CN108087717B - 一种液氢及高压氢联合加氢系统及加注方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及氢能与燃料电池汽车领域,旨在提供一种液氢及高压氢联合加氢系统及加注方法。包括液氢绝热储罐和气态氢储罐,以及两个并联运行的气态氢换热器,内置在气态氢换热器中的换热盘管相互串接;气态氢储罐的出口通过管路依次连接第一气动增压泵、两个气态氢换热器的换热盘管和常温氢气输入管路,常温氢气输入管路插入液氢绝热储罐,后者通过氢气输出管路接至气态氢换热器,两个气态氢换热器的出口管路经第二气动增压泵接至车载储氢系统。本发明利用高压氢给液氢加热使液氢气化并升温,省去了液氢加热装置的建设费用和加热过程的能耗;同时利用液氢的冷量给高压氢预冷,省去了高压氢预冷装置以及预冷的能耗;极大地缩小了对压缩机能力的需求。

Description

一种液氢及高压氢联合加氢系统及加注方法
技术领域
本发明属于氢能与燃料电池汽车领域,特别涉及一种液氢及高压氢联合加氢系统及加注方法。
背景技术
氢能因具有来源多样、洁净环保、可规模储输等突出优点而被认为是最具应用前景的二次能源之一。氢能燃料电池汽车是氢能的重要应用终端之一。世界许多汽车巨头在2015年前后纷纷推出了量产化的氢能燃料电池汽车。目前,氢能燃料电池汽车普遍采用车载复合材料储氢气瓶进行氢气的储存(气瓶的设计压力可达到70MPa),为了给车载复合材料储氢气瓶进行氢气的充装补给,需要大力开展加氢站的研究和建设。
现有加氢站大多采用高压氢的储存和加氢方式,这类加氢站在运行过程中有两大方面的能量消耗,一个是将输送至加氢站的低压氢气(一般为25MPa)进行增加加注过程中消耗的能量,另一个是加注前对氢气进行预冷所消耗的能量,之所以进行预冷是由于车载复合材料储氢气瓶对高温非常敏感,氢气在压缩加注过程中会产生很大温升,为了保障气瓶的安全,相关规范标准规定加注过程中的最高温度不得高于85℃。上述两个方面的能量消耗极大地增加了加氢的成本,而且对应需要大量大功率气动增压泵、预冷器等固定投资,增加了加氢站的建设成本,严重制约了氢能的产业化发展。
液氢虽然在制取时比高压氢的成本要高,但是液氢输送方便且成本低。然而液氢在加氢站中使用时还要对其进行加热气化并加温后才能正常加注,该过程中能量消耗同样很大。相关研究表明,如果不考虑最后加热气化的成本,液氢制取而后输送至加氢站的成本与高压氢运输、增压、预冷等的成本相比具有一定的竞争力。但是液氢或是高压氢单独使用时,其加注及基础设备建设成本均超出了目前产业化过程中市场所能接受的程度,并成为制约氢能及燃料电池汽车发展的关键因素之一。
发明内容
本发明要解决的技术问题是,克服现有技术中的不足,提出一种液氢及高压氢联合加氢系统及加注方法。
为解决技术问题,本发明的解决方案是:
提供一种液氢及高压氢联合加氢系统,包括液氢绝热储罐和气态氢储罐,还包括两个并联运行的气态氢换热器,内置在气态氢换热器中的换热盘管相互串接;气态氢储罐的出口通过管路依次连接第一气动增压泵、两个气态氢换热器的换热盘管和常温氢气输入管路,常温氢气输入管路由顶部插入液氢绝热储罐内部且其末端接近罐底;液氢绝热储罐的顶部通过氢气输出管路经两个进气阀门分别接至并联运行的气态氢换热器,两个气态氢换热器的出口管路上各设有出气阀门,并通过管路经第二气动增压泵接至车载储氢系统;所述第一气动增压泵、第二气动增压泵和两个气态氢换热器的进气阀门分别通过信号线接至计算机。
本发明中,在气态氢储罐出口的管路上设控制阀,该控制阀通过信号线接至计算机。
