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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Diese Erfindung betrifft allgemein einen Kompressor, der den Druck eines Gases, das von einer Quelle zu einem Ziel geliefert wird, erhöht, und insbesondere einen thermischen Wasserstoffkompressor, der den Druck von Wasserstoff, das von einer Wasserstoffquelle an einen Hochdrucktank geliefert wird, erhöht, wobei der Kompressor eine Reihe von Druckgefäßen aufweist, die auf eine Art und Weise selektiv erwärmt und gekühlt werden, die eine Gasströmung von der Quelle zu dem Tank durch die Druckgefäße mit einem zunehmenden Druck von Druckgefäß zu Druckgefäß in der Reihe zur Folge hat.
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2. Diskussion der verwandten Technik
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Wasserstoff ist ein sehr attraktiver Brennstoff, da er sauber ist und dazu verwendet werden kann, effizient Elektrizität in einer Brennstoffzelle zu erzeugen. Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle stellt eine elektrochemische Vorrichtung dar, die eine Anode und eine Kathode mit einem Elektrolyt dazwischen aufweist. Die Anode nimmt Wasserstoffgas auf, und die Kathode nimmt Sauerstoff oder Luft auf. Das Wasserstoffgas wird in der Anode aufgespalten, um freie Protonen und Elektronen zu erzeugen. Die Protonen gelangen durch den Elektrolyt zu der Kathode. Die Protonen reagieren mit dem Sauerstoff von den Elektronen in der Kathode, um Wasser zu erzeugen. Die Elektronen von der Anode können nicht durch den Elektrolyt gelangen und werden somit durch eine Last geführt, in der sie Arbeit verrichten, bevor sie an die Kathode geliefert werden. Die Arbeit dient zum Betrieb des Fahrzeugs.
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In der Regel wird Wasserstoff in einem Druckgastank unter hohem Druck an dem Fahrzeug gespeichert, um den Wasserstoff bereitzustellen, der für das Brennstoffzellensystem erforderlich ist. Der Druck in dem Drucktank kann bis zu 700 bar (70 MPa) betragen. Bei einer bekannten Konstruktion umfasst der Drucktank eine innere Kunststoffauskleidung, die eine gasdichte Abdichtung für den Wasserstoff vorsieht, sowie eine äußere Kohlefaserkompositschicht, die die bauliche Integrität des Tanks bereitstellt. Da Wasserstoff ein sehr leichtes und diffuses Gas ist, müssen die innere Auskleidung und die Tankverbinderkomponenten, wie O-Ringe, sorgfältig ausgelegt werden, um Leckagen zu verhindern. Der Wasserstoff wird von dem Tank durch ein Rohr entfernt. In der Regel ist zumindest ein Druckregler vorgesehen, der den Druck des Wasserstoffs in dem Tank auf einen für das Brennstoffzellensystem geeigneten Druck reduziert.
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Es muss ein Netzwerk aus Tankstellen vorgesehen werden, da Brennstoffzellenfahrzeuge populärer und kommerziell verfügbar werden. Ein derartiges Netzwerk aus Tankstellen wird anfänglich auf eine beschränkte Art und Weise bereitgestellt, wobei Stadtzentren möglicherweise die ersten sind, die derartige Tankstellen erhalten, und die Anzahl von Tankstellen dehnt sich von dort aus. Aufgrund dieser beschränkten Anzahl von Tankstellen ist es vorgeschlagen worden, dass eine Heimbetankungsanwendung vorgesehen wird, die Wasserstoffgas erzeugt und das Wasserstoffgas an die Fahrzeugspeichertanks bei hohem Druck liefert. Die Heimbetankungsanwendung kann dazu verwendet werden, das Kraftstoffspeichersystem aufzufüllen, sodass der Verbraucher jeden Morgen mit einem vollen Wasserstofftank startet. Eine derartige Heimbetankungsanwendung soll relativ kostengünstig sein und eine vernünftige Größe besitzen.
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Kommerziell verfügbare Elektrolyseure können dazu verwendet werden, Wasser in seine Wasserstoff- und Sauerstoffkomponenten aufzubrechen, wobei der Sauerstoff in der Regel ausgetragen wird. Elektrolyseure nach dem Stand der Technik sind in der Regel in der Lage, Wasserstoffgas bei einem Druck von bis zu 2000 psi (13,5 MPa) bereitzustellen. Aufgrund verschiedener Probleme, die damit in Verbindung stehen, dass Wasserstoff und Sauerstoff ein brennbares Gemisch bilden, bestehen Beschränkungen hinsichtlich des Druckbetrages, den ein Elektrolyseur schließlich erzeugen kann, der weit geringer als 10.000 psi (70 MPa) ist, der der festgesetzte Druck des Brennstoffzellentanks bei 15°C ist. Diese Probleme umfassen eine Wasserstoffreinheit, wenn Hochdrucksauerstoff in dem System enthalten ist, sowie Wasserstoffübertrittsprobleme durch Membranen, die zum Trennen der Gase verwendet werden.
