CN111006127B - 一种产业化高压复合金属氢化物储氢系统为氢源的加氢站 - Google Patents

一种产业化高压复合金属氢化物储氢系统为氢源的加氢站 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种产业化高压复合金属氢化物储氢系统为氢源的加氢站，其由集装格、充氢系统、冷却系统组成。所述集装格是由一组高压复合金属氢化物储氢罐组成；所述充氢系统由电磁阀、过滤器、排放球阀、减压阀、安全阀、压力传感器、温度传感器、流量控制器、单向阀等组成。所述冷却系统由水泵、散热器、温度传感器、冷却水箱、球阀等组成。产业化高压复合金属氢化物储氢系统具有体积储氢密度高、动力学性能好、适用温度低等优点，为加氢站技术提供了有效的氢源解决方案。加氢站整机结构紧凑、操作方便，实现给多个金属氢化物储氢瓶同时充氢，满足金属氢化物储氢罐为氢源的氢能叉车、摩托车和自行车等大规模产业化需求。

Description

一种产业化高压复合金属氢化物储氢系统为氢源的加氢站
技术领域
本发明涉及加氢装置，具体涉及一种加氢站。
背景技术
在全球能源紧缺和环境污染问题日益严重的大背景下，氢能和燃料电池是未来重要发展方向和趋势，燃料电池汽车被认为是未来新能源汽车的终极目标。中国高度重视和支持氢能与燃料电池技术的发展，将氢能与燃料电池产业确定为重要的发展方向。
氢能源主要产业链包括上游氢气制备，中游氢气运输储存和下游加氢站、氢燃料电池及应用等多个环节。作为给燃料电池汽车提供氢气的基础设施，加氢站的数量也在不断增加。加氢站按氢气状态的不同可分为高压气态加注站和液氢加注站。由于高压储氢可在常温下进行，氢气储罐结构简单，充装速度快等优点，目前大部分燃料电池车都使用，因而与之配套的加氢站，绝大多数都加注高压氢气。一个典型的的加氢站由制氢系统、压缩系统、储存系统、加注系统和控制系统等组成。当氢气从站外运达站内制取纯化后，通过氢气压缩系统压缩至一定压力，加压后的氢气存储在固定式高压容器中，当需要加注氢气时，氢气在加氢站固定容器与车载储氢容器之间高压差的作用下，通过加注系统快速充装至车载储氢容器，为提高储氢量，储氢罐压强从35MPa到70MPa，无疑增加核心零部件成本及耐压级别。
氢与金属储氢材料反应形成固溶体或氢化物后，其体积储氢密度可以提高1000倍。但在金属氢化物储氢罐中，由于粉体材料有限的堆垛密度，使得储氢罐中填满金属氢化物储氢材料后仍有50％以上的空闲体积。如果将这部分空体积冲入高压氢气，既充分利用金属氢化物储氢体积密度大、安全性好，又发挥高压储氢吸放氢速度快、重量储氢密度高和放氢平稳等优点，实现两者优势的复合，有望成为未来主流的储氢方式。以35MPa+ 金属氢化物组成高压复合储氢系统(简称35MPa+MH)为氢源的加氢站具有储氢量高、动力学性能好、适用温度低等优点，为高能效、快捷加注氢提供了有效的解决方案，对氢能的大规模应用具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种储氢量高、动力学性能好、适用温度低、能效高、加氢快捷的产业化高压复合金属氢化物储氢系统为氢源的加氢站。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种产业化高压复合金属氢化物储氢系统为氢源的加氢站，其包括：
集装格，其由若干高压复合罐并联而成；
