CN1887622A - 一种可快速充装氢气的制氢加氢站系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
一种可快速充装氢气的制氢加氢站系统及其方法，属于可再生、清洁环保的新能源领域。该系统包括：电解水、天然气重整制氢设备、氢气纯化设备、氢气升压设备、氢气储罐和氢气加注设备。快速充装氢气的方法是将电解水制氢(1)和天然气重整制氢(2)制造出的氢气通过氢气纯化装置(3)提纯，去掉氢气中的氧、CO、硫化物、水，达到使用要求的品质；将纯化后的氢气输入氢气隔膜压缩机(4)的入口，其中一个出气口将氢气通给氢加注机(16)，直接给燃料电池汽车或氢内燃发动机汽车(17)充气。本发明的优点在于：实现了高效率充气，提高能源的利用率，并能保证安全。
Description
技术领域
本发明属于可再生、清洁环保的新能源领域，特别是提供了一种可快速充装氢气的制氢加氢站系统及其方法。
背景技术
目前(在没有制氢加氢站的情况下)要给燃料电池电动汽车和氢气运输罐车充装氢气，所采取的办法是把电解水或天然气重整制成的氢气通过纯化装置提纯后，直接把氢气储存在一个压力为1MPa～4MPa的大型储罐内，低压保存。在给汽车充装氢气时，用氢气压缩机把氢气从储罐中抽出，升压到15MPa～20MPa，直接打入燃料电池汽车或氢气运输罐车充装氢气。
这套系统是由制氢设备、纯化设备、储罐、氢气压缩机等主要设备组成，其主要问题在于储罐的低压，所以要想达到几千立米的储气量，其罐体非常庞大。要想存储2000Nm3的氢气，需要一个水容积在1000m3以上的大罐，其造价和占地面积都是可想而知的。第二，现在使用的氢气压缩机都是20MPa以下压力的，流量在200Nm3以下，这就会造成给燃料电池汽车加650Nm3气需要3-4小时，给氢气运输罐车充装2000Nm3气需要10小时以上，同时对燃料电池汽车来说，由于20MPa压力不够，不能充满车载气瓶而使汽车的续驶里程大打折扣。再就是现用系统中没有专用的氢气加注机，不能对流量、压力、温度、应力变形进行时时监控和计量，因而不能保证其系统的安全性和商业性。
制氢加氢站技术除制氢技术外，能否真正做到给燃料电池电动汽车、氢内燃发动机汽车加注氢气，达到加氢站的功能，使氢气真正作为能源使用，关键在于氢气的升压技术、储存技术和加注技术及其系统。为了使汽车能够携带足够的氢气，就必须把氢气压缩。压缩的压力越高，则储罐所能储存的氢气就越多，其能量密度越大，因此现在国际上燃料电池电动汽车上的氢气储罐压力一般都做到35MPa的工作压力，甚至做到70MPa的工作压力。而我国目前氢气储罐的压力只能做到20MPa，那么作为给汽车加氢的站，其储罐储存氢气的压力更要高于汽车氢气储罐的压力，才能保证给汽车充气。保证给汽车充气的压力只是一个必要条件，第二个条件就是加氢站的储罐要有足够大的氢气储量，这样才能更迅速地、连续地给汽车加氢，才能给燃料电池汽车加注氢气时能够像给普通发动机汽车加油一样在15分钟左右完成，才能同时给几辆汽车加氢或连续给汽车加氢。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可快速充装氢气的制氢加氢站系统及其方法，以氢气作为能源扩大制氢的规模化，更好地降低成本，更有效地利用低谷电制氢，从而提高能源的利用率。第一次把制氢技术应用于能源领域，把氢气作为能源使用，把过去成熟的制氢技术应用在给汽车做为能源使用。
