發(fā)明涉及一種用于填充氫氣罐的方法和裝置。

本發(fā)明更具體地涉及一種用于從至少一個源儲存器填充加壓氣態(tài)氫罐的方法，該源儲存器包含在確定的第一溫度下和在高于待填充的罐中的壓力的確定壓力下的加壓氣態(tài)氫，在該方法中通過經(jīng)由具有連接到該源儲存器的上游端和連接到該罐的下游端的填充線路對壓力進行均衡來將氫氣從該源儲存器轉(zhuǎn)移到該罐中，并且其中該至少一個源儲存器與用于加熱儲存在該源儲存器中的氣體的構(gòu)件處于熱交換關(guān)系。

用氣態(tài)氫填充燃料罐通常經(jīng)由在一個或多個源儲存器與該待填充的罐之間的一次并且優(yōu)選數(shù)次壓力均衡進行。一種眾所周知的解決方案使用并聯(lián)聯(lián)接的數(shù)個源儲存器，這些源儲存器連續(xù)使用以最大化該源與該待填充的罐之間的壓差(所謂的“級聯(lián)”填充)。

如果必要，還可以提供壓縮機作為補充，以增補或完成填充。

存在用于優(yōu)化在給定填充時間內(nèi)轉(zhuǎn)移的氣體量的許多已知技術(shù)。

因此，已知的做法是控制轉(zhuǎn)移的氣體的流速，以便最小化在填充的罐中發(fā)生的升溫。通過降低氣體轉(zhuǎn)移流速，限制了罐中過度升溫的風(fēng)險，但填充時間延長。

另一種已知的解決方案是在氣體進入罐之前冷卻該氣體，以便最小化/控制罐中的溫度上升。然而，這種解決方案可能需要大量的能源。文獻ep2175187a2描述了一種填充系統(tǒng)，其中在氣體進入罐之前控制(降低)該氣體的溫度。

文獻wo2011026551a1本身描述了一種填充系統(tǒng)，其中源儲存器的溫度保持在確定的低水平下。

本發(fā)明的一個目的是改善填充的效率和/或減輕如上文中指出的現(xiàn)有技術(shù)的全部或一些缺點。

為此，在根據(jù)以上前序部分中給出的其一般定義的其他方面中，根據(jù)本發(fā)明的填充方法基本上特征在于，在將氫氣從源儲存器轉(zhuǎn)移到罐的至少部分期間，將該源儲存器中包含的氣體加熱到高于第一溫度的確定的第二溫度。

這意味著，在填充期間和/或在填充的至少部分之前，該至少一個源儲存器被加熱以增加該儲存器中的氣體的壓力，以便增加相對于待填充的罐的壓差。

優(yōu)選地，當源儲存器中的壓力下降到低于確定的低閾值時和/或當填充過程期間罐內(nèi)的壓力達到確定的高閾值時，進行該加熱。

此外，本發(fā)明的一些實施例可以包括以下特征中的一項或多項：

-源儲存器中包含的氣體的加熱使其溫度增加了包括在10℃至60℃之間并且優(yōu)選在20℃至40℃之間的確定量，

-在將氫氣從源儲存器轉(zhuǎn)移到罐期間，當一方面該源儲存器中的氣體與另一方面該罐中的氣體之間的壓差低于確定的第一差值時，該源儲存器中包含的氣體經(jīng)由加熱構(gòu)件進行加熱，

-僅當一方面源儲存器中的氣體與另一方面罐中的氣體之間的壓差低于所述確定的第一差值時，加熱該源儲存器中包含的氣體，

-該確定的第一差值包括在50巴與250巴之間并且優(yōu)選包括在100巴與200巴之間，

-在將氫氣從源儲存器轉(zhuǎn)移到罐期間，當在一方面該源儲存器中的氣體與另一方面該罐中的氣體之間的壓差高于確定的第二差值時，冷卻在該源儲存器中包含的或從該源儲存器中取出的氣體，

-源儲存器中包含的氣體的冷卻使其溫度降低了10℃至60℃并且優(yōu)選20℃至40℃，

-源儲存器中的氣體在填充之前并且在加熱之前具有包括在150與950巴之間并且尤其在250與850巴之間的初始壓力。

本發(fā)明還涉及一種用于填充加壓氣態(tài)氫罐的裝置，該裝置包括：至少一個源儲存器，其包含在確定的第一溫度和在確定的壓力下的加壓氣態(tài)氫；用于加熱儲存在該源儲存器中的氣體的構(gòu)件；具有連接到該源儲存器的上游端和可以與待填充的罐可移除地聯(lián)接的下游端的填充線路；至少一個用于調(diào)節(jié)允許在該線路中從該源儲存器流通到該罐的氣體的壓力和/或流速的構(gòu)件；連接到該調(diào)節(jié)構(gòu)件、還連接到該用于加熱儲存在該源儲存器中的氣體的構(gòu)件和該罐中的壓力的傳感器的電子數(shù)據(jù)采集、儲存和處理構(gòu)件，該電子數(shù)據(jù)采集、儲存和處理構(gòu)件被配置為控制該填充線路中的氣體的流速和/或壓力，該電子數(shù)據(jù)采集、儲存和處理構(gòu)件被配置為在將氫氣從該源儲存器轉(zhuǎn)移到該罐的至少部分期間命令將該源儲存器中包含的氣體加熱到高于第一溫度的確定的第二溫度。

