可用于高壓氫氣加氫站的加氣系統的制作方法

專利名稱：可用于高壓氫氣加氫站的加氣系統的制作方法
技術領域：
本發明屬于能源設施領域，涉及氫能基礎設施領域，具體涉及一種應用于加氫站中的加 氣機，可采集加氫站氫氣樣品及為燃料電池汽車加注高壓氫氣的加氣系統。
背景技術：
氫能在交通、運輸領域的應用所帶來的對能源、環境的巨大益處，已為世界各國所公認。 歐美日等發達國家紛紛在政策、法規、資金上給予特別的支持，并制定詳盡的燃料電池汽車 及關鍵零部件、氫基礎設施、相關標準等發展的時間表，以圖加快和促進燃料電池汽車的商 業化進程。隨著燃料電池汽車技術的日益成熟，各地示范性加氫站數量的逐漸增加，各類燃 料電池汽車的商業化示范運行項目也在世界各地展開，以考察和驗證示范運行中各相關技術 的合理性、可靠性和耐久性，并從中發現和解決問題，為未來實現商業化奠定良好的基礎。
為保證燃料電池性能的穩定性和耐久性，燃料電池發動機對氫燃料品質有一定的要求， 即對其所含的雜質種類和濃度有嚴格的限制。氫燃料的生產商在整個生產環節通過對生產工
藝及質保體系的設計，可以確保出廠的氫氣滿足氫燃料的各項指標要求。但是合格氫氣出廠 后還要經過運輸，及在加氫站卸氣、增壓、儲存和加注過程才能將高壓氫氣加至燃料電池汽 車的車載氫瓶內。其間氫氣要經過眾多的管路、閥門及連接件，因此加氫站必須定期取樣分 析，以證明加氫站提供加注服務的氫氣始終是合格的。加氫機作為加氫站供氫的最后一個環 節，在此取樣最有代表性。雖然氣體采樣瓶可以通過加氫槍取得樣品氫氣，但是加氫槍輸出 的是35MPa壓力以上的氯氣，而通常的采樣瓶達不到此耐壓值，需定制，通用性差、成本高、 操作不便。為此需要開發一種既不影響高壓氫氣加注功能，又能滿足安全、簡便采集加氫站 氫氣樣品的加氣系統。

發明內容
本發明的目的在于提供一種可用于高壓氫氣加氫站的加氣系統，可在氫氣加氣機上安全、 簡便采集加氫站氫氣樣品及為燃料電池汽車加注高壓氫氣，以克服現有加氣機采集樣品氫氣不便的不足。
為達到以上目的，本發明所采用的解決方案是
一種可用于高壓氫氣加氫站的加氣系統，其包括控制系統、采樣系統、加注系統、報警 系統、氮氣吹掃系統及加氫站，加氫站連接并列設置的加注系統和采樣系統，氮氣吹掃系統 與加氫站并聯，同樣連接加注系統及采樣系統，控制系統連接于加氫站及加注系統之間控制 加氫站通過加注系統對燃料電池汽車加注高壓氫氣，控制系統還與報警系統相連，各系統部 件通過管路或儀表電線相連。
進一步，該控制系統包括控制器、電磁閥、流量測量單元，電磁閥為4組，并列從控制 器接出，其還包括由控制器執行的高壓氫氣的順序取氣程序和加注速率控制程序控制對燃料 電池汽車的加注時的取氣順序及加注速率。
所述流量測量單元包括流量計、流量變送器、溫度傳感器、壓力傳感器、觸摸式液晶顯 示屏，流量計與流量變送器相連，流量變送器、溫度傳感器、壓力傳感器、觸摸式液晶顯示 屏分別與控制器相連接，用于測定并在顯示屏上同時或選擇性顯示氫氣的溫度、氫氣加注壓 力、瞬時加注速率、累積加注量、氫氣單價及總價。
所述的流量計的氫氣計量帶溫度補償功能，以消除因環境溫度變化而帶來的計量誤差。
所述的控制系統的順序取氣程序按不同的加注速率要求，對加氫站的三級儲氫瓶設定了 不同的取氣切換速率點供選擇。
所述的控制系統的加注速率控制程序可依據控制器計算得到的或通過通訊接口得到的車 載儲氫瓶加注過程中的溫度變化，執行間歇式加注程序，以確保加注過程中儲氫瓶的溫升在 儲氫瓶容許的溫度限值內。
該采樣系統由調壓閥、安全閥、針閥、單向閥、連接軟管、帶自閉功能的快速接頭、采 樣瓶子系統，通過相應的耐高壓管和連接件連接而成，對加氫站的氫氣進行采樣。
