量的深度回收与利用，并将液氢加氢站的氢蒸发气进行回收。液氢汽化过程中最易浪费也是最难回收的能量主要为深冷部分的冷量回收，本发明通过磁制冷与斯特林的双级能量回收，将液氢汽化的深冷能量进行回收，其中，第一级能量回收，将磁制冷工艺置于低压液氢与高压液氢工艺之间，利用固体制冷的特性预热高压液氢的同时实现冷量的存储并提升品位，这部分冷量可用于低压液氢中因蒸发吸热产生的低温氢气的重新液化，以降低液氢损耗率和存储时长；第二级能量回收，将斯特林发电循环置于预热后的深冷高压液氢与气化后的低温高压气氢工艺之间，利用斯特林温差发电的特性，一方面汽化液氢的同时，一方面进行发电，所发电力用于驱动液氢气化站内部所需电力；在两级能量回收后，通过带压二氧化碳，作为储能介质将剩余冷量进行存储，一方面该部分冷量可用于常规高压气氢加注时的预冷冷源，一方面该部分冷量可用于室温段低温冷源供给，过余部分再进行排放。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合图1至图6，描述本发明的实施例。

根据本发明的实施例，一方面，提供了一种液氢氢气化站能量补偿系统，具体为一种基于磁制冷与斯特林发电的液氢氢气化站能量补偿系统，包括：

低压液氢储罐1和高压气氢储罐5；

一级能量回收装置2，包括低压氢气室21、高压液氢室22和磁制冷冷机23；

低压氢气室21适于与低压液氢储罐1连接形成储液氢蒸发气体回收循环，磁制冷冷机23适于向低压氢气室21内释放冷量，以使由低压液氢储罐1进入低压氢气室21内的氢气液化并重新回收循环至低压液氢储罐1内；

二级能量回收装置4，包括高压氢气室41、液态二氧化碳室42和斯特林机43；

高压液氢室22和高压氢气室41连接于低压液氢储罐1与高压气氢储罐5之间以形成液氢汽化循环，磁制冷冷机23适于向高压液氢室22内释放热量，以对由低压液氢储罐1进入高压液氢室22的液氢进行预热；斯特林机43适于使得高压氢气室41的液氢吸热汽化并存储于高压气氢储罐5内；

低温换热器6，低温换热器6适于与液态二氧化碳室42以及外界冷负荷形成液态二氧化碳循环。

需要说明的是，请参见图1和图2所示，一级能量回收装置2可以由一个或多个相同的磁制冷冷箱单元并联构成，每个磁制冷冷箱单元主要由低压氢气室21、高压液氢室22、磁制冷冷机23和液氢收集罐3组成，其中，磁制冷冷机23可以为往复式磁制冷冷机。本实施例中以单个磁制冷冷箱单元为例进行说明。整套能量回收装置启动时，低压氢气室21中的氢气被氢压机抽取并送入各个磁制冷冷箱单元的低压氢气室21中，此时去磁后的磁棒231通过换热套管235送入低压氢气室21中，氢气在低压氢气室21中液化；液化并过冷后的液氢通过液氢收集罐3蓄集达到一定量通过液氢输送泵送回低压液氢储罐1；与此同时低压液氢储罐1中的液氢通过液氢增压泵送入高压液氢室22进行临时存储，并在高压液氢室22内部施加强磁场，磁棒231通过换热套管235进入高压液氢室22中时被励磁，磁棒231温度升高并向高压液氢室22中的液氢放热，以对高压液氢室22中的液氢进行预热。

需要说明的是，请参见图1和图4所示，二级能量回收装置4主要包括高压氢气室41、液态二氧化碳室42和斯特林机43，其中，斯特林机43可以为闭式深冷用斯特林机，液态二氧化碳室42为低温中压液态二氧化碳室，斯特林机43的缸体两端分别置于高压氢气室41和液态二氧化碳室42中。整套能量回收装置启动时，由于斯特林机43的缸体两端的温差，缸体内活塞发生运动做功并发电，该部分电力可用于驱动本装置内的动力装备和站内用电，并将液态二氧化碳室42内的热量泵入高压氢气室41内，使得注入高压氢气室41内的深冷高压液氢发生汽化后，输入高压气氢储罐5内存储备用。

