专利名称：一种基于气驱增压技术的快速充氢成套装备及方法
技术领域：
本发明涉及一种基于气驱增压技术的快速充氢成套装备及其方法，尤其是能够安静快速增压的装置及其方法，具体地说是一种基于气驱增压技术的快速充氢成套装备及其安静快速增压方法。
背景技术：
随着世界“能源危机”的日益加剧，氢能逐渐引起人们广泛的关注。以氢为动力的燃料电池车将成为未来汽车工业的发展方向，氢能源汽车的发展将带动着高压储氢容器的开发。车用储氢容器要求充氢的速度快，同时高压储氢容器有可能因反复充放氢气而发生疲劳失效。在高压氢气的增压上，国内目前主要采用氢气压缩机，但这种压缩技术明显存在着有电火花、压缩效率不高、噪音高、能耗大、排气压力受限制的特点。同时，国内外还没有基于气压试验方法制定的气瓶试验标准及相关成套装备。对于高压储氢容器而言，如仅采用液压疲劳试验技术，其试验状况和真实的反复充放氢气过程有着较大的差别，我们将无法获得高压氢气储罐在承受反复充放氢气疲劳载荷时所表现出来的防泄漏能力(气密性能力，氢气极易泄漏)。同时，在疲劳载荷条件的配合下，氢气介质对高压氢气储罐本身及相关元件(管件、仪表及密封件等)的腐蚀和损伤将会加剧，因此仅采用水压方法进行疲劳试验是完全不够的，也是偏不安全的。换言之，鉴于高压车用储氢容器的风险性特点，对其进行充分的真实的(以氢气为介质)储氢及反复充放氢能力试验是非常必要的。但这样的试验对试验设备的性能和防风险能力提出了很高的要求。目前，国内外还没有可用于真实的45MPa以上储氢容器的快速充放氢疲劳试验的成套装备及相关的知识产权，同时国内也缺乏45MPa以上的高效便携氢气增压泵方面的知识产权。
发明内容
本发明的目的是针对目前国内目氢气技术明显存在着有电火花、压缩效率不高等缺点和国内外无法对高压氢气储罐进行充分的真实的储氢及反复充放氢能力试验，提出一种充放氢气的速度快、真实可靠地基于气驱增压技术的快速充氢成套装备及方法。本发明的技术方案是
一种基于气驱增压技术的快速充氢成套装备，它包括预增储氢罐、气驱增压泵、被测储氢罐、第一压力传感器、PLC控制器、第一至四电磁阀、由相应的电磁阀控制的第一至四气控阀和第五电磁阀，所述的气驱增压泵的进气口与被测储氢罐、预增储氢罐的对应出气管路相连，气驱增压泵的出气口与被测储氢罐、预增储氢罐的对应进气管路相连，第一压力传感器安装在与被测储氢罐相连的气路上，第一压力传感器的信号输出端与PLC控制器的气压信号输入端相连，PLC控制器的控制信号输出端通过第五电磁阀控制气驱增压泵的开闭；通过第一至四电磁阀控制相应的第一至四气控阀开闭气路。本发明的气驱增压泵为气驱柱塞泵。本发明的预增储氢罐的气路上装有第二压力传感器。一种基于气驱增压技术的快速充氢方法，它包括以下步骤
(a)、PLC控制器控制第五电磁阀开启气驱增压泵，将氢气从预增储氢罐打到被测储氢罐，第一压力传感器安装在与被测储氢罐相连的气路上，并将该压力信号传输至PLC控制器；
(b)、当被测储氢罐的压力达到高压时，PLC控制器控制第五电磁阀关闭气驱增压泵，关闭时间为3-5min，进行高压保压；
(c)、PLC控制器控制第五电磁阀开启气驱增压泵，将氢气从被测储氢罐打回预增储氢
罐；
(d)、当被测储氢罐的压力达到低压时，PLC控制器控制第五电磁阀关闭气驱增压泵，关闭时间为3-5min，进行低压保压；
(e)、重复步骤a-d，进行循环测试，在测试过程中PLC控制器显示压力波形图，如果漏气，波形图会产生波动，这时测试装置停止气驱增压泵的工作，停止循环，表示被测储氢罐已坏，测试结束，得到高压储氢罐充放氢气的次数即高压储氢罐的疲劳性能。本发明的步骤(a)中PLC控制器控制第五电磁阀开启气驱增压泵，同时，PLC控制器通过第一电磁阀、第三电磁阀开启第一气控阀和第三气控阀，通过第二电磁阀、第四电磁阀关闭第二气控阀和第四气控阀，使得氢气从预增储氢罐打到被测储氢罐。本发明的步骤(b)中，高压的压力范围是45MPa _50MPa。本发明的步骤(b)中PLC控制器控制第五电磁阀关闭气驱增压泵，关闭时间为 3-5min ；同时，PLC控制器通过第三电磁阀开启第三气控阀，通过第一电磁阀、第二电磁阀和第四电磁阀关闭第一气控阀、第二气控阀和第四气控阀，进行高压保压。