专利名称：将氢气装入容器内的方法和灌装设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种将氢气装入容器内的方法，该容器比如为车辆燃料储存罐，其具有用于气体经过的第一端口和用于液体经过的第二端口，其中该第二端口与该第一端口分离，特别是该第二端口与该第一端口大距离或远距离分离。
背景技术：
美国专利说明书US-B1-6，439，278公开了包括成排的相连接的细长汽缸的压缩天然气加气系统，用于将压缩天然气输送到加油站。每个汽缸的一端具有独立的端口，用于传送压缩天然气和不容易与压缩天然气混合的液压液。液压液端口包括在汽缸内从一端通向与该汽缸的另一端相邻的点的管。使用时，液压液在压力作用下通过液压液端口引入到
汽缸内，迫使汽缸内的压缩天然气通过液面之上的气体端口流出汽缸。专利说明书US-A-5,884，675和DE-C1-19843669，以及专利申请W0-A1-2009/035311和DE-A1-102007049458同样公开了使用液压液迫使气体流出输送容器，比如汽缸。通过在高压下将气体装入容器内，该高压比如在200到900巴的范围内，由于气体压缩和气体速度摩擦发热，在灌装过程中，容器内的压力增大得越多，容器的内部温度上升得越高。灌装之后，容器冷却到室温时，容器内气体的升温进一步造成容器内压力下降。灌装过程中温度的升高造成不能将容器灌装到最大的压力和容量。专利申请WO 2008/074075和US 2003/039554公开了压缩气体输送系统，其中使用液压液在压缩气体输送系统的压力容器之间输送压缩天然气。氢气的特性在于，膨胀时，氢气的温度会升高，比如向容器装入氢气时。该特性称为逆焦耳汤姆逊效应。尤其在高压下向容器灌装氢气时，该高压比如700巴，产生热量成为最大灌装速率或速度的限制因素，因为容器可能仅能在有限的温度范围内使用。比如，温度超过大约85°C的值时，复合材料做成的容器的强度会变小。为了减少这种温度的上升，可在实际操作中减少氢气的灌装速率，比如使用控温气体流量调节阀。在灌装容器时，气体流动速率降低所造成的不良结果当然是灌装容器的时间增加。其他昂贵的解决方法包括在将气体引入容器之前冷却氢气。强烈预冷气体会造成连接油嘴冷冻的问题。而且，车辆的车载燃气储存罐内的氢气的温度不能受到控制。该氢气的温度需要足够低，以使燃气储存罐实现理想的灌装速率，但是当燃气储存灌仅仅部分空出时，氢气的温度依然低。灌装后氢气温度升高时，燃气储存罐内的压力将升高，这会造成气体通过安全阀从车载储存罐流出，从而损失贵重的燃气。容器理想的灌装压力越高，就需要将气体冷却到更低的温度，以尽可能完全地灌装容器。尤其对于作为车辆氢气燃料储存罐的灌装容器来说，尽可能向燃气储存罐灌装氢气很重要，这是因为燃气储存罐灌装得越好，具有充分灌装的燃气储存罐的车辆可行驶的距离越长，由于燃气储存罐不需要经常灌装，所以整体上减少了中途加气所需要的能量并节省了时间，这当然让驾驶员很满意。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种将氢气装入容器内的方法，在灌装的过程中提高了灌装速率，减少了能量损失，且不需要使用冷却系统预冷要灌装到容器内的氢气，这些都使得能以最佳的方式将容器灌装到最大的灌装压力和容量。根据本发明，使用前面开头部分所述的容器，通过施加压力，将液压液经过第二端口引入容器内，使得该容器内的液压液产生具有预定值的液体静压，并通过控制相对于该容器内的现有压力的压力差，控制氢气膨胀，从而控制该容器内的温度，以实现该目的，其中，氢气经过第一端口流入该容器内，以便在预定压力下向该容器灌装氢气，液压液经过该第二端口从该容器内去除。这就意味着，首先，向要灌装氢气的该容器灌装液压液，然后，氢气经过该第一端