根據(jù)一種可能的具體特征，加熱構(gòu)件包括與源罐處于熱交換關(guān)系的熱交換器和/或冷卻劑線路。

本發(fā)明還可涉及包括上文或下文所述特征的任何組合的任何替代裝置或方法。

通過閱讀以下參照附圖給出的說明，其他的特性和優(yōu)點將變得明顯，在附圖中：

-圖1描繪了說明能夠?qū)嵤┍景l(fā)明的填充裝置的一個實例的示意性和局部視圖，

-圖2描繪了當實施和不實施本發(fā)明進行填充時，源儲存器和罐內(nèi)的壓力變化的比較曲線。

圖1示意性地并且局部地描繪了用于填充加壓氣態(tài)氫罐1(例如車輛罐)的填充站的實例。

處于常規(guī)方式的站包括至少一個源儲存器2，其包含加壓的氣態(tài)氫，例如在包括在150巴與1000巴之間、尤其在700至900巴壓力下。源儲存器2例如在環(huán)境溫度下或保持在確定的溫度下(例如在15℃或0℃下)。

該站還包括填充線路3，該填充線路具有連接到該一個或多個源儲存器2的上游端和可以與待填充的罐1可移除地聯(lián)接的下游端。填充線路3例如包括隔離閥4和用于調(diào)節(jié)允許在線路3中從源儲存器2流通到罐1的氣體的壓力和/或流速的構(gòu)件5。調(diào)節(jié)構(gòu)件5包括例如可以控制或可以不控制的閥、壓力調(diào)節(jié)器或用于控制氣體的流速或待填充的罐1中的壓力上升的任何其他合適的構(gòu)件。

該站還包括在該罐中的壓力的傳感器8，該壓力傳感器例如位于填充線路3中在罐1的上游。當然，該傳感器8可以由罐1內(nèi)、在罐周圍的壓力傳感器和/或通過計算該壓力的軟件建模來替換或補充。

如示意性地說明的，填充線路3還可以包括與氣體處于熱交換關(guān)系的在構(gòu)件5下游的熱交換器9，以便如果合適的話調(diào)節(jié)該氣體的溫度(尤其是為了冷卻該氣體)。

該站還優(yōu)選地包括電子數(shù)據(jù)采集、儲存和處理構(gòu)件7，例如可編程控制器、處理器、計算機或具有微處理器等的任何其他裝置。

電子數(shù)據(jù)采集、儲存和處理構(gòu)件7連接到調(diào)節(jié)構(gòu)件5和加熱儲存在源儲存器2中的氣體的構(gòu)件6，以便命令/控制它們。此外，電子數(shù)據(jù)采集、儲存和處理構(gòu)件7連接到罐1中的壓力的傳感器8，以便從其收集信號。電子數(shù)據(jù)采集、儲存和處理構(gòu)件7還可以連接到測量源儲存器2中或其出口處的壓力和/或溫度的傳感器。

該站還包括用于加熱儲存在源儲存器2中的氣體的構(gòu)件6。

在常規(guī)方式中，電子數(shù)據(jù)采集、儲存和處理構(gòu)件7被配置為控制填充線路中的氣體的流速和/或壓力，以便優(yōu)化填充(確定的持續(xù)時間、轉(zhuǎn)移的量，而不產(chǎn)生加熱高于規(guī)定的閾值，例如由罐1的性質(zhì)決定的)。

根據(jù)一個有利的特征，電子數(shù)據(jù)采集、儲存和處理構(gòu)件7還被配置為命令將源儲存器2中包含的氣體加熱到高于當前溫度的確定溫度用于將氫氣從源儲存器2轉(zhuǎn)移到罐1的至少部分。

優(yōu)選地，這種加熱在源儲存器2與罐1之間的氣體轉(zhuǎn)移結(jié)束時進行。

例如，在填充期間，當一方面源儲存器2中的氣體與另一方面罐1中的氣體之間的壓差達到低于確定的第一差值的值時(或恰好在此之前)，包含在源儲存器2中的氣體經(jīng)由加熱構(gòu)件6進行加熱。

優(yōu)選地，僅當一方面源儲存器2中的氣體與另一方面罐1中的氣體之間的壓差低于所述確定的第一差值時，進行該加熱。

該確定的第一差值例如包括在50巴與250巴之間并且優(yōu)選包括在100巴與200巴之間。

源儲存器2中包含的氣體的加熱可以旨在使其溫度增加確定的量，該量例如包括在10℃至60℃之間并且優(yōu)選在20℃至40℃之間，尤其是30℃。

該加熱使得有可能增加源儲存器2中的氣體的壓力，并且因此使得有可能最大化源2與接收罐1之間的壓差。

確切地，隨著源儲存器2與罐1之間的壓差減少(源罐中的壓力有利于罐1地降低)，諸位發(fā)明人已經(jīng)確定加熱源儲存器2中的氣體是有利的。

因此，壓差可以增加、保持或，如果不行的話，其降低可以盡可能長地被最小化以改善填充效率。

源儲存器2(給予或采取其加熱)中的最終壓力將低于現(xiàn)有技術(shù)方法(無加熱)中獲得的最終壓力。這意味著罐1將被更好地填充(對于給定時間更好的填充效率)，并且將更好地利用源儲存器2(其將被更好地排空)。

