CN116518298A - 一种基于低温高压分级储氢的加氢站及其氢气加注方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于低温高压分级储氢的加氢站，包括依次连通的液氢储罐、储氢容器和加氢机，储氢容器通过主加注管路与加氢机连通，储氢容器有n个，n≥2，并且主加注管路设置有加注控制器；储氢容器为低温高压储氢容器，液氢储罐和储氢容器之间设置有增压泵和高压汽化器，储氢容器内存储的氢气的温度值为、最高压力值为，当n=2时，，；当n≥3时，，；加注控制器被配置为按照温度值由低到高的顺序依次控制对应的储氢容器与加氢机导通以参与加注作业。还公开了基于上述加氢站的氢气加注方法。应用本发明能够减少加氢站能耗、降低成本，同时更易实现对加注氢气温度值的控制。

Description

一种基于低温高压分级储氢的加氢站及其氢气加注方法

技术领域

本发明涉及氢能领域，具体涉及一种基于低温高压分级储氢的加氢站及其氢气加注方法。

背景技术

加氢站是为氢能汽车的储氢瓶充装氢燃料的专门场所，是氢能汽车商业化发展必需的基础设施之一。目前，外供氢加氢站根据运输过程中氢的状态主要可分为高压氢气储运式加氢站和低温液氢储运式加氢站。其中，高压氢气储运式加氢站的加注压力等级主要包括35MPa和70MPa两种，相关技术已较为成熟。在293k、70MPa条件下，氢气的密度为39.706。目前，国内加氢站加注压力等级仍以35MPa为主。为了提升车辆的续航能力，氢能乘用车、商用车（如大巴、重卡等）均在向70MPa压力等级发展。现有产品中，氢能大巴和重卡的储氢量可以达到30~40kg。氢能汽车市场的快速发展对加氢站的日加注能力和加氢成本提出了更高的要求。但长管拖车运输氢气的方式受到运输距离的限制，同时站内固定储氢量相对有限，直接影响加氢站日加氢能力。此外，氢气压缩机、冷冻机等设备运行能耗和维护成本较高，导致运营成本居高不下。

低温液氢储运式加氢站通过液氢罐车将站外集中制取的液氢运输至站内，并储存在站内液氢储罐中。饱和液氢的密度约为70.848，约为293K、70Mpa下氢气密度的1.78倍。此外，在占用相同空间的前提下，站内采用液氢储存形式较高压氢气储存形式能实现更高的储氢量，从而有效提高加氢站的日加注能力。现有低温液氢储运式加氢站的主流加注方法中采用了先将低温氢转化为常温氢、再通过预冷的方式对常温氢进行冷却的热管理方法，完全浪费了液氢本身携带的冷量，而后续又通过耗能使氢气获得冷量，因此存在显著的能量浪费，影响液氢加氢站整体经济性的提升。为解决这一技术问题，现有技术中一般采用这样的构思：将一部分的液氢按照现有的方式先转换为常温氢气，再利用另一部分的液氢所携带的冷量对前述常温氢气进行预冷，从而省去现有技术中用于对加注前的氢气进行预冷的预冷装置，节省了成本、减少液氢冷量的浪费。在中国公开专利CN116006889A、CN112483886A、CN113531388A和CN113701049A等公开的方案均具有上述构思。上述方案中利用液氢的部分冷量替代预冷装置的预冷作用虽然能够在一定程度上省去预冷装置的成本和能耗，但其相应的需要设置液氢的循环机组，也需要一定的成本。更为重要的是，这样的思路仅能够对一小部分的液氢的冷量进行利用，还是存在大量的冷量浪费。

发明内容

本发明旨在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明提供了一种基于低温高压分级储氢的加氢站及其氢气加注方法。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于低温高压分级储氢的加氢站，包括依次连通的液氢储罐、储氢容器和加氢机，所述储氢容器通过主加注管路与加氢机连通，所述储氢容器有n个，n≥2，并且所述主加注管路设置有加注控制器；所述储氢容器为低温高压储氢容器，所述液氢储罐和储氢容器之间设置有增压泵和高压汽化器，所述增压泵用于将液氢储罐输出的低温低压液氢增压为低温高压液氢，所述高压汽化器用于将增压泵输出的低温高压液氢汽化为低温高压氢气并将氢气调节至设定温度且存储至储氢容器中；其中，所述储氢容器内存储的氢气的温度值为、最高压力值为/>，当n=2时，，/>；当n≥3时，/>，/>；所述加注控制器被配置为按照温度值由低到高的顺序依次控制对应的储氢容器与加氢机导通以参与加注作业。

应用本发明具有以下有益效果：

1、通过将高压氢气按照温度值及压力值进行分级储存，且使其处于低温状态，这样就不用像现有技术中那样将低温液氢转换为常温氢气，而是将低温液氢转换为低温氢气即可，可显著减少冷量的浪费。另外，本发明中所有参与加注的氢气均为从液氢增压、汽化得到的低温氢气，而不是现有技术中那样“部分液氢转换得到常温高压氢气，再利用部分液氢所携带的冷量对前述常温高压氢气进行预冷”，因此本发明对冷量的浪费更少，并由此可减少冷却循环机组的使用，进一步降低成本。

