一种连续输出式静态氢压缩、存储、加注一体化系统论文和设计-孙泰

全文摘要

本实用新型提供了一种连续输出式静态氢压缩、存储、加注一体化系统，属于氢燃料技术领域。该一体化系统包括氢源输入装置、加注装置以及至少1个氢气增压及存储单元。每个氢气增压及存储单元均包括静态氢压缩装置和增压氢存储装置。静态氢压缩装置分别与氢源输入装置及增压氢存储装置连通，增压氢存储装置还与加注装置的入口端或下一静态氢压缩装置的氢气入口端连通。该一体化系统无运动部件，完全使用热驱动方式实现氢气的增压，设计紧凑、安静、可靠性高、泄露风险低，在压缩的过程中可同时提高氢气纯度，通过多罐交替式吸放氢方式，实现了压缩氢气的连续式输出，多级并联工作时，能极大增强系统的氢气压缩及输送能力，提高实用性。

主设计要求

1.一种连续输出式静态氢压缩、存储、加注一体化系统，其特征在于，所述连续输出式静态氢压缩、存储、加注一体化系统包括氢源输入装置、加注装置以及至少1个氢气增压及存储单元；每个所述氢气增压及存储单元均包括静态氢压缩装置和增压氢存储装置；所述氢源输入装置的氢源出口端与所述静态氢压缩装置的氢气入口端连通，所述静态氢压缩装置的氢气出口端与所述增压氢存储装置的氢气输入端连通，所述增压氢存储装置的氢气输出端与所述加注装置的入口端或下一静态氢压缩装置的氢气入口端连通。

设计方案

1.一种连续输出式静态氢压缩、存储、加注一体化系统，其特征在于，所述连续输出式静态氢压缩、存储、加注一体化系统包括氢源输入装置、加注装置以及至少1个氢气增压及存储单元；

每个所述氢气增压及存储单元均包括静态氢压缩装置和增压氢存储装置；

所述氢源输入装置的氢源出口端与所述静态氢压缩装置的氢气入口端连通，所述静态氢压缩装置的氢气出口端与所述增压氢存储装置的氢气输入端连通，所述增压氢存储装置的氢气输出端与所述加注装置的入口端或下一静态氢压缩装置的氢气入口端连通。

2.根据权利要求1所述的连续输出式静态氢压缩、存储、加注一体化系统，其特征在于，所述静态氢压缩装置包括输入管、输出管以及并联的第一氢压缩罐和第二氢压缩罐；

所述输入管的一端与所述氢源输入装置的所述氢源出口端连通，所述输入管的另一端分别与所述第一氢压缩罐的氢气入口端以及所述第二氢压缩罐的氢气入口端连通，所述输出管的一端分别与所述第一氢压缩罐的氢气出口端以及所述第二氢压缩罐的氢气出口端连通，所述输出管的另一端与所述增压氢存储装置的所述氢气输入端连通。

3.根据权利要求2所述的连续输出式静态氢压缩、存储、加注一体化系统，其特征在于，所述输入管包括第一子输入管和第二子输入管，所述输出管包括第一子输出管和第二子输出管；

所述第一子输入管的两端分别与所述氢源输入装置的所述氢源出口端以及所述第一氢压缩罐的氢气入口端连通，所述第二子输入管的两端分别与所述氢源输入装置的所述氢源出口端以及所述第二氢压缩罐的氢气入口端连通；

所述第一子输出管的两端分别与所述第一氢压缩罐的氢气出口端以及所述增压氢存储装置的所述氢气输入端连通，所述第二子输出管的两端分别与所述第二氢压缩罐的氢气出口端以及所述增压氢存储装置的所述氢气输入端连通。

4.根据权利要求3所述的连续输出式静态氢压缩、存储、加注一体化系统，其特征在于，所述静态氢压缩装置还包括冷介质输送装置，所述冷介质输送装置包括冷介质存储装置及第一输送管和第二输送管；

所述第一输送管的两端分别与所述冷介质存储装置及所述第一氢压缩罐连通，所述第二输送管的两端分别与所述冷介质存储装置及所述第二氢压缩罐连通。

5.根据权利要求4所述的连续输出式静态氢压缩、存储、加注一体化系统，其特征在于，所述静态氢压缩装置还包括热介质输送装置，所述热介质输送装置包括热介质存储装置及第三输送管和第四输送管；

所述第三输送管的两端分别与所述热介质存储装置及所述第一氢压缩罐连通，所述第四输送管的两端分别与所述热介质存储装置及所述第二氢压缩罐连通。

6.根据权利要求5所述的连续输出式静态氢压缩、存储、加注一体化系统，其特征在于，所述静态氢压缩装置还包括8个阀门，8个所述阀门分别设置于所述第一子输入管、所述第二子输入管、所述第一子输出管、所述第二子输出管、所述第一输送管、所述第二输送管、所述第三输送管以及所述第四输送管。