本发明的系统包括：电解水、天然气重整制氢设备、氢气纯化设备、氢气升压设备、氢气储罐和氢气加注设备。这套系统中除制氢设备和纯化设备与现有系统的设备是相同的以外，系统中的氢气升压设备、储罐、氢加注机及管道系统的布置都与现有系统是不同的。电解水和天然气重整制氢设备接氢气纯化设备，纯化设备接氢气隔膜压缩机入口，压力为1.6MPa～4MPa，氢气隔膜压缩机出口接高压氢气储罐，压缩机出口工作压力达40MPa，流量达到150Nm3/h。氢气储罐工作压力40MPa，水容积5m3，最大储氢气量可达2000Nm3，40MPa工作压力的氢气储罐以三个出口分别连接氢气加注机(满足50Nm3/min流量，入口压力40MPa)、氢气隔膜压缩机(出口压力75MPa)和通过减压为20MPa给气瓶充装氢气的汇流排。其中出口压力为75MPa的氢气隔膜压缩机出口连接工作压力为75MPa的氢气储罐，储罐出口再连接到氢气加注机。这样氢气加注机在给汽车充装氢气时先用40MPa储罐中的氢气充装，然后再用75MPa储罐中的氢气充装，两罐的氢气均通过一个氢气加注机给汽车充气，这样两储罐中氢气的利用率可提高60％。
本发明采用的氢压机可以把氢气升压到40MPa～75MPa的压力。本发明采用的储罐储气压力可达到40MPa～75MPa，而且是单只储罐。在过去的系统中没有氢气加注机设备，而我们采用的氢气加注机保证了加注氢气更加安全、迅速。由于系统中设备、管道布置点位的特点以及给汽车充装氢气时不是用压缩机逐渐向汽车中压缩氢气，而是先用氢气压缩机把氢气升压后储存在高压储罐内，给汽车充装氢气时用储罐内高达40MPa～75MPa的氢气(储气量为2000Nm3～5000Nm3)直接给汽车平衡充气，从而从系统上和方法上保证了充装一辆燃料电池汽车的时间不超过15分钟，并且可以连续或同时为5-8辆车充装氢气。而充装一辆运输罐车的时间也只需1-2小时，大大提高充装效率。为此，本制氢加氢站技术与系统为了达到在15分钟左右给燃料电池电动大巴车或氢内燃发动机汽车充完一次氢气(流量达到40Nm3/min)并能连续为5～8辆大巴车充气，对系统中的关键设备进行了改造和研发。
1、采用了多层钢带缠绕式高压储罐。这种储罐曾经广泛地应用于化工生产中，用于存储其它气体或化工原料，耐压性能好，可以耐压1000kg以上，但用来存储氢气还没有过。由于氢气分子结构小，很活跃，为确保安全对储罐进行了大胆的改造。为解决高压下(40MPa～75MPa)材料易产生氢脆现象，从而破坏罐体，发生爆炸的问题，罐体内胆采用了316不锈钢与16Mn钢板的复合材料，既解决了金属材料氢脆的问题，又解决了氢气储存时品质下降的问题。同时将罐体两端的封头做成双层中空型，并在外层加氢气泄漏检测系统，使高压氢气储罐第一次做到时时监控，从而避免事故的发生。通过这一技术改造，我们第一次做到用40MPa～75MPa的压力存储氢气，第一次做到单罐储气量达到2000Nm3～3750Nm3。
2、在原氢气生产存储过程中，氢气升压设备的升压能力一般只能做到20MPa的压力，但在本制氢加氢站系统中氢气储气压力要求达到40MPa～75MPa，必须对原氢气隔膜压缩机进行改造才能使用，其主要问题也是在超高压力下压缩机缸体材料易产生氢脆现象，从而产生爆炸事故。为避免事故，达到使用要求，对原隔膜压缩机的缸体缸盖采取了两项措施，一是采用316不锈钢材料，并加大使用厚度为115mm～150mm，以保证耐受40MPa～75MPa超高压力的能力与安全；二是将316不锈钢材料反复锻造，使材料产生缺陷的可能性最小，从而减少氢脆的产生，保证了安全，第一次使隔膜压缩机将氢气压缩到这么高的压力。
