一种使用液氢的氢燃料充装系统及其氢燃料供应方法与流程

本发明涉及一种使用液氢的氢燃料充装系统和氢燃料供应方法，具体来说是在装有氢燃料电池的车辆、无人机、潜水艇等使用氢能源的运输工具的机关和装备中充装高压氢气的一种系统和供应方法。

背景技术：

氢是一种比化石燃料轻10倍以上的燃料，一直以来在航天航空工业领域被用作火箭、无人机(uav)等运输体的燃料，随着氢燃料电池车辆作为一种清洁新能源技术被正式商用化，高压充装氢气的加氢站正发展为一种不可或缺的基础设施设备。

氢气充装使用的常规方法是，用装有氢气储罐的挂车运输100气压的高压氢气，在加氢站内使用压缩机加压至400气压后临时储存，为了在氢燃料电池车辆充注时能达到700气压，所以需要再次使用压缩机加压临时储存的氢气。

但为了在氢气储罐内以400气压储存氢气，需要特殊制造一种约4吨重的内部容量为1000升的缸体状的氢气储罐，因为需要储存大量的高压氢气，因此用于加固安全设备和制造的成本相当高。

另外，气压升至700气压后将氢气充注至车辆时，为了顺利充注，氢气必须冷却到-40℃，为此不仅需要另设的冷却装置，而且在冷却装置运行时还会另外消耗电力(约40kw)，因此存在着维修成本增加的弊病。

(专利文献0001)韩国注册专利第10-1272589号(注册日：2013年6月3日)

(专利文献0002)韩国注册专利第10-119255号(注册日：2012年10月12日)

(专利文献0003)韩国公开专利第2016-0030129号(公开日期：2016年03月16日)

技术实现要素：

本发明旨在解决的一个技术课题是提供一种使用液氢的氢燃料充装系统和氢燃料供应方法，通过将液氢的汽化热用作超高压气体的冷却热，不需要使用另设的冷却装置，可以简化设备并大大节省能源和维修成本。

本发明旨在解决的另一项技术课题是提供一种氢燃料充装系统和氢燃料供应方法，其简单的系统配置不需要太多空间，可制备成搭载于挂车等运输车辆上的移动型装置，不受场地限制，可以为氢能源车辆等充装目标体加氢。

本发明旨在解决的另一项技术课题是提供一种氢燃料充装系统和氢燃料供应方法，使用多个高压氢气储罐，利用压力差将氢气储罐内的氢气依次充注至车辆，完成加氢，从而可以省去为了顺利完成加氢的再次升压高压氢气的过程或设备。

作为课题解决手段，本发明一方面涉及到：

提供一种使用液氢充装的氢燃料充装系统：将液氢储罐部的极低温液氢用高压泵加压，以超临界状态传送至热交换部，在热交换部转换至气体状态后存储在高压氢气储罐部，利用与外部充装目标体的压力差将储存于高压氢气储罐部内的高压氢气充装至所述外部充装目标体，而不需要其他动力。

具体而言，本发明一方面所涉及的一种氢燃料充装系统的结构包括：

大容量液氢储罐部，具备能使气压维持在常压以上的密封的存储空间，在存储空间中可存储极低温液体状态的氢气。

高压氢气储罐部，将所述液氢储罐部供应的液氢在密封的内部储存空间中以高压气体状态贮存；

高压泵，对所述液氢储罐部的极低温液氢加压，以超临界状态供应至所述高压液氢储罐部；

高压热交换部，安装在所述高压泵和高压氢气储罐部之间，以将极低温临界液体状态下的氢气在气体状态下供至高压氢气储罐部。

高压氢气充注部，用所述高压氢气储罐部内储存的高压氢气，利用压力差充注到外部充装目标体。

此时，所述热交换部的结构包括：利用所述高压氢气储罐部的高压氢气将所述极低温超临界液体状态的氢气转换为气体状态，所述极低温超临界液态氢的汽化热可用作冷却所述高压氢气储罐部的高压氢气所需的冷却热，安装在高压泵和高压氢气储罐部之间的气体冷却器；用于完全汽化通过所述气体冷却器后却未汽化的部分液态氢气，安装于所述气体冷却器和高压氢气储罐部之间的气体汽化器。

