一种节能高效合金储氢罐充氢系统

技术领域

本发明涉及技术充氢系统技术领域，尤其是一种节能高效合金储氢罐充氢系统。

背景技术

面对日益严峻的气候及能源问题，目前，已经提出了明确的碳达峰和碳中和目标，这将加速能源转型和能源革命的进程。燃料电池作为一种新型能源转换装置，可应用于船舶、汽车、分布式电站等终端，是清洁能源应用的重要方向之一。燃料电池的原料是氢气，氢气的来源可通过太阳能、核能等清洁能源电解水获得，与清洁能源相结合氢气的制取不涉及二氧化碳的排放；不同于燃油车，燃料电池的生成物是水，其发电过程不产生二氧化碳的排放。正因为氢气的制取及使用绿色无污染，燃料电池的应用可促进实现双碳目标的实现。

氢源是燃料电池系统的重要组成部分，目前合金储氢技术是燃料电池系统应用端的氢源技术之一。合金储氢技术是一种固体储氢技术，在特定的温度与压力条件下，氢气与合金形成化合物固态储存于合金储氢罐，吸收外界热量时放氢，可实现氢气的可逆存储与循环使用。合金储氢的存储压力约是高压储氢技术的十分之一至几十分之一，具有较高的安全性；此外合金储氢材料的体积储氢密度比高压储氢高，可应用于体积要求高的场合，如深海、深地装备等。合金储氢在安全性和体积储氢密度上与其他氢源相比具有较大的优势，是燃料电池系统氢源技术的应用方向之一。

合金储氢罐在充氢时，氢气与合金形成氢化物过程中将产生大量的热能，使得罐体内发生快速温升现象，罐体温度迅速上升至85℃以上，高温将抑制合金吸收氢气速率，降低其充氢效率，同时降低罐体材料安全性。需等待罐体内温度降低后，才能继续充氢，大幅度延长充氢时间,这一问题在大容积合金储氢罐中表现的尤为明显；因此，为提升合金储氢罐的充氢效率，确保充氢过程罐体安全，需要将产生的热能快速、及时带出罐体。

现有技术中在使用氢气集装格等高压氢气给合金储氢罐充氢时，通常需要采用预冷器对氢气降温，并使用低温冷却水作为换热介质，利用以下两种方式降温：

第一种：通过将合金储氢罐外浸水浴在水池内，如公开号为CN109708002B使用低温水槽作为冷却源，将合金储氢罐水浴在低温水槽中，利用罐体外表面与水槽中低温水接触的手段来带走罐体内热量，以提高充氢效率；

第二种：利用循环的低温冷却水进入合金储氢罐内置的换热结构将充氢产生的热量带出，如公开号为CN111536418B中提出使用制冷机制取低温水，通过循环的低温冷却水进入合金储氢罐内部换热结构带出热量的方法来提高充氢效率。

但两种方式均存在以下弊端：

在第一种使用方式下，一是需要将待补给的合金储氢罐浸泡在低温水池中，限制了合金储氢罐使用场合和充氢时的便捷性，二是合金储氢罐外表面换热面积有限,换热量一定，且罐体内部传热具有滞后性，短时间只能带走合金储氢罐外表面和罐体内部靠近外表面的热量，换热量有限，无法快速实现全罐降温。

在第二种使用方式下，通过内置换热结构与低温循环冷却水接触作为换热方式的使用方式，换热量有限，若要提高换热效率，需要增大其内部的换热结构，势必会减少合金储氢罐内部储氢材料的装填空间，降低其储氢密度，限制其使用场合，同时需要不间断制取循环冷却水，耗费较多能量。

在燃料电池应用领域，现有氢气储运方式主要是通过高压氢气瓶集装格或氢气管束等气态氢的形式运输，气态储运中氢气密度较小，而高压储氢压力容器自重大，导致气态储运的运输氢气效率低，成本较高。液氢储运技术是将氢气低温液化后进行储运，液氢储氢密度远高于气态储氢密度，可提升氢气的储运效率和降低储运成本，液氢储运技术已经成为行业内关注的焦点，将成为行业内发展的重点方向之一。

