一种基于深冷高压储氢的加氢系统论文和设计-魏蔚

全文摘要

本实用新型公开了一种基于深冷高压储氢的加氢系统，包括：液氢储罐、液氢增压泵、汽化器、高压气氢瓶、混合器、加氢机、中央控制器，液氢储罐通过管路与液氢增压泵的入口相连通，汽化器的出口通过管路与高压气氢瓶的入口相连通，高压气氢瓶的出口通过管路与混合器一个入口相连通，混合器的出口通过管路与加氢机的入口相连通，还包括：用于形成和储存超临界氢的深冷高压储氢瓶，液氢增压泵的出口通过管路与深冷高压储氢瓶的入口相连通，深冷高压储氢瓶的出口通过管路与混合器的另一个入口相连通，深冷高压储氢瓶的出口还通过管路与汽化器的入口相连通。上述的加氢系统的储氢维持时间长且BOG排放少、维护成本低，并且能使加氢连续快速。

主设计要求

1.一种基于深冷高压储氢的加氢系统，包括：液氢储罐、液氢增压泵、汽化器、高压气氢瓶、混合器、加氢机、中央控制器，液氢储罐通过管路与液氢增压泵的入口相连通，汽化器的出口通过管路与高压气氢瓶的入口相连通，高压气氢瓶的出口通过管路与混合器一个入口相连通，混合器的出口通过管路与加氢机的入口相连通，其特征在于：还包括：用于形成和储存超临界氢的深冷高压储氢瓶，液氢增压泵的出口通过管路与深冷高压储氢瓶的入口相连通，深冷高压储氢瓶的出口通过管路与混合器的另一个入口相连通，深冷高压储氢瓶的出口还通过管路与汽化器的入口相连通。

设计方案

2.根据权利要求1所述的一种基于深冷高压储氢的加氢系统，其特征在于：还包括：BOG加热器、燃料电池，BOG加热器的入口通过管路与液氢储罐上的BOG出口相连通，BOG加热器的出口通过管路与燃料电池的入口相连通。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于深冷高压储氢的加氢系统，其特征在于：在液氢储罐和液氢增压泵之间的管路上依次串联设置有手动阀、第一电磁阀、质量流量计，在液氢增压泵和深冷高压储氢瓶之间的管路上设置有第二电磁阀，在深冷高压储氢瓶上设置有用于检测瓶内氢温度和压力的第一温度传感器和第一压力传感器，在深冷高压储氢瓶和汽化器之间的管路上设置有第三电磁阀，在深冷高压储氢瓶和混合器之间的管路上设置有第四电磁阀，在混合器上设置有用于检测混合器内混合氢温度和压力的第二温度传感器和第二压力传感器，在混合器和加氢机之间的管路上设置有第五电磁阀，在混合器和高压气氢瓶之间的管路上设置有第六电磁阀，在汽化器和高压气氢瓶之间的管路上设置有第七电磁阀，在高压气氢瓶上设置有用于检测瓶内氢温度和压力的第三温度传感器和第三压力传感器，第一电磁阀、质量流量计、第二电磁阀、第一温度传感器、第一压力传感器、第三电磁阀、第四电磁阀、第二温度传感器、第二压力传感器、第五电磁阀、第六电磁阀、第七电磁阀、第三温度传感器、第三压力传感器分别与中央控制器电连接。

4.根据权利要求2所述的一种基于深冷高压储氢的加氢系统，其特征在于：在液氢储罐和BOG加热器之间的管路上设置有用于检测BOG温度和压力的第四温度传感器和第四压力传感器、第八电磁阀，第四温度传感器、第四压力传感器、第八电磁阀与中央控制器电连接。

5.根据权利要求1所述的一种基于深冷高压储氢的加氢系统，其特征在于：深冷高压储氢瓶的结构包括：内筒体和外筒体，内筒体通过支撑构件安装于外筒体中，内、外筒体之间的夹层抽真空形成真空绝热层，在内筒体的封头上设置有与内筒体内腔相连通且带内螺纹的内瓶口，在内瓶口中螺纹连接有瓶口密封件，内瓶口边缘和瓶口密封件螺纹段之间焊接密封，在瓶口密封件中设置有一个L形的第一氢通道，第一氢通道的内端口位于瓶口密封件的内端面上与内筒体内腔相连通，第一氢通道的外端口位于瓶口密封件外端的侧壁上，在真空绝热层中设置有一个环绕瓶口密封件布置的第一连通管道，第一连通管道向外穿过外筒体并与外筒体相密封固定，第一连通管道的内端口与第一氢通道的外端口相焊接连通。