該采用瓶子系統包括快速接頭、針閥、采樣瓶、調壓閥和針閥，其通過連接管連接而成， 采樣瓶子系統通過快速接頭的快速連接或脫卸完成加氫站的氫氣采樣。
該加注系統由氣動閥、針閥、拉脫閥、軟管和加氫槍，通過相應的耐高壓管和連接件連 接而成，加氫槍可與被加注車輛的受氣頭連接，為其加注高壓氫氣，同時還可將被加注車輛 的靜電導入加氣系統的接地點。
該報警系統包括氫氣泄漏探頭、信號變送器及二級報警程序，可按氫氣泄漏的程度由控制器分級發出報警信號。
該氮氣吹掃系統包括球閥、單向閥、安全閥、針閥、T型放空尾端，通過相應的管路、 連接件連接而成。當系統需要吹掃時，可將來自加氫站氮氣儲罐的氮氣，通過開啟球閥，引 入吹掃系統，可分別或同時吹掃上述加注系統和采樣系統的管路
由于采用了上述方案，本發明具有以下特點供氫系統結構簡單、可靠性高。采樣操作 簡便、快捷，可兼用常規氣體采樣瓶，降低了采樣成本；加注過程由于開發了順序取氣和加 注速率控制程序，可提高加氫站的取氣率及保證在快速加注過程中，被加注車載儲氫瓶的溫 升嚴格控制在要求的溫度范圍內。


圖1為本發明加氫系統的流程示意圖1中，1 4氣動閥；5 8電磁閥；9 13針閥；14 16安全閥；17 19單向閥；20、
21、 43、 44調壓閥；22球閥；23質量流量計；24流量變送器；25拉脫閥；26耐高壓加注軟
管；27加氫槍；28耐高壓采樣軟管；29快速接頭；30快速接頭；31采樣氣瓶；32氫泄漏探
頭；33過濾器；34控制器；35T型尾端；36靜電接地；37溫度傳感器；38壓力傳感器；39 顯示儀；40通訊信號接口 41燃料電池汽車；42信號變送器。
具體實施例方式
以下結合附圖對本發明作進一步的說明。
本發明由控制系統、采樣系統、加注系統、報警系統和氮氣吹掃系統組成。 來自加氫站高、中、低壓儲氫瓶的氫氣分三路分別經由氣動閥1、 2和3，再并入一路， 經過濾器33，再分成兩路，其中一路依次與氣動閥4、流量計23、針閥9、拉脫閥25、加注 軟管26、加氫槍27連接，組成加注系統；另一路依次與調壓閥20、采樣軟管28、快速接頭 29連接，并與依次由快速接頭30、針閥12、采樣瓶31、調壓閥21和針閥13連接而成的采 樣瓶子系統組成采樣系統。
來自加氫站氮氣儲罐的氮氣分兩路進入加氣系統，其中一路經調壓閥43調至0.6 — lMPa， 分別送至電磁閥5、 6、 7和8，用于驅動氣動閥1、 2、 3和4;另一路經調壓閥44，調至要 求的吹掃壓力，經球閥22、單向閥17和過濾器33，分別進入采樣系統和加注系統管路，并 經針閥11和單向閥19,或針闊IO和單向閥18，匯入放空管路至放空尾端35，排空。控制器34接受來自氫氣壓力傳感器38、溫度傳感器37、流量傳感器24、通訊接口 40、 氫泄漏傳感器42的信號，并根據設定程序，分別向電磁閥5、 6、 7和8發出開啟或關閉的指 令，及將有關參數反饋至顯示屏39。
所述的控制系統由控制器34，電磁閥5、 6、 7、和8，流量測量單元(包括流量計23， 流量變送器24、溫度傳感器37、壓力傳感器38和觸摸式液晶顯示屏39等)及相關管路、連 接件和儀表線，順序取氣程序、加注速率控制程序組成。利用電磁閥5、 6、 7、和8來控制 低壓氮氣的通斷，從而分別帶動氣動閥l、 2、 3和4的啟閉來控制高壓氫氣的通斷的設計， 可更好地避免氫氣與電的接觸，確保安全。流量測量單元借助流量計23,流量變送器24、溫 度傳感器37、壓力傳感器38和觸摸式液晶顯示屏29,可同時測定并顯示環境溫度、氫氣加 注壓力、瞬時加注速率(質量或體積流量可選)、累積加注量(質量或體積可任選)、氫氣單 價及總價。氫氣計量帶溫度補償功能。順序取氣程序通過對加氫站不同容積比組合的高、中、 低壓儲氫瓶依次由低、中、高分級取氣以提高加氫站氫氣的取氣率。