CN217422950U - 一种带蒸发气回收的外增压式燃料电池用液氢增压供给系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于液氢供给装置，具体涉及一种带蒸发气回收的外增压式燃料电池用液氢增压供给系统，液氢罐的液氢出口连接主路，主路上包括依次连接有液氢泵池、液氢气化器、氢气缓冲罐；液氢泵池包括并联的液氢泵池一和液氢泵池二；液氢罐的气氢回路出口连接辅路，辅路上依次连接辅路氢气加热器、辅路氢气缓冲小瓶组、辅路小型压缩机、辅路高压储氢瓶组；氢气缓冲罐分别连接供氢系统出口和辅路高压储氢瓶组；液氢泵池还分别连接高压氢气罐、辅路氢气加热器；高压氢气罐还与辅路高压储氢瓶组连接。本实用新型提供降低成本和风险；可以对回收的液氢罐氢气进行储存；可以适应下游燃料电池耗氢量的随时变化。

Description

一种带蒸发气回收的外增压式燃料电池用液氢增压供给系统

技术领域

本实用新型属于液氢供给装置，具体涉及一种带蒸发气回收的外增压式燃料电池用液氢增压供给系统。

背景技术

氢能因为其清洁无污染(如氢燃料电池反应只生成水)，成为脱碳的能源必然之选。

氢能的应用状态主要分为液氢(液态)和氢气(气态)两种。因为常温常压气态氢密度很小，所以对于氢气而言，要在一定体积下储存大量氢，只有提高氢气的储存压力，比如车载储氢瓶的压力为35MPa(20℃时密度为23.7kg/m³)或70MPa(20℃时密度为39.7kg/m³)。相比之下，液氢在-253℃时，密度可达到70.8kg/m³，且存储压力只有数公斤，也相对安全。因此，液态供储氢也是目前研究应用的热点。

液氢在应用时的一个要点就是增压。无论是加氢站加氢，还是下游直接应用燃料电池，所需要的都是一定压力的气态氢。

把几公斤压力的液氢升压为几兆帕甚至几十兆帕，常见的方法有以下两种：

(1)在液氢罐后面配置液氢泵，或者在液氢罐内配置液氢潜液泵，直接将液氢增压到需要的压力，然后再气化为氢气；而且，目前，工程中缺乏变流量、频繁启停的液氢泵；

(2)液氢气化为氢气后，在气化器之后配置氢气压缩机，将气态氢增压到所需压力。

以上两种都是采用压缩机的方式，当所需氢气量较大时，需要消耗大量电能来维持压缩机的工作，对于燃料电池系统而言，这样也缩减了燃料电池发电的实际可用电量。

液氢在应用时的第二个要点就是罐内气态氢的回收。液氢罐总存在一定数值的日蒸发率，当液氢罐在静止不用仍有残余液氢时，内部液氢会慢慢蒸发，导致罐压升高。如果没有蒸发气回收体系，当罐压达到安全阀排放压力值，就通过安全阀进行排放，导致氢气浪费。

要既实现主路较大流量氢介质的增压功能、辅路液氢罐蒸发气回收功能，又达到节能目的，三者结合，是需要进行考虑和研究的。

中国专利申请号201810832481.0的专利，公开了一种液氢气化及自增压装置。为了省去氢气压缩机而达到10-200MPa，其中一种方式是需要一个高压储氢气罐，必须满足足够的压力，然后可以向液氢储存罐充高压氢气，直到液氢罐压力高于它下游的汽化器压力，才停止，此时液氢储存罐才能通过压差来往汽化器压入液氢，把汽化器的盛放液氢的空间充满。其中，此汽化器是实现增压的关键装置和源头装置。在此专利中，无论是液氢储存罐，还是高压储氢气罐，还是汽化器本身，其高压的实现是通过汽化器自身所存液氢气化憋压过程来实现。既带液氢储存功能，又带气化功能，且憋压压力很高。但是，在目前，在国内，这种带增压功能的液氢汽化器还没有在工程领域成熟应用。当高压液氢储存罐的压力超压时，安全阀打开进行泄压。

