CN114718852A - 一种氢气压缩方法及装备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氢气压缩装备，属于氢气压缩技术领域，其解决了现有技术中能耗高、成本高、氢气压缩不纯净的技术问题。本发明包括液压驱动装置以及与液压驱动装置相连接的膜头组件，液压驱动装置包括液压缸和供油部，供油部通过管道与液压缸、膜头组件连接，膜头组件上设置有供气体进出的气体管道及油路管道，气体管道及油路管道上均设置有控制阀门，膜头组件上还设置有隔膜装置；本发明还提供一种氢气压缩方法。本发明有效的提高了氢气压缩的效率，降低了设备的运行功率，减少了机械传动部件，降低了设备及附属设施投资成本，降低了设备维护频率，降低了运行成本。

Description

一种氢气压缩方法及装备

技术领域

本发明属于氢气压缩技术领域，更具体地说，是涉及一种氢气压缩方法及装备。

背景技术

在碳达峰、碳中和的双重目标下，氢能已成为许多经济体碳中和投资计划的核心要素；氢能将在这个征程中将扮演着重要的角色。在这种环境下，如何把氢气比较方便快捷的应用起来成为了氢能行业关注的重点问题。氢气压缩机作为氢能应用终端的重要装备，其自身的性能指标直接影响氢能终端加氢站的建设和运行成本。

现有技术中，单一传统的隔膜式压缩机采用电机带动飞轮连接曲轴箱驱动存在的，飞轮+曲轴机构启动扭矩大，电机做功启动瞬时电流大，设备配置功率大，能耗高；曲轴机构结构复杂，而且飞轮机构直径大、重量重，运行振动大，对平衡指标要求高，整体设备对土建基础要求高，附带投资成本高的问题。而单一传统的液驱式压缩机是用液压油作为驱动介质，通过驱动侧活塞带动气体加压活塞运动实现气体的吸入和推出，在气体的压缩过程中，活塞杆和活塞的往复运动是通过密封件来实现对液压油的密封，但在实际使用过程中由于密封件本身的结构和往复运动的磨损，液压油不能实现百分百的密封，造成压缩排出的氢气中或多或少被油雾污染，氢气不纯净的问题。故行业内急需一种新型的氢气压缩方法及装备，以解决上述问题。

发明内容

本发明就是针对现有技术中存在的技术问题，提供一种氢气压缩装备。

为解决上述技术问题，为此本发明包括液压驱动装置以及与液压驱动装置相连接的膜头组件，液压驱动装置包括液压缸和供油部，供油部通过管道与液压缸、膜头组件连接；膜头组件上设置有供气体进出的气体管道及油路管道，气体管道及油路管道上均设置有控制阀门，膜头组件上还设置有隔膜装置。

优选的，膜头组件设有两个，分别为一级膜头组件和二级膜头组件，一级膜头组件及二级膜头组件分别设置在液压驱动装置的两端。

优选的，隔膜装置包括气盘、油盘及膜片，膜片设置在气盘与油盘之间，并且气盘与油盘连接设置。

优选的，气盘与油盘的连接面中部为凹陷弧形结构且连接组成弧形腔，膜片将弧形腔分隔为上下设置的气腔和油腔，膜头组件通过油腔与液压缸相连接；气腔上设置有气体进口和气体出口，油腔上设置有油路进口和油路出口。

优选的，油盘靠近油腔的一侧表面上设置有若干油路凹槽，且油路凹槽呈环状排布。

优选的，液压缸包括活塞和推杆，液压缸上设置有与供油部相连接的油路进口，推杆设置在活塞两侧，推杆的外端部连接有第二活塞，第二活塞与隔膜装置上的油腔连接。

优选的，供油部设有液压供油站，液压供油站上设置有与膜头组件相连通的进油管道和回油管道，液压供油站上还设置有与液压缸相连通的供油管道。

本发明还提供一种氢气压缩方法，其利用氢气压缩装备进行氢气的压缩，步骤包括：

打开一级膜头组件上的进气阀，气体通过进气管道进入一级膜头组件，当液压供油站通过供油管路向液压缸供油，液压缸的活塞向一级膜头组件方向运行时，一级膜头组件处于压缩排气过程，此时关闭一级膜头组件的进气阀，气体进行压缩，当压力达到设定值时，打开一级膜头组件上的排气阀，排出高压气体；

