一种金属氢化物更换的方法和更换站与流程

本发明属于物料输送技术领域，涉及一种金属氢化物更换的方法和更换站。

背景技术：

进入二十一世纪，汽车发动机工业得到了迅速地发展，然而目前汽油机和柴油机依然是车用发动机的主要机种。汽油和柴油都是不可再生资源，为了减缓石油资源的匮乏所带来的一系列负面影响以及减少大气污染和汽车发动机尾气排放，需要寻找发动机的代用燃料，而氢能源是目前最理想的清洁燃料。氢能源是众多替代能源中的一种可再生资源，热值高，并且燃烧后大部分生成物是水蒸气，是一种理想的绿色燃料。作为代用燃料的氢能源可以解决二大难题：一是石油燃料储量有限，二是使用石油燃料带来的环境污染。

环境污染和能源短缺已经成为当今社会的两大突出问题，为寻求人类社会与汽车产业的可持续发展，氢燃料汽车是公认的可同时解决能源和环境问题的绿色环保车，是今后汽车发展的主要方向之一。然而受储氢装置技术、成本、寿命和可靠性诸多因素的制约，使得氢燃料汽车很难真正市场化运行。通过金属氢化物储氢气的方式，解决了氢气的储存、运输及安全问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种金属氢化物更换的方法，提高氢燃料汽车的储存、运输和更换的安全性和效率，降低氢燃料汽车的运行成本，延长使用寿命。本发明的另一目的是提供一种实现上述方法的金属氢化物更换站。

本发明的技术方案是：金属氢化物更换的方法，将需要更换金属氢化物的氢燃料汽车驶入金属氢化物加氢站的受氢车通道，氢燃料汽车设有金属氢化物储罐，金属氢化物储罐设有加注口。金属氢化物更换步骤为：①打开加注口的盖板，加注枪对准加注口，通过控制中心发出信号打开密码锁，加注枪的锁紧法兰与加注口的法兰对接锁紧；②打开加注口电控阀，启动输送管驱动器，将加注枪的套管通过加注口插入金属氢化物储罐；③采用气流输送方式将金属氢化物储罐中的乏金属氢化物从套管的内管）中抽出，抽出的同时从套管的外管注入保护气，抽出的乏金属氢化物进入1号金属氢化物更换装置的分离器进行气固分离；④分离出的气体经余氢吸收单元吸收余氢，吸收余氢后的保护气经保护气管路进入真空罐，分离出的乏金属氢化物经蓄热器放热，放热后的乏金属氢化物经电子计量设备称重计量，然后经转换阀到回收隔舱；⑤金属氢化物储罐中金属氢化物抽空或抽到要求的重量后，通过阀门切换使保护气管路连接到真空罐，2号金属氢化物更换装置的转换阀转换到其上的二级供料器，打开这一路供料管路上的阀门，采用气流输送方式向金属氢化物储罐添加新鲜饱和的从蓄热器吸收热量后的金属氢化物，加入金属氢化物过程中通过真空罐和保护气管路使金属氢化物储罐保持合适的压差，保证金属氢化物输送的顺畅；加注完毕后，抽出加注枪，关闭电控阀门，加密锁上锁，解开锁紧法兰，盖上加注口的盖板，氢燃料汽车驶出受氢车通道；⑥根据ecu通过无线通信获得的信息，提前准备为下一辆将要开来的汽车加氢。打开添加隔舱的出口阀，通过一级供料器、预加料管路、采用气流输送方式向1号金属氢化物更换装置输送新鲜饱和的金属氢化物，吸收蓄热器中的热量，准备下一次加氢。

加料管路、保护气管路、预加料管路、抽出管路和金属氢化物输送管及所有管路为正压，在任意压力和流量下操作，1号金属氢化物更换装置和2号金属氢化物更换装置交替操作，抽出和添加金属氢化物储罐的金属氢化物。保护气为氮气、二氧化碳或惰性气体，操作都在保护气保护下进行，保护气含水量严格限制，以严格控制露点。这些气体可以在合适的压力和温度下工作，也可以在超临界状态工作。保护气也可用合适的液态介质代替。氢燃料汽车设有电控阀和密码锁，电控阀和密码锁与控制中心通信连接。从金属氢化物储罐抽出乏金属氢化物和添加新鲜饱和的金属氢化物的过程中，加注枪可以插入金属氢化物储罐的任意位置，也可以在加注枪移动过程中抽出乏金属氢化物和加注新鲜饱和金属氢化物。

