專(zhuān)利名稱(chēng)：用低沸點(diǎn)永久氣體或氣體混合物充填壓力容器的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用低沸點(diǎn)永久氣體或氣體混合物充填壓力容器的方法。
背景技術(shù)：
術(shù)語(yǔ)“永久氣體或氣體混合物”在這里應(yīng)指這樣一些氣體或氣體混合物，即，它們基于其臨界溫度的狀況在室溫下僅通過(guò)提高壓力不能液化。其中特別有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的尤其是氫和天然氣，它們例如作為供能者用于燃料電池驅(qū)動(dòng)裝置的汽車(chē)油箱內(nèi)。
為了使氣體能以高的儲(chǔ)存密度存儲(chǔ)，或以液態(tài)或處于高壓下的氣態(tài)進(jìn)行存儲(chǔ)。以液態(tài)存儲(chǔ)雖然可以實(shí)現(xiàn)很高的儲(chǔ)存密度，然而這種儲(chǔ)存只有在容忍或多或少的大量汽化損失的情況下才有可能，即使在良好隔熱的容器中這種汽化損失也不可避免。
為了氣體的加壓儲(chǔ)存，迄今主要使用壓縮機(jī)，它允許在壓力容器內(nèi)的工作壓力約為200bar。但壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行非常復(fù)雜，此外在一些更新的應(yīng)用場(chǎng)合，尤其在燃料電池技術(shù)中，要求高得多的壓力為700bar或更大。這種壓力借助傳統(tǒng)的壓縮技術(shù)不能或只有付出不合理的高費(fèi)用的情況下才能實(shí)現(xiàn)。
例如在EP-0 033 386 A1或WO 99/5465中說(shuō)明的冷充填的方法提供了一條出路。其中，充入壓力容器內(nèi)的氣體在充填前液化或冷卻到一個(gè)只略高于其沸點(diǎn)的溫度。作為優(yōu)選的冷卻劑在這里采用液氮。因?yàn)樵诶鋮s時(shí)(壓力保持不變)氣體體積大體與溫度成比例，以此方式實(shí)現(xiàn)將有效的存儲(chǔ)容量提高約2-3倍。因?yàn)樵谌萜骷訜釙r(shí)內(nèi)壓急劇升高，所以或需要容器良好隔熱，或容器必須針對(duì)高的內(nèi)壓設(shè)計(jì)。
已知的冷充填的方法存在嚴(yán)重的缺點(diǎn)。一方面氫的液化只有在付出很高的費(fèi)用下才有可能。另一方面，用冷的氣體充填壓力容器在充填過(guò)程中通過(guò)與要充填的壓力容器接觸已經(jīng)導(dǎo)致氣體被加熱并因而導(dǎo)致氣體膨脹，因此緊接著壓力增大并因而顯著減小可達(dá)到的存儲(chǔ)容量。

發(fā)明內(nèi)容
因此本發(fā)明的目的是提供一種低成本的方法和設(shè)備用于壓力容器的氣體充填，這種方法允許高壓存儲(chǔ)。
通過(guò)具有權(quán)利要求1特征的方法達(dá)到此目的。
按本發(fā)明，壓力容器在輸入充填氣體前或輸入充填氣體期間進(jìn)行冷卻。因此充填氣體在充入時(shí)在容器壁上強(qiáng)烈冷卻并因而減小其體積。因?yàn)閴毫θ萜鞅焕鋮s，與按先有技術(shù)的冷充填法不同，在充填過(guò)程中通過(guò)與壓力容器接觸不導(dǎo)致部分抵消壓縮作用。因此在壓力容器隨后的加熱時(shí)可達(dá)到提高內(nèi)壓至充填壓力的五倍。
充填氣體既可在熱態(tài)也可在冷態(tài)輸入壓力容器。不過(guò)，在壓力容器預(yù)冷的情況下可以進(jìn)一步提高有效的存儲(chǔ)容量。例如借助液氮可實(shí)現(xiàn)一種恰當(dāng)?shù)睦鋮s。
