СПОСОБ ЗАПРАВКИ И ЗАПРАВОЧНАЯ СТАНЦИЯ ВОДОРОДА
METHOD OF FILLING AND HYDROGEN FILLING STATION

Изобретение относится к средствам подачи водорода в топливную систему автомобилей с двигателем внутреннего сгорания или автомобилей с генератором на основе водородных топливных элементов.
Известен способ заправки системы водородом. Согласно способу заполняют бак жидким переохлажденным водородом до заданного уровня заправки. Производят выравнивание температуры жидкого водорода в баке путем подачи жидкого переохлажденного водорода в газовую подушку бака, выравнивание температуры жидкого водорода в топливном баке совмещают с предстартовым наддувом бака гелием. При этом подаваемый в газовую подушку бака жидкий переохлажденный водород диспергируют в объем газовой подушки бака, обеспечивая охлаждение ее до температуры, при которой плотность гелия в газовой подушке превысит плотность в ней паров водорода. Эти операции позволяют уменьшить тепловые остатки незабора жидкого водорода в топливном баке по окончании работы двигательной установки системы и предотвратить провалы давления в газовой полости. Патент Российской Федерации №2284951, МПК: F17C 6/00, 2006.
Способ предназначен для больших систем, является взрывоопасным при наземном потреблении.
Известен мобильный комплекс "ПРЭТТИ" для заправки автокартриджей сжатым природным газом или водородом, содержащий аккумуляторы сжатого газа, компрессор высокого давления, управляющую станцию операционно-технологического исполнения циклов зарядки аккумуляторов сжатым газом и заправки топливных баллонов автомобилей с системой учета прихода-расхода газа, автомобильный прицеп или полуприцеп и транспортирующий тягач.
Комплекс содержит аккумуляторы сжатого газа. Аккумуляторы выполнены в виде трехполостного сферического сварного резервуара-аккумулятора высокого давления "ПРЭТТИ" с выносным регулирующим распределительным запорно-предохранительным устройством и вспомогательные баллоны-ресиверы высокого давления.
Сферический резервуар-аккумулятор выполнен в виде сменного блока резервуара-контейнера. Подзарядку системы сжатым газом высокого давления осуществляют от автомобиля-заправщика. Заявка на изобретение №2004104768, F17C 5/06, дата публикации заявки 2005.08.10.
По существу в заявке приведена постановка задачи и перечень структурных элементов для содержания сжатого газа. Техническое решение не раскрыто.
Известен способ заправки емкости жидким водородом высокой чистоты. Способ включает фильтрацию водорода при подаче его из заправщика в емкость. Перед началом заправки измеряют массу жидкого водорода в заправщике, по которой определяют возможность заправки в емкость заданной массы водорода и время ее заправки по приведенной формуле. Патент Российской Федерации №2040727, МПК: F17C 5/04 1995 г.
Известен способ заправки емкости жидким водородом, способ включает подачу жидкого водорода под давлением через фильтр в заправляемую емкость до понижения температуры водорода на входе в фильтр до 63 К.
Подачу водорода проводят через байпас на входе в фильтр до понижения температуры, равновесной давлению водорода перед фильтром, затем опять производят подачу водорода через фильтр в заправляемую емкость до момента ее заполнения до заданного количества. Патент Российской Федерации №2040728, МПК: F17C 5/04, 1995 г.
Оба способа для использования на практике чрезмерно взрывоопасны.
Патент Российской Федерации №2040728, МПК: F17C 5/04, 1995 г., прототип способа.
Известна заправочная станция сжиженных углеводородных газов (СУГ), содержащая сосуд с межстенным пространством, заполненным теплоизоляционным материалом, и подогреватель газа, насос, заправочную колонку и (или) весовое устройство для наполнения СУГ бытовых баллонов и контрольно-измерительную аппаратуру. В сосуде установлен подогреватель СУГ с терморегулятором. Патент Российской Федерации №2243445, МПК: F17C 7/00, 2004 г.
