CN101542185A - 加氢方法和加氢站 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种特别用于向车辆的燃料罐填充氢气的加氢站，该加氢站包括容纳液化氢(LH2)的源容器(1)、用于将液化氢从源容器(1)提取到至少一个使用站(30)的提取管(3)、设置于提取管(3)中的电动低温泵(6)、以及连接于该电动低温泵(6)以便向该电动低温泵供电的电源(19、17)，其特征在于，所述电源包括至少一个燃料电池(17)。

Description

加氢方法和加氢站
技术领域
本发明涉及一种加氢站和加氢方法。
本发明更具体地涉及一种特别用于向车辆的燃料罐填充氢气的加氢站，该加氢站包括容纳液化氢的源罐、用于将液化氢从源罐提取到至少一个使用站的提取管、设置于提取管中的电动低温泵、连接于电动低温泵以便向电动低温泵供电的电源。
背景技术
液化氢的储存具有很多优点，特别是压缩液态氢相对简单。实际上，压缩液态氢的成本比压缩氢气的成本低。这主要是因为压缩一定体积的液体所消耗的能量比压缩一定体积的气体的能量少。
与使用气体压缩机的等同系统相比，使用用于液态氢的泵产生高压使得加燃料系统的能量消耗减少到大约五分之一。
在低温泵没有被最佳地使用的情况下，该泵中的液态氢的蒸发损失是很可观的。这种液态氢在泵送之前被从压缩室去除，这样，抽吸到泵送缸中的流体就不会是两相混合物，该两相混合物会降低原本设计成只泵送液体的泵的效率。因此蒸发的氢气必须以较低的压力(进气压力)被去除。
因为这些蒸发损失不可能被消除，所以低温泵总是产生与泵壳体中的低温液体的蒸发相对应的脱气传输。
此清除的氢气大部分排放到大气中，或者使用气体压缩机进行再次压缩，但是这样做就能量平衡而言并不令人满意，且使得设备更加复杂。
发明内容
本发明的目的是消除现有技术的部分或全部前述缺点。
为此，根据上述序言中给出的总体定义的其他方面，根据本发明的加氢站的重要特征在于，所述电源包括至少一个燃料电池。
此外，本发明的一些实施例可包括以下特征的一个或多个：
-所述站包括通过脱气管线流体地连接于低温泵的脱气罐，以便回收该泵内蒸发的氢气的至少一部分，
-脱气罐包括气体提取出口，该气体提取出口通过供应管连接于燃料电池的燃料供应入口，
-供应管包括用于加热来自脱气罐的气体的热交换器，和用于控制导入到燃料电池的燃料供应入口的气体的控制阀，
-供应管包括放泄阀，该放泄阀在供应管中设定过压的情况下将气体排放到大气中，
-用于从源罐提取液态氢的提取管包括定位于泵的下游的用于加热被提取的氢的热交换器和调节阀，
-所述站包括用于切换和调节传输到泵的电力供应的切换和调节构件，此切换和调节构件一方面连接于燃料电池的电功率输出端，且另一方面连接于泵的电力供应输入端，所述电源还包括连接于该切换和调节构件的电力分配网，所述切换和调节构件设计成使得所述泵选择性地由电力分配网和/或燃料电池提供电力，或者允许由燃料电池产生的电力被传输到电力分配网，
-所述站包括测量和控制构件，该测量和控制构件用于测量和控制源罐内的压力，并能够增大或减小此源罐内的压力，
-所述站包括用于测量脱气罐中的液位的装置，此装置连接于所述测量和控制源罐内的压力的构件，所述用于测量和控制源罐内的压力的构件还连接于所述控制导入燃料电池的气体的阀，以便根据测量的脱气罐中的液位来控制此阀的打开/关闭，
-源罐位于地平面以下，例如被掩埋，所述泵位于和源罐相同高度处或在源罐的上方，
-燃料电池产生直流电，且所述用于切换和调节传输到泵的电力供应的切换和调节构件包括能够将直流电转变为交流电的变换器，
-所述加氢站还包括用于从源罐补给液化氢的站，使得氢气的供应和/或液化氢的供应可同时或不同时地被补充。
本发明还涉及一种特别是用于给车辆的燃料罐补给氢气的加氢方法，该方法使用的加氢站包括用于容纳液化氢(LH2)的源罐，用于将液化氢从源罐提取到至少一个使用站的提取管，定位于提取管中的电动低温泵，其特征在于，该方法包括通过燃料电池向低温泵供电的步骤。
此外，本发明的一些实施例可包括以下特征的一个或多个：
-该方法包括使通过泵蒸发的氢气再循环以便向燃料电池供应燃料的步骤，
-通过泵蒸发的氢气经过并存储到位于泵和燃料电池之间的缓冲脱气罐中，且其中该方法包括：
-测量脱气罐中的液位的步骤，
-根据测量的脱气罐中的液位控制被导入以供应燃料电池的气体量的步骤，
