技术领域
[0001] 本
发明涉及一种氢气压缩机，尤指一种加氢站用的液压活塞式氢气压缩机。
背景技术
[0002] 氢能是指氢和
氧进行化学反应释放出的
化学能，是一种清洁的二次
能源，具有
能量密度大、
燃烧热值高、来源广、可储存、可再生、可电可燃、零污染、零
碳排等优点，有助于解决能源危机以及环境污染等问题，被誉为21世纪的“终极能源”。按照《<中国制造2025>重点领域技术路线图》，新能源
汽车发展重点产品包括
燃料电池汽车，明确以城市私人用车、公共服务用车的批量应用为主，实现
燃料电池技术的推广应用。燃料电池技术并不是什么新鲜技术，其基本原理在19世纪末就已被科学家发现了，而其被应用于车辆之上则是在上世纪60年代末。当时，燃料电池汽车的性能和制造成本都无法与当时搭载
汽油发动机的汽车相媲美。但是，随着燃料电池技术的不断改进，加上汽车生产商在燃料电池汽车研发上的不断投入，燃料电池汽车得到了飞速的发展！
[0003] 燃料电池汽车需要在加氢站充装高压氢气，氢气作为一种清洁能源，通过燃烧燃料电池将化学能转化为
电能，进而驱动燃料电池汽车。
[0004] 加氢站是为氢能燃料电池汽车或氢能
内燃机汽车或氢气
天然气混合燃料汽车等的储氢瓶充装氢燃料的专
门场所，氢气压缩机是加氢站的核心设备。为保证氢气的纯度和压缩比，现在国内加氢站采用的氢气压缩机均为金属膜片隔膜压缩机。金属膜片隔膜压缩机是一种机械
活塞式压缩机，它通过活塞推动液压油，进而驱动金属膜片在
气缸中作往复运动来压缩和输送氢气。这种金属膜片隔膜压缩机结构复杂，膜片使用寿命低，盖板的穹形表面为特殊型面，加工困难，制造价格高。
发明内容
[0005] 鉴于上述原因，本发明的目的是提供一种加工制作简单、维修方便、使用寿命长的加氢站用液压活塞式氢气压缩机。
[0006] 为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种加氢站用液压活塞式氢气压缩机，它包括底座，设置在底座上的液压系统、氢气压缩缸和气体换热系统，液压系统驱动氢气压缩缸内的活塞往返运动压缩缸体内的氢气，其特征在于：
[0007] 所述氢气压缩缸由
水平分布的气缸Ⅰ、隔离腔Ⅰ、
液压缸、隔离腔Ⅱ和气缸Ⅱ构成；气缸Ⅰ和气缸Ⅱ位于液压缸的两侧，气缸Ⅰ通过隔离腔Ⅰ与液压缸相连，气缸Ⅱ通过隔离腔Ⅱ与液压缸相连；
[0008] 所述气缸Ⅰ内设置有活塞，该活塞将气缸Ⅰ分为压缩气腔和氮气腔，氮气腔与隔离腔Ⅰ相邻；
[0009] 所述气缸Ⅱ内也设置有活塞，该活塞将气缸Ⅱ分为氮气腔和压缩气腔，氮气腔与隔离腔Ⅱ相邻；所述压缩气腔为压缩氢气用腔，所述氮气腔内充有氮气，用于隔离空气和氢气；
[0010] 所述气缸Ⅰ内的活塞、液压缸内的活塞和气缸Ⅱ内的活塞通过贯穿所述气缸Ⅰ、隔离腔Ⅰ、液压缸、隔离腔Ⅱ和气缸Ⅱ的
活塞杆连接在一起，成为一个整体，联动；
[0011] 所述液压系统驱动所述液压缸内的活塞往复运动，液压缸内的活塞通过所述活塞杆带动气缸Ⅰ内的活塞和气缸Ⅱ内的活塞往复运动，氢气经所述气缸Ⅰ和气缸Ⅱ压缩输出。
[0012] 优选地，所述隔离腔Ⅰ和隔离腔Ⅱ的腔体长度至少大于所述液压缸行程0.34米。
[0013] 优选地，在所述隔离腔Ⅰ和隔离腔Ⅱ的下部设有下出口接液压油罐，并安装液体探测器；在所述隔离腔Ⅰ和隔离腔Ⅱ的上部设有上出口，连接到大气。
[0014] 优选地，所述气缸Ⅰ的内径大于等于所述气缸Ⅱ的内径。
[0015] 优选地，所述气缸Ⅰ和气缸Ⅱ均由气缸盖、气
