專利名稱：一種加氫站子站的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于新能源技術(shù)領(lǐng)域，涉及氫燃料技術(shù) 載、儲存、加注、自增壓、卸載功能為一體的系統(tǒng) 供高壓氫氣加注及卸載的可移動式加氫站子站。
背景技術(shù)：
為應對未來因不可再生的化石類資源的日漸減少而造成的燃料短缺以及傳 統(tǒng)汽車日益普及帶來的環(huán)境問題，國際社會已達成共識，開發(fā)環(huán)境友好的替代 燃料，走可持續(xù)發(fā)展之路。使用氫氣為燃料的燃料電池汽車被公認為是目前最 理想、最現(xiàn)實、最有可能替代傳統(tǒng)汽車的技術(shù)。近二十年來來，各國政府及各 大能源公司、汽車公司紛紛投入巨資于氫能的開發(fā)和利用，使得燃料電池汽車 技術(shù)得到了飛速發(fā)展。
近io多年來，為配合燃料電池汽車的研發(fā)、示范運行，全世界已先后興建 了 100多座各種類型的加氫站，這些加氫站除了為燃料電池汽車提供氫氣加注
服務外，本身也通過建設各種類型的加氫站來探索、驗證、示范各種建站技術(shù)， 為今后燃料電池汽車普及時的大規(guī)模建站提供技術(shù)儲備。
就目前而言，世界上絕大多數(shù)的加氫站為固定站。固定站因氫氣的增壓能 力、儲存容量及加注能力大，而成為燃料電池汽車氫燃料加注的主要基礎設施。 但其選址難、占地面積大、投資高、審批環(huán)節(jié)復雜、建站周期長、利用效率低， 且因其不可移動性從而限制了有效服務半徑。因此在燃料電池汽車的早期發(fā)展
階段，如何解決既要滿足燃料電池汽車運行對氫燃料的加注網(wǎng)絡的需求又難以 在短期內(nèi)大量興建固定加氫站的矛盾，成為我們必須面對的現(xiàn)實問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于針對燃料電池汽車早期發(fā)展階段氫燃料加注網(wǎng)絡 不足又難以在短期內(nèi)大量建設加氫站及己建成的加氫站利用效率不高的現(xiàn)狀， 提供一種高壓氫氣加氫站子站的技術(shù)方案。
為了達到上述目的，本發(fā)明的解決方案是
一種用于為燃料電池汽車提供氫燃料加注和卸載服務的加氫站子站，包括 牽引車頭、半掛車及可拆卸式并可固定于半掛車上的一體式撬裝件組成。撬裝 件則由氫氣加載系統(tǒng)、高壓儲氫系統(tǒng)、氫氣增壓系統(tǒng)、氫氣卸載系統(tǒng)、高壓氫 氣加注系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)構(gòu)成。
進一步，該氫氣加載系統(tǒng)可借助外部壓縮機為子站灌充高壓氫氣。
所述的高壓儲氫系統(tǒng)可分級儲存高壓氫氣。
尤其是一種集高壓氫氣加 一種可為燃料電池汽車提
所述的氫氣增壓系統(tǒng)既可將外部供氫增壓入子站的高壓儲氫瓶(組)，又可 將子站儲存的低壓氫氣增壓入高壓儲氫瓶(組)，還可直接增壓氫氣，為燃料電 池汽車加注高壓氫氣。
所述的氫氣卸載系統(tǒng)可將燃料電池汽車的車載高壓氫氣安全卸載至子站的 高壓儲氫瓶(組)系統(tǒng)。
所述的氫氣加注系統(tǒng)帶有標準加氫槍，具有計量、氫泄漏報警及溫度、壓 力補償功能。
所述的控制系統(tǒng)包括加載模式、加注模式、卸載模式、自增壓模式、吹掃 模式、檢修模式及急停模式。其中加注模式帶有分級取氣程序和速率控制程序。
