CN115596991A - 用于燃料供应和备用发电的系统和方法 - Google Patents

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李先明
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Abstract

本发明涉及发电领域，公开了用于燃料供应和备用发电的系统和方法，该系统包括用于储存包括液相和气相的液化燃料的低温罐、用于从低温罐提供处于液相的液化燃料的第一流的泵、用于将至少部分第一流转化为气体燃料的热交换器、用于将至少部分气体燃料分配到接收燃料箱的分配器、与热交换器集成的制冷单元和备用电力单元，制冷单元与换热器进行热交换，制冷单元为需要制冷的环境设施提供冷却负荷，备用电力单元通过使用气相或液相或两者的液化燃料的第二流来发电。本发明提供的系统和方法显著减少了用于为数据中心提供备用电力的氢汽化的损失。

Description

用于燃料供应和备用发电的系统和方法
技术领域
本发明涉及用于储存、转移或分配液化燃料或压缩气体的方法和系统。更具体地，所公开的主题涉及用于储存氢和加氢的系统或燃料供应站以及方法。
背景技术
许多机动车辆目前由使用化石燃料的内燃机提供动力。由于与燃烧石油衍生燃料相关的有限供应和不利的环境影响，现在正在开发由替代环保燃料(如氢)提供动力的车辆。通过氢燃料与氧化剂(如空气)的电化学反应，燃料电池可用于为机动车辆生产电力。其它氢动力车辆可通过氢气燃烧提供动力。向燃料电池车辆(FCV)和其它氢动力车辆供给燃料或加氢，与向车辆中添加石油基燃料如汽油相比，提出了不同的挑战。
发明内容
本发明提供了一种用于供应燃料同时还提供备用电力和冷却负荷的系统和方法。例如，该系统是加氢站。根据一些实施方式，这样的系统包括：被配置为在其中储存包括液相和气相的液化燃料的低温罐，与低温罐流体联接并且被配置为提供或泵送来自低温罐的液相的液化燃料第一流的泵，热交换器和分配器。热交换器与泵联接，并且被配置为将至少部分的液相的液化燃料第一流转化为气体燃料。分配器被配置为将至少部分的气体燃料分配到接收燃料箱，例如车辆中的车载燃料箱。该系统还包括与热交换器集成的制冷单元以及备用电力单元。制冷单元被配置为向热交换器提供热负荷，并且热交换器被配置为向制冷单元提供冷却负荷。制冷单元被配置成向需要冷却的设施或环境提供冷却负荷。备用电力单元被配置为从低温罐接收处于气相或处于液相或处于气相和液相的液化燃料的第二流并且发电。
在一些实施中，液化燃料包括氢。该系统是加氢站。泵是浸没式液体泵，其设置在低温罐内部并且被配置为压缩液化燃料的第一流为液相。
在一些实施方式中，该系统还包括分流器，该分流器可设置在泵和热交换器之间。分流器被配置为将液化燃料的第一流分流为第一部分和第二部分。热交换器被配置为将第一部分转化为气体燃料。该系统还包括混合器，该混合器被配置为将气体燃料和第二部分混合以形成待分配的压缩气体燃料。在一些实施方式中，气体燃料或待分配的燃料为压力在25MPa至90MPa范围内，且温度在-50℃至环境温度范围内的压缩氢气。
在一些实施方式中，备用电力单元被配置为在需要备用电力时在一天内接收低温罐中液化燃料按重量计的总存储容量的30％以下。备用电力单元被配置为向数据中心提供电力，并且制冷单元被配置为向数据中心提供冷却负荷。
在一些实施方式中，备用电力单元包括一个或多个燃料电池或内燃机，以通过气相(或称为汽化燃料(boil-off fuel))或液相或两者的液化燃料的第二流发电。备用电力单元还可以被配置为进一步从热交换器接收至少部分气体燃料以发电。内燃机利用热循环发电。内燃机的合适示例包括但不限于往复式发动机、燃气轮机或微型涡轮机。
在一些实施方案中，所述系统还包括与所述低温罐流体联接的液化器。生产单元可以与液化器流体联接。液化器被配置为将在生产单元中产生的气体压缩成液化燃料。生产单元包括至少一个用于从水中生产氢气的电解槽。所述至少一个电解槽或液化器或两者可被配置为至少部分地由太阳能或风能供电。代替生产单元，液化器或低温罐也可与液态氢分配网络集成，在该网络中，液态氢从储存容器运输到燃料供应站或使用场所，例如用于工业生产(例如，钢铁生产)。
在另一方面，本发明还提供了一种方法。这种方法用于供应燃料，同时还提供备用电力和冷却负荷。该方法包括提供存储在低温罐内部的具有液相和气相的液化燃料，通过与低温罐流体联接的泵从低温罐泵送液相的液化燃料第一流，通过与泵联接的热交换器将至少部分的液相的液化燃料第一流转化成气体燃料，以及将至少部分的气体燃料分配到接收燃料箱。该方法还包括从与热交换器集成的制冷单元向有需要的设施提供冷却负荷，以及使用备用电力单元使用来自低温罐的处于气相或处于液相或处于气相和液相两者的液化燃料的第二流来发电。
在一些实施方式中，液化燃料包括氢或者为氢。通过使用设置在低温罐内部的浸没式液体泵压缩液化燃料以将液相的液化燃料第一流泵出低温罐。该方法可进一步包括从制冷单元向热交换器提供热负荷，以及从热交换器向制冷单元提供冷却负荷。
在一些实施方式中，该方法还包括将液化燃料的第一流分为第一部分和第二部分。第一部分通过热交换器。该方法还包括将气体燃料和第二部分混合以形成待分配的压缩气体燃料。
在一些实施方式中，当需要备用电力时，在一天内将低温罐中的液化燃料按重量计的总储存容量的30％以下提供给备用电力单元。在备用电力单元中产生的电力从备用电力单元被提供给诸如数据中心的设施，并且来自制冷单元的冷却负荷被用于冷却诸如数据中心的设施。备用电力是间歇地提供的。可以每天定期提供冷却负荷。