另外，所述气体冷却器可配置成一种热传导方式的结构，包括两个任意间距平行的热交换管和使所述两个热交换管相连的多个导热性角材，导热性角材可在所述热交换管上随意拆卸，以任意调节所述两个热交换管之间热传导的量和出口温度。

此外，所述导热性角材由上下对称结构的上部角材和下部角材构成，所述上部角材与下部角材相对的面可分别形成半圆形的接触部，以与热交换管外面部的部分相互接触，热交换管位于中间，且上部构件和下部构件在紧贴状态下固定为一对或多对连接构件，使相对的面相互接触。

此外，所述高压氢气储罐部可由多个相同容量的高压氢气储罐组成，以将高压气态氢分别储存于压力相同的多个独立的空间。

另外该系统还可配置为，在加氢时，多个高压氢气储罐中用于加氢的高压氢气储罐和外部充装目标体的压力达到平衡，所述高压氢气储罐在控制部的控制下依次打开和关闭，以利用其他高压氢气储罐和外部充装目标体之间的压力差持续充注氢气。

另外该系统还可配置为，在用其他高压氢气储罐对外部充装目标体进行充装的过程中，此前刚刚打开的高压氢气储罐在所述控制部的控制下通过高压泵接受高压气体状态下的氢气供应并恢复至正常压力。

作为课题的解决手段，本发明的另一方面是根据权力请求项1或权利请求项2的氢气燃料充装系统，提供一种氢气燃料供应方法：

对液氢储罐部供应的极低温液氢进行加压，将其转换为极低温超临界液体状态；

加压液体氢气罐供应的低温液体氢，将其转换为低温超临界液体状态；

将加压后处于极低温超临界液体状态的氢气在热交换部汽化，以高压气体状态储存于高压氢气储罐部；

利用外部充装目标体之间的压力差，不需额外的动力，能以高压供应高压氢气储罐部储存的高压氢气。

此时理想的是，在通过所述热交换部的汽化过程中，利用高压氢气储罐部释放出的高压氢气，将所述极低温超临界液体状态的氢转换为高压气体状态，相反地，冷却所述高压氢气，用极低温超临界液体状态氢气的汽化热冷却高压氢气储罐中释放出的所述高压氢气。

此外，所述高压气态氢储存在所述高压氢气储罐部时，分别储存于多个相同压力的高压氢气储罐中，将储存在高压氢气储罐部中的氢气供至外部充装目标体时，打开多个高压氢气储罐中一个或多个高压氢气储罐，向外部充装目标体供应氢气，一旦打开的高压氢气储罐与外部充装目标体之间的压力达到平衡，就不能再继续完成氢气充注，这时就会打开另外一个或多个压力高于外部充装目标体的高压氢气储罐，借助相互之间的压力差将氢气充注至外部充装目标体。

此外，所述另外一个或多个高压氢气储罐在外部充装目标体充装期间向刚打开的高压氢气储罐充注高压气态氢，使其恢复到正常压力，因此能使充装前使用的高压氢气储罐恢复至可以再次充装的状态，从而可以有效利用时间。

根据本发明的实施例，将极低温液氢汽化时吸收的热(汽化热)用于冷却高压气态氢，即使没有包括压缩机在内的其他冷却装置也能冷却高压氢气，从而可以使其顺利地直接充注至外部充装目标体，因此可以简化设备并大大节省能源和维修成本。

此外，整体系统配置简单轻便且对空间要求不高，可以配置为可搭载于挂车等运输车辆的移动型，因此可以不受场地限制，可在任何地方充装氢气，而且基于液氢，所以和传统的高压氢气运输方式相比，能节省运输所需的能源和运输成本。

