CN101418907B - 外供氢型加氢站的高压供氢系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种外供氢型加氢站的高压供氢系统，可为燃料电池汽车加注氢燃料，该供氢系统主要由管束运氢车、固定式高压储氢瓶组、并联的多压缩机增压系统、高压氢气加注系统、数据采集、处理和安全监控系统构成。该高压供氢系统将管束运氢车作为加氢站储氢容器的一部分，编入分级储氢容器的第一级；采用多压缩机并联组成的增压系统；引入数据采集、处理和安全监控系统。该系统具有储氢容量可调节，操作弹性大，成本节约，维护方便，使用效率高等优点。

Description

外供氢型加氢站的高压供氢系统

技术领域

本发明属于新能源技术领域，涉及一种集成了氢气输送、储存、压缩、加注、数据采集、处理和安全监控，可为燃料电池汽车提供高压氢气加注的外供氢型加氢站的高压供氢系统。

背景技术

空气污染、能源短缺、气候变暖等一系列问题迫使人类大力开发新能源利用技术。由于氢气具有来源广泛，循环使用性好，使用过程中对环境友好等优势，以氢气为燃料的燃料电池汽车技术成为各国政府和各大能源、汽车公司的研发热点。近年来燃料电池汽车技术日益成熟，各类样车相继推出，世界各地陆续开展燃料电池汽车的示范运行活动，以考察、验证其安全性、可靠性和耐久性。作为给燃料电池汽车提供氢燃料加注的基础设施，加氢站的数量也在不断增长，各种示范运行活动在世界各地火热展开。截至2006年底，全世界已先后兴建了140多座各种类型的加氢站，这些加氢站除了为燃料电池汽车提供氢气加注服务外，本身也通过建设各种类型的加氢站来探索、验证、示范各种建站技术，为今后燃料电池汽车商业化应用时的大规模建站提供技术储备。

加氢站的类型从其供氢方式上可分为站内制氢和站外供氢两种，前者是通过在加氢站内建设制氢装置，利用如化石类燃料重整或水电解等制氢方式来满足加氢站的氢气需求。后者则是通过制氢厂的集中制氢，再借助管束运氢车将氢气运送至加氢站。从氢气的储存方式上可分为高压气氢储存和液氢储存两种，从加注方式上可分为液氢加注和气氢加注。外供氢、高压气氢储存及加注的加氢站，因其投资低、工艺简单、操作和维护成本低，成为加氢站建设的首选。

目前已建成的示范性的外供氢加氢站主要有两种模式：其一是以分为多级的高压储氢气瓶为加注气源，管束运氢车不直接参与加注，仅作为高压储氢瓶的补充氢气源，借助压缩机将管束运氢车中的低压氢气压缩并储存于高压储氢瓶中；其二是以管束运氢车为加注气源，通过压缩机直接将增压后的高压氢气加注到被加注车辆的车载储氢瓶中。两种方法的最大缺陷在于加注能力的操作弹性与加氢站的经济性难以兼顾。

在燃料电池汽车示范运行阶段乃至商业化运行初期，燃料电池汽车的数量有限，加氢站为满足高峰加注时段的高压氢气需求，若采用上述第一种模式，需要设计较高的储氢容量，意味着加氢站需配置较多的高压储氢瓶，大幅增加建站成本，而非加注高峰时段，则会造成储氢瓶利用率低，降低了整个加氢站的经济性；若采用上述第二种模式，加氢站需要配置大排量氢气压缩机，将大幅增加加氢站的压缩机购置费用，而加注过程压缩机的频繁启停不利其稳定运行，且会增加压缩机的运行和维护费用。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于：针对燃料电池汽车早期发展阶段对氢燃料加注需求动态变化大的特点，提供一种操作弹性大而经济的燃料电池汽车加氢站的供氢系统技术方案。

为了解决上述技术问题，本发明提出的解决方案是：

一种外供氢型加氢站的高压供氢系统，其包括

若干管束运氢车，用于作为运输氢气的工具或作为第一级储氢容器；

并联的多压缩机系统，其至少包括两台分别独立运行或同时运行的压缩机；

高压储氢瓶组，其包括固定于加氢站内的第二级和第三级储氢容器；

高压氢气加注系统，用于加注氢气，其包括控制系统、加氢枪和一系列阀门。

作为本发明的优选方案之一，所述外供氢型加氢站的高压供氢系统进一步包括数据采集、处理和安全监控系统，用于实时采集并记录储氢瓶、压缩机、加气机的运行参数；对供氢系统各可能的超温、超压点、氢泄漏、火警区域实施监控；实时反馈运输途中的运氢车的运行轨迹和氢气装载量以及运行中的燃料电池汽车的位置、车载氢气量和车辆运行状况。