在一些实施方式中，通过备用电力单元中的一个或多个燃料电池或内燃机产生电力。该方法还可以包括将至少部分的气体燃料从热交换器供应到备用电力单元以用于产生电力。
在一些实施方式中，低温罐中的液化燃料由与低温罐流体联接的液化器提供。液化器被配置为将在生产单元中产生的气体压缩成液化燃料。例如，生产单元包括至少一个用于从水中生产氢气的电解槽。在一些实施方式中，至少一个电解槽或液化器或两者至少部分地由太阳能或风能供电。
本发明中提供的系统和方法提供了如本文所述的许多优点。例如，在一些实施方式中，本发明提供了一种用于给车辆加燃料的加氢站，同时还向例如数据中心提供备用电力和冷却负荷。与独立存储选项相比，本发明中的系统显著减少了用于为数据中心提供备用电力的氢汽化的损失。来自热交换器或汽化器的过度冷却负荷被有效且高效地利用。该系统提供了更高的冷却负荷，而当热交换器与制冷单元集成时，热交换器被更有效地使用。
附图说明
当结合附图阅读时，从以下详细描述中可以最好地理解本发明。要强调的是，根据惯例，附图的各种特征不一定按比例绘制。相反，为了清楚起见，各种特征的尺寸被任意地扩大或缩小。在整个说明书和附图中，相同的附图标记表示相同的特征。
图1是根据一些实施方案的第一示例性系统例如包括备用发电机和制冷单元的加氢站的框图。
图2是根据一些实施方案的第二示例性系统例如加氢站的框图，所述加氢站包括用于向数据中心提供备用电力的备用发电机和向数据中心提供冷却负荷的制冷单元。
图3是根据一些实施方式的第三示例性系统例如加氢站的框图，该加氢站包括用于向数据中心提供备用电力的备用发电机、向数据中心提供冷却负荷的制冷单元、制氢单元和液化器。
图4A是根据一些实施方式的示例性方法的流程图，该方法包括分配诸如氢的液化燃料、提供备用电力和提供冷却负荷。
图4B是包括一些步骤的流程图，这些步骤包括在图4A的示例性方法中。
具体实施方式
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
对示例性实施例的描述旨在结合附图来阅读，附图被认为是整个书面描述的一部分。在说明书中，诸如“下”、“上”、“水平”、“垂直”、“上方”、“下方”、“向上”、“向下”、“顶部”和“底部”以及其派生词(例如，“水平地”、“向下地”、“向上地”等)的相对术语应被解释为当时所描述的或所讨论的附图中所示的方向。这些相对术语是为了便于描述，而不要求以特定的取向构造或操作设备。关于连接、耦合等的术语，例如“连接”和“互连”，指的是一种关系，其中结构通过中间结构直接或间接地相互固定或连接，以及可移动或刚性的联系或关系，除非另有明确说明。
为了下文描述的目的，应当理解，下文描述的实施方式可以采取替代的变型和实施方式。还应当理解，本文所述的具体制品、组合物和/或方法是示例性的，并且不应当被认为是限制性的。
在本发明中，单数形式“一”、“一个”和“这个”包括复数形式，并且对特定数值的引用至少包括该特定值，除非上下文另有明确指示。当使用先行词“约”将值表示为近似值时，应理解，特定值形成另一个实施方案。如本文所用，“约X”(其中X是数值)优选是指所引用值的±10％，包括端值在内。例如，短语“约8”优选地指7.2至8.8的值，包括端值。在本发明中，所有范围都是包括性的和可组合的。例如，当列举“1至5”的范围时，所列举的范围应被解释为包括范围“1至4”、“1至3”、“1-2和4-5”、“1-3和5”、“2-5”等。另外，当明确地提供了备选的列表时，这种列表可以解释为意味着可以排除任何备选，例如，通过权利要求中的否定限制。例如，当列举“1至5”的范围时，所列举的范围可以解释为包括其中1、2、3、4或5中的任一个被否定地排除的情况；因此，对“1至5”的叙述可以被解释为“1和3-5，但不是2”，或简单地“其中不包括2”。意指在此明确引用的任何组件、元件、属性或步骤可以明确地排除在权利要求之外，无论这些组件、元件、属性或步骤是否作为替代物列出或者无论它们是否单独引用。
除非另外明确说明，否则本文所用的术语“基本上”诸如“基本上相同”将被理解为涵盖具有在合适范围内的波动的参数，例如具有参数的±10％或±15％波动。在一些实施方式中，波动的范围在±10％内。
本文所述的系统和方法可适用于直接加注液化燃料例如氢气。除非另有明确说明，本文对“直接加注”(或“直接”)的引用将被理解为是指从加油站的储罐到车辆中的储罐的加燃料或供给燃料过程的连续操作。例如，在直接加注系统或方法中，液态氢可从储罐中取出、汽化并直接分配到车辆中的接收罐中。来自液态的气态氢连续流入接收罐。氢气以压缩气体的形式储存在车辆的接收箱中。术语“直接加注”(或“直接”)相对于加燃料或供给燃料过程可互换地使用。在现有技术中，存在中间级存储步骤，其中压缩气态氢在汽化之后但在分配到车辆的接收罐中之前被存储。
除非另外明确指出，否则诸如氢的液化燃料被存储在储罐中，并且使用泵以液体形式泵出。液化燃料在热交换器中被汽化以成为气体燃料。泵和热交换器之间的燃料可以处于超临界状态。至少一部分气体燃料被分配到车辆中的接收箱中。在本发明中，术语“加燃料”和“供给燃料”可互换使用。
如本文所使用的，当元件或组件被描述为“连接到”、“耦合到”、“与耦合”或“接触”另一元件或组件时，其可以直接连接到、直接与特定元件或组件相连接、直接接触，或者中间元件或组件可以与特定元件或组件连接、联接或接触。当元件或组件被称为“直接连接到”、“直接耦合到”、“直接耦合”另一元件时，不存在中间元件或组件。
