氢气加注装置及加注方法

技术领域

本发明涉及氢气加注领域，特别地涉及小型氢气加注装置及加注方法。

背景技术

能源的去碳化已经成为能源发展的趋势，可再生能源发电、氢能逐渐成为能源利用的主流。在交通领域，特别是重型货车、航空、船舶等高能量密度燃料需求领域，依靠电能驱动往往会由于电池本身自重带来发展限制，而依托燃料电池发动机和氢燃料的能源利用方式无疑是该领域的主要发展形式。为配合氢在交通领域的快速发展，加氢站这一关键基础设施在全国范围内的建设有了日新月异的变化。特别的，为了快速推进加氢站在快速布局，很多传统的加油站、加气站依托自身优势，在原有业务的基础上开展了氢气加注业务的拓展。加油站的改扩建往往受限于空间限制和土地面积。传统的双枪、多枪的加氢机往往需要较大的占地面积，而原有加注站的基础之上，增加一种单线的小体积的加氢机实现氢加注功能的同时，也不会占用较大的空间，是一种较为经济和合理的氢加注业务发展模式。

专利CN114738664A提出了一种自动识别加注策略且可变SOC的70MPa加氢机，该加氢机外壳内部上方连接有可燃气体探测器；能自动识别不同车型钢瓶容积，70MPa 加氢机控制更智能化，更人性化，这样能减少加氢站操作人员的操作步骤。

专利CN113566115A提出了一种防倾倒加氢机及其控制方法，在所述底座的底部均匀分布在所述底座上的前、后电子水平仪以及左、右电子水平仪作为平衡装置检测所述加氢机本体的水平度信息；防前倾支撑架适于在加氢机本体向前倾斜时对加氢机本体提供向上支撑。防拉脱结构设置在加氢机本体靠近加氢管道的侧部。

专利CN217109119U公开了一种具有本质安全功能的防爆加氢机，包括防护壳体和加氢机本体，氢气进气管上设置有防爆电磁阀，加氢机本体的一侧设置有氢气出气接头，加氢机本体的前端面设置有控制器，氢气出气接头上设置有流量监测装置，控制器与报警器、氢气探测传感器、防爆电磁阀、流量监测装置、排风扇电性连接。

上述专利虽然提出了多种安全自动的加氢机，但在加氢机小型化、便捷化方面设计不足。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种小型高压单枪加氢机，既能提供70MPa氢燃料电池汽车加注功能，又能满足过程快速、安全的性能要求。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种氢气加注装置，包括：

低压管路，低压管路的上游接低压气源，按照气流方向，依次布置有低压氮气置换三通、低压手动切断阀、低压气动阀门和低压止逆阀；

中压管路，中压管路的上游接中压气源，按照气流方向，依次布置有中压氮气置换三通、中压手动切断阀、中压气动阀门和中压止逆阀；

高压管路，高压管路的上游接高压气源，按照气流方向，依次布置有高压氮气置换三通、高压手动切断阀、高压气动阀门和高压止逆阀；

其中：

低压管路、中压管路、高压管路平行排布，低压管路、中压管路、高压管路的下游连接到汇管管路，在汇管管路之后依次布置有过滤器、流量计、调压控制器、氢气冷却换热器、温度传感器、压力传感器、拉断阀和加氢枪。

管管路还通过放空三通与放空管线连接，放空管线分两路并行，一路通过气动阀门放空，另一路经铅封开切断阀连接安全角阀，两路放空管线汇合后经连接泄放总管。

在低压管路在的氢气压力范围为10-20MPa，在中压管路在的氢气压力范围为 21-60MPa，和在高压管路中的氢气范围71-89MPa。

过滤器为直通型颗粒过滤器，过滤精度不大于100μm。

流量计采用质量流量计，量程范围为0.1-15kg/min，承压能力不低于100MPa。

氢气冷却换热器采用微通道型紧凑型换热器，换热功率50-100kW，所用冷媒介质为耐冰冻介质的醇类化合物。

压力传感器测试范围为0-150MPa；温度传感器测试范围为-60～200℃。

低压管路、中压管路、高压管路、汇管管路和放空管路采用不锈钢材料，内径管径为10-15mm，壁厚为1-2mm。

在加氢枪上设置拉断阀，拉断阀脱离拉力范围为100-1000N，工作压力100MPa。

一种氢气加注方法，使用根氢气加注装置为车载气瓶口加注氢气，包括：

当加氢枪与车载气瓶口连接后，发出加氢信号，压力传感器、温度传感器接收加氢信号，提供给压力控制器以启动加氢程序；

比较车载气瓶口压力与低压管路、中压管路和高压管路的压力值差值，当压力差在加氢协议规定的范围内时，启动对应的管路气动阀门，以顺序实现低压加气、中压加气和高压加气，其中：

实现低压加气包括：当加氢程序被触发以后，启动低压管路气动阀门，低压氢气通过低压管路、汇管管路、过滤器、流量计、换热预冷、压力控制器、压力温度传感器、加氢枪、加氢口加注到车载气瓶中，当低压管路压力与车载气瓶口处压力之差到一定值时，关闭低压管路气动阀门；

实现低压加气包括：在低压管路气动阀门关闭的同时开启中压管路气动阀门，中压氢气通过中压管路、汇管管路、过滤器、流量计、换热预冷、压力控制器、压力温度传感器、加氢枪、加氢口加注到车载气瓶中，当中压管路压力与车载气瓶口处压力之差到一定值时，关闭中压管路气动阀门；

