一种液氢储运罐系统

技术领域

本发明属于化工机械装备设计制造领域，具体涉及一种液氢储运罐系统。

背景技术

在氢能的大规模应用领域，对大规模液氢转运和存储有非常明确的需求。

为实现液氢储运的规模化经济应用，作为液氢储运的罐体和管道至少应该达到以下技术指标：液氢温区管道的漏热率≤2瓦/米(管路内径≥80毫米)，使用寿命≥20年；液氢运输槽罐，容积≥50立方米，液氢静态日蒸发率≤0.7％，维持时间≥20天；加氢站用液氢储罐，容积≥30立方米，液氢静态日蒸发率≤0.5％。

由于氢属于易爆物质，对液氢储罐的安全性方面也有严格要求。在安全要求方面，必须解决：①真空容器真空密封性丧失可能导致的液氢罐的隔热丧失，导致大规模氢的事故释放事故。②罐体金属结构材料的氢脆损伤带来的安全风险的问题。氢脆损伤可能导致结构材料的强度指标下降，导致液氢储罐体的强度达不到设计指标要求。氢脆可能造成设备的服役寿命短，影响经济性指标。③液氢储罐体氢的微泄漏问题。这些都是液氢储运过程中可信的安全风险因素。

由于液氢的低温和容易挥发性，在大体积液氢储运系统的结构设计方面，要解决因热漏导致的液氢的挥发损失问题。对于大体积液氢槽罐运输，设计上还需要考虑运输遭遇振动、碰撞等事件发生时，液氢储存的罐体的安全、可靠固定问题。实现液氢储存罐的可靠固定，必然会形成新的“热漏”点，给液氢槽罐的低温隔热设计技术提出挑战。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种液氢储运罐系统。

本发明的一种液氢储运罐系统，包括底座、与底座焊接在一起的第一真空外容器、安装在底座上位于第一真空外容器内的安装座组件、安装在安装座组件上的液氢罐组件、液氢输入输出管道、设置在液氢罐组件上的氢输入输出接头组件、与氢输入输出接头组件连接的气态氢输出管道；以及设置在底座上的气态氢输出接口法兰组件、液氢输入输出接口法兰组件和氦气输出输入连接法兰；以及与气态氢输出管道连接的氢燃料电池系统，车载液氢储运系统控制系统，由氢燃料电池系统驱动的制冷系统。

安装座组件通过焊接在底盘上的安装法兰安装，同时在底盘的直柱段缠绕螺旋管换热组件，在底盘底部设置制冷头安装腔室。螺旋管换热组件的一端与液氢罐组件的氢排出口连接的气态氢输出管道连接，另一端与气态氢输出接口法兰组件连接。

液氢罐组件为多层“胶囊”结构，中间层为钢制液氢罐体，在钢制液氢罐体的内壁依次设置的中间壳体、与中间壳体紧密贴合的铝内衬容器；在钢制液氢罐体的外壁设置隔热层和第二真空容器壁；在钢制液氢罐体的上部设置瓶口。

钢制液氢罐体由高强度钢制造，设计工作压力在>1Ma。

中间壳体为高密度聚四氟乙烯微粉与玻璃微球混合物制成的高密度复合阻氢、隔热层，厚度在20mm-50mm之间；玻璃空心微球的直径250μm，强度>65MPa；聚四氟乙烯微粉的直径250μm；聚四氟乙烯微粉与空心玻璃微球的混合比例在1：4.0-4.5之间。

隔热层为空心玻璃微球充填层，充填后抽真空；空心玻璃微球的直径250μm，强度>10MPa。

第二真空容器由铝或容易塑性变形的材料制造，厚度为2-3mm；空心玻璃微球充填后，对由第二真空容器壁和钢制液氢罐体之间形成的隔热层抽真空。

液氢输入输出管道主体为钢管，在钢管上焊接连接法兰A，通过密封垫连接真空隔热管道，钢管内设置连接在一起的内管，在钢管与内管夹层之中充填隔热材料层。

隔热材料层为高密度聚四氟乙烯与空心玻璃微球混合物制成的高密度复合阻氢、隔热层，厚度在20mm-50mm之间；空心玻璃微球的直径250μm，强度>65MPa；聚四氟乙烯微粉的直径250μm；聚四氟乙烯微粉与空心玻璃微球的混合比例在1：4.0-4.5之间。

气态氢输出接口法兰组件包括与底座焊接在一起的筒体，通过隔热真空密封垫A与筒体连接在一起的焊接波纹管组件A，设置在焊接波纹管组件的连接法兰B，以及安装在气态氢输出管道上的阀门A。

