一种混合工质低温高压储氢系统技术方案

本申请提供的混合工质低温高压储氢系统，包括：氢气增压单元(1)、混合工质制冷机单元(2)和低温高压储罐单元(3)，低压原料氢气经所述多级氢气压缩机(101)增压后进入所述后冷却器(102)冷却，形成的高压氢气进入所述混合工质制冷机单元(2)；所述高压氢气在所述回热器(203)中被低温低压混合工质冷却至储氢温度以形成低温高压氢气，所述低温高压氢气进入所述低温高压储罐单元(3)存储，上述混合工质低温高压储氢系统，采用混合工质节流制冷技术，对高压氢气分布式冷却，实现氢气低温高压致密化储存，且无需正仲氢转化，可大量采用空分、LNG领域的成熟货架产品，具有储氢密度高、储氢能耗低、系统建造成本低的优点。系统建造成本低的优点。系统建造成本低的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种混合工质低温高压储氢系统


[0001]本申请涉及低温制冷和储氢
，特别涉及一种混合工质低温高压储氢系统。

技术介绍

[0002]氢气燃烧过程无污染，是替代传统化石燃料的新能源载体之一。然而氢气密度极低，在常温常压下为气态，氢气的密度为0.0899kg/m3，储存运输极为不便，是限制氢能实用化、规模化应用的主要瓶颈。目前氢气致密化储存方法主要有分为化学储氢和物理储氢两大类，化学储氢方法主要有金属氢化物储氢、有机液氢化物储氢、无机物储氢等，物理储氢方法主要有氢液化、高压气态储氢、吸附储氢等。其中金属氢化物储氢等化学储氢方法以及吸附储氢存在储氢介质造价高、寿命有限、放氢温度高等局限性，仍待进一步发展，目前商业应用较多的是氢液化和高压气态储氢。
[0003]氢液化系统将氢气冷却到20K后液化，可实现70kg/m3级别的储氢密度，且液氢储存压力低，是较为理想的储氢方式。然而氢液化系统结构复杂、研制难度大、系统造价高，且运行能耗较大，现有氢液化装置能耗约10kWh/kg LH2；另一方方面液氢储存容器的绝热要求高，且液氢长期储存蒸发损失较大。目前液氢生产成本仍然较高，主要用于航天等领域，推广至民用领域需降低成本。
[0004]而高压气态储氢是将气态氢压缩至较高压力后储存，储存温度一般为常温，具有能耗低、成本低、充放氢方便等优点，其研制难度一般低于氢液化系统，目前已相对成熟并应用于氢能汽车等领域；然而高压气态储氢密度有限，并且储存压力高，存在一定安全问题。
[0005]综上，现有的储氢方法均有明显缺陷，难以同时实现氢气的低成本(低设备成本、低能耗)、高密度储存。

