一种氢气充装系统的制作方法

1.本发明涉及加氢设备领域，具体而言，涉及一种氢气充装系统。


背景技术：

2.氢能以来源广、可再生、高能效、燃烧产物为水、零污染等优点，为国际公认为的绿色能源。近年美、日、韩、欧盟、中国在内的许多国家和地区都在大力开发氢能汽车，积极建造加氢站和相关氢能基础实施。以氢为动力至此成为新能源领域的重要应用方向。
3.氢能源的主要开发利用方向是新能源汽车。氢燃料电池能量密度高，是锂电池的120倍左右，续航能力优秀，一次充满不足5min，行驶距离可达到400km。而目前应用最广泛的锂电池新能源汽车，一次充电7h，最大行驶距离300km，续航能力远没有氢燃料气汽车优秀。但是氢能源汽车受限于当前氢气输送、存储及充装技术。
4.根据国土交通省数据，汽油轿车氮氧化物排放量为每公里0.013克，汽油巴士为0.63克，而氢能源汽车为0克。pm2.5的排放比较中，氢能源汽车也为零。氢燃料电池车通过依靠车载氢气与空气产生反应生成动能，使排放物只有水，由于在行驶过程中不排放二氧化碳等其他环境负荷物质，性能也与汽油车相匹敌，接近于“终极环保车”，还具有加氢时间短、费用低、不受能源价格波动影响等优势。此外，氢能源应用在发电领域产生的替代效应可以产生更加深远的环境效益。
5.目前氢气通过加氢站加氢机对燃料电池汽车进行加注，并以高压形式储存在车载氢气瓶中；或者对氢气气瓶、鱼雷车、长管拖车等储氢设备进行充装。在现有技术中，加氢站通常使用压缩机和储罐的结构，使用压缩机将氢气压缩并充气至储罐，然后通过管路系统对目标储氢设施进行充装，但其在功能上还缺乏完善。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种氢气充装系统，其能够具有安全、简便、低成本的优点，能够实现充装的流量计量、自动停止充装、超压保护、超温保护、自动吹扫、紧急停止(esd)功能。
7.本发明的实施例是这样实现的：
8.本技术实施例提供一种氢气充装系统，包括氮气瓶组、氢气压缩机接口、车体充装口和充气气瓶组，氢气压缩机接口设置有流量计，氢气压缩机接口与车体充装口之间设置有充装阀，流量计与充装阀之间设置有节流阀；
9.节流阀连接有回流管路，回流管路设置有第一止逆阀、切断阀、限流孔板、第一异径管、第二止逆阀、第三止逆阀和前缓冲罐接口；
10.充气气瓶组与车体充装口连接，车体充装口安装有压力传感器，车体充装口外侧设置有温度传感器和氢气泄露检测仪；
11.充装阀连接有氮气回吹管路，氮气回吹管路设置有回吹氮气开关，氮气回吹管路连接有氮气吹扫接口，氮气吹扫接口与氮气瓶组相连；
12.充装阀连接有翅片管，翅片管依次连接有第一截止阀、第二异径管和装车软管，装车软管与车体充装口相连，翅片管连接有放空管路，放空管路设置有第二截止阀；
13.还包括人体静电消除器和车载静电消除器；
14.还包括控制器，控制器与流量计、压力传感器、温度传感器、氢气泄漏检测仪和充装阀电性连接。
15.在本发明的一些实施例中，还包括防爆冷却风扇，防爆冷却风扇与翅片管配合使用。
16.在本发明的一些实施例中，上述氮气回吹管路设置有第四止逆阀和第五止逆阀，第四止逆阀为升降式止逆阀，第五止逆阀均为贯流式止逆阀。
17.在本发明的一些实施例中，还包括氢气取样管，氢气取样管用于检测氢气浓度。
18.在本发明的一些实施例中，上述第二截止阀连接有阻火器。
19.在本发明的一些实施例中，上述第二止逆阀为贯流式止逆阀，第三止逆阀均为升降式止逆阀。
20.在本发明的一些实施例中，上述控制器连接有报警器。
21.在本发明的一些实施例中，上述控制器连接有显示器。
22.在本发明的一些实施例中，上述显示器设置有与控制器连接的ic卡终端。
23.在本发明的一些实施例中，还包括静电探测仪，静电探测仪与控制器相连。
24.相对于现有技术，本发明的实施例至少具有如下优点或有益效果：
25.本发明的实施例提供一种氢气充装系统，包括氮气瓶组、氢气压缩机接口、车体充装口和充气气瓶组，氢气压缩机接口设置有流量计，氢气压缩机接口与车体充装口之间设置有充装阀，流量计与充装阀之间设置有节流阀；节流阀连接有回流管路，回流管路设置有第一止逆阀、切断阀、限流孔板、第一异径管、第二止逆阀、第三止逆阀和前缓冲罐接口；充气气瓶组与车体充装口连接，车体充装口安装有压力传感器，车体充装口外侧设置有温度传感器和氢气泄露检测仪；充装阀连接有氮气回吹管路，氮气回吹管路设置有回吹氮气开关，氮气回吹管路连接有氮气吹扫接口，氮气吹扫接口与氮气瓶组相连；充装阀连接有翅片管，翅片管依次连接有第一截止阀、第二异径管和装车软管，装车软管与车体充装口相连，翅片管连接有放空管路，放空管路设置有第二截止阀；还包括人体静电消除器和车载静电消除器；还包括控制器，控制器与流量计、压力传感器、温度传感器、氢气泄漏检测仪和充装阀电性连接。