如本文所用，本文所用的用语“热耦合到”或“热耦合于”将理解为将组件直接或通过中间组件耦合在一起，使得热量可在组件之间传递，并且组件可以彼此直接接触或中间组件接触组件。如本文所用，本文所用的术语“流体耦合到”、“流体耦合于”、“流体联接到”、“流体联接于”将理解为组件与管道或管线连接，并且被配置为使气体或液体流过部件。如本文所用，本文所用的术语“电连接”或“电气连接”将被理解为包括使用有线或无线连接的电连接。
本文所用的术语“环境温度”将被理解为在环境条件下的温度，例如20-22℃的室温。
美国专利号6,753,105公开了一种燃料电池系统，其包括用于提供低温介质例如液态氢燃料的储罐、包含至少一个被连接以从储罐接收燃料的燃料电池单元、用于冷却燃料电池单元的冷却回路、以及包括至少一个第一热交换器的加热回路以加热从储罐提供到燃料电池单元的低温介质。来自燃料电池的废热用于向热交换器提供能量以使低温介质汽化。该系统适用于移动应用，其中燃料电池废热与热交换器的集成减小了系统的尺寸和重量。
美国专利申请公开号2020/0158288公开了一种用于分配如氢气和天然气的液化气体作为燃料的系统和方法。系统中的热交换器仅使用燃料本身而不使用外部制冷来管理最终分配温度，并且加燃料站不包括设置在泵和分配器之间的存储子系统。热交换器可以是使用蒸汽、气体、环境空气或其它热源的汽化器，或者是电加热器，以加热液化燃料。
对于在现有燃料电池系统或燃料供应站中使用的这些热交换器，它们不提供冷却负荷，或者冷却负荷损失到环境中并被浪费。
支持数据中心电力需求的现有技术主要是柴油发电机和电池作为备用电力以及来自电网的电力作为主电源。已经讨论了用于数据中心应用的氢和燃料电池，但是此类应用面临显著的技术和经济挑战。参见G.Saur,et al.,“Hydrogen and Fuel Cells forData Center Applications Project Meeting:Workshop Report,”Technical ReportNo.NREL/TP-5400-75355,Golden,CO(U.S.):National Renewable Energy Laboratory(NREL),2019，例如，需要大量的氢存储。需要开发大规模的氢气基础设施。潜在的技术挑战和相关的过高的成本被认为是将氢燃料电池用于数据中心应用的障碍。
用于数据中心的不同冷却技术在C.Nadjahi,et al.,“A review of thermalmanagement and innovative cooling strategies for data center,”SustainableComputing:Informatics and Systems,19(2018):14-28中进行了研究，有前景的冷却技术包括自然冷却、液体冷却、两相技术和建筑围护结构。普通系统使用环境空气或吸收式冷却器来提供冷却负荷。最大冷却负荷不能低于-50℃。液态氢尚未用于数据中心冷却。
本发明提供了一种用于供应燃料同时还提供备用电力和冷却负荷的系统和方法。例如，该系统是加氢站。备用电力和冷却负荷两者都提供给有需要的站点或设施，诸如数据中心。在这种系统或站中，不需要大量储存液化燃料，例如液氢。液态氢的冷却负荷可以低至-200℃。
将液氢燃料供应站(LHRS)与需要冷却和备用电力的操作(例如，数据中心)组合具有有效利用来自LHRS的过量冷却负荷的优点，从而提高了LH2汽化过程相对于环境空气加热的有效性，并且提供了长期储存LH2的有效手段，而没有与用于备用电力的LH2存储的专用罐相关的汽化限制。该系统和方法还具有如本文所述的其它显著优点。
在图1-3中，相同的组件由相同的附图标记表示，并且为了简洁，不再重复以上参照前面的附图提供的结构的描述。参考图1-3中描述的示例性结构来描述图4A-4B中描述的方法。
参考图1，示例性系统100包括低温罐10、泵40、至少一个热交换器60和至少一个分配器72，示例性系统还包括制冷单元90和/或备用电力单元110。
低温罐10被配置为在其中储存液化燃料12。低温罐10可以是适于在低温和加压下储存液化燃料12例如液态氢的绝热罐。液化燃料12包括液相14和气相16(汽化燃料)。在一些实施方式中，液化燃料12包括氢或者为氢。本文所述的示例性系统是加氢站。
泵40与低温罐10流体联接并且被配置为提供或泵送来自低温罐10的液相的液化燃料42的第一流，在一些实施方式中，泵40是浸没式液体泵，其设置在低温罐10内并且被配置为压缩液化燃料12并增加其压力，并将液相的液化燃料42的第一流泵出低温罐10。在一些实施方式中，液化燃料42的第一流也是处于超临界状态。
热交换器60也称为汽化器，其与泵10连接，并被配置为将至少部分的液相的液化燃料的第一流转化为气体燃料54。气体燃料54可以是在所需压力和温度下的压缩气体。
分配器72被配置为将至少部分的气体燃料54分配到接收燃料箱(未示出)，例如车辆中的车载燃料箱。
制冷单元90被配置为向热交换器60提供热负荷，并且热交换器60被配置为向制冷单元90提供冷却负荷，制冷单元90被配置为向需要冷却的设施或环境提供冷却负荷。在一些实施方式中，制冷单元还可包括储能器80。热交换器60产生的冷却负荷用作制冷单元90的蓄能器80的低温源，蓄能器80又向热交换器60提供加热负荷，用于热负荷的蓄能器80可包括液体或固体介质。
