CN101415921B - 制造、分配及使用监控富含氢的燃料的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种制造、分配、使用并监控富含氢的燃料的系统(10)，其包括制造系统(12)，其经配置以制造所述富含氢的燃料；车辆(16)，其具有经配置以使用所述富含氢的燃料的发动机(18)；和分配系统(14)，其经配置以将所述富含氢的燃料储存并分配到所述车辆(16)中。所述系统(10)还包括所述车辆(16)上的燃料运送系统(20)，其经配置以将所述富含氢的燃料运送到所述发动机(18)；和控制系统(44)，其经配置以控制所述制造系统(12)并监控所述车辆(16)对所述富含氢的燃料的使用。本发明涉及一种方法，其包括以下步骤：制造氢气和烃燃料；将所述氢气和所述烃燃料掺合为所述富含氢的燃料；在所述发动机中使用所述富含氢的燃料；和在所述制造步骤期间和所述使用步骤期间跟踪排放量。

Description

制造、分配及使用监控富含氢的燃料的系统和方法
技术领域
本发明大体上涉及代用燃料，且尤其涉及一种制造、分配、使用并监控富含氢的燃料的系统和方法。
背景技术
气态代用燃料(例如氢气和天然气)因其在机动车辆发动机中的清洁燃烧特性而有价值。称作氢烷(HYTHANE)的尤其清洁燃烧的气态代用燃料是由氢气与天然气的混合物形成。氢烷中的词头“氢”取自氢气。氢烷中的词尾“烷”取自甲烷，它是天然气的主要成分。氢烷是Brehon Energy PLC的注册商标。以能量计，氢烷通常含有约5％到7％的氢气。天然气通常为约90+％甲烷与少量乙烷、丙烷、高级烃，以及二氧化碳或氮气等“惰性气体”。
在许多方面中，氢气和甲烷为令人赞叹的车辆燃料。甲烷具有相对较窄的可燃性范围，其限制利用稀释空气/燃料混合物和超吸气(super-aspiration)的发动机应用中的燃料效率。通常用过量空气或再循环废气来稀释空气/燃料混合物，分别称作稀燃(lean-burn)和废气再循环(EGR)。通常用涡轮增压器或其它增压泵来实现超吸气。即使少量氢气的加入也会显著扩展稀薄可燃性范围。甲烷还具有缓慢火焰速度，尤其在稀薄空气/燃料混合物中，而氢气具有快约8倍的火焰速度。甲烷是可能会难以点燃的相当稳定的分子，但氢气具有比甲烷低约25倍的点火能需求。最后，甲烷可能会难以在发动机中完全燃烧或难以在废气后处理转换器中催化。与此相反，氢气是在发动机内加速甲烷燃烧的有效燃烧刺激物，且氢气也是在较低排气温度下用于高效催化的有效还原剂。
尽管纯氢燃料可减排高达100％，但目前在化石燃料与氢气之间的成本差异令人无法接受。氢成本与氢能成正比，其可表示为由基准能量系统(例如，非氢燃料车辆)消耗的能量的百分比。然而，单独的氢成本并未考虑由氢燃料系统所提供的益处。为充分理解使用氢气作为燃料的益处，对氢气的使用和经济学的较广泛了解是必要的。
本发明考虑由富含氢的燃料所带来的减排。相对于基准条件的减排百分比与氢能百分比的比率是衡量氢利用效率的量度，称作杠杆系数(leveragefactor)。氢杠杆率(hydrogen leverage)经定义为[减排％]/[以氢气形式提供的基准能％]的比率。举例来说，转换为纯氢气操作的100辆天然气公共汽车的车队将具有约7％的总减排量。这意谓使用氢气的杠杆率为7％/7％＝1。然而，对于全部100辆公共汽车来说，同一车队可使用掺合有天然气的相同量的氢气(以能量计为7％)，且使整个车队达到50％的减排量。在此情况下，氢杠杆率为50％/7％＝7.14，或有效性是纯氢气情况的7倍以上。