本發(fā)明的優(yōu)點首先在于加氫站子站的建造成本低、周期短、審批相對簡單， 可在較短時間內(nèi)與固定加氫站配合形成較完善的氫氣加注網(wǎng)絡；其次加氫站子 站既可利用固定加氫站閑暇時的富余增壓能力以提高固定站的利用率又降低了 自身的建造成本；再次加氫站子站機動靈活，活動范圍大，可大大提高與固定 加氫站組成的加氫網(wǎng)絡的有效服務半徑。本發(fā)明的特點主要體現(xiàn)在
1. 利用固定加氫站的壓縮機為加氫站子站加載高壓氫氣的加載功能；
2. 利用高壓儲氫容器的分級儲氫功能；
3. 利用增壓器增壓低壓氫氣以提高氫氣利用率的自增壓功能；
4. 利用分級取氣以提高取氣率的高壓氫氣加注功能；
5. 利用增壓器將燃料電池汽車車載氫氣卸載至加氫站子站的卸載功能。
-圖說明

圖1本
1一10，
11一15，
16
21， 22 24 26 29
31 — 37 40
49， 50 59—64 82_85
發(fā)明的加氫站子站結(jié)構(gòu)及流程示意圖 68， 71 電磁閥 ,18 — 20， 65， 66， 69， 72 氣動球閥
針閥 17 蓄電池
阻火器 增壓器
可編程序控制器(PLC) 小型車輛加氣槍 30 壓力傳感器 過濾器
過壓泄壓閥(低壓) 單向閥
高壓儲氣瓶(組)
23 質(zhì)量流量計 25 氫氣泄漏探頭 27， 28減壓閥
大型車輛加氣槍 38， 39 受氣嘴
51 — 58帶爆破片安全帽 67， 73 — 81手動球閥
86 —90過壓泄壓閥(高壓)
具體實施例方式
本發(fā)明的內(nèi)容、優(yōu)點和目的將在下面實施例的說明中予以闡述。 根據(jù)本發(fā)明，加氫站子站由牽引車頭、半掛車及可拆卸式并可固定于半掛 車上的一體式撬裝件組成。撬裝件則由氣體加載系統(tǒng)、高壓儲氣系統(tǒng)、氫氣增
壓系統(tǒng)、氫氣卸載系統(tǒng)、高壓氫氣加注系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)構(gòu)成。
固定加氫站(母站)在設計時，為滿足高峰加注時段的加注能力，通常要 求壓縮機有較大的增壓能力。而在一天中的大部分時段，母站中壓縮機的利用 率較低，有較富余的增壓能力，加氫站子站(子站)正是利用了母站的這個特 點，與母站共用一套壓縮增壓系統(tǒng)，從而省卻了加氫站中最為復雜的設備部分， 大大簡化了子站的設計、制造、使用和維護，大幅降低了成本。同時子站也可 擺脫對電力的依賴、免除了壓縮機工作時帶來的噪聲，有利于子站加注點的選 址。 一個母站可與多個子站形成一定服務半徑的小型氫燃料加注網(wǎng)絡，而多個 小型網(wǎng)絡則可形成服務半徑更大的網(wǎng)絡。
將子站設計為由牽引車頭與半掛車連接的方式，是考慮到子站通常需要在 加注點停留較長時間。牽引車將半掛車拖至加注點停妥后，可自行離去牽引其 它子站的半掛車，如此， 一輛牽引車可服務于多個子站，可進一步降低子站的 成本。
子站的氣體加載系統(tǒng)分為兩個部分氫氣加載系統(tǒng)接受來自母站的高壓氫
氣，由受氣嘴39，過濾器40，手動球閥74，單向閥59、 60、 61，氣動球閥12、 13、 14，壓力傳感器32、 33、 34，安全閥86、 87、 88，以及相關(guān)管路、連接件 組成；氮氣加載系統(tǒng)接受高壓氮氣，由受氣嘴38，手動球閥79、 81，安全閥89， 及相關(guān)管路、連接件組成。
子站的高壓儲氣系統(tǒng)由多個高壓儲氣瓶(組)82、 83、 84、 85，針閥41、 42、 43、 44、 45、 46、 47、 48，帶爆破片安全帽51、 52、 53、 54、 55、 56、 57、 58，及相關(guān)管路、連接件組成。
