CN102345581A - 热力氢压缩机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于压缩气体的压缩机。压缩机从源接收基本压力的气体，并以较高的压力将气体提供给目标。压缩机包括串联的压力容器，以及容器之间的单向阀，其中第一压力容器联接到源，最后一个压力容器联接到目标。在一段时间内，串联的压力容器中的每隔一个压力容器从联接到源的压力容器开始被加热。由于加热的压力容器中的压力因加热而升高，因此气体被发送到串联的压力容器中的下一个压力容器。在一段时间之后，其它的交替顺序的压力容器被加热以使气体沿着串联的压力容器从源移动到目标。

Description

热力氢压缩机
技术领域
本发明总体涉及提高从源输送到目标的气体的压力的压缩机，更具体而言，涉及提高从氢源输送到高压罐的氢气的压力的热力氢压缩机，其中，压缩机包括被选择性地加热和冷却的串联的压力容器，使得气体通过压力容器从源流到罐，其中串联的压力容器中从压力容器到压力容器的压力是增加的。
背景技术
氢是一种非常有吸引力的燃料，因为它是清洁的，并且能够用于在燃料电池中有效地产生电。氢燃料电池是一种包括阳极和阴极以及它们之间的电解质的电化学装置。阳极接收氢气，阴极接收氧或空气。氢气在阳极中解离从而生成自由质子和电子。质子通过电解质到达阴极。质子在阴极与氧及电子反应以生成水。来自阳极的电子不能够通过电解质，因此在被送到阴极之前被引导通过负载来做功。所述功用于操作车辆。
通常，氢存储在车辆上的处于高压下的压缩气罐中以便为燃料电池系统提供所需的氢。压缩罐中的压力可高达700 bar（70MPa）。在一个已知设计中，压缩罐包括为氢提供气密的密封的塑料内衬和提供罐的结构完整性的外部碳纤维复合层。由于氢是非常轻且易扩散的气体，内衬和例如O形环的罐连接部件必须被精心设计以防止泄露。氢通过管道从罐离开。通常提供至少一个压力调节器，该压力调节器将罐内的氢气压力降低到适于燃料电池系统的压力。
需要提供加燃料站网络，因为燃料电池车辆变得更受欢迎以及商业上可应用。这种加燃料站网络最初将以有限的方式提供，其中，城市中心可能将首先具有这种加燃料站，并且加燃料站的数量将从这里扩展。由于该有限数量的加燃料站，已经提出了要提供家用加燃料装置，其产生氢气，并将氢气以高压提供到车辆存储罐。可以使用该家用加燃料装置加满燃料存储系统，使得消费者在每天早上可以用满罐的氢气起动。这种家用加燃料装置将需要比较便宜并且适当尺寸。
可以使用商业上可用的电解装置来将水分解为氢和氧成分，其中，氧通常被丢弃。现有技术的电解装置通常能够提供高达2000PSI（13.5MPa）压力的氢气。由于与氢和氧是一种可燃混合物相关的各种问题，对电解装置最终能够产生的压力量有限制，其远低于10000PSI（70MPa），这是燃料电池罐在15°安定下来的压力。这些问题包括当高压氧包含在系统中时氢的纯度以及通过用于分离气体的膜的氢交叉问题。
当压缩气体时大部分消耗的能量在压力斜坡的低端。这是因为能量与压力的关系是log2关系。例如，在15℃将氢从大气压压缩到70MPa所需要的能量理论上是2.01kWh/kg，而在15℃将氢压缩到13.5MPa所需要的能量理论上是1.48kWh/kg。在13.5MPa情况下，已经做了70MPa情况下的压缩功的74%，仅有0.53 kWh/kg的理论功没有做。电解氢需要的能量通常是50-60kWh/kg。40 kWh/kg是理论极限，因此不太可能对该值进行显著改进。由于现有技术的电解装置能够提供大约13.5MPa的氢，因此将氢从大气压提高到70MPa所需功的大部分已经在电解装置的出口处实现。
发明内容
根据本发明的教导，公开了一种压缩机，其可应用于压缩氢气。压缩机从源接收基本压力的气体，并以较高的压力将气体提供给目标。压缩机包括串联的压力容器，以及容器之间的单向阀，其中第一压力容器联接到源，最后一个压力容器联接到目标。在一段时间内，串联的压力容器中的每隔一个压力容器从联接到源的压力容器开始被加热。由于加热的压力容器中的压力因加热而升高，因此气体被发送到串联的压力容器中的下一个压力容器。在一段时间之后，其它的交替顺序的压力容器被加热以使气体沿着串联的压力容器从源移动到目标。
此外，本发明还涉及以下技术方案。