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Der größte Teil der Energie wird beim Komprimieren eines Gases an einem unteren Ende der Druckrampe aufgewendet. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Beziehung zwischen Energie und Druck eine log2-Beziehung ist. Beispielsweise beträgt die theoretische Energie, die zum Komprimieren von Wasserstoff aus Atmosphäre auf 70 MPa bei 15°C notwendig ist, 2,01 kWh/kg, und die theoretische Energie, die zum Komprimieren von Wasserstoff auf 13,5 MPa bei 15°C notwendig ist, beträgt 1,48 kWh/kg. Bei 13,5 MPa sind bereits 74% der Kompressionsarbeit von 70 MPa durchgeführt, und es bleiben nur noch 0,53 kWh/kg der theoretischen Arbeit zur Ausführung zurück. Die Energieanforderung zur Elektrolyse von Wasserstoff beträgt in der Regel 50 bis 60 kWh/kg. 40 kWh/kg ist die theoretische Grenze, sodass eine signifikante Verbesserung in diesem Wert unwahrscheinlich ist. Da Elektrolyseure nach dem Stand der Technik Wasserstoff bei etwa 13,5 MPa bereitstellen können, ist der größte Teil der Arbeit, der notwendig ist, um den Wasserstoff von atmosphärischem Druck auf 70 MPa anzuheben, bereits an dem Auslass des Elektrolyseurs gemacht worden.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung ist ein Kompressor offenbart, der anwendbar ist, Wasserstoffgas zu komprimieren. Der Kompressor empfängt das Gas bei einem Basisdruck von einer Quelle und liefert das Gas bei einem hohen Druck an ein Ziel. Der Kompressor weist eine Reihe von Druckgefäßen und ein Einwegventil zwischen den Gefäßen auf, wobei ein erstes Druckgefäß mit der Quelle gekoppelt ist und ein letztes Druckgefäß mit dem Ziel gekoppelt ist. Für eine Zeitperiode wird jedes zweite Druckgefäß in der Reihe beginnend mit dem mit der Quelle gekoppelten Druckgefäß erwärmt. Da der Druck in den erwärmten Druckgefäßen infolge der Wärme zunimmt, wird das Gas an ein nächstes Druckgefäß in der Reihe von Druckgefäßen geliefert. Nach einer gewissen Zeitperiode wird die andere abwechselnde Abfolge von Druckgefäßen erwärmt, um das Gas entlang der Reihe von Druckgefäßen von der Quelle zu dem Ziel zu bewegen.
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Zusätzliche Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den angefügten Ansprüchen in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen offensichtlich.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine schematische Draufsicht eines thermischen Wasserstoffkompressors; und
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2 ist eine Darstellung einer Mehrzahl von Druckgefäßen in dem in 1 gezeigten Kompressor, wobei einige der Druckgefäße als kühl bezeichnet sind, einige der Druckgefäße als kühlend bezeichnet sind und einige der Druckgefäße als heiß bezeichnet sind, um die Gasströmung durch die Reihe von Druckgefäßen zu zeigen.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die folgende Diskussion der Ausführungsformen der Erfindung, die auf einen thermischen Wasserstoffkompressor gerichtet ist, ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung oder ihre Anwendungen oder Gebräuche zu beschränken. Beispielsweise kann der thermische Wasserstoffkompressor für andere Gase, die von Wasserstoff verschieden sind, verwendet werden und kann zum Komprimieren von Wasserstoff für andere Anwendungen, die von einer Wasserstoffspeicherung für Brennstoffzellenfahrzeuge verschieden sind, verwendet werden.
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Wie nachfolgend detailliert diskutiert ist, schlägt die vorliegende Erfindung einen thermischen Wasserstoffkompressor vor, der eine Reihe von Druckgefäßen aufweist, die durch Erwärmungs- und Kühlschritte zyklisch betrieben werden, sodass die Erwärmung den Wasserstoff von einem Niederdruckende der Reihe von Druckgefäßen zu einem Hochdruckende der Reihe von Druckgefäßen führt. Bei hoher Temperatur steigt der Druck, und das Gas wird stromaufwärts durch ein Einwegventil gedrückt. Bei geringen Temperaturen fällt der Druck und das Gas wird durch ein Einlassrückschlagventil gezogen, um das Gas zu ersetzen, das während des Hochtemperaturabschnitts des Zyklus übertragen wurde.
