一种氢浆发生器、连续批量制备氢浆的系统及方法技术方案

本发明专利技术提供了一种氢浆发生器、连续批量制备氢浆的系统及方法，涉及氢浆制备技术领域，解决了现有技术中存在的制备工艺无法进行氢浆的连续批量生产的技术问题。本发明专利技术的氢浆发生器包括真空绝缘容器以及位于真空绝缘容器内部的液氢深冷装置和氢浆产生装置，液氢深冷装置用于对液氢进行深冷处理，使进入液氢深冷装置内的液氢进行热交换降温后使其温度低于其正常沸点。氢浆产生装置包括喷枪总成，使液氢进入喷枪总成在喷嘴处以雾状喷出，氢浆产生装置内部均匀充有能够冷却至氢的三相点温度以下的过冷氦气气氛，以使雾状喷出的液氢过冷形成固态氢颗粒。本发明专利技术的氢浆可以在正压下生产，无需抽成真空，从而消除了固体中残存的空气所引起的安全问题。气所引起的安全问题。气所引起的安全问题。

【技术实现步骤摘要】
一种氢浆发生器、连续批量制备氢浆的系统及方法


[0001]本专利技术涉及氢浆制备
，尤其是涉及一种氢浆发生器、连续批量制备氢浆的系统及方法。

技术介绍

[0002]氢浆(slush hydrogen，俗称泥氢)，是一种固态氢与液氢的混合物。获得的方法是将液氢冷却低于其正常沸点(一个大气压下氢的正常沸点为20.37K，即
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252.78℃)，当继续深冷至凝固点(即固液气三相点)13.96K，即
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259.19℃时，液氢开始结晶成为固态氢，其密度为70.85kg/m3。相对于正常沸点的液氢，氢浆的热焓增加了57％，密度增加了15.9％。
[0003]早期对氢能的开发来自于航天燃料的需求，液氢与液氧组成的双组分低温液体推进剂的能量极高，已广泛用于运载火箭的氢氧发动机中。目前，氢能在新能源汽车的燃料或氢燃料电池的应用方面开始日益普及。然而目前以压缩气体形式最为普遍，通常储存压力大约在25～35MPa之间，采用碳纤维复合材料IV型罐的测试压力甚至达到70MPa，即便如此其系统单位储氢量(kWh/Kg)也就是可逆储氢容量只能从1.9wt％提升到3wt％，存在体积比容量低、储氢量少的特点。而且最致命的是其安全性堪忧。液氢储氢虽然具有较高的体积能量密度，可逆储氢容量可达6.0wt％，但需要把氢气冷却至21K的低温容器中，这样需1/3的能量用于冷却，另外透过绝热壁的有限热交换会使得每天有2
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3％的氢气蒸发损失，面临能耗高、成本高和安全技术复杂等挑战。目前亟需解决的关键问题是如何提高储氢密度、储氢安全性和降低储氢成本，而氢浆具有相对较高的密度和热容量，可显著地提高储氢密度，进一步提高储存量和运输量，相对于液氢，继续深冷至三相点(13.96K)而获得的氢浆，其优势体现在以下几个方面：
[0004](1)含50％固态氢的氢浆密度为81.5kg/m3，比正常沸点的液氢的密度高15.2％，能够使储存运输容积减少，或者使得单位容积的储氢量增加；
[0005](2)含50％固态氢的氢浆比热容为12.27％cm3/g，比液氢的比热容低13％，相同条件下可降低对储存容器绝热的要求；
[0006](3)含50％固态氢的氢浆热焓为39.6KJ/g，比液氢的焓值低42.3％，因此热交换产生的氢气蒸发损失相对较少，可贮存时间比液氢长；
[0007](4)含50％固态氢的氢浆与液氢的流体特征非常接近，由于氢浆发生器与外设储存容器之间存在的压力差，通过调节低温阀门，氢浆会自动进入外设储存容器中，对储存容器或槽车结构的改动很小。
[0008]迄今为止，氢浆的制备工艺主要是采用冷冻
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解冻技术，即先将液氢表面抽成真空，直到表面上形成固态氢薄膜，同时调高压力至在表面气氛的固态氢不熔化，由于固态氢密度较高，自然会沉于液氢当中。再把压力调低，形成第二层固态氢。重复这个过程，逐步增加固态氢的比例。但是该种方法的主要问题是氢浆是在氢的三相压力点形成的，在系统中的任何泄漏会导致空气集聚在氢浆中，这就要求在批量生产时增加设备的复杂程度以确保安全。此外，这种制备方法基本只适合于小批量生产。
[0009]第二种制备方法是氦气冷却螺旋技术(俄歇法)，即圆筒内的螺旋把凝成的固态氢刮掉。螺旋氢浆机由变频调速风机驱动使氦在不同的流速下进行超临界冷却，混合阀将热交换器和旁通控制氢制冷剂按温度进行分流，制冷杜瓦瓶的液态氦通过两个热交换器为系统制冷：利用气体的显热以及液体氦的潜热，一个热交换器进行从超临界氦到液体氦的传热，而另一个逆流热交换器进行超临界氦到沸腾氦的传热。这种方法的缺点是需要一个特殊低温热交换器和螺旋驱动机制，这也是大批量生产的瓶颈。
[0010]其他的制备方法是在液体氢储罐中通过低温氦沸腾发泡技术，使低温氦氢混合物产生焦耳
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汤姆逊扩张。但是这种方法尚停留在实验室水平，对于大批量生产尚未实现。

