CN105358896B - 用于填充气罐的站和方法 - Google Patents

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Abstract

一种经由填充站(100)用加压氢气填充罐(8)的方法，所述填充站包括至少一个缓冲容器(1，2)以及连接到所述至少一个缓冲容器(1，2)的流体线路(11，12，4，6)，所述填充站(100)的线路(11，12，4，6)包括连接到至少一个气态氢源(14)的第一端(4)，所述线路(11，12，4，6)包括第二端，该第二端配备有用于可拆卸地连接到待填充的罐(8)的输送管(6)，所述方法包括在由所述源(14)供给的氢气被输送到所述至少一个缓冲容器(1，2)之前在净化部件(9，10)中净化所述氢气的步骤，填充站(100)的线路(11，12，4，6)还包括用于压缩加压气体以便填充所述至少一个缓冲容器(1，2)的至少一个压缩部件(7)，所述方法的特征在于包括在压缩部件(7)出口处的压缩气体与净化部件(9，10)之间传递热量的步骤(16)。

Description

用于填充气罐的站和方法
技术领域
本发明涉及一种用于填充气罐的方法和站。
更具体地，本发明涉及经由填充站用加压氢气填充一罐的方法，所述填充站包括至少一个缓冲容器以及连接到所述至少一个缓冲容器的流体线路，所述填充站的线路包括连接到至少一个气态氢源的第一端，该第一端用于通过来自所述源的气体对所述至少一个缓冲容器进行填充，所述线路包括第二端，该第二端配备有用于可拆卸地连接到待填充的罐的输送管，从而用来自所述至少一个缓冲容器的氢气填充所述罐，所述方法包括在氢气被输送到所述至少一个缓冲容器之前在净化部件中净化由所述源供给的氢气的步骤，填充站的线路还包括用于压缩加压气体以便填充所述至少一个缓冲容器的至少一个压缩部件。
背景技术
通常通过利用处于高压(例如200，300，450或850巴)的缓冲容器与待填充的罐之间的相继平衡来执行对处于高压(例如300至800巴)的燃料气体(特别是氢气)的罐的快速填充(通常15分钟以内)。这种填充在必要时可以通过一个或多个压缩机加以增补或补充。
为了限制由于压缩的绝热性质造成所述罐中温度升高，燃料气体在进入所述罐之前被冷却到例如-40℃左右的温度。该冷却通常经由被供给制冷剂或低温流体的热交换器执行。这些方法在文献中有大量描述。
例如可以参考文献FR 2919375A1，FR 2973858A1和FR 2919375A1，所述文献描述本发明可适用的填充站。
安装在车辆中的使用这种氢燃料的燃料电池(特别是“PEMFC”类型)必须被供给非常纯的氢气。大量文献描述了氢气中的杂质(例如水，CO，H2S)对燃料电池的性能和使用寿命的影响。因此开发出严格的标准以确保输送到罐的氢气不损伤电池(参见例如ISO14687-2标准)。
已知的且相对便宜的工业制造过程使得不可能持续地确保这种程度的纯度。
为了保证氢气的纯度水平，有必要在填充站的上游添加特别昂贵的净化步骤，例如在低温操作的吸附床层/吸附剂床层或钯膜上净化。
另一个解决方案包括向填充站供给液态——因此非常纯——的氢气，或通过电解。然而这些解决方案很昂贵。
发明内容
本发明的目的是缓解现有技术的上述缺点的全部或一部分。
为此，根据本发明并且根据上述的前序部分给出的一般定义的方法，本质上其特征在于，该方法包括在压缩部件的出口处的压缩气体与净化部件之间传递热量的步骤。
这使得有可能使用通过利用完全整合到填充站的标准技术或非标准技术的净化系统与填充站中的燃料电池的规格先验不相容的氢气源。
在净化部件的操作中压缩氢气的过程中使用填充站中产生的热量允许进行节约和使所述站特别有效地运行。
此外，本发明的一些实施例可包括一个或多个下列特征：
