CN112902015A - 一种加氢站及加氢方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及新能源及低温制冷技术领域，公开了一种加氢站及加氢方法，包括：存储模块，用于存储液氢、低温高压氢气和常温高压氢气；第一加注模块，用于向车载储氢罐中加注液氢；第二加注模块，用于向车载储氢罐中加注低温高压氢气；第三加注模块，用于向车载储氢罐中加注常温高压氢气；控制模块，包括控制单元和检测单元，所述检测单元用于检测车载储氢罐的温度和压力，所述控制单元用于根据车载储氢罐的温度和压力分别对应控制所述第一加注模块、所述第二加注模块和所述第三加注模块对车载储氢罐进行加注。既保证了充入罐内的氢气量又避免了加大加氢站氢损失；可以给不同的车加载不同的氢，从而适应了不同需求，加大了销售面，扩大了销路。

Description

一种加氢站及加氢方法
技术领域
本发明涉及新能源及低温制冷技术领域，尤其涉及一种加氢站及加氢方法。
背景技术
随着绿色、环保要求的不断提高，氢能不再是航天、石化、冶金、电子等国防或大工业领域的内部能源，其民用开发提上了议事日程。由此，广东、江浙沪、辽宁、山西等地纷纷开始建立加氢站。目前国内主流的加氢站都是加注状态为300K/35MPa的常温高压氢；国际上主流的加氢站则是加注状态为300K/70MPa的常温高压氢。目前国内和国际上除常温高压氢加氢站外，还有液氢加氢站等。车载储氢方式则还包括金属氢化物、有机液态储氢等。其中，常温高压储氢由于受到氢气自身密度的影响，体积储氢密度较小；而金属氢化物储氢和有机液态储氢等质量储氢密度较小；液氢则容易蒸发并因此引起罐压迅速升高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种加氢站及加氢方法，旨在解决现有技术中常温高压储氢由于受到氢气自身密度的影响，体积储氢密度较小；而金属氢化物储氢和有机液态储氢等质量储氢密度较小；液氢则容易蒸发并因此引起罐压迅速升高的问题。
本发明实施例提供了一种加氢站，包括：存储模块，用于存储液氢、低温高压氢气和常温高压氢气。第一加注模块，用于向车载储氢罐中加注液氢；第二加注模块，用于向车载储氢罐中加注低温高压氢气；第三加注模块，用于向车载储氢罐中加注常温高压氢气；控制模块，包括控制单元和检测单元，所述检测单元用于检测车载储氢罐的温度和压力，所述控制单元用于根据车载储氢罐的温度和压力分别对应控制所述第一加注模块、所述第二加注模块和所述第三加注模块对车载储氢罐进行加注。
在本发明的一实施例中，所述存储模块包括存储液氢的液氢储罐和存储常温高压氢气的常温高压储氢罐；所述液氢储罐(4)用于第一加注模块和第二加注模块，所述常温高压储罐(5)用于第三加注模块。
在本发明的一实施例中，所述第一加注模块包括潜液泵和带回流的液氢加注枪；所述带回流的液氢加注枪的回流端口和所述常温高压储氢罐相连通。
在本发明的一实施例中，所述第二加注模块包括柱塞泵和带回流的低温高压氢加注枪；所述带回流的低温高压氢加注枪的回流端口和所述常温高压储氢罐相连通。
在本发明的一实施例中，所述第三加注模块包括两个氢压机；一个所述氢压机设置在所述常温高压储氢罐与所述第一加注模块和所述第二加注模块之间；一个所述氢压机设置在所述常温高压储氢罐与车载储氢罐之间。
本发明还提供了一种加氢方法，包括步骤：S1、判断车载储氢罐的压力是否安全；若否，则停止加注；若是，则依次判断车载储氢罐的温度是否属于第一温度区间、第二温度区间或第三温度区间；若属于第一温度区间，则进入步骤S2；若属于第二温度区间，则进入步骤S3；若属于第三温度区间，则进入步骤S4；S2、向车载储氢罐内加注液氢；S3、向车载储氢罐内加注低温高压氢气；S4、向车载储氢罐内加注常温高压氢气。