需要说明的是，请参见图1所示，本发明液氢氢气化站能量补偿系统还配置有低温换热器6，用于排除过余冷量，或用于常规高压气氢加注前的预冷冷源，或室温段低温冷源供给。

本实施例所提供的液氢氢气化站能量补偿系统，通过在低压液氢储罐1和高压气氢储罐5之间设置一级能量回收装置2，将磁制冷工艺置于低压液氢与高压液氢工艺之间，利用固体制冷的特性预热高压液氢的同时实现冷量的存储并提升品位，这部分冷量可用于低压液氢中因蒸发吸热产生的低温氢气的重新液化，以降低液氢损耗率和存储时长，与此同时，通过对液氢增压过程中增加一级能量回收装置2作为第一级冷量回收，同时实现对高压低温液氢的预热，并通过磁制冷工艺将回收冷量用于给低压液氢储罐1中吸热蒸发出的氢气进行液化；通过在低压液氢储罐1和高压气氢储罐5之间设置二级能量回收装置4，对液氢汽化过程中增加斯特林机43作为第二级冷量回收，同时实现预热后的高压低温液氢的汽化，并通过斯特林机将冷量回收并用于温差发电，所发电力用于驱动液氢气化站内部所需电力；液氢汽化过程中通过冷量的梯级利用，末段可回收冷量，若有冷负荷可用于室温段制冷需要或作为常规高压气氢加注前预冷冷源，过余部分通过风冷装置进行排放；这样不仅能够对大量低温冷能充分利用，而且能够在长周期存储过程中降低液氢损耗率。

在一个实施例中，请参见图1和图2所示，磁制冷冷机23包括若干磁棒231，磁棒231适于在低压氢气室21与高压液氢室22之间往复移动；磁制冷冷机23还包括磁场区232，磁场区232设置于高压液氢室22内；

当磁棒231由高压液氢室22切换至低压氢气室21内时，磁棒231去磁冷却，磁棒231向低压氢气室21内释放冷量，以使存储于低压氢气室21内的氢气液化；

当磁棒231位于高压液氢室22时，磁棒231受磁场区232的励磁作用向高压液氢室22内释放热量，以对高压液氢室22内的液氢进行预热。

在一个实施例中，请参见图2所示，磁制冷冷机23还包括：

行程缸杆233，置于高压液氢室22内；

螺纹杆234，其一端与行程缸杆233螺旋传动连接，另一端与磁棒231相连接，螺纹杆234适于在电机的驱动下旋转并相对行程缸杆233轴向移动，以带动磁棒231在低压氢气室21与高压液氢室22之间往复移动。

在一个实施例中，请参见图2所示，磁制冷冷机23还包括换热套管235，换热套管235通过封头236连接于行程缸杆233的轴向一端，换热套管235适于包覆螺纹杆234和磁棒231，以隔绝磁制冷冷机23的内部与外部之间的质交换。

需要说明的是，请参见图2所示，对于磁棒231的加工制备，可以由磁热材料直接热加工成棒状，以形成磁棒231，也可以将粉料填充于内空圆筒内，以形成磁棒231；磁棒231可固定集成于螺纹杆234的端部，螺纹杆234在电机的驱动下旋转并带动磁棒231相对行程缸杆233轴向移动；请参见图3和图4所示，螺纹杆234的行程范围可以为：螺纹杆234刚好全部收入行程缸杆233内以及螺纹杆234刚好全部伸出行程缸杆233；低压氢气室21的一侧外壁与高压液氢室22的一侧外壁相抵接，且磁制冷冷机23同时集成于低压氢气室21与高压液氢室22内，螺纹杆234达到最大行程时，磁棒231可全部探入低压氢气室21内，螺纹杆234收回至行程缸杆233内部时，磁棒231与行程缸杆233均在高压液氢室22内；磁制冷冷机23为圆柱状单元化设置，可根据需要，并联一系列圆柱状单元并集成于一级能量回收装置2中；一级能量回收装置2可以向高压液氢室22施加强磁场，磁场方向垂直于全部磁棒231。

在一个实施例中，请参见图5和图6所示，斯特林机43包括：

缸体431，其内设置有活塞432；

缸体431由活塞432间隔形成冷端舱室433和热端舱室434，冷端舱室433内置于高压氢气室41内，热端舱室434内置于液态二氧化碳室42内，冷端舱室433与热端舱室434之间形成温差以驱动活塞432发生运动做功并发电。