本发明也考虑燃料的完整生命周期。举例来说，例如乙醇等生物燃料可降低由汽油发动机产生的排放量。然而，乙醇的制造可能包括在农用拖拉机中燃烧的柴油机燃料、农业废弃物的燃烧、在发酵和蒸馏期间过量二氧化碳的产生以及用于分配的油罐卡车中燃烧的更多柴油机燃料。本发明认识到，在乙醇燃料与其代替的基准燃料之间可作出任何正确比较之前应考虑到所有这些排放源。
尽管在使用氢气作为车辆燃料方面存在持久兴趣和显著进步，但氢气仍未象醇类、丙烷或天然气一样成为确定代用燃料。本发明涉及一种利用“从油井到车轮(wells to wheels)”法的系统，其用于制造、分配、使用并监控富含氢的燃料。利用本发明的系统，生命周期评价可比较相对于任何其它基准燃料来说，与富含氢的燃料的制造、运输和使用相关的总体环境影响。
相关技术的前述实例和与其相关的限制打算为说明性的且并不详尽。在理解本说明书和研究图式后，相关技术的其它限制对所属领域的技术人员来说将变得显而易见。
发明内容
提供制造、分配、使用并监控富含氢的燃料的系统和方法。结合系统和方法描述并说明以下实施例和其方面，其打算为例示性和说明性的，在范围上并不构成限制。
所述系统包括至少一台车辆，其具有经配置以使用富含氢的燃料的发动机。所述系统还包括制造系统，其经配置以制造富含氢的燃料；和分配系统，其经配置以将富含氢的燃料分配到车辆中。所述系统还包括控制系统，其经配置以在使用富含氢的燃料期间监控车辆的排放量和能量消耗。另外，控制系统经配置以监控和控制富含氢的燃料的制造，且收集关于排放量和能量消耗跟踪的必要数据。控制系统也可用于最小化富含氢的燃料的制造和使用期间的排放量，且最小化相对于基准燃料的能量消耗。
制造系统包括氢源，其经配置以提供氢气；和烃源，其经配置以提供基本烃燃料。可用制造系统将氢气与烃燃料冷却、混合并压缩以提供呈低温或超临界状态的预掺合增压气体或流体形式的富含氢的燃料。或者，制造系统可以单独成分形式向车辆提供氢气和烃燃料，其随后可在车辆内混合。
分配系统与制造系统和控制系统的组件也可位于在结构和功能上与常规加油站相似的加燃料站(refueling station)中。在一说明性实施例中，分配系统经配置以在预掺合状态下向车辆中分配富含氢的燃料。在另一实施例中，氢气和烃燃料是以单独成分形式提供，且车辆包括用于掺合氢气与烃燃料的恒定体积注射系统。
所述方法包括以下步骤：提供富含氢的燃料；将富含氢的燃料分配到车辆中；在车辆发动机中使用富含氢的燃料；和至少在使用步骤期间监控排放量和燃料消耗。监控步骤可感测并记录发动机性能数据，例如发动机操作状态、废气排放量数据和里程数据。监控步骤还可监控数据以评估和跟踪在富含氢的燃料的整个生命周期(包括在富含氢的燃料的制造、分配和使用期间)内的排放量。另外，监控步骤可证实富含氢的燃料的状况且在富含氢的燃料的制造、分配和使用期间提供安全性和控制。
附图说明
在图式的参考图中说明例示性实施例。本文中所揭示的实施例和图式打算视作说明性的，而不是限制性的。
图1是制造、分配、使用并监控富含氢的燃料的系统的示意图；
图2是绘示所述系统的掺合系统、压缩系统、储存系统和分配系统的示意图；
图2A是沿线2A所取的图2的放大图；
图2B是沿线2B所取的图2的放大图；
图2C是沿线2C所取的图2的放大图；
图2D是沿线2D所取的图2的放大图；
图3是所述系统的主控制系统的示意图；
图4是所述系统的分配系统的示意图；
图5是用于在车辆发动机内掺合氢气与烃燃料的系统的横截面图；和
图6是绘示在联邦排放试验的稳态刺激下，各种氢气浓度对改良型康明斯(Cummins)L-10公共汽车发动机的NOx排放量的影响的图表。
