一种氢气液化及储氢系统的制作方法

1.本发明涉及能源储备技术领域，尤其涉及一种氢气液化及储氢系统。


背景技术：

2.随着全球各地能源供应的紧张局面日益加剧以及化石能源的过度开采，对可再生能源的采集和利用日益成为国内外关注的重点，氢气作为一种不依赖于任何化石能源的可再生能源，绿色环保，易于制备，逐渐在储能电池、航空航天以及汽车制造等领域发挥着重要作用。
3.现有技术中，气态氢气通常经过冷却装置冷却液化后转变为液态氢储存于储罐中，液态氢要求的储藏温度要低于-252.87℃，而现有储罐无法做到完全隔热，且液氢中仲氢比例无法达到100％，这就使得储罐内会有部分液氢汽化成氢气，该部分氢气通常是从储罐中直接排出，并不能对汽化的氢气以及该部分汽化氢气的冷量进行充分使用，这就使得该部分汽化的氢气被直接浪费。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种氢气液化及储氢系统，以解决现有技术中液氢部分汽化后的气体被直接浪费的问题。
5.为达此目的，本发明采用以下技术方案：
6.一种氢气液化及储氢系统，包括：
7.氢液化系统，包括沿氢气流动方向依次连通的氢气源、预冷系统、第一催化转化器和冷却系统，其中所述预冷系统内设置有冷媒，所述冷媒能够对所述氢气进行预冷，所述第一催化转化器能够对所述氢气进行正仲催化转化反应，冷却系统能够对所述氢气进行冷却以使所述氢气液化成液氢；
8.储氢系统，包括液氢储罐和气氢储罐，所述液氢储罐连接所述冷却系统，所述液氢储罐能够储存所述液氢，所述液氢储罐中的汽化氢气能够通过回收管路储存至所述气氢储罐中，所述回收管路穿设所述预冷系统，所述汽化氢气在经过所述预冷系统时能够对所述预冷系统内待液化的所述氢气进行冷却。
9.可选地，所述液氢储罐与所述回收管路的连接端设置有排气阀，所述液氢储罐内设置有压力传感器，所述压力传感器与所述排气阀电连接，所述压力传感器能够测量所述液氢储罐内的压力，并控制所述排气阀开闭。
10.可选地，所述预冷系统与所述气氢储罐之间的所述回收管路上设置有氢气压缩机。
11.可选地，还包括氢气提纯系统，所述氢气提纯系统设置于所述氢气源与所述预冷系统之间。
12.可选地，所述预冷系统包括第一预冷装置和第二预冷装置，所述第一预冷装置连接所述第二预冷装置，所述回收管路穿设所述第一预冷装置，所述冷媒设置于所述第二预
冷装置内。
13.可选地，还包括冷媒冷却装置，所述冷媒冷却装置能够对所述冷媒进行冷却。
14.可选地，所述冷却系统包括冷却换热器，所述冷却换热器连接所述第一催化转化器，所述冷却换热器能够对所述第一催化转化器中输出的所述氢气进行热量吸收。
15.可选地，所述冷却系统还包括透平膨胀机，所述透平膨胀机连接所述冷却换热器，所述透平膨胀机能够对所述冷却换热器中输出的所述氢气进行膨胀冷却。
16.可选地，所述冷却系统还包括膨胀阀，所述膨胀阀连接所述透平膨胀机，所述膨胀阀能够对所述透平膨胀机中输出的所述氢气进行膨胀冷却，从而将所述氢气液化成所述液氢。
17.可选地，还包括第二催化转化器，所述第二催化转化器设置于所述冷却系统与所述液氢储罐之间，所述第二催化转化器能够对所述液氢进行正仲催化转化反应。
18.有益效果：
19.本发明提供的一种氢气液化及储氢系统，通过设置液氢储罐和气氢储罐，液氢储罐中部分汽化的氢气能够通过回收管路储存至气氢储罐，从而供外界氢气应用端加注使用，避免了该部分氢气的浪费，并且通过设置回收管路穿设预冷系统，汽化的氢气在经过预冷系统时能够与冷媒一起同时对预冷系统内待液化的氢气进行冷却，从而能够对该部分氢气中的冷量进行充分利用以避免该部分冷量的浪费。
附图说明
20.图1是本发明氢气液化及储氢系统的结构示意图。
21.图中：
22.100、氢气源；
23.200、预冷系统；210、第一预冷装置；220、第二预冷装置；230、冷媒冷却装置；
24.310、第一催化转化器；320、第二催化转化器；
25.400、冷却系统；410、冷却换热器；420、透平膨胀机；430、膨胀阀；
