CN108730760B - 一种储氢罐充放氢性能检测系统 - Google Patents

一种储氢罐充放氢性能检测系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种储氢罐充放氢性能检测系统，其包括氢源模块(A)、排气模块(B)、测量记录模块(C)和冷热源模块(D)和待测区(E)，氢源模块(A)设有从所述氢源模块(A)至所述待测区(E)方向连接的主管线初始段、主管线中段和主管线末段。本发明提供的储氢罐充放氢性能检测系统可进行恒压力充氢和恒流量充氢检测，提高钢瓶氢气的利用率，同时可稳定氢气源压力在较高水平，检测系统的检测温度范围可拓展至‑40℃～300℃。本发明提供的储氢罐充放氢性能检测系统结构简单，功能多样，测试温度范围宽广，氢源的氢气利用率高。

Description

一种储氢罐充放氢性能检测系统
技术领域
本发明涉及储氢性能测试领域，具体涉及一种储氢罐充放氢性能的检测系统。
背景技术
由于具有清洁、热值高及用途多样等优点，所以人们将氢能视为一种理想的二次能源。然而，氢能的大规模应用需要解决氢气的大规模廉价制取、存储以及利用等关键技术问题，氢能大规模利用的瓶颈是存储问题。按氢的存在形式，储氢方式包括高压气态储氢、低温液态储氢和固态储氢等方式。其中，固态储氢是一种利用储氢材料的氢化/脱氢反应实现氢气储存和释放的储氢方式，具有体积储氢密度大、安全性好等优点，被认为是很有应用前景的储氢方式。对于固态储氢方式来说，一般将储氢材料装填在储氢罐中来使用，储氢材料的氢化过程是放热反应，脱氢过程是吸热反应，因此在充氢或者放氢过程中需要对固态储氢罐冷却或加热，并且固态储氢罐的充放氢速率与换热效率息息相关。
为了使固态储氢罐的充放氢性能得到充分利用，往往需要掌握诸如不同的氢气流量、氢气压力、冷热源温度、冷热源流量等对于储氢罐充放氢性能(例如维持恒流量充放氢的时间、充放氢量等)的影响，因此，使用前须测定和评价储氢罐在各种使用条件下的充放氢性能。因此，开发一套能够测试和评价储氢罐在不同实验或者使用条件下的充放氢性能的测试系统是固态储氢罐的研究和应用的首要前提。
03104674.6号中国专利公开了一种储氢罐使用性能测试装置，该已有技术提供的技术方案，可以测得储氢罐的一些性能，例如充氢量、恒流量放氢时间和放氢量以及充放氢循环次数，其弊端是无法实现恒压力下的充氢性能的检测、恒流量充氢性能的检测，且由于该装置采用水作为传热介质，其能够检测的温度范围也受到限制。
因此，需提供一套能够测试和评价储氢罐在不同实验或者使用条件下的充放氢性能的测试系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种可以在多种检测条件下实现对储氢罐充放氢性能的测试和评估的系统解决了现有技术无法实现恒压力下的充氢性能的检测、恒流量充氢性能的检测，并且检测的温度范围受到限制的问题。
本发明提供的技术方案的首要目的是对-40℃至300℃时恒流量下的储氢罐充放氢性能的检测、恒压力下储氢罐的充氢性能的检测。
本发明的另一个目的是通过配置静态化学氢气压缩储存一体机，将钢瓶组中的低压残余氢气回收增压至检测系统可利用的水平，提高钢瓶组中氢气的利用率。
达到上述目的的技术方案如下：
一种储氢罐充放氢性能检测系统，所述的储氢罐充放氢性能检测系统包括氢源模块(A)、排气模块(B)、测量记录模块(C)、冷热源模块(D)和待测区(E)，其特征在于，所述氢源模块(A)设有从所述氢源模块(A)至所述待测区(E)方向的主管路初始段、主管路中段和主管路末段；
所述主管路初始段和主管路中段的连接处的所述初始段一侧设有分别与标准氢气钢瓶组(T1)和氢气压缩储存一体机(T2)并联连接的初始段并联支路；
所述主管路初始段和主管路中段的连接处的所述中段一侧设有同泵(S1)连接的支路和连接减压阀(P2)、控制器(M3)和传感器(P4)后同所述主管路末段连接的支路形成的中段并联支路；