中国专利申请号201721362319.4的专利，公开了一种车载自增压低温液氢供气系统。其液氢罐采用的增压方法有两路：一路是从液氢罐出液口出来的液氢经过换热装置气化成氢气充入液氢罐气相空间增压，另一路是从液氢罐出液口出来的液氢往下游水浴式汽化器走，其中一部分气化后的氢气再返回液氢罐气相空间，也进行增压。这种增压方式避免了采用液氢泵而产生的额外的电能消耗，具有节能的优点。液氢罐压力一旦快达到安全阀起跳压力，会通过一路支路引入下游水浴式汽化器加温后供给下游，相当于回收了液氢罐的多余氢气，保持液氢罐压力和不泄放状态。但是该液氢罐成本高，而且一般体积较大，两路增压都回到液氢罐，增加了液氢罐的复杂程度；另外一旦下游燃料电池不工作，不消耗氢气，那么，回收的液氢罐氢气无处存放，仅靠缓冲罐存放非常有限。

实用新型内容

本实用新型提供一种带蒸发气回收的外增压式燃料电池用液氢增压供给系统，采用工程上应用较多的各类设备，避免采用技术不成熟产品，降低成本和风险；不改动液氢罐的常规管路设计，可以对回收的液氢罐氢气进行储存；可以适应下游燃料电池耗氢量的随时变化。

一种带蒸发气回收的外增压式燃料电池用液氢增压供给系统，包括：

液氢罐的液氢出口连接主路，主路上包括依次连接有液氢泵池、液氢气化器、氢气缓冲罐；液氢泵池包括并联的液氢泵池一和液氢泵池二；

液氢罐的气氢回路出口连接辅路，辅路上依次连接辅路氢气加热器、辅路氢气缓冲小瓶组、辅路小型压缩机、辅路高压储氢瓶组；

氢气缓冲罐分别连接供氢系统出口和辅路高压储氢瓶组；

液氢泵池还分别连接高压氢气罐、辅路氢气加热器；

高压氢气罐还与辅路高压储氢瓶组连接。

液氢泵池一的泵池一号进口设有一号自动开关阀，泵池一号出口设有二号自动开关阀；

液氢泵池二的泵池二号进口设有三号自动开关阀，泵池二号出口设有四号自动开关阀；

液氢泵池一的泵池三号进口设有五号自动开关阀，泵池三号出口设有六号自动开关阀；

液氢泵池二的泵池四号进口设有七号自动开关阀，泵池四号出口设有八号自动开关阀；

六号自动开关阀、八号自动开关阀分别连接辅路氢气加热器；

液氢罐的气氢回路出口设有九号自动开关阀；

高压氢气罐通过压力控制阀分别与五号自动开关阀、七号自动开关阀连接；

高压氢气罐和辅路高压储氢瓶组的连接管路上设有针阀；

氢气缓冲罐和辅路高压储氢瓶组的连接管路上设有减压阀、自动开关阀。

本实用新型技术方案带来的有益效果：

在本实用新型中，在主路，液氢泵池中的液氢是由高压氢气罐储存的高压氢气在减压后压入液氢泵池进行增压，并通过两液氢泵池轮流工作来保持往下游的连续供液氢，从而取代了主路液氢泵或者主路大流量氢气压缩机，达到降低能耗的目的；

在本实用新型中，所用液氢泵池为竖式圆柱式、带真空层的不锈钢容器，在低温行业应用较多；所用的主路液氢汽化器为常规水浴式液氢汽化器，竖式圆柱式盛水容器、内有液氢盘管，为常规低温气化设备；通过合理的工艺流程将这些设备组合应用，降低了技术风险，也节约了采用新型高压容器装备所要进行的研发时间和成本；

在本实用新型中，将液氢罐中的蒸发氢气引入辅路，经过辅路氢气加热器、辅路氢气缓冲小瓶组、辅路小型压缩机，增压后回收储存至辅路高压储氢瓶组；避免了液氢罐不工作时由于蒸发压上升通过开启安全阀和经泄放阀泄放造成氢气的浪费；

当供氢系统下游后面是燃料电池时，在实际使用过程中，其功率是变化的，耗氢量也是变化的。供氢系统主路是由具有一定压力的气氢推压液氢的增压原理，使得可以做到无论下游耗氢量怎样变化，供氢系统主路都可以采用补压的原理来补充下游消耗的氢气。