6.根据权利要求5所述的一种基于深冷高压储氢的加氢系统，其特征在于：在瓶口密封件中还设置有一个L形的第二氢通道，第二氢通道的内端口位于瓶口密封件的内端面上与内筒体内腔相连通，第二氢通道的外端口位于瓶口密封件外端的侧壁上，在真空绝热层中还设置有一个环绕瓶口密封件布置的第二连通管道，第二连通管道向外穿过外筒体并与外筒体相密封固定，第二连通管道的内端口与第二氢通道的外端口相焊接连通。

7.根据权利要求5所述的一种基于深冷高压储氢的加氢系统，其特征在于：在瓶口密封件中还设置有一个L形的压力检测通道，压力检测通道的内端口位于瓶口密封件的内端面上与内筒体内腔相连通，压力检测通道的外端口位于瓶口密封件外端的侧壁上，在真空绝热层中还设置有一个环绕瓶口密封件布置的第三连通管道，第三连通管道向外穿过外筒体并与外筒体相密封固定，第三连通管道的内端口与压力检测通道的外端口相焊接连通。

8.根据权利要求5所述的一种基于深冷高压储氢的加氢系统，其特征在于：在瓶口密封件中还分别设置有两个L形的换热通道，每个换热通道的内端口均位于瓶口密封件的内端面上，每个换热通道的外端口均位于瓶口密封件外端的侧壁上，在真空绝热层中还分别设置有两个环绕瓶口密封件布置的第四连通管道，每个第四连通管道均向外穿过外筒体并与外筒体相密封固定，两个第四连通管道的内端口与两个换热通道的外端口分别一一对应焊接连通，在内筒体中设置有一个换热管道，换热管道的两端口与两个换热通道的内端口分别一一对应焊接连通。

9.根据权利要求5或6或7或8所述的一种基于深冷高压储氢的加氢系统，其特征在于：真空绝热层中的各个连通管道的长度均不小于1米。

10.根据权利要求5或6或7或8所述的一种基于深冷高压储氢的加氢系统，其特征在于：瓶口密封件由不同材质的螺纹段和管道焊接段组成，管道焊接段侧壁即瓶口密封件外端侧壁，螺纹段和管道焊接段采用摩擦焊焊接。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及加氢站的加氢系统，具体涉及一种基于深冷高压储氢的加氢系统。

背景技术

现有一种名称为应用于液氢加氢站的混合加注系统、专利号为：CN201810579761.5的实用新型专利，该混合加注系统存在如下缺点：（1）在加注时，需要液氢泵抽取液氢储罐中的液氢并加压，然后由高压液氢与高压氢气混合后再进行加注，但是由于液氢泵存在加压不稳定，加压响应慢的缺点，使得加注氢气时会存在不连续、不快速的情况；（2）液氢储罐的储氢维持时间较短，所以会产生较多的BOG；（3）液氢泵抽取液氢时小部分液氢会因温度升高而汽化，这样就会导致后面输送液氢的管路中存在液氢和气氢两种状态氢的情况，由于气氢的压力比液氢高，所以会对管路存在不利影响，从而会增加加注系统的维护成本。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是：将提供一种能使加氢连续快速、储氢维持时间长且BOG排放少、维护成本低的基于深冷高压储氢的加氢系统。

为了解决上述问题，本实用新型所采用的技术方案为：一种基于深冷高压储氢的加氢系统，包括：液氢储罐、液氢增压泵、汽化器、高压气氢瓶、混合器、加氢机、中央控制器，液氢储罐通过管路与液氢增压泵的入口相连通，汽化器的出口通过管路与高压气氢瓶的入口相连通，高压气氢瓶的出口通过管路与混合器一个入口相连通，混合器的出口通过管路与加氢机的入口相连通，其特征在于：还包括：用于形成和储存超临界氢的深冷高压储氢瓶，液氢增压泵的出口通过管路与深冷高压储氢瓶的入口相连通，深冷高压储氢瓶的出口通过管路与混合器的另一个入口相连通，深冷高压储氢瓶的出口还通过管路与汽化器的入口相连通。

进一步的，前述的一种基于深冷高压储氢的加氢系统，其中：还包括：BOG加热器、燃料电池，BOG加热器的入口通过管路与液氢储罐上的BOG出口相连通，BOG加热器的出口通过管路与燃料电池的入口相连通。

