CN107208840B - 填充氢气罐的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于从至少一个源储存器(2)用加压气态氢填充罐(1)的方法，该源储存器包含在第一限定温度下和在高于有待填充的该罐(1)中的压力的限定压力下的加压气态氢，其中通过经由具有连接到该源储存器(2)的上游端和连接到该罐(1)的下游端的填充线路(3)进行压力平衡将氢气从该源储存器(2)转移到该储罐(1)中，并且其中该至少一个源储存器(2)与用于加热储存在该源储存器(2)中的气体的构件(6)交换热量，在将氢气从该源储存器(2)转移到该罐(1)的至少部分期间，将该源储存器(2)中包含的气体加热到高于该第一温度的第二限定温度。

Description

填充氢气罐的方法和装置
发明涉及一种用于填充氢气罐的方法和装置。
本发明更具体地涉及一种用于从至少一个源储存器填充加压气态氢罐的方法，该源储存器包含在确定的第一温度下和在高于待填充的罐中的压力的确定压力下的加压气态氢，在该方法中通过经由具有连接到该源储存器的上游端和连接到该罐的下游端的填充线路对压力进行均衡来将氢气从该源储存器转移到该罐中，并且其中该至少一个源储存器与用于加热储存在该源储存器中的气体的构件处于热交换关系。
用气态氢填充燃料罐通常经由在一个或多个源储存器与该待填充的罐之间的一次并且优选数次压力均衡进行。一种众所周知的解决方案使用并联联接的数个源储存器，这些源储存器连续使用以最大化该源与该待填充的罐之间的压差(所谓的“级联”填充)。
如果必要，还可以提供压缩机作为补充，以增补或完成填充。
存在用于优化在给定填充时间内转移的气体量的许多已知技术。
因此，已知的做法是控制转移的气体的流速，以便最小化在填充的罐中发生的升温。通过降低气体转移流速，限制了罐中过度升温的风险，但填充时间延长。
另一种已知的解决方案是在气体进入罐之前冷却该气体，以便最小化/控制罐中的温度上升。然而，这种解决方案可能需要大量的能源。文献EP2175187A2描述了一种填充系统，其中在气体进入罐之前控制(降低)该气体的温度。
文献WO2011026551A1本身描述了一种填充系统，其中源储存器的温度保持在确定的低水平下。
本发明的一个目的是改善填充的效率和/或减轻如上文中指出的现有技术的全部或一些缺点。
为此，在根据以上前序部分中给出的其一般定义的其他方面中，根据本发明的填充方法基本上特征在于，在将氢气从源储存器转移到罐的至少部分期间，将该源储存器中包含的气体加热到高于第一温度的确定的第二温度。
这意味着，在填充期间和/或在填充的至少部分之前，该至少一个源储存器被加热以增加该储存器中的气体的压力，以便增加相对于待填充的罐的压差。
优选地，当源储存器中的压力下降到低于确定的低阈值时和/或当填充过程期间罐内的压力达到确定的高阈值时，进行该加热。
此外，本发明的一些实施例可以包括以下特征中的一项或多项：
-源储存器中包含的气体的加热使其温度增加了包括在10℃至60℃之间并且优选在20℃至40℃之间的确定量，
-在将氢气从源储存器转移到罐期间，当一方面该源储存器中的气体与另一方面该罐中的气体之间的压差低于确定的第一差值时，该源储存器中包含的气体经由加热构件进行加热，
-仅当一方面源储存器中的气体与另一方面罐中的气体之间的压差低于所述确定的第一差值时，加热该源储存器中包含的气体，
-该确定的第一差值包括在50巴与250巴之间并且优选包括在100巴与200巴之间，
-在将氢气从源储存器转移到罐期间，当在一方面该源储存器中的气体与另一方面该罐中的气体之间的压差高于确定的第二差值时，冷却在该源储存器中包含的或从该源储存器中取出的气体，
-源储存器中包含的气体的冷却使其温度降低了10℃至60℃并且优选20℃至40℃，
-源储存器中的气体在填充之前并且在加热之前具有包括在150与950巴之间并且尤其在250与850巴之间的初始压力。
