CN107429878B - 用燃料气体填充罐的站和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用燃料气体填充罐(7)的站(1)和方法。所述站包括至少一个燃料气体源储存器(3)和气体转移系统(8)，该气体转移系统具有连接到该一个或多个源储存器(3)的第一上游端和与该罐(7)处于流体连通的第二下游端。该气体转移系统(8)包括至少一个控制阀(9，10)，其特征在于，该至少一个源储存器(3)包括刚性外壁和安排在由该刚性外壁限定的空间内的柔性密封壁(2)。该柔性壁(2)限定了用于燃料气体的储存空间。该系统(8)的第一上游端连接到由该柔性壁(2)限定的储存空间。该至少一个控制阀的特征还在于，位于该柔性壁(2)与该外壁之间的空间连接到用于将液体转移到该源储存器(3)中的系统(12，13)，以便在该源储存器(3)中填充或提取该液体，并且当在该密封壁(2)内填充和/或提取燃料气体时控制该储存器(3)中的压力。

Description

用燃料气体填充罐的站和方法
本发明涉及一种用加压气体填充罐的站和方法。
本发明更具体地涉及一种用加压燃料气体(特别是氢气)填充罐的站，该站包括至少一个燃料气体源储存器和气体转移回路，该气体转移回路具有连接到该一个或多个源储存器的上游第一端以及旨在与要填充的罐处于流体连通的下游第二端，该气体转移回路包括至少一个阀用于控制气体从该源储存器到该罐的转移。
本发明特别适用于填充加压氢气罐。
由燃料电池供电的车辆的氢气填充站必须使得能够在几分钟内(例如，对于在700巴的压力下的车载罐，3至5分钟)填充罐。要在此时间间隔内转移的气体的量(例如5至7kg)排除了从高压压缩机的直接填充，对具有高入口压力(例如大于100巴)的非常高的瞬时电力的压缩机的失败投资。因此，转移通常从处于较高压力并且整合到站的储存器通过进行与安装在该站的一个或多个固定储存器的连续平衡而进行(这被称为“级联”填充)。
已知的系统需要例如相对大尺寸和/或相对高数量的源储存器。
此外，该解决方案必需在站中安装高容量高压储存器，因为只有一部分内容物实际上通过此种平衡被转移到车辆的罐中(高剩余量)。此外，为了在最小化源储存器的数量的同时完全填充罐，必要的是以越来越高的压力进行多个连续平衡。这需要安装复杂的阀系统。
已知提供加压气罐，在其内部容纳有一定体积的液体，该液体随着罐被填充而减少。例如在文献EP2438346A1、JP2005273811A2和US2011048576A中描述的这种解决方案被设计成防止填充的罐加热到高于特定阈值。
本发明的目的是减轻以上总结的现有技术的缺点的一些或全部。
为此，根据本发明的、另外符合以上前序部分给出的其通用定义的站的本质特征在于，该至少一个源储存器包括刚性外壁和安排在由该刚性外壁限定的空间内的柔性密封壁，该柔性壁限定用于燃料气体的储存空间，该回路的上游第一端连接到由该柔性壁限定的储存空间，位于该柔性壁与该外壁之间的空间连接到用于将液体转移到该源储存器中的回路，以便在该源储存器中填充或提取该液体，并且以便当在该密封壁内填充和/或提取燃料气体时控制该储存器中的压力。
在填充站中使用此类气体储存器提供了许多优点。
这种结构使得有可能通过优化其使用水平来限制填充站中所需的源储存器的数量。甚至可以消除进行级联填充的必要性。
该系统使得能够通过柔性囊在氢气与压缩流体之间进行物理分离。它还使得能够在该站侧上等压填充，并且因此限制了站的一个或多个储存器的压力变化。如果必要的话，这可以增加其使用寿命。
