一种基于逆布雷顿循环的低温高压储氢系统

本技术涉及低温制冷和储氢，特别涉及一种基于逆布雷顿循环的低温高压储氢系统。

背景技术：

1、氢能作为一种新型清洁替代能源具有巨大的发展潜力。由于氢气在常温下的密度较低，在储存和运输方面面临诸多挑战。近年来，出现了各种高密度氢气的储存和运输方法，包括常温高压储氢、低温液态储氢和低温高压储氢等。

2、常温高压储氢将氢气压缩后储存在耐高压的容器中，能耗低，但单位体积储氢密度低，经济性较差。低温液态储氢将氢气液化后储存在液氢罐中，储氢密度大，储氢压力低，但液氢制取能耗大，蒸发损失大，液化设备成本较高。低温高压储氢是一种结合了常温高压储氢和低温液态储氢优势的储氢方法，它的储氢密度大，本征能耗低，无需正仲氢转化，有很大的发展潜力；但目前均采用液氢增压气化制取低温高压氢气的方法，能耗高且受制于液氢产能。

技术实现思路

1、鉴于此，有必要针对当前以液氢增压气化制取低温高压氢气中存在的能耗高、产能受限等技术缺陷，提供一种氢气常温压缩、分布冷却、低温储存的基于逆布雷顿循环的低温高压储氢系统，具有储氢密度大、氢气冷却效率高、无需正仲氢转化、适应规模化储氢、工质获取及补充方便等优点。

2、为解决上述问题，本技术采用下述技术方案：

3、本技术提供了一种基于逆布雷顿循环的低温高压储氢系统，包括：氢气增压单元(1)、逆布雷顿循环制冷单元(2)和低温高压储罐单元(3)，其中：

4、所述氢气增压单元(1)包括氢气压缩机(101)和后冷却器(102)，所述多级压缩机(101)用于将氢气增压至某一优化的储存压力，所述某一优化的储存压力包括但不限于10～100mpa，所述氢气增压单元(1)至少为1个且依次串联；

5、所述逆布雷顿循环制冷单元(2)为逆布雷顿循环，其包括压缩机(201)、后冷却器(202)、回热器(203)和膨胀机(204)，所述膨胀机(204)包括多级串联设置的膨胀机单元或者包括多个并列设置的膨胀机单元；

6、制冷工质被所述压缩机(201)压缩后进入所述后冷却器(202)，再由所述后冷却器(202)冷却后进入所述回热器(203)并被低温制冷工质冷却，然后进入所述膨胀机(204)降温降压后进入所述回热器(203)以提供冷量复温后再返回所述压缩机(201)完成循环；

7、低压原料氢气经所述多级氢气压缩机(101)增压后形成高压氢气，所述高压氢气经所述后冷却器(102)冷却后进入所述回热器(203)并被制冷工质冷却至目标储氢温度形成低温高压氢气；所述低温高压氢气进入所述低温高压储氢罐单元(3)。

8、在其中一些实施例中，所述膨胀机(204)将膨胀功以电的形式传导给所述压缩机(201)；或者在所述压缩机前设置增压涡轮增压机(211)和后冷却器(212)，所述膨胀机(204)将膨胀功经所述后冷却器(212)及所述增压涡轮增压机(211)传导至所述压缩机(201)；或者将所述压缩机(201)和膨胀机(204)共轴设置以回收膨胀功。

9、在其中一些实施例中，所述制冷工质可采用氮气、氩气、甲烷、r14、乙烯、氦气、氖气、氢气中的一种或多种组合的混合物。

10、在其中一些实施例中，还包括蒸发器(213)；其中：

11、制冷工质被所述压缩机(201)压缩后进入所述后冷却器(202)，再由所述后冷却器(202)冷却后进入所述回热器(203)并被低温制冷工质冷却，然后进入所述膨胀机(204)降温降压后进入所述蒸发器(213)以对高压制冷工质进行冷却后再进入所述回热器(203)；

12、低压原料氢气经所述多级氢气压缩机(101)增压后形成高压氢气，所述高压氢气经所述后冷却器(102)冷却后进入所述回热器(203)并被制冷工质冷却至目标储氢温度形成低温高压氢气，所述低温高压氢气经所述蒸发器(213)进入所述低温高压储氢罐单元(3)。

13、在其中一些实施例中，所述回热器(203)包括第一换热器(203a)和第二换热器(203b)；

14、制冷工质被所述压缩机(201)压缩后进入所述后冷却器(202)，再由所述后冷却器(202)冷却后进入所述回热器(203)并被低温制冷工质冷却，然后进入所述膨胀机(204)降温降压后形成第一股低温流体和第二股低温流体；

15、所述第一股低温流体经所述第一换热器(203a)返回所述压缩机(201)完成循环，所述第二股低温流体经所述第二换热器(203b)返回至所述压缩机(201)完成循环；

16、低压原料氢气经所述多级氢气压缩机(101)增压后形成高压氢气，所述高压氢气经所述后冷却器(102)冷却后进入所述第二换热器(203b)并被制冷工质冷却至目标储氢温度形成低温高压氢气。