1. 一种气体压缩机，所述气体压缩机用于压缩由源提供的气体，并将该压缩的气体传送到目标，所述压缩机包括：
串联设置的多个压力容器，其中，所述压力容器中的第一个流体地联接到所述源，所述压力容器中的最后一个流体地联接到所述目标；
多个单向阀，包括在所述源和所述串联的压力容器中的第一压力容器之间的气体管线中的单向阀、在每个所述压力容器之间的气体管线中的单向阀、以及在所述串联的压力容器中的最后一个压力容器和所述目标之间的气体管线中的单向阀；
第一加热器，所述第一加热器联接到所述串联的压力容器中的第一压力容器以及之后的每隔一个的压力容器；以及
第二加热器，所述第二加热器联接到所述串联的压力容器中的第二压力容器以及之后的每隔一个的压力容器，所述第一和第二加热器以交替的方式被开启以加热所述压力容器中的气体，以便从所述源抽吸气体并将该气体以较高的压力传送到所述目标。
2. 如技术方案1所述的压缩机，其中，所述源是将水转换为氧气和氢气的电解装置，所述压缩机压缩所述氢气。
3. 如技术方案2所述的压缩机，其中，所述目标是高压罐。
4. 如技术方案3所述的压缩机，其中，所述高压罐位于车辆上，并且是车辆燃料电池系统的一部分。
5. 如技术方案2所述的压缩机，其中，所述电解装置提供大约13.5MPa压力的氢气，所述串联的压力容器中的最后一个压力容器提供大约70MPa压力的氢气。
6. 如技术方案1所述的压缩机，其中，所述第一加热器和所述第二加热器是电阻加热器。
7. 如技术方案1所述的压缩机，其中，所述多个压力容器是六个压力容器。
8. 如技术方案1所述的压缩机，其中，所述压缩机以5%或更低的效率操作。
9. 一种氢气压缩机，所述氢气压缩机用于压缩由电解装置提供的氢气，并将压缩的气体传送到用于燃料电池车辆的高压气体罐，所述压缩机包括：
串联设置的多个压力容器，其中，所述压力容器中的第一个流体地联接到所述源，所述压力容器中的最后一个流体地联接到所述高压罐；
多个单向止回阀，包括在所述电解装置和所述串联的压力容器中的第一压力容器之间的气体管线中的单向阀、在所述串联的压力容器中的每一个之间的单向阀、以及在所述串联的压力容器中的最后一个压力容器和所述高压罐之间的气体管线中的单向阀；
第一电阻加热器，所述第一电阻加热器联接到所述串联的压力容器中的第一压力容器以及之后的每隔一个的压力容器；以及
第二电阻加热器，所述第二电阻加热器联接到所述串联的压力容器中的第二压力容器以及之后的每隔一个的压力容器，所述第一和第二加热器交替地被开启以加热所述压力容器中的氢气，以便从所述电解装置抽吸氢气并将该氢气以较高的压力传送到所述高压罐。
10. 如技术方案9所述的压缩机，其中，所述电解装置提供大约13.5MPa压力的氢气，所述串联的压力容器中的最后一个压力容器提供大约70MPa压力的氢气。
11. 如技术方案9所述的压缩机，其中，所述多个压力容器是六个压力容器。
12. 如技术方案9所述的压缩机，其中，所述压缩机以5%或更低的效率操作。
13. 一种气体压缩机，所述气体压缩机用于压缩由源提供的气体，并将该压缩的气体传送到目标，所述压缩机包括：
串联设置的多个压力容器，其中，所述压力容器中的第一个流体地联接到所述源，所述压力容器中的最后一个流体地联接到所述目标；
多个单向阀，包括在所述源和所述串联的压力容器中的第一压力容器之间的气体管线中的单向阀、在每个所述压力容器之间的气体管线中的单向阀、以及在所述串联的压力容器中的最后一个压力容器和所述目标之间的气体管线中的单向阀；以及
加热系统，所述加热系统选择性地加热所述压力容器，使得所述压力容器中的气体被加热和冷却，使得从所述源抽吸气体并将该气体以较高的压力传送到所述目标。
14. 如技术方案13所述的压缩机，其中，所述源是将水转换为氧气和氢气的电解装置，所述压缩机压缩所述氢气。
15. 如技术方案14所述的压缩机，其中，所述目标是高压罐。
16. 如技术方案15所述的压缩机，其中，所述高压罐位于车辆上，并且是车辆燃料电池系统的一部分。
17. 如技术方案14所述的压缩机，其中，所述电解装置提供大约13.5MPa压力的氢气，所述串联的压力容器中的最后一个压力容器提供大约70MPa压力的氢气。
18. 如技术方案13所述的压缩机，其中，所述加热系统包括电阻加热器。
19. 如技术方案13所述的压缩机，其中，所述多个压力容器是六个压力容器。