进一步的，前述的一种基于深冷高压储氢的加氢系统，其中：在液氢储罐和液氢增压泵之间的管路上依次串联设置有手动阀、第一电磁阀、质量流量计，在液氢增压泵和深冷高压储氢瓶之间的管路上设置有第二电磁阀，在深冷高压储氢瓶上设置有用于检测瓶内氢温度和压力的第一温度传感器和第一压力传感器，在深冷高压储氢瓶和汽化器之间的管路上设置有第三电磁阀，在深冷高压储氢瓶和混合器之间的管路上设置有第四电磁阀，在混合器上设置有用于检测混合器内混合氢温度和压力的第二温度传感器和第二压力传感器，在混合器和加氢机之间的管路上设置有第五电磁阀，在混合器和高压气氢瓶之间的管路上设置有第六电磁阀，在汽化器和高压气氢瓶之间的管路上设置有第七电磁阀，在高压气氢瓶上设置有用于检测瓶内氢温度和压力的第三温度传感器和第三压力传感器，第一电磁阀、质量流量计、第二电磁阀、第一温度传感器、第一压力传感器、第三电磁阀、第四电磁阀、第二温度传感器、第二压力传感器、第五电磁阀、第六电磁阀、第七电磁阀、第三温度传感器、第三压力传感器分别与中央控制器电连接。

进一步的，前述的一种基于深冷高压储氢的加氢系统，其中：在液氢储罐和BOG加热器之间的管路上设置有用于检测BOG温度和压力的第四温度传感器和第四压力传感器、第八电磁阀，第四温度传感器、第四压力传感器、第八电磁阀与中央控制器电连接。

进一步的，前述的一种基于深冷高压储氢的加氢系统，其中：深冷高压储氢瓶的结构包括：内筒体和外筒体，内筒体通过支撑构件安装于外筒体中，内、外筒体之间的夹层抽真空形成真空绝热层，在内筒体的封头上设置有与内筒体内腔相连通且带内螺纹的内瓶口，在内瓶口中螺纹连接有瓶口密封件，内瓶口边缘和瓶口密封件螺纹段之间焊接密封，在瓶口密封件中设置有一个L形的第一氢通道，第一氢通道的内端口位于瓶口密封件的内端面上与内筒体内腔相连通，第一氢通道的外端口位于瓶口密封件外端的侧壁上，在真空绝热层中设置有一个环绕瓶口密封件布置的第一连通管道，第一连通管道向外穿过外筒体并与外筒体相密封固定，第一连通管道的内端口与第一氢通道的外端口相焊接连通。

进一步的，前述的一种基于深冷高压储氢的加氢系统，其中：在瓶口密封件中还设置有一个L形的第二氢通道，第二氢通道的内端口位于瓶口密封件的内端面上与内筒体内腔相连通，第二氢通道的外端口位于瓶口密封件外端的侧壁上，在真空绝热层中还设置有一个环绕瓶口密封件布置的第二连通管道，第二连通管道向外穿过外筒体并与外筒体相密封固定，第二连通管道的内端口与第二氢通道的外端口相焊接连通。

进一步的，前述的一种基于深冷高压储氢的加氢系统，其中：在瓶口密封件中还设置有一个L形的压力检测通道，压力检测通道的内端口位于瓶口密封件的内端面上与内筒体内腔相连通，压力检测通道的外端口位于瓶口密封件外端的侧壁上，在真空绝热层中还设置有一个环绕瓶口密封件布置的第三连通管道，第三连通管道向外穿过外筒体并与外筒体相密封固定，第三连通管道的内端口与压力检测通道的外端口相焊接连通。

进一步的，前述的一种基于深冷高压储氢的加氢系统，其中：在瓶口密封件中还分别设置有两个L形的换热通道，每个换热通道的内端口均位于瓶口密封件的内端面上，每个换热通道的外端口均位于瓶口密封件外端的侧壁上，在真空绝热层中还分别设置有两个环绕瓶口密封件布置的第四连通管道，每个第四连通管道均向外穿过外筒体并与外筒体相密封固定，两个第四连通管道的内端口与两个换热通道的外端口分别一一对应焊接连通，在内筒体中设置有一个换热管道，换热管道的两端口与两个换热通道的内端口分别一一对应焊接连通。

进一步的，前述的一种基于深冷高压储氢的加氢系统，其中：真空绝热层中的各个连通管道的长度均不小于1米。

进一步的，前述的一种基于深冷高压储氢的加氢系统，其中：瓶口密封件由不同材质的螺纹段和管道焊接段组成，管道焊接段侧壁即瓶口密封件外端侧壁，螺纹段和管道焊接段采用摩擦焊焊接。