7.根据权利要求1所述的连续输出式静态氢压缩、存储、加注一体化系统，其特征在于，所述氢气增压及存储单元包括一级氢气增压及存储单元和二级氢气增压及存储单元；

所述一级氢气增压及存储单元包括一级静态氢压缩装置和一级增压氢存储装置，所述二级氢气增压及存储单元包括二级静态氢压缩装置和二级增压氢存储装置；

所述氢源输入装置的所述氢源出口端与所述一级静态氢压缩装置的氢气入口端连通，所述一级静态氢压缩装置的氢气出口端与所述一级增压氢存储装置的氢气输入端连通，所述一级增压氢存储装置的氢气输出端分别与所述二级静态氢压缩装置的氢气入口端以及所述加注装置的入口端连通，所述二级静态氢压缩装置的氢气出口端与所述二级增压氢存储装置的氢气输入端连通，所述二级增压氢存储装置的氢气输出端与所述加注装置的入口端连通。

8.根据权利要求1所述的连续输出式静态氢压缩、存储、加注一体化系统，其特征在于，所述氢气增压及存储单元包括一级氢气增压及存储单元、二级氢气增压及存储单元和三级氢气增压及存储单元；

所述一级氢气增压及存储单元包括一级静态氢压缩装置和一级增压氢存储装置，所述二级氢气增压及存储单元包括二级静态氢压缩装置和二级增压氢存储装置，所述三级氢气增压及存储单元包括三级静态氢压缩装置和三级增压氢存储装置；

所述氢源输入装置的所述氢源出口端与所述一级静态氢压缩装置的氢气入口端连通，所述一级静态氢压缩装置的氢气出口端与所述一级增压氢存储装置的氢气输入端连通，所述一级增压氢存储装置的氢气输出端分别与所述二级静态氢压缩装置的氢气入口端以及所述加注装置的入口端连通；所述二级静态氢压缩装置的氢气出口端与所述二级增压氢存储装置的氢气输入端连通，所述二级增压氢存储装置的氢气输出端分别与所述三级静态氢压缩装置的氢气入口端以及所述加注装置的入口端连通；所述三级静态氢压缩装置的氢气出口端与所述三级增压氢存储装置的氢气输入端连通，所述三级增压氢存储装置的氢气输出端与所述加注装置的入口端连通。

9.根据权利要求1所述的连续输出式静态氢压缩、存储、加注一体化系统，其特征在于，所述加注装置包括加注枪。

10.根据权利要求1所述的连续输出式静态氢压缩、存储、加注一体化系统，其特征在于，所述静态氢压缩装置为压缩罐，所述增压氢存储装置为存储罐。

设计说明书

技术领域

本实用新型属于氢燃料技术领域，且特别涉及一种连续输出式静态氢压缩、存储、加注一体化系统。

背景技术

任何使用氢燃料电池进行驱动的装置如燃料电池交通工具、备用电源等等都需要使用氢气及氧气作为其“燃料”，氧气可以从空气中获得，而氢气则需要预先进行存储，在需要的时候再释放出来。目前高压氢气技术方案由于其技术路线成熟，供氢系统动态响应性能好，已成为燃料电池供氢系统的首先方案。

当前市场上最为成熟的高压氢气产生方式主要采用机械式压缩的方法，通过活塞或隔膜的运动造成存气空间的体积变化，从而缩短氢气分子间的距离，实现高压氢气的生产。整个过程将机械能转变为气体分子内能，中间存在着许多的问题。例如，运动部件的存在，导致压缩装置的设计复杂度上升，系统体积庞大，加工难度及成本上升，同时不可避免的存在运动部件磨损等现象；而为了配合运动部件存在的密封部件、润滑措施等也不可避免的存在着老化及损耗，这些都会导致氢气纯度的下降，氢气纯度的下降又会影响燃料电池本身的寿命，因此经过机械压缩后的氢气还需要通过额外的高压氢气提纯设备来确保纯度，这又进一步增加了氢缩系统的生产成本。

更重要的是，目前压力达25MPa以上级别的机械式氢压缩机故障率较高，寿命大幅下降。进口机械压缩装置的寿命和故障率较低，但其价格又异常的昂贵。国产装置虽成本上稍低一些，但往往用不到半年就要进行大修，这又增加了停机维护的时间和成本。

由于结构设计方面的原因，机械式氢压缩系统的压缩比范围通常较小，如欲达到较高压力的输出，往往需要较多级的不同型号的机械式氢压缩机的配合工作方可以实现，导致系统体积庞大。另外，传统的机械式压缩方案本身并不涉及氢气的存储功能，这使得需要为其专门配套大型的储罐以满足其使用要求。

