一种车载高压氢气分级充注系统的制作方法

[0001]
本发明涉及氢燃料电池汽车，尤其涉及一种车载储氢气瓶的氢气预冷和分级充注系统，属于新能源利用科学领域。


背景技术：

[0002]
氢能是一种储量大、能量密度高且清洁的新能源，是未来能源利用低碳化发展的重要方向。大力发展氢能产业，包含制氢、储氢、氢能利用等产业链已经成为世界各国在能源规划中优先布局的重要发展方向。目前，燃料电池是氢能大规模利用最成熟的技术，自2011年左右，我国开始发展氢燃料电池技术，并在近年来获得快速发展，在我国多地区已经密集出台了支持氢能产业发展和落地相关的配套政策和大量的资金支持。
[0003]
相对于较为成熟的氢气制取和利用，氢气的高效安全存储目前仍存在技术瓶颈。由于常温常压状态氢气的密度约为空气的1/14，存储效率很低，因此目前氢气存储时需要压缩到高压状态以提高其存储密度。目前较为主流的高压储氢压力一般为35 mpa和70mpa。储氢压力越高，单位容积储氢罐的储氢密度越高，但相应的耐压罐设计困难。一般为了增加单位质量储氢罐储氢容量和降低氢气泄漏风险，储氢罐一般采用多层嵌套设计方案，内层的碳纤维材料极限使用温度不超过85℃，否则会导致罐体强度降低，产生安全隐患。由于氢气充注进入储氢罐一般为3—5分钟，可以视为绝热压缩过程，温度会急剧升高，威胁储氢罐的安全使用，因此实际的储氢系统往往需要对待充氢气预冷，以降低氢气充注终温。从充注安全的角度，氢气预冷的温度越低越好，但预冷温度越低，系统的能耗越高。


技术实现要素：

[0004]
针对目前车载高压充注系统涉及的问题，在现有的高压气态储氢的基础上，提出了一种氢气预冷和分级充注系统，使氢气充注过程满足安全和经济的要求。
[0005]
本发明提供了车载高压氢气分级充注系统设计方案，并模拟氢气在充注过程各状态参数的变化，为实际中车载高压氢气分级充注系统的设计提供理论支撑。本发明利用蒸汽压缩式制冷循环实现氢气气源预冷，并且分级充注至车载储氢气瓶中。
[0006]
本发明提供了一种车载高压氢气分级充注系统（两级），包括两个金属隔膜式压缩机、一个高压储气罐、一个低压储气罐、两个流量控制阀、蒸汽压缩式制冷系统、一个加氢机、一个车载储氢气瓶；蒸汽压缩式制冷系统由蒸发换热器，压缩机，冷凝器，节流阀组成的一个制冷系统，作用是降低高低压储氢气罐的温度；所述两个金属隔膜式压缩机分别连接高压储气罐和低压储气罐，高压储气罐和低压储气罐的出口分别通过流量控制阀连接加氢机，连接管路上设有压力表和温度表；加氢机另一端连接车载储氢气瓶；蒸发换热器分别与高压储气罐和低压储气罐连接，为储气罐提供换热或制冷的功能。
[0007]
上述车载高压氢气分级充注系统（两级）的分级充注过程包括：氢气气源经金属隔膜式压缩机加压形成高压氢气后，分别进入高、低压储氢气罐中进行储存，形成高-低压供
氢体系，蒸汽压缩式制冷系统开始工作；低温低压的制冷剂液体在蒸发换热器处吸收热量变为蒸汽，使储氢系统温度下降；低温低压制冷剂蒸汽被压缩机吸入，成为高温高压的气体后排出；而冷凝器将高温高压制冷剂蒸汽冷凝液化为高压液体；最后通过节流阀，使高压液体压力变小变为低压液体；如此反复完成制冷循环使得储氢系统温度冷却；然后利用高-低压储氢气罐与车载储氢气瓶的不平衡压差，在加氢机的控制下，依次打开流量控制阀，并且同时保持压力传感器与温度传感器的监测功能，将氢气由低-高压储氢气罐分级梯度加注到车载储氢气瓶内，当达到目标压力，结束充气。
[0008]
上述车载高压氢气分级充注系统（两级）中，高压储气罐的气源压力为90 mpa；低压储氢气罐的气源压力与车载储氢气瓶的目标中间压力差值为15 mpa。
[0009]
上述车载高压氢气分级充注系统（两级）中，设定氢气初始压力分别为1、5、10、20mpa，其目标中间压力分别为35.13、36.20、37.50、47.30 mpa。因此低压储气罐的气源压力为50.13、51.20、52.50、62.30 mpa。