本实用新型的优点为：本实用新型所述的加氢系统中的深冷高压储氢瓶能稳定快速的提供压力波动小的高压超临界氢，所以能保证加氢的连续快速；由于超临界氢的储氢密度高于低温液氢，所以将液氢储罐中的液氢加压输入至深冷高压储氢瓶中形成超临界氢后能提高系统的储氢能力；超临界氢能延长深冷高压储氢瓶的储氢维持时间，从而将液氢储罐中的液氢加压输送至深冷高压储氢瓶中后能减少系统的BOG排放；液氢增压泵输送的液氢和输送产生的气氢进入至深冷高压储氢瓶后都会成为一种状态的超临界氢，这样就能防止两种状态的氢对后面的管路产生不利影响，从而能延长后面管路的使用寿命，大大降低维护成本。另外，本实用新型所述的深冷高压储氢瓶中的瓶口密封件和内瓶口采用螺纹连接后再进行焊接密封，使得瓶口密封件更抗压，从而能大大提高瓶口密封件的密封稳定性；另外，各个连通管道环绕着瓶口密封件布置后能使各个连通管道设置的更长，这样就能使传递到内筒体的热量最小化；瓶口密封件设置成两段后能使瓶口密封件更好的适应不同材质的内、外筒体，这样能延长瓶口密封件的使用寿命和降低瓶口密封件的导热性。

附图说明

图1为本实用新型所述的一种基于深冷高压储氢的加氢系统。

图2为图1中所示的深冷高压储氢瓶的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本实用新型作进一步的详细描述。

如图1所示，一种基于深冷高压储氢的加氢系统，包括：液氢储罐1、液氢增压泵2、汽化器3、高压气氢瓶4、混合器5、加氢机6、中央控制器7，液氢储罐1通过管路与液氢增压泵2的入口相连通，汽化器3的出口通过管路与高压气氢瓶4的入口相连通，高压气氢瓶4的出口通过管路与混合器5一个入口相连通，混合器5的出口通过管路与加氢机6的入口相连通，还包括：用于形成和储存超临界氢的深冷高压储氢瓶8，液氢增压泵2的出口通过管路与深冷高压储氢瓶8的入口相连通，深冷高压储氢瓶8的出口通过管路与混合器5的另一个入口相连通，深冷高压储氢瓶8的出口还通过管路与汽化器3的入口相连通。另外，还包括：BOG加热器9、燃料电池91，BOG加热器9的入口通过管路与液氢储罐1上的BOG出口相连通，BOG加热器9的出口通过管路与燃料电池91的入口相连通，燃料电池91用于提供加氢站所需的电能和热能。

在本实施例中，在液氢储罐1和液氢增压泵2之间的管路上依次串联设置有手动阀11、第一电磁阀21、质量流量计12，在液氢增压泵2和深冷高压储氢瓶8之间的管路上设置有第二电磁阀22，在深冷高压储氢瓶8上设置有用于检测瓶内氢温度和压力的第一温度传感器81和第一压力传感器71，在深冷高压储氢瓶8和汽化器3之间的管路上设置有第三电磁阀23，在深冷高压储氢瓶8和混合器5之间的管路上设置有第四电磁阀24，在混合器5上设置有用于检测混合器5内混合氢温度和压力的第二温度传感器82和第二压力传感器72，在混合器5和加氢机6之间的管路上设置有第五电磁阀25，在混合器5和高压气氢瓶4之间的管路上设置有第六电磁阀26，在汽化器3和高压气氢瓶4之间的管路上设置有第七电磁阀27，在高压气氢瓶4上设置有用于检测瓶内氢温度和压力的第三温度传感器83和第三压力传感器73，第一电磁阀21、质量流量计12、第二电磁阀22、第一温度传感器81、第一压力传感器71、第三电磁阀23、第四电磁阀24、第二温度传感器82、第二压力传感器72、第五电磁阀25、第六电磁阀26、第七电磁阀27、第三温度传感器83、第三压力传感器73分别与中央控制器7电连接。另外，在液氢储罐1和BOG加热器9之间的管路上设置有用于检测BOG温度和压力的第四温度传感器84和第四压力传感器74、第八电磁阀28，第四温度传感器84、第四压力传感器74、第八电磁阀28与中央控制器7电连接。上述的各个电磁阀用于开闭所在管路。

工作时，液氢增压泵2会抽取液氢储罐1中的液氢并且加压，然后高压液氢会被输送至深冷高压储氢瓶中，进入深冷高压储氢瓶中的氢在超低温（33.19K以下）和高压（1.315MPa以上）同时作用下会呈现超临界状态，深冷高压储氢瓶中的超临界氢有一部分会进入至汽化器3中加热汽化形成高压气氢，然后高压气氢会被储存于高压气氢瓶4中，加注时，深冷高压储氢瓶中的超临界氢有一部分会进入至混合器5和高压气氢瓶4放出的高压气氢混合，使得高压气氢达到可以加注的温度，然后在加注。

