一种利用氦气膨胀制冷的低温超临界氢储存系统

本发明涉及氢气存储，具体涉及一种利用氦气膨胀制冷的低温超临界氢储存系统。

背景技术：

1、氢能作为一种绿色清洁能源，拥有高效、热值高、可再生、来源广泛等优点，有利于解决能源危机以及环境污染问题，在我国实现“碳中和”目标中起到关键作用。

2、氢气的制取输用作为一个完整的系统工程，其中氢气的储运作为重要的组成部分，现有技术中的高压气态储存法是目前应用较为广泛的方法，通过将氢气加压到高压状态进行存储，虽然高压气体储存法成本低廉、简单易行，但存储密度低、需要厚重耐压容器且易放生泄露；现有技术中的低温液态储氢法通过压缩降温的方法，使得氢气液化成为液态氢，虽然低温液态储氢法安全性较好，循环性能优良，但氢气液化需要达到-253℃的低温，液化流程能耗和成本较高、技术难度大，且长期储存蒸发损失大。

技术实现思路

1、本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种利用氦气膨胀制冷的低温超临界氢储存系统，为此，提供以下技术方案：

2、本发明提供了一种利用氦气膨胀制冷的低温超临界氢储存系统，具有这样的特征，包括：氢气压缩冷却系统，用于对氢气压缩冷却；氦气压缩冷却系统，用于对氦气进行压缩冷却；一级换热系统，用于对来自氢气压缩冷却系统的氢气和来自氦气压缩冷却系统氦气进行冷却；二级换热系统，用于通过将来自一级换热系统中冷却后的氦气分流成两部分，并利用其中一部分氦气进行膨胀降温，膨胀降温后的氦气用来对另一部分的氦气和来自一级换热系统的氢气进行冷却，吸收完热量后的一部分氦气回到一级换热系统冷却一级换热系统中的氢气与氦气；三级换热系统，用于通过将来自二级换热系统中冷却后的氦气分流成两部分，并利用其中一部分氦气进行膨胀降温，膨胀降温后的氦气用来对另一部分的氦气和来自二级换热系统的氢气进行冷却，吸收完热量后的一部分氦气回到二级换热系统冷却二级换热系统中的氢气与氦气；四级换热系统，用于通过对来自三级换热系统中冷却后的氦气进行膨胀降温，利用膨胀降温后的氦气对来自三级换热系统的氢气进行最终冷却，得到低温超临界氢；氢储罐，用于储存来自四级换热系统的低温超临界氢，其中，氢气依次通过氢气压缩冷却系统、一级换热系统二级换热系统、三级换热系统、四级换热系统，最后进入氢储罐。

3、在本发明提供的利用氦气膨胀制冷的低温超临界氢储存系统中，还可以具有这样的特征：其中，氢气压缩冷却系统包括第一氢气压缩机、第一氢气水冷器、第二氢气压缩机、第二氢气水冷器、第三氢气压缩机、第三氢气水冷器、第四氢气压缩机以及第四氢气水冷器，氢气在氢气压缩冷却系统中按上述顺序依次通过如上设备，第一氢气压缩机、第二氢气压缩机、第三氢气压缩机以及第四氢气压缩机用于对氢气进行压缩，第一氢气水冷器、第二氢气水冷器、第三氢气水冷器以及第四氢气水冷器用于对每次压缩后的氢气进行冷却。

4、在本发明提供的利用氦气膨胀制冷的低温超临界氢储存系统中，还可以具有这样的特征：其中，氢气经氢气压缩冷却系统压缩冷却后，冷却后的氢气的压力大于氢气的标准临界压力。

5、在本发明提供的利用氦气膨胀制冷的低温超临界氢储存系统中，还可以具有这样的特征：其中，氦气压缩冷却系统包括第一氦气压缩机、第一氦气水冷器、第二氦气压缩机、第二氦气水冷器、第三氦气压缩机、以及第三氦气水冷器，氦气在氦气压缩冷却系统中按上述顺序依次通过设备，第一氦气压缩机、第二氦气压缩机以及第三氦气压缩机用于对氦气进行压缩，第一氦气水冷器、第二氦气水冷器以及第三氦气水冷器用于对每次压缩后的氦气进行冷却。

6、在本发明提供的利用氦气膨胀制冷的低温超临界氢储存系统中，还可以具有这样的特征：其中，一级换热系统包括第一换热器，第一换热器用于通过利用液氮对氢气和氦气进行冷却。

