[发明专利]等压放热与等容复热过程耦合热力升压储供氢系统及方法

说明书

等压放热与等容复热过程耦合热力升压储供氢系统及方。针对绿电及谷电周期性特点，利用氢气在常温‑深冷（290‑30K）温区热力学性质构建等压放热等容复热的热力升压储供氢系统，实现8小时电解水制氢和90MPa高压储氢、24小时连续稳定供氢。预压缩至6MPa的氢气在该温区等压放热后膨胀液化、液氢又吸取此热量等容复热升压至常温90MPa，从而以6MPa预压缩实现90MPa高压储/供氢，单耗3kWh/kg。系统主要包括水平阵列常温储供氢罐内置翅片式换热器，全过程由自控阀执行；例如日供氢1000kg制/储/供一体化加氢站32罐阵列、单罐容积0.625msupgt;3/supgt;，每小时2250kg的合成氨供氢站96罐阵列、单罐容积11.0msupgt;3/supgt;。

技术领域

本发明涉及储氢与供氢技术领域，特别是深冷低温区伴随氢气状态变化产生的热力过程耦合与能量高效转换技术，应用于氢能源制、储、输、用一体化。

背景技术

电解水制氢是绿电替代化石能源的重要途径之一，低碳时代备受关注。氢的优良性质之一是单位质量热值高（120 MJ/kg）；但其质量密度却很低或换言之比容很大（298K/0.1MPa温度/压力下密度仅0.0824 kg/m³而比容达12.14 m³/kg），对大规模氢能源储、输、用各环节均不利。提高氢的密度（增密）或降低比容（降容）的现有技术有两类：深冷液化（LH₂）与机械加压（MGH₂），例如29K/0.685MPa的液氢密度达56.55 kg/m³、273K/90MPa的高压氢气密度也可达60 kg/m³。不过，深冷液化过程要消耗动力5~8 kWh/kg-LH₂（殷靓等. 氢液化流程设计和优化方法研究进展. 制冷学报，2020, 3/41: 1-10）；根据常规氢温-熵图计算，机械加压至90MPa也要消耗动力4~6 kWh/kg-GH₂（Michael Hirscher et al. Handbook ofHydrogen Storage, 2010, WILEY-Verlag GmbH  Co. KGaA, Weinheim）。此外，深冷液氢温区绝热保冷和高压机械压缩过程都还需要提供辅助冷媒。而且，从适用角度，目前90MPa氢气压缩机仅见于氢燃料汽车加氢站用小型离子液体压缩机（刘泽坤等. 加氢站用离子压缩机及离子液体简述. 化工设备与管道，2020, 6/57: 47-53），用于大规模储/供氢的技术经济可行性不大。

另一方面，从氢能源制、储、输、用一体化角度分析，虽然液氢适于储存和运输，但绝大部分使用场合（地面及水面交通用氢发动机、氢燃料电池和化工原料等）用氢状态是加压氢气。例如储氢状态是液氢、加氢站再汽化加压至所需的90MPa，则储/供过程耗用于氢气状态变化的能量将达10 kWh/kg-GH₂（超过氢能源热值的30%）。因此，通过优化氢能源储/供过程状态变化热力学路径从而降低储/供氢能耗，对氢能源大规模工业化应用具有重要意义。