CN114109759A - 一种用于大规模制氢储氢的快速离子液体压缩机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于大规模制氢储氢的快速离子液体压缩机，涉及压缩机技术领域，解决容积式压缩机无法大规模快速压缩氢气和现有离子液体压缩机输出氢气夹带离子液体的技术问题，本发明包括原料氢气储罐、长管拖车氢气储罐,原料氢气储罐和长管拖车氢气储罐之间有第一气缸至第四气缸，原料氢气储罐连接原料输送风机，原料输送风机连接第一气缸至第四气缸，原料输送风机由单向进气阀连接第一气缸至第四气缸，第一气缸至第四气缸通过单向排气阀连接长管拖车氢气储罐，第一气缸与第二气缸通过第一四通换向阀、第三四通换向阀和第二四通换向阀或通过第一四通换向阀、第四四通换向阀和第二四通换向阀连接第三气缸与第四气缸；本发明具有高压比、大流量快速压缩氢气，提高压缩效率和输出氢气纯净的优点。

Description

一种用于大规模制氢储氢的快速离子液体压缩机

技术领域

本发明涉及压缩机技术领域，特别是涉及一种用于大规模制氢储氢的快速离子液体压缩机，用于以离子液体为液体活塞压缩氢气用的容积式压缩机。

背景技术

目前国内加氢站主要采用的工艺流程是基于高压气态氢的储运方式，主要以站外长管拖车供氢为主。长管拖车将20MPa的压缩氢气从氢气生产单位运送进固定站，通过加氢站内压缩机将氢气卸载至站内高压储氢罐，车辆加氢时，长管拖车或储氢罐中输出的氢气，通过加氢机充装到燃料电池汽车的车载储氢瓶中。目前国际上应用比较广泛的车载储氢瓶压力等级主要有35MPa和70MPa两种，35MPa氢燃料电池车的加氢站站内最高固定储氢压力一般为45MPa，70MPa氢燃料电池车的加氢站站内最高固定储氢压力一般为90MPa。

利用太阳能发电电解水生产氢气是目前主流的制氢工艺，产品压力通常在1～1.5MPa，需要压缩至20MPa以上才能充注到长管拖车的储气罐内运输出去。大规模制氢、储氢、输氢，原料气出气量很大，通常在数千标准立方米每小时以上，需要采用大流量快速氢气压缩机将其即时压缩至高压储存或运输。

目前，氢气压缩主要采用隔膜式压缩机、活塞压缩机或离子液体压缩机，都属于容积式的压缩机。其中，离子液体压缩机是林德公司(Linde)技术人员与戴姆勒克莱斯勒公司(Daimler Chrysler AG)合作开发的一种使用离子液体作为液体活塞的气体压缩设备。离子液体本身几乎不可压缩，并且几乎没有蒸气压，替代金属活塞可以在等温条件下产生高压，同时兼顾润滑和密封，能长期服役无需维护，节省20％能耗，且结构比较简单，因而被认为在加氢站用压缩机市场上占统治性地位。国内外也有一些改进型的离子液体压缩机，例如：发明专利CN202010156648.3提出一种相位差实时可调型三级增压零余隙式离子液体压缩机，发明专利CN202010156625.2提出一种摆动换向两级增压零余隙式离子液体压缩机。

但是，现有离子液体压缩机在压缩氢气的时候，存在以下几个问题：

(1)流量太小，达不到千立方米每小时的速率，不能满足快速压缩的需要；

(2)输出氢气会夹带离子液体，实际应用时经常造成进气阀和排气阀故障，并且需要在末级设置气液分离器回收离子液体；

(3)压缩通常分成很多级，各级之间配合工作容易偏离设计工况，影响效率。

隔膜式压缩机也存在流量太小的问题，活塞压缩在大流量、高压比的情况下，使用寿命大幅度下降，大约只有1000小时左右的工作寿命，也不能满足上述场景的应用需求。

氢气分子量小、密度小，采用速度型的离心式压缩机进行压缩很难达到较大的压比，利用大幅度的容积变化压缩氢气是相对较好的技术途径，利用液体活塞的往复流动造成大幅度的容积变化是相对较好的技术路线，利用离心泵驱动离子液体实现液体活塞快速的往复流动是相对可行的技术方案。