當然，在填充開始時，尤其當壓差大(例如大于200巴)時，氣體可以被冷卻(例如經(jīng)由調(diào)節(jié)構(gòu)件5下游的交換器9和/或經(jīng)由源儲存器2處直接地?zé)崃拷粨Q)。此眾所周知的冷卻使得有可能最小化罐1中的加熱，特別是在填充開始時當氫氣的膨脹通過除了壓縮效應(yīng)之外的焦耳-湯姆森效應(yīng)產(chǎn)生附加加熱時。

在填充結(jié)束時，罐1能夠耐受相對較熱的氣體。

在例如包含在700巴的壓力和15℃的溫度下的氣態(tài)氫的源儲存器2的情況下，將該氣體加熱至45℃(例如在恒定的密度下)使得有可能在儲存器2中獲得約775巴的壓力。

在其中填充站中使用壓縮機的情況下本發(fā)明是特別有利的，因為可以減少使用壓縮機的需要。

另外，冷卻氣體的冷卻劑的加熱可以如果合適的話用于加熱源儲存器2。

該方法對于相對冗長的填充時間(這意味著持續(xù)10分鐘與60分鐘之間的那些填充時間)是特別有利的。該方法還可以應(yīng)用于快速填充(例如持續(xù)2分鐘與10分鐘之間)。

圖2示意性地示出了本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)的效果。

呈實線和具有十字交叉的曲線指示對應(yīng)地沒有和有根據(jù)本發(fā)明的加熱的情況下源儲存器2中的壓力變化。

呈不連續(xù)的長和短線的曲線描繪了對應(yīng)地沒有和有根據(jù)本發(fā)明的加熱的情況下填充的罐中的壓力變化。

因此，在開始填充時，將源儲存器氣體冷卻或者不對其進行熱作用。例如，可以已將其預(yù)冷卻至例如-30℃的溫度。

開始填充，源儲存器2中的壓力降低，并且目標罐1中的壓力增加。

當例如這兩個容器之間的壓差低于閾值差值(例如大約100至200巴)時，可以加熱源儲存器2中的氣體。加熱可能在于相對于初始溫度或甚至相對于環(huán)境溫度實現(xiàn)+30℃的增加。例如，在包括在-20℃與+40℃之間的環(huán)境溫度的情況下，例如可將氣體加熱至70℃。

諸位發(fā)明人還證明了上文所述的解決方案可以提供能量平衡方面的優(yōu)點。

確切地，對于0.5m³或更大體積的儲存器，加熱使得有可能減少壓縮機的使用。根據(jù)安裝條件，當壓縮機的使用期達到一定值(例如120秒)時，經(jīng)濟平衡是正的。

讓我們考慮以下填充站，該填充站在壓縮機出口處遞送在30℃的溫度下的氣體，并且在下游冷卻至-40℃的溫度。如果源儲存器2中的氣體在15℃并且被加熱到45℃的溫度，這意味著需要將該氣體從45℃的溫度冷卻到-40℃的溫度。在這種情況下，冷單元的能耗增加了1265kj。

根據(jù)本發(fā)明，有可能重新利用在冷單元(交換器9)中消散的熱能來加熱源儲存器2。

有可能例如回收在冷卻單元9中消散的能量的50％與100％之間。此外，在填充站內(nèi)還可以使用其他熱源(壓縮機等)。

在具有在100巴的壓力下的罐的車輛和儲存在855巴的壓力下0.75m³體積的氫氣的源儲存器2的特殊情況下，與沒有加熱的解決方案相比，將源儲存器2的氣體加熱到55℃的溫度將使得有可能通過對壓力進行均衡而不使用壓縮機來完全填充該罐。

總體上，與無加熱的現(xiàn)有技術(shù)的解決方案相比，本發(fā)明允許插入另外0.3kg的氫氣。這對應(yīng)于節(jié)省大約25至30秒的壓縮機操作。

為了增加使用壓縮機的節(jié)省，壓縮機可以以交錯的時間開始(不恰好從填充開始時開始)。

在特定條件下，例如，最初為1.12分鐘的有利于操作壓縮機的時間可以減少到例如0.72分鐘。

本發(fā)明使得有可能例如減小所需壓縮機的尺寸和功率。

因此，根據(jù)使用條件，本發(fā)明的能量節(jié)省在幅度上變化。

當然，本發(fā)明可以應(yīng)用于除氫氣以外的任何其他類型的氣體。此外，本發(fā)明可以應(yīng)用于使用并聯(lián)聯(lián)接并連續(xù)或同時使用的數(shù)個源儲存器2的安裝(站)。