气体的转移可以在源储存器中以恒定压力进行，并且因此转移的气体可以保持在恒定温度。这使得能够简化热交换器的设计(如果有的话)，用于冷却回路中更远下游的气体。
此外，本发明的实施例可以包括以下特征中的一个或多个：
-液体转移回路包括液体容器和适配为用于将液体从液体罐转移到源储存器的泵，
-液体转移回路包括出口管道，该出口管道包括一个或多个阀的系统并且一方面连接到源储存器并且另一方面连接到液体容器以将液体、并且在适用时气体从储存器排放到该液体容器，
-出口管道包括至少一个阀并且特别是压力调节器，其配置成用于形成用于维持液体容器与源储存器之间的特定压力差的排气系统，
密封壁在源储存器中限定了用于燃料气体的在0.08与0.6m3之间(包括端点)，并且优选在0.08m3与0.30m3之间(包括端点)(特别是在75升与300升之间(包括端点))的储存空间，
-由该液体转移回路转移的液体是以下项中的至少一项：水、其中加入防冻剂化合物的水、油(特别是矿物油或硅酮油)，
-气体转移回路包括用于将任何污染物(特别是源自包含在源储存器(3)中的液体的化学物种)从转移到罐中的气体中净化掉的吸附剂或分离器，
-该站包括连接到气体转移回路并且特别地连接到源储存器的压缩机或相应地与蒸发器关联的泵，以便使得能够使用来自连接到所述压缩机的燃料气体源、相应地液化燃料气体源的气体填充该源储存器，
-该站包括多个燃料气体源储存器，这些燃料气体源储存器经由相应阀的系统并联连接到该气体转移回路的上游第一端，这些源储存器各自包括刚性外壁和安排在由该刚性外壁限定的空间内的柔性密封壁，每个储存器的密封壁限定连接到该气体转移回路的第一端的燃料气体储存空间，位于每个源储存器的该柔性壁与该外壁之间的空间连接到用于将液体转移到源储存器内的回路以在这些储存器中填充或提取液体，并且当在这些储存器的密封壁内填充和/或提取气体时控制这些储存器中的压力，
-该站包括液体容器和连接到液体转移回路的泵，以使得能够以特定流量将液体从液体容器(6)转移到储存器，
-气体转移回路包括用于选择性地冷却转移到罐的气体的热交换器，
-压缩机连接到气体转移回路并且特别地连接到所述回路的第二端，而不穿过该至少一个源储存器以使得能够直接填充罐，
-该至少一个源储存器竖直地布置，并且包括在底部的孔口，该在底部的孔口将气体转移回路的第一端连接到由柔性包层限定的空间，以及在顶部的孔口，该在顶部的孔口将位于柔性壁与外壁之间的体积连接到液体转移回路，
-液体容器包括用于高于特定阈值的压力的排气口。
本发明还涉及一种通过填充站用加压燃料气体、特别是氢气填充罐的方法，该填充站包括至少一个燃料气体源储存器和气体转移回路，该气体转移回路具有连接到该源储存器的上游第一端以及与要填充的罐处于流体连通的第二端，该气体转移回路包括至少一个阀用于控制气体从该源储存器到该罐的转移，该至少一个源储存器包括刚性外壁和安排在由该刚性外壁限定的空间的内部的柔性密封壁，该密封壁限定用于燃料气体的储存空间，该回路的上游第一端连接到由该柔性壁限定的储存空间，位于该柔性壁与该外壁之间的空间连接到用于在源储存器中转移液体的回路以在该储存器中填充或提取液体，该方法包括以下步骤：当通过在该至少一个源储存器中同时注入或移除液体来在该密封壁内填充和/或提取燃料气体时，监测该储存器中的压力。
根据其他可能的特征：
-该方法包括将气体从该至少一个源储存器转移到罐的步骤，并且与此气体转移同时，将液体注入到该至少一个源储存器中以限制或防止所述源储存器中的压降，
-该方法包括通过从加压燃料气体源转移气体来填充该至少一个源储存器的步骤，并且与此气体转移同时，在该至少一个源储存器中提取液体以限制或防止所述源储存器的压力上升，