一种实现上述方法的金属氢化物更换站，包括金属氢化物大储罐、加料平台、1号金属氢化物更换装置、2号金属氢化物更换装置、加料管路、保护气管路、加注枪、余氢吸收单元、抽出管路、金属氢化物输送管路、真空罐、压缩机、二级供料器和保护气罐。1号金属氢化物更换装置和2号金属氢化物更换装置分别设有分离器、蓄热器、电子计量设备和转换阀，分离器、蓄热器、电子计量设备和转换阀依次连接；所述金属氢化物大储罐设有1～50个添加隔舱和1～50个回收隔舱。加注枪通过金属氢化物输送管路连接到加料管路和抽出管路，加料管路连接到二级供料器出口，抽出管路连接到1号金属氢化物更换装置和2号金属氢化物更换装置的分离器。转换阀一个口通二级供料器与加料管路连接，另一个口与回收隔舱连接。添加隔舱通过出口阀与一级供料器连接，一级供料器通过预加料管路与1号金属氢化物更换装置和2号金属氢化物更换装置的分离器连接。真空罐通过压缩机连接到氮气罐，真空罐入口与氮气罐出口之间设有旁路。氮气罐的出口分别通过保护气管路连接到一级供料器、二级供料器和加注枪，所述分离器的气体出口通过余氢吸收单元连接到真空罐；所述加料平台设有控制中心，控制中心与电子计量设备、密码锁、一级供料器、二级供料器、压缩机电控阀和各路阀门电路连接。

更换站设有1～16组金属氢化物更换装置和1～16组加注枪及相应的配套设备，每组金属氢化物更换装置包括1号金属氢化物更换装置和2号金属氢化物更换装置。保护气罐为两个，一个使用一个备用。金属氢化物大储罐、金属氢化物更换装置、真空罐、压缩机、保护气罐、加料平台、加料管路、保护气管路和抽出管路安装在运料槽车上或安装在固定平台上。运料槽车上设有集装箱，安装在运料槽车上时，金属氢化物大储罐装载进集装箱内。运料槽车上设有折叠式雨棚和汽车电控中心ecu。车载移动更换站可以到需要更换金属氢化物的氢燃料汽车和分布式能源需要的场所进行服务，对于固定式氢燃料使用的场所，同样是从固定场所使用的金属氢化物储罐内抽出已使用过的金属氢化物，添加进新鲜饱和的金属氢化物，在现场更换时如需要打开折叠式雨棚。金属氢化物更换站设有固定支架和旋转支架，旋转支架通过转轴与固定支架连接，保护气管路和金属氢化物输送管路架设在旋转支架上。

加注枪有套管、输送管驱动器和锁紧法兰，套管包括内管和外管。锁紧法兰设有o型密封圈，输送管驱动器设有驱动轮，套管穿过输送管驱动器和锁紧法兰移动连接，通过o型密封圈密封或其它形式的密封。内管用于输送金属氢化物，外管用于通入保护气。加注枪可以实现人工加注和全自动无人加注。套管内部可以设有单独输送保护气的支管，也可以设有单独输送金属氢化物的支管，也可以设置多条分管路部分输送保护气，部分输送金属氢化物，或者一起输送。各支管路的截面积可以根据需要进行设定。车载或固定安装的金属氢化物更换站布置在现有加油站内或独立布点，根据实际需求情况增加加氢站密度。车载金属氢化物更换站也可以开到用户现场进行金属氢化物的更换和加注。