具体实施方式
在本发明中使用以下定义。
氢烷表示包括氢和甲烷(天然气)的富含氢的燃料。
超临界低温燃料(SCCF)表示包括溶解于超临界烃流体中的氢气的富含氢的燃料。
超临界流体表示在高于流体的临界温度和压力的压力和温度下的流体。在此状态下，液相与气相之间不存在差异，且流体被称作饱和蒸气与饱和液态相同的浓密气体。
温室排放物表示造成温室效应和全球变暖的大气排放物。
系统10
参看图1，说明制造、分配、使用并监控富含氢的燃料的系统10。所述系统10包括制造系统12，其用于制造富含氢的燃料；分配系统14，其用于分配富含氢的燃料；和车辆16，其具有经配置以使用富含氢的燃料的发动机18。所述车辆还包括发动机18的燃料运送系统20和发动机控制模块46。
系统10(图1)还包括主控制系统44，其经由通信线路182与车辆16上的发动机控制模块46、分配系统14的审查和控制模块88和制造系统12的组件进行信号通信。主控制系统44经配置以感测、检索、储存并传达车辆特有数据，尤其废气排放量数据(或可用于评估排放量的操作数据)和车辆里程数据。这种数据可用于调节或再配置特定车辆16以降低排放量并降低能量消耗。这种数据还可用于对1997年京都议定书(Kyoto Protocol)的碳排放额度系统(carbon credit system)提供关于全球变暖气体减少的计算。并非仅针对车辆排放量，主控制系统44还可用于监控在富含氢的燃料的整个生命周期内的排放量，其包括由制造系统12的组件所产生的排放量。主控制系统44也可经配置以监控并证实由制造系统12制造的富含氢的燃料的状况，且对制造系统12、分配系统14和车辆16提供安全性和控制。
在说明性实施例中，富含氢的燃料包含氢烷，其包括掺合在甲烷燃料中的氢气。另外，甲烷燃料可呈压缩气体(CNG)、液态天然气(LNG)或超临界流体的形式。然而，除甲烷燃料外，富含氢的燃料还可包括其它烃燃料，例如乙烯、乙烷、丙烷、丙烯(propylene)、丙烯(propene)和丁烷。作为另一种替代物，富含氢的燃料可包括多种烃，例如甲烷与例如乙烯、乙烷、丙烷、丙烯(propylene)、丙烯(propene)和丁烷等高级烃的组合。此外，富含氢的燃料可包括添加剂，其经配置以改良物理或性能特性。
制造系统12
如图1中所示，制造系统12包括氢源22和甲烷(天然气)源24。制造系统12还包括掺合系统26，其用于在常温下将氢和甲烷(天然气)掺合为氢烷。代表性温度范围可为40℃到125℃。掺合系统26还包括压缩机系统28，其用于将氢烷压缩到所选压力。就有用车辆储存来说，所选压力的代表性范围可为2000psig到5000psig。
掺合系统26(图1)可位于在结构和功能上与常规加油站相似的加燃料站34(图1)中。或者，掺合系统26(图1)可位于另一位置，且预掺合氢烷输送到加燃料站34(图1)。制造系统12(图1)还包括燃料输送系统32(图1)，其用于将来自氢源22的氢气和来自甲烷(天然气)源24的甲烷输送到掺合系统26中。制造系统12(图1)还包括位于加燃料站34(图1)中的呈一系列储罐形式的储存系统30(图1)。至少所述系列的最后阶段保持在比车辆燃料罐42(图1)的最大压力显著更高的压力下，以便从分配系统14(图1)向车辆燃料罐42(图1)中迅速分配燃料。在不存在高压储存的情况下，仅有缓慢填充分配是可能的，其对于高利用率车辆的大型车队来说不实用。
氢源22
