一种低温储氢系统技术方案

本发明专利技术涉及低温制冷技术领域，公开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，主冷模块中形成主冷回路使混合制冷机工质在其中循环流通，预冷模块对主冷模块中的混合制冷剂工质换热降温，原料氢气经多级压缩模块压缩成高温高压的氢气进入主冷模块与混合制冷剂工质多级换热从而降温成低温高压的氢气最终进入低温高压氢气罐储存。本发明专利技术的低温储氢系统，采用混合制冷剂工质对高温高压氢气进行冷却，相较液氮、液氦等定温冷源而言，其匹配性更好，提高了对低温氢气制取的能量转化效率，降低了低温氢气的制取成本。的制取成本。的制取成本。

【技术实现步骤摘要】
一种低温储氢系统


[0001]本专利技术涉及低温制冷
，特别是涉及一种低温储氢系统。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。

技术实现思路

[0004]本专利技术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。
[0005]为了解决上述技术问题，本专利技术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；
[0006]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e2、节流阀e3、节流阀e4，所述一级换热器A内设有一级混合工质通道、预冷制冷剂通道、一级氢气通道，所述二级换热器B内设有二级气相混合工质通道b1、二级液相混合工质通道b2、二级混合工质返回通道b3、二级氢气通道b4，所述二级换热器C内设有二级气相混合工质通道c1、二级液相混合工质通道c2、二级混合工质返回通道c3、二级氢气通道c4，所述三级换热器D内设有三级混合工质进入通道d1、三级混合工质返回通道d2、三级氢气通道d3；
[0007]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；
[0008]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b1的入口相连，所述第一气液分离器的底部液体出口与所述二级液相混合工质通道b2的入口相连，所述二级液相混合工质通道b2的出口连通节流阀e2的第一端，所述二级气相混合工质通道b1的出口连通所述第二气液分离器的入口，所述第二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c1的入口相连，所述第二气液分离器的底部液体出口与所述二级液相混合工质通道c2的入口相连，所述二级液相混合工质通道c2的出口连通节流阀e3的第一端，所述二级气相混合工质通道c1的出口连通所述三级混合工质进入通道d1的入口，所述三级混合工质进入通道d1的出口连通节流阀e4的第一端，所述节流阀e4的第二端连通所述三级混合工质返回通道d2的入口,所述三级混合工质返回通道d2的出口以及所述节流阀e3的
第二端连通所述二级混合工质返回通道c3的入口，所述二级混合工质返回通道c3的出口以及所述节流阀e2的第二端连通所述二级混合工质返回通道b3的入口，所述二级混合工质返回通道b3的出口连通所述第一压缩机的入口，混合制冷剂工质依次在所述第一压缩机、所述第一冷却器、所述一级换热器A、所述第一气液分离器、所述二级换热器B、所述第二气液分离器、所述二级换热器C、所述三级换热器D之间循环流通形成主冷回路；
[0009]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b4、所述二级氢气通道c4、所述三级氢气通道d3和所述低温高压氢气罐。
[0010]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e1，所述预冷压缩机的高压排气口与所述预冷冷却器的入口连通，所述预冷冷却器的出口连通所述节流阀e1的第一端，所述节流阀e1的第二端连通所述预冷制冷剂通道的入口，所述预冷制冷剂通道的出口连通所述预冷压缩机的入口，预冷制冷剂在所述预冷压缩机、所述预冷冷却器、所述节流阀e1及所述预冷制冷剂通道之间循环流通形成所述预冷回路。
[0011]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b5，所述二级换热器C内还设有二级氮气通道c5，所述三级换热器D内还设有三级氮气通道d4，氮气依次进入所述二级氮气通道b5、所述二级氮气通道c5、所述三级氮气通道d4降温并存入所述液氮罐，所述液氮罐的第一出口连接所述低温高压氢气罐。
[0012]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b5。
[0013]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b6，所述二级换热器C内还设有二级返氢通道c6，所述三级换热器D内还设有三级返氢通道d5，所述三级氢气通道d3的出口连通所述液氢制取模块的第一入口，所述液氮罐的第二出口连通所述液氢制取模块的第二入口，所述液氢制取模块的第一出口与所述低温液氢罐的入口连通，所述液氢制取模块的第一出口用于流出液氢，所述液氢制取模块的第二出口依次连通所述三级返氢通道d5、所述二级返氢通道c6、所述二级返氢通道b6，所述液氢制取模块的第二出口用于流出氢气，所述二级返氢通道b6的出口与所述多级压缩模块的入口相连通。