所述主管路末段设有经阀门(V13)、减压阀(P3)、阀门(V14)、控制器(M2)的支路和经阀门(V12)后与所述述待测区(E)进出口连接的支路形成的末端并联支路。
优选的，所述的初始段并联支路包括从标准氢气钢瓶组(T1)至所述主管路初始段末端方向上由所述氢气压缩储存一体机(T2)的并联出口管路分别与初始段末段内侧管路阀门(V2)内外侧连接的支路形成的两子并联支路，所述子并联支路中的内支路与所述标准氢气钢瓶组(T1)间设有阀门(V1)；与所述氢气压缩储存一体机(T2)间设有阀门(V4)；所述子并联支路中的外支路与所述氢气压缩储存一体机(T2)间设有阀门(V5)。
优选的，所述中段并联支路包括：通过阀门(V6)同泵(S1)的进口连接的支路和依次经阀门(V3)、减压阀(P2)、阀门(V10)、控制器(M3)和阀门(V11)段的支路。
优选的，所述主管路中段设有与所述减压阀(P2)、阀门(V10)、控制器(M3)、阀门(V11)和传感器(P4)段的两减压阀间的管路并联的管路，此并联管路的控制器(M1)两端分别有阀门(V8)和(V9)，所述传感器(P4)与所述主管路末段的阀门(V13)连接。
优选的，所述控制器(M1、M2、M3)与PC终端机(M4)通过线路连接，所述传感器(P4)与数据采集器(M5)通过线路连接，所述数据采集器(M5)与PC终端机(M4)通过线路连接。
优选的，所述的冷热源模块(D)包括与待测储氢罐(T3)连接的循环恒温机(H1)和循环冷却机(L1)。
优选的，所述氢气压缩储存一体机(T2)上设置有压力表(P1)。
优选的，所述的氢气压缩储存一体机(T2)是一种基于金属氢化物的静态化学氢气压缩储存一体机，所述的金属氢化物为稀土系、钛系储氢合金中的一种或者多种，所述的静态化学氢气压缩储存一体机用热水加热实现氢气的释放、增压保压和储存。
优选的，所述的氢气压缩储存一体机(T2)将氢气从低于1MPa增压至高于15MPa，储存容量为0.5～500Nm3。
优选的，所述的泵(S1)为机械真空泵，用于更换标准氢气钢瓶组(T1)或者更换待测储氢罐(T3)时对气体管路抽真空，排出杂质气体。
优选的，所述的控制器(M1)用于在充氢时控制氢气的质量流量恒定；所述控制器(M2)用于放氢时控制氢气流量恒定；所述控制器(M3)用于在充氢时控制氢气压力恒定；所述数据采集器(M5)用于将模拟信号转换成数字信号；所述PC终端机(M4)用于控制器(M1)、控制器(M2)、控制器(M3)和数据采集器(M5)数据的记录、存储和分析。
优选的，所述的减压阀(P2、P3)用于调整氢气压力至控制器(M1、M2)或控制器(M3)的耐压范围之内，压力传感器(P4)用于测量待测储氢罐(T3)的氢气压力值。
优选的，所述的循环恒温机(H1)用于给待测储氢罐(T3)放氢时进行加热，工作温度范围为室温～300℃，流量为0～120L/min，传热介质为水或者导热油。
优选的，所述的循环冷却机(L1)用于给待测储氢罐(T3)充氢时进行冷却，工作温度范围为-40℃～室温，流量为0～120L/min，冷却介质为水或者防冻液。
优选的，所述的储氢罐充放氢性能测试系统的气体管路及支路均采用不锈钢管。
与最接近的现有技术比，本发明提供的技术方案具有以下优异效果：
本发明提供的技术方案中，所述氢源模块(A)设有从所述氢源模块(A)至所述待测区(E)方向连接的主管线初始段、主管线中段和主管线末段，即可实现在恒流量条件下对储氢罐的充氢性能的测定，恒压力条件下对储氢罐的充氢性能的测定，恒流量条件下对储氢罐的放氢性能的测定；
本发明提供的技术方案中，循环恒温机(H1)传热介质为水或者导热油，循环冷却机(L1)冷却介质为水或者防冻液，克服了现有技术采用水作为传热介质，其能够检测的温度范围也受到限制的弊端，本发明可检测的工作温度范围在-40℃至300℃之间，检测温度范围广。
本发明提供的技术方案，氢源模块(A)中标准氢气钢瓶组(T1)和氢气压缩储存一体机(T2)并联设置：实现了增压保压的同时还可大大提高氢气钢瓶组(T1)的氢气利用率。
附图说明
图1为本发明的一种储氢罐充放氢性能检测系统实施例的系统结构示意图；
