一种液氢储罐的绝热装置

1.本发明涉及液氢储存技术领域，特别涉及一种液氢储罐的绝热装置。


背景技术：

2.氢能是一种来源广泛、清洁无碳、灵活高效、应用场景丰富的可再生能源。目前，如何高效灵活地储氢成为储能行业关注的焦点之一。氢存储技术主要可分为两大类：物理储氢和化学储氢。目前主流的储氢方式主要有三大类：高压气态储氢、低温液化储氢以及金属氢化物储氢。高压气态储氢和低温液化储氢属于物理储氢，金属氢化物储氢则属于化学储氢。基于储氢成本及储氢能量密度的综合考虑，低温液化储氢是一种较为理想的储氢方式。
3.由于氢的制取和液化的成本相对较高，因此需要保证液氢在储存过程中尽可能地减少蒸发量。液氢绝热技术成为关键性的难题。通常行业工作者采用高真空多层绝热的方式保存液氢，然而这种被动式绝热方式在液氢(20.3k)与外部环境的巨大温差下仍会有部分的漏热穿过多层绝热材料进入液氢内，以使液氢蒸发。基于以上缺陷，有人提出在液氢储罐内增添制冷机，采用主动式制冷方法将液氢储罐内罐蒸发出来的氢气冷凝为液氢，但该方式所需制冷量要求较高，需要额外耗费大量能源，目前很难满足所需制冷量的要求。因此，如何在节能的情况下减少液氢的蒸发量成为亟需解决的技术问题。


技术实现要素：

4.基于此，有必要提供一种液氢储罐的绝热装置，解决利用天然冷能的情况下减少液氢蒸发量的技术问题。
5.本发明提供的一种液氢储罐的绝热装置，包括：
6.液氢储罐外容器；
7.蒸气液氢储罐内容器，所述液氢储罐内容器的内部收容有液氢，所述液氢储罐内容器和所述液氢储罐外容器之间为真空夹层；
8.蓄冷工质冷屏，所述蓄冷工质冷屏套设于所述液氢储罐内容器的外部，所述液氢储罐外容器套设于所述蓄冷工质冷屏的外部，所述蓄冷工质冷屏内收容有蓄冷工质；及
9.换热器，所述换热器与所述蓄冷工质冷屏连通，所述蓄冷工质冷屏内的蓄冷工质能够在所述蓄冷工质冷屏和所述换热器之间循环流动换热。
10.进一步地，所述绝热装置还包括蓄冷工质储存罐，所述蓄冷工质储存罐的一端与所述蓄冷工质冷屏的第一端部连通，另一端与所述换热器连通。
11.进一步地，所述绝热装置还包括泵组件，所述泵组件的一端与所述蓄冷工质储存罐的第二端部连通，另一端与所述换热器连通，所述泵组件用于驱动所述蓄冷工质在所述蓄冷工质冷屏、所述换热器和所述蓄冷工质储存罐之间循环流动换热。
12.进一步地，所述绝热装置还包括蒸气冷屏和氢气储存罐，所述蒸气冷屏套设于所述液氢储罐内容器的外部，且所述蒸气冷屏的一端与所述液氢储内容器连通，另一端与所述氢气储存罐连通，所述蒸气冷屏用于流通所述液氢储罐内容器内蒸发的低温氢气，吸收
通过真空夹层、第三绝热层、蓄冷工质冷屏、第二绝热层的热量，然后得到温度较高的氢气，收集至所述氢气储存罐。
13.进一步地，所述绝热装置还包括压缩机和氢气瓶组，所述压缩机的一端与所述氢气储存罐连接，另一端与所述氢气瓶组连接，所述压缩机用于压缩所述氢气储存罐输出的氢气，并将增压后的氢气输出至所述氢气瓶组。
14.进一步地，所述绝热装置还包括绝热结构，所述绝热结构设置于所述绝热结构设置于所述液氢储罐内容器和所述液氢储罐外容器之间。
15.进一步地，所述绝热结构包括第一绝热层和第二绝热层，所述第一绝热层设置于所述液氢储罐内容器和所述蒸气冷屏之间，所述第二绝热层设置于所述蒸气冷屏和所述蓄冷工质冷屏之间。