20. 如技术方案13所述的压缩机，其中，所述压缩机以5%或更低的效率操作。
本发明的其它特征将从结合附图的以下描述和权利要求变得清楚。
附图说明
图1是热力氢压缩机的示意平面图；以及
图2是图1所示的压缩机中的多个压力容器的图示，其中，一些压力容器标示为冷，一些压力容器标示为在冷却，并且一些压力容器标示为热，以示出流过串联的压力容器的气体。
具体实施方式
涉及热力氢压缩机的本发明的实施例的以下描述在本质上仅仅是示例性的，不以任何方式限制本发明或其应用或用途。例如，热力氢压缩机可用于不是氢的其它气体，并且可以用于为不是燃料电池车辆的氢存储的其它应用压缩氢。
如下将详细讨论的，本发明提出了一种热力氢压缩机，其包括串联的压力容器，这些压力容器循环通过加热和冷却步骤，使得加热将氢从串联的压力容器的低压端引导至串联的压力容器的高压端。在高温下，压力上升，气体通过单向阀被推向上游。在低温下，压力下降，气体通过入口止回阀被吸入，以替代在循环的高温部分期间传送的气体。
在一个实施例中，串联的压力容器中的第一压力容器被联接到电解装置，该电解装置以本领域熟知的方式将水转换为氢气和氧气。如上所述，现有技术的电解装置能够产生达到13.5MPa压力的氢气。由于电解装置将氢压力提高到70MPa的功的大部分已经通过将压力提高到大约13.5MPa而完成，因此即使是5%效率的压缩设备也能够利用小于11 kWh/kg将压缩从13.5MPa提高到70MPa。将压力从13.5MPa提高到70MPa将仅需要比电解氢的能量多20%，即使在非常低的压缩效率情况下。如果投资成本很低的话，则低至3%的效率也是可以接受的。
图1是热力氢压缩机10的示意平面图，该压缩机将诸如电解装置的源12提供的诸如氢的气体压缩到诸如车辆上的高压氢罐的目标14。在该非限制性实施例中，源12可以提供大约13.5MPa压力的氢气，并且压缩机10可以将氢气压缩到大约70MPa的压力，用于燃料电池车辆应用。压缩机10包括由管18串联联接的多个压力容器16，其中，压力容器16设置在适当的壳体20中。在该非限制性实施例中，有六个标注为1-6的压力容器。然而，本领域技术人员将认识到，不同数量的压力容器可用于不同的设计，取决于气体需要被多快地压缩，压力容器16的尺寸，源12的尺寸等。
压力容器1通过管22联接到源12，压力容器6通过管24联接到罐14。单向止回阀26设置在管22中，并且单向止回阀28设置在管24中。另外，单向止回阀30设置在每个压力容器16之间的管18中，其中，止回阀26、28和30被设计为使得气体仅能够从压缩机10的源端至目标端地流过串联的压力容器16。在特定阀的上游侧的较高压力造成阀打开并且气体流过该阀。
提供加热器回路34加热压力容器1,3和5中的气体，提供加热器回路36加热压力容器2,4和6中的气体。在该非限制性实施例中，加热器回路34和36是电阻类型的加热器，其在压力容器16中采用电阻38以提供加热。加热器回路34包括功率源40以便为电阻38提供电流，加热器回路36包括功率源42，用于为电阻38提供电流。压力容器16可以适当的方式在被加热之后被冷却，包括液体冷却，强制通风冷却，对流等。风扇44设置在壳体20中作为冷却器，其代表了所有这些各种冷却设备和机构。
压缩机10可以如下操作。在加热循环期间，加热器回路34被通电，使得压力容器1,3和5中的气体被加热，这提高了这些压力容器16中的压力。在该循环部分期间，加热器回路36保持关闭。随着气体在压力容器1,3和5中被加热以及压力增加，压力容器1,3和5下游的止回阀30打开，造成压力容器1中的一些量的气体发送到压力容器2，压力容器3中的一些量的气体发送到压力容器4，压力容器5中的一些量的气体发送到压力容器6。
在一段时间之后，加热器回路34关闭，允许压力容器1,3和5冷却，这造成冷却的压力容器中的压力变得低于上游压力容器，并造成冷却的压力容器16上游的止回阀26或30打开，将气体从上游较高压力的源吸入压力容器16。在特定的一段时间之后，加热器回路36开启，这造成压力容器2,4和6被加热，造成被加热的压力容器下游的阀28或30打开，并将气体提供到串联的压力容器中的当前冷却的下一个压力容器14或16。压力容器6提供加热的气体，该加热的气体通过阀28被发送到罐14。在一段时间之后，加热器回路36被关闭，允许压力容器2,4和6冷却，这从上游源吸入气体，如上所述。以这种方式，来自源12的较低压力气体通过压缩机10被传送到目标罐14。压缩机10中的各种元件被校准，使得目标罐可以存储压力达到70MPa的氢气。
