液态氢燃料供应系统中的布置结构和方法与流程-k8凯发

本发明涉及根据权利要求1的前序部分所述的液态氢燃料供应系统中的燃料储罐布置结构。本发明还涉及根据权利要求9的前序部分所述的填充液态氢燃料供应系统的方法。更具体地说，本发明涉及用于为气体消耗器储存和提供氢的液态氢燃料供应系统中的燃料储罐布置结构，该系统包括：-用于向储罐提供燃料的入口管线；-所述入口管线具有位于第一端的第一阀和位于储罐端的第二阀；-所述入口管线设置有惰性气体冲洗介质管线，所述惰性气体冲洗介质管线的第一端在所述第一阀的下游连接到所述入口管线，并且所述惰性气体冲洗介质管线的第二端可控制地连接到惰性气体源，以用于对所述入口管线执行惰性气体冲洗。更具体地说，本发明的方法涉及一种填充用于为气体消耗器储存和提供液态氢的液态氢燃料供应系统的方法，该方法包括以下步骤：-经由入口管线将预定量的液态氢从燃料装载站供给到储罐，所述入口管线具有位于第一端的第一阀和位于储罐端的第二阀，并且在所述供给之后，关闭所述第一阀；-通过经由在所述第一阀的下游可控制地连接到所述入口管线的惰性气体冲洗介质管线供应惰性气体来使所述入口管线惰性化，所供应的惰性气体将氢从所述入口管线冲洗到所述储罐中。

背景技术：

1、由于燃烧结果比例如重燃料油或轻燃料油的燃烧结果危害更小，因此由于环境原因，天然气作为海上船舶、发电厂等等中内燃发动机的燃料已经变得更加常见。然而，气态化石燃料通常也对环境有害，因此不期望向大气发生任何泄漏。这就是为什么用于处理和调节气体燃料的所有设备都受到严格的安全规定的原因。在从化石燃料到可再生燃料的转变中，下一步可能是氢。如果气态燃料是氢，则应用相同或甚至更严格的规定，因为它比液化天然气(lng)具有更低的沸点。氢的分子大小也小，从而使得它容易泄漏。

2、氢是未来需要的最有潜力的替代燃料之一。在内燃活塞式发动机中以燃料混合物的形式使用氢。例如，对于lng，可以按照高达总燃料混合物的一定份额的方式使用lng。另选地，可以使用氢作为燃料电池的唯一燃料。燃料电池是通过一对氧化还原反应将诸如氢和氧化剂之类的燃料的化学能转化为电的电化学电池。燃料电池系统与大多数蓄电池的不同在于，它需要持续的燃料和氧气来源来维持化学反应。从这个意义上说，氢基动力系统的要求比基于蓄电池的系统更接近lng燃料系统。

3、然而，出于各种原因，用于储存和处理液态氢的储罐和储罐连接空间二者都需要特别注意。首先，氢的储存和加工通常隐含着火灾和爆炸的高风险，这一方面是由于产生爆炸性环境的混合物的范围广，另一方面是由于氢的典型点火能量低。其次，氢的检测相对缓慢。

4、作为参考，在公开wo 2020/182308 a1中，提出了一种海上船舶的燃料储罐布置结构，该燃料储罐布置结构包括：液态氢燃料储罐；储罐连接空间，其与液态氢燃料储罐连通地布置，该储罐连接空间设置有具有下端和上端和内部的通风桅杆，通风桅杆的内部形成用于从储罐连接空间排放气体的通风出口管线；应急泄压阀，其经由安全阀管线联接到燃料储罐的气体空间，其中，设置在通风桅杆中的第一氢出口管线与通风出口管线分开，第一氢出口管线从通风桅杆的下端延伸到其上端，并且与应急泄压阀流动连通地布置。

5、在公开ep 2212186 b1中，提出了一种用于操作以lng为燃料的海上船舶的方法，该海上船舶包括：燃料加注站，其包括入口管道，lng源被布置为连接到该入口管道；lng储罐，其连接到燃料加注站和以lng为燃料的发电站，在与燃料加注操作有关的该方法中，通过利用燃料加注站的入口管道将lng源连接到海上船舶的燃料加注管线并且随后通过该燃料加注管线将lng供应到lng储罐来向海上船舶供应lng。在海上船舶到达燃料加注设施之前，通过将lng从lng储罐的下部再循环到燃料加注管线并借助该燃料加注管线回到lng储罐来将燃料加注管线冷却至对应于lng温度水平的温度水平。