本发明中,在常温氢气输入管路上设有安全泄压装置和单向阀。
本发明中,液氢绝热储罐和气态氢换热器的外侧均设有双层的保温绝热结构。
本发明中,在气态氢储罐、液氢绝热储罐、气态氢换热器和车载储氢系统中设有温度压力感应探头,各探头分别通过信号线接至计算机。
本发明进一步提供了利用前述系统对车载储氢系统进行氢气加注的方法,包括以下步骤:
(1)启动第一气动增压泵,将气态氢储罐内的氢气持续通过常温氢气输入管路送入通入液氢绝热储罐内,与罐内的液氢进行换热使常温氢气降温;然后打开两个进气阀门,将液氢绝热储罐内的气态氢气通过氢气输出管路送至两个气态氢换热器,与来自气态氢储罐内的常温氢气进行换热;
(2)当液氢绝热储罐内的压力与两个气态氢换热器内的压力达到平衡后,关闭进气阀门;
(3)先使用一个气态氢换热器为车载储氢系统加注氢气,当其压力与车载储氢系统中的压力相等时,关闭相应出气阀门;接着使用另一个气态氢换热器继续加注氢气,直到车载储氢系统的压力达到目标充氢压力;如果两者压力相等时车载储氢系统还未达到目标充氢压力,则启动第二气动增压泵进行增压,直至车载储氢系统中的压力达到目标值。
本发明中,在以气态氢换热器为车载储氢系统加注氢气时,对于另一个处于非加注状态的气态氢换热器,如其压力低于液氢绝热储罐中压力为5~10MPa范围内的某个预设值时,打开对应的进气阀门为该气态氢换热器进行氢气充装,直至两者的压力相等。
本发明中,在液氢绝热储罐中,常温氢气输入管路的末端始终位于液氢液位以下,氢气输出管路的入口端始终位于液氢液位以上。
本发明中,安全泄压装置的动作压力与液氢绝热储罐和气态氢储罐的设计压力,以及第一气动增压泵的最高输出压力相同;第二气动增压泵的最高输出压力与车载储氢系统的设计压力相同,大于液氢绝热储罐的设计压力;两个气态氢换热器具有相同的内容积和设计压力,且其设计压力大于车载储氢系统的设计压力。
与现有技术相比,本发明的有效益处在于:
1、本发明针对现有单独使用液氢或者高压氢的加氢站建设及运行成本过高的问题,提出液氢及高压氢联合的技术方案,一方面利用高压氢给液氢加热,使液氢气化并升温,省去了液氢加热装置的建设费用和加热过程的能耗,另一方面利用液氢的冷量给高压氢预冷,省去了高压氢预冷装置以及预冷的能耗;
2、由于液氢气化后产生的气体与高压氢气混合后形成的低温高压氢气在后续输送过程中温度逐渐升高,随之压力也逐渐升高,由此便极大地缩小了对压缩机能力的需求,相应的设备投入和压缩能耗也大幅降低。
附图说明
图1为本发明的总体系统示意图。
图中:安全泄压装置1、单向阀2、进气阀门3、进气阀门4、气态氢换热器5、换热盘管6、出气阀门7、出气阀门8、第二气动增压泵9、车载储氢系统10、气态氢储罐11、气态氢换热器12、第一气动增压泵13、换热盘管14、计算机15、氢气输出管路16、常温氢气输入管路17、液氢18、绝热液氢储罐19。
具体实施方式
本实施例中的液氢及高压氢联合加氢系统,如图1所示。
液氢及高压氢联合加氢系统,包括液氢绝热储罐19和气态氢储罐11,以及两个并联运行的气态氢换热器5、12,分别内置在气态氢换热器5、12中的换热盘管6、14相互串接;液氢绝热储罐19和气态氢换热器5、12的外侧均设有双层的保温绝热结构。气态氢储罐11的出口通过管路依次连接第一气动增压泵13、换热盘管6、14和常温氢气输入管路17,常温氢气输入管路17由顶部插入液氢绝热储罐19内部且其末端接近罐底;在常温氢气输入管路17上设有安全泄压装置1和单向阀2。液氢绝热储罐19的顶部通过氢气输出管路16经两个进气阀门3、4分别接至并联运行的气态氢换热器12、5,气态氢换热器12、5的出口管路上分别设出气阀门8、7,并通过管路经第二气动增压泵9接至车载储氢系统10;第一气动增压泵13、第二气动增压泵9和进气阀门3、4分别通过信号线接至计算机15。在气态氢储罐11出口的管路上设控制阀,该控制阀也通过信号线接至计算机15。在气态氢储罐11、液氢绝热储罐19、气态氢换热器5、12和车载储氢系统10中设有温度压力感应探头,各探头分别通过信号线接至计算机15。
