加氢预冷系统

技术领域

本公开涉及加氢预冷技术领域，具体地，涉及一种加氢预冷系统。

背景技术

氢气储存器在向氢能车辆的车载储氢瓶内加氢时，由于氢气截流和压缩效应产生大量热，若在短时间的加注过程中，该热量无法快速散出，会导致瓶内氢气温度剧烈升高，当温度达到85℃以上时，储氢瓶中高分子类材料的氢渗透增大、强度减弱，带来氢气泄漏的安全隐患。

因此，氢气在加注前需要进行预冷。目前常用的预冷解决方案是，采用冷冻机输出-50℃左右的制冷液，通过换热器对氢气进行间接冷却。这种方式需要在氢气加注过程额外耗电用于制冷，这将导致在加氢过程中能耗的增加。

发明内容

本公开的目的是提供一种加氢预冷系统，以解决相关技术中存在的技术问题。

本公开提供一种加氢预冷系统，包括氢气储存器、连接管以及膨胀机，所述连接管具有第一接口和第二接口，所述第一接口与所述氢气储存器的出口连接，所述第二接口用于与所述膨胀机的进气口连接，所述膨胀机的出气口用于与车载储氢瓶的进气口连接。

可选地，所述加氢预冷系统还包括蓄冷机构，所述蓄冷机构具有氢气入口接头和氢气出口接头，所述氢气入口接头与所述膨胀机的出气口连接，所述氢气出口接头用于与车载储氢瓶的进气口连接，并且，所述蓄冷机构内具有蓄冷载体，所述蓄冷载体用于储存流经所述蓄冷机构的氢气的冷量。

可选地，所述蓄冷机构具有形成在所述氢气入口接头和所述氢气出口接头之间的流道，所述流道包括：

多个供气流道组，相邻的两个供气流道组沿所述蓄冷机构的宽度方向或高度方向间隔设置，

每个所述供气流道组包括多条供气流道，多条所述供气流道沿所述氢气入口接头至所述氢气出口接头的方向延伸，且相邻的两条所述供气流道间隔设置；

多个蓄冷流道组，相邻的两个蓄冷流道组沿所述蓄冷机构的宽度方向或高度方向间隔设置，

每个所述蓄冷流道组包括多条蓄冷流道，所述蓄冷流道内灌注有所述蓄冷载体，多条所述蓄冷流道沿与所述供气流道垂直的方向延伸，且相邻的两条所述蓄冷流道间隔设置；

沿所述蓄冷机构的宽度方向或高度方向，所述供气流道组与所述蓄冷流道组依序交替设置。

可选地，所述膨胀机的内部设置有叶轮轴以及可转动连接在所述叶轮轴上的叶轮，所述叶轮被配置为能够由从所述进气口进入的氢气驱动，并绕所述叶轮轴转动；

所述加氢预冷系统还包括发电装置，所述发电装置的转动轴与所述叶轮轴传动连接。

可选地，所述加氢预冷系统还包括蓄电池，所述发电装置与所述蓄电池相连，并用于向所述蓄电池输送电能。

可选地，所述加氢预冷系统还包括阻尼机构，所述阻尼机构活动设置在所述膨胀机上，并能够朝靠近或远离所述叶轮轴的方向移动，以改变所述阻尼机构与所述叶轮轴之间的摩擦力。

可选地，所述氢气储存器包括多个子储罐，每个所述子储罐内的压力不同，所述连接管包括多个第一接口，每个所述子储罐通过对应的第一接口与所述连接管连接，且每个所述第一接口上均设置有开关阀。