作为本发明的优选方案之一，所述的高压储氢瓶组与管束运氢车的低压氢气共同组成高低压力搭配的氢气加注气源。

作为本发明的优选方案之一，所述的并联的多压缩机系统用于将外部供氢增压入加氢站的高压储氢瓶组或将外部供氢增压入燃料电池汽车车载储氢瓶。

作为本发明的优选方案之一，所述压缩机为隔膜式或活塞式压缩机。

本发明的优点在于加氢站的氢气由管束运氢车从氢源地运输而来，而非在站内现场制取，从而节省了加氢站建设制氢系统的投资成本，且加氢站内的供氢工艺由此而得到大大简化，易于操作、维护，有利降低运行成本。管束运氢车既是氢气的运输工具，也是加氢站的第一级储氢容器，

采用管束运氢车做为站内储氢的一部分，其带来的优势是明显的：

其一，在目前燃料电池汽车示范运行阶段，对加氢站加注能力的要求常常是变化而不确定的。将管束运氢车作为加氢站储氢的一部分，可使站的储氢容量有较大的弹性，其数量可为一辆或多辆，从而使加氢站的储氢容量可随加注需求的变化而变化，可更好地满足未来燃料电池汽车发展对提升加氢站加注能力的要求；

其二，可减少加氢站高压储氢瓶的数量，节省占地面积，节约建站成本；

其三，将管束运氢车作为加氢站低压储氢容器，可节约氢气的加注成本，避免将管束运氢车中的低压氢气增压至高压储氢瓶后再加至低压的燃料电池汽车车载氢瓶中，造成无谓的增压能耗浪费；

其四，以低压的管束运氢车作为第一级加注气源，有助于控制加注过程中因压差过大而导致的车载储氢瓶的过高温升。利用管束运氢车与站内高压储氢瓶组的分级储氢功能，可提高高压氢气的使用效率；

采用多压缩机系统，其优势也体现在多个方面：

其一，可在满足加注高峰增压需求的同时，视日常加注需求的大小而开启单个或多个压缩机来应对，以节省运行费用，从而具有更大的操作弹性和操作稳定性；

其二，压缩机的定期维护和保养不可避免，相比较单压缩机系统，多压缩机并联操作的设计，有利于在不影响供氢系统正常运行的状态下，轮换检修压缩机；

其三，这种并联的设计，无论在压缩机的控制系统，还是工艺管路上，都有利日后根据需要进一步增加并联的压缩机的数量以扩充供氢系统的增压能力。

供氢系统的数据采集、处理和安全监控系统，将整个高压氢气加注系统的运行状况、安全监控以及被加注车辆和氢气输送车辆的运行状况纳入统一系统，为加氢站的无人值守以及多个加氢站、制氢厂、运氢车和燃料电池汽车的统一管理和调度奠定基础，有利提高整个制氢、运氢、供氢、用氢体系的效率。

本发明的特点主要体现在：

1.将管束运氢车作为加氢站储氢容器的一部分，编入分级储氢容器的第一级；

2.采用多压缩机并联组成的增压系统；

3.引入数据采集、处理和安全监控系统。

附图说明

图1是本发明的供氢系统流程示意图。

1a，1b     管束运氢车           2a，2b               卸气柱软管

3a，3b     手动球阀             4，8，9，11，12，14-21   气动球阀

5a，5b     压缩机入口阀         6a，6b                   压缩机出口阀

7a，7b     压缩机               10                       第二级储氢容器

13         第三级储氢容器       24                       氢气加注系统

22         公交车用加氢枪       23                       轿车用加氢枪

具体实施方式

本发明的内容、优点和目的将在下面实施例的说明中予以阐述。

根据本发明，供氢系统由氢气供应、压缩、储存、加注及数据采集、处理和安全监控等子系统组成。

根据本发明，本实施例的氢气供应系统由2辆管束运氢车1a和1b和2个卸气柱组成。两辆管束运氢车将制氢厂经纯化后并压缩至20MPa(最高)的气态氢气送至加氢站，当加氢站用气量少时，站内只需停泊一辆管束运氢车，在一辆管束运氢车为加氢站供氢时，另一辆可回至氢源处轮转。当加氢站用气量大时，则站内可同时停泊两辆管束运氢车，从而使加氢站的储氢能力具有较大弹性。管束运氢车进站后，氢气卸车需经过卸气柱，卸气柱的主要组成部件包括连接拖车的软管2a和2b和切断阀3a和3b等。

