JP2013170580A - Method for compressing cryogenic medium - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for compressing a cryogenic medium, particularly, hydrogen for remarkably improving cost, a constituting space, complexity and energy efficiency.SOLUTION: A cryogenic medium is compressed in two compressor stages V1 and V2 to final pressure via intermediate pressure from starting pressure, and the first compressor stage V1 is formed as a cryogenic compressor stage.

Description

本発明は、極低温の媒体を圧縮するための方法に関する。   The present invention relates to a method for compressing cryogenic media.

極低温の媒体、たとえば水素、酸素、窒素またはアルゴンを圧縮するための冒頭で述べた方法は、公知先行技術に基づき公知である。   The methods mentioned at the outset for compressing cryogenic media such as hydrogen, oxygen, nitrogen or argon are known from the prior art.

「極低温の媒体」という概念は、通常、比較的低い温度を有する液化された極低温のガスを意味している。たとえば極低温の水素は、一般的に−２５３℃〜−２４５℃の温度にある。   The concept of “cryogenic medium” usually means a liquefied cryogenic gas having a relatively low temperature. For example, cryogenic hydrogen is generally at a temperature of -253 ° C to -245 ° C.

極低温の媒体を圧縮するための冒頭で述べた方法は、たとえば貯蔵容器への充填および移送に際して使用される。たとえば、車両に組み込まれた水素貯蔵容器への充填時には、多種の充填法が実現される。   The method described at the beginning for compressing cryogenic media is used, for example, in filling and transporting storage containers. For example, when filling a hydrogen storage container incorporated in a vehicle, various filling methods are realized.

圧力補償法：定置の貯蔵容器またはパイプラインであってよい供給システムから、コンプレッサまたはクライオポンプによって、それぞれ異なる圧力レベルで複数のガスバッファ貯蔵器が充填される。これらのガスバッファ貯蔵器から、車両への燃料補給の際に圧力補償によって、圧縮された水素が、燃料補給最終圧が達成されるまで車両貯蔵容器内に充填される。   Pressure compensation method: From a supply system, which can be a stationary storage vessel or pipeline, a plurality of gas buffer reservoirs are filled at different pressure levels by compressors or cryopumps. From these gas buffer reservoirs, compressed hydrogen is refilled into the vehicle storage container until the final refueling pressure is achieved by pressure compensation when refueling the vehicle.

ブースタ法：供給システムから、大きな処理量の圧縮機を介して水素が圧縮され、車両貯蔵容器内に直接充填される。   Booster method: Hydrogen is compressed from the supply system through a large throughput compressor and filled directly into the vehicle storage vessel.

圧力補償法とブースタ法との組合せ：まず、圧力補償を介して、ガスバッファ貯蔵器から充填すべき車両貯蔵容器への一部充填が行われ、その後、ブースタ法によって、最終圧への充填が行われる。   Combination of pressure compensation method and booster method: First, a partial filling from the gas buffer reservoir to the vehicle storage container to be filled is performed via pressure compensation, and then the booster method is used to fill the final pressure. Done.

