專利名稱：一種氫氣的快速充裝系統(tǒng)與方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于可再生、清潔環(huán)保的新能源領(lǐng)域，提供了一種三儲罐平衡降壓快速充裝氫氣的系統(tǒng)與方法。
背景技術(shù)：
目前使用的氫氣充裝系統(tǒng)中的氫氣儲存容器通常設(shè)計為氫氣從儲存容器下端進氣，從儲存容器上端出氣，這一設(shè)計在實際應(yīng)用中會給企業(yè)增加成本，因為系統(tǒng)在使用前和定期維修后，需要用氮氣吹掃容器和系統(tǒng)，在加氣站用的大型容器中一旦用氮氣進行吹掃完成后，很難再用氫氣將氮氣置換干凈。而且氫氣充裝系統(tǒng)在給工業(yè)用途的氫氣容器充裝時，由于壓差較大，一般采用減壓的方法進行充裝，但由于減壓裝置的工作流量小，因此充裝時間會加長。經(jīng)查詢，發(fā)現(xiàn)有如下五項專利與本發(fā)明有關(guān)聯(lián):
(O同濟大學(xué)馬建新、周偉、張存滿、部敏忠、陳華強、潘相敏申請的發(fā)明專利“一種加氫站子站”(申請?zhí)?200710045766.1)，是一種可移動的外供氫的氫氣增壓加注系統(tǒng)。與200810202551.0原理是一樣的，只多了可移動功能。與本發(fā)明有根本的不同。(2)袁家楨申請的發(fā)明專利“車載制氫加氫站”(申請?zhí)?200710098598.2)，是一種可移動的帶有電解水制氫裝置的加氫站系統(tǒng)。但該系統(tǒng)根本不可能實現(xiàn)應(yīng)用，因電解水制氫裝置需要大功率電力設(shè)施供電和直流整流變壓器變壓整流。不是該系統(tǒng)移動到哪都有這樣的設(shè)施供你使用。如果把變壓整流裝置也放到車上，這輛車是上不了路的，且運動一次費用驚人。與本發(fā)明有根本的不同。(3)同濟大學(xué)馬建新、周偉、潘相敏、部敏忠、陳華強、張存滿申請的發(fā)明專利“外供氫型加氫站的高壓供氫系統(tǒng)”(申請?zhí)?200810202551.0)，這是一種用壓縮機增壓才能加注氫氣的系統(tǒng)，與原工業(yè)用氫的方法是相同的。(4)同濟大學(xué)馬建新、周偉、潘相敏、張存滿、部敏忠、陳華強申請的發(fā)明專利“可用于高壓氫氣加氫站的加氣系統(tǒng)”(申請?zhí)?200810203556.5),該發(fā)明主要目的在于如何將系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集然后控制系統(tǒng)進行氫氣加注。與本發(fā)明有根本的不同。(5)北京飛馳綠能電源技術(shù)有限責任公司張立芳、王利生、張黛申請的發(fā)明專利“一種可快速充裝氫氣的制氫加氫站系統(tǒng)及其方法”(專利號:ZL200610088913.9)與本發(fā)明有細節(jié)上的不同。本發(fā)明可彌補其不足。

發(fā)明內(nèi)容
針對目前常用的氫氣充裝系統(tǒng)存在的問題，本發(fā)明通過一種三儲罐平衡降壓快速充裝氫氣的系統(tǒng)與方法，使儲罐內(nèi)的氫氣利用率更高。在系統(tǒng)中不設(shè)置減壓閥，使系統(tǒng)的管道阻力更小，充裝速率更快。在系統(tǒng)中增加預(yù)冷裝置，使被充裝容器溫升更低。一改傳統(tǒng)的儲氫容器下進氣上出氣的系統(tǒng)設(shè)計習(xí)慣，使進氣和出氣為一個管道，不但可節(jié)約管道材料并且可快速使儲氫容器 置換掉空氣和氮氣，使系統(tǒng)調(diào)試時間縮短十幾倍。