26.本发明具有安装操作性，体现在使用前，须通过人体静电消除器将操作人员的静电导除，车辆的静电也同时通过车载静电消除仪消除，否则不能进行充装操作。首次使用、或长时间停机再开启本设备的，此时管路可能会混入氧气，若贸然打开充装阀可能会有安全隐患，因此打开回吹氮气开关，对管路进行吹扫和置换，利用氮气将管路中的空气置换，第一截止阀、第二异径管至装车软管之间的管路通过逆向放气，从放空管路中安全排出。本发明具有充装模式，可以分为充满和定量充装，“充满”通过压力传感器判断，即压力达到一定数量，即切断充装阀；“定量充装”通过流量仪，输入定量的充装数据，由控制器判断累计流量与设定值相等，即切断充装阀，充装完成。本发明中的节流阀具有节流和止逆的功能，无调节功能，其流通能力在设计之初确定。当压力传感器所探测到的压力大于预设值，经由控制器切断充装阀，从而实现了超压保护功能，同样的，氢气泄露检测仪与充装阀联锁。过
快充装会引发车辆超温，经由温度传感器探测后，进而切断充装阀，从而实现了超温保护功能。温度探测仪和氢气泄漏检测仪的设置，使得本装置在遭遇车辆着火、氢气泄漏等意外情况时，将损失降低到最低限度。本发明中的翅片管能将氢气温度降低3～6℃，同等条件下提升充装速度7～10％。充气完毕后，管道中残存的氢气通过回流管路回流至氢气压缩机接口前的缓冲罐，能够安全、平稳的、最大限度的回收管路中的氢气，可以提高经济效益。本专利避免了采用复杂、设备费用高、维护成本高、操作费用高、占地面积大的冷冻机制冷方式，采用了经济、简洁的空冷式制冷模式，大大的降低了设备费和操作费用，节省了占地。同等充装条件下，经济性凹显，特别适用于城市地区的氢气充装站。
附图说明
27.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
28.图1为本发明实施例整体的示意图。
29.图标：1
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氮气瓶组，2
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充装阀，3
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车体充装口，4
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充气气瓶组，5
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氢气压缩机接口，6
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流量计，7
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节流阀，8
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回流管路，810
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第一止逆阀，820
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切断阀，830
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限流孔板，840
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第一异径管，850
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第二止逆阀，860
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第三止逆阀，9
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前缓冲罐接口，10
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压力传感器，11
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温度传感器，12
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氢气泄露检测仪，13
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氮气回吹管路，1310
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第四止逆阀，1320
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第五止逆阀，1330
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回吹氮气开关，1340
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氮气吹扫接口，14
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翅片管，1410