-当测量的脱气罐中的液位高于第一阈值液位时，减少被导入以供应燃料电池的气体量，当测量的脱气罐中的液位低于第二阈值液位时，增加被导入以供应燃料电池的气体量，
-该方法包括测量脱气罐中的液位的步骤和控制低温泵的入口压力的步骤以便保持脱气罐中设定的液位，
-该方法包括当测得的脱气罐中的液位低于第一设定基准液位时增加泵的入口压力的步骤，和当测得的脱气罐中的液位低于第二设定基准液位时降低泵的入口压力的步骤，所述第二设定基准液位和第一设定基准液位不同或相同，
-由泵供应的过量的电功率被返回到电网中和/或例如照明的辅助电力系统中，
-当被导入以供应燃料电池的气体量超过第一设定高阈值液位时，只要被导入以供应燃料电池的气体量没有回落到低于该第一设定高阈值液位的第二高阈值液位以下，则以递增方式增加源罐中的压力；
-当被导入以供应燃料电池的气体量低于第一设定低阈值液位时，只要被导入以便供应燃料电池的气体量没有超过高于该第一设定低阈值液位的第二低阈值液位，则以递减方式降低源罐中的压力。
附图说明
通过阅读下文参考单独的附图给出的描述，可以显见其它细节和优点，该附图示意性示出根据本发明的加氢站的一个示例的结构和操作。
具体实施方式
加氢站包括由液化氢(LH2)源罐1供应的氢气使用站30。该氢气通过用于提取液态氢的提取管3(真空绝热管线)从源罐1输送到使用站30。液态氢提取管3从上游到下游(也就是说从源罐1到使用站30)包括：截止阀2(可选的)、温度传感器4(可选的)和压力传感器5(可选的)、高压低温泵6、位于泵6的传输管线上的压力传感器7、用于将液态氢蒸发为气体的交换器8(高压蒸发器)和高压调节阀9。
泵6通过脱气管线110和截止阀10(可选的)连接于脱气罐11，该脱气罐11用于收集由泵6产生的液态氢和氢气的两相混合物。低温泵6压缩来自源罐1的液态氢。特别是由于泵6内的摩擦，一部分流体在低压下以两相液体的形式通过管线110排放到脱气罐11中。
脱气罐11的一个气体出口112通过供应管111连接于燃料电池17的供应入口170。
供应管111从上游到下游包括：热交换器13(低压蒸发器)、第一压力传感器15、脱气控制阀14、第二压力传感器23和由阀16控制的分流-至-大气(dérivation vers l’atmosphère)ATM装置，所述阀16用作过压安全放泄阀。
用于控制燃料电池17的功率的比例积分微分(PID)调节器22在输入端接收：
-由第二压力传感器23获得的氢气压力测量值22a，和
-用于控制燃料电池17的电功率的基准值CP。
调节器22在输出端22c传递用于控制燃料电池17的瞬时电功率的控制信号(例如作为电池的额定功率的百分数％P，其范围在0到100％之间)。
检测脱气罐11中的液位的液位传感器12连接于一比例积分微分(PID)调节器，该比例积分微分调节器控制此脱气罐11中的所述液位。该控制液位的比例积分微分调节器21在输入端21a接收所测量的液位和用于控制脱气罐11内的液位的基准值C。
燃料电池17的电功率输出端17a通过一电功率切换和调节构件18连接18a于泵6的电力供应输入端。该电功率切换和调节构件18还通过线路18b连接于电网19，并在输入端18c接收泵6的输入/入口功率的基准值％PO。
用于测量和控制源罐1内的压力的装置20(加压或减压管线20a)连接于所述控制脱气罐11中的液位的比例积分微分调节器21。
更具体地，来自所述控制脱气罐11中的液位的调节器21的输出信号21c被传输到所述测量和控制源罐1中的压力的装置20。
所述测量和控制源罐1中的压力的装置20也可通过向脱气控制阀14传递基准打开信号20b来控制该脱气控制阀14。
在标称情况下，来自调节器21的输出信号21c例如是脱气控制阀14的开度的百分数(％)。
下面描述操作的一个示例：
在设定压力下且在低于对应的饱和温度的温度下储存的液化氢由源罐1通过包括截止阀2的真空绝热管线3来进行供应。高压液态氢被泵6去除。
由传感器7测量液态氢的压力，然后通过交换器8加热液态氢。高压氢气经由上游压力调节阀9传递。在该阀9的下游可得到压力例如为大约700bar的氢气。
泵6使用的流体的一部分在低压下以双相(气-液)液体的形式通过脱气管线110和阀10被排放到脱气罐11中。