缸套、气缸座、内置在缸体内的活塞和套在气缸套外面的水套构成，气缸Ⅰ和气缸Ⅱ为一密闭缸体；在所述气缸盖上设有进气口和出气口，且在进气口和出气口处均设置有单向
阀；在所述气缸套的的外面设有所述水套，水套上设有进水口和出水口，在水套内流动有
冷却水；内置在所述气缸Ⅰ内的活塞和内置在所述气缸Ⅱ内的活塞与所述活塞杆端面为
接触式连接，分别靠所述压缩气腔内的高压气体压
力贴在所述活塞杆端面上；内置在所述气缸Ⅰ和气缸Ⅱ内的活塞上装有多道连续
活塞环和
支撑环，保证气体无
泄漏；在所述气缸座上开有氮气口，外置氮气经减压到0.2MPa后，通过氮气口进入所述气缸Ⅰ和气缸Ⅱ的氮气腔，使腔内充满低压氮气。
[0016] 优选地，所述液压系统包括油箱、油
泵、
电机、换向阀、油换热器和回油
过滤器；所述电机通过
联轴器与油泵相连，带动油泵工作，从油箱内汲取液压油；所述液压缸内的活塞将所述液压缸分隔成左油腔和右油腔，液压缸设有液压油进出口A口和B口，A口与左油腔相连，B口与右油腔相连；所述换向阀、油换热器和回油过滤器
串联在液压油回路中；油箱内的液压油经
液压泵、油路、换向阀轮流与液压缸的A口和B口相连，A口进油时B口回油，B口进油时A口回油，回油经过油换热器和回油过滤器回到油箱。
[0017] 优选地，在所述液压缸两端分别设有一行程
开关，用于监测液压缸内的活塞运动
位置。
[0018] 优选地，在所述气缸Ⅰ和气缸Ⅱ的出气口管路上均设置有气体换热器；氢气经所述气缸Ⅰ、气缸Ⅱ压缩后经气体换热器冷却。
[0019] 优选地，在所述气缸Ⅰ和气缸Ⅱ之间还设有一缓冲罐，经所述气缸Ⅰ压缩后的氢气冷却后进入到缓冲罐内，然后，再从缓冲罐进入所述气缸Ⅱ。
附图说明
[0020] 图1A为本发明液压活塞式氢气压缩机
实施例一主视图；
[0021] 图1B为本发明液压活塞式氢气压缩机实施例一侧视图；
[0022] 图1C为本发明液压活塞式氢气压缩机实施例一俯视图；
[0023] 图2为构成本发明的氢气压缩缸的结构示意图；
[0024] 图3为本发明液压活塞式氢气压缩机工艺
流程图；
[0025] 图4A为本发明液压活塞式氢气压缩机实施例二主视图；
[0026] 图4B为本发明液压活塞式氢气压缩机实施例二侧视图；
[0027] 图4C为本发明液压活塞式氢气压缩机实施例二俯视图；
[0028] 其中：
[0029] 1、底座；
[0030] 2、液压系统；21、油箱；22、油泵；23、电机；24、换向阀；25、油换热器；26、油过滤器；
[0031] 3、氢气压缩缸；31、气缸Ⅰ内的活塞；32、液压缸内的活塞；33、气缸Ⅱ内的活塞；34、活塞杆；35、
单向阀；36、行程开关；37、气缸盖；38、气缸套；39、气缸座；310、水套；311、活塞环；312、支撑环；313、
螺母；314、密封环；
[0032] 4、气体换热系统；41、换热器
支架；42、气体换热器；
具体实施方式
[0034] 下面结合附图和实施例对本发明的结构及特征进行详细说明。需要说明的是，可以对此处公开的实施例做出各种
修改，因此，
说明书中公开的实施例不应该视为对本发明的限制，而仅是作为实施例的范例，其目的是使本发明的特征显而易见。
[0035] 如图1A-图1C所示，本发明提供的加氢站用液压活塞式氢气压缩机包括底座1，设置在底座1上的液压系统2、氢气压缩缸3和气体换热系统4。