发明内容

为此，本发明提出了一种采用离子液体压缩氢气的新方法，采用离心泵和活塞泵组合输送离子液体，利用了离心泵流量大但压比小、活塞泵压比大但流量小的特点，与气缸内气体容积、压力变化规律相匹配，实现高压比、大流量快速压缩氢气。

本发明的目的在于：为了解决容积式压缩机无法大规模快速压缩氢气和现有离子液体压缩机输出氢气夹带离子液体的技术问题，本发明提供一种用于大规模制氢储氢的快速离子液体压缩机。

本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：

一种用于大规模制氢储氢的快速离子液体压缩机，包括原料氢气储罐、长管拖车氢气储罐,所述原料氢气储罐和长管拖车氢气储罐之间具有第一气缸、第二气缸、第三气缸和第四气缸，原料氢气储罐连接有原料输送风机，所述原料输送风机再连接所述第一气缸至所述第四气缸，原料输送风机通过单向进气阀连接到第一气缸至第四气缸，第一气缸至第四气缸通过单向排气阀连接到长管拖车氢气储罐，第一气缸与第二气缸通过第一四通换向阀、第三四通换向阀和第二四通换向阀或通过第一四通换向阀、第四四通换向阀和第二四通换向阀连接第三气缸与第四气缸。

进一步的，所述第一四通换向阀具有四个接口，所述第二四通换向阀具有四个接口，所述第三四通换向阀具有四个接口，所述第四四通换向阀具有四个接口，所述第一气缸连接所述接口a1,接口c1连着接口a3，接口c3连着活塞泵的进口，所述活塞泵的出口连着接口d3，接口b3连着接口d2，接口与所述第四气缸连通。

进一步的，所述第一四通换向阀具有四个接口，所述第二四通换向阀具有四个接口，所述第三四通换向阀具有四个接口，所述第四四通换向阀具有四个接口，所述第二气缸与接口b1连通，接口d1连着接口a4，接口c4连着离心泵9的进口，所述离心泵9的出口连着接口d4，接口b4连着接口c2，接口a2与所述第三气缸连通。

进一步的，所述第一气缸至所述第四气缸的一端安装有压力变送器。

进一步的，所述第一气缸至所述第四气缸的安装有压力变送器的一端连接有膜分离组件，所述膜分离组件连接所述单向进气阀和单向排气阀。

进一步的，所述第一气缸至所述第四气缸内的上半部偏上位置设置有水冷器。

进一步的，所述水冷器的上端连通有冷却水进口调节阀，水冷器的下端连通有冷却水出口闸阀。

进一步的，所述第一气缸至所述第四气缸内的下半部具有液位计，所述液位计具有两个电极插入到第一气缸至第四气缸内，第一气缸至第四气内具有报警液面，其中一个所述电极高于所述报警液面,另一个电极低于报警液面。

本发明的有益效果如下：

1.本发明将原料氢气储罐中的低压氢气(约1.5MPa)通过原料输送风机提供相对稳定的压力压缩至高压(约20MPa)，充注到长管拖车氢气储罐中运输出去；

2.本发明采用离心泵和活塞泵驱动离子液体在第一气缸至第四气缸之间流动，当离子液体流入气缸，气缸内原来被氢气占据的空间被离子液体占据，氢气就被压缩，直至到高压排气，当离子液体流出气缸，就会给氢气让出更多的空间，气体就会被拉伸导致膨胀，压力降低从而吸入新的氢气，直至氢气几乎充满气缸；

3.本发明所述子液体是在一组两个气缸之间往复流动，通过四个四通换向阀配合离心泵和活塞泵实现流动方向的切换，离心泵和活塞泵进出口和输送方向始终保持不变；

4.本发明所述液位计根据离子液体导电的原理探测离子液体液位，当离子液体液位低于报警液面的时候，液位计的两个电极一个在液面下，一个在液面上，因为没有离子液体连通而断路，电路上的报警器就会向控制系统发出信号，从而控制四通换向阀切换方向；