泵6的入口压力被控制成使得脱气罐11中总是存在液体。脱气罐11定位成使得在泵6上存在压头(水头，charge)。也就是说，泵6的入口槽(bain d’aspiration)总是处于液态氢的气氛下(基本没有任何气体)。这避免了泵6内形成气穴的危险。
脱气罐11下游的交换器13可用于加热来自泵6中的液体蒸发的气体。
脱气控制阀14使得氢气能够被再循环到燃料电池17(该燃料电池例如为PEM类型)。
从而，电池17产生直流电17a，该直流电通过电调节和切换构件8进行变换。根据由用于控制泵6的信号18c给出的泵的功率基准值％PO，变换器18能够利用电网19供应的额外的电功率18b来补充电池17供应的电功率。同样，根据泵的功率基准值％PO，变换器18能够向电网供应由燃料电池17产生的额外的功率18b。
在燃料电池17不工作的情况下(例如由于它发生故障或停止运行)，或在有过量的可用氢气的情况下，作为安全放泄阀的阀16可将过量的氢气引导到大气ATM中。
用于测量和控制源罐1中的压力的装置20可按以下方式工作：测量和控制装置20从用于控制脱气罐11中的液位的PID调节器21接收信息。如果液位高于基准液位C，那么来自调节器21的输出信号21c降低。如果液位低于基准液位C，那么来自调节器21的输出信号21c增加。在正常工作中，用于气体控制阀14的开度的基准信号20b可简单地是来自调节器21的输出信号21c的副本。
如果来自调节器21的输出信号21c等于100％(液位非常低要求气体控制阀14完全打开)，那么用于控制源罐1中压力的基准液位20a以例如每30秒100mbar的增量增加，直到调节器21输出的控制信号21c降到一较低的值(例如90％)以下为止。
如果调节器21输出的信号21c等于0％(最高液位且气体控制阀14关闭)，那么用于控制源罐1中压力的基准液位20a以例如每30秒100mbar的增量降低，直到调节器21输出的信号21c升高到一预定值(例如10％)以上为止。
然后，通过控制阀14逸出的气体被收集到燃料电池17。这使得通过电功率信号17a、18a给泵6提供动力。通过这种方法能够减少或甚至消除18b的贡献/所起的作用和所述站对电网19的依赖性。
在电功率过量的情况下，由电池17产生的电可返回到电网19和/或所述站的辅助系统，例如销售网点、照明。这可使得加氢站在其电能需求方面完全独立。
动力供应管理可设计成这样：默认情况下，燃料电池17接收所有从脱气罐11排出的氢并利用此再循环的氢产生电。如果排出的氢的量与燃料电池的额定功率P相比过大，那么第二传感器23所测量的压力增加，且通风阀16被打开。同样，如果电池17停止运行，那么阀16可将从罐11脱气得到的全部氢排放到大气中。
燃料电池17所产生的电根据具体情况被传送到切换和调节构件18的变换器。根据(如下条件)：
-接收的电流17a，
-泵功率的基准值％PO、18c，及
-根据基准值％PO对泵6进行操作所需的电流18a，切换和调节构件18将电流分配到电网19或消耗来自电网19的电流。
源罐1可位于地平面以下(被掩埋)。泵6可借助于用于测量和控制源罐1中压力的装置20(该装置可作为动态调节块)设置在所述罐的上方。
这样，在具有简单且廉价的结构的同时，本发明和现有技术相比还具有很多优点。从而，本发明有利地能够从低温泵中蒸发的氢中获得最大的益处而无需压缩。
由于摩擦等造成的从泵6到流体的功率传输通常在泵的总功率的8％到21％之间。
简单的热动力学计算显示，假设马达、变换器和联接装置的效率为95％(每单位)，由已经蒸发并然后在输出约为0.6Nm3/kWh的燃料电池中转化为电能的气体提供的能量介于泵6的电功率的287％和589％之间。
从而，燃料电池17一方面提供电以便给泵6提供动力，另一方面所获得的任何过量的电也可以为电网19或其他使用者提供动力。
通过这种方法，氢充分执行其能量载体的功能，并可使得整个加氢站在电能需求方面完全独立。从而该加氢站特别地不受断电的影响。
本发明从而能够将蒸发性气体的损失巧妙地利用到燃料电池中。

Claims (13)

1.一种特别用于向车辆的燃料罐填充氢气的加氢站，该加氢站包括容纳液化氢(LH2)的源罐(1)、用于将液化氢从源罐(1)提取到至少一个使用站(30)的提取管(3)、设置于提取管(3)中的电动低温泵(6)、连接于该电动低温泵(6)以便向该电动低温泵供电的电源(19、17)，其特征在于，所述电源包括至少一个燃料电池(17)，且所述加氢站包括通过脱气管线(110)流体地连接于低温泵(6)的脱气罐(11)，以便回收该泵(6)内蒸发的氢气的至少一部分。