口引入该容器内，同时液压液经过该第二端口从该容器中流出。在根据本发明的方法中，向该容器灌装氢气时，控制压力差，氢气借由该压力差流入并膨胀到该容器内，随之控制该容器内的温度和该容器本身的温度，以使能以理想的灌装速率将该容器灌装到最大的压力和容量，该容器内的温度不超过最大可允许的容器温度。理想的灌装速率可理解为使用现有技术领域的先进灌装装置获得的灌装容器的灌装速率。比如，现今实际中为汽车燃料储存罐灌装液化石油气的灌装速率。实际上，给安装在车辆内的燃气储存罐灌装5公斤的氢气最好不要超过5分钟的时间。使用根据本发明的方法，在700巴甚至更高的压力下，储存氢气的车辆氢气燃料储存罐可获得这种灌装速率。优选地，根据本发明，液压液为水，实际上，将氢气作为气体以及将水作为液压液，这两者相结合，其优点在于在大量燃料电池内，需要弄湿氢气，而用作液压液的水可部分弄湿该氢气。照这样，水与氢气混合到某种程度很重要，其中，部分氢气会在水中溶解，部分水会蒸发，使得该方法的热性能总体上得到改善。为了在燃料电池内使用，水必须足够纯，因为污染物会有害地影响燃料电池的工作。在根据本发明的方法的实施例中，所选择的容器内液体的液体静压基本上等于该容器内氢气的预定压力，即所谓的灌装压力，因此，可简单地以预定的值限定促使气体流入容器内的压力差。在本发明的优选实施例中，氢气的预定压力基本上为700巴。在根据本发明的方法的进一步实施例中，将液压液经过该第二端口从该容器内去除来减小容器内的压力，从而实现压力差，使得氢气在现有压力下灌装到通过去除液压液而在容器内变得可用的空间。该第一端口处的氢气的压力不需要高于该容器内的液压液的液体静压。在该容器内液压液的液体静压基本上等于氢气的理想灌装压力时，在该容器的第一端口供应的氢气的压力不需要高于理想的灌装压力。在根据本发明的方法的又一实施例中，通过增加要引入容器内的氢气的压力，实现该压力差，以便通过流入该容器内的氢气造成的替换将液压液从该容器内去除。要理解的是，在根据本发明的该方法中，该容器的第一端口处的气体的压力需要比该容器内液压液的液体静压高。本技术领域的技术人员要理解的是，在上述最后一个实施例中，需要有对容器的第一端口处的氢气压力进行控制的控制装置，同时在根据本发明的方法的倒数第二个实施例中，需要有对经过第二端口流出容器的液体的流出量进行控制的控制装置，本技术领域的技术人员熟知这种控制装置，因此不需要进一步做出解释。为了增加第一端口处的氢气的压力，在该方法的又一实施例中，压缩与气体端口连接的供给线内的氢气。已发现，根据本发明的方法尤其适用于将氢气从气体供应容器或者缓冲容器引入要装罐的容器内，其中，通过将液压液引入供应氢气的气体供应容器内，可实现该压力差。其优点是，将从容器内去除的液压液引入供应氢气的气体供应容器内。要理解的是，以这种方式可实现灌装系统，其在使用液压液方面是高效的。液压液在工作温度范围内需为液体的形式，在该温度下向容器灌装氢气。为了在外面使用，液体不应会变冻结，优选地其在工作温度范围内具有低粘稠度和低蒸汽压。除了水，合适的液压液可为具有低蒸汽压的油。显然，应选择的流体既不会负面影响容器，也不会负面影响与容器连接的灌装设备或者将气体作为燃料使用的设备，该燃料比如为车辆内的燃料电池。在根据本发明的方法的又一实施例中，将一定量的氢气引入容器内，同时将液压液引入该容器内，比如上述的将氢气和水混合的情况，其中每单位时间要引入的氢气的量小于预定值。在本发明的又一实施例中，通过两个端口将液压液引入容器内，可减少向该容器灌装液压液所需要的时间。如上所述，根据本发明的方法尤其适用于将氢气从气体供应容器引入要灌装的容器内，比如在为车辆内所安装的氢气燃料储存罐充气的加油站。本技术领域的技术人员要理解的是，气体供应容器也可由大量互相连接的供应容器构成，比如其被视为由说明书和权利要求书中所使用的术语“气体供应容器”所包含。