技术实现思路

[0006]鉴于此，有必要针对现有技术中存在缺陷提供一种储氢密度高、储氢能耗低、系统建造成本低的混合工质低温高压储氢系统。
[0007]为解决上述问题，本申请采用下述技术方案：
[0008]本申请提供了一种混合工质低温高压储氢系统，包括：氢气增压单元(1)、混合工质制冷机单元(2)和低温高压储罐单元(3)，所述的氢气增压单元(1)包括多级氢气压缩机(101)与后冷却器(102)，所述的混合工质制冷机单元(2)包括混合工质制冷循环模块，所述的混合工质制冷循环模块包括依次设置的混合工质压缩机(201)、后冷却器(202)、回热器(203)和节流元件(204)；所述低温高压储罐单元(3)包括壳体(301)、进口阀(302)、内胆(301)、出口阀(304)及和绝热结构(305)，所述绝热结构(305)包裹所述内胆(301)外围，所述壳体(301)设置于所述绝热结构(305)的外围，所述进口阀(302)及出口阀(304)设置于所述壳体(301)上；
[0009]混合工质被所述混合工质压缩机(201)压缩后进入所述后冷却器(202)，再经所述后冷却器(202)冷却后进入所述回热器(203)并被低温低压混合工质冷却，然后经所述节流元件(204)降温降压后进入所述回热器(203)，再经所述回热器(203)提供冷量后复温后返回所述混合工质压缩机(201)完成循环；
[0010]低压原料氢气经所述多级氢气压缩机(101)增压后进入所述后冷却器(102)冷却，形成的高压氢气进入所述混合工质制冷机单元(2)；所述高压氢气在所述回热器(203)中被低温低压混合工质冷却至储氢温度以形成低温高压氢气，所述低温高压氢气通过所述进口阀(302)进入所述低温高压储罐单元(3)的内胆(301)存储。
[0011]在其中一些实施例中，所述混合工质制冷机单元(2)还包括预冷循环模块，所述预冷循环模块包括预冷换热器(205)及预冷机组(206)，所述预冷换热器(205)设置于所述后冷却器(202)和所述回热器(203)之间，所述混合工质和高压氢气在所述预冷换热器(205)中被预冷工质冷却，所述预冷机组(206)可对所述预冷换热器(205)提供冷源；所述预冷循环模块可采用蒸汽压缩制冷循环、混合工质节流制冷循环、吸收式制冷循环、吸附式制冷循环以及商用冷水机组。
[0012]在其中一些实施例中，所述混合工质制冷机单元(2)还包括低温逆布雷顿循环模块，所述低温逆布雷顿循环模块包括低温级压缩机(211)、后冷却器(212)、逆布雷顿前级回热器(213)、逆布雷顿次级回热器(214)和膨胀机(215)；
[0013]所述低温逆布雷顿循环模块中的低温级工质经所述低温级压缩机(211)增压再经所述后冷却器冷却后依次进入所述逆布雷顿前级回热器(213)和所述逆布雷顿次级回热器(214)并被低压低温级工质冷却进入所述膨胀机(215)降温降压，经降温降压后的低温级工质再依次经过所述逆布雷顿次级回热器(214)和所述逆布雷顿前级回热器(213)复温提供冷量后返回所述低温级压缩机(211)完成循环；
[0014]低压原料氢气依次经所述多级氢气压缩机(101)及所述后冷却器(102)形成的高压氢气在所述回热器(203)中被低温低压混合工质冷却至储氢温度以形成低温高压氢气，所述高压氢气经混合工质制冷循环冷却后进入所述逆布雷顿次级回热器(214)并被冷却至储氢温度后形成低温高压氢气，所述低温高压氢气进入所述低温高压储罐单元(3)；
[0015]所述布雷顿次级回热器(214)还连接有附加冷却段(214a)；
[0016]所述低温逆布雷顿循环的逆布雷顿前级回热器(213)与所述回热器(203)集成为单个多流道换热器。
[0017]在其中一些实施例中，所述低温级工质采用氮气、氖气、氢气、氦气等其中一种或多种组成的混合物。
[0018]在其中一些实施例中，还包括若干预冷换热器(205)，所述预冷换热器(205)可用于预冷所述混合工质、所述低温级工质和所述高压氢气。
[0019]在其中一些实施例中，所述混合工质制冷机单元(2)还包括低温制冷机，所述低温制冷机包括制冷机本体(216)和冷头换热器(217)；
[0020]低压原料氢气依次经所述多级氢气压缩机(101)及所述后冷却器(102)形成的高压氢气在所述回热器(203)中被低温低压混合工质冷却至储氢温度以形成低温高压氢气，所述低温高压氢气进入所述冷头换热器(217)并被冷却至储氢温度后再进入所述低温高压储罐单元(3)。
[0021]在其中一些实施例中，所述制冷机本体(216)可采用但不限于斯特林制冷机、G
