CN118242551A - 一种储氢型加氢装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种储氢型加氢装置，包括液氢储罐、增压器、液氢汽化系统、顺序控制储氢瓶组、第一加氢换热系统；液氢储罐的出口与增压器的入口连接，增压器的出口与液氢汽化系统的入口连接；液氢汽化系统包括具有第一氢气温度的第一出气口和具有第二氢气温度的第二出气口，第一氢气温度低于第二氢气温度，顺序控制储氢瓶组的第一进气口与第二出气口连接；第一加氢换热系统包括第一加氢管路和第一冷却管路，第一加氢管路的入口与顺序控制储氢瓶组的出口连接，第一加氢管路的出口连接有第一加氢机，第一冷却管路的入口与第一出气口连接，第一冷却管路的出口与顺序控制储氢瓶组的第二进气口连接。

Description

一种储氢型加氢装置

技术领域

本发明涉及加氢装置技术领域，特别是一种储氢型加氢装置。

背景技术

目前，加氢站主要分为高压气体加氢站和液氢站。与高压气体加氢站相比，液氢站具有储氢能力更高、运输及装卸效率更高、投资成本更低、氢纯度更高等显著优势。

基于液态储氢气态加氢的工作原理，液氢站主要设备有液氢储存容器、高压液氢泵、高压汽化器(或汽化器及压缩机组)、储氢压力容器、管道、阀门等，实现站内液氢低压储存和高压氢气加注功能。

目前，液氢加氢站主要的流程为增压、汽化、高压存储、加氢，液氢运输罐车将液氢送至加氢站的液氢储存容器中，作为加氢站的氢源。液氢储存容器中的低压液氢经高压液氢泵增压，然后进入汽化器相变换热为高压氢气存储于储氢压力容器中，随后进入末端加氢机向燃料电池汽车加注氢气。

氢气加注会因节流效应而产生温升，为提高氢气加注速度和加注量，高压储氢瓶组和加氢机之间配置氢气冷却器，但该部分冷量需要由外界提供，通常是使用冷冻机组为氢气冷却器提供冷量，该做法的缺陷是增加额外制冷的功耗，而液氢本身的冷量在高压汽化器处被耗散，没有得到利用。

现有液氢冷量回收方案主要有：(1)增压后的液氢与气态储氢容器中的气氢进行混合，直接调配出需要温度的氢气，但该方案气液混合调配难度极大，不易控制。(2)增压液氢后液氢直接进入换热器中，将冷量传递给第三方冷媒，在通过第三方冷媒去冷却后续热流体。该方案需要额外引入冷媒，间接换热增加了冷量的损失，同时液氢温度过低，冷媒温度不易控制。(3)增压后一部分液氢直接进入加氢换热器，直接对进入加氢机的氢气进行冷却，但是液氢温度为-253℃左右，而进入加氢机的氢气温度为-20℃～0℃左右，并且氢气加注过程中，流量会因为储氢瓶组中压力下降而处于波动状态，加氢机中氢气的温度极易受液氢流量波动的影响，巨大的温差以及氢气本身流量波动，意味着液氢流量要处于调节状态来满足加氢机预设温度，使该方案中氢气的冷却温度难以控制。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于至少克服现有技术的部分不足，提供一种储氢型加氢装置，通过为液氢汽化系统设置具有第一氢气温度的第一出气口和具有第二氢气温度的第二出气口，再利用具有第一氢气温度的氢气为第一加氢换热系统提供冷量，既可以实现不需要额外设置冷冻机组的目的，还可以避免出现直接使用过冷的氢气提供冷量时造成温度调节失调或者冷脆等问题。

为解决上述技术问题，本发明采用技术方案的基本构思是：

一种储氢型加氢装置，包括液氢储罐、增压器、液氢汽化系统、顺序控制储氢瓶组、第一加氢换热系统；

所述液氢储罐的出口与所述增压器的入口连接，所述增压器的出口与所述液氢汽化系统的入口连接；

所述液氢汽化系统包括具有第一氢气温度的第一出气口和具有第二氢气温度的第二出气口，所述第一氢气温度低于所述第二氢气温度，所述顺序控制储氢瓶组的第一进气口与所述第二出气口连接；

所述第一加氢换热系统包括第一加氢管路和第一冷却管路，所述第一加氢管路的入口与所述顺序控制储氢瓶组的出口连接，所述第一加氢管路的出口连接有第一加氢机，所述第一冷却管路的入口与所述第一出气口连接，所述第一冷却管路的出口与所述顺序控制储氢瓶组的第二进气口连接。