随着市场上对高压氢气的需求不断增长，传统机械式氢压缩方式的缺点已越来越多的暴露出来。

实用新型内容

本实用新型的目的之一在于提供一种连续输出式静态氢压缩、存储、加注一体化系统。该一体化系统无运动部件，完全使用热驱动方式实现氢气的增压，设计紧凑、安静、可靠性高、泄露风险低，通过多罐交替式吸放氢方式，实现了压缩氢气的连续式输出。多级并联工作时，能极大增强系统的氢气压缩及输送能力，提高实用性。

本实用新型的另一目的在于提供另一种连续输出式静态氢压缩、存储、加注一体化系统，该一体化系统在上一一体化系统的基础上还包括氢源产生装置，能够将氢源的产生到加注完全一体化，方便使用。

本实用新型解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的：

本实用新型实施例提出了一种连续输出式静态氢压缩、存储、加注一体化系统，其包括氢源输入装置、加注装置以及至少1个氢气增压及存储单元。

每个氢气增压及存储单元均包括静态氢压缩装置和增压氢存储装置。

氢源输入装置的氢源出口端与静态氢压缩装置的氢气入口端连通，静态氢压缩装置的氢气出口端与增压氢存储装置的氢气输入端连通，增压氢存储装置的氢气输出端与加注装置的的入口端或下一静态氢压缩装置的氢气入口端连通。

进一步地，静态氢压缩装置包括输入管、输出管以及并联的第一氢压缩罐和第二氢压缩罐。

输入管的一端与氢源输入装置的氢源出口端连通，输入管的另一端分别与第一氢压缩罐的氢气入口端以及第二氢压缩罐的氢气入口端连通，输出管的一端分别与第一氢压缩罐的氢气出口端以及第二氢压缩罐的氢气出口端连通，输出管的另一端与增压氢存储装置的氢气输入端连通。

进一步地，输入管包括第一子输入管和第二子输入管，输出管包括第一子输出管和第二子输出管。

第一子输入管的两端分别与氢源输入装置的氢源出口端以及第一氢压缩罐的氢气入口端连通，第二子输入管的两端分别与氢源输入装置的氢源出口端以及第二氢压缩罐的氢气入口端连通。

第一子输出管的两端分别与第一氢压缩罐的氢气出口端以及增压氢存储装置的氢气输入端连通，第二子输出管的两端分别与第二氢压缩罐的氢气出口端以及增压氢存储装置的氢气输入端连通。

进一步地，静态氢压缩装置还包括冷介质输送装置，冷介质输送装置包括冷介质存储装置及第一输送管和第二输送管。

第一输送管的两端分别与冷介质存储装置及第一氢压缩罐连通，第二输送管的两端分别与冷介质存储装置及第二氢压缩罐连通。

进一步地，静态氢压缩装置还包括热介质输送装置，热介质输送装置包括热介质存储装置及第三输送管和第四输送管。

第三输送管的两端分别与热介质存储装置及第一氢压缩罐连通，第四输送管的两端分别与热介质存储装置及第二氢压缩罐连通。

进一步地，静态氢压缩装置还包括8个阀门，8个阀门分别设置于第一子输入管、第二子输入管、第一子输出管、第二子输出管、第一输送管、第二输送管、第三输送管以及第四输送管。

进一步地，氢气增压及存储单元包括一级氢气增压及存储单元和二级氢气增压及存储单元。

一级氢气增压及存储单元包括一级静态氢压缩装置和一级增压氢存储装置，二级氢气增压及存储单元包括二级静态氢压缩装置和二级增压氢存储装置。

氢源输入装置的氢源出口端与一级静态氢压缩装置的氢气入口端连通，一级静态氢压缩装置的氢气出口端与一级增压氢存储装置的氢气输入端连通，一级增压氢存储装置的氢气输出端分别与二级静态氢压缩装置的氢气入口端以及加注装置的入口端连通，二级静态氢压缩装置的氢气出口端与二级增压氢存储装置的氢气输入端连通，二级增压氢存储装置的氢气输出端与加注装置的入口端连通。

进一步地，氢气增压及存储单元包括一级氢气增压及存储单元、二级氢气增压及存储单元和三级氢气增压及存储单元。

一级氢气增压及存储单元包括一级静态氢压缩装置和一级增压氢存储装置，二级氢气增压及存储单元包括二级静态氢压缩装置和二级增压氢存储装置，三级氢气增压及存储单元包括三级静态氢压缩装置和三级增压氢存储装置。

氢源输入装置的氢源出口端与一级静态氢压缩装置的氢气入口端连通，一级静态氢压缩装置的氢气出口端与一级增压氢存储装置的氢气输入端连通，一级增压氢存储装置的氢气输出端分别与二级静态氢压缩装置的氢气入口端以及加注装置的入口端连通；二级静态氢压缩装置的氢气出口端与二级增压氢存储装置的氢气输入端连通，二级增压氢存储装置的氢气输出端分别与三级静态氢压缩装置的氢气入口端以及加注装置的入口端连通；三级静态氢压缩装置的氢气出口端与三级增压氢存储装置的氢气输入端连通，三级增压氢存储装置的氢气输出端与加注装置的入口端连通。

