一种基于固态储供氢的加氢站系统及其运行方法
技术领域
本发明涉及氢能源利用的技术领域，更具体地讲，涉及一种基于固态储供氢的加氢站系统及其运行方法。
背景技术
氢能源作为一种高效、清洁、可持续发展的“无碳”能源已得到世界各国的普遍关注，世界主要发达国家和国际组织都对氢能源赋予极大的重视，投入巨资进行氢能相关技术的研发。燃料电池汽车是氢能利用的重要形式，而加氢站则是燃料电池汽车商业应用的关键。
现有加氢站一般采用高压气态储存和压缩机升压加注技术。高压气态储氢是通过提高储存压力来达到增加氢气储存密度的目的。高压气态储运存在以下问题：1)储存中储存压力过高，安全性差；2)储存密度低，占地面积大，经济性较差；3)存在氢气易泄露和容器爆破等不安全因素。另外目前普遍采用氢压缩机系统进行升压加注，机械升压系统复杂，长期运行可靠性有待提高，同时机械压缩系统成本过高占到加氢站总成本三分之一以上。
随着加氢站加注压力需求逐渐由35MPa向70MPa方向发展，亟需发展新型高效高安全站用储供氢技术。以储氢材料为介质的固态储供氢系统是站用高效高安全储供氢技术的重要发展方向，受到世界各国的广泛关注和研究。本专利所述方案能够
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提出了一种较好地解决现有加氢站系统方案的不足，基于固态储氢材料实现低压高安全储氢，储氢密度大并采用流体(如热水)循环控制系统实现静态升压，无机械压缩部件且系统简单运行成本低的加氢站系统。
本发明的一方面提供了一种基于固态储供氢的加氢站系统，包括：
固态储氢装置，包括至少一条设置有多级固态储氢单元的氢气静态升压线，用于实现氢气从低压到高压的非机械式静态升压；
循环流体装置，包括对所述多级固态储氢单元分别进行循环加热和冷却的多级循环流体单元；
加氢装置，接收来自所述固态储氢装置的氢气并且能够实现氢气加注。
根据本发明基于固态储供氢的加氢站系统的一个实施例，所述氢气静态升压线的入口端通过氢气入口管道与长管拖车或站内制氢装置相连接，所述氢气静态升压线的出口端通过氢气出口管道与加氢装置相连接，所述氢气入口管道和氢气出口管道上均设置有氢气控制阀。
根据本发明基于固态储供氢的加氢站系统的一个实施例，所述氢气静态升压线包括通过氢气输送管道相连的低压固态储氢单元、初级固态储氢单元、中压固态储氢单元和高压固态储氢单元，相邻级固态储氢单元之间的氢气输送管道上均设置有氢气控制阀。
根据本发明基于固态储供氢的加氢站系统的一个实施例，所述低压固态储氢单元能够吸附和解吸附3～8MPa的氢气，所述初级固态储氢单元中能够吸附和解吸附8～22Pa的氢气，所述中压固态储氢单元能够吸附和解吸附22～40Pa的氢气，所述高压固态储氢单元能够吸附和解吸附40～80Pa的氢气。
根据本发明基于固态储供氢的加氢站系统的一个实施例，所述初级固态储氢单元、中压固态储氢单元和高压固态储氢单元的出口端分别与加氢装置相连。
根据本发明基于固态储供氢的加氢站系统的一个实施例，每级循环流体单元包括循环流体储罐、循环泵和循环流体管道，所述循环流体储罐和循环泵通过穿过相对应级固态储氢单元的循环流体管道连接形成循环流体回路，所述循环流体管道上设置有循环流体控制阀，所述循环流体储罐中储存有加热循环流体和冷却循环流体并且通过切换进出口实现对固态储氢单元的加热或冷却功能。
根据本发明基于固态储供氢的加氢站系统的一个实施例，所述固态储氢装置和循环流体装置还设置有温度检测单元和压力检测单元，所述加氢装置包括至少一台加氢机，所述循环流体单元中的循环流体为水或导热油，所述循环流体单元的能量源为电能或太阳能。
本发明的另一方面提供了上述基于固态储供氢的加氢站系统的运行方法，将来自长管拖车或者站内制氢装置的氢气输送至固态储氢装置进行从低压到高压的非机械式静态升压，同时控制循环流体装置对固态储氢装置中的多级固态储氢单元分别进行预定温度的循环加热和冷却以实现氢气的吸附和解吸附，从固态储氢装置引出预定压力的氢气至加氢装置进行氢气加注。