2、按照温度值由低到高的顺序依次控制对应的储氢容器与加氢机导通以参与加注作业，可利用温度最低的储氢容器中的低温高压氢气对主加注管路及后续管路进行预冷降温，使得后续其它储氢容器中的氢气在经过主加注管路时不会再流失较多冷量，这样能够提高对加注氢气温度的控制精度。

可选的，-60℃≤≤-45℃，40MPa≤/>≤95MPa。该压力值范围以及温度值的上限是根据加氢机的加注工作参数要求得到的，而温度值的下限是发明人对“液氢转换得到低温氢气的过程”、“储氢容器的保温能力”、“储氢罐低温材料成本优化”、“低温氢气对主加注管路的预冷”以及“加氢机的加注工作参数要求”等多个角度考虑并经过模拟研究得到的。也即，将温度值的下限设计为-60℃便于液氢转换得到低温氢气的操作，本发明设计得到的储氢容器也具备将低温氢气较好地保温维持在该温度下的能力，该温度值能够对主加注管路取得较好的预冷效果，低温储氢罐的制造成本相比于常温储氢罐也不会有大幅度的提高，且在到达加氢机时满足加注工作参数要求。

可选的，n=3，其中，-60℃≤＜-55℃，-55℃≤/>＜-50℃，-50℃≤/>≤-45℃；40MPa≤/>＜50MPa，60MPa≤/>＜70MPa，80MPa≤/>≤95MPa。本方案给出了在储氢容器设计有三个的情况下优选的温度范围及压力范围。

可选的，所述储氢容器的设计压力在45MPa至50MPa时，其设计容积在5m³至8m³之间；所述储氢容器的设计压力在65MPa以上时，其设计容积在3m³至5m³之间。本发明的低温高压储氢容器是较大容器，其应用于加氢站内，具体的用于对车载储氢瓶进行加注氢气。

可选的，所述储氢容器包括：内筒体；绕带层，其由钢带交错缠绕在所述内筒体的外表面而形成；保护壳，其套设在所述内筒体及绕带层的外部；加强箍，其与绕带层焊接固定；封头；其包括内封头和外封头；以及，绝热层，其设置于所述保护壳及封头的外部；其中，所述内封头与绕带层的端部及内筒体焊接固定，所述外封头与绕带层的端部及加强箍焊接固定。通过设置内筒体、绕带层和保护壳这样的三层结构罐体使得其能够储存高压气体，在外部设置绝热层使得其具有良好的阻止热交换的能力，以维持内部氢气的低温温度。

可选的，所述储氢容器内设置有电加热组件，所述电加热组件包括换热管和设置在所述换热管内部的电热丝，所述换热管定位于所述内筒体的内壁上，所述电热丝的两端设置有伸出储氢容器的引线。通过设置电加热组件能够提升对加注氢气的温度控制精度，另外，将电加热组件设置在内筒体的内壁上可以直接与低温氢气接触，从而提高加热效率。

可选的，所述换热管的内壁与电热丝之间填充有导热介质。通过设置导热介质可使得电热丝发出的热量向换热管传输的更快，进一步提升对低温氢气的加热效率。

可选的，内部储存的氢气的压力值相邻的两个所述储氢容器分别为第一高压罐和第二高压罐，并且所述第一高压罐内部储存的氢气的压力值小于第二高压罐内部储存的氢气的压力值；所述主加注管路包括位于储氢容器与加注控制器之间的第一加注管路以及位于加注控制器与加氢机之间的汇总管路，所述第一高压罐和第二高压罐之间设置有第二加注管路，并且所述第二加注管路与加注控制器连通，所述加注控制器被配置为能够控制储氢容器选择通过第一加注管路或第二加注管路与汇总管路导通；所述第二加注管路设置有喷射器，所述喷射器具有与所述第一高压罐连通的引射流体入口、与所述第二高压罐连通的工作流体入口以及与加注控制器连通的喷射口，以通过第二高压罐输出的氢气带动第一高压罐输出的氢气共同从所述喷射口喷出。采用上述方案可利用第二高压罐内部高压氢气通过喷射器带动第一高压罐内部高压氢气一起流向加氢机，使得第一高压罐内的氢气能够得到充分的利用。这样在储氢容器内的氢气使用完成后需要进行氢气补充操作时，由于增压泵向第一高压罐内补充氢气所消耗的能量相对较少，在第一高压罐内的氢气能够充分利用的情况下，加氢站整体耗能就会降低。

此外，本发明还提供了一种氢气加注方法，应用如前述技术方案中任一项所述的基于低温高压分级储氢的加氢站实现，用于对车载储氢瓶加注氢气，其特征在于，该氢气加注方法包括以下步骤：

S100：通过加注控制器控制存储有温度值为、最高压力值为/>的氢气的储氢容器与加氢机导通，以对主加注管路及后续管路进行预冷并进行加注作业；

S200：在存储有温度值为、最高压力值为/>的氢气的储氢容器的内部压力值下降至小于加氢机的背压与设定的切换压差值之和时，按照温度值由低到高的顺序控制下一个储氢容器与加氢机导通进行加注；