备用电力单元110被配置为从低温罐10接收气相16或液相14或两者的液化燃料12的第二流46并且发电。
在一些实施方式中，示例性系统100还包括分流器50，该分流器可设置在泵40和热交换器60之间，分流器50与泵40流体联接，分流器50被配置为将液化燃料的第一流42分流为第一部分51和第二部分52，热交换器60被配置为在第一部分51穿过热交换器60时将第一部分51转化为气体燃料54，示例性系统100还包括混合器70，其被配置为将气体燃料54和第二部分52混合以形成待分配的燃料。待分配的燃料可以是压缩气体燃料或液体燃料。在一些实施方式中，气体燃料或待分配的燃料为压力在25MPa至90MPa范围内且温度在-50℃至环境温度范围内的压缩氢气。
在一些实施方式中，备用电力单元110包括一个或多个燃料电池或内燃机，以通过气相(或称为汽化燃料(boil-off fuel))或液相或两者的液化燃料的第二流46发电。在一些实施方式中，备用电力单元110还可以被配置为可选地进一步接收至少部分通过热交换器60的气体燃料54以发电。内燃机利用热循环发电。内燃机的合适的示例包括但不限于往复式发动机、燃气轮机或微型涡轮机以及氢气涡轮机。
作为示例1，示例性系统100已经被设计成将具有1吨/天(tpd)容量的液氢燃料供应站(LHRS)与冷却单元90和备用电力单元110(或子系统)集成在一起。
制冷单元90可以连续地或非连续地操作。LHRS可以但不是必须连续地分配H2。在LHRS非连续地分配H2的情况下，可累积冷却负荷以供制冷单元90后续使用，这可通过例如通过液体(或固体)冷却蓄能器80来实现，该液体(或固体)储存在绝热罐内直到使用。蓄能器80被制冷单元90用作低温散热器，其方式与向蓄能器80输送冷却负荷的时间表无关。
在图1中，包围来自低温罐10和备用电力单元或发电机110的H2流(即，第二46)的虚线框指示在备用电力所需的基础上的间歇操作。从低温罐提取的H2可以是气态或液态的。在两种情况下，氢气都需要被加热到接近环境条件。这可以在单独的热交换器中完成或集成到热交换器60(汽化器)中。冷却负荷可以包括在由LHRS在常规操作期间生成的冷却负荷中。或者，可以不产生用于制冷的冷却负荷的方式加热第二流46。在一些实施方式中，这是降低成本或系统复杂性的优选选择，因为备用电力单元可以是间歇的。发电机可以是燃料电池、由氢气操作的内燃机或氢气涡轮机。
参考图2，示出了示例性系统200。示例性系统200的组件与示例性系统100中的组件相同，除了包括数据中心120，使得备用电力单元110被配置为向数据中心120提供电力，并且制冷单元90被配置为向数据中心120提供冷却负荷。
备用电力和冷却负荷也可以提供给其它设施，例如，分配中心(例如，用于HVAC或制冷)。
在一些实施方式中，备用电力单元110被配置为在需要备用电力时在一天内接收低温罐10中液化燃料按重量计的总储存容量的30％以下(例如，小于20％或小于10％)。
作为示例2，示例性系统200已经被设计成将具有1吨/天(tpd)容量的液氢燃料供应站(LHRS)与微型数据中心集成。该系统涉及集成LHRS，包括分配总量1tpd的燃料用于中型或重型车辆(MDV/HDV)加油(在35MPa)的LHRS和50kW的数据中心。1tpd的规模与现有的加氢站相当。例如，MDV运输车的油箱容量约为10-20kg。HDV运输巴士的油箱容量为30-60kg。1tpd站可以服务大约50到100辆车的MDV车队或大约16到33辆车的运输巴士车队。
服务于MDV货车或HDV巴士的LHRS需要输送预冷却的加注物(precooled fills)，其是在-40℃到0℃温度范围的压缩氢气。预冷却抵消了加注车载车辆存储罐时的压缩热，减少了完成加注所需的时间。LH2的温度为-253℃(20K)至-243℃(30K)，具体取决于低温罐10的压力，液态氢燃料供应站必须提供足够的热量以汽化液体并将气体的温度升高至-40℃-0℃。操作该站所需的潜热和显热的组合列于表1中，结果使用NIST参比流体热力学和传输性质数据库(REFPOP)中的数据计算。
表1。
Figure BDA0003684177380000111
所需的液氢汽化负荷取决于液体条件(起始温度)和终点温度。对于提供-40℃燃料的LHRS，所需的热负荷是3463kJ/kg，但对于25℃的温暖环境加注，该负荷增加到4382kJ/kg(表1)。相反，当与诸如数据中心的冷却应用集成时，该热负荷也是可用的冷却负荷。
使用4000kJ/kg的示例性值，可从1tpd站获得的总热冷却负荷为4GJ/d，或1111kWhth。如果能量存储在蓄能器80中并以稳定的速率提取，则可以稳定地获得46.3kWth的冷却功率(在0℃或更低的温度下)。
数据中心的冷却负荷基于其设计而变化。冷却负荷的一项估计表明，数据中心总功耗的20％到30％与冷却设备的运行相关。低温冷却负荷的可用性将不能代替对操作风扇、鼓风机和其它设备的电力的需要。
数据中心在大小和设计上不同。例如，使用现有技术，50kW微型数据中心可以包括若干服务器，以及具有5分钟功率的备用系统，随后由柴油发电机运行24-48小时。20-30MW规模的超大规模数据中心可以包含多个框架，每个框架被设计成操作具有30-100kW的累积电负载的设备。超大规模数据中心处的备用电力以类似方式配置，使用短期电池电力以供应UPS服务，随后是高达20MW规模的柴油发电机。在20-30MW规模下，需要55吨至130吨H2的供应以及使用这种燃料的发电容量，以支持48-72小时的备用电力。