充氢系统，其包括通过管路依次连接的主进气电磁阀、管路过滤器、管路球阀、进气压力表转接三通；所述主进气电磁阀通过管路与所述集装格上的复合罐接口相连通；所述进气压力表转接三通通过管路分别与进气压力表、手动排放球阀、减压器进口接头相连通，减压器进口接头、减压阀、减压器出口接头、安全排放阀、低压压力表、进气温度传感器、质量流量计、低压进气阀、低压进气单向阀通过管路依次连通，所述低压进气单向阀通过管路与多个储氢瓶相连通，各个储氢瓶与排放口相连通；所述手动排放球阀通过管路与排放口相连通，安全排放阀通过管路与该手动排放球阀和排放口之间的管路相连通；
冷却系统，其包括通过管路相互连通且均通过管路与冷却水箱相连通的水路压缩机以及用于对所述充氢系统进行风冷的散热风扇；用于将冷却水泵送至各个储氢瓶处的冷水水泵与所述冷却水箱相连通。
作为优选，所述集装格上设有两个通过管路与所述主进气电磁阀相连通的复合罐接口，其中，两复合罐接口与所述主进气电磁阀之间的管路上分别连接有第一集装格进气球阀和第二集装格进气球阀。
作为优选，所述储氢瓶被分成三组，每组由十个储氢瓶构成，每组中的储氢瓶置于一水冷柜/槽中；
低压进气单向阀、A组充装开关阀、A组充装排气阀、排放口通过管路相连通，一组中的每个储氢瓶各自通过一个快插接头与所述A组充装开关阀和A组充装排气阀之间的管路相连通；
低压进气单向阀、B组充装开关阀、B组充装排气阀、排放口通过管路相连通，另一组中的每个储氢瓶各自通过一个快插接头与所述B组充装开关阀和B组充装排气阀之间的管路相连通；
低压进气单向阀、C组充装开关阀、C组充装排气阀、排放口通过管路相连通，再一组中的每个储氢瓶各自通过一个快插接头与所述C组充装开关阀和C组充装排气阀之间的管路相连通。
作为优选，冷水水泵、水路回水阀、各个水冷柜/槽、球阀通过管路相连通，所述冷水水泵与所述冷却水箱的出水口相连通，所述球阀与所述冷却水箱的回水口相连通。
作为优选，所述水路回水阀和各个水冷柜/槽入口之间的管路上连接有至少一个水路自动排气阀。
作为优选，所述冷水水泵和水路回水阀之间的管路上连接有冷却水入口温度传感器。
作为优选，各个水冷柜/槽和所述球阀之间的管路上连接有冷却水出口温度传感器。
分析可知，与现有技术相比，本发明的优点和有益效果在于：
1、本发明的一种高压复合金属氢化物储氢系统为氢源的加氢站，集装格设置若干高压复合金属氢化物储氢罐(45L，35MPa)组成。高压复合金属氢化物储氢罐既充分利用金属氢化物储氢体积密度大、安全性好，又发挥高压储氢吸放氢速度快、重量储氢密度高和放氢平稳等优点，实现两者优势的复合。高压复合金属氢化物储氢罐为氢源的加氢站具有储氢量高、动力学性能好、适用温度低等优点，为高能效、快捷加注氢提供了有效的解决方案，对氢能的大规模应用具有重要意义。
2、本发明充氢管路设置有减压阀，用于将进气口输入压力35MPa减至需要的出口压力值5MPa，用于加注充氢管路各支路金属氢化物储氢瓶。每条支路可同时充氢10个储氢瓶，每条支路采用不锈钢管连接，每条支路的储氢瓶瓶口阀与支路管道的连接采用带自封闭功能的快插接头，有利于便捷更换储氢瓶。
3、(35MPa+MH)复合储氢相比于常规35MPa高压氢气方式，体积储氢密度由23kg/m3可以增加到40kg/m3，提高39.5％；相比70MPa高压氢气方式，无需增加核心零部件成本及耐压级别，实现高储氢密度储氢和加注功能，满足经济社会市场需求。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的产业化高压复合金属氢化物储氢系统为氢源的加氢站的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的高压复合罐储氢合金充装示意图；
