用于海上或陆上结构的液化气态二氢的装置的制作方法

本发明涉及浮式结构或岸上结构的领域，其该结构中至少一个消耗器被供应二氢。这些结构使得可以储存和/或运输液态的二氢。更具体地说，本发明涉及一种用于液化气态二氢的装置，所述气态二氢用作结构、特别是浮式或陆上结构的至少一个消耗器的燃料。

背景技术：

1、为了更容易地运输和/或储存二氢，二氢通常处于液态，已经被冷却到比二氢在大气压时的汽化温度低的低温(cryogenic temperature)。例如，二氢在大气压时被冷却到-253℃以转变成液态。这种液化的二氢然后被装载到该结构的专用罐中。

2、然而，这种罐从来不是完全绝热的，因此液态二氢的自然蒸发是不可避免的。自然蒸发现象称为汽化，这种自然蒸发产生的气体称为汽化气体，缩写为bog。因此，该结构的罐包括液态形式的二氢和气态形式的二氢。

3、以气态形式存在于罐中的一部分二氢可用于供应消耗器，例如燃料电池，以满足该结构的操作能量需求，特别是用于其推进和/或为该结构上的设备产生电力。气态形式的另一部分二氢可以被再液化，以限制罐内压力的增加，而不是使用排气口并因此损失二氢。

4、这些液化装置具有复杂和难以实施的缺点，特别是由于二氢的性质。液化效率低，使得运输液态的二氢仍然昂贵且不太有利可图。

5、本发明的目的是通过提出一种用于液化由液态二氢蒸发产生的气态二氢的新型装置来克服上述缺点中的至少一个，并且还带来其他优点。

技术实现思路

1、本发明提出了一种用于液化气态二氢的装置，所述气态二氢由储存在至少一个罐中的液态二氢的蒸发产生，所述液化装置包括：具有多个通道的至少一个热交换器；至少一个供应支路，所述供应支路被构造为将气态二氢的至少一部分从所述罐带到气态二氢消耗器，所述供应支路的一部分经由第一通道穿过热交换器，在第一通道内设置有催化剂，该催化剂参与二氢的对位异构体向二氢的邻位异构体的转化；该液化装置包括至少一个冷却支路，所述冷却支路构造成液化气态二氢的至少一部分，冷却支路具有至少一个压缩构件，冷却支路的一部分经由设置在压缩构件之后的第二通道穿过热交换器，第二通道与第一通道交换热能，以便液化在冷却支路中流通的二氢的至少一部分。

2、在本发明中，液化装置被构造成在热交换器内实现旨在被消耗器用作燃料的低温气态二氢和旨在被至少部分地液化的处于低温的气态二氢之间的热能交换，处于低温的气态二氢来自一个或多个罐。“低温”被理解为低于-40℃或甚至低于-90℃的温度，优选低于-150℃。

3、二氢有两种形式，称为核自旋异构体，也称为正氢和仲氢。正氢是由分子组成的二氢，分子中的两个质子(每个原子一个质子)的自旋(spin)相互平行且方向相同。仲氢是由分子组成的二氢，分子中的两个质子(每个原子一个质子)具有反平行的自旋。

4、液态二氢，即大气压时温度小于或等于-253℃的二氢，由99.8％的仲氢组成。相比之下，在环境温度和热平衡下，二氢由大约75％的正氢和25％的仲氢组成。

5、仲氢异构化成正氢的反应焓等于+525kj/kg，表明是吸热反应。相比之下，二氢的蒸发熵只有476千焦/千克。然而，仲氢异构化成正氢的反应需要几天的时间。可以理解，在这种情况下，即使二氢是气态的并且处于25℃，仲氢的比例可能仍然非常大。

6、由储存在罐中的液态二氢的蒸发产生的气态二氢将被用作消耗器的燃料，并在热交换器的第一通道中流通。第一通道包含催化剂，催化剂使得可以加速仲氢异构化成正氢的反应，并因此使得可以在与热交换器的第二通道交换热能期间受益于异构化反应的能量吸收能力。

7、打算被液化的处于低温的气态二氢穿过压缩构件，然后进入热交换器的第二通道，以便在那里至少部分地被液化。

8、在第二通道中，压缩的气态二氢将其热能释放给第一通道中存在的气态二氢。在第一通道中流通的气态二氢除了被加热之外在催化剂的存在下迅速异构化，还吸收从第二通道接收的热能。在第二通道中流通的压缩气态二氢被冷却，直到它冷凝。

9、因此，液化装置使得可以有效利用储存在一个或多个罐中的液态二氢的额定货物的蒸发。

10、根据一个实施例，催化剂选自：镍、铜、铁或金属氢化物的凝胶；镍、铜或铁膜；铁、钴、镍、铬、锰的氢氧化锰；氧化铁；镍-硅复合物；活性炭；和/或其至少一种组合。

11、根据一个实施例，供应支路包括布置在第一通道的出口之后的至少一个压缩装置。换句话说，压缩装置设置在第一通道的出口和二氢消耗器之间。因此，当气态二氢在供应支路中流通时，它在已经离开热交换器的第一通道之后并且在到达消耗器之前穿过压缩装置。该压缩装置尤其可以使气态二氢在供应支路中强制流通，二氢的压力可选地也是高的。

12、根据一个实施例，冷却支路的另一部分经由第三通道穿过热交换器，第三通道的出口通过冷却支路的连接部分连接到第二通道的入口，该连接部分包括压缩构件。因此，当二氢在冷却支路中流通时，它穿过热交换器的第三通道，然后它穿过压缩装置，然后它穿过热交换器的第二通道，以便在那里至少部分地液化。

