多级压缩装置、具有该压缩装置的系统以及燃料站和用于多级压缩气态介质的方法与流程

本发明涉及一种用于压缩气态介质、特别是氢的多级压缩装置。此外本发明还涉及一种用于提供压缩的气态氢的系统以及一种燃料站、特别是加氢站，所述燃料站具有根据本发明的多级压缩装置。此外，本发明还涉及一种用于特别是使用根据本发明的多级压缩装置来对气态介质进行多级压缩的方法。

背景技术：

1、传统的用于给车辆加注汽油和柴油的燃料站是充分已知的。此外还已知这样的燃料站，在所述燃料站中给所谓的天然气车辆加注压缩的天然气，所述天然气在400bar至1000bar的压力下存在。这里天然气大部分以高达1000bar的压力存储在设置在地下的存储罐中并且供应给要加注的车辆。

2、此外，最近越来越多地实现了加氢站，在所述加氢站中可以给相应改型的车辆或新型燃料电池车辆加注气态和/或液态的氢。在这种下面也称为加氢站的燃料站中，通过适当的加注连接器将气态和/或液态的氢转移到要加注的车辆中。

3、越来越多的车辆制造商推出了通过气态燃料，如天然气、液化石油气或氢驱动的机动车辆。这其中不仅包括轿车，而且也包括大客车、载重车和叉车。伴随着利用压缩气体运行的车辆数量的增长，燃料站的数量、特别是加氢站的数量同样增长。加氢站较多地由个人用户使用。由于氢与天然气或液化石油气相比较高的压力和较低的温度，特别是对于加注氢有必要重新开发加注方法和另外的装置。但此外，必须将用于氢的成本保持尽可能低，以便相较于其他燃料提高接受度。这意味着，也必须保持用于燃料站的投资成本较低。

4、已经存在这样的加氢站，在所述加氢站处以高达700bar的压力实现给车辆加注气态氢。为了能够前后相继地和/或同时地对多个车辆进行加注，通常使用这样的加注方法，在所述加注方法中，将大量处于压力下的气态氢临时存储在压力缓冲器中。此外，所设置的压缩机系统必须这样设计尺寸或设计，使得可以确保实现所需的体积流。

5、在气体工业中，也已知各种类型的活塞压缩机或膜式压缩机。这里，特别是活塞驱动的压缩机有这样的问题，即，这种压缩机具有密封件或双密封件，所述密封件或双密封件跟随活塞的运动并且相应地受到强烈的载荷。一旦密封件丧失密封性，则压缩机不再正常工作并且必须进行检修。在活塞压缩机中，由于这种泄漏产生的损失在约百分之三的范围内。这意味着，3％的经压缩的介质量经由密封件损失，这构成很大的成本因素。此外必要的是，探测可能的泄漏，如果没有识别到所述泄漏，这种泄漏可能对于环境构成风险。膜式压缩机替代活塞使用较大的膜片。所述膜式压缩机仅在能非常低的压力下才能启动并且仅能产生很小的振动或行程。这里，膜片中的微小裂缝很难识别，这同样可能导致泄漏。两种系统都具有快速运动的密封方案的问题，这使得密封件受到极大的载荷。这种压缩机的维修期是耗时的，因为压缩机与气体(氢)处于接触中。

6、此外，活塞压缩机多数通过压缩空气或液压油驱动。由于压缩机内部中的热膨胀，要压缩的气体、特别是氢发生升温并且必须对其进行冷却，这是极为耗能的。

7、在膜式压缩机中，其中设有膜片的头部非常沉重，从而维护是非常耗时的，并且膜式压缩机需要很多空间。必须设定特殊的箱式方案并且压缩机上方的空间不能得到利用，因为这个空间对于维护是必需的。膜式压缩机是敏感的并且每天仅应运行或启动少数几次(每天少于3至5次)，这使得膜式压缩机的控制设计极为不灵活。在具有交变的加注循环的燃料站中这是不可能的。如果膜式压缩机仅以极低的频度启动，就是说，在持续运行中工作，则膜式压缩机具有高使用寿命。出于这个原因，所述膜式压缩机通常在压缩机全天运行的工业中使用。