图3为本发明实施例提供的Ti-Cr-Mn储氢合金鳞片照片。
附图标记说明：
1、第一集装格进气球阀；2、第二集装格进气球阀；3、主进气电磁阀； 4、管路过滤器；5、管路球阀；6、进气压力表转接三通；7、进气压力表； 8、手动排放球阀；9、减压器进口接头；10、减压阀；11、减压器出口接头；12、安全排放阀；13、低压压力表；14、进气温度传感器；15、质量流量计；16、低压进气阀；17、低压进气单向阀；18、A组充装开关阀； 19、水冷柜/槽；20、A组充装排气阀；21、B组充装开关阀；22、B组充装排气阀；23、C组充装开关阀；24、C组充装排气阀；25、快插接头； 26、冷水水泵；27、冷却水入口温度传感器；28、水路回水阀；29、冷却水出口温度传感器；30、球阀；31、冷却水箱；32、水路压缩机；33、散热风扇；34、水路自动排气阀。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”或“包含……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的要素。此外，在本文中，“大于”、“小于”、“超过”等理解为不包括本数；“以上”、“以下”、“以内”等理解为包括本数。
如图1所示，一种产业化高压复合金属氢化物储氢系统为氢源的加氢站，其包括：
集装格，其由若干高压复合罐并联而成；
充氢系统，其包括通过管路依次连接的主进气电磁阀3、管路过滤器4、管路球阀5、进气压力表转接三通6；所述主进气电磁阀3通过管路与所述集装格上的复合罐接口相连通；所述进气压力表转接三通6通过管路分别与进气压力表7、手动排放球阀8、减压器进口接头9，减压器进口接头9、减压阀10、减压器出口接头11、安全排放阀12、低压压力表13、进气温度传感器14、质量流量计15、低压进气阀16、低压进气单向阀17通过管路依次连通，所述低压进气单向阀17通过管路与多个储氢瓶相连通，各个储氢瓶与排放口相连通；所述手动排放球阀8通过管路与排放口相连通，安全排放阀12通过管路与该手动排放球阀8和排放口之间的管路相连通；
冷却系统，其包括通过管路相互连通且均通过管路与冷却水箱31相连通的水路压缩机32以及用于对所述充氢系统进行风冷的散热风扇33；用于将冷却水泵送至各个储氢瓶的冷水水泵26与所述冷却水箱31相连通。
具体的，如图2所示，集装格由是个高压复合金属氢化物储氢罐(45L， 35MPa)组成。高压复合金属氢化物储氢罐采用35MPa瓶阀，集成度高，功能强大，内置高压截止阀、高压电磁阀、压力传感器、温度传感器、过流保护阀、过滤器等功能组件。工作压力35MPa，工作电压DC24V，可适应环境温度：-30～+85℃。
如图1所示，所述集装格上设有两个通过管路与所述主进气电磁阀3 相连通的复合罐接口，其中，两复合罐接口与所述主进气电磁阀3之间的管路上分别连接有第一集装格进气球阀1和第二集装格进气球阀2。每个复合罐接口采用的管路为高压软管，两个复合罐接口可以进行气瓶的轮换，实现不间断的氢气充装。
金属氢化物是复合储氢系统的核心，其性能的好坏直接影响着储氢系统的使用。一方面，高压合金的平台压越高，其稳定性越低，因此在较低的温度下也能放氢，同时无需额外的加热装置来满足放氢过程中需要吸收的热量。另一方面，高压储氢合金吸放氢热焓减少，有利于提高复合储氢系统过程中的热效应，有利于提高其工作效率。本实施例采用真空快速凝固技术制备的具有高放氢平台压力(Ti1-xZrx)y(Cr-Mn-M)2(x＝0，0.1，0.15，0.2；y＝1.0，1.1；M＝Fe，Co，Ni，V，Cu，Mo，W；简称Ti-Cr-Mn)储氢合金，真空快速凝固指从液态到固态的冷却速度大于某一临界冷却速率的凝固过，其具有细化凝固组织，合金成分均匀，偏析减小等优点。如图3 所示，该图为Ti-Cr-Mn储氢合金鳞片照片