此外，高压气态氢气分别储存在相同气压的多个独立的高压氢气储罐中，利用压力差将每个高压氢气储罐中存储的高压氢气依次充注至车辆，以此方式完成充装，从而可以省去为顺利完成充装的高压氢气再次压缩升压的过程或设备。

附图说明

图1是简要示意本发明的实施例涉及的一种利用液氢的氢燃料充装系统的整体配置的系统配置图。

图2是构成热交换部的气体冷却器的一个理想实施例的示意图。

图3是图2中所示导热性角材的示意图。

图4是观察图3中导热性角材的a-a剖视图。

图5是用氢燃料充装系统向外部充装目标体供应(充装)氢燃料过程的流程图。

图6是氢燃料供应(充装)过程中高压氢气储罐部的打开和充装顺序的简要示意图。

下表为说明书附图中的各个附图标记的含义：

具体实施方式

以下将对本发明的优选实施例进行具体说明。

本说明书中使用的术语只是用于说明特定实施例，并不存在对本发明进行限制的意图。单数的表达中含有复数的表达，除非上下文意思有明显不同。在本说明书中，“包含”或“具有”等术语应理解为是为了指定说明书中所述的特征、数字、步骤、操作、构件、部件或它们的组合的存在，并不提前排除存在或附加一个或一个以上其他各种特征或数字、步骤、操作、构件、部件或它们的组合的可能性。

另外，第1、第2等术语可用于描述各种构件，但所述各构件不能因所述各种术语而被限制。所述各种术语仅用于区分一个构件与其他的构件。

此外，对说明书中的“…部”、“…单元”、“…模块”等术语表示处理至少一项功能或操作的单位，可以通过硬件或软件或者是硬件和软件的组合来实现。

在参照附图进行说明时，对同一构件使用相同的图形参考符号，并省略对它们的重复说明。并且在阐述本发明时，当相关公知技术的具体说明可能会对判断本发明的要点产生不必要的影响，将省略对其的详细说明。

图1是简要示意本发明的实施例涉及的一种利用液氢的氢燃料充装系统的整体配置的系统配置图。

本发明实施例涉及的一种氢燃料充装系统，重点是高压泵20加压液氢储罐部10中的极低温液氢(lh2)，将其以超临界状态传送至热交换部30，在热交换部30中转换为气体状态后储存在高压氢气储罐部40中，利用与外部充装目标体之间的压力差，将高压氢气储罐部40中储存的高压氢充注至外部充装目标体，不需要其他动力。

参照图1对本发明的构成进行更为具体描述。

参照图1，所述氢燃料充装系统基本由大容量液氢储罐部10、高压泵20、热交换部30和高压氢气储罐部40以及高压氢气充注部50组成。

液氢储罐部10中以极低温液体状态存储氢气，所存储的极低温液氢(lh2)通过高压泵20加压至高压，以超临界状态传送至热交换部30，在转换至气体状态后存储在高压氢气储罐部40。

液氢储罐部10具备内部气压维持在常压以上的密闭型存储空间，储存空间中储存极低温液体状态的氢气。液氢储罐部10的液氢储存容量因系统的规模或安装环境而不同。因此不限于特定的大小或容量。

优选的是，如果是挂车搭载型就可以提供能搭载在挂车上的大小和存储容量(约1,000公升到2,000公升)，但如果是地面固定型，则对存储容量没有特殊限制。

液氢储罐部10可以是一种使内部极低温液氢蒸发最小化的结构。其配置最好是由内筒和外筒组成的双重容器(vessel)形式，可以是一种不锈钢(stainlesssteel)结构，也可以在内筒和外筒之间的间隙(gap)层中充装隔热材质以维持绝热和真空，从而使氢气蒸发率降至最低。

高压氢气储罐部40储存了超高压气体状态的氢气(h2)。具体来说，由所述液氢储罐部10供应，通过高压泵20压缩，经过热交换部30完成热交换过程的氢气以超高压气体状态存储在密封的内部存储空间。这种高压氢气储罐部40的组成可以是内筒和外筒之间使用隔热材料隔热的双重容器(vessel)或是搭载于氢气车辆上的轻便高压罐。

