本發明涉及氣瓶高壓,超高壓快速充裝氣體設備技術領域，具體涉及一種采用預壓式氣液置換的氣瓶高壓,超高壓快速充氣系統。

背景技術：

預壓式氣液置換大流量氣體勻速快充系統，是為了克服天然氣、氫氣加氣站目前氣瓶充裝高壓、超高壓快速充裝氣體的過程中存在的氣體大流速快速充裝過程中產生的相向變化的氣體快充溫升，而影響氣瓶氣體快充溫升的三個因素包括：[1]進入氣瓶中的氣體初始充裝溫度，[2]進入氣瓶時氣瓶氣體原始狀態的初始充裝壓力，[3]進入氣瓶氣中的氣體初始充裝速率，三個因素所產生的氣瓶內氣體快速充裝過程中溫度的升高，所導致的氣瓶安全性隱患和充裝量不足造成經濟效益不高的問題。因此，提高氣瓶安全性能，加氣站安全生產和社會經濟效益，以誠為本領域技術人員有待解決的技術問題。

目前由同濟大學等單位主持開發的，國內最先進的第三代移動加氫產站，可執行35MPa壓力以下的快速加注；對70MPa壓力下的氣體加注，則執行慢速加注。從以上兩個壓力指標看，國內的氫氣加注技術還存在受氣體快充加注產生的氣體快充溫升影響，不能解決溫度對氣瓶使用要求85℃以下的國家規范標準，達不到額定充裝量，才采用傳統的氣體充裝方法，用時間延長方式，降低充裝速率，解決溫度過高帶來的問題，從而達到氣體充裝質量。

從日本成田機場加氫站照片中發現，加氫裝備中有預冷裝置，加注壓力70MPa。

從空氣產品公司轉讓加注技術設計的某加氣站照片中可看到，加氣站采用的是三線制充裝技術。

從2009年12月4日，浙江大學王新華研究員主持的2006年探索導向課題“70MPa靜態化學熱壓縮高壓超純氫壓縮技術與裝置”通過了國家科技部高技術中心組織專家的驗收。2009年科技部又推出了863課題，研制70Mpa的車載氣瓶，大力推動我國高壓儲氫技術的發展。

中國專利CN101315545公開了一種加氫站高效加氫的三級加注優化控制方法及其系統，從該專利公開資料看，它是加裝了一套降溫裝置，來解決氣體加氣站在充裝過程中，采用大流速充裝工藝，造成氣體在氣瓶內產生的快充溫升問題，并增加了一個由操作人員調節加注速率的針閥，以及對溫度進行調節的控制系統。該方案盡管采取了多種優化方法來達到控制快充溫升的措施，但是設備結構復雜，增加了一套降溫裝置及三路氣體管路和儲罐及配件，投資大，產出效果不佳，時間上滿足需求，但不能否達到額定充裝量指標。

從中國氫能源網2015-6-30報道，日經BP社消息，日本田公司為MIRAI燃料電池車配置的高壓儲氫罐上開發了溫度傳感器，通過配備溫度傳感器，可以檢測罐內溫度，從而可在確保安全性，同時在3分的超短時間內完成加注作業，在向高壓儲氫罐內充入高壓氫氣時，罐內氣體受到壓縮，溫度上升，但需要控制在85℃以下，加氫站可以據車載儲氫氣瓶的溫度進行加氫。通過這個報道，可以看出，目前最先進的充裝技術還不盡完善，在經過充裝前對氣體降溫處理后，雖然充裝時間上達到了要求，氣瓶充裝溫度達到了最基本的允許范圍高限以內，氣體充裝量離額定充裝有一定距離，根據氫氣性質,溫度每上升5℃,壓力上升0.4Mpa,按20℃70Mpa額定充裝量計算,

85℃70Mpa-20℃70Mpa＝65℃

65℃/5℃0.4Mpa＝5.2Mpa

70Mpa-5.2Mpa＝64.8Mpa

64.8Mpa/70Mpa＝92.6

因此，目前的充裝工藝技術離氣瓶理想使用溫度,環境溫度40℃以下，極端溫度60℃,氣瓶氣體額定充裝量20℃70Mpa,

精度±1.5％≈98.95％98.95-92.6＝6.35％

還有不盡人意的差距,還有提升空間。

綜合以上簡易資料可得出以下基本結論：

1、目前，國內外均采用三線制氣體充裝工藝設備；

2、35Mpa壓力及以70Mpa的氣體充裝均采用了降溫設備；

3、由以上可看出，針對氣體充裝過程中產生的氣體快充溫升問題，當前國內外采用的傳統充裝三線工藝+降溫工藝方式，大流速小流量充裝技術，來對充裝氣體預先進行降溫處理，設備配置投資較大、控制復雜、降溫不下，效果較差，對氣體充裝理論研究還停留在事后的處理上，沒有從事情發生的源頭上找出原因，理論研究尚有認識不足的地方，在目前天然氣汽車行業氣體充裝生產中，造成天然氣加氣站由于天然氣充裝過程因控制參數不能適應充裝參數不斷變化，即每輛加氣車輛儲氣瓶瓶內剩余壓力不同，初始壓力低時，溫升呈線性上升，初始壓力高，溫度呈線性下降，隨著初始壓力的升高,趨向于零,即不產生溫升，控制參數不能即時調整,所產生的快充溫升呈線性相向變化對充裝量產生充裝不足或充裝過量難以控制的問題，為此天然氣加氣站在執行國家永久氣體充裝規范標準中難以執行，并因此造成GB14194-2006版中注明本標準不適用于車載壓縮天然氣儲氣瓶的氣體充裝的囧境，并因此造成目前國內天然氣汽車行業中氣體充裝環節較混亂的局面。所以說現有氣體大流速快速充裝技術距商業化要求還有一定差距。