-该至少一个源储存器包含在200与1000巴之间(包括端点)并且优选地在300与900巴之间(包括端点)的压力下的燃料气体。
本发明还可以涉及包括以上或以下所述特征的任何组合的任何替代装置或方法。
在阅读以下参考附图给出的说明时，其他特征和优点将变得明显，在这些附图中：
-图1是示出本发明的第一实施例的结构和操作的填充站的图解局部视图，
-图2是与图1的视图类似的视图，示出了本发明的第二实施例。
图1所示的填充站1的实例通常包括燃料气体(例如氢气)的源储存器3和气体转移回路8。气体转移回路8具有连接到源储存器3的上游第一端和旨在与要被填充的罐7处于流体连通(例如经由在软管末端的快速连接系统)的下游第二端。
气体转移回路8包括至少一个阀9、10用于控制气体从源储存器3到罐7的转移。例如，该回路可以包括在源储存器3与下游端之间的第一阀9(例如可控阀)、压力调节器20、然后第二阀。
根据一个有利的特征，源储存器3包括刚性的(例如复合的)外壁和柔性密封壁2，该柔性密封壁安排在由该刚性外壁限定的空间的内部。
因此，柔性壁2形成柔性囊，其限定用于燃料气体的密封的储存空间。
回路8的上游第一端连接到由柔性壁2限定的储存空间。位于柔性壁2与外壁之间的空间连接到回路12、13用于在源储存器3中转移液体，以便在源储存器3中填充或提取该液体，并且从而当在密封壁2内部填充和/或提取燃料气体时控制储存器3中的压力。
在这不如此限制本发明的情况下，源储存结构3可以符合文献EP2438346A1中描述的结构。特别地，柔性密封壁2可以仅在源储存器3的颈部或孔口的水平处连接到该刚性壁。同样地，该柔性密封壁2可以永久地安装在刚性壁中或可移除，特别是用于检查并且如果需要使其更换成为可能。例如，源储存器3的刚性壁由复合材料制成。换句话说，该源储存器可以是具有位于储存器的柔性壁2(囊)与刚性壁之间的中间衬垫的IV型罐。
当然，可以设想任何其他适当的结构。同样地，柔性壁可以由任何其他等效的使得能够将气体与液体分离的可移动或可变形的分隔系统代替。
以这种方式，可以通过将不可压缩流体注入到限制气体的柔性壁2与刚性壁之间的空间中以等压方式填充车辆罐7。
液体是例如水(在适用时向其中加入防冻剂)、油(矿物、硅酮或其他油)或任何其他适当的液体或流体。
源储存器3的必需体积优选为等于要填充的罐7的体积的数量级。站1的源储存器3有利地具有稍大于罐7的体积的体积，以便防止在填充结束时在转移气体期间囊(柔性壁2)的过度压破。
可以通过控制引入源储存器3的液体的流量来完全控制转移的气体流量。这可以使得有可能省去填充流量控制阀。
如图1所示，液体转移回路12、13可以包括液体容器6和泵11，该泵被适配为用于在必要时使得能够将液体从液体罐6转移到源储存器3(特别是以特定流量)。
如所示，液体转移回路12、13可以包括第一管道13，该第一管道包括用于将液体从液体容器6转移到储存器3的泵11(以及优选地阀23)；和出口第二管道12，以使得能够将液体以及在适用时气体从储存器3转移到液体容器6。出口管道12可以包括阀14、15的系统，例如与压力调节器或压力释放阀串联的第一阀14。
这形成用于保持液体容器6与源储存器3之间的特定压力差的排气系统。特别地，容器6可以处于环境大气压力下。
因此，在氢燃料气体的情况下，已经迁移通过囊2并溶解在液体中的渗透氢可以被收集在源储存器3中并且经由排气口21以受控和集中的方式排气。如果需要，此气体可以被回收，可能被干燥和脱油，并且被再压缩和重新使用，例如重新注入到源储存器3中。