3、给燃料电池电动汽车加注氢气，氢加注机是关键的技术设备。目前我国还没有这样的技术设备。为使制氢加氢站技术系统完备达到使用要求，氢气加注机必须满足耐压75MPa、50Nm3/min的流量、系统管道流速不大于15m/s的要求，同时还要满足计量收费的要求，因此氢加注机主要由两个氢气入口、两个电磁或气动控制阀、质子流量计、PLC电脑控制器、显示器(显示流量、压力、温度、金额、气量)、压力传感器、温度传感器、手动节止阀及加注快卡接口组成。为保证在加注氢气过程中的安全，还要对被加注氢气的汽车气瓶的压力和温度进行监控，所以加注机与燃料电池车之间还要有一个通讯协议和信号接口，在发现有超压、超温的情况时，发出指令，关闭控制阀，停止加注氢气。
本发明的工艺系统包括氢气的升压、储存和加注工艺系统。
该系统的建立给燃料电池汽车充装氢气提供了一个新方法。首先，将电解水制氢1和天然气重整制氢2制造出的氢气通过氢气纯化装置3提纯，去掉氢气中的氧、CO、硫化物、水等，达到使用要求的品质。然后将纯化后的氢气输入氢气隔膜压缩机4的入口(压力为1.6MPa～4MPa)，经氢气隔膜压缩机4将氢气压缩升压至40MPa后，输入一个耐压40MPa的多层钢带缠绕式氢气高压储氢罐8中储存。(这样将氢气先纯化再升压储存的方法在北方是有意义的，可以避免将没有纯化的氢气先存储在一个低压储罐内易产生冰冻的问题，同时又节省了一个大容量低压储罐的投资)。耐压40MPa、水容积为5～10m3的第一个储罐8有一个进气口，三个出气口，其中一个出气口将40MPa压力的氢气通给氢加注机16，直接给燃料电池汽车或氢内燃发动机汽车17充气(做为一次充气使用)，第二个出气口通过减压阀9将氢气压力减压为20MPa，输往汇流排，为氢气运输罐车及氢气瓶18充装氢气，第三个出气口将40MPa的氢气输往第二台氢气隔膜压缩机6的入口，经压缩机将氢气升压到75MPa，并将75MPa压力的氢气输入到第二个可耐压75MPa压力、水容积为5～10m3的超高压氢气储罐11中储存，75MPa储罐有一个出气口直接与氢气加注机[16]连接，为加注汽车提供二次充气的高压用氢。
氢气加注机16给汽车17充气时，首先关闭阀门1、10、12，打开阀门13，用40MPa(第一只储罐[8]的氢气)的氢气为汽车平衡充气，待氢气储罐8的氢气压力与车载储瓶的压力平衡时，车载气瓶压力达到25MPa～28MPa，关闭40MPa氢气储罐8阀门13，打开75MPa超高压氢气储罐11阀门12，为汽车做二次补充充气，使汽车[17]车载氢气气瓶的压力达到35MPa时，停止充气，整个充气过程的时间不超过15分钟。这样两个氢气储罐8和11交替为汽车平衡充装氢气，可比只用一个储罐为汽车充气提高储罐及氢气利用率60％以上，并能达到连续给燃料电池电动大巴车充气5～8辆。夜间利用低谷电制造的氢气再向高压储氢罐补充氢气。
在给氢气运输罐车18充装氢气时，首先关闭阀门7、12、13、15，打开阀门10，使40MPa储罐[8]储存的40MPa压力的氢气通过减压阀9，减压为20MPa后，向罐车平衡充装氢气，平衡后的压力在8MPa～10MPa。然后关闭阀门10，打开阀门12、15，用75MPa氢气储罐11的氢气通过减压阀14减压为25MPa后作补充充装氢气，直至将罐车充装至20MPa压力为止。这种充装罐车的系统及方法，比传统的用氢压机压缩充装罐车的速度提前8～10小时。