可选地，所述加氢预冷系统包括：

第一温度测量仪，所述第一温度测量仪用于测量从所述膨胀机的出气口流出的氢气的第一温度；

第二温度测量仪，所述第二温度测量仪与所述蓄冷机构连接，以用于测量所述蓄冷载体的第二温度；

每个所述开关阀被配置为选择性地开关，以选用不同的子储罐提供氢气，从而使所述第一温度与所述第二温度之间的差值不大于5℃。

可选地，所述加氢预冷系统还包括压力测量仪，所述压力测量仪用于测量所述膨胀机出口处的压力，以通过所述压力测量仪测量的到的压力；计算每个子储罐单独对车载储氢瓶充气时所述膨胀机出口处的第一温度，

其中，第一温度满足下式：

T

式中，T

每个所述开关阀被配置为选择性地开关，以选用不同的子储罐提供氢气，从而使所述第一温度与第二温度之间的差值不大于5℃，其中，所述第二温度为所述蓄冷载体的温度。

可选地，当满足上述选用要求的子储罐的数量为多个时，选用多个书子储罐中压力最低的子储罐。

通过上述技术方案，在向车载储氢瓶内加氢的过程中，氢气经连接管流入到膨胀机内，高压氢气在发生膨胀降压的同时向外输出机械功，氢气自身的温度迅速下降，使得氢气的温度达到加注要求，并且，在整个加氢过程中不需要额外提供冷源，能够减小加氢过程中能量的消耗，降低加氢成本。

另外，相比现有技术中采用换热器对氢气进行间接冷却的方式而言，氢气在通过膨胀机膨胀降压过程中的温降的响应速度更快，因此，在对氢气的大流量加注过程中能达到更好的预冷效果。

本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：

图1是本公开一种示例性实施方式提供的加氢预冷系统的示意图；

图2是本公开一种示例性实施方式提供的加氢预冷系统的蓄冷机构的立体示意图；

图3是本公开另一种示例性实施方式提供的加氢预冷系统的蓄冷机构的分解示意图。

附图标记说明

2-第一温度测量仪；3-第二温度测量仪；4-压力测量仪；5-开关阀；6-质量流量计；7-子储罐压力测量仪；10-氢气储存器；100-子储罐；30-膨胀机；40-车载储氢瓶；50-蓄冷机构；51-供气流道组；510-供气流道；52-蓄冷流道组；520-蓄冷流道；60-发电装置；70-蓄电池；80-换热板；81-氢流道板；810-氢流道；82-蓄冷载体流道板；820-蓄冷载体流道。

具体实施方式

以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。

在本公开中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“高度方向、宽度方向”具体可以参照图2以及图3的图面方向所示，使用的方位词“内、外”是指具体结构轮廓的内和外；使用的术语如“第一、第二及第三”仅是为了区分一个要素和另外一个要素，并不具有顺序性和重要性。

参考图1-图3所示，本公开提供一种加氢预冷系统，包括氢气储存器10、连接管以及膨胀机30，连接管具有第一接口和第二接口，第一接口与氢气储存器10的出口连接，第二接口用于与膨胀机30的进气口连接，膨胀机30的出气口用于与车载储氢瓶40的进气口连接。

通过上述技术方案，在向车载储氢瓶40内加氢的过程中，氢气经连接管流入到膨胀机30内，高压氢气在发生膨胀降压的同时向外输出机械功，氢气自身的温度迅速下降，使得氢气的温度达到加注要求，并且，在整个加氢过程中不需要额外提供冷源，能够减小加氢过程中能量的消耗，降低加氢成本。

另外，相比现有技术中采用换热器对氢气进行间接冷却的方式而言，氢气在通过膨胀机30膨胀降压过程中的温降的响应速度更快，因此，在对氢气的大流量加注过程中能达到更好的预冷效果。