7、在本发明提供的利用氦气膨胀制冷的低温超临界氢储存系统中，还可以具有这样的特征：其中，二级换热系统包括第一分离器、第一膨胀机、第二换热器以及第一混合器，第一分离器用于将经第一换热器冷却后的氦气分流，分别进入第一膨胀机和第二换热器，第一膨胀机用于将来自第一分离器的氦气进行膨胀降温，第二换热器用于利用经第一膨胀机膨胀降温后的氦气对在第一换热器中冷却后氢气和来自第一分离器的氦气进行冷却，第一混合器用于接收在第二换热器中吸收热量后的氦气，三级换热系统包括第二分离器、第二膨胀机、第三换热器以及第二混合器，第二分离器用于将经第二换热器冷却后的氦气分流，分别进入第二膨胀机和第三换热器，第二膨胀机用于将来自第二分离器的氦气进行膨胀降温，第三换热器用于利用经第二膨胀机膨胀降温后的氦气对在第二换热器中冷却后氢气和在第二分离器中的氦气进行冷却，第二混合器用于接收在第三换热器中吸收热量后的氦气。

8、在本发明提供的利用氦气膨胀制冷的低温超临界氢储存系统中，还可以具有这样的特征：其中，四级换热系统包括第三膨胀机和第四换热器，第三膨胀机用于将来在第三换热器中冷却后的氦气进行膨胀降温，第四换热器用于利用经第三膨胀机膨胀降温后的氦气对在第三换热器中冷却后的氢气进行冷却，得到低温超临界氢。

9、在本发明提供的利用氦气膨胀制冷的低温超临界氢储存系统中，还可以具有这样的特征：其中，在第四换热器中吸收完热量后的氦气进入第三换热器中冷却第三换热器中的氢气后，氦气进入第二混合器中，与来自第三膨胀机中吸收完热量后的氦气混合，混合后氦气进入第二换热器中冷却氢气后，再进入第一混合器与来自第一膨胀机中吸收完热量后的氦气混合，混合后的氦气进入第一换热器中冷却氢气。

10、在本发明提供的利用氦气膨胀制冷的低温超临界氢储存系统中，还可以具有这样的特征：其中，来自第一混合器中的氦气在冷却第一换热器中的氢气后，进入氦气压缩冷却系统中，即氦气循环利用。

11、在本发明提供的利用氦气膨胀制冷的低温超临界氢储存系统中，还可以具有这样的特征：其中，一级换热系统的预冷剂为液氮，二级换热系统、三级换热系统以及四级换热系统中的制冷剂均为氦气。

12、发明的作用与效果

13、根据本发明提供的利用氦气膨胀制冷的低温超临界氢储存系统，因为本发明中所提供的一级换热系统、二级换热系统、三级换热系统以及四级换热系统，使得氢气转变为低温超临界氢，低温超临界氢具有高密度和不易蒸发损失的特点，使得本发明提供的利用氦气膨胀制冷的低温超临界氢储存系统具有存储密度高、安全性较好、不需要厚重耐压的容器以及不容易发生氢泄露的特点，并且，利用氦气膨胀制冷的方法，氦气在系统中循环性能好。

14、因此，本发明提供的利用氦气膨胀制冷的低温超临界氢储存系统具有成本低廉、简单易行、存储密度高、不需要厚重耐压容器、不容易发生蒸发损失和泄露、安全性较好以及循环性能优良的特点。

技术特征：

1.一种利用氦气膨胀制冷的低温超临界氢储存系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的利用氦气膨胀制冷的低温超临界氢储存系统，其特征在于：

3.根据权利要求2所述的利用氦气膨胀制冷的低温超临界氢储存系统，其特征在于：

4.根据权利要求1所述的利用氦气膨胀制冷的低温超临界氢储存系统，其特征在于：

5.根据权利要求1所述的利用氦气膨胀制冷的低温超临界氢储存系统，其特征在于：

6.根据权利要求1所述的利用氦气膨胀制冷的低温超临界氢储存系统，其特征在于：

7.根据权利要求6所述的利用氦气膨胀制冷的低温超临界氢储存系统，其特征在于：

8.根据权利要求7所述的利用氦气膨胀制冷的低温超临界氢储存系统，其特征在于：

9.根据权利要求8所述的利用氦气膨胀制冷的低温超临界氢储存系统，其特征在于：

10.根据权利要求8所述的利用氦气膨胀制冷的低温超临界氢储存系统，其特征在于：

技术总结
一种利用氦气膨胀制冷的低温超临界氢储存系统，其特征在于，包括：氢气压缩冷却系统，用于对氢气压缩冷却；氦气压缩冷却系统，用于对氦气进行压缩冷却；一级换热系统，用于对氢气和氦气进行冷却；二级换热系统，用于通过将氦气分流成两部分，并利用其中一部分氦气进行膨胀降温，膨胀降温后的氦气用来对另一部分的氦气和来自一级换热系统的氢气进行冷却；三级换热系统与二级换热系统工作一致；四级换热系统，用于通过对来自三级换热系统中冷却后的氦气进行膨胀降温，利用膨胀降温后的氦气对来自三级换热系统的氢气进行最终冷却，得到低温超临界氢；氢储罐，用于储存来自四级换热系统的低温超临界氢。

技术研发人员：许婧煊,宋泽恺,陈曦,杨其国,张华,陆逸林
受保护的技术使用者：上海理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/10