该金属氢化物的更换方法，也适用于其它储氢材料，包括无机材料和有机材料。如碳纤维碳纳米管、非碳纳米管、玻璃储氢微球、络合物储氢材料以及有机液体氢化物等的加注和更换。金属氢化物的更换时机是根据汽车内显示仪表提醒、金属氢化物储罐内金属氢化物的饱和程度及剩余氢气量，由驾驶员决定是否加氢；所述金属氢化物的更换量是根据驾驶员的要求决定，可以全部更换也可以部分更换。驾驶员和金属氢化物更换站之间可以通过无线通讯，使更换站提前预知车辆的加注需求信息。计费的标准是依据每次取出已使用过的汽车金属氢化物质量与上次加入金属氢化物质量的差值，即所消耗的氢气质量，按氢气计费，便于买卖双方计算核实，同时也可以同用户车载氢气计量阀的数据进行比对，通过移动更换站的中央处理单元ecu进行数据处理，来核定实际的氢气消耗量；当车载加料平台的金属氢化物更换完毕后，开到金属氢化物装载中心进行全车更换。金属氢化物装载中心是分布式能源布点区域内的金属氢化物生产工厂和批发站，负责收集更换金属氢化物，并将旧的金属氢化物筛分处理，筛上符合要求粒度的原料载体金属直接送加氢车间再次加氢继续使用，筛下已粉化的金属氢化物经放氢处理，送再生车间加工处理重新造粒，所有工作在氮气保护下进行。车载加料平台是拖车模式，根据金属氢化物更换站的消耗量，使用量大的车载加料平台可以使用单独车头，使用量小的车载加料平台可以几个站共用一个车头。金属氢化物储罐添加氢气的三种方法，也适合于燃料电池汽车和其它携带金属氢化物的氢气燃料动力设备。燃料电池汽车金属氢化物储罐有三种加热方式：直接氢气加热、间接气体加热或电加热；氢燃料汽车的金属氢化物储罐中的金属氢化物可以全部更换或部分更换。金属氢化物储罐添加氢气的三种方法为：第一种方法是将高压氢气注入金属氢化物储罐中，使金属氢化物吸收氢气达到饱和来完成加注。第二种方法是整体更换金属氢化物储罐，更换上的储罐内装有吸氢达到饱和的金属氢化物。第三种方法是更换金属氢化物储罐内的已经使用过放出大部分氢的金属氢化物，换上新鲜饱和的金属氢化物。金属氢化物储罐氢燃料加注的三种方法，也适合于燃料电池汽车和其它携带金属氢化物的氢气燃料动力设备或固定装置上。金属氢化物储罐氢燃料加注的三种方法均可采用固定式或移动式加注平台。本系统可以采用重力输送、机械输送、气力输送、真空输送、液力输送、电磁输送的方法或它们的组合，从而达到更换金属氢化物储罐内的已经使用。

本发明金属氢化物方法和更换站通过金属氢化物更换装置及配套设施将氢燃料汽车用过的乏金属氢化物更换为新鲜饱和金属氢化物，方便了氢燃料汽车使用者更换燃料，解决了氢燃料汽车的氢燃料储存、运输和更换问题，有利于推广和使用绿色环保的氢燃料汽车，减轻环境污染，同时可以解决能源短缺的突出问题，实现人类社会与汽车产业的可持续发展。并且可以为固定式的分布式能源提供氢能源，固定式的分布式能源可以是固定式发电、制冷制热的场所，又可以是居民生活燃料用气、工业燃气、工业气体原料使用的场所。

附图说明

图1为金属氢化物更换站的平面示意图；

图2为金属氢化物更换站的立体示意图；

图3金属氢化物更换站结构及金属氢化物更换过程图；

图4为更换站后视图；

图5为加注枪、加注口局部放大图。

其中：1—商业服务设施、2—受氢车通道、3—运料车通道、4—运料槽车、5—氢燃料汽车、6—添加隔舱、7—金属氢化物更换站、8—电控阀、9—加注口、10—金属氢化物储罐、11—加料管路、12—保护气管路、13—抽出管路、14—蓄热器、15—1号金属氢化物更换装置、16—二级供料器、17—电子计量设备、18—转换阀、19—加料平台、20—金属氢化物大储罐、21—一级供料器、22—回收隔舱、23—真空罐、24—阀门、25—ecu、26—控制中心、27—压缩机、28—保护气罐、29—旋转支架、30—固定支架、31—转轴、32—o型密封圈、33—内管、34—外管、35—锁紧法兰、36—集装箱、37—加注枪、38—输送管驱动器、39—金属氢化物输送管路、40—密码锁、41—余氢吸收单元、42—套管、43—2号金属氢化物更换装置、44—预填料管路、45—折叠式雨棚。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明。本发明保护范围不限于实施例，本领域技术人员在权利要求限定的范围内做出任何改动也属于本发明保护的范围。