在一些实施方式中，所述液氢汽化系统包括一级汽化系统和二级汽化系统，所述一级汽化系统的入口与所述增压器的出口连接，所述一级汽化系统的出口分别与所述第一出气口和所述二级汽化系统的入口连接，所述二级汽化系统的出口与所述第二出气口连接；

所述一级汽化系统的出口与所述二级汽化系统的入口之间的连接管路上设置有第一开关阀，所述冷却管路的入口与所述第一出气口的连接管路上设置有第二开关阀；

所述第一开关阀与所述第二开关阀择一打开。

在一些实施方式中，所述一级汽化系统和所述二级汽化系统中分别包括至少一个液氢汽化器。

在一些实施方式中，所述液氢汽化器采用高压空温式汽化器。

在一些实施方式中，所述第二氢气温度为预设的标准温度，所述第一氢气温度与所述第二氢气温度的温差范围为-170℃～-210℃。

在一些实施方式中，所述液氢储罐与所述顺序控制储氢瓶组之间还连接有BOG回收系统，用于回收所述液氢储罐因漏热产生的低压氢气。

在一些实施方式中，储氢型加氢装置还包括第二加氢换热系统；

所述第二加氢换热系统包括第二加氢管路和第二冷却管路，所述第二加氢管路的入口与所述顺序控制储氢瓶组的出口连接，所述第二加氢管路的出口连接有第二加氢机，所述第二冷却管路的入口与所述第一出气口连接，所述第二冷却管路的出口与所述顺序控制储氢瓶组的第二进气口连接。

在一些实施方式中，所述第一加氢机与所述第二加氢机的额定工作压力相同。

在一些实施方式中，所述第一加氢机与所述第二加氢机的额定工作压力为35Mpa。

在一些实施方式中，所述顺序控制储氢瓶组包括顺序控制盘和多个并联设置的储氢瓶。

采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比具有以下有益效果。

本发明提供的储氢型加氢装置，在液氢汽化阶段采用分级汽化的方式，为液氢汽化系统设置具有第一氢气温度的第一出气口和具有第二氢气温度的第二出气口，再利用具有第一氢气温度的氢气为第一加氢换热系统提供冷量，复温后的氢气直接进入顺序控制储氢瓶组，不仅可以实现既可以实现避免液氢冷量的浪费的目的，还可以实现不需要额外设置冷冻机组的目的，以及可以避免出现直接使用过冷的氢气提供冷量时造成温度调节失调或者冷脆等问题。

附图说明

附图作为本发明的一部分，用来提供对本发明的进一步的理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。显然，下面描述中的附图仅仅是一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，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附图。在附图中：

图1是根据本发明示例性实施方式提供的储氢型加氢装置的示意图；

图2是图1中的A处局部放大图。

图中：1、液氢储罐；2、增压器；3、一级汽化系统；4、第一开关阀；41、第一连接管路；5、第二开关阀；6、第三开关阀；61、第二连接管路；7、二级汽化系统；8、顺序控制储氢瓶组；9、第一加氢换热系统；91、第一加氢管路；92、第一冷却管路；10、第二加氢换热系统；101、第二加氢管路；102、第二冷却管路；11、第一加氢机；12、第二加氢机；13、BOG回收系统。

需要说明的是，这些附图和文字描述并不旨在以任何方式限制本发明的构思范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念。

具体实施方式

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，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”“下”“前”“后”“左”“右”“竖直”“水平”“内”“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”“相连”“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1示出了根据本发明示例性实施方式提供的储氢型加氢装置的结构，图2示出了图1中的A处结构的局部放大图。

如图1和图2所示，储氢型加氢装置包括液氢储罐1、增压器2、液氢汽化系统、顺序控制储氢瓶组8、第一加氢换热系统9。所述液氢储罐1的出口与所述增压器2的入口连接，所述增压器2的出口与所述液氢汽化系统的入口连接。所述液氢汽化系统包括具有第一氢气温度的第一出气口和具有第二氢气温度的第二出气口，所述第一氢气温度低于所述第二氢气温度，所述顺序控制储氢瓶组8的第一进气口与所述第二出气口连接。所述第一加氢换热系统9包括第一加氢管路91和第一冷却管路92，所述第一加氢管路91的入口与所述顺序控制储氢瓶组8的出口连接，所述第一加氢管路91的出口连接有第一加氢机11，用于为用氢终端加注氢气，所述第一冷却管路92的入口与所述第一出气口连接，所述第一冷却管路92的出口与所述顺序控制储氢瓶组8的第二进气口连接。上述的用氢终端例如可以为车辆的氢燃料电池。

