一种复合型氢气储存系统和方法与流程

1.本发明属于液氢储藏领域，具体涉及一种复合型氢气储存系统和方法。


背景技术：

2.氢能具有热值高、环境友好、可循环利用等优点，作为一种理想的能源，氢能有着很广泛的发展前景。在氢能的开发使用中，氢能的储存环节是其核心部分。各国对储氢技术的开发已经做了很多探索，希望能寻找并开发安全、廉价有效的长时间存储氢的方法。液氢储氢方法具有存储压力低、储能密度大等优点，是氢能储存中一种广泛应用的技术，但是液氢在长时间储藏时，液氢会产生大量的氢气蒸发损耗，因此零蒸发存储技术成为了液氢存储的关键难点技术。
3.对于液氢蒸发产生的损耗，目前主要的解决方法包括以下两种：
4.第一种是对蒸发后的氢气进行吸附储存。储存材料包括：1.室温常压下金属材料吸附。公开号为cn101680600a中国发明专利公开了一种含有有机金属骨架材料和相变储能材料装置的气体压力容器，采用该方案虽然吸附氢气量较高，但是脱附过程复杂，并且在脱附过程中需要的热量较大；2.低温高压单壁碳纳米管吸附。文献《单壁碳纳米管的氢气储存性能研究》表明，在80k温度4mpa～8mpa压力下，氢气重量密度能达到8.25wt％，尽管此种方法能够存储一定量的蒸发氢气，但是长时间后氢气会吸附饱和，需要额外提供低温和高压环境，并且液氢总量会有损失。
5.第二种是对蒸发的氢气进行主动制冷再液化，达到零蒸发的效果。液氢形式储存的氢储存密度较高，但主动制冷设备存在长期运行可靠性问题，一旦主动制冷设备因故停机，由于环境温度与液氢的巨大温差，大致液氢不断蒸发。固体吸氢或有机溶液储氢都存在储氢密度较低的问题。