技术实现思路

[0011]本专利技术的目的在于提供一种氢浆发生器、连续批量制备氢浆的系统及方法，以解决现有技术中存在的制备工艺无法进行氢浆的连续批量生产的技术问题。本专利技术提供的诸多技术方案中的优选技术方案所能产生的诸多技术效果详见下文阐述。
[0012]为实现上述目的，本专利技术提供了以下技术方案：
[0013]本专利技术提供的一种氢浆发生器，包括真空绝缘容器以及位于所述真空绝缘容器内部的液氢深冷装置和氢浆产生装置，其中：
[0014]所述液氢深冷装置包括第四热交换器，在所述液氢深冷装置上连接有液氢入口管路和过冷液氢出口管路，所述液氢深冷装置用于使通过所述液氢入口管路进入的液氢经所述第四热交换器进行热交换降温后使其温度低于其正常沸点；
[0015]所述氢浆产生装置包括在其底部设置的喷枪总成，所述过冷液氢出口管路的末端通过液氢入口调节阀连接至所述喷枪总成并使过冷液氢经所述喷枪总成后在喷嘴处以雾状喷出，所述氢浆产生装置内部均匀充有能够冷却至氢的三相点温度以下的过冷氦气气氛，以使雾状喷出的液氢过冷形成固态氢颗粒。
[0016]根据一种优选实施方式，在所述氢浆产生装置的顶部设有热交换组件，所述热交换组件包括第一热交换器和过冷板，所述过冷板设置在所述第一热交换器的底部，所述过冷板包括顶板和底板，其中，沿所述顶板的径向设有窄槽，在所述底板的下方布设有多个与所述底板的表面呈夹角设置的挡板。
[0017]根据一种优选实施方式，所述第一热交换器上连接有由第一过冷氦入口管路和第一氦气出口管路组成的第一组氦循环系统以及由第二过冷氦入口管路和第二氦气出口管路组成的第二组氦循环系统，以通过所述第一组氦循环系统和所述第二组氦循环系统为所述第一热交换器提供冷循环使所述热交换器组件周围建立低于氢的三相点温度以下的低温环境；
[0018]在所述氢浆产生装置的上方设有氢气回收管路。
[0019]根据一种优选实施方式，在所述第二过冷氦入口管路上连接有喷枪氦气入口管路，所述喷枪氦气入口管路与位于所述喷枪总成内的喷枪氦气出口管路相连通，在所述喷枪氦气出口管路的末端设有氦气喷嘴，所述氦气喷嘴靠近所述喷嘴设置；以便将过冷氦气通过第二过冷氦入口管路、喷枪氦气入口管路和喷枪氦气出口管路分流至所述氦气喷嘴，以使过冷氦气能够喷射至液氢束流上。
[0020]根据一种优选实施方式，在所述氢浆产生装置的底部形成氢浆收集区，在所述氢
浆收集区的流体表面设有液位传感器；所述氢浆收集区通过氢浆出口管路与外部收集容器相连接，且在所述氢浆出口管路上设有氢浆出口低温节流阀，以便利用所述氢浆产生装置与所述外部收集容器之间的压力差使呈流体状态的氢浆连续输送至所述外部收集容器内。
[0021]根据一种优选实施方式，在所述氢浆出口管路内设有在线密度传感器和压差式流量计，所述在线密度传感器与氢浆出口低温节流阀均与外部控制设备相连接并基于所述在线密度传感器的测量值调节所述氢浆出口低温节流阀的开度；所述压差式流量计用于监测氢浆流量。