图2为利用本发明的储氢罐充放氢性能检测系统对一待测储氢罐进行检测所得到的放氢曲线。
图号说明：
T1：标准氢气钢瓶组
T2：氢气压缩储存一体机
T3：待测储氢罐
V1～V14：球阀
P1：压力表
P2、P3：减压阀
P4：压力传感器
S1：机械真空泵
L1：循环冷却机
H1：循环恒温机
M1：充氢用氢气质量流量控制器
M2：放氢用氢气质量流量控制器
M3：充氢用氢气压力控制器
M4：PC终端机
M5：数据采集器
A：氢源模块
B：排气模块
C：测量记录模块
D：冷热源模块
E：待测区
具体实施方式
图1为一种优选的储氢罐充放氢性能测试系统结构示意图。
包括氢源模块(A)、排气模块(B)、测量记录模块(C)和冷热源模块(D)，排气模块(B)设有与所述氢源模块(A)的出口管路连接、与测量记录模块(C)的入口管路连接和与待测区(E)的管路连接的三并联支路，冷热源模块(D)设有与待测区(E)并联的管路；
氢源模块(A)包括两支路并联设置的氢气压缩储存一体机(T2)和标准氢气钢瓶组(T1)；与排气模块(B)相连的出口管路上串联设置有两个球阀，并联设置的两支路分别与串联设置的两个球阀中距标准氢气钢瓶组(T1)的出口远端的一个球阀内侧外侧的管路连接，此出口管路与排气模块(B)的入口管路连接；
排气模块(B)的入口管路上设有一个球阀，该球阀内外侧的入口管路分别与出口管路设有球阀的待测区(E)的出口管路连接和进口侧设有球阀的记录模块(C)的管路连接；
待测区(E)的出口管路设有两个球阀，该两球阀内侧的管路从待测区(E)的出口至所述排气模块(B)的入口方向上依次设有压力传感器(P4)，充氢用氢气质量流量控制器(M1)以及减压阀(P2)；充氢用氢气压力控制器(M3)与充氢用氢气质量流量控制器(M1)并联设置。该两球阀外侧的管路分别与所述氢源模块(A)的出口管路连接和与待测区(E)的出口管路连接；两控制器的两端均设置有球阀。
待测区(E)出口的球阀与压力传感器(P4)间的连接管路与另一管路并联连接，该管路上依次设有球阀、减压阀(P3)、球阀和放氢用氢气质量流量控制器(M2)；
充氢用氢气质量流量控制器(M1)、放氢用氢气质量流量控制器(M2)、充氢用氢气压力控制器(M3)、数据采集器(M5)与PC终端机(M4)通过线路连接以记录各项数据；
充氢用氢气质量流量控制器(M1)用于充氢时控制氢气的质量流量恒定，放氢用氢气质量流量控制器(M2)用于放氢时控制氢气流量恒定，充氢用氢气压力控制器(M3)用于充氢时控制氢气压力恒定。减压阀(P2、P3)用于粗略调整氢气压力至氢气质量流量控制器(M1、M2)和氢气压力控制器(M3)的耐压范围之内。压力传感器(P4)用于测量待测储氢罐(T3)的氢气压力值。数据采集器(M5)用于将压力传感器(P4)的模拟信号转换成数字信号同时输送到PC终端机(M4)。循环冷却机(L1)用于给待测储氢罐(T3)充氢时进行冷却，循环恒温机(H1)用于给待测储氢罐(T3)放氢时进行加热。
标准氢气钢瓶组(T1)用来提供氢源。如果标准氢气钢瓶组(T1)的氢气量充足且压力足够，则直接用标准钢瓶组(T1)的氢源为待测储氢罐(T3)充氢；如果标准钢瓶组(T1)的氢气量足够但压力不足，则采用静态化学氢气压缩储存一体机(T2)进行升压后再给待测储氢罐(T3)充氢。静态化学氢气压缩储存一体机(T2)可将氢气钢瓶组(T1)中的低压氢气增压至较高压力，同时起到储存氢气和稳定氢压的作用。静态化学氢气压缩储存一体机(T2)除了对氢气进行增压和稳压外，还提高了氢气钢瓶组(T1)的氢气利用率。
实施例1：
利用静态化学氢气压缩储存一体机T2进行升压：
在室温下，打开阀门V1和V4，关闭阀门V2和V5，使氢气钢瓶组T1中的低压氢气充入静态化学氢气压缩储存一体机T2中，待压力表P1的示数稳定后，关闭阀门V1和V4，并保持阀门V5关闭，加热静态化学氢气压缩储存一体机T2，由于金属氢化物的氢气平台压随温度升高而升高，因此加热后，静态化学氢气压缩储存一体机T2中的氢压会缓慢上升，增压等级与水温、氢含量以及储氢材料有关。