[0010]
上述车载高压氢气分级充注系统（两级）中，制冷循环冷却温度为-40℃；结束充气的目标压力为70 mpa。
[0011]
在上述车载高压氢气分级充注系统（两级）的基础上，本发明提供了一种车载高压氢气分级充注系统（三级），所述的高压氢气分级充注系统包括三个金属隔膜式压缩机、一个高压储气罐、一个中压储气罐、一个低压储气罐、三个流量控制阀、蒸汽压缩式制冷系统、一个加氢机、一个车载储氢气瓶；蒸汽压缩式制冷系统由蒸发换热器，压缩机，冷凝器，节流阀组成的一个制冷系统，作用是降低高低压储氢气罐的温度；所述三个金属隔膜式压缩机分别连接高压储气罐、中压储气罐和低压储气罐，高压储气罐、中压储气罐和低压储气罐的出口分别通过流量控制阀连接加氢机，连接管路上设有压力表和温度表；加氢机另一端连接车载储氢气瓶；蒸发换热器分别与高压储气罐、中压储气罐和低压储气罐连接，为储气罐提供换热或制冷的功能。
[0012]
上述车载高压氢气分级充注系统（三级）的分级充注过程为：氢气气源经过金属隔膜式压缩机加压后分别进入高、中、低压储氢气罐进行储存；此时采用蒸汽压缩式制冷系统开始工作，低温低压的制冷剂液体在蒸发换热器处吸收热量变为蒸汽，使储氢系统温度下降；制冷剂蒸汽被压缩机压缩成为高温高压的气体进入冷凝器，冷凝器将高温高压制冷剂蒸汽冷凝液化为高压液体；最后通过节流阀，使高压液体压力变小变为低压液体后再次进入蒸发器；如此反复完成制冷循环，将储氢系统温度冷却；然后利用高-低压储氢气罐与车载储氢气瓶的不平衡压差，在加氢机的控制下，依次打开流量控制阀，同时保持压力传感器与温度传感器的监测功能，将氢气分级梯度加注到车载储氢气瓶内，当达到目标压力时，结束充气。
[0013]
上述的车载高压氢气分级充注系统（三级）中，高压储气罐的气源压力为90 mpa；中、低压储氢气罐的气源压力与车载储氢气瓶的目标中间压力差值为15 mpa。具体地，第一级与第二级的目标中间压力的范围波动较小，分别集中在25.09—28.07 mpa和35.24—38.15 mpa之间，对应的低压氢气储罐的压力范围为40.09—43.07mpa，中压氢气储罐的压力范围为50.24—53.15 mpa。
[0014]
上述的车载高压氢气分级充注系统（三级）中，制冷循环冷却温度为-40℃；结束充气的目标压力为70 mpa。
[0015]
上述的车载高压氢气分级充注系统（三级）中，随着级数的增加，车载高压储氢气瓶终了温度下降较少（3—5 k），但总能耗较低。
[0016]
本发明采用氢气分级充注结合预冷方案，获得最低氢气终了温度和最大的氢气充气率。首先对单级氢气充气系统进行合理化假设并建立相应的热力学模型，实时监控氢气充注过程中热力学性质变化。改变初始条件，模拟氢气充注速率、初始温度和压力对氢气终了温度影响。不同氢气充注速率会影响氢气充注时间，但基本不影响充气终了氢气温度。车载储氢气瓶初始压力以及气源初始温度会对终了氢气温度产生较大影响。车载储氢气瓶初始压力与终了温度呈现负相关。气源初始温度越低，其终了温度也有明显下降。因此在氢气充注时通常会增加预冷系统。在设计两级氢气充注系统时，将储氢气瓶的初始压力及预冷温度(-40℃)考虑在内。预冷方案采用蒸汽压缩式制冷循环；分级方案采用高、低压储气罐分级梯度加注到车载储氢气瓶中。高压储氢气罐的压力为90 mpa。考虑加注过程损失，也保证储氢气罐中的氢气能够被完全加注，储氢气罐压力与储氢气瓶的压差设定为15 mpa，即低压储氢气罐的气源压力与车载储氢气瓶的目标中间压力差值为15 mpa。加氢补给站加注喷嘴的加氢速度存在一上限值，不应大于3.6 kg/min。
[0017]
