CN109470431A - 一种高压储氢气瓶的充放气循环试验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高压储氢气瓶的充放气循环试验系统，包括氢气源(1)、压缩装置(2)、高压氢储存装置(3)、输送回路(4)；氢气流量调节装置(5)、氢气温度调节装置(6)、环境温湿度调节装置(7)、氢气回收装置(9)、放空装置(10)、测量控制单元(11)；可完成B类气瓶使用性能试验中以氢气为介质的常温和极端温度下氢气压力疲劳试验、和极端温度下气压渗透/泄漏试验需求的试验装置系统。本发明设计合理、可操作性强、使用效果好，能进行平稳充放气过程，可完成高压储氢气瓶部分使用性能试验。
Description
技术领域
本发明涉及高压储氢气瓶型式试验技术领域，特别是涉及一种70MPa高压储氢气瓶的常温和极端温度下氢气压力疲劳试验和极端温度下气压渗透/泄漏试验，是一种可在氢气介质下进行的充放气循环试验装置。可用于车用压缩氢气铝内胆碳纤维全缠绕气瓶。
背景技术
《GTR13：Global technical regulation on hydrogen for fuel cellvehicles》(全球氢燃料电池汽车技术法规)是全球氢燃料电池汽车各部分性能考核的准则，各签约国必须在国内进行推广。全国气瓶标准化技术委员会在总结国内“车用压缩氢气铝内胆碳纤维全缠绕气瓶”(以下简称气瓶)设计、制造、使用经验和研究成果的基础上，结合欧洲、美国、日本等国家和地区的高压氢气瓶相关标准，提出了中国的《车用压缩氢气铝内胆碳纤维全缠绕气瓶》标准(送审稿)，具体内容见附件。该标准规定了气瓶的型式和参数、技术要求、试验方法、检验规则、标志、包装、运输和储存等要求，是该类型气瓶设计、制造、检验以及使用的依据。
标准中对气瓶和内胆“出厂检验”和“型式试验”的试验项目、试验方法和合格标准进行了明确说明。其中，常温和极端温度下氢气压力疲劳试验和极端温度下气压渗透/泄漏试验作为衡量气瓶使用性能的关键指标，是气瓶型式试验中的两项重要安全性能检测项目。
常温和极端温度下氢气压力疲劳试验和极端温度下气压渗透/泄漏试验均是模拟气瓶在不同条件下充装后的性能检测，主要原理是通过不同温度、湿度、充装压力及循环次数下，验证气瓶的气密性，从而保障气瓶的服役寿命。
目前，我国普遍其缺点为氢气压力无法平稳达到70MPa，本发明为一套70MPa车载储氢气瓶充放气循环试验系统装置，通过阶梯增压方式可使气瓶在规定的温度湿度下快速达到充装压力，更为平稳的启动充放气循环过程。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种高压储氢气瓶的充放气循环试验装置。
本发明的技术解决方案是：一种高压储氢气瓶的充放气循环试验系统，包括氢气源、压缩装置、高压氢储存装置、输送回路；氢气流量调节装置、氢气温度调节装置、环境温湿度调节装置、氢气回收装置、放空装置、测量控制单元；
所述的高压氢储存装置中包括42MPa氢气存储装置和95MPa氢气存储装置；充放气循环试验过程通过测量控制单元控制；气瓶放置在环境温湿度调节装置中；
氢气源产生的氢气经氢气回收装置后进入压缩装置，经压缩装置压缩后输出42MPa的氢气至高压氢储存装置，待42MPa氢气存储装置储满后，压缩装置压缩氢气输出95MPa氢气至高压氢储存装置，直至95MPa氢气存储装置储满；
根据预设的充气试验工况，高压氢储存装置中的氢气通过输送回路进入氢气流量调节装置，由氢气流量调节装置对输入的氢气的流出速率进行调节，调节后的氢气进入氢气温度调节装置调整温度，之后进入气瓶，完成充气；
放气时，若氢气不回收，则气瓶内的氢气通过氢气温度调节装置进入放空装置，由放空装置将氢气放入大气中；若需要回收氢气，通过回收管路将气瓶中的氢气经低压缓冲罐进行缓冲，之后存入氢气回收装置。
进一步的，所述的高压为35-90MPa。
进一步的，还包括气瓶检漏装置，气瓶检漏装置包括检漏水箱、皂膜流量计以及氢气收集计量装置；
将气瓶淹没在达到预设温度的检漏水箱中，检漏水箱为密封结构；向气瓶进行充气，待气瓶内压力达到工作压力后，保压；皂膜流量计与检漏水箱顶部的管路连接，泄露的氢气通过管路进入皂膜流量计，得到每个时刻的氢气损失流量；皂膜流量计通过管路与氢气收集计量装置连接，通过氢气收集计量装置计量一段时间的平均流量，计量完成后氢气收集计量装置通过放空装置10放空。
