CN114738661A - 一种单枪70MPa氢气加注机 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种单枪70MP氢气加注机，包括壳体，所述壳体内设有：多级压力取气系统，用于实现多级压力取气，能够选取不同压力等级的氢气源；流量控制系统，用于加注过程中氢气流量的检测和控制，能够计量氢气加注量以及实时调节氢气加注速率；氢气预冷系统，用于对氢气进行预冷却，能够有效降低加注氢气的温度；加注主管路，用于控制氢气加注的通断、泄压；安全检测系统，用于对加注和非加注过程中氢气压力、温度、泄漏量进行安全监控。本发明可将最高3.6kg/min流量的氢气预冷到‑40℃至‑30℃，并且实现氢气加注速率的无级调节，满足SAE J2601/SAE J2799加注协议的要求，便于实现70MPa压力氢燃料的安全、快速加注。

Description

一种单枪70MPa氢气加注机
技术领域
本发明属于燃料电池汽车的70MPa氢燃料加注技术，具体涉及一种单枪70MPa氢气加注机。
背景技术
在欧州、美国、日本、韩国等发达地区，加氢站的加氢压力均为35MPa和70MPa共存状态。而我国目前加氢站主要以35MPa氢气加注为主，70MPa氢气加注技术尚不成熟，与国外发达水平还存在明显差距。
而为了满足适用性的需求，氢气加注速度不应过慢，通常70MPa满充加注时间单车最好控制在5～10min。由于氢气在加注过程中会对燃料电池车储氢瓶组内氢气做功，以及氢气的负焦耳-汤姆逊效应的作用，如果加注速度过快会导致车载储氢瓶内氢气温度过高，造成安全隐患。根据SAE J2601协议的规定，70MPa氢气加注时燃料电池车内部气瓶的温度不可超过80℃的安全范围。为了控制加注温升，这就要求对氢气加注过程的速率进行合理控制，同时对氢气进行预冷却。根据SAE J2601协议的规定，对于70MPa氢燃料加注，氢气经冷却后的温度应可达到约-40℃～30℃，因此需要配备高效氢气换热器。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本申请提出一种单枪70MPa氢气加注机，包括壳体，所述壳体内设有：
多级压力取气系统，用于实现多级压力取气，能够选取不同压力等级的氢气源；
流量控制系统，用于加注过程中氢气流量的检测和控制，能够计量氢气加注量以及实时调节氢气加注速率；
氢气预冷系统，用于对氢气进行预冷却，能够有效降低加注氢气的温度；
加注主管路，用于控制氢气加注的通断、泄压；
安全检测系统，用于对加注和非加注过程中氢气压力、温度、泄漏量进行安全监控。
进一步的，所述多级压力取气系统包括若干氢气源进气管路，若干所述氢气源进气管路分别依次串联高压电磁阀和单向阀后再并联。
进一步的，所述氢气源进气管路的数量为三支，且分为低压、中压、高压三组压力等级，三支所述氢气源进气管路的入口处均设有压力传感器。加注机控制系统通过3支压力传感器的检测压力值，经判断后由控制3个高压电磁阀的通断实现3级压力气源的选取。
进一步的，三支所述氢气源进气管路的交汇处对应低压等级和中压等级的氢气源进气管路设有单向阀，以避免由于阀组的误动作或内漏而导致高压级气源泄漏到低、中压级管路。
进一步的，所述流量控制系统包括与所述多级压力取气系统连通的控制管路，所述控制管路上设有质量流量计和流量控制阀；所述流量计用于计量氢气的瞬时和累计流量并将计量结果发送给上位机，上位机采集瞬时流量信号，同时输出电信号控制流量控制阀开度大小。质量流量计和流量控制阀由加注机控制系统构成闭环PID控制，实时调节氢气加注流量和加注速率。
进一步的，所述氢气预冷系统包括与所述控制管路连通的高效氢气换热器，所述高效氢气换热器通过水路连接有外置冷水机，通过该换热器a7的预冷,氢气降温至-40℃至-30℃。
