用于储存和分配液化氢的方法和设备
技术领域
本发明涉及一种用于储存和分配液化氢的方法和设备。
更具体地，本发明涉及一种用于存储和分配液化氢的设备，该设备包括气态氢源和液化器。
背景技术
特别是由于其密度，当必须远距离运输大量产品时，液态氢优先于气态氢。
液态氢的另一个优点与它的密度和在用于燃料电池车辆的氢服务站中的高储存容量有关。20K的温度事实上消除了气体的所有杂质(其在此温度下为固体)，从而优化了燃料电池的运行。
相比之下，由于液态氢与水相比密度低(70g/升)，可通过静水压头获得的压力量和低温可能会在液体转移过程中引起相当大的蒸发损失。
具体而言，用于在氢液化工厂中装载卡车和加注储罐的系统会导致可能高达产量的15％(例如，储罐损失0.2％，用于加注储罐的阀中的闪蒸损失5％，以及在加注卡车的过程损失10％)。当加注容器(尤其是iso容器)、船上的储罐等(本发明同样可以适用的其它应用)，这些损失也可能发生。
这些蒸发损失当然可以被回收、再加热、在储存后压缩并重新注入液化器中。氢由气态氢源产生，该气态氢在转移到储器之前在液化器中被液化。蒸发气体可以从包括例如串置的加热器、缓冲储罐(例如，等压的)和压缩构件的单元中抽取。被回收和压缩的气体可以进入液化器的入口，使得可以将其重新液化并重新引入储器中。
来加注的卡车的储罐通常处于高温和高压下。处于压力下的这种热气体中的一些可排放到用于加注的液体储器。然而，储罐的部分减压不能与液体储器相通，因为卡车上的压力可能下降到低于储器的压力。因此，多余的加压氢会被损失或送至回收系统。
当液化器或供给它的氢源关停时，储液器必须能够继续向用户供给液态氢。
另外，存在于储器中的冷无法补偿所有由储罐加注操作引入的附加热量。这可能会导致储器中的压力上升以及氢气损失。
因此，这些解决方案导致产品损失(排放到空气中)，或者需要对液化器和气体回收单元进行改造，使其能够吸收在加注卡车时产生的蒸发气体。
发明内容
本发明的一个目的是减轻现有技术的全部或一些上述缺点。
为此，在按照在以上前序部分中给出的一般定义的其它方面，根据本发明的设备的特征主要在于它包括两个用于在确定的相应的储存压力下的液态氢的储器，该液化器包括连接到源的入口和经由一组阀并列连接到每个储器的相应入口的出口，液化器的出口还连接到连接端，该连接端旨在可移除地连接到要加注的储罐，每个储器都包括相应的液体抽取管，该液体抽取管包括连接到该储器的一端和旨在连接到至少一个要加注的罐的至少一个另一端，每个储器还包括相应的气体抽取管，该气体抽取管的一端连接到储器，另一端经由一组阀连接到液化器的入口，所述一组阀构造成允许气体再循环到液化器，使得可以将其液化。
根据可能的特定特征：
-两个液态氢储器分别保持在不同的确定的相应储存压力下，
-该设备包括第二液化器，该第二液化器包括连接到源的入口和经由一组阀并列连接到每个储器的相应入口的出口。
本发明还涉及一种用于加注液态氢储罐、特别是半挂车的移动储罐的方法，该方法使用根据上面或下面列出的特征中的任何一个特征的设备，并且包括使待加注的罐减压至低于两个储器中处于两个压力中的较高压力下的储罐的压力的压力的预备步骤。
本发明使得可以区分两个储器的压力。这使得可以利用一个储器与另一个储器的压力差作为移动氢的驱动力以便将流体转移到液化器并为这些储罐加注操作供给足够的冷，同时减少氢的损耗。
此外，本发明的实施例可包括以下特征中的一个或多个特征：
-预备减压步骤包括将第一数量的液态氢从液化器直接转移到储罐中，
-预备减压步骤包括将加压气体从储罐转移到液化器的一个入口和/或至少一个储罐的一个入口，
-该方法包括与预备减压步骤同时进行的将液态氢从液化器转移到至少一个储罐中的步骤，
-该方法包括第一加注步骤，该第一加注步骤包括利用压力差将液态氢从两个储器中处于所述两个压力中的较高压力下的一个储器中转移到储罐，
-该方法包括与第一加注步骤同时进行的将气态氢从储罐转移到液化器的入口并将其液化的步骤，
-该方法包括与第一加注步骤同时进行的将液态氢从液化器转移到两个储器中处于所述两个压力中的较低压力下的一个储器的步骤，
-该方法在第一加注步骤之后包括将储罐减压到两个储器中处于两个压力中的较低压力下的储器的压力的步骤，该减压步骤包括使储罐与两个储器中处于两个压力中的较低压力下的所述储器之间的压力平衡，