本发明还涉及一种灌装设备，该灌装设备包括盛装氢气的气体供应容器、盛装液压液的液体供应容器以及与该气体供应容器和该液体供应容器连接的装置，其中，该装置用于依据上述根据发明的方法将氢气装入容器内。在根据本发明的灌装设备的又一实施例中，该气体供应容器和该液体供应容器，其实包含了多个液体供应容器，可由一个或多个可互相连接的容器构成。本发明还涉及一种使用容器的灌装装置，比如车辆燃料储存罐，该灌装装置具有将该灌装装置与该容器的入口、供氢气经过的第一端口以及供液体经过的第二端口连接的装置，其中，在该灌装装置内该第二端口与该第一端口分离，特别是，在该灌装装置内该第二端口与该第一端口大距离或远距离分离。
基于附图更具体地解释本发明，其中图I为用于实施根据本发明的方法的具有第一端口和第二端口的容器的示意图；图2为使用根据本发明的方法灌装图I中的容器的灌装设备的第一实施例的示意图；图3为使用根据本发明的方法灌装图I中的容器的灌装设备的第二实施例的示意图；图4为使用根据本发明的方法灌装图I中的容器的灌装设备的第三实施例的示意图；图5为使用根据本发明的方法灌装图I中的容器的灌装设备的第四实施例的示意图。
具体实施例方式在附图中，相同的部件或者具有相似功能的部件由相同的附图标记表示。在本说明书和权利要求书中，术语“容器”包括在一定压力下以液体形式保持氢气或流体的所有类型的储存容器，该压力与环境压力不同。图I为容器I的示意图，比如车辆内安装的氢气燃料储存罐或者氢气汽缸等，该容器I具有供气体经过的第一端口 2和供液体经过的第二端口 3，其中该第二端口 3与该第一端口 2分离，在所示的实施例中，该第二端口 3与该第一端口 2大距离或远距离分离。如图I所示，当该容器I放置在工作位置内时，该第二端口 3终止于该容器I内，优选地，在位于该容器I内的第一端口 2的端部的下面终止。该两个端口 2、3不需要位于该容器I的同一侧或者相邻。比如该两个端口 2、3可位于该容器的两侧或两端或者可设置为集成单元，如图中虚线圆18所示，其放置在容器的单口或入口内，以便比如根据本发明的方法向具有单口的现有容器灌装气体。单元18具有将其连接或安装到该容器的口或入口的合适的装置，比如技术人员所知的那些装置。第一端口 2通过气体连接器4与管线6连接，以向容器I供应需要灌装的氢气。该氢气可由氢气源供应，如图中的箭头7所示。第二端口 3通过液体连接器5与管线8连接，以将液压液引入容器I内。液压液可由液体源供应，如图中的箭头9所示。即使容器I为单个容器，本技术领域的技术人员也应理解到，要灌装的容器可由若干互相连接的形状不同的容器构成，比如安装在车辆内的燃气储存罐，由于设计的原因，这些容器通常由若干个互相连接的用于储存燃气的子罐构成。虽然未明确显示，第一端口 2和第二端口 3各自具有用于单独打开和关闭端口的装置，这些装置也可由单个阀门构成，或者比如构成气体连接器4或液体连接器5的一部分。对本技术领域的技术人员来讲，不需要做出进一步的解释。在阐述本发明时，假设容器I开始为空的，需要灌装氢气。在第一步骤中，也称为压力建立阶段，通过给液压液施加压力，该来自液体源9的液压液经过第二端口弓I入到该容器I内，其中，第一端口 2是关闭的。优选地，向该容器I灌装液压液，使得该液压液产生等于或基本上等于该容器内氢气的预定或者理想压力的液体静压，实践中也称为理想灌装压力。通常以大约200巴的灌装压力将天然气和其他工业气体储存在容器内，实际上，车辆内的氢气使用大约350巴的灌装压力。另一方面，更先进的车辆通常使用具有高达700巴或更高值的灌装压力。根据本发明的方法并不限于这些类似的灌装压力。该容器I灌装了液体之后，在第二阶段，来自气体源9的氢气在压力作用下经过管线6供应到第一端口 2，以将该氢气灌装到容器I内，其中该容器I内的液体与氢气交换，这称为液体-气体交换阶段。经过该第一端口 2引入的氢气的压力和该容器I内液体的液体静压之间的必要差值可依照根据本发明的方法用若干不同的方式实现，以控制氢气膨胀到该容器I的膨胀率，并由此控制该容器I内的温度或者热量产生。在根据本发明的方法的一个实施例中，通过控制经过第二端口 3从容器I流出的液压液的流量来减小该容器I内的压力，以实现压力差，从而得以向该容器I内变得空闲的空间灌装氢气。液体可通过该第二端口 3和与该端口连接的管线8从该容器I内流出。要理解的是，可通过控制每单位时间流出容器I的液体的量来控制压力差。于是，