技術實現要素：

本發明的目的在于，克服現有技術中存在的缺陷，提供一種涉及氣瓶的結果設計、加氣機的設計制造技術方案，采用預壓式氣液置換的快速充氣系統，使氣瓶在高壓,超高壓氣體快速充氣過程中以大流量、氣液置換方式，提高氣瓶初始壓力，抑制氣體產生快充溫升的技術革新方法，取代目前因采用大流速充裝工藝而產生節流現象導致溫升高，影響氣瓶的安全使用和經濟效益不高，從而達到結構簡單、充裝過程按流程順序控制，操作簡易，不需降溫設備，不需對溫度進行復雜的控制手段，實現投資最少、質量最好的發明目的。

為實現上述目的，本發明的技術方案是設計一種采用預壓式氣液置換的氣瓶快速充氣系統，所述系統包括儲氣瓶或儲氣瓶組、加氣機、儲氣罐和預壓式氣液置換緩沖罐，加氣機按程序控制預壓式氣液置換緩沖罐預先將其中的液體注入到儲氣瓶，然后再用儲氣罐中的氣體置換儲氣瓶中的液體，使其返回到預壓式氣液置換緩沖罐中；在儲氣瓶上分別設有氣體進出管和液體進出管，氣體進出管由氣體管路通過氣體進出閥門、氣體快速活動接頭再由氣體管路與加氣機連接，加氣機再由氣體管路與儲氣罐連接；儲氣瓶上的液體進出管由液體管路通過液體進出閥門、液體快速活動接頭再由液體管路與加氣機連接，加氣機再由液體管路與預壓式氣液置換緩沖罐連接。

為了簡化氣瓶充裝系統的結構，適用于對商用車或客車中的氣瓶充裝氣體，采用氣體標準充裝站的充裝工藝及充裝設備進行充裝，優選的技術方案是，所述儲氣瓶設有一個，儲氣瓶采用臥式放置，其中液體進出管設置在儲氣瓶的下部，氣體進出管設置在儲氣瓶的中部或上部。

為了便于調節儲氣罐與預壓式氣液置換緩沖罐之間的壓力保持平衡，進一步優選的技術方案是，在所述加氣機內設有連接儲氣罐與預壓式氣液置換緩沖罐的聯絡管，聯絡管串接有第一調壓閥和第一壓力傳感器。

為了便于對充氣過程的監測、控制，同時便于對充氣量進行有效的計量，進一步優選的技術方案還有，在所述加氣機內的氣體管路上串接有第二壓力傳感器、第一電磁閥和第一流量計，在所述加氣機內的液體管路上串接有第三壓力傳感器和第二電磁閥，在串連的第三壓力傳感器和第二電磁閥的兩端并連有相互串接的節流膨脹閥和第三電磁閥。

為了便于向預壓式氣液置換緩沖罐內注入或補充液體，進一步優選的技術方案還有，在所述加氣機內的液體管路還并連有第一注液管，第一注液管上串接有第一注液閥，第一注液管并連在第二電磁閥與預壓式氣液置換緩沖罐之間的液體管路上。

為了便于使用于天然氣運輸車氣體充裝母站的工藝設備配置，優選的技術方案還有，所述儲氣瓶設有若干個，若干個儲氣瓶平面放置，若干個儲氣瓶的氣體進出管和液體進出管分別設置在儲氣瓶的上部和下部且彼此相互串聯連接。

為了便于使用于天然氣運輸車氣體充裝母站的工藝設備配置，進一步優選的技術方案還有，所述預壓式氣液置換緩沖罐包括有預壓式氣液置換高壓緩沖罐和預壓式氣液置換中壓緩沖罐，在所述加氣機內設有連接儲氣罐與預壓式氣液置換高壓緩沖罐的第一聯絡管，以及與預壓式氣液置換中壓緩沖罐的第二聯絡管，在第一聯絡管上串接有第二調壓閥和第四壓力傳感器，在第二聯絡管上串接有第三調壓閥和第五壓力傳感器，在所述預壓式氣液置換高壓緩沖罐與預壓式氣液置換中壓緩沖罐之間還連接有第三聯絡管，在第三聯絡管上串聯有調壓溢流閥、第四電磁閥和第六壓力傳感器。

為了便于對充氣過程的監測、控制，同時便于對充氣量進行有效的計量，進一步優選的技術方案還有，在所述加氣機內的氣體管路上串接有第七壓力傳感器、第五電磁閥和第二流量計，在所述加氣機內的液體管路分為兩路，分別為由液體快速活動接頭通往預壓式氣液置換高壓緩沖罐的第一液體管路，以及由液體快速活動接頭通往預壓式氣液置換中壓緩沖罐的第二液體管路，在第一液體管路上串接有第六電磁閥，在第二液體管路上串接有單向閥和第七電磁閥。

為了便于向預壓式氣液置換緩沖罐內注入或補充液體，進一步優選的技術方案還有，在所述加氣機內的第一聯絡管與第二聯絡管上還分別并連有第二注液管和第三注液管，第二注液管和第三注液管上分別串接有第二注液閥和第三注液閥，第二注液管并連在第四壓力傳感器與預壓式氣液置換高壓緩沖罐之間的第一聯絡管上，第三注液管并連在第五壓力傳感器與預壓式氣液置換中壓緩沖罐之間的第二聯絡管上。