本发明的步骤(c)中PLC控制器控制第五电磁阀开启气驱增压泵，同时，PLC控制器通过第二电磁阀、第四电磁阀开启第二气控阀和第四气控阀，通过第一电磁阀、第三电磁阀关闭第一气控阀和第三气控阀，使得氢气从被测储氢罐打回预增储氢罐。本发明的步骤(d)中，低压的压力范围是4. 5MPa-10MPa，低压优选8Mpa。本发明的步骤(d)中PLC控制器控制第五电磁阀关闭气驱增压泵，关闭时间为 3-5min ；同时，PLC控制器通过第三电磁阀开启第三气控阀，通过第一电磁阀、第二电磁阀和第四电磁阀关闭第一气控阀、第二气控阀和第四气控阀，进行低压保压。本发明的有益效果
本发明采用气驱增压泵代替传统的氢气压缩机，无电火花、压缩效率高、噪音低、能耗本发明的基于气驱增压技术的快速充氢方法，所采用的氢气增压技术能满足 45MPa以上储氢容器的高效、安全及长寿命的要求。本发明的基于气驱增压技术的快速充氢成套装备，充放频率可控、高压和低压的具体数据可控，通过氢气流速和整套设备控制，具有的良好的防静电功能，能排除快速充放氢过程中可能产生的摩擦静电带来的安全隐患。本发明的气驱气驱增压泵为气驱柱塞泵，利用活塞两端大小面积差，用大面积活塞端低压气体驱动而产生小面积活塞端的高压气体，利用气驱柱塞泵中的分配阀使泵连续运转，本设计选用的是双头泵，两头驱动和输出，以加大气体流量，确保设备的增压效率。本发明的基于气驱增压技术的快速充氢方法，在获得储氢容器快速充放氢所需的高效、安全的氢气增压技术的基础上，疲劳试验所需的频率得到保证。安全保障方面，首先， 电磁阀正常工作时，PLC控制器的测控软件通过数字量输出操控电磁阀进行换向，使得系统内最高压力不会超过用户设定的循环上限压力；其次，高压表B10-1、B10-2同样具有安全保护功能，这种压力表除了能够指示压力的指针以外，还有分别用于设定压力上下限的指针，系统压力只能在此压力范围内变化。当压力超过上限值时，用于指示压力的指针与上限指针相接触时，向测控软件发送信号，软件即处理电接点压力表信号，令电磁阀进行升压。 同时还设置了卸荷阀B16和爆破排气口 B9，并当系统压力达到溢流压力时，溢流阀强制泄压，以保证系统安全。管路输送方面，通过流速控制、防静电接地等措施提供安全保障。本设计实现快速充氢的方法1、使用气驱增压泵，2、自动充气技术实施，3、在应用中，为了快速试验，在被测气瓶中充填铝块，并不影响对气瓶性能的测试，但可以减少气体量，提高充气速度。
图1是本发明的结构示意图。其中B1、空压机；B2、第一过滤器；B3-1、第一调压阀；B3-2、第二调压阀；B4_l、 第一气压表；B4-2、第二气压表；B5-0、第五电磁阀；B5-1、第一电磁阀；B5-2、第二电磁阀； B5-3、第三电磁阀；B5-4、第四电磁阀；B6、气驱增压泵；B7、第二过滤器；B8-1、第一气控阀； B8-2、第二气控阀；B8-3、第三气控阀；B8-4、第四气控阀；B9、爆破排气口 ；B10-1、第一高压表；B10-2、第二高压表；B11、第一针阀；B12、被测储氢罐；B13-1、第一压力传感器；B13-2、 第二压力传感器；B14、第二针阀；B16、卸荷阀；B17、PLC控制器。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。如图1所示，一种基于气驱增压技术的快速充氢成套装备，它包括预增储氢罐 B15、气驱增压泵B6、被测储氢罐B12、第一压力传感器B13-1、PLC控制器B17、第一至四电磁阀B5-1—B5-4、由相应的电磁阀控制的第一至四气控阀B8-1—B8-4和第五电磁阀B5-0，所述的气驱增压泵B6的进气口与被测储氢罐B12、预增储氢罐B15的对应出气管路相连，气驱增压泵B6的出气口与被测储氢罐B12、预增储氢罐B15的对应进气管路相连，第一压力传感器B13-1安装在与被测储氢罐B12相连的气路上，第一压力传感器B13-1的信号输出端与 PLC控制器B17的气压信号输入端相连，PLC控制器B17的控制信号输出端通过第五电磁阀 B5-0控制气驱增压泵B6的开闭；通过第一至四电磁阀B5-1—B5-4控制相应的第一至四气控阀B8-1—B8-4开闭气路。本发明的气驱增压泵为气驱柱塞泵。本发明的预增储氢罐1的气路上装有第二压力传感器B13-2。