根据本发明基于固态储供氢的加氢站系统的运行方法的一个实施例，所述固态储氢装置中的氢气静态升压线包括通过氢气输送管道相连的低压固态储氢单元、初级固态储氢单元、中压固态储氢单元和高压固态储氢单元，其中，
控制低压固态储氢单元中的氢气压力范围为3～8MPa，控制低压固态储氢单元的加热温度为50～100℃，优选为60～80℃；控制初级固态储氢单元中的氢气压力范围为8～22MPa，控制低压固态储氢单元的加热温度为50～100℃，优选为60～80℃；控制中压固态储氢单元中的氢气压力范围为22～40MPa，控制中压固态储氢单元的加热温度为50～100℃，优选为60～80℃；控制高压固态储氢单元中的氢气压力范围为40～80MPa，控制高压固态储氢单元的加热温度为50～100℃，优选为60～80℃。
根据本发明基于固态储供氢的加氢站系统的运行方法的一个实施例，控制3MPa以下的氢气进入低压固态储氢单元中进行室温吸附，经循环加热解吸附后静态升压至3～8MPa后输送至初级固态储氢单元中进行室温吸附，再经循环加热解吸附后静态升压至8～22Pa后输送至中压固态储氢单元中进行室温吸附，再经循环加热解吸附后静态升压至22～40Pa后输送至高压固态储氢单元中进行室温吸附，再经循环加热解吸附后静态升压至40～80Pa，其中，从初级固态储氢单元、中压固态储氢单元和高压固态储氢单元的出口端分别引出氢气至加氢装置。
与常规方案相比，本发明提出的基于固态储供氢的加氢站系统及其运行方法具有如下优势：
1)本发明固态储氢装置在低压下实现高密度储氢，材料体积储氢密度可达100kgH2/m3，安全性高；
2)本发明基于固态储供氢装置的热管理实现氢气静态升压，满足中压到高压20～70MPa的加注需求运行，减少机械压缩部件的运行风险；
3)本发明的建设和运行成本低，比传统高压或液态储氢加氢站减少30％的成本；
4)循环流体可用水或其他导热介质代替，能量源可用电能或太阳能进行循环流体的加热或冷却，清洁环保节能。
附图说明
图1示出了根据本发明示例性实施例的基于固态储供氢的加氢站系统的结构示意图。
附图标记说明：
1-氢气；2-低压固态储氢单元；3-初级固态储氢单元；4-中压固态储氢单元；5-高压固态储氢单元；6-循环流体储罐；7-循环泵；8-循环流体管道；9-加氢机；10-加氢枪。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
下面先对本发明基于固态储供氢的加氢站系统及其运行方法进行详细说明。
本发明通过外供氢或者站内制氢，将氢气储存在固态储氢材料介质中，固态储氢材料介质安装在承压罐体中，固态储氢材料在室温下可实现高效吸附储氢并在加热后实现解吸附，通过改变承压罐体中的温度条件并逐级加热升压实现氢气的非机械式静态升压，储存密度能够达到50kg/m3，从而避免了传统高压储氢密度低、有氢泄露的风险。加氢站通过固态储氢热管理系统控制氢气的吸附和解吸附，并在将氢气解吸附后逐级将储氢压力提高到满足车载需求的压力，从而实现静态升压，避免了传统机械升压方式可靠性不足，运行成本高的问题。
图1示出了根据本发明示例性实施例的基于固态储供氢的加氢站系统的结构示意图。
具体地，如图1所示，根据本发明的示例性实施例，所述基于固态储供氢的加氢站系统包括固态储氢装置、循环流体装置和加氢装置。其中，固态储氢装置包括至少一条设置有多级固态储氢单元的氢气静态升压线，用于实现氢气从低压到高压的非机械式静态升压；循环流体装置，包括对所述多级固态储氢单元分别进行循环加热和冷却的多级循环流体单元；加氢装置则用于接收来自固态储氢装置的氢气并且能够实现氢气加注。
根据本发明，氢气静态升压线的入口端通过氢气入口管道与长管拖车或站内制氢装置相连接，氢气静态升压线的出口端通过氢气出口管道与加氢装置相连接，氢气入口管道和氢气出口管道上均设置有氢气控制阀。由此，能够控制氢气1的引入和氢气的输出。