-该方法包括与将储罐减压到两个储器中处于两个压力中的较低压力下的储器的压力的步骤同时进行的将液态氢从液化器转移到两个储器中处于两个压力中的较低压力下的所述储器的步骤，
-该方法在将储罐减压到两个储器中处于两个压力中的较低压力下的储器的压力的步骤之后包括将储罐进一步减压至低于两个储器中处于两个压力中的较低压力下的储器的压力的压力的步骤，该进一步减压步骤包括将气体从储罐转移到液化器的入口和/或将气体排放到大气和/或气体收集构件，
-该方法采用两个不同的液化器，
-将第一液态氢储器保持在第一压力下，该第一压力介于1.5bar至11bar绝对压力之间，特别是2bar至3bar绝对压力之间，优选为2.5bar绝对压力，
-将第二液态氢储器保持在第二压力下，该第二压力介于0.8bar至2.3bar绝对压力之间，特别是1bar至2bar绝对压力之间，优选为1.5bar绝对压力，
-在将第一数量的液态氢转移到储罐的步骤之前，所述储罐的压力高于或等于两个储器中处于两个压力中的较高压力下的储器的压力，特别地储罐处于3bar至11bar、特别是8bar的压力下，并且在将第一数量的液态氢转移到储罐的步骤结束时，储罐中的压力已降至低于两个储器中处于两个压力中的较高压力下的储器的压力的压力，特别是比该压力低数毫巴。
附图说明
通过阅读以下参考附图给出的描述，其它特定的特征和优点将变得显而易见，在附图中：
-图1是示意性局部视图，示出了根据本发明的一个可能的示例性实施例的设备的结构和操作，
-图2至7描绘了示意性局部视图，示出了在加注储罐期间图1的设备的操作中的各种可能的步骤，
-图8是示出根据本发明的另一可能的示例性实施例的设备的结构和操作的示意性局部视图。
具体实施方式
图1中描绘的液化氢储存和分配设备包括气态氢源2、液化器3和两个液态氢储器4、5。
液化器3包括连接到源2的入口(例如，经由至少一个阀22连接)。
源2可以是氢网络和/或用于生产氢的单元(例如蒸汽重整单元和/或通过电解生产氢的单元或任何其它合适的源)。由源供给的气态氢可具有介于例如10巴(bar)至80bar之间的压力。
液化器3包括出口，该出口经由一组阀7、6、16并列连接到两个储器5、4的相应入口，以及在可移除地连接的第三端15处连接到要加注的储罐10(以用于从液化器3直接转移到储罐10)。
液态氢储器4、5构造成以确定的相应压力储存液体。
这些储器4、5是例如高容量(例如数千升)的隔热真空储器。这些储器4、5通常包含液相和气相。
按照惯例，其中的储存压力优选被调节为例如固定值(例如，在储器5的情况下，在1.05bar至11bar之间，例如1.1bar至1.8bar之间，特别是1.5bar绝对压力，对于另一储器4，在1.9bar至3bar之间，特别是2.5bar)。
“储器中的压力”是指例如储器中或储器的底部中或上部(气体顶部空间中)的平均压力。这是因为，由于氢的低密度，储器的下部中的压力基本上等于上部中的压力。
由源2供给并由液化器3液化的氢可以间歇地和/或连续地和/或在储罐4、5中的液位下降到确定的阈值以下的情况下转移到储器4、5。优选而言，通过来自液化器3的补给(液化器3的输出和/或调节阀调节供给到储器4、5的液体的流量)来自动地控制储器4、5中的液位。
每个储器5、4包括各自的液体抽取管9、8，液体抽取管的一端连接到储器4、5(一般在下部)，并且至少一个的另一端旨在连接到至少一个要加注的储罐10。
每个储器4、5还包括各自的气体抽取管12、11，气体抽取管的一端连接到储器4、5(一般在上部)，而另一端经由一组阀14、13连接到液化器3的入口，该组阀构造成允许在一个或两个储器4、5中蒸发的气体再循环到液化器3，使得其可以被液化。
如在下面的示例中更详细地描述的，储器4、5中处于较高压力下的储器4可以用于将液态氢转移到要加注的储罐10中，而储器4、5中处于较高压力下的储器5可以用于回收已被冷却和液化(在液化器3中)的来自储罐10的气态氢。
在第一构型中(参见图1)，由源2供给并由液化器3液化的气态氢可以例如经由具有两个下游端的管道17分配到储器4和/或储器5，所述下游端分别并列连接到两个储器4、5(相应的打开的阀7、6用白色表示)。
第一储器4中的压力高于第二储器5中的压力。
允许气体经由气体抽取管12、11排出的出口阀13、14关闭(关闭的阀用黑色表示)。