8、相应地目前已知的活塞压缩机和膜式压缩机只能有条件地用于在具有交变的且短的加注循环的燃料站、特别是加氢站中的使用场合。

9、此外，已知的专门设定成用于给车辆加氢的燃料站需要很多冷却能。给轿车加注例如要求对加注塔中的气体(氢)进行-40℃的预冷却。在-40℃下，在车辆的燃料箱系统不会发生过热的情况下，在约3-5分钟之内能够给车辆加注约5kg的氢量。

10、所述车辆通常直接由压缩机进行加注或者形成具有环境温度的高压组件。对于需要更多氢的重载应用，如例如40吨载重车，必须将加注流量从如例如对于轿车的60克/秒提高到120克/秒，或者甚至提高到180克/秒。但这意味着，必须已对气体或氢进行更强的冷却并且需要更多的冷却能。

11、如上面已经简短地提及的那样，在压缩气体时，特别是在压缩氢时，压缩装置(压缩机)的密封性是很大的问题。氢是现有的最小分子，这使得保证压缩装置和整个加氢站的密封性变得困难。如果所述系统、特别是压缩装置不密封，则在发生泄漏时存在很大的风险。在已知的通过活塞或膜式压缩机进行的压缩中，氢会变得很热，因此必须设置冷却器，所述冷却器对经压缩或加压的气体(氢)进行冷却。对于具有多个级的较大压缩机，有时必须在单个压缩级之间对氢进行再冷却，以便避免氢升温到临界范围。这使得压缩级复杂化，因为还必须附加地设置冷却循环。

12、由于在压缩气体(氢)之后要进行必要的冷却，已知的加氢站的能耗非常高。在氢的传统压缩中，用于冷却经压缩的氢的能量用量与实际压缩氢所需的能量接近相同。

13、为了满足上面所述的涉及压缩氢的可获得性、特别是涉及提高的加注流量的新要求，de 10 2009 039 645 a1例如提出了一种用于用压缩氢填充存储容器的布置系统，所述布置系统具有：a)至少一个储备容器，所述储备容器用于以液态和/或气态存储氢；b)至少一个低温泵和/或至少一个压缩机，所述低温泵或压缩级用于压缩存储在所述储备容器中的氢；c)至少一个高压存储容器，所述高压存储容器用于临时存储经压缩的氢；以及d)管道系统，通过所述管道系统从储备容器和/或高压存储容器将氢供应给要填充的存储容器，其中给所述高压存储容器配设用于冷却和/或加热的装置。

14、如在同样教导了一种加氢站的de 10 2016 009 672 a1中记载的那样，在存放液态氢时存在汽化气体的问题。de 10 2016 009 672 a1提出，将存储罐的汽化气体导出并将其用于冷却管道。液态氢的制造是能耗极高的，相应地，由于汽化效应会明显对这种加氢站的效率产生不利影响。由于氢较低的温度，液态氢向加氢站的运输也设计得极为复杂。

15、此外，为了降低氢的制造成本，最近还在寻找新的制造可能性。这里，特别是已知的氯碱电解被视为有很大的前景，因为这种方法在工业上已经大规模地运行，以用于制造氯和氢氧化钠，由氯化钠和水制作氯和氢氧化钠。但目前为止，在这种工艺中，氢仅被视为干扰性的副产物，这种副产物会不必要地提高特别是在防爆方面的安全性标准，目前为止没有实现经济上的优点。这种情况的原因主要在于，氢在实施氯碱电解时在极低的、约为1.2bar的压力下形成，目前为止，这使得有必要在技术上复杂地将低压氢压缩/加压到经济上合理的、30bar至300bar的压力范围。这里，技术上的难度特别是在于在极低的压力水平下存在大体积流以及高达1:300的高压缩比，这利用传统的活塞压缩机或膜式压缩机不能经济地实现。