大约57.9kWth的冷却负荷可以通过替换制冷循环中的冷却器来改数据中心设备的操作。这将取代部分电力负载，从而提高数据中心的能源效率。对于微数据中心，LHRS冷却可以支持整个数据中心。对于较大的数据中心，LHRS冷却负荷可以与单个框架集成。益处将与LHRS和数据中心的相对规模成比例地缩放。
对于制冷系统或单元90，性能系数在2和4之间，这意味着57.9kWth将数据中心的功耗降低15到25kW。数据中心根据电源利用效率(PUE，PUE＝总电力/IT电力)报告节能情况，目标是使该参数尽可能接近1。IT电力表示用于信息技术的功率。制冷单元90的集成对PUE具有直接的益处，因为当冷却(P冷却)所需的功率减小时，它减小了分子。如果50kW数据中心的总电力需求的20％是冷却负荷，则表示IT电力为40kW，P冷却为10kW，PUE为1.25。通过此处建议的冷却集成，PUE接近1.0是可行的，并且风扇和循环泵功率是与数据中心中的冷却管理相关的唯一消耗。
此外，具有每天1吨(tpd)容量的这种燃料供应站(LHRS)也与用于微数据中心120的备用电力单元110集成。数据中心的备用电力需求根据它们的大小而变化。例如，对于发电所需的液态氢，50kW的微数据中心需要75kg/天，2-3天/年，最高约300kg/年。20-30MW数据中心将需要30吨/天，2-3天/年，最多约100吨/年。如果使用独立的储罐，LH2储存的成本过高，因为独立的储罐将遭受汽化损失，以至于生产性使用的氢气将具有不可负担的高成本基础的程度。
使用在此描述的系统和方法，1tpd加油站需要具有罐以适应日常操作。对应于几天的储罐容量是一种设计实践。一个18,000加仑的罐可容纳约4000kg的H2。从这种大小的罐中抽出LH2用于50kW数据中心的备用电力操作将导致增量使用量不到日常使用量的1％。1tpd站可以支持更大的备用设备，特别是在启用燃料电池的数据中心，其不需要空闲的发电设备，因为数据中心框架可以由H2供电。使用这种站可以提供用于大规模数据中心中的几个框架的备用电力。本发明中的集成提供了H2的有效使用优于用于备用操作的独立罐的优点。汽化损耗与加燃料应用(refueling applications)而不是备用电力的空闲时间有关。
参考图3，示出了示例性系统300。除了包括生产单元130和液化器140之外，示例性系统300与示例性系统200相同。
在一些实施方式中，示例性系统300还包括与低温罐10流体联接的液化器140。生产单元130可与液化器140流体联接。液化器140被配置为将在生产单元130中产生的气体压缩成液化燃料12。生产单元130包括至少一个用于从水中生产氢气的电解槽。所述至少一个电解槽或液化器或两者可被配置成为至少部分地由太阳能或风能150供电。代替生产单元130，液化器140或低温罐10也可与液态氢分配网络集成，在该网络中，液态氢从储存容器运输到燃料供应站或使用场所，例如用于工业生产(例如，钢铁生产)。
作为示例3，设计了示例性系统300。具有8tpd LHRS的液化站点与超大规模数据中心集成，用于冷却和备用电力。
LHRS与上游氢气生产和液化系统(即，生产单元130和液化器140)以及数据中心120集成。数据中心120与制冷单元90和备用电力单元110两者耦合。
与示例2相比，示例性系统300或示例3以更大的规模运行。该低温罐可容纳100吨或更多的液体H2。上游H2生产和液化以30tpd规模进行，LHRS以8tpd规模分配H2用于车辆燃料供应，并且数据中心使用370kWth规模的制冷负荷和20MW规模的备用电力。
这种系统中的集成提供了协同益处。可以包括附加功能。例如，以使用由可再生能源供电的电解槽以30tpd的规模生产氢气(30tpd需要约60MW)。在多个30tpd设备中的液化可以在这个规模下操作。8tpd规模的LHRS，使用电解产生的H2和液化可以使用示例性系统300进行。这种规模是为8级卡车燃料供应站设计的。
示例性系统300可用于20MW规模的超大规模数据中心，以及对源自氢的备用电力的潜在需要。在示例性系统300中，数据中心120还可以被配置成利用H2操作以提供主要电力。备用H2燃料供应可从液化器供给的低温罐中获得。主要电力H2燃料供应可以独立于由液化器140产生的用于备用发电的LH2供应而产生。用于备用电力的燃料供应被存储为LH2，以便根据需要间歇使用，但是LH2的日常使用是用于燃料供应应用。LH2随着时间的推移积聚在低温罐10中，并且低温罐的尺寸允许间歇地使用所储存的LH2作为备用电力。这种布置克服了现有技术中作为备用燃料储存的LH2的严重汽化损失的限制。
低温罐10的尺寸可以基于备用电力需求来确定。在一些实施方式中，用于备用发电的第二流46的流量小于低温罐10中的总氢气的20％或10％，在一些实施方式中，低温罐10的尺寸小于符合监管标准的4吨LH2(18,000加仑)。在一些实施方式中，低温罐的尺寸大于99吨LH2。大型储罐可以位于液化器地点(liquefier sites)。