如图2所示，在本实施例中，深冷高压储氢瓶的结构包括：内筒体61和外筒体62，内筒体61采用碳纤维全缠绕铝合金内胆，铝合金抗氢脆，但是铝合金的强度较低，导热性较高，所以在铝合金内胆外侧需要缠绕碳纤维来增加抗压强度，外筒体62采用奥氏体不锈钢材质，奥氏体不锈钢强度高，导热性较低，从而能较好的绝热；内筒体61通过支撑构件安装于外筒体62中，内、外筒体61、62之间的夹层抽真空形成真空绝热层69，在内筒体61的封头上设置有与内筒体61内腔相连通且带内螺纹的内瓶口611，在内瓶口611中螺纹连接有瓶口密封件63，在实际应用中，瓶口密封件的螺纹段上可以缠绕密封带后在旋入内瓶口611中，这样设置后能使密封性更好；内瓶口611内、外侧边缘和瓶口密封件63螺纹段之间均焊接密封，在瓶口密封件63中设置有一个L形的第一氢通道64，第一氢通道64的内端口位于瓶口密封件63的内端面上与内筒体61内腔相连通，第一氢通道64的外端口位于瓶口密封件63外端的侧壁上，在真空绝热层69中设置有一个环绕瓶口密封件63布置的第一连通管道641，第一连通管道641向外穿过外筒体62并与外筒体62相密封固定，第一连通管道641的内端口与第一氢通道64的外端口相焊接连通。

在本实施例中，在瓶口密封件63中还设置有一个L形的第二氢通道65，第二氢通道65的内端口位于瓶口密封件63的内端面上与内筒体61内腔相连通，第二氢通道65的外端口位于瓶口密封件63外端的侧壁上，在真空绝热层69中还设置有一个环绕瓶口密封件63布置的第二连通管道651，第二连通管道651向外穿过外筒体62并与外筒体62相密封固定，第二连通管道651的内端口与第二氢通道65的外端口相焊接连通。

在本实施例中，在瓶口密封件63中还设置有一个L形的压力检测通道66，压力检测通道66的内端口位于瓶口密封件63的内端面上与内筒体61内腔相连通，压力检测通道66的外端口位于瓶口密封件63外端的侧壁上，在真空绝热层69中还设置有一个环绕瓶口密封件63布置的第三连通管道661，第三连通管道661向外穿过外筒体62并与外筒体62相密封固定，第三连通管道661的内端口与压力检测通道66的外端口相焊接连通。

在本实施例中，在瓶口密封件63中还分别设置有两个L形的换热通道67，每个换热通道67的内端口均位于瓶口密封件63的内端面上，每个换热通道67的外端口均位于瓶口密封件63外端的侧壁上，在真空绝热层69中还分别设置有两个环绕瓶口密封件63布置的第四连通管道671，每个第四连通管道671均向外穿过外筒体62并与外筒体62相密封固定，两个第四连通管道671的内端口与两个换热通道67的外端口分别一一对应焊接连通，在内筒体61中设置有一个换热管道68，换热管道68的两端口与两个换热通道67的内端口分别一一对应焊接连通。

瓶口密封件63中的各个通道均设置成L形后各个通道加工更加方便，并且能使各个连通管道排布的更加紧凑合理，各个连通管道环绕着瓶口密封件63布置后能使各个连通管道设置的更长，上述的真空绝热层69中的各个连通管道的长度均不小于1米，这样设置是为了保证热传递的路径足够长，使得传递到内筒体61的热量最小化。

在本实施例中，瓶口密封件63由不同材质的螺纹段631和管道焊接段632组成，管道焊接段632侧壁即瓶口密封件63外端侧壁，螺纹段631和管道焊接段632采用摩擦焊焊接，螺纹段631采用与内筒体61内胆材料相同的铝合金材质，这样设置能使螺纹段631抗氢脆，而管道焊接段632采用奥氏体不锈钢材质，另外，各个连通管道也采用奥氏体不锈钢材质，这样设置后能利用奥氏体不锈钢的低导热性和高强度来更好的绝热和抗压。

第一氢通道64和第二氢通道65可以用来进出超临界氢，压力检测通道66可以用来检测内筒体61中的压力，两个换热通道67可以用来进出换热介质，使得内筒体61内腔保持低温。在实际应用中，第二氢通道65，压力检测通道66，两个换热通道67都可以选择性设置，当只有一个第一氢通道64时，第一氢通道64即用于进氢也用于出氢，只是进出氢无法同时进行。

设计图

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