-所述净化部件根据一循环进行操作，该循环包括气体净化阶段和再生阶段，在压缩部件的出口处的压缩气体与净化部件之间传递热量的步骤在净化部件的再生阶段过程中执行，
-净化步骤使用至少一个变温和变压吸附(TPSA)分离装置，
-从压缩部件的出口处的压缩气体向净化部件的选择性热量传递使用与压缩部件的出口处的气体进行热交换的热交换器，以及使所述热交换器选择性地连接至净化部件和/或进入净化部件的气体的热传递流体管道，
-净化部件包括变压吸附(PSA,TPSA)分离装置，该装置包括循环且交替地运行的数个活性炭或分子筛型的吸附床层，
-所述线路包括输送管，该输送管配备有阀且连接两个吸附床层以便利用来自第二吸附床层的气体吹扫第一吸附床层且反之亦然，从而使得在再生阶段能进行所述(多个)吸附床层的洗脱步骤，在压缩部件出口处的压缩气体与净化部件之间的热量传递包括在所述部件出口处的气体与来自第二吸附床层的旨在用于吹扫第一床层的气体之间的热交换，
-所述方法包括在附加的再加热部件与净化部件和/或进入净化部件的气体之间传递热量的步骤，
-所述方法包括在附加的再加热部件与来自第二吸附床层的旨在用于吹扫第一床层的气体之间传递热量的步骤。
本发明还涉及一种用于加压气态氢罐的填充站，该填充站包括：设置成用于容纳加压气态氢的至少一个缓冲容器；具有多个阀的流体线路，所述线路被连接至所述至少一个缓冲容器并包括用于连接到至少一个气态氢源以便能够通过由至少一个源供给的气体填充所述至少一个缓冲容器的第一端，所述线路还包括第二端，该第二端包括用于可拆卸地连接至罐以便从所述至少一个缓冲容器填充所述罐的填充管道；所述填充站的线路包括至少一个压缩部件例如压缩机，用于压缩氢气以便填充所述至少一个缓冲容器；根据一循环操作的净化部件，其包括一个或多个变压吸附型的吸附床层，所述循环包括气体净化阶段和再生阶段；所述站包括用于从压缩部件出口处的压缩气体向净化部件选择性地传递热量的线路。
根据其它可能的具体特征：
-用于从压缩部件出口处的压缩气体向净化部件选择性地传递热量的线路包括定位于压缩部件的出口处、一方面与压缩的氢气以及另一方面与净化部件和/或进入净化部件的气体进行热交换的热交换器，
-所述净化部件包括变压吸附(PSA)分离装置，该装置包括循环且交替运行的活性炭或分子筛类型的数个吸附床层，所述线路包括输送管，所述输送管使所述床层相互连接并且配备有阀，使得能利用来自第二吸附床层的气体吹扫第一吸附床层以及反之亦然，从而在再生阶段中进行吸附床层的洗脱步骤，并且用于从压缩部件出口处的压缩气体向净化部件选择性地传递热量的线路包括在输送管与定位在压缩部件出口处的热交换器之间的热交换。
本发明也可以涉及包括上文或下文的特征的任意组合的任何替代装置或方法。
附图说明
其它具体特征和优点将通过阅读以下参照一个附图给出的描述变得显而易见，该附图是示意性局部视图，示出了根据本发明的一个可能的示例性实施例的填充站的结构和操作。
具体实施方式
通过非限制性示例的方式示出的填充站100是设置成用于在高压下(例如在300和850巴之间的压力下)填充气态氢的罐8的站。
传统地，填充站100包括数个缓冲容器1、2(在这个非限制性示例中为两个，但可以是一个、三个或三个以上)。
每个缓冲容器1、2是设置用于容纳被加压至例如分别为450巴和850巴的给定压力的气态氢的一个或一组罐。所述站100包括流体线路11、12、18、4、6，所述流体线路包括多个管道和阀。该线路被连接到缓冲容器1、2。该线路包括用于连接到至少一个气态氢源14以便能够用来自源14的气体填充缓冲容器1、2的第一端4。
氢气的源14可常规地包含以下至少一种：处于1.3bar abs(巴，绝对压力)至200bar abs之间的压力下的氢气网络，以及用于产生氢气的部件如电解槽，天然气重整装置(“SMR”)，甲醇裂化装置，自热重整(“ATR”)装置，部分氧化(“POX”)装置等。
