一种氢加注系统
技术领域
本实用新型涉及氢能利用技术领域，尤其涉及一种氢加注系统。
背景技术
氢能是一种清洁高效的二次能源，其燃烧后产物仅为水且氢具有高的单位质量能量密度(140MJ/kg vs.汽油：44MJ/kg)。因此，氢能是构建现代化能源体系的重要方面。首先，随着我国石油跟天然气的能源对外依存度逐渐提高，能源安全问题日益突出，推动氢能在能源消费终端的应用，有助于减少我们的石油，天然气等非可再生能源的消耗量。其次，氢能作为能源载体，可实现大规模的储能及调峰作用，有效缓解目前可再生能源发电不能足额上网问题。最后，面对2015年习主席在巴黎气候大会提出，要积极探索符合中国国情的低碳化发展道路，履行CO2减排承诺，氢能的规模化应用起不可磨灭的作用。因此，国内近些年出台一系列国家政策支持氢能的发展，中国氢能源与燃料电池产业白皮书中估计，未来，氢能将在我国能源体系中占据10％以上的份额，氢能将迎来重要的战略发展机遇。
然而，氢的单位体积能量密度很低(标准温度压力下，0.01MJ/L vs.汽油32MJ/L)，尤其在汽车上使用时，车上储存燃料的空间有限，储氢容器需要增加固定防护装置，以防止冲撞过程产生爆炸。而且储氢容器需要能充装足够多的氢使其能够行驶500km以上。在有体积和质量限制的车载储氢技术中，实现氢的高密度存储则更加困难。
在相同有效容积下，低温高压储氢技术的储氢量可达传统常温高压储氢技术储氢量的2-3倍、液氢储氢技术的1.5倍。低温高压储氢技术比传统低温液氢储氢技术具有更好的耐受漏热特性，即相同漏热下，其储存压力的增加远低于低温液氢储存。
申请号为CN201811403629.5的专利中介绍了深冷高压储氢供氢装置，介绍了液氢转注到低温高压罐及低温高压罐加注到燃料电池或者内燃机的过程，流程主要包括深冷高压罐，深冷高压罐上设置有注氢管路，注氢管路连接液氢储罐；供给管路连接仲氢转化装置和氢气节流装置，氢气节流装置通过支路连接注氢管路，注氢管路通过支路并入支路。但是未涉及如何跟用户实现加注过程，以及加注过程中与终端用户状态的控制方法。
如图1所示，文献“Rapid high density cryogenic pressure vessel fillingto 345bar with a liquid hydrogen pump”介绍了关于低温高压氢加注系统的研究，直接采用潜液式液氢泵，进行车载系统的低温高压氢加注。其中管线1为加注关系，管线3为放空管线，管线2通往燃料电池或者内燃机。在加注过程中，首先要通过潜液式液氢泵输送低温液氢对加注管线的预冷，然后通过管线3将受热后的氢气排空。因此，通过此种方式进行预冷后液氢排放掉成本较高，且加注过程受罐子的初始状态影响大。
实用新型内容
鉴于此，有必要提供一种预冷不会浪费氢能且主动可控的氢加注系统。
一种氢加注系统，包括增压装置、循环装置、制冷装置、第一阀门、加注装置和测控装置；
所述制冷装置包括制冷单元和换热器，所述换热器包括第一换热管路、第二换热管路和冷却介质管路，所述制冷单元的出口和所述冷却介质管路的入口连接，所述冷却介质管路的出口和所述制冷单元的入口连接；
所述增压装置的入口用于和储氢装置连接，所述增压装置的出口和所述第一换热管路的入口连接，所述第一换热管路的出口和所述加注装置的入口连接，所述加注装置的出口用于和车载储氢容器的入口连接；
所述第一阀门和所述第二换热管路并联设置，所述第一阀门的入口和所述第二换热管路的入口分别用于和所述车载储氢容器的出口连接，所述第一阀门的出口和所述第二换热管路的出口分别和所述循环装置的入口连接，所述循环装置的出口和所述增压装置的入口连接；
所述增压装置、所述循环装置、所述制冷装置和所述加注装置分别和所述测控装置连接。
在一个实施例中，所述增压装置为高压增压压缩机。
在一个实施例中，当所述制冷装置为20K温区制冷机时，所述制冷单元采用透平制冷的逆布雷顿循环制冷机，通过所述换热器提供预冷过程冷量；
当所述制冷装置为80K温区制冷机时，所述制冷单元为液氮冷源或者混合工质制冷机，通过所述换热器将冷量传递给氢。
在一个实施例中，还包括缓冲罐，所述缓冲罐设于所述增压装置的出口和所述第一换热管路的入口之间。