技术实现思路

1、在前面所述的问题的背景下，在对气态介质、特别是对以极低的压力水平存在的氢进行压缩时，本发明的目的在于，提供一种用于压缩气态介质、特别是氢的多级压缩装置，所述多级压缩装置一方面能够明显降低压缩气态介质所需的能量用量，并且另一方面能够使维护耗费以及运行成本最小化，同时能够实现极高的压缩比。

2、所述目的通过根据权利要求1的用于压缩气态介质的多级压缩装置、根据权利要求18的用于提供压缩的气态氢的系统、根据权利要求20的燃料站，特别是加氢站以及根据权利要求21的用于对气态介质进行多级压缩的方法来实现。

3、本发明优选的改进方案在从属权利要求中给出，其中装填装置以及燃料站的内容可以在用于给至少一个存储容器填充压缩氢的方法的范围内使用并且反之亦然。

4、这里，本发明的基本构思之一在于，提供一种用于压缩气态介质、特别是气态氢的多级压缩装置，所述多级压缩装置具有至少两个压缩级，至少第一压缩级设计成所谓的水压缩机，所述水压缩机具有至少两个压力容器，所述压力容器分别设有至少一个液体供应管道，通过所述液体供应管道能将工作介质导入相应的压力容器，以便通过使存在于该压力容器中的工作介质a的液体体积增大来将要压缩的气态介质压缩到预定的第一压力p2，并且能通过一个共同的或两个独立的液体泵给所述至少两个压力容器供应工作介质，并且在压缩过程完成之后能通过相同的液体泵或另外的液体泵将所述工作介质从所述至少两个压力容器泵出。另一个压缩级、特别是低压压缩级设置在第一压缩级的上游并且用于压缩或预压缩所供应的气态介质、特别是气态氢。

5、以这种方式，可以放弃使用上面所述的、传统的、在压缩氢时直接与氢发生接触的活塞压缩机或膜式压缩机，由此能够消除同时描述的高泄漏易发性的问题以及与此相关的高维护耗费的问题。此外，在使用水作为工作介质时，可以避免对氢的污染(异物原子扩散进入)。此外，在氢的所述压缩方式中，氢的温度仅略微升高，由此，可以省去传统的在通过活塞压缩机或膜式压缩机进行压缩之后对氢的再冷却或者至少可以降低为此所需的能量消耗，由此可以显著提高压缩过程的能量效率。此外，以这种方式提供了一种压缩装置，这种压缩装置特别是用于工业设备同样在经济的范围内能够实现大压缩比。

6、根据本发明的一个方面，一种用于压缩气态介质、特别是气态氢的多级压缩机具有：

7、至少一个缓冲存储器，所述缓冲存储器设置成用于，临时存储要压缩的气态介质，

8、第一压缩级，所述第一压缩级具有：

9、至少两个压力容器，以及

10、管道系统，所述管道系统用于将要压缩的气态介质供应到所述至少两个压力容器中以及将经压缩的气态介质从所述至少两个压力容器中导出，

11、其中所述至少两个压力容器分别设有至少一个液体供应管道，通过所述液体供应管道能够将工作介质、特别是压缩液体导入相应的压力容器中，以便通过增大工作介质的存在于所述压力容器中的液体体积将所述压力容器中的要压缩的气态介质压缩到预定的第一压力，以及

12、其中，能通过一个共同的或两个独立的液体泵给所述至少两个压力容器供应工作介质，并且在完成压缩过程之后能通过相同的液体泵或者另外的液体泵将所述工作介质从所述至少两个压力容器中泵出，

