一种低温储氢系统

技术领域

本发明涉及低温制冷技术领域，特别是涉及一种低温储氢系统。

背景技术

随着工业发展和人们物质生活水平的提高，能源需求也与日俱增。煤炭、石油等化石能源储量有限，且在使用时不可避免地会污染环境，相较之下，氢能源作为一种二次能源，其具有很多优点，例如燃烧热值高、利用无污染等，但氢能的有效利用必须要首先解决制取、储运和应用等一系列问题。

目前，对于低温高压氢气的制取，通常采用液氮、液氦等作为制冷循环工质，由于高压氢气冷却负荷为气相显热，是一种典型的分布式负荷，与液氮、液氦等定温冷源匹配性较差，从而导致对低温高压氢气制取的能量转化效率低、制取成本高昂的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：现有低温高压氢气制取的能量转化效率低、制取成本高昂的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种低温储氢系统，包括主冷模块、预冷模块、多级压缩模块以及低温高压氢气罐；

所述主冷模块包括第一压缩机、第一冷却器、一级换热器A、二级换热器B、二级换热器C、三级换热器D、第一气液分离器、第二气液分离器、节流阀e

所述预冷模块的两端与所述预冷制冷剂通道的两端分别相连形成预冷回路；

所述第一压缩机的高压排气口与所述第一冷却器的入口相连，所述第一冷却器的出口与所述一级混合工质通道的入口相连，所述一级混合工质通道的出口连通所述第一气液分离器的入口，所述第一气液分离器的顶部气体出口与所述二级气相混合工质通道b

所述多级压缩模块用于将原料氢气压缩为高温高压的氢气，所述多级压缩模块的出口依次连通所述一级氢气通道、所述二级氢气通道b

具体地，所述预冷模块包括预冷压缩机、预冷冷却器和节流阀e

具体地，所述低温储氢系统还包括液氮罐，所述二级换热器B内还设有二级氮气通道b

具体地，所述低温储氢系统还包括氮气制取模块，所述氮气制取模块包括空气分离器、氮气罐，所述空气分离器用于将氮气分离，所述空气分离器的出口连通所述氮气罐的入口，所述氮气罐的出口连通所述二级氮气通道b

具体地，所述低温储氢系统还包括液氢制取模块、液氮罐和低温液氢罐，所述二级换热器B内还设有二级返氢通道b

具体地，所述液氢制取模块包括换热器组件、膨胀机组件、节流阀e

具体地，所述液氮罐具有第一出口、第三出口以及所述第二出口，所述液氮罐的第一出口连接所述低温高压氢气罐，所述液氮罐的第二出口连通所述液氮预冷通道的入口，所述液氮罐的第三出口连接所述低温液氢罐。

具体地，所述液氮预冷换热器内还设有液氮回收通道，所述二级换热器B内还设有二级氮气通道b

具体地，所述多级压缩模块包括驱动电机、一级压缩机、换热器f

具体地，所述低温储氢系统还包括液氮罐、低温泵、蓄冷系统、热罐、冷罐和多级膨胀发电模块，所述液氮罐的出口连通低温泵的入口，所述低温泵用于对液氮升压，所述低温泵的出口连通所述蓄冷系统的氮气入口，所述换热器f

本发明实施例一种低温储氢系统，与现有技术相比，其有益效果在于：

通过设置包括主冷模块、预冷模块、多级压缩模块以及低温高压氢气罐的低温储氢系统，其中主冷模块包括第一压缩机、第一冷却器、一级换热器A、二级换热器B、二级换热器C、三级换热器D、第一气液分离器、第二气液分离器、节流阀e

附图说明

图1是本发明实施例的低温储氢系统的示意图；

图2是本发明实施例的含液氢制取模块的低温储氢系统的示意图；

图3是图2中的A处放大图；

图4是本发明实施例的含液氢制取模块、多级膨胀发电模块的低温储氢系统的示意图；

图5是本发明实施例的多级压缩模块与多级膨胀发电模块关系的示意图；

图中，10、主冷模块；11、第一压缩机；12、第一冷却器；13、一级换热器A；131、一级混合工质通道；132、预冷制冷剂通道；133、一级氢气通道；14、二级换热器B；141、二级气相混合工质通道b

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。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，应当理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

如图1所示，本发明优选实施例的一种低温储氢系统，包括主冷模块10、预冷模块20、多级压缩模块30以及低温高压氢气罐71；

主冷模块10包括第一压缩机11、第一冷却器12、一级换热器A13、二级换热器B14、二级换热器C15、三级换热器D16、第一气液分离器17、第二气液分离器18、节流阀e