液氢输入输出接口法兰组件包括与底座焊接在一起的安装座，通过隔热真空密封垫B连接在一起的真空保护盖，通过隔热真空密封垫C与安装座连接的焊接波纹管组件B，设置在焊接波纹管组件B的连接法兰C；安装在液氢输入输出管上的阀门B；设置在保护盖上的抽真空接口；向液氢储罐充注或卸载液氢时，卸下真空保护盖，完成向液氢储罐充注或卸载液氢后，连接真空保护盖并通过抽真空接口抽真空。

本发明的一种液氢储运罐系统的中间壳体的制造方法，包括以下步骤：

1)加工制造铝内衬容器的端头、筒体段，壁厚在3-5mm之间；加工制造钢制压力容器封头、钢制压力容器中间柱段，满足GB150-2011系列标准设计要求。

2)将铝内衬容器的端头、筒体段焊接成内衬容器成品，铝内衬容器成品检漏，合格。

3)在铝内衬容器成品的外表面制备聚四氟乙烯微粉与玻璃微球隔热材料层，厚度10mm-20mm；聚四氟乙烯微粉与玻璃微球的体积比为1：4-4.5；玻璃微球的直径250μm，强度>65MPa；聚四氟乙烯微粉的直径250μm。

4)将外表面制备了聚四氟乙烯微粉与玻璃微球混合材料层的铝内衬容器与钢制压力容器中间柱段进行装配；装配间隙控制在0.1mm-0.5mm之间。

5)将铝内衬容器与钢制压力容器中间柱段装配体；将钢制压力容器封头与中间柱段焊接为压力容器壳体。

6)按GB150-2011系列标准进行压力容器钢壳体的缠绕、焊接、检验。

7)在装配液氢储罐瓶口装配焊接氢输入输出接口组件，检漏合格。

8)在真空密封状态下对压力容器壳体加热抽真空，加热温度在200℃-250℃之间。

9)在铝内衬容器与压力容器壳体处于密封状态下，向压力容器壳体内充注高压惰性气体；高压惰性气体压力在10MPa-30MPa之间，保压时间大于30min；借助高温和高压使制备在铝内衬容器外表面的玻璃微球聚四氟乙烯微粉层实现致密化，在铝内衬容器和外容器之间形成一种密实的具有隔热和防止氢渗透功能的复合层。

本发明的有益技术效果为：

(1)采用在液氢储罐的内壁内衬隔热与阻氢双功能层，与传统的液氢储罐比较具有以下两方面优势：①在“高密度聚四氟乙烯玻璃微球复合结构层+内衬容器”这种结构中，高密度聚四氟乙烯、硅酸盐玻璃微球、铝这三种材料都有非常好的阻氢渗透性能。通过本发明专利所述的制造工艺，制得的高密度复合材料层同样有非常低的氢渗透率，能够有效的阻止高压气态氢透进入外容器壁高强度钢，因而有效地减小了高强度钢的氢脆损伤，能确保该型液氢储运系统的安全性和长寿命。②由于“高密度聚四氟乙烯玻璃微球复合这种复合材料结构，相对于金属材料而言有低得多的导热系数，因此更有利于减少液态氢蒸发损失。③高密度聚四氟乙烯玻璃微球复合结构层，还降低了液氢储罐的泄漏率。

(2)采用第一、第二双真空容器隔热设计，在进一步降低液氢储罐“热漏”条件下，有效减小了因事故状态下第一真空腔室进入空气，真空隔热丧失后，液氢储罐发生重大氢释放事故的可能性，提升了液氢储罐的本质安全。

(3)采用了创新的换热器设计技术，在液氢储罐的输入输出接口管道组件上设计了一组的换热器。这种结构的好处是，利用液氢储罐释放的低温氢气，冷却第二真空容器，有利于减小液氢储罐的“热漏”。

(4)对于大体积液氢储罐，还利用以氢燃料电池驱动的液氢储罐在运输、暂存工况下，利用液氢储罐蒸发损失的氢，供燃料电池系统发电，驱动制冷系统冷却安装在安装座组件上的质冷头，冷却安装座组件。这样既减小了氢直接的环境排放产生的安全风险，又实现了减小液氢储罐氢的热释放损失的目的。实现了氢的综合利用，减小了氢的环境释放带来的安全风险。

附图说明

图1为本发明液氢储运系统整体结构示意图。

图2为本发明安装座组件结构示意图。

图3为本发明液氢罐组件结构示意图。

图4为本发明液氢输入输出管道结构示意图。

图5为本发明氢输入输出接头组件结构示意图。

图6为本发明气态氢输出接口法兰组件结构示意图。

图7为本发明液氢输入输出接口法兰组件结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方法对本发明做进一步详细说明。