需要说明的是，上述所提到的氢气储存器10可以为加氢站。

高压氢气在通过膨胀机30进入到车载储氢瓶40内的过程中，会获得大量冷量，当高压氢气在降压膨胀过程中产生的冷量大于对氢气的预冷要求时，便可能会在成冷量的浪费，基于此，在本公开提供的一种实施方式中，可选地，如图1所示，加氢预冷系统还包括蓄冷机构50，蓄冷机构50具有氢气入口接头和氢气出口接头，氢气入口接头与膨胀机30的出气口连接，氢气出口接头用于与车载储氢瓶40的进气口连接，并且，蓄冷机构50内具有蓄冷载体，蓄冷载体用于储存流经蓄冷机构50的氢气的冷量。蓄冷机构50的氢气入口接头与膨胀机30的出气口连接，蓄冷机构50的氢气出口接头用于与车载储氢瓶40的进气口连接，氢气在经过膨胀机30降压膨胀后温度迅速下降，达到对氢气的加注要求后，低温氢气会与蓄冷机构50内的蓄冷载体发生换热，蓄冷机构50可实现对低温氢气的过剩的冷量的收集。

高压氢气所产生的冷量与氢气储存器10内的氢气压力及车载储氢瓶40内的氢气压力有关，具体的，氢气存储器内流出的氢气在不断加入到车载储氢瓶40内的过程中，氢气储存器10内的氢气压力逐渐减小，而车载储氢瓶40内的氢气压力不断增大，也就是说，氢气储存器10与车载储氢瓶40之间的压差逐渐减小，相应的，氢气储存器10内的氢气在进入到车载储氢瓶40过程中所释放的冷量也逐渐减小，氢气的温度也就无法保持在一个较低的状态，此时，由于在膨胀机30与车载储氢瓶40之间设置了蓄冷机构50，该蓄冷机构50在氢气储存器10与车载储氢瓶40之间的压差较大时储存的冷量便可以对从蓄冷机构50内通过的氢气起到二次降温作用，进一步提升对氢气的预冷效果，并且，在这个过程中，也不会增加额外的能量消耗。

当然，在本公开提供的其他实施方式中，也可以在膨胀机30的出口处设置换热器，该换热器可以在氢气温度无法达到加氢要求时，对进入到车载储氢瓶40之前的氢气进行预冷。

为了提升蓄冷机构50的蓄冷效率及蓄冷效果，可选地，在本公开提供的一种实施方式中，如图2所示，蓄冷机构50可以具有形成在氢气入口接头和氢气出口接头之间的流道，流道包括：多个供气流道组51，相邻的两个供气流道组51沿蓄冷机构50的宽度方向或高度方向间隔设置，每个供气流道组51包括多条供气流道510，多条供气流道510沿氢气入口接头至氢气出口接头的方向延伸，且相邻的两条供气流道510间隔设置；多个蓄冷流道组52，相邻的两个蓄冷流道组52沿蓄冷机构50的宽度方向或高度方向间隔设置，每个蓄冷流道组52包括多条蓄冷流道520，蓄冷流道520内灌注有蓄冷载体，多条蓄冷流道520沿与供气流道510垂直的方向延伸，且相邻的两条蓄冷流道520间隔设置；沿蓄冷机构50的宽度方向或高度方向，供气流道组51与蓄冷流道组52依序交替设置。在对车载储氢瓶40加氢时，从氢气储存器10内流出的高压氢气从氢气入口进入到蓄冷机构50的内部，并分散至每一个供气流道510内，之后汇流到氢气出口接头并进入到车载储氢瓶40内，与此同时，在多个蓄冷流道组52内填充有蓄冷载体，且供气流道组51与蓄冷流道组52是依序交替设置的，这样，氢气在流经每一个供气流道510时均可以与位于该供气流道510周围的蓄冷流道520内的蓄冷载体发生热交换，并且，通过这种布置方式，可以增大供气流道510与蓄冷流道520之间的换热面积，更加便于蓄冷载体对氢气中冷量的收集。

在这里，蓄冷载体可以为相变储热材料，蓄冷温度范围-40℃至0℃，对于35MPa氢气储存器10优选-10℃-0℃，对于70MPa氢气储存器10优选-40℃-20℃。