预冷模块20的两端与预冷制冷剂通道132的两端分别相连形成预冷回路，从而一级换热器A13可将混合制冷剂工质和高压氢气预冷至温度低于300K；

第一压缩机11用于将混合制冷剂工质压缩为高温高压的过热制冷剂蒸汽，第一压缩机11的高压排气口与第一冷却器12的入口相连，第一冷却器12用于将混合制冷机工质冷却到接近环境温度，第一气液分离器17、第二气液分离器18用于将气液两相混合制冷剂工质分离为富含低沸点组分的气相混合工质和富含高沸点组分的液相混合工质，第一冷却器12的出口与一级混合工质通道131的入口相连，一级混合工质通道131的出口连通第一气液分离器17的入口，第一气液分离器17的顶部气体出口与二级气相混合工质通道b

多级压缩模块30用于将原料氢气压缩为35MPa-70MPa的高温高压的氢气，多级压缩模块30的出口依次连通一级氢气通道133、二级氢气通道b

基于以上实施例的一种低温储氢系统，通过设置包括主冷模块10、预冷模块20、多级压缩模块30以及低温高压氢气罐71的低温储氢系统，其中主冷模块10包括第一压缩机11、第一冷却器12、一级换热器A13、二级换热器B14、二级换热器C15、三级换热器D16、第一气液分离器17、第二气液分离器18、节流阀e

一些实施例中，预冷模块20包括预冷压缩机21、预冷冷却器22和节流阀e

具体地，低温储氢系统还包括液氮罐72，二级换热器B14内还设有二级氮气通道b

一些实施例中，低温储氢系统还包括氮气制取模块40，氮气制取模块40包括空气分离器41、氮气罐42，空气分离器41用于将氮气分离，空气分离器41的出口连通氮气罐42的入口，氮气罐42的出口连通二级氮气通道b

如图2与图3所示，优选地，低温储氢系统还包括液氢制取模块50、液氮罐72和低温液氢罐73，二级换热器B14内还设有二级返氢通道b

以上实施例对低温储氢系统增设液氮制取模块可以将经主冷模块10制成的低温高压氢气进一步液化存储，主冷模块10的混合制冷剂工质循环作为氢气液化的预冷循环，一方面实现了同套设备的不同功能模块化，即不同模块方便现场安装，根据实际需要既可以制取低温高压氢气也可以制取液氢，提高了设备利用率，另一方面可以解决低温高压氢气罐71容量较小，难以完全消纳风光电制氢产生的富余氢气问题，实现了富余氢气的液化，提供低温高压氢气、液氢等多种形态能源供应。

一些优选的实施例中，液氢制取模块50包括换热器组件51、膨胀机组件52、节流阀e

优选地，液氮罐72具有第一出口、第三出口以及第二出口，液氮罐72的第一出口连接低温高压氢气罐71，液氮罐72的第二出口连通液氮预冷通道5111的入口，液氮罐72的第三出口连接低温液氢罐73，从而液氮可以对低温高压氢气罐71和低温液氢罐73提供冷量进行主动保冷，其中液氮罐72优选设有总出口，总出口连接有管道和多个阀门(二通阀、三通阀、四通阀)相组合以分支出第一出口、第二出口和第三出口。

优选地，液氮预冷换热器511内还设有液氮回收通道5114，二级换热器B14内还设有二级氮气通道b

如图5所示，优选地，多级压缩模块30包括驱动电机31、一级压缩机32、换热器f

如图4与图5所示，优选地，低温储氢系统还包括液氮罐72、低温泵74、蓄冷系统75、热罐76、冷罐77和多级膨胀发电模块60，液氮罐72的出口连通低温泵74的入口，低温泵74用于对液氮升压，低温泵74的出口连通蓄冷系统75的氮气入口，换热器f

综上，本发明实施例提供一种低温储氢系统，其设置有预冷模块20、主冷模块10、多级压缩模块30、多级膨胀发电模块60及液氢制取模块50，可以实现对低温高压氢气以及液氢的制取和保温存储，还可以对经利用的液氮进行膨胀发电，多级膨胀发电模块60与多级压缩模块30之间制冷剂进行循环使得两模块的能量充分互为利用，本低温储氢系统对于能量的转化率高，大大降低了低温高压氢气和液态氢气的制取和储存成本。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。