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防爆冷却风扇，15
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第一截止阀，16
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第二异径管，17
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装车软管，18
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放空管路，1810
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阻火器，19
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第二截止阀，20
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人体静电消除器，21
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车载静电消除器，22
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控制器，2210
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显示器，2211
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ic卡终端，23
‑
氢气取样管。
具体实施方式
30.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
31.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
32.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
33.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，若出现术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用
于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
34.此外，若出现术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
35.在本发明实施例的描述中，若出现术语“多个”代表至少2个。
36.在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
37.实施例
38.请参照图1，所示为本发明的实施例。
39.本技术实施例提供一种氢气充装系统，包括氮气瓶组1、氢气压缩机接口5、车体充装口3和充气气瓶组4，氢气压缩机接口5设置有流量计6，氢气压缩机接口5与车体充装口3之间设置有充装阀2，流量计6与充装阀2之间设置有节流阀7；
40.节流阀7连接有回流管路8，回流管路8设置有第一止逆阀810、切断阀820、限流孔板830、第一异径管840、第二止逆阀850、第三止逆阀860和前缓冲罐接口9，第二止逆阀850和第三止逆阀860均优选为升降式止逆阀；
41.充气气瓶组4与车体充装口3连接，接入车体充装口3的管道内安装有压力传感器10，车体充装口3外侧设置有温度传感器11和氢气泄露检测仪12；
42.充装阀2连接有氮气回吹管路13，氮气回吹管路13设置有回吹氮气开关1330，氮气回吹管路13连接有氮气吹扫接口1340，氮气吹扫接口1340与氮气瓶组1相连；
43.充装阀2连接有翅片管14，翅片管14配合使用有防爆冷却风扇1410，翅片管14依次连接有第一截止阀15、第二异径管16和装车软管17，装车软管17与车体充装口3相连，翅片管14连接有放空管路18，放空管路18设置有第二截止阀19，第二截止阀19连接有阻火器1810；
44.还包括氢气取样管23，氢气取样管23用于检测氢气浓度；
45.还包括控制器22，控制器22与流量计6、压力传感器10、温度传感器11、氢气泄漏检测仪和充装阀2电性连接，控制器22连接有报警器；
46.控制器22还连接有显示器2210，显示器2210设置有与控制器22连接的ic卡终端2211；
47.还包括人体静电消除器20、车载静电消除器21和静电探测仪，静电探测仪与控制器22相连。
48.在本发明的一些实施例中，上述氮气回吹管路13设置有第四止逆阀1310和第五止逆阀1320，第四止逆阀1310优选为升降式止逆阀，第五止逆阀1320均优选为贯流式止逆阀。上述回流管路8的第二止逆阀850和第三止逆阀860同样为不同形式的止逆阀，第二止逆阀850优选为贯流式止逆阀，第三止逆阀860优选为升降式止逆阀。采用不同形式的止逆阀，降低了止逆阀同时失效的概率。