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Bei einer Ausführungsform ist das erste Druckgefäß in der Reihe mit einem Elektrolyseur gekoppelt, der Wasser zu Wasserstoffgas und Sauerstoffgas auf eine Art und Weise umwandelt, die in der Technik gut bekannt ist. Wie oben erwähnt ist, können Elektrolyseure nach dem Stand der Technik das Wasserstoffgas bei einem Druck von bis zu 13,5 MPa erzeugen. Da der größte Teil der Arbeit zum Anheben des Wasserstoffdrucks auf 70 MPa durch den Elektrolyseur dadurch, dass der Druck auf etwa 13,5 MPa gebracht wird, erbracht worden ist, kann sogar eine Kompressionsvorrichtung mit einem Wirkungsgrad von 5% die Aufladekompression von 13,5 MPa auf 70 MPa unter Verwendung von weniger als 11 kWh/kg ausführen. Die Aufladung des Drucks von 13,5 MPa auf 70 MPa würde nur 20% mehr Energie erfordern, als die Elektrolyse des Wasserstoffs, sogar bei einem Szenario mit sehr geringem Kompressionswirkungsgrad. Ein Wirkungsgrad von so wenig wie 3% kann akzeptabel sein, wenn Kapitalkosten sehr gering sind.
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1 ist eine schematische Draufsicht eines thermischen Wasserstoffkompressors 10, der ein Gas, wie Wasserstoff, komprimiert, das durch eine Quelle 12, wie einen Elektrolyseur, an ein Ziel 14 geliefert wird, wie einen Hochdruckwasserstofftank an einem Fahrzeug. Bei dieser nicht beschränkenden Ausführungsform kann die Quelle 12 das Wasserstoffgas bei einem Druck von etwa 13,5 MPa bereitstellen und der Kompressor 10 kann das Wasserstoffgas auf einen Druck von etwa 70 MPa für eine Brennstoffzellenfahrzeuganwendung komprimieren. Der Kompressor 10 weist eine Mehrzahl von Druckgefäßen 16 auf, die durch Rohre 18 in Reihe gekoppelt sind, wobei die Druckgefäße 16 in einem geeigneten Gehäuse 20 vorgesehen sind. Bei dieser nicht beschränkenden Ausführungsform sind sechs Druckgefäße vorhanden, die mit 1 bis 6 bezeichnet sind. Jedoch kann, wie dem Fachmann angemerkt sei, eine andere Anzahl von Druckgefäßen für verschiedene Konstruktionen abhängig davon, wie schnell das Gas komprimiert werden muss, der Größe der Druckgefäße 16, der Größe der Quelle 12, etc. verwendet werden.
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Das Druckgefäß 1 ist mit der Quelle 12 durch ein Rohr 22 gekoppelt, und das Druckgefäß 6 ist mit dem Tank 14 durch ein Rohr 24 gekoppelt. Ein Einweg-Rückschlagventil 26 ist in dem Rohr 22 vorgesehen, und ein Einweg-Rückschlagventil 28 ist in dem Rohr 24 vorgesehen. Ferner ist ein Einweg-Rückschlagventil 30 in den Rohren 18 zwischen jedem der Druckgefäße 16 vorgesehen, wobei die Rückschlagventile 26, 28 und 30 so ausgelegt sind, dass das Gas nur durch die Reihe von Druckgefäßen 16 von dem Quellenende zu dem Zielende des Kompressors 10 strömen kann. Ein höherer Druck an einer stromaufwärtigen Seite eines bestimmten Ventils bewirkt ein Öffnen des Ventils und eine Strömung des Gases durch das Ventil.
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Ein Heizungskreislauf 34 ist vorgesehen, um das Gas in den Druckgefäßen 1, 3 und 5 zu erwärmen, und ein Heizungskreislauf 36 ist vorgesehen, um das Gas in den Druckgefäßen 2, 4 und 6 zu erwärmen. Bei dieser nicht beschränkenden Ausführungsform sind die Heizungskreisläufe 34 und 36 Heizungen vom Widerstandstyp, die Widerstände 38 in den Druckgefäßen 16 verwenden, um die Erwärmung bereitzustellen. Der Heizungskreislauf 34 weist eine Energiequelle 40 auf, um elektrischen Strom an die Widerstände 38 zu liefern, und der Heizungskreislauf 36 weist eine Energiequelle 42 zur Lieferung von elektrischem Strom an die Widerstände 38 auf. Die Druckgefäße 16 können nach Erwärmung auf eine geeignete Art und Weise gekühlt werden, einschließlich Flüssigkeitskühlung, Zwangsluftkühlung, Konvektion, etc. Ein Gebläse 44 ist in dem Gehäuse 20 als ein Kühler vorgesehen, das alle von diesen verschiedenen Kühlvorrichtungen und Mechanismen repräsentiert.