所述线路包括配备有至少一个填充管6的第二端，该填充管旨在(经由适当的连接器66)可拆卸地连接至待填充的罐8。
更具体地，缓冲容器1、2经由各自的阀11、12并联连接至填充管6。
同样，一个、两个或两个以上的气体源14可以经由各自的阀并联连接至填充管6(在第一端)。
填充管6可在连接器66的上游包括压缩机7。当然，也可以设想并联或串联的若干个压缩机。
压缩机7可配备有上游阀和下游阀(为简化起见未显示)。
如图所示，可设置用于绕过压缩机7的旁通管18。旁通管18可包括两个阀20和19，并且可以是将缓冲容器1、2连接至填充管6的收集管。
这个旁通管18也使得能够经由压缩机7填充缓冲容器1、2。
所述站100还在第一端4包括用于净化由所述源提供的氢气的部件9、10，其优选处于压缩机7的上游。净化部件优选包括已知的变温和变压吸附(TPSA)分离装置，该分离装置包括一个和优选多个吸附床层。例如，并且如图所示，净化部件9、10包括并行定位在线路中的两个吸附床层(沸石或其他)。由源14提供的气体通过阀系统被交替地接纳到吸附器9、10的一个然后另一个内，吸附器9、10交替运行(一个在高温和低压的条件下再生，同时另一个在低温和高压的条件下吸附)。例如，其可以是具有同轴床层的使用分子筛或活性炭的TSA类型。为简化附图起见，未显示用于罐9和10的压力下降或温度上升以及从一个吸附器向另一个过渡到生产模式所需的所有阀(系统本身已知)。
为此，如图所示，所述线路可通过已知方式包括使第一吸附床层9连接至第二吸附床层10的输送管16(反之亦然，为简化起见在图中未显示的另一输送管可连接两个吸附器9、10以便能够执行相反的过程)。该输送管16配备有阀22，该阀可以控制罐10再生的压力和流率。输送管16设置用于使得能够通过来自另一吸附器10的气体(氢气)吹扫吸附器9(反之亦然)，从而在再生阶段中执行吸附器10的洗脱步骤。
根据一个有利的具体特征，所述站包括用于从在压缩机7中压缩的气体向净化部件9、10选择性地传递热量的线路16、17。
必要时，净化部件9、10可以特别地要求临时再加热，例如在再生阶段中TSA型吸附器可能需要再加热(温度例如在200至300℃之间)。
如图所示，这个用于选择性地传递热量的线路16、17可包括定位于压缩机7出口处的热交换器17，该热交换器一方面与氢气和另一方面与该(多个)输送管16进行热交换。也就是说，来自第一吸附床层9的吹扫气体在吹扫第二吸附床层10之前与压缩气体进行热交换。这样，在吸附器9、10再生过程中使用的吹扫气体被再加热以便提高吸附剂再生的效率。
这使得可以在吸附器9、10的再生阶段对其进行再加热，同时冷却离开压缩机7的气体。如有必要，除了热交换器17，线路可包括用于冷却压缩气体的补充冷却交换器23。例如，该交换器23例如经由水线路24被供给制冷流体。
当然，作为变型或组合，来自压缩气体的热量可在再生阶段直接传递到吸附器9、10(例如经由不同的传热流体)。
当然，优选安装再热器21以便在再生期间补充再加热(氢气例如在压缩机7的出口被再加热至大约100℃的温度，而再生通常需要更高的温度，例如200℃)。这种额外的再热器21也可以定位在输送管6中，与上述热交换器17串联。
上述压缩过程中产生的热量的回收和利用使得能减少附加的再热器21的再加热动力。
如图所示，所述站100还可以在输送管6处额外地包括供给到罐8的气体的选择性冷却(即受控冷却)的系统(例如氢气被冷却到介于-196℃至-40℃的低温)。如图所示，该冷却可通过与线路气体进行热交换的第一冷却交换器3以及用于在冷源5与第一热交换器3之间流通热传递流体的环路33常规地进行。传统地，这种流通环路33可包括为简化起见未显示的阀和/或泵。