在一个实施例中，所述加氢站为高压气氢储氢加氢站。
一种氢加注系统，包括增压装置、循环装置、制冷装置、加注装置和测控装置；
所述增压装置的入口用于和储氢装置连接，所述增压装置的出口和所述加注装置的入口连接，所述加注装置的出口用于和车载储氢容器的入口连接，所述制冷装置的入口用于和所述车载储氢容器的出口连接，所述制冷装置的出口和所述循环装置的入口连接，所述循环装置的出口和所述加注装置的入口连接；
所述增压装置、所述循环装置、所述制冷装置和所述加注装置分别和所述测控装置连接。
在一个实施例中，所述增压装置为柱塞泵。
在一个实施例中，所述制冷装置包括换热器和制冷单元，所述换热器包括氢管路和冷却介质管路，所述氢管路的入口和所述车载储氢容器的出口连接，所述氢管路的出口和所述循环装置的入口连接。
所述制冷单元的出口和所述冷却介质管路的入口连接，所述冷却介质管路的出口和所述制冷单元的入口连接。
在一个实施例中，所述增压装置的出口和所述加注装置的入口之间设有第八阀门。
在一个实施例中，所述加氢站为液氢储氢加氢站。
上述氢加注系统，通过设置制冷装置，可以对氢进行冷却，从而可以将车载储氢容器的温度降低。通过设置循环装置，参与预冷的氢气经过制冷装置降温后增压到车载储氢容器内。因此，上述氢加注系统能够将对车载储氢容器进行冷却的氢进行回收利用，实现了加注过程的无损，降低成本。此外，通过控制车载储氢容器的初始温度，加注过程实现不受车载储氢容器初始温度的影响，因此，可以实现加注过程的可控性加注，能够起到控制加注气体总量的目的。
附图说明
图1为传统的低温高压氢加注系统的结构示意图；
图2为实施例1的氢加注系统的结构示意图；
图3为实施例2的氢加注系统的结构示意图。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清晰，以下结合附图及实施例，对本实用新型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实用新型，并不用于限定本实用新型。本实用新型中所说的固定连接，包括直接固定连接和间接固定。
实施例1
如图2所示，一实施方式的氢加注系统包括增压装置110、循环装置120、制冷装置130、第一阀门V1、加注装置140和测控装置(图未示)。
制冷装置130包括制冷单元132和换热器134。换热器134包括第一换热管路(图未标)、第二换热管路(图未标)和冷却介质管路(图未标)。制冷单元132的出口和冷却介质管路的入口连接。冷却介质管路的出口和制冷单元132的入口连接。
增压装置110的入口用于和储氢装置150连接，增压装置110的出口和第一换热管路的入口连接，第一换热管路的出口和加注装置140的入口连接，加注装置140的出口用于和车载储氢容器160的入口连接。
第一阀门V1和第二换热管路并联设置，第一阀门V1的入口和第二换热管路的入口分别用于和车载储氢容器160的出口连接。第一阀门V1的出口和第二换热管路的出口分别和循环装置120的入口连接，循环装置120的出口和增压装置110的入口连接。
增压装置110、循环装置120、制冷单元132、换热器134、加注装置140分别和测控装置连接。
上述氢加注系统，通过设置制冷装置130，可以对氢进行冷却，从而可以将车载储氢容器160的温度降低。通过设置循环装置120，参与预冷的氢气经过制冷装置130降温后增压到车载储氢容器160内。因此，上述氢加注系统能够将对车载储氢容器160进行冷却的氢进行回收利用，实现了加注过程的无损，降低成本。此外，通过控制车载储氢容器160的初始温度，加注过程实现不受车载储氢容器160初始温度的影响，因此，可以实现加注过程的可控性加注，能够起到控制加注气体总量的目的。
在一个实施例中，储氢装置150为高压气氢储氢加氢站150。针对高压气氢储氢加氢站150，高压氢气储氢系统的来源可以为集装格、长管拖车或管道储氢等。进一步的，高压氢气储氢系统通常为15MPa或者20MPa的集装格或者长管拖车等。
在一个实施例中，增压装置110包括高压增压压缩机。具体的，增压装置110可以为隔膜式压缩机、活塞式压缩机或离心式压缩机等。