氢气加注机16为双气枪结构，给大巴车充气时采用德国产TK25快装卡接口，给小客车充气时采用TK16快装卡接口。充装氢气过程中，加气机与车载气瓶间有通讯协议，负责采集监测车载气瓶的压力、温度和应力变形数据，发现超压、超温和应力变化过大时自动切断气源以保证充气安全，并对氢气泄漏、未充完气汽车突然起动带有强制保护自动断气装置，设置于加注站中的录像监控对发生事故后的分析取得第一手资料。
本发明的优点在于：实现了高效率充气，提高能源的利用率，并能保证安全。
附图说明
图1为本发明氢气升压、储存、加注系统图。其中，电解水制氢装置(成套设备)1、天然气重整制氢装置(成套设备)2、气体纯化装置(电解水纯化装置或变压吸咐纯化装置)3、40MPa隔膜压缩机4、40MPa氢气储罐入口球阀5、75MPa隔膜压缩机6、75MPa隔膜压缩机氢气输入球阀7、40MPa氢气储罐(钢带缠绕式)8、20MPa输出减压阀9、20MPa氢气充罐车充瓶球阀10、75MPa氢气储罐(钢带缠绕式)11、75MPa输出电磁阀12、40MPa输出电磁阀13、25MPa输出减压阀14、25MPa氢气充罐车充瓶球阀15、氢气加注机16、、氢燃料电池汽车或氢内燃机汽车17、氢气运输罐车或标准氢气瓶18。
具体实施方式
首先，将电解水制氢1和天然气重整制氢2制造出的氢气通过氢气纯化装置3提纯，去掉氢气中的氧、CO、硫化物、水等，达到使用要求的品质。然后将纯化后的氢气输入氢气隔膜压缩机[4]的入口(压力为1.6MPa～4MPa)，经氢气隔膜压缩机4将氢气压缩升压至40MPa后，输入一个耐压40MPa的多层钢带缠绕式氢气高压储氢罐[8]中储存。(这样将氢气先纯化再升压储存的方法在北方是有意义的，可以避免将没有纯化的氢气先存储在一个低压储罐内易产生冰冻的问题，同时又节省了一个大容量低压储罐的投资)。耐压40MPa、水容积为5～10m3的第一个氢气储罐8有一个进气口，三个出气口，其中一个出气口将40MPa压力的氢气通给氢加注机16，直接给燃料电池汽车或氢内燃发动机汽车17充气(做为一次充气使用)，第二个出气口通过减压阀[9]将氢气压力减压为20MPa，输往汇流排，为氢气运输罐车及氢气瓶18充装氢气，第三个出气口将40MPa的氢气输往第二台氢气隔膜压缩机6的入口，经压缩机将氢气升压到75MPa，并将75MPa压力的氢气输入到第二个可耐压75MPa压力、水容积为5～10m3的超高压氢气储罐11中储存，75MPa高压氢气储罐11有一个出气口直接与氢气加注机16连接，为加注汽车提供二次充气的高压用氢。
氢气加注机16给汽车17充气时，首先关闭阀门7、10、12，打开阀门13，用40MPa(第一只氢气储罐8的氢气)的氢气为汽车平衡充气，待氢气储罐8的氢气压力与车载储瓶的压力平衡时，车载气瓶压力达到25MPa～28MPa，关闭40MPa氢气储罐8阀门13，打开75MPa超高压氢气储罐11阀门12，为汽车做二次补充充气，使汽车17车载氢气气瓶的压力达到35MPa时，停止充气，整个充气过程的时间不超过15分钟。这样两个氢气储罐8和超高压氢气储罐11交替为汽车平衡充装氢气，可比只用一个储罐为汽车充气提高储罐及氢气利用率60％以上，并能达到连续给燃料电池电动大巴车充气5～8辆。夜间利用低谷电制造的氢气再向高压储氢罐补充氢气。
在给氢气运输罐车充装氢气时，首先关闭阀门7、12、13、15，打开阀门10，使40MPa氢气储罐8储存的40MPa压力的氢气通过减压阀9，减压为20MPa后，向罐车平衡充装氢气，平衡后的压力在8MPa～10MPa。然后关闭阀门10，打开阀门12、15，用75MPa超高压氢气储罐11的氢气通过减压阀[14]减压为25MPa后作补充充装氢气，直至将罐车充装至20MPa压力为止。这种充装罐车的系统及方法，比传统的用氢压机压缩充装罐车的速度提前8～10小时。