16.进一步地，所述绝热结构还包括第三绝热层，所述第三绝热层设置于所述液氢储罐外容器与所述蓄冷工质冷屏之间。所述第三绝热层用于减少从所述液氢储罐外容器和真空夹层内传入所述蓄冷工质冷屏的热量。
17.进一步地，所述第一绝热层、所述第二绝热层和所述第三绝热层均为绝热材料组成。
18.本发明提供的一种液氢储罐的绝热装置，当外部的温度比较低，例如在夜晚的时候，外部的冷量充足，蓄冷工质流动至换热器时与外部的冷量进行充分换热，充分吸收外部冷量后的蓄冷工质储存至蓄冷工质冷屏，用于白天温度上升时为液氢储罐提供一个相对较低的冷边界。蓄冷工质冷屏套设于液氢储罐内容器气的外部，液氢储罐外容器套设于蓄冷工质冷屏的外部，即蓄冷工质冷屏设置于液氢储罐内容器和液氢储罐外容器之间，当外部的温度比较高，例如在白天的时候，在蓄冷工质冷屏处的蓄冷工质能够吸收从液氢储罐外容器、真空夹层传入的热量，从而减少外部热量进入液氢储罐内容器，进而减少液氢储罐内容器的液氢的蒸发量，该绝热装置利用夜晚的充足冷能减少液氢的蒸发量，无需额外耗费大量能源，能够在节能情况下减少液氢的蒸发量。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
20.图1为本发明实施例中一种液氢储罐的绝热装置的结构示意图；
21.图2为本发明实施例中一种液氢储罐的绝热装置的另一的结构示意图；
22.图3为本发明实施例中氢气储存罐、压缩机和氢气瓶组的结构示意图；
23.图4为本发明实施例中蓄冷工质储存罐、泵组件和换热器的结构示意图；
24.图5为本发明实施例中绝热材料包裹100层液氢储罐内容器热量与外界环境温度关系图。
25.其中：
26.1、液氢；2、蓄冷工质储存罐；3、蓄冷工质；4、第六阀门；5、泵组件；6、第七阀门；7、换热器；8、第八阀门；9、第十阀门；10、液氢储罐内容器；11、第一绝热层；12、蒸气冷屏；13、
第二绝热层；14、蓄冷工质冷屏；15、第三绝热层；16、真空夹层；17、温度计；18、第一阀门；19、液氢储罐外容器；20、第九阀门；21、氢气储存罐；22、第二阀门；23、第三阀门；24、第四阀门；25、压缩机；26、第五阀门；27、氢气瓶组；b、第三管道；c、第五管道；e、第四管道；f、第一管道；g、第二管道；
27.本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
28.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
29.需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
30.另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中的“和/或”包括三个方案，以a和/或b为例，包括a技术方案、b技术方案，以及a和b同时满足的技术方案；另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