為了確保系統的安全與性，進一步優選的技術方案還有，在所述儲氣罐、預壓式氣液置換緩沖罐、預壓式氣液置換高壓緩沖罐和預壓式氣液置換中壓緩沖罐上分別連接有第一安全閥、第二安全閥、第三安全閥和第四安全閥。

本發明的優點和有益效果在于：所述系統從氣體充裝產業的安全、效率角度，針對目前氣體充裝行業中出現的因商業化需求而采用的大流速快充工藝后出現的氣體快充溫升問題，對傳統充裝工藝設備功能進行了系統分析后，提出了以提高氣瓶氣體初始充裝壓力，大流量氣液置換，氣液分別進出儲氣瓶的新型雙線常溫氣體充裝方式的技術方案。以抑制氣體快充溫升產生的技術措施，取代目前因采用大流速充裝工藝而產生節流現象，造成快充氣體溫升，影響儲氣瓶使用安全和充裝質量的三線制+制冷降溫充裝方式，而提出的技術解決方案。本技術方案以不產生或少產生絕熱節流的溫度效應的設計角度出發，從而根本上解決氣體大流速充裝工藝產生的快充溫升問題，創造性地提出了由新型預壓式氣液緩沖罐組成的液路預壓緩沖系統、氣液兩路分別進出的車載儲氣瓶結構、結構簡單的氣路充裝系統、價格計算系統和充裝順序控制系統，組成的預壓式氣液置換大流量氣體勻速快充系統，解決了天然氣、氫氣等新能源利用中氣體儲存，氣體運輸,氣體充裝環節的一個氣瓶安全使用與充裝量不足經濟效益不高的重要難題。它的應用將提高目前我國天然氣汽車用戶的經濟效益、天然氣加氣站的經濟效益，進而對我國新能源汽車產業，天然氣汽車產業，及未來氫能源汽車產業中氣體儲存，氣體運輸等在氣體充裝環節中，氣體充裝設備制造，加氣站建設，加氣站充裝業務的技術競爭優勢。產生巨大的產業經濟效益和節能減排的社會效益。提高我國在新能源領域的技術競賽中，占據一個有利的制高點，促進新能源汽車產業的技術進步發揮極積的重要作用。

本發明采用的提高氣瓶初始充裝氣體壓力，(天然氣加氣站20Mpa充裝壓力時，其初始充裝壓力為12Mpa-15Mpa)控制氣體快充溫升的氣體充裝系統，可在目前的天然氣加氣站隨意驗證，或在氫氣加氣站不采用制冷降溫的條件下得到驗證。

基于對氣體快速充裝技術理論的理解，提出以大流量小流速氣體充裝方式來解決當前小流量大流速的氣體快速充裝理念，從源頭上解決氣體在氣瓶內大流速下產生的節流、摩擦、壓縮過程中出現的氣體快充溫升難題，并由此而設計出預壓式氣液置換大流量氣體勻速快充系統，它在氣瓶氣體充裝過程中，以提高氣瓶初始充裝壓力，初始充裝壓差小，達到勻速充裝，不產生或少產生節流、摩擦、壓縮等現象，從而實現氣體快充溫升小，實現常溫下的氣體快速充裝，以單線氣液分別進出的流程進行氣體充裝的工藝方式生產，從而達到結構簡單、充裝過程按流程順序控制，操作簡易，不需降溫設備，不需對溫度進行復雜的控制手段，實現投資最少、質量最好的設計目標。

附圖說明

圖1是本發明采用預壓式氣液置換的氣瓶充氣系統中儲氣瓶的結構示意圖之一；

圖2是本發明采用預壓式氣液置換的氣瓶充氣系統中儲氣瓶的結構示意圖之二；

圖3是本發明采用預壓式氣液置換的氣瓶充氣系統的系統示意圖之一；

圖4是是本發明采用預壓式氣液置換的氣瓶充氣系統的系統示意圖之二。

圖中：1、儲氣瓶；1.1、氣體進出管；1.2、液體進出管；2、加氣機；3、儲氣罐；4、預壓式氣液置換緩沖罐；4.1、預壓式氣液置換高壓緩沖罐；4.2、預壓式氣液置換中壓緩沖罐；5、氣體管路；6、氣體進出閥門；7、氣體快速活動接頭；8、液體管路；9、液體進出閥門；10、液體快速活動接頭；11、聯絡管；12、第一調壓閥；13、第一壓力傳感器；14、第二壓力傳感器；15、第一電磁閥；16、第一流量計；17、第三壓力傳感器；18、第二電磁閥；19、節流膨脹閥；20、第三電磁閥；21、第一注液管；22、第一注液閥；23、第一聯絡管；24、第二聯絡管；25、第二調壓閥；26、第四壓力傳感器；27、第三調壓閥；28、第五壓力傳感器；29、第三聯絡管；30、調壓溢流閥；31、第四電磁閥；32、第六壓力傳感器；33、第七壓力傳感器；34、第五電磁閥；35、第二流量計；36、第一液體管路；37、第二液體管路；38、第六電磁閥；39、單向閥；40、第七電磁閥；41、第二注液管；24、第三注液管；43、第二注液閥；44、第三注液閥；45、第一安全閥；46、第二安全閥；47、第三安全閥；48、第四安全閥。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式作進一步描述。以下實施例僅用于更加清楚地說明本發明的技術方案，而不能以此來限制本發明的保護范圍。