在一个实施例中，请参见图5和图6所示，斯特林机43还包括：

冷端强化翅片435，设置于缸体431靠近冷端舱室433的一侧；

热端强化翅片436，设置于缸体431靠近热端舱室434的一侧；

冷端强化翅片435和热端强化翅片436适于分别在高压氢气室41内与液态二氧化碳室42内强化传热以在缸体431内部形成温差驱动活塞432往复移动，以通过活塞432带动后续执行机构对外做功并发电。

需要说明的是，高压氢气室41的一侧外壁与液态二氧化碳室42的一侧外壁相抵接，斯特林机43同时集成于高压氢气室41和液态二氧化碳室42内；其中，冷端舱室433内置于高压氢气室41内，热端舱室434内置于液态二氧化碳室42内，冷端舱室433和热端舱室434合并构成斯特林机43的缸体431，同时通过冷端强化翅片435和热端强化翅片436分别在高压氢气室41内与液态二氧化碳室42内强化传热，从而在缸体431内部形成温差驱动活塞432带动后续执行机构对外做功，达到发电的目的。

在一个实施例中，请参见图5和图6所示，斯特林机43还包括：

固定轴437；

飞轮438，与固定轴437同轴设置；

连杆439，其一端与活塞432转动连接，另一端与飞轮438转动连接，连杆439适于在活塞432的驱动下带动飞轮438转动。

需要说明的是，本实施例中，固定轴437、飞轮438和连杆439可形成一个执行机构对外做功，具体的执行机构还可以为连杆凸轮机构、连杆机构，可以根据实际使用情况调整，不仅限于本实施例中的情况。

在一个实施例中，请参见图1所示，低压液氢储罐1上开设有液氢蒸发气体出口11和再生液氢回流口12；低压氢气室21上开设有液氢蒸发气体进口211和再生液氢出口212；

液氢蒸发气体进口211适于与液氢蒸发气体出口11相连通，再生液氢出口212适于与再生液氢回流口12相连通，从而形成储液氢蒸发气体回收循环。

在一个实施例中，请参见图1所示，液氢蒸发气体进口211与液氢蒸发气体出口11之间设置有氢气循环压缩机14，氢气循环压缩机14适于克服管道沿程阻力将低压液氢储罐1上部堆积的已经汽化的氢气由液氢蒸发气体进口211泵入低压氢气室21内。

在一个实施例中，请参见图1所示，再生液氢出口212与再生液氢回流口12之间设置有液氢收集罐3和液氢循环泵15，液氢收集罐3适于对低压氢气室21内液化后的液氢进行存储，液氢循环泵15适于将液氢收集罐3内的液氢泵入低压液氢储罐1内；其中，液氢收集罐3上开设有收集罐进口31和收集罐出口32，收集罐进口31适于与再生液氢出口212相连通，收集罐出口32适于与再生液氢回流口12相连通，液氢循环泵15设置于收集罐出口32与再生液氢回流口12之间。

在一个实施例中，低压液氢储罐1包括第一绝热层10，第一绝热层10适于围合形成低压液氢储罐1的内腔；低压氢气室21包括第二绝热层210，第二绝热层210适于围合形成低压氢气室21的内腔；高压液氢室22包括第三绝热层220，第三绝热层220适于围合形成高压液氢室22的内腔；液氢收集罐3包括第四绝热层30，第四绝热层30适于围合形成液氢收集罐3的内腔；高压氢气室41包括第五绝热层410，第五绝热层410适于围合形成高压氢气室41的内腔；液态二氧化碳室42包括第六绝热层420，第六绝热层420适于围合形成液态二氧化碳室42的内腔；高压气氢储罐5包括第七绝热层50，第七绝热层50适于围合形成高压气氢储罐5的内腔，从而避免低压液氢储罐1、低压氢气室21、高压液氢室22、液氢收集罐3、高压氢气室41、液态二氧化碳室42和高压气氢储罐5的内外部进行热交换。

在一个实施例中，请参见图1所示，低压液氢储罐1上还开设有液氢增压出口13；高压液氢室22上开设有高压液氢预热入口221和高压液氢预热出口222；高压氢气室41上开设有高压氢汽化入口411与高压氢汽化出口412；高压气氢储罐5上开设有高压气氢进口51和高压气氢出口52；