实现高压加气包括：在中压管路气动阀门关闭的同时开启高压管路气动阀门，高压氢气通过高压管路、汇管管路、过滤器、流量计、换热预冷、压力控制器、压力温度传感器、加氢枪、加氢口加注到车载气瓶中，当高压管路压力与车载气瓶口处压力之差到一定值时，或车载气瓶口处压力达到最高加氢压力70MPa，或加注压力达到目标压力时，关闭高压管路气动阀门和压力控制器。

当完成加注后，泄放管线的气动阀门打开，汇管中的氢气通过泄放管路泄放到排空管线中，在压力平衡后关闭泄放管线的气动阀门。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

既可以实现对高压氢气快速安全的加注功能，同时具有占地面积小，操作便捷的优点。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：

图1是根据本申请实施例的加氢机系统示意图。

附图中各标记表示如下：

1、高压气源；2、中压气源；3、低压气源；4、高压管路；5、中压管路；6、低压管路；7、高压氮气置换三通；8、中压氮气置换三通；9、低压氮气置换三通；10、高压手动切断阀；11、中压手动切断阀；12、低压手动切断阀；13、高压气动阀门； 14、中压气动阀门；15、低压气动阀门；16、高压止逆阀；17、中压止逆阀；18、低压止逆阀；19、汇管管路；20、过滤器；21、流量计；22、调压控制器；23、氢气冷却换热器；24、温度传感器；25、压力传感器；26、放空管线气动阀门；27、铅封开切断阀；28、安全角阀；29、拉断阀；30、70MPa加氢枪；31、放空管线；32、放空汇管。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

根据本申请的一些实施例的氢气加注装置，提供一种小型70MPa单枪加氢机，主要由以下部分构成：低压管路、中压管路、高压管路、汇管管路、过滤器、流量计、调压控制器、氢气冷却换热器、温度传感器、压力传感器、拉断阀、加氢枪、放空管路组成。

低压管路、中压管路、高压管路平行排布，上游分别接低压气源、中压气源、高压气源，下游连接汇管管路。

低压管路氢气压力范围为10-20MPa，中压管路氢气压力范围为21-60MPa，高压管路氢气范围71-89MPa。

低压管路、中压管路、高压管路三条管路上按照气流方向，依次布置有氮气置换三通、手动切断阀、气动阀门、止逆阀。

低压管路、中压管路、高压管路所接氮气置换三通连接氮气置换管线前安装有针阀，针阀与氮气置换三通之间有连接法兰。

汇管管路经过滤器、流量计、压力控制器、氢气冷却换热器、温度传感器、放空三通、压力传感器、加注软管和拉断阀与70MPa加氢枪相连。

放空三通与放空管线连接，放空管线分两路并行，一路通过气动阀门放空，另一路经铅封开切断阀连接安全角阀，两路管线汇合后经连接泄放总管。

低压管路、中压管路、高压管路、汇管管路、放空管路等采用不锈钢材料，内径管径为10-15mm,壁厚为1-2mm。

所用过滤器为直通型颗粒过滤器，过滤精度不大于100μm。

所用流量计采用质量流量计，量程范围为0.1-15kg/min，承压能力不低于100MPa。

调压控制器具有独立电子控制器配合阀体，具有加氢机加注速度调节控制作用。

氢气冷却换热器采用微通道型紧凑型换热器，换热功率50-100kW,控制出口氢气温度满足加注速率及温升控制要求满足加注协议规定。所用冷媒介质为耐冰冻介质 -60℃仍具有良好流动性的冷媒介质，一般为醇类化合物。氢气介质

压力传感器测试范围为0-150MPa；

温度传感器测试范围为-60～200℃。

拉断阀脱离拉力范围为100-1000N，工作压力100MPa。

加氢枪耐受压力不小于100MPa，与70MPa加氢口适配，能够接受70MPa乘用车压力温度通信。

加氢机操步骤包括：

加注操作触发：当加氢枪与车载加氢口连接后，操作人员扣动加氢枪扳机，发出加氢信号，压力传感器、温度传感器接收到加氢口传来的信号，压力控制器启动加氢程序；

比较气瓶口压力与低、中压管路压力值差值，当压力差在加氢协议规定的范围内时，启动对应的管路气动阀门。

下面以压力差落在低压管路范围内时加注流程为例，介绍加氢步骤：

低压加气：加氢程序触发后，压力控制器开启，低压管路气动阀门开启，低压氢气通过低压管路、汇管管路、过滤器、流量计、换热预冷、压力控制器、压力温度传感器、加氢枪、加氢口加注到车载气瓶中，加氢过程通过加氢协议来控制压力控制器开启程度，控制流量。当低压管路压力与加氢口处气瓶压力差达到一定值时，关闭低压管路气动阀门；

中压加气：低压管路气动阀门关闭同时开启中压管路气动阀门，中压氢气通过中压管路、汇管管路、过滤器、流量计、换热预冷、压力控制器、压力温度传感器、加氢枪、加氢口加注到车载气瓶中。当中压管路压力与加氢口处气瓶压力差达到一定值时，关闭中压管路气动阀门；

高压加气：中压管路气动阀门关闭同时开启高压管路气动阀门，高压氢气通过高压管路、汇管管路、过滤器、流量计、换热预冷、压力控制器、压力温度传感器、加氢枪、加氢口加注到车载气瓶中，当高压管路压力与加氢口处气瓶压力差达到一定值，或加氢口压力达到最高加氢压力70MPa，或加注压力达到目标压力时，关闭高压管路气动阀门和压力控制器，完成加注过程。

排空：当完成加注后，泄放管线的气动阀门打开，汇管中的氢气通过泄放管路泄放到排空管线中，压力平衡后关闭泄放管线的气动阀门。

进气管线上的手动进气阀为紧急切断阀，用于紧急情况下切断氢源。

加氢枪还设置有拉断阀，防止意外拉脱造成大量氢气泄漏，发生安全隐患。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。