如一条或多条虚线24图解地所示，回收的气体可以在压缩机18的入口处再循环(使用)。这提高了效率并减少了损失。
站1可以包括压缩机18和/或相应地与蒸发器相关联的泵用于填充源储存器3。
该压缩机18(或与进料有液化气体的蒸发器一起的泵)可以连接到气体转移回路8(例如经由阀22，参见图2)，并且特别连接到源储存器3以使得能够用加压气体填充源储存器3。
为了用燃料气体填充由柔性壁2限定的空间，由源170供应的氢气可以被压缩/蒸发到特定的压力，例如大于900巴的压力。
该压力可以通过出口管道12上的压力调节器15和/或经由该管道12上的另一个阀14来控制。
当填充储存器3时，其中容纳的不可压缩液体然后被排到液体容器6中。
该出口管道上的压力调节器15可以被设定为大于转移回路8上的下游压力调节器20的压力的压力。
当源储存器3充满或含有足够的燃料气体时，可以填充罐7。
在这样的填充期间，出口管道12上的阀14关闭，而包括泵11的管道13上的阀23是打开的。然后可以启动泵11。
然后将柔性壁2的气体排空，并且将该气体经由转移回路8(下游阀9和10打开)转移到罐7中。
压力调节器20可以提供在转移回路8中，以将柔性壁2内部的压力保持恒定在比调节器15设定的压力稍大的值(例如小于900巴)。
如所示，转移回路8(连接到要填充的罐7的管道)可以包括用于冷却气体的热交换器17并且因此至少部分地补偿与罐7中的绝热压缩相关联的温度升高。这可以有助于使得能够在小于5分钟内填充。
此外，并且如图1所示，可以在转移回路8中提供(吸附剂或其他)罐或分离器16，以在气体进入罐7之前消除该气体中的任何污染物。
图2示出了变体实施例，其与图1的实施例的区别仅在于站1包括多个(三个)源储存器3。源储存器3一方面并联连接到气体转移回路8的第一端(经由相应的阀9)，并且另一方面连接到液体转移回路12、13(经由相应的阀14、19)。
源储存器3可以被连续填充，并且可以连续地用于连续填充(特别是级联)。当要填充的罐7具有大于源储存器3的体积时，可以特别地提供或使用该多个源储存器3。
此外，为了优化填充能量，源储存器3可以用不同压力(例如200、500和900巴)的气体填充。在这种情况下，压力调节器15和20优选为受控压力(可调压力值)型。因此，当从第一源储存器3进行填充和提取时，可以将控制压力(调节器20和15)设定在低的第一值(例如约200巴)，然后将第二源储存器3设定在中间的第二压力(例如500巴)，并且最后将第三源储存器3设定为高第三压力(例如900巴)。
出于实际的原因，泵11可以被用于或专用于从特定源储存器3提取。例如，在这种情况下，可以将泵11设计成用于第一特定工作压力(例如，200巴用于从第一源储存器提取)，另一个泵可以被提供用于第二源储存器3的第二工作压力(例如500巴)，第三泵用于第三源储存器3的第三压力(例如900巴)。
如所示，该一个或多个源储存器3优选地竖直定向和放置(气体界面在底部并且液体界面在顶部)。这种安排使得能够在液压回路12、13中收集扩散通过柔性壁2的氢气，以便在容器6中将其排气。
下表给出了在左侧列中的现有技术解决方案(级联使用的多个常规缓冲储存器)与右侧列中的根据本发明的解决方案(根据本发明的一个缓冲储存器)之间的对比实例。
这四行显示了为了填充罐(以700巴填充)，站必须能够达到的氢消耗量的四个相应的实例(以kg/天和连续填充的数量计)。
第二列显示与上述限制一起使用的源储存器3的数量、体积(以升(l)计)和压力(以巴计)。第三列表示在这种情况下在缓冲储存器3中储存的气体量(以Nm3计)。
第四和第五列对应于根据本发明的解决方案的第二和第三列。