高压液氢预热入口221适于与液氢增压出口13相连通，高压液氢预热出口222适于与高压氢汽化入口411相连通，高压氢汽化出口412适于与高压气氢进口51相连通，从而形成液氢汽化循环。

可选的，低压液氢储罐1上还开设有液氢灌注入口16。

在一个实施例中，请参见图1所示，高压液氢预热入口221与液氢增压出口13之间设置有一级液氢增压泵24，一级液氢增压泵24适于对来自液氢增压出口13的液氢进行一级增压并经由高压液氢预热入口221泵入高压液氢室22内；

高压液氢预热出口222与高压氢汽化入口411之间设置有二级液氢增压泵25，二级液氢增压泵25适于对来自高压液氢预热出口222的液氢进行二级增压并经由高压氢汽化入口411泵入高压氢气室41内。

在一个实施例中，请参见图1所示，液态二氧化碳室42上开设有第一液态二氧化碳入口421与第一液态二氧化碳出口422；

低温换热器6上开设有第二液态二氧化碳进口61与第二液态二氧化碳出口62；

第一液态二氧化碳入口421适于与第二液态二氧化碳出口62相连通，第一液态二氧化碳出口422适于与第二液态二氧化碳进口61相连通，从而形成液态二氧化碳循环。

在一个实施例中，请参见图1所示，第一液态二氧化碳出口422与第二液态二氧化碳进口61之间设置有三通阀63，三通阀63的其中两个端口分别与第一液态二氧化碳出口422与第二液态二氧化碳进口61相连接，另外的端口与供冷口64相连接。

根据本发明的实施例，另一方面，还提供了一种如上述的液氢氢气化站能量补偿系统的工作方法，包括：

低压液氢储罐1上部堆积的已经汽化的氢气经液氢蒸发气体出口11排出，经过氢气循环压缩机14克服管道沿程阻力泵入低压氢气室21内；本装置需要启动时，控制磁棒231进入低压氢气室21内，由于低压氢气室21内没有磁场，去磁后的磁棒231开始向低压氢气室21内释放冷量，使得存储于低压氢气室21内的氢气液化，低压氢气室21内压力降低乃至产生负压并连续由低压液氢储罐1吸入氢气，液化后的液氢排入液氢收集罐3内存储，当达到足够量时启动液氢循环泵15以将液氢泵回至低压液氢储罐1中，完成储液氢蒸发气体回收循环；其中，低压液氢储罐1、低压氢气室21和液氢收集罐3内压力可在温度20K、压力常压范围内运行，运行期间系统不连续长周期出现负压状态。

低压液氢储罐1内的液氢经由一级液氢增压泵24一级增压后提升至10MPa温度提升至40K左右存储于高压液氢室22内，磁棒231进入高压液氢室22内的磁场区被磁场励磁并放热，以对高压液氢室22内的液氢进行预热，经过一级增压后的液氢在高压液氢室22内进行预热后温度可提升至40K～50K，预热后的液氢经由二级液氢增压泵25二级增压后提升至80MPa温度提升至70K左右存储于高压氢气室41内，在高压氢气室41内通过斯特林机43的冷端舱室433进行吸热汽化，此时氢气提升至90MPa温度提升至200K并存储于高压气氢储罐5内，从而为加氢机提供预冷后的氢源，至此完成液氢汽化循环；

液态二氧化碳主要存储于液态二氧化碳室42内，液态二氧化碳主要作为载冷剂用，当有冷负荷时液态二氧化碳通过供冷口64将冷量输送至冷负荷需求点，当冷负荷不足以消纳该冷量时启动低温换热器6将冷量排向大气。