17、在其中一些实施例中，还包括预冷循环单元，所述预冷循环单元包括预冷机组(206)和预冷换热器(205)，所述预冷机组(206)用于对所述预冷换热器(205)提供冷量；

18、制冷工质被所述压缩机(201)压缩后进入所述后冷却器(202)，再经所述预冷换热器(205)后进入所述回热器(203)；

19、低压原料氢气经所述多级氢气压缩机(101)增压后形成高压氢气，所述高压氢气经所述后冷却器(102)冷却后进入所述回热器(203)。

20、在其中一些实施例中，还包括一级膨胀机(207)、一级回热器(209)及二级回热器(208)；

21、制冷工质被所述压缩机(201)压缩后进入所述后冷却器(202)，再由所述后冷却器(202)冷却后进入所述一级回热器(209)被低温制冷工质冷却，然后进入所述一级膨胀机(207)进行降温降压再进入所述回热器(203)并被低温制冷工质冷却，然后进入所述膨胀机(204)降温降压后进入所述回热器(203)以提供冷量复温后再经所述二级回热器(208)及所述一级回热器(209)返回所述压缩机(201)完成循环；

22、低压原料氢气经所述多级氢气压缩机(101)增压后形成高压氢气，所述高压氢气经所述后冷却器(102)冷却后依次经所述一级回热器(209)、所述二级回热器(208)及所述回热器(203)后并被制冷工质冷却至目标储氢温度形成低温高压氢气。

23、在其中一些实施例中，还包括一级膨胀机(207)、一级回热器(209)及二级回热器(208)；

24、制冷工质被所述压缩机(201)压缩后进入所述后冷却器(202)，再由所述后冷却器(202)冷却后进入所述一级回热器(209)被低温制冷工质冷却后形成第一股冷流和第二股冷流；

25、所述第一股冷流依次经所述二级回热器(208)及所述回热器(203)并被低温制冷工质冷却，然后进入所述膨胀机(204)降温降压后进入所述回热器(203)以提供冷量复温并流出低温低压制冷工质，并与所述第二股冷流经所述一级膨胀机(207)进行降温降压后流出的低温低压制冷工质混合，形成的混合低温低压制冷工质再依次经所述二级回热器(208)及所述一级回热器(209)后再返回所述压缩机(201)完成循环；

26、低压原料氢气经所述多级氢气压缩机(101)增压后形成高压氢气，所述高压氢气经所述后冷却器(102)冷却后依次经所述一级回热器(209)、所述二级回热器(208)及所述回热器(203)后并被制冷工质冷却至目标储氢温度形成低温高压氢气。

27、在其中一些实施例中，所述膨胀机元件替换为节流元件(214)，所述低温高压储氢系统还包括一级膨胀机(207)、一级回热器(209)及二级回热器(208)；

28、制冷工质被所述压缩机(201)压缩后进入所述后冷却器(202)，再由所述后冷却器(202)冷却后进入所述一级回热器(209)被低温制冷工质冷却后形成第一股冷流和第二股冷流；

29、所述第一股冷流依次经所述二级回热器(208)及所述回热器(203)并被低温制冷工质冷却，然后进入所述节流元件(214)降温降压后进入所述回热器(203)以提供冷量复温并流出低温低压制冷工质，并与所述第二股冷流经所述一级膨胀机(207)进行降温降压后流出的低温低压制冷工质混合，形成的混合低温低压制冷工质再依次经所述二级回热器(208)及所述一级回热器(209)后再返回所述压缩机(201)完成循环；

30、低压原料氢气经所述多级氢气压缩机(101)增压后形成高压氢气，所述高压氢气经所述后冷却器(102)冷却后依次经所述一级回热器(209)、所述二级回热器(208)及所述回热器(203)后并被制冷工质冷却至目标储氢温度形成低温高压氢气。

31、在其中一些实施例中，还包括第一进口阀(306)，所述第一进口阀(306)一端连接所述节流阀(214)另一端连接所述低温高压储罐单元(3)，所述第一股冷流依次经所述二级回热器(208)及所述回热器(203)并被低温制冷工质冷却，然后经所述节流元件(214)降温降压后分流出一部分制冷工质用来预冷所述低温高压储氢罐(3)。

32、本技术采用上述技术方案，其有益效果如下：

33、本技术提供的基于逆布雷顿循环的低温高压储氢系统，包括：氢气增压单元(1)、逆布雷顿循环制冷单元(2)和低温高压储罐单元(3)，所述氢气增压单元(1)包括氢气压缩机(101)和后冷却器(102)，所述多级压缩机(101)用于将氢气增压至某一优化的储存压力，所述逆布雷顿循环制冷单元(2)为逆布雷顿循环，其包括压缩机(201)、后冷却器(202)、回热器(203)和膨胀机(204)，本技术提供的基于逆布雷顿循环的低温高压储氢系统，具有储氢密度大、氢气冷却效率高、无需正仲氢转化、适应规模化储氢、工质获取及补充方便等优点。