為了提高高壓儲氫瓶中氫氣的取氣率，通常將儲氫瓶組分成高壓、中壓、 低壓三組，每一組的儲氫瓶數(shù)量自高壓至低壓依次增加。而子站配置氫氣增壓 系統(tǒng)的目的之一是為了當子站的高壓儲氫瓶組因大量加注而導致壓力下降至極 限壓力值時，可由增壓器將低壓瓶組的氫氣增壓至高壓瓶組，以進一步提高儲 存氫氣的取氣率。增壓系統(tǒng)由氣動球閥15、 66、 69、 72，增壓器24，安全閥90， 單向閥64，及相關(guān)管路、連接件組成。
燃料電池汽車發(fā)生故障需檢修時，安全上要求先卸去車載儲氫瓶內(nèi)的高壓 氫氣，如果將高壓氫氣簡單排空處理的話，既浪費也存在安全隱患。子站設計 的氫氣卸載系統(tǒng)可將燃料電池汽車車載高壓氫氣分級回收入高、中、低三級瓶 組，而低壓氫氣則可借助增壓器增壓至高壓儲氫瓶。卸載系統(tǒng)由受氣嘴39，過 濾器40，手動球閥74，單向閥59、 60、 61，氣動球閥12、 13、 14、 65、 66、 69、 72，壓力傳感器32、 33、 34、 35、 36、 37，安全閥86、 87、 88、 90，增壓 器24，以及相關(guān)管路、連接件組成。
子站的高壓氫氣加注系統(tǒng)從高、中、低三級瓶組中，由低壓至高壓依次分 級取氣，當高壓氣體不足時，也可由增壓器直接增壓加注。加注系統(tǒng)由氣動球 閥ll、 12、 13、 14、 18，壓力傳感器31、 32、 33、 34、增壓器24，安全閥90， 單向閥64，質(zhì)量流量計23，放空閥16，加氫槍29、 30，以及相關(guān)管路、連接 件組成。
子站的控制系統(tǒng)主要包括可編程序控制器(PLC) 26及若干電磁閥、顯示 儀表、電子元器件等?？刂瞥绦虬虞d模式(從母站灌充高壓氫氣至子站)、 加注模式(為燃料電池汽車加注高壓氫燃料)、卸載模式(為燃料電池汽車卸載 車載高壓氫氣)、自增壓模式(將子站的低壓氫氣增壓至高壓儲氫瓶)、吹掃模 式(氮氣吹掃管路)、檢修模式(子站檢修時放空儲存的高壓氫氣)及急停模式 (緊急情況下可瞬間停止子站工作)。
輔助系統(tǒng)則包括由調(diào)壓閥28，手動球閥80，安全閥50，氣動球閥19以及 相關(guān)管路、連接件組成的增壓器低壓氮氣驅(qū)動供給系統(tǒng)；由調(diào)壓閥27，安全閥 49，手動球閥77以及相關(guān)管路、連接件組成的氣動閥低壓氮氣驅(qū)動供給系統(tǒng)； 由調(diào)壓閥27，手動球閥76，安全閥49，氣動球閥20以及相關(guān)管路、連接件組 成的吹掃用氮氣供給系統(tǒng)；由阻火器21、 22，手動球閥73、 78 (常閉狀態(tài))以 及相關(guān)管路、連接件組成的安全放空系統(tǒng)；由氣動球閥66、 69、 72，手動球閥 67，單向閥62、 63及相關(guān)管路、連接件組成的子站高壓氫氣卸載系統(tǒng)。此外子 站還配備氫泄漏檢測儀25， 24V蓄電池17。
加氫站子站的具體實施，按不同的目的，分別采用不同的操作控制模式。 下面以加載模式、加注模式、卸載模式、自增壓模式為例予以具體說明。
1、 加載模式
當子站需要從外部(母站)加載高壓氫氣時啟動本模式。首先將子站的受氣 嘴39與母站通過標準連接件連接，打開電源，在控制面板上選擇加載模式。開 啟手動球閥74，來自母站的高壓氫氣進入加載系統(tǒng)。由壓力傳感器37測得的氣
源(母站)壓力P37首先與壓力傳感器34測得的高壓儲氫瓶(組)84的壓力P34相 比較當P37〉P34時，PLC作出判斷，打開電磁閥4，接通低壓氮氣，驅(qū)動開啟 氣動球閥14，為高壓儲氫瓶(組)灌充高壓氫氣直至達到設定的儲氫壓力值， 然后關(guān)閉電磁閥4，切斷通至氣動球閥14的低壓驅(qū)動氮氣(關(guān)閉氣動閥)，如果