图2示出了压缩机10中所示的压力容器的操作顺序。压力容器的顶排以编号标识了压力容器，每个压力容器之下的四个容器也是相同编号的压力容器。每个编号的压力容器之下的四个压力容器被标示为A，表示是冷却的，标示为B，表示正在冷却，标示为C，表示是热的。箭头表示当以以上所述的方式加热和冷却压力容器16时通过串联的压力容器16的气流。
前述论述仅公开和描述了本发明的示例性实施例。本发明技术人员将从该论述以及附图和权利要求容易地懂得，在不偏离以下权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以做出各种改变，变换和变形。

Claims (10)

1.一种气体压缩机，所述气体压缩机用于压缩由源提供的气体，并将该压缩的气体传送到目标，所述压缩机包括：
串联设置的多个压力容器，其中，所述压力容器中的第一个流体地联接到所述源，所述压力容器中的最后一个流体地联接到所述目标；
多个单向阀，包括在所述源和所述串联的压力容器中的第一压力容器之间的气体管线中的单向阀、在每个所述压力容器之间的气体管线中的单向阀、以及在所述串联的压力容器中的最后一个压力容器和所述目标之间的气体管线中的单向阀；
第一加热器，所述第一加热器联接到所述串联的压力容器中的第一压力容器以及之后的每隔一个的压力容器；以及
第二加热器，所述第二加热器联接到所述串联的压力容器中的第二压力容器以及之后的每隔一个的压力容器，所述第一和第二加热器以交替的方式被开启以加热所述压力容器中的气体，以便从所述源抽吸气体并将该气体以较高的压力传送到所述目标。
2.如权利要求1所述的压缩机，其中，所述源是将水转换为氧气和氢气的电解装置，所述压缩机压缩所述氢气。
3.如权利要求2所述的压缩机，其中，所述目标是高压罐。
4.如权利要求3所述的压缩机，其中，所述高压罐位于车辆上，并且是车辆燃料电池系统的一部分。
5.如权利要求2所述的压缩机，其中，所述电解装置提供大约13.5MPa压力的氢气，所述串联的压力容器中的最后一个压力容器提供大约70MPa压力的氢气。
6.如权利要求1所述的压缩机，其中，所述第一加热器和所述第二加热器是电阻加热器。
7.如权利要求1所述的压缩机，其中，所述多个压力容器是六个压力容器。
8.如权利要求1所述的压缩机，其中，所述压缩机以5%或更低的效率操作。
9.一种氢气压缩机，所述氢气压缩机用于压缩由电解装置提供的氢气，并将压缩的气体传送到用于燃料电池车辆的高压气体罐，所述压缩机包括：
串联设置的多个压力容器，其中，所述压力容器中的第一个流体地联接到所述源，所述压力容器中的最后一个流体地联接到所述高压罐；
多个单向止回阀，包括在所述电解装置和所述串联的压力容器中的第一压力容器之间的气体管线中的单向阀、在所述串联的压力容器中的每一个之间的单向阀、以及在所述串联的压力容器中的最后一个压力容器和所述高压罐之间的气体管线中的单向阀；
第一电阻加热器，所述第一电阻加热器联接到所述串联的压力容器中的第一压力容器以及之后的每隔一个的压力容器；以及
第二电阻加热器，所述第二电阻加热器联接到所述串联的压力容器中的第二压力容器以及之后的每隔一个的压力容器，所述第一和第二加热器交替地被开启以加热所述压力容器中的氢气，以便从所述电解装置抽吸氢气并将该氢气以较高的压力传送到所述高压罐。
10.一种气体压缩机，所述气体压缩机用于压缩由源提供的气体，并将该压缩的气体传送到目标，所述压缩机包括：
串联设置的多个压力容器，其中，所述压力容器中的第一个流体地联接到所述源，所述压力容器中的最后一个流体地联接到所述目标；
多个单向阀，包括在所述源和所述串联的压力容器中的第一压力容器之间的气体管线中的单向阀、在每个所述压力容器之间的气体管线中的单向阀、以及在所述串联的压力容器中的最后一个压力容器和所述目标之间的气体管线中的单向阀；以及
加热系统，所述加热系统选择性地加热所述压力容器，使得所述压力容器中的气体被加热和冷却，使得从所述源抽吸气体并将该气体以较高的压力传送到所述目标。
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