Известна заправочная станция сжиженных газов СУГ, содержащая герметичный резервуар, соединительные коммуникации, связывающие через исполнительные механизмы резервуар СУГ с газораздаточной колонкой, и систему контроля утечки газа. Система контроля утечки газа включает устройство контроля веса резервуара СУГ с датчиком веса, блок учета расхода СУГ газораздаточной колонки, преобразователь электрического сигнала в частотную характеристику, сумматор, анализатор и блок управления исполнительными механизмами. Выход блока учета расхода СУГ связан с первым входом сумматора, на второй вход которого поступает сигнал с преобразователя. Выход сумматора связан с первым входом анализатора, второй вход которого соединен с выходом преобразователя. Выход анализатора соединен с блоком управления исполнительными механизмами. Патент Российской Федерации №2277200, МПК: F17C 5/02, 2006 г.
Обе заправочные станции являются взрывоопасными при использовании водорода.
Известны устройства, в которых для зарядки водородом бортовых емкостей на основе аккумулирующих структур из микроконтейнеров по достижении максимального давления зарядки нагрев картриджа прекращают, однако давление водорода в зарядной камере поддерживают на прежнем уровне до снижения температуры картриджа до нормальной температуры за счет естественного охлаждения. Torn Halvorson, James E. Shelby. Controlled Permeation of Hydrogen through Glass. "Praxair, Inc.", "Glass science Laboratory, Alfred University", USA, 1998.
Недостатком устройств является высокая энергоемкость из-за омических потерь при нагревании и поддержании температуры картриджей на протяжении процесса зарядки, неполное наполнение водородом картриджей, уменьшение удельной емкости водородного аккумулятора.
Заправочная станция сжиженных газов, содержащая сосуд и подогреватель газа с терморегулятором, насос, заправочную колонку баллонов, контрольно-измерительную аппаратуру, принята нами за прототип. Патент Российской Федерации №2243445, МПК: F17C 7/00, 2004 г. - прототип зарядной станции.
Данное изобретение устраняет недостатки аналогов и прототипа.
Техническим результатом изобретения является повышение весового и объемного показателей содержания водорода в бортовых аккумуляторах, снижение энергозатрат на зарядку картриджей и минимизация возможных потерь водорода в процессе зарядки картриджей.
Технический результат достигается тем, что в способе заправки емкости водородом, заключающемся в подаче водорода под давлением в заправляемую емкость до понижения температуры водорода и до момента ее заполнения до заданного количества, заправляемую емкость в виде группы герметизируемых зарядных камер откачивают путем подключения внутреннего пространства камер через отсечные вентили к форвакуумному насосу, включают ИК-облучатели и СВЧ-облучатели в зарядных камерах, подают компримированый водород в зарядные камеры от последовательно подключаемых компрессоров, обеспечивая плавное нарастание давления водорода внутри зарядных камер, а при достижении температуры внутри камер на уровне 230-250°С отключают ИК-облучатели, поддерживают температуру водорода внутри зарядных камер на уровне 300°С путем отключения и подключения СВЧ-облучателей в соответствии с показаниями датчиков температуры внутри камер, затем при достижении максимального установленного давления для данного типа картриджей отсекают подачу водорода в камеры, отключают СВЧ-облучатели при достижении максимального установленного давления подаваемого в камеры водорода, эвакуируют остатки горячего водорода из зарядных камер и возвращают их в ресивер низкого давления, дополнительно подают в камеры водород под максимальным давлением, при температуре внутри зарядных камер 60-80°С подключают ИК-облучатели, доводя давление водорода в картриджах до установленного расчетного уровня.
Заправочная станция водорода, содержащая корпус, подогреватель газа с терморегулятором, насос, заправочную колонку баллонов, контрольно-измерительную аппаратуру, содержит группу герметизируемых зарядных камер, источник водорода низкого давления, компрессоры водорода, управляемые редукторы давления водорода, подаваемого в зарядные камеры, форвакуумный насос с приемной емкостью, систему газопроводов с отсечными вентилями и датчиками давления и программируемый контроллер управления элементами системы зарядки.
Каждая зарядная камера состоит из корпуса, выполненного из композитного материала, рассчитанного на давление, превосходящее максимальное давление подаваемого в картридж водорода с коэффициентом запаса в пределах от 1,5 до 2,3, в каждой зарядной камере установлен датчик температуры с гермовводом для соединения с контроллером.
Каждая зарядная камера по внешней поверхности корпуса и люка заключена в металлический кожух, предназначенный для экранировки СВЧ-излучения.