冷源5可包括以下至少一种：液化气如氮气的储备，各种质量浓度的乙二醇水溶液，氨水溶液，丙烷，或传统的制冷剂。
如图中由虚线限定的区域所示，站100还可以任选地包括在净化步骤之前或过程中在冷源5与气体之间选择性地传递冷量(选择性地是指优选地能根据制冷要求来控制强度)。为此，所述站100可包括与净化部件9、10的入口处的气体进行热交换的第二冷却交换器13，和用于在冷源5与第二热交换器3之间流通热传递流体的环路113。
对气体和/或净化部件9、10的这种冷却在净化阶段(气体进入吸附器和吸附杂质的过程中)对于净化部件、特别是对于变温吸附(TSA)净化装置的效率特别有利。
因此冷源5可在站100内共用/共享，以提高效率和改进组件成本。
这种架构确保了站100的高效经济的运行。
填充站100的运行可包括两个单独的阶段。
在第一运行阶段，所述(多个)缓冲容器1、2可被填充。由源14供给的气态氢在净化部件9、10中被净化，然后被压缩并注入到缓冲容器1、2中。从容器1、2中的一个切换到另一个的填充可在被填充的容器1、2的压力达到其标称压力(通常在450至850巴之间)时执行。缓冲容器1、2的填充可以在例如其内部压力低于阈值(例如分别为350和700巴)时开始。所述步骤不一定是连续的。在第一阶段期间，冷源5向第二热交换器13供给冷却动力。
在第二运行阶段，一个或一些罐8通过站100被填充。例如，罐8被填充至700巴的压力。罐8与缓冲容器1、2依次均衡化。从缓冲容器1、2的一个到另一个的切换可在缓冲容器1、2与目标罐8之间的压差低于预定阈值时执行。根据罐8中的初始压力，压力均衡步骤可以省略。在已知的方式中，如果必要，压缩机7可以完善或补充该填充过程。在这个第二阶段期间，冷源5向第一热交换器3供给冷却动力。
作为变型，必要时，可以在压缩机7的入口处任选地设置热交换器(未显示)以便在压缩机不能容许冷的气体时再加热所述气体。
本发明使得有可能降低填充站的成本、整体尺寸和能量消耗。

Claims (12)

1.一种经由填充站(100)用加压氢气填充罐(8)的方法，所述填充站包括至少一个缓冲容器(1，2)以及连接到所述至少一个缓冲容器(1，2)的流体线路，所述填充站(100)的流体线路包括连接到至少一个气态氢源(14)的第一端(4)，用于利用来自所述气态氢源(14)的气态氢对所述至少一个缓冲容器(1，2)进行填充，所述流体线路包括配备有填充管(6)的第二端，该填充管用于可拆卸地连接到待填充的罐(8)，从而用来自所述至少一个缓冲容器(1，2)的加压氢气填充所述罐，所述方法包括在由所述气态氢源(14)供给的气态氢被输送到所述至少一个缓冲容器(1，2)之前在净化部件(9，10)中净化所述气态氢的步骤，填充站(100)的流体线路还包括用于压缩气态氢以便填充所述至少一个缓冲容器(1，2)的至少一个压缩部件(7)，所述方法的特征在于，该方法包括在压缩部件(7)出口处的加压氢气与净化部件(9，10)之间传递热量的步骤。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述净化部件(9，10)根据一循环进行操作，该循环包括气体净化阶段和再生阶段，所述在压缩部件(7)的出口处的加压氢气与净化部件(9，10)之间传递热量的步骤在净化部件(9，10)的再生阶段过程中执行。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述净化气态氢的步骤使用至少一个变温和变压吸附分离装置。