进一步的，所述的高压氢储存装置中包括多台42MPa氢气存储装置和95MPa氢气存储装置，多台氢气存储装置通过管路串联，通过先输出42MPa氢气存储装置中的氢气，并通过与95MPa氢气存储装置接力充气，以实现不同工况下的充气试验。
进一步的，95MPa氢气存储装置采用工作压力为95MPa的卧式多层包扎容器。
进一步的，42MPa氢气存储装置采用工作压力为32MPa的球罐。
进一步的，所述的压缩装置采用2台隔膜式压缩机、多台中压压机及管路组成，通过2台隔膜式压缩机、多台中压压机配合，将输入的低压氢气进行压缩，输出32MPa和95MPa两种气压下的氢气。
进一步的，所述的环境温湿度调节装置包括液氮喷淋制冷装置和电加热器、加湿器，通过液氮喷淋制冷装置进行液氮喷淋制冷，通过电加热器加热、来达到预设的温度工况，温度调节精度±5℃；通过加湿器保证在50℃时相对湿度至少能够达到95％。
进一步的，氢气流量调节装置调节氢气流速满足进入气瓶的氢气速度不超过60g/s，并且在3-5分钟充气完成。
进一步的，氢气流量调节装置采用孔板式调节或者通过调节阀进行调节。
本发明与现有技术相比有益效果为：
可完成气瓶型式要求中充放气类试验的35-90MPa储氢气瓶充放气循环试验装置，具备高压氢气源供应能力、氢气回收压缩储存输送能力、试验环境温湿度调节能力、氢气高低温调节能力、充放气速率控制能力、气瓶泄漏率检测能力、数据采集处理能力、试验安全防护能力。本装置可完成B类气瓶(35MPa＜NWP≤70MPa)使用性能试验中以氢气为介质的常温和极端温度下氢气压力疲劳试验、和极端温度下气压渗透/泄漏试验需求的试验装置系统。本发明设计合理、可操作性强、使用效果好，能进行平稳充放气过程。
附图说明
图1为本发明系统示意图；
图2为本发明试验环境温湿度调节装置示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实例对本发明作详细说明。
如图1所示，一种高压储氢气瓶的充放气循环试验系统，包括氢气源1、压缩装置2、高压氢储存装置3、输送回路4；氢气流量调节装置5、氢气温度调节装置6、环境温湿度调节装置7、氢气回收装置9、放空装置10、测量控制单元11；充放气循环试验过程通过测量控制单元11控制输送或者回收回路上的各个阀门实现；气瓶放置在环境温湿度调节装置7中。
氢气源1由电解制氢或甲醇制氢得到，存储4m3/22MPa的氢气储罐中，并使用氢供应管道经氢气回收装置9与压缩装置2连接。
压缩装置利用2台隔膜式压缩机、多台中压压机及管路，将输入的氢气压缩成95MPa和32MPa两种气压的氢气并输出。输入的氢气可以为氢气回收装置9中回收的氢气。
高压氢储存装置3由2台1m3、工作压力为95MPa的卧式多层包扎容器和2台1.4m3、工作压力为32MPa的球罐组成，4者之间通过管路串联。压缩装置2压缩后输出的氢气首先输出至42MPa的氢气至高压氢储存装置3，待42MPa氢气存储装置储满后，压缩装置2压缩氢气输出95MPa氢气至高压氢储存装置3，直至95MPa氢气存储装置储满；这样通过42MPa、95MPa两种气压的存储装置接力充气，能够实现不同工况下的充气试验，例如可对100L/70MPa气瓶，连续完成5次87.5MPa工况充气。
所述环境温湿度调节装置如图2所示，设有液氮喷淋制冷装置和电加热器、加湿器；冷工况采用液氮喷淋制冷，热工况采用电加热器加热的方式，可完成气压疲劳试验环境温度：-40℃、20℃和50℃三种工况的要求，温度调节精度±5℃；在50℃时相对湿度至少能够达到95％；装置内部各壁面之间以及装置平开门与结构主体之间已进行密封处理，压力大于0.1MPaG，结构承重150kg；该装置设置用电设备防爆等级为ExiaⅡCT4；持续工作时间不低于30小时。
充气过程：
根据预设的充气试验工况，先由42MPa球罐向气瓶充气，通过输送回路4进入氢气流量调节装置5，由氢气流量调节装置5对输入的氢气的流出速率进行调节，调节后的氢气进入氢气温度调节装置6调整温度，直至在出口温度达到要求温度后之后进入气瓶，若此时压力满足要求，则完成充气，若压力低于预设的工况压力，则待压力达到平衡后(高压氢储存装置3与气瓶的压差小于1.5MPa)，再由95MPa存储装置为气瓶充气；气瓶达到试验压力后，关闭充气路打开的各个气控阀门，待气瓶稳定后，准备开启放气过程。
放气时，若氢气不回收，则气瓶内的氢气通过氢气温度调节装置6进入放空装置10，由放空装置将氢气放入大气中；若需要回收氢气，通过回收管路将气瓶中的氢气经低压缓冲罐进行缓冲，之后存入氢气回收装置9。