高压氢气储罐部40可以由容量相同的多个高压氢气储罐组成，以在多个压力相同的独立的储存空间中储存高压气态氢。高压氢气储罐部40最好是由具有独立密闭型存储空间的6个高压氢气储罐组成。当然并不仅限于6个。可根据系统规模或安装环境随意改变。

多个高压氢气储罐在控制部100的控制下依次打开关闭，通过高压氢气充注部50向外部充填目标体(200，参照图6)充注氢气。从为了加氢而打开的一个或多个高压氢气储罐将氢气充注至外部充装目标体，形成相互之间的压力平衡，然后再依次打开另外的一个或多个指定的超高压氢气储罐，从而可完成连续加氢。

例如，在充装时1号、2号储罐首先打开，在外部充装目标体上加氢，当达到压力平衡而不能继续加氢时，3号、4号储罐将紧接着打开，继续加氢直到再次与外部充装目标体达到压力平衡，同样的方式下5号、6号储罐打开并加氢，从而可以完成连续加氢(参照后文图6)。

当然，下一个打开的高压氢气储罐中所储存的氢气的压力一定高于正在加氢的外部充填目标体，因此高压氢气储罐部40和充填目标体之间的压力差会持续发生，故而即使没有用于强制充注的泵等机械构件，也可以完成连续加氢。

另一方面，系统的结构可以是：高压氢气储罐如前述3号、4号储罐等在充注外部充装目标体时，之前刚打开的高压氢气储罐如前述1号、2号储罐可以在所述控制部100的控制下，由高压泵20供应高压气态氢，恢复至正常压力，从而可以迅速进入充装等待状态，以准备下一轮充装。

即，当一个或一个以上的其他高压氢气储罐充注外部充装目标体时，之前刚刚打开的高压氢气储罐充装高压气态氢，使其恢复至正常压力，这样能使充装前使用的高压氢气储罐进入再次充装的状态，从而可以从时间上提高再次充装的效率并迅速进入等待下一轮充装的状态。

关于加氢的更为具体的过程将在之后引用图6进行说明的项目中具体展开，下面将对图1所示的热交换部进行说明。

热交换部30安装在所述高压泵20和高压氢气储罐部40之间。因此，从液氢储罐部10排出的极低温液体状态的氢气通过所述高压泵20加压，以极低温超临界状态供至所述高压氢气储罐部40一侧，中间经过所述热交换部30后汽化，因此可以所述高压气体状态供应并存储于高压氢气储罐部40。

热交换部30包括气体冷却器32。此外，气体冷却器32还可能包含气体汽化器34，安装在所述气体冷却器32和高压氢气储罐部40之间，以完全汽化部分经过气体冷却器但未汽化的液态氢。气体汽化器34可以是公知的带有发热板的热交换器，气体冷却器32的结构可以是后述的特殊形态。

气体冷却器32如图所示，可以安装在连接高压泵20和高压氢气储罐部40的液氢供应线l1和连接所述高压氢气储罐部40和高压氢气充注部50的气态氢充注线l2的相交点。具体来说，在两条线(l1、l2)相交的点可以将沿每条线移动的液体氢和气体氢配置为相互形成热交换。

根据这一结构，利用来自高压氢气储罐部40的高压氢气可以将所述极低温超临界液体状态的氢气转换为气体状态，供应至高压氢气储罐部40。反之，极低温超临界液态氢气汽化时吸收的热(汽化热)用作高压氢气冷却时所需的冷却热，因此不需要使用另外的冷却装置。

气体冷却器32应实现高压(300气压以上)氢与高压(300气压)液体氢之间的热交换。但传统的标准壳管式(shellandtubeheatexchanger)或双管式热交换器很难满足在高压氢之间形成稳定热交换的设计要求。