最后，最后一列显示了与标准解决方案相比，根据本发明储存在源储存器3中的气体量的(百分比)差值。
因此，容易看出，与标准解决方案相比，本发明使得有可能将储存在站中的气体的量减少约50％。这给予成本和安全性方面的优势。
例如，对于进行三次连续填充(每天填充100kg氢气)的站，代替动用两个800升的源储存器和1060Nm3氢气，本发明可以用具有较少量的储存气体(450m3)的单个较小的缓冲储存器(500l)满足此需求。
此外，本发明使得有可能减小必需的第二压缩级的尺寸，因为当通过常规压力平衡进行时，该第二级通常还用于加满待填充的罐。
这可以产生每个站的实质的节省(例如，不仅仅补偿泵11的附加成本)。
当然，本发明可以应用于填充除氢气之外的气体，例如天然气、甲烷或其他气体(并且处于不同的压力)。
下表比较了在填充氢气罐的情况下的源储存器的大小和数量：
Figure BDA0001428004730000081
因此，虽然简单且成本相对低，但是本发明提供了许多优势。其使得有可能在站1处使用较少源储存器3，该站具有的水体积小于标准站的水体积。
此外，该站的源储存器3可以以等压的方式填充和提取。这减少了其机械疲劳的循环。
此外，扩散气体流可以在特定位置进行收集。
可以通过泵11的速度来控制填充罐1的流量。
此外，从源储存器3提取的气体保持在恒定或准恒定的温度。这简化了下游冷却热交换器17的尺寸的确定。

Claims (12)

1.一种用于用加压燃料气体填充罐(7)的站(1)，该站包括用于储存燃料气体的至少一个源储存器(3)和气体转移回路(8)，该气体转移回路具有连接到该至少一个源储存器(3)的上游第一端和旨在与要填充的该罐(7)处于流体连通的下游第二端，该气体转移回路(8)包括至少一个阀(9，10)用于控制气体从该源储存器(3)到该罐的转移，该至少一个源储存器(3)包括刚性外壁和安排在由该刚性外壁限定的空间内的柔性密封壁(2)，该柔性密封壁(2)限定用于该燃料气体的储存空间，该气体转移回路(8)的上游第一端连接到由该柔性密封壁(2)限定的储存空间，位于该柔性密封壁(2)与该刚性外壁之间的空间连接到用于将液体转移到该源储存器(3)的液体转移回路(12，13)，以便在该源储存器(3)中填充或提取液体，并且以便当在该柔性密封壁(2)内填充和/或提取燃料气体时控制该源储存器(3)中的压力，其特征在于，该气体转移回路(8)包括用于将任何污染物从转移到该罐(7)中的气体中净化掉的吸附剂(16)或分离器，该站包括连接到该气体转移回路(8)的压缩机(18)或相应地与蒸发器关联的泵，以便使得能够用来自连接到所述压缩机(18)的燃料气体源(170)、相应地液化燃料气体源的气体填充该源储存器(3)，并且已经迁移穿过该柔性密封壁到该液体中的渗透气体被收集后至少部分地在该压缩机(18)的入口处注入。
2.如权利要求1所述的站，其特征在于，该液体转移回路(12，13)包括液体容器(6)和泵(11)，该泵被适配为用于将液体从该液体容器(6)转移到该源储存器(3)。
3.如权利要求2所述的站，其特征在于，该液体转移回路(12，13)包括出口管道(12)，该出口管道(12)包括阀(14，15)的系统并且一方面连接到该源储存器(3)并且另一方面连接到该液体容器(6)以便将液体、并且在适用时气体从该源储存器(3)排放到该液体容器(6)。
4.如权利要求3所述的站，其特征在于，该出口管道(12)包括至少一个阀(14，15)以及压力调节器(15)，形成用于维持在该液体容器(6)与该源储存器(3)之间的特定压力差的排气系统。