6、用于基于氢的发电系统的燃料供应的基本配置将是将燃料消耗单元(诸如，多个互连的燃料电池)连接到可以从外部填充的储罐。该系统可以例如用在海上应用中，在这种应用中，燃料电池是用于船舶的动力源，储罐位于船舶中并且燃料填充系统在港口或卡车中或者在燃料加注系统中。也可以是燃料消耗单元被布置为形成基于陆地的发电站，并且燃料由卡车或火车输送到发电站。同样的原理甚至可以应用于普通的客车、公共汽车或货车。

7、需要考虑的一方面是液化气态燃料的沸点非常低。lng温度为-163℃并且影响lng燃料供应系统的设计。因为正常大气温度明显高于lng的沸点并且意味着当在大气温度下与诸如燃料供应系统部件、管道、阀等之类的任何非低温部件相关时，液态燃料将沸腾并非常快地转变为气相。出于经济和实用的原因，低温条件限于最小程度，诸如限于储罐和储罐附近(诸如储罐连接空间)。储罐被阀包围，使得诸如通往储罐或源自储罐的燃料供应管线之类的任何连接都配备有阀。在填充满储罐之后，必须使燃油供应系统为惰性的。这些燃料供应系统在海上船舶的情况下可能特别长，其中燃料供应管路可能是几十甚至几百米。在lng的情况下，该惰性化是用氮气完成的。氮气气相温度适于该目的，因为氮气在-196℃冷凝并且在-210℃冻结。这意味着，如果在lng之后将氮气供应到管路，则氮气仍处于气相。然而，相同的方法和物质不能应用于氢燃料供应系统。液态氢与lng的关键区别之一是液体的沸点，并且氢气的沸点为-252.87℃。这意味着，如果氮气在液化氢之后被供给到管路，则它将凝结甚至冻结于管路，这最有可能开始引起问题。

8、本发明的目的是提供一种液态氢燃料供应系统中的布置结构，该液态氢燃料供应系统可连接到用于向该系统提供液态氢的燃料加注站。本发明的另一目的是提供一种液态氢燃料供应系统中的方法，该液态氢燃料供应系统可连接到用于向该系统提供液态氢的燃料加注站。在该布置结构和该方法二者中，与现有技术的凯发k8ag旗舰厅真人平台的解决方案相比，性能得以相当大的改善。

技术实现思路

1、可以基本上如独立权利要求中和描述本发明的不同实施方式的更多细节的其他权利要求中公开地那样满足本发明的目的。

2、根据本发明的实施方式，提供了一种用于为气体消耗器储存和提供氢的液态氢燃料供应系统中的燃料储罐布置结构，所述系统包括：

3、-用于向储罐提供燃料的入口管线，

4、-所述入口管线具有位于第一端的第一阀和位于储罐端的第二阀，

5、-所述入口管线设置有惰性气体冲洗介质管线，所述惰性气体冲洗介质管线的第一端在所述第一阀的下游连接到所述入口管线，并且所述惰性气体冲洗介质管线的第二端可控制地连接到惰性气体源，以用于对所述入口管线执行惰性气体冲洗，

6、-所述系统还包括：

7、-所述入口管线设置有燃料气体冲洗介质管线，所述燃料气体冲洗介质管线的第一端在所述第一阀的下游可控制地连接到所述入口管线，并且所述燃料气体冲洗介质管线的第二端连接到气态氢源，以向所述入口管线供给气态氢从而对所述入口管线执行第一冲洗。

8、这提供了性能显著提高并且惰性化操作可以有效且安全地完成的布置。它需要适合这些非常苛刻的低温冷冻条件的特殊部件布置。然而，该布置在很大程度上利用出于其他目的而需要的特征，并且附加元件的数量相对少。

9、根据一个实施方式，一种利用该布置结构填充用于为气体消耗器储存和提供液态氢的液态氢燃料供应系统的方法，所述方法包括以下步骤：

10、-供给步骤，该供给步骤经由入口管线将预定量的液态氢从燃料加注站连接件供应到储罐，所述入口管线具有位于第一端的第一阀和位于储罐端的第二阀，并且在所述供给之后，将所述第一阀关闭，

11、-惰性化步骤，该惰性化步骤通过经由在所述第一阀的下游可控制地连接到所述入口管线的惰性气体冲洗介质管线供应惰性气体来使所述入口管线惰性化，所供应的惰性气体将氢从所述入口管线冲掉到所述储罐中，

12、-在供给步骤和惰性化步骤之间，执行燃料气体冲洗步骤，其中，气态氢从气态氢源经由在所述第一阀的下游的连接到所述入口管线的燃料气体冲洗介质管线供应到所述入口管线，所述气态氢冲洗所述入口管线并同时暖化所述入口管线。