本发明还涉及一种用于填充加压气态氢罐的装置，该装置包括：至少一个源储存器，其包含在确定的第一温度和在确定的压力下的加压气态氢；用于加热储存在该源储存器中的气体的构件；具有连接到该源储存器的上游端和可以与待填充的罐可移除地联接的下游端的填充线路；至少一个用于调节允许在该线路中从该源储存器流通到该罐的气体的压力和/或流速的构件；连接到该调节构件、还连接到该用于加热储存在该源储存器中的气体的构件和该罐中的压力的传感器的电子数据采集、储存和处理构件，该电子数据采集、储存和处理构件被配置为控制该填充线路中的气体的流速和/或压力，该电子数据采集、储存和处理构件被配置为在将氢气从该源储存器转移到该罐的至少部分期间命令将该源储存器中包含的气体加热到高于第一温度的确定的第二温度。
根据一种可能的具体特征，加热构件包括与源罐处于热交换关系的热交换器和/或冷却剂线路。
本发明还可涉及包括上文或下文所述特征的任何组合的任何替代装置或方法。
通过阅读以下参照附图给出的说明，其他的特性和优点将变得明显，在附图中：
-图1描绘了说明能够实施本发明的填充装置的一个实例的示意性和局部视图，
-图2描绘了当实施和不实施本发明进行填充时，源储存器和罐内的压力变化的比较曲线。
图1示意性地并且局部地描绘了用于填充加压气态氢罐1(例如车辆罐)的填充站的实例。
处于常规方式的站包括至少一个源储存器2，其包含加压的气态氢，例如在包括在150巴与1000巴之间、尤其在700至900巴压力下。源储存器2例如在环境温度下或保持在确定的温度下(例如在15℃或0℃下)。
该站还包括填充线路3，该填充线路具有连接到该一个或多个源储存器2的上游端和可以与待填充的罐1可移除地联接的下游端。填充线路3例如包括隔离阀4和用于调节允许在线路3中从源储存器2流通到罐1的气体的压力和/或流速的构件5。调节构件5包括例如可以控制或可以不控制的阀、压力调节器或用于控制气体的流速或待填充的罐1中的压力上升的任何其他合适的构件。
该站还包括在该罐中的压力的传感器8，该压力传感器例如位于填充线路3中在罐1的上游。当然，该传感器8可以由罐1内、在罐周围的压力传感器和/或通过计算该压力的软件建模来替换或补充。
如示意性地说明的，填充线路3还可以包括与气体处于热交换关系的在构件5下游的热交换器9，以便如果合适的话调节该气体的温度(尤其是为了冷却该气体)。
该站还优选地包括电子数据采集、储存和处理构件7，例如可编程控制器、处理器、计算机或具有微处理器等的任何其他装置。
电子数据采集、储存和处理构件7连接到调节构件5和加热储存在源储存器2中的气体的构件6，以便命令/控制它们。此外，电子数据采集、储存和处理构件7连接到罐1中的压力的传感器8，以便从其收集信号。电子数据采集、储存和处理构件7还可以连接到测量源储存器2中或其出口处的压力和/或温度的传感器。
该站还包括用于加热储存在源储存器2中的气体的构件6。
在常规方式中，电子数据采集、储存和处理构件7被配置为控制填充线路中的气体的流速和/或压力，以便优化填充(确定的持续时间、转移的量，而不产生加热高于规定的阈值，例如由罐1的性质决定的)。
根据一个有利的特征，电子数据采集、储存和处理构件7还被配置为命令将源储存器2中包含的气体加热到高于当前温度的确定温度用于将氢气从源储存器2转移到罐1的至少部分。
优选地，这种加热在源储存器2与罐1之间的气体转移结束时进行。
例如，在填充期间，当一方面源储存器2中的气体与另一方面罐1中的气体之间的压差达到低于确定的第一差值的值时(或恰好在此之前)，包含在源储存器2中的气体经由加热构件6进行加热。
优选地，仅当一方面源储存器2中的气体与另一方面罐1中的气体之间的压差低于所述确定的第一差值时，进行该加热。
该确定的第一差值例如包括在50巴与250巴之间并且优选包括在100巴与200巴之间。
源储存器2中包含的气体的加热可以旨在使其温度增加确定的量，该量例如包括在10℃至60℃之间并且优选在20℃至40℃之间，尤其是30℃。
该加热使得有可能增加源储存器2中的气体的压力，并且因此使得有可能最大化源2与接收罐1之间的压差。
确切地，随着源储存器2与罐1之间的压差减少(源罐中的压力有利于罐1地降低)，诸位发明人已经确定加热源储存器2中的气体是有利的。