可将该压力差保持在预定值之下，用于调节在容器I内膨胀的氢气的温度，以防止该容器I过热，并将该容器I灌装到大约最大的压力和容量。毕竟，太高的温度具有不利之处，如前面所解释的那样，不能完全地灌装该容器。在本发明的方法的又一实施例中，通过将要经过端口 2引入容器I内的氢气压力增大到这种程度，使得该容器I内的液压液因流入该容器I内的氢气造成的替换而从该容器I去除，可获得经过第一端口 2供应的氢气的压力和该容器I内液压液的液体静压之间的压力差。为了实现理想的压力差，氢气源7可具有在足够高的压力下将管线6内的氢气压缩到端口 2的装置。图2为将氢气灌装到根据本发明的第一实施例的图I中的容器I内的灌装设备的示意图。在该实施例中，使用具有第一端和第二端的氢气供应容器10，该第一端通过连接到管线6的连接部12连接到容器I的第一端口 2，该第二端位于该第一端相反侧，通过连接到管线8的连接部13连接到该容器I的第二端口 3。虽然未明确显示，但是该连接部12和13包括用于打开和关闭各个连接部12、13的装置，这些装置为本技术领域的技术人员所知。为了依据本发明的方法将氢气灌装到容器I内，在第一阶段，用泵11将来自液体源9的液体经过第二端口 3引入到该容器I内，直到达到该容器I内氢气的最大理想灌装压力，如以上基于图I所述。连接部13对氢气供应容器10保持关闭。随后，来自该氢气供应容器10的氢气经过管线6和第一端口 2被引入容器I内，其中通过打开该连接部13，液体经过该管线6从该容器I流入该氢气供应容器10中。没有气体源或者除了具有气体源以外，氢气还可从氢气供应容器10引入到容器I内。为此，在该容器I灌装了液体之后，打开该氢气供应容器10到管线6的连接部12，使得氢气经过第一端口 2从该氢气供应容器10流入该容器I内，其中该容器I所盛装的液体经过管线8和打开的连接部13流入该氢气供应容器10内。这样,该氢气供应容器10内氢气的压力可等于要灌装的容器I内的液体静压。要注意的是，为了实现通过替换盛装在容器I内的液体来向该容器I灌装氢气的理想压力差，该氢气供应容器10内的氢气的压力会比该容器I内液体的液体静压高。
在对该实施例的修改中，该容器I和该氢气供应容器10位于一个装置内，其中，该氢气供应容器10内的液压液的液面低于该容器I的第二端口 3的面，以使该容器I内的液压液被输送到该氢气供应容器10内，从而氢气的灌装速率由该容器I内第二端口 3的面和该氢气供应容器10内液压液的液面的高度差决定。图3为根据本发明的第二实施例的灌装设备的示意图，其中，除了图2所示的实施例，泵11可将液体经过管线14和16注入管线8内，在将氢气装入容器I的过程中，该泵11可将该容器I中流出的液体经过管线8、管线15、管线14以及连接部13注入氢气供应容器10内。要理解的是，管线14、15和16具有打开和关闭该各个管线的装置，其中图3中未明确显示这些装置，但其为本技术领域的技术人员所熟知。用该泵11将该容器I中流出的液体注入该氢气供应容器10内，由此增大该氢气供应容器10内所盛装的氢气的压力。对于该实施例，可决定不使用单个气体源7，以使该灌装设备尤其适合用于加油站，其中用于灌装容器I的氢气存在于容器内，这些容器具有与单个气体源7同样的功能。虽然图3的灌装设备由单个泵11操作，但对本技术领域的技术人员显而易见的是，可使用几个泵将液体注入容器I内以及将液体注入氢气供应容器10内。