一种低压安全充氢系统及充氢方法与流程

1.本发明属于低压充氢技术领域，具体涉及一种低压安全充氢系统及充氢方法。


背景技术：

2.现有的充氢系统多为高压气态充氢，固态金属储氢系统充装方式是一个新的课题。随着固态储氢逐步实现商用，大规模的集成产业化的批量充氢需要解决。固态金属类充氢和气态充氢差异主要表现在固态储氢是以原子态存储在于材料晶格中，气体的吸附和释放和温度压力有关。合理掌握材料的相关特性，入口压力和换热系统的设计，使充氢处于稳定高效是充氢系统需要解决的问题。
3.充氢设施包含汇流排系统、冷却系统等。为了提高工作效率和安全生产，将单个用气点的单个供气的气源集中在一起，将多个气体盛装的容器集合起来通过汇流排实现集中供气一般适用于对氢气消耗量较大的企业，其原理是将瓶装气体或者制氢机制备出来的氢气通过卡具及软管输入至汇流排主管道，经减压，调节后充入低压储氢容器。
4.但是现有充氢系统瓶内由于混入空气后氢气纯度不够；或者，当储氢合金中毒，导致吸放氢能力下降，需要对固态储氢器进行活化处理，以恢复储氢能力。
5.固态金属储氢系统充氢过程中，所需要的环境温度较低.而充氢过程本身会释放热量,这一物质的本来特性，导致充氢过程工作效率较低。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种低压安全充氢系统及充氢方法。
7.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种低压安全充氢系统，包括：气源、汇流排系统和冷却系统，其中所述气源包括：置换气源和充氢气源；所述汇流排系统包括：主管，其进气端通过置换气源管路、充氢气源管路分别与置换气源、充氢气源连接，排气端通过放空阀连接放空管；多个充氢支路，其进气侧与主管连接；若干加氢装置，设置在各充氢支路的排气侧，用于连接相应储氢器；以及所述冷却系统用于对储氢器进行冷却。
8.进一步的，所述冷却系统包括：水浴箱、冷水机组、冷却盘管；其中水浴箱用于放置储氢器并对其进行冷却；冷却盘管设置于水浴箱内；以及冷水机组用于对冷却盘管进行换热。
9.进一步的，所述充氢系统还包括：封闭的灌装室，且所述水浴箱和汇流排系统均设置于灌装室内，所述冷水机组和所述气源设置于灌装室外。
10.进一步的，所述主管上从进气端至排气端之间依次设置有止逆阀、回火防止器、安全阀；其中所述置换气源管路和充氢气源管路均与止逆阀的上游管段连接；所述充氢支路连接于主管位于回火防止器与安全阀之间的管段；所述安全阀与放空阀并联，用于在主管压力超过预设值时连通主管与放空管。
11.进一步的，所述置换气源管路包括：置换管，其进气端连接置换气源，其排气端连接主管的进气端；以及第一置换管针阀、置换管减压阀、第二置换管针阀，从置换管的进气
端至排气端依次设置；以及所述充氢气源管路包括：充氢管，其进气端连接充氢气源，其排气端连接主管的进气端；以及第一充氢管针阀、充氢管减压阀、第二充氢管针阀，从充氢管的进气端至排气端依次设置。
12.进一步的，所述充氢支路包括：支路主管，其进气端连接主管；若干支路分管，且各支路分管的进气端连接支路主管的排气端，各支路分管的排气端连接相应加氢装置。
13.进一步的，所述充氢系统还包括支路分管固定架，用于固定支路分管；所述支路分管上设置有流量控制器和分管球阀。
14.进一步的，所述主管上位于回火防止器和充氢支路之间还设置有压力检测支管；所述压力检测支管上设置有检测管球阀和压力表。
15.又一方面，本发明还提供了一种充氢方法，应用于如上所述的低压安全充氢系统，具体包括以下步骤：设置汇流排系统：充氢气源通过充氢气源管路经过氢气减压装置降压，通过加氢装置对储氢器进行快速低压充氢；设置冷却系统：将储氢器放在水浴箱的低温环境中进行充装，温度为5℃～10℃。
16.进一步的，所述汇流排系统的所述置换气源管路对储氢器进行至少一次安全置换，所述充氢气源管路对储氢器进行至少一次充氢，进行并完成活化。