为达到15分钟内加注一辆大巴车的气量，除上述操作系统和操作步骤外，还必须采用三种关键设备。
1、采用了多层钢带缠绕式高压储罐。这种储罐曾经广泛地应用于化工生产中，用于存储其它气体或化工原料，耐压性能好，可以耐压1000kg以上，但用来存储氢气还没有过。由于氢气分子结构小，很活跃，为确保安全对储罐进行了大胆的改造。为解决高压下(40MPa～75MPa)材料易产生氢脆现象，从而破坏罐体，发生爆炸的问题，罐体内胆采用了316不锈钢与16Mn钢板的复合材料，既解决了金属材料氢脆的问题，又解决了氢气储存时品质下降的问题。同时将罐体两端的封头做成双层中空型，并在外层加氢气泄漏检测系统，使高压氢气储罐第一次做到时时监控，从而避免事故的发生。通过这一技术改造，我们第一次做到用40MPa～75MPa的压力存储氢气，第一次做到单罐储气量达到2000Nm3～3750Nm3。
2、在原氢气生产存储过程中，氢气升压设备的升压能力一般只能做到20MPa的压力，但在本制氢加氢站系统中氢气储气压力要求达到40MPa～75MPa，必须对原氢气隔膜压缩机进行改造才能使用，其主要问题也是在超高压力下压缩机缸体材料易产生氢脆现象，从而产生爆炸事故。为避免事故，达到使用要求，对原隔膜压缩机的缸体缸盖采取了两项措施，一是采用316不锈钢材料，并加大使用厚度为115mm～150mm，以保证耐受40MPa～75MPa超高压力的能力与安全；二是将316不锈钢材料反复锻造，使材料产生缺陷的可能性最小，从而减少氢脆的产生，保证了安全，第一次使隔膜压缩机将氢气压缩到这么高的压力。
给燃料电池电动汽车加注氢气，氢加注机是关键的技术设备。目前我国还没有这样的技术设备。为使制氢加氢站技术系统完备达到使用要求，我们研制了中国第一台氢加注机，可对压力、温度、流量、流速时时计量，自动计算收费，同时对车载气瓶的压力、温度、应力变化进行监控，可耐压45MPa～75MPa，安全保护装置齐备。其加注氢气的接口按照国际通用的加注口结构设计制造，可同样应用于进口和国产的燃料电池电动大巴车的加注操作。
Claims (6)
1、一种可快速充装氢气的制氢加氢站系统，其特征在于：该系统包括：电解水、天然气重整制氢设备、氢气纯化设备、氢气升压设备、氢气储罐和氢气加注设备；系统中的氢气升压设备、储罐、氢加注机及管道系统的布置为：电解水和天然气重整制氢设备接氢气纯化设备，纯化设备接氢气隔膜压缩机入口，压力为1.6MPa～4MPa，氢气隔膜压缩机出口接高压氢气储罐，压缩机出口工作压力达40MPa，流量达到150Nm3/h；氢气储罐工作压力40MPa，水容积5m3，最大储氢气量2000Nm3，40MPa工作压力的氢气储罐以三个出口分别连接入口压力40MPa的氢气加注机、出口压力75MPa的氢气隔膜压缩机和通过减压为20MPa给气瓶充装氢气的汇流排；其中出口压力为75MPa的氢气隔膜压缩机出口连接工作压力为75MPa的氢气储罐，储罐出口再连接到氢气加注机；这样氢气加注机在给汽车充装氢气时先用40MPa储罐中的氢气充装，然后再用75MPa储罐中的氢气充装，两罐的氢气均通过一个氢气加注机给汽车充气，两储罐中氢气的利用率提高60％。