如图1所示，本发明中的氢气静态升压线包括通过氢气输送管道相连的低压固态储氢单元2、初级固态储氢单元3、中压固态储氢单元4和高压固态储氢单元5，相邻级固态储氢单元之间的氢气输送管道上均设置有氢气控制阀，相邻级固态储氢单元之间的氢气输送管道上的氢气控制阀优选为单向阀。
本发明中，各级固态储氢单元中的储氢材料可以是Mg基合金，如Mg(In)-MgF2体系合金，能够在室温下吸氢并放出热量，在特定的温度下吸收热量放出氢气。本发明不对储氢材料进行具体限制，可以采购已有材料，只要能够实现特定条件下对氢气的吸附和解吸附即可，本领域技术人员可以根据实际情况进行材料的选择，不排除不同压力等级下采用不同合金以提高工作效率和安全性的可能。
本发明的低压固态储氢单元2能够吸附和解吸附3～8MPa的氢气，初级固态储氢单元3能够吸附和解吸附8～22Pa的氢气，中压固态储氢单元4能够吸附和解吸附22～40Pa的氢气，高压固态储氢单元5能够吸附和解吸附40～80Pa的氢气。其中，初级固态储氢单元2、中压固态储氢单元3和高压固态储氢单元4的出口端分别与加氢装置相连，由此能够实现不同压力氢气的引出和加注。
为了实现各级固态储氢单元中氢气的吸附和解吸附，本发明中的每级循环流体单元包括循环流体储罐6、循环泵7和循环流体管道8，循环流体储罐6和循环泵7通过穿过相对应级固态储氢单元的循环流体管道8连接形成循环流体回路，循环流体管道8上设置有循环流体控制阀，循环流体储罐6中储存有加热循环流体和冷却循环流体并且通过切换进出口实现对固态储氢单元的加热或冷却功能。由此，水等循环流体再在循环流体储罐6中被加热或冷却(或者在常温下)后输送至循环流体回路中并在各级固态储氢单元中进行换热以使氢气吸附或解吸附，随后返回至循环流体储罐6中。本发明中循环流体单元中的循环流体可以为水或导热油等其他导热流体，循环流体单元的能量源可以为电能或太阳能等其他能源。其中，循环流体储罐6可以为分层储罐，分别储存加热循环流体和冷却循环流体，利用加热装置和冷却装置对流体进行相应温度的加热和冷却后输出至固态储氢单元进行相应条件的加热和冷却。
此外，本发明的固态储氢装置和循环流体装置还设置有温度检测单元和压力检测单元以对温度和压力进行实时监测，本发明的加氢装置包括至少一台加氢机9，加氢机9设置有加氢枪10以实现氢气加注。
由此，长管拖车或者站内制氢装置来的氢气进入第一级即低压储氢单元(3～8MPa)被吸附，由于吸附过程放热，通过循环流体的冷却循环保持吸附过程低压储氢单元在室温左右以尽可能吸附氢气，随后利用循环流体进行加热，氢气解吸附后在低压储氢单元中被静态升压至8MPa左右，继而输送到第二级即初级固态储氢单元(8～22MPa)中被吸附，同样地在吸附过程中保持初级固态储氢单元在室温条件，关闭一二级间的单向氢气控制阀，对第二级进行循环流体的加热，氢气再次解吸附后在初级固态储氢单元中被静态升压至22MPa左右，继而输送进入第三级即中压固态储氢单元(22～40MPa)中被吸附，同样地在吸附过程中保持中压固态储氢单元在室温左右，第二级的初级固态储氢单元中的氢气绝大部分放出转而在第三级的中压固态储氢单元中存储，关闭第二三级间的单向氢气控制阀，对第三级的中压固态储氢单元进行循环流体的加热，氢气解吸附后在中压固态储氢单元中被静态升压至40MPa左右，最后输送至第四级的高压固态储氢单元(40～80MPa)中吸附存储，同样地在吸附过程中保持高压固态储氢单元在室温左右，第三级的中级固态储氢单元中的氢气绝大部分放出转而在第四级的高压固态储氢单元中存储，关闭第三四级间的单向氢气控制阀，对第四级的高压固态储氢单元进行循环流体的加热，氢气解吸附后在中压固态储氢单元中被静态升压至80MPa左右，从而完成了氢气从低压到高压的非机械式静态升压过程，整个过程能耗低且安全性好。
各级固态储氢单元在上述解吸附后，关闭循环流体装置，固态储氢单元内温度降低至常温的吸氢温度，固体储氢材料吸收部分储氢单元内的氢气，氢气压力下降至低压，用于后续储氢。