5.本发明所述液位计故障未及时发出控制信号，压力变送器探测到四个气缸顶部气体压力绝对值及增幅都过大，也会发出保护性报警信号，强制四通换向阀切换方向，避免离子液体完全充满气缸。

6、本发明所述排气单向阀预设了排气压力，只有气缸内的气体压力大于预设压力，它才会被顶开，从而使高压气体从气缸排入长管拖车氢气储罐；进气单向阀只有当气缸内的压力小于原料输送风机的出口压力才会打开，让气缸吸气，此时对应的是离子液体流出气缸。

7、本发明所述离子液体通过水冷器时，冷却水可以根据需要减小流量或停止流动，水流量由冷却水进口调节阀调节，如果停止供水可关闭冷却水出口闸阀。

8、本发明所述为了避免离子液体小液滴随着氢气流出气缸，在排气阀前设置有膜分离组件，这种膜只允许氢气这样的小分子通过，而不允许离子液体这样的大分子通过，从而有效拦截离子液体液滴，在吸气时，氢气从膜外侧对膜进行反冲洗，基本能够将附着在膜内侧的离子液体冲下来回到气缸。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

附图标记：1、第一气缸；2、第二气缸；3、第三气缸；4、第四气缸；5、原料氢气储罐；6、原料输送风机；7、长管拖车氢气储罐；8、离子液体；9、离心泵；10、活塞泵；11、第一四通换向阀；12、第二四通换向阀；13、第三四通换向阀；14、第四四通换向阀；15、液位计；16、报警液面；17、压力变送器；18、单向进气阀；19、单向排气阀；20、水冷器；21、进口调节阀；22、出口闸阀；23、膜分离组件；a₁、a₂……d₃、d₄接口。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，一种用于大规模制氢储氢的快速离子液体压缩机，包括第一气缸1、第二气缸2、第三气缸3、第四气缸4、原料氢气储罐5、原料输送风机6、长管拖车氢气储罐7,所述原料氢气储罐5和长管拖车氢气储罐7之间具有第一气缸1、第二气缸2、第三气缸3和第四气缸4，原料氢气储罐5连接有原料输送风机6，所述原料输送风机6再连接所述第一气缸1至所述第四气缸4，原料输送风机6通过单向进气阀18连接到第一气缸1至第四气缸4，第一气缸1至第四气缸4通过单向排气阀19连接到长管拖车氢气储罐7，第一气缸1与第二气缸2通过第一四通换向阀11、第三四通换向阀13和第二四通换向阀12或通过第一四通换向阀11、第四四通换向阀14和第二四通换向阀12连接第三气缸3与第四气缸4。

下面将具体说明连接结构，所述第一四通换向阀11具有四个接口a1、b1、c1、d1，所述第二四通换向阀12具有四个接口a2、b2、c2、d2，所述第三四通换向阀13具有四个接口a3、b3、c3、d3，所述第四四通换向阀14具有四个接口a4、b4、c4、d4，一种连通方式为，所述第一气缸1连接所述接口a1,接口c1连着接口a3，接口c3连着活塞泵10的进口，所述活塞泵10的出口连着接口d3，接口b3连着接口d2，接口b2与所述第四气缸4连通。

另一种连通方式为，所述第二气缸2与接口b1连通，接口d1连着接口a4，接口c4连着离心泵9的进口，所述离心泵9的出口连着接口d4，接口b4连着接口c2，接口a2与所述第三气缸3连通。

所述第一气缸1至所述第四气缸4的一端安装有压力变送器17，所述第一气缸1至所述第四气缸4的安装有压力变送器17的一端连接有膜分离组件23，所述膜分离组件23连接所述单向进气阀18和单向排气阀19。