需要说明的是，据统计由于深冷低压液氢储罐基本为常压容器，其每天的液氢损失量超过5％，且汽化过程使深冷低压液氢储罐内压力升高增加存储安全隐患，故将该部分已汽化的液氢再生既是液氢长周期存储经济性的需要也是安全存储的需要。液氢汽化过程中最易浪费也是最难回收的能量主要为深冷部分的冷量回收，本发明方法通过磁制冷与斯特林的双级能量回收，将液氢汽化的深冷能量进行回收；其中，第一级能量回收，将磁制冷工艺置于低压液氢与高压液氢工艺之间，利用固体制冷的特性预热高压液氢的同时实现冷量的存储并提升品位，这部分冷量可用于低压液氢中因蒸发吸热产生的低温氢气的重新液化，以降低液氢损耗率和存储时长；第二级能量回收，将斯特林发电循环置于预热后的深冷高压液氢与气化后的低温高压气氢工艺之间，利用斯特林温差发电的特性，一方面汽化液氢的同时，一方面进行发电，所发电力用于驱动液氢气化站内部所需电力；在两级能量回收后，通过带压二氧化碳，作为储能介质将剩余冷量进行存储，一方面该部分冷量可用于常规高压气氢加注时的预冷冷源，一方面该部分冷量可用于室温段低温冷源供给，过余部分再进行排放，这样不仅能够对大量低温冷能充分利用，而且能够在长周期存储过程中降低液氢损耗率。

在一个实施例中，当低压液氢储罐1管内压力恢复到正常运行水平或略低于常压时关闭低压液氢储罐1与低压氢气室21之间的通路。

在一个实施例中，液态二氧化碳在液态二氧化碳室42内的运行压力为P，P满足7MPa≤P≤10MPa，运行温度为T，T满足-50℃≤T≤-30℃，从而保障二氧化碳不会汽化。

虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (18)

1.一种液氢氢气化站能量补偿系统，其特征在于，包括：

低压液氢储罐(1)和高压气氢储罐(5)；

一级能量回收装置(2)，包括低压氢气室(21)、高压液氢室(22)和磁制冷冷机(23)；

所述低压氢气室(21)适于与所述低压液氢储罐(1)连接形成储液氢蒸发气体回收循环，所述磁制冷冷机(23)适于向所述低压氢气室(21)内释放冷量，以使由所述低压液氢储罐(1)进入所述低压氢气室(21)内的氢气液化并重新回收循环至所述低压液氢储罐(1)内；

二级能量回收装置(4)，包括高压氢气室(41)、液态二氧化碳室(42)和斯特林机(43)；

所述高压液氢室(22)和所述高压氢气室(41)连接于所述低压液氢储罐(1)与所述高压气氢储罐(5)之间以形成液氢汽化循环，所述磁制冷冷机(23)适于向所述高压液氢室(22)内释放热量，以对由所述低压液氢储罐(1)进入所述高压液氢室(22)的液氢进行预热；所述斯特林机(43)适于使得所述高压氢气室(41)的液氢吸热汽化并存储于所述高压气氢储罐(5)内；

低温换热器(6)，所述低温换热器(6)适于与所述液态二氧化碳室(42)以及外界冷负荷形成液态二氧化碳循环。

2.根据权利要求1所述的液氢氢气化站能量补偿系统，其特征在于，所述磁制冷冷机(23)包括若干磁棒(231)，所述磁棒(231)适于在所述低压氢气室(21)与所述高压液氢室(22)之间往复移动；

当所述磁棒(231)位于所述低压氢气室(21)内时，所述磁棒(231)适于向所述低压氢气室(21)内释放冷量，以使存储于所述低压氢气室(21)内的氢气液化；

所述磁制冷冷机(23)还包括磁场区(232)，所述磁场区(232)设置于所述高压液氢室(22)内；当所述磁棒(231)位于所述高压液氢室(22)时，所述磁棒(231)受所述磁场区(232)的励磁作用向所述高压液氢室(22)内释放热量，以对所述高压液氢室(22)内的液氢进行预热。

3.根据权利要求2所述的液氢氢气化站能量补偿系统，其特征在于，所述磁制冷冷机(23)还包括：

行程缸杆(233)，置于所述高压液氢室(22)内；

螺纹杆(234)，其一端与所述行程缸杆(233)螺旋传动连接，另一端与所述磁棒(231)相连接，所述螺纹杆(234)适于在电机的驱动下旋转并相对所述行程缸杆(233)轴向移动，以带动所述磁棒(231)在所述低压氢气室(21)与所述高压液氢室(22)之间往复移动。

4.根据权利要求3所述的液氢氢气化站能量补偿系统，其特征在于，所述磁制冷冷机(23)还包括换热套管(235)，所述换热套管(235)通过封头(236)连接于所述行程缸杆(233)的轴向一端，所述换热套管(235)适于包覆所述螺纹杆(234)和所述磁棒(231)，以隔绝所述磁制冷冷机(23)的内部与外部之间的质交换。