13、至少一个中间存储器，所述中间存储器设置成用于，临时存储通过第一压缩级压缩的气态介质，以及

14、另一个压缩级、特别是低压压缩级，所述另一个压缩级设置在第一压缩级的上游并且设置成用于，优选在1:1.5值1:3的范围内压缩所导入(所供应和要压缩)的气态介质，特别是压缩到在2bar至6bar范围内的压力p1(绝对压力)，

15、其中，所述第一压缩级优选设置成用于，在完成压缩过程之后将工作介质从所述至少两个压力容器中的一个压力容器泵送到所述至少两个压力容器中的另一个压力容器，以便执行另一个压缩过程。

16、换言之，在压力容器中为要压缩的气态介质、特别是氢提供的存储容积可以通过向该压力容器中导入工作介质、特别是压缩液体而减小，此时，工作介质的一部分可能已经存在于所述压力容器中，由此，可以将气态介质压缩到预先确定的或者说希望的预定的第一压力。确定导入压力容器中的工作介质的量相应地确定提供给要压缩的介质的存储容积的容积变化并由此确定压缩比或要压缩的气态介质的压力升高。为了能够通过导入工作介质来压缩该压力容器中的压缩的气态介质，优选通过阀将所述工作介质封闭在该压力容器中。

17、这里，缓冲存储器优选设置在所述另一个压缩级、特别是低压压缩级或者第一压缩级之前。在所述缓冲存储器设置在所述另一个压缩级之后的情况下，所述缓冲存储器可以设计得较小或者由此可以保存较大量的要压缩的气态介质。

18、此外，优选的是，所述多级压缩装置还具有第二压缩级，所述第二压缩级设置在第一压缩级的下游，所述第二压缩级包括压缩装置，所述压缩装置设置成用于，将通过第一压缩级压缩的气态介质压缩或再压缩到预定的第二压力。

19、此时可能有利的是，所述多级压缩装置此外还具有除湿装置，所述除湿装置设置成用于，对通过第一压缩级压缩的气态介质、特别是氢进行除湿。

20、此外有利的是，所述第一压缩级设置成用于，在1:10至1:40的范围内压缩所供应的气态介质，特别是从在1bar至2bar的范围内的压力p1(绝对压力)压缩到在10bar至50bar的范围内的、特别是为30bar的预定的第一压力p2。

21、此外优选的是，所述第二压缩级设置成用于，在1:10至1:100的范围内压缩通过第一压缩级预压缩的气态介质，特别是从预定的第一压力p2压缩到在100bar至1000bar、特别是300bar至500bar的范围内的预定的第二压力p3。

22、根据另一个设计方案，所述第一压缩级的所述至少两个压力容器构造成钢容器，特别是构造成由pn40制成的钢容器，并且优选具有5000升至100000升、更为优选20000升至60000升的容积。

23、此外优选的是，所述第一压缩级的所述至少两个压力容器构造成球状存储器、圆柱状存储器或管式存储器。

24、此外有利的是，所述另一个压缩级、特别是低压压缩级构造成径向压缩机、鼓风机/风机压缩机、螺旋压缩机、涡轮压缩机或燃气涡轮压缩机。

25、此外，可以通过第一压缩级的工作介质的流动能驱动所述另一个压缩级。为此，可以在第一压缩级的用于使工作介质循环的液体供应管道或液体流出管道中装入叶轮或涡轮，使得利用流动的工作介质的特别是在从所述两个压力容器之一流出时的动能的一部分，以便获得电能，所述电能用于驱动所述另一个压缩级，或者直接利用所吸收的动能，以便机械地驱动所述另一个压缩级。

26、根据本发明的另一个实施形式，所述工作介质是液体，要压缩的气态介质不溶于所述液体中和/或所述液体能够无残余地与所述气态介质分离，所述工作介质优选是水。

27、此外有利的是，所述第一和所述另一个以及优选还有第二压缩级分别设置成，使得这些压缩级能够在5分钟至15分钟之内、优选在10分钟之内执行一个压缩过程。为此，所使用的泵特别是必须设计成，使得所述泵能够将压缩所需的工作介质在为此所需的时间内导入相应的压力容器中。