进一步的，所述加注主管路与所述氢气预冷系统的出口连通，所述加注主管路的末端设有加氢枪，所述加注主管路上设有截止阀和压力表；截止阀起开关作用，控制主管路氢气的通断，而压力表则可以显示加注压力；
所述加注主管路通过若干并联的放空管路连接有排空总管，所述放空管路上设有排空阀，排空阀和排空总管用于主管路内氢气的排空；
加氢枪口位置具有红外信号接收端口，可接收氢气加注对象的各项数据信息，便于流量控制系统根据接收到的信息调整加注参数。
进一步的，所述安全检测系统包括设置于各系统上的相关传感器，加注机控制系统在加注过程中对安全检测系统各传感器信号采集，检测到超温、超压或氢气泄露量达到报警值时，则控制相应截止阀切断所述加注主管路，随后打开相应的排空阀进行泄压，确保加注机或燃料电池车储氢系统安全。
进一步的，所述壳体用不同功能区域分腔体设计，其中至少包括两个相互独立的腔体；加注机内部主要管路及阀件安装在第一腔体内，加氢枪及相关组件设于第二腔体内；所述第二腔体由盖板和壳体围成，所述第二腔体的顶部开设有通风孔。
进一步的，所述壳体内一体式焊接有支撑框架，具有较高的刚性和结构强度，加注机内部工艺管路以及相关组件均固定于所述支撑框架上；氢气预冷换热器采用印刷版式换热器形式，固定于加注机内部支撑框架底部。
所述壳体的正面为操作面板和加注压力表，所述操作面板包括液晶显示屏、一体式键盘板和急停按钮，液晶显示屏可显示加注压力、瞬时流量、累计加注量、金额等信息。
本发明提出的单枪70MPa氢气加注机，与现有技术相比，其有益效果在于：
本发明可将最高3.6kg/min流量的氢气预冷到-40℃至-30℃，并且实现氢气加注速率的无级调节，满足SAE J2601/SAE J2799加注协议的要求，便于实现70MPa压力氢燃料的安全、快速加注。
附图说明
图1为氢气加注机的管路原理图，
图2为氢气加注机的腔体结构图，
图3为氢气加注机的正面图。
附图序号及名称：a1、压力传感器，a2、高压电磁阀，a3、单向阀，a4、过滤器，a5、流量控制阀，a6、质量流量计，a7、高效氢气换热器，a8、氢泄漏传感器，a9、截止针阀，a10、环境温度传感器，a11、排空总管，a12、气动截止阀，a13、手动排空阀，a14、安全阀，a15、自动排空阀，a16、压力表，a17、加注压力传感器，a18、氢泄漏传感器，a19、加氢枪；
b1、工艺管路腔体，b2、加注腔体，b3、电控腔体，b4、加注机控制器，b5、电源箱体；
c1、加注压力表，c2、液晶显示屏，c3、一体式键盘板，c4、急停按钮。
具体实施方式
为使本领域技术人员能够更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。
本申请提出一种70MPa氢气加注机系统包括多级压力取气系统、流量控制系统、氢气预冷系统、加注主管路及安全检测系统。所述多级压力取气系统用于实现3级压力取气，选取不同压力等级的氢气源。所述流量控制系统用于加注过程中氢气流量的检测和控制，可对氢气加注量计量以及实时调节氢气加注速率。所述氢气预冷系统用于对氢气进行预冷却。加注主管路用于控制加注过程中氢气的通断及加注停止后管路内的泄压。安全检测系统用于对加注和非加注过程中氢气压力、温度、泄漏量进行安全监控。
多级压力取气系统包括3支入口压力传感器a1、3个高压电磁阀a2、单向阀a3及其连接管路。加注系统由低压、中压、高压3组压力等级的氢气源进气，3级气源分别依次串联高压电磁阀、单向阀后并联。3级气源入口处连接压力传感器。加注机控制系统通过3支压力传感器的检测压力值，经判断后由控制3个高压电磁阀的通断实现3级压力气源的选取。其中在3管路交汇处，低压、中压级管路串联单向阀，以避免由于阀组的误动作或内漏而导致高压级气源泄漏到低、中压级管路。a4为过滤器，用于在加注时过滤请其中固体颗粒杂质。