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:任何方法制備的氫氣先經(jīng)過氫氣壓縮設(shè)備壓縮到35MPa 75MPa的高壓，然后儲存到可耐壓35MPa 75MPa的高壓氫氣儲存設(shè)備中，氫氣儲存設(shè)備共有三個，每個氫氣儲存設(shè)備的出氣口都直接連接到氫氣加氣機或工業(yè)用氫的氣瓶充裝系統(tǒng)上。并在加氫機的氫氣出口端安裝一個低溫冷卻裝置，使氫氣管道從中穿過，當氫氣經(jīng)過該裝置時被迅速降溫至零下30°C左右。這樣充裝系統(tǒng)在充裝氫氣時，不再使用氫氣壓縮機，氫氣會從高壓向低壓流動，對汽車和工業(yè)用氫容器進行平衡充裝，使被充裝容器的溫升幅度減小。三個氫氣儲存設(shè)備由系統(tǒng)控制器控制，每次充裝氫氣時總是通過控制系統(tǒng)依次先用較低壓力的氫氣儲存容器平衡充裝氫氣，然后用較高壓力的氫氣儲存容器充裝，最終達到所需要的壓力，這樣可使三個氫氣儲存設(shè)備中的氫氣利用率達到90%以上，并且可使整套氫氣充裝系統(tǒng)中的管道直徑以較小的通徑達到較大的流量，該系統(tǒng)的最大充裝流量可達到 3600Nm3/h。本發(fā)明提供的快速充裝系統(tǒng)可以使用任何來源的氫氣，可以是電解水制氫、天然氣重整制氫或工業(yè)副產(chǎn)品氫回收提純，可以在充裝現(xiàn)場制取和提純氫氣，也可以使用外供氫氣。本發(fā)明提供的快速充裝系統(tǒng)在給汽車加氫(能源用氫)和充裝氣瓶(工業(yè)用氫)時共用一套降壓平衡充裝系統(tǒng)。給能源用氫的汽車加氫時，加氫機同時接收三個氫氣儲存設(shè)備的氫氣，加氫機通過三個壓力傳感器的信號自動感知每個氫氣儲存設(shè)備的壓力，依次先低后高使用三個氫氣儲存設(shè)備的氫氣。當壓力最低的氫氣儲存設(shè)備與汽車上的氫氣瓶壓力平衡時，加氫機自動關(guān)閉其他兩個儲氫設(shè)備上的電磁閥，當?shù)谝粋€儲氫設(shè)備與汽車氣瓶平衡后，加氫機自動打開壓力次低的氫氣儲存設(shè)備上的電磁閥，進行第二次平衡充裝，如果二次充裝后汽車上的氣瓶還不能達到所需壓力，加氫機自動關(guān)閉前二個儲存設(shè)備的電磁閥，打開壓力最高的氫氣儲存設(shè)備上的電磁閥，繼續(xù)進行充裝，當汽車上的氣瓶達到所需壓力時，加氫機自動關(guān)動電磁閥,停止充裝。加氫機與汽車之間 有通迅系統(tǒng),可以時時感知汽車上的氣瓶的壓力和溫度，做出指令，控制加氫機。給工業(yè)用氫充裝管束車和普通氣瓶的管道不設(shè)置由70MPa到20MPa的減壓閥，而是直接從70MPa充裝氣瓶，這樣可使充裝速率大大提高。但為了保證被充裝的管束和氣瓶不超壓，在充裝管道末端設(shè)置壓力傳感器、電磁閥和安全泄放閥，當充裝氣瓶的末端壓力達到管束車或氣瓶額定壓力時，壓力傳感器感知后，通過控制器將電磁閥關(guān)閉，如果電磁閥或壓力傳感器出現(xiàn)故障，安全泄放閥將在超壓的情況下打開，將氫氣泄放掉，從而保證被充裝容器的安全。這種充裝系統(tǒng)可有效減少阻力提高氫氣充裝速率，節(jié)約建站的投資成本。加氫機出口端和加氫槍前端安裝一個低溫冷卻裝置使氫氣管道以盤管形式從中穿過，當氫氣經(jīng)過該裝置時被迅速降溫至零下30°C左右。這樣充裝系統(tǒng)在充裝氫氣時，氫氣從高壓向低壓流動并經(jīng)過預(yù)冷裝置降溫，所以對汽車和工業(yè)用氫容器進行平衡充裝，可使被充裝容器的溫升減小，提高氫氣充裝的安全性。


圖1是本發(fā)明的詳細圖示。
具體實施方式
本發(fā)明提供的快速充裝系統(tǒng)包括:氫氣壓縮設(shè)備、氫氣儲存設(shè)備和氫氣加注設(shè)備。氫氣壓縮設(shè)備包括75MPa壓縮機2、3、4和單向閥5、6、7。氫氣儲存設(shè)備包括75MPa儲氫罐