本发明的一种液氢储运罐系统如图1所示，包括底座1、与底座1焊接在一起的第一真空外容器2、安装在底座1上位于第一真空外容器2内的安装座组件3、安装在安装座组件3上的液氢罐组件4、液氢输入输出管道5、设置在液氢罐组件4上的氢输入输出接头组件6、与氢输入输出接头组件6连接的气态氢输出管道7；以及设置在底座1上的气态氢输出接口法兰组件8、液氢输入输出接口法兰组件9和氦气输出输入连接法兰10；以及与气态氢输出管道7连接的氢燃料电池系统，车载液氢储运系统控制系统，由氢燃料电池系统驱动的制冷系统。

安装座组件3如图2所示，安装座组件3通过焊接在底盘31上的安装法兰32安装，同时在底盘31的直柱段缠绕螺旋管换热组件33，在底盘31底部设置制冷头安装腔室34。螺旋管换热组件33的一端与液氢罐组件4的氢排出口连接，另一端与气态氢输出接口法兰组件8连接。

液氢罐组件4如图3所示，液氢罐组件4为多层“胶囊”结构，中间层为钢制液氢罐体43，在钢制液氢罐体43的内壁依次设置的中间壳体44、与中间壳体44紧密贴合的铝内衬容器45；在钢制液氢罐体43的外壁设置隔热层42和第二真空容器壁41；在钢制液氢罐体43的上部设置瓶口46。

钢制液氢罐体43由高强度钢制造，设计工作压力>1Ma。

中间壳体44为高密度聚四氟乙烯与玻璃微球混合物制成的高密度复合阻氢、隔热层，厚度在20mm-50mm之间；玻璃空心微球的直径250μm，强度>65MPa；聚四氟乙烯微粉的直径250μm；聚四氟乙烯微粉与空心玻璃微球的混合比例在1：4.0-4.5之间。

隔热层42为空心玻璃微球充填层，充填后抽真空；空心玻璃微球的直径250μm，强度>10MPa。

第二真空容器41由铝或容易塑性变形的材料制造，厚度为2-3mm；空心玻璃微球充填后，对由第二真空容器壁41和钢制液氢罐体43直接形成的腔室抽真空。

液氢输入输出管道5如图4所示，液氢输入输出管道5主体为钢管51，在钢管51上焊接连接法兰A52，通过密封垫53连接真空隔热管道54，钢管51内设置连接在一起的内管55，在钢管51与内管55夹层之中充填隔热材料层56。

隔热材料层56为高密度聚四氟乙烯与空心玻璃微球混合物制成的高密度复合阻氢、隔热层，厚度在20mm-50mm之间；空心玻璃微球的直径250μm，强度>10MPa；聚四氟乙烯微粉的直径250μm；聚四氟乙烯微粉与空心玻璃微球的混合比例在1：4.0-4.5之间。

氢输入输出接口组件6如图5所示，包括液氢输入输出管61，连接接头62，连接盖63，气态氢输出管道接口64。连接接头62与瓶口46以焊接方式焊连接，气态氢输出管道接口64与气态氢输出管道7焊接。气态氢输出管道7与设置在安装座组件3的螺旋管换热组件33的一端连接；螺旋管换热组件33的另一端与连接设置在底座1上的气态氢输出接口法兰组件8连接。

液氢输入输出管61的一端插入液氢储罐的底部，另一端与液氢输入输出管道5的接口51连接；液氢输入输出管道5与设置在底座1上的液氢输入输出连接法兰组件9连接。

气态氢输出接口法兰组件8如图6所示，气态氢输出接口法兰组件8包括与底座1焊接在一起的筒体81，通过隔热真空密封垫A82与筒体81连接在一起的焊接波纹管组件A83，设置在焊接波纹管组件83的连接法兰B84，以及安装在气态氢输出管道7上的阀门A85。

液氢输入输出接口法兰组件9如图7所示，液氢输入输出接口法兰组件9包括与底座1焊接在一起的安装座91，通过隔热真空密封垫B92连接在一起的真空保护盖93，通过隔热真空密封垫C94与安装座91连接的焊接波纹管组件B95，设置在焊接波纹管组件B95的连接法兰C96；安装在液氢输入输出管上的阀门B97；设置在保护盖93上的抽真空接口98；向液氢储罐充注或卸载液氢时，卸下真空保护盖93，完成向液氢储罐充注或卸载液氢后，连接真空保护盖93并通过抽真空接口98抽真空。