采用高压复合金属氢化物储氢系统为氢源，既充分利用金属氢化物储氢体积密度大、安全性好，又发挥高压储氢吸放氢速度快、重量储氢密度高和放氢平稳等优点。
充氢系统中主进气电磁阀3、管路过滤器4、管路球阀5、进气压力表转接三通6通过管路依次连接。所述主进气电磁阀3通过管路与所述集装格上的一个复合罐接口相连通。所述进气压力表转接三通6通过管路分别与进气压力表7、手动排放球阀8、减压器进口接头9，减压器进口接头9、减压阀10、减压器出口接头11、安全排放阀12、低压压力表13、进气温度传感器14、质量流量计15、低压进气阀16、低压进气单向阀17通过管路连通，所述低压进气单向阀17通过管路与多个储氢瓶相连通，各个储氢瓶与排放口相连通；所述手动排放球阀8通过管路与排放口相连通，安全排放阀12通过管路与该手动排放球阀8和排放口之间的管路相连通。
在本实施例中，如图1所示，所述储氢瓶被分成三组，每组由十个储氢瓶构成，每组中的储氢瓶置于一水冷柜/槽19中。
低压进气单向阀17、A组充装开关阀18(球阀)、A组充装排气阀20 (球阀)、排放口通过管路相连通，一组中的每个储氢瓶各自通过一个快插接头25与所述A组充装开关阀18和A组充装排气阀20之间的管路相连通；
低压进气单向阀17、B组充装开关阀21(球阀)、B组充装排气阀22 (球阀)、排放口通过管路相连通，另一组中的每个储氢瓶各自通过一个快插接头25与所述B组充装开关阀21和B组充装排气阀22之间的管路相连通；
低压进气单向阀17、C组充装开关阀23(球阀)、C组充装排气阀24、 (球阀)排放口通过管路相连通，再一组中的每个储氢瓶各自通过一个快插接头25与所述C组充装开关阀23和C组充装排气阀24之间的管路相连通。
各个储氢瓶采用带自封闭功能的快速接头，有利于更换储氢瓶。
主进气电磁阀3用于控制氢气的方向、流量和流速，通过手动开关控制，阀体材质不锈钢316，压力范围0.1-35MPa。
管路过滤器4用于过滤气体中含油、含水、含尘等杂质，达到稳定充氢工艺保障安全目的。
上述充氢系统中的球阀用于控制充氢主管路氢气通断的开关，减压阀 10用于将进口压力减至需要的出口压力值，并使出口压力值自动保持稳定值，减压阀10采用单级式膜片减压结构，不锈钢膜片压力传输，输出压力稳定，进气口输入压力35MPa，输出压力5MPa。
安全阀12用于当充氢管道压力升高超过规定值，通过排空防止管道或设备内氢气压力超过规定值，安全阀设置值为10MPa。
压力传感器用于实时监测气体的压力，量程0-10MPa，精确度0.25％，材质316不锈钢，响应时间<2ms。
温度传感器14用于实时监测气体的温度。质量控制器用于控制和测定氢气主管路内气体的流量，的气体充装量可以通过流质量流量计15进行计量显示。单向阀17用于防止氢气干路内气体反向流动或逆向流动。
冷却系统，其包括冷水水泵26、冷却水入口温度传感器27、水路回水阀28、冷却水出口温度传感器29、球阀30、冷却水箱31、水路压缩机32、散热风扇33、水路自动排气阀34。