8、9、10和安全閥11、12、13。氫氣加注設(shè)備包括給汽車加注氫氣用的能源用氫加注設(shè)備和給長管束車或氣瓶加注氫氣用的工業(yè)用氫加注設(shè)備。能源用氫加注設(shè)備包括針閥20、21和22，壓力傳感器23、24和25，加氫機26，預(yù)冷裝置34。工業(yè)用氫加注設(shè)備包括針閥28、壓力傳感器29、電磁閥30和安全閥31。氫氣儲存設(shè)備與氫氣壓縮設(shè)備和氫氣加注設(shè)備的連接管路上由針閥14、15、16和電磁閥17、18、19進行控制。本發(fā)明的具體實施方式
為:任何方法制備的氫氣1，經(jīng)過75MPa壓縮機2、3、4的壓縮，壓縮到35MPa 75MPa的高壓，壓縮機2、3、4的工作狀態(tài)為兩臺常開、一臺備用，壓縮后的高壓氫氣儲存在75MPa儲氫罐8、9、10中。當儲氫罐8、9、10的儲氫壓力達到75MPa時，電磁閥17、18、19分別控制關(guān)閉氫氣壓縮設(shè)備與氫氣儲存設(shè)備之間的管路。安全閥11、12、13分別用于保護儲氫罐8、9、10的安全。給能源用氫的汽車27加氫時，加氫機26同時接收三個儲氫罐8、9、10的氫氣，力口氫機26通過三個壓力傳感器23、24、25的信號自動感知每個儲氫罐的壓力，依次先低后高使用三個儲氫罐的氫氣。例如當壓力最低的儲氫罐8與汽車27上的氫氣瓶壓力平衡時，力口氫機26自動關(guān)閉電磁閥17，打開電磁閥18，用壓力次低的儲氫罐9里的氫氣進行第二次平衡充裝，如果二次充裝后汽車27上的氣瓶還不能達到所需壓力，加氫機26自動關(guān)閉電磁閥18，打開電磁閥19，用壓力最高的儲氫罐10里的氫氣繼續(xù)進行充裝，當汽車27上的氣瓶達到所需壓力時，加氫機26自動關(guān)動電磁閥19，停止充裝。加氫機26與汽車27之間有通迅系統(tǒng)，可以時時感知汽車27上的氣瓶的壓力和溫度，做出指令，控制加氫機26。加氫機26出口端和加氫槍前端安裝一個預(yù)冷裝置34使氫氣管道以盤管形式從中穿過，當氫氣經(jīng)過該裝置時被迅速降溫至零下30°C左右。給工業(yè)用氫的 管束車32和普通氣瓶33進行充裝時，在充裝管道末端設(shè)置壓力傳感器29、電磁閥30和安全泄放閥31，當充裝管道的末端壓力達到額定壓力時，壓力傳感器29感知后，通過控制器將電磁閥30關(guān)閉，如果電磁閥30出現(xiàn)故障，安全泄放閥31將在超壓的情況下打開，將氫氣泄放掉，從而保證被充裝容器的安全。進行能源用氫充裝和工業(yè)用氫充裝時共用一套降壓系統(tǒng)，單向閥5、6、7可以保證氫氣流向為由壓縮機2、3、4到儲氫罐8、9、10，針閥14、15、16、20、21、22和28處于常開狀態(tài)，可以手動控制氣量大小。
權(quán)利要求
1.一種氫氣快速充裝的系統(tǒng)與方法，其特征在于:任何方法制備的氫氣先經(jīng)過氫氣壓縮設(shè)備壓縮到35MPa 75MPa的高壓，然后儲存到可耐壓35MPa 75MPa的高壓氫氣儲存設(shè)備中，氫氣儲存設(shè)備共有三個，每個氫氣儲存設(shè)備的出氣口都直接連接到氫氣加氣機或工業(yè)用氫的氣瓶充裝系統(tǒng)上，并在加氫機的氫氣出口端安裝一個低溫冷卻裝置，使氫氣管道從中穿過，當氫氣經(jīng)過該裝置時被迅速降溫至零下30°C左右；這樣充裝系統(tǒng)在充裝氫氣時，不再使用氫氣壓縮機，氫氣會從高壓向低壓流動，對汽車和工業(yè)用氫容器進行平衡充裝，使被充裝容器的溫升幅度減小；三個氫氣儲存設(shè)備由系統(tǒng)控制器控制，每次充裝氫氣時總是通過控制系統(tǒng)依次先用較低壓力的氫氣儲存容器平衡充裝氫氣，然后用較高壓力的氫氣儲存容器充裝，最終達到所需要的壓力，這樣可使三個氫氣儲存設(shè)備中的氫氣利用率達到90%以上，并且可使整套氫氣充裝系統(tǒng)中的管道直徑以較小的通徑達到較大的流量，該系統(tǒng)的最大充裝流量可達到3600Nm3/h。
