CN209027148U - 一种低温液态流体存储系统 - Google Patents
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Abstract
一种低温液态流体存储系统，包括低温液态流体储罐、燃料电池和制冷装置；低温液态流体储罐设有气体出口单元和液体入口；燃料电池的气体入口和低温液态流体储罐的气体出口单元连接，燃料电池的电力输出端和制冷装置供电端连接；制冷装置的气体入口和低温液态流体储罐的气体出口单元连接，制冷装置的液体出口和低温液态流体储罐的液体入口连接。上述低温液态流体存储系统，含有燃料电池发电系统，可利用低温液态流体储罐蒸发的气体进入燃料电池发电，对制冷装置供电，燃料电池与制冷装置同步工作，使得低温液态流体存储系统避免使用外界电力供应，降低了低温液态流体的损耗率，摆脱了对外界电力供应的依赖，实现了低温液态流体存储系统的封闭。
Description
技术领域
本实用新型涉及低温流体存储技术领域，尤其涉及一种低温液态流体存储系统。
背景技术
在航天领域，液氢作为氢氧发动机的推进剂，是已知可以提供最大推力且体积能量密度和质量能量密度很高的燃料，而且氢是一种清洁能源，越发受到重视。大型液氢贮罐是航天器液氢存储和加注的专用设备，如美国著名的土星-5运载火箭装载1275m3液氢，地面贮罐容积为3500m3，以及用于液氢运输的30-60m3罐式槽车和115m3铁路罐车。在氢燃料汽车领域，使用小型液氢贮罐存储液氢具有存储质量轻、体积小、加注时间短、贮罐寿命长等优点，是首选的储氢方式。
由于液氢的沸点在20.36K(1atm)，以大气环境为300K，液氢贮罐内外存在280K左右的温差。虽然液氢贮罐采取严格的绝热措施，不可避免的漏热和氢较小的汽化潜热，使得液氢持续地蒸发，如NASA使用的3800m3的液氢贮罐，总蒸发率达到600000L/年。由于液氢贮罐是压力容器，为了避免贮罐内压力过高，需要将氢气放空燃烧。为了减少放空损失，前人提出了多种方法。首先，漏热量和贮罐表面积与体积之比(S/V)正相关，球形贮罐比椭球形、圆柱形、半球形、蝶形等多种形状贮罐的S/V都要小，故球形贮罐得以大量应用，美国的大型液氢贮罐多采用球形罐体。其次是被动减少漏热量的方法，即对液氢贮罐采取真空多层绝热、安装辐射屏等方法。最后，是主动利用制冷机弥补漏热量，来减少液氢蒸发甚至达到无损储存的方法。具体的操作方法有三种，一是利用制冷机冷却贮罐冷屏，降低热辐射；二是液氢流入制冷机，被冷却后流回贮罐，达到平衡漏热损失的效果；三是，收集要放空的氢气，利用制冷机液化后再流回贮罐。然而，上述传统的降低液氢贮罐损耗的方法，都需要贮罐系统外的电力供应。
实用新型内容
鉴于此，有必要提供一种无需外界电力供应的低温液态流体存储系统。
一种低温液态流体存储系统，包括低温液态流体储罐、燃料电池和制冷装置；
所述低温液态流体储罐设有气体出口单元和液体入口；
所述燃料电池的气体入口和所述低温液态流体储罐的气体出口单元连接，所述燃料电池的电力输出端和所述制冷装置的供电端连接；
所述制冷装置的气体入口和所述低温液态流体储罐的气体出口单元连接，所述制冷装置的液体出口和所述低温液态流体储罐的所述液体入口连接。
在一个实施例中，还包括储能装置，所述储能装置设于所述燃料电池的电力输出端和所述制冷装置的供电端之间。
在一个实施例中，所述储能装置为蓄电池。
在一个实施例中，所述气体出口单元包括设于所述低温液态流体储罐上的第一气体出口和第二气体出口，所述第一气体出口和所述燃料电池的气体入口连接，所述第二气体出口和所述制冷装置的气体入口连接。