附图说明

图1是本实用新型结构示意图。

具体实施方式

结合附图说明本实用新型的技术方案。

如图1所示，一种带蒸发气回收的外增压式燃料电池用液氢增压供给系统，包括：

液氢罐1的液氢出口f连接主路，主路上包括依次连接有液氢泵池、液氢气化器5、氢气缓冲罐6；液氢泵池包括并联的液氢泵池一2和液氢泵池二3；

液氢罐1的气氢回路出口e连接辅路，辅路上依次连接辅路氢气加热器7、辅路氢气缓冲小瓶组8、辅路小型压缩机9、辅路高压储氢瓶组10；

氢气缓冲罐6分别连接供氢系统出口g和辅路高压储氢瓶组10；

液氢泵池还分别连接高压氢气罐4、辅路氢气加热器7；

高压氢气罐4还与辅路高压储氢瓶组10连接；

液氢泵池一2的泵池一号进口a1设有一号自动开关阀V1，泵池一号出口b1设有二号自动开关阀V2；

液氢泵池二3的泵池二号进口a2设有三号自动开关阀V3，泵池二号出口b2设有四号自动开关阀V4；

液氢泵池一2的泵池三号进口c1设有五号自动开关阀V5，泵池三号出口d1设有六号自动开关阀V6；

液氢泵池二3的泵池四号进口c2设有七号自动开关阀V7，泵池四号出口d2设有八号自动开关阀V8；

六号自动开关阀V6、八号自动开关阀V8分别连接辅路氢气加热器7；

液氢罐1的气氢回路出口e设有九号自动开关阀V9；

高压氢气罐4通过压力控制阀v10分别与五号自动开关阀V5、七号自动开关阀V7连接；

高压氢气罐4和辅路高压储氢瓶组10的连接管路上设有针阀V12；

氢气缓冲罐6和辅路高压储氢瓶组10的连接管路上设有减压阀V11、自动开关阀V13。

P1——液氢罐1工作压力；

P2——液氢泵池初始压力；

P3——高压氢气罐4压力；

P4——高压氢气罐4减压后，往液氢泵池输入的压力；

P5——液氢罐1不工作时，液氢罐1低温氢气向辅路排放时的蒸汽压力；

P6——辅路小型压缩机9出口的增压压力；

P7——液氢泵池的最低压力；

△P——从液氢气化器5到供氢系统出口g的压力损耗；

P4-△P——供氢系统出口g压力；

P2<P1，以保证液氢罐1可以在液氢泵池最低压时，往里充液氢；

当液氢泵池内液氢达到最高位后，停止充液，此时，液氢泵池压力达到P1；

P3>P4，P4为P3减压以后供给液氢泵池的氢气压力；

P4>P1，使得从高压氢气罐4减压后向液氢泵池充入氢气，达到液氢泵池增压效果，从压力P1增压至P4；

当液氢泵池内液位达到最低，辅路小型压缩机9启动，使此液氢泵池的氢气被吸出，存至辅路高压储氢瓶组10，液氢泵池的压力从P4降为P7；

P7<P1，以保证液氢罐1液氢能够压入液氢泵池中。

供氢系统主要分为两路：液氢主路和蒸发氢气辅路即回收支路。

液氢主路配置：液氢罐1连接两个并联的液氢泵池，然后汇总至液氢气化器5，再到达氢气缓冲罐6，到达供氢系统出口g，以便供给下游燃料电池系统使用；

蒸发氢气辅路配置：液氢罐1连接辅路氢气加热器7，经过辅路氢气缓冲小瓶组8到达辅路小型压缩机9，最后到辅路高压储氢瓶组10。

工作过程：

当液氢罐1工作时，液氢罐1压力为P1的液氢从液氢出口f流出，充装到两个液氢泵池中的一个。充装完液氢的液氢泵池，在液氢泵池一2的泵池三号进口c1或液氢泵池二3的泵池四号进口c2进入的加压的氢气(压力P4)作用下，使此液氢泵池液氢压力达到所需压力P4后，进入下游液氢气化器5气化为常温氢气，再充入氢气缓冲罐6后，到达供氢系统出口g；

当液氢罐1不工作时，内部会因为液氢蒸发率的存在而使得有少量氢气蒸发，导致液氢罐 1压力升高。当压力大于工作压力，小于安全阀起跳压力的一个值P5，此时打开辅路的九号自动开关阀V9，并开启辅路小型压缩机9，使液氢罐1低温氢气释放到辅路管路，经过辅路氢气加热器7进行升温以后，再经过辅路氢气缓冲小瓶组8，经过辅路小型压缩机9压缩至一个较高压力P6，例如15MPa，存放到辅路高压储氢瓶组10中。

当辅路高压储氢瓶组10充满以后，同时当高压氢气罐4氢气消耗较大压力较低时，可将辅路高压储氢瓶组10中的氢气充入高压氢气罐4中；当下游燃料电池再次工作开始消耗供氢系统的氢气，可先将辅路高压储氢瓶组10中剩余的氢气减压后汇到主路，供给下游燃料电池，待达到最低压力时，停止供给。这样，便于再次对辅路高压储氢瓶组10进行充装。

