[发明专利]热力氢压缩机

说明书

技术领域

本发明总体涉及提高从源输送到目标的气体的压力的压缩机，更具体而言，涉及提高从氢源输送到高压罐的氢气的压力的热力氢压缩机，其中，压缩机包括被选择性地加热和冷却的串联的压力容器，使得气体通过压力容器从源流到罐，其中串联的压力容器中从压力容器到压力容器的压力是增加的。

背景技术

氢是一种非常有吸引力的燃料，因为它是清洁的，并且能够用于在燃料电池中有效地产生电。氢燃料电池是一种包括阳极和阴极以及它们之间的电解质的电化学装置。阳极接收氢气，阴极接收氧或空气。氢气在阳极中解离从而生成自由质子和电子。质子通过电解质到达阴极。质子在阴极与氧及电子反应以生成水。来自阳极的电子不能够通过电解质，因此在被送到阴极之前被引导通过负载来做功。所述功用于操作车辆。

通常，氢存储在车辆上的处于高压下的压缩气罐中以便为燃料电池系统提供所需的氢。压缩罐中的压力可高达700 bar（70MPa）。在一个已知设计中，压缩罐包括为氢提供气密的密封的塑料内衬和提供罐的结构完整性的外部碳纤维复合层。由于氢是非常轻且易扩散的气体，内衬和例如O形环的罐连接部件必须被精心设计以防止泄露。氢通过管道从罐离开。通常提供至少一个压力调节器，该压力调节器将罐内的氢气压力降低到适于燃料电池系统的压力。

需要提供加燃料站网络，因为燃料电池车辆变得更受欢迎以及商业上可应用。这种加燃料站网络最初将以有限的方式提供，其中，城市中心可能将首先具有这种加燃料站，并且加燃料站的数量将从这里扩展。由于该有限数量的加燃料站，已经提出了要提供家用加燃料装置，其产生氢气，并将氢气以高压提供到车辆存储罐。可以使用该家用加燃料装置加满燃料存储系统，使得消费者在每天早上可以用满罐的氢气起动。这种家用加燃料装置将需要比较便宜并且适当尺寸。

可以使用商业上可用的电解装置来将水分解为氢和氧成分，其中，氧通常被丢弃。现有技术的电解装置通常能够提供高达2000PSI（13.5MPa）压力的氢气。由于与氢和氧是一种可燃混合物相关的各种问题，对电解装置最终能够产生的压力量有限制，其远低于10000PSI（70MPa），这是燃料电池罐在15°安定下来的压力。这些问题包括当高压氧包含在系统中时氢的纯度以及通过用于分离气体的膜的氢交叉问题。

当压缩气体时大部分消耗的能量在压力斜坡的低端。这是因为能量与压力的关系是log₂关系。例如，在15℃将氢从大气压压缩到70MPa所需要的能量理论上是2.01kWh/kg，而在15℃将氢压缩到13.5MPa所需要的能量理论上是1.48kWh/kg。在13.5MPa情况下，已经做了70MPa情况下的压缩功的74%，仅有0.53 kWh/kg的理论功没有做。电解氢需要的能量通常是50-60kWh/kg。40 kWh/kg是理论极限，因此不太可能对该值进行显著改进。由于现有技术的电解装置能够提供大约13.5MPa的氢，因此将氢从大气压提高到70MPa所需功的大部分已经在电解装置的出口处实现。

发明内容

根据本发明的教导，公开了一种压缩机，其可应用于压缩氢气。压缩机从源接收基本压力的气体，并以较高的压力将气体提供给目标。压缩机包括串联的压力容器，以及容器之间的单向阀，其中第一压力容器联接到源，最后一个压力容器联接到目标。在一段时间内，串联的压力容器中的每隔一个压力容器从联接到源的压力容器开始被加热。由于加热的压力容器中的压力因加热而升高，因此气体被发送到串联的压力容器中的下一个压力容器。在一段时间之后，其它的交替顺序的压力容器被加热以使气体沿着串联的压力容器从源移动到目标。

此外，本发明还涉及以下技术方案。

1. 一种气体压缩机，所述气体压缩机用于压缩由源提供的气体，并将该压缩的气体传送到目标，所述压缩机包括：

串联设置的多个压力容器，其中，所述压力容器中的第一个流体地联接到所述源，所述压力容器中的最后一个流体地联接到所述目标；

多个单向阀，包括在所述源和所述串联的压力容器中的第一压力容器之间的气体管线中的单向阀、在每个所述压力容器之间的气体管线中的单向阀、以及在所述串联的压力容器中的最后一个压力容器和所述目标之间的气体管线中的单向阀；

第一加热器，所述第一加热器联接到所述串联的压力容器中的第一压力容器以及之后的每隔一个的压力容器；以及