所述第一气缸1至所述第四气缸4内的上半部偏上位置设置有水冷器20，所述水冷器20的上端连通有冷却水进口调节阀21，水冷器20的下端连通有冷却水出口闸阀22。

所述第一气缸1至所述第四气缸4内的下半部具有液位计15，所述液位计15具有两个电极插入到第一气缸1至第四气缸4内，第一气缸1至第四气缸4内具有报警液面16，其中一个所述电极高于所述报警液面16,另一个电极低于报警液面16。

实施例2

本发明所述压缩机包括四个气缸分别为第一气缸1、第二气缸2、第三气缸3、第四气缸4，工作时分成两组，用来将原料氢气储罐5中的低压氢气(通过原料输送风机6提供相对稳定的压力，例如1.5MPa)，压缩至高压(例如20MPa)，充注到长管拖车氢气储罐7中运输出去。压缩工作原理与往复式活塞压缩机基本相同，只是用离子液体8作为液体活塞代替固体活塞，离子液体具有特殊物性、由阴阳离子构成、在常温至数百摄氏度宽广范围内呈现液态、对水和空气稳定、几乎没有蒸气压的有机物，因为在活塞、离心叶轮高速运动时不产生气蚀效应，所以适合作为液体活塞。采用离心泵9和活塞泵10驱动离子液体在第一气缸1、第二气缸2、第三气缸3、第四气缸4之间流动，当离子液体流入气缸，气缸内原来被氢气占据的空间被离子液体占据，氢气就被压缩，直至到高压排气；当离子液体流出气缸，就会给氢气让出更多的空间，气体就会被拉伸导致膨胀，压力降低从而吸入新的氢气，直至氢气几乎充满气缸。离子液体8是在一组两个气缸之间往复流动，通过四个四通换向阀即第一四通换向阀、第二四通换向阀12、第三四通换向阀13、第四四通换向阀14配合离心泵9和活塞泵10实现流动方向的切换，离心泵9和活塞泵10的进出口和输送方向始终保持不变。液位计15根据离子液体导电的原理探测离子液体液位，当离子液体液位低于报警液面16的时候，液位计的两个电极一个在液面下，一个在液面上，因为没有离子液体连通而断路，电路上的报警器就会向控制系统发出信号，从而控制泵前的第三四通换向阀13或第四四通换向阀14切换方向，并控制第一四通换向阀11、第二四通换向阀12切换方向。如果液位计15故障未及时发出控制信号，压力变送器17探测到每个气缸顶部气体压力绝对值及增幅都过大，也会发出保护性报警信号，强制泵前的第三四通换向阀13或第四四通换向阀14切换方向，并控制第一四通换向阀11、第二四通换向阀12切换方向，避免离子液体8完全充满气缸。进气单向阀18，只有当气缸内的压力小于原料输送风机6的出口压力才会打开，让气缸吸气，此时对应的是离子液体8流出气缸。排气单向阀19预设了排气压力，只有气缸内的气体压力大于预设压力，它才会被顶开，从而使高压气体从气缸排入长管拖车氢气储罐7中。进气单向阀18、排气单向阀19都不允许气体反向流动。气体压缩有等熵压缩和等温压缩两种方式，等温压缩效率比等熵压缩要高，为此，本发明在四个气缸的上半部偏上位置设置了水冷器20，可以是管壳式换热器，高压氢气在管侧流过，冷却水在水冷器20的壳内流动。气缸是竖直放置的，氢气密度小，自然分布在气缸的上部分，离子液体8密度大，自然分布在气缸的底部。当离子液体通过水冷器20时，冷却水可以根据需要减小流量或停止流动，水流量由冷却水进口调节阀21调节，如果停止供水可关闭冷却水出口闸阀22。为了避免离子液体小液滴随着氢气流出气缸，在排气阀前设置有膜分离组件23，可以是耐高压的中空纤维膜，这种膜只允许氢气这样的小分子通过，而不允许离子液体这样的大分子通过，从而有效拦截离子液体8的液滴。在吸气时，氢气从膜分离组件23外侧对膜进行反冲洗，基本能够将附着在膜内侧的离子液体冲下来回到气缸，从而保持膜分离组件23的使用寿命和免维护。