31.在一些实施例中，如图1所示，一种液氢储罐的绝热装置包括液氢储罐外容器19、液氢储罐内容器10、蓄冷工质冷屏14和换热器7，液氢储罐内容器10的内部收容有液氢1，液氢储罐外容器19和液氢储罐内容器10之间为真空夹层16，蓄冷工质冷屏14套设于液氢储罐内容器10的外部，液氢储罐外容器19套设于蓄冷工质冷屏14的外部，蓄冷工质冷屏14内收容有蓄冷工质3，换热器7与蓄冷工质冷屏14连通，蓄冷工质冷屏14内的蓄冷工质3能够在蓄冷工质冷屏14和换热器7之间循环流动换热。
32.当外部的温度比较低，例如在夜晚的时候，外部的冷能充足，蓄冷工质3流动至换热器7时与外部的冷量进行充分换热，充分吸收外部冷量的蓄冷工质3储存至蓄冷工质冷屏14。蓄冷工质冷屏14套设于液氢储罐内容器10气的外部，液氢储罐外容器19套设于蓄冷工质冷屏14背离液氢储罐内容器10的外部，即是蓄冷工质冷屏14设置于液氢储罐内容器10和液氢储罐外容器19之间，当外部的温度比较高，例如在白天的时候，在蓄冷工质冷屏14内部的蓄冷工质3能够吸收从液氢储罐外容器19和真空夹层16传入的热量，从而减少外部热量进入液氢储罐内容器10，进而减少液氢储罐内容器10的液氢的蒸发量，该绝热装置利用夜晚的冷能减少液氢的蒸发量，无需额外耗费大量能源，能够在节能情况下减少液氢的蒸发量。该绝热装置充分地利用昼夜天然产生的冷量，选择比热容较高的蓄冷工质3置于夜晚温度较低时，将这部分冷量尽量地储蓄在蓄冷介质内，通入蓄冷工质冷屏14内，在高真空环境下用于为液氢进一步减少残余气体导热，在白天温度较高时，吸收漏入真空夹层16的热量，不借助任何外部手段有效地降低了液氢的蒸发量。如图5所示，外部环境平均每升高1k，漏
热量增加8.245w。以西安为例，昼夜温差为10k左右。将这部分冷量利用至液氢贮罐的绝热系统，可降低漏热量约82.5w，理想状态可降低液氢蒸发量0.664m3。
33.具体地，蓄冷工质3可选为盐水、乙醇和氨等。
34.具体地，请结合参阅图2和图4，绝热装置还包括蓄冷工质储存罐2和泵组件5，蓄冷工质储存罐2的一端与蓄冷工质冷屏14的第一端部连通，另一端与换热器7的第一端部连通。泵组件5的一端与蓄冷工质储存罐2的第二端部连通，另一端与换热器7的第二端部连通，泵组件5用于驱动蓄冷工质3在换热器7和蓄冷工质3内流动换热。泵组件5为蓄冷工质3提供充足的动力，且可以通过泵组件5的功率来控制蓄冷工质3的流动速度。夜晚温度较低时，蓄冷工质3流通在换热器7内部与外界大气环境温度换热，换热器7能够充分吸收外界的冷量，并将冷量保存在蓄冷工质冷屏14内，蓄冷工质冷屏14为液氢储罐内容器10内的液氢提供一个相对外界更冷的边界。更具体地，换热器7、蓄冷工质冷屏14和蓄冷工质储存罐2之间通过管道连通。管道采用不锈钢抗腐蚀材料制成。
35.进一步地，请结合参阅2和图3，绝热装置还包括蒸气冷屏12和氢气储存罐21，蒸气冷屏12套设于液氢储罐内容器10的外部，且蒸气冷屏12的一端与液氢储罐内容器10连通(蒸气冷屏与液氢储罐内容器10的顶部气枕区域连通)，另一端与氢气储存罐连通。当液氢储罐内容器10内的液氢蒸发低温状态的氢气，低温状态的氢气进入蒸气冷屏12内，蒸气冷屏12是套设于液氢储罐内容器10的外部，可以对液氢储罐内容器10形成温度较低的边界，对液氢储罐内容器10起到绝热的作用，相当于是液氢储罐内容器10热防护的另一屏障。氢气经过蒸气冷屏进入氢气储存罐21，并对氢气进行储存和利用，避免将氢气排放到外界空气中，降低氢气扩散至外界空气带来的风险。