在本发明的一实施例中，所述第一温度区间的温度范围为20-25K；所述第二温度区间的温度范围为25-50K；所述第三温度区间的温度范围为50K以上。
在本发明的一实施例中，所述步骤S2包括步骤：在向车载储氢罐中加注液氢的同时使用液氢冷却车载储氢罐，并判断车载储氢罐的温度是否高于车载液氢存储压力下氢的饱和温度；若否，则停止冷却车载储氢罐；若是，则继续冷却车载储氢罐，并将冷却用的氢排放至常温高压储氢罐中。
在本发明的一实施例中，所述步骤S3包括步骤：通过液氢冷却车载储氢罐，并将冷血所用液氢排放至常温高压储氢罐中；判断车载储氢罐的温度是否高于25K；若是，则返回上一步继续冷却车载储氢罐；若否，则通过柱塞泵对液氢进行加压后形成低温高压氢加注至车载储氢罐中。
在本发明的一实施例中，所述步骤S4包括步骤：将常温高压储氢罐中存储的氢气经过氢压机压缩到预设压强下加注至车载储氢罐中或将液氢直接通过柱塞泵加压至预设压强下加注至车载储氢罐中。
基于上述技术方案，与现有技术相比，本发明实施例提出的加氢站和加氢方法，能给车载储氢罐加载密度高于液氢的低温高压氢，从而减小车载储氢罐的容积和体积；给车载储气罐加载液氢或低温高压氢气时，既可以保证给车载储罐所充氢的温度、压力，又不需将车载储罐预冷用的氢气放空，也不需要将预冷用氢回到液氢储罐而加速液氢挥发，从而既保证了充入罐内的氢气量又避免了加大加氢站氢损失；可以给不同的车加载不同的氢，从而适应了不同司机的不同需求，加大了销售面，扩大了销路。
附图说明
图1显示为本发明中加氢站的结构示意图。
图2显示为本发明中加氢方法的流程方框示意图。
元件标号说明：
1车载液氢存储罐，2车载低温高压氢存储罐，3车载常温高压氢存储罐，4液氢储罐，5常温高压储氢罐，6潜液泵，7液氢加注枪，8柱塞泵，9低温高压氢加注枪，10氢压机，11控制模块。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或可能同时存在居中元件。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
另外，还需要说明的是，本发明实施例中的左、右、上、下等方位用语，仅是互为相对概念或是以产品的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。以下结合具体实施例对本发明的实现进行详细的描述。
如图1所示，图1显示为本发明中加氢站的结构示意图。本发明实施例提出了一种加氢站，包括：存储模块，用于存储液氢、低温高压氢气和常温高压氢气；第一加注模块，用于向车载储氢罐中加注液氢，即加注至图1中的车载液氢存储罐1中；第二加注模块，用于向车载储氢罐中加注低温高压氢气，即加注至图1中的车载低温高压氢存储罐2中；第三加注模块，用于向车载储氢罐中加注常温高压氢气，即加注至图1中的车载常温高压氢存储罐3中。控制模块11，包括控制单元和检测单元，所述检测单元用于检测车载储氢罐的温度和压力，所述控制单元用于根据车载储氢罐的温度和压力分别对应控制所述第一加注模块、所述第二加注模块和所述第三加注模块对车载储氢罐进行加注。所述检测单元和控制单元则共同保证了加注模块对车载储氢罐所加注氢的压力和温度，从而保证了车载储氢罐的加氢量。