流量控制系统包含质量流量计a6和流量控制阀a5。流量计a6计量氢气的瞬时和累计流量。加注机控制器采集瞬时流量信号，同时输出电信号控制流量控制阀a5开度大小，调节氢气流量。质量流量计a6和流量控制阀a5由加注机控制系统构成闭环PID控制，有加注机主控系统以安全检测系统测得的各传感器实时数值，以一定策略实时调节氢气加注流量和加注速率。
氢气预冷系统由高效氢气换热器a7和外置冷水机组成。高效氢气换热器采用印刷板式换热器，具有高换热效率。通过该换热器a7的预冷,氢气降温至-40～-30℃，可避免燃料车载储氢气瓶内氢气快速加注到70MPa时温度过高。
加注主管路包括气动截止阀a12、手动排空阀a13、安全阀a14、自动排空阀a15、压力表a16。其中气动截止阀a12起开关作用，控制主管路氢气的通断。压力表a16可以显示加注压力。位于3条并联在主管路上的排空管路通过手动排空阀a13、安全阀a14、自动排空阀a15后汇聚到排空总管a11。手动排空阀a13可手动打开，用于在设备检修、吹扫时排空管路内气体。安全阀a14对加注过程中的管路起安全保护作用。加注正常结束或在需要紧急排空管路压力的情况下，自动排空阀a15被控制自动打开，排空主管路的氢气。
安全检测系统包括氢泄漏传感器a8、环境温度传感器a10、加注压力传感器a17、加注温度传感器组成a18。加注机控制系统在加注过程中对安全检测系统各传感器信号采集，检测到超温、超压或氢气泄露量达到报警值，则控制切断主管路气动截止阀a12，并随后打开自动排空阀a15泄压，确保加注机或燃料电池车储氢系统安全。a9为截止针阀，用于在检修时彻底关闭加氢机主管路。
加注主管路前端出口处依次通过拉断阀、高压软管、加氢枪a19连接被加注对象的加氢口。加氢枪口位置具有红外信号接收端口，可接收满足SAE J2601、SAE J2799等协议的燃料电池车发送的包含储氢系统参数、车载气瓶内压力值、温度值等数据信息。加注机控制系统通过这些信息判断选择加注控制策略，以实时调节氢气加注速率。
加注过程中，加注机控制系统实时测量计算测得车载储氢气瓶内压力与入口处3级气源压力差值大小，经一定的判定策略后选取接通合适压力等级的气源。确保流量控制系统前后压差合理，使加注速率的调节更可控。
采用上述70MPa单枪加注机工艺技术方案的实际设备结构采用外壳与支撑框架一体式焊接结构，具有较高的刚性和结构强度。加注机内部工艺管路固定于支撑框架上。3级压力取气电磁阀采用支架连接固定于支撑框架b2上。氢气预冷换热器采用印刷版式换热器形式，固定于加注机内部支撑框架底部。该换热器采用外置冷冻机循环载冷剂冷却，耐压100MPa以上的高压氢气，可将氢气预冷到-40～-30℃，降低加注过程中气瓶内温升，实现安全快速加注。
如图2所示，70MPa氢气加注机的加氢枪、拉断阀和高压软管位于加注机侧面独立的加注腔体空间中。加注b2腔体由盖板和加注机外壳围成，与加注机内部工艺管路腔体b1空间独立，其顶部开有通风孔。加氢过程中和加注结束后拉断阀和加氢枪的高压软管会正常渗漏出微量氢气。该结构可确保高压软管正常渗漏的微量氢气不会扩散进入管路腔体，且可通过顶部通风孔排入大气，避免引发加注机外壳内氢泄漏传感器误报。
加注机的电控系统位于其前部操作面板后独立的电控腔体b3内。该腔体电控系统壳体和电控系统柜门组成。加注机控制器b4和电源箱体b5分别安装于此腔体内，构成电控系统。电控系统到加注机管路腔体内各传感器的电缆通过防爆电缆接头引出此腔体。加注机电控系统采用防爆设计，电控系统腔体与加注机其他腔体完全隔绝，可进一步增加加注机系统的防爆安全性。