17.本发明的有益效果是，本发明的低压安全充氢系统和充氢方法的气源包括置换气源和充氢气源，通过设置置换气源管路和充氢气源管路，管路可以对重装管路进行安全置换，可对储氢器充氢，可以提升氢气纯度以及对固态储氢器进行活化处理，以恢复储氢能力；充氢系统可以对气源供气进行减压到低压，并通过汇流排实现低压批量充氢；充氢时快速的温升由冷却系统进行温度的直接和间接的交换；冷却系统可以对储氢器进行降温，保证储氢器所处的环境温度是储氢金属储氢最佳温度；储氢器充氢过程在封闭的灌装室内完成，冷水机组和气源设于灌装室外，以营造安全充氢环境，提升充氢安全性和充氢效率。
18.本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
19.为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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的附图。
21.图1是本发明的低压安全充氢系统的示意图；
22.图2是本发明的低压安全充氢系统的冷却系统示意图；
23.图3是本发明的低压安全充氢系统的局部示意图；
24.图4是本发明的低压安全充氢系统的储氢器的示意图；
25.图5是本发明的低压安全充氢系统的灌装室的示意图。
26.图中：
27.气源100、汇流排系统200、冷却系统300、灌装室400；
28.主管1、止逆阀11、回火防止器12、安全阀13；
29.置换气源管路2、置换管21、置换气源22、第一置换管针阀23、置换管减压阀24、第二置换管针阀25；
30.充氢气源管路3、充氢管31、充氢气源32、第一充氢管针阀33、充氢管减压阀34、第二充氢管针阀35；
31.放空管4、放空阀41；
32.充氢支路5、支路主管51、支路分管52、流量控制器521、分管球阀522、支路主管阀53；
33.加氢装置6、储氢器7、出气口71、进气口72；
34.水浴箱81、冷却盘管83、冷水机组84；支路分管固定架9；
35.压力检测支管10、检测管球阀101、压力表102；
36.防爆排风扇401、防爆灯402、氢气报警器403。
具体实施方式
37.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
38.实施例1
39.如图1、图2和图3所示，本实施例提供了一种低压安全充氢系统，包括：气源100、汇流排系统200和冷却系统300，其中所述气源100包括：置换气源22和充氢气源32；所述汇流排系统200包括：主管1，其进气端通过置换气源管路2、充氢气源管路3分别与置换气源22、充氢气源32连接，排气端通过放空阀41连接放空管4；多个充氢支路5，其进气侧与主管1连接；若干加氢装置6，设置在各充氢支路5的排气侧，用于连接相应储氢器7；以及所述冷却系统300用于对储氢器7进行冷却。
40.在本实施例中，低压安全充氢系统包括了置换气源22和充氢气源32，通过设置置换气源管路2和充氢气源管路3，置换气源管路2可以对储氢器7进行安全置换，充氢气源管路3可对储氢器7充氢，可以提升氢气纯度以及对固态储氢器进行活化处理，以恢复储氢能力；通过汇流排系统200实现低压批量充氢；冷却系统300可以对储氢器7进行降温，保证储氢器7所处的环境温度是储氢金属储氢最佳温度。
41.在本实施例中，充氢气源32可以包括但不限于集装格(装有符合国标的气瓶)、氢气管道、氢气长管拖车等，通过充氢气源管路3与主管1的进气端连接；所述置换气源22可以是惰性气体如氦气，也可以是氮气。
42.图4示出了一种可选的储氢器7。
43.在一种应用场景中，对储氢器7进行置换时，可以先通过置换气源管路2，采用置换用气体对储氢器7的出气口71充入惰性气体，再用真空泵从进气口72进行抽真空操作，反复多次，对储氢器7进行安全置换，然后，再通过充氢气源管路3对储氢器7进行充氢。
44.在一种应用场景中，对储氢器7进行活化时，可通过充氢气源管路2进行充氢、抽真
空连续交叉操作方式，使储氢合金恢复活性。