尤其是将气体冷却器32设计制备成壳管式(shellandtubeheatexchanger)时，由于必须要考虑到极低温超高压气体的泄漏和热膨胀，因此设计十分困难。另外还需要预测考虑超临界流体流动的物性并反映到设计中，但是预测设计所需的流体的物性十分困难。

图2是构成热交换部的气体冷却器的一个理想的实施例的示意图。

如图2所示，本发明实施例中应用的气体冷却器32是一种导热性方式的热交换器结构，包括相隔一定距离平行且相邻设置的两根热交换管320、322和两根热交换管320、322之间相互连接的多个导热性角材326，这种结构既简单又稳定，并且可高效率地形成热交换。

两个热交换管320、322中的一个320的入口e1导入从高压泵20强行释放出的极低温超临界液态氢，转换为高压气态氢，通过出口x1流出，供至高压氢气储罐部40，通过另一个322的入口e2导入储存于高压氢气储罐的氢气，并通过热交换冷却到设定的温度(约-40℃)，然后通过出口x2排出并供至高压氢气充注部50。

热交换管320、322是用管状耦合器在直线或曲线上连接耐压性和导热性良好的金属材料管。导热性角材326是导热性良好的金属，例如铜或铝合金材质的方形截面的导电体，形成热交换管320、322上可拆卸的结构，从而可以调整附着的个数以调节两根管道之间的导热量和出口温度。

图3是图2所示导热性角材的示意图，图4是图3的导热性角质的a-a剖视图。

参照图3至图4，导热性角质326由上下对称的上部和下部角材326a、326b组成，热交换管320、322上下紧密结合，位于中间。上部和下部角材326a、326b相对的面上可以形成与热交换管320、322外面部部分接触的半圆形接触部327，并且可以通过多对螺栓螺母328等连接部件328牢固地固定在热交换管320、322上。

角材326具有一定的厚度而不会弯曲变形，为提供合适的导热面积，其长度l可定于热交换管320、322有效导热长度的1/10至1/5之间，高度h最好是热交换管320、322直径的1.5～2倍大小。而且，热交换管320、322之间的距离d在50～100mm之间比较合适，一个角材326可以用3个或更多连接部件328牢固结合。

另一方面，高压氢气充注部50(参照图1)的结构可包括：可紧密且牢固连接于外部充装目标体充注口的拆卸式充装接头(图示省略)；检查充装了氢气的气体流量，暴露在外部可识别的流量计和显示器；以及控制氢气充装的内置电子控制单元，例如电子控制阀等，但并不仅限于此。

以下将把通过所述氢燃料充装系统进行的外部充装目标体氢燃料供应(充装)过程与所述氢燃料充装系统的操作联系起来进行详细描述。

图5显示的是氢燃料充装系统向外部充填目标体供应(充装)氢燃料的过程的流程图。图6是氢燃料供应(充装)过程中的高压氢气储罐部的打开和充装顺序的简要示意图。以下将对氢燃料供应(充装)过程进行说明，如图6所示，是以由6个储罐组成的高压氢气储罐部为例进行阐述，为了方便，在说明时将从图6的最左侧储罐开始依次称为1号、2号……6号储罐。

参照之前的图1以及图5和图6，液氢储罐部10中存储的极低温液态氢借助高压泵20转换为极低温超临界液体状态，然后传送到热交换部30(s100)。经过热交换部30时，从高压氢气储罐部40释放出的高压气体状态的氢气发生汽化，转换为高压气体状态，并储存在高压氢气储罐部40中(s200)。

在经过热交换部30汽化的过程中，高压氢气储罐部40中释放出的高压氢气使所述极低温超临界的液态氢转换至高压气体状态，而液态氢汽化时产生的汽化热用作冷却高压氢气储罐部40释放出来的所述高压气态氢的冷却热。因此，高压氢气可在充分冷却(约-40℃)的状态下传送至高压氢气充注部50。

经过热交换部30转换为高压气体状态的高压氢气储存在构成高压氢气储罐部40的6个压力相同的高压氢气储罐中。并且，当开始向外部充装目标体供应(充装)时，借由所述高压氢气储罐部40的压力与外部充装目标体200之间的压力差供至外部充装目标体200(s300)。