[0036] 液压系统2包括油箱21、油泵22、电机23、换向阀24、油换热器25和回油过滤器26。电机23通过联轴器与油泵22相连，带动油泵22工作，从油箱21内汲取液压油。换向阀24、油换热器25和回油过滤器26串联在液压油回路中。液压系统2的作用是驱动构成氢气压缩缸3的液压缸内的活塞往复运动，进而驱动氢气压缩缸内的活塞往复运动，压缩氢气。
[0037] 气体换热系统4包括换热器支架41和气体换热器42，换热器支架41设置在底座中间，气体换热器42设置在换热器支架41上。氢气经氢气压缩缸3压缩后，
温度较高，为保证安全，氢气压缩缸3压缩后的氢气经气体换热器42冷却、降温。
[0038] 图2为构成本发明的氢气压缩缸结构示意图。如图所示，构成本发明的氢气压缩缸3由水平分布的气缸Ⅰ、隔离腔Ⅰ、液压缸、隔离腔Ⅱ和气缸Ⅱ构成。气缸Ⅰ和气缸Ⅱ位于液压缸的两侧，气缸Ⅰ通过隔离腔Ⅰ与液压缸相连，气缸Ⅱ通过隔离腔Ⅱ与液压缸相连。
[0039] 气缸Ⅰ内设置有活塞31，活塞31将气缸Ⅰ分为压缩气腔A1和氮气腔A2，氮气腔A2与隔离腔Ⅰ相邻。液压缸内设置有活塞32，活塞32将液压缸分为左油腔A3和右油腔A4。气缸Ⅱ内设置有活塞33，活塞33将气缸Ⅱ分为氮气腔A5和压缩气腔A6，氮气腔A5与隔离腔Ⅱ相邻。其中，压缩气腔A1和A6用于压缩氢气用腔，左油腔A3和右油腔A4为液压油腔，氮气腔A2和A5内充有氮气，用于隔离空气和氢气，以确保压缩氢气时的安全。
[0040] 气缸Ⅰ内的活塞31、液压缸内的活塞32和气缸Ⅱ内的活塞33通过贯穿气缸Ⅰ、隔离腔Ⅰ、液压缸、隔离腔Ⅱ和气缸Ⅱ的活塞杆34连接在一起，成为一个整体，联动。液压系统驱动液压缸内的活塞32往复运动，液压缸内的活塞通过活塞杆34带动气缸Ⅰ内的活塞31和气缸Ⅱ内的活塞33往复运动，从而实现压缩氢气的目的。
[0041] 如图2所示，气缸Ⅰ设有进气口C和出气口D，进气口C和出气口D与压缩气腔A1相通，在进气口C和出气口D处均设有单向阀35。同理，气缸Ⅱ设有进气口E和出气口F，进气口E和出气口F与压缩气腔A6相通，在进气口E和出气口F处均设有单向阀35。
[0042] 液压缸上设有液压油进出口A和B，液压油进出口A与左油腔A3相通，液压油进出口B与右油腔A4相通。
[0043] 如图3所示，油箱21内的液压油经液压泵22、油路、换向阀24轮流与液压缸的A口和B口相连，A口进油时B口回油，B口进油时A口回油，回油经油换热器25和回油过滤器26回到油箱。
[0044] 油箱21内的液压油经油泵22、换向阀24、液压油进出口A进入液压缸的左油腔A3中，右油腔A4中的液压油经换向阀24、油换热器25和回油过滤器26返回油箱21内。此时，液压油推动液压缸内的活塞32向右移动，使得气缸Ⅱ内的活塞33向右移动，气缸Ⅱ的压缩气腔A6腔体积减少，气缸Ⅱ内的氢气被压缩，压缩后的氢气从F口排出，进入气体换热器42，经气体换热器42降温，经气体过滤器5过滤输出，气缸Ⅱ完成氢气压缩
进程；同时入口低压氢气经过入口处的气体过滤器5，单向阀35、通过C口进入气缸Ⅰ的压缩气腔A1，由于活塞32向右移动带动气缸Ⅰ内的活塞31也向右移动，气缸Ⅰ的压缩气腔A1体积变大，气缸Ⅰ完成吸气进程；当液压油通过B口进入液压缸的右油腔A4时，左油腔A3里的液压油返回油箱，此时气缸Ⅰ的活塞31在液压缸活塞杆34的推动下往左运动，压缩气腔A1腔体积变小，气缸Ⅰ内的氢气被压缩完成氢气压缩进程，被压缩的氢气通过单向阀35、出气口D排出，经气体换热器42降温，进入缓冲罐6缓存，同时气缸Ⅱ内的活塞33在活塞杆34的带动下也一起向左运动，缓冲罐6内的氢气随着气缸Ⅱ的压缩气腔A6腔体积的扩大进入A6腔内，气缸Ⅱ完成吸气进程；随后，液压油通过A口进入液压缸A3腔，A4腔的液压油返回油箱，此时液压缸的活塞杆带动气缸Ⅱ的活塞往右运动，A1腔进气，A6腔把A1腔排出的压缩氢气进行二级压缩，气缸Ⅱ完成氢气压缩进程；然后液压油再次通过B口进入A4腔，A3腔的液压油返回油箱，使得气缸Ⅰ内的氢气被压缩，气缸Ⅱ吸气。如此周而复始地在液压缸的驱动下，气缸Ⅰ和气缸Ⅱ内的活塞往复运动，储气罐内的氢气经气缸Ⅰ压缩后，排出，进入气缸Ⅱ，经气缸Ⅱ二级压缩形成高压氢气排出。
