一种快速泄放的液氢储供系统及其方法与流程

本发明属于氢空燃料电池领域，具体涉及一种快速泄放的液氢储供系统及其方法。

背景技术：

1、据计算，到2050年航空业碳排放将占全球碳排放总量的25％，减排降碳形势严峻。在这一背景下，氢能作为一种清洁高效的绿色能源，受到了广泛关注，氢能可在能源供给侧和消费侧助力深度脱碳。

2、氢能飞机利用氢燃料作为动力源，被认为是实现航空领域脱碳转型的关键技术之一。氢能飞机具有高效率、低噪音和零排放等显著特点，其市场应用和产业化前景十分广阔。特别是随着国内低空空域的逐步开放，氢能飞机的市场空间将进一步扩大。因此，以液氢作为能源的新型航空动力系统得到越来越多的关注。

3、然而，氢能飞机在起飞时通常会带有大量的液氢燃料，在遇到紧急返航或者迫降的情况时，可能会成为安全风险的源头。为了确保飞机在降落时不超过最大允许着陆重量，避免对机体和起落架造成损害，从而减少事故发生的风险，需要快速排放存量较大的液氢。目前，氢能飞机技术尚处于起步阶段，液氢燃料的快速泄放技术尚未成熟，亟需开发相关技术以填补这一空白。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术中的问题，并提供一种快速泄放的液氢储供系统及其方法。

2、本发明所采用的具体技术方案如下：

3、第一方面，本发明提供一种快速泄放的液氢储供系统，包括液氢自增压管路、液氢外罐、增压汽化器、液氢管路、控温汽化器和燃料电池，其中液氢外罐内设有液氢内罐、冷端换热器、热端换热器、储液罐、循环介质管路、高温介质管路和抽空管路；所述热端换热器外设置绝热容器；

4、所述液氢内罐内部加注有液氢；所述液氢自增压管路依次连接液氢内罐底部的液相空间、液氢增压阀、增压汽化器、氢气增压阀和储液罐后返回至液氢内罐顶部的气相空间，实现内部氢燃料输送；连接氢气增压阀和液氢内罐顶部的气相空间的液氢自增压管路上设置有一条支路，支路上设有安全排空阀，用于排放液氢内罐内蒸发的氢气；

5、所述液氢管路依次连接液氢内罐底部的液相空间、液氢截止阀、控温汽化器、氢气减压阀和燃料电池，将液氢内罐中的液氢汽化后，得到用于燃料电池发电的氢气；连接控温汽化器和氢气减压阀的液氢管路上设置有一条支路，支路上设有紧急排空阀，用于排空快速泄放的氢气；

6、所述循环介质管路依次连接冷端换热器、绝热容器内的热端换热器、循环泵后返回至冷端换热器，构成热量传递通道；所述储液罐内部充注循环介质；所述循环介质管路在循环泵和冷端换热器之间设有一条连接储液罐的支路，支路上设有用于控制循环介质供给的供液阀；所述冷端换热器设置在液氢内罐侧壁且两者紧密接触，使得冷端换热器内高温介质的热量能够传递至液氢内罐内部；

7、所述高温介质管路自液氢外罐外侧，依次通过高温介质入口阀、绝热容器、高温介质出口阀后与液氢外罐外侧连接，为液氢外罐内部提供热源；

8、所述抽空管路的前端分为两条支路，第一支路通过设有高温介质抽空阀的管道与高温介质管路连通，第二支路通过设有循环介质抽空阀的管道与循环介质管路连通；第一支路和第二支路合并后，通过设有引射器的管道排出，实现不同管路的抽空。