S300：按照步骤S200的方式对其余的储氢容器进行利用，直至完成加注作业或全部储氢容器的内部压力值下降至小于加氢机的背压与设定的切换压差值之和。本发明所提供的氢气加注方法与前述的加氢站的有益效果推理过程相似，在此不再赘述。

此外，本发明还提供了一种氢气加注方法，应用如上述技术方案中所述的基于低温高压分级储氢的加氢站实现，用于对车载储氢瓶加注氢气，其特征在于，该氢气加注方法包括以下步骤：

S100：通过加注控制器控制存储有温度值为、最高压力值为/>的氢气的储氢容器选择通过第一加注管路与汇总管路导通并进行加注，以对主加注管路及后续管路进行预冷并进行加注作业；

S200：在存储有温度值为、最高压力值为/>的氢气的储氢容器的内部压力值下降至小于加氢机的背压与设定的切换压差值之和时，通过加注控制器控制存储有温度值为、最高压力值为/>的氢气的储氢容器以及存储有温度值为/>、最高压力值为/>的氢气的储氢容器选择通过第二加注管路与汇总管路导通并进行加注，以提高存储有温度值为/>、最高压力值为/>的氢气的储氢容器内的氢气使用率；

S300：在喷射口的压力值小于加氢机的背压与设定的切换压差值之和时，通过加注控制器控制存储有温度值为、最高压力值为/>的氢气的储氢容器选择通过第一加注管路与汇总管路导通并进行加注；

S400：按照步骤S200和S300的方式对其余的储氢容器进行利用，直至完成加注作业或全部储氢容器的内部压力值下降至小于加氢机的背压与设定的切换压差值之和。本发明所提供的氢气加注方法与前述的加氢站的有益效果推理过程相似，在此不再赘述。

本发明的这些特点和优点将会在下面的具体实施方式以及附图中进行详细的揭露。本发明最佳的实施方式或手段将结合附图来详尽表现，但并非是对本发明技术方案的限制。另外，在每个下文和附图中出现的这些特征、要素和组件是具有多个，并且为了表示方便而标记了不同的符号或数字，但均表示相同或相似构造或功能的部件。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明：

图1为本发明实施例一提供的一种基于低温高压分级储氢的加氢站的示意图；

图2为实施例一中储氢容器的剖视图；

图3为实施例一中电加热组件的剖视图；

图4为实施例二提供的一种基于低温高压分级储氢的加氢站的示意图。

其中，1.液氢储罐，2.第一增压泵，3.第二增压泵，4.第一高压汽化器，5.第二高压汽化器，6.储氢容器，60.第一储氢容器，61.第二储氢容器，62.第三储氢容器，63.内筒体，64.绕带层，65.保护壳，66.封头，660.内封头，661.外封头，662.封头座，663.加强箍，67.绝热层，670.传感器接口，68.电加热组件，680.换热管，681.电热丝，682.导热介质，69.鞍座，7.加注控制器，8.加氢机，80.高压电加热器，9.主加注管路，90.汇总管路，91.第一加注管路，10.第二加注管路，100.第一喷射器，101.第二喷射器。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。基于实施方式中的实施例，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本说明书中引用的“一个实施例”或“实例”或“例子”意指结合实施例本身描述的特定特征、结构或特性可被包括在本申请公开的至少一个实施例中。短语“在一个实施例中”在说明书中的各位置的出现不必都是指同一个实施例。

实施例一：本实施例提供了一种基于低温高压分级储氢的加氢站，如图1中所示，与现有技术中一样的是，该加氢站包括依次连通的液氢储罐1、储氢容器6和加氢机8。外部液氢罐车将液氢运送到加氢站并输送至液氢储罐1内，液氢储罐1用于将液氢输送至储氢容器6（该过程中液氢形态将发生改变，现有技术中是将低温液氢转换为常温氢气），储氢容器6再将氢气输送至加氢机8，加氢机8用于对车载储氢瓶进行加注操作。本实施例中的储氢容器6设置有三个，分别为第一储氢容器60、第二储氢容器61和第三储氢容器62，储氢容器6的设置数量可根据市场需求及加氢站规模进行相应调整，本实施例中的加氢站是分级储氢，因此储氢容器的数量至少要设置两个。储氢容器6通过主加注管路9与加氢机8连通，并且主加注管路9设置有加注控制器7，主加注管路9包括位于储氢容器6与加注控制器7之间的第一加注管路91以及位于加注控制器7与加氢机8之间的汇总管路90。加注控制器7在现有技术中也有采用，其工作原理简单介绍如下：在第一加注管路91为每个储氢容器6分别对应设置有电控阀，电控阀与加注控制器7电连接且受加注控制器7控制而开闭。因此，加注控制器7通过控制电控阀就可以控制相应的储氢容器6与汇总管路90导通并参与加注作业。本实施例提供的该加氢站作出的改进在于：所使用的储氢容器6为低温高压储氢容器6，相应的，在液氢储罐1和储氢容器6之间设置有增压泵和高压汽化器，增压泵用于将液氢储罐1输出的低温低压液氢增压为低温高压液氢，高压汽化器用于将增压泵输出的低温高压液氢汽化为低温高压氢气并将氢气调节至设定温度且存储至储氢容器6中。增压泵和高压汽化器在现有的加氢站内也得到使用，增压泵用于将低温低压液氢增压为低温高压液氢，以便于后续的氢气加注作业（加注氢气的最高压力需高于车载储氢瓶的公称工作压力）。