本发明的第二种设计方案提供了一种三级充氢系统。该高压氢气分级充注系统的方式与第一种方案的差别在于：第二种方案较第一种方案多了一个中压储气罐的中间压力。设计该方案是为了进一步挖掘分级充注系统对于降低氢气终了温度的潜力。该方案同样采用蒸汽压缩式制冷方式进行预冷（-40℃），采用高、中、低压储气罐实现分级充注。高压储气罐的压力设定为90 mpa。储氢气罐压力与储氢气瓶的压差设定为15 mpa，即中、低压储氢气罐的气源压力与车载储氢气瓶的目标中间压力差值为15 mpa。
[0018]
本发明的有益效果：本发明可根据极限压力等现实情况进行选择，为车载高压氢气充注系统具体实施提供理论基础。
附图说明
[0019]
图1为两级加氢系统示意图。
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图2为三级加氢系统示意图。
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图3为不同初压下目标中间压力与终了温度关系图。
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图4为不同初压下最佳目标中间压力变化趋势图。
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图5为三级加氢系统不同初压下目标中间压力与终了温度关系图。
[0024]
图6为不同充氢级数车载储氢气瓶初压与能耗的关系图。
[0025]
图中：1：第一金属隔膜式压缩机，2：第二金属隔膜式压缩机，3：高压储气罐，4：低压储气罐，5：第一流量控制阀，6：第二流量控制阀，7：蒸发换热器，8：压缩机，9：冷凝器，10：节流阀，11：加氢机，12：车载储氢气瓶，13：第三金属隔膜式压缩机，14：中压储气罐，15：第三流量控制阀。a为氢气气源。
具体实施方式
[0026]
下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
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实施例1：
图1为两级加氢系统示意图。图中，车载高压氢气分级充注系统，包括第一金属隔膜式压缩机1和第二金属隔膜式压缩机2、高压储气罐3、低压储气罐4、第一流量控制阀5和第二流量控制阀6、蒸汽压缩式制冷系统、加氢机11、车载储氢气瓶12；蒸汽压缩式制冷系统由蒸发换热器7、压缩机8、冷凝器9、节流阀10组成的一个制冷系统，作用是降低高低压储氢气罐的温度；所述第一金属隔膜式压缩机1和第二金属隔膜式压缩机2分别连接高压储气罐3(90 mpa)和低压储气罐4，高压储气罐3和低压储气罐4的出口分别通过第一流量控制阀5和第二流量控制阀6连接加氢机11，连接管路上设有压力表和温度表；加氢机11另一端连接车载储氢气瓶12；蒸发换热器7分别与高压储气罐3和低压储气罐4连接，为储气罐提供换热或制冷的功能。
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如图1所示，为两级加氢系统构建。其主要工作原理如下： 氢气气源经第一金属隔膜式压缩机1加压至90 mpa的高压氢气后，进入高压储气罐3中进行储存，而氢气气源经过第二金属隔膜式压缩机2加压形成高压氢气后进入低压储气罐4。此时，氢气气源均经过加压进入储氢系统，形成高—低压供氢体系。这时蒸汽压缩式制冷系统开始工作。低温低压的制冷剂液体在蒸发换热器7从高低压储气罐3吸收热量变为蒸汽，使储氢系统温度下降；低温低压制冷剂蒸汽被压缩机8吸入，成为高温高压的气体后排出；而冷凝器9将高温高压制冷剂蒸汽冷凝液化为高压液体；最后通过节流阀10，使高压液体压力变小变为低压液体。如此反复完成制冷循环使得储氢系统温度冷却至（-40℃）。然后利用高-低压储气罐与车载储氢气瓶的不平衡压差，在加氢机11的控制下，依次打开流量控制阀，并且同时保持压力传感器与温度传感器的监测功能，将氢气由低-高储气罐分级梯度加注到车载储氢气瓶12内，当达到目标压力（70 mpa）时，结束充气。