[0045] 如图3所示，当液压缸驱动气缸Ⅰ内的活塞31向左运动时，推动力为液压缸和高压氢气作用到气缸Ⅱ的活塞表面的活塞力；当液压缸驱动气缸Ⅱ内的活塞33向右运动时，推动力为液压缸和高压氢气作用到气缸Ⅰ表面的活塞力。本发明在液压缸的两侧各设置一个气缸的目的使气缸Ⅰ内的活塞力和气缸Ⅱ内的活塞力可以相互平衡减少功的消耗。
[0046] 液压油轮流进入液压缸进出口A和B是通过换向阀24来实现的，换向指令通过安装在液压缸两端的行程开关36(如图2所示)监测液压缸活塞32的运动位置来决定的。当液压缸活塞32被压缩到位，行程开关36通过PLC发出指令让换向阀动作。
[0047] 在本发明具体实施例中，所述换向阀24可以通过压力换向，或电磁换向或行程
接近开关控制换向。所述液压泵22可以为
变量泵，通过调节泵出口液压油的流量，使得活塞移动速度加快或减慢，从而调节压缩氢气的
排量。
[0048] 液压泵还可以为双联泵，在压缩初期压力较低时高压泵和低压泵一起工作，获得较大的排量，在压缩末期高压泵工作低压泵卸荷，获得较高的压缩气体而不用使用很大功率的电机。
[0049] 如图2所示，为防止液压缸内的液压油泄漏污染氢气，本发明在气缸Ⅰ和液压缸之间设置设有隔离腔Ⅰ，在气缸Ⅱ和液压缸之间设置有隔离腔Ⅱ，这样液压缸的活塞杆带出的微量液压油不会进入到气缸，以确保即使氢气或液压油发生泄漏，彼此也不相互污染，从而确保氢气的纯度。
[0050] 在本发明的具体实施例中，隔离腔Ⅰ和隔离腔Ⅱ的腔体长度至少大于液压缸行程0.34米，使得经过液压油润滑的活塞杆部分不会进入气缸Ⅰ和气缸Ⅱ内，确保不会因为液压缸活塞杆带的微量液压油挥发进入气缸污染压缩氢气，保证压缩氢气的纯度。
[0051] 如图2所示，本发明在隔离腔Ⅰ和隔离腔Ⅱ的下部设有下出口L和M接液压油罐，并安装液体探测器，如果有液压油的泄漏，液体探测器立即发出警报，停机检修。在隔离腔Ⅰ和隔离腔Ⅱ的上部设有上出口N和O，连接到大气，液压缸部分的活塞杆伸出至隔离腔时，粘粘在活塞杆上的液压油微量挥发，挥发的油气经上出口N和O排放到大气中。
[0052] 如图2所示，构成本发明氢气压缩缸的气缸Ⅰ和气缸Ⅱ均由气缸盖37、气缸套38、气缸座39、内置在缸体内的活塞和套在气缸套外面的水套310构成，气缸Ⅰ和气缸Ⅱ为一密闭缸体。
[0053] 进气口C和E、出气口D和F均设置在气缸头部的气缸盖37上，且在进气口和出气口处均设置有单向阀35，这种设计可减少氢气压缩缸的余隙，提高压缩效率。
[0054] 本发明在气缸套38的外面设有一层水套310，水套310上设有进水口G和J、出水口H和K，在水套内流动有冷却水。当活塞在气缸内往复运动时，会产生大量热量，填充在水套内的冷却水可冷却缸体，保证安全，并延长活塞的使用寿命。
[0055] 内置在气缸Ⅰ内的活塞31和内置在气缸Ⅱ内的活塞33与活塞杆34端面为接触式连接，分别靠压缩气腔A1和A6的高压气体压力贴在活塞杆34上，使得维修极其方便。当需要更换活塞时，只需拆掉螺母313，取下气缸盖37，即可用工具取出活塞31和33，对活塞环进行更换。
