[发明专利]储罐填充装置和方法

说明书

本发明涉及一种用于填充储罐的装置和方法。

更特别地，本发明涉及一种用于用加压气体、特别是用加压氢气填充储罐的装置，该装置包括加压气体源和用于将气体从该气体源输送到该储罐的线路，该输送线路包括一元件，该元件用于膨胀和冷却该气体，从而将来自于该气体源的气体的压力和温度降低至各自的为填充该储罐起见而确定的值。

本发明特别地应用于填充高压氢气储罐，例如填充压力在200和1000bar之间、例如在300和800bar之间的储罐。

特别地，对于用氢气作为能量来源的机动车应用，该储罐必须被比较快速地(几分钟)填充。氢气的绝热压缩导致加热，这可能与储罐的结构特点不相容。然而，限制该加热的慢速填充(几十分钟)与用户例如在服务站的要求不相容。由于这些原因，必须小心地控制对该储罐的填充。

填充总体上使用一个或多个压缩机和/或缓冲容器，以允许储罐被“级联地”填充。已知的解决方案特别地包括在高压气体进入储罐之前冷却该高压气体，以补偿该加热。

典型地，使用冷却单元或液氮贮器和冷却回路来实现冷却。

然而，该设备比较昂贵，且很难控制实现足够有效的快速填充。

本发明的一个目的是减少如上所述的现有技术的一些或所有缺点。为此，根据本发明的装置，除了与上文前序部分提供的通用定义相匹配之外，其本质上的特征在于气体膨胀和冷却元件包括制冷器，该制冷器使用Stirling或Ericsson热动力循环来保证气体膨胀，其中该制冷器选择性地被供应以来自于气体源的气体，并且其中供应至储罐的冷却和膨胀后的气体的至少一部分从该制冷器抽出。

该特征是非常有用的，特别是对于快速填充高压储罐，例如在用于机动车的氢气分配站的那些高压储罐。本发明能够实现从加压至例如1000bar的气体源、能够在少于3分钟内用高达例如850bar的氢气填充空机动车的储罐的膨胀和冷却。在该过程期间，由制冷器形成的膨胀阀通过从气体提取压力能来供应冷气体，这防止该快速填充使该储罐过热。事实上，由于使用执行传统的能量提取的膨胀阀不能实施已有的氢气分配方法，因此使用从技术和逻辑的角度而言更昂贵且更复杂的冷却系统、例如冷却单元或液氮来避免储罐的过热。本发明使得该缺点能够被部分或完全地克服。

“制冷”或“制冷器”指用于通过Stirling或Ericsson热动力循环制冷的热动力工艺，该热动力循环特别地用于低温设备。

在冷却设备中，循环气体首先被压缩，理想地在环境温度下被等温压缩。伴随着能量提取，压缩后的气体膨胀，以产生冷气体，该冷气体被用作冷却剂，以冷却热系统或预冷分级制冷器中的不同温度级。

Claude循环制冷器及其衍生物可以结合多种热动力循环，例如Brayton和Joule Thomson循环。在用于产生热和电力的热电联产设备中，通常实施的一种方法包括在使气体膨胀之前将该气体压缩和加热到较高的温度。在这种情况下，在气体在被再注入到该循环或用作用于热系统——该热系统在较低的温度下(例如30℃和100℃之间)工作——的传热流体之前，伴随着能量提取的膨胀使得该气体能够被冷却到较低的温度水平。典型地，高压高温气体被用作用于在高温下工作的应用的传热流体，然后温度较低的膨胀后的气体被用作用于在中等温度下工作的应用的传热流体。

伴随着热量提取，气体从给定的压力点到更低的压力点的膨胀在当前通过两种技术实施。第一种技术包括旋转机器(具有旋转机构的涡轮机)，第二种技术包括机械膨胀阀(具有轴向平移机构的活塞)。移动该通过气体的体积膨胀工作的旋转机构(涡轮机)或平移机构(活塞)，能够将压力能转换成机械能。使用具有交换器的压缩系统、具有交流发电机的电力系统或在适当的情况下直接作为原动力，可以以热量的形式回收产生的机械能。压力能的转换产生机械能和压力和温度水平较低的冷气体。由于产生的机械能被从气体中提取出，因此该气体以较低的能量水平从膨胀阀排出。

上述已知的膨胀阀的主要缺点在于移动部件和机构能够承受的压力下降的限制(通常高达约100巴)。该限制使得设备更复杂，需要该设备通过多个串联布置的膨胀阀来分阶段地实现压力下降。本发明使得该缺点被完全克服。

因此，本发明提出一种使用Stirling或Ericsson循环来转换气体的压力能，从而提取能量的技术。该装置使用伴随着能量提取的膨胀，例如根据至少一条下述标准：

–原料气体以给定的压力和温度被供应，并例如全部膨胀到较低的压力和温度水平，

–转换后的压力能以热量、电力或在适当的情况下原动力的形式被提取，