利用所述液氢及高压氢联合加氢系统对车载储氢系统进行氢气加注的方法,包括以下步骤:
(1)启动第一气动增压泵13,将气态氢储罐11内的氢气持续通过常温氢气输入管路17送入通入液氢绝热储罐19内,与罐内的液氢进行换热使常温氢气降温;然后打开两个进气阀门3、4,将液氢绝热储罐19内的气态氢气通过氢气输出管路16送至两个气态氢换热器12、5,与来自气态氢储罐内11的常温氢气进行换热;在液氢绝热储罐19中,常温氢气输入管路17的末端始终位于液氢液位以下,氢气输出管路16的入口端始终位于液氢液位以上。
(2)当液氢绝热储罐19内的压力与两个气态氢换热器5、12内的压力达到平衡后,关闭进气阀门4、3;
(3)先使用气态氢换热器5为车载储氢系统10加注氢气,当其压力与车载储氢系统10中的压力相等时,关闭相应出气阀门7;接着使用另一个气态氢换热器12继续加注氢气,直到车载储氢系统10的压力达到目标充氢压力;如果两者压力相等时车载储氢系统10还未达到目标充氢压力,则启动第二气动增压泵9进行增压,直至车载储氢系统10中的压力达到目标值。
在以气态氢换热器12为车载储氢系统10加注氢气时,对处于非加注状态的气态氢换热器5,如其压力低于液氢绝热储罐19中压力为5~10MPa范围内的某个预设值时,可以打开对应的进气阀门4为气态氢换热器5进行氢气充装,直至两者的压力相等。
在系统设备设计选型时,可按下述要求进行:安全泄压装置1的动作压力与液氢绝热储罐19和气态氢储罐11的设计压力,以及第一气动增压泵13的最高输出压力相同(可选范围为20~35MPa);第二气动增压泵9的最高输出压力与车载储氢系统10的设计压力相同(可选范围为60~90MPa),且大于液氢绝热储罐19的设计压力;两个气态氢换热器5、12具有相同的内容积和设计压力(可选范围为90~100MPa),且其设计压力大于车载储氢系统10的设计压力。本发明的计算机15中内置控制系统,用于接收、记录信号,处理数据和根据操作设定要求发出控制指令。控制系统的具体实现方式属现有技术,可由操作人员根据需要进行选择,本发明对其内容不再赘述。
在实际操作中,液氢绝热储罐19的运行压力可选范围为2~35MPa,气态氢储罐11的运行压力可选范围为2~35MPa,第一气动增压泵13的输出压力可选范围为2~35MPa;第二气动增压泵9的输出压力可选范围为35~90MPa,两个气态氢换热器5、12的运行压力可选范围为10~100MPa,车载储氢系统10完成充注时的压力可选范围为60~90MPa。常温氢气输入管路17内的氢气温度可选范围为-20~40℃,液氢绝热储罐19至气态氢换热器5、12之间的氢气输出管路16中的氢气温度可选范围为-253~-150℃。液氢绝热储罐内的液氢的温度为-253℃,经换热产生的气态氢气温度范围为-100~-40℃。
以上所述,仅是本发明的一个实施案例而已,并非对本发明做任何形式上的限制,虽然本发明已以较佳实施案例揭示如上,然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员,在不脱离本发明技术方案范围内,当可利用上述揭示的结构及技术内容做出某些更动或修改而成为等同变化的等效实施案例。