70MPa氢气加注机的正面外形结构如图3所示。加注机的正面为操作面板和加注压力表c1。操作面板包括液晶显示屏c2、一体式键盘板c3和急停按钮c4。液晶显示屏可显示加注压力、瞬时流量、累计加注量、金额等信息。
综上，仅为本发明之较佳实施例，不以此限定本发明的保护范围，凡依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆为本发明专利涵盖的范围之内。

Claims (10)

1.一种单枪70MP氢气加注机，其特征在于，包括壳体，所述壳体内设有：
多级压力取气系统，用于实现多级压力取气，能够选取不同压力等级的氢气源；
流量控制系统，用于加注过程中氢气流量的检测和控制，能够计量氢气加注量以及实时调节氢气加注速率；
氢气预冷系统，用于对氢气进行预冷却，能够有效降低加注氢气的温度；
加注主管路，用于控制氢气加注的通断、泄压；
安全检测系统，用于对加注和非加注过程中氢气压力、温度、泄漏量进行安全监控。
2.根据权利要求1所述的一种单枪70MPa氢气加注机，其特征在于：所述多级压力取气系统包括若干氢气源进气管路，若干所述氢气源进气管路分别依次串联高压电磁阀和单向阀后再并联。
3.根据权利要求2所述的一种单枪70MPa氢气加注机，其特征在于：所述氢气源进气管路的数量为三支，且分为低压、中压、高压三组压力等级，三支所述氢气源进气管路的入口处均设有压力传感器。
4.根据权利要求3所述的一种单枪70MPa氢气加注机，其特征在于：三支所述氢气源进气管路的交汇处对应低压等级和中压等级的氢气源进气管路设有单向阀。
5.根据权利要求1所述的一种单枪70MPa氢气加注机，其特征在于：所述流量控制系统包括与所述多级压力取气系统连通的控制管路，所述控制管路上设有质量流量计和流量控制阀；所述流量计用于计量氢气的瞬时和累计流量并将计量结果发送给上位机，上位机采集瞬时流量信号，同时输出电信号控制流量控制阀开度大小。
6.根据权利要求1所述的一种单枪70MPa氢气加注机，其特征在于：所述氢气预冷系统包括与所述控制管路连通的高效氢气换热器，所述高效氢气换热器通过水路连接有外置冷水机。
7.根据权利要求1所述的一种单枪70MPa氢气加注机，其特征在于：所述加注主管路与所述氢气预冷系统的出口连通，所述加注主管路的末端设有加氢枪，所述加注主管路上设有截止阀和压力表；截止阀起开关作用，控制主管路氢气的通断，而压力表则可以显示加注压力；
所述加注主管路通过若干并联的放空管路连接有排空总管，所述放空管路上设有排空阀，排空阀和排空总管用于主管路内氢气的排空；
加氢枪口位置具有红外信号接收端口，可接收氢气加注对象的各项数据信息，便于流量控制系统根据接收到的信息调整加注参数。
8.根据权利要求1所述的一种单枪70MPa氢气加注机，其特征在于：所述安全检测系统包括设置于各系统上的相关传感器，加注机控制系统在加注过程中对安全检测系统各传感器信号采集，检测到超温、超压或氢气泄露量达到报警值时，则控制相应截止阀切断所述加注主管路，随后打开相应的排空阀进行泄压，确保加注机或燃料电池车储氢系统安全。
9.根据权利要求1所述的一种单枪70MPa氢气加注机，其特征在于：所述壳体用不同功能区域分腔体设计，其中至少包括两个相互独立的腔体；加注机内部主要管路及阀件安装在第一腔体内，加氢枪及相关组件设于第二腔体内；所述第二腔体由盖板和壳体围成，所述第二腔体的顶部开设有通风孔。
10.根据权利要求1所述的一种单枪70MPa氢气加注机，其特征在于：所述壳体内一体式焊接有支撑框架，加注机内部工艺管路以及相关组件均固定于所述支撑框架上
所述壳体的正面为操作面板和加注压力表，所述操作面板包括液晶显示屏、一体式键盘板和急停按钮。
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