进一步地，所述存储模块包括存储液氢的液氢储罐4和存储常温高压氢气的常温高压储氢罐5。在一优选实施例中，所述第一加注模块包括潜液泵6和带回流的液氢加注枪7；所述带回流的液氢加注枪7的回流端口和所述常温高压储氢罐5相连通。所述第二加注模块包括柱塞泵8和带回流的低温高压氢加注枪9；所述带回流的低温高压氢加注枪9的回流端口和所述常温高压储氢罐5相连通。所述第三加注模块包括两个氢压机10；一个所述氢压机10设置在所述常温高压储氢罐5与所述第一加注模块和所述第二加注模块之间；一个所述氢压机10设置在所述常温高压储氢罐5与车载储氢罐之间。加注过程中不断监测车载储氢罐的温度和压力，对于需根据车载储罐的温度确定回流的开启或关闭，还可以通过液位监测确定回流是否关闭，通常无论加注哪种氢都需保证给车载储罐加注的温度和压力，从而保证加氢量。其中，加氢站给汽车加注的低温高压氢气的自身密度可超过1atm约71kg/m3以下的液氢密度。本发明中可以基于液氢运输；能够给汽车加注自身密度比液氢还高的低温高压氢气，如给汽车加注状态为40K/35MPa或60K/70MPa的氢气；能够给汽车加注压力为35/70MPa的常温高压氢气；也能够给汽车加注液氢；能够根据车载储气瓶内胆温度，自动判断车辆是该加注低温高压氢气、常温高压氢气还是液氢。
以下以一实施例为例进行说明：
液氢运输槽车来到加氢站后，运输用液氢储罐4通过三通分别与站上的液氢潜液泵6和柱塞泵8相连，潜液泵6给车载储罐提供液氢，柱塞泵8主要给车载储罐提供低温高压氢气也可以当潜液泵6用给车载储罐提供液氢。无论是通过柱塞泵8向车载储氢罐加注低温高压氢气，还是通过潜液泵6向车载储氢罐加注液氢，都通过带回流的加注枪。
若给车载储罐加注低温高压氢气，则先将柱塞泵8当潜液泵6使用并开启加注枪回路，以使车载储氢罐降温；待车载储罐温度降到25K以下时，再逐步提升柱塞泵8出口压力到35MPa并关闭回流系统，以向车载储氢罐充入压力为35MPa，温度为某一给定温度如40K的低温高压氢气。若给车载储罐加注液氢，则先开回流系统，并同时注意液位；在液位高度达到5％车载储罐满液位高度时关闭回流系统，待液位高度达到90％车载储罐满液位高度时关闭潜液泵6以保证车载液氢储罐4有10％左右的空间供液氢蒸发。也可以判断车载储氢罐的液位是否高于5％，若否，则继续冷却车载储氢罐；若是，则停止冷却车载储氢罐。
向车载储罐加载低温高压氢气或液氢时，均可能有回流氢气，回流氢气通过氢压机10注入加氢站自带的承压35MPa的储氢罐可以是不带真空夹层的常温高压储氢罐5也可以是带真空夹层的低温高压储氢罐，推荐后者，因为回流是低温氢气，后者具有保冷作用且能多装，而且后者储藏的氢气在进入氢压机10之前不需要水冷机。若给车载储罐加注常温高压氢气，则通过压缩机将站用高压储氢罐内的氢气加压到70MPa后加注到车载常温高压储氢罐5中。至于所来车辆究竟记载哪种氢好，加氢站有专门的感应器和分析系统与车载储氢罐的温度计和压力表相连，并能根据车载储氢罐的温度提示所该加氢种类。如：当车载储氢罐温度低于30K时，提示加注液氢；车载储氢罐温度高于25K而低于80K时，提示加注低温高压氢气；当车载储氢罐温度高于80K时，提示加注常温高压氢气。
通过这种加氢站能给车载储氢罐加载密度高于液氢的低温高压氢，从而减小车载储氢罐的容积和体积；给车载储气罐加载液氢或低温高压氢气时，既可以保证给车载储罐所充氢的温度、压力，又不需将车载储罐预冷用的氢气放空，也不需要将预冷用氢回到液氢储罐4而加速液氢挥发，从而既保证了充入罐内的氢气量又避免了加大加氢站氢损失；可以给不同的车加载不同的氢，从而适应了不同司机的不同需求，加大了销售面，扩大了销路。
本发明还提供了一种加氢方法，包括步骤：S1、判断车载储氢罐的压力是否安全；若否，则停止加注；若是，则依次判断车载储氢罐的温度是否属于第一温度区间、第二温度区间或第三温度区间；若属于第一温度区间，则进入步骤S2；若属于第二温度区间，则进入步骤S3；若属于第三温度区间，则进入步骤S4；S2、向车载储氢罐内加注液氢；S3、向车载储氢罐内加注低温高压氢气；S4、向车载储氢罐内加注常温高压氢气。
