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CN105358897A - 用于填充气罐的方法和站 - Google Patents

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CN105358897A
CN105358897A CN201480037984.9A CN201480037984A CN105358897A CN 105358897 A CN105358897 A CN 105358897A CN 201480037984 A CN201480037984 A CN 201480037984A CN 105358897 A CN105358897 A CN 105358897A
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heat exchanger
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LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Abstract

一种经由填充站(100)用加压氢气填充罐(8)的方法，所述填充站包括至少一个缓冲容器(1，2)以及连接到所述至少一个缓冲容器(1，2)的流体线路(11，12，4，6)，所述填充站(100)的线路(11，12，4，6)包括连接到至少一个氢气源(14)的第一端(4)，所述线路(11，12，4，6)包括配备有输送管(6)的第二端，该输送管用于可拆卸地连接到待填充的罐(8)，所述方法包括冷却步骤(3)，通过在冷源(5)和氢气之间传递冷量对供应到所述罐(8)的氢气进行冷却，所述方法的特征在于，其包括在由所述源(14)供给的氢气被输送到所述至少一个缓冲容器(1，2)之前在净化部件(9，10)中净化该氢气的步骤，并且包括在净化步骤之前和/或过程中从所述冷源(5)向氢气传递冷量的步骤(13)。

Description

用于填充气罐的方法和站
技术领域
本发明涉及一种用于填充气罐的方法和站。
本发明更具体地涉及经由填充站用加压氢气填充一罐的方法，所述填充站包括至少一个缓冲容器以及连接到所述至少一个缓冲容器的流体线路，所述填充站的线路包括连接到至少一个气态氢气源的第一端，该第一端用于通过从所述源产生的气体对所述至少一个缓冲容器进行填充，所述线路包括第二端，该第二端配备有用于可拆卸地连接到待填充来自所述至少一个缓冲容器的氢气的所述罐的输送管道，所述方法包括冷却步骤，通过在冷源和氢气之间传递冷量对供给到所述罐的氢气进行冷却。
背景技术
通常通过利用处于高压(例如200，300，450或850巴)的缓冲容器与待填充的罐之间的相继平衡来执行对处于高压(例如300至800巴)的燃料气体(特别是氢气)的罐的快速填充(通常15分钟以内)。这种填充在必要时可以通过一个或多个压缩机加以增补或补充。
为了限制由于压缩的绝热性质造成所述罐中温度升高，燃料气体在进入所述罐之前被冷却到例如-40℃左右的温度。该冷却通常经由被供给制冷剂或低温流体的热交换器执行。这些方法在文献中有大量描述。
例如可以参考文献FR2919375A1，FR2973858A1和FR2919375A1，所述文献描述本发明可适用的填充站。
安装在车辆中的适用这种氢燃料的燃料电池(特别是“PEMFC”类型)必须被供给非常纯的氢气。大量文献描述了氢气中的杂质(例如水，CO，H2S)对燃料电池的性能和使用寿命的影响。因此开发出严格的标准以确保输送到罐的氢气不损伤电池(参见例如ISO14687-2标准)。
已知的且相对便宜的工业制造过程使得不可能持续地确保这种程度的纯度。
为了保证氢气的纯度水平，有必要在填充站的上游添加特别昂贵的净化步骤，例如在低温操作的吸附床层或钯膜上净化。