实施例2：
利用机械真空泵S1对氢气管路进行排气操作：
当更换了氢气钢瓶T1时，则关闭阀门V4、V5、V3和V7，打开阀门V1、V2和V6，同时打开机械真空泵S1以排除气路中的杂气；当更换了待测储氢罐T3时，则关闭阀门V11、V9、V13和V6，打开阀门V7和V12，同时打开机械真空泵S1以排除气路中的杂气。
实施例3：
对一待测储氢罐T3的充放氢性能进行测试：
该待测储氢罐T3的额定储氢容量为5Nm3，额定充氢压力为4MPa，采用外换热方式进行热交换。
1、测试准备。
将待测储氢罐T3连接至测试系统，关闭阀门V11、V9、V13和V6，打开阀门V12和V7，同时打开机械真空泵S1对气路抽真空，排出杂质气体，排气完成后，关闭各个阀门和机械真空泵S1。
将装满氢气的钢瓶T1连接至测试系统，关闭阀门V4、V5、V3和V7，打开阀门V1、V2和V6，同时打开机械真空泵S1对气路抽真空，排出杂质气体，排气完成后，关闭各个阀门和机械真空泵S1。
2、充氢操作。
打开循环冷却机L1，设定冷却液温度为10℃，并将待测储氢罐T3的循环液接口与循环冷却机L1相连，并以20L/min的流速进行冷却液循环；
打开钢瓶T1主阀、待测储氢罐T3阀门以及阀门V1、V2、V10和V11，关闭其他阀门；
调节减压阀P2的压力至5MPa，设定氢气压力控制器M3的压力为4MPa；
打开阀门V12，开始充氢，待压力传感器P4的压力值不再变化时(稳定30min)，停止充氢，关闭所有阀门。
3、放氢操作。
打开循环恒温机H1，设定恒温介质的温度为65℃，并将待测储氢罐T3的循环液接口与循环恒温机H1相连，并以20L/min的流速进行恒温液循环。
打开阀门V12和V13，关闭其他所有阀门。
调节减压阀P3的压力至1MPa以下。设定氢气质量流量控制器M2的流量值为46SL/min，打开阀门V14开始放氢测试，同时记录试验数据(压力传感器P4的压力值、氢气质量流量控制器M2的瞬时流量值和累积流量值)。待流量降至6SL/min时停止测试。关闭所有阀门。
测得的放氢曲线如图2所示。
从图2可以看出，
待测储氢罐T3在46SL/min的氢气流量下维持放氢111min，持续放氢5.115Nm3；
放氢105min时，待测储氢罐T3内压力降至0.3MPa，此时放氢4.826Nm3；
放氢109min时，待测储氢罐T3内压力降至0.2MPa，此时放氢5.019Nm3；
放氢流量降至6SL/min时停止放氢测试，总放氢量为5.959Nm3(约0.536kg H2)。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式之一，但本发明的保护范围并不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内可轻易想到的变化或者替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种储氢罐充放氢性能检测系统，所述的储氢罐充放氢性能检测系统包括氢源模块(A)、排气模块(B)、测量记录模块(C)、冷热源模块(D)和待测区(E)，其特征在于，所述检测系统设有从所述氢源模块(A)至所述待测区(E)方向的主管路初始段、主管路中段和主管路末段；
所述主管路初始段和主管路中段的连接处的所述主管路初始段一侧设有分别与标准氢气钢瓶组(T1)和氢气压缩储存一体机(T2)并联连接的主管路初始段并联支路；
所述主管路初始段和主管路中段的连接处的所述主管路中段一侧设有同泵(S1)连接的支路和连接第一减压阀(P2)、充氢用氢气压力控制器(M3)和压力传感器(P4)后同所述主管路末段连接的支路形成的主管路中段并联支路；
所述主管路末段设有经第十三阀门(V13)、第二减压阀(P3)、第十四阀门(V14)、放氢用氢气质量流量控制器(M2)的支路和经第十二阀门(V12)后与所述待测区(E)进出口连接的支路形成的末端并联支路；