高压汽化器在现有技术中一般直接将低温高压液氢汽化为常温高压氢气，而本实施例中是利用高压汽化器将低温高压液氢转换为低温高压氢气。通过将高压氢气按照温度值及压力值进行分级储存，且使其处于低温状态，这样就不用像现有技术中那样将低温液氢转换为常温氢气，而是将低温液氢转换为低温氢气即可，可显著减少冷量的浪费。另外，本发明中所有参与加注的氢气均为从液氢转换得到的低温氢气，而不是现有技术中那样“部分液氢转换得到常温高压氢气，再利用部分液氢所携带的冷量对前述常温高压氢气进行预冷”，因此本发明对冷量的浪费更少，并由此可减少冷却循环机组的使用，进一步降低成本。

另外，为便于描述，将储氢容器6内存储的氢气的温度值称为、最高压力值称为，本实施例中设置有三个储氢容器6，相应的n=3，也即第一储氢容器60的温度值为/>、最高压力值为/>，第二储氢容器61的温度值为/>、最高压力值为/>，第三储氢容器62的温度值为/>、最高压力值为/>。本实施例提供的加氢站是分级储氢，具体的，/>，，并且本实施例中的加注控制器7被配置为按照温度值由低到高的顺序依次控制对应的储氢容器6与加氢机8导通以参与加注作业。按照温度值由低到高的顺序依次控制对应的储氢容器6与加氢机8导通以参与加注作业，可利用温度最低的储氢容器6中的低温高压氢气对主加注管路9及后续管路进行预冷降温，使得后续其它储氢容器6中的氢气在经过主加注管路9时不会再流失较多冷量，这样能够提高对加注氢气温度的控制精度。

如前所述，储氢容器的数量可以适应性调整，因此，在其它不同的实施方式中，当n=2时，，/>；当n≥3时，/>，/>。

本实施例中的增压泵设置有两个，分别为第一增压泵2和第二增压泵3，对应的高压汽化器设置有第一高压汽化器4和第二高压汽化器5。液氢储罐1与第一增压泵2和第二增压泵3均通过管路连通，且在管路上设置有电控阀；第一增压泵2和第一高压汽化器4通过管路连通，第二增压泵3和第二高压汽化器5通过管路连通，且在管路上设置有单向阀；第一高压汽化器4通过管路与第一储氢容器60连通，第二高压汽化器5通过管路与第二储氢容器61以及第三储氢容器62均连通，且在管路上设置有电控阀。第一储氢容器60、第二储氢容器61和第三储氢容器62均与第一加注管路91连通，且第一加注管路91上均设置有电控阀。当需要向第一储氢容器60内充气（补气）时，通过将相应的电控阀打开，液氢从液氢储罐1输出并经过第一增压泵2及第一高压汽化器4进入到第一储氢容器60。当第二储氢容器61和第三储氢容器62需要充气（补气）时同理。设置两个增压泵和高压汽化器是因为储氢容器6的最高压力值及温度值均不同，相应的增压泵、高压汽化器的工作参数不同，因此第一储氢容器60单独使用能够满足为其提供符合要求的氢气的增压泵和高压汽化器即可，这样可以降低成本。

本实施例中储氢容器6内的氢气设计温度范围及设计压力范围如下：-60℃≤＜-55℃，-55℃≤/>＜-50℃，-50℃≤/>≤-45℃；40MPa≤/>＜50MPa，60MPa≤/>＜70MPa，80MPa≤/>≤95MPa。当然，在其它的实施方式中，也可以对储氢容器的数量以及每个储氢容器相应的温度值、最高压力值进行调整，但是其温度范围、压力范围一般需要满足下述条件：-60℃≤/>≤-45℃，40MPa≤/>≤95MPa。该压力值范围以及温度值的上限是根据加氢机的加注工作参数要求得到的，而温度值的下限是发明人对 “液氢转换得到低温氢气的过程”、“储氢容器的保温能力”、“储氢罐低温材料成本优化”、“低温氢气对主加注管路的预冷”以及“加氢机的加注工作参数要求”等多个角度考虑并经过模拟研究得到的。也即，将温度值的下限设计为-60℃便于液氢转换得到低温氢气的操作，本发明设计得到的储氢容器6也具备将低温氢气较好地保温维持在该温度下的能力，该温度值能够对主加注管路9取得较好的预冷效果，且在到达加氢机8时满足加注工作参数要求。

需要说明的是，现有技术中也有加氢站将其中部分储氢容器设计为低温高压储氢容器的，例如在中国公开专利CN115355440A中就公开了一种加氢站，其内部设置的储氢容器就被设计为低温高压氢储罐和常温高压氢储罐两种。但其低温高压氢中的一部分还是要像现有技术中一样汽化加热为常温高压氢，同时另一部分仅能够针对专门安装有低温高压氢储罐的车辆进行加注。需要配备专用的低温高压氢加注单元且其低温高压氢的温度范围一般为233K至253K之间（-40.15℃至-20.15℃之间），因此其与本申请中设置多个低温高压储氢容器且温度分级的方案不同，本申请中对于低温高压氢气的设计温度也与其有较大差别，相应的本申请的方案在应用时能够起到更好的节能作用。