另一个解决方案包括向填充站供给液态——因此非常纯——的氢气，或通过电解。然而这些解决方案很昂贵。
发明内容
本发明的目的是缓解现有技术的上述缺点的全部或一部分。
为此，根据本发明并且根据上述的前序部分给出的一般定义的方法，本质上其特征在于，该方法包括在由所述源供给的氢气被输送到至少一个缓冲容器之前在净化部件中净化该氢气的步骤，并且在于，该方法包括在净化步骤之前和/或过程中从所述冷源向氢气传送冷量的步骤。
这使得有可能使用通过利用完全整合到填充站的标准技术或非标准技术的净化系统与填充站中的燃料电池的规格先验不相容的氢气源。
用于冷却填充气体和冷却净化系统的冷源(冷组)的结合使用允许进行节约和使所述站特别有效地运行。
此外，本发明的一些实施例可包括一个或多个下列特征：
-冷源与供给到罐的氢气之间的冷量传递经由与线路的氢气进行热交换的第一热交换器以及用于使热传递流体在冷源和第一热交换器之间循环/流通的环路执行，
-在净化步骤之前和/或过程中从所述冷源到氢气的冷量传递经由进行热交换的第二热交换器以及用于使热传递流体在冷源和第二热交换器之间流通的环路执行，
-净化步骤使用至少一个净化部件，其选自：变压吸附(PSA或TSA)分离装置，
-冷源包括以下至少一种：液化气如氮气的储备，各种质量浓度的乙二醇水溶液，氨溶液，丙烷，或任何其它制冷剂，
-填充站的线路包括至少一个压缩部件，其用于压缩加压气体以填充所述至少一个缓冲容器，
-该方法包括在压缩部件的出口处的压缩气体和净化部件之间传递热量的步骤，
-所述净化部件根据一循环进行操作，该循环包括气体净化阶段和再生阶段，在压缩部件的出口处的压缩气体与净化部件之间传递热量的步骤在净化部件的再生阶段过程中执行，
-用于从压缩部件的出口处的压缩气体向净化部件选择性地传递热量的线路包括定位于压缩部件的出口处的与压缩部件的出口处的气体进行热交换的第三热交换器，以及使第三热交换器选择性地连接至净化部件和/或第二热交换器的热传递流体管道。
本发明还涉及一种用于加压气态氢罐的填充站，该填充站包括：设置成用于容纳加压气态氢的至少一个缓冲容器；具有多个阀的流体线路，所述线路被连接至所述至少一个缓冲容器并包括用于连接到至少一个气态氢源以便能够通过由至少一个源供给的气体填充所述至少一个缓冲容器的第一端，所述线路还包括第二端，该第二端包括用于可拆卸地连接至罐以便从所述至少一个缓冲容器填充所述罐的填充管道；所述站包括冷量的冷源以及用于从冷源向线路第二端的氢气选择性地传递冷量的线路；所述站还包括用于从冷源向净化部件的上游和/或同级(水平，niveau)的线路第一端的氢气选择性地传递冷量的线路。
根据其它可能的具体特征：
-用于从冷源向线路第二端的气体选择性地传递冷量的线路包括与线路的气体进行热交换的第一热交换器，和用于在冷源与第一热交换器之间流通热传递流体的环路，
-用于从冷源向净化部件的上游或同级的线路第一端的氢气选择性地传递冷量的线路包括进行热交换的第二热交换器和用于在冷源与第二热交换器之间流通热传递流体的环路，
-第一热交换器和第二热交换器被结合在同一个外壳中，
-填充站的线路包括至少一个压缩部件，例如压缩机，以便压缩氢气从而填充所述至少一个缓冲容器，所述净化部件包括根据一循环运行的一个或多个变压吸附型吸附剂床层，所述循环包括气体净化阶段和再生阶段，并且所述站包括用于从压缩部件出口处的压缩气体向净化部件选择性地传递热量的线路，
-所述净化部件包括变压吸附(PSA或TPSA)分离装置，其包括循环且交替运行类型的数个吸附剂床层，特别是使用变温和变压吸附(TPSA)的类型的装置。
本发明也可以涉及包括上文或下文的特征的任意组合的任何替代装置或方法。
附图说明
其它具体特征和优点将通过阅读以下参照附图给出的描述变得显而易见，在附图中：
-图1是示意性局部视图，示出了根据本发明的一个可能的示例性实施例的填充站的结构和运行，