Каждая зарядная камера содержит установочный стакан с перфорацией для свободного прохода газа, стакан выполнен из радиопрозрачного материала, сохраняющего стойкость, по крайней мере, до температуры 440°С, в промежутке между установочным стаканом и внутренней поверхностью корпуса установлен СВЧ-облучатель с гермовводом для соединения с СВЧ-генератором, а в торце корпуса каждой зарядной камеры установлен ИК-облучатель с гермотоковводом для соединения с источником питания.
Сущность изобретения поясняется на фиг.1 и фиг.2.
На фиг.1 схематично представлена заправочная станция автоматизированной системы зарядки водородом картриджей для бортовых автомобильных систем хранения водорода, где i - 1, 2, 3, … .
i
i
i
i
i
i
i
1 - зарядная камера, 2 - входной патрубок, 3 - отсечной вентиль, 4 - коллектор, 5 - вентиль, 6 - отсечной вентиль, 7 - отсечной вентиль, 8 - эвакуирующий насос, 9 - форвакуумный насос, 10 - датчики давления, 11- датчики температуры, 12 - датчик давления, 13 - управляемые редукторы, 14 - вакуумметр, 15 - отсечные вентили, 16, 17, 18 - компрессоры, 19 - воздухосборник, 20 - ресивер, 21 - обратный клапан, 22 - контроллер, 23 - СВЧ-генератор, 24 - источник питания.
На фиг.2 схематично представлена зарядная камера с установленным в ней сменным водородным картриджем, где: 2 - входной патрубок, 3 - отсечной вентиль, 10 - датчик давления, 11 - датчик температуры, 25 - картридж, 26 - корпус, 27 - люк, 28 - кожух, 29 - СВЧ-облучатель, 30 - ИК-излучатель, 31 - установочное гнездо, 32 - перфорация, 33 - ручка.
i
i
Зарядная станция (фиг.1) представляет собой совокупность зарядных камер 1 (количество которых ограничивается лишь производительностью источника водорода и компрессорного оборудования на автозаправочной станции). Каждая зарядная камера 1 представляет собой контейнер для размещения в нем картриджа 25.
i
i
i
i
i
Зарядная камера 1 посредством входного патрубка 2 через отсечной вентиль 3 соединена с коллектором 4, который, в свою очередь, через систему отсечных вентилей 6, 15 и управляемых редукторов 13 подключен к одному из трех компрессоров 16, 17 или 18, подающих водород под своим давлением из ресивера 20.
i
Наличие трех компрессоров 16, 17, 18 обеспечивает экономию электроэнергии на сжатие водорода, т.к. процесс зарядки картриджей 25 требует постепенного повышения давления водорода в зарядных камерах 1. В каждый данный момент достаточно, чтобы работал один из компрессоров 16, 17, 18, обеспечивающих давление нагнетаемого водорода.
i
Зарядная камера 1 (фиг.2) имеет корпус 26 (предпочтительно из композитного материала), способный выдерживать максимальное давление водорода до 2000-3000 бар при температурах до 350-400°С, заключенный в тонкостенный металлический кожух 28. Кожух 28 предназначен для экранировки СВЧ-излучения, действующего внутри зарядной камеры в процессе зарядки.
i
i
i
i
i
i
1
Каждая зарядная камера 1 снабжена входным патрубком 2 для подачи водорода, вакуумирования и продувки его охлажденным газом. В зарядной каждой камере 1 установлены датчики давления 10 и температуры 11. Зарядная камера 1 снабжена люком 27, обеспечивающим герметизацию внутреннего объема, в который помещен картридж 25, имеющий для удобства обращения с ним ручку 33. Внутри корпуса смонтировано установочное гнездо 31 из радиопрозрачного материала, сохраняющего стойкость до температуры 400°С, имеющее перфорацию 32 для свободного прохода газа. В промежутке между установочным гнездом 31 и внутренней поверхностью зарядной камеры 1 установлены элементы СВЧ-облучателя 29, имеющего гермоввод (не показан) для соединения с СВЧ-генератором 23. В торцовой части камеры установлен ИК-излучатель 30, обеспечивающий равномерное облучение торцовой части картриджа 25 в широком диапазоне длин волн: от 200 до 3000 нм преимущественно вблизи длины волны 2785 нм, при которой эффективно происходит активация материала диффузора картриджа 25. ИК-облучатель 30 через гермоввод (не показан) подключен к источнику питания 24.