5.根据权利要求1所述的液氢氢气化站能量补偿系统，其特征在于，所述斯特林机(43)包括：

缸体(431)，其内设置有活塞(432)；

所述缸体(431)由活塞(432)间隔形成冷端舱室(433)和热端舱室(434)，所述冷端舱室(433)内置于所述高压氢气室(41)内，所述热端舱室(434)内置于所述液态二氧化碳室(42)内，所述冷端舱室(433)与所述热端舱室(434)之间形成温差以驱动所述活塞(432)发生运动做功并发电。

6.根据权利要求5所述的液氢氢气化站能量补偿系统，其特征在于，所述斯特林机(43)还包括：

冷端强化翅片(435)，设置于所述缸体(431)靠近所述冷端舱室(433)的一侧；

热端强化翅片(436)，设置于所述缸体(431)靠近所述热端舱室(434)的一侧；

所述冷端强化翅片(435)和所述热端强化翅片(436)适于分别在所述高压氢气室(41)内与所述液态二氧化碳室(42)内强化传热以在所述缸体(431)内部形成温差驱动所述活塞(432)往复移动，以通过所述活塞(432)带动后续执行机构对外做功并发电。

7.根据权利要求5所述的液氢氢气化站能量补偿系统，其特征在于，所述斯特林机(43)还包括：

固定轴(437)；

飞轮(438)，与所述固定轴(437)同轴设置；

连杆(439)，其一端与所述活塞(432)转动连接，另一端与所述飞轮(438)转动连接，所述连杆(439)适于在所述活塞(432)的驱动下带动所述飞轮(438)转动。

8.根据权利要求1-7中任意一项所述的液氢氢气化站能量补偿系统，其特征在于，所述低压液氢储罐(1)上开设有液氢蒸发气体出口(11)和再生液氢回流口(12)；所述低压氢气室(21)上开设有液氢蒸发气体进口(211)和再生液氢出口(212)；

所述液氢蒸发气体进口(211)适于与所述液氢蒸发气体出口(11)相连通，所述再生液氢出口(212)适于与所述再生液氢回流口(12)相连通。

9.根据权利要求8所述的液氢氢气化站能量补偿系统，其特征在于，所述液氢蒸发气体进口(211)与所述液氢蒸发气体出口(11)之间设置有氢气循环压缩机(14)，所述氢气循环压缩机(14)适于克服管道沿程阻力将所述低压液氢储罐(1)上部堆积的已经汽化的氢气由所述液氢蒸发气体进口(211)泵入所述低压氢气室(21)内。

10.根据权利要求9所述的液氢氢气化站能量补偿系统，其特征在于，所述再生液氢出口(212)与所述再生液氢回流口(12)之间设置有液氢收集罐(3)和液氢循环泵(15)，所述液氢收集罐(3)适于对所述低压氢气室(21)内液化后的液氢进行存储，所述液氢循环泵(15)适于将所述液氢收集罐(3)内的液氢泵入所述低压液氢储罐(1)内。

11.根据权利要求10所述的液氢氢气化站能量补偿系统，其特征在于，所述低压液氢储罐(1)包括第一绝热层(10)，所述第一绝热层(10)适于围合形成所述低压液氢储罐(1)的内腔；

所述低压氢气室(21)包括第二绝热层(210)，所述第二绝热层(210)适于围合形成所述低压氢气室(21)的内腔；

所述高压液氢室(22)包括第三绝热层(220)，所述第三绝热层(220)适于围合形成所述高压液氢室(22)的内腔；

所述液氢收集罐(3)包括第四绝热层(30)，所述第四绝热层(30)适于围合形成所述液氢收集罐(3)的内腔；

所述高压氢气室(41)包括第五绝热层(410)，所述第五绝热层(410)适于围合形成所述高压氢气室(41)的内腔；

所述液态二氧化碳室(42)包括第六绝热层(420)，所述第六绝热层(420)适于围合形成所述液态二氧化碳室(42)的内腔；

所述高压气氢储罐(5)包括第七绝热层(50)，所述第七绝热层(50)适于围合形成所述高压气氢储罐(5)的内腔。

12.根据权利要求1-7中任意一项所述的液氢氢气化站能量补偿系统，其特征在于，所述低压液氢储罐(1)上还开设有液氢增压出口(13)；所述高压液氢室(22)上开设有高压液氢预热入口(221)和高压液氢预热出口(222)；所述高压氢气室(41)上开设有高压氢汽化入口(411)与高压氢汽化出口(412)；所述高压气氢储罐(5)上开设有高压气氢进口(51)和高压气氢出口(52)；