氢源22(图1)经选择和操作以最小化在氢制造期间的排放量和能量消耗。存在许多可能的氢源，且选择可对系统10(图1)的总体环境影响具有重大影响。适合氢源包括电解、特殊水裂解、工业废物流、油井、重整和气化。
电解-氢源22
电解是使用电力输入将水分子裂解为其成分氢与氧的过程。水的电解可使用来自如风力或太阳能光伏电池等可再生能源或来自常见电力网的电。
尽管电解对于在可获得水和电的任何地方制造氢可能是方便的，但设备较为昂贵。另外，视电力输入的成本而定，电解产生的氢气的成本通常比其它来源更昂贵。与其它氢气制造方法相比，以下一种特征使得电解尤为特别：有可能在高压下电解水，且制造增压氢气所需的过电压几乎在热动力学上是理想的。从效率观点看，高压电解可能是制造增压氢气的最佳方式。然而，因为电解使用相对昂贵的电力和设备，所以“高效率”并不总是意谓“低成本”。
特殊水裂解-氢源22
已证实裂解水的更多特殊方法，但目前并未普遍使用。这些方法包括核热化学、光解和微生物或电力辅助的微生物方法。
工业废物流-氢源22
从环境观点看，仅次于由某些可再生电解方法制造氢气的最佳方式将是利用具有极大氢含量的工业废物流。在许多情况下工业废物还可能是最低成本的氢源。钢铁和再生铝制造、氯/碱工厂、玻璃厂、造纸厂和有时石油或天然气精炼厂产生富含氢的废气流。存在许多可靠的用于分离氢气的工业技术，其是由使得氢气与其它气体相区别的氢气的许多特性来促进。
氢烷对氢源的最终纯度并不特别敏感。例如氢废物流中通常所发现的百万分率水平的污染物(如一氧化碳)可永久损坏燃料电池。然而，加氢烷燃料的发动机将不会受到高达数百分比的一氧化碳与氢气和天然气的混合物的显著影响。实际上，一氧化碳具有与氢气类似的宽可燃性范围，且一氧化碳的特征性燃烧延迟由于氢气的存在和燃烧而加速。不会永久污染并损坏燃料电池的其它气体在存在于氢气供应流中时仍可损害性能，如氮气、二氧化碳、甲烷等。这些组分中大部分在天然气中所发现的各种气体中是常见的，因此，当其达到燃料质量时，氢烷发动机极为坚固。另外，在制造用于氢烷的90+％氢气的氢气分离设备与制造燃料电池必需的99.9999+％纯度的设备之间存在巨大的资金和能源成本差异。
油井(天然沉积物)-氢源22
尽管并不常见，但存在具有相对高浓度的天然存在氢气的某些天然气沉积物。尽管过多氢气可能是管道天然气供应的典型加热设备装配的问题，但从这些来源移除的氢气可在下游进一步用于车辆加燃料。如果天然的富含氢的气体沉积物恰好在适当位置上，那么甚至有可能使用从油井和燃料调节工厂到氢烷车辆加燃料站的专用管道。
重整和气化-氢源22
目前大多数可用商业氢气是由天然气与水的高温化学反应制得，称作蒸汽重整。这种方法产生二氧化碳且消耗原始天然气原料的一些燃料能。因此，从生命周期观点看，这并不是氢气关于能量效率或温室气体排放的最佳选择。然而，蒸汽重整天然气通常为最低成本的氢源，且所述方法可按比例从大规模石油精炼厂缩小为氢烷分配系统的现场单元。在其它氢源可能会过于昂贵或在其它方面无法使用的新颖或现有天然气加燃料设施上，仅需要天然气源和水(和少量电力以进行控制)来制造相对低成本的氢气。
也由包括生物质或煤的各种原料的部分氧化(通常称作气化的方法)来制造氢气。来自部分氧化步骤的产物流包括氢气和一氧化碳，以及水蒸气、二氧化碳和氮气。由部分氧化所产生的热量可用于额外蒸汽注射以从水与一氧化碳的吸热反应产生更多氢气和二氧化碳(自热水煤气转换过程)。
甲烷(天然气)源24
与氢源22一样，氢烷的甲烷(天然气)源24的选择可能会对系统排放物的生命周期评估产生显著影响。如同氢源22一样，甲烷(天然气)源24经选择和操作以最小化排放量和能量消耗。适合的甲烷(天然气)源24包括油井、工业废物流和沼气。