如圖1～4所示，本發明是一種采用預壓式氣液置換的氣瓶快速充氣系統，所述系統包括儲氣瓶1或氣瓶組、加氣機2、儲氣罐3和預壓式氣液置換緩沖罐4，加氣機2用于按程序控制預壓式氣液置換緩沖罐4預先將其中的液體注入到儲氣瓶1中，提高儲氣瓶或儲氣瓶組的氣體初始充裝壓力，然后再用儲氣罐3中的氣體置換儲氣瓶1中的液體，使其返回到預壓式氣液置換緩沖罐4中；在儲氣瓶1上分別設有氣體進出管1.1和液體進出管1.2，氣體進出管1.1由氣體管路5通過氣體進出閥門6、氣體快速活動接頭7再由氣體管路5與加氣機2連接，加氣機再由氣體管路5與儲氣罐3連接；儲氣瓶1上的液體進出管1.2由液體管路8通過液體進出閥門9、液體快速活動接頭10再由液體管路1.2與加氣機2連接，加氣機2再由液體管路8與預壓式氣液置換緩沖罐4連接。

如圖1、2所示，為了簡化儲氣瓶1充裝系統的結構，適用于對商用車或客車中的氣瓶充裝氣體，采用氣體標準充裝站的充裝工藝及充裝設備進行充裝，本發明優選的實施方案是，所述儲氣瓶1設有一個，儲氣瓶1采用臥式放置，其中將液體進出管1.2設置在儲氣瓶1的下部，將氣體進出管1.1設置在儲氣瓶的中部或上部。

如圖3所示，為了便于調節儲氣罐3與預壓式氣液置換緩沖罐4之間的壓力保持平衡，本發明進一步優選的實施方案是，在所述加氣機2內設有連接儲氣罐與3預壓式氣液置換緩沖罐4的聯絡管11，聯絡管11串接有第一調壓閥12和第一壓力傳感器13。

如圖3所示，為了便于對充氣過程的監測、控制，同時便于對充氣量進行有效的計量，本發明進一步優選的實施方案還有，在所述加氣機2內的氣體管路5上串接有第二壓力傳感器14、第一電磁閥15和第一流量計16，在所述加氣機2內的液體管路8上串接有第三壓力傳感器17和第二電磁閥18，在串連的第三壓力傳感器17和第二電磁閥18的兩端并連有相互串接的節流膨脹閥19和第三電磁閥20，節流膨脹閥19用于控制初始充氣階段儲氣瓶1的氣壓。

如圖3所示，為了便于向預壓式氣液置換緩沖罐內注入或補充液體，本發明進一步優選的實施方案還有，在所述加氣機2內的液體管路8上還并連有第一注液管21，在第一注液管21上串接有第一注液閥22，第一注液管21并連在第二電磁閥18與預壓式氣液置換緩沖罐4之間的液體管路8上。

如圖3所示，車載儲氣瓶1分別設有氣體進出管路1.1和液體進出管路1.2，由與車載儲氣瓶1液體管路8上的液體進出閥門9、液體快速活動接頭10，及加氣機內的，第三壓力傳感器17、第二電磁閥18和預壓式氣液置換緩沖罐4組成氣液兩路分別進出預壓式氣液置換緩沖系統配置【一】。由聯絡管路11上的手動調壓閥12，第一壓力傳感器13，預壓式氣液置換緩沖罐4，儲氣罐3，及聯絡管路11組成液路壓力手動調節系統配置【二】。由與車載儲氣瓶1氣體管路5上的氣體進出閥門6、氣體快速活動接頭7與儲氣罐3之間的第一流量計16，第一電磁閥15，第二壓力傳感噐14組成氣路氣體充裝系統配【三】。由第一流量計16等組成的氣體計量結算系統和由第一電磁閥15、第二壓力傳感器14、第一流量計16，按工作順制設定的控制系統組成的加氣機2組成預壓式氣液置換氣體充裝控制系統配置【四】。安全閥45、46，及液體管路8、第一注液閥組成預壓式氣液置換氣體充裝工藝設備配置。以上為商用汽車乘用車進行氣體充裝的標準加氣站設備配置。

如圖4所示，為了便于使用于天然氣運輸車氣體充裝母站的工藝設備配置，本發明優選的實施方案還有，所述儲氣瓶1設有若干個，若干個儲氣瓶1豎直放置，若干個儲氣瓶1的氣體進出管1.1和液體進出管1.2分別設置在儲氣瓶1的上部和下部且彼此相互串聯連接。

如圖4所示，為了便于使用于天然氣運輸車氣體充裝母站的工藝設備配置，本發明進一步優選的實施方案還有，所述預壓式氣液置換緩沖罐4包括有預壓式氣液置換高壓緩沖罐4.1和預壓式氣液置換中壓緩沖罐4.2，在所述加氣機2內設有連接儲氣罐3與預壓式氣液置換高壓緩沖罐4.1的第一聯絡管23，以及與預壓式氣液置換中壓緩沖罐4.2的第二聯絡管24，在第一聯絡管23上串接有第二調壓閥25和第四壓力傳感器26，在第二聯絡管24上串接有第三調壓閥27和第五壓力傳感器28，在所述預壓式氣液置換高壓緩沖罐4.1與預壓式氣液置換中壓緩沖罐4.2之間還連接有第三聯絡管29，在第三聯絡管29上串聯有調壓溢流閥30、第四電磁閥31和第六壓力傳感器32。

如圖4所示，為了便于對充氣過程的監測、控制，同時便于對充氣量進行有效的計量，本發明進一步優選的實施方案還有，在所述加氣機2內的氣體管路5上串接有第七壓力傳感器33、第五電磁閥34和第二流量計35，在所述加氣機3內的液體管路8分為兩路，分別為由液體快速活動接頭10通往預壓式氣液置換高壓緩沖罐4.1的第一液體管路36，以及由液體快速活動接頭10通往預壓式氣液置換中壓緩沖罐4.2的第二液體管路37，在第一液體管路36上串接有第六電磁閥38，在第二液體管路37上串接有單向閥39和第七電磁閥40。