さらに、水素が極低温圧縮によって７００ｂａｒ（温度補償されて最大８７５ｂａｒ）に圧縮される燃料補給法が存在している。この燃料補給法では、第１の燃料補給ステップにおいて、極低温圧縮時に生じたボイルオフガスが車両貯蔵容器に供給される。液状の水素から超臨界のガス状の水素への極低温圧縮は、−２５３℃〜−２４５℃の流入温度で行われる。極低温圧縮時に生じたボイルオフガスの圧縮には、いわゆる「常温ガス圧縮機」が必要となる。この常温ガス圧縮機によって、−２０℃〜４０℃の温度範囲を意味する周辺温度下にあるガスが圧縮される。しかし、このような常温ガス圧縮機は比較的高価である。さらに、必要となる圧縮状況に基づき、少なくとも２〜３段式の圧縮機システムが必要となる。しかし、この圧縮機システムはエネルギ的に不利に作業する。また、水素が常温ガス圧縮機内への供給前に周辺空気気化器によって加温されなければならず、これによって、極低温のガスとしての高い密度の利点を失ってしまう。ボイルオフガスを４００〜５００ｂａｒの所要の圧力レベルに圧縮するために使用することができる極低温圧縮システムは従来存在していない。しかし、ボイルオフガスを現在の燃料補給技術による車両への燃料補給（この場合、燃料補給最終圧は７００〜８００ｂａｒにある）の目的で使用することができるようにするためには、４００〜５００ｂａｒの圧力が必要となる。   Furthermore, there is a refueling method in which hydrogen is compressed to 700 bar (temperature compensated up to 875 bar) by cryogenic compression. In this fuel supply method, the boil-off gas generated during the cryogenic compression is supplied to the vehicle storage container in the first fuel supply step. Cryogenic compression from liquid hydrogen to supercritical gaseous hydrogen is performed at an inflow temperature of -253 ° C to -245 ° C. In order to compress the boil-off gas generated during the cryogenic compression, a so-called “room temperature gas compressor” is required. By this room temperature gas compressor, the gas under ambient temperature which means a temperature range of -20 ° C to 40 ° C is compressed. However, such a room temperature gas compressor is relatively expensive. Furthermore, at least a 2-3 stage compressor system is required based on the required compression situation. However, this compressor system works energetically disadvantageous. Also, the hydrogen must be warmed by the ambient air vaporizer before being fed into the cold gas compressor, thereby losing the advantages of high density as a cryogenic gas. There is no conventional cryogenic compression system that can be used to compress boil-off gas to the required pressure level of 400-500 bar. However, in order to be able to use the boil-off gas for the purpose of refueling the vehicle with the current refueling technology (in this case the refueling final pressure is between 700 and 800 bar), 400 to 500 bar Pressure is required.

本発明の課題は、前述した欠点を回避する、つまり、コスト、構成スペース、複雑性およびエネルギ効率に関して著しく改善された、極低温の媒体、特に水素を圧縮するための方法を提供することである。   The object of the present invention is to provide a method for compressing cryogenic media, in particular hydrogen, which avoids the drawbacks mentioned above, i.e. significantly improved in terms of cost, construction space, complexity and energy efficiency. .

この課題を解決するために本発明に係る方法によれば、極低温の媒体を２つの圧縮機段内で出発圧から中間圧を経て最終圧に圧縮し、第１の圧縮機段が、極低温圧縮機段として形成されている。   In order to solve this problem, according to the method according to the present invention, a cryogenic medium is compressed in two compressor stages from a starting pressure to an intermediate pressure to a final pressure, and the first compressor stage is It is formed as a low temperature compressor stage.

本発明に係る方法の有利な態様によれば、極低温の媒体を第１の圧縮機段内で３０〜７０ｂａｒの圧力に圧縮する。   According to an advantageous embodiment of the method according to the invention, the cryogenic medium is compressed in the first compressor stage to a pressure of 30 to 70 bar.

本発明に係る方法の有利な態様によれば、両圧縮機段をピストン圧縮機に実現し、該ピストン圧縮機を１つの共通の駆動装置を介して駆動する。   According to an advantageous embodiment of the method according to the invention, both compressor stages are realized in a piston compressor, which is driven via a common drive.

本発明に係る方法の有利な態様によれば、圧縮機段ごとに１つのシングルピストン圧縮機を使用し、両シングルピストン圧縮機を互いに逆方向ストロークで運転する。   According to an advantageous embodiment of the method according to the invention, one single-piston compressor is used per compressor stage and both single-piston compressors are operated with opposite strokes.

本発明に係る方法の有利な態様によれば、極低温の媒体が、水素、酸素、窒素またはアルゴンである。   According to an advantageous embodiment of the method according to the invention, the cryogenic medium is hydrogen, oxygen, nitrogen or argon.

「極低温圧縮機段」もしくは「極低温圧縮」という概念は、以下において、極低温の液状の媒体を、圧縮された超臨界のガスに変換する、極低温の媒体の流入温度が−７０℃未満である圧縮プロセスを意味している。液状水素または極低温に液化された別のガスの極低温圧縮は、通常、極低温ピストンポンプによって行われる。圧縮すべき極低温の媒体は液体としてピストンに到達し、超臨界のガスとして排出される。   In the following, the concept of “cryogenic compressor stage” or “cryogenic compression” refers to a cryogenic medium inflow temperature of −70 ° C., which converts a cryogenic liquid medium into a compressed supercritical gas. Means a compression process that is less than. Cryogenic compression of liquid hydrogen or another gas liquefied to cryogenic temperatures is usually performed by a cryogenic piston pump. The cryogenic medium to be compressed reaches the piston as a liquid and is discharged as a supercritical gas.