49.本发明的目的是设计一种安全、可靠，使用简便、智能，适用多种氢气重装场合的
氢气充装系统。
50.该系统可以方便的整合成撬块、模块，对气瓶、鱼雷车、长管拖车、使用氢燃料的汽车等储氢设备进行氢气充装过程的控制，可以实现充装的流量计6量、自动停止充装、超压保护、超温保护、自动吹扫、紧急停止(esd)和切断等功能。
51.本发明的创新性和实用性体现在：
52.1.全密封性，保证氢气无泄漏。上述所有管道均为焊接，所有管道经焊接、x射线探伤、水压试验、密封性试验后，能保证出厂产品管路部分合格和使用寿命；
53.2.安全性。在开始充装前，通过人体静电消除器20和车载静电消除器21，操作人员必须导除静电，车辆也必须消除静电，经由静电探测仪检测过关，否则充装阀2不能开启；
54.3.智能化。充装模式分为充满和定量充装。“充满”通过压力传感器10探测，即是压力达到一定数量，即切断充装阀2；“定量充装”通过设定流量仪，输入定量充装数据，控制器22判断累计流量与设定值相等，即切断充装阀2，充装完成；
55.4.使用了节流阀7。该阀门具有节流和止逆的功能，无调节功能，其流通能力在设计之初确定。由于该阀门为纯机械结构，相对于启动或者电动调节阀，具有高可靠性，且不容易磨蚀。
56.5.超压保护功能。过充会首先引发压力传感器10探测到的压力超出设定值，从而触发报警，进而由控制器22切断充装阀2，从而实现了超压保护功能；
57.6.超温保护。过快充装会引发车载温度过高，经温度传感器11探测后触发超温报警，进而发其联锁关闭切断充装阀2，从而实现了超保护功能；
58.7.氮气吹扫保护与逆向排气置换。在第一次充装或者长时间未充装(如连续4h未工作)，此时由于管路可能混入氧气，若贸然打开充装阀2充装可能会存在安全隐患，此时操作人员可以打开回吹氮气开关1330，利用氮气将管路中的空气置换掉；第一截止阀15、第二异径管16和装车软管17之间的管路，通过逆向放气，从放空管路18安全排出；同时为保证安全，对每批次氢气使用氢气取样管23进行取样分析。氢气中氧含量大于0.5％判定氢气不合格，禁止充装；
59.8.紧急停止(esd)功能。当遭遇车辆以外着火、氢气泄露等意外情况会引发报警，从而由控制器22切断充装阀28紧急关闭，从而实现充装前装置和充装车辆的切断，将损失降低到最低限度；
60.9.利用空气冷却的翅片管14降温功能，并使用防爆风扇强化降热效果。本实施例中的翅片管14能将氢气温度降低3～6℃，同等条件下提升充装速度7～10％。本专利避免了采用复杂、设备费用高、维护成本高、操作费用高、占地面积大的冷冻机制冷方式，采用了经济、简洁的空冷式制冷模式，大大的降低了设备费和操作费用，节省了占地。同等充装条件下，经济性凹显，特别适用于城市地区的氢气充装站。
61.10.氢气回收功能。充气终了，管道中残存的氢气通过回流管路8回流至氢气压缩机接口5前的缓冲罐。该回流管线设置了第一止逆阀810、切断阀820和限流孔板830、第一异径管840、第二止逆阀850和第三止逆阀860，能够安全、平稳的、最大限度的回收管路中的氢气，提高了经济效益。
62.在本实施例中：
63.装车软管17优选为cag系列的加氢专用软管；
64.流量计6选择带体积累计计量的流量计6；
65.防爆冷却风扇1410选择为离心式风机，风量q＝5～35m3/h，风压3～10kpa；
66.翅片管14总面积为0.5～5
㎡
，翅片厚度0.2～0.6mm，翅片高度10～35mm；
67.温度传感器11为远传温度计，优选热电偶式；
68.压力传感器10为远传压力计，优选隔膜式压力计；
69.阻火器1810优选阻爆燃型阻火器1810。
70.综上，本发明最核心的功能是将氢气安全、快速的充入受体中(车体充装口3)，核心工作原理是：
71.1.从氢气压缩机接口5至车体充装口3的管道为氢气的通道；回流管路8、氮气回吹管路13和放空管路18为辅助管道，但对于正常操作和安全操作，却又必不可少；
72.2.控制器22为plc控制器22。接受流量计6的流量信号、充装阀2的开关状态信号、压力传感器10的压力信号、温度传感器11的超温信号、氢气泄露检测仪12的氢气泄露信号和静电探测仪的静电信号。前两项为功能信号，后四项为安全设计的信号；
73.3.操作前，操作人员通过人体静电消除器20消除人体静电、车载静电消除器21消除车辆静电，未消除静电前，禁止充装操作；
74.4.通电后，控制器22、流量计6、充装阀2、防爆冷却风扇1410开始工作，控制器22先检查上述部件是否处于正常状态，否则充装阀2不允许被打开；
75.5.充装阀2、流量计6、压力传感器10、温度传感器11的信息显示在显示器2210；
76.6.首次启用本机器、或长时间停机再开启的，需要打开回吹氮气开关1330，对整个管路进行吹扫和置换；
77.7.显示器2210显示一切正常后，依次人工打开第一截止阀15和第二截止阀19，将车体充装口3内少量气体通过放空管路18放出，以将管路内的空气置换；