油井(天然沉积物)-甲烷(天然气)源24
世界能源网络中几乎所有的甲烷都来自天然“化石燃料”沉积物。这些来源是最普遍的且为工业或车辆使用提供最廉价的甲烷。这种来源也采用螯合形式的碳且最终以温室气体形式将其返回大气中，因此应考虑这种来源的环境影响。化石天然气的生命周期排放量与具有更多能量密集型制造过程或更高碳浓度的其它燃料(例如，如汽油)相比仍可为有利的。
未来，冰状天然气水合物(icy natural gas hydrate，NGH)化合物的巨大海洋沉积物可提供重要的甲烷源。这些水合物形成物其中和其下所含的全部甲烷能源据估计为已知的世界地下石油和天然气储量的至少两倍。许多不具有地下天然气的国家可利用这种水下资源。这种来源的环境影响将与地下甲烷类似；然而，由于许多甲烷水合物形成物的半稳定性质，因此存在甲烷释放到大气中的更多风险。甲烷为强效温室气体-在100年时期内其对全球变暖的影响是同样多二氧化碳(以重量计)的21倍。
工业废物流-甲烷(天然气)源24
富含甲烷的废物流在许多工业(例如采煤业和石油、化学品和钢铁的制造)中是常见的。与来自油井的常规天然气制造相比，收集、分离并压缩这些甲烷源以用于管道输送并非总是经济的。在许多情况下，工业方法排出或燃烧甲烷废弃物，因为压缩或液化气体以用于输送是不经济的。另外，如海上石油制造设施等遥远地方甚至可能不具有管道输送的选择。此外，天然气水合物可为在不存在甲烷压缩或液化的设备和能量消耗的情况下收集这些海滨甲烷源提供有效方法，但目前NGH制造技术尚未完全开发。
沼气-甲烷(天然气)源24
与甲烷的工业废物流类似，各种来源的富含甲烷的“沼气”是常见的，但与化石天然气制造相比，收集和输送未必是经济的。全球变暖关注和由京都议定书产生的碳排放额度交易市场(carbon credit trading market)可证明这些来源的更普遍利用是正确的。一些更易于收集的沼气排放物是来自垃圾掩埋场和废水处理厂。另一潜在来源是具有与家庭废水处理系统类似的液体废弃物管理系统的大型家畜管理设施。
燃料输送系统32
适合的燃料输送系统32包括管道、轮船和卡车。如同氢源22和甲烷(天然气)源24一样，输送系统32经选择和操作以最小化排放量和能量消耗。
管道-燃料输送系统32
对于呈天然气形式的甲烷来说，一种适合的输送方法是通过管道网络。尽管有时候可使用适度高压管道，但大多数天然气分配系统是由低压管道气体供应。
也有可能通过管道来输送和分配氢气。最早的气体管道网络中有许多是在使用“城市煤气”进行加热和照明的城市中开发出。这种气体是由煤的蒸汽重整所产生的氢气与一氧化碳的混合物。另外，在石油精炼厂和化工厂中以及两者之间氢气管道是常见的。
液化和轮船/卡车-燃料输送系统32
对于隔离岛或沿海国家来说，进口的液化天然气(liquefied natural gas，LNG)有时是唯一可用的天然气资源。然而，由于较低的海外制造成本，LNG可能会经济地进口到具有发达国内天然气资源的国家。在将温度降到约-160℃的制冷循环中将天然气液化，进而在大气压下将甲烷的体积缩减约600倍。这种体积缩减允许由特殊海洋油轮或由有轨车或路上拖车上的超绝热储罐运输极大量。在大工业规模上，液化过程消耗约15％的天然气能量。
氢气也可以低温液体形式输送，但在大气压下是处于-253℃的显著更低温度。液化过程消耗约30％的液态氢的燃料能。用有轨车或公路拖车上的储罐将氢液态输送长达约1600km的距离是相对常见的，但大规模海洋运输未用于氢气分配。大规模氢气消费者具有现场或通过管道输送的专用制造设施。