本発明によれば、極低温の媒体が、２つの圧縮機段内で出発圧から中間圧を経て最終圧に圧縮され、第１の圧縮機段が、極低温圧縮機段として形成されている。１〜３ｂａｒの出発圧を有する極低温の媒体は、極低温圧縮機段内で、有利には３０〜７０ｂａｒの圧力に圧縮される。   According to the invention, the cryogenic medium is compressed in the two compressor stages from the starting pressure through the intermediate pressure to the final pressure, the first compressor stage being formed as a cryogenic compressor stage. . A cryogenic medium having a starting pressure of 1 to 3 bar is compressed in a cryogenic compressor stage, preferably to a pressure of 30 to 70 bar.

極低温の媒体を圧縮するための本発明に係る方法は、有利には、組み合わされた複合型の圧縮機で実現される。この複合型の圧縮機の第１の極低温圧縮機段は、極低温の媒体を出発圧から所望の中間圧に圧縮する。この極低温圧縮時には、特に圧縮すべき媒体が高い密度で存在していて、この理由から、圧縮シリンダが比較的小さく設計されてさえいればよいことが利用される。その結果、圧縮のために必要となる作業力が少なくなる。したがって、エネルギ的に有利な圧縮プロセスが結果的に得られる。   The method according to the invention for compressing cryogenic media is advantageously realized with a combined composite compressor. The first cryogenic compressor stage of this composite compressor compresses the cryogenic medium from the starting pressure to the desired intermediate pressure. During this cryogenic compression, in particular, the medium to be compressed is present at a high density, and for this reason it is utilized that the compression cylinder only needs to be designed relatively small. As a result, the work force required for compression is reduced. Thus, an energetically advantageous compression process results.

第１の圧縮機段内では、媒体がより高い温度にもたらされ、これによって、媒体を第２の圧縮機段内で常温の圧縮プロセスによって最終圧に圧縮することができる。極低温圧縮機段内での予圧縮に基づき、第２の圧縮機段のために必要となる圧縮室も比較的小さく形成することができる。   Within the first compressor stage, the media is brought to a higher temperature, which allows the media to be compressed to a final pressure by a cold compression process in the second compressor stage. Based on the precompression in the cryogenic compressor stage, the compression chamber required for the second compressor stage can also be made relatively small.

極低温の媒体を圧縮するための本発明に係る方法の改良態様では、両圧縮機段が、それぞれピストン圧縮機に実現され、両ピストン圧縮機が、１つの共通の駆動装置を介して駆動されることが提案される。この共通の駆動装置として、たとえば、２つの圧縮機段を作動させるための二重伝動装置を備えた１つの電動モータを使用することができる。   In a refinement of the method according to the invention for compressing a cryogenic medium, both compressor stages are each realized in a piston compressor, both piston compressors being driven via a common drive. It is proposed that As this common drive device, for example, one electric motor with a double transmission for operating two compressor stages can be used.

さらに、極低温の媒体を圧縮するための本発明に係る方法の有利な態様によれば、圧縮機段ごとに１つのシングルピストン圧縮機が使用され、両シングルピストン圧縮機が、有利には互いに逆方向ストロークで運転される。   Furthermore, according to an advantageous embodiment of the method according to the invention for compressing a cryogenic medium, one single-piston compressor is used per compressor stage, and both single-piston compressors are advantageously connected to each other. Operated with reverse stroke.

両シングルピストン圧縮機もしくは両圧縮機段における圧縮状況の最適な設計の態様では、両シングルピストン圧縮機もしくは両圧縮機段が、１つの共通の駆動装置を介して互いに逆方向ストロークで作動させられてよい。この場合には、まず、一方のピストンが第１の圧縮機段内で極低温の媒体を圧縮する。同時に第２の圧縮機段のピストンは逆ストロークとなり、予圧縮された媒体を第１の圧縮機段から吸入する。（予圧縮された媒体を）第２の圧縮機段が圧縮すると、第１の圧縮機段が逆ストロークとなり、再度、極低温の媒体を吸入する。   In an optimal design aspect of the compression situation in both single-piston compressors or both compressor stages, both single-piston compressors or both compressor stages are operated in opposite strokes via a common drive. It's okay. In this case, first one piston compresses the cryogenic medium in the first compressor stage. At the same time, the piston of the second compressor stage has a reverse stroke and sucks the pre-compressed medium from the first compressor stage. When the second compressor stage compresses the (pre-compressed medium), the first compressor stage has a reverse stroke and again draws in the cryogenic medium.