如圖4所示，為了便于向預壓式氣液置換緩沖罐內注入或補充液體，本發明進一步優選的實施方案還有，在所述加氣機2內的第一聯絡管23與第二聯絡管24上還分別并連有第二注液管41和第三注液管42，第二注液管41和第三注液管42上分別串接有第二注液閥43和第三注液閥44，第二注液管41并連在第四壓力傳感器26與預壓式氣液置換高壓緩沖罐4.1之間的第一聯絡管23上，第三注液管42并連在第五壓力傳感器28與預壓式氣液置換中壓緩沖罐4.2之間的第二聯絡管23上。

如圖3、4所示，為了確保系統的安全與性，本發明進一步優選的實施方案還有，在所述儲氣罐3、預壓式氣液置換緩沖罐4、預壓式氣液置換高壓緩沖罐4.1和預壓式氣液置換中壓緩沖罐4.2上分別連接有第一安全閥45、第二安全閥46、第三安全閥和47第四安全閥48。

如圖4所示，車載儲氣瓶1分別設有氣體進出管路1.1和液體進出管路1.2，經第二液體管路37上的中壓單向閥39，第七電磁閥40，預壓式氣液置換中壓緩沖罐4.2，組成液路中壓單向注液系統設備配置【一】。由車載儲氣瓶1分別設有氣體進出管路1.1和液體進出管路1.2，經第一液體管路36上的，第六電磁閥38，預壓式氣液置換高壓緩沖罐4.1組成氣液兩路分別進出高壓氣液置換緩沖系統的液路設備配置【二】。由預壓式氣液置換中壓緩沖罐4.2，與預壓式氣液置換高壓緩沖罐4.1之間的第三聯絡管及調壓溢流閥30、第四電磁閥31、第六壓力傳感器32組成高，中壓氣液置換緩沖鑵的壓力分段可控的液路循環系統設備配置【三】。由氣體儲氣罐3，預壓式氣液置換高壓緩沖罐4.1，預壓式氣液置換中壓緩沖罐4.2，之間的第一聯絡管23上串接有第二調壓閥25和第四壓力傳感器26，和第二聯絡管24上串接有第二調壓閥27和第四壓力傳感器28組成高，中壓，兩罐的氣壓調整系統配置【四】。由氣體儲氣罐3，車載氣液兩路分別進出串聯式儲氣瓶組1，之間的氣體管路5及管道上第二流量計35，第五電磁閥34，第七壓力傳感器33，氣路快速活動接頭7和氣體進出閥門6組成氣路氣體充裝計量結祘系統設備配置【五】。由安裝在氣體儲氣罐3，高壓型預壓式氣液置換高壓緩沖罐4.1、預壓式氣液置換中壓緩沖罐4.2上部的安全閥組成預壓式氣液置換氣體充裝系統的安全保障系統配置【六】。由以上【一】～【六】各分系統組成一個儲氣瓶組達到氣液分別進出功能，預壓式氣液置換緩沖中，高壓兩罐氣液容積比例可調，壓力可控，液體在儲氣瓶組與中壓氣液置換緩沖罐之間單向注液，液體在儲氣瓶組與氣液置換高壓緩沖罐之間雙向進出達到液體循環與高壓型液路氣液置換緩沖罐達到容積氣液比例設計功能效應，產生氣瓶充裝氣體，充裝初始壓力高，產生溫升小，氣體充裝壓力控制，氣體計量結算，按工作順序由加氣機進行順序控制。組成預壓式氣液置換氣體充裝加氣母站系統。

預壓式氣液置換氣體充裝技術工作原理是，在氣體充裝過程中，預先對儲氣1瓶施加一定的初始充裝壓力，使氣體在氣瓶1外以大流量小流速的方式流進氣瓶1，在氣瓶1內以不產生或少產生節流、摩擦、壓縮現象，不產生或少產生焦耳-湯姆遜效應所產生的氣體在氣瓶1內的氣體快充溫升為設計目的出發點，通過對車載儲氣瓶1氣液兩路分別進出的結構設計，相關配置見附圖1、2。

對預壓式氣液置換緩沖罐4與汽液兩路進出氣瓶的氣液容積比例設計，通過對車載儲氣瓶1采用氣液兩路分別進出的結構設計和預壓式氣液置緩沖罐4，氣液容積比例設計產生的功能效應，以大流量、小流速的充裝方式，在對氣體充裝過程中，預先向氣瓶1內注入液體，使氣瓶內氣體，液體產生一定的預壓力，就提高了氣瓶初始充裝壓力，就控制了節流現象的產生，就控制了快充溫升，最大程度減少了節流現象的產生，也就杜絕了快充溫升的產生基礎，也就達到了設計目的。

針對天然氣汽車，氫氣然料電池車對液體的不同要求，采用不同的液體，如天然氣對含水量要求低于-40℃，氫氣的要求為-60℃，氫氣未其它標準未見。

車載氣液兩路分別進出儲氣瓶1的結構設計原理是，利用氣液體比重關系，它以氣瓶內部的低端[注：氣瓶為臥式安裝]，以車載氣瓶1的瓶口延伸到氣瓶內下端的1根彎管口，作為液體的1個進出口，在氣路充裝氣體時液體沿液路回流達到預壓式氣液置換緩沖罐4，以車載儲氣瓶1的液體基本可以排盡為要求，從氣液兩路分別進出氣瓶1進行氣液體置換，設計的目的也就達到了。