也有可能输送LNG与氢气的预掺合超临界混合物。超临界混合物具有与LNG类似的密度，但其行为更像气体，保持充分混合，呈无液体/气体分界面的单一状态，且在无喷溅或晃动的情况下完全填充储罐。
天然气水合物和轮船/卡车-燃料输送系统32
水合形式的天然气目前未用于输送。然而，在约0.9g/ml的密度下，NGH含有高达13.4％(重量)的甲烷。这暗示甲烷储存密度相当于17MPa压力或约2480psi。为确保水合物的长期稳定性，所需要的是仅约2.5MPa(360psi)的实际压力和-5℃的储存温度。亚稳定性和相对缓慢的离解允许NGH在大气压和-5℃下暂时(例如，输送期间)储存。
一种输送和分配方法将NGH浆料抽吸到管道压力中并加热以造成离解，其与用于将汽化LNG置于管道中的方法类似。然而，随后应将从离解水合物脱离的液态水从增压气流中分离。
压缩和卡车-燃料输送系统32
对于陆地上至多约300km的短距离来说，天然气和氢气可以压缩气体形式用DOT规格气缸、公路载油舱和长管拖车和铁路油罐车由公路和铁路经济地输送。长管拖车可能会是向服务小型车队的氢烷加燃料站分配氢气的吸引人的解决方案。另外，长管拖车或铁路油罐车可向不具有便利天然气管道可用性的附近加燃料站分配在中心设施处掺合并压缩的氢烷。
掺合系统26
参看图2-2D，以示意图形式说明掺合系统26的其它细节，以及其与制造系统12和分配系统14的介面。关于图2-2D，图2说明完整掺合系统26，图2A-2C是图2的放大部分，且图2D含有图2-2C的图例。
掺合系统26(图2)包括甲烷(天然气)导管90(图2A)和氢气导管92(图2A)。在50psig的最小压力下，甲烷(天然气)导管90(图2A)的代表性流动速率可为约400SCFM(Standard Cubic Foot per Minute，标准立方英尺每分钟)。在50psig的最小压力下，氢气导管92(图2A)的代表性流动速率可为约100SCFM。可按需要选择甲烷(天然气)导管90(图2A)的尺寸，其中3英寸导管为代表性的。也可按需要选择氢气导管92(图2A)的尺寸，其中1英寸导管为代表性的。
甲烷(天然气)导管90(图2A)与球阀94(图2A)、止回阀96(图2A)、压力调节器98(图2A)和减压阀100(图2A)相流通。舱壁180可位于球阀94(图2A)与止回阀96(图2A)之间。另外，压力计102、104(图2A)感测压力调节器98(图2A)的任一侧上的压力。氢气导管92(图2A)与球阀106(图2A)、止回阀108(图2A)、压力调节器110(图2A)和减压阀112(图2A)相流通。舱壁180分隔球阀106(图2A)与止回阀108(图2A)。另外，压力计116、118(图2A)感测压力调节器110(图2A)的任一侧上的压力。
甲烷(天然气)导管90(图2A)和氢气导管92(图2A)也与平行流动热交换器120(图2A)相流通，所述平行流动热交换器120(图2A)经配置以将甲烷(天然气)和氢气冷却到常温。平行流动热交换器120(图2A)的甲烷(天然气)输出导管122(图2A和图2B)包括气动阀126(图2B)、温度计128(图2B)、压力计130(图2B)和音速喷管132(图2B)。平行流动热交换器120(图2A)的氢气输出导管124(图2A和图2B)包括气动阀134(图2B)、温度计136(图2B)、压力计138(图2B)和音速喷管140(图2B)。气动阀126、134(图2B)经由通信线路182(图2B)与主控制系统44(图2A)以及主控制系统44(图2A)的质量控制系统176(图2A)进行信号通信。