-图2是示意性局部视图，示出了根据另一可能的实施例的图1的站的细节。
具体实施方式
通过非限制性示例的方式示出的填充站100是设置成用于在高压下(例如在300和850巴之间的压力)填充气态氢的罐8的站。
传统地，填充站100包括数个缓冲容器1，2(在这个非限制性示例中为两个，但可以是一个、三个或三个以上)。
每个缓冲容器1、2是设置用于容纳被加压至例如分别为450巴和850巴的给定压力的气态氢的一个或一组罐。站100包括流体线路11、12、18、4、6，所述流体线路包括多个管道和阀。该线路被连接到缓冲容器1、2。该线路包括用于连接到至少一个气态氢源14以便能够用来自源14的气体填充缓冲容器1、2的第一端4。
氢气的源14可常规地包含以下至少一种：处于1.3barabs(巴，绝对压力)至200barabs之间的压力下的氢气网络，以及用于产生氢气的部件如电解槽，天然气重整装置(“SMR”)，甲醇裂化装置，自热重整(“ATR”)装置，部分氧化(“POX”)装置等。
所述线路包括配备有至少一个填充管6的第二端，该填充管旨在(经由适当的连接器66)可拆卸地连接至待填充的罐8。
更具体地，缓冲容器1、2经由各自的阀11、12并联连接至填充管6。
同样，一个、两个或两个以上的气体源14可以经由各自的阀并联连接至填充管6(在第一端)。
填充管6可在连接器66的上游包括压缩机7。当然，也可以设想并联或串联的若干个压缩机。
压缩机7可配备有上游阀和下游阀(为简化起见未显示)。
如图所示，可设置用于绕过压缩机7的旁通管18。旁通管18可包括两个阀20和19，并且可以是将缓冲容器1、2连接至填充管6的收集管。
这个旁通管18也使得能够经由压缩机7填充缓冲容器1、2。
站100还在第一端4包括用于净化由所述源提供的氢气的部件9、10，其优选处于压缩机7的上游。净化部件优选包括已知的变温和变压吸附(TPSA)分离装置，该分离装置包括一个和优选多个吸附剂床层(分子筛和/或活性炭)。例如，并且如图所示，净化部件9、10包括并行定位在线路中的两个吸附剂床层(沸石或其他)。由源14提供的气体通过阀系统被交替地接纳到吸附器9、10的一个然后另一个内，吸附器9、10交替运行(吸附期间，一个在相对高温和低压的条件下再生，另一个在相对低温和高压的条件下吸附)。例如，其可以是具有同轴床层的TSA类型。为简化起见，图1未示出用于确保罐9和10的压力下降或温度上升以及从吸附器9、10中的一个向另一个过渡到生产模式所需的(而且已知的)所有管道和阀。
所述站100还在输送管6包括对供给到罐8的气体进行选择性冷却(即，受控冷却)的系统(例如氢气被冷却到-196℃至-40℃之间的低温)。如图1所示，该冷却可常规地经由与线路的气体进行热交换的第一热交换器3和用于在冷源5与第一热交换器3之间流通/循环热传递流体的环路33来执行。传统地，这种流通环路33可包括为简化起见未显示的阀和/或泵。
冷源5可包括以下至少一种：液化气如氮气的储备，各种质量浓度的乙二醇水溶液，氨水溶液，丙烷，或任何其它合适的制冷剂。
所述站100还包括在净化步骤之前或过程中在冷源5与气体之间选择性地传递冷量(选择性地是指优选地能根据制冷要求控制强度)。为此，所述站100可包括与净化部件9、10的入口处的气体进行热交换的第二热交换器13，和用于在冷源5和第二热交换器3之间流通热传递流体的环路113。当然，可以设置用于冷却进入净化部件9、10的气体和/或用于冷却净化部件9、10自身的任何其它系统。
对气体和/或净化部件9、10的这种冷却在净化阶段(气体进入吸附剂和吸附杂质的过程中)对于净化部件、特别是对于变温吸附(TSA)净化装置的效率特别有利。
如图所示，线路可包括配备有阀22的输送管16，使得可以通过来自第二吸附器10的气体(氢气)吹扫第一吸附器9，以便在再生阶段进行所述第一吸附器的洗脱步骤(可设置另一输送管(未显示)以便执行用来自第一吸附器9的气体反向吹扫第二吸附器10)。