所述高压液氢预热入口(221)适于与所述液氢增压出口(13)相连通，所述高压液氢预热出口(222)适于与所述高压氢汽化入口(411)相连通，所述高压氢汽化出口(412)适于与所述高压气氢进口(51)相连通。

13.根据权利要求12所述的液氢氢气化站能量补偿系统，其特征在于，所述高压液氢预热入口(221)与所述液氢增压出口(13)之间设置有一级液氢增压泵(24)，所述一级液氢增压泵(24)适于对来自所述液氢增压出口(13)的液氢进行一级增压并经由所述高压液氢预热入口(221)泵入所述高压液氢室(22)内；

所述高压液氢预热出口(222)与所述高压氢汽化入口(411)之间设置有二级液氢增压泵(25)，所述二级液氢增压泵(25)适于对来自所述高压液氢预热出口(222)的液氢进行二级增压并经由所述高压氢汽化入口(411)泵入所述高压氢气室(41)内。

14.根据权利要求1-7中任意一项所述的液氢氢气化站能量补偿系统，其特征在于，所述液态二氧化碳室(42)上开设有第一液态二氧化碳入口(421)与第一液态二氧化碳出口(422)；

所述低温换热器(6)上开设有第二液态二氧化碳进口(61)与第二液态二氧化碳出口(62)；

所述第一液态二氧化碳入口(421)适于与所述第二液态二氧化碳出口(62)相连通，所述第一液态二氧化碳出口(422)适于与所述第二液态二氧化碳进口(61)相连通。

15.根据权利要求14所述的液氢氢气化站能量补偿系统，其特征在于，所述第一液态二氧化碳出口(422)与所述第二液态二氧化碳进口(61)之间设置有三通阀(63)，所述三通阀(63)的其中两个端口分别与所述第一液态二氧化碳出口(422)与所述第二液态二氧化碳进口(61)相连接，另外的端口与供冷口(64)相连接。

16.一种如上述权利要求1-15中任意一项所述的液氢氢气化站能量补偿系统的工作方法，其特征在于，包括：

低压液氢储罐(1)内汽化的氢气经过氢气循环压缩机(14)泵入低压氢气室(21)内，磁棒(231)进入低压氢气室(21)内并释放冷量，使得存储于低压氢气室(21)内的氢气液化，低压氢气室(21)内压力降低乃至产生负压并连续由低压液氢储罐(1)吸入氢气，液化后的液氢排入液氢收集罐(3)内存储，当达到足够量时启动液氢循环泵(15)以将液氢泵回至低压液氢储罐(1)中，完成储液氢蒸发气体回收循环；

低压液氢储罐(1)内的液氢经由一级液氢增压泵(24)一级增压后存储于高压液氢室(22)内，磁棒(231)进入高压液氢室(22)内被磁场励磁并放热，以对高压液氢室(22)内的液氢进行预热，预热后的液氢经由二级液氢增压泵(25)二级增压后存储于高压氢气室(41)内，通过斯特林机(43)的冷端舱室(433)进行吸热汽化，存储于高压气氢储罐(5)内，完成液氢汽化循环；

液态二氧化碳存储于液态二氧化碳室(42)内，当有冷负荷时液态二氧化碳通过供冷口(64)将冷量输送至冷负荷需求点，当冷负荷不足以消纳该冷量时启动低温换热器(6)将冷量排向大气。

17.根据权利要求16所述的液氢氢气化站能量补偿系统的工作方法，其特征在于，当低压液氢储罐(1)管内压力恢复到正常运行水平或略低于常压时关闭低压液氢储罐(1)与低压氢气室(21)之间的通路。

18.根据权利要求16所述的液氢氢气化站能量补偿系统的工作方法，其特征在于，液态二氧化碳在液态二氧化碳室(42)内的运行压力为P，P满足7MPa≤P≤10MPa，运行温度为T，T满足-50℃≤T≤-30℃。