本发明的一种液氢储运罐系统的中间壳体44的制造方法，包括以下步骤：

1)加工制造铝内衬容器的端头、筒体段，壁厚在3-5mm之间；加工制造钢制压力容器封头、钢制压力容器中间柱段，满足GB150-2011系列标准设计要求。

2)将铝内衬容器的端头、筒体段焊接成内衬容器成品，铝内衬容器成品检漏，合格。

3)在铝内衬容器成品的外表面制备聚四氟乙烯微粉与玻璃微球隔热材料层，厚度10mm-20mm；聚四氟乙烯微粉与玻璃微球的体积比为1：4-4.5；玻璃微球的直径250μm，强度>65MPa；聚四氟乙烯微粉的直径250μm。

4)将外表面制备了聚四氟乙烯微粉与玻璃微球混合材料层的铝内衬容器与钢制压力容器中间柱段进行装配；装配间隙控制在0.1mm-0.5mm之间。

5)将铝内衬容器与钢制压力容器中间柱段装配体；将钢制压力容器封头与中间柱段焊接为压力容器壳体。

6)按GB150-2011系列标准进行压力容器钢壳体的缠绕、焊接、检验。

7)在装配液氢储罐瓶口装配焊接氢输入输出接口组件，检漏合格。

8)在真空密封状态下对压力容器壳体加热抽真空，加热温度在200℃-250℃之间。

9)在铝内衬容器与压力容器壳体处于密封状态下，向压力容器壳体内充注高压惰性气体；高压惰性气体压力在10MPa-30MPa之间，保压时间大于30min；借助高温和高压使制备在铝内衬容器外表面的玻璃微球聚四氟乙烯微粉层实现致密化，在铝内衬容器和外容器之间形成一种具有隔热和防止氢渗透的复合层。

液氢输入输出管道内壁的隔热材料层，其高密度聚四氟乙烯玻璃微球混合物制成的高密度复合阻氢、隔热层的制造，依照上述制造工艺。

本发明为了解决结构材料的氢脆损伤问题，采用了以下技术方案：①通过在液态氢储罐的内壁内衬复合阻氢材料层，实现高压氢与超高强度钢的完全隔离，进而减小高强度结构钢的氢脆损伤。内衬复合阻氢材料层采用具有非常低的氢渗透率的材料制造。从结构结构设计入手解决结构材料的氢脆损伤是可能的。大量的文献数据表明，在相同状态下，氢在铝合金中的溶解度比在铁和镍中分别低约低360倍和500倍，表明铝或铝合金的氢脆损伤效应比钢小很多。氢在铝合金中的扩散系数在20℃时，比在Fe中低约低11个数量级氢的渗透铝表现出同样的变化规律。类似地，氢在高密度聚四氟乙烯中的渗透率也比在不锈钢中地大约3个数量级。因此，金属铝、高密度聚四氟乙烯都是很好的阻氢渗透材料。②安装在液氢罐上的密封接头、管道采用抗氢脆的不锈钢材料制造，抗氢脆的不锈钢材料本身有很好的抗氢脆性能。

本发明为了消除真空容器真空密封性丧失可能导致的液氢罐的隔热丧失，进而导致大规模氢的释放事故。在液氢罐的结构设计中，采用了双真空包套的隔热设计技术，以避免当第一真空腔室隔热丧失后，第二真空隔热腔室能发挥隔热功能，提升了液氢储罐的本质安全。

本发明为了解决液氢槽罐低温绝热技术问题，实现液氢静态日蒸发率≤0.5％目标，除了采用传统的降低热辐射、降低热对流传递和传热设计技术外，还从结构设计入手，采取了以下措施：①液氢进出口管道、气态氢出口管道贯穿第一真空腔室壁时，采用了薄壁波纹管连接方式。这种连接方式与直接焊连接方案比较，薄壁波纹管连接方案总的导热面积被大大减小了，因而热漏损失也减小了。②液氢输入输出管道采用了三层复合隔热结构设计，减少了液氢加注和卸载过程中液氢的蒸发损失。③在液氢的车载运输或液氢槽罐液氢的使用过程中，当低温氢从液氢槽罐中排出时，设计了换热器，通过排出的低温氢气对液氢储罐的输入输出接口等进行冷却，从而发挥了部分阻断了环境热向液氢罐的传导途径。④当液氢储罐容积量≥30立方米时，例如对于站用液氢静态日蒸发率≤0.5％这样的液氢储运罐，日蒸发率0.5％这样的指标，释放的氢的量是相当可观的。这部分氢若直接排放，不仅造成氢资源的浪费，也存在安全隐患。本方案设计以一个燃料电池组驱动的制冷系统，通过制冷系统的制冷头，实施对液氢储罐的“高热漏点”进行冷却，减低了氢的蒸发损失。

本发明为了实现上述结构设计方案的工程化，还开发了工艺过程可靠、质量可控的“内衬复合阻氢隔热”材料层等制造新工艺。