散热风扇33用于对所述充氢系统进行风冷，水路压缩机32以及散热风扇33通过管路相互连通且二者均通过管路与冷却水箱31相连通。冷水水泵26与所述冷却水箱31相连通，该冷水水泵26用于将冷却水泵送至各个储氢瓶处。冷水水泵26、水路回水阀28、各个水冷柜/槽19、球阀30通过管路相连通，所述冷水水泵26与所述冷却水箱31的出水口相连通，所述球阀30与所述冷却水箱31的回水口相连通。所述水路回水阀28和各个水冷柜/槽19入口之间的管路上连接有至少一个水路自动排气阀34。所述冷水水泵26和水路回水阀28之间的管路上连接有冷却水入口温度传感器 27。各个水冷柜/槽19和所述球阀30之间的管路上连接有冷却水出口温度传感器29。
所述冷水水泵26用于将过滤后的水加注满系统，为水路循环泵供电使水在系统中循环带走多于热量。所述冷却水温度传感器(冷却水入口温度传感器27和冷却水出口温度传感器29)用于将循环水管路采集的温度进水和出水温度信号传送到控制系统，保证出水口水温，用户可视温度高低对水循环泵出水量进行调整。
加氢站中的各个排气阀构成了加氢站的安全排放系统，这些排气阀通过统一的管路经过阻火器排放到设备外。
产业化高压复合金属氢化物储氢系统具有体积储氢密度高、动力学性能好、适用温度低等优点，为加氢站技术提供了有效的氢源解决方案。上述加氢站整机结构紧凑、操作方便，实现多支路金属氢化物储氢瓶组同时充氢，满足金属氢化物储氢罐为氢源氢能叉车、摩托车和自行车等大规模产业化需求。
上述加氢站的具体实施步骤如下：
步骤一：集装格设有两个个复合罐接口，每个接口采用高压软管进行连接，每一路软管设有单独的截止阀，可以进行气瓶的轮换，实现不间断的氢气充装，四个复合罐接口汇总到一块后经系统给低压金属氢化物储氢罐进行充氢。
步骤二：充氢管路上设置有主进气电磁阀3、管路过滤器4、管路球阀 5、进气压力表转接三通6、进气压力表7、手动排放球阀8、减压器进口接头9、减压阀10、减压器出口接头11、安全排放阀12、低压压力表13、进气温度传感器14、质量流量计15、低压进气阀16、低压进气单向阀17。当气体发生泄漏或者压力异常的情况下可以通过手动排放球阀8停止气体的充装。减压阀10采用膜片式结构，具有精度高响应速度快的优点。气体充装量可以通过流量计15进行计量显示，压力传感器7可以实时监测主路内气体的压力，温度传感器14可以实时监测主路内气体的温度。
步骤三：充氢管路干路上设置A组充装开关阀(球阀)18、水冷柜/ 槽19、A组充装排气阀(球阀)20、B组充装开关阀(球阀)21、B组充装排气阀(球阀)22、C组充装开关阀(球阀)23、C组充装排气阀(球阀)24、快插接头25。水冷柜/槽19用于储氢罐冷却。三组支路，每组支路十个储氢瓶，每组采用不锈过统一的管路经过阻火器排放到设备外。
步骤四：水冷却路管路用于吸收储氢瓶充装过程中产生的热量。水冷却钢管连接，采用带自封闭功能的快插接口25。每组排放气体通路管路设有冷却水入口温度传感器27和冷却水出口温度传感器29检测，可以将采集的温度信号传送到控制系统，保证出水口水温，用户可视温度高低对水循环泵26出水量进行调整。
步骤五：所述高压复合金属氢化物储氢系统的加氢站，设置有排放口，设备上设有水路自动排气阀34，所有排气管路统一经阻火器排放到设备外。
分析可知，与现有技术相比，本实施例中加氢站的优点和有益效果在于：
1、集装格设置若干高压复合金属氢化物储氢罐(45L，35MPa)组成。高压复合金属氢化物储氢罐既充分利用金属氢化物储氢体积密度大、安全性好，又发挥高压储氢吸放氢速度快、重量储氢密度高和放氢平稳等优点，实现两者优势的复合。高压复合金属氢化物储氢罐为氢源的加氢站具有储氢量高、动力学性能好、适用温度低等优点，为高能效、快捷加注氢提供了有效的解决方案，对氢能的大规模应用具有重要意义。