本实施例中第一储氢容器60的设计压力在45MPa至50MPa之间，相应的其设计容积在5m³至8m³之间；第二储氢容器61和第三储氢容器62的设计压力在65MPa以上，其设计容积在3m³至5m³之间。本发明的低温高压储氢容器6是较大容器，其应用于加氢站内，具体的用于对车载储氢瓶进行氢气加注。

由于本实施例中的储氢容器6需要具有储存低温、高压氢气，因此其需要具有较好的耐压、保温效果，发明人对现有的储氢容器6进行低温化设计，具体的，如图2中所示，本实施例中的储氢容器6包括内筒体63、绕带层64、保护壳65、封头66、加强箍663和绝热层67。其中，内筒体63由奥氏体不锈钢复材和低温压力容器用钢基材组成的复合钢板制成，绕带层64由钢带交错缠绕在内筒体63的外表面而形成，保护壳65套设在内筒体63及绕带层64的外部，保护壳65也采用低温压力容器用钢材质。加强箍663与绕带层64焊接固定，封头66包括内封头660和外封头661，其中，内封头660与绕带层64的端部及内筒体63焊接固定，外封头661与绕带层64的端部及加强箍663焊接固定。内封头660的材质与内筒体63材质相同，外封头661的材质与绕带层64、保护壳65的材质相同。绝热层67设置于保护壳65及封头66的外部，绝热层67可以采用膨胀泡沫绝热或其他绝热结构。储氢容器6还设置有用于安装各类传感器的传感器接口670，例如可将氢气传感器与传感器接口670连接，用于监测绕带层64中的氢气泄露情况。其还设置有鞍座69以便于安装。另外，在封头66的端部还具有封头座662，封头座662设置有供氢气进出的管路。通过设置内筒体63、绕带层64和保护壳65这样的三层结构罐体使得其能够储存高压气体，在外部设置绝热层67使得其具有良好的阻止热交换的能力，以维持内部氢气的低温状态。进一步的，本实施例中的储氢容器6内设置有电加热组件68，结合图3中所示，电加热组件68包括换热管680和设置在换热管680内部的电热丝681，换热管680定位于内筒体63的内壁上，电热丝681的两端设置有伸出储氢容器6的引线。由于储氢容器6的两端均设置有封头66，一端的封头66上的封头座662就可以供氢气进出，另一端的封头66上的封头座662就可以供上述引线伸出，以便与外部电源及控制线路连接。通过设置电加热组件68能够提升对加注氢气的温度控制精度，另外，将电加热组件68设置在内筒体63的内壁上可以直接与低温氢气接触，从而提高加热效率。换热管680可采用铜材质或奥氏体不锈钢材质。更进一步的，本实施例中在换热管680的内壁与电热丝681之间填充有导热介质682。通过设置导热介质682可使得电热丝681发出的热量向换热管680传输的更快，进一步提升对低温氢气的加热效率。导热介质682可以为导热油或者氧化镁粉末。

在应用本实施例提供的该加氢站对车载储氢瓶进行加注作业的过程说明如下：

S100：通过加注控制器7控制存储有温度值为、最高压力值为/>的氢气的储氢容器6与加氢机8导通，以对主加注管路9及后续管路进行预冷并进行加注作业；在该步骤中，由于发明人经过模拟研究将/>设计为-60℃至-55℃之间，该温度的低温高压氢气在流通经过主加注管路9及后续管路的过程中，一方面可以对主加注管路9及后续管路进行预冷降温，另一方面氢气自身温度可升高至-40℃至-35℃之间，满足加氢机8对温度参数的要求。本实施例中所述的后续管路是指加氢机内部管路以及需要加注氢气的车辆内部管路。

S200：在存储有温度值为、最高压力值为/>的氢气的储氢容器6的内部压力值下降至小于加氢机8的背压与设定的切换压差值之和时，控制存储有温度值为/>、最高压力值为/>的氢气的储氢容器6与加氢机8导通，也即按照温度值由低到高的顺序控制下一个储氢容器6与加氢机8导通进行加注；