加氫站三級瓶組間的切 換則視加注速率而定，可預先設定。由于加注速率取決于儲氫瓶與被加注車載氫瓶間的壓力 差，因此當切換時，兩者的壓力差越小，氫氣的取氣率越高，加注速率越慢，加注時間越長。 為此程序對三級瓶組設計了不同的加注速率切換點供選擇，可視不同要求選用不同程序。加 注速率控制程序則根據兩種情形設計；其一，當車載儲氫瓶帶通訊接口時，可與加氣系統的 通訊接口40連接，由此，車載氫瓶在加注過程中的溫度和壓力變化信號可傳送至控制器34， 并由控制器34根據車載氫瓶在加注過程中實際溫升程度而控制加注速率的快慢；其二，當車 載儲氫瓶不帶通訊接口時，加注速率則依據控制器34計算得到的車載儲氫瓶加注過程中的溫 度變化，執行間歇式加注程序，以確保溫升在儲氫瓶容許的溫度限值內。
所述的采樣系統由調壓閥20、 21、安全閥15、針閥ll、 12、 13、單向閥19、采樣軟管 28、帶自閉功能的快速接頭29、 30 、采樣瓶31及相應的耐高壓連接管和連接件連接而成。 調壓閥20可將來自加氫站的高壓氫氣調至采樣需要的低壓氫氣。安全閥15可確保采樣系統 的壓力始終低于設計值。針閥11用于泄放采樣系統余氣。針閥12可控制采樣氫氣的流量。 針陶13用于控制采樣瓶31中氫氣的排量。單向閥19可防止總放空管路中氣體回灌。連接軟 管28及快速接頭29和30則可方便采樣操作。采樣瓶31用于儲存采樣的樣品氫氣。
所述的加注系統由氣動閥1、 2、 3、和4，針閥9、拉脫閥25、加注軟管26和加注槍27 及相應的耐高壓連接管和連接件連接而成。氣動閥1、 2和3分別用于丌啟或關閉來自加氫站 高、中、低壓儲氫瓶的氫氣源，氣動閥4用于配合速率控制程序控制高壓氫氣的加注頻率。針閥9用于配合速率控制程序調節高壓氫氣的加注流量大小。拉脫閥25可防止加注過程中， 被加注車輛41意外啟動，拉斷加注軟管26而導致的高壓氫氣大量泄漏，帶來的危險。當拉 斷力大于設定值時，拉脫閥連接加注軟管26的一端將主動脫落，另一端則自動關閉，可有效 避免氫氣的泄漏。加氫槍27除了連接被加注車輛的受氣頭，為其加注高壓氫氣外，還具有將 被加注車輛的受氣系統的靜電導入接地點36的功能。
所述的報警系統由氫氣泄漏探頭32、信號變送器42及二級報警程序組成。當氫氣泄漏 探頭32檢測到有氫氣泄漏時，通過信號變送器42將信號送入控制器，判斷為低濃度泄漏時， 將發出聲光報警；判斷為高濃度泄漏時，在聲光報警的同時，將自動切斷加氣系統電源，關 閉高、中、低三級儲氫瓶的進氣閥，即氣動閥l、 2和3。
所述的氮氣吹掃系統由調壓閥44，球閥22，單向閥17、 18、 19，安全閥16，針閥10、 11， T型放空尾端及連接管路和連接件連接而成。將調壓閥調至需要的氮氣壓力，當加注系 統需要檢修時，打開球閥22，氣動閥4，針閥9、 10，來自加氫站氮氣儲罐的氮氣，將依次 通過球閥22,單向閥17，過濾器33，氣動閥4，流量計23，針閥9、 10,單向閥18至T型 尾端35放空，從而置換出加注系統管道中的氫氣。當采樣系統需要以氮氣置換氫氣時，打開 球閥22，調壓閥20調至需要的出口壓力，打開針閥ll，來自加氫站氮氣儲罐的氮氣，將依 次通過球閥22，單向閥17，過濾器33，調壓閥20，針閥ll，單向閥19至T型尾端35放空。 當需要置換采樣瓶中的氫氣時，連接快速接頭29和30，關閉針閥ll，打開針閥12和13， 將調壓閥21調至適當出口壓力即可。其中單向闊17的作用是阻止高壓氫氣流向相對低壓的 氮氣進氣管路，此外安全閥16則是進一步確保氮氣進氣管路始終在設定的安全卸放壓力值以 下。過濾器33可濾去氫氣或氮氣中意外帶入的微小塵粒。T型尾端的放空設計可防止雨水或 雜物進入放空管，堵塞管道，帶來安全隱患。