技术实现要素：

6.发明目的：本发明的一个目的是提供一种复合型氢气储存系统，能够简化脱附过程，且通过结合低温再液化储存和常温吸附的方式，更加高效可靠，能够长时间实现液氢的零蒸发；本发明的另一目的是提供一种复合型氢气储存方法。
7.技术方案：本发明的复合型氢气储存系统，液氢存储杜瓦，还包括通过管路与液氢存储杜瓦连接的蒸发氢气储存罐，以及安装在液氢存储杜瓦上方并与其内部连通的再液化制冷系统，再液化制冷系统与蒸发氢气储存罐连通；所述蒸发氢气储存罐内填充吸氢物质，蒸发氢气储存罐内部还设置加热装置；所述加热装置将蒸发氢气储存罐内的氢气加热至脱附所需温度，再液化制冷系统对蒸发氢气储存罐内加热脱附的氢气进行降温液化，液化的氢气储存在液氢存储杜瓦内部。
8.所述液氢存储杜瓦采用真空夹层结构，夹层之间安装冷屏，冷屏外周包裹保温材料，使液氢存储杜瓦内部保持低温状态。
9.所述蒸发氢气储存罐内填充固体吸氢材料或有机吸氢溶液。
10.所述再液化制冷系统的冷源采用单级或双级的低温制冷机，脱附的氢气与制冷机冷头换热器进行换热，液化后流入液氢储存杜瓦，能够提供足够大的冷量，让从氢气储存罐内脱附出来的常温氢气与低温制冷机冷头进行换热之后液化。
11.所述液氢存储杜瓦与再液化制冷系统之间通过带有真空夹层的输液管连接。
12.所述蒸发氢气储存罐与再液化制冷系统之间通过金属管道相连。
13.所述加热装置采用电加热器或加热丝，能够将吸附杜瓦内部加热氢气脱附所需温度。
14.本发明还包括一种复合型氢气储存方法，应用于所述的复合型氢气储存系统，包括以下步骤：再液化制冷系统停机状态下，液氢存储杜瓦内蒸发的氢气直接通过管路进到蒸发氢气储存罐，并在蒸发氢气储存罐内被吸氢物质吸附；当吸氢物质吸附饱和之后，通过加热装置加热蒸发氢气储存罐，加热到使蒸发氢气储存罐内吸附的氢气脱附，运行再液化制冷系统，释放的氢气经管路进入到再液化制冷系统并被液化，液化的氢气储存于液氢杜瓦。
15.本发明还包括一种装置设备，包括存储器和处理器，其中：
16.存储器，用于存储能够在处理器上运行的计算机程序；
17.处理器，用于在运行所述计算机程序时，执行所述复合型氢气储存方法的步骤。
18.本发明还包括一种计算机可读存储介质，所述存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被至少一个处理器执行时实现所述复合型氢气储存方法的步骤。
19.有益效果：本发明的技术方案与现有技术相比，其有益效果在于：
20.(1)与传统高压储氢相比较，采用液体储氢，结合再液化设备实现零蒸发，储氢密度大；
21.(2)再液化装置结合常温吸附的方式处理液氢蒸发氢气，系统灵活性更好、可靠性更高；
22.(3)与常规零蒸发液氢储罐相比，再液化制冷系统可长时间停机，整体能耗小，能满足更大的液氢储罐零蒸发要求；
23.(4)整个系统的氢气量不会有损耗，系统内部压力也不会随着液氢蒸发而升高；
24.(5)蒸发氢气可快速再液化为液氢，操作简单。整体结构闭环，不会对液氢纯度造成影响。
附图说明
25.图1为本发明所述复合型氢气储存系统的结构示意图；
26.图2为本发明所述的一种冷头换热器示意图。
具体实施方式
27.下面结合具体实施方式和说明书附图对本发明的技术方案进行详细介绍。
28.如图1所示，本发明的复合型氢气储存系统包括液氢存储杜瓦1、蒸发氢气储存罐2、加热装置3、输液管4、再液化制冷系统5。蒸发氢气储存罐2通过管路与液氢存储杜瓦1连接，再液化制冷系统5安装在液氢存储杜瓦1上方并与其内部连通。液氢存储杜瓦1与再液化制冷系统5之间通过带有真空夹层的输液管4连接。再液化制冷系统5与蒸发氢气储存罐2连
通；具体地，蒸发氢气储存罐2与再液化制冷系统5通过金属管道6相连，本方案中采用的是不锈钢钢管。
29.液氢存储杜瓦1采用真空夹层结构，夹层之间安装冷屏，冷屏外周包裹保温材料，能够使杜瓦内部保持低温状态。本方案中，液氢存储杜瓦1和蒸发氢气储存罐2内容器均采用本领域常规容器，如304/316l不锈钢材质的圆柱型容器，内容器封头优选为蝶形封头，采用双层真空罐体结构，夹层中安装冷屏，且需要包裹多层绝热材料。
30.蒸发氢气储存罐2内填充吸氢物质，吸氢物质优选为固体吸氢材料或有机吸氢溶液，用于吸附在氢气再液化制冷系统5停机时液氢蒸发出来的氢气。
31.为了能够使氢气脱附进入再液化制冷系统5，蒸发氢气储存罐2内部设置加热装置3，对储罐内部进行加热，使氢气脱附进入再液化制冷装置中。加热装置3采用电加热器或加热丝，能够将蒸发氢气储存罐2内部的氢气加热至脱附所需温度。
32.再液化制冷系统5的冷源采用单级或双级的低温制冷机，脱附的氢气与制冷机冷头换热器进行换热，液化后流入液氢储存杜瓦1，能够提供足够大的冷量，让从氢气储罐内脱附出来的常温氢气与低温制冷机冷头进行换热之后液化。低温制冷机可以是gm型、脉管型或其他常用型号的制冷机。
33.复合型氢气储存系统的工作过程如下：液氢存储杜瓦1内储存的液氢由于外界的漏热导致氢气蒸发，蒸发的氢气通过带真空夹层的输液管4进入到再液化制冷系统5中制冷机的冷头处，并在冷头处被冷凝成液氢，液氢在重力的作用下滴入到液氢存储杜瓦1内。当液氢存储杜瓦1的制冷机停机时，液氢存储杜瓦1内蒸发的氢气直接进入到蒸发氢气储存罐2，在蒸发氢气储存罐2中被固体吸氢材料或有机吸氢溶液吸附。当储氢的固体吸氢材料或有机吸氢溶液吸附饱和后，表明蒸发氢气储存罐2中氢气吸附饱和，将再液化制冷系统5的制冷机再次开启，并利用加热装置3对蒸发氢气储存罐2进行加热，脱附蒸发氢气储存罐2内吸附的氢气，当蒸发氢气储存罐2被加热到氢气脱附的温度，释放氢气，脱附的氢气经金属管道6进入到再液化制冷系统5中进行降温液化，被液化的氢气储存在液氢存储杜瓦1。从以上可以看出，本方案将再液化储氢和常温吸附储氢两种方式相结合，更加可靠高效。
34.本发明还包括一种复合型氢气储存方法，应用于复合型氢气储存系统，包括以下步骤：
35.再液化制冷系统停机状态下，液氢存储杜瓦内蒸发的氢气直接通过管路进到蒸发氢气储存罐，并在蒸发氢气储存罐内被吸氢物质吸附；
36.当吸氢物质吸附饱和之后，通过加热装置加热蒸发氢气储存罐，加热到使蒸发氢气储存罐内吸附的氢气脱附，运行再液化制冷系统，释放的氢气经管路进入到再液化制冷系统并被液化，液化的氢气储存于液氢杜瓦。
37.本发明还包括一种装置设备，包括存储器和处理器，其中：
38.存储器，用于存储能够在处理器上运行的计算机程序；
39.处理器，用于在运行所述计算机程序时，执行复合型氢气储存方法的步骤。
40.本发明还包括一种计算机可读存储介质，存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被至少一个处理器执行时实现复合型氢气储存方法的步骤。