这种结构和该操作使冷源5在站100内能交互作用并改进组件的效率。
净化部件9、10可以在必要时要求临时的再加热，例如TSA型吸附器可能要求在再生阶段(温度例如在200至300℃之间)再加热。为此，所述站100可另外包括用于在压缩机7出口处的压缩气体与净化部件9、10之间传递热量的系统16、17。例如，可在压缩部件7的出口处设置第三热交换器17以便与压缩氢气进行热交换，以及输送管16可在再生阶段吹扫吸附器10之前选择性地通入该第三热交换器17。
此外，可任选地设置气体的附加再热器21。例如，电再热器21定位于输送管6中。所述电再热器21例如定位于沿吹扫气体的流动方向的第三热交换器17的下游。
这使得可以再加热吸附器9、10，同时冷却离开压缩机7的气体。如有必要，在第三热交换器17的下游侧，线路可包括用于冷却气体的第四交换器23，该交换器例如通过水线路24被供给制冷流体。
这种架构保证了所述站100的高效经济的运行。
填充站100的运行可包括两个分开的阶段。
在第一运行阶段，所述(多个)缓冲容器1、2可以被填充以气体。由源14提供的气态氢在净化部件9、10中被净化，然后被压缩并注入到缓冲容器1、2中。从容器1、2中的一个切换到另一个的填充可在被填充的容器1、2的压力达到其标称压力(通常在450至850巴之间)时执行。缓冲容器1、2的填充可以在例如其内部压力低于阈值(例如分别为350和700巴)时开始。所述步骤不一定是连续的。在第一阶段期间，源5向第二热交换器13供给冷却动力。
在第二运行阶段，一个或一些罐8通过站100填充。例如，罐8被填充至700巴的压力。罐9与缓冲容器1、2依次均衡化。从缓冲容器1、2中的一个到另一个的切换可在缓冲容器1、2与目标罐8之间的压差低于预定阈值时执行。根据罐8中的初始压力，压力均衡步骤可以省略。在已知的方式中，如果必要并且任选地，压缩机7可以完善或补充该填充过程。在这个第二阶段期间，冷源5向第一热交换器3供给冷却动力。
因此，可以设置相同的冷组5以便向第一热交换器3和第二热交换器13供给冷却动力，以及冷却气体以用于其净化并且冷却填充过程中的净化气体。
如图2示意性地示出，第一热交换器3和第二热交换器13有利地共享相同的外壳，即，结合在相同的物理实体内，形成所述站中的单个热交换器。
作为变型，冷却剂可在吸附器处于生产模式时直接冷却吸附器9、10。
同样地，必要时，可以在压缩机7的入口处任选地设置热交换器(未显示)以便在压缩机不能容许冷的气体时再加热所述气体。
本发明使得有可能降低填充站的成本、整体尺寸和能量消耗。

Claims (12)

1.一种经由填充站(100)用加压氢气填充罐(8)的方法，所述填充站包括至少一个缓冲容器(1，2)以及连接到所述至少一个缓冲容器(1，2)的流体线路(11，12，4，6)，所述填充站(100)的线路(11，12，4，6)包括连接到至少一个气态氢源(14)的第一端(4)，用于利用来自所述源(14)的气体对所述至少一个缓冲容器(1，2)进行填充，所述线路(11，12，4，6)包括配备有输送管(6)的第二端，该输送管用于可拆卸地连接到待利用来自所述至少一个缓冲容器(1，2)的氢气填充的所述罐(8)，所述方法包括冷却步骤(3)，通过在冷源(5)和氢气之间传递冷量对供应到所述罐(8)的氢气进行冷却，所述方法的特征在于，其包括在由所述源(14)供给的氢气被输送到所述至少一个缓冲容器(1，2)之前在净化部件(9，10)中净化该氢气的步骤，并且包括在净化步骤之前和/或过程中从所述冷源(5)向氢气传递冷量的步骤(13)，并且所述净化步骤使用选自变压吸附(PSA或TSA)分离装置的至少一个净化部件。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述冷源(5)与供给到罐(8)的氢气之间的冷量传递经由与线路的氢气进行热交换的第一热交换器(3)以及用于使热传递流体在冷源(5)和第一热交换器(3)之间循环的环路(33)执行。