本发明装置通过增加一个气瓶检漏装置8，能够实现极端温度下气压渗透/泄漏试验。气瓶检漏装置8包括检漏水箱、皂膜流量计以及氢气收集计量装置；
将气瓶淹没在达到预设温度的检漏水箱中，检漏水箱为密封结构；向气瓶进行充气，待气瓶内压力达到工作压力后，保压(不少于30h)；皂膜流量计与检漏水箱顶部的管路连接，泄露的氢气通过管路进入皂膜流量计，得到每个时刻的氢气损失流量；皂膜流量计通过管路与氢气收集计量装置连接，通过氢气收集计量装置计量一段时间的平均流量，计量完成后氢气收集计量装置通过放空装置10放空。
上述充放气过程工艺步骤都能够通过测量控制单元11实现自动检测、判断和控制，实现充气过程一键操作、放气过程一键操作。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。
Claims (10)
1.一种高压储氢气瓶的充放气循环试验系统，其特征在于：包括氢气源(1)、压缩装置(2)、高压氢储存装置(3)、输送回路(4)；氢气流量调节装置(5)、氢气温度调节装置(6)、环境温湿度调节装置(7)、氢气回收装置(9)、放空装置(10)、测量控制单元(11)；
所述的高压氢储存装置(3)中包括42MPa氢气存储装置和95MPa氢气存储装置；充放气循环试验过程通过测量控制单元(11)控制；气瓶放置在环境温湿度调节装置(7)中；
氢气源(1)产生的氢气经氢气回收装置(9)后进入压缩装置(2)，经压缩装置(2)压缩后输出42MPa的氢气至高压氢储存装置(3)，待42MPa氢气存储装置储满后，压缩装置(2)压缩氢气输出95MPa氢气至高压氢储存装置(3)，直至95MPa氢气存储装置储满；
根据预设的充气试验工况，高压氢储存装置(3)中的氢气通过输送回路(4)进入氢气流量调节装置(5)，由氢气流量调节装置(5)对输入的氢气的流出速率进行调节，调节后的氢气进入氢气温度调节装置(6)调整温度，之后进入气瓶，完成充气；
放气时，若氢气不回收，则气瓶内的氢气通过氢气温度调节装置(6)进入放空装置(10)，由放空装置将氢气放入大气中；若需要回收氢气，通过回收管路将气瓶中的氢气经低压缓冲罐进行缓冲，之后存入氢气回收装置(9)。
2.根据权利要求1所述的系统。其特征在于：所述的高压为35-90MPa。
3.根据权利要求1所述的系统。其特征在于：还包括气瓶检漏装置(8)，气瓶检漏装置(8)包括检漏水箱、皂膜流量计以及氢气收集计量装置；
将气瓶淹没在达到预设温度的检漏水箱中，检漏水箱为密封结构；向气瓶进行充气，待气瓶内压力达到工作压力后，保压；皂膜流量计与检漏水箱顶部的管路连接，泄露的氢气通过管路进入皂膜流量计，得到每个时刻的氢气损失流量；皂膜流量计通过管路与氢气收集计量装置连接，通过氢气收集计量装置计量一段时间的平均流量，计量完成后氢气收集计量装置通过放空装置(10)放空。
4.根据权利要求1所述的系统。其特征在于：所述的高压氢储存装置(3)中包括多台42MPa氢气存储装置和95MPa氢气存储装置，多台氢气存储装置通过管路串联，通过先输出42MPa氢气存储装置中的氢气，并通过与95MPa氢气存储装置接力充气，以实现不同工况下的充气试验。
5.根据权利要求1或4所述的系统。其特征在于：95MPa氢气存储装置采用工作压力为95MPa的卧式多层包扎容器。
6.根据权利要求1或4所述的系统。其特征在于：42MPa氢气存储装置采用工作压力为32MPa的球罐。
7.根据权利要求1所述的系统。其特征在于：所述的压缩装置(2)采用2台隔膜式压缩机、多台中压压机及管路组成，通过(2)台隔膜式压缩机、多台中压压机配合，将输入的低压氢气进行压缩，输出32MPa和95MPa两种气压下的氢气。
8.根据权利要求1所述的系统。其特征在于：所述的环境温湿度调节装置包括液氮喷淋制冷装置和电加热器、加湿器，通过液氮喷淋制冷装置进行液氮喷淋制冷，通过电加热器加热、来达到预设的温度工况，温度调节精度±5℃；通过加湿器保证在50℃时相对湿度至少能够达到95％。
9.根据权利要求1所述的系统。其特征在于：氢气流量调节装置(5)调节氢气流速满足进入气瓶的氢气速度不超过60g/s，并且在3-5分钟充气完成。
10.根据权利要求1或9所述的系统。其特征在于：氢气流量调节装置(5)采用孔板式调节或者通过调节阀进行调节。
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