本发明金属氢化物更换站如图1、图2所示，包括受氢车通道2、运料车通道3、运料槽车4和氢燃料汽车5，更换站还设有商业服务设施1。如图3所示，更换站设有金属氢化物大储罐20、加料平台19、6组金属氢化物更换装置、加料管路11、保护气管路12、加注枪37及相应的配套设备、余氢吸收单元41、抽出管路13、金属氢化物输送管路39、真空罐23、压缩机27、二级供料器16和两个保护气罐28，两个保护气罐一个使用一个备用。运料槽车上设有集装箱36、ecu25和折叠式雨棚45，金属氢化物大储罐装载进集装箱内，折叠式雨棚下雨雪时展开。每组金属氢化物更换装置包括1号金属氢化物更换装置15和2号金属氢化物更换装置43。金属氢化物大储罐20、1号金属氢化物更换装置15、2号金属氢化物更换装置43、真空罐23、压缩机27、氮气罐28、加料平台19、加料管路11、保护气管路12和抽出管路13安装在运料槽车4上，金属氢化物大储罐20装载在集装箱内。1号金属氢化物更换装置和2号金属氢化物更换装置分别设有分离器15、蓄热器14、电子计量设备17和转换阀18，分离器、蓄热器、电子计量设备和转换阀依次连接。金属氢化物大储罐设有3个添加隔舱6和3个回收隔舱22。加注枪通过金属氢化物输送管路连接到加料管路和抽出管路，所述加料管路连接到二级供料器出口，抽出管路连接到1号金属氢化物更换装置和2号金属氢化物更换装置的分离器。转换阀一个口通二级供料器与加料管路连接，另一个口与回收隔舱22连接，可以交替进行抽料和加料操作。添加隔舱通过出口阀与一级供料器21连接，一级供料器通过预加料管路44与1号金属氢化物更换装置和2号金属氢化物更换装置的分离器连接。真空罐通过压缩机连接到氮气罐，真空罐入口与氮气罐出口之间设有旁路。氮气罐的出口分别通过保护气管路连接到一级供料器、二级供料器和加注枪，分离器的气体出口通过余氢吸收单元41连接到真空罐。加料平台设有控制中心26，控制中心与电子计量设备、密码锁、一级供料器、二级供料器、压缩机电控阀和各路阀门电路连接。如图4所示，金属氢化物更换站设有固定支架30和旋转支架29，旋转支架通过转轴31与固定支架连接，保护气管路12和金属氢化物输送管路39假设在旋转支架上。如图4、图5所示，加注枪37有套管42、输送管驱动器38和锁紧法兰35，所述套管包括内管33和外管34。锁紧法兰设有o型密封圈32，输送管驱动器设有驱动轮，套管穿过输送管驱动器和锁紧法兰移动连接，通过o型密封圈密封，内管用于输送金属氢化物，外管用于通入保护气。氢燃料汽车5设有电控阀8和密码锁40，电控阀和密码锁与控制中心通信连接。车载移动更换站可以到需要更换金属氢化物的氢燃料汽车现场进行服务，抽出乏金属氢化物，添加新鲜饱和的金属氢化物，现场更换时打开折叠式雨棚。