i
i
Система зарядки картриджей работает следующим образом. В исходном положении для начала зарядки картриджа все отсечные вентили 5, 6, 7, 15 зарядных камер 1 перекрыты, а все электрические элементы ее обесточены. После установки картриджа 25 в корпус 26 зарядной камеры Г и ее герметизации люком 27 на контроллер 22 подают сигнал начала зарядки (выключатель и линия сигнализации не показаны). По сигналу контроллер 22 начинает выполнять последовательно операции, предусмотренные алгоритмом.
i
-3
1
1
Сначала вакуумируют зарядную камеру 1, из которой через открытые вентили 3 и 7 с помощью форвакуумного насоса 9 через воздухосборник 19 откачивают воздух до давления не выше 10 торр, которое регистрируют вакуумметром 14. Затем отсечной вентиль 7 перекрывают, а форвакуумный насос 9 отключают. Включают первый компрессор 16, рассчитанный на давление до 500 бар, открывают вентили 15 и 6 и через редуктор 13, управляемый от контроллера 22, подают водород под давлением, которое постепенно увеличивают в соответствие с заданной программой.
i
Эта программа предусматривает, что в каждый данный момент давление водорода внутри зарядной камеры 1 не должно превышать давления водорода внутри картриджа 25 на величину, обусловленную способностью стенок капилляров сохранять устойчивость (по разности внешнего и внутреннего давления). Это давление устойчивости зависит от соотношения диаметра и толщины стенок капилляров и в большинстве случаев составляет для стеклянных капилляров не менее 500 бар.
i
i
i
1
1
2
2
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
Для быстрого начального заполнения капилляров водородом и сокращения времени зарядки картриджей 25 одновременно с подачей водорода в зарядную камеру 1 включают ИК-облучатель 30 и СВЧ-облучатель 29 внутри зарядной камеры 1. При температуре внутри камеры около 250°С ИК-излучатель 30 отключают. Зарядку продолжают до повышения давления подаваемого в зарядную камеру 1 водорода до максимального уровня, обеспечиваемого первым компрессором 16 (например, до 500 бар), после чего первый компрессор 16 и управляемый редуктор 13 отключают. Отсечной вентиль 15 закрывают и включают в работу второй компрессор 17 с одновременным открытием отсечного вентиля 15 и включением в работу управляемого редуктора 13. Постепенно, повышая давление подаваемого водорода в картридж 25, заполняют его до давления, установленного для второго компрессора 17 (до 1000 бар), после чего включают третий компрессор 18, с помощью которого давление подаваемого в зарядную камеру 1 водорода доводят до максимального для данного типа картриджа 25 давления (до 1500 бар). В процессе зарядки СВЧ-облучатель 29 работает по команде от датчика температуры 11, поддерживая температуру на установленном для данного типа картриджа 25 уровне (300°С). При достижении максимального давления (1500 бар) отсечной вентиль 6 на входном коллекторе 4 зарядной камеры 1 перекрывают. Контроллер 22 отслеживает изменение давления в зарядной камере 1 на основании показаний датчика давления 10. Если после стабилизации давления водорода в течение 100 с дальнейшего уменьшения давления его в зарядной камере 1 не происходит, отключают СВЧ-облучатель 29. Эвакуирующим насосом 8 через вентиль 5 остатки горячего водорода из зарядной камеры 1 удаляют и возвращают в ресивер 20. После этого отключают эвакуирующий насоса 8 и закрывают вентиль 5. Затем вновь открывают отсечной вентиль 6 и в зарядную камеру 1 подают свежий водород под максимальным давлением. При достижении внутри камеры температуры 60-80°С отсечной вентиль 6 закрывают, а на ИК-излучатель 30 подают напряжение, обеспечивая его работу на протяжении 80-100 с. Таким образом, обеспечивают полную зарядку картриджа 25 до максимального давления водорода. При этом компенсируется возможное снижения давления за время уменьшения давления водорода в зарядной камере после отключения СВЧ-нагрева до нормального установленного уровня. При завершении зарядки остатки водорода из зарядной камеры 1 направляют в ресивер 20. Все отсечные вентили 5, 6, 7, 15, обслуживающие зарядные камеры 1, перекрывают, а токоприемники обесточивают. Вентиль 7 открывают для выравнивания внутреннего давления в зарядной камере 1 с внешним атмосферным давлением, после чего люк камеры 28 может быть открыт и заряженный картридж 25 извлечен из нее для установки в автомобиль.