为了实现从上游连续往液氢汽化器供液氢的目的，两液氢泵池的工作流程如下：

第一步，初始状态，两液氢泵池都为空。打开V1阀，液氢从液氢罐1的液氢出口f流入液氢泵池一2的泵池一号进口a1，对液氢泵池一2进行充液氢；到最高液位后，一号自动开关阀 V1阀关闭；

第二步，打开五号自动开关阀V5阀，打开二号自动开关阀V2阀，P4压力的氢气压入液氢泵池一2，压着液氢泵池一2中的液氢以压力P4往下游供给，直至液氢泵池一2的液氢降至最低液位；在此过程中，打开三号自动开关阀V3阀，液氢从液氢罐1的液氢出口f流入液氢泵池二3 的泵池二号进口a2口，对液氢泵池二3进行充液氢；到最高液位后，三号自动开关阀V3阀关闭；

第三步，在液氢泵池一2液氢降至最低液位时，关闭二号自动开关阀V2阀，打开七号自动开关阀V7和四号自动开关阀V4阀，使P4压力的氢气压入液氢泵池二3，压着液氢泵池二3 中的液氢以压力P4往下游供给，直至液氢泵池二3的液氢降至最低液位；在此过程中，打开一号自动开关阀V1阀，液氢从液氢罐1点多液氢出口f流入液氢泵池一2的泵池一号进口a1，对液氢泵池一2进行充液氢；到最高液位后，一号自动开关阀V1阀关闭；

如此反复，液氢泵池一2和液氢泵池二3中的液氢轮流增压至P4压力往下游供给，不间断。

值得注意的是：

1、液氢罐1可以做到容积很大，而液氢泵池一2和液氢泵池二3的容积可以较小，只要达到两者轮流工作即可；这样避免了直接给大容积液氢罐1进行增压的麻烦；

2、辅路小型压缩机9的功能是吸收打压液氢罐1的蒸发氢气，以及液氢泵池一2和液氢泵池二3中的氢气，而不是用于对主路氢气进行增压，所以其流量比起主路小非常多，耗电量也很小。

Claims (3)

1.一种带蒸发气回收的外增压式燃料电池用液氢增压供给系统，其特征在于，包括液氢罐(1)；

所述的液氢罐(1)的液氢出口(f)连接主路，主路上包括依次连接有液氢泵池、液氢气化器(5)、氢气缓冲罐(6)；液氢泵池包括并联的液氢泵池一(2)和液氢泵池二(3)；

液氢罐(1)的气氢回路出口(e)连接辅路，辅路上依次连接辅路氢气加热器(7)、辅路氢气缓冲小瓶组(8)、辅路小型压缩机(9)、辅路高压储氢瓶组(10)；

氢气缓冲罐(6)分别连接供氢系统出口(g)和辅路高压储氢瓶组(10)；

液氢泵池还分别连接高压氢气罐(4)、辅路氢气加热器(7)；

高压氢气罐(4)还与辅路高压储氢瓶组(10)连接。

2.根据权利要求1所述的一种带蒸发气回收的外增压式燃料电池用液氢增压供给系统，其特征在于：

所述的液氢泵池一(2)的泵池一号进口(a1)设有一号自动开关阀(V1)，泵池一号出口(b1)设有二号自动开关阀(V2)；

所述的液氢泵池二(3)的泵池二号进口(a2)设有三号自动开关阀(V3)，泵池二号出口(b2)设有四号自动开关阀(V4)；

所述的液氢泵池一(2)的泵池三号进口(c1)设有五号自动开关阀(V5)，泵池三号出口(d1)设有六号自动开关阀(V6)；

所述的液氢泵池二(3)的泵池四号进口(c2)设有七号自动开关阀(V7)，泵池四号出口(d2)设有八号自动开关阀(V8)；

六号自动开关阀(V6)、八号自动开关阀(V8)分别连接辅路氢气加热器(7)；

液氢罐(1)的气氢回路出口(e)设有九号自动开关阀(V9)；

高压氢气罐(4)通过压力控制阀(V10)分别与五号自动开关阀(V5)、七号自动开关阀(V7)连接。

3.根据权利要求1所述的一种带蒸发气回收的外增压式燃料电池用液氢增压供给系统，其特征在于，所述的高压氢气罐(4)和辅路高压储氢瓶组(10)的连接管路上设有针阀(V12)；所述的氢气缓冲罐(6)和辅路高压储氢瓶组(10)的连接管路上设有减压阀(V11)、自动开关阀(V13)。

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