28、此外可能有利的是，特别是在不使用第二压缩级并且要加注的车辆直接由第一压缩级进行加注的情况下，在加注过程期间，持续地将工作介质泵入相应的压力容器中，从而可以保持相应压力容器中的压力恒定。

29、这里可能有利的是，由多个由多层的层压高压容器、特别是碳纤维高压容器形成的中间存储器形成所述至少一个中间存储器。

30、此外优选的是，所述第二压缩级、特别是压缩装置如第一压缩级那样构造成水压缩机、构造成活塞压缩级或构造成简单的泵。

31、根据本发明的另一个设计方案，至少所述第一压缩级、优选还有第二压缩级设有冷却装置，所述冷却装置设置成用于，特别是在将工作介质导入相应的压力容器中之前，将所述工作介质、特别是压缩液体冷却到确定的温度t1，特别是冷却到在1℃至5℃的范围内的、优选为1℃的温度。

32、此外有利的是，所述第一压缩级具有至少一个存储容器或蓄存器，在所述存储容器或蓄存器中能临时存储工作介质、特别是水。

33、此外可能有利的是，所述第一压缩级的所述一个共同的或两个独立的液体泵设置成用于，以在10bar至50bar范围内的预定的第一压力p2将工作介质供应给所述至少两个压力容器。

34、此外优选的是，所述多级压缩装置还包括至少一个高压存储罐，所述高压存储罐设置成用于，在最高1000bar的压力下临时存储通过第二压缩级压缩的气态介质、特别是经压缩的氢，所述至少一个高压存储罐优选分成多个存储分区，这些存储分区优选能相互独立地填充和/或排空。

35、此外，本发明涉及一种用于提供经压缩的气态氢的系统，所述气态氢优选用于加注给车辆，所述系统具有：

36、至少一个电解装置，特别是氯碱电解装置，所述电解装置优选设置成用于，产生初始压力为1bar至3bar(绝对压力)的氢，以及

37、上面所述的多级压缩装置，

38、其中，所述多级压缩装置设置成用于，对由所述至少一个电解装置产生的气态氢进行预备处理、特别是压缩，以用于后续的应用。

39、此外，在本发明的范围内，术语“车辆”或“交通工具”或如下面使用的其他类似术语一般性地包括机动车辆，如乘用汽车，包括运动型多用途汽车(suv)、大客车、载重车、不同的商用车辆；水上交通工具，包括不同的小艇和船舶；飞机、无人机和类似物；混合动力车；电动车；插电式混合动力车；氢动力车和其他替代车辆。如这里说明的那样，混合动力车是一种利用两种或更多能量载体运行的车辆，例如汽油运行且同时电动运行的车辆。

40、此外有利的是，所述系统此外还包括分配装置(分配器)，所述分配装置优选设有调温装置，通过所述调温装置能够根据单独存在的边界条件对供应或要供应给车辆或存储容器的氢进行调节，这里，优选在350bar至700bar之间的压力和-33℃至-40℃的温度下将氢供应给所述车辆或存储容器。为此，冷却所需的冷冻机(chiller)同时也可以承担除湿的功能并且由此使所压缩的气体的露点设置至例如-40℃。由此，在车辆中在提取使防止气体中的水重新逆转转换。

41、此外，本发明涉及一种燃料站，特别是加氢站，用于给车辆加注压缩的氢，所述燃料站具有：

42、至少一个加注装置，所述加注装置优选设置成与设置在要加注的车辆中的容纳装置相对应，以及

43、上面所述的根据本发明的多级压缩装置。

44、此外有利的是，所述燃料站附加地具有氢储备存储器和/或快速连接器，通过所述快速连接器能够将移动式的氢储备存储器与装填装置导流地连接，在氢储备存储器和/或移动式的氢储备存储器中在1bar至500bar的压力下存储气态氢，并且为了临时存储在高压存储罐中可以通过装填装置的压缩装置将所述气态氢压缩到最高1000bar的压力。