在一个实施例中，所述气体出口单元包括设于所述低温液态流体储罐上的气体出口和三通，所述气体出口和所述三通的入口连通，所述三通的第一出口和所述燃料电池的气体入口连接，所述三通的第二出口和所述制冷装置的气体入口连接。
在一个实施例中，所述制冷装置为两级制冷机，其中，一级制冷机的冷量用于贮罐辐射屏的冷却,二级制冷机的冷量用于液化流入的气体。
在一个实施例中，所述制冷装置为G-M制冷机或脉冲管制冷机或斯特林制冷机等。
在一个实施例中，所述低温液态流体储罐为液氢储罐。
在一个实施例中，所述低温液态流体储罐为液氧储罐。
上述低温液态流体存储系统，低温液态流体储罐蒸发的气体部分进入燃料电池发电，部分进入制冷装置冷却，通过燃料电池对制冷装置供电，燃料电池与制冷装置同步工作，使得低温液态流体存储系统避免使用外界电力供应，且有效降低了液态低温流体的损耗率，摆脱了对外界电力供应的依赖，实现了低温液态流体存储系统的封闭。
附图说明
图1为一实施方式的低温液态流体存储系统的结构示意图；
图2另一实施方式的低温液态流体存储系统的结构示意图。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清晰，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
请参阅图1，一实施方式的低温液态流体存储系统100，包括低温液态流体储罐10、燃料电池20和制冷装置30。
低温液态流体储罐10设有气体出口单元和液体入口12。
燃料电池20的气体入口22和低温液态流体储罐10的气体出口单元连接，燃料电池20的电力输出端24和制冷装置30的供电端连接。
制冷装置30的气体入口32和低温液态流体储罐10的气体出口单元连接，制冷装置30的液体出口34和低温液态流体储罐10的液体入口12连接。
上述低温液态流体存储系统100，低温液态流体储罐10蒸发的气体部分进入燃料电池20发电，部分进入制冷装置30冷却，通过燃料电池20对制冷装置30供电，燃料电池20与制冷装置30同步工作，使得低温液态流体存储系统100避免使用外界电力供应，且有效降低了液态低温流体的损耗率，摆脱了对外界电力供应的依赖，实现了低温液态流体存储系统100的封闭。
请参考图1，低温液态流体储罐10还设有充注管道70。充注管道70将低温液态流体加注到低温液态流体储罐10，低温液态流体储罐10蒸发产生气体，经第一气体出口14部分流入燃料电池20发电，剩余部分经第二气体出口16流入制冷装置30。燃料电池20的发电系统产生的电能，经输电线55供给制冷装置30，制冷装置30将流入的气体液化后，经输液管60流回低温液态流体储罐10。根据选定的制冷装置30与燃料电池20的工作原理和能量效率，可得到放空的气体流向燃料电池20和制冷装置30的比例。总体来看，除进入燃料电池20发电系统的气体外，其余气体得到了回收，在没有外界供电的情况下，降低了低温液态流体的损耗率。
请参考图2，在一个实施例中，还包括储能装置40，储能装置40设于燃料电池20的电力输出端22和制冷装置30的供电端之间。燃料电池20产生的电进入储能装置40存储，需要时再对制冷装置30供电。
进一步的，储能装置40为蓄电池。
由于低温液态流体储罐10的漏热，部分罐内低温液态流体蒸发为气态，低温液态流体储罐10内压力增大，压力达到一定大小就要对低温液态流体储罐10泄压，放空低温液态流体储罐10内的气体。放空的气体通过管线流向燃料电池20和制冷装置30，比例由选定的燃料电池20和制冷装置30的工作原理和能量效率确定。