S300：按照步骤S200的方式对其余的储氢容器6进行利用，直至完成加注作业或全部储氢容器6的内部压力值下降至小于加氢机8的背压与设定的切换压差值之和。

需要说明的是，本实施例中所述的加氢机的背压是指加氢机在工作时的实际工作压力，其为变化值，例如使用一台额定工作压力为70MPa的加氢机对工作公称工作压力为70MPa车载储氢瓶进行加注时，由于车载储氢瓶是在氢气相对不够充足的状态才会到加氢站加注氢气，因此在加注开始时其内部压力必然不会达到工作公称压力。因此，在加注的前期阶段，加氢机的背压是被控制为略高于车载储氢瓶的实际压力，例如车载储氢瓶加注前的内部压力只有5MPa，则开始加注时加氢机的背压（实际工作压力）大致为6至7MPa即可，随着加注作业的进行，车载储氢瓶内部压力升高，加氢机的背压也会随之升高。加氢机这样的工作原理是为了保证加氢机与车载储氢瓶之间保持适宜的压差，适宜的压差使得氢气以受控、适宜的流速被加注到车载储氢瓶内。而本实施例中所述的切换压差值是人为设定的一个范围，一般为2MPa至5MPa之间的选定值，这样设计的目的也是为了使得氢气以受控、适宜的流速从储氢容器流动至加氢机，以便达到较好的加注效率。按照上述举例说明，最初加注时使用第一储氢容器进行加注，假定第一储氢容器的最高压力值为45MPa，随着加注作业的进行，车载储氢瓶内的压力逐渐升高到35MPa，此时加氢机的背压就会升高至37MPa，而第一储氢容器的内部压力随着氢气的流出会下降，假定其下降至40MPa。若将切换压差值设定为3MPa，则第一储氢容器的压力已经下降至加氢机的背压与设定的切换压差值之和，若继续使用第一储氢容器进行加注作业，氢气的流动速度就会降低，相应的加注效率也会降低。加氢机的背压和切换压差值均为现有技术，上述对其原理进行说明，不再赘述。另外结合上述的举例容易理解的是，本实施例中所述的“按照温度值由低到高的顺序依次控制对应的储氢容器与加氢机导通以参与加注作业”并不是说将第一储氢容器中的氢气使用完毕才会使用第二储氢容器进行加注，而是在每一次对一辆车的车载储氢瓶进行加注作业时，均会先使用第一储氢容器进行加注作业直至其压力下降至不适宜再继续加注，然后切换至第二储氢容器进行加注作业，依此类推，直至最后一个压力最大的储氢容器参与加注，将车载储氢瓶加注至其内部压力达到目标压力。

在上述步骤中，若低温高压氢气温度过低，不能满足加氢机8的温度参数要求，可以通过储氢容器6内部的电加热组件68或加氢机8自带的高压电加热器80对低温高压氢气进行加热，使其满足要求。此处需要说明的是，大部分加氢站所处地理位置的环境温度在大多时间内不会低于-20℃，在这样的情况下，即使需要用到电加热组件68或高压电加热器80对低温氢气进行加热，其所消耗的能量也远低于现有技术中使用制冷设备对常温氢气进行制冷所消耗的能量。

应用本实施例提供的加氢站进行模拟，在三个储氢容器6内的氢气处于不同的设计压力、设计温度条件下进行加注作业，分别与现有技术中使用常温高压储氢容器的方案相比较（储氢容器的数量相同，相对应的容积、压力均相同），得到如下模拟结果：

模拟一：第一储氢容器60的储氢温度为-60℃、最高工作压力为45MPa；第二低温高压储氢容器储氢温度为-55℃，最高工作压力为65MPa；第三低温高压储氢容器储氢温度为-50℃，最高工作压力为90MPa；三级储氢容器6的容积比为1:1:1。对99L、70MPa车载储氢瓶的加注率（SOC）可达到91.2%（高于现有技术中采用常温高压储氢容器的方案SOC能够达到的90.5%），而本申请的加氢站的加注能耗（完成上述加注所消耗的电能）仅为现有技术中加氢站的加注能耗的20%。

模拟二：第一储氢容器60的储氢温度为-55℃、最大工作压力为40MPa；第二低温高压储氢容器储氢温度为-50℃，最大工作压力为60MPa；第三低温高压储氢容器储氢温度为-45℃，最大工作压力为80MPa；三级储氢容器6的容积比为1:1:1。对车载储氢瓶的加注率（SOC）可达到91.1%（高于现有技术中采用常温高压储氢容器的方案SOC能够达到的90.5%），而本申请的加氢站的加注能耗（完成上述加注所消耗的电能）仅为现有技术中加氢站的加注能耗的22%。

模拟三：第一储氢容器60的储氢温度为-58℃、最大工作压力为50MPa；第二低温高压储氢容器储氢温度为-52℃，最大工作压力为70MPa；第三低温高压储氢容器储氢温度为-46℃，最大工作压力为95MPa；三级储氢容器6的容积比为1:1:1。对车载储氢瓶的加注率（SOC）可达到91.2%（高于现有技术中采用常温高压储氢容器的方案SOC能够达到的90.5%），而本申请的加氢站的加注能耗（完成上述加注所消耗的电能）仅为现有技术中加氢站的加注能耗的21%。

实施例二：本实施例也提供了一种基于低温高压分级储氢的加氢站，本实施例与上述实施例的区别在于，如图4中所示，本实施例中还在储氢容器6与加注控制器7之间设置有第二加注管路10，并且在第二加注管路10上设置有喷射器。为便于描述，本实施例中将内部储存的氢气的压力值相邻的两个储氢容器6分别为第一高压罐和第二高压罐，并且第一高压罐内部储存的氢气的压力值小于第二高压罐内部储存的氢气的压力值。例如，第一储氢容器60和第二储氢容器61内部储存的氢气的压力值相邻，则两者中第一储氢容器60为第一高压罐，第二储氢容器61就为第二高压罐。而第二储氢容器61和第三储氢容器62内部储存的氢气的压力值相邻，则两者中第二储氢容器61为第一高压罐，第三储氢容器62为第二高压罐。也即，第一高压罐或第二高压罐并不是特指某个具体的储氢容器6。