一种基于气驱增压技术的快速充氢方法，充放频率可控，每完成一个压力循环包括升压一保压一降压一保压四个过程；压力交变范围高压(45MPa 50MPa)，低压 (4. 5MPa IOMPa);整个压力循环的时间为3-15分钟，它包括以下步骤在增压阶段，利用气驱气驱增压泵将氢气从预增储氢罐B15打到被测储氢罐B12。第一调压阀B3-1，第二调压阀B3-2，第五电磁阀B5-0，第一气控阀B8-1，第三气控阀B8-3，针阀B11，针阀B14开启， 第二气控阀B8-2，第四气控阀B8-4关闭。高压保压阶段，气驱气驱增压泵停止运作，第一调压阀B3-1，第二调压阀B3-2，第三气控阀B8-3，针阀B11，针阀B14开启，第五电磁阀B5-0， 第一气控阀B8-1，第二气控阀B8-2，第四气控阀B8-4关闭。降压阶段，利用气驱气驱增压泵将氢气从被测储氢罐B12打回预增储氢罐B15。第一调压阀B3-1，第二调压阀B3-2，第五电磁阀B5-0，第二气控阀B8-2，第四气控阀B8-4，针阀Bl 1，针阀B14开启，第一气控阀 B8-1，第三气控阀B8-3关闭。低压保压阶段，气驱气驱增压泵停止运作，被测储氢罐B12外管路关断，第一调压阀B3-1，第二调压阀B3-2，第三气控阀B8-3，针阀B11，针阀B14开启， 第五电磁阀B5-0，第一气控阀B8-1，第二气控阀B8-2，第四气控阀B8-4关闭。重复以上步骤，进行循环测试，在测试过程中PLC控制器5显示压力波形图，如果漏气，波形图会产生波动，这时测试装置停止气驱增压泵B6的工作，停止循环，表示被测储氢罐B12已坏，测试结束，得到高压储氢罐充放氢气的次数即高压储氢罐的疲劳性能。本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
权利要求
1.一种基于气驱增压技术的快速充氢成套装备，其特征是它包括预增储氢罐(B15)、 气驱增压泵(B6)、被测储氢罐(B12)、第一压力传感器(B13-1)、PLC控制器(B17)、第一至四电磁阀(B5-1—B5-4)、由相应的电磁阀控制的第一至四气控阀(B8-1—B8-4)和第五电磁阀(B5-0)，所述的气驱增压泵(B6)的进气口与被测储氢罐(B12)、预增储氢罐(B15)的对应出气管路相连，气驱增压泵(B6)的出气口与被测储氢罐(B12)、预增储氢罐(B15)的对应进气管路相连，第一压力传感器(B13-1)安装在与被测储氢罐(B12)相连的气路上，第一压力传感器(B13-1)的信号输出端与PLC控制器(B17)的气压信号输入端相连，PLC控制器 (B17)的控制信号输出端通过第五电磁阀(B5-0)控制气驱增压泵(B6)的开闭；通过第一至四电磁阀(B5-1—B5-4)控制相应的第一至四气控阀(B8-1—B8-4)开闭气路。
2.根据权利要求1所述的基于气驱增压技术的快速充氢成套装备，其特征是所述的气驱增压泵为气驱柱塞泵。
3.根据权利要求1所述的基于气驱增压技术的快速充氢成套装备，其特征是所述的预增储氢罐(1)的气路上装有第二压力传感器(B13-2)。
4.一种基于气驱增压技术的快速充氢方法，应用如权利要求1所述的基于气驱增压技术的快速充氢成套装备，其特征是它包括以下步骤(a),PLC控制器(B17)控制第五电磁阀(B5-0)开启增压泵(B6)，将氢气从预增储氢罐 (B15)打到被测储氢罐(B12)，第一压力传感器(B13-1)安装在与被测储氢罐(B12)相连的气路上，并将该压力信号传输至PLC控制器(B17)；(b)、当被测储氢罐(B12)的压力达到高压时，PLC控制器(B17)控制第五电磁阀(B5-0) 关闭增压泵(B6)，关闭时间为3-5min，进行高压保压；(c)、PLC控制器(B17)控制第五电磁阀(B5-0)开启增压泵(B6)，将氢气从被测储氢罐 (B12)打回预增储氢罐(B15)；(d)、当被测储氢罐(B12)的压力达到低压时，PLC控制器(B17)控制第五电磁阀(B5-0) 关闭增压泵(B6)，关闭时间为3-5min，进行低压保压；(e)、重复步骤a-d，进行循环测试，在测试过程中PLC控制器(B17)显示压力波形图，如果漏气，波形图会产生波动，这时测试装置停止增压泵(B6)的工作，停止循环，表示被测储氢罐(B12)已坏，测试结束，得到高压储氢罐充放氢气的次数即高压储氢罐的疲劳性能。