13、根据一个实施例，热交换器的第二通道布置成与热交换器的第一通道和第三通道交换热能。

14、根据一个实施例，液化装置包括布置在第二通道出口之后的在冷却支路上的气液分离器。当二氢在相继离开热交换器的第三通道和第二通道之后在冷却支路中流通时，二氢可能没有完全液化。因此，在通过第二通道后，它可以是两相流体的形式，即一部分二氢是液体形式，一部分是气体形式，然后两相混合。气液分离器将特别使得可以从气态形式的二氢中分离出液态形式的二氢。

15、根据一个实施例，冷却支路包括布置在热交换器的第二通道的出口和气液分离器的入口之间的膨胀装置。

16、根据一个实施例，液化装置被构造成将气液分离器的液体出口与罐流体连通。气液分离器的液体出口和罐之间的流体连通可以通过冷却管的第三部分来确保。因此，被液化的二氢可以返回到从中取出气态二氢的罐中，或者它可以被送到用于储存液态二氢的罐中——该罐不同于从中取出气态二氢的罐。

17、根据一个实施例，气液分离器的气体出口在热交换器的第三通道的入口之前与冷却支路流体连通。更具体地，气液分离器的气体出口之间的流体连通由连接气液分离器的气体出口和布置在冷却支路上的接合点的连接支路来确保。接合点在热交换器的第三通道的入口之前。因此，气液分离器中的气相二氢可以被送到冷却支路，以便在那里进行有益的使用。

18、根据一个实施例，液化装置包括旁路支路，该旁路支路连接供应支路上的布置在热交换器的第一通道的入口之前的会聚点和冷却支路上的布置在压缩构件(25)之前的接合点。

19、根据一个实施例，接合点布置在热交换器的第三通道的入口之前、在冷却支路上。换句话说，当二氢在冷却支路中流通时，会聚点在从中取出气态二氢的罐的气体出口和热交换器之间。这使得尤其可以使用与供应支路中流通二氢来自相同罐的二氢。

20、根据一个实施例，接合点布置在热交换器的第三通道的出口和压缩构件的入口之间的冷却支路上。

21、根据一个实施例，热交换器的第四通道构成旁路支路。

22、根据一个实施例，热交换器的第四通道布置成与热交换器的第二通道和第三通道交换热能。因此，热交换器的第二通道设置成与热交换器的第一通道和第四通道交换热能。这种结构的一个优点是，在与来自连接支路并穿过热交换器的第三通道的二氢混合之前，冷却来自旁路支路并穿过热交换器的第四通道的二氢。因此，在第二通道的入口处获得较冷的二氢。因此提高了液化装置的再液化效率。此外，液化装置的能量消耗降低。

23、本发明的另一主题是一种结构，特别是浮式或陆上结构，包括至少一个用于运输和/或储存液态二氢的罐，该结构包括将二氢作为燃料的至少一个消耗器和至少一个具有至少一个上述特征的液化装置，所述至少一个消耗器被构造为由至少部分地在所述液化装置中流通的气态二氢供应燃料。消耗器例如可以是包括至少一个燃料电池的电动机。罐可以形成用于消耗器的燃料容器。

24、根据一个实施例，热交换器的第一通道中的二氢流动取向为与热交换器的第二通道中的二氢流动的方向相反。换句话说，当二氢在液化装置中流通时，热交换器的第一通道中的二氢流动与第二通道中的二氢流动发生逆流。因此，热交换器的第一通道和第二通道之间的热能交换增加。

25、根据一个实施例，热交换器的第一通道中的二氢流动取向为与热交换器的第三通道中的二氢流动的方向相同。换句话说，当二氢在液化装置中流通时，热交换器的第一通道中的二氢流动与第三通道中的二氢流动并流。在这种情况下，应当理解，热交换器的第三通道中的二氢流动与第二通道中的二氢流动是逆流的。

26、根据一个实施例，热交换器的第四通道中的二氢流动取向为与第三通道中的二氢流动的方向相同。换句话说，当二氢在液化装置中流通时，热交换器的第四通道中的二氢流动与第三通道中的二氢流动并流。在这种情况下，应当理解，热交换器的第四通道中的二氢流动与第二通道中的二氢流动是逆流的。

27、本发明还提出了一种用于液态二氢的输送系统，该系统具有：具备前述特征中的至少一项的结构；绝热管，被布置成将安装在该结构上、特别是在该结构的船壳中的罐连接到浮式或岸上存储设施；以及泵，该泵用于驱动冷液体产品流通过绝热管从浮式或岸上存储设施流向该结构的罐或从该结构的罐流向该浮式或岸上存储设施。

28、本发明还提供了一种用于从具有前述特征中的至少一项的结构装载或卸载的方法，在该方法中，液态的二氢通过绝热管从浮式或岸上存储设施输送到所述结构的罐或从所述结构的罐输送到所述浮式或岸上存储设施。

29、本发明还提出了一种用于液化气态二氢的方法，该气态二氢是通过具有上述特征中的至少一项的液化装置蒸发储存在至少一个罐中的液态二氢而得到的，该方法至少包括：压缩气态二氢的步骤；在经压缩的气态二氢和从罐中取出的气态二氢之间交换热能的步骤，从而经压缩的气态二氢被液化；在催化剂的存在下针对在热能交换步骤期间排出的气态二氢，将对位异构体转化为邻位异构体。

30、根据一个实施例，液化方法包括在热能交换步骤之后压缩从罐中取出的气态二氢的步骤，以便向消耗器供应二氢。