預壓式氣液置換大流量氣體勻速快充緩沖罐的設計原理是，利用氣體與液體密度的巨大差異性，流動性，容器與容器之間的氣體，液體壓差進行空間的能量轉換。利用容器與容器之間容器容積變化產生的壓差形成壓力升降變化的差異性。根據以上容器性質和氣液體性質設計的預壓式氣液置換充裝氣體緩沖罐4的氣液體的容積比例計算，設計出預壓式氣液置換氣體充裝緩沖罐4與車載儲氣瓶1的容積比，20MPa按8：1，35MPa按12：1[可以通過注入液體來進行比例微調]。根據上述的原理，針對車載儲氣瓶容積大小變化，采用相關的技術措施，使其容積比例在3：1～12：1之間進行不同的比例設計調整。使氣體充裝溫升精度控制在3℃～10℃，額定充裝量在95％～98％之間即可。針對待充車載氣瓶1充裝初始壓差大、壓力低、注液沖擊大問題，采用由節流調節閥19、第三電磁閥、大口徑管三D道組成大流量低流速的預壓式氣液體置換傍路減壓注液系統。

預壓式氣液置換大流量氣體勻速快充系統的實施例：

實施例1：

設車載儲氣瓶1容積為10L，預壓式氣液置換緩沖罐4容積為80L，當向預壓式氣液置換緩沖罐8注入10L液體，同時注入20MPa氣體壓力，容積氣液比變為7：1，壓力20MPa，預壓式氣液置換緩沖罐4的氣體容量變為0.07L×200＝143，當把液體注入車載儲氣瓶1時，預壓氣液置換緩沖罐4，容積變大，變為8立方壓力下降至14/0.08L＝17.5MPa此時預壓式氣液緩沖罐4壓力與車載儲氣瓶1壓力同為17.5MPa[注：此壓力即為車載儲氣瓶1的初始加注壓力。根據天然氣氣瓶快充過程溫升數值數值模擬研究,初始壓力對快充溫升影響曲線圖查到17.5MPa的氣體充裝初始壓力對溫升的影響在5℃以下，并隨著初始壓力的提高氣體快充溫升趨向于零]，當儲氣罐3向車載儲氣瓶1充裝氣體壓力大17.5MPa時，液體回流至預壓式氣液置換緩沖罐4達到設定最高額定充裝壓力20MPa時車載儲氣瓶1壓力罐已把液體排盡.車載儲氣瓶1充滿氣體完成工作。

實施例2

設車載儲氣瓶水容積為18m,預壓式氣液置換20MPa高壓緩沖罐4.1水容積為18m,預壓氣液置換4MPa中壓緩沖罐4.2水容積36m，兩罐氣液比，氣占2/3，液占1/3當向兩罐注入液體至設定值時,兩罐水容積注水量為：

高壓緩沖罐水容積為18m/3＝6m³

中壓緩沖罐水容積為36m/3＝24m³

當向高壓緩沖罐4.1注入氣體壓力為20MPa的氣體時，高壓緩沖罐4.1氣體量為

18m×2/3＝12m³ 12m×20MP＝2400m³

當向中壓緩沖罐4.2注入4MPa壓力的氣體時,中壓緩沖罐氣體容量為

36m×2/3＝24m³ 24m×4MPa＝960m³

當中，高壓緩沖罐按順序先后向容積為18m³的車載儲氣瓶注入設定值12m+6m＝18m³水車載儲氣瓶注滿時中、高壓緩沖4.1容積變大，容量沒變，壓力下降4MPa中壓緩沖罐壓力下降為960m÷36m＝2.66MPa；20MPa高壓緩沖罐4.1壓力下降為2400m÷18m＝13.3MPa；

通過以上計算，當各參數達到設定值，車載儲氣瓶的最低充裝初始壓力13.3MPa和車載儲氣瓶剩余壓力2MPa，合計15MPa以上，可對車載儲氣瓶產生15MPa以上的氣體充裝初始預壓力，并最大程度的抑制氣體快充溫升的產生。

實施例1乘用車標準加氣站加注前的準備及充裝操作

注液準備通過第一注液管上的第一注液閥22，向預壓式氣液緩置換緩沖罐4注入按設計比例的液體達到數量后關閉第一注液閥22。

設定車載儲氣瓶1最終加注壓力

通過由預壓式氣液置換緩沖罐4與儲氣罐3之間聯絡管11上的壓力第一傳感器13手動調壓閥12組成的壓力調整系統，打開手動調壓閥12向預壓式氣液置換緩沖罐4氣體由儲氣罐3向預壓式氣液置換緩沖罐4注氣至車載儲氣瓶1的最高允許額定加注壓力20MPa后關閉手動調壓閥12。[注此氣壓的氣體在預壓式氣液置換緩沖罐4內無消耗的為每一個待充氣的車載氣液兩路分別進出的新式儲氣瓶1施加預壓力]，當加注工作啟動后加氣機2按操作順序控制，此時液體從預壓式氣液置換緩沖罐4向車載儲氣瓶1流去，壓力開始下降至所調定之比例7/1，壓力17.5MPa壓力平衡，這個平衡壓力即為車載儲氣瓶加注氣體時的初始壓力。此時由第二壓力傳感器14測到設定的數值，第一電磁閥15打開，第一流量計16開始計量，結算系統運行至加注結束為止，氣體通過氣體進出閥門6、氣體快速活動接頭7向車載氣瓶1加注氣體至第二壓力傳感器14測到設定最高允許額定值時，第一電磁閥15關閉。其間由計量結算系統，加氣控制系統組成的加氣機2，按設定的工作順序進行控制到氣體加注完成。