78.8.约3
‑
5s后第一截止阀15和第二截止阀19；控制器22继续检查各部件状态后，允许打开充装阀2进行充气作业；
79.9.定量充装模式(解决要充多少公斤或标方氢气的问题)：在控制器22设定好质量，ic卡终端2211通过价格换算成流量，通过控制累计流量(流量计6)，当累计流量达到额定值时，联锁切断充装阀2，充装停止；
80.10.充满模式(解决加满氢气的问题)：充装达到额定压力值，即是压力传感器10达到一定值时，即是充满，关闭充装阀2，充装结束；
81.异常状态的处理：
82.i.当氢气泄露检测仪12高值报警，切断充装阀2；
83.ii.操作前，车体或人体通过车载静电消除器21和人体静电消除器20导除静电；显示器2210若显示有残余静电时，禁止开启充装阀2；
84.iii.温度传感器11超温(＞60℃)则报警；此时暂停充气操作、也可人工调小第一截止阀15；如果继续超温(＞65℃)，则控制器22切断充装阀2，直至温度低于60℃，才允许继续充装；
85.iv.压力传感器10一旦超压，控制器22切断充装阀2；
86.综上，本发明的实施例至少具有以下的有益效果：
87.本发明的实施例提供一种氢气充装系统，包括氮气瓶组1、氢气压缩机接口5、车体
充装口3和充气气瓶组4，氢气压缩机接口5设置有流量计6，氢气压缩机接口5与车体充装口3之间设置有充装阀2，流量计6与充装阀2之间设置有节流阀7；节流阀7连接有回流管路8，回流管路8设置有第一止逆阀810、切断阀820、限流孔板830、第一异径管840、第二止逆阀850、第三止逆阀860和前缓冲罐接口9；充气气瓶组4与车体充装口3连接，车体充装口3安装有压力传感器10，车体充装口3外侧设置有温度传感器11和氢气泄露检测仪12；充装阀2连接有氮气回吹管路13，氮气回吹管路13设置有回吹氮气开关1330，氮气回吹管路13连接有氮气吹扫接口1340，氮气吹扫接口1340与氮气瓶组1相连；充装阀2连接有翅片管14，翅片管14依次连接有第一截止阀15、第二异径管16和装车软管17，装车软管17与车体充装口3相连，翅片管14连接有放空管路18，放空管路18设置有第二截止阀19；还包括人体静电消除器20和车载静电消除器21；还包括控制器22，控制器22与流量计6、压力传感器10、温度传感器11、氢气泄漏检测仪和充装阀2电性连接。
88.本发明具有安装操作性，体现在使用前，须通过人体静电消除器20将操作人员的静电导除，车辆的静电也同时通过车载静电消除仪消除，否则不能进行充装操作。首次使用、或长时间停机再开启本设备的，此时管路可能会混入氧气，若贸然打开充装阀2可能会有安全隐患，因此打开回吹氮气开关1330，对管路进行吹扫和置换，利用氮气将管路中的空气置换，第一截止阀15、第二异径管16至装车软管17之间的管路通过逆向放气，从放空管路18中安全排出。同时为保证安全，应对每批次氢气使用氢气取样管23进行取样分析。氢气中氧含量大于0.5％判定氢气不合格，禁止充装。本发明具有充装模式，可以分为充满和定量充装，“充满”通过压力传感器10判断，即压力达到一定数量，即切断充装阀2；“定量充装”通过流量仪，输入定量的充装数据，由控制器22判断累计流量与设定值相等，即切断充装阀2，充装完成。本发明中的节流阀7具有节流和止逆的功能，无调节功能，其流通能力在设计之初确定。当压力传感器10所探测到的压力大于预设值，经由控制器22切断充装阀2，从而实现了超压保护功能，同样的，氢气泄露检测仪12与充装阀2联锁。过快充装会引发车辆超温，经由温度传感器11探测后，进而切断充装阀2，从而实现了超温保护功能。温度探测仪和氢气泄漏检测仪的设置，使得本装置在遭遇车辆着火、氢气泄漏等意外情况时，将损失降低到最低限度。本发明中的翅片管14能将氢气温度降低3～6℃，同等条件下提升充装速度7～10％。充气完毕后，管道中残存的氢气通过回流管路8回流至氢气压缩机接口5前的缓冲罐，能够安全、平稳的、最大限度的回收管路中的氢气，可以提高经济效益。本专利避免了采用复杂、设备费用高、维护成本高、操作费用高、占地面积大的冷冻机制冷方式，采用了经济、简洁的空冷式制冷模式，大大的降低了设备费和操作费用，节省了占地。同等充装条件下，经济性凹显，特别适用于城市地区的氢气充装站。
89.以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
90.对于本领域技术人员而言，显然本技术不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本技术的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本技术。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本技术的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本技术内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。