均匀储存在6个高压氢气储罐中的高压氢气，随着高压氢气储罐的依次打开，即使没有另设的动力装置(泵)也可以顺畅地供应至外部充装目标体200。也就是说，在控制部100的控制下，6个高压氢气储罐按指定的顺序依次打开并关闭，利用与外部充装目标体200的压力差，连续充注氢气。

关于随着高压氢气储罐的依次打开而供应(充装)氢气这一点可参考图6。

在供应(充装)氢气之前，6个高压氢气储罐在800bar的均衡压力下充满了氢气，外部充填目标体200，如氢燃料车辆的氢气储罐内部在氢气供应启动之前维持100bar的压力，而6个高压氢气储罐量两两配对(1-2、3-4、5-6)同时打开和关闭，以下将以此情况为例进行详细说明。

如图6中的(a)所示，氢气供应(充装)时，在控制部100的控制下，1号、2号储罐首先打开。1号、2号储罐的压力比外部充装目标体200高700bar。因此，即使没有另设的动力装置(泵)也能向外部充装目标体200供应相互之间的压力差所相应的量的氢气，当两者压力达到平衡(450bar)时，就不能继续加氢。

当1号、2号储罐和外部充装目标体200达到压力平衡(450bar)，1号、2号储罐的供应侧在控制部100的控制下切换至关闭状态，此时3号、4号储罐的供应侧紧接着打开。因此，3号、4号储罐内的氢气供应至外部充装目标体200，直至3号、4号储罐和外部充装目标体200相互达到压力平衡(625bar)。

同样，当3号、4号储罐和外部充装目标体200之间达到压力平衡时，3号、4号储罐的供应侧在控制部100的控制下切换至关闭状态，5号、6号储罐的供应侧紧接着打开，借由压力差为所述外部充装目标体200供应氢气，在这种方式下，即使没有泵等另设的动力装置，也可以持续不断地供应氢气。

另一方面，如图6中的(b)所示，在3号、4号储罐供应(充装)氢气时，之前刚刚打开的高压氢气储罐(即1号、2号储罐)在所述控制部100的控制下，由高压泵20供应高压气体状态的氢气，以恢复至正常压力，由此迅速进入充装等待状态，以备下一轮充装。同理，在5号、6号储罐供应氢气时，3号、4号储罐恢复至正常压力。

也就是说，在一个或多个其他高压氢气储罐充装外部充装目标体200期间，向之前刚刚打开的高压氢气储罐充装高压气体状态的氢气，使其恢复至正常压力，使已经用于充装的高压氢气储罐恢复到可再次充装的状态，从而有效节约了再充装的时间，迅速进入等待下一轮充装的状态。

根据以上详细阐述的本发明的实施例，由于将极低温液氢汽化时吸收的热(汽化热)用于冷却高压气态氢，因此即使没有包括压缩机在内的其他冷却装置，也可以在冷却高压氢气后顺利地将其直接充注至外部充装目标体，从而不但简化了设备，而且大大节省了能源和维修成本。

此外，整体系统配置简单轻便且所需空间不大，可以是一种可搭载于挂车等运输车辆的移动型配置，因此可以不受场地限制，在任何地方充装氢气，而且基于液氢，因此可以节省传统高压氢气运输方式下所需的能源和运费。

另外的优势在于，高压气体状态的氢气分别储存于压力相同的多个独立的高压氢气储罐，利用压力差将每个高压氢气储罐中储存的高压氢气依次充注至车辆，完成加氢，从而可以省去为了顺利充装而进行的高压氢气再压缩并升压的过程或设备。

以上本发明的详细说明中仅仅对其所涉及的特殊的实施例进行了阐述。但是，本发明并不仅仅局限于详细说明中提到的特殊形式，而应理解为包括通过附后的本发明权利请求项范围定义的本发明的所有精神和范围内的所有变形物、均等物和替代物。