为了进一步提升蓄冷机构50的蓄冷效果，蓄冷载体可以是在蓄冷流道520内循环流动的，增大与低温氢气进行换热的蓄冷载体的量，尽可能多的对氢气的冷量进行收集。

在本公开提供的另一种实施方式中，如图3所示，蓄冷机构50可以包括多个换热板80，多个换热板80包括氢流道板81和蓄冷载体流道板82，其中，在氢流道板81内部具有多个间隔设置的氢流道810，在蓄冷载体流道板82内具有多个间隔设置的蓄冷载体流道820，且相邻的两个氢流道板81均设置有至少一个蓄冷载体流道板82。

为了增大氢气在氢流道810内流动过程中与蓄冷载体流道820内的蓄冷载体之间的换热面积，氢流道810可以在氢流道板81内弯折或盘旋设置，同样的，蓄冷载体流道820也可以在蓄冷载体流道板82内弯折或盘旋设置，优选的，氢流道810和蓄冷载体流道820的流动路径在上下方向上的投影重合。

当然，蓄冷机构50可以形成为任意满足蓄冷要求的结构、形状，本公开对蓄冷机构50的具体机构不作限制，只要能实现对低温氢气中的冷量的收集及存储即可。

可选地，膨胀机30的内部设置有叶轮轴以及可转动连接在叶轮轴上的叶轮，叶轮被配置为能够由从进气口进入的氢气驱动，并绕叶轮轴转动；加氢预冷系统还包括发电装置60，发电装置60的转动轴与叶轮轴传动连接。在氢气从氢气储存器10的出口流向膨胀机30的过程中，高压氢气发生膨胀降压，并带动膨胀机30内部的叶轮旋转，进而带动叶轮轴旋转，而由于发电装置60的转动轴是与叶轮轴传动连接的，这样，叶轮轴的转动会带动转动轴的转动，发电装置60发电。在本公开中，通过设置发电装置60，高压氢气推动膨胀机30做功发电，进一步收集氢气在膨胀降压过程中产生的能量，在氢气预冷过程不需要消耗任何电能反而可以向外输出电能。

可选地，如图1所示，加氢预冷系统还包括蓄电池70，发电装置60与蓄电池70相连，并用于向蓄电池70输送电能。发电装置60产生的电能可以存储在蓄电池70内，供加氢过程中各类情形中使用，例如，当氢气储存器10与车载储氢瓶40之间的压差较小、氢气膨胀降压产生的冷量较小且蓄冷装置所储存的冷量也无法满足对氢气的冷却需求时，可以将蓄电池70与蓄冷机构50电连接，通过氢气在膨胀降压过程中产生的电能实现蓄冷机构50的持续蓄冷，减少加氢过程中的耗能。

可选地，加氢预冷系统还包括阻尼机构，阻尼机构活动设置在膨胀机30上，并能够朝靠近或远离叶轮轴的方向移动，以改变阻尼机构与叶轮轴之间的摩擦力。具体的，通过推动阻尼机构好像靠近叶轮轴的方向移动，可以增大阻尼机构与叶轮轴之间的摩擦力，从而减慢叶轮轴的转速，即减慢叶轮的转速，从而实现对加氢流量的控制，同样的，通过驱动阻尼机构朝远离叶轮轴的方向移动，可以减小驱动机构与叶轮轴之间的摩擦力，氢气能推动叶轮以更快的速度旋转，能够加快对氢气的加注速度，当阻尼机构与叶轮轴完全脱离时，对氢气的加注速度达到最大。

可选地，如图1所示，氢气储存器10包括多个子储罐100，每个子储罐100内的压力不同，连接管包括多个第一接口，每个子储罐100通过对应的第一接口与连接管连接，且每个第一接口上均设置有开关阀5。通过设置多个子储罐100(即采用多级加注的方式进行加氢)，相比于采用单级加注的方式而言，可以提高氢气储存器10的取气率。

在本公开提供的一种实施方式中，如图1所示，氢气储存器10包括三个子储罐100，连接管包括三个第一接口，每个子储罐100通过对应的第一接口与连接管连接，且每个第一接口上均设置有开关阀5。

