一种氢气的快速充装系统与方法

专利名称：一种氢气的快速充装系统与方法
技术领域：
本发明属于可再生、清洁环保的新能源领域，提供了一种三储罐平衡降压快速充装氢气的系统与方法。
背景技术：
目前使用的氢气充装系统中的氢气储存容器通常设计为氢气从储存容器下端进气，从储存容器上端出气，这一设计在实际应用中会给企业增加成本，因为系统在使用前和定期维修后，需要用氮气吹扫容器和系统，在加气站用的大型容器中一旦用氮气进行吹扫完成后，很难再用氢气将氮气置换干净。而且氢气充装系统在给工业用途的氢气容器充装时，由于压差较大，一般采用减压的方法进行充装，但由于减压装置的工作流量小，因此充装时间会加长。经查询，发现有如下五项专利与本发明有关联:
(O同济大学马建新、周伟、张存满、部敏忠、陈华强、潘相敏申请的发明专利“一种加氢站子站”(申请号:200710045766.1)，是一种可移动的外供氢的氢气增压加注系统。与200810202551.0原理是一样的，只多了可移动功能。与本发明有根本的不同。(2)袁家桢申请的发明专利“车载制氢加氢站”(申请号:200710098598.2)，是一种可移动的带有电解水制氢装置的加氢站系统。但该系统根本不可能实现应用，因电解水制氢装置需要大功率电力设施供电和直流整流变压器变压整流。不是该系统移动到哪都有这样的设施供你使用。如果把变压整流装置也放到车上，这辆车是上不了路的，且运动一次费用惊人。与本发明有根本的不同。(3)同济大学马建新、周伟、潘相敏、部敏忠、陈华强、张存满申请的发明专利“外供氢型加氢站的高压供氢系统”(申请号:200810202551.0)，这是一种用压缩机增压才能加注氢气的系统，与原工业用氢的方法是相同的。(4)同济大学马建新、周伟、潘相敏、张存满、部敏忠、陈华强申请的发明专利“可用于高压氢气加氢站的加气系统”(申请号:200810203556.5),该发明主要目的在于如何将系统数据采集然后控制系统进行氢气加注。与本发明有根本的不同。(5)北京飞驰绿能电源技术有限责任公司张立芳、王利生、张黛申请的发明专利“一种可快速充装氢气的制氢加氢站系统及其方法”(专利号:ZL200610088913.9)与本发明有细节上的不同。本发明可弥补其不足。

发明内容
针对目前常用的氢气充装系统存在的问题，本发明通过一种三储罐平衡降压快速充装氢气的系统与方法，使储罐内的氢气利用率更高。在系统中不设置减压阀，使系统的管道阻力更小，充装速率更快。在系统中增加预冷装置，使被充装容器温升更低。一改传统的储氢容器下进气上出气的系统设计习惯，使进气和出气为一个管道，不但可节约管道材料并且可快速使储氢容器 置换掉空气和氮气，使系统调试时间缩短十几倍。本发明采用的技术方案是:任何方法制备的氢气先经过氢气压缩设备压缩到35MPa 75MPa的高压，然后储存到可耐压35MPa 75MPa的高压氢气储存设备中，氢气储存设备共有三个，每个氢气储存设备的出气口都直接连接到氢气加气机或工业用氢的气瓶充装系统上。并在加氢机的氢气出口端安装一个低温冷却装置，使氢气管道从中穿过，当氢气经过该装置时被迅速降温至零下30°C左右。这样充装系统在充装氢气时，不再使用氢气压缩机，氢气会从高压向低压流动，对汽车和工业用氢容器进行平衡充装，使被充装容器的温升幅度减小。三个氢气储存设备由系统控制器控制，每次充装氢气时总是通过控制系统依次先用较低压力的氢气储存容器平衡充装氢气，然后用较高压力的氢气储存容器充装，最终达到所需要的压力，这样可使三个氢气储存设备中的氢气利用率达到90%以上，并且可使整套氢气充装系统中的管道直径以较小的通径达到较大的流量，该系统的最大充装流量可达到 3600Nm3/h。本发明提供的快速充装系统可以使用任何来源的氢气，可以是电解水制氢、天然气重整制氢或工业副产品氢回收提纯，可以在充装现场制取和提纯氢气，也可以使用外供氢气。本发明提供的快速充装系统在给汽车加氢(能源用氢)和充装气瓶(工业用氢)时共用一套降压平衡充装系统。