实施例3

本发明所述快速充装氢气的离子液体压缩机的具体的工作流程是：

如图1所示，第一气缸1正处于吸气阶段，已有大部分离子液体8排出，还有少部分离子液体8需要进一步排出，随着离子液体8排出，氢气不断从原料氢气储罐5和原料输送风机6补充到第一气缸1；第四气缸4正处于压缩阶段，离子液体8占据了大部分空间，气体的容积已经比较小了，气体的压力也比压缩刚开始时翻了几倍；第一气缸1与第一四通换向阀11的a1接口连通，a1接口与c1接口连通，c1接口连着第三四通换向阀13的a3接口，a3接口与c3接口连通，c3接口连着活塞泵10的进口，活塞泵10的出口连着第三四通换向阀13的d3接口，d3接口与b3接口连通，b3接口连着第二四通换向阀12的d2接口，d2接口与b2接口连通，b2接口与第四气缸4连通。可以看出，此时活塞泵10正在将第一气缸1内的离子液体8注入到第四气缸4，注入离子液体的量只要达到第四气缸4内剩余气体空间的一半，压力就会翻一倍，越往后需要的离子液体流量越小，但是需要活塞泵10提供的压比越大，这与活塞泵小流量、高压比的工作特性恰恰相符。

第二气缸2处于刚刚完成排气，准备转向吸气的状态，气缸内几乎被离子液体充满了；第三气缸3处于刚刚完成吸气，准备转向压缩的状态，离子液体8液面已经低于报警液面16，液位计15已向控制系统发出换向信号，此时第三气缸3内气体压力最低；第二气缸2与第一四通换向阀11的b1接口连通，b1接口与d1接口连通，d1接口连着第四四通换向阀14的a4接口，a4接口与c4接口连通，c4接口连着离心泵9的进口，离心泵9的出口连着第四四通换向阀14的d4接口，d4接口与b4接口连通，b4接口连着第二四通换向阀12的c2接口，c2接口与a2接口连通，a2接口与气缸3连通。可以看出，此时离心泵9正在将第二气缸2内的离子液体8注入到第三气缸3，注入离子液体的量即使达到第三气缸3整个空间的一半，压力也只是提高一倍，最开始需要的离子液体流量很大，但是需要离心泵9提供的压比很小，但是随着气液比例的变化，压比越来越大，流量越来越小，这与离心泵大流量、低压比的工作特性也恰恰相符。

通过上述描述，可以看到，离心泵9适合用于由吸气转向压缩的前半段，活塞泵10适合用于气体压缩转向排气的后半段。当第一气缸1内的离子液体液位低于报警液面16时，第四气缸4内应该几乎充满了离子液体8并已经将高压氢气排出，第二气缸2内大部分离子液体已经排出，第三气缸3大部分空间被离子液体占据，气体已经被初步压缩3～4倍。此时第四四通换向阀14的a4接口连通d4接口，b4接口连通c4接口，同时，第一四通换向阀11的a1接口连通d1接口，b1接口连通c1接口，第二四通换向阀12的a2接口连通d2接口，b2接口连通c2接口。离子液体8通过第四气缸4→b2→c2→b4→c4→离心泵9→d4→a4→d1→a1→第一气缸1，由第四气缸4向第一气缸1流动；离子液体8通过第二气缸2→b1→c1→a3→c3→活塞泵10→d3→b3→d2→a2→第三气缸3，继续由第二气缸2向第三气缸3流动。可以看出，第一四通换向阀11、第二四通换向阀12都是同时切换方向，并且只要有任何一个气缸液位低于报警液面16就切换方向。第三四通换向阀13、第四四通换向阀14是交替切换方向的，一个切换方向时，另一个保持不变，具体哪个先切换，需要根据实际运行情况设定。

离心泵、活塞泵始终运行，切换时间需要同步，但可以避免频繁启停和工况剧烈变化，有利于提高效率和延长设备寿命。因为有离心泵承担至少一半以上的压缩任务，离子液体的平均流量可以远远大于容积式压缩机，因此能够实现大流量快速压缩。同时，因为有活塞泵驱动液体，可以一次完成接近20Mpa的大压比压缩，避免使用多级离心泵，系统简化并提高了工作的稳定性。