因意外導致灌充壓力超過設定值，則安全閥88會自動泄壓；當P37^P34時，P37 與壓力傳感器33測得的中壓儲氫瓶(組)83的壓力P33相比較，若P"〉P33，則執(zhí)
行與高壓氫瓶灌充相似的操作程序；若P37《P33，則P37與壓力傳感器32測得
的低壓儲氫瓶(組)82的壓力P32相比較，若P37〉P32，則執(zhí)行與中壓氫瓶灌充相 似的操作程序。至此完成整個加載程序。
2、 加注模式
當需要為燃料電池汽車加注高壓氫氣時啟動本模式。接通電源，選擇加注模 式。將加氫槍插入燃料電池汽車的受氣嘴，按下加氣按鈕。此時氣動球閥ll打
開，隨后氣動球閥12打開，開始加注氫氣，當壓力傳感器31的壓力變化趨慢 (或質(zhì)量流量計中的加注速率趨慢)，則自動關(guān)閉閥12，并打開氣動球閥13繼 續(xù)加注，同樣當壓力傳感器31的壓力變化趨慢，則自動關(guān)閉閥13，并打開氣動 球閥14繼續(xù)加注直至壓力傳感器31的壓力值達到目標加注壓力值為止，自動 關(guān)閉閥14和11，高壓氫氣加注完成。當加注過程中，壓力傳感器34顯示高壓 儲氫瓶(組)的壓力低于目標加注壓力時，氣動球閥15、 19開啟，增壓器24 開始增壓，至壓力傳感器36測得的壓力大于壓力傳感器31的壓力時，氣動球
閥18開啟，直接為燃料電池汽車的車載氫瓶增壓至目標壓力值，加注完畢，氣
動球閥11、 19、 15、 18關(guān)閉。 3、卸載模式
當燃料電池汽車因故障、維修等原因，需要卸載車載儲氫瓶中的高壓氫氣 時啟動本模式。接通電源，連接車載氫瓶的卸氫口至子站受氣嘴39，在控制面 板上選擇卸載模式，開啟手動球閥74，來自車載氫瓶的高壓氫氣進入加載系統(tǒng)。 由壓力傳感器37測得的氫氣(車載氫瓶)壓力P37首先與壓力傳感器34測得的
高壓儲氫瓶(組)84的壓力P34相比較，PLC作出判斷若P37〉P34，第一步開
啟氣動球閥14，將車載高壓氫氣卸載到高壓儲氫瓶(組)84，至&7接近P34
時，關(guān)閉氣動球閥14;若P3^Pm，則直接進入第二步。第二步比較壓力傳感
器37測得的氫氣(車載氫瓶)壓力P37與壓力傳感器33測得的中壓儲氫瓶(組)83
的壓力P33，若P37〉P33，則開啟氣動球閥13，將車載高壓氫氣卸載到中壓儲氫 瓶(組)83，至P"接近P33時，關(guān)閉氣動球閥13;若P3-P33，則直接進入第 三步。第三步比較壓力傳感器37測得的氫氣(車載氫瓶)壓力&7與壓力傳感
器32測得的低壓儲氫瓶(組)82的壓力P32，若P37〉P32，則開啟氣動球閥12，將
車載高壓氫氣卸載到低壓儲氫瓶(組)82，至P37接近P32時，關(guān)閉氣動球閥12; 若P3^P32，或完成了第三步后，則進入第四步。第四步開啟氣動球閥19，當壓
力傳感器35的壓力小于或等于壓力傳感器37的壓力時，開啟氣動球閥65，車 載氫氣直接進入增壓器增壓，并依次開啟、關(guān)閉氣動球閥72、 69、 66，分別注 入增壓后的氫氣至儲氫瓶(組)84、 83、 82，直至車載氫氣的壓力低于增壓器 許可的入口壓力，卸載結(jié)束。
4自增壓模式 '
當子站為燃料電池汽車完成大量氫氣加注服務后，高壓儲氫瓶(組)的氫 氣壓力接近目標加注壓力時，啟動本模式。接通電源，在控制面板上選擇自增 壓模式，氣動球閥15、 19將開啟，增壓器24開始增壓來自低壓儲氫瓶(組) 的氫氣，當壓力傳感器36測得的壓力大于或等于壓力傳感器34時，氣動球閥 72開啟，高壓儲氫瓶(組)84開始補充高壓氫氣，直至達到設定的氫瓶最高儲 氫壓力。氣動球閥15、 19、 72關(guān)閉，自增壓結(jié)束。