在一优选实施例中，所述第一温度区间的温度范围为20-25K；所述第二温度区间的温度范围为25-50K；所述第三温度区间的温度范围为50K以上。当然具体的温度区间也可以根据需要进行设置。进一步地，所述步骤S2包括步骤：在向车载储氢罐中加注液氢的同时使用液氢冷却车载储氢罐，并判断车载储氢罐的温度是否高于车载液氢存储压力(如1.5bar)下氢的饱和温度；若否，则停止冷却车载储氢罐；若是，则继续冷却车载储氢罐，并将冷却用的氢排放至常温高压储氢罐5中。所述步骤S3包括步骤：通过液氢冷却车载储氢罐，并将冷血所用液氢排放至常温高压储氢罐5中；判断车载储氢罐的温度是否高于25K；若是，则返回上一步继续冷却车载储氢罐；若否，则通过柱塞泵8对液氢进行加压后形成低温高压氢加注至车载储氢罐中。所述步骤S4包括步骤：将常温高压储氢罐5中存储的氢气经过氢压机10压缩到预设压强下加注至车载储氢罐中或将液氢直接通过柱塞泵8加压至预设压强下加注至车载储氢罐中。加注过程中不断监测车载储氢罐的温度和压力，对于需根据车载储罐的温度确定回流的开启或关闭，还可以通过液位监测确定回流是否关闭，通常无论加注哪种氢都需保证给车载储罐加注的温度和压力，从而保证加氢量。其中，加氢站给汽车加注的低温高压氢气的自身密度可超过1atm约71kg/m3以下的液氢密度。本发明中可以基于液氢运输；能够给汽车加注自身密度比液氢还高的低温高压氢气，如给汽车加注状态为40K/35MPa或60K/70MPa的氢气；能够给汽车加注压力为35/70MPa的常温高压氢气；也能够给汽车加注液氢；能够根据车载储气瓶内胆温度，自动判断车辆是该加注低温高压氢气、常温高压氢气还是液氢。
以下以一实施例为例进行说明：
液氢运输槽车来到加氢站后，液氢储罐4通过三通分别与站上的液氢潜液泵6和柱塞泵8相连，潜液泵6给车载储罐提供液氢，柱塞泵8主要给车载储罐提供低温高压氢气也可以当潜液泵6用给车载储罐提供液氢。无论是通过柱塞泵8向车载储氢罐加注低温高压氢气，还是通过潜液泵6向车载储氢罐加注液氢，都通过带回流的加注枪。
若给车载储罐加注低温高压氢气，则先将柱塞泵8当潜液泵6使用并开启加注枪回路，以使车载储氢罐降温；待车载储罐温度降到某一温度值如30K或35K等以下时，再逐步提升柱塞泵8出口压力到35MPa并关闭回流系统，以向车载储氢罐充入压力为35MPa，温度为某一给定温度如40K的低温高压氢气。若给车载储罐加注液氢，则先开回流系统，并同时注意液位；在液位高度达到5％车载储罐满液位高度时关闭回流系统，待液位高度达到90％车载储罐满液位高度时关闭潜液泵6以保证车载液氢储罐4有10％左右的空间供液氢蒸发。
加氢站有专门的感应器和分析系统与车载储氢罐的温度计和压力表相连，并能根据车载储氢罐的温度提示所该加氢种类。如：当车载储氢罐温度低于30K时，提示加注液氢；车载储氢罐温度高于30K而低于80K时，提示加注低温高压氢气；当车载储氢罐温度高于80K时，提示加注常温高压氢气。也可以判断车载储氢罐的液位是否高于5％，若否，则继续冷却车载储氢罐；若是，则停止冷却车载储氢罐。
通过这种加氢方法能给车载储氢罐加载密度高于液氢的低温高压氢，从而减小车载储氢罐的容积和体积；给车载储气罐加载液氢或低温高压氢气时，既可以保证给车载储罐所充氢的温度、压力，又不需将车载储罐预冷用的氢气放空，也不需要将预冷用氢回到液氢储罐而加速液氢挥发，从而既保证了充入罐内的氢气量又避免了加大加氢站氢损失；可以给不同的车加载不同的氢，从而适应了不同司机的不同需求，加大了销售面，扩大了销路。