Claims (8)

1.一种用于大规模制氢储氢的快速离子液体压缩机，其特征在于，包括原料氢气储罐(5)、长管拖车氢气储罐(7),所述原料氢气储罐(5)和长管拖车氢气储罐(7)之间具有第一气缸(1)、第二气缸(2)、第三气缸(3)和第四气缸(4)，原料氢气储罐(5)连接有原料输送风机(6)，所述原料输送风机(6)再连接所述第一气缸(1)至所述第四气缸(4)，原料输送风机(6)通过单向进气阀(18)连接到第一气缸(1)至第四气缸(4)，第一气缸(1)至第四气缸(4)通过单向排气阀(19)连接到长管拖车氢气储罐(7)，第一气缸(1)与第二气缸(2)通过第一四通换向阀(11)、第三四通换向阀(13)和第二四通换向阀(12)或通过第一四通换向阀(11)、第四四通换向阀(14)和第二四通换向阀(12)连接第三气缸(3)与第四气缸(4)。

2.根据权利要求1所述的一种用于大规模制氢储氢的快速离子液体压缩机，其特征在于，所述第一四通换向阀(11)具有四个接口(a1，b1，c1，d1)，所述第二四通换向阀(12)具有四个接口(a2，b2，c2，d2)，所述第三四通换向阀(13)具有四个接口(a3，b3，c3，d3)，所述第四四通换向阀(14)具有四个接口(a4，b4，c4，d4)，所述第一气缸(1)连接所述接口(a1),接口(c1)连着接口(a3)，接口(c3)连着活塞泵(10)的进口，所述活塞泵(10)的出口连着接口(d3)，接口(b3)连着接口(d2)，接口(b2)与所述第四气缸(4)连通。

3.根据权利要求1所述的一种用于大规模制氢储氢的快速离子液体压缩机，其特征在于，所述第一四通换向阀(11)具有四个接口(a1，b1，c1，d1)，所述第二四通换向阀(12)具有四个接口(a2，b2，c2，d2)，所述第三四通换向阀(13)具有四个接口(a3，b3，c3，d3)，所述第四四通换向阀(14)具有四个接口(a4，b4，c4，d4)，所述第二气缸(2)与接口(b1)连通，接口(d1)连着接口(a4)，接口(c4)连着离心泵(9)的进口，所述离心泵(9)的出口连着接口(d4)，接口(b4)连着接口(c2)，接口(a2)与所述第三气缸(3)连通。

4.根据权利要求1所述的一种用于大规模制氢储氢的快速离子液体压缩机，其特征在于，所述第一气缸(1)至所述第四气缸(4)的一端安装有压力变送器(17)。

5.根据权利要求4所述的一种用于大规模制氢储氢的快速离子液体压缩机，其特征在于，所述第一气缸(1)至所述第四气缸(4)的安装有压力变送器(17)的一端连接有膜分离组件(23)，所述膜分离组件(23)连接所述单向进气阀(18)和单向排气阀(19)。

6.根据权利要求1所述的一种用于大规模制氢储氢的快速离子液体压缩机，其特征在于，所述第一气缸(1)至所述第四气缸(4)内的上半部偏上位置设置有水冷器(20)。

7.根据权利要求6所述的一种用于大规模制氢储氢的快速离子液体压缩机，其特征在于，所述水冷器(20)的上端连通有冷却水进口调节阀(21)，水冷器(20)的下端连通有冷却水出口闸阀(22)。

8.根据权利要求1所述的一种用于大规模制氢储氢的快速离子液体压缩机，其特征在于，所述第一气缸(1)至所述第四气缸(4)内的下半部具有液位计(15)，所述液位计(15)具有两个电极插入到第一气缸(1)至第四气缸(4)内，第一气缸(1)至第四气缸(4)内具有报警液面(16)，其中一个所述电极高于所述报警液面(16),另一个电极低于报警液面(16)。

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