打开二级膜头组件上的进气阀，气体通过进气管道进入二级膜头组件，此时二级膜头组件处于吸气过程，气体进入二级膜头组件的气腔，此时气腔内的气压没有达到设定值，二级膜头组件上的排气阀处于关闭状态；当压力达到设定值时，打开二级膜头组件上的排气阀，排出高压气体。

优选的，一级膜头组件和二级膜头组件分为并联使用和串联使用；

当膜头组件并联使用时，压缩气体连接在一级膜头组件的进气口和二级膜头组件的进气口；

当膜头组件串联使用时，压缩气体连接在一级膜头组件的进气口，经过一级膜头组件压缩后，通过一级膜头组件的出气口排出，将一级膜头组件的出气口与二级膜头组件的进气口相连，被一级膜头组件压缩过一次的气体继续进入二级膜头组件，然后通过二级膜头组件的出气口排出。

优选的，当膜头组件并联使用时，一级膜头组件出气口的气压与二级膜头组件出气口的气压相等，设备整体出气量为串联使用的2倍，出气压力低于串联使用方法；

当膜头组件串联使用时，设备整体出气量为并联使用的0.5倍，出气压力高于并联使用方法。

与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：

本发明提供一种氢气压缩方法及装备，打破了传统的“隔膜式”与“液驱式”的界限，解决现有工艺路线技术中存在的氢气不纯净、存在设备配置功率大、能耗高、投资成本高、维护率高的问题，将隔膜式与液驱式进行创造性结合，通过设置液压驱动装置以及与液压驱动装置相连接的膜头组件，液压驱动装置包括液压缸和供油部，供油部通过管道与液压缸、膜头组件连接；膜头组件上设置有供气体进出的气体管道及油路管道，气体管道及油路管道上均设置有控制阀门，膜头组件上还设置有隔膜装置；通过使用液压缸驱动活塞挤压液压油作用于隔膜实现对氢气的压缩，一个液压缸带动两个膜头组件，液压缸往复运动一次可实现氢气压缩两次，有效的提高了氢气压缩的效率，降低了设备的运行功率，减少了机械传动部件，降低了设备及附属设施投资成本，降低了设备维护频率，降低了运行成本。

而且由于本发明一个液压缸带动两级膜头组件，实现了对出氢压力等级的灵活控制，本发明工艺装备可实现压力等级双模切换；以例：35MPa/70MPa压力为例，当两级膜头组件并联使用时，可以提高氢气压缩的出气量；当两级膜头串联使用时，经过两级压缩可以使氢气的出气气压力等级翻倍；使用终端在满足现行国内35MPa要求的同时，预留了适应未来加氢压力等级提升的能力，两级膜头的灵活使用可以使终端用户根据实际情况使用阀门切换来改变氢气的出气压力等级，实现快速升级，减少用户由于需要更高的70MPa出氢压力等级带来的二次投资。

本发明工艺路线的优化使设备结构简单，易损件少、故障率低，该技术压缩机装备的运动部件数量仅为传统机械式压缩机的5％、隔膜式压缩机的10％左右，从设计层面降低了设备的故障率；而且优化的技术工艺路线带来了更稳定的运行指标，压缩机装备维护间隔长、成本低，设备的维护周期远超传统的隔膜式压缩机及液驱式压缩机，在维护成本方面也成倍数降低。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的结构原理示意图；

图2为本发明油盘的轴侧结构示意图；

图3为本发明油盘轴测剖视示意图。

图中符号标记说明：

1.液压驱动装置；11.液压缸；12.液压供油站；13.供油循环管道；14.阀门装置；15.活塞；16.推杆；17.第二活塞；

2.膜头组件；21.隔膜装置；22.一级膜头组件；23.二级膜头组件；24.气盘；25.油盘；26.膜片；27.油腔；28.气腔；29.油路凹槽；

31.进气阀；32.排气阀；33.第一进气管道；34.第一出气管道；35.第二进气管道；36.第二出气管道。

具体实施方式

为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请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申请，并不用于限定本申请。