燃料电池20是将化学反应中产生的化学能直接转化为电能再经过DC-DC变换和DC-AC逆变成为稳定高压交流电的装置。发电过程产生的热量可用于预热气体到燃料电池20工作温度。燃料电池20发电产生的水也可用于低温液态流体存储系统100中的换热和冷却等用途。
制冷装置30是可以提供20K左右温度冷量的装置。一般采用电能驱动制冷装置30，制冷装置30输入电能的功率与输出冷量的功率的比值由具体制冷装置30决定。这里的制冷装置30可以采用单级制冷机，即只产生20K左右温度冷量的制冷机，或多级制冷机，即除可产生20K左右温度冷量外还可产生其他温度区间冷量的制冷机。
在图1所示的实施例中，气体出口单元包括设于低温液态流体储罐10上的第一气体出口14和第二气体出口16，第一气体出口14和燃料电池20的气体入口22连接，第二气体出口16和制冷装置30的气体入口32连接。
进一步的，第一气体出口14和燃料电池20的气体入口22之间的连接管路上设有第一调节阀11。第二气体出口16和制冷装置30的气体入口32连接管路上设有第二调节阀13。第一调节阀11和第二调节阀13分别用于调节进入燃料电池20和制冷装置30内的气体量。
在另一个实施例中，气体出口单元包括设于低温液态流体储罐10上的气体出口和三通，气体出口和三通的入口连通，三通的第一出口和燃料电池20的气体入口连接，三通的第二出口和制冷装置30的气体入口32连接。
在一个实施例中，制冷装置30可以是两级制冷机，其中，一级制冷机的冷量用于贮罐辐射屏的冷却，二级制冷机的冷量用于液化流入的气体。
在一个实施例中，制冷装置30可以为G-M制冷机或脉冲管制冷机或斯特林制冷机等。在实际工作中，制冷装置30可以根据实际情况选用。
在一个实施例中，低温液态流体储罐10为液氢储罐，是在20K左右温度贮存液氢的压力容器。此时，低温液态流体存储系统100的燃料氢气通过低温液态流体储罐10供应，燃料电池所需的氧气或空气来自外界。
在另一个实施例中，低温液态流体储罐10液氧储罐。此时，低温液态流体存储系统100的氧气通过低温液态流体储罐10供应，燃料来自外界。
可以理解，低温液态流体储罐10的形状可以为球形或椭球形半球形或蝶形或圆柱形等规则或各种不规则形状。低温液态流体储罐10的容积大小根据实际情况限定。上述自供电低损低温液态流体存储系统100，可用于各种型号的低温液态流体储罐10的低损贮存。
可以理解，上述低温液态流体存储系统100，在对燃料电池20供应外界燃料的情况下，也可用于其他低温流体的储存。
下面实施例1-3以低温液态流体储罐10为液氢储罐为例进行说明。
实施例1
有一体积V＝100m3的液氢贮罐，日蒸发率R＝0.5％。一个大气压下，液氢饱和温度Tsat＝20.36K，氢的汽化潜热是ΔQ＝448.749kJ/kg，密度D＝71.268kg/m3，燃烧焓变为ΔH＝-286kJ/mol。氢的分子量n＝2.01594，氢日蒸发量为
S＝V×R×D
设使用的制冷机产生1W的20K温度冷量需要168W能量输入，燃料电池发电系统总效率为0.5。
设氢气总蒸发量流向燃料电池的比例为a，则燃料电池发电系统供给制冷机的电量为
Pe＝-0.5×a×S×ΔH×1000/n
制冷机利用这部分电量产生20K温度的制冷量为
Pc＝Pe/168
这部分冷量需要将(1-a)×S的饱和20.36K的饱和气态氢冷凝为饱和液态氢，即
(1-a)×s×ΔQ＝Pc
求得a＝0.515。此时液氢贮罐的日损耗率为0.2576％，为原日损耗率的51.5％。
实施例2
设选用的蓄电池效率85％，使用的制冷机产生1W的20K冷量需要168W能量输入，燃料电池发电系统总效率为0.5。这样，放空的氢气流向燃料电池的比例为0.556。或放空的氢气只流向燃料电池或制冷机，这样每九次氢气放空中，五次只流向燃料电池，四次只流向制冷机，燃料电池发电量刚好匹配制冷机的需求。即平均日损耗率为0.278％，为原来的55.6％。