如图4所示，在根据本发明的灌装设备的第三实施例中，增压器17安装在氢气供应容器10的连接部12和管线6之间，使得在灌装操作的第二阶段，在该氢气供应容器10所提供的容器I的第一端口 2处的气体与该容器I内的液体的压力之间可实现理想的压力差。在该实施例中，也能够用该泵11将液体从液体源8注入该氢气供应容器10内，以增大该氢气供应容器10中的压力，以向该容器I灌装氢气，其有利之处在于可用作气体供应容器，其中气体的初始压力比该容器I内要获得的理想的灌装压力小。通过使用若干相连接的供应容器，一个或多个装有液体的容器，即所谓的液体供应容器，可用作液体源9。图4的实施例也适用于使用较小氢气供应容器10的灌装设备，其中在灌装操作第二阶段的开始，当容器I内的液体与氢气交换时，最初氢气供应容器10内的氢气的压力会快速下降，然后，通过将液体注入该氢气供应容器10内，压力的下降可被抵消，使得灌装该容器I时，可增大该氢气供应容器10内的压力。如有必要，可决定在该氢气供应容器10的连接部12和通向该容器I的第一端口 2的管线6之间不使用增压器17。在根据本发明的灌装设备的第四实施例中，如图5所示，使用若干氢气供应容器10a、10b、10c，每个容器具有各自的连接部12a、12b、12c，用于连接到通向容器I的第一端口 2的管线6，以及具有各自的连接部13a、13b、13c，用于连接到通向容器I的第二端口 3的管线8。安装该连接部13a、13b、13c，以便在泵17和氢气供应容器10a、10b、IOc之间以及在容器I和氢气供应容器10a、IOb、10c之间实现各个连接，这样，比如，来自液体源9的液体便注入该氢气供应容器10a、10b、IOc中的其中一个，同时，液体可从容器I中流入不同的氢气供应容器10a、IObUOc中。此外，虽然未显示，但各个连接部12a、12b、12c、13a、13b、13c适合包含众所周知的用于打开和关闭连接部的设备。使用若干互相连接的氢气供应容器10a、IObUOc允许比如将液体从液体源9注入该氢气供应容器10a、10b、IOc中的其中一个，以充分灌装容器。通过将液体从装有液体的容器提供到该氢气供应容器10a、10b、IOc中，可达到将氢气装入容器I内所需要的压力，该氢气从该氢气供应容器流入该容器I内，以实现将氢气装入容器I内所需要的压力差。要理解的是，使用多个容器时，可将方案设计成在若干容器之间抽取液体，以及当容器I灌装氢气时，在一个或多个容器内收集从容器I内流出的液体。如图5所示，在根据本发明的灌装设备的实施例中，通过引导液体经过第一端口 2以及第二端口 3进入容器1，可减少将液体引入容器I所需要的时间。显然，安装第一端口2和连接器4就是用于该目的。除了上面所显示和描述的实施例，在要灌装氢气的容器I内还可构造热交换器，以便获得灌装过程中氢气所产生的热量，并将该热量传递到容器I的外部环境。显然，也可在容器I外面设置热交换器，以便该外部热交换器将所获得的热量传递到容器I的外部环境和/或用于将氢气装入容器I的液压液。实际上，使用根据本发明的方法，边际压力差足以实现容器理想的灌装速率和/或灌装时间，该容器比如为商用车辆的氢气燃料储存罐。要理解的是，根据本发明的方法也适用于灌装未彻底清空并包含氢气剩余物的容器。在将液压液引入要灌装氢气的容器中时，必须注意防止不要将氢气的剩余物压缩得过快，以至于产生不需要的热量。显然，可将要灌装的容器内存在的氢气剩余物从该容器中去除，比如将其收集在供应容器内，然后，空容器可如上所述灌装液体。通过测量容器中去除的氢气的量，可通过考虑该所测得的量来确定容器I内有效传递的氢气的量。本技术领域的技术人员可构思对所述根据本发明的用于将氢气装入容器内的灌装设备和容器进行多种更改和添加，这些更改和添加被认为包含在所附权利要求中。
权利要求
