一种低温高压储氢系统及其工作方法

本发明涉及低温制冷及储氢，尤其涉及一种低温高压储氢系统及其工作方法。

背景技术：

1、氢能量密度高，燃烧过程无污染，是替代传统化石能源的主要候选燃料，然而氢气密度极低，在300k，0.1mpa状态下的密度仅为0.081kg/m3，是限制氢能实用化、规模化的主要瓶颈。

2、目前国内外的储氢方法大致可分为物理储氢法和化学储氢法两大类，物理储氢技术包括室温高压气态储氢、低温液化储氢、低温高压储氢以及物理吸附材料储氢等；化学储氢技术包括有机液体储氢、金属氢化物储氢、配位氢化物储氢与液氨储氢等。其中，高压气态储氢是在常温下将气态氢压缩到一定高压下储存，技术成熟，已应用于氢燃料汽车领域，但储氢密度低且安全性要求高。低温液化储氢是将氢气冷却到20k左右液化，储氢密度高，可达到70kg/m3，适合大规模储运，但其液化过程耗能高，且长期储存存在较大的蒸发损失。金属氢化物储氢体积密度高、能耗低，但成本高、储放氢时间长；吸附储氢压力适中、安全性高，但易受杂质影响、脱附过程复杂，仍有待进一步发展。

3、综上，现有储氢方法均存在明显缺陷，难以同时满足氢的低成本、低能耗、高密度储存的要求。

技术实现思路

1、本发明提供一种低温高压储氢系统及其工作方法，用以解决现有储氢方法均存在明显缺陷，难以同时满足氢的低成本、低能耗、高密度储存要求的缺陷。

2、本发明提供一种低温高压储氢系统，包括：

3、低温高压储氢单元，所述低温高压储氢单元包括低温高压储氢罐和吸附材料，所述吸附材料填充于所述低温高压储氢罐内；所述低温高压储氢罐释氢时采用降压或升温的方式；

4、加氢管道，连接于所述低温高压储氢罐的入口；所述加氢管道上安装有进口阀；

5、换热单元或氢气压缩与冷却单元，与所述低温高压储氢罐连通。

6、上述方案中，低温高压储氢系统包括低温高压储氢单元和加氢管道，低温高压储氢单元包括低温高压储氢罐和吸附材料，吸附材料填充于低温高压储氢罐内，氢气可经加氢管道进入低温高压储氢罐内，然后由吸附材料吸附储存，能够提高储氢密度。加氢时低温高压储氢罐内的升压与吸附过程均会放热，使低温高压储氢罐成为全热态储罐，这样会影响储氢容量。低温高压储氢系统还包括换热单元或氢气压缩与冷却单元，通过换热单元或氢气压缩与冷却单元可以在加氢过程中对储罐进行冷却，可提高储氢容量，还可以在释氢过程中通过换热单元提升储罐内的温度，或通过氢气压缩与冷却单元降低储罐内的压力，以利于氢气的释放。

7、在一种可能的设计中，所述吸附材料包括活性炭、分子筛、石墨烯、金属有机骨架材料、气凝胶中的一种或多种。当然吸附材料不仅限于上述材料，只要能起到吸附氢气效果的材料都可以。可选地，金属有机骨架材料可以选自mof-5、mof-177、mof-210等。

8、上述方案中，通过选择合适类型的吸附材料，能够达到有效吸附氢气的目的，以达到吸附储存的目的，进而有利于进一步提高储氢密度。

9、在一种可能的设计中，所述换热单元包括：

10、传热/载冷剂通道，安装于所述低温高压储氢罐内；所述传热/载冷剂通道上安装有传热/载冷剂循环泵；

11、外置冷源/热源，与所述传热/载冷剂通道接触以实现热交换。

12、上述方案中，换热单元包括传热/载冷剂通道和外置冷源/热源，将传热/载冷剂通道安装于低温高压储氢罐内，传热/载冷剂在传热/载冷剂通道内循环流动，能够达到降低或升高低温高压储氢罐内氢气的目的，传热/载冷剂与外置冷源/热源进行换热，为罐内氢气提供冷量/热量。

13、在一种可能的设计中，所述传热/载冷剂通道中的传热/载冷剂包括但不限于氮气、氖气、氦气、氩气、甲烷、乙烯、乙烷、丙烯、丙烷、异丁烷、1-丁烯、异戊烷、2-甲基戊烷、四氟化碳(简称r14)、三氟甲烷(简称r23)、六氟乙烷(简称r116)、二氟一氯甲烷(简称r22)、全氟丙烷(简称r218)中的一种，或多种组成的混合物。