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述净化步骤之前和/或过程中从所述冷源(5)到氢气的冷量传递经由进行热交换的第二热交换器(13)以及用于使热传递流体在冷源(5)和第二热交换器(3)之间循环的环路(113)执行。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述冷源(5)包括以下至少一种：液化气如氮气的储备，各种质量浓度的乙二醇水溶液，氨溶液，丙烷，或任何其它制冷剂。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述填充站(100)的线路(11，12，4，6)包括至少一个压缩部件(7)，其用于压缩加压气体以填充所述至少一个缓冲容器(1，2)。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括在压缩部件(7)的出口处的压缩气体和净化部件(9，10)之间传递热量的步骤(16)。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述净化部件(9,10)根据一循环进行操作，该循环包括气体净化阶段和再生阶段，并且在压缩部件(7)的出口处的压缩气体与净化部件(9，10)之间传递热量的步骤(16)在净化部件(9，10)的再生阶段过程中执行。
8.一种用于加压气态氢罐的填充站，该填充站包括：设置用于容纳加压气态氢的至少一个缓冲容器(1，2)；具有多个阀的流体线路(11，12，18，4，6)，所述线路(11，12，18，4，6)连接至所述至少一个缓冲容器(1，2)并包括用于连接到至少一个气态氢源(14)的第一端，以便能够通过由至少一个源(14)供给的气体填充所述至少一个缓冲容器(1，2)，所述线路(11，12，18，4，6)包括具有填充管(6)的第二端，该填充管用于可拆卸地连接至罐(8)以便从所述至少一个缓冲容器(1，2)填充所述罐(8)；所述站(100)包括冷量的冷源(5)以及用于从冷源(5)向所述线路第二端处的氢气选择性地传递冷量的线路(33，3)，所述站(100)的特征在于，其还包括用于净化氢气的部件(9，10)，该部件选自变压吸附(PSA或TSA)分离装置，和用于从冷源(5)向净化部件(9，10)的上游或同级的线路第一端的氢气选择性地传递冷量的线路(113，13)。
9.根据权利要求8所述的站，其特征在于，所述用于从冷源(5)向线路第二端的气体选择性地传递冷量的线路(33，3)包括与线路的气体进行热交换的第一热交换器(3)，和用于使热传递流体在冷源(5)与第一热交换器(3)之间循环的环路(33)。
10.根据权利要求8或9所述的站，其特征在于，所述用于从冷源(5)向净化部件(9,10)的上游或同级的线路第一端的氢气选择性地传递冷量的线路(113，13)包括进行热交换的第二热交换器(13)和用于使热传递流体在冷源(5)与第二热交换器(3)之间循环的环路(113)。
11.根据权利要求9和10所述的站，其特征在于，所述第一热交换器(3)和第二热交换器(13)被结合在同一个外壳(15)中。
12.根据权利要求8至11中任一项所述的站，其特征在于，所述填充站(100)的线路(11，12，4，6)包括至少一个压缩部件(7)，例如压缩机，以便压缩氢气从而填充所述至少一个缓冲容器(1，2)，所述净化部件(9，10)包括根据一循环运行的一个或多个变压吸附型(PSA或TSA)吸附剂床层，所述循环包括气体净化阶段和再生阶段，所述站包括用于从压缩部件(7)出口处的压缩气体向净化部件(9，10)选择性地传递热量的线路(6)。
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