一种多级静态氢气增压系统及增压方法和应用与流程

本发明涉及固态储氢及加氢站领域，具体涉及一种多级静态氢气增压系统及增压方法和应用。

背景技术：

1、氢能是一种来源丰富、最清洁的能源，应用前景十分广阔。我国是世界最大的制氢国，当前氢能产业链已经初步形成从基础研究、应用研究到示范演示的全方位格局，布局了相对完整的氢能产业。加氢站数量位居世界第一。氢能将是未来我国的能源结构中重要的组成部分，可以实现用能终端的完全零碳排放，对构建未来我国高效的能源体系具有重要意义。

2、加氢站作为氢能和氢燃料汽车广泛应用所必需的重要基础设施，是氢能大规模发展的重要保障。目前已建成的加氢站主要是高压加氢站，高压加氢站需要由长管拖车从站外运送氢气，经隔膜式氢气压缩机后，高压储存在高压储罐中，再通过加氢机加注。

3、高压加氢站的核心设备高压氢压缩机的关键部件依赖进口，且运行故障率高；而氢气高压储罐的危险性高，易发生泄露和爆炸事故。因此，亟待开发一种高安全性的储供氢技术。

4、固态储氢装置采用储氢合金粉末作为主要储氢介质，具有低温时低压吸氢、高温时高压放氢的特点。不同成分和体系的材料，具备不同的吸放氢压力，可根据实际需求，通过对储氢材料的充放氢压力、容量进行匹配，逐级进行增压。尤其选择5-25℃范围内低压吸氢，60-90℃范围内高压放氢的材料，可确保采用成熟易得的循环水换热技术进行吸氢及放氢操作，取代了价格高昂、耗电量大、噪音大的隔膜式氢气压缩机。

5、现阶段，已经有一些相关的研究应用，并且取得了一定的应用成果。同时，现阶段还存在一些缺陷。

6、cn114508691a公开了一种利用固态储氢装置建设分级加氢站的方法。该方法包括三级的固态储氢装置和缓冲罐，可实现40mpa氢气的输出，为现阶段35mpa的用氢设备提供氢气。该现有技术尽管使用固态储氢装置作为压缩机替代了氢压缩机，但每级仅配备了1套固态储氢装置，需要兼顾充氢、放氢、储氢的功能，因此无法进行连续作业。

7、cn115095791a公开了一种利用固态金属储氢和供氢的加氢系统，该系统对储氢装置充放氢过程中的热量进行了回收利用。但该现有技术中的装置也无法实现连续运行，在实际的加氢站应用过程中存在缺陷。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，尤其是对现阶段固态储氢装置无法进行连续供氢的技术缺陷，本发明提供了一种多级静态氢气增压系统及增压方法和应用，通过在每级静态氢气增压系统均设置2台或以上（优选为3台）的固态储氢装置，确保每级装置充放氢的连续性；同时，设置自动控制系统，对固态储氢装置的加热、冷却进行智能控制，确保系统无论在充氢还是放氢的情况下，都可迅速完成换热需求的切换。本系统可迅速启动且持续对外供氢，确保加氢站的对外加氢服务的顺利进行。本发明具体包括以下内容：

2、一种多级静态氢气增压系统，包括至少两级静态氢气增压系统和自动控制系统，所述每级静态氢气增压系统均包括换热系统、至少两套并联的固态储氢装置、以及氢气缓存罐；所述固态储氢装置设置有第一换热介质进口、第一换热介质出口、第一氢气进口和第一氢气出口；所述氢气缓存罐设置有第二氢气进口和第二氢气出口，所述第二氢气出口与第一氢气进口连接；所述第一氢气出口与下一级静态氢气增压系统的氢气缓存罐的第二氢气进口连接；所述自动控制系统分别与各级静态氢气增压系统连接。

3、优选的，所述换热系统包括加热设备、以及冷却设备，所述加热设备和冷却设备分别设置有换热介质出口、换热介质回流口，所述加热设备和冷却设备的换热介质出口通过第一三通阀门与固态储氢装置的第一换热介质进口连接，加热设备和冷却设备的换热介质回流口通过第二三通阀门与固态储氢装置的第一换热介质出口连接。

4、优选的，所述第二氢气出口与第一氢气进口之间通过管道连接，所述管道上述设置有第一控制阀门；所述第一氢气出口与下一级静态氢气增压系统中的第二氢气进口通过管道连接，所述管道上设置有第二控制阀门。