给能源用氢的汽车加氢时，加氢机同时接收三个氢气储存设备的氢气，加氢机通过三个压力传感器的信号自动感知每个氢气储存设备的压力，依次先低后高使用三个氢气储存设备的氢气。当压力最低的氢气储存设备与汽车上的氢气瓶压力平衡时，加氢机自动关闭其他两个储氢设备上的电磁阀，当第一个储氢设备与汽车气瓶平衡后，加氢机自动打开压力次低的氢气储存设备上的电磁阀，进行第二次平衡充装，如果二次充装后汽车上的气瓶还不能达到所需压力，加氢机自动关闭前二个储存设备的电磁阀，打开压力最高的氢气储存设备上的电磁阀，继续进行充装，当汽车上的气瓶达到所需压力时，加氢机自动关动电磁阀,停止充装。加氢机与汽车之间 有通迅系统,可以时时感知汽车上的气瓶的压力和温度，做出指令，控制加氢机。给工业用氢充装管束车和普通气瓶的管道不设置由70MPa到20MPa的减压阀，而是直接从70MPa充装气瓶，这样可使充装速率大大提高。但为了保证被充装的管束和气瓶不超压，在充装管道末端设置压力传感器、电磁阀和安全泄放阀，当充装气瓶的末端压力达到管束车或气瓶额定压力时，压力传感器感知后，通过控制器将电磁阀关闭，如果电磁阀或压力传感器出现故障，安全泄放阀将在超压的情况下打开，将氢气泄放掉，从而保证被充装容器的安全。这种充装系统可有效减少阻力提高氢气充装速率，节约建站的投资成本。加氢机出口端和加氢枪前端安装一个低温冷却装置使氢气管道以盘管形式从中穿过，当氢气经过该装置时被迅速降温至零下30°C左右。这样充装系统在充装氢气时，氢气从高压向低压流动并经过预冷装置降温，所以对汽车和工业用氢容器进行平衡充装，可使被充装容器的温升减小，提高氢气充装的安全性。


图1是本发明的详细图示。
具体实施方式
本发明提供的快速充装系统包括:氢气压缩设备、氢气储存设备和氢气加注设备。氢气压缩设备包括75MPa压缩机2、3、4和单向阀5、6、7。氢气储存设备包括75MPa储氢罐
8、9、10和安全阀11、12、13。氢气加注设备包括给汽车加注氢气用的能源用氢加注设备和给长管束车或气瓶加注氢气用的工业用氢加注设备。能源用氢加注设备包括针阀20、21和22，压力传感器23、24和25，加氢机26，预冷装置34。工业用氢加注设备包括针阀28、压力传感器29、电磁阀30和安全阀31。氢气储存设备与氢气压缩设备和氢气加注设备的连接管路上由针阀14、15、16和电磁阀17、18、19进行控制。本发明的具体实施方式
为:任何方法制备的氢气1，经过75MPa压缩机2、3、4的压缩，压缩到35MPa 75MPa的高压，压缩机2、3、4的工作状态为两台常开、一台备用，压缩后的高压氢气储存在75MPa储氢罐8、9、10中。当储氢罐8、9、10的储氢压力达到75MPa时，电磁阀17、18、19分别控制关闭氢气压缩设备与氢气储存设备之间的管路。安全阀11、12、13分别用于保护储氢罐8、9、10的安全。给能源用氢的汽车27加氢时，加氢机26同时接收三个储氢罐8、9、10的氢气，力口氢机26通过三个压力传感器23、24、25的信号自动感知每个储氢罐的压力，依次先低后高使用三个储氢罐的氢气。例如当压力最低的储氢罐8与汽车27上的氢气瓶压力平衡时，力口氢机26自动关闭电磁阀17，打开电磁阀18，用压力次低的储氢罐9里的氢气进行第二次平衡充装，如果二次充装后汽车27上的气瓶还不能达到所需压力，加氢机26自动关闭电磁阀18，打开电磁阀19，用压力最高的储氢罐10里的氢气继续进行充装，当汽车27上的气瓶达到所需压力时，加氢机26自动关动电磁阀19，停止充装。加氢机26与汽车27之间有通迅系统，可以时时感知汽车27上的气瓶的压力和温度，做出指令，控制加氢机26。加氢机26出口端和加氢枪前端安装一个预冷装置34使氢气管道以盘管形式从中穿过，当氢气经过该装置时被迅速降温至零下30°C左右。给工业用氢的 管束车32和普通气瓶33进行充装时，在充装管道末端设置压力传感器29、电磁阀30和安全泄放阀31，当充装管道的末端压力达到额定压力时，压力传感器29感知后，通过控制器将电磁阀30关闭，如果电磁阀30出现故障，安全泄放阀31将在超压的情况下打开，将氢气泄放掉，从而保证被充装容器的安全。进行能源用氢充装和工业用氢充装时共用一套降压系统，单向阀5、6、7可以保证氢气流向为由压缩机2、3、4到储氢罐8、9、10，针阀14、15、16、20、21、22和28处于常开状态，可以手动控制气量大小。