儲氣瓶進行氣體充裝標準站A操作流程：

操作人員把加氣軟管接頭與車載儲氣瓶接口相連接，把氣液兩路氣體進出閥門6、氣體快速活動接頭7、液體進出閥門9、液體快速活動接頭10，待充裝。

起動氣體充裝程序此時加氣機2根據設定程序，自動打開預壓液路第二電磁閥18，預壓式氣液置換緩沖罐4向待充車載儲氣瓶1充入液體至兩瓶罐1，4之間氣液壓力平衡，此時預壓氣液置換緩沖罐4壓力降至一個合符氣體充裝要求的區間壓力[該壓力可通過調整罐內氣液比例實現]，此時由第一壓力傳感器13、節流膨脹閥10測得平衡壓力后，第一電磁閥15打開，氣路充裝氣體，第一流量計16和結算系統工作，此時氣路氣壓大于液路壓力，形成壓差，車載氣液兩路分別進出儲氣瓶1中的液體從儲氣瓶底部壓回預壓氣液置換緩沖罐4，當氣液兩路的壓力達到設定值平衡時，第一電磁閥15、第二電磁閥18關閉，手動關閉氣瓶1氣液兩閥門，氣體進出閥門6、液體進出閥門9，撥出軟管接頭，插上氣瓶1安全銷，氣液軟管及加氣槍歸位，氣體充裝工作完成。

實施例2大型運輸儲氣瓶組加注氣體充裝母站加注前的準備及操作：

注液準備，通過第一、第二注液管上的注液閥43，44向預壓式氣液置換中、高壓緩沖罐4.1、4.2注入按設計比例的液體達到數量后關閉注液閥43，44，設定儲氣瓶組1的最終允許充裝壓力，通過由預壓式氣液置換中、高壓緩沖罐4.1、4.2與儲氣罐3之間的聯絡管上的壓力傳感器26、28手動調壓閥25、27組成壓力調整系統。打開手動調壓閥25、27,由儲氣罐3向預壓式氣液置換中、高壓緩沖罐4.1、4.2分別注入所設定壓力﹝例天然氣充裝壓力4Mpa、20Mpa)、(25Mpa、35Mpa)、(55Mpa、70Mpa)達到相應的壓力后關閉手動調壓閥25、27待用。﹝注此氣壓的壓力氣體在預壓式氣液置換中、高壓緩沖罐4.1、4.2內旡消耗的為每一個待充的車載氣液兩路分別進出的新式儲氣瓶組分段施加預壓力﹞當加注工作啟動后，加氣機2按設計操作順序自動控制。此時液體從預壓式氣液置換中、高壓緩沖罐4.1、4.2分段向車載儲氣瓶組1流去，當中壓緩沖罐4.1壓力下降至設定值低限時，電磁閥40關閉，電磁閥38打開高壓緩沖罐4.2繼續向車載儲氣瓶組1注入液體至高壓罐4.2壓力與車載儲氣瓶組1壓力平衝，此吋壓力傳感器26測到設定的數值時，電磁閥34打開，氣路開始充裝氣體，流量計35結箅系統運行，液路液體開始向高壓緩沖罐回流，當壓力傳感器34，38測到達到設定值時，電磁閥34，38，40同時處于關閉狀態。關閉車載儲氣瓶組1上氣液路閥門6、9。快速話動接頭泄壓后脫離車載儲氣瓶組1，加氣軟管歸位，氣體加注完成。

目前氣體儲存與氣體充裝系統發展前景分析

目前最具商業潛力和市場預期的氫能源汽車，主要有氫燃料電池車和氫能內燃機汽車。其中氫燃料電池車以其清潔能源利用率高和沒有溫室氣體排放等優點而備受各國政府和汽車產業巨頭關注，中國、德國、日本，美國等國政府和汽車巨頭日本豐田汽車、法國液空、德國寶馬等均在該領域投入了大量的資金和人力。根據2010年新能源領域授權專利統計，氫燃料電池領域的專利數量約有1000件，是太陽能領域的三倍，且2010年氫燃料電池領域專利增幅超過57％。2016年11月中國氫能源汽車產業聯盟已經成立，將采取整合氫能源上下游全產業鏈資源的方式，來推動我國的氫能源汽車產業發展。

雖然世界各國政府和相關產業均對氫燃料電池領域的技術開發投入了時間、人力、物力，相關技術也已日臻完善，但為了滿足商業化的需要仍舊存在一些技術瓶頸，安全、高效和經濟的制氫、輸氫、儲氫等技術仍待改進，而且相關領域的標準化也尚未完成。其中由于缺乏安全高效和經濟的儲氫技術，使得氫氣燃料電池車的商業化進程受到顯著的制約。(摘自：70Mpa車用儲氫氣瓶快充升溫研究。)