根据一些实施方式，本发明提供一种系统，其是具有用于制冷和备用电力的集成系统的加氢站。该系统或站包括含有液态氢(LH2)的低温罐10、被配置为压缩来自低温罐10的LH2流的液体泵40、被配置为汽化从液体泵40输出的压缩氢气的热交换器60、混合器70、分配器72和制冷单元90。混合器70被配置为将从热交换器60输出的汽化氢气与来自低温罐10的LH2流组合以产生具有25至90MPa之间的压力和-50℃至环境温度之间的温度的压缩氢气流。分配器72可以将来自混合器70的压力为35-70MPa(包括端值)和温度为-40℃至环境温度的压缩氢气流输送到车载氢气储存罐。制冷单元90与热交换器60集成以向LH2流提供热负荷并向制冷单元90提供在-40℃和环境温度之间的温度下的冷却负荷，该系统或站还包括备用电力单元110，其可由来自低温罐10的氢气供电，备用电力单元的每日氢使用量小于低温罐10总容量的30％，可选地，制冷单元90向数据中心供应冷却负荷，并且冷却负荷至少是数据中心使用的每日冷却负荷的10％。可选地，备用电力单元110向数据中心120提供备用电力。
参考图4A，示出了示例性方法400。这种方法用于燃料供应，同时还提供备用电力和冷却负荷。图4B示出了可以包括在示例性方法400中的一些步骤。
在图4A的步骤402处，在低温罐10内提供液化燃料12。液化燃料12包括液相14和气相16，在一些实施方式中，液化燃料包括氢或为氢。
在一些实施方式中，低温罐中的液化燃料12由与低温罐10流体联接的液化器140提供，液化器140被配置为将生产单元130中产生的气体压缩成液化燃料10，例如，生产单元130包括至少一个用于从水产生氢气的电解槽。在一些实施方式中，至少一个电解槽或液化器140或两者至少部分地，例如至少50％由太阳能或风能供电。
在步骤404处，液化燃料12的第一流42通过与低温罐10流体联接的泵40从低温罐10泵出，液化燃料12的第一流42可处于超临界状态。在一些实施方式中，泵是设置在低温罐10内的浸没式液体泵，通过使用浸没式液体泵压缩液化燃料12，将液化燃料12的第一流42泵出低温罐10。
在步骤406，液化燃料12的第一流42的至少部分通过热交换器60被转化为气体燃料54，热交换器60与液化燃料的第一流42热耦合。
在步骤408，至少部分气体燃料54被分配到接收燃料箱，例如车辆的车载燃料箱。如本文关于混合器70所述，待分配的燃料可以是压缩气体燃料或液体燃料。对于重型车辆、轻型车辆和轨道，燃料作为压缩气体燃料分配。对于液体罐和循环压缩罐(cyro-compressed tanks)，燃料以液体形式分配。在步骤410，从与热交换器60集成的制冷单元90向需要的设施提供冷却负荷。冷却负荷可以以冷却介质的形式提供，例如冷空气或流体。制冷单元90可与热交换器60热连接，制冷单元90和热交换器60可彼此交换热量。步骤410中的过程可以包括图4B的步骤412和414。在步骤412，从制冷单元90向热交换器60提供热负荷以使液化燃料汽化。在步骤414，从热交换器60向制冷单元90提供冷却负荷。如上所述，制冷单元90可以包括储能器80，制冷单元90被配置为向热交换器提供热负荷以将液态或超临界状态的液化燃料转化为气体燃料54，并且热交换器90被配置为向制冷单元90提供冷却负荷以冷却诸如数据中心的设施。在一些实施方式中，制冷单元90提供的冷却负荷满足数据中心的冷却负荷的至少10％，例如10％、20％、30％、40％、50％、60％或70％。
参考图4B，在一些实施方式中，示例性方法400还包括步骤416和418。在步骤416，通过分流器50，液化燃料12的第一流42被分流成第一部分51和第二部分52，第一部分51通过热交换器60(即汽化器)。在步骤418，气体燃料54和第二部分52在混合器70中混合以形成待分配的燃料。待分配的燃料可以是压缩气体燃料或待分配的液体燃料。在一些实施方式中，待分配的燃料是压力为25MPa至90MPa且温度为-50℃至环境温度的压缩氢气流。分配器72可在35MPa-70 MPa(包括端值)的压力和-40℃至环境温度的温度下将压缩氢气流从混合器70输送到车载氢气储存罐。从热交换器60到制冷单元90的冷却负荷处于-50℃和环境温度之间的温度。
返回参考图4A，在步骤420，使用液化燃料12的第二流46在备用电力单元110中发电，第二流46可以是来自低温罐10的气相或液相或两者，在一些实施方式中，在通过热交换器60并用于冷却之后，气体燃料54的至少部分也可以供应给备用电力单元110以发电。在一些实施方式中，通过备用电力单元110中的一个或多个燃料电池或内燃机发电。内燃机的合适示例包括但不限于往复式发动机和燃气轮机或微型涡轮机。
在一些实施方式中，当需要备用电力时，在一天过程中将低温罐中的液化燃料按重量计的总储存容量的30％以下提供给备用电力单元110。例如，当需要备用电力时，在一天过程中储存在低温罐10中的液化燃料12的小于20重量％或10重量％用于备用发电。在一些实施方式中，在备用电力单元110中产生的电力被提供给数据中心120。如果需要额外的电力，则在备用电力单元110中产生的电力也可以被供应到系统中的其他组件，例如制冷单元90、泵40、热交换器60和分配器72。来自制冷单元90的冷却负荷用于冷却数据中心120。
在该系统和方法中，可以定期执行燃料供应过程。冷却负荷可以从加油站定期产生。可以间歇地产生备用电力。
在一些实施方式中，本发明中提供的系统还可包括一个或多个控制单元或中央单元(图1-3中未示出)，用于控制方法的步骤和在每个步骤中或经过每个组件的燃料量。控制单元可以与系统中的相关组件电连接。例如，可以控制燃料的第一流42、第二流46、第一部分51和第二部分52中的每一个的量。还可以控制用于混合的气体燃料54和第二部分52的量和比例。控制单元可以包括一个或多个处理器和至少一个有形的、非暂时性的机器可读介质，该介质用一个或多个程序编码。控制单元被配置为与每个组件协调，以便控制用于给车辆加燃料、冷却数据中心和供应备用电力的操作。