45.如图2和图5所示，作为冷却系统300的一种可选实施方式，所述冷却系统300包括：水浴箱81、冷水机组84、冷却盘管83；其中水浴箱81用于放置储氢器7并对其进行冷却；冷却盘管83设置于水浴箱81内；以及冷水机组84用于对冷却盘管83进行换热。
46.在本实施例中，通过水浴箱81可以对储氢器7进行降温，使其保持充氢效率较高的温度，例如5℃～10℃。
47.如图5所示，所述充氢系统还包括：封闭的灌装室400，且所述水浴箱81和汇流排系统200均设置于灌装室400内，所述冷水机组84和所述气源100设置于灌装室400外。
48.在本实施例中，储氢器7的充氢过程在封闭的灌装室400内完成，冷水机组84和所述气源100设于灌装室400外，可以营造安全充氢环境，从而提升充氢安全性和充氢效率。
49.如图5所示，在本实施例中，可选的，所述灌装室400可以设计为防爆式的，其还可以通过设置防爆排风扇401向外界排气，内部可采用防爆灯402，以及灌装室400内还可以设置氢气报警器403。
50.在一种可选的应用场景中，氢气报警器403检测出氢气浓度过高时，可以通过防爆排风扇401向外排气。
51.如图1所示，在本实施例中，优选的，所述主管1上从进气端至排气端之间依次设置有止逆阀11、回火防止器12、安全阀13；其中所述置换气源管路2和充氢气源管路3均与止逆阀11的上游管段连接；所述充氢支路5连接于主管1位于回火防止器12与安全阀13之间的管段；所述安全阀13与放空阀41并联，用于在主管1压力超过预设值时连通主管1与放空管4。
52.在本实施例中，可选的，止逆阀11可以是单向阀，防止气体倒灌，起到保护前端，隔离的效果；回火防止器12起到阻断火路的作用。
53.如图3所示，在本实施例中，优选的，所述置换气源管路2包括：置换管21，其进气端连接置换气源22，其排气端连接主管1的进气端；以及第一置换管针阀23、置换管减压阀24、第二置换管针阀25，从置换管21的进气端至排气端依次设置；以及所述充氢气源管路3包括：充氢管31，其进气端连接充氢气源32，其排气端连接主管1的进气端；以及第一充氢管针阀33、充氢管减压阀34、第二充氢管针阀35，从充氢管31的进气端至排气端依次设置。
54.在本实施例中，优选的，置换管21和充氢管31可以是高压软管，可以应用于低压充氢；置换气源22可以采用氮气瓶；充氢气源32可以采用氢气瓶；在更换氢气瓶和氮气瓶时，第一置换管针阀23、第一充氢管针阀33可以关断，作为前端保护。
55.在低压批量充氢应用场景中，置换管减压阀24和充氢管减压阀34入口压力范围为0～20mpa，出口压力范围为0～5mpa，主管1的管道压力＜5mpa；氢气瓶压力12～15mpa，加氢装置6的充氢压力可以是3mpa。
56.在本实施方式中，置换管减压阀24和充氢管减压阀34进行减压，可以将压力限制在5mpa，阀可以进行焊接或者螺纹组装；在第一置换管针阀23、第一充氢管针阀33处，可以通过氮气进行管道低压吹扫，压力可以是约0.2mpa。
57.在低压批量充氢应用场景中，可选的，主管1管径可以为20mm，作为主管路，可以采用卡套式密封；该主管1可以连接支路，支路管径可以是10mm，满足该管路储氢器的吸氢速率即可。
58.在本实施例中，充氢系统可以对气源供气通过减压阀进行减压至低压，然后通过
汇流排系统200进行低压批量充氢。
59.在本实施方式中，作为一种安全设计，安全阀13在主管1压力超过预设值时连通主管1与放空管4，使主管1内气体通过放空管4放空；例如，在一种应用场景中，置换管减压阀24、充氢管减压阀34的入口压力范围为0～20mpa，出口压力范围为0～5mpa，主管1管道压力＜5mpa，充氢气源32的氢气瓶压力12～15mpa，那么则可以设定安全阀13在压力超过5mpa就排空，如果充氢管减压阀34坏掉了，安全阀13打开，就直接排空；放空阀41可以主动开启，在需要进行放空时手动控制排空，起安全作用；放空管4的排气口一般高于屋顶1m以上。