在一个实施例中，循环装置120可以为低温循环泵。低温循环泵的工作温度为20K-300K。循环装置120主要通过控制氢加注系统的流量，在预冷过程中提供一定的循环动力。
在一个实施例中，高压气氢储氢加氢站制冷装置130为满足一定的氢能储存密度的要求，其最低制冷温度可以为20K～80K，压力范围为35MPa～70MPa。
在一个实施例中，当制冷装置130为20K温区制冷机时，其中制冷单元132为20K温区的制冷机。具体的，制冷单元132可以采用透平制冷的逆布雷顿循环制冷机，通过换热器134提供预冷过程冷量。
当制冷装置130为80K温区制冷机时，制冷单元132为液氮冷源或者混合工质制冷机，通过换热器134将液氮冷量传递给氢。换热器134可以为盘管式换热器或者微通道换热器。将冷量传给输送氢气。
在一个实施例中，氢加注系统还包括缓冲罐170。缓冲罐170设于增压装置110的出口和第一换热管路的入口之间。
在一个实施例中，加注装置140包括依次设置的拉断阀142、止回阀144和加氢枪146。拉断阀142设于第一换热管路的出口和止回阀144之间。加氢枪146设于止回阀144和车载储氢容器160的入口之间。加注装置140的主要功能是将低温高压氢安全、快速、便捷等加注到车载储氢容器160内。
在一个实施例中，测控装置用于实现温度、压力、流量的计量及相应的控制算法、控制策略的制定。测控装置用于监测车载储罐160的温度、压力，增压装置110的出口压力、温度，流量，循环装置120的出口压力、温度，流量以及沿程管路的温度、压力等，用于进行加注策略的选择以及安全控制。
在一个实施例中，氢加注系统还包括第二阀门V2。第二阀门V2设于储氢装置150的出口。第二阀门V2用于控制储氢装置150是否对车载储氢容器160进行供气。
在一个实施例中，氢加注系统还包括第三阀门V3。第三阀门V3设于循环装置120的出口和增压装置110的入口之间。进一步的，第三阀门V3用于连接第二阀门V2、循环装置120的出口管路和增压装置110的入口管路。第三阀门V3开启，循环装置120或者增压装置110启动，储氢装置150内的氢气用于补充系统内所需的氢气量。
在一个实施例中，氢加注系统还包括第四阀门V4。第四阀门V4设于缓冲罐170的入口，且第四阀门V4和第一换热管路的入口连接。第四阀门V4为三通阀。缓冲罐170通过第四阀门V4，一方面连接增压装置110，一方面连接换热器134。在加注过程中，通过检测缓冲罐170内的压力，当缓冲罐170的压力小于额定压力时，第四阀门V4接通增压装置110侧的管路开启，补气到缓冲罐170；当缓冲罐170的压力到额定压力时，第四阀门V4接通增压装置110侧的管路关闭。加注过程中，第四阀门V4连通缓冲罐170到换热器134侧的管路处于开启状态。
在一个实施例中，氢加注系统还包括第五阀门V5。第五阀门V5设于第一换热管路的出口和加注装置140的入口。第五阀门V5用于能够把加注管路分为两部分，方便进行初期纯化或者真空检漏。
在一个实施例中，氢加注系统还包括第六阀门V6。第六阀门V6设于车载储氢容器160的出口。第六阀门V6为预冷时的阀门，预冷过程，第六阀门V6打开，此时，形成从第六阀门V6到循环装置120，到加注装置140，车载储氢容器160的闭合回路，通过循环气体量，提供冷量给160。预冷结束，关闭第六阀门V6。
在一个实施例中，氢加注系统还包括第七阀门V7。第七阀门V7设于第二换热管路的出口和循环装置120的入口之间。
图2所示的氢加注系统的工作过程如下，当用户将新能源车开到储氢装置时，车载储氢容器160加氢口与氢加注系统的加氢枪146连接。首先氢加注系统会根据车载储氢容器160内的温度、压力、氢气剩余量等参数，同时，调取储氢装置150储氢系统参数，为氢加注系统加氢做准备。