这里描述的方法和系统可以至少部分地以计算机实现的过程和用于实践这些过程的装置的形式来体现。所公开的方法还可以至少部分地以用计算机程序代码编码的有形的、非暂时性的机器可读存储介质的形式来体现。介质可以包括例如RAM、ROM、CD-ROM、DVD-ROM、BD-ROM、硬盘驱动器、闪存或任何其它非暂时性的机器可读存储介质或这些介质的任何组合，其中，当计算机程序代码加载到计算机中并由计算机执行时，计算机成为用于实施该方法的装置。所述方法还可以至少部分地以计算机的形式来体现，计算机程序代码加载到所述计算机中和/或在所述计算机中被执行，使得所述计算机成为用于实施所述方法的装置。当在通用处理器上实现时，计算机程序代码段配置处理器以创建特定的逻辑电路。或者，所述方法可以可选地至少部分地在由用于执行所述方法的专用集成电路形成的数字信号处理器中实现。计算机或控制单元可以使用基于云的系统远程地操作。
本发明中提供的系统和方法提供了如本文所述的许多优点。例如，在一些实施方式中，本发明提供了一种用于给车辆加注燃料的加氢站，同时还向例如数据中心提供备用电力和冷却负荷。与独立存储选项相比，本发明中的系统显著减少了由于氢汽化而引起的相对损失，氢汽化用于为数据中心提供备用电力。储存在低温罐中的液态氢被有效地使用。来自热交换器或汽化器的过度冷却负荷被有效且高效地利用。该系统提供了更高的冷却负荷，而当热交换器与制冷单元集成时，热交换器被更有效地使用。
油箱尺寸可以由加油操作和备用电力需求来确定。由于热量泄漏到油箱中，汽化仍会发生，但是通过与加油站的联接，相对于有效使用，汽化损失非常低。仅作为示例，如果仅使用备用电力单元，一个储罐可容纳10吨H2，并在一年内9吨汽化，仅留下1吨在备用发电中有价值使用。使用上述系统和方法，储罐的尺寸可能相同，但LH2将用于生产目的。假设罐每周再加注，罐将在一年中容纳约520吨LH2。即使具有相同量的汽化，至少511吨将用于生产目的。此外，如果汽化气体更频繁地用于发电，则汽化损失可进一步减小。
该系统和方法还提供如下益处。例如，通过热交换器60(汽化器)的更有效的操作来改进液氢燃料供应站(LHRS)的操作。由蓄能器80提供的热量提高了热交换器70的可操作性，例如，由于空气中的水分冻结，用作热交换器的强制通风汽化器会在传热表面上积冰。冰层降低了传热系数，导致需要增加通过系统的空气流量或调整LHRS的控制。使用来自制冷单元90的蓄能器80的主动热传递避免了这种限制，且扩大了LHRS的操作窗口。
对于另一实例，该系统和方法提供了在LHRS运行期间来自热交换器60的过量冷却负荷的生产性使用。LHRS的正常运行的过量冷却负荷用于产生冷却目的。这减少了外部冷却过程的净能量需求。
此外，该系统和方法为LHRS操作和数据中心操作提供了低温罐汽化的有效使用。备用电力单元110能够使用存储在低温罐10中的氢，低温罐10的尺寸适于LHRS操作。低温罐10可根据一般实践来确定尺寸，例如，包括液氢持续至少3天的操作。对于每天加注一吨燃料的加油站，使用具有至少三吨LH2容量的低温罐。
工业级低温罐的典型的汽化率约为1％/天，表明对于具有4吨容量的罐(18,000加仑罐)的汽化损失约为40kg/天。效率为60％的聚合物电解质膜(PEM)燃料电池可以以20kWh/kg的速率发电，因此每天40kg/天的汽化流量可以维持33kW的平均发电量。该电力可用于支持LHRS操作、与其它系统(例如，制冷或备用电力客户端)集成的常规下游负载或两者兼而有之。在备用电力的相对H2需求低于正常日常需求的情况下，LHRS系统可与备用电力并行运行至少一天。
备用电力可以间歇性地提供，例如，比每天更不频繁地提供备用电力。当需要备用电力时，可以提取额外的H2为发电提供燃料(图1中的虚线框)。在4吨容量罐的实例中，30％的限制对应于1200kg的H2，如果安装的燃料电池容量足够，它能够支持高达1.7MW的日需求。或者，从低温罐抽取的增量H2可用于操作其它发电设备以产生动力，其它发电设备包括但不限于燃气轮机、微型涡轮机或往复式发动机。净功率取决于功率转换设备的效率。具有40％效率的400kWe氢气微型涡轮机系统可使用30kg/h来产生所需的输出。
低温罐容量的30％的每日使用的上限提供了用于再加注低温罐10或恢复主要功率的机会窗口。对于数据中心备份的情况，需要2到3天的备用燃料供应。在预计会出现长时间停电的情况下，可以在一天或更长时间的过程中调整燃料供应操作或备用电力操作，以优化存储的LH2的使用。
作为另一益处，该系统和方法相对于独立存储方案减少了用于备用电力的H2的汽化损耗。具有备用电力单元110的系统的燃料存储产生的汽化损耗不会超过与LHRS操作相关联的操作损耗。由于与G.Saur等人所描述的备用电力系统的间歇使用曲线相关联的高汽化损耗，本领域技术人员认为存储用于备用电力单元110的LH2是不切实际的。对于间歇性备用电力需求，备用电力单元110的一部分燃料将作为汽化损失。需求越少出现，损失的燃料越多。与低温罐10集成用于LHRS，其中LH2的主要用途是用于补给燃料需求，减少了与LH2燃料备用电力系统相关的汽化损耗。
尽管已经根据示例性实施方式描述了本发明，但是本发明不限于此。相反，所附权利要求应当被广义地解释为包括本领域技术人员可以做出的其他变型和实施例。

Claims (19)

1.一种系统，包括：
低温罐，所述低温罐被配置为在其中储存液化燃料，所述液化燃料包括液相和气相；
泵，所述泵与所述低温罐流体联接并且被配置为从所述低温罐提供液相的所述液化燃料的第一流；