根据本发明，本实施例的氢气压缩系统主要包含两台隔膜式氢气压缩机7a和7b，进出口阀门5a，6a，5b和6b，及其控制系统。本发明的压缩系统有较大的操作弹性，两台压缩机既可以分别独立运行，也可以同时运行，单机运行时的压缩排量是双机运行时的一半。在加氢站示范阶段的初期，大多数时间由于加注需求量较小，对压缩机排量的要求也较小，此时只需开启一台压缩机增压即可。两台压缩机可以交替工作，既可以以7a为主压缩机，以7b为备用压缩机，也可以以7a为备用压缩机，以7b为主压缩机，这样便于设备的保养和维护。压缩机的排量是随入口压力的变化而变化的，随着管束运氢车中的氢气被不断抽出，压缩机入口压力不断减小，因而其排量也不断减小，本发明通过加氢站控制系统可设定压缩系统的工作程序，当进口压力减小到一定程度时，由单机运行自动切换到双机运行，保证压缩系统的排量不会过低，从而保证给站内高压贮氢瓶充气的高效率。随着加氢站示范的推广，加注车辆不断增多，加氢站有时会出现加注高峰，此时可采用两台压缩机同步运行的模式，以满足加注需求。

在加氢站上配备大容量的高压储气装置，可以实现在短时间内给车辆加满气，即快速加注。另外，储气装置还可以避免压缩机的频繁启动，优化加氢站的操作。加氢站内气体的储存一般按照高中低压进行分级储存。在为燃料电池汽车加注氢气时，采用顺序控制策略控制氢气由高压储氢瓶组向燃料电池汽车车载储罐的流动：首先从低压级容器取气，在顺序控制策略设定的低压级容器与车辆储罐间的压差达到设定值时，自动转到中压级容器取气，在中压级容器与车辆储罐的压差达到设定值时再由高压级容器补气。当高压级容器不足以将车载气瓶充满时，控制系统自动启动压缩系统，将管束运氢车中的氢气或储氢瓶组中的氢气经压缩后直接加注到车载储罐中。

为了实现快速加注，本发明的氢气储存系统由固定在加氢站内的高压储氢瓶组和管束运氢车组成，管束运氢车的储氢压力不大于200bar，是第一级储氢容器，站内高压储氢瓶组的储氢压力高于400bar，被分为两组，分别为第二级储氢容器10和第三级储氢容器13。第二级和第三级储氢容器是固定在站内的，其容量也是固定的，而第一级储氢容器可以是一辆管束运氢车，也可以是两辆，因而其容量是弹性的，因此整个站的储氢容量也是弹性的。当加注需求小时，加氢站内只停泊一辆管束运氢车甚至可不需要管束运氢车，当加注需求增大时，可在加氢站内同时停泊两辆管束运氢车。

根据本发明，本实施例的氢气加注系统24由控制系统、加氢枪和一系列阀门等组成。两把加氢枪分别为燃料电池轿车用加氢枪23和燃料电池公交车用加氢枪22。氢气加注系统有两组阀门，分别针对燃料电池轿车和燃料电池公交车，每一组各有3个阀门16，17，18和19，20，21，分别针对第一级储氢容器，第二级储氢容器及第三级储氢容器。当有车辆加气时，加氢机根据预先设定的顺序控制程序先从第一级储氢容器取气，当第一级储氢容器的压力与汽车储罐内压力平衡时，氢气加注系统再从第二级储氢容器取气，最后是第三级储氢容器，直到汽车储罐内的压力到达350bar。若第三级容器仍不足以将车载气瓶充满时，则控制系统自动启动压缩系统，将管束运氢车中的氢气经压缩后直接加注到车载气瓶中，直到350bar。本实施例的氢气加注系统，可以同时为燃料电池轿车和燃料电池公交车加气。

根据本发明，供氢系统应用的数据采集、处理和安全监控系统，实时自动采集并记录红外、视频监控，氢气泄漏探测，火焰探测，压缩机工作状况、运行参数，储氢压力、温度状况，加氢工作状况、加注压力、加注数量、加注次数等，状况异常将报警，并根据报警级别自动采取措施直至紧急关停系统。

以下以燃料电池公交车高压氢气加注为例具体说明。

当燃料电池公交车进入加氢站准备加气时，首先将氢气加注系统24的加氢枪23与公交车的加气接口连接，然后开启加注按钮，氢气加注系统首先打开阀门19，从管束运氢车1a或1b取气(阀门3a或3b和4处于开启状态)；当管束运氢车储氢管束内的压力与燃料电池公交车车载储氢瓶内压力平衡时，系统自动关闭阀门19，打开阀门20，从第二级储氢容器10取气(阀门9和15处于开启状态)；再次平衡后，系统自动关闭阀门20，打开阀门21，从第三级储氢容器13取气(阀门12和14处于开启状态)；若第三级储氢容器13仍不足以将公交车上的储氢瓶充满时，则控制系统自动启动压缩机7a或7b，将管束运氢车1a或1b中的氢气经压缩后直接加注到公交车车载储氢瓶中；直到公交车车载储氢瓶内的压力到达设定值后自动停止加气。然后关闭加注按钮，取下加氢枪23，结束加气，公交车驶离。