同样，关闭允许液体经由液体抽取管8、9排出的出口阀20、24关闭(关闭的阀用黑色表示)。
离开液化器3的氢被过冷，以便维持储器的压力并防止热量进入。这意味着液化器3可以构造成产生过冷的液体，也就是说温度低于处于相关储器的压力的氢的泡点温度的液体。
可替代地或组合地，可以在液化器3的出口中或该出口处设置喷射器25，从第二储器5中抽取的加压气体将被用于喷射器25中并与转移到第一储器4的液体混合(参见图1中的虚线所示的示意图)。这使得可以维持第二储器5的压力并降低第一储器4的过冷度。
当一辆卡车到达设备1以加注其储液罐10时，该储罐通常是部分空的，并处于相对较高的温度和相对较高的压力下(例如，压力为2bar至10bar，温度为100K至25K)。
一旦储罐10已经连接到设备1(连接到设备的液体供给管8、15和气体返回管18)，则储罐10中的压力需要降低至低于第一储器4的压力，以便通过均衡来自该第一储罐4的压力来加注储罐10。
存在于要加注的储罐10中的氢一般主要是气态的(液相例如为1％至10％)并且温度在100K至25K之间。
通过将过冷的液态氢经由转移管的端部15从液化器3直接转移到储罐10中，可以实现该压力下降，该转移管的阀16因此打开。
(优选地过冷的)液态氢这样涌入储罐10将通过冷却和冷凝存在的氢而降低其中的压力，即使是用于从储器排出气体的排放口关闭(通往气体返回管18的阀19关闭，参见图1)。
可以将液态氢转移(迫压)到储罐10中，因为源2的供给压力优选地高于要加注的储罐10中普遍存在的压力。
离开液化器3的氢气越过冷(例如，温度在21K至15K之间)，储罐10的减压就越快。没有转移到储罐10的液化输出(也就是说，液化器3“过量”供给的液体部分)可用于加注第二储器5(参见如上所述的相应的打开的阀7)。
可替代地或组合地，对储罐10进行减压的预备步骤可以包括将加压气体从储罐10转移到液化器3的入口(参见图3，通过打开气体返回管18上的阀19)。同时，液化器3可将液体供给到第一储器4和/或第二储器5(参见图3，阀6、7打开)。
可替代地或组合地，使储罐10减压的预备步骤可包括将加压气体从储罐10转移到第一储器4的入口(参见图4，通过打开液体供给管8上的阀20)。同时，位于液化器3的出口与第一储器4的入口之间的阀6关闭，而位于第一储器4的气体出口与液化器3的入口之间的阀14打开。另外，由液化器3供给的液体可用于加注第二储器5(参见如上所述的相应的打开的阀7)。
当储罐10的压力低于第一储器4的压力时，储罐10中的液位一般在其最大容量的10％到50％之间(这可以根据储罐10中的初始条件而变化)。
在一种可能的顺序中，首先可以从液化器3(过冷)加注储罐10(以开始引起压力下降并冷却储罐10中的蒸气)，接着朝向液化器3的入口对储罐10进行减压，其中液体从液化器3朝向储器4和/或储器5返回，直到储罐10达到高于具有最高压力的储器4中的压力的第一压力P1。
然后可以朝向液化器3进行储罐10的减压，其中液体从液化器3被送到处于最低压力下的储器5，直到储罐10达到介于两个储器4和5的压力之间的压力P2。
在减压结束时，储罐10中的液位同样位于其最大容量的10％至50％之间。
然后可以进行储罐10的加注的主要阶段。
如图5所示，然后可以通过液体抽取管8将液态氢从第一储器4转移到储罐10，液体抽取管8借助于压力差将它们连接(相应的阀20打开)(提供通向第一储器4的通道的其它阀14、6关闭)。
离开储罐10的任何蒸气(例如，在100K和23K之间的温度下)都可以通过将储罐10连接到液化器3的入口的气体返回管18(特别是在阀19打开的情况下)回收。
因此，该热气体被液化，并且在相应的阀7打开的情况下，所获得的液体可以经由该管转移到第二储器5。
还可以继续使由源2供给的氢液化。在这种情况下，液体将优选在液化器3中在介于储罐10的压力与第二储器5的压力之间的某个压力下产生/膨胀，以便允许利用压力差将其转移到第二储器5(经由转移管道17和相应的阀7的开口)。
如上所述(参见图1)，作为替代方案，可以在液化器3的出口处设置喷射器，该喷射器这次被供给以来自储罐10的加压气体，以便更快地降低储罐10中的压力并加速其液体加注。
当已将所需量的液体转移到储罐(储罐10已达到其确定的加注阈值)时，然后可以将储罐10减压至第二储器5的压力(或更低)。