技术特征：
1.一种复合型氢气储存系统，包括液氢存储杜瓦(1)，其特征在于：还包括通过管路与液氢存储杜瓦(1)连接的蒸发氢气储存罐(2)，以及安装在液氢存储杜瓦(1)上方并与其内部连通的再液化制冷系统(5)，再液化制冷系统(5)与蒸发氢气储存罐(2)连通；所述蒸发氢气储存罐(2)内填充吸氢物质，蒸发氢气储存罐(2)内部还设置加热装置(3)；所述加热装置(3)将蒸发氢气储存罐(2)内的氢气加热至脱附所需温度，再液化制冷系统(5)对蒸发氢气储存罐(2)内加热脱附的氢气进行降温液化，液化的氢气储存在液氢存储杜瓦(1)内部。2.根据权利要求1所述的复合型氢气储存系统，其特征在于：所述液氢存储杜瓦(1)采用真空夹层结构，夹层之间安装冷屏，冷屏外周包裹保温材料。3.根据权利要求1所述的复合型氢气储存系统，其特征在于：所述蒸发氢气储存罐(2)内填充固体吸氢材料或有机吸氢溶液。4.根据权利要求1所述的复合型氢气储存系统，其特征在于：所述再液化制冷系统(5)的冷源采用单级或双级的低温制冷机，脱附的氢气与制冷机冷头换热器进行换热，液化后流入液氢储存杜瓦(1)。5.根据权利要求1所述的复合型氢气储存系统，其特征在于：所述液氢存储杜瓦(1)与再液化制冷系统(5)之间通过带有真空夹层的输液管(4)连接。6.根据权利要求1所述的复合型氢气储存系统，其特征在于：所述蒸发氢气储存罐(2)与再液化制冷系统(5)之间通过金属管道(6)相连。7.根据权利要求1至6任一项所述的复合型氢气储存系统，其特征在于：所述加热装置(3)采用电加热器或加热丝。8.一种复合型氢气储存方法，其特征在于，应用于如权利要求1所述的复合型氢气储存系统，包括以下步骤：再液化制冷系统停机状态下，液氢存储杜瓦内蒸发的氢气直接通过管路进到蒸发氢气储存罐，并在蒸发氢气储存罐内被吸氢物质吸附；当吸氢物质吸附饱和之后，通过加热装置加热蒸发氢气储存罐，加热到使蒸发氢气储存罐内吸附的氢气脱附，运行再液化制冷系统，释放的氢气经管路进入到再液化制冷系统并被液化，液化的氢气储存于液氢杜瓦。9.一种装置设备，其特征在于，包括存储器和处理器，其中：存储器，用于存储能够在处理器上运行的计算机程序；处理器，用于在运行所述计算机程序时，执行如权利要求8所述复合型氢气储存方法的步骤。10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被至少一个处理器执行时实现如权利要求8所述复合型氢气储存方法的步骤。

技术总结
本发明的一种复合型氢气储存系统和方法，包括液氢存储杜瓦，还包括通过管路与液氢存储杜瓦连接的蒸发氢气储存罐，以及安装在液氢存储杜瓦上方并与其内部连通的再液化制冷系统，再液化制冷系统与蒸发氢气储存罐连通；所述蒸发氢气储存罐内填充吸氢物质，蒸发氢气储存罐内部还设置加热装置；所述加热装置将蒸发氢气储存罐内的氢气加热至脱附所需温度，再液化制冷系统对蒸发氢气储存罐内加热脱附的氢气进行降温液化，液化的氢气储存在液氢存储杜瓦内部。本发明能够简化脱附过程，且通过结合低温再液化储存和常温吸附的方式，更加高效可靠，能够长时间实现液氢的零蒸发。能够长时间实现液氢的零蒸发。能够长时间实现液氢的零蒸发。


技术研发人员：黄天亮 胡咸军 刘希慧 陈杰 李艳峰 董文庆
受保护的技术使用者：中国船舶集团有限公司
技术研发日：2023.05.24
技术公布日：2023/8/24