具体而言，当第一加氢机11关闭时，液氢储罐1中的低压液氢经增压器2增压至预设压力之后，进入液氢汽化系统进行汽化，汽化至第二氢气温度时，复温后的高压氢气储存至顺序控制储氢瓶组8中。当第一加氢机11打开为用氢终端加注氢气时，顺序控制储氢瓶组8中的高压氢气进入第一加氢换热系统9的第一加氢管路91中。与此同时，液氢储罐1中的低压液氢经增压器2增压至预设压力之后，进入液氢汽化系统进行汽化，汽化至第一氢气温度之后进入第一加氢换热系统9的第一冷却管路92中，利用未完全复温的高压冷氢气对第一加氢管路91中的氢气进行冷却。第一加氢管路91中经过冷却的氢气进入第一加氢机11为用氢终端加注氢气。第一冷却管路92中复温后的氢气储存至顺序控制储氢瓶组8中。

所述第二氢气温度为预设的标准温度，例如根据当地环境温度设置的一个与环境温度近似的数值，所述第一氢气温度与所述第二氢气温度的温差范围为-170℃～-210℃。优选地，所述第一氢气温度为-150℃。

液氢储罐1中的低压液氢可以维持在0.5Mpa左右，而低压液氢经增压器2增压后的预设压力可以维持在45Mpa左右。

上述方案中，在液氢汽化阶段采用分级汽化的方式，为液氢汽化系统设置具有第一氢气温度的第一出气口和具有第二氢气温度的第二出气口，再利用具有第一氢气温度的氢气为第一加氢换热系统9提供冷量，复温后的氢气直接进入顺序控制储氢瓶组8，不仅可以实现避免液氢冷量的浪费的目的，还可以实现不需要额外设置冷冻机组的目的，减少了设备和冷媒的投入，节省了能耗。

此外，根据国家标准GB/T 35544-2017《车用压缩氢气铝内胆碳纤维全缠绕气瓶》中对加注氢气的目标温度要求可知，一般车载储气瓶的温度要求为-40℃～85℃，而加氢机的氢气温度一般为-20℃～0℃左右。因此，利用分级汽化氢气的冷量，而不是直接利用液氢的冷量，可以避免出现直接使用过冷的氢气提供冷量时，因液氢温度过低而导致待冷却流体的温度不可控，冷却后低于车载储气瓶的温度要求的情况。此外，直接使用过冷的氢气对后级设备的要求较高，否则容易使后级设备出现冷脆等问题，影响储氢型加氢装置的安全性。

作为示例，增压器2采用适用于超低温环境下的液氢增压泵。

在一些实施方式中，所述顺序控制储氢瓶组8包括顺序控制盘和多个并联设置的储氢瓶。多个并联设置的储氢瓶包括按照预设数量设置的高压储氢瓶、中压储氢瓶以及低压储氢瓶。

在一些实施方式中，所述液氢储罐1与所述顺序控制储氢瓶组8之间还连接有BOG回收系统13，用于回收所述液氢储罐1因漏热产生的低压氢气，提高液氢储罐1中的液氢的使用率降低。

这是由于，在液氢储罐1贮存液氢的过程中，液氢储罐1的静态蒸发率一般可达到0.50％/d，液氢需要在极低的温度下才能保持液化，因此液氢自身极易气化而在液氢储罐1中形成较多的BOG(Boil-Off Gas蒸发气体，简称BOG)，这些BOG若外泄或留存在液氢储罐1中，将无法对燃料电池汽车进行后续的加注，也就不易被燃料电池汽车有效使用，使得液氢储罐1中的液氢的使用率降低。

作为示例，BOG回收系统13包括压缩机、复温器等，液氢储罐1因漏热产生的低压氢气经压缩机、复温器等增压复温后储存在顺序控制储氢瓶组8中。

在一些实施方式中，如图1和图2所示，所述液氢汽化系统包括一级汽化系统3和二级汽化系统7，所述一级汽化系统3的入口与所述增压器2的出口连接，所述一级汽化系统3的出口分别与所述第一出气口和所述二级汽化系统7的入口连接，所述二级汽化系统7的出口与所述第二出气口连接。所述第一冷却管路92的入口与所述第一出气口之间的第一连接管路41上设置有第一开关阀4，所述一级汽化系统3的出口与所述二级汽化系统7的入口之间的连接管路上设置有第二开关阀5。所述第一开关阀4与所述第二开关阀5择一打开。