36.更进一步地，绝热装置还包括压缩机25和氢气瓶组27，压缩机25的一端与氢气储存罐21，另一端与氢气瓶组27连接，压缩机25用于压缩氢气储存罐21输出的氢气，并将压缩过的氢气输出至氢气瓶组27。氢气瓶组27为高压氢气瓶组，压缩机25对氢气储存罐21的氢气压缩至氢气瓶组27内，能够压缩氢气的体积，以使氢气瓶组27能够储存更多的氢气，并对氢气进行商业利用。具体地，压缩机25为氢气压缩机。
37.在本实施例中绝热装置还包括绝热结构，绝热结构设置于液氢储罐内容器10和液氢储罐外容器19之间。请参阅图2，绝热结构包括第一绝热层11、第二绝热层13、第三绝热层15和真空夹层16，第一绝热层11设置于液氢储罐内容器10和蒸气冷屏12之间，第二绝热层13设置于蒸气冷屏12和蓄冷工质冷屏14之间，第三绝热层15设置于液氢储罐外容器19与蓄冷工质冷屏14之间，第一绝热层11用于减少液氢储罐内容器10与蒸气冷屏12之间的漏热，第二绝热层13用于减少蒸气冷屏12与蓄冷工质冷屏14之间的漏热，第三绝热层15用于减少从液氢储罐外容器19传入蓄冷工质冷屏14的热量。第一绝热层11、第二绝热层13和第三绝热层15均为多层绝热材料或玻璃微珠材料组成。多层绝热材料为铝膜和涤纶网复合而成，且第一绝热层11、第二绝热层13和第三绝热层15全部设置于真空夹层16内部。
38.具体地，请参阅图2，液氢储罐外容器19和液氢储罐内容器10之间为真空夹层16，蓄冷工质冷屏14处于真空夹层16内。真空夹层16用于为液氢储罐内容器10与液氢储罐外容器19之间提供高真空环境，减弱液氢储罐内容器10和液氢储罐外容器19之间残余气体的导热，进而减少外界的热量传入液氢储罐内容器10内部，第一绝热层11、第二绝热层13、第三绝热层15、蓄冷工质冷屏14和蒸气冷屏12均在真空夹层16内，第一绝热层11、第二绝热层
13、第三绝热层15、蓄冷工质冷屏14和蒸气冷屏12均处于真空环境，减少第一绝热层11、第二绝热层13和第三绝热层15之间的气体导热。在实际中，对真空夹层16进行抽真空处理，将真空夹层16内压强值抽至小于1.0
×
10-2
pa后，继续维持抽空数十小时，尽量保证真空夹层16内的残余气体抽出，然后停止抽空，对抽空口进行封堵，以使真空夹层16处于真空状态。
39.更具体地，液氢储罐外容器19为真空夹层16提供封闭的空间，液氢储罐外容器19为外壳，保护其内部的液氢储罐内容器10、第一绝热层11、第二绝热层13、第三绝热层15、蓄冷工质冷屏14和蒸气冷屏12。
40.进一步地，绝热装置还包括温度计17，温度计17部分设置于蓄冷工质3冷屏14内，温度计17用于时刻检测蓄冷工质冷屏14内的温度，当蓄冷工质冷屏14内的温度持续低于阈值时，及时让蓄冷工质冷屏14内的蓄冷工质3吸收外界环境的冷量。
41.在本实施例中，液氢储罐内容器10与蓄冷工质储箱2、泵组件5、换热器7以及液氢储罐内容器10与蒸气冷屏12、氢气储存罐21、压缩机25和氢气瓶组27之间是通过管道连接。管道均是采用不锈钢管道。管道包括第一管道f和第二管道g，第一管道f的一端与液氢储罐内容器10连接，另一端与蒸气冷屏12入口连通。绝热装置还包括第一阀门18、第二阀门22、第三阀门23、第四阀门24和第五阀门26，第一阀门18、第二阀门22、第三阀门23、第四阀门24和第五阀门26均为常温调节阀。第一阀门18设置于蒸气冷屏12与氢气储存罐21之间的管道上，第二阀门22设置于氢气储存罐21的入口端，第三阀门23设置于氢气储存罐21的出口端，第四阀门24设置于压缩机25的入口端，第五阀门26设置于压缩机25与氢气瓶组27之间。