液氢在常压下的温度为-252.8℃以下，液氢汽化及低温氢气温升至常温过程中需吸收大量的热能，若将液氢储运方式与燃料电池应用端的合金储氢技术进行融合，相比常规高压氢气储运方式，使用液氢对合金储氢罐充氢可以系统性地利用液氢的低温条件优化合金储氢罐的传热过程，提升合金储氢罐的充氢效率。

发明内容

本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种节能高效合金储氢罐充氢系统，从而可以大大的提升合金储氢罐的充氢效率，降低了整个系统能耗，符合绿色能源节能减排的要求。

本发明所采用的技术方案如下：

一种节能高效合金储氢罐充氢系统，包括液氢储罐，所述液氢储罐的一旁设置有液氢汽化器，所述液氢汽化器内部设置有增压换热管路和汽化换热管路，所述增压换热管路的两端分别通过管路与液氢储罐连通，所述汽化换热管路的一端通过管路与液氢储罐连通，汽化换热管路的另一端通过管路依次串联一号温度计、流量调节阀、稳压阀，稳压阀与合金储氢罐组连接，同时一号温度计和流量调节阀之间的管路上通过分支管与合金储氢罐组连接；所述合金储氢罐组通过管路依次串联有制冷设备、冷媒箱和冷却泵，冷却泵一路与合金储氢罐组连接，另一路与液氢汽化器连接，

所述液氢汽化器的两端分别安装有二号温度计和三号温度计，所述合金储氢罐组和制冷设备之间的管路上安装有四号温度计。

其进一步技术方案在于：

所述液氢储罐为真空绝热压力容器。

所述液氢储罐为椭圆形的罐体。

所述增压换热管路与液氢储罐的连接管路分别安装有自动调节阀和一号压力表。

所述汽化换热管路与液氢储罐的连接管路上安装有一号电动调节阀。

所述稳压阀与合金储氢罐组之间的管路上安装有二号压力表和流量计。

所述合金储氢罐组采用三个合金储氢罐并联组成。

所述分支管上串联有一号安全阀和二号安全阀，一号安全阀和二号安全阀之间安装有放空管。

所述冷却泵出口与合金储氢罐组之间的管路上安装二号电动调节阀，冷却泵出口与液氢汽化器之间的管路上安装三号电动调节阀。

所述二号温度计和三号温度计之间通过管路连通，此管路上安装四号电动调节阀。

本发明的有益效果如下：

本发明结构紧凑、合理，操作方便，通过选用可大规模储运的液氢作为氢源，使用较高储氢密度的低温液氢装置给合金储氢罐充氢，无需配置预冷器，利用液氢汽化后低温氢气温升过程中吸热特性，在氢气与合金形成化合物时同步原位吸收部分热能，从源头上降低充氢过程中的热能排放，优化合金储氢罐的传热过程，提升了合金储氢罐的充氢效率，并利用液氢的温度低于冷媒温度的特性，利用液氢的汽化潜热降低对整个系统制冷功率的需求，降低了整个系统能耗，符合绿色能源节能减排的要求。

同时，本发明系统性地利用了液氢汽化潜热和低温的特点，主要存在以下优点：

一、与常规高压氢气给合金储氢罐充氢需要对氢气预冷降温等方式相比，使用液氢装置可以系统性地利用液氢汽化后氢气的低温条件，低温氢气原位吸收部分化合过程中产生的热能：

1)优化合金储氢罐的传热过程，加快了合金储氢罐热交换速度的同时提升了充氢效率；

2)传热过程的优化降低了合金储氢罐对其内置传热结构要求，可以增加合金储氢罐内部的储氢空间，有利于其提升合金储氢罐的储氢密度。

二、利用液氢温度低于冷媒温度的特性，在系统层面将液氢汽化器加热回路与合金储氢罐组冷却回路相结合，可以利用液氢的汽化潜热降低对整个系统制冷功率的需求，降低了整个系统功耗，符合绿色能源节能减排的要求。

三、提出使用高储氢密度、可大规模储运的液氢装置给合金储氢罐充氢，符合未来氢能产业在储运领域的发展方向，具有一定的前瞻性，有一定的市场推广价值。

本发明使用超低温储存的液氢装置给合金储氢罐充氢，优化了合金储氢罐的传热过程，提升了其充氢效率，简化了系统配置，降低了系统能耗。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