實施例l取樣操作接通控制器34的電源，選擇取樣模式。如需取高壓儲氫瓶中氫氣的 樣品，接通電磁閥5，在低壓氮氣的驅動下，氣動閥1打開，高壓氫氣經氣動閥l，流經過濾 器33，到達調壓閥20，將快速接頭29與30連接，打開針閥12和13，關閉調壓閥21，緩慢 打開調壓閥20至采樣瓶有正壓，緩慢打開調壓閥21，用樣品氫氣吹掃采樣瓶，然后關閉針 閥13、調壓閥21，將調壓閥20的出口壓力調高至調壓閥21的進口壓力達到采樣所需壓力， 然后依次關閉調壓閥20、針閥12、電磁閥5，打開針閥ll，泄除管路內氫氣，脫開快速接頭 29和30，取樣操作完成。如需取中壓或低壓儲氫瓶的氫氣樣品，步驟相似，可參照執行。實施例2加注操作接通控制器34的電源，選擇加注模式，確定相關參數，如以加注質 量還是車載氫瓶壓力作為加注終點，三級儲氫瓶相互切換的速率點，加注時與被加注車輛是 否有通訊等。參數設定完畢后，打開電磁閥8，在低壓氮氣的驅動下，氣動閥4打開，進入
加注準備狀態。將加氫槍27插入被加注車輛41的受氣頭，打開加氫槍開關，給出加氫指令。 控制器34將根據預設的程序，第一步，打開電磁閥7，打開氣動閥3數秒，然后關閉電磁閥 7和氣動閥3，控制器34根據加注的氫氣質量、時間、壓力，計算出被加注容器的體積及本 次需加注的氫氣量；第二步，打開電磁閥7、氣動閥3，加氫站低壓儲氫瓶組首先給車載氫瓶 加氣，當加注速率降至設定值時，自動切換至中壓儲氫瓶，即關閉電磁閥7、氣動閥3，打開 電磁閥6、氣動閥2，繼續給車載氫瓶加氣。同樣當加注速率降至設定值時，自動切換至高壓 儲氫瓶，即關閉電磁閥6、氣動閥2，打開電磁閥5、氣動閥l，直至車載氫瓶加滿為止。在 上述加注過程中，控制器34將視被加注車載儲氫瓶中的溫升情況給出指令，使得電磁閥8、 氣動閥4重復執行開啟或關閉的動作，以避免因連續快速加注導致的氫瓶溫升超過安全值。 加注完成后，關閉加氫槍開關，從被加注車輛41的受氣頭退出加氫槍27，加注結束。控制 器34判斷車載氫瓶是否加滿的依據有兩個其一是加注質量，即是否達到由第一步計算得到 的氫氣加注量；其二是加注終點的壓力，即是否達到預先設定值。由于加注過程氫瓶內溫度 的上升，上述兩個指標通常不會同時滿足，因此加注前需提前設定參數，確定以哪一個為判 定依據。
實施例3加注速率控制當加注時，加氫系統與被加注車載氫瓶沒有通訊接口連接時， 加注過程中，控制器34會按預先設定的程序，間歇給出關閉或打開電磁閥8、氣動閥4的指 令，即當電磁閥8、氣動閥4關閉時，控制器34根據質量流量計23測得的已加注氫氣質量、 被加注氫瓶的實際壓力，計算出氫瓶內的實際溫度，然后與程序設定的許可溫度曲線比較， 如果實際溫度接近許可溫度，則電磁閥8、氣動閥4關閉；如果實際溫度低于許可溫度，則 電磁閥8、氣動閥4打開。通過電磁閥8、氣動閥4的啟閉，達到控制加注過程溫升的目的。
上述的對實施例的描述是為便于該技術領域的普通技術人員能理解和應用本發明。熟悉 本領域技術的人員顯然可以容易地對這些實施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應 用到其他實施例中而不必經過創造性的勞動。因此，本發明不限于這里的實施例，本領域技 術人員根據本發明的揭示，對于本發明做出的改進和修改都應該在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1、一種可用于高壓氫氣加氫站的加氣系統，其特征在于其包括控制系統、采樣系統、加注系統、報警系統、氮氣吹掃系統及加氫站，加氫站連接并列設置的加注系統和采樣系統，氮氣吹掃系統與加氫站并聯，同樣連接加注系統及采樣系統，控制系統連接于加氫站及加注系統之間控制加氫站通過加注系統對燃料電池汽車加注高壓氫氣，控制系統還與報警系統相連，各系統部件通過管路或儀表電線相連。