45、此外有利的是，所述燃料站、特别是控制装置设置成用于，通过基于云的服务器和/或移动app与客户端、特别是要加注的车辆交换关于其加注要求的信息、如加注量、加注温度、加注压力、加注速度(克/秒)、加注时刻和类似信息，并且基于所交换的信息相应地确定或建立加注配置和/或加注预报。

46、此外，本发明涉及一种用于对气态介质、特别是氢进行多级压缩的方法，具有以下步骤：

47、a)将要压缩的气态介质导入第一压缩级的至少两个压力容器中的第一压力容器，工作介质a、特别是压缩液体能够导入所述第一压力容器中，

48、b)通过将工作介质a导入至少两个压力容器中的第一压力容器或通过使该压力容器内部的工作介质a的液体体积增大而将要压缩的气态介质压缩到预定的第一压力p2,

49、其中，在导入第一压缩级之前，通过设置在第一压缩级上游的另一个压缩级、特别是低压压缩级在1:1.5至1:3的范围内对要压缩的气态介质进行预压缩，特别是预压缩到在2bar至6bar的范围内的压力p1(绝对压力)。

50、此外有利的是，所述方法还具有以下步骤：

51、c)在中间存储器中临时存储压缩到预定的第一压力p2的气态介质；

52、d)将经压缩的气态介质供应给第二压缩级的压缩装置，以及

53、e)将通过第一压缩级压缩的气态介质压缩到预定的第二压力p3。

54、此外有利的是，在导入或送入之前，还对导入所述至少两个压力容器中的至少第一压力容器中的工作介质a、特别是压缩液体进行冷却，特别是冷却到在1℃至5℃的范围内的温度，特别是冷却到1℃的温度，以便在压缩所述要压缩的气态介质、特别是氢期间通过与所述工作介质a的接触被动地冷却所述要压缩的气态介质。

55、此外有利的是，在压缩所述要压缩的气态介质期间，使工作介质a的(在所述至少两个压力容器中的一个压力容器中的)液位高度从最小液位高度hmin提高到确定的液位高度hsoll，由此使所述要压缩的气态介质的压力提高到预的第一压力p2或期望值。

56、根据本发明的另一个实施形式，所述方法还包括以下步骤：

57、f)将所述至少两个压力容器中的所述一个压力容器中的工作介质的液位高度降低，特别是降低回到所述最小液位高度hmin，

58、g)将放出的工作介质a临时存储在蓄存器中或将工作介质a导入所述至少两个压力容器中的另一个压力容器中，以便在这里执行另一个压缩过程(加压过程)。

59、此外优选的是，所述方法附加地具有以下步骤：

60、h)优选通过高压泵将所述工作介质a加压到最高100bar的工作压力p2，

61、i)对置于工作压力p2下的工作介质a进行冷却或再冷却，以及

62、j)将置于工作压力下的工作介质供应给所述至少两个压力容器中的一个压力容器，由此将在步骤a)中放入该压力容器中的要压缩的气态介质压缩到预定的第一压力p2。

63、此外有利的是，所述要压缩的气态介质是氢，所述氢通过设置在多级压缩方法上游的氯碱电解产生，并且通过氯碱电解产生的氢优选以在1bar至3bar(绝对压力)的范围内的、优选为1.2bar的压力离开电解过程。

64、所述用于压缩气态介质的多级压缩装置可以集成在所述用于提供压缩的气态氢的系统以及所述燃料站、特别是加氢站中。此外，所述多级压缩装置可以在所述用于对气态介质进行多级压缩的方法中。因此，已结合多级压缩装置公开的另外的特征也可以应用于所述系统以及所述燃料站，而且也可以应用于所述方法。相同的情况相反地也适用于所述燃料站以及所述方法。