所述主管路中段设有与所述第一减压阀(P2)、第十阀门(V10)、充氢用氢气压力控制器(M3)、第十一阀门(V11)和压力传感器(P4)段的两减压阀间的管路并联的管路，此并联管路的充氢用氢气质量流量控制器(M1)两端分别有第八阀门(V8)和第九阀门(V9)，所述压力传感器(P4)与所述主管路末段的第十三阀门(V13)连接；
所述充氢用氢气质量流量控制器(M1)、放氢用氢气质量流量控制器(M2)和充氢用氢气压力控制器(M3)均与PC终端机(M4)通过线路连接，所述压力传感器(P4)与数据采集器(M5)通过线路连接，所述数据采集器(M5)与PC终端机(M4)通过线路连接；
所述的冷热源模块(D)包括与待测储氢罐(T3)连接的循环恒温机(H1)和循环冷却机(L1)；
所述的充氢用氢气质量流量控制器(M1)用于在充氢时控制氢气的质量流量恒定；所述放氢用氢气质量流量控制器(M2)用于放氢时控制氢气流量恒定；所述充氢用氢气压力控制器(M3)用于在充氢时控制氢气压力恒定；所述数据采集器(M5)用于将模拟信号转换成数字信号；所述PC终端机(M4)用于所述充氢用氢气质量流量控制器(M1)、放氢用氢气质量流量控制器(M2)、充氢用氢气压力控制器(M3)和数据采集器(M5)数据的记录、存储和分析；
所述的第一减压阀(P2)和第二减压阀(P3)用于调整氢气压力至充氢用氢气质量流量控制器(M1)、放氢用氢气质量流量控制器(M2)或充氢用氢气压力控制器(M3)的耐压范围之内，压力传感器(P4)用于测量待测储氢罐(T3)的氢气压力值；
所述的循环恒温机(H1)用于给待测储氢罐(T3)放氢时进行加热，工作温度范围为室温～300℃，流量为0～120L/min，传热介质为水或者导热油。
2.如权利要求1所述的一种储氢罐充放氢性能检测系统，其特征在于，所述主管路初始段并联支路包括从标准氢气钢瓶组(T1)至所述主管路初始段末端方向上由所述氢气压缩储存一体机(T2)的并联出口管路分别与主管路初始段末端内侧管路第二阀门(V2)内外侧连接的支路形成的两子并联支路，所述子并联支路中的内支路与所述标准氢气钢瓶组(T1)间设有第一阀门(V1)；所述子并联支路中的内支路与所述氢气压缩储存一体机(T2)间设有第四阀门(V4)；所述子并联支路中的外支路与所述氢气压缩储存一体机(T2)间设有第五阀门(V5)。
3.如权利要求1所述的一种储氢罐充放氢性能检测系统，其特征在于，所述主管路中段并联支路包括：通过第六阀门(V6)同泵(S1)的进口连接的支路和依次经第三阀门(V3)、第一减压阀(P2)、第十阀门(V10)、充氢用氢气压力控制器(M3)和第十一阀门(V11)段的支路。
4.根据权利要求1所述的一种储氢罐充放氢性能检测系统，其特征在于，所述氢气压缩储存一体机(T2)上设置有压力表(P1)。
5.根据权利要求1所述的一种储氢罐充放氢性能检测系统，其特征在于，所述的氢气压缩储存一体机(T2)是一种基于金属氢化物的静态化学氢气压缩储存一体机，所述的金属氢化物为稀土系、钛系储氢合金中的一种或者多种，所述的静态化学氢气压缩储存一体机用热水加热实现氢气的释放、增压保压和储存。
6.根据权利要求1所述的一种储氢罐充放氢性能检测系统，其特征在于，所述的氢气压缩储存一体机(T2)将氢气从低于1MPa增压至高于15MPa，储存容量为0.5～500Nm3。
7.根据权利要求1所述的一种储氢罐充放氢性能检测系统，其特征在于，所述的泵(S1)为机械真空泵，用于更换标准氢气钢瓶组(T1)或者更换待测储氢罐(T3)时对气体管路抽真空，排出杂质气体。
8.根据权利要求1所述的一种储氢罐充放氢性能检测系统，其特征在于，所述的循环冷却机(L1)用于给待测储氢罐(T3)充氢时进行冷却，工作温度范围为-40℃～室温，流量为0～120L/min，冷却介质为水或者防冻液。
9.根据权利要求1所述的一种储氢罐充放氢性能检测系统，其特征在于，所述的储氢罐充放氢性能测试系统的气体管路及支路均采用不锈钢管。
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