2.根据权利要求1所述的加氢站，其特征在于，所述脱气罐(11)包括气体提取出口(112)，该气体提取出口通过供应管(111)连接于燃料电池(17)的燃料供应入口(170)。
3.根据权利要求2所述的加氢站，其特征在于，所述供应管(111)包括用于加热来自脱气罐(11)的气体的热交换器(13)，和用于控制导入到燃料电池(17)的燃料供应入口(170)的气体的控制阀(14)。
4.根据权利要求2或3所述的加氢站，其特征在于，所述供应管(111)包括放泄阀(16)，该放泄阀在供应管(111)中设定过压的情况下将气体排放到大气中。
5.根据前述权利要求中任何一项所述的加氢站，其特征在于，所述用于从源罐(1)提取液态氢的提取管(3)包括定位于泵(6)的下游的用于加热被提取的氢的热交换器(8)和调节阀(9)。
6.根据前述权利要求中任何一项所述的加氢站，其特征在于，所述加氢站包括用于切换和调节传输到泵(6)的电力供应的切换和调节构件(18)，此切换和调节构件一方面连接于燃料电池(17)的电功率输出端(17a)，且另一方面连接于泵(6)的电力供应输入端，所述电源(19、17)还包括连接于该切换和调节构件(18)的电力分配网(19)，所述切换和调节构件(18)设计成使得所述泵(6)选择性地由电力分配网(19)和/或燃料电池(17)提供电力，或者允许由燃料电池(17)产生的电力被传输到该电力分配网(19)。
7.根据前述权利要求中任何一项所述的加氢站，其特征在于，所述加氢站包括测量和控制构件(20)，该测量和控制构件用于测量和控制源罐(1)内的压力，并能够增大或减小此源罐(1)内的压力。
8.根据与权利要求4结合的权利要求7所述的加氢站，其特征在于，所述加氢站包括用于测量脱气罐(11)内的液位的装置(12)，此装置连接于所述测量和控制源罐(1)内的压力的构件(20)，所述用于测量和控制源罐(1)内的压力的构件(20)还连接于所述控制导入燃料电池的气体的阀(14)，以便根据测量的脱气罐(11)中的液位来控制此阀的打开/关闭。
9.一种使用加氢站特别用于向车辆的燃料罐填充氢气的加氢方法，所述加氢站包括用于容纳液化氢(LH2)的源罐(1)，用于将液化氢从源罐(1)提取到至少一个使用站(30)的提取管(3)，定位于提取管(3)中的电动低温泵(6)，其特征在于，该方法包括通过燃料电池(17)向该低温泵(6)供电的步骤，和使通过该泵(6)蒸发的氢气再循环以便向燃料电池(17)供应燃料的步骤。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，通过所述泵(6)蒸发的氢气经过并存储到位于该泵(6)和燃料电池(17)之间的缓冲脱气罐(11)中，且该方法包括：
-测量脱气罐(11)中的液位的步骤，
-根据测量的脱气罐(11)中的液位控制被导入以供应燃料电池(17)的气体量的步骤。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，当测量的脱气罐(11)中的液位高于第一阈值液位时，减少被导入以供应燃料电池(17)的气体量，当测量的脱气罐(11)中的液位低于第二阈值液位时，增加被导入以供应燃料电池(17)的气体量。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，所述方法包括测量脱气罐(11)中的液位的步骤和控制低温泵(6)的入口压力的步骤以便保持脱气罐(11)中设定的液位。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述方法包括当测得的脱气罐(11)中的液位低于第一设定基准液位时增加泵(6)的入口压力的步骤，和当测得的脱气罐(11)中的液位低于第二设定基准液位时降低泵(6)的入口压力的步骤，所述第二设定基准液位和第一设定基准液位不同或相同。
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Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Open date: 20090923