[發明專利]使用液體活塞為壓縮氣體壓力容器補給燃料的系統及方法

有效

• 申請號: 201380071470.0
• 申請日: 2013-12-10
• 公開（公告）號: CN104956141A
• 公開（公告）日: 2015-09-30
• 發明（設計）人: 保羅·安東尼·惠特曼;德里克·謝恩·費科特
• 申請（專利權）人: 馬賽克科技發展有限公司
• 主分類號: F17C7/02
• 分類號: F17C7/02;F17C5/06;F17B1/12
• 代理公司: 北京英賽嘉華知識產權代理有限責任公司 11204
• 代理人: 王達佐;王艷春

技術領域

本發明大體涉及壓縮氣體輸送系統。具體地，本發明涉及壓縮天然氣(CNG)輸送系統，包括使用液體活塞在控制壓力下儲存和輸送CNG的方法。

背景技術

在車輛中使用天然氣燃料是相對環保的，因此，環保組織和政府支持在車輛應用中使用天然氣燃料。基于天然氣的燃料通常有三種形式：壓縮天然氣(CNG)、液化天然氣(LNG)以及被稱為液化石油氣(LPG)的天然氣衍生物。

因為以天然氣為燃料的車輛排放的SO₂(二氧化硫)、煙塵以及其他微粒物質的水平通常極低，所以它們具有引人注目的環保認證。與以汽油和柴油提供動力的車輛相比，由于天然氣中碳-氫比例更有利，所以以天然氣為燃料的車輛的CO₂(二氧化碳)排放量通常很低。天然氣車輛以各種形式出現，從小型汽車到客車以及漸增到各種規格的卡車。天然氣燃料還使得發動機具有較長的使用壽命和較低的維修成本。另外，當比較等量燃料能源時，CNG是最便宜的替換燃料。而且，天然氣燃料能夠與其他燃料(諸如柴油)結合，從而提供與上述相似的益處。

限制天然氣在車輛中的使用的關鍵因素是天然氣燃料的儲存。在CNG和LNG的情況下，相對于具有等效能量的常規液態燃料所需的箱，CNG和LNG的燃料箱通常很昂貴、很大且笨重。另外，CNG和LNG燃料補給設施相對缺乏廣泛可得性以及LNG的成本進一步限制了把天然氣用做機動車輛燃料在。另外，在LNG的情況下，生產LNG的成本和復雜性以及與在車輛上儲存低溫液體相關聯的問題進一步限制了這種燃料的廣泛應用。

當使用LPG時，緩解了一些上述問題，并且這種燃料在高里程汽車(諸如出租車)中被廣泛應用。然而，成本與利益的比較在私人汽車的情況下通常不是很有利。與燃料箱的尺寸和形狀、LPG的成本變化性以及時而受限的供應相關聯的問題意味著LPG同樣具有限制其廣泛應用的明顯缺點。總之，除非對主要交通樞紐周圍的LPG設備網絡進行大規模投資，否則CNG是可能在不久的將來被廣泛應用的唯一可行的天然氣形式。

另外，雖然在世界一些區域內LNG作為液態燃料替換物已取得一定成功，但是LNG缺乏可得性及其高成本意味著在世界很多區域內使用LNG是不可行的。在CNG的情況下，其作為液態燃料替換物同樣取得了一定成功，但是幾乎僅限于在采用了低壓碳化物端口注入感應技術的火花點火發動機中。這種應用在全世界的政府公共汽車隊中很流行，其中，在替代常規柴油發動機安裝的火花點火發動機內使用這種更清潔的天然燃料。該應用通常為有限范圍的車隊，并且包括為車隊夜間補給燃料的緩沖CNG填充策略。

然而，這種緩沖填充策略限制了CNG在大型車輛中的廣泛實施的環境，其實質上僅以壓縮機的能力輸送氣體，通過將任何氣體儲存作為緩沖，以將壓縮機打開/關閉循環降至最小。由于在燃料補給站處滿足間歇性和峰值需求的電源要求以及傳入氣體連接件的尺寸，因而，認為CNG具有局限性。

例如，為CNG車輛補給燃料的替代要求為10加侖柴油等價物每分鐘。如果要在具有4個分配器的地點同時為4輛車輛補給燃料，如果使用典型的美國工業CNG工業氣體供應連接壓力，那么這將需要高達2000kW的壓縮以及相應的大型氣體互連件。

Knowlton的第4805674號美國專利公開了一種“快速填充”的天然氣儲存和返回系統，其克服了上述的一些關于需要大量能源將天然氣從公共供應線的相對低的壓力壓縮至約為3600psig的車上儲存壓力的問題。Knowlton使用天然氣置換液體，從而有效地改變了主要CNG儲存容器的體積。

然而，Knowlton的公開出現了與氣體損失和氣體污染有關的若干問題。例如，如果置換液是水性液體體，那么CNG會受到水的污染，當將氣體排出用以使用時需要昂貴的氣體干燥過程。另外，可替代的置換液會被溶解于液體中的CNG污染。然后，當將置換液從CNG儲存容器中移動至低壓儲箱時，所溶解的CNG會丟失。

已經采用CNG置換在微型壓縮機中對離子液體(即低蒸氣壓力的液態鹽)進行過試驗，但是這些溶液很昂貴，通常易燃，并且環境毒性高，因而沒有擴大到大型設施。

另外，對其他各種烴類油溶液也進行了試驗，結果較差，因為這些溶液中都占用了大量的溶解的氣體，這在當將溶液返回低壓儲液箱時會出現氣體回收和其他形式的損失的問題。

另外，已使用物理囊狀物或機械活塞來嘗試壓力容器內的氣體和液體的隔離；然而，成本、復雜性、規模、制造和維修的問題使得這些潛在的解決方案存在問題。

因此，需要改進的、用于對壓縮氣體壓力容器補給燃料的系統和方法。

發明目的