因此，压差可以增加、保持或，如果不行的话，其降低可以尽可能长地被最小化以改善填充效率。
源储存器2(给予或采取其加热)中的最终压力将低于现有技术方法(无加热)中获得的最终压力。这意味着罐1将被更好地填充(对于给定时间更好的填充效率)，并且将更好地利用源储存器2(其将被更好地排空)。
当然，在填充开始时，尤其当压差大(例如大于200巴)时，气体可以被冷却(例如经由调节构件5下游的交换器9和/或经由源储存器2处直接地热量交换)。此众所周知的冷却使得有可能最小化罐1中的加热，特别是在填充开始时当氢气的膨胀通过除了压缩效应之外的焦耳-汤姆森效应产生附加加热时。
在填充结束时，罐1能够耐受相对较热的气体。
在例如包含在700巴的压力和15℃的温度下的气态氢的源储存器2的情况下，将该气体加热至45℃(例如在恒定的密度下)使得有可能在储存器2中获得约775巴的压力。
在其中填充站中使用压缩机的情况下本发明是特别有利的，因为可以减少使用压缩机的需要。
另外，冷却气体的冷却剂的加热可以如果合适的话用于加热源储存器2。
该方法对于相对冗长的填充时间(这意味着持续10分钟与60分钟之间的那些填充时间)是特别有利的。该方法还可以应用于快速填充(例如持续2分钟与10分钟之间)。
图2示意性地示出了本发明相对于现有技术的效果。
呈实线和具有十字交叉的曲线指示对应地没有和有根据本发明的加热的情况下源储存器2中的压力变化。
呈不连续的长和短线的曲线描绘了对应地没有和有根据本发明的加热的情况下填充的罐中的压力变化。
因此，在开始填充时，将源储存器气体冷却或者不对其进行热作用。例如，可以已将其预冷却至例如-30℃的温度。
开始填充，源储存器2中的压力降低，并且目标罐1中的压力增加。
当例如这两个容器之间的压差低于阈值差值(例如大约100至200巴)时，可以加热源储存器2中的气体。加热可能在于相对于初始温度或甚至相对于环境温度实现+30℃的增加。例如，在包括在-20℃与+40℃之间的环境温度的情况下，例如可将气体加热至70℃。
诸位发明人还证明了上文所述的解决方案可以提供能量平衡方面的优点。
确切地，对于0.5m3或更大体积的储存器，加热使得有可能减少压缩机的使用。根据安装条件，当压缩机的使用期达到一定值(例如120秒)时，经济平衡是正的。
让我们考虑以下填充站，该填充站在压缩机出口处递送在30℃的温度下的气体，并且在下游冷却至-40℃的温度。如果源储存器2中的气体在15℃并且被加热到45℃的温度，这意味着需要将该气体从45℃的温度冷却到-40℃的温度。在这种情况下，冷单元的能耗增加了1265kJ。
根据本发明，有可能重新利用在冷单元(交换器9)中消散的热能来加热源储存器2。
有可能例如回收在冷却单元9中消散的能量的50％与100％之间。此外，在填充站内还可以使用其他热源(压缩机等)。
在具有在100巴的压力下的罐的车辆和储存在855巴的压力下0.75m3体积的氢气的源储存器2的特殊情况下，与没有加热的解决方案相比，将源储存器2的气体加热到55℃的温度将使得有可能通过对压力进行均衡而不使用压缩机来完全填充该罐。
总体上，与无加热的现有技术的解决方案相比，本发明允许插入另外0.3kg的氢气。这对应于节省大约25至30秒的压缩机操作。
为了增加使用压缩机的节省，压缩机可以以交错的时间开始(不恰好从填充开始时开始)。
在特定条件下，例如，最初为1.12分钟的有利于操作压缩机的时间可以减少到例如0.72分钟。
本发明使得有可能例如减小所需压缩机的尺寸和功率。
因此，根据使用条件，本发明的能量节省在幅度上变化。
当然，本发明可以应用于除氢气以外的任何其他类型的气体。此外，本发明可以应用于使用并联联接并连续或同时使用的数个源储存器2的安装(站)。

Claims (14)