2.按照權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于:可以使用任何來源的氫氣，可以是電解水制氫、天然氣重整制氫或工業(yè)副產(chǎn)品氫回收提純，可以在充裝現(xiàn)場制取和提純氫氣，也可以使用外供氫氣。
3.按照權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于:氫氣儲存設(shè)備的進氣口和出氣口為同一個口，設(shè)置在設(shè)備的下端，氣體從儲存設(shè)備的下部進出。
4.按照權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于:在給汽車充裝氫氣時，加氫機同時接收三個氫氣儲存設(shè)備的氫氣，加氫機通過三個壓力傳感器的信號自動感知每個氫氣儲存設(shè)備的壓力，依次先低后高使用三個氫氣儲存設(shè)備的氫氣；當壓力最低的氫氣儲存設(shè)備與汽車上的氫氣瓶壓力平衡時，加氫機自動關(guān)閉該儲存設(shè)備上的電磁閥，打開壓力次低的氫氣儲存設(shè)備上的電磁閥， 進行第二次平衡充裝，如果二次充裝后汽車上的氣瓶還不能達到所需壓力，加氫機自動關(guān)閉第二個儲存設(shè)備的電磁閥，打開壓力最高的氫氣儲存設(shè)備上的電磁閥，斷續(xù)進行充裝，當汽車上的氣瓶達到所需壓力時，加氫機自動關(guān)動電磁閥，停止充裝；加氫機與汽車之間有通迅系統(tǒng)，可以時時感知汽車上的氣瓶的壓力和溫度，做出指令，控制加氫機。
5.按照權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于:在給工業(yè)用途的氫氣容器充裝氫氣時，使用降壓平衡充裝的方法，不設(shè)置減壓裝置，在系統(tǒng)末端設(shè)置壓力傳感器、電磁閥和安全泄放閥，當氫氣容器的壓力達到預(yù)期要求的壓力時，傳感器的信號會控制電磁閥關(guān)閉，切斷供氣，如有超壓的情況發(fā)生，安全泄放閥會打開，將超壓的氣體泄放掉，從而保證被充裝容器的安全。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于:在加氫機氫氣出口端安裝一個低溫介質(zhì)容器或低溫制冷裝置并將氫氣管道做成盤管放置其中，當氫氣經(jīng)過低溫介質(zhì)容器或低溫制冷裝置時會被迅速降溫至零下30°C左右，從而使氫氣在進入被充裝容器中時溫度不會過聞。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種可以使用任何來源的氫氣的三儲罐平衡降壓快速充裝氫氣的系統(tǒng)與方法，本系統(tǒng)包括氫氣壓縮設(shè)備、氫氣儲存設(shè)備和氫氣加注設(shè)備。任何方法制備的氫氣先經(jīng)過氫氣壓縮設(shè)備壓縮，然后儲存到高壓氫氣儲存設(shè)備中，每個氫氣儲存設(shè)備的出氣口都直接連接到氫氣加氣機或工業(yè)用氫的氣瓶充裝系統(tǒng)上。在給汽車加氫(能源用氫)和充裝氣瓶(工業(yè)用氫)時共用一套降壓平衡充裝系統(tǒng)。系統(tǒng)中不設(shè)置減壓閥，使系統(tǒng)的管道阻力更小，充裝速率更快。系統(tǒng)中增加預(yù)冷裝置，使被充裝容器溫升更低。
文檔編號F17D1/04GK103244825SQ201210031398
公開日2013年8月14日 申請日期2012年2月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月13日
發(fā)明者張立芳 申請人:北京久安通氫能科技有限公司