目前影響氫能源車、氫燃料電池車商業化進程的主要技術瓶頸之一的制氫、輸氫、儲氫三個環節中。車載儲氫氣瓶氣體充裝技術在氫氣的輸氫，儲氫,兩個相關環節中，處在最關鍵的節點，所以氣體儲存，氣體充裝技術是目前制約氣體運輸，氣體儲存行業保障氣瓶安全使用、高效快速充裝，達到額定充裝量、產生最大經濟效益的根本原因。而氣瓶的氣體充裝、生產和使用，又與氣體充裝站采用大流速充裝條件下，工藝設備配置和控制技術相關，大流速狀態下氣體在氣瓶內產生的節流、摩擦、壓縮等現象所產生的高溫，影響氣瓶的安全使用，造成充裝量不足，對經濟效益產生重大影響，制約著氣體充裝行業技術的發展。與之相比，在大流速充裝條件下，目前天然氣加氣站20MPa壓力充裝條件下，加氣機單槍充裝售氣量為250m³/h以上，如扣除加氣準備,收費,等時間加氣充裝流速應在400m³/h。而在氫氣加氣站35MPa/70MPa壓力條件下，充裝流速更大,流量為[100kg-260kg]*11.2m³/h，顯然存在著充裝工藝設備設計配置缺陷、氣瓶的結構設計缺陷，以及大流速條件下對氣體快速充裝理論的認識還不完善。這使得目前的氣瓶氣體充裝工藝設備及充裝技術不能滿足商業化條件[3分鐘5公斤，500公里]下，使用氣體燃料為動力的汽車車載儲氣瓶用戶對充裝氣體的時間和行駛里程的要求。而采用大流速快充工藝，在控制參數面對充裝參數不斷變化[初始壓力不同，每個車載氣瓶剩余壓力不同]；[初始溫度變化；每天早中晚溫度變化]；[初始充裝速率變化,車載儲氣瓶剩余壓力變化]的生產過程中，不能即時調整控制參數。所以在控制參數不能即時調整，氣瓶充裝參數不斷變化,氣體大流速快充過程中在氣瓶內產生的節流、摩擦、壓縮等現象,焦耳—湯姆遜絕熱節流的溫度效應，使氣體在氣瓶內產生大量的快充溫升并呈現線性相向的變化相互沖突變化的快充溫升，初始充裝溫度升高1K，溫升上升2.3K,初始壓力每提高1Mpa,快充溫升下降2.7K]。

這個問題目前在天然氣氣體充裝過程中非常突出，在天然氣20Mpa充裝壓力的范圍內應用大流速生產工藝產生的快充溫升對氣瓶的安全指標[溫度不得超過80℃的規定，溫度敏感性對氣瓶不造成危險，但經濟效益方面有較大影響，充裝量僅能達到國家標準額定充裝量的74.1％-79％，氣體快充溫升在30℃-37℃和初始充裝溫度最高按20℃相加為50℃-57℃，甲烷性質，溫度每上升5℃，壓力上升0.7Mpa]。

(30℃-37℃)/5℃0.7Mpa≈4.2Mpa-5.18Mpa/

20Mpa-4.2Mpa＝15.8Mpa

15.8Mpa/20Mpa＝79％

20Mpa-5.18Mpa＝14.82Mpa

14.82Mpa/20Mpa＝74.1％。

對35Mpa/70Mpa的氫燃料電池車氫氣瓶的充裝產生的快充溫升，如果不選擇合理的充裝條件，快充溫升可能超過85℃(由于碳纖維增強復合材料氣瓶對溫度的敏感性較高，國家氣瓶使用規定限制氫氣瓶使用最高溫度不超過85℃)，因此對35Mpa氫氣瓶的氣體充裝,使用均產生安全性風險，而經濟性方面充裝量僅達到國家氣體額定充裝量標準的85.1％(按額定充裝量20℃35Mpa，氫氣性質，溫度每上升5℃，壓力上升0.4Mpa。

20℃35Mpa-85℃35Mpa＝65℃

65℃/5℃0.4Mpa＝5.2Mpa

35Mpa-5.2Mpa＝29.8Mpa

29.8Mpa/35Mpa＝85.1％

70Mpa的氫氣瓶的氣體快充溫升達到了125℃，按目前采用的快充工藝設備配置,在加裝了氣體降溫裝置后溫度在允許的范圍內按85℃，充裝量按20℃70Mpa額定充裝量計

20℃70Mpa-85℃70Mpa＝65℃

65℃/5℃0.4Mpa＝5.2Mpa

70Mpa-5.2Mpa＝69.8Mpa

69.8Mpa/70Mpa＝92.6％

所以目前20Mpa的天然氣充裝站,35Mpa,70Mpa氫氣充裝站，其額定充裝量僅達到(74.1％-79％)85.1％92.6％，仍未盡人意。

根據以上數據充分說明了,大流速充裝條件下的氣體快速充裝工藝技術，對氣瓶進行氣體充裝，目前的氣體充裝工藝設備配置僅解決了用戶對時間的要求，但不能解決在充裝參數變化的條件下，充裝溫升對氣瓶氣體用戶的使用和加氣站充裝生產中帶來的安全隱患，以及充裝量不足造成經濟效益不高的問題，不能滿足商業化對氣瓶充裝的氣體安全性與充裝量經濟性要求，因此對現有氣體充裝理論、氣體充裝工藝設計設備配置和相關的氣瓶結構、操作方法，系統的進行反思并查出原因，從而采取針對性的技術措施，對氣體充裝工藝設備配置、氣瓶結構設計，操作方法進行改進，才是解決氫氣、天然氣儲存技術中氣體充裝環節，技術創新的重點研究方向。

在最近國家發布的十三五新興產業戰略性規劃中提到，到2020年實現當年產銷200萬輛以上、累計產銷500萬輛整體技術水平，保持與國際同步，形成一批具有國際競爭力的新能源汽車整車和關鍵零部件企業。天然氣和氫氣充裝站的氣體充裝控制技術、及主要的裝備加氣機、車載儲氣瓶都是其中的關鍵零部件。預壓式氣液置換大流量氣體勻速快充技術作為氣體充裝行業理想中的終極追求目標，它的研發成功和應用必將使我國的新能源汽車產業中天然氣汽車,氫能源汽車、氫燃料電池車和氣體加氣站等氣體充裝技術在新能源汽車產業氣體運輸，氣體儲存，氣體加注等技術競爭中占在一個有利的技術制高點，提升我國氣體充裝裝備制造業的產品競爭能力，對促進我國的節能減排和新能源汽車產業的發展發揮重要的推動作用。

以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。