权利要求
1.一种氢气快速充装的系统与方法，其特征在于:任何方法制备的氢气先经过氢气压缩设备压缩到35MPa 75MPa的高压，然后储存到可耐压35MPa 75MPa的高压氢气储存设备中，氢气储存设备共有三个，每个氢气储存设备的出气口都直接连接到氢气加气机或工业用氢的气瓶充装系统上，并在加氢机的氢气出口端安装一个低温冷却装置，使氢气管道从中穿过，当氢气经过该装置时被迅速降温至零下30°C左右；这样充装系统在充装氢气时，不再使用氢气压缩机，氢气会从高压向低压流动，对汽车和工业用氢容器进行平衡充装，使被充装容器的温升幅度减小；三个氢气储存设备由系统控制器控制，每次充装氢气时总是通过控制系统依次先用较低压力的氢气储存容器平衡充装氢气，然后用较高压力的氢气储存容器充装，最终达到所需要的压力，这样可使三个氢气储存设备中的氢气利用率达到90%以上，并且可使整套氢气充装系统中的管道直径以较小的通径达到较大的流量，该系统的最大充装流量可达到3600Nm3/h。
2.按照权利要求1所述的系统，其特征在于:可以使用任何来源的氢气，可以是电解水制氢、天然气重整制氢或工业副产品氢回收提纯，可以在充装现场制取和提纯氢气，也可以使用外供氢气。
3.按照权利要求1所述的系统，其特征在于:氢气储存设备的进气口和出气口为同一个口，设置在设备的下端，气体从储存设备的下部进出。
4.按照权利要求1所述的系统，其特征在于:在给汽车充装氢气时，加氢机同时接收三个氢气储存设备的氢气，加氢机通过三个压力传感器的信号自动感知每个氢气储存设备的压力，依次先低后高使用三个氢气储存设备的氢气；当压力最低的氢气储存设备与汽车上的氢气瓶压力平衡时，加氢机自动关闭该储存设备上的电磁阀，打开压力次低的氢气储存设备上的电磁阀， 进行第二次平衡充装，如果二次充装后汽车上的气瓶还不能达到所需压力，加氢机自动关闭第二个储存设备的电磁阀，打开压力最高的氢气储存设备上的电磁阀，断续进行充装，当汽车上的气瓶达到所需压力时，加氢机自动关动电磁阀，停止充装；加氢机与汽车之间有通迅系统，可以时时感知汽车上的气瓶的压力和温度，做出指令，控制加氢机。
5.按照权利要求1所述的系统，其特征在于:在给工业用途的氢气容器充装氢气时，使用降压平衡充装的方法，不设置减压装置，在系统末端设置压力传感器、电磁阀和安全泄放阀，当氢气容器的压力达到预期要求的压力时，传感器的信号会控制电磁阀关闭，切断供气，如有超压的情况发生，安全泄放阀会打开，将超压的气体泄放掉，从而保证被充装容器的安全。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于:在加氢机氢气出口端安装一个低温介质容器或低温制冷装置并将氢气管道做成盘管放置其中，当氢气经过低温介质容器或低温制冷装置时会被迅速降温至零下30°C左右，从而使氢气在进入被充装容器中时温度不会过闻。
全文摘要
本发明提供了一种可以使用任何来源的氢气的三储罐平衡降压快速充装氢气的系统与方法，本系统包括氢气压缩设备、氢气储存设备和氢气加注设备。任何方法制备的氢气先经过氢气压缩设备压缩，然后储存到高压氢气储存设备中，每个氢气储存设备的出气口都直接连接到氢气加气机或工业用氢的气瓶充装系统上。在给汽车加氢(能源用氢)和充装气瓶(工业用氢)时共用一套降压平衡充装系统。系统中不设置减压阀，使系统的管道阻力更小，充装速率更快。系统中增加预冷装置，使被充装容器温升更低。
文档编号F17D1/04GK103244825SQ201210031398
公开日2013年8月14日 申请日期2012年2月13日 优先权日2012年2月13日
发明者张立芳 申请人:北京久安通氢能科技有限公司