其中：1、液氢储罐；2、自动调节阀；3、液氢汽化器；4、增压换热管路；5、一号压力表；6、一号电动调节阀；7、汽化换热管路；8、一号温度计；9、流量调节阀；10、稳压阀；11、二号压力表；12、流量计；13、合金储氢罐组；14、制冷设备；15、冷媒箱；16、冷却泵；17、二号电动调节阀；18、三号电动调节阀；19、二号温度计；20、三号温度计；21、四号电动调节阀；22、四号温度计；23、一号安全阀；24、二号安全阀；25、放空管。

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，本实施例的节能高效合金储氢罐充氢系统，包括液氢储罐1，液氢储罐1的一旁设置有液氢汽化器3，液氢汽化器3内部设置有增压换热管路4和汽化换热管路7，增压换热管路4的两端分别通过管路与液氢储罐1连通，汽化换热管路7的一端通过管路与液氢储罐1连通，汽化换热管路7的另一端通过管路依次串联一号温度计8、流量调节阀9、稳压阀10，稳压阀10与合金储氢罐组13连接，同时一号温度计8和流量调节阀9之间的管路上通过分支管与合金储氢罐组13连接；合金储氢罐组13通过管路依次串联有制冷设备14、冷媒箱15和冷却泵16，冷却泵16一路与合金储氢罐组13连接，另一路与液氢汽化器3连接，

液氢汽化器3的两端分别安装有二号温度计19和三号温度计20，合金储氢罐组13和制冷设备14之间的管路上安装有四号温度计22。

液氢储罐1为真空绝热压力容器。

液氢储罐1为椭圆形的罐体。

增压换热管路4与液氢储罐1的连接管路分别安装有自动调节阀2和一号压力表5。

汽化换热管路7与液氢储罐1的连接管路上安装有一号电动调节阀6。

稳压阀10与合金储氢罐组13之间的管路上安装有二号压力表11和流量计12。

合金储氢罐组13采用三个合金储氢罐并联组成。

分支管上串联有一号安全阀23和二号安全阀24，一号安全阀23和二号安全阀24之间安装有放空管25。

冷却泵16出口与合金储氢罐组13之间的管路上安装二号电动调节阀17，冷却泵16出口与液氢汽化器3之间的管路上安装三号电动调节阀18。

二号温度计19和三号温度计20之间通过管路连通，此管路上安装四号电动调节阀21。

本发明的具体结构和功能如下：

本发明的主要组成部分：液氢储罐1、液氢汽化器3、合金储氢罐组13、冷却泵16、冷媒箱15、制冷设备14、以及配套的管路、多个压力表、多个温度计、流量计12、流量调节阀9、多个电动调节阀、稳压阀10、多个安全阀。

各部分具体的结构关系和作用如下：

液氢储罐1--液氢储罐1是一种真空绝热压力容器，在低温条件下可存储一定压力下的液氢，其出口端通过管路与自动调节阀2相连，并通过管路与一号电动调节阀6相连。

自动调节阀2--根据实时监测的压力，自动控制液氢储罐1向液氢汽化器3中增压换热管路4的液氢量，在增压换热管路4中液氢汽化从而控制液氢储罐1以及相连管路的压力。自动调节阀2的进口通过管路与液氢储罐1相连，其出口通过管路与液氢汽化器3中的增压换热管路4相连。

液氢汽化器3--液氢汽化器3内部包含了增压换热管路4和汽化换热管路7，并连接有冷媒的进出口。液氢的温度远低于冷媒的温度，通入液氢汽化器3中的冷媒对液氢起到加温汽化的作用。其接口一是前端通过管路连接增压回路中的自动调节阀2，后端连接增压回路中的一号压力表5；其接口二是前端通过管路连接氢气供给回路中的一号电动调节阀6，后端连接氢气供给回路中的一号温度计8；其接口三是前端通过管路连接热交换管路中的二号温度计19，后端连接三号温度计20。

增压换热管路4--增压换热管路4通过与通入液氢汽化器3中的冷媒进行热交换，将液氢蒸发后变成氢气，并通入液氢储罐1，从而改变液氢储罐1及相连管路中的压力。其前端通过管路与自动调节阀2相连，后端通过管路连接一号压力表5。