凡是未脱离本发明技术方案的内容,依据本发明的技术实质对以上实施案例所作的任何简单修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明技术方案范围内。

Claims (9)

1.一种液氢及高压氢联合加氢系统,包括液氢绝热储罐和气态氢储罐,其特征在于,还包括两个并联运行的气态氢换热器,内置在气态氢换热器中的换热盘管相互串接;气态氢储罐的出口通过管路依次连接第一气动增压泵、两个气态氢换热器的换热盘管和常温氢气输入管路,常温氢气输入管路由顶部插入液氢绝热储罐内部且其末端接近罐底;液氢绝热储罐的顶部通过氢气输出管路经两个进气阀门分别接至并联运行的气态氢换热器,两个气态氢换热器的出口管路上各设有出气阀门,并通过管路经第二气动增压泵接至车载储氢系统;所述第一气动增压泵、第二气动增压泵和两个气态氢换热器的进气阀门分别通过信号线接至计算机。
2.根据权利要求1所述的系统,其特征在于,在气态氢储罐出口的管路上设控制阀,该控制阀通过信号线接至计算机。
3.根据权利要求1所述的系统,其特征在于,在常温氢气输入管路上设有安全泄压装置和单向阀。
4.根据权利要求1所述的系统,其特征在于,液氢绝热储罐和气态氢换热器的外侧均设有双层的保温绝热结构。
5.根据权利要求1所述的系统,其特征在于,在气态氢储罐、液氢绝热储罐、气态氢换热器和车载储氢系统中设有温度压力感应探头,各探头分别通过信号线接至计算机。
6.利用权利要求1所述系统对车载储氢系统进行氢气加注的方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)启动第一气动增压泵,将气态氢储罐内的氢气持续通过常温氢气输入管路送入通入液氢绝热储罐内,与罐内的液氢进行换热使常温氢气降温;然后打开两个进气阀门,将液氢绝热储罐内的气态氢气通过氢气输出管路送至两个气态氢换热器,与来自气态氢储罐内的常温氢气进行换热;
(2)当液氢绝热储罐内的压力与两个气态氢换热器内的压力达到平衡后,关闭进气阀门;
(3)先使用一个气态氢换热器为车载储氢系统加注氢气,当其压力与车载储氢系统中的压力相等时,关闭相应出气阀门;接着使用另一个气态氢换热器继续加注氢气,直到车载储氢系统的压力达到目标充氢压力;如果两者压力相等时车载储氢系统还未达到目标充氢压力,则启动第二气动增压泵进行增压,直至车载储氢系统中的压力达到目标值。
7.根据权利要求6所述的方法,其特征在于,在以气态氢换热器为车载储氢系统加注氢气时,对于另一个处于非加注状态的气态氢换热器,如其压力低于液氢绝热储罐中压力为5~10MPa范围内的某个预设值时,打开对应的进气阀门为该气态氢换热器进行氢气充装,直至两者的压力相等。
8.根据权利要求6所述的方法,其特征在于,在液氢绝热储罐中,常温氢气输入管路的末端始终位于液氢液位以下,氢气输出管路的入口端始终位于液氢液位以上。
9.根据权利要求6所述的方法,其特征在于,安全泄压装置的动作压力与液氢绝热储罐和气态氢储罐的设计压力,以及第一气动增压泵的最高输出压力相同;第二气动增压泵的最高输出压力与车载储氢系统的设计压力相同,且大于液氢绝热储罐的设计压力;两个气态氢换热器具有相同的内容积和设计压力,且其设计压力大于车载储氢系统的设计压力。
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