进一步地，加注装置包括加注枪。

本实用新型实施例还提出了另一种连续输出式静态氢压缩、存储、加注一体化系统，其包括氢源产生装置、氢源输入装置、加注装置以及至少1个氢气增压及存储单元。

每个氢气增压及存储单元均包括静态氢压缩装置和增压氢存储装置。

氢源产生装置与氢源输入装置的氢源进口端连通，氢源输入装置的氢源出口端与静态氢压缩装置的氢气入口端连通，静态氢压缩装置的氢气出口端与增压氢存储装置的氢气输入端连通，增压氢存储装置的氢气输出端与加注装置的入口端连通。

本申请中连续输出式静态氢压缩、存储、加注一体化系统的有益效果包括：

本申请提供的连续输出式静态氢压缩、存储、加注一体化系统无运动部件，完全使用热驱动方式实现氢气的增压，设计紧凑、安静、可靠性高、泄露风险低，通过多罐交替式吸放氢方式，实现了压缩氢气的连续式输出，多级并联工作时，能极大增强系统的氢气压缩及输送能力，提高实用性。并且，包括氢源产生装置的一体化系统还能够将氢源的产生到加注完全一体化，方便使用。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本申请提供的连续输出式静态氢压缩、存储、加注一体化系统的氢气整体输送流程图；

图2为本申请提供的连续输出式静态氢压缩、存储、加注一体化系统中氢气增压及存储单元的结构示意图；

图3为本申请提供的连续输出式静态氢压缩、存储、加注一体化系统中核心储氢材料的氢气压缩、存储机理图；

图4为本申请提供的氢气增压及存储单元或阵列的数量为1个时的连续输出式静态氢压缩、存储、加注一体化系统的结构示意图；

图5为本申请提供的氢气增压及存储单元或阵列的数量为2个时的连续输出式静态氢压缩、存储、加注一体化系统的结构示意图。

图标：100-连续输出式静态氢压缩、存储、加注一体化系统；10-氢源输入装置；20-氢气增压及存储单元；21-静态氢压缩装置；211-输入管；2111-第一子输入管；2112-第二子输入管；212-输出管；2121-第一子输出管；2122-第二子输出管；213-第一氢压缩罐；214-第二氢压缩罐；22-增压氢存储装置；23-冷介质输送装置；231-冷介质存储装置；232-第一输送管；233-第二输送管；24-热介质输送装置；241-热介质存储装置；242-第三输送管；243-第四输送管；251-第一阀门；252-第二阀门；253-第三阀门；254-第四阀门；255-第五阀门；256-第六阀门；257-第七阀门；258-第八阀门；30-加注装置；41-一级氢气增压及存储单元；411-一级静态氢压缩装置；412-一级增压氢存储装置；42-二级氢气增压及存储单元；421-二级静态氢压缩装置；422-二级增压氢存储装置。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“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，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，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实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“垂直”等术语并不表示要求部件绝对垂直，而是可以稍微倾斜。如“垂直”仅仅是指其方向相对“水平”而言更加垂直，并不是表示该结构一定要完全垂直，而是可以稍微倾斜。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“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实用新型中的具体含义。

以下进行具体说明。

请参照图1所示，本申请涉及的连续输出式静态氢压缩、存储、加注一体化系统100包括氢源输入装置10、加注装置30以及至少1个氢气增压及存储单元20。

请一并结合图1与图2，每个氢气增压及存储单元20均包括静态氢压缩装置21(例如压缩罐)和增压氢存储装置22(例如存储罐)。

氢源输入装置10的氢源出口端与静态氢压缩装置21的氢气入口端连通，静态氢压缩装置21的氢气出口端与增压氢存储装置22的氢气输入端连通，增压氢存储装置22的氢气输出端与加注装置30的入口端或下一静态氢压缩装置21的氢气入口端连通。

作为可选地，氢源的产生例如可以通过管道式输氢或电解水制氢等，由氢源输入装置10输入的氢气压力相对较低，经氢气增压及存储单元20增压处理后再由加注装置30实现对利用氢燃料电池驱动的物件(例如交通工具、电动玩具、手机充电宝等)进行加注。

本申请中，每个静态氢压缩装置21均包括输入管211、输出管212以及并联的第一氢压缩罐213和第二氢压缩罐214。

输入管211的一端与氢源输入装置10的氢源出口端连通，输入管211的另一端分别与第一氢压缩罐213的氢气入口端以及第二氢压缩罐214的氢气入口端连通。输出管212的一端分别与第一氢压缩罐213的氢气出口端以及第二氢压缩罐214的氢气出口端连通，输出管212的另一端与增压氢存储装置22的氢气输入端连通。上述输入管211主要用于向两个氢压缩罐中输入低压氢气，输出管212主要用于输出两个氢压缩罐中压缩后的高压氢气。