60.如图1所示，可选的，所述充氢支路5包括：支路主管51，其进气端连接主管1；若干支路分管52，且各支路分管52的进气端连接支路主管51的排气端，各支路分管52的排气端连接相应加氢装置6。
61.在本实施例中，可选的，所述充氢系统还包括支路分管固定架9，用于固定支路分管52；以及所述支路分管52上设置有流量控制器521和分管球阀522。
62.在本实施例中，所述充氢系统为低压充氢方式，支路分管52可以是软管，加氢装置6可以是加氢枪用于连接储氢器7的进气口72，也可以是通过阀门连接其他可选的加氢装置。
63.在本实施例中，流量控制器521可以用来用来控制和计量充氢量；当然，也可以仅采用流量计检测充氢量。
64.如图1所示，在本实施例中，可选的，所述主管1上位于回火防止器12和充氢支路5之间还设置有压力检测支管10；所述压力检测支管10上设置有检测管球阀101和压力表102。
65.在本实施方式中，压力表102为了更好显示压力，起到校准作用；检测管球阀101为了更方便的更换压力表102。
66.在一些应用场景中，当储氢器7内部有剩余氢气压力的可直接进行充氢工艺，而无需进行安全置换或者活化。
67.实施例2
68.在实施例1的基础上，本实施例提供了一种充氢方法，应用于如实施例1所述的一种低压安全充氢系统，具体包括以下步骤：
69.设置汇流排系统：充氢气源32通过充氢气源管路3经过氢气减压装置降压，通过加氢装置6对储氢器7进行快速低压充氢；
70.设置冷却系统：将储氢器7放在水浴箱81的低温环境中进行充装，温度为5℃～10℃。
71.在本实施例中，可选的，所述汇流排系统200的所述置换气源管路2对储氢器7进行至少一次安全置换，所述充氢气源管路3对储氢器7进行至少一次充氢，进行并完成活化。
72.在本实施例中，所述氢气减压装置可以是减压阀。
73.综上所述，本发明的低压安全充氢系统和充氢方法的气源包括置换气源22和充氢气源32，通过设置置换气源管路2和充氢气源管路3，置换气源管路2可以对储氢器7进行安全置换，充氢气源管路3可对储氢器7充氢，可以提升氢气纯度以及对固态储氢器进行活化处理，以恢复储氢能力；充氢系统可以对气源供气进行减压，并通过汇流排系统200实现低压批量充氢；冷却系统300可以对储氢器7进行降温，保证储氢器7所处的环境温度是储氢金
属储氢最佳温度；储氢器7充氢过程在封闭的灌装室400内完成，冷水机组84和气源设于灌装室400外，以营造安全充氢环境，提升充氢安全性和充氢效率。
74.本技术中选用的各个器件(未说明具体结构的部件)均为通用标准件或本领域技术人员知晓的部件，其结构和原理都为本技术人员均可通过技术手册得知或通过常规实验方法获知。
75.在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“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，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
76.在本发明的描述中，需要说明的是，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，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，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
77.在本技术所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
78.所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
79.另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
80.以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。