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Der Betrieb des Kompressors 10 kann wie folgt angegeben werden. Während eines Erwärmungszyklus wird der Heizungskreislauf 34 erregt, sodass das Gas in den Druckgefäßen 1, 3 und 5 erwärmt wird, was den Druck in diesen Druckgefäßen 16 anhebt. Der Heizungskreislauf 36 wird während dieses Abschnittes des Zyklus ausgeschalten gehalten. Wenn das Gas in den Druckgefäßen 1, 3 und 5 erwärmt wird und der Druck steigt, öffnet das Rückschlagventil 30 stromabwärts der Druckgefäße 1, 3 und 5, was zur Folge hat, dass eine gewisse Menge des Gases in denn Druckgefäß 1 an das Druckgefäß 2 geliefert wird, eine gewisse Menge des Gases in dem Druckgefäß 3 an das Druckgefäß 4 geliefert wird und eine gewisse Menge des Gases in dem Druckgefäß 5 an das Druckgefäß 6 geliefert wird.
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Nach einer gewissen Zeitperiode wird der Heizungskreislauf 34 abgeschaltet, was ermöglicht, dass die Druckgefäße 1, 3 und 5 abkühlen, was zur Folge hat, dass der Druck in dem sich abkühlenden Druckgefäß geringer als in dem stromaufwärtigen Druckgefäß wird, und zur Folge hat, dass das Rückschlagventil 26 oder 30 stromaufwärts des sich abkühlenden Druckgefäßes 16 öffnet, wobei Gas in das Druckgefäß 16 von der stromaufwärtigen Quelle mit höherem Druck gezogen wird. Nachdem eine gewisse Zeitperiode verstrichen ist, wird der Heizungskreislauf 36 eingeschaltet, was zur Folge hat, dass die Druckgefäße 2, 4 und 6 erwärmt werden, was ein Öffnen des Ventils 28 oder 30 stromabwärts des erwärmten Druckgefäßes bewirkt, und Gas an das nächste Druckgefäß 14 oder 16 in der Reihe bereitgestellt wird, das nun gekühlt wird. Das Druckgefäß 6 stellt das erwärmte Gas zur Lieferung an den Tank 14 durch das Ventil 28 bereit. Nach einer gewissen Zeitperiode wird der Heizungskreislauf 36 abgeschaltet, was eine Abkühlung der Druckgefäße 2, 4 und 6 zulässt, was Gas von der stromaufwärtigen Quelle zieht, wie oben beschrieben ist. Auf diese Art und Weise wird das Gas mit geringerem Druck von der Quelle durch den Kompressor 10 an den Zieltank 14 übertragen. Die verschiedenen Elemente in dem Kompressor 10 sind so kalibriert, dass der Zieltank Wasserstoffgas bei einem Druck von bis zu 70 MPa speichern kann.
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2 ist eine Darstellung der Betriebsabfolge der in dem Kompressor 10 gezeigten Druckgefäße. Die obere Reihe von Druckgefäßen bezeichnet das Druckgefäß mit einer Zahl, wobei die vier Gefäße unter jedem Druckgefäß auch das gleich bezeichnete Druckgefäß sind. Die vier Druckgefäße unter jedem bezeichneten Druckgefäß sind mit A für den kalten Zustand, B zum Kühlen und C für den heißen Zustand bezeichnet. Die Pfeile repräsentieren die Gasströmung durch die Reihe von Druckgefäßen 16, wenn sie in der Weise, wie oben diskutiert ist, erwärmt und gekühlt werden.
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Die vorhergehende Diskussion offenbart und beschreibt lediglich beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Der Fachmann erkennt leicht aus einer derartigen Diskussion und aus den begleitenden Zeichnungen und Ansprüchen, dass verschiedene Änderungen, Abwandlungen und Variationen darin ohne Abweichung von dem Erfindungsgedanken und Schutzumfang der Erfindung, wie in den folgenden Ansprüchen definiert ist, durchgeführt werden können.