42.工作时，外界的热量会有部分进入液氢储罐内容器10内，以使液氢储罐内容器10内的液氢蒸发为低温氢气，低温氢气通过第一管道f引出至蒸气冷屏12内，在压力差的作用下，低温氢气在蒸气冷屏12内流动换热后通过第二管道g流出蒸气冷屏12，第二管道g与液氢储罐外容器19通过焊接密封并伸出至外部。打开第一阀门18和第二阀门22，常温氢气通过第二管道g和氢气储存罐21的入口h收集到氢气储存罐21内。氢气储存罐21内的氢气在压力差作用下从出口i流出，打开第三阀门23和第四阀门24将氢气输入至压缩机25，经过压缩机25增压后，打开第五阀门26，将增压后的氢气储存到高压氢气瓶组27中。
43.管道还包括第三管道b、第四管道e和第五管道c，第三管道b的一端与蓄冷工质冷屏14的底部连接，另一端与蓄冷工质储存罐2连接，第四管道e的一端连接换热器7的出口端，另一端连接蓄冷工质冷屏14的入口端，绝热装置还包括第六阀门4第七阀门6、第八阀门8、第九阀门20和第十阀门9，第六阀门4、第七阀门6、第八阀门8、第九阀门20和第十阀门9均为低温截止阀。第六阀门4设置于蓄冷工质储存罐2与泵组件5之间，第七阀门6设置于泵组件5的出口端与换热器7的入口端之间，第八阀门8和第十阀门9均设置于第四管道e上，第八阀门8位于换热器7的出口端，第十阀门9位于蓄冷工质冷屏14的入口端，第九阀门20设置于第三管道b上，第五管道c的一端与蓄冷工质储存罐2的出口端连接，另一端与换热器7的入口端连接。
44.工作时，蓄冷工质储存罐2内的蓄冷工质3通过第五管道c流经第六阀门4供给泵组件5，通过泵组件5增压后，蓄冷工质3从出口泵组件5的d流出，蓄冷工质3经过第七阀门6后输送至换热器7的内部，蓄冷工质3经过换热器7充分地与晚间温度换热后，流入换热器7的第四管道e，打开第八阀门8和第十阀门9，蓄冷工质3通过第四管道e进入蓄冷工质冷屏14内。蓄冷工质3在蓄冷工质冷屏14吸收白天所带来的漏热后，待夜晚气温降低时，打开第九
阀门20，蓄冷工质3流入蓄冷工质储存罐2内，蓄冷工质3流通至第六阀门4和泵组件5的第五管道c，蓄冷工质3经过泵组件5增压后，从泵组件5的出口端d流入换热器7的内部，经过换热器7充分换热后，从换热器7的第四管道e流出，打开第八阀门8，蓄冷工质3进入蓄冷工质冷屏14内，如此循环，实现蓄冷工质冷屏14吸收晚间外界的热量。
45.本发明主要关注节能绝热，利用昼夜温差储能，在不添加任何外界辅助情况下实现降低液氢蒸发的目的。同时，将液氢储罐内容器吸收热量产生的低温氢气引入蒸气冷屏内流动与换热，进一步地吸收漏入液氢储罐内容器的热量，该蒸气冷屏充分地利用了液氢自身蒸发废弃的冷量，提高液氢储存的绝热节能效率和液氢的经济性。
46.以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

技术特征：