2、充氢管路设置有减压阀，用于将进气口输入压力35MPa减至需要的出口压力值5MPa，用于加注充氢管路各支路金属氢化物储氢瓶。每条支路可同时充氢10个储氢瓶，每条支路采用不锈钢管连接，每条支路的储氢瓶瓶口阀与支路管道的连接采用带自封闭功能的快插接头，有利于便捷更换储氢瓶。
3、(35MPa+MH)复合储氢相比于常规35MPa高压氢气方式，体积储氢密度由23kg/m3可以增加到40kg/m3，提高39.5％；相比70MPa高压氢气方式，无需增加核心零部件成本及耐压级别，实现高储氢密度储氢和加注功能，满足经济社会市场需求。
以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。

Claims (6)

1.一种产业化高压复合金属氢化物储氢系统为氢源的加氢站，其特征在于，包括：
集装格，其由若干高压复合金属氢化物储氢罐并联而成；
充氢系统，其包括通过管路依次连接的主进气电磁阀、管路过滤器、管路球阀、进气压力表转接三通；所述主进气电磁阀通过管路与所述集装格上的复合罐接口相连通；所述进气压力表转接三通通过管路分别与进气压力表、手动排放球阀、减压器进口接头相连通，减压器进口接头、减压阀、减压器出口接头、安全排放阀、低压压力表、进气温度传感器、质量流量计、低压进气阀、低压进气单向阀通过管路依次连通，所述低压进气单向阀通过管路与多个储氢瓶相连通，各个储氢瓶与排放口相连通；所述手动排放球阀通过管路与排放口相连通，安全排放阀通过管路与该手动排放球阀和排放口之间的管路相连通；
冷却系统，其包括通过管路相互连通且均通过管路与冷却水箱相连通的水路压缩机以及用于对所述充氢系统进行风冷的散热风扇；用于将冷却水泵送至各个储氢瓶处的冷水水泵与所述冷却水箱相连通；所述集装格上设有两个通过管路与所述主进气电磁阀相连通的复合罐接口，其中，两复合罐接口与所述主进气电磁阀之间的管路上分别连接有第一集装格进气球阀和第二集装格进气球阀。
2.根据权利要求1所述的加氢站，其特征在于，所述储氢瓶被分成三组，每组由十个储氢瓶构成，每组中的储氢瓶置于一水冷柜/槽中；
低压进气单向阀、A组充装开关阀、A组充装排气阀、排放口通过管路相连通，一组中的每个储氢瓶各自通过一个快插接头与所述A组充装开关阀和A组充装排气阀之间的管路相连通；
低压进气单向阀、B组充装开关阀、B组充装排气阀、排放口通过管路相连通，另一组中的每个储氢瓶各自通过一个快插接头与所述B组充装开关阀和B组充装排气阀之间的管路相连通；
低压进气单向阀、C组充装开关阀、C组充装排气阀、排放口通过管路相连通，再一组中的每个储氢瓶各自通过一个快插接头与所述C组充装开关阀和C组充装排气阀之间的管路相连通。
3.根据权利要求2所述的加氢站，其特征在于，冷水水泵、水路回水阀、各个水冷柜/槽、球阀通过管路相连通，所述冷水水泵与所述冷却水箱的出水口相连通，所述球阀与所述冷却水箱的回水口相连通。
4.根据权利要求3所述的加氢站，其特征在于，所述水路回水阀和各个水冷柜/槽入口之间的管路上连接有至少一个水路自动排气阀。
5.根据权利要求4所述的加氢站，其特征在于，所述冷水水泵和水路回水阀之间的管路上连接有冷却水入口温度传感器。
6.根据权利要求5所述的加氢站，其特征在于，各个水冷柜/槽和所述球阀之间的管路上连接有冷却水出口温度传感器。
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