可達(dá)到的存儲(chǔ)容量決定性地取決于充填時(shí)充填氣體的壓力。當(dāng)充填壓力高于100bar以及溫度為77k(-196℃)時(shí)，在按本發(fā)明的方法中，壓力可升高約五倍。若充填時(shí)充填氣體處于例如200至250bar的壓力，則在當(dāng)代的復(fù)合容器內(nèi)也能達(dá)到允許的內(nèi)壓為1000至1200bar以上。
特別有利的是，壓力容器在輸入充填氣體前在一冷卻劑浴槽內(nèi)用液氮冷卻，并在這種情況下被置于一個(gè)至少近似等于液氮溫度的溫度。
優(yōu)選地，充填氣體通過(guò)與壓力容器和/或在預(yù)冷器內(nèi)的熱接觸被置于一個(gè)高于其沸點(diǎn)的溫度，也就是說(shuō)充填氣體在氣態(tài)下充入。因此尤其在采用氫的情況下充填氣體非常昂貴的液化可以取消。
按本發(fā)明的目的還通過(guò)具有權(quán)利要求6特征的設(shè)備達(dá)到。
按本發(fā)明的設(shè)備有一冷卻劑浴槽，它可加注冷卻劑，例如氮，以及適用于可拆式地安置至少一個(gè)壓力容器。此外，按本發(fā)明的設(shè)備有一根充填管，用于將一種充填氣體，例如氫，充填一個(gè)或多個(gè)壓力容器，充填管與充填氣體存儲(chǔ)器，例如貯罐、管路或氣體發(fā)生器在流動(dòng)上連接起來(lái)并配備有用于可拆式地與壓力容器連接的連接件。
作為用氫充填壓力容器的充填氣體存儲(chǔ)器，按一種優(yōu)選的實(shí)施形式采用氫燃料中壓罐，它允許長(zhǎng)期儲(chǔ)存液態(tài)氫。
恰當(dāng)?shù)?，充填管在充填氣體存儲(chǔ)器與所述壓力容器連接件之間通過(guò)一個(gè)借助冷卻劑，優(yōu)選液態(tài)氮工作的換熱器，它將充填氣體冷卻到至少近似于冷卻劑的溫度，亦即例如液氮的溫度。
按本發(fā)明方法優(yōu)選的應(yīng)用在于充填壓力容器，例如汽車(chē)燃料箱或用于移動(dòng)式無(wú)線電設(shè)備或賽車(chē)跑道末端(Lap tops)的蓄能器。燃料電池驅(qū)動(dòng)裝置越來(lái)越多地大量替代傳統(tǒng)的汽車(chē)驅(qū)動(dòng)裝置。燃料電池需要一種化學(xué)的能量載體作為反應(yīng)物(Reaktanden)，通常是氫和氧。類(lèi)似于在內(nèi)燃機(jī)中那樣，氧大多可以從環(huán)境的空氣中提取，而氫需要存儲(chǔ)系統(tǒng)。在這里，氫或直接儲(chǔ)存，或作為另一種原料(如甲醇或天然氣)的組成部分儲(chǔ)存。然而形式上為甲醇的氫的儲(chǔ)存需要比較復(fù)雜和昂貴的使氫的能量能加以利用的系統(tǒng)(轉(zhuǎn)化器)，而在壓力下直接儲(chǔ)存尤其氣態(tài)氫的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單和使用比較方便。小體積的燃料電池例如可用作賽車(chē)跑道末端(Lap tops)或移動(dòng)電話理想的能源。


下面應(yīng)借助附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施例。
唯一的圖(圖1)示意表示按本發(fā)明的用于給壓力容器充注氫的設(shè)備。
具體實(shí)施例方式
設(shè)備1包括一個(gè)冷卻劑浴槽2，在其上部區(qū)內(nèi)設(shè)輸入口4，用于要充填的壓力容器5。冷卻劑浴槽2通過(guò)管路7與液氮的貯罐8流動(dòng)連接。在工作狀態(tài)，冷卻劑浴槽2以這樣的方式加注液氮3，即，在置入壓力容器5后使它們至少基本上被液氮3繞流。冷卻劑浴槽的外壁設(shè)隔熱裝置6，通過(guò)它防止液氮3從冷卻劑浴槽2快速汽化。排氣管9用于引出汽化的氮。