14、上述方案中，通过对传热/载冷剂通道中的传热/载冷剂进行合理选择，可以达到有效降低或升高低温高压储氢罐内氢气的目的。

15、在一种可能的设计中，所述传热/载冷剂通道采用单程或多程管路并联的形式。

16、在一种可能的设计中，所述传热/载冷剂通道采用笼状、单层或多层螺旋状或多层盘管状布置于所述低温高压储氢罐内。

17、在一种可能的设计中，所述传热/载冷剂通道的管内壁和/或管外壁设置有强化传热结构。

18、上述方案中，通过对传热/载冷剂通道进行合理设计，在传热/载冷剂通道的管内壁和/或管外壁设置强化传热结构，能强化传热，利于低温高压储氢罐的吸/放氢过程。

19、在一种可能的设计中，所述外置冷源/热源的冷源由第一低温制冷机提供。可选地，第一低温制冷机可采用但不限于混合工质节流制冷机、斯特林制冷机、g-m制冷机、逆布雷顿制冷机、液氮直接冷却中的一种，或多种组合使用。

20、在一种可能的设计中，所述外置冷源/热源的热源由环境、压缩热、发动机尾气或电池组产热提供。这样可以有效利用环境、压缩热、发动机尾气或电池组产热，实现能源的回收再利用。

21、在一种可能的设计中，所述氢气压缩与冷却单元包括：

22、氢气压缩单元，所述氢气压缩单元包括氢气压缩机、后冷却器和氢气回流管道，所述氢气压缩机和所述后冷却器连接于所述加氢管道上，所述氢气回流管道的一端与所述低温高压储氢罐的出口连通，另一端与所述加氢管道连通；所述氢气回流管道靠近所述低温高压储氢罐的出口处安装有出口阀；

23、低温制冷单元，所述氢气压缩机、所述后冷却器和所述低温制冷单元依次连接于所述加氢管道上。

24、上述方案中，氢气压缩与冷却单元包括氢气压缩单元和低温制冷单元，氢气压缩单元包括氢气压缩机、后冷却器和氢气回流管道，氢气压缩机可以对氢气进行压缩，后冷却器可以冷却由压缩机排出的高强压缩空气，氢气回流管道可以实现低温高压储氢罐内氢气的循环冷却，实现对初始全热态罐体的冷却，利于提高罐体储氢容量。氢气压缩与冷却单元还包括低温制冷单元，将氢气压缩机、后冷却器和低温制冷单元依次连接于加氢管道上，低温制冷单元能够将经氢气压缩机和后冷却器处理后形成的高压氢气进行冷却，形成低温高压氢气，低温高压氢气再经进口阀进入低温高压储氢罐，完成氢气冷却循环。

25、在一种可能的设计中，所述氢气压缩单元还包括支路增压机，所述支路增压机安装于所述氢气回流管道上；所述氢气回流管道背离所述低温高压储氢罐的出口的一端连接于所述后冷却器和所述低温制冷单元之间的加氢管道。

26、上述方案中，低温高压储氢罐内部分带压氢气经出口阀与氢气回流管道并经支路增压机增压后，汇入加氢管道。对氢气回流管道内的支路氢气单独增压，可解决部分工况下，低温高压储氢罐内受热后需要进入氢气回流管道再冷却的氢气压力要比常压高很多，直接汇入常压原料氢气后再压缩导致的匹配能耗高的问题。

27、本技术还提供上述的低温高压储氢系统的工作方法，包括如下步骤：

28、低温高压氢气经所述进口阀进入所述低温高压储氢罐，被所述吸附材料吸附存储；

29、所述换热单元为所述低温高压储氢罐内氢气提供冷量/热量；在需要对所述低温高压储氢罐及氢气进行冷却的加氢工况下，所述外置冷源/热源通过所述传热/载冷剂通道为所述低温高压储氢罐内氢气提供冷量；在需要对所述低温高压储氢罐及氢气进行加热的释氢工况下，所述外置冷源/热源通过所述传热/载冷剂通道为所述低温高压储氢罐内氢气提供热量。

30、本技术还提供上述的低温高压储氢系统的工作方法，包括如下步骤：

31、低温高压氢气经所述进口阀进入所述低温高压储氢罐，被所述吸附材料吸附存储；

32、在初始热罐和加氢工况下，低温高压氢气在所述低温高压储氢罐内吸热升温后，罐内部分氢气经所述出口阀与所述氢气回流管道汇入所述加氢管道后依次进入所述氢气压缩机和所述后冷却器，形成的高压氢气然后进入所述低温制冷单元被冷却后形成的低温高压氢气经所述进口阀进入所述低温高压储氢罐，完成氢气冷却循环。

33、本发明提供的一种低温高压储氢系统及其工作方法，低温高压储氢系统包括低温高压储氢单元和加氢管道，低温高压储氢单元包括低温高压储氢罐和吸附材料，吸附材料填充于低温高压储氢罐内，氢气可经加氢管道进入低温高压储氢罐内，然后由吸附材料吸附储存，能够提高储氢密度。加氢时低温高压储氢罐内的升压与吸附过程均会放热，使低温高压储氢罐成为全热态储罐，这样会影响储氢容量。低温高压储氢系统还包括换热单元或氢气压缩与冷却单元，通过换热单元或氢气压缩与冷却单元可以在加氢过程中对储罐进行冷却，可提高储氢容量，还可以在释氢过程中通过换热单元提升储罐内的温度，或通过氢气压缩与冷却单元降低储罐内的压力，以利于氢气的释放。本发明的低温高压储氢系统能同时满足氢的低成本、低能耗、高密度储存的要求。