[0056] 另外，为防止氢气泄漏，本发明内置在气缸Ⅰ和气缸Ⅱ内的活塞31和33上装有多道连续活塞环311和支撑环312，保证气体无泄漏，活塞环的工作压力达到90MPa，活塞环为自润滑活塞环，工作时不需要加
润滑油，也不会对氢气造成污染。
[0057] 为防止活塞杆上粘着的液压油进入隔离腔Ⅰ和Ⅱ、气缸Ⅰ和Ⅱ，活塞杆上套有若干个密封环314。
[0058] 如图2所示，本发明在气缸座38上开有氮气口P和Q，外置氮气经减压到0.2MPa后，通过氮气口P和Q进入气缸Ⅰ和气缸Ⅱ的氮气腔A2和A5，使腔内充满低压氮气，隔离压缩氢气腔A1和A6内的氢气与空气接触的可能性，确保氢气压缩机的运行安全。同时压缩气腔A1和A6还可以通过P/Q口连接流量计，监测微量的气体流量，如果因为活塞环发生磨损导致氢气发生泄漏，超出限值，报警停机，同时，泄漏的氢气也会通过P/Q口排放。
[0059] 如图2所示，本发明气缸Ⅰ的内径可以大于等于气缸Ⅱ的内径，当气缸Ⅰ的内径等于气缸Ⅱ的内径时，氢气被一级压缩。当气缸Ⅰ的内径等于气缸Ⅱ的内径时，氢气被二级压缩，氢气经气缸Ⅰ压缩后，进入气缸Ⅱ，经气缸Ⅱ进一步压缩后，排出。气缸Ⅰ和气缸Ⅱ的内径根据设计要求而定。
[0060] 如图3所示，本发明在气缸Ⅰ和气缸Ⅱ的出气口管路上均设置有气体换热器42。氢气经气缸Ⅰ、气缸Ⅱ压缩后经气体换热器42冷却。气体换热器42的作用是冷却压缩后的氢气，使经气缸Ⅰ和气缸Ⅱ排出的氢气温度保持在较低的水平，保证整个压缩机的安全运行。
[0061] 在本发明的具体实施例中，所述气体换热器42为
管式换热器，其外包覆有冷却水管，压缩后的氢气流经气体换热器后，氢气中的热量被冷却水管内的冷却水吸收。
[0062] 如图3所示，本发明在气缸Ⅰ和气缸Ⅱ之间还设有一缓冲罐6，经气缸Ⅰ一级压缩后的氢气冷却后进入到缓冲罐6内，然后，再从缓冲罐进入气缸Ⅱ。这种设计的目的使得压缩过程平稳，降低气体脉冲。
[0063] 如图1A-图1C所示，本发明氢气压缩机采用撬装结构设计，所有部件布置在底座1上；换热器支架41布置在底座1的中间，液压系统2和氢气压缩缸3布置在底座的两侧，布局清楚，方便安装、维修。
[0064] 特别是，本发明液压活塞式氢气压缩机采用柔性设计，电机功率、压缩缸和换热器等均可扩展，满足更大排量要求，如图4A-图4C所示，可以底座上布置多个油泵和电机，在底座上布置多排压缩缸，实现压缩机不同功率和排量的要求。
[0065] 本发明的优点：1、本发明液压活塞式氢气压缩机，液压缸和气缸通过隔离腔分离，保证压缩气体不受液压油污染，保证气体的纯度。2、与传统的隔膜压缩机相比，无机械压缩
曲轴箱及
连杆，无隔膜金属片，压缩缸结构更简单，维护方便，整体成本低。3、本发明采用撬装结构设计，布局清楚，方便安装、维修。4、本发明采用柔性设计，电机功率、压缩缸和换热器等均可扩展，满足更大排量要求。
[0066] 最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于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：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，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范围。