当低温高压车载储氢容器160内的压力高于15MPa时(储氢装置150储氢系统的压力为15MPa)，检测低温高压车载储氢容器160的温度与制冷单元132出口温度，当低温高压车载储氢容器160的出口温度低于换热器134的制冷介质的出口的温度的时候，此时第三阀门V3、第四阀门V4、第五阀门V5、第六阀门V6和第七阀门V7打开。当循环装置120的出口压力低于15MPa时，第二阀门V2打开，低温高压车载储氢容器160内的气体经过制冷装置130温度回收部分冷量，经过循环装置120提供一定的动力，流过增压装置110、制冷装置130后温度降低，通过第五阀门V5、拉断阀142、止回阀144和加氢枪146后，进入到低温高压车载储氢容器160，进行车载储氢容器160的冷却作用。如果低温高压车载储氢容器160的出口温度高于制冷装置130出口温度的时候，此时阀门第三阀门V3、第四阀门V4、第五阀门V5、第六阀门V6和第一阀门V1打开，低温高压车载储氢容器160内的气体经过循环装置120提供一定的动力，流过增压装置110、制冷装置130后温度降低，通过第五阀门V5、拉断阀142、止回阀144和加氢枪146后，进入到低温高压车载储氢容器160，进行车载储氢容器160的冷却作用。
当车载储氢容器160的温度达到设定温度比如68K或者20K时，关闭循环装置120，开启增压装置110，增压装置110将车载储氢容器160内的15MPa的氢气增压到35MPa到70MPa，高压氢气流过制冷装置130变成低温高压氢，流过拉断阀142、止回阀144和加氢枪146后，加注到车载储氢容器160内。
上述氢加注系统通过循环装置120实现车载储氢容器160的温度自主可控，从而控制加注速度以及加注时间。此外，氢加注系统在加注过程中无氢气损耗。
实施例2
如图3所示，一实施方式的氢加注系统包括增压装置210、循环装置220、制冷装置230、加注装置240和测控装置(图未示)。
增压装置210的入口用于和储氢装置250连接，增压装置210的出口和加注装置240的入口连接，加注装置240的出口用于和车载储氢容器260的入口连接，制冷装置230的入口用于和车载储氢容器260的出口连接，制冷装置230的出口和循环装置220的入口连接，循环装置220的出口和加注装置240的入口连接。
增压装置210、循环装置220、制冷装置230和加注装置240分别和测控装置(图未示)连接。
上述氢加注系统，通过设置制冷装置230，可以对氢进行冷却，从而可以将车载储氢容器260的温度降低。通过设置循环装置220，参与预冷的氢气经过制冷装置230降温后增压到车载储氢容器260内。因此，上述氢加注系统能够将对车载储氢容器260进行冷却的氢进行回收利用，实现了加注过程的无损。此外，通过控制车载储氢容器260的初始温度，加注过程实现不受车载储氢容器260初始温度的影响，因此，可以实现加注过程的可控性加注，能够起到控制加注气体总量的目的。
在一个实施例中，储氢装置250为液氢储氢加氢站。针对液氢储氢加氢站，液氢储氢系统来源可以为液氢槽车、铁路运输或管道等。具体的，此时液氢储氢加氢站的储氢系统通常为0.2～0.6MPa的低温液氢槽车或液氢储罐等。
在一个实施例中，增压系统为低温液氢泵。具体的，增压装置210为柱塞泵。或者，增压装置210通常为液体增压泵，增压装置210将液氢槽车内不高于6bar的液氢，泵送到氢加注系统所需的压力，通常高于35MPa。
在一个实施例中，循环装置220包括低温循环泵。循环装置220主要通过控制系统流量，在预冷过程中提供一定的循环动力。
在一个实施例中，液氢储氢加氢站用制冷装置230主要用于预冷车载储氢容器260内回流的气体。制冷装置230的冷量来源可以为低温制冷机或车载储氢容器260内液氢的仲氢转正氢的转化热等。
在一个实施例中，制冷装置230包括换热器234和制冷单元232。换热器234包括氢管路和冷却介质管路，氢管路的入口和车载储氢容器260的出口连接，氢管路的出口和循环装置220的入口连接。
制冷单元232的口和冷却介质管路的入口连接，冷却介质管路的出口和制冷单元232的入口连接。
制冷装置230为20K系统时，其中制冷单元232为20K温区的制冷机，通过换热器234提供预冷过程冷量。
在一个实施例中，加注装置240包括依次设置的拉断阀242、止回阀244和加氢枪246，拉断阀242设于增压装置210的出口和止回阀244之间，加氢枪246设于止回阀244和车载储氢容器260的入口之间。加注装置240的主要功能是将低温高压氢安全、快速、便捷等加注到车载储氢容器260内。