详细地，在第一加氢机11关闭时，与之相对应的，设置在第一冷却管路92的入口与第一出气口之间的连接管路上的第一开关阀4关闭，而设置在一级汽化系统3的出口与二级汽化系统7的入口之间的连接管路上设置的第二开关阀5则打开，使在经过一级汽化系统3中未完全复温的高压冷氢气进入二级汽化系统7进一步汽化复温。在第一加氢机11打开时，与之相对应的，设置在第一冷却管路92的入口与第一出气口之间的连接管路上的第一开关阀4打开，利用在经过一级汽化系统3中未完全复温的高压冷氢气对第一加氢管路91中的氢气进行冷却，而设置在一级汽化系统3的出口与二级汽化系统7的入口之间的连接管路上设置的第二开关阀5则关闭。

上述方案中，采用开关阀控制第一冷却管路92的入口与第一出气口之间的第一连接管路41以及一级汽化系统3的出口与二级汽化系统7的入口之间的连接管路通断，如此相对于采用调节阀，可以避免流量调节引起热量的波动，导致第一加氢管路91中待冷却的氢气的温度不可控。

在一些实施方式中，所述一级汽化系统3和所述二级汽化系统7中分别包括至少一个液氢汽化器。作为示例，当所述一级汽化系统3和所述二级汽化系统7中分别包括至少两个液氢汽化器时，至少两个液氢汽化器采用串联的方式连接。

上述的液氢汽化器可以采用高压空温式汽化器。高压空温式汽化器采用翅片管式汽化器，翅片管式汽化器的换热介质采用空气。工作时通过空气与液氢自然对流换热。

在一些实施方式中，如图1和图2所示，储氢型加氢装置还包括第二加氢换热系统10，所述第二加氢换热系统10包括第二加氢管路101和第二冷却管路102，所述第二加氢管路101的入口与所述顺序控制储氢瓶组8的出口连接，所述第二加氢管路101的出口连接有第二加氢机12，所述第二冷却管路102的入口与所述第一出气口连接，所述第二冷却管路102的入口与所述第一出气口之间的第二连接管路61上设置有第三开关阀6，所述第二冷却管路102的出口与所述顺序控制储氢瓶组8的第二进气口连接。

需要指出的是，所述第三开关阀6与所述第二开关阀5同样为择一打开，但是所述第三开关阀6可以与第一开关阀4同时打开，以采用第一加氢机11和第二加氢机12同时为不同的用氢终端加注氢气。

详细地，在第二加氢机12关闭时，与之相对应的，设置在第二冷却管路102的入口与第一出气口之间的连接管路上的第三开关阀6关闭，而设置在一级汽化系统3的出口与二级汽化系统7的入口之间的连接管路上设置的第二开关阀5则打开，使在一级汽化系统3中未完全复温的高压冷氢气进入二级汽化系统7进一步汽化复温。在第二加氢机12打开时，与之相对应的，设置在第二冷却管路102的入口与第一出气口之间的连接管路上的第三开关阀6打开，利用在一级汽化系统3中未完全复温的高压冷氢气对第二加氢管路101中的氢气进行冷却，而设置在一级汽化系统3的出口与二级汽化系统7的入口之间的连接管路上设置的第二开关阀5则关闭。

在第一加氢机11和第二加氢机12同时打开时，与之相对应的，设置在一级汽化系统3的出口与二级汽化系统7的入口之间的连接管路上设置的第二开关阀5则关闭，而设置在第一冷却管路92的入口与第一出气口之间的第一连接管路41上的第一开关阀4和设置在第二冷却管路102的入口与第一出气口之间的第二连接管路61上的第三开关阀6打开，利用未完全复温的高压冷氢气对第一加氢管路91和第二加氢管路101中的氢气进行冷却。

作为示例，所述第一加氢机11与所述第二加氢机12的额定工作压力相同。例如，所述第一加氢机11与所述第二加氢机12同为35MPa加氢机或者70MPa加氢机。如此也可避免因适应不同工作压力而调节氢气流量所引起的热量波动，导致第一加氢管路91以及第二加氢管路101中待冷却的氢气的温度不可控。