‑
M制冷机、脉冲管制冷机、磁制冷机。
[0022]在其中一些实施例中，所述低温高压储罐单元(3)包括壳体(301)、进口阀(302)、内胆(301)、出口阀(304)及和绝热结构(305)，所述绝热结构(305)包裹所述内胆(301)外围，所述壳体(301)设置于所述绝热结构(305)的外围，所述进口阀(302)及出口阀(304)设置于所述壳体(301)上。
[0023]在其中一些实施例中，所述低温高压储罐单元(3)还包括微型膨胀机(306)、冷却夹套(307)和用户端阀(308)，所述冷却夹套(307)设置于所述内本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种混合工质低温高压储氢系统，其特征在于，包括：氢气增压单元(1)、混合工质制冷机单元(2)和低温高压储罐单元(3)，所述的氢气增压单元(1)包括多级氢气压缩机(101)与后冷却器(102)，所述的混合工质制冷机单元(2)包括混合工质制冷循环模块，所述的混合工质制冷循环模块包括依次设置的混合工质压缩机(201)、后冷却器(202)、回热器(203)和节流元件(204)；所述低温高压储罐单元(3)包括壳体(301)、进口阀(302)、内胆(301)、出口阀(304)及和绝热结构(305)，所述绝热结构(305)包裹所述内胆(301)外围，所述壳体(301)设置于所述绝热结构(305)的外围，所述进口阀(302)及出口阀(304)设置于所述壳体(301)上；混合工质被所述混合工质压缩机(201)压缩后进入所述后冷却器(202)，再经所述后冷却器(202)冷却后进入所述回热器(203)并被低温低压混合工质冷却，然后经所述节流元件(204)降温降压后进入所述回热器(203)，再经所述回热器(203)提供冷量后复温后返回所述混合工质压缩机(201)完成循环；低压原料氢气经所述多级氢气压缩机(101)增压后进入所述后冷却器(102)冷却，形成的高压氢气进入所述混合工质制冷机单元(2)；所述高压氢气在所述回热器(203)中被低温低压混合工质冷却至储氢温度以形成低温高压氢气，所述低温高压氢气通过所述进口阀(302)进入所述低温高压储罐单元(3)的内胆(301)存储。2.如权利要求1所述的混合工质低温高压储氢系统，其特征在于，所述混合工质制冷机单元(2)还包括预冷循环模块，所述预冷循环模块包括预冷换热器(205)及预冷机组(206)，所述预冷换热器(205)设置于所述后冷却器(202)和所述回热器(203)之间，所述混合工质和高压氢气在所述预冷换热器(205)中被预冷工质冷却，所述预冷机组(206)可对所述预冷换热器(205)提供冷源；所述预冷循环模块可采用蒸汽压缩制冷循环、混合工质节流制冷循环、吸收式制冷循环、吸附式制冷循环以及商用冷水机组。3.如权利要求1或2所述的混合工质低温高压储氢系统，其特征在于，所述混合工质制冷机单元(2)还包括低温逆布雷顿循环模块，所述低温逆布雷顿循环模块包括低温级压缩机(211)、后冷却器(212)、逆布雷顿前级回热器(213)、逆布雷顿次级回热器(214)和膨胀机(215)；所述低温逆布雷顿循环模块中的低温级工质经所述低温级压缩机(211)增压再经所述后冷却器(102)冷却后依次进入所述逆布雷顿前级回热器(213)和所述逆布雷顿次级回热器(214)并被低压低温级工质冷却进入所述膨胀机(215)降温降压，经降温降压后的低温级工质再依次经过所述逆布雷顿次级回热器(214)和所述逆布雷顿前级回热器(213)复温提供冷量后返回所述低温级压缩机(211)完成循环；低压原料氢气依次经所述多级氢气压缩机(101)及所述后冷却器(102)形成的高压氢气在所述回热器(203)中被低温低压混合工质冷却至储氢温度以形成低温高压氢气，所述高压氢气经混合工质制冷循环冷却后进入所述逆布雷顿次级回热器(214)并被冷却至储氢温度后形成低温高压氢气，所述低温高压氢气进入所述低温高压储罐单元(3)；所述布雷顿次级回热器(214)还连接有附加冷却段(214a)；所述低温逆布雷顿循环的逆布雷顿前级回热器(213)与所述回热器(203)集成为单个多流道换热器。4.如权利要求3所述的混合工质低温高压储氢系统，其特征在于，所述低温级工质采用氮气、氖气、氢气、氦气等其中一种或多种组成的混合物。
5....

【专利技术属性】
技术研发人员：公茂琼，王昊成，赵延兴，郭浩，
申请(专利权)人：中国科学院理化技术研究所，
类型：发明
国别省市：