1.一种液氢储罐的绝热装置，其特征在于，包括：液氢储罐外容器；液氢储罐内容器，所述液氢储罐内容器的内部收容有液氢，所述液氢储罐内容器和所述液氢储罐外容器之间为真空夹层；蒸气蓄冷工质冷屏，所述蓄冷工质冷屏套设于所述液氢储罐内容器的外部，所述液氢储罐外容器套设于所述蓄冷工质冷屏的外部，所述蓄冷工质冷屏内收容有蓄冷工质；及换热器，所述换热器与所述蓄冷工质冷屏连通，所述蓄冷工质冷屏内的蓄冷工质能够在所述蓄冷工质冷屏和所述换热器之间循环流动换热。2.根据权利要求1所述的液氢储罐的绝热装置，其特征在于，所述绝热装置还包括蓄冷工质储存罐，所述蓄冷工质储存罐的一端与所述蓄冷工质蓄冷工质冷屏的第一端部连通，另一端与所述换热器连通。3.根据权利要求2所述的液氢储罐的绝热装置，其特征在于，所述绝热装置还包括泵组件，所述泵组件的一端与所述蓄冷工质储存罐的第二端部连通，另一端与所述换热器连通，所述泵组件用于驱动所述蓄冷工质在所述蓄冷工质冷屏、所述换热器和所述蓄冷工质储存罐之间循环流动换热。4.根据权利要求3所述的液氢储罐的绝热装置，其特征在于，所述绝热装置还包括蒸气冷屏和氢气储存罐，所述蒸气冷屏套设于所述液氢储罐内容器的外部，且所述蒸气冷屏的一端与所述液氢储内容器连通，另一端与所述氢气储存罐连通，所述蒸气冷屏用于将所述液氢储罐内容器内蒸发的氢气吸收真空夹层漏入的热量后，输送至所述氢气储存罐。5.根据权利要求4所述的液氢储罐的绝热装置，其特征在于，所述绝热装置还包括压缩机和氢气瓶组，所述压缩机的一端与所述氢气储存罐，另一端与所述氢气瓶组连接，所述压缩机用于压缩所述氢气储存罐输出的氢气，并将压缩过的氢气输出至所述氢气瓶组。6.根据权利要求4所述的液氢储罐的绝热装置，其特征在于，所述绝热装置还包括绝热结构，所述绝热结构设置于所述液氢储罐内容器和所述液氢储罐外容器之间。7.根据权利要求6所述的液氢储罐的绝热装置，其特征在于，所述绝热结构包括第一绝热层和第二绝热层，所述第一绝热层设置于所述液氢储罐内容器和所述蓄冷工质冷屏之间，所述第二绝热层设置于所述蒸气冷屏和所述蓄冷工质冷屏之间。8.根据权利要求7所述的液氢储罐的绝热装置，其特征在于，所述绝热结构还包括第三绝热层，所述第三绝热层设置于所述液氢储罐外容器与所述蓄冷工质冷屏之间，所述第三绝热层用于减少从所述液氢储罐外容器和所述真空夹层内传入所述蓄冷工质冷屏的热量。9.根据权利要求8所述的液氢储罐的绝热装置，其特征在于，所述第一绝热层、所述第二绝热层和所述第三绝热层均为多层绝热材料或玻璃微珠材料组成。

技术总结
本发明公开一种液氢储罐的绝热装置，包括液氢储罐外容器、真空夹层、液氢储罐内容器、蓄冷工质冷屏和换热器，液氢储罐内容器的内部收容有液氢，蓄冷工质冷屏套设于液氢储罐内容器的外部，液氢储罐外容器套设于蓄冷工质冷屏的外部，蓄冷工质冷屏内收容有蓄冷工质，换热器与蓄冷工质冷屏连通，夜间蓄冷工质冷屏内的蓄冷工质能够在蓄冷工质冷屏和换热器之间循环流动换热。当白天温度较高时，蓄冷工质冷屏的蓄冷工质能够吸收从液氢储罐外容器和真空夹层传入的热量，该绝热装置利用夜晚的充足冷量减少液氢的蒸发量，无需额外耗费大量能源，能够在节能情况下减少液氢的蒸发量。够在节能情况下减少液氢的蒸发量。够在节能情况下减少液氢的蒸发量。


技术研发人员：谢福寿 于洋 厉彦忠
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2023.04.26
技术公布日：2023/7/22