一种液氢储罐汽化增压及对外供气装置、供气方法 |
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| 申请号 | CN202210555182.3 | 申请日 | 2022-05-19 | 公开(公告)号 | CN115046130B | 公开(公告)日 | 2024-04-09 |
| 申请人 | 北京航天动力研究所; | 发明人 | 王晓月; 朱文若; 徐凯; 王绍成; 石珊珊; 齐济; 胡朝阳; 赵钊; | ||||
| 摘要 | 本 申请 涉及液氢储罐 汽化 增压 及对外供气的领域，具体公开了一种液氢储罐汽化增压及对外供气装置、供气方法，装置包括位于液氢储罐内的绝 热容 器，绝热容器的顶部连通有排气装置，绝热容器的底部连通有进液控制装置，绝热容器的顶部连通有供气管路，供气管路穿出液氢储罐，绝热容器内设置有用于加热液氢的加 热机 构。方法包括加热机构开启对绝热容器内液氢加热；绝热容器补液和重新建立起工作压 力 ；两个步骤交替进行。达到了增压功耗低，漏热途径少，并能够实现 燃料 电池 系统在正常工作过程中需要长时间停机且液氢储罐减少对外排气泄压需求的特殊要求。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种液氢储罐汽化增压及对外供气装置，其特征在于：包括 |
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| 说明书全文 | 一种液氢储罐汽化增压及对外供气装置、供气方法技术领域[0001] 本申请涉及液氢储罐汽化增压及对外供气的技术领域，特别是一种液氢储罐汽化增压及对外供气装置、供气方法。 背景技术[0002] 液氢储存压力低，密度高，可有效提高燃料储存容积效率，在轻量化方面具有明显优势。将液氢储存方式应用于燃料电池汽车、燃料电池潜航器、燃料电池无人机等成为未来发展趋势，而高效、安全且能满足复杂工况需要的液氢储罐及对外供气系统的研制成为促进氢能源应用领域发展的首要工作之一。 [0003] 由于液氢沸点极低，对储罐的要求极为苛刻，设计储罐时应尽量减少储罐内部与外部之间的连通管径，减少漏热途径，确保储罐具备良好的绝热性能。 [0004] 考虑到燃料电池汽车、燃料电池潜航器等在运行过程中可能会出现短暂或长时间的中途停机状态，此时，氢燃料电池发电系统不工作，但储罐中的液氢由于漏热还会持续蒸发气化，导致储罐超压。尤其是潜航器，在海水压力的作用下，排放超压氢气非常困难，因此，液氢储罐在满足正常燃料供给的同时还应具备随时长时间低温低压存储且尽量减少对外排气需求的能力。 [0005] 进入燃料电池电堆的氢气以低压氢为主，储罐中的液氢或气氢被引出后，经升温升压以及调压后进入电堆参与电化学反应。目前从液氢储罐中引出合适压力和流量的气氢或液氢的方法有很多，常用的有： [0006] 方法1，携带高压氢气瓶为液氢储罐升压引液氢法，高压氢气进入低温液氢储罐后，迅速与储罐中已蒸发的氢气换热，储罐压力升高，而较高温度的氢气同时也会不断将热量传递给液氢，这样随着燃料电池发电系统工作，储罐内剩余液氢温度会升高，当燃料电池系统停机时，液氢储罐内的剩余液氢将很难实现长时间存储，且储罐内压力不断上升，存在爆炸和泄漏危险，需要及时和大量的对外排气泄压，无法适用深海等特殊环境；此外，该方法须携带额外的高压氢气瓶，增加了系统重量和复杂度。 [0007] 方法2，从液氢储罐引出部分液氢气化升温后，再引回到液氢储罐达到增压的目的。方法2与方法1的共同缺点是，随着高温氢气不断进入储罐内部，储罐内剩余液氢温度会越来越高，不利于液氢储罐的长时间低温低压存储，且两种方法均需要增设液氢储罐内部与外部环境之间的连通管路，增加了漏热途径，不利于储罐的绝热保温，增加了排气泄压需求。 [0008] 方法3，采用氢气压缩机从储罐内抽取氢气并压缩至燃料电池系统供气压力，或采用液氢增压泵将储罐内液氢泵出到外部汽化装置中汽化增压到燃料电池供气压力。这一方法可避免前述两种方法所带来的储罐内部升温和排气泄压问题，但目前适用于燃料电池系统的小流量、高扬程的氢气压缩机或液氢增压泵很少，且技术成熟度低，价格高昂，技术垄断严重，很难采购到合适的产品。发明内容 [0009] 针对以上技术问题，本发明设计一种液氢储罐汽化增压及对外供气装置，该装置系统结构简单，增压功耗低，漏热途径少，并能够实现燃料电池系统在正常工作过程中需要长时间停机且液氢储罐减少对外排气泄压需求的特殊要求。 [0010] 本申请通过电加热器将储罐内局部液氢气化升压，可持续向燃料电池供应所需压力和流量的氢气。系统结构简单，对外漏热途径少，且液氢储罐内剩余未气化液氢的温度可一直维持在较低水平，有利于储罐长时间低温低压存储，可应用于以液氢为存储方式的氢燃料汽车、氢燃料电池潜航器、氢燃料无人机等氢气供应系统中。 [0011] 本申请采用如下的技术方案： [0013] 所述绝热容器底部通过进液管路与进液控制装置相连，绝热容器顶部通过排气管路与排气装置相连。 [0014] 所述绝热容器液位传感器用来测量绝热容器内部液氢液位，其在绝热容器中的安装方式可根据其产品类型不同而有所不同。 [0015] 所述绝热容器内部设置有电加热器、绝热板、浮力装置和绝热容器液位传感器，电加热器置于浮力装置内部，且电加热器能够与液氢直接接触，绝热板置于浮力装置底部，绝热板与绝热容器的内壁间留有一定间隙，绝热板上下液氢贯通，绝热板在液氢温区有一定隔热作用，可减少绝热板上下液氢之间的传热量。 [0016] 所述液氢储罐汽化增压及对外供气装置，还包括供气管路和与之连接的压力传感器、单向阀、缓冲罐、供气电磁阀以及减压阀。单向阀入口端并联有安全泄压阀及其连接管路；减压阀后端并联有泄压阀及其连接管路。 [0017] 综上所述，本申请至少包括以下有益技术效果： [0018] (1)本发明系统结构简单，占用体积小。增压装置在液氢储罐内部，液氢储罐与外部供气系统仅通过一根管路连接，液氢储罐内部与外部环境间的漏热途径少，可大大减少漏热。 [0019] (2)本方案中绝热容器内部液氢在吸热气化增压过程中，液氢储罐与绝热容器气相和液相的连通管路均被电磁阀切断，绝热容器中电加热器传导给液氢储罐内的液氢和气氢的热量很少。因此，能够确保液氢储罐内绝热容器外的液氢和气氢温度一直处于较低水平，可有效延长液氢储罐在低温低压状态下的存储时间，该方案更加适用于工作环境排气难度大、排气泄压间隔时间长的燃料电池系统中。 [0020] (3)本方案中绝热容器内部设置有浮力板、绝热板、链条等部件，在浮力板的作用下，绝热板和电加热器一直处于液面以下h深度处，并在绝热板的阻隔下，电加热器的绝大部分热量用来加热绝热板以上的液氢，可实现绝热容器及供气管路内部气体快速升压，可及时满足燃料电池的耗氢需要；在隔热板的作用下，电加热器仅有少部分热量会传导给绝热板以下液氢。这样，不仅能够提高电加热器热量的有效利用率(有效利用率指燃料电池正常工作时所需液氢气化吸热量与电加热器实际需要供应热量之比)，降低电加热器所需输入功率；还能够避免随着电加热器工作时间增加，大量热量传导给尚未气化的剩余液氢导致剩余液氢整体温度偏高，使得大量剩余高温液氢同时吸热气化导致绝热容器内压力骤升，绝热容器和缓冲罐超压的危险情况出现。 [0021] (4)当绝热容器液位传感器检测到绝热容器内的液位低于设定值时，通过控制进液控制装置7和排气装置10的开关，可实现液氢储罐内液氢快速向绝热容器内补充，省去了液氢泵，装置结构简单，能耗少。。附图说明 [0022] 图1为本申请实施例中液氢储罐汽化增压及对外供气装置的整体结构示意图。 [0023] 附图标记说明：1、绝热容器液位传感器；2、液氢储罐；3、浮力装置；4、绝热板；5、绝热容器；6、进液管路；7、进液控制装置；8、电加热器；9、排气管路；10、排气装置；11、液氢储罐液位传感器；12、供气管路；13、安全泄压阀；14、压力传感器；15、单向阀；16、缓冲罐；17、供气电磁阀；18、减压阀；19、排气阀； 具体实施方式[0024] 下面结合附图和具体实施例对本申请作进一步详细的描述： [0025] 本申请实施例公开一种液氢储罐汽化增压及对外供气装置，参照图1，包括液氢储罐2，液氢储罐2内液氢所在空间为液位区、液氢的上方空间为气腔，液氢储罐2内部设置绝热容器5、绝热容器5的顶部连通有用于控制绝热容器5是否与液氢储罐2内气腔连通的排气装置10，绝热容器5的底部连通有用于控制绝热容器5是否与液氢储罐2内液位区连通的进液控制装置7，绝热容器5的顶部连通有对燃料电池系统进行供气的供气管路12，供气管路12穿出液氢储罐2，绝热容器内设置有用于加热液氢的加热机构。 [0026] 绝热容器2底部通过进液管路6与进液控制装置7相连，绝热容器2顶部通过排气管路9与排气装置10相连，进液控制装置7和排气装置10能够实现进液管路6和排气管路9的通断即可，进液控制装置7和排气装置10可以为电磁阀，但不限于为电磁阀；液氢储罐2设置有液氢储罐液位传感器11，液氢储罐液位传感器11用于检测液氢储罐2内的液位；绝热容器5设置有绝热容器液位传感器1，绝热容器液位传感器1用来测量绝热容器5内部液氢液位，其在绝热容器5中的安装方式可根据其产品类型不同而有所不同。 [0027] 加热机构包括设置于绝热容器5内部的浮力装置3，连接于浮力装置3的电加热器8、以及绝热板4、浮力装置3，电加热器8连接于浮力装置3，且电加热器8能够与液氢直接接触，绝热板4置于浮力装置3底部，绝热板4与绝热容器5的内壁间留有一定间隙，使绝热板4上下的液氢贯通，绝热板4在液氢温区有一定隔热作用，可减少绝热板上下液氢之间的传热量； [0028] 沿着供气管路12内气体流动方向，供气管路12上依次连接有第一泄压管路、压力传感器14、单向阀15、缓冲罐16、供气电磁阀17、第二泄压管路；第一泄压管路上设置有安全泄压阀13；第二泄压管路上连接有泄压阀19。 [0029] 上述实例中电加热器8与液面之间的距离h可根据电堆的氢气需求量、电加热器8的加热功率等来计算，以确保绝热板4以上液氢的蒸发量能够满足电堆的最大氢气需求量。 [0030] 上述实例中的浮力装置3、电加热器8和绝热板4的总体平均密度小于液氢密度，浮力装置3可漂浮于液氢表面，电加热器8、绝热板4浸没在液氢中，通过设计浮力装置3的结构可使得电加热器8和绝热板4一直位于距离液面h深度处。 [0031] 上述实例中绝热板4在液氢温区具有一定的隔热作用，电加热器8启动后，集中加热绝热容器5中绝热板4以上的部分液氢，在绝热板4的隔热作用下，只有很少部分热量传导给绝热板4以下部分剩余液氢，剩余液氢温度可一直处于较低水平，可避免出现随着电加热器工作时间增加，大量热量传导给剩余液氢导致剩余液氢整体温度偏高，进而出现大量剩余高温液氢同时吸热气化使得绝热容器内压力骤升超压的情况。 [0032] 上述实例中缓冲罐16的容积确定原则如下：在确定好减压阀18出口压力p0和过流量q后，根据减压阀18工作要求的最大入口压力p1、最小入口压力p2、绝热容器5内部压力达到电磁阀18最小入口压力p2所需的最长时间等参数，来综合计算缓冲罐16的容积，确保液氢储罐2在向绝热容器5补充液氢期间，缓冲罐16仍能继续为电堆提供所需压力和流量的氢气。 [0033] 本实施例还公开了一种液氢储罐的供气方法，包括： [0034] 假设向燃料电池电堆供应的氢气压力为p0,即减压阀18的出口压力为p0，开始工作前，绝热容器5内部液位与液氢储罐内部液位相同，进液控制装置7、排气装置10、供气电磁阀17和单向阀15均处于关闭状态，电加热器8启动，开始加热绝热容器5内部绝热板4以上的液氢，随着液氢蒸发和气氢温度升高，绝热容器5内部压力升高，单向阀15入口端管路压力高于出口端管路压力和弹性元件阻力，单向阀15被打开，绝热容器5和缓冲罐16同步升压，当绝热容器5和缓冲罐16内压力达到减压阀18工作要求的最大入口压力p1时，供气电磁阀17开启，绝热容器5内部的蒸发氢气经单向阀15、缓冲罐16、供气电磁阀17、减压阀18后流向燃料电池电堆系统。 [0035] 随着绝热容器5内部液氢的不断蒸发，绝热容器5内部液氢液面不断下降，当绝热容器液位传感器1检测到绝热容器5内部的液位低于设定值时，电加热器8停止工作，排气装置10开启，将绝热容器5内部气腔与液氢储罐2气腔连通，单向阀15自动关闭，进液控制装置7开启，由于液氢储罐2内部液氢液位高于绝热容器5内部液氢液位，进液控制装置7进出口存在压力差，在压力差的作用下，液氢储罐2内部液氢经进液控制装置7进入绝热容器5内部，当绝热容器液位传感器1检测到的绝热容器5内部液位与液氢储罐液位传感器11检测到的液氢储罐液位相同时，排气装置10和进液控制装置7均被关闭，电加热器8启动，绝热容器 5内部压力逐渐升高，当绝热容器5内部压力高于缓冲罐16内部压力时，单向阀15开启，绝热容器5内部蒸发氢气不断向燃料电池电堆供应。 [0036] 在绝热容器5补液和重新建立起工作压力期间，燃料电池可继续消耗缓冲罐16内部剩余氢气。通过设计进液管路6进液控制装置7的通径来确保缓冲罐16内部压力从减压阀18工作要求的最大入口压力p1降到最小入口压力p2的时间短于绝热容器5的液氢补充时间，从而确保液氢储罐汽化增压及对外供气装置能持续不断向燃料电池电堆供应氢气。 [0037] 在电加热器8为绝热容器5中的液氢加热期间，绝热容器5与液氢储罐2之间的气相、液相均不连通，且在绝热板4和绝热容器5双重隔热的作用下，电加热器8产生的热量大部分被绝热容器5内绝热板4以上的液氢和气氢吸收，而液氢储罐2中的液氢和气氢吸热量很少，因此，当燃料电池系统停机时，液氢储罐2中的液氢平均温度仍然处于较低水平，该温度下的液氢总体焓值h1较低，那么，液氢从该温度吸热上升到最高温度(液氢储罐2内部压力达到最大耐压值时对应的液氢平均温度)所需的焓值增量△h将会增加，另外，由于与液氢储罐2和绝热容器5相连的漏热通道仅有供气管路12这一条，外界环境单位时间内传导给到液氢储罐2中液氢的热量p相对较少，根据公式t＝△h/p，可以看出：△h增加，p减小，则t增加，即燃料电池系统在停机期间的排气泄压间隔时间t可得到有效延长。 [0038] 当燃料电池系统暂时停机且工作环境不利于排气泄压时，电加热器8停止工作，供气电磁阀17关闭，排气阀19开启，将供气电磁阀17后端管路中的少部分氢气释放掉；排气装置10和进液控制装置7保持开启，待单向阀15入口端管路和绝热容器5中的氢气压力与液氢储罐2中的氢气压力相同后，排气装气10和进液控制装置7断电延时关闭。 [0039] 在燃料电池系统长期停机或工作环境不利于排气泄压时，液氢储罐2不再对外供气，由于环境漏热的存在，液氢储罐2内部会有少量液氢气化，液氢储罐2内部压力逐渐升高，当压力传感器14检测到液氢储罐2内部压力达到设定值时，排气装置10和安全泄压阀13开启，绝热容器5和液氢储罐2内部的超压氢气经安全泄压阀13被泄放到外界环境中。 [0040] 本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。 [0041] 以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。 |
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