1.一种将氢气装入容器内的方法，该容器具有供气体经过的第一端口和供液体经过的第二端口，所述第二端口与所述第一端口分离，其中，通过施加压力，液压液经过所述第二端口流入所述容器内，使得所述容器内的所述液压液产生具有预定值的液体静压，并通过控制相对于所述容器内现有压力的压力差来控制氢气膨胀，从而控制所述容器内的温度，其中所述氢气经过所述第一端口流入所述容器内，以在预定压力下向所述容器灌装所述氢气，所述液压液经过所述第二端口从所述容器内去除。
2.根据权利要求I所述的方法，其中所述液体静压基本上等于所述容器内所述氢气的所 述预定压力。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述氢气的所述预定压力基本上为700巴。
4.根据权利要求1、2或3所述的方法，其中通过将所述液压液经过所述第二端口从所述容器内去除来减小所述容器内的压力，从而实现所述压力差，使得所述氢气在所述压力下灌装到通过去除所述液压液而在所述容器内变得可用的空间。
5.根据权利要求1、2或3所述的方法，其中通过增加引入所述容器内的所述氢气的压力，实现所述压力差，以便通过流入所述容器内的氢气造成的替换将所述液压液从所述容器内去除。
6.根据权利要求5所述的方法，其中通过压缩与所述第一端口连接的供给线内的所述氢气，增加引入所述容器内的所述氢气的所述压力。
7.根据权利要求5所述的方法，其中将来自氢气供应容器的氢气引入所述容器内，通过将液压液弓I入所述氢气供应容器内来实现所述压力差。
8.根据权利要求7所述的方法，其中将从所述容器内去除的所述液压液引入所述氢气供应容器内。
9.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中所述液压液具有低粘稠度和低蒸汽压，并且在工作温度的范围内为液体的形式。
10.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中所述液压液为水。
11.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中将所述液压液引入所述容器时，将要引入的一定量的所述氢气以小于预定值的速率引入所述容器内。
12.根据权利要求1-11中任一项所述的方法，其中将所述液压液经过所述第一端口和所述第二端口弓I入所述容器内。
13.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中所述容器为安装在车辆内的氢气燃料储存罐。
14.一种使用容器的灌装装置，比如车辆燃料储存罐，该灌装装置具有将该灌装装置与所述容器的入口、用于氢气经过的第一端口以及用于液体经过的第二端口连接的装置，其中在该灌装装置内所述第二端口与所述第一端口分离，特别是在该灌装装置内所述第二端口与所述第一端口大距离或远距离分离。
15.一种加油站，包括盛装氢气的氢气供应容器、盛装液压液的液体供应容器以及与所述氢气供应容器和所述液体供应容器连接的装置，其中所述装置用于依照根据前述任一项权利要求所述的方法向容器灌装所述氢气供应容器内的所述氢气。
全文摘要
本发明公开一种将氢气装入容器(1)内的方法和灌装设备，该容器具有用于氢气经过的第一端口(2)和用于液体经过的第二端口(3)，其中该第二端口(3)与该第一端口(2)分离。在第一阶段，通过给液压液施加压力，该液压液经过该第二端口(3)流入该容器(1)内，使得该容器(1)内的液压液产生具有预定值的液体静压。在第二阶段，通过控制相对于该容器(1)内的现有压力的压力差，以控制氢气膨胀，从而控制该容器(1)内的温度，该氢气通过该第一端口(2)流入该容器(1)内，以向该容器(1)灌装氢气。因此，该液压液经过该第二端口(3)从该容器(1)内去除。
文档编号F17C5/06GK102803817SQ201080026062
公开日2012年11月28日 申请日期2010年6月9日 优先权日2009年6月10日
发明者H·德仲斯特 申请人:提森有限公司