值得说明的是，每个压缩罐内均填充有金属氢化物，例如稀土-Ti系复相储氢合金、Ti-Mn或Ti-Fe系储氢合金、Ti-Cr系储氢合金或Ti-Cr-Mn系储氢合金等。压缩罐内的合金种类及具体的配方应根据系统实际用途而决定。

进一步地，输入管211包括第一子输入管2111和第二子输入管2112，输出管212包括第一子输出管2121和第二子输出管2122。

第一子输入管2111的两端分别与氢源输入装置10的氢源出口端以及第一氢压缩罐213的氢气入口端连通，第二子输入管2112的两端分别与氢源输入装置10的氢源出口端以及第二氢压缩罐214的氢气入口端连通。换而言之，第一子输入管2111的用于与氢源出口端连通的一端与第二子输入管2112的用于与氢源出口端连通的一端实质是连通，氢源输入装置10输出的氢气通过第一子输入管2111和第二子输入管2112分为两个支流并分别输入至两个氢压缩罐内。

第一子输出管2121的两端分别与第一氢压缩罐213的氢气出口端以及增压氢存储装置22的氢气输入端连通，第二子输出管2122的两端分别与第二氢压缩罐214的氢气出口端以及增压氢存储装置22的氢气输入端连通。换而言之，第一子输出管2121的用于与增压氢存储装置22连通的一端与第二子输出管2122的用于与增压氢存储装置22连通的一端实质是连通。

进一步地，静态氢压缩装置21还包括冷介质输送装置23，冷介质输送装置23包括冷介质存储装置231及第一输送管232和第二输送管233。

第一输送管232的两端分别与冷介质存储装置231及第一氢压缩罐213连通，第二输送管233的两端分别与冷介质存储装置231及第二氢压缩罐214连通。

进一步地，静态氢压缩装置21还包括热介质输送装置24，热介质输送装置24包括热介质存储装置241及第三输送管242和第四输送管243。

第三输送管242的两端分别与热介质存储装置241及第一氢压缩罐213连通，第四输送管243的两端分别与热介质存储装置241及第二氢压缩罐214连通。

作为可选地，冷介质以及热介质均可以为水或导热油等。在一些实施方式中，冷介质以及热介质均可同时为水或导热油，其区别在介质的温度不同。在另一些实施方式中，冷介质以及热介质可分别水和导热油。冷热介质的输送口可以为同一个，可以不同。

进一步地，静态氢压缩装置21还包括8个阀门，8个阀门分别设置于第一子输入管2111(对应第一阀门251)、第二子输入管2112(对应第二阀门252)、第一子输出管2121(对应第三阀门253)、第二子输出管2122(对应第四阀门254)、第一输送管232(对应第五阀门255)、第二输送管233(对应第六阀门256)、第三输送管242(对应第七阀门257)以及第四输送管243(对应第八阀门258)。

上述静态氢压缩装置21通过第一氢压缩罐213和第二氢压缩罐214的交替工作，即可实现对外连续输出经压缩过的氢气。具体地，上述静态氢压缩装置21的工作流程可参照如下，默认所有阀门常闭，假设此时第一氢压缩罐213内未充氢，第二氢压缩罐214已完成充氢：

打开第五阀门255，由第一输送管232往第一氢压缩罐213通入冷介质，对第一氢压缩罐213进行“预冷”；同时，打开第八阀门258，由第四输送管243往第二氢压缩罐214通入热介质，对第二氢压缩罐214进行“预热”。

打开第一阀门251，由第一子输入管2111往第一氢压缩罐213通入低压氢气，设定合适的吸氢时间使压缩罐内储氢材料充分吸氢；同时，打开第四阀门254，第二氢压缩罐214里的储氢材料由于受热，通过较高的放氢平台由第二子输出管2122往外释放经过“增压”的氢气。

随后，打开第七阀门257，由第三输送管242往第一氢压缩罐213通入热介质，对第一氢压缩罐213进行“预热”；同时，打开第六阀门256，由第二输送管233往第二氢压缩罐214通入冷介质，对第二氢压缩罐214进行“预冷”。值得说明的是，在向第一氢压缩罐213通入热介质之前，需将在先通入的冷介质抽走；相应的，在向第二氢压缩罐214通入冷介质之前，需将在先通入的热介质抽走。

打开第三阀门253，第一氢压缩罐213里的储氢材料由于受热，通过较高的放氢平台由第一子输出管2121往外释放经过“增压”的氢气；同时，打开第二阀门252，由第二子输入管2112往第二氢压缩罐214通入低压氢气，设定合适的吸氢时间使压缩罐内储氢材料充分吸氢。