一号压力表5--用于监测液氢储罐1及相连管路中的压力，其一端通过管路与液氢汽化器3中的增压换热管路4相连，另一端通过管路与液氢储罐1相连。

一号电动调节阀6--通过阀门的开启和关闭控制液氢储罐1通入汽化换热管路7中液氢，并通过调节阀门的开度可控制液氢的流量。其前端通过管路与液氢储罐1相连，后端通过管路连接液氢汽化器3中的汽化换热管路7。

汽化换热管路7--汽化换热管路7通过与通入液氢汽化器3中的冷媒进行热交换，将液氢蒸发后变成低温氢气，并通入后面相连的充氢管路中，用于向合金储氢罐组13进行充氢。其前端通过管路与一号电动调节阀6相连，后端通过管路连接一号温度计8。

一号温度计8--用于监测被汽化换热管路7汽化后低温氢气的温度。其一端通过管路与液氢汽化器3中的汽化换热管路7相连，另一端通过管路与流量调节阀9相连。

流量调节阀9--根据相关标准规范，为保障安全流量调节阀9限制充氢管路中氢气的最高速率。其前端通过管路与一号温度计8相连，后端通过管路连接稳压阀10。

稳压阀10--根据后端合金储氢罐组13所需的充氢压力，对前端的氢气进行减压稳压，确保稳压阀10后端氢气的压力稳定并满足充氢的压力需求。其前端通过管路与流量调节阀9相连，后端通过管路连接二号压力表11。

二号压力表11--用于监测经过稳压阀10减压稳压后管路中氢气的压力。其前端通过管路与稳压阀10相连，后端通过管路连接流量计12。

流量计12--通过流量计12计量整个系统向后端合金储氢罐组13充入的氢气量。其前端通过管路与二号压力表11相连，后端通过管路连接合金储氢罐组13。

合金储氢罐组13--合金储氢罐组13是燃料电池应用端的氢源，在本系统中是被充氢的对象，氢气进入合金储氢罐内部与合金化合形成化合物固态存储，化合过程产生的热量需要通过内置的换热结构与冷媒换热后带出合金储氢罐。其接口一是充氢接口，通过管路与流量计12连接；其接口二是冷却接口，冷却的进口通过管路与二号电动调节阀17相连，冷却的出口通过管路经过四号温度计22后与制冷设备14的进口相连。

制冷设备14--制冷设备14用于降低制冷剂的温度，向冷却回路中提供一定温度范围的冷媒，用于合金储氢罐组13的热交换和液氢汽化器3的热交换。其前端通过管路与合金储氢罐组13以及液氢汽化器3的热交换管路相连，后端通过管路连接冷媒箱15。

冷媒箱15--用于储存和向冷却回路提供冷媒。其前端通过管路与制冷设备14相连，后端通过管路连接冷却泵16。

冷却泵16--变频调节的冷却泵16，从前端冷媒箱15中抽取冷媒后向后端管路泵送流量可控的冷媒。其前端通过管路与冷媒箱15相连，后端通过管路连接合金储氢罐组13热交换管路中的二号电动调节阀17、液氢汽化器3热交换管路的三号电动调节阀18。

二号电动调节阀17--二号电动调节阀17设置于合金储氢罐组13热交换管路中，通过二号电动调节阀17调节进入合金储氢罐组13中的冷媒流量，更好地实现合金储氢罐组13的温度控制。其前端通过管路与冷却泵16相连，后端通过管路连接合金储氢罐组13。

三号电动调节阀18--三号电动调节阀18设置于液氢汽化器3热交换管路中，通过三号电动调节阀18调节进入液氢汽化器3中的冷媒流量，可更好地实现液氢汽化器3的温度控制。其前端通过管路与冷却泵16相连，后端通过管路连接二号温度计19。

二号温度计19--监测从冷却泵16泵送的冷媒的温度。其前端通过管路与三号电动调节阀18相连，后端通过管路连接液氢汽化器3。

三号温度计20--监测液氢汽化器3出口的冷媒的温度。其前端通过管路与液氢汽化器3相连，后端通过管路连接制冷设备14。

四号电动调节阀21--四号电动调节阀21设置于液氢汽化器3的热交换旁路，为防止汽化换热管路7出来的氢气温度过高，可通过四号电动调节阀21辅助旁路进入液氢汽化器3的一部分冷媒。其前端通过管路连接三号电动调节阀18，后端通过管路连接制冷设备14。