9、作为优选，所述冷端换热器和热端换热器之间的循环介质管路上设有第一截止阀；所述循环泵和冷端换热器之间的循环介质管路上设有第二截止阀。

10、作为优选，所述高温介质入口阀和高温介质出口阀设置在液氢外罐内部。

11、作为优选，所述高温介质抽空阀和循环介质抽空阀设置在液氢外罐内部；所述引射器设置在液氢外罐外部。

12、作为优选，所述液氢自增压管路、液氢管路和增压汽化器外部均设置绝热材料，防止漏热。

13、作为优选，所述液氢内罐和液氢外罐之间形成真空环境，并布置多层防辐射屏提升绝热效果。

14、作为优选，所述高温介质管路中通入的高温介质为高温空气或燃料电池冷却液。

15、作为优选，所述循环介质为液氮；通过液氢自增压管路对储液罐内的液氮冷却，防止其汽化。

16、作为优选，所述冷端换热器采用盘管结构，增加其与液氢内罐的换热面积。

17、第二方面，本发明提供一种利用第一方面所述液氢储供系统的方法，分为常规运行模式、快速泄放模式和还原模式，循环介质管路、高温介质管路、绝热容器内部均处于真空状态；

18、所述常规运行模式具体如下：启动增压汽化器，打开液氢增压阀、氢气增压阀、液氢截止阀和氢气减压阀，关闭安全排空阀；液氢内罐底部液相空间中的液氢进入液氢自增压管路，通过液氢增压阀增压后进入增压汽化器，在增压汽化器内吸收热量后完成汽化，得到氢气；氢气通过氢气增压阀增压后，进入液氢内罐顶部的气相空间增压；在压力驱动下，液氢内罐内部液氢进入液氢管路，通过液氢截止阀增压后进入控温汽化器，在控温汽化器内部由液氢转变为氢气；氢气在控温汽化器内达到目标温度，随后通过氢气减压阀减压到目标压力，最后进入燃料电池发电；

19、所述快速泄放模式具体如下：打开安全排空阀、紧急排空阀、高温介质入口阀和高温介质出口阀；打开第一截止阀、第二截止阀和供液阀，所述储液罐内部的循环介质在压差的作用下进入循环介质管路；随后启动循环泵，循环介质通过第二截止阀进入冷端换热器释放热量，加热液氢内罐的液氢，随后通过第一截止阀进入热端换热器吸收热量，往复循环，将外界热量传递至液氢内罐；在冷端换热器的作用下，所述液氢内罐内部液氢汽化为氢气；液氢内罐顶部气相空间的氢气与来自增压汽化器的氢气汇合后通过安全排空阀排出；同时，由于液氢内罐内部压力迅速上升，液氢内罐底部液相空间的液氢进入液氢管路，通过控温汽化器汽化后分为两部分，大部分通过紧急排空阀排空，少部分通过氢气减压阀进入燃料电池继续发电；

20、所述还原模式具体如下：在快速泄放模式结束后，液氢内罐内部液氢完全排空；打开液氢增压阀、氢气增压阀、液氢截止阀、氢气减压阀和安全排空阀，避免氢燃料残余；关闭高温介质入口阀和高温介质出口阀，停止外部高温介质的流通；关闭循环泵和供液阀，停止循环介质的流通；启动引射器并打开循环介质抽空阀，对循环介质管路进行抽空，达到目标真空度时，关闭循环介质抽空阀、第一截止阀和第二截止阀，完成循环介质管路的抽空；随后打开高温介质抽空阀，对高温介质管路和绝热容器进行抽空，达到目标真空度时，关闭高温介质抽空阀和引射器，抽空结束，液氢内罐和液氢外罐之间恢复绝热能力。

21、本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：

22、(1)本发明提供的液氢储供系统，通过循环介质连接的冷端换热器和热端换热器，成功突破了液氢储罐的高绝热屏障。这使得外部热量能够快速传递到液氢中，吸收外部热量的液氢会迅速汽化，从而实现高效的热量排放；同时，通过液氢内罐顶部的气相管路和底部液相管路，可以迅速排放液氢，确保系统在需要时能够快速泄放。

23、(2)本发明提供的液氢储供系统设置了储液罐和引射器。引射器关闭时不影响液氢储供系统的正常运行，仅在液氢需要泄放时才快速启动引射器；此外，利用低温氢气对储液罐冷却，可以有效防止其内部的循环介质汽化，这有助于维持系统的稳定性和安全性。