26.500、液氢储罐；600、气氢储罐；700、回收管路；800、氢气压缩机；900、氢气提纯系统。
具体实施方式
27.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
28.在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
29.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它
们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
30.在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“右”、等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
31.本实施例提供一种氢气液化及储氢系统，如图1所示，氢气液化及储氢系统包括氢液化系统和储氢系统，其中氢液化系统包括沿氢气流动方向依次连通的氢气源100、预冷系统200、第一催化转化器310和冷却系统400，其中预冷系统200内设置有冷媒，冷媒能够对氢气进行预冷，第一催化转化器310能够对氢气进行正仲催化转化反应，冷却系统400能够对氢气进行冷却以使氢气液化成液氢，储氢系统包括液氢储罐500和气氢储罐600，液氢储罐500连接冷却系统400，液氢储罐500能够储存液氢，液氢储罐500中的汽化氢气能够通过回收管路700储存至气氢储罐600中，回收管路700穿设预冷系统200，气化氢气在经过预冷系统200时能够对预冷系统200内待液化的氢气进行冷却。
32.于本实施例中，氢气源100输出氢气，随后氢气进入预冷系统200，预冷系统200对氢气进行预冷，预冷过后氢气能够降温至80k，随后氢气在通过第一催化转化器310时，第一催化转化器310内的催化剂能够与氢气充分反应，并进行氢气的正仲催化转化，氢气在经过正仲催化转化后进入冷却系统400冷却，随着温度的逐步降低，具有高能量基态的正氢自发地向低能态的仲氢转化，从而使仲氢浓度不断升高，在氢气最终冷却液化成液氢时，仲氢的含量能够不低于95％。于本实施例中，催化剂可以是铁基催化剂，也可以是其他种类的催化剂，在此不做过多限定，并且在本实施例中，氢气的正仲转化原理及过程为现有技术，在此不做过多赘述。
33.通过设置液氢储罐500和气氢储罐600，液氢储罐600中部分汽化的氢气能够通过回收管路700储存至气氢储罐600，从而能够外接氢气应用端进行氢气加注，避免了该部分氢气直接排放至大气中导致的浪费，并且由于液氢储罐500中部分汽化的氢气温度很低，通过设置回收管路700穿设预冷系统200，汽化的氢气在经过预冷系统200时能够与冷媒一起同时对预冷系统200内待液化的氢气进行冷却，能够对该部分氢气中的冷量进行充分利用以避免该部分冷量的浪费。并且在本实施例中通过汽化氢气在预冷系统200中与待液化氢气进行热交换，在进一步增强预冷效果的同时也可以进一步节省对冷媒的消耗。
34.具体地，预冷系统200包括第一预冷装置210和第二预冷装置220，第一预冷装置210连接第二预冷装置220，回收管路700穿设第一预冷装置210，冷媒设置于第二预冷装置220内。于本实施例中，当回收管路700中没有汽化氢气经过时，第一预冷装置210不起作用，此种情况下预冷系统200的预冷作用完全由第二预冷装置220完成，当回收管路700中通过汽化氢气时，由于汽化氢气的温度很低，因此在经过第一预冷装置210时可以充当临时冷媒对待液化的氢气进行热交换，即第一预冷装置210与第二预冷装置220可以同时对待液化的氢气起到冷却作用，进一步提升冷却效果，并且当第一预冷装置210工作时，也可以进一步减少对第二预冷装置220中冷媒的损耗。