在上述加注之后，储罐10中的压力通常接近于第一储器4中的压力。储罐10的填充/加注液位例如在50％至95％之间。然而，其压力确实需要降低，使得它可以重新上路并且不会在途中损失氢。
该道路法定压力根据当地法规而有所不同。
经由气体返回管18和气体抽取管11将储罐10(其蒸气出口)连接到第二储器5(相应的阀19和13打开)允许蒸气从储罐10排放到第二储器5。这允许储罐10和第二储器5的压力被平衡到接近于第二储器5的压力的压力(压力接近而不是相等，因为过冷液体从液化器3到达第二储器5中并且由于储罐10与储器5之间的尺寸差)。
作为替代方案或组合地，也可以使蒸汽从卡车储罐10经由喷射器返回到液化器3，该喷射器位于源2处并在液化器3中的气体膨胀期间提取气体。
在该减压之后，储罐10的压力接近于第二储器5中的压力。
如果该压力与所需的道路法定压力相适应，则卡车可以与设备1断开连接并出发，以将液态氢运输到目的地。系统返回到开始的第一配置。
另一方面，如果储罐10中的压力仍然太高(相对于法定要求而言)而不能上路，则可以进一步例如减压至通气口(参见图7，附图标记21)和/或氢回收系统。
否则，也可以使用相应的管9经由第二储器5实现加注的结束。然后，通过将蒸气回收到液化器(经由气体返回管18及其打开的阀19)来降低储罐10中的压力(和/或通过喷射器将蒸气从储器向源2抽出)。
如果源2不可用(例如，如果位于源2与液化器3之间的阀22关闭)。
在这种情况下，当没有要加注的储罐10(根据图1的构型)，在要加注的储罐10到达的情况下仍需要维持两个储器4、5的压力。
在这种情况下，液化器3可以利用其液化制冷能力来冷凝和/或过冷储器4、5的蒸气。
因此，例如，当第一储器4中的压力升高(由于使一部分液体蒸发的热量的进入)时，所产生的气体可以经由气体抽取管12(相应的阀14打开)转移到液化器3。然后可以在较低的压力下将液化和过冷的气体转移到第二储器5(经由管道17和相应的阀7)。
使氢过冷(例如降低到15K)可以避免该第二储器5中的压力升高，尽管有热量进入。
当源2不可用(例如，阀22关闭)并且储罐10连接到设备且需要减压时，储罐10中的压力可以降至低于第一储器4中的压力以便允许从该储器4对其进行加注。
存在于要加注的储罐10中的氢主要是气态的(液相例如为1％至10％)并且温度在100K至25K之间。通过将储罐10的气体出口连接到液化器3(通过打开阀19而经由气体返回管18进行)，这允许来自储罐10的气态氢被液化。可以根据储罐10中的压力来将该液化氢转移到第一储器4和/或第二储器5中。在该步骤的最后，储罐10的压力低于第一储器4的压力，从而允许从该储器4对其进行加注，如先前所描述的。
在实施例的一种可能的替代形式中，设备包括两个以上的储器，其可以具有不同的确定的相应储器压力。
在图8所示的一种实施例的替代形式中，设备1可以包括两个液化器3、26。与先前的附图相比，已经简化了图8(相同的架构，但是并非所有先前的阀都已经在图8中示出了)。
这种替代形式在对氢的需求变化很大(其中具有一个液化器的灵活性可能产生不利影响)时是特别有利的。
特别地，第二液化器26(或与上述方案相比附加的液化器)也是从源2供给的。另外，该附加的液化器26还可以具有连接到两个储器4、5中的每个储器(例如，经由包括分别与储器4、5的两个入口并列连接的两个下游端的管)的液体出口。
优选而言，两个液化器3、26具有不同的尺寸。另外，如图8所示，优选而言，仅一个(第一)液化器3构造成从设备回收蒸气。另一附加的液化器仅从由源2供给的气体产生液体。
该附加的液化器26将使得有可能接管对来自储器4、5和储罐10的蒸气的控制。冷却/加注步骤可以类似于上文所述的那些步骤，区别在于如果需要的话附加的液化器26也可以向一个或多个储器4、5供给液态氢。
来自第一液化器3的低压氢可以潜在地被送至第二液化器26，以便回收用于使由源供给的气体(或较高压力下的蒸气)液化的可用冷量。同样，可以想到为第二液化器26提供选择以回收加热的蒸气以使其液化。
因此，由单个液化器3执行的所有或部分上述过程可以由两个液化器3、26中的一个或两个液化器进行。
另外，该系统可以构造成加注多个储罐10。在这种情况下，可以提供与要加注(特别是要同时加注)的储罐一样多的端部和阀20、24、16、19。