请参阅图1，本发明提供一种氢气压缩装备，包括液压驱动装置1以及与液压驱动装置1相连接的膜头组件2，液压驱动装置1包括液压缸11和供油部，供油部通过管道与液压缸11、膜头组件2连接；膜头组件2上设置有供气体进出的气体管道及油路管道，气体管道及油路管道上均设置有控制阀门，膜头组件2上还设置有隔膜装置21。

具体的，本发明中，膜头组件2设置有两个，分别为一级膜头组件22和二级膜头组件23，一级膜头组件22和二级膜头组件23分别设置在液压驱动装置1的两端且均与液压驱动装置1连接。

更进一步的，作为本发明优选的实施例，液压驱动装置1包括液压缸11和液压供油站12，液压供油站12通过供油循环管道13与液压缸11、一级膜头组件22及二级膜头组件23连接；每个供油循环管道13上均设置有阀门装置14，用于控制供油线路，通过阀门装置14以及膜头组件2之间的相互配合实现油液的循环供应和氢气的压缩过程。

更进一步的，液压供油站12上连接有分别与一级膜头组件22、二级膜头组件23相连通的进油管道和回油管道，液压供油站12上还设置有与液压缸11相连通的供油管道；液压供油站12通过管道向液压缸11供油为装备提供氢气压缩的动力，液压供油站12通过管道向膜头组件2的油腔供油作为补充作用。

具体的，液压缸11包括活塞15和推杆16，推杆16设置有两个，且分别设置在活塞151的两侧；其中推杆16的内端与液压缸11内的活塞15连接，推杆16的外端连接有第二活17塞，推杆16通过第二活塞17与膜头组件2的隔膜装置21连接。

液压缸11内含有通过液压供油站12供入的油液，油液作用于液压缸11内的活塞15，通过推杆16带动第二活塞17做往复运动。

更进一步的，作为本发明优选的实施例，隔膜装置21包括气盘24、油盘25及膜片26，气盘24与油盘25通过紧固件连接，膜片26设置在气盘24和油盘25之间，且通过密封件进行密封，防止油液和气体发生渗漏。

更进一步的，本发明中，紧固件可以采用紧固螺栓或者是其他结构来对气盘24与油盘25进行紧固。

具体的，气盘24与油盘25的对接面中部设置有凹陷弧形结构，且气盘24与油盘25的中部组成弧形腔，膜片26将弧形腔分隔为油腔27和气腔28。

更进一步的，如图2、图3所示，油腔27上设置有油路进口和油路出口，油腔27通过油路进出口与液压供油站12连接的供油管路相连接；并且油盘25靠近油腔27的一侧表面上设置有若干个油路凹槽29，油路凹槽29呈圆环状从内向外依次排布，从而使油腔27中的油液压力可以均匀的作用于膜片26上。

具体的，一级膜头组22件和二级膜头组件23上均设置有与隔膜装置21气腔28相连接的进气管道和出气管道，进气管道上设置有进气阀31，出气管道上设置有排气阀32；并且一级膜头组件22上设置有第一进气管道33和第一出气管道34，二级膜头组件23上设置有第二进气管道35和第二出气管道36。

更进一步的，气盘24与油盘25的外形优选为圆柱体状结构，同时也可以根据使用需求进行改变。

气盘24与膜片26的材质采用的是抗氢脆材质，本发明优选为含镍合金钢。

更进一步的，作为本发明优选的实施例，膜片26上设置的密封件保证油腔27内的油液及气腔28内的气体发生渗漏，密封件的材质可以选择橡胶材质，也可以选择金属材质或其他，同时密封件也可以是气盘24与油盘25之间设置有具有密封性质的镀层。