在第一高压罐和第二高压罐之间设置有第二加注管路10，具体到本实施例中，就是在第一储氢容器60与第二储氢容器61之间设置有第二加注管路10，在第二储气罐与第三储氢容器62之间也设置有第二加注管路10。并且第二加注管路10与加注控制器7连通，加注控制器7被配置为能够控制储氢容器6选择通过第一加注管路91或第二加注管路10与汇总管路90导通；第二加注管路设置有喷射器（在第一储氢容器60与第二储氢容器61之间的为第一喷射器100，在第二储气罐与第三储氢容器62之间的为第二喷射器101），喷射器具有与第一高压罐连通的引射流体入口、与第二高压罐连通的工作流体入口以及与加注控制器7连通的喷射口，以通过第二高压罐输出的氢气带动第一高压罐输出的氢气共同从喷射口喷出。采用上述方案可利用第二高压罐内部高压氢气通过喷射器带动第一高压罐内部高压氢气一起流向加氢机8，使得第一高压罐内的氢气能够得到充分的利用。这样在储氢容器6内的氢气使用完成后需要进行氢气补充操作时，由于增压泵向第一高压罐内补充氢气所消耗的能量相对较少，在第一高压罐内的氢气能够充分利用的情况下，加氢站整体耗能就会降低。

需要说明的是，喷射器为现有设备，可于市面直接采购，本申请只是将其应用在该方案中，利用喷射器实现通过第二高压罐的氢气带动第一高压罐的氢气共同排出的目的，从而提升第一高压罐的氢气使用率，降低增压泵补气时的能耗。

在应用本实施例提供的该加氢站对车载储氢瓶进行加注作业的过程说明如下：

S100：通过加注控制器7控制存储有温度值为、最高压力值为/>的氢气的储氢容器6选择通过第一加注管路91与汇总管路90导通并进行加注，以对主加注管路9及后续管路进行预冷；

S200：在存储有温度值为、最高压力值为/>的氢气的储氢容器6的内部压力值下降至小于加氢机8的背压与设定的切换压差值之和时（随着加注作业的进行，储氢容器6内的氢气减少，压力下降），通过加注控制器7控制存储有温度值为/>、最高压力值为/>的氢气的储氢容器6以及存储有温度值为/>、最高压力值为/>的氢气的储氢容器6选择通过第二加注管路10与汇总管路90导通并进行加注，以提高存储有温度值为/>、最高压力值为的氢气的储氢容器6内的氢气使用率；

S300：在喷射口的压力值小于加氢机8的背压与设定的切换压差值之和时，通过加注控制器7控制存储有温度值为、最高压力值为/>的氢气的储氢容器6选择通过第一加注管路91与汇总管路90导通并进行加注；

S400：按照步骤S200和S300的方式对其余的储氢容器6进行利用，直至完成加注作业或全部储氢容器6的内部压力值下降至小于加氢机8的背压与设定的切换压差值之和。

应用本实施例提供的加氢站进行模拟，在模拟条件与实施例一中的模拟一、模拟二、模拟三分别相同的情况下，第一储氢容器60的氢气利用率均增加了5.2%左右，第二储氢容器61的氢气利用率均增加了4.9%左右，加氢站整体的能耗能够进一步降低约4.8%。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，熟悉该本领域的技术人员应该明白本发明包括但不限于附图和上面具体实施方式中描述的内容。任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。

Claims (10)

1.一种基于低温高压分级储氢的加氢站，包括依次连通的液氢储罐（1）、储氢容器（6）和加氢机（8），所述储氢容器（6）通过主加注管路（9）与加氢机（8）连通，所述储氢容器（6）有n个，n≥2，并且所述主加注管路（9）设置有加注控制器（7）；

其特征在于，所述储氢容器（6）为低温高压储氢容器，所述液氢储罐（1）和储氢容器（6）之间设置有增压泵和高压汽化器，所述增压泵用于将液氢储罐（1）输出的低温低压液氢增压为低温高压液氢，所述高压汽化器用于将增压泵输出的低温高压液氢汽化为低温高压氢气并将氢气调节至设定温度且存储至储氢容器（6）中；

其中，所述储氢容器（6）内存储的氢气的温度值为、最高压力值为/>，当n=2时，，/>；

当n≥3时，，/>；

所述加注控制器（7）被配置为按照温度值由低到高的顺序依次控制对应的储氢容器（6）与加氢机（8）导通以参与加注作业。

2.如权利要求1所述的基于低温高压分级储氢的加氢站，其特征在于，-60℃≤≤-45℃，40MPa≤/>≤95MPa。

3.如权利要求2所述的基于低温高压分级储氢的加氢站，其特征在于，n=3，其中，-60℃≤＜-55℃，-55℃≤/>＜-50℃，-50℃≤/>≤-45℃；

40MPa≤＜50MPa，60MPa≤/>＜70MPa，80MPa≤/>≤95MPa。

4.如权利要求2所述的基于低温高压分级储氢的加氢站，其特征在于，所述储氢容器（6）的设计压力在45MPa至50MPa时，其设计容积在5m³至8m³之间；所述储氢容器（6）的设计压力在65MPa以上时，其设计容积在3m³至5m³之间。