实施例3
放空的氢气全部流向燃料电池，制冷机用于冷却贮罐内的液氢，设使用的制冷机产生1W的20K冷量需要168W能量输入，燃料电池发电系统总效率为0.5。对于图1所示的系统，制冷机的工作减少了液氢的气化，由实施例1中的计算，实际的日蒸发率变为0.2576％，日损耗率为0.2576％，为原来的51.5％。
实施例4
贮罐内储存的液体为液氧，选取温区匹配的制冷机，由外界对燃料电池供应燃料，存储系统可降低流体损耗率。
实施例5
贮罐储存的液体为除氢外的其他低温可燃性流体，选取温区匹配的制冷机和合适的燃料电池，由外界对燃料电池供应氧气或空气，存储系统可降低流体损耗率。
实施例6
贮罐内储存的液体为除氢和氧外的其他低温流体，选取温区匹配的制冷机和合适的燃料电池，由外界对燃料电池供应氧气和氢气，存储系统可降低流体损耗率。
以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。
Claims (9)
1.一种低温液态流体存储系统，其特征在于，包括低温液态流体储罐、燃料电池和制冷装置；
所述低温液态流体储罐设有气体出口单元和液体入口；
所述燃料电池的气体入口和所述低温液态流体储罐的气体出口单元连接，所述燃料电池的电力输出端和所述制冷装置的供电端连接；
所述制冷装置的气体入口和所述低温液态流体储罐的气体出口单元连接，所述制冷装置的液体出口和所述低温液态流体储罐的所述液体入口连接。
2.如权利要求1所述的低温液态流体存储系统，其特征在于，还包括储能装置，所述储能装置设于所述燃料电池的电力输出端和所述制冷装置的供电端之间。
3.如权利要求2所述的低温液态流体存储系统，其特征在于，所述储能装置为蓄电池。
4.如权利要求1所述的低温液态流体存储系统，其特征在于，所述气体出口单元包括设于所述低温液态流体储罐上的第一气体出口和第二气体出口，所述第一气体出口和所述燃料电池的气体入口连接，所述第二气体出口和所述制冷装置的气体入口连接。
5.如权利要求1所述的低温液态流体存储系统，其特征在于，所述气体出口单元包括设于所述低温液态流体储罐上的气体出口和三通，所述气体出口和所述三通的入口连通，所述三通的第一出口和所述燃料电池的气体入口连接，所述三通的第二出口和所述制冷装置的气体入口连接。
6.如权利要求1所述的低温液态流体存储系统，其特征在于，所述制冷装置为两级制冷机，其中，一级制冷机的冷量用于贮罐辐射屏的冷却，二级制冷机的冷量用于液化流入的气体。
7.如权利要求1所述的低温液态流体存储系统，其特征在于，所述制冷装置为G-M制冷机或脉冲管制冷机或斯特林制冷机。
8.如权利要求1所述的低温液态流体存储系统，其特征在于，所述低温液态流体储罐为液氢储罐。
9.如权利要求1所述的低温液态流体存储系统，其特征在于，所述低温液态流体储罐为液氧储罐。
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| CN113339691A (zh) * | 2021-06-07 | 2021-09-03 | 佛山绿色发展创新研究院 | 氢气运输检测方法及应用其的氢气运输管理系统 |
| WO2025177727A1 (ja) * | 2024-02-20 | 2025-08-28 | 三菱重工業株式会社 | ロケットシステム、及び燃料タンクシステム |
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