如图1所示，加氢站中可以设置一条或多条氢气静态升压线，同时可配备一台或多台加氢机，满足加氢站的运转需求，需要指出的是，该系统满足中压到高压20～70MPa的加注需求，控制简单调节灵活。
本发明还提供了上述基于固态储供氢的加氢站系统的运行方法，将来自长管拖车或者站内制氢装置的氢气输送至固态储氢装置进行从低压到高压的非机械式静态升压，同时控制循环流体加热装置对固态储氢装置中的多级固态储氢单元分别进行预定温度的循环加热和冷却以实现氢气的吸附和解吸附，从固态储氢装置引出预定压力的氢气至加氢装置进行氢气加注。
其中，固态储氢装置中的氢气静态升压线包括通过氢气输送管道相连的低压固态储氢单元2、初级固态储氢单元3、中压固态储氢单元4和高压固态储氢单元5，其中，控制低压固态储氢单元的氢气压力范围为3～8MPa，控制低压固态储氢单元的加热温度为50～100℃，优选为60～80℃；控制初级固态储氢单元的氢气压力范围为8～22MPa，控制低压固态储氢单元的加热温度为50～100℃，优选为60～80℃；控制中压固态储氢单元的氢气压力范围为22～40MPa，控制中压固态储氢单元的加热温度为50～100℃，优选为60～80℃；控制高压固态储氢单元的氢气压力范围为40～80MPa，控制高压固态储氢单元的加热温度为50～100℃，优选为60～80℃。通过上述温度和压力控制，能够较优地实现氢气的非机械式静态升压。
操作时，控制3MPa以下的氢气1进入低压固态储氢单元2中进行常温吸附，经循环加热解吸附后静态升压至3～8MPa后输送至初级固态储氢单元3中进行常温吸附，再经循环加热解吸附后静态升压至8～22Pa后输送至中压固态储氢单元4中进行常温吸附，再经循环加热解吸附后静态升压至22～40Pa后输送至高压固态储氢单元5中进行常温吸附，再经循环加热解吸附后静态升压至40～80Pa。其中，从初级固态储氢单元3、中压固态储氢单元4和高压固态储氢单元5的出口端分别引出氢气至加氢装置，以实现不同压力氢气的加注。另外，上述常温吸附是指温度不超过30℃条件下的吸附。
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
当储供氢系统运行时，从长管拖车或者站内制氢装置来的3MPa左右氢气1被送入低压固态储氢单元2中，在常温下氢气被固体储氢材料吸附，关闭1和2间的阀门，对低压固态储氢单元2用循环流体加热至50～100℃，低压固态储氢单元2中的氢气绝大部分解吸附并升压至8MPa左右，进入初级固态储氢单元3中被吸附，初级固态储氢单元3中的固态储氢材料在常温下对8MPa左右的氢气进行吸附，关闭低压固态储氢单元2与初级固态储氢单元3之间的阀门，对初级固态储氢单元3进行循环流体加热至50～100℃，初级固态储氢单元3中的氢气在高温下解吸附并升压至20MPa左右，进入中压固态储氢单元4中，中压固态储氢单元4中的固体储氢材料在常温下对20MPa左右的氢气进行吸附，再对中压固态储氢单元4进行循环流体加热至50～100℃，中压固态储氢单元4中的氢气在高温下解吸附并升压至40MPa左右，再进入末级即高压固态储氢单元5中，高压固态储氢单元5的固体储氢材料在常温下对40MPa左右的氢气进行吸附，当对高压固态储氢单元5加热至50～100℃时，氢气解吸附并升压至80MPa左右，通过加氢机便可满足乘用车70MPa的加注需求。在此过程中，中压固态储氢单元4中的氢气加压后直接去加氢机可满足公共交通35MPa的加注需求，从而完成全部氢气储存、释放、升压、加注的过程。
通过设置多条氢气静态升压线，可以满足加氢站的氢加注需求。本发明涉及的加氢站采用基于固态储氢装置的存储和升压加注系统，氢气存储密度高，存储压力较气态储氢方式明显降低，安全性显著提高，通过热循环控制固态储氢装置对氢气的吸附和解吸附并实现氢气的静态升压，避免了传统机械压缩方式可靠性不足和系统投资成本高的问题，是一种高安全低成本的加氢站系统及运行方式。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