重复上述步骤即可实现单级压缩单元的连续氢气压缩输出。

上述过程中的压缩原理如下：如图3所示，利用储氢材料在低温时吸氢压力低、高温时放氢压力高的特性对氢气进行增压。常见的金属氢化物储氢材料主要采取“固溶”的方式将氢分子解离成氢原子后“存储”于储氢材料的晶格中，然后在一定的温度下可将处于晶格中的氢原子重新“释放”出来并结合成氢分子，从而实现氢气的吸收及释放。材料在吸氢时的化学反应为一放热反应，而材料在放氢时的反应为一吸热反应。吸放氢反应的过程伴随着材料物相的变化，在吸放氢初始的α相及终了的β相之间存在一两相共存区，在该区域内材料的吸放氢压力维持不变，俗称吸放氢“平台”。当材料处于较低温度时，其吸放氢的平台亦较低，当温度升高时，材料的吸放氢平台亦升高，通过储氢材料的这一特性，即可实现在常温(室温)下以极低的压力(例如≤4MPa)将外部输入的氢气通过储氢材料吸收，随后通过提升系统的温度，使储氢材料实现在较高温度下以较高的压力将氢气输出(压力根据材料及系统设计的不同可连续调整，目前报道的最高输出压力可达1000MPa)。如此一来，即实现了“增压”的效果。

上述整个过程只存在着温度的变化，无任何运动部件(阀门除外)的参与，因此可大幅降低增压过程的噪音并提升可靠性。同时，由于材料对氢气的选择性吸收与释放，整个过程可实现氢气纯度的提升，这与传统机械式氢压缩方法会降低氢气品质的情况有根本性的差别。

在本申请中，氢气增压及存储单元20的数量可以仅为上述的1个，也可以为2个、3个或更多。多个氢气增压及存储单元20之间相互并联协同工作，可非常方便、灵活的提高系统的压缩产气量。值得说明的是，本申请中的氢气增压及存储结构还可以是由多个氢气增压及存储单元20形成的阵列。

当氢气增压及存储单元20的数量为1个时，整个一体化系统的结构请结合图1、图2及图4。当氢气增压及存储单元20的数量为2个时，其可包括一级氢气增压及存储单元41和二级氢气增压及存储单元42，整个系统的结构请结合图1、图2及图5。

其中，一级氢气增压及存储单元41包括一级静态氢压缩装置411和一级增压氢存储装置412，二级氢气增压及存储单元42包括二级静态氢压缩装置421和二级增压氢存储装置422。

具体地，氢源输入装置10的氢源出口端与一级静态氢压缩装置411的氢气入口端连通，一级静态氢压缩装置411的氢气出口端与一级增压氢存储装置412的氢气输入端连通，一级增压氢存储装置412的氢气输出端分别与二级静态氢压缩装置421的氢气入口端以及加注装置30的入口端连通，二级静态氢压缩装置421的氢气出口端与二级增压氢存储装置422的氢气输入端连通，二级增压氢存储装置422的氢气输出端与加注装置30的入口端连通。

当氢气增压及存储单元20的数量为3个时(图未示)，其可包括一级氢气增压及存储单元41、二级氢气增压及存储单元42和三级氢气增压及存储单元(图未示)。

其中，一级氢气增压及存储单元41包括一级静态氢压缩装置411和一级增压氢存储装置412，二级氢气增压及存储单元42包括二级静态氢压缩装置421和二级增压氢存储装置422，三级氢气增压及存储单元包括三级静态氢压缩装置和三级增压氢存储装置。

氢源输入装置10的氢源出口端与一级静态氢压缩装置411的氢气入口端连通，一级静态氢压缩装置411的氢气出口端与一级增压氢存储装置412的氢气输入端连通，一级增压氢存储装置412的氢气输出端分别与二级静态氢压缩装置421的氢气入口端以及加注装置30的入口端连通；二级静态氢压缩装置421的氢气出口端与二级增压氢存储装置422的氢气输入端连通，二级增压氢存储装置422的氢气输出端分别与三级静态氢压缩装置的氢气入口端以及加注装置30的入口端连通；三级静态氢压缩装置的氢气出口端与三级增压氢存储装置的氢气输入端连通，三级增压氢存储装置的氢气输出端与加注装置30的入口端连通。

当氢气增压及存储单元20的数量为2个或2个以上时，于其所含的压缩罐中填充不同种类的金属氢化物，即可实现不同压力等级的氢气输入及输出。通过调整储氢合金材料的热力学性能，使得前一级压缩单元的氢气输出压力满足后一级压缩单元的输入压力，可实现各级压缩单元间的压力匹配。