[0014]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e5以及第三气液分离器，所述换热器组件包括依次串联的液氮预冷换热器、第二换热器、第三换热器、第四换热器、第五换热器、第六换热器，所述液氮预冷换热器内设有液氮预冷通道、氢气进入通道和氢气回流通道，所述液氮罐的第二出口连通所述液氮预冷通道的入口，所述液氮预冷通道的出口用于排出氮气，所述三级氢气通道d3的出口连通所述氢气进入通道的入口，所述氢气回流通道的出口连通所述三级返氢通道d5，所述氢气进入通道的出口及所述氢气回流通道的入口分别连通至所述第二换热器，所述第四换热器上设置有低温工质气体入口和低温工质气体出口，所述膨胀机组件包括一级膨胀机和二级膨胀机，所述一级膨胀机的入口设于所述第二换热器至所述第三换热器的供给管路上，所述一级膨胀机的出口与所述第四换热器的低温工质气体入口连通，所述第四换热器的低温工质气体出口连通所述二级膨胀机的入口，所述二级膨胀机的出口设置于所述第六换热器至所述第五换热器的回流管路
上，所述第六换热器的供给出口连接所述节流阀e5的第一端，所述节流阀e5的第二端连接所述第三气液分离器的入口，所述第三气液分离器的顶部气体出口连通所述第六换热器的回流入口，所述第三气液分离器的底部液体出口连通所述低温液氢罐。
[0015]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。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低温储氢系统，其特征在于，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e2、节流阀e3、节流阀e4，所述一级换热器A内设有一级混合工质通道、预冷制冷剂通道、一级氢气通道，所述二级换热器B内设有二级气相混合工质通道b1、二级液相混合工质通道b2、二级混合工质返回通道b3、二级氢气通道b4，所述二级换热器C内设有二级气相混合工质通道c1、二级液相混合工质通道c2、二级混合工质返回通道c3、二级氢气通道c4，所述三级换热器D内设有三级混合工质进入通道d1、三级混合工质返回通道d2、三级氢气通道d3；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b1的入口相连，所述第一气液分离器的底部液体出口与所述二级液相混合工质通道b2的入口相连，所述二级液相混合工质通道b2的出口连通节流阀e2的第一端，所述二级气相混合工质通道b1的出口连通所述第二气液分离器的入口，所述第二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c1的入口相连，所述第二气液分离器的底部液体出口与所述二级液相混合工质通道c2的入口相连，所述二级液相混合工质通道c2的出口连通节流阀e3的第一端，所述二级气相混合工质通道c1的出口连通所述三级混合工质进入通道d1的入口，所述三级混合工质进入通道d1的出口连通节流阀e4的第一端，所述节流阀e4的第二端连通所述三级混合工质返回通道d2的入口,所述三级混合工质返回通道d2的出口以及所述节流阀e3的第二端连通所述二级混合工质返回通道c3的入口，所述二级混合工质返回通道c3的出口以及所述节流阀e2的第二端连通所述二级混合工质返回通道b3的入口，所述二级混合工质返回通道b3的出口连通所述第一压缩机的入口，混合制冷剂工质依次在所述第一压缩机、所述第一冷却器、所述一级换热器A、所述第一气液分离器、所述二级换热器B、所述第二气液分离器、所述二级换热器C、所述三级换热器D之间循环流通形成主冷回路；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b4、所述二级氢气通道c4、所述三级氢气通道d3和所述低温高压氢气罐。2.根据权利要求1所述的低温储氢系统，其特征在于，所述预冷模块包括预冷压缩机、预冷冷却器和节流阀e1，所述预冷压缩机的高压排气口与所述预冷冷却器的入口连通，所述预冷冷却器的出口连通所述节流阀e1的第一端，所述节流阀e1的第二端连通所述预冷制冷剂通道的入口，所述预冷制冷剂通道的出口连通所述预冷压缩机的入口，预冷制冷剂在所述预冷压缩机、所述预冷冷却器、所述节流阀e1及所述预冷制冷剂通道之间循环流通形成所述预冷回路。3.根据权利要求1所述的低温储氢系统，其特征在于，还包括液氮罐，所述二级换热器B内还设有二级氮气通道b5，所述二级换热器C内还设有二级氮气通道c5，所述三级换热器D内还设有三级氮气通道d4，氮气依次进入所述二级氮气通道b5、所述二级氮气通道c5、所述三级氮气通道d4降温并存入所述液氮罐，所述液氮罐的第一出口连接所述低温高压氢气罐。
4.根据权利要求3所述的低温储氢系统，其特征在于，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b5。5.根据权利要求1所述的低温储氢系统，其特征在于，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b6，所述二级换热器C内还设有二级返氢通道c6，所述三级换热器D内还设有三级返氢通道d5，所述三级氢气通道d3的出口连通所述液氢制取模块的第...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘周斌，田梁玉，陈铁义，谢知寒，方芹，王澍，魏文力，徐丹露，缪宁杰，张志亮，杨焘，沈俊，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：