本发明还提供一种氢气压缩方法，其利用上述的氢气压缩装备进行氢气的压缩，步骤包括：

氢气的压缩过程分为吸气过程和压缩排气过程；

具体的，打开一级膜头组件22上的进气阀31，气体通过第一进气管道33进入一级膜头组件22，当液压供油站12通过供油管路向液压缸11供油，液压缸11的活塞15向一级膜头组件22方向运行时，一级膜头组件22处于压缩排气过程，此时关闭一级膜头组件22第一进气管道33上的进气阀31，气体进行压缩，当压力达到设定值时，打开一级膜头组件22第一出气管道34上的排气阀32，排出高压气体；

打开二级膜头组件23上的进气阀31，气体通过第二进气管道35进入二级膜头组件23，此时二级膜头组件23处于吸气过程，气体进入二级膜头组件23的气腔28，此时气腔28内的气压没有达到设定值，二级膜头组件23上的排气阀32仍处于关闭状态；当压力达到设定值时，打开二级膜头组件23上的排气阀32，排出高压气体。

更进一步的，本发明通过设置两个膜头组件2，即分别为一级膜头组件22和二级膜头组件23，一级膜头组件22和二级膜头组件23可以根据实际需求进行并联使用和串联使用。

当两级膜头组件并联使用时，压缩气体连接在一级膜头组件22的第一进气管道33的进气口和二级膜头组件23第二进气管道35的进气口；此时，一级膜头组件22第一出气管道34出气口的气压与二级膜头组件23第二出气管道36出气口的气压相等，设备整体出气量为串联使用的2倍，出气压力为串联使用的0.5倍。

当两级膜头组件串联使用时，压缩气体连接在一级膜头组件22第一进气管道33的进气口，经过一级膜头组件22压缩后，通过一级膜头组件22第一出气管道34的出气口排出，通过将一级膜头组件22第一出气管道34出气口与二级膜头组件23第二进气管道35的进气口相连，被一级膜头组件22压缩过一次的气体继续进入二级膜头组件23，然后通过二级膜头组件23第二出气管道36的出气口排出；此时，设备整体出气量为并联使用的0.5倍，出气压力为并联使用的2倍。

本发明提供一种氢气压缩方法及装备，打破了传统的“隔膜式”与“液驱式”的界限，将隔膜式与液驱式进行创造性结合，通过设置液压驱动装置1以及与液压驱动装置1相连接的膜头组件2，液压驱动装置1包括液压缸11和供油部，供油部通过管道与液压缸11、膜头组件2连接；膜头组件2上设置有供气体进出的气体管道及油路管道，气体管道及油路管道上均设置有控制阀门，膜头组件2上还设置有隔膜装置21；通过使用液压缸11驱动活塞挤压液压油作用于隔膜实现对氢气的压缩，一个液压缸11带动两个膜头组件2，液压缸11往复运动一次可实现氢气压缩两次，有效的提高了氢气压缩的效率，降低了设备的运行功率，减少了机械传动部件，降低了设备及附属设施投资成本，降低了设备维护频率，降低了运行成本。

而且由于本发明一个液压缸11带动两级膜头组件，实现了对出氢压力等级的灵活控制，本发明工艺装备可实现压力等级双模切换；以例：35MPa/70MPa压力为例，当两级膜头组件并联使用时，可以提高氢气压缩的出气量；当两级膜头串联使用时，经过两级压缩可以使氢气的出气气压力等级翻倍；使用终端在满足现行国内35MPa要求的同时，预留了适应未来加氢压力等级提升的能力，两级膜头的灵活使用可以使终端用户根据实际情况使用阀门切换来改变氢气的出气压力等级，实现快速升级，减少用户由于需要更高的70MPa出氢压力等级带来的二次投资。

本发明工艺路线的优化使设备结构简单，易损件少、故障率低，该技术压缩机装备的运动部件数量仅为传统机械式压缩机的5％、隔膜式压缩机的10％左右，从设计层面降低了设备的故障率；而且优化的技术工艺路线带来了更稳定的运行指标，压缩机装备维护间隔长、成本低，设备的维护周期远超传统的隔膜式压缩机及液驱式压缩机，在维护成本方面也成倍数降低。