为了满足不同压缩单元间气体的存储需求，同时加快系统的动态响应性能，氢气增压及存储单元20中的增压氢存储装置22可将上一级静态氢压缩装置411产出的高压氢气存储于压力容器中，待需要时再作为输入源为下一级静态氢压缩装置411供气。同时增压氢存储装置22还可以作为终端加注的有益补充，在实际加注时，由于高压力级较之低压力级所产生的气量少。为了加快加注的速度，同时减少较高压力级静态氢压缩装置21的产气压力，可先直接从低压级增压氢存储装置22中向用气终端载具进行低压加注，随后不足部分再由高压级静态氢压缩装置21或高压级增压氢存储装置22进一步进行补充。如此一来，可大幅节约氢气供给的时间及各类成本。

作为可选地，加注装置30可以采用加注枪，如单加注枪或多加注枪。

此外，本实用新型还提出了另一种连续输出式静态氢压缩、存储、加注一体化系统100(图未示)，其包括氢源产生装置(图未示)、氢源输入装置10、加注装置30以及至少1个氢气增压及存储单元20。其中，氢源输入装置10、加注装置30以及至少1个氢气增压及存储单元20均可参照上述第一种连续输出式静态氢压缩、存储、加注一体化系统100中所描述的内容。也可理解地，该一体化系统即在上述第一种一体化系统的基础上多涵盖了氢源产生装置。

在连接关系上，氢源产生装置与氢源输入装置10的氢源进口端连通，氢源输入装置10的氢源出口端与静态氢压缩装置21的氢气入口端连通，静态氢压缩装置21的氢气出口端与增压氢存储装置22的氢气输入端连通，增压氢存储装置22的氢气输出端与加注装置30的入口端连通。

承上，本申请提供的连续输出式静态氢压缩、存储、加注一体化系统100没有运动部件，完全使用热驱动方式实现氢气的增压，因此设计紧凑、安静、可靠性高、无泄露风险。由于金属储氢材料对氢气的选择性吸收及释放特性，该系统在增压的同时可实现高纯氢气(≥99.999％)的输出、存储及对外加注功能。所用的合金原材料储备稳定性极高，从而提高了系统工作的稳定性，避免了出现传统机械氢压缩机在25MPa以上压力段故障率大幅上升的情况。并且，通过选用不同类型的金属氢化物材料，可十分方便地实现多级氢压缩单元的串、并联工作，从而提高系统的氢压缩比和氢气的压缩量。

此外，该一体化系统通过自动控制的多罐交替式吸放氢方法，实现了压缩氢气的连续式输出，同时通过利用多级并联工作的方式，极大的增强了系统的氢气压缩及输送能力，使得该静态氢压缩、存储、加注一体化系统具有更强的实用性，并为实现将来在加氢站等领域的建设应用提供了有效的途径。

实施例1

本实施例提供一种连续输出式静态氢压缩、存储、加注一体化系统100，该一体化系统包括1套氢源输入装置10、1个氢气增压及存储单元20及1套加注装置30。其中，氢气增压及存储单元20包括1个静态氢压缩装置21(装置内含两个压缩罐，即第一氢压缩罐213和第二氢压缩罐214)和1个增压氢存储装置22(内含1个压力储罐)。

系统输入氢源采用电解水制氢装置产生的氢气，输入压力为4MPa。第一氢压缩罐213及第二氢压缩罐214中皆填充稀土-钛系复相储氢合金。冷、热介质均采用水，热源来自于普通工业余热，热水温度约90℃，冷水温度为室温。

操作时，将来自电解水装置产生的氢气通过第一子输入管2111和第二子输入管2112输入第一氢压缩罐213及第二氢压缩罐214，经“压缩”后产生的32MPa氢气通过第一子输出管2121和第二子输出管2122输入至增压氢存储装置22中，增压氢存储装置22在室温下工作，后接加注装置30，形成可供20MPa氢燃料电池交通工具氢气燃料加注的一级压缩、存储、加注系统。

实施例2

本实施例提供一种连续输出式静态氢压缩、存储、加注一体化系统100，该一体化系统包括1套氢源输入装置10、2个氢气增压及存储单元20及1套加注装置30。其中，每个氢气增压及存储单元20均包括1个静态氢压缩装置21(每个静态氢压缩装置21内均含两个压缩罐，即第一氢压缩罐213和第二氢压缩罐214)和1个增压氢存储装置22(每个增压氢存储装置22内均含1个压力储罐)。该2个静态氢压缩装置21分别为低压级(输出压力25MPa)和高压级(输出压力为42MPa)。两个增压氢存储装置22用于存储各级压缩后的氢气。

系统输入氢源采用槽车输送的氢气，输入压力为5MPa。

低压级静态氢压缩装置21中填充Ti-Mn或Ti-Fe系储氢合金。

高压级静态氢压缩装置21中填充Ti-Cr系储氢合金。

低压级所采用的冷、热介质为导热油，热源可选用电加热，热油温度约135℃，冷油温度为室温。

高压级所采用的冷、热介质为水，热源可选用工业余热，热水温度约85℃，冷水温度为室温。

操作时，将来自氢源输入装置10的氢气输入低压级静态氢压缩装置21中的第一氢压缩罐213及第二氢压缩罐214，第一氢压缩罐213及第二氢压缩罐214交替进行吸、放氢过程，实现“连续”的产生25MPa的压缩氢气，并输送至低压级增压氢存储装置22中，增压氢存储装置22在室温下工作。