热交换器，所述热交换器与所述泵联接并且被配置为将至少部分所述液相的液化燃料的第一流转化为气体燃料；
分配器，所述分配器被配置为将至少部分所述气体燃料分配到接收燃料箱；
与所述热交换器集成的制冷单元，其中，所述制冷单元被配置为向所述热交换器提供热负荷，并且所述热交换器被配置为向所述制冷单元提供冷却负荷；以及
备用电力单元，所述备用电力单元被配置为从所述低温罐接收处于气相或处于液相或处于气相和液相的所述液化燃料的第二流并且发电。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述液化燃料包括氢。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述泵为浸没式液体泵，所述浸没式液体泵设置在所述低温罐内部并且被配置为压缩液化燃料的第一流为液相。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述系统还包括分流器，所述分流器设置在所述泵与所述热交换器之间，并且被配置为将所述液化燃料的第一流分流为第一部分和第二部分，其中，所述热交换器被配置为将所述第一部分转化为所述气体燃料；
优选地，所述系统还包括混合器，所述混合器被配置为将所述气体燃料和所述第二部分混合以形成待分配的压缩气体燃料或液体燃料。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述气体燃料是压力在25MPa至90MPa范围内且温度在-50℃至环境温度范围内的压缩氢气。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述备用电力单元被配置为在一天内接收所述低温罐中的所述液化燃料的总存储容量的30重量％以下；
优选地，所述备用电力单元被配置为在一天内接收所述低温罐中的所述液化燃料的总储存容量的20重量％以下。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述备用电力单元被配置为向数据中心提供电力，并且所述制冷单元被配置为向所述数据中心提供冷却负荷。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述备用电力单元包括一个或多个燃料电池或内燃机，以通过处于气相或液相或两者的所述液化燃料的第二流发电。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述备用电力单元被配置为进一步从所述热交换器接收至少部分所述气体燃料以发电。
10.根据权利要求1-9中任意一项所述的系统，其中，所述系统还包括与所述低温罐流体联接的液化器和与所述液化器流体联接的生产单元，其中所述液化器被配置为将所述生产单元中产生的气体压缩成所述液化燃料；
优选地，所述生产单元包括至少一个用于从水中生产氢气的电解槽，并且至少一个所述电解槽或所述液化器或两者被配置为至少部分地由太阳能或风能供电。
11.一种方法，包括：
提供存储在低温罐内的液化燃料，所述液化燃料包括液相和气相；
通过与所述低温罐流体联接的泵从所述低温罐泵送液相的所述液化燃料的第一流；
通过与所述泵联接的热交换器将至少部分的所述液相的液化燃料的第一流转化为气体燃料；
将至少部分的所述气体燃料分配到接收燃料箱；
从与所述热交换器集成的制冷单元向有需要的设施提供冷却负荷；以及
使用来自所述低温罐的处于气相或处于液相或处于气相和液相的所述液化燃料的第二流通过备用电力单元发电。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述液化燃料包括氢。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，通过使用设置在所述低温罐内部的浸没式液体泵压缩所述液化燃料以将液相的液化燃料第一流泵出低温罐。
14.根据权利要求11所述的方法，其中，该方法还包括将从所述制冷单元向所述热交换器提供热负荷，以及从所述热交换器向所述制冷单元提供冷却负荷。
15.根据权利要求11所述的方法，其中，该方法还包括将所述液化燃料的第一流分成第一部分和第二部分，其中，所述第一部分通过所述热交换器；
优选地，该方法还包括将所述气体燃料和所述第二部分混合以形成待分配的压缩气体燃料或液体燃料。
16.根据权利要求11所述的方法，其中，当需要备用电力时，在一天内将所述低温罐中的总储存容量的30重量％以下的所述液化燃料提供给所述备用电力单元。
17.根据权利要求11所述的方法，其中，从所述备用电力单元向数据中心提供电力，并且来自所述制冷单元的所述冷却负荷用于冷却所述数据中心。
18.根据权利要求11所述的方法，其中，通过所述备用电力单元中的一个或多个燃料电池或内燃机来发电；
优选地，该方法还包括将来自所述热交换器的至少部分所述气体燃料供应到所述备用电力单元以用于发电。
19.根据权利要求11-18中任意一项所述的方法，其中，所述低温罐中的所述液化燃料由与所述低温罐流体联接的液化器提供，其中所述液化器被配置为将生产单元中产生的气体压缩成所述液化燃料；
优选地，所述生产单元包括至少一个用于从水中产生氢气的电解槽，并且至少一个所述电解槽或所述液化器或两者至少部分地由太阳能或风能供电。
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