在本发明的描述中，需要理解的是，诸如术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种氢气压缩装备，包括液压驱动装置以及与所述液压驱动装置相连接的膜头组件，其特征在于，所述液压驱动装置包括液压缸和供油部，所述供油部通过管道与所述液压缸、膜头组件连接；所述膜头组件上设置有供气体进出的气体管道及油路管道，所述气体管道及油路管道上均设置有控制阀门，所述膜头组件上还设置有隔膜装置。

2.根据权利要求1所述的一种氢气压缩装备，其特征在于，所述膜头组件设有两个，分别为一级膜头组件和二级膜头组件，所述一级膜头组件及二级膜头组件分别设置在所述液压驱动装置的两端。

3.根据权利要求1或2所述的一种氢气压缩装备，其特征在于，所述隔膜装置包括气盘、油盘及膜片，所述膜片设置在所述气盘与油盘之间，并且所述气盘与所述油盘连接设置。

4.根据权利要求3所述的一种氢气压缩装备，其特征在于，所述气盘与所述油盘的连接面中部为凹陷弧形结构且连接组成弧形腔，所述膜片将所述弧形腔分隔为上下设置的气腔和油腔，所述膜头组件通过所述油腔与所述液压缸相连接；所述气腔上设置有气体进口和气体出口，所述油腔上设置有油路进口和油路出口。

5.根据权利要求4所述的一种氢气压缩装备，其特征在于，所述油盘靠近所述油腔的一侧表面上设置有若干油路凹槽，且所述油路凹槽呈环状排布。

6.根据权利要求1或4所述的一种氢气压缩装备，其特征在于，所述液压缸包括活塞和推杆，所述液压缸上设置有与所述供油部相连接的油路进口，所述推杆设置在所述活塞两侧，所述推杆的外端部连接有第二活塞，所述第二活塞与所述隔膜装置上的油腔连接。

7.根据权利要求2所述的一种氢气压缩装备，其特征在于，所述供油部设有液压供油站，所述液压供油站上设置有与所述膜头组件相连通的进油管道和回油管道，所述液压供油站上还设置有与所述液压缸相连通的供油管道。

8.一种氢气压缩方法，其利用氢气压缩装备进行氢气的压缩，其特征在于，步骤包括：

打开一级膜头组件上的进气阀，气体通过进气管道进入一级膜头组件，当液压供油站通过供油管路向液压缸供油，液压缸的活塞向一级膜头组件方向运行时，一级膜头组件处于压缩排气过程，此时关闭一级膜头组件的进气阀，气体进行压缩，当压力达到设定值时，打开一级膜头组件上的排气阀，排出高压气体；

打开二级膜头组件上的进气阀，气体通过进气管道进入二级膜头组件，此时二级膜头组件处于吸气过程，气体进入二级膜头组件的气腔，此时气体腔内的气压没有达到设定值，二级膜头组件上的排气阀处于关闭状态；当压力达到设定值时，打开二级膜头组件上的排气阀，排出高压气体。

9.根据权利要求8所述的一种氢气压缩方法，其特征在于，所述一级膜头组件和二级膜头组件分为并联使用和串联使用；

当膜头组件并联使用时，压缩气体连接在一级膜头组件的进气口和二级膜头组件的进气口；

当膜头组件串联使用时，压缩气体连接在一级膜头组件的进气口，经过一级膜头组件压缩后，通过一级膜头组件的出气口排出，将一级膜头组件的出气口与二级膜头组件的进气口相连，被一级膜头组件压缩过一次的气体继续进入二级膜头组件，然后通过二级膜头组件的出气口排出。

10.根据权利要求9所述的一种氢气压缩方法，其特征在于，

当膜头组件并联使用时，所述一级膜头组件出气口的气压与所述二级膜头组件出气口的气压相等，设备整体出气量为串联使用的2倍，出气压力低于串联使用方法；

当膜头组件串联使用时，设备整体出气量为并联使用的0.5倍，出气压力高于并联使用方法。

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