上述的第一连接管路41和第二连接管路61采用带保温层的真空绝热管线，以降低漏热。

下面以第一加氢换热系统9为例对本发明提供的储氢型加氢装置进行热量核算。

假设所述第一加氢机11的流量为3kg/min，第一加氢管路91的入口处氢气温度为30℃，第一加氢管路91为第一加氢机11提供的氢气温度为-10℃，如此可以核算出将第一加氢管路91的入口处氢气从30℃降低至-10℃所需要的热负荷为29kW。假设第一冷却管路92中的氢气流量为600Nm³/h，一级汽化系统3为第一冷却管路92提供的冷流体的温度为-150℃，那么第一冷却管路92中的氢气由-150℃复温至-10℃时，所能提供的冷量可达30kW，完全可以覆盖第一加氢管路91所需要的热负荷。

如果不采用本发明的上述方案，而采用冷冻机组或者冷水机组的方式对氢气进行预冷却，因为压缩机和泵的运行，会造成几乎同等程度的电能损耗，对于1200kh/12h的加氢站，相当于300kWh/d的电能损耗。

以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本发明的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明方案的范围内。

Claims (10)

1.一种储氢型加氢装置，其特征在于，包括液氢储罐、增压器、液氢汽化系统、顺序控制储氢瓶组、第一加氢换热系统；

所述液氢储罐的出口与所述增压器的入口连接，所述增压器的出口与所述液氢汽化系统的入口连接；

所述液氢汽化系统包括具有第一氢气温度的第一出气口和具有第二氢气温度的第二出气口，所述第一氢气温度低于所述第二氢气温度，所述顺序控制储氢瓶组的第一进气口与所述第二出气口连接；

所述第一加氢换热系统包括第一加氢管路和第一冷却管路，所述第一加氢管路的入口与所述顺序控制储氢瓶组的出口连接，所述第一加氢管路的出口连接有第一加氢机，所述第一冷却管路的入口与所述第一出气口连接，所述第一冷却管路的出口与所述顺序控制储氢瓶组的第二进气口连接。

2.根据权利要求1所述的储氢型加氢装置，其特征在于，

所述液氢汽化系统包括一级汽化系统和二级汽化系统，所述一级汽化系统的入口与所述增压器的出口连接，所述一级汽化系统的出口分别与所述第一出气口和所述二级汽化系统的入口连接，所述二级汽化系统的出口与所述第二出气口连接；

所述第一冷却管路的入口与所述第一出气口的连接管路上设置有第一开关阀，所述一级汽化系统的出口与所述二级汽化系统的入口之间的连接管路上设置有第二开关阀；

所述第一开关阀与所述第二开关阀择一打开。

3.根据权利要求2所述的储氢型加氢装置，其特征在于，

所述一级汽化系统和所述二级汽化系统中分别包括至少一个液氢汽化器。

4.根据权利要求3所述的储氢型加氢装置，其特征在于，

所述液氢汽化器采用高压空温式汽化器。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的储氢型加氢装置，其特征在于，

所述第二氢气温度为预设的标准温度，所述第一氢气温度与所述第二氢气温度的温差范围为-170℃～-210℃。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的储氢型加氢装置，其特征在于，

所述液氢储罐与所述顺序控制储氢瓶组之间还连接有BOG回收系统，用于回收所述液氢储罐因漏热产生的低压氢气。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的储氢型加氢装置，其特征在于，还包括第二加氢换热系统；

所述第二加氢换热系统包括第二加氢管路和第二冷却管路，所述第二加氢管路的入口与所述顺序控制储氢瓶组的出口连接，所述第二加氢管路的出口连接有第二加氢机，所述第二冷却管路的入口与所述第一出气口连接，所述第二冷却管路的出口与所述顺序控制储氢瓶组的第二进气口连接。

8.根据权利要求7所述的储氢型加氢装置，其特征在于，

所述第一加氢机与所述第二加氢机的额定工作压力相同。

9.根据权利要求8所述的储氢型加氢装置，其特征在于，

所述第一加氢机与所述第二加氢机的额定工作压力为35Mpa。

10.根据权利要求1至4中任一项所述的储氢型加氢装置，其特征在于，

所述顺序控制储氢瓶组包括顺序控制盘和多个并联设置的储氢瓶。