5、优选的，所述固态储氢装置中设置有换热介质温度检测装置、换热介质压力检测装置、换热介质流量检测装置、以及第一氢气温度检测装置、第一氢气压力检测装置、第一氢气流量检测装置；所述氢气缓存罐中设置有第二氢气温度检测装置、第二氢气压力检测装置；所述自动控制系统包括信号接收模块、控制模块、以及分别与信号接收模块和控制模块连接的计算模块，所述信号接收模块还与换热介质温度检测装置、换热介质压力检测装置、换热介质流量检测装置、第一氢气温度检测装置、第一氢气压力检测装置、第一氢气流量检测装置、第二氢气温度检测装置、第二氢气压力检测装置连接，所述控制模块分别还与第一三通阀门、第二三通阀门、第一控制阀门、第二控制阀门连接。

6、优选的，所述自动控制系统还包括显示装置和输入模块，所述显示装置与信号接收模块连接，所述输入模块分别与计算模块、控制模块连接。

7、优选的，包括五级静态氢气增压系统，所述第一级静态氢气增压系统中氢气缓存罐的第二氢气进口与外部供氢系统连接；所述第五级静态氢气增压系统中氢气缓存罐的第二氢气出口与外部加氢系统连接；所述每级静态氢气增压系统包括三个并联的固态储氢装置。

8、一种基于多级静态氢气增压系统的多级静态氢气增压方法，从第一级静态氢气增压系统输入氢气，经多级静态氢气增压系统增压后，从最后一级静态氢气增压系统输出增压后的氢气。

9、优选的，所述多级静态氢气增压方法包括：

10、s1：当某级静态氢气增压系统的固态储氢装置中的氢气压力低于设定值时，控制从本级的氢气缓存罐向固态储氢装置中输入氢气，并控制换热系统调节固态储氢装置的温度，使固态储氢装置吸氢；

11、s2：当某级静态氢气增压系统的固态储氢装置中的氢气压力达到或高于设定值时，控制本级的换热系统调节固态储氢装置的温度，使固态储氢装置向下一级静态氢气增压系统放氢。

12、优选的，所述多级静态氢气增压系统包括：

13、一级静态氢气增压系统：本级静态氢气增压系统的固态储氢装置吸收外源低压氢气，并供氢给二级增压系统，本级最高供氢压力不超过5mpa（具体可以是1mpa、2mpa、3mpa、4mpa等）；所述外源低压氢气的压力不超过3mpa（具体可以是1mpa、1.5mpa、2mpa、2.5mpa等）；

14、二级静态氢气增压系统：本级静态氢气增压系统的固态储氢装置吸收一级静态氢气增压系统所供给的氢气，并供氢给三级静态氢气增压系统，本级最高供氢压力不超过15mpa（具体可以是10mpa、11mpa、12mpa、14mpa等）；

15、三级静态氢气增压系统：本级静态氢气增压系统的固态储氢装置吸收二级静态氢气增压系统所供给的氢气，并供氢给四级静态氢气增压系统，本级最高供氢压力不超过30mpa（具体可以是20mpa、25mpa、28mpa、30mpa等）；

16、四级静态氢气增压系统：本级静态氢气增压系统的固态储氢装置吸收三级静态氢气增压系统所供给的氢气，并供氢给五级静态氢气增压系统，本级最高供氢压力不超过45mpa（具体可以是35mpa、38mpa、40mpa、42mpa等）；

17、五级静态氢气增压系统：本级静态氢气增压系统的固态储氢装置吸收四级静态氢气增压系统所供给的氢气，并供氢给本级氢气缓冲罐或外部，本级最高供氢压力不超过80mpa（具体可以是60mpa、70mpa、75mpa、78mpa等）。

18、优选的，所述多级静态氢气增压系统包括：

19、一级静态氢气增压系统：本级固态储氢装置的吸氢压力为1-3mpa之间（具体可以是1mpa、1.5mpa、2mpa、2.5mpa等）、放氢压力为4-5mpa之间（具体可以是4mpa、4.2mpa、4.5mpa、4.8mpa等）；单套固态储氢装置的储氢容量不低于20kg（具体可以是20kg、30kg、35kg、40kg等），本级总储氢容量不低于40kg（具体可以是40kg、45kg、48kg、55kg等）；本级中的单套固态储氢装置的持续吸氢、供氢能力均不低于500g/min（具体可以是500g/min、520g/min、550g/min、600g/min等）；