5.如权利要求1至4中任一项所述的基于低温高压分级储氢的加氢站，其特征在于，所述储氢容器（6）包括：

内筒体（63）；

绕带层（64），其由钢带交错缠绕在所述内筒体（63）的外表面而形成；

保护壳（65），其套设在所述内筒体（63）及绕带层（64）的外部；

封头（66）；其包括内封头（660）和外封头（661）；

加强箍（663），其与绕带层（64）焊接固定；以及，

绝热层（67），其设置于所述保护壳（65）及封头（66）的外部其中，所述内封头（660）与绕带层（64）的端部及内筒体（63）焊接固定，所述外封头（661）与绕带层（64）的端部及加强箍（663）焊接固定。

6.如权利要求5所述的基于低温高压分级储氢的加氢站，其特征在于，所述储氢容器（6）内设置有电加热组件（68），所述电加热组件（68）包括换热管（680）和设置在所述换热管（680）内部的电热丝（681），所述换热管（680）定位于所述内筒体（63）的内壁上，所述电热丝（681）的两端设置有伸出储氢容器（6）的引线。

7.如权利要求6所述的基于低温高压分级储氢的加氢站，其特征在于，所述换热管（680）的内壁与电热丝（681）之间填充有导热介质（682）。

8.如权利要求1至4中任一项所述的基于低温高压分级储氢的加氢站，其特征在于，内部储存的氢气的压力值相邻的两个所述储氢容器（6）分别为第一高压罐和第二高压罐，并且所述第一高压罐内部储存的氢气的压力值小于第二高压罐内部储存的氢气的压力值；

所述主加注管路（9）包括位于储氢容器（6）与加注控制器（7）之间的第一加注管路（91）以及位于加注控制器（7）与加氢机（8）之间的汇总管路（90），所述第一高压罐和第二高压罐之间设置有第二加注管路（10），并且所述第二加注管路（10）与加注控制器（7）连通，所述加注控制器（7）被配置为能够控制储氢容器（6）选择通过第一加注管路（91）或第二加注管路（10）与汇总管路（90）导通；

所述第二加注管路（10）设置有喷射器，所述喷射器具有与所述第一高压罐连通的引射流体入口、与所述第二高压罐连通的工作流体入口以及与加注控制器（7）连通的喷射口，以通过第二高压罐输出的氢气带动第一高压罐输出的氢气共同从所述喷射口喷出。

9.一种氢气加注方法，应用如权利要求1至8中任一项所述的基于低温高压分级储氢的加氢站实现，用于对车载储氢瓶加注氢气，其特征在于，该氢气加注方法包括以下步骤：

S100：通过加注控制器（7）控制存储有温度值为、最高压力值为/>的氢气的储氢容器（6）与加氢机（8）导通，以对主加注管路（9）及后续管路进行预冷并进行加注作业；

S200：在存储有温度值为、最高压力值为/>的氢气的储氢容器（6）的内部压力值下降至小于加氢机（8）的背压与设定的切换压差之和时，按照温度值由低到高的顺序控制下一个储氢容器（6）与加氢机（8）导通进行加注；

S300：按照步骤S200的方式对其余的储氢容器（6）进行利用，直至完成加注作业或全部储氢容器（6）的内部压力值下降至小于加氢机（8）的背压与设定的切换压差之和。

10.一种氢气加注方法，应用如权利要求8所述的基于低温高压分级储氢的加氢站实现，用于对车载储氢瓶加注氢气，其特征在于，该氢气加注方法包括以下步骤：

S100：通过加注控制器（7）控制存储有温度值为、最高压力值为/>的氢气的储氢容器（6）选择通过第一加注管路（91）与汇总管路（90）导通并进行加注，以对主加注管路（9）及后续管路进行预冷并进行加注作业；

S200：在存储有温度值为、最高压力值为/>的氢气的储氢容器（6）的内部压力值下降至小于加氢机（8）的背压与设定的切换压差之和时，通过加注控制器（7）控制存储有温度值为/>、最高压力值为/>的氢气的储氢容器（6）以及存储有温度值为/>、压力值为/>的氢气的储氢容器（6）选择通过第二加注管路（10）与汇总管路（90）导通并进行加注，以提高存储有温度值为/>、最高压力值为/>的氢气的储氢容器（6）内的氢气使用率；

S300：在喷射口的压力值小于加氢机（8）的背压与设定的切换压差之和时，通过加注控制器（7）控制存储有温度值为、最高压力值为/>的氢气的储氢容器（6）选择通过第一加注管路（91）与汇总管路（90）导通并进行加注；

S400：按照步骤S200和S300的方式对其余的储氢容器（6）进行利用，直至完成加注作业或全部储氢容器（6）的内部压力值下降至小于加氢机（8）的背压与设定的切换压差之和。