由于为公交车加气后，加氢站第二级储氢瓶组和第三级储氢瓶组的储氢量都有所减少，当低于设定值时，为保障下一次快速加注，压缩机7a或7b将自动启动，从管束运氢车1a或1b吸入氢气，增压后充入第二级储氢容器10和第三级储氢容器13中。补气的顺序与取气的顺序相反，首先打开阀门11为第三级容器13补气(阀门8处于关闭状态)，当第三级储氢容器13的压力达到设定的最高工作压力后，关闭阀门11，开启阀门8，为第二级储氢容器10补气，直到第二级储氢容器10的压力达到设定的最高工作压力。当管束运氢车1a或1b的压力降至设定值时，压缩系统从单7a或单7b运行的模式自动切换到7a和7b同时运行的模式，以保证压缩系统的高效率。

为进一步说明本发明提出的把管束运氢车编入加氢站储氢容器所带来的经济性的提高，本实施例以一辆管束运氢车和9个高压储氢瓶为例，比较两种不同储氢容器编组方式的优劣：第一种方式即通常采用的，管束运氢车仅作为氢气的运送工具和增压补气气源，只有当站内储氢瓶压力过低，触发增压补气约束条件时，才会启动。9个高压储氢瓶按4：4：1分成3级加注气源；第二种方式是管束运氢车不仅作为氢气的运送工具，还作为加氢站第一级气源为燃料电池汽车提供连续加注服务，其后待站内高压储氢瓶压力过低，触发增压补气约束条件时，才作为增压气源为高压储氢瓶补气。9个高压储氢瓶按8：1分成2级，并与管束运氢车一起组成3级加注气源。

加氢站高压储氢瓶、燃料电池轿车车载储氢瓶及管束运氢车的相关参数见表1

 

对象	数量	单个容积(m3)	初始压力(MPa)	初始温度(K)	初始氢气质量(kg)
						加氢站内高压储氢瓶	9	0.767	45	298	175.35
燃料电池车载储氢瓶	1	0.154	2	298	0.242
						管束运氢车	1	18.5	20	298	261.44

表1 各储氢容器的技术参数

由于压缩机的排量与其气体入口压力密切相关，根据所选用的压缩机特性得到的压缩机的平均排量计算公式为 $\stackrel{\‾}{Q_t}=f(P_{t0},P_t)=0.0899\×[7.82+9.615\×(P_{t0}+P_t)],$ 其中P_t0，P_t分别为增压气源始、末压力(MPa)。压缩机的额定功率为18.5kw，最大输出压力为45MPa。

根据上述参数计算的两种不同储氢容器编组方式下的结果如表2

 

储氢容器编组方式	连续加注能力(辆)	最大加注能力(辆)	增压时间(h)	压缩机能耗(kw·h)
					第一种	29	104	8.52	157.6
第二种	34	104	7.32	135.4

表2 不同编组方式下加氢站主要性能比较

由表2的比较结果可见，本发明提出的编组方式在加氢站的主要性能参数如连续加注能力、增压时间、压缩机能耗等显示出明显的优势。

上述对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种外供氢型加氢站的高压供氢系统，其包括

若干管束运氢车，用于作为运输氢气的工具或作为第一级储氢容器；

并联的多压缩机系统，其至少包括两台分别独立运行或同时运行的压缩机；

高压储氢瓶组，其包括固定于加氢站内的第二级和第三级储氢容器；

高压氢气加注系统，用于加注氢气，其包括控制系统、加氢枪和一系列阀门；

所述的高压储氢瓶组与管束运氢车的低压氢气共同组成高低压力搭配的氢气加注气源；

所述的并联的多压缩机系统用于将外部供氢增压入加氢站的高压储氢瓶组或将外部供氢增压入燃料电池汽车车载储氢瓶。

2.如权利要求1所述的高压供氢系统，其特征在于：所述外供氢型加氢站的高压供氢系统进一步包括数据采集、处理和安全监控系统，用于实时采集并记录储氢瓶、压缩机、加气机的运行参数；对供氢系统各可能的超温、超压点、氢泄漏、火警区域实施监控；实时反馈运输途中的运氢车的运行轨迹和氢气装载量以及运行中的燃料电池汽车的位置、车载氢气量和车辆运行状况。

3.如权利要求1所述的外供氢型加氢站的高压供氢系统，其特征在于：所述压缩机为隔膜式或活塞式压缩机。

Images