2、 如權利要求1所述的可用于高壓氫氣加氫站的加氣系統，其特征在于該控制系統包 括控制器、電磁閥、流量測量單元，電磁閥為4組并列從控制器接出，其還包括由控制器執 行的高壓氫氣的順序取氣程序和加注速率控制程序，分別控制對燃料電池汽車加注時的取氣 順序及加注速率。
3、 如權利要求1所述的可用于高壓氫氣加氫站的加氣系統，其特征在于該流量測量單 元包括流量計、流量變送器、溫度傳感器、壓力傳感器、觸摸式液晶顯示屏，流量計與流量 變送器相連，流量變送器、溫度傳感器、壓力傳感器、觸摸式液晶顯示屏分別與控制器相連 接，用于測定并在顯示屏上同時或選擇性顯示氫氣的溫度、氫氣加注壓力、瞬時加注速率、 累積加注量、氫氣單價及總價。
4、 如權利要求2所述的可用于高壓氫氣加氫站的加氣系統，其特征在于該控制系統的 順序取氣程序按不同的加注速率要求，對加氫站的三級儲氫瓶設定了不同的取氣切換速率點 供選擇。
5、 如權利要求2所述的可用于高壓氫氣加氫站的加氣系統，其特征在于該控制系統的 加注速率控制程序依據控制器計算得到的或通過通訊接口得到的車載儲氫瓶加注過程中的溫 度變化，執行間歇式加注的程序，以確保加注過程中儲氫瓶的溫升在儲氫瓶容許的溫度限值 內。
6、 如權利要求1所述的可用于高壓氫氣加氫站的加氣系統，其特征在于該采樣系統由 調壓閥、安全閥、針閥、單向閥、連接軟管、帶自閉功能的快速接頭、采樣瓶子系統，通過 相應的耐高壓管和連接件連接而成，對加氫站的氫氣進行采樣。
7、 如權利要求6所述的可用于高壓氫氣加氫站的加氣系統，其特征在于該采樣瓶子系 統包括快速接頭、針閥、采樣瓶、調壓閥和針閥，其通過金屬連接管連接而成，采樣瓶子系 統通過快速接頭的快速連接或脫卸完成加氫站的氫氣采樣。
8、 如權利要求1所述的可用于高壓氫氣加氫站的加氣系統，其特征在于該加注系統由 氣動閥、針閥、拉脫閥、軟管和加氫槍，通過相應的耐高壓管和連接件連接而成，加氫槍與 被加注車輛的受氣頭連接，為其加注高壓氫氣，同時還具有將被加注車輛的靜電導入加氣系 統的接地點。
9、 如權利要求1所述的可用于高壓氫氣加氫站的加氣系統，其特征在于該報警系統包 括氫氣泄漏探頭、信號變送器及二級報警程序，其檢測并按氫氣泄漏的程度由控制器分級發 出報警信號。
10、 如權利要求1所述的可用于高壓氫氣加氫站的加氣系統，其特征在于該氮氣吹掃 系統包括球闊、單向閥、安全陶、針閥、T型放空尾端通過相應的管路、連接件連接而成， 系統需要檢修時，通過吹掃系統吹掃使得氮氣置換加注系統及采樣系統內氫氣。
全文摘要
一種可用于高壓氫氣加氫站的加氣系統，包括控制系統、采樣系統、加注系統、報警系統和氮氣吹掃系統，可采集加氫站氫氣樣品及為燃料電池汽車加注高壓氫氣的加氣系統。其具有加注計量的溫度自動補償，三級順序取氣程序可選，加注速率合理控制，氫泄漏報警及自動斷電，加注過程防拉脫、靜電自動釋放，系統過壓保護等功能。采樣點設計在加氫站整個流程的末端，使采集的氫氣樣品品質更具代表性；通過對高壓氫氣調壓處理采集樣品的設計，可使采樣操作更為簡便快捷，并可兼用常規氣體采樣鋼瓶，降低采樣成本。本發明可提高加氫站的取氣率及保證在快速加注過程中，被加注車載儲氫瓶的溫升嚴格控制在要求的溫度范圍內。
文檔編號F17C5/04GK101418908SQ20081020355
公開日2009年4月29日 申請日期2008年11月28日 優先權日2008年11月28日
發明者偉 周, 張存滿, 潘相敏, 鄔敏忠, 陳華強, 馬建新 申請人:同濟大學