與冷卻劑浴槽2的輸入口4相隔一定距離處設(shè)連接件10，它經(jīng)由充填管11與氫存儲(chǔ)器12流動(dòng)連接。作為氫存儲(chǔ)器12例如可采用一壓力罐，其中在例如200bar的高壓下儲(chǔ)存處于室溫的氫，或也可采用一隔熱的中壓罐，它灌裝液化的氫。連接件10設(shè)一個(gè)或多個(gè)充填軟管14，它們可以可拆式地與壓力容器5連接。充填軟管14的數(shù)量按照可連接在連接件10上的壓力容器5的最大數(shù)量確定。因此在本實(shí)施例中總共存在五個(gè)充填軟管14。
在按規(guī)定使用設(shè)備1時(shí)，要充填的壓力容器5插入已灌裝液氮3的冷卻劑浴槽2的輸入口4內(nèi)，并以圖中未表示的方式可拆式地固定在那里。在壓力容器5置入時(shí)，從冷卻劑浴槽2汽化一部分液氮3并通過(guò)排氣管9引出。這一部分用從貯罐8取出的液氮代替。在冷卻劑浴槽2的工作狀態(tài)，壓力容器5基本上被液氮3環(huán)繞。
接著，壓力容器5與充填軟管14連接以及打開(kāi)壓力容器5上的閥17。規(guī)定用于充填壓力容器5的氫取自氫存儲(chǔ)器12。它可以在換熱器16內(nèi)預(yù)冷卻。在這里，換熱器16或借助液氮工作，液氮例如可直接通過(guò)管路19取自貯罐8，或借助在冷卻劑浴槽2內(nèi)汽化的冷的氣態(tài)氮，它通過(guò)包括排氣管9的流動(dòng)連接裝置18引入。通過(guò)后者可以更好地利用氮的冷卻能量并因而提高此方法的經(jīng)濟(jì)性。
也可以將氫在冷的氣態(tài)或液態(tài)下從中壓罐取出。在這種情況下可以取消換熱器17的中間連接。
優(yōu)選地，在氫存儲(chǔ)器12內(nèi)的氫處于壓力狀態(tài)和/或在到達(dá)連接件10前通過(guò)恰當(dāng)?shù)难b置，例如壓縮機(jī)，置于某一個(gè)充填壓力下。還可以設(shè)想將一個(gè)已經(jīng)在設(shè)備1中在高壓下充填的壓力容器5用作充填另一些優(yōu)選地較小的壓力容器的氫存儲(chǔ)器12。
氫通過(guò)連接件10流入充填軟管14，從那里流入壓力容器5。由于在換熱器17內(nèi)冷卻或通過(guò)與被置于氮溫度的壓力容器5接觸，氫被強(qiáng)烈壓縮。充填過(guò)程可隨時(shí)地還在達(dá)到壓力容器5與氫存儲(chǔ)器12之間壓力平衡之前結(jié)束。在充填過(guò)程結(jié)束后將閥16關(guān)閉以及將壓力容器從冷卻劑浴槽2取出。由于緊接著壓力容器5加熱到外界溫度，所以在容器內(nèi)壓力發(fā)生急劇升高到工作壓力為例如400至1200bar，采用傳統(tǒng)的壓縮技術(shù)這種壓力只有在付出不成比例的高的費(fèi)用的情況下才能實(shí)現(xiàn)。
此方法可以極快速地充填壓力容器，避免在按先有技術(shù)的方法中由于與熱容器接觸使充入的冷氣體加熱因而減少氣體壓縮的效應(yīng)。此設(shè)備尤其適用于充填汽車(chē)燃料箱。這種在中級(jí)轎車(chē)中可具有100l至500l容量的燃料箱，可例如再分成互相可隔開(kāi)的分別有容量為10-50l的模塊。為了充填，這些模塊分別浸入有液氮的浴槽內(nèi)并充填氣體燃料，例如氫或天然氣。按本發(fā)明設(shè)備的另一種應(yīng)用可能性是充填小容積的壓力容器或燃料電池系統(tǒng)的料筒，它們可例如用作移動(dòng)電話或手提計(jì)算機(jī)的電源。
舉例將氫從作為氫存儲(chǔ)器12的一個(gè)200bar瓶來(lái)引入到一個(gè)10l容量的壓力容器5內(nèi)。壓力容器5在充填過(guò)程中浸入溫度約77k(-196℃)的液態(tài)內(nèi)。在這里原則上不需要預(yù)冷引入的氫，但預(yù)冷有利于提高經(jīng)濟(jì)性。氫從存儲(chǔ)器通過(guò)已打開(kāi)的閥16流入裝好的壓力容器5內(nèi)并在其中冷卻。在大約2分鐘后，在瓶束與壓力容器之間處于壓力平衡狀態(tài)，在壓力容器內(nèi)達(dá)到最大可能的氫密度。充填過(guò)程通過(guò)截止閥16關(guān)閉。接著將壓力容器從冷卻劑浴槽取出。在緊接著的壓力容器加熱到外界溫度時(shí)，在壓力容器內(nèi)的壓力約達(dá)到1000bar。