在一个实施例中，测控装置用于实现温度、压力、流量的计量及相应的控制算法、控制策略的制定。测控装置用于监测车载储氢容器260的温度和压力，增压装置210的出口压力、温度和流量，循环装置220的出口压力、温度和流量，以及沿程管路的温度和压力等，用于进行加注策略的选择以及安全控制。
在一个实施例中，增压装置210的出口和加注装置240的入口之间设有第八阀门V8。
在一个实施例中，氢加注系统还包括第九阀门V9。第九阀门V9设于循环装置220的出口和加注装置240的入口之间。进一步的，第九阀门V9用于连接第八阀门V8、循环装置220的出口管路和加注装置240的入口管路。
在一个实施例中，氢加注系统还包括第十阀门V10。第十阀门V10设于加注装置240的入口管路上。
在一个实施例中，氢加注系统还包括第十一阀门V11。第十一阀门V11设于车载储氢容器260的出口和制冷装置230的入口之间。
图3所示的氢加注系统的工作过程如下，当用户将新能源车开到加氢站250时，车载储氢容器260加氢口与加注装置240加氢枪246连接，首先氢加注系统会根据车载储氢容器260内的温度、压力、氢气剩余量等参数，同时，调取加氢站250储氢系统参数，为氢加注系统加氢做准备。当系统预估降温时间大于设定值时，打开第八阀门V8，增大通流气体量，反之，预冷过程关闭第八阀门V8。
检测车载储氢容器260的温度与制冷单元232中的流出的制冷介质流过换热器234的出口的温度，当车载储氢容器260的出口温度低于换热器234的制冷介质的出口的温度的时候，此时阀门V8-V11，V13打开，车载储氢容器260内的气体经过制冷装置230温度回收部分冷量，经过循环装置220提供一定的动力，气体经过制冷装置230后温度降低，通过第十阀门V10、拉断阀242、止回阀244和加氢枪246后，进入到车载储氢容器260，进行车载储氢容器260的冷却作用。如果车载储氢容器260的出口温度高于制冷装置230出口温度的时候，此时阀门V9、V10、V11和V12打开，车载储氢容器260内的气体经过循环装置220提供一定的动力，制冷装置230后温度降低，通过第十阀门V10、拉断阀242、止回阀244和加氢枪246后，进入到车载储氢容器260，进行车载储氢容器260的冷却作用。
当车载储氢容器260的温度达到设定温度比如40K时，第八阀门V8打开，增压装置210将低压液氢增压到35MPa到70MPa，通过第十阀门V10、拉断阀242、止回阀244和加氢枪246后，将低温高压氢加注到车载储氢容器260内。
对于图2所示的氢加注系统，储氢装置250的氢为常温高压氢，氢的温度为300K常温，因此对车载储氢容器260进行预冷的过程中，需要将氢通过制冷装置230降温，从而给低温高压车载储氢容器260进行冷却。冷却完成之后，进行氢加注系统的增压加注，这时候制冷装置230需要一直开启，保证流入低温高压车载储氢容器260的入口的气体处于低温状态。
对于图3所示的氢加注系统，储氢装置250的氢为液氢，液氢的温度本身就只有20K。因此，液氢经过柱塞泵加压后，直接加入低温高压车载储氢容器260里，无需经过制冷装置230。
上述氢加注系统通过循环装置220实现车载储氢容器260的温度自主可控，从而控制加注速度以及加注时间。此外，氢加注系统在加注过程中无氢气损耗。
如2和图3所示的氢加注系统，制冷装置用于为车载储氢容器的冷却提供冷量。循环装置用于给用于车载储氢容器进行预冷的氢提供循环动力。增压装置用于给加注至车载储氢容器的氢进行加压。加注装置用于给车载储氢容器进行加氢。能够实现加注过程的无损，气源适应性强，控制逻辑较优增加加氢速率以及加氢过程的安全性，便于加氢站250标准化的建立以及氢能全国大范围的推广应用。上述氢加注系统，可以用于液氢储氢型加氢装置250，也可以用于高压气态储氢加氢装置150。
以上仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。