5.如权利要求3或4所述的站，其特征在于，该液体转移回路(12，13)包括设置有泵(11)的第一管道(13)和由该出口管道(12)组成的第二管道，该泵用于将该液体从该液体容器(6)转移到该源储存器(3)。
6.如权利要求3或4所述的站，其特征在于，该出口管道(12)包括与压力调节器或压力释放阀串联的第一阀(14)。
7.如权利要求1至4中任一项所述的站，其特征在于，该柔性密封壁(2)在该源储存器(3)中限定用于燃料气体的储存空间，该储存空间在包括端点的0.08与0.6m3之间。
8.如权利要求1至4中任一项所述的站，其特征在于，由该液体转移回路(12，13)转移的液体是以下项中的至少一项：水、其中加入防冻剂化合物的水、油。
9.如权利要求1至4中任一项所述的站，其特征在于，该站包括多个燃料气体源储存器(3)，这些燃料气体源储存器经由相应阀(9)的系统并联连接到该气体转移回路(8)的上游第一端，这些源储存器(3)各自包括刚性外壁和安排在由该刚性外壁限定的空间内的柔性密封壁(2)，每个源储存器(3)的柔性密封壁(2)限定连接到该气体转移回路(8)的第一端的燃料气体储存空间，位于每个源储存器(3)的该柔性密封壁(2)与该刚性外壁之间的空间连接到用于将液体转移到该源储存器(3)内的液体转移回路(12，13)以在这些源储存器(3)中填充或提取液体，并且当在这些源储存器(3)的柔性密封壁(2)内填充和/或提取气体时控制这些源储存器(3)中的压力。
10.一种通过填充站用加压燃料气体填充罐(7)的方法，该填充站包括用于储存燃料气体的至少一个源储存器(3)和气体转移回路(8)，该气体转移回路具有连接到该源储存器(3)的上游第一端和与要填充的罐(7)处于流体连通的第二端，该气体转移回路(8)包括至少一个阀(9，10)用于控制气体从该源储存器(3)到该罐(7)的转移，该至少一个源储存器(3)包括刚性外壁和安排在由该刚性外壁限定的空间内的柔性密封壁(2)，该柔性密封壁(2)限定用于燃料气体的储存空间，该气体转移回路(8)的上游第一端连接到由该柔性密封壁(2)限定的储存空间，位于该柔性密封壁(2)与该刚性外壁之间的空间连接到用于在该源储存器(3)中转移液体的液体转移回路(12，13)以在该源储存器(3)中填充或提取液体，该方法包括以下步骤：当通过在该至少一个源储存器(3)中同时注入或移除液体来在该柔性密封壁(2)内填充和/或提取燃料气体时，监测该源储存器(3)中的压力，其中该气体转移回路(8)包括用于将任何污染物从转移到该罐(7)的气体中净化掉的吸附剂(16)或分离器，并且其特征在于，该至少一个源储存器(3)包含在包括端点的200与1000巴之间的压力下的燃料气体，该方法包括收集已经迁移穿过该柔性密封壁到该液体中的渗透气体的步骤，该站包括压缩机(18)，并且收集的该渗透气体至少部分地在该压缩机(18)的入口处注入。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，该方法包括将气体从该至少一个源储存器(3)转移到该罐(7)的步骤，并且其特征在于，与此气体转移同时，将液体注入该至少一个源储存器(3)以限制或防止所述源储存器(3)中的压降。
12.如权利要求10或11所述的方法，其特征在于，该方法包括通过从加压燃料气体源(170)转移气体来填充该至少一个源储存器(3)的步骤，并且其特征在于，与此气体转移同时，在该至少一个源储存器(3)中提取液体以限制或防止所述源储存器(3)中的压力上升。
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