上述的對實施例的描述是為便于該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和應用 本發(fā)明。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對這些實施例做出各種修改， 并把在此說明的一般原理應用到其他實施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動。因此， 本發(fā)明不限于這里的實施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，對于本發(fā)明 做出的改進和修改都應該在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種加氫站子站，其特征在于包括牽引車頭、半掛車及可拆卸式并可固定于半掛車上的一體式撬裝件，該撬裝件由氫氣加載系統(tǒng)、高壓儲氫系統(tǒng)、氫氣增壓系統(tǒng)、氫氣卸載系統(tǒng)、高壓氫氣加注系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)連接構(gòu)成。
2、 如權(quán)利要求1所述的加氫站子站，其特征在于；所述的氫氣加載系統(tǒng)可 借助外部壓縮機為子站灌充高壓氫氣。
3、 如權(quán)利要求1所述的加氫站子站，其特征在于所述的高壓儲氫系統(tǒng)可 分級儲存高壓氫氣。
4、 如權(quán)利要求1所述的加氫站子站，其特征在于所述的氫氣增壓系統(tǒng)既 可將外部供氫增壓入子站的高壓儲氫瓶/組，又可將子站儲存的低壓氫氣增壓入 高壓儲氫瓶/組，還可直接增壓氫氣，為燃料電池汽車加注高壓氫氣。
5、 如權(quán)利要求1所述的加氫站子站，其特征在于所述的氫氣卸載系統(tǒng)可 將燃料電池汽車的車載高壓氫氣安全卸載至子站的高壓儲氫瓶/組系統(tǒng)。
6、 如權(quán)利要求1所述的加氫站子站，其特征在于所述的氫氣加注系統(tǒng)帶 有標準加氫槍，具有計量、氫泄漏報警及溫度、壓力補償功能。
7、 如權(quán)利要求1所述的加氫站子站，其特征在于所述的控制系統(tǒng)包括加 載模式、加注模式、卸載模式、自增壓模式、吹掃模式、檢修模式及急停模式。 其中加注模式帶有分級取氣程序和速率控制程序。
全文摘要
一種加氫站子站，可用于為燃料電池汽車提供氫燃料加注和卸載服務，包括牽引車頭、半掛車及可拆卸式并可固定于半掛車上的一體式撬裝件，該撬裝件由氫氣加載系統(tǒng)、高壓儲氫系統(tǒng)、氫氣增壓系統(tǒng)、氫氣卸載系統(tǒng)、高壓氫氣加注系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)連接構(gòu)成。借助了固定加氫站的壓縮機，使得子站的高壓載氫容量得以大幅提升，同時省卻壓縮機使得子站成本降低，噪音消除，體積減小，操作和維護簡化，機動性更強。子站自備的增壓系統(tǒng)可大大提高氫氣的取氣率，而卸載系統(tǒng)在燃料電池汽車發(fā)生故障時，可將車載高壓氫氣安全卸至子站。加氫站子站既可獨立作為燃料電池汽車氫燃料的加注設施，更適合與固定加氫站結(jié)合，構(gòu)成機動靈活的高壓氫氣加注網(wǎng)絡。
文檔編號F17C5/06GK101387370SQ20071004576
公開日2009年3月18日 申請日期2007年9月11日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月11日
發(fā)明者偉 周, 張存滿, 潘相敏, 鄔敏忠, 陳華強, 馬建新 申請人:同濟大學