2、按照权利要求1所述的系统，其特征在于：氢压机把氢气升压到40MPa～75MPa的压力，储罐储气压力达到40MPa～75MPa压力，而且是单只储罐；采用的氢气加注机保证了加注氢气更加安全、迅速；采用了多层钢带缠绕式高压储罐，耐压40MPa～75MPa的压力存储氢气，单罐储气量达到2000Nm3～3750Nm3，罐体内胆采用了316不锈钢与16Mn钢板的复合材料，同时将罐体两端的封头做成双层中空型，并在外层加氢气泄漏检测系统，使高压氢气储罐第一次做到时时监控，避免事故的发生；对原隔膜压缩机的缸体缸盖采用316不锈钢材料，厚度为115mm～150mm，保证耐受40MPa～75MPa超高压力；氢加注机包括两个氢气入口、两个电磁或气动控制阀、质子流量计、PLC电脑控制器、显示器、压力传感器、温度传感器、手动节止阀及加注快卡接口；加注机与燃料电池车之间有一个通讯协议和信号接口，在发现有超压、超温的情况时，发出指令，关闭控制阀，停止加注氢气。
3、一种使用权利要求1所述的制氢加氢站系统进行快速充装氢气的方法，其特征在于：
a、将电解水制氢(1)和天然气重整制氢(2)制造出的氢气通过氢气纯化装置(3)提纯，去掉氢气中的氧、CO、硫化物、水，达到使用要求的品质；
b、将纯化后的氢气输入氢气隔膜压缩机(4)的入口，压力为1.6MPa～4MPa，经氢气隔膜压缩机(4)将氢气压缩升压至40MPa后，输入一个耐压40MPa的多层钢带缠绕式氢气高压储氢罐(8)中储存；耐压40MPa、水容积为5～10m3的第一个储罐有一个进气口，三个出气口，其中一个出气口将40MPa压力的氢气通给氢加注机(16)，直接给燃料电池汽车或氢内燃发动机汽车(17)充气，做为一次充气使用，第二个出气口通过减压阀(9)将氢气压力减压为20MPa，为氢气运输罐车及氢气瓶(18)充装氢气，第三个出气口将40MPa的氢气输往第二台氢气隔膜压缩机(6)入口，经压缩机将氢气升压到75MPa，并将75MPa压力的氢气输入到第二个可耐压75MPa压力、水容积为5～10m3的超高压氢气罐(11)中储存，75MPa储罐有一个出气口直接与氢气加注机(16)连接，为加注汽车提供二次充气的高压用氢。
4、按照权利要求3所述的方法，其特征在于：氢气加注机(16)给汽车(17)充气时，首先关闭阀门(7、10、12)，打开阀门(13)，用40MPa的第一只氢气储罐(8)的氢气为汽车平衡充气，待氢气储罐(8)的氢气压力与车载储瓶的压力平衡时，车载气瓶压力达到25MPa～28MPa，关闭40MPa氢气储罐(8)阀门(13)，打开75MPa超高压氢气储罐(11)阀门(12)，为汽车做二次补充充气，使汽车(17)车载氢气储瓶的压力达到35MPa时，停止充气，两个氢气储罐(8)和超高压氢气储罐(11)交替为汽车平衡充装氢气，提高储罐及氢气利用率60％以上。
5、按照权利要求3所述的方法，其特征在于：在给氢气运输罐车充装氢气时，首先关闭阀门(7、12、13、15)，打开阀门(10)，使40MPa储罐(8)储存的40MPa压力的氢气通过减压阀(9)，减压为20MPa后，向罐车平衡充装氢气，平衡后的压力在8MPa～10MPa；然后关闭阀门(10)，打开阀门(12、15)，用75MPa储罐(11)的氢气通过减压阀(14)减压为25MPa后作补充充装氢气，直至将罐车充装至20MPa压力为止。
6、按照权利要求3所述的方法，其特征在于：氢气加注机(16)为双气枪结构，给汽车充气时大巴车采用德国产TK25快装卡接口，给小客车充气时采用TK16快装卡接口；充装氢气过程中，加气机与车载气瓶间有通讯协议，负责采集监测车载气瓶的压力、温度和应力变形数据，发现超压、超温和应力变化过大时自动切断气源以保证充气安全，并对氢气泄漏、未充完气汽车突然起动带有强制保护自动断气装置。
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