四号温度计22--监测合金储氢罐组13出口的冷媒温度。其前端通过管路连接合金储氢罐组13，后端通过管路连接制冷设备14。

一号安全阀23--一号安全阀23起到安全泄放作用，当稳压阀10的前端管路中的压力超过了设定压力，一号安全阀23开启泄放，保障稳压阀10前端管件的安全。其前端通过管路连接稳压阀10的前端管路，后端通过管路连接放空管25。

二号安全阀24--二号安全阀24起到安全泄放作用，当稳压阀10的后端管路中的压力超过了设定压力，二号安全阀24开启泄放，保障稳压阀10后端管件的安全。其前端通过管路连接稳压阀10的后端管路，后端通过管路连接放空管25。

放空管25--放空管25直通大气，用于将泄放管路中氢气排放至大气。其前端通过管路连接一号安全阀23和二号安全阀24，后端与大气相通。

本发明的具体工作过程如下：

(一)液氢储罐1增压过程：

随着液氢储罐1不断地供给，其内部压力随着液位的下降而降低，通过对液氢储罐1的增压，控制液氢储罐1及相连管路的压力，确保氢气的供给在一定压力范围内进行，从而匹配后端合金储氢罐组13的充氢需求。根据一号压力表5监测的实时压力，自动调节进入增压换热管路4中液氢的量，液氢在增压换热管路4中经过热交换后变成氢气，通过管路回到液氢储罐1中，从而达到保持压力的作用。

(二)氢气的供给过程：

打开一号电动调节阀6至一定开度，液氢储罐1中的液氢经过一号电动调节阀6进入汽化换热管路7，液氢在汽化换热管路7经过热交换后变成低温氢气，经过稳压阀10减压稳压形成满足合金储氢罐组13充氢压力需求的低温氢气。

(三)液氢汽化的换热过程：

在(一)、(二)的过程中，在经过三号电动调节阀18的流量调节后，冷媒在冷却泵16的作用下泵送至液氢汽化器3，液氢在常压下温度为-252.8℃以下，远低于冷媒的温度，在液氢汽化器3中冷媒对液氢起到加热汽化作用；同时由于液氢蒸发过程中的汽化潜热的作用，冷媒在液氢汽化器3中被降温后回流至制冷设备14，此回路中被降温的冷媒降低了整个系统对制冷设备14的制冷需求，起到了降低整个系统能耗的作用。

(四)合金储氢罐组13的充氢过程：

低温氢气供给至合金储氢罐组13后，氢气进入合金储氢罐内部，与合金化合形成固态化合物，在形成固态化合物的同时产生热量。供给至合金储氢罐的低温氢气直接原位吸收部分化合过程中产生的热量，通过低温氢气的原位吸收直接减少了需要热交换的热能，降低了合金储氢罐对换热结构换热能力要求。低温氢气对热量的原位吸收降低了合金储氢罐组13的冷却需求，加速了合金储氢罐组13冷却过程，从而提升了合金储氢罐组13的充氢速率。

(五)合金储氢罐组13的换热过程：

经过低温氢气原位吸收一定的热能后，剩余的热能通过冷媒带出合金储氢罐组13。在经过二号电动调节阀17的流量调节后，冷媒在冷却泵16的作用下泵送至合金储氢罐组13，冷媒在合金储氢罐组13中与其换热结构热交换后将剩余的热能带出，回流至制冷设备14被制冷后循环使用。

(六)其他过程：

若在充氢过程中由于某些原因导致稳压阀10前后端的压力超过安全范围：一号安全阀23可保障稳压阀10前端管件的安全，当前端压力超过一号安全阀23的泄放压力时，一号安全阀23开启后联通放空管25对超压的氢气进行泄放；二号安全阀24可保障稳压阀10后端管件的安全，当后端压力超过二号安全阀24的泄放压力时，二号安全阀24开启后联通放空管25对超压的氢气进行泄放。

以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。