本发明金属氢化物更换的过程为：将需要更换金属氢化物的氢燃料汽车5驶入金属氢化物更换站7的受氢车通道2，更换步骤为：①打开加注口的盖板，加注枪37对准加注口9，通过控制中心发出信号打开密码锁40，加注枪的锁紧法兰35与加注口法兰对接锁紧。②打开加注口电控阀8，启动输送管驱动器38，将加注枪的套管41通过加注口插入金属氢化物储罐。从金属氢化物储罐抽出的乏金属氢化物的过程中，加注枪可以插入金属氢化物储罐的任意位置，也可以在加注枪移动过程中进行抽出和加注。③采用气流输送方式将金属氢化物储罐中的乏金属氢化物从套管的内管中抽出，抽出的过程从套管的外管注入保护气，抽出的乏金属氢化物进入1号金属氢化物更换装置的分离器进行气固分离。保护气是氮气。④分离出气体经余氢吸收单元41吸收余氢，余氢吸收单元内的金属氢化物为稀土类金属氢化物，吸收余氢后的保护气经保护气管路进入真空罐23。分离出的乏金属氢化物经蓄热器14放热，放热后的乏金属氢化物经计量设备17准确计量，然后经转换阀18到回收隔舱22储存。⑤金属氢化物储罐中金属氢化物抽空或抽到要求的重量后，通过阀门24切换使保护气管路12连接到真空罐，2号金属氢化物更换装置43的转换阀转换到其上的二级供料器16，打开这一路供料管路11上的阀门，采用气流输送方式向金属氢化物储罐添加新鲜饱和的从蓄热器吸收热量后的金属氢化物，加入金属氢化物过程中通过真空罐和保护气管路使金属氢化物储罐保持压差，保证金属氢化物输送的顺畅；加注完毕后，关闭电控阀门，抽出加注枪37，加密锁上锁，盖上加注口的盖板，氢燃料汽车驶出受氢车通道。⑥打开添加隔舱6的出口阀，通过一级供料器21、预加料管路44、采用气流输送方式向1号金属氢化物更换装置15输送新鲜饱和的金属氢化物，吸收蓄热器中的热量。1号金属氢化物更换装置15和2号金属氢化物更换装置43交替使用，一个吸收了蓄热器的热量准备加注，一个准备从汽车金属氢化物储罐中抽料。其中汽车金属氢化物储罐中的金属氢化物为氢化镁。

加料管路11、保护气管路12、抽出管路13和金属氢化物输送管39及所有管路为正压，在0.6mpa—8mpa任意压力下操作。1号金属氢化物更换装置15和2号金属氢化物更换装置43交替操作，抽出和添加金属氢化物储罐10的金属氢化物。保护气既是安全性保护气体，也是气流输送的动力气体。保护气为氮气，操作都在氮气保护下进行，氮气露点严格控制，氮气中的含水量严格限制。从金属氢化物储罐抽出的乏金属氢化物和添加新鲜饱和的金属氢化物的过程中，加注枪可以插入金属氢化物储罐的任意位置，也可以在加注枪移动过程中进行抽出和加注。

金属氢化物的更换时间是根据汽车内显示仪表提醒、金属氢化物储罐内金属氢化物的饱和程度及剩余氢气量，由驾驶员决定是否加氢。金属氢化物的更换量是根据驾驶员的要求决定，可以全部更换也可以部分更换。

计费的标准是依据每次取出已使用过的汽车金属氢化物质量与上次加入金属氢化物质量的差值，即所消耗的氢气质量，按氢气计费，便于买卖双方计算核实。当车载加料平台的金属氢化物更换完毕后，开到金属氢化物装载中心进行全车更换。金属氢化物装载中心是分布式能源布点区域内的金属氢化物生产工厂和批发站，负责收集更换金属氢化物，并将旧的金属氢化物筛分处理，筛上符合要求粒度的原料载体金属直接送加氢车间再次加氢继续使用，筛下已粉化的金属氢化物经放氢处理，送再生车间加工处理重新造粒。所有的操作都是在氮气的保护下进行。车载加料平台是拖车模式，根据金属氢化物更换站的消耗量，使用量大的车载加料平台可以使用单独车头，使用量小的车载加料平台可以几个站共用一个车头。金属氢化物储罐添加氢气的三种方法，也适合于燃料电池汽车和其它携带金属氢化物的氢气燃料动力设备。燃料电池汽车金属氢化物储罐有三种加热方式：直接氢气加热、间接气体加热或电加热。金属氢化物储罐添加氢气的三种方法为：第一种方法是将高压氢气注入金属氢化物储罐中，使金属氢化物吸收氢气达到饱和来完成加注。第二种方法是整体更换金属氢化物储罐，更换的储罐内装有吸氢达到饱和的金属氢化物。第三种方法是更换金属氢化物储罐内的金属氢化物。金属氢化物储罐氢燃料加注的三种方法，也适合于燃料电池汽车和其它携带金属氢化物的氢气燃料动力设备或固定装置上。金属氢化物储罐氢燃料加注的三种方法均可采用固定式或移动式加注平台。