[0029]
模拟结果如下图3所示：设定初始压力分别为1、5、10、20 mpa，其最佳中间压力分别为35.13、36.20、37.50、47.30 mpa。此时氢气充注结束后终了温度最低。最佳中间压力与储氢罐中氢气的初压的关系可以拟合为二次多项式，如下图4所示。
[0030]
图2为三级加氢系统示意图。图中，高压氢气分级充注系统包括第一金属隔膜式压缩机1、第二金属隔膜式压缩机2、第三金属隔膜式压缩机13、高压储气罐3、中压储气罐14、低压储气罐4、三个流量控制阀、蒸汽压缩式制冷系统、加氢机11、车载储氢气瓶12；蒸汽压缩式制冷系统由蒸发换热器7、压缩机8、冷凝器9、节流阀10组成的一个制冷系统，作用是降低高低压储氢气罐的温度；高压储气罐3、中压储气罐14、低压储气罐4的出口端依次设有第一流量控制阀5、第三流量控制阀15、第二流量控制阀6；所述三个金属隔膜式压缩机分别连接高压储气罐3、中压储气罐14和低压储气罐4，高压储气罐3、中压储气罐14和低压储气罐4的出口分别通过流量控制阀连接加氢机11，连接管路上设有压力表和温度表；加氢机11另一端连接车载储氢气瓶12；蒸发换热器7分别与高压储气罐3、中压储气罐14和低压储气罐4连接，为储气罐提供换热或制冷的功能。
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如图2所示，为三级加氢系统构建。在此加氢系统中，氢气气源经过第一、第二、第三金属隔膜式压缩机加压后分别进入高、低、中压储气罐进行储存。其中，高压储气罐3加压至90 mpa，中压储气罐14和低压储气罐4的压力均比目标中间压力高15 mpa。此时采用蒸汽压缩式制冷系统开始工作，低温低压的制冷剂液体在蒸发换热器7内从高、低、中压储气罐中吸收热量变为蒸汽，使储氢系统温度下降；制冷剂蒸汽被压缩机8压缩成为高温高
压的气体进入冷凝器9，冷凝器9将高温高压制冷剂蒸汽冷凝液化为高压液体；最后通过节流阀10，使高压液体压力变小变为低压液体后再次进入蒸发器。如此反复完成制冷循环，将储氢系统温度冷却至（-40℃）。然后利用高-中-低压储气罐与车载储氢气瓶的不平衡压差，在加氢机11的控制下，依次打开流量控制阀，同时保持压力传感器与温度传感器的监测功能，将氢气分级梯度加注到车载储氢气瓶12内，当达到目标压力（70 mpa）时，结束充气。
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三级加氢系统模拟结果如图5所示，随着车载储氢气瓶目标中间压力的变化，其终了温度的总体趋势相对于两级加注系统的终了温度呈下降趋势，但是下降幅度较小，大致在3—5 k范围内。同时可以发现第一级与第二级的目标中间压力的范围波动较小，分别集中在25.09—28.07 mpa和35.24—38.15 mpa之间，对应的低压氢气储罐的压力范围为40.09—43.00 mpa，中压氢气储罐的压力范围为50.24—53.15 mpa。该方案较第一种方案还具有总能耗低的优点。随着技术进步，采用更高极限压力的储氢罐时三级乃至更多级的氢气分级充注系统将更具优势。
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如图6所示为系统能耗图，随着级数的增加，系统的总能耗不断地降低，三级氢气加注系统的能耗最低，但三级与两级氢气加注系统的能耗差距不大。随着技术进步，采用更高极限压力的储氢罐时三级乃至更多级的氢气分级充注系统将更具优势。
[0034]
两种加氢系统设计方案在实施时对于预冷方案的选用是相同的，都选择蒸汽压缩式制冷循环。随着级数的增加，车载高压储氢气瓶终了温度下降较少（3—5 k），但总能耗较低。因此在分级充注方案时，不同充气级数需要结合实际情况进行选择。