将来自低压级增压氢存储装置22中的氢气输入高压级静态氢压缩装置21中的第一氢压缩罐213及第二氢压缩罐214，第一氢压缩罐213及第二氢压缩罐214交替进行吸、放氢过程，实现“连续”的产生42MPa的压缩氢气，并输送至高压级增压氢存储装置22中，增压氢存储装置22在室温下工作。

两级氢气增压及存储单元20均连接加注单元，形成可供35MPa氢燃料电池交通工具氢气燃料加注的两级压缩、存储、加注系统。加注时，压力<25MPa的氢气可直接由低压级增压氢存储装置22直接供应，待压力达到20MPa后，剩余的高压氢气由高压增压氢存储装置22供应，直至交通工具氢燃料箱中的氢气压力达到35MPa。

实施例3

本实施例提供一种连续输出式静态氢压缩、存储、加注一体化系统100，该一体化系统包括1套氢源输入装置10、3个氢气增压及存储单元20阵列及3套加注装置30。其中，每个氢气增压及存储单元20阵列均包括1个静态氢压缩装置21阵列(每个静态氢压缩装置21内均含两个压缩罐，即第一氢压缩罐213和第二氢压缩罐214)和1个增压氢存储装置22阵列(每个增压氢存储装置22内均含1个压力储罐)。该3个静态氢压缩装置21阵列分别为低压级(输出压力25MPa)、中压级(输出压力为42MPa)和高压级(输出压力为90MPa)。3个增压氢存储装置22阵列用于存储各级压缩后的氢气。

系统输入氢源采用槽车输送的氢气，输入压力为5MPa。

低压级静态氢压缩装置21中填充稀土-Ti系复相储氢合金。

中压级静态氢压缩装置21中填充Ti-Mn系储氢合金。

高压级静态氢压缩装置21中填充Ti-Cr-Mn系储氢合金。

为简化系统设计，低、中、高压级所采用的冷、热介质均为导热油，热源选用电加热，低压级热油温度约90℃，中压级热油温度约135℃，高压级热油温度约170℃，冷油温度为室温。

操作时，将来自氢源输入装置10的氢气输入低压级静态氢压缩装置21中的第一氢压缩罐213及第二氢压缩罐214阵列，第一氢压缩罐213及第二氢压缩罐214阵列交替进行吸、放氢过程，实现“连续”的产生25MPa的压缩氢气，并输送至低压级增压氢存储装置22阵列中，增压氢存储装置22阵列在室温下工作。

将来自低压级增压氢存储装置22中的氢气输入中压级静态氢压缩装置21中的第一氢压缩罐213及第二氢压缩罐214阵列，第一氢压缩罐213及第二氢压缩罐214阵列交替进行吸、放氢过程，实现“连续”的产生42MPa的压缩氢气，并输送至中压级增压氢存储装置22阵列中，增压氢存储装置22阵列在室温下工作。

将来自中压级增压氢存储装置22中的氢气输入高压级静态氢压缩装置21中的第一氢压缩罐213及第二氢压缩罐214阵列，第一氢压缩罐213及第二氢压缩罐214阵列交替进行吸、放氢过程，实现“连续”的产生90MPa的压缩氢气，并输送至高压级增压氢存储装置22阵列中，增压氢存储装置22阵列在室温下工作。

低压、中压及高压增压氢存储装置22均连接加注装置30，形成可供70MPa氢燃料电池交通工具氢气燃料加注的三级压缩、存储、加注系统。加注时，压力<25MPa的氢气可直接由低压级增压氢存储装置22直接供应，待压力达到20MPa后，压力<35MPa的氢气可直接由中压级增压氢存储装置22直接供应，待压力达到35MPa后，剩余的高压氢气由高压增压氢存储装置22供应，直至交通工具氢燃料箱中的氢气压力达到70MPa。

综上，本申请提供的连续输出式静态氢压缩、存储、加注一体化系统100无运动部件，完全使用热驱动方式实现氢气的增压，设计紧凑、安静、可靠性高、无泄露风险，通过多罐交替式吸放氢方式，实现了压缩氢气的连续式输出，多级并联工作时，能极大增强系统的氢气压缩及输送能力，提高实用性。包括氢源产生装置的一体化系统还能够将氢源的产生到加注完全一体化，方便使用。

以上仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

设计图

一种连续输出式静态氢压缩、存储、加注一体化系统论文和设计

一种连续输出式静态氢压缩、存储、加注一体化系统论文和设计-孙泰

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