本発明に係る方法を実施するためのポンプアッセンブリを示す図である。FIG. 3 shows a pump assembly for carrying out the method according to the invention.

以下に、本発明を実施するための形態を図面につき詳しく説明する。   In the following, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図１に示したポンプアッセンブリは、２つのシングルピストン圧縮機を有している。両シングルピストン圧縮機は、それぞれ１つの圧縮室Ｖ１；Ｖ２と、ピストンロッドを介して駆動される１つのピストンＫ１；Ｋ２と、このピストンＫ１；Ｋ２を駆動するために必要となる１つの作業室Ａ１；Ａ２とを有している。両圧縮室Ｖ１，Ｖ２には、それぞれ１つの吸入弁ａ；ｃと流出弁ｂ；ｄとが対応配置されている。   The pump assembly shown in FIG. 1 has two single piston compressors. Both single piston compressors each have one compression chamber V1; V2, one piston K1; K2 driven via a piston rod, and one working chamber required to drive the piston K1; K2. A1; A2. In each of the compression chambers V1, V2, one intake valve a; c and one outflow valve b; d are arranged correspondingly.

圧縮すべき媒体は、第１の圧縮機段もしくは第１の圧縮室Ｖ１に管路１を介して供給される。この管路１は、圧縮すべき媒体への望ましくない入熱を最小限に抑えた特殊に断熱された、有利には真空断熱された管路である。圧縮すべき媒体は、吸入弁ａの開放時に圧縮室Ｖ１に流入する。流入する媒体は、通常、１〜３ｂａｒの圧力を有している。圧縮室Ｖ１内では、３０〜７０ｂａｒの圧力への極低温圧縮が行われる。次いで、圧縮された媒体は、流出弁ｂの開放時に、両圧縮室Ｖ１，Ｖ２の間に配置された補償容器２内に圧送される。この補償容器２から、圧縮された媒体は、吸入弁ｃの開放時に第２の圧縮機段Ｖ２に流入する。この第２の圧縮機段Ｖ２内では、所望の最終圧への圧縮が行われる。流出弁ｄの開放時には、最終圧に圧縮された媒体が（高圧）管路３を介して導出される。   The medium to be compressed is supplied via the conduit 1 to the first compressor stage or the first compression chamber V1. This line 1 is a specially insulated, preferably vacuum insulated line that minimizes unwanted heat input to the medium to be compressed. The medium to be compressed flows into the compression chamber V1 when the suction valve a is opened. The inflowing medium usually has a pressure of 1 to 3 bar. In the compression chamber V1, cryogenic compression to a pressure of 30 to 70 bar is performed. Next, the compressed medium is pumped into the compensation container 2 disposed between the compression chambers V1 and V2 when the outflow valve b is opened. From this compensation vessel 2, the compressed medium flows into the second compressor stage V2 when the suction valve c is opened. In the second compressor stage V2, compression to a desired final pressure is performed. When the outflow valve d is opened, the medium compressed to the final pressure is led out via the (high pressure) line 3.

図１には、ピストンＫ１が圧縮室Ｖ１内で上死点ひいては吸入行程の終了に位置しているのに対して、ピストンＫ２は圧縮室Ｖ２内で下死点に達していて、したがって、圧縮行程が終了している瞬間が示してある。   FIG. 1 shows that the piston K1 is located at the top dead center and thus at the end of the suction stroke in the compression chamber V1, whereas the piston K2 has reached the bottom dead center in the compression chamber V2. The moment when the process is finished is shown.

互いに逆方向に作業する両ピストンＫ１，Ｋ２の駆動は、ハイドロリックポンプＰによって行われる。このハイドロリックポンプＰは管路４，５，６，７を介して、作業室Ａ１，Ａ２内に存在するハイドロリック液を圧送し、その結果、ピストンＫ１，Ｋ２の昇降運動が発生させられるようになっている。前述したハイドロリックポンプＰの代わりに、たとえば互いに逆方向に作業する二重伝動装置を備えた１つの電動モータが使用されてもよい。   The hydraulic pumps P drive the pistons K1 and K2 that work in opposite directions. This hydraulic pump P pumps the hydraulic fluid present in the working chambers A1, A2 through the pipelines 4, 5, 6, 7 so that the pistons K1, K2 can move up and down. It has become. Instead of the hydraulic pump P described above, for example, one electric motor provided with a double transmission that works in opposite directions may be used.