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，从压缩部件(7)的出口处的加压氢气向净化部件(9，10)的选择性的热量传递使用与压缩部件(7)的出口处的加压氢气进行热交换的热交换器(17)，以及使所述热交换器(17)选择性地连接至净化部件(9，10)和/或进入净化部件(9，10)的吹扫气体的热传递流体管道。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述净化部件(9，10)包括变压吸附分离装置，该变压吸附分离装置包括循环且交替地运行的数个活性炭或分子筛型的吸附床层。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述变压吸附分离装置包括并联定位的两个吸附床层，所述流体线路包括第一输送管(16)和第二输送管，所述第一输送管(16)和第二输送管各自配备有阀(22)且连接两个吸附床层以便利用来自第二吸附床层的吹扫气体吹扫第一吸附床层且反之亦然，从而使得在再生阶段能进行吸附床层的洗脱步骤，并且，在压缩部件(7)出口处的加压氢气与净化部件(9，10)之间的热量传递包括在所述压缩部件(7)出口处的加压氢气与来自一个吸附床层的将要用于吹扫另一吸附床层的吹扫气体之间的热交换。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，该方法包括在附加的再加热部件(21)与净化部件(9，10)和/或进入净化部件的吹扫气体之间传递热量的步骤。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，该方法包括在附加的再加热部件(21)与来自第二吸附床层的将要用于吹扫第一吸附床层的吹扫气体之间传递热量的步骤。
9.一种用于加压氢气罐的填充站，该填充站包括：设置成用于容纳加压氢气的至少一个缓冲容器(1，2)；具有多个阀的流体线路，所述流体线路被连接至所述至少一个缓冲容器(1，2)并包括用于连接到至少一个气态氢源(14)以便能够通过由至少一个气态氢源(14)供给的气态氢填充所述至少一个缓冲容器(1，2)的第一端，所述流体线路包括第二端，该第二端包括用于可拆卸地连接至罐(8)以便从所述至少一个缓冲容器(1，2)填充所述罐(8)的填充管(6)；所述填充站(100)的流体线路包括至少一个压缩部件(7)，用于压缩气态氢以便填充所述至少一个缓冲容器(1，2)；根据一循环操作的净化部件(9，10)，该净化部件包括一个或多个变压吸附型的吸附床层，所述循环包括气体净化阶段和再生阶段，其特征在于，所述填充站包括用于从压缩部件(7)出口处的加压氢气向净化部件(9，10)选择性地传递热量的热传递线路。
10.根据权利要求9所述的填充站，其特征在于，所述用于从压缩部件(7)出口处的加压氢气向净化部件(9，10)选择性地传递热量的热传递线路包括定位于压缩部件(7)的出口处、一方面与加压氢气以及另一方面与净化部件(9，10)和/或进入净化部件的吹扫气体进行热交换的热交换器(17)。
11.根据权利要求10所述的填充站，其特征在于，所述净化部件包括变压吸附分离装置，该变压吸附分离装置包括循环且交替运行的活性炭或分子筛类型的数个吸附床层，所述流体线路包括输送管(16)，所述输送管使所述吸附床层相互连接并且配备有阀(22)，使得能利用来自第二吸附床层的吹扫气体吹扫第一吸附床层以及反之亦然，从而在再生阶段中进行吸附床层的洗脱步骤，所述用于从压缩部件(7)出口处的加压氢气向净化部件(9，10)选择性地传递热量的热传递线路包括在输送管(16)与定位在压缩部件(7)出口处的所述热交换器(17)之间的热交换。
12.根据权利要求9所述的填充站，其特征在于，所述压缩部件(7)是压缩机。
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