以上所述实施例，仅为本发明具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改、替换和改进等等，这些修改、替换和改进都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种加氢站，其特征在于，包括：
存储模块，用于存储液氢、低温高压氢气和常温高压氢气；
第一加注模块，用于向车载储氢罐中加注液氢；
第二加注模块，用于向车载储氢罐中加注低温高压氢气；
第三加注模块，用于向车载储氢罐中加注常温高压氢气；
控制模块(11)，包括控制单元和检测单元，所述检测单元用于检测车载储氢罐的温度和压力，所述控制单元用于根据车载储氢罐的温度和压力分别对应控制所述第一加注模块、所述第二加注模块和所述第三加注模块对车载储氢罐进行加注。
2.根据权利要求1所述的加氢站，其特征在于，所述存储模块包括存储液氢的液氢储罐(4)和存储常温高压氢气的常温高压储氢罐(5)；所述液氢储罐(4)用于第一加注模块和第二加注模块，所述常温高压储罐(5)用于第三加注模块。
3.根据权利要求2所述的加氢站，其特征在于，所述第一加注模块包括潜液泵(6)和带回流的液氢加注枪(7)；所述带回流的液氢加注枪(7)的回流端口和所述常温高压储氢罐(5)相连通。
4.根据权利要求2所述的加氢站，其特征在于，所述第二加注模块包括柱塞泵(8)和带回流的低温高压氢加注枪(9)；所述带回流的低温高压氢加注枪(9)的回流端口和所述常温高压储氢罐(5)相连通。
5.根据权利要求2所述的加氢站，其特征在于，所述第三加注模块包括两个氢压机(10)；一个所述氢压机(10)设置在所述常温高压储氢罐(5)与所述第一加注模块和所述第二加注模块之间；一个所述氢压机(10)设置在所述常温高压储氢罐(5)与车载储氢罐之间。
6.一种加氢方法，其特征在于，包括步骤：
S1、判断车载储氢罐的压力是否安全；若否，则停止加注；若是，则依次判断车载储氢罐的温度是否属于第一温度区间、第二温度区间或第三温度区间；若属于第一温度区间，则进入步骤S2；若属于第二温度区间，则进入步骤S3；若属于第三温度区间，则进入步骤S4；
S2、向车载储氢罐内加注液氢；
S3、向车载储氢罐内加注低温高压氢气；
S4、向车载储氢罐内加注常温高压氢气。
7.根据权利要求6所述的加氢方法，其特征在于，所述第一温度区间的温度范围为20-25K；所述第二温度区间的温度范围为25-50K；所述第三温度区间的温度范围为50K以上。
8.根据权利要求6所述的加氢方法，其特征在于，所述步骤S2包括步骤：在向车载储氢罐中加注液氢的同时使用液氢冷却车载储氢罐，并判断车载储氢罐的温度是否高于车载液氢存储压力下氢的饱和温度；若否，则停止冷却车载储氢罐；若是，则继续冷却车载储氢罐，并将冷却用的氢排放至常温高压储氢罐(5)中。
9.根据权利要求6所述的加氢方法，其特征在于，所述步骤S3包括步骤：
通过液氢冷却车载储氢罐，并将冷血所用液氢排放至常温高压储氢罐(5)中；
判断车载储氢罐的温度是否高于25K；若是，则返回上一步继续冷却车载储氢罐；若否，则通过柱塞泵(8)对液氢进行加压后形成低温高压氢加注至车载储氢罐中。
10.根据权利要求6所述的加氢方法，其特征在于，所述步骤S4包括步骤：
将常温高压储氢罐(5)中存储的氢气经过氢压机(10)压缩到预设压强下加注至车载储氢罐中或将液氢直接通过柱塞泵(8)加压至预设压强下加注至车载储氢罐中。
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