5.根据权利要求4所述的基于气驱增压技术的快速充氢方法，其特征是所述的步骤(a)中PLC控制器(B17)控制第五电磁阀(B5-0)开启增压泵(B6)，同时，PLC控制器(B17) 通过第一电磁阀(B5-1)、第三电磁阀(B5-3)开启第一气控阀(B8-1)和第三气控阀(B8-3)， 通过第二电磁阀(B5-2 )、第四电磁阀(B5-4)关闭第二气控阀(B8-2 )和第四气控阀(B8-4)， 使得氢气从预增储氢罐(B15)打到被测储氢罐(B12)。
6.根据权利要求4所述的基于气驱增压技术的快速充氢方法，其特征是所述的步骤(b)中，高压的压力范围是45MPa-50MPa。
7.根据权利要求4所述的基于气驱增压技术的快速充氢方法，其特征是所述的步骤 (b)中PLC控制器(B17)控制第五电磁阀(B5-0)关闭增压泵(B6)，关闭时间为3-5min; 同时，PLC控制器(B17)通过第三电磁阀(B5-3)开启第三气控阀(B8-3)，通过第一电磁阀(B5-1)、第二电磁阀(B5-2)和第四电磁阀(B5-4)关闭第一气控阀(B8_l)、第二气控阀 (B8-2 )和第四气控阀(B8-4 )，进行高压保压。
8.根据权利要求4所述的基于气驱增压技术的快速充氢方法，其特征是所述的步骤(c)中PLC控制器(B17)控制第五电磁阀(B5-0)开启增压泵(B6)，同时，PLC控制器(B17) 通过第二电磁阀(B5-2 )、第四电磁阀(B5-4 )开启第二气控阀(B8-2 )和第四气控阀(B8-4 )， 通过第一电磁阀(B5-1)、第三电磁阀(B5-3)关闭第一气控阀(B8-1)和第三气控阀(B8-3)， 使得氢气从被测储氢罐(B12)打回预增储氢罐(B15)。
9.根据权利要求4所述的基于气驱增压技术的快速充氢方法，其特征是所述的步骤(d)中，低压的压力范围是4.5MPa-10MPa，低压优选8Mpa。
10.根据权利要求4所述的基于气驱增压技术的快速充氢方法，其特征是所述的步骤 (d)中PLC控制器(B17)控制第五电磁阀(B5-0)关闭增压泵(B6)，关闭时间为3-5min; 同时，PLC控制器(B17)通过第三电磁阀(B5-3)开启第三气控阀(B8-3)，通过第一电磁阀(B5-1)、第二电磁阀(B5-2)和第四电磁阀(B5-4)关闭第一气控阀(B8-1)、第二气控阀 (B8-2 )和第四气控阀(B8-4 )，进行低压保压。
全文摘要
一种基于气驱增压技术的快速充氢成套装备及方法，它包括预增储氢罐、气驱增压泵、被测储氢罐、第一压力传感器、PLC控制器、第一至四电磁阀、由相应的电磁阀控制的第一至四气控阀和第五电磁阀，气驱增压泵的进气口与被测储氢罐、预增储氢罐的对应出气管路相连，气驱增压泵的出气口与被测储氢罐、预增储氢罐的进气管路相连，第一压力传感器检测被测储氢罐的压力输出至PLC控制器，通过第五电磁阀控制气驱增压泵的开闭；通过第一至四电磁阀控制相应的第一至四气控阀开闭气路。本发明对高压氢气储罐进行充分的真实的储氢及快速充放试验，获得高压氢气储罐在承受反复充放氢气时所表现出来的防泄漏能力，充放氢气的速度快，具有高效、可靠的优点。
文档编号G01N3/32GK102269673SQ20111011929
公开日2011年12月7日 申请日期2011年5月10日 优先权日2011年5月10日
发明者周剑秋, 李乾峰, 董淑宏, 蔡锐 申请人:南京工业大学
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