CZ33083U1 - Plnicí stanice stlačeného vodíku se zvýšenou bezpečností pomocí inertizace lokálně vyrobeným dusíkem - Google Patents

Description

Oblast techniky

Technické řešení se zabývá integrací membránového generátoru dusíku do plynových soustav sloužících pro práci se stlačeným vodíkem. Inertizace plynové soustavy využitím dusíku je důležitý bezpečnostní proces, jelikož umožňuje bezpečnou evakuaci plynné směsi dusíku a vodíku odlukovým potrubím, bez rizika dosažení výbušné koncentrace vodíku ve vzduchu.

Dosavadní stav techniky

Plnění emisních cílů Evropské Unie vyžaduje dekarbonizaci vícero klíčových sektorů energetického, průmyslového a dopravního. Dekarbonizace dopravy bude stát zejména na snížení emisí hlavních přispěvatelů - osobních a nákladních vozidel, které jsou odpovědné za 45 % emisí vyprodukovaných v silniční dopravě. Snahou je tedy elektrifikace dopravy, a to zejména osobní a nákladní.

Čistá mobilita, a tedy nulové emise při užívaní vozu, je možná za využití vícero přístupů. Bezemisní vozy jsou všechny ve své podstatě elektromobily lišící se pouze typem zdroje energie pro elektromotor. Nejčastější zdroj energie je využití baterií ve vozidlech označovaných jako BEV (Battery electric vehicle). Alternativou jsou vozidla s palivovým článkem využívajícím vodík FCEV (Fuel cell electric vehicle) jako zdroj energie pro elektromotor.

Většímu nasazení bezemisních vozů momentálně brání zejména jejich poměrně vysoká pořizovací cena a také chybějící infrastruktura umožňující jejich dobíjení nebo plnění vodíkem. Bateriové vozy jsou charakteristické poměrně dlouhou dobou dobíjení, a kladou tedy vyšší nároky na infrastrukturu, která musí uspokojit potřeby vozidel po delší dobu, než je teď standardem. Výhodou je nízká pořizovací cena dobíječích stojanů, které jsou kompaktní a je možné je umístit v rámci parkovacích prostor.

Plnicí stanice vodíku odpovídají prostorově standardním čerpacím stanicím a náklady na jejich výstavbu jsou řadově větší. Současně však jedna plnicí stanice dokáže uspokojit výrazně vyšší množství FCEVs, než dobíječi stojan BEVs. Po technologické stránce se skládají většinou z nízkotlakého zásobníku na vodík, který slouží jako dlouhodobý zásobní element. Vozidla s palivovým článkem uskladňují vodík při vysokém tlaku v plynné fázi. V závislosti na typu vozidla je vodík buď v přetlaku 700 bar (osobní vozidla), nebo 350 bar (autobusy a nákladní vozy). Za nízkotlakým zásobníkem je proto v rámci plnicí stanice řazený kompresor, který stlačuje vodík na tlak až 1000 bar. Při plnění je vodík z vysokotlakého zásobníku veden chladící jednotkou. Proces plnění je provázen expanzí vodíku v tlakové nádobě vozidla a jelikož se vodík vlivem Joule-Thomsonova efektu při expanzi zahřívá, tak je nutné před samotným plněním vodík podchladit na teplotu -40 °C (pro plnění na 700 bar). Z chladící jednotky je vodík veden do výdejního stojanu, kde je přes standardizované plnicí rozhraní veden do tlakových lahví vozidla.

Při provozu plnící stanice je z technologického hlediska nezbytné odtlakovat některé části tlakového systému stanice a vypouštět přebytečný vodík do atmosféry. Při tomto procesu existuje v bezprostředním okolí odfukového potrubí riziko vzniku výbušné koncentrace a s extrémně nízkou pravděpodobností také inicializace hoření případně výbuchu malého množství výbušné směsi. Inertizace plynové soustavy prostřednictvím dusíku zabraňuje riziku vzplanutí snížením koncentrace vzdušného kyslíku pod mez výbušnosti vodíku. Standardem je využití tlakových lahví jako zdroje dusíku, toto řešení s sebou nese však nutnost výměny, kontrol a revizí těchto tlakových lahví. Zařazení membránového generátoru jakožto zařízení bez nutnosti obsluhy snižuje riziko selhání lidského faktoru a tím zvyšuje bezpečnost plnicí stanice při normálním

- 1 CZ 33083 U1 provozu.

Podstata technického řešení

Inertizace plynových soustav stlačeného vodíku probíhá s využitím dusíku tvořeného v membránovém generátoru. Plynové soustavy stlačeného vodíku jsou obvykle tvořeny potrubím z nerezové oceli (CAS 65997-19-5) - nebo jiných kovových, neporézních materiálů v souladu s ČSN EN 13 480-2. Jednotlivá zařízení plnicí stanice stlačeného vodíku, která jsou součástí plynové soustavy, bývají odděleny prostřednictvím solenoidových nebo jiných obdobných ventilů. Inertizace probíhá otevřením ventilů pro vstup dusíku do plynové soustavy. Vzniklá plynná směs dusíku a vodíku je následně vedena plynovou soustavou do odlukového potrubí. Koncentrace vzdušného kyslíku je na rozhrání odlukového potrubí a vnějšího prostředí natolik nízká, že nehrozí riziko vzplanutí.

Objasnění výkresů

Obr. 1 zobrazuje technologické schéma plnicí stanice se zařazeným membránovým generátorem dusíku. Obr. 2 detailně zobrazuje propojení membránového generátoru dusíku s plnicí stanicí.

Příklad uskutečnění technického řešení

Na vstupu plnicí stanice je plynný vodík přiváděn do kompresní jednotky 1 prostřednictvím kovového potrubí 2 zhotoveného z nerezové oceli CAS 65997-19-5 nebo jiného materiálu v souladu s ČSN EN 13 480-2. Stlačený vodík je veden do krátkodobého, vysokotlakého zásobníku 3, který je ve formě nádoby nebo nádob zhotovených z nerezové oceli CAS 65997-19-5. V průběhu plnění vozidel je vodík veden z vysokotlakého zásobníku 3 do výdejného stojanu 4 a dále hadicí se standardní koncovkou 5 do tlakových nádob vozidla. Do plynové soustavy ústí potrubí 2 z membránového generátoru dusíku 6. Stlačený vzduch vstupující do membránového generátoru dusíku 6 je selektivní permeací separován na dusík a vzduch ochuzený o dusík, který je přes vláknitou membránu vypouštěn do vnějšího prostředí. Dusík jez membránového generátoru veden potrubím 2 a od celku plnicí stanice je oddělen ventilem 9 se solenoidovým nebo jiným ovládáním. Odfukové potrubí 7 je kontinuálně profukováno dusíkem a vzniklá směs vodíku a dusíku je vypouštěna do vnějšího prostředí.

Průmyslová využitelnost

Membránový generátor dusíku lze využít v plnicích stanicích stlačeného vodíku pro inertizaci odlukového potrubí, bez nutnosti zařazení tlakových nádob dusíku.

Claims (2)

1. Plnicí stanice stlačeného vodíku se zvýšenou bezpečností pomocí inertizace lokálně vyrobeným dusíkem, vyznačující se tím, že do odfukového potrubí (7) plnicí stanice je připojen membránový generátor dusíku (6), který je zároveň napojen na zdroj stlačeného vzduchu (8).

ío

2. Plnicí stanice stlačeného vodíku podle nároku 1, vyznačující se tím, že membránový generátor dusíku je oddělen od plnící stanice prostřednictvím solenoidového nebo jiného automaticky ovládaného ventilu (9).