另外，在每个第一接口处可以分别设置子储罐压力测量仪7，作业人员通过该子储罐压力测量仪7即时得知每个子储罐100内氢气的压力状态。

为了在加氢过程中，氢气的温度始终能够满足加注要求，在本公开提供的一种实施方式中，可选地，如图1所示，加氢预冷系统可以包括：第一温度测量仪2以及第二温度测量仪3，第一温度测量仪2用于测量从膨胀机30的出气口流出的氢气的第一温度，第二温度测量仪3与蓄冷机构50连接，并用于测量蓄冷载体的第二温度；每个开关阀5被配置为选择性地开关，以选用不同的子储罐100提供氢气，从而使第一温度与第二温度之间的差值被配置为不大于5℃。在对氢气进行加注的过程中，子储罐100与车载储氢瓶40之间的压差逐渐减小，相应的，子储罐100内的氢气在进入到车载储氢瓶40过程中所释放的冷量也逐渐减小，氢气的温度也就无法保持在一个较低的状态，那么，若继续采用该子储罐100对车载储氢瓶40进行加注，氢气的温度便会无法满足加注需求，基于此，在本公开中，当第一温度与第二温度之间的差值被配置为大于5℃时，说明氢气的温度较高，此时，可以关闭该子储罐100的开关阀5，并开启另一子储罐100的开关阀5，从该子储罐100内流出的高压氢气继续对车载储氢瓶40进行加注，使得从膨胀机30的出气口流出的氢气的第一温度保持在在一个较低的范围内。

此外，加氢预冷系统还可以包括质量流量计6，质量流量计6设置在膨胀机30的进气口之前，通过设置质量流量计6，可以对从每个子储罐100内流出的氢气的质量进行测量。

在本公开提供的另一种实施方式中，也可以通过对该加氢系统的压力、温度的测量，来实现对加氢过程中氢气温度的控制，具体的，加氢预冷系统还可以包括压力测量仪4，压力测量仪4用于测量膨胀机30出口处的压力，以通过压力测量仪4测量的到的压力，计算每个子储罐100单独对车载储氢瓶40充气时膨胀机30出口处的第一温度，其中，

第一温度满足以下式子：T

为了实现对第二温度的测量，参考图1所示，加氢预冷系统还包括第二温度测量仪3，第二温度测量仪3与蓄冷机构50连接。

通过压力测量仪4可以测得测量膨胀机30出口处的压力，并将其带入到上述公式计算出采用不同子储罐100中氢气引入膨胀机30后的出气口预测温度第一温度，选取能够使得第一温度低于当前第二温度的子储罐100进行供气，打开相应的开关阀5，此时，氢气从选中的子储罐100向膨胀机30供气，然后向车载储氢瓶40加注，监控第一温度的温度值，当第一温度高于第二温度某一值时(优选5℃)，切换至压力更高的储罐继续加注(例如，从第一个子储罐100切换至第二个子储罐100，则关闭第一个子储罐100的开关阀5然后第二个子储罐100的开关阀5)，直至车载储氢瓶40达到预设的目标压力(35MPa或70MPa)，加注结束后，关闭所有子储罐100的开关阀5。

这里，需要说明的是，在对车载储氢瓶40加注之前，由于蓄冷机构50内储存有冷量，因此，首先判定第二温度是否达到设定值，若第二温度高于设定值，说明蓄冷能力不足，此时，便需要通过上述公式对第一温度进行计算，从而选出符合要求的子储罐100，并开启对应子储罐100的开关阀5。

可选地，当满足上述选用要求的子储罐100的数量为多个时，选用多个子储罐100中压力最低的子储罐100。选用能够使第一温度与第二温度之间的差值被配置为不大于5℃的子储罐100中压力最低的子储罐100，采用低、中、高分级取气的方式可以提高氢气储存器10中氢气的取气率。

以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。