20、二级静态氢气增压系统：本级固态储氢装置的吸氢压力为2-6mpa之间（具体可以是2mpa、2.5mpa、4mpa、5mpa等）、放氢压力为7-15mpa之间（具体可以是7mpa、7.5mpa、10mpa、12mpa等）；单套固态储氢装置的储氢容量不低于10kg（具体可以是10kg、12kg、13kg、15kg等），本级总储氢容量不低于20kg（具体可以是20kg、30kg、35kg、40kg等）；本级中的单套固态储氢装置的持续吸氢、供氢能力均不低于500g/min（具体可以是500g/min、520g/min、550g/min、600g/min等）；

21、三级静态氢气增压系统：本级固态储氢装置的吸氢压力为7-15mpa之间（具体可以是7mpa、8mpa、10mpa、13mpa等）、放氢压力为22-25mpa之间（具体可以是22mpa、23mpa、24mpa、25mpa等）；单套固态储氢装置的储氢容量不低于8kg（具体可以是8kg、9kg、10kg、15kg等），本级总储氢容量不低于16kg（具体可以是16kg、18kg、20kg、25kg等）；本级中的单套固态储氢装置的持续吸氢、供氢能力均不低于500g/min（具体可以是500g/min、520g/min、550g/min、600g/min等）；

22、四级静态氢气增压系统：本级固态储氢装置的吸氢压力为18-25mpa之间（具体可以是18mpa、20mpa、22mpa、24mpa等）、放氢压力为35-45mpa之间（具体可以是37mpa、38mpa、40mpa、43mpa等）；单套固态储氢装置的储氢容量不低于6kg（具体可以是8kg、9kg、10kg、12kg等），本级总储氢容量不低于12kg（具体可以是15kg、18kg、20kg、25kg等）；本级中的单套固态储氢装置的持续吸氢、供氢能力均不低于500g/min（具体可以是500g/min、520g/min、550g/min、600g/min等）；

23、五级静态氢气增压系统：本级固态储氢装置的吸氢压力为30-40mpa之间（具体可以是32mpa、34mpa、36mpa、38mpa等）、放氢压力为70-80mpa之间（具体可以是72mpa、74mpa、76mpa、78mpa等）；单套固态储氢装置的储氢容量不低于5kg（具体可以是8kg、9kg、10kg、15kg等），本级总储氢容量不低于10kg（具体可以是12kg、14kg、16kg、20kg等）；本级中的单套固态储氢装置的持续吸氢、供氢能力均不低于500g/min（具体可以是500g/min、520g/min、550g/min、600g/min等）。

24、一种多级静态氢气增压系统在加氢站中的应用。

25、本发明的有益效果：

26、（1）所述多级静态氢气增压系统包括至少两级静态氢气增压系统，可以对氢气逐级增压，保证增压的稳定性和安全性。而且，每级静态氢气增压系统均包括至少两套（优选为三套以上）并联的固态储氢装置、以及氢气缓存罐，可以确保每级静态氢气增压系统充放氢的连续性。而且，本系统可以根据需要，增加或减少每级固态储氢系统中固态储氢装置的数量，进而调配加氢站的总储氢量，以确保满足加氢需求。

27、（2）所述多级静态氢气增压系统设置有自动控制系统，各个固态储氢装置、氢气缓存罐内部均安装有温度、压力、流量等的检测装置，各个管道上均设置有控制阀门，且自动控制系统分别与各个检测装置、控制阀门连接，一方面可以实现对系统内各个部位的温度、压力、流量等工况的实时监测，另一方面还能实现对整个系统的自动智能控制，使整个系统的工作更加安全、高效、便捷。

28、（3）所述多级静态氢气增压系统通过换热系统控制固态储氢装置的温度，进而通过固态储氢装置的吸氢和放氢来实现氢气的逐级增压。所述换热系统包括加热设备、以及冷却设备，加热设备和冷却设备的换热介质出口通过第一三通阀门与固态储氢装置的第一换热介质进口连接，加热设备和冷却设备的换热介质回流口通过第二三通阀门与固态储氢装置的第一换热介质出口连接。在本系统中，只需控制第一、第二三通阀门，就能轻松控制加热设备或冷却设备中的换热介质与固态储氢装置中的储氢物质进行换热，进而控制固态储氢装置的工作状态。本系统的结构设计合理、控制方便，无论在充氢还是放氢的情况下，都可迅速完成换热需求的切换，而且可迅速启动且持续对外供氢，确保加氢站的对外加氢服务的顺利进行。

29、（4）所述每一级的静态氢气增压系统中均设置有氢气缓冲罐，克服了固态储氢装置刚开机阶段氢气气压或流量不足的缺陷。