35.进一步地，氢气液化及储氢系统还包括冷媒冷却装置230，冷媒冷却装置230能够对冷媒进行冷却。在预冷系统200工作过程中，冷媒在冷却氢气的过程中与氢气交换热量，使得冷媒自身的温度会逐渐上升，通过设置冷媒冷却装至230，在冷媒工作一段时间后，能够对冷媒进行冷却，从而保证冷媒在冷却过程中能够保证可靠的冷却效果。于本实施例中，冷媒优选但不限于低温液氮。
36.进一步地，液氢储罐500与回收管路700的连接端设置有排气阀，液氢储罐500内设置有压力传感器，压力传感器与排气阀电连接，压力传感器能够测量液氢储罐500内的压力，并控制排气阀开闭。于本实施例中，由于液氢储罐500无法做到完全隔热，且液氢中仲氢比例无法达到100％，因此液氢储罐500内会有部分液氢汽化为氢气，当氢气逐渐增多时，液氢储罐500内的压力也会越来越大，因此通过设置压力传感器和排气阀，压力传感器能够实时监测液氢储罐500内的压力，当液氢储罐500内的压力超过设定阈值时，压力传感器就会给排气阀发送开阀信号，排气阀在接收到开阀信号后将阀体打开，液氢储罐500内的氢气在压力作用下会通过回收管路700被输送至气氢储罐600中，当液氢储罐500内的压力逐渐低于设定阈值时，压力传感器就会给排气阀发送闭阀信号，排气阀在接收到开阀信号后将阀体关闭。于本实施例中，压力传感器控制排气阀的具体控制过程为现有技术，在此不足过多赘述。
37.进一步地，预冷系统210与气氢储罐600之间的所回收管路700上设置有氢气压缩机800。通过设置氢气压缩机800，能够对部分汽化的氢气进行压缩，使得该部分氢气压力升高，以满足气氢储罐600的高压环境，从而更加可靠稳定地将氢气储存于气氢储罐600中。
38.进一步地，氢气液化及储氢系统还包括氢气提纯系统900，氢气提纯系统900设置于氢气源100与预冷系统200之间。氢气提纯系统900能够对氢气源100输出的氢气进行提纯，从而除去氢气中多余的氧气、二氧化碳、水蒸气、含硫化合物等杂质，从而进一步保证储氢系统中储存氢气的纯度。具体的提纯过程为现有技术，在此不做过多展开。
39.于本实施例中，冷却系统400包括冷却换热器410，冷却换热器410连接第一催化转化器310，冷却换热器410能够对第一催化转化器310中输出的氢气进行热量吸收。于本实施例中，冷却系统400对氢气的冷却效果要强于预冷系统200，通过设置冷却换热器410，使得经过第一催化转化器310的氢气被进一步冷却，经过冷却换热器410后，氢气的温度会产生明显下降，于本实施例中，冷却换热器410的数量可以根据设定的冷却效果进行适应性调整。进一步地，冷却系统400还包括透平膨胀机420，透平膨胀机420连接冷却换热器410，透平膨胀机420能够对冷却换热器410中输出的氢气进行膨胀冷却。透平膨胀机420利用压缩气体膨胀降压时向外输出机械功使气体温度降低的原理，从而能够对冷却换热器410中输出的氢气进行进一步降温，于本实施例中，透平膨胀机420的数量可以根据设定的冷却效果进行适应性调整。进一步地，冷却系统400还包括膨胀阀430，膨胀阀430连接透平膨胀机420，膨胀阀430能够对透平膨胀机420中输出的氢气进行膨胀冷却，从而将氢气液化成液氢。于本实施例中，膨胀阀430优选设置为焦耳-汤姆逊膨胀阀，焦耳-汤姆逊膨胀阀利用节流膨胀原理，当氢气经过焦耳-汤姆逊膨胀阀时，氢气自身会发生膨胀，随后氢气的温度会进一步下降，最终经过膨胀阀430的氢气温度会下降至20k，此时氢气将会成功液化成液氢。于本实施例中，膨胀阀430的数量可以根据设定的冷却效果进行适应性调整，在此不做过多限定。
40.于本实施例中，氢气液化及储氢系统还包括第二催化转化器320，第二催化转化器320设置于冷却系统400与液氢储罐500之间，第二催化转化器320能够对液氢进行正仲催化转化反应。在本实施例中，液化后的液氢进入第二催化转化器320后与其中的催化剂充分反应，从而能够进一步保证液氢中的仲氢含量不低于95％，进而维持液态氢的稳定性。
41.显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。