附圖標(biāo)記一覽表1 氫存儲(chǔ)系統(tǒng)2 冷卻劑浴槽3 液態(tài)氮4 輸入口5 壓力容器6 隔熱裝置7 管路8 貯罐9 排汽管10 連接件11 充填管12 氫存儲(chǔ)器13 -14 充填軟管15 -16 閥17 換熱器18 流動(dòng)連接裝置19 管路
權(quán)利要求
1.用低沸點(diǎn)的永久氣體或氣體混合物充填壓力容器(5)的方法，其中，一種氣體或氣體混合物作為充填氣體輸入壓力容器(5)，其中，壓力容器(5)在輸入充填氣體前和/或輸入充填氣體期間進(jìn)行冷卻。
2.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征為充填氣體在輸入壓力容器(5)前在一個(gè)預(yù)冷器(17)內(nèi)進(jìn)行冷卻。
3.按照前列諸權(quán)利要求之一所述的方法，其特征為充填氣體在預(yù)定的充填壓力，優(yōu)選地大于100bar的情況下輸入壓力容器(5)。
4.按照前列諸權(quán)利要求之一所述的方法，其特征為壓力容器(5)在輸入充填氣體前在冷卻劑溶槽(2)內(nèi)用液氮(3)冷卻，并因而被置于至少近似液氮的溫度。
5.按照前列諸權(quán)利要求之一所述的方法，其特征為充填氣體通過(guò)與壓力容器(5)和/或在預(yù)冷器(17)內(nèi)的熱接觸被冷卻到一個(gè)高于其沸點(diǎn)的溫度。
6.實(shí)施按照權(quán)利要求1至6之一所述方法的設(shè)備，包括一個(gè)用于可拆式地安置至少一個(gè)壓力容器(5)的冷卻劑浴槽(2)和一根充填管(11)，該充填管(11)與充填氣體供給裝置(12)流動(dòng)連接并配備有用于可拆式地連接所述壓力容器(5)的連接件(10)。
7.按照權(quán)利要求6所述的設(shè)備，其特征為采用一種氫燃料中壓存儲(chǔ)器作為充填氣體供給裝置(12)。
8.按照權(quán)利要求6或7所述的設(shè)備，其特征為在充填氣體供給裝置(12)與壓力容器(5)連接件(10)之間的充填管(11)通過(guò)一個(gè)借助冷卻劑例如液態(tài)或冷的氣態(tài)氮工作的換熱器(17)。
9.按照權(quán)利要求1至5之一所述的方法或按照權(quán)利要求6至8之一所述設(shè)備的應(yīng)用，其特征在于應(yīng)用于充填燃料電池的和/或用氣態(tài)燃料驅(qū)動(dòng)的汽車(chē)的壓力容器(5)。
全文摘要
在壓力容器冷充填時(shí)，充填氣體在輸入要充填的壓力容器前冷卻。在充填過(guò)程結(jié)束后，壓力容器壓力密封地封閉。隨著氣體升溫，壓力容器內(nèi)的壓力急劇增大。按本發(fā)明建議，壓力容器在輸入充填氣體前進(jìn)行冷卻。通過(guò)壓力容器的熱傳導(dǎo)，充填氣體強(qiáng)烈冷卻，從而顯著提高壓力容器的填充容量。按本發(fā)明的方法特別適用于充填尤其氣體驅(qū)動(dòng)的汽車(chē)和燃料電池系統(tǒng)的小容積燃料箱。
文檔編號(hào)F17C5/06GK1503886SQ02808366
公開(kāi)日2004年6月9日 申請(qǐng)日期2002年2月18日 優(yōu)先權(quán)日2001年2月20日
發(fā)明者馬丁·凱斯滕, 弗里德?tīng)枴っ仔獱? 爾 米歇爾, 馬丁 凱斯滕 申請(qǐng)人:梅塞爾·格里斯海姆有限公司, 梅塞爾 格里斯海姆有限公司