13、根据本发明的实施方式，气态氢源是用于增加气态氢的压力和温度的装置，并且它连接到储罐或由储罐中的气态氢或液态氢供应。因此，已被填充以供消耗的相同燃料是用于冲洗的介质，并且它首先被从储罐获取到用于增加压力和温度的装置，然后被引导以冲洗和暖化入口管线。冲洗气体可以从储罐的气体空间中获取。储罐中的一部分液态氢蒸发并形成所谓的蒸发气体(boil off gas或闪蒸汽)。它已经处于气相，并且可以避免将液体蒸发到气相的步骤。在冲洗操作中，被暖化的气体将再次返回储罐。使用蒸发和被加热的液态氢进行燃料气体冲洗操作并且将其作为气体重新引入到储罐中比使用来自储罐的被加热的蒸发气体用于冲洗操作更增加了储罐中的压力。因此，由于避免了蒸发液态氢的步骤，使用蒸发气体然后仅仅将被加热的气体重新引入储罐中是更经济的替代方案。然而，为了冲洗，无论如何都需要通过合适的手段升高冲洗气体的压力。否则，入口管线和燃料冲洗介质管线二者中的压力将相同而不会发生冲洗。

14、对于氢气的压力和温度增加以及用于冲洗操作的加热器/蒸发器，有几种替代方案。一种方案是气态氢源是储罐布置结构的使用储罐蒸发气相氢或液相氢的主气体蒸发器。当气体消耗器使用来自储罐布置结构的燃料时，主气体蒸发器在正常操作中用于蒸发和加热液态气体。另一种替代方案是加压气态氢源是压力积聚蒸发器。压力积聚蒸发器在加压储罐布置结构中使用，压力积聚蒸发器是泵操作的储罐布置结构的一种选择，用于在操作中为气体消耗器增加和保持储罐中的足够压力。用于冲洗操作的另一种可能的氢源是压力增加装置，该压力增加装置是泵、压力蓄能器或类似物。气态氢源的该选择取决于系统的实际配置，许多配置都是可能的。

15、根据该方法的实施方式，入口管线安全程序是两步式程序。首先，燃料气体冲洗将任何剩余的液态氢推到储罐中并且蒸发可能的少量残留液态氢，并且暖化入口管线。下一步骤是惰性气体冲洗，该惰性气体冲洗通过将入口管线中的燃料气体推到储罐来取代该燃料气体。对于这两个步骤，通过实际配置、入口管线直径和长度来选择合适的冲洗量和压力。冲洗压力和流速需要足以将介质移动到冲洗介质的前方。

16、根据本发明的一个实施方式，入口管线设置有用于确定入口管线温度的温度传感器(或多个传感器)。该特征使得能够进行入口管线的温度监视。对于燃料气体冲洗，一定量的液态氢已沸腾或者蒸发成气相并且被暖化到高于tn的预定温度，其中，tn是惰性气体的冷凝温度。在燃料气体冲洗期间，入口管线的温度受到监视，并且在确定入口管线的温度高于tn之后，关闭燃料气体冲洗介质管线并且可以开始用惰性气体冲洗。对于操作者来说，了解入口管线温度是否低到使得惰性气体会凝结或冻结是有用的。换句话说，燃料气体冲洗有利地持续，直到入口管线温度已首先上升至高于惰性气体的冻结温度，然后高于惰性气体的冷凝温度。只有在此之后，才安全地将惰性气体引导到入口管线并将其冲洗至惰性状态，以使入口管线没有含有易燃或易爆量的燃料残留的危险。惰性气体冲洗的完成可以例如通过测量入口管线的储罐端中的惰性气体的浓度来确定。惰性化阶段的完成也可以通过考虑已完成一定量的体积交换来确认，例如，用于冲洗的氮气量是例如入口管线容积的5倍，这意味着进行了充分的冲洗，并且管线可以被认为是惰性化的。最合适的惰性气体是氮气，因为它比其他惰性气体便宜，所以发电系统的运营商的运营成本保持低。也可以考虑诸如氩气或氦气这样的一些其他替代品。

17、本专利申请中提出的本发明的示例性实施方式将不被解释为对所附权利要求书的适用性构成限制。动词“包括”在本专利申请中用作开放性限制，并不排除也存在未列举的特征。除非另有明确说明，否则从属权利要求中阐述的特征能被相互自由组合。在所附权利要求书中具体阐述了被视为本发明特征的新颖特征。