極低温の媒体を圧縮するための本発明に係る方法は、公知先行技術に属する圧縮法に比べて以下の多数の利点を有している。
・本発明に係る方法は、エネルギ的にかつ設備技術的に有利な圧縮を有している。なぜならば、比較的小さな圧縮室ひいては低い駆動出力しか必要とならないからである。
・冒頭で説明した常温ガス圧縮と異なり、極低温の媒体を予め加温することが不要となる。さらに、両圧縮機段の間の中間冷却器が不要となる。
・高い最終圧を著しい処理量で実現することができる。
・２つの異なる圧縮システム（「極低温」および「常温」）にもかかわらず、最適な設計でただ１つの共通の駆動システムしか必要とならない。
・構成スペース、複雑性およびエネルギ効率に関して、極低温の媒体を圧縮するための本発明に係る方法は、公知先行技術に属する圧縮法に比べて著しく改善されている。 The method according to the invention for compressing cryogenic media has a number of advantages over the compression methods belonging to the known prior art:
The method according to the invention has a compression which is advantageous in terms of energy and equipment. This is because only a relatively small compression chamber and thus a low drive output is required.
-Unlike normal temperature gas compression described at the beginning, it is not necessary to preheat an extremely low temperature medium. Furthermore, an intercooler between both compressor stages is not necessary.
-High final pressure can be achieved with a significant throughput.
Despite two different compression systems ("Cryogenic" and "Normal"), only one common drive system is required with optimal design.
-The method according to the invention for compressing cryogenic media is significantly improved in terms of construction space, complexity and energy efficiency compared to compression methods belonging to the known prior art.

１ 管路
２ 補償容器
３ 管路
４ 管路
５ 管路
６ 管路
７ 管路
Ａ１，Ａ２ 作業室
Ｋ１，Ｋ２ ピストン
Ｐ ハイドロリックポンプ
Ｖ１，Ｖ２ 圧縮室
ａ，ｃ 吸入弁
ｂ，ｄ 流出弁 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Pipe line 2 Compensation container 3 Pipe line 4 Pipe line 5 Pipe line 6 Pipe line 7 Pipe line A1, A2 Work chamber K1, K2 Piston P Hydraulic pump V1, V2 Compression chamber a, c Suction valve b, d Outflow valve

Claims (5)

極低温の媒体を圧縮するための方法において、極低温の媒体を２つの圧縮機段内で出発圧から中間圧を経て最終圧に圧縮し、第１の圧縮機段が、極低温圧縮機段として形成されていることを特徴とする、極低温の媒体を圧縮するための方法。   In a method for compressing a cryogenic medium, the cryogenic medium is compressed in two compressor stages from a starting pressure to an intermediate pressure to a final pressure, the first compressor stage being a cryogenic compressor stage A method for compressing a cryogenic medium, characterized in that it is formed as: 極低温の媒体を第１の圧縮機段内で３０〜７０ｂａｒの圧力に圧縮する、請求項１記載の方法。   The method according to claim 1, wherein the cryogenic medium is compressed in the first compressor stage to a pressure of 30 to 70 bar. 両圧縮機段をピストン圧縮機に実現し、該ピストン圧縮機を１つの共通の駆動装置を介して駆動する、請求項１または２記載の方法。   3. A method according to claim 1 or 2, wherein both compressor stages are realized in a piston compressor and the piston compressor is driven via a common drive. 圧縮機段ごとに１つのシングルピストン圧縮機を使用し、両シングルピストン圧縮機を互いに逆方向ストロークで運転する、請求項３記載の方法。   4. The method of claim 3, wherein one single piston compressor is used per compressor stage and both single piston compressors are operated with opposite strokes. 極低温の媒体が、水素、酸素、窒素またはアルゴンである、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。   The method according to any one of claims 1 to 4, wherein the cryogenic medium is hydrogen, oxygen, nitrogen or argon.
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