[0022]根据一种优本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氢浆发生器，其特征在于，包括真空绝缘容器(30)以及位于所述真空绝缘容器(30)内部的液氢深冷装置(26)和氢浆产生装置(27)，其中：所述液氢深冷装置(26)包括第四热交换器(3)，在所述液氢深冷装置上连接有液氢入口管路(5)和过冷液氢出口管路(25)，所述液氢深冷装置用于使通过所述液氢入口管路(5)进入的液氢经所述第四热交换器(3)进行热交换降温后使其温度低于其正常沸点；所述氢浆产生装置(27)包括在其底部设置的喷枪总成(18)，所述过冷液氢出口管路(25)的末端通过液氢入口调节阀(24)连接至所述喷枪总成(18)并使过冷液氢经所述喷枪总成(18)后在喷嘴(28)处以雾状喷出，所述氢浆产生装置(27)内部均匀充有能够冷却至氢的三相点温度以下的过冷氦气气氛，以使雾状喷出的液氢过冷形成固态氢颗粒。2.根据权利要求1所述的氢浆发生器，其特征在于，在所述氢浆产生装置(27)的顶部设有热交换组件，所述热交换组件包括第一热交换器(15)和过冷板(16)，所述过冷板(16)设置在所述第一热交换器(15)的底部，所述过冷板(16)包括顶板(161)和底板(162)，其中，沿所述顶板(161)的径向设有窄槽(163)，在所述底板(162)的下方布设有多个与所述底板(162)的表面呈夹角设置的挡板(164)。3.根据权利要求2所述的氢浆发生器，其特征在于，所述第一热交换器(15)上连接有由第一过冷氦入口管路(8)和第一氦气出口管路(7)组成的第一组氦循环系统以及由第二过冷氦入口管路(12)和第二氦气出口管路(13)组成的第二组氦循环系统，以通过所述第一组氦循环系统和所述第二组氦循环系统为所述第一热交换器(15)提供冷循环使所述热交换器组件周围建立低于氢的三相点温度以下的低温环境；在所述氢浆产生装置(27)的上方设有氢气回收管路(11)。4.根据权利要求3所述的氢浆发生器，其特征在于，在所述第二过冷氦入口管路(13)上连接有喷枪氦气入口管路(14)，所述喷枪氦气入口管路(14)与位于所述喷枪总成(18)内的喷枪氦气出口管路(21)相连通，在所述喷枪氦气出口管路(21)的末端设有氦气喷嘴(19)，所述氦气喷嘴(19)靠近所述喷嘴(28)设置；以便将过冷氦气通过第二过冷氦入口管路(13)、喷枪氦气入口管路(14)和喷枪氦气出口管路(21)分流至所述氦气喷嘴(19)，以使过冷氦气能够喷射至液氢束流上。5.根据权利要求1所述的氢浆发生器，其特征在于，在所述氢浆产生装置(27)的底部形成氢浆收集区(22)，在所述氢浆收集区(22)的流体表面设有液位传感器；所述氢浆收集区(22)通过氢浆出口管路(17)与外部收集容器(10)相连接，且在所述氢浆出口管路(17)上设有氢浆出口低温节流阀(23)，以便利用所...

【专利技术属性】
技术研发人员：楼建军，
申请(专利权)人：楼建军，
类型：发明
国别省市：