1.一种用于从至少一个源储存器(2)填充加压气态氢罐(1)的方法，该源储存器(2)包含在确定的第一温度下和在高于待填充的该罐(1)中的压力的确定压力下的加压气态氢，在该方法中通过经由具有连接到该源储存器(2)的上游端和连接到该罐(1)的下游端的填充线路(3)对压力进行均衡来将氢气从该源储存器(2)转移到该罐(1)中，并且其中该至少一个源储存器(2)与用于加热储存在该源储存器(2)中的气体的加热构件(6)处于热交换关系，其中在将氢气从该源储存器(2)转移到该罐(1)的至少部分期间，将该源储存器(2)中包含的气体加热到高于该第一温度的确定的第二温度，其特征在于，在将氢气从该源储存器(2)转移到该罐(1)期间，当一方面该源储存器(2)中的气体与另一方面该罐(1)中的气体之间的压差低于确定的第一差值时，经由该加热构件(6)加热该源储存器(2)中包含的气体。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该源储存器(2)中包含的气体的加热使其温度增加了包括在10℃至60℃之间的确定量。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，仅当一方面该源储存器(2)中的气体与另一方面该罐(1)中的气体之间的压差低于所述确定的第一差值时，加热该源储存器(2)中包含的气体。
4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，该确定的第一差值包括在50巴与250巴之间。
5.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在将氢气从该源储存器(2)转移到该罐(1)期间，当在一方面该源储存器(2)中的气体与另一方面该罐(1)中的气体之间的压差高于确定的第二差值时，冷却在该源储存器(2)中包含的或从该源储存器(2)中取出的气体。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，该源储存器(2)中包含的气体的冷却将其温度降低了10℃至60℃。
7.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，该源储存器(2)中的气体在填充之前并且在加热之前具有包括在150与950巴之间的初始压力。
8.如权利要求2所述的方法，其特征在于，该源储存器(2)中包含的气体的加热使其温度增加了包括在20℃至40℃之间的确定量。
9.如权利要求4所述的方法，其特征在于，该确定的第一差值包括在100巴与200巴之间。
10.如权利要求6所述的方法，其特征在于，该源储存器(2)中包含的气体的冷却将其温度降低了20℃至40℃。
11.如权利要求7所述的方法，其特征在于，该源储存器(2)中的气体在填充之前并且在加热之前具有包括在250与850巴之间的初始压力。
12.一种用于填充加压气态氢罐(1)的装置，该装置包括：至少一个源储存器(2)，该源储存器包含在确定的第一温度下和在确定的压力下的加压气态氢；用于加热储存在该源储存器(2)中的气体的加热构件(6)；具有连接到该源储存器(2)的上游端和可以与待填充的该罐(1)可移除地联接的下游端的填充线路(3)；至少一个用于调节允许在该线路(3)中从该源储存器(2)流通到该罐(1)的气体的压力和/或流速的调节构件(5)；连接到该调节构件(5)、还连接到用于加热储存在该源储存器(2)中的气体的该加热构件(6)和该罐(1)中的压力的传感器(8)的电子数据采集、储存和处理构件(7)，该电子数据采集、储存和处理构件(7)被配置为控制该填充线路中的气体的流速和/或压力，其特征在于，该电子数据采集、储存和处理构件(7)被配置为在将氢气从该源储存器(2)转移到该罐(1)的至少部分期间，当一方面该源储存器(2)中的气体与另一方面该罐(1)中的气体之间的压差低于确定的第一差值时，命令将该源储存器(2)中包含的气体加热到高于该第一温度的确定的第二温度，该源储存器(2)中包含的气体经由该加热构件(6)进行加热。
13.如权利要求12所述的装置，其特征在于，该加热构件(6)包括与该源储存器(2)处于热交换关系的热交换器。
14.如权利要求13所述的装置，其特征在于，所述热交换器包括冷却剂线路。
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