平行流动热交换器120(图2A)的甲烷(天然气)输出导管122(图2B)和氢气输出导管124(图2B)也与混合室144(图2B)相流通，其中甲烷(天然气)与氢气混合形成富含氢的燃料。混合室144(图2B)包括经由通信线路182与主控制系统44(图2A)进行信号通信的压力开关(低)184(图2B)和压力开关(高)186。压力开关184、186(图2B)可用于控制混合室144(图2B)的流入量和流出量。混合室144(图2B)也与收集并暂时储存富含氢的燃料的缓冲罐146(图2B)相流通。缓冲罐146(图2B)包括压力计168(图2B)、泄流阀148(图2B)、调节阀150(图2B)和减压阀152(图2B)，所述减压阀152(图2B)经配置以向安全位置(例如通风立管)排气。
缓冲罐146(图2B)的输出导管154(图2B和图2C)包括与压缩机系统28(图2C)相流通的球阀156(图2C)、压力计158(图2C)和止回阀160(图2C)。压缩机系统28(图2C)经配置以将富含氢的燃料增压到所选压力。压缩机系统28(图2C)转而与储存系统30(图2C)相流通，所述储存系统30(图2C)经配置以将所选量的富含氢的燃料储存在所选压力下。储存系统30(图2C)也与分配系统14(图2C)相流通。另外，氢烷再循环回路162(图2C)与储存系统30(图2C)以及缓冲罐146(图2B)的输出导管154(图2C)相流通。氢烷再循环回路162(图2C)包括压力调节器164(图2C)和球阀166(图2C)。
通信线路182(图2C)在主控制系统44(图2A)、压缩机系统28(图2C)、储存系统30(图2C)、车辆16(图2C)上的发动机控制模块46(图2C)和分配系统14(图2C)的审查和控制模块88(图2C)之间建立信号通信。另外，主控制系统44(图2A)的质量控制段176(图2C)包括与缓冲罐146(图2B)相流通的质量样品回路170(图2B)，其经配置以提取并分析质量控制样本。质量样品回路170(图2B)也包括压力调节器174(图2B)和调节阀172(图2B)。主控制系统44(图2A)也包括安全系统178(图2A)，其经配置以使用压力、温度和流动数据来确保安全。
主控制系统44(图2A)包括用软件编程的计算机或控制器，其经配置以实现包括制造系统12和分配系统14的系统10的控制。另外，与安全系统178(图2A)一起操作的主控制系统44(图2A)提供安全超控系统(safetyoverride system)。另外，主控制系统44(图2A)在掺合并分配富含氢的燃料期间提供质量保证监控和控制。此外，主控制系统44(图2A)具有使用各种形式的氢烷中任一形式的能力，但一些组件可经调节以满足各类燃料的特定需要。主控制系统44(图2A)也收集数据，检验参数并进行用户可配置输出参数的实时计算。另外，主控制系统44(图2A)对包括根据京都议定书的碳或NOx排放额度的不同可交易排放量程序进行合格审查。
参看图3，用流程图说明主控制系统44的操作特性。如由圆圈200所示，掺合系统26经控制以在所选压力和温度下提供呈综合、成比例混合物形式的组分(例如，氢气和甲烷)。如由圆圈202所示，提供掺合系统26的动态控制和安全系统178的控制。如由圆圈204所示，控制分配系统14和向车辆16的运送。如由圆圈208所示，控制氢烷质量控制系统176以及车辆介面的通信系统188。如由圆圈206所示，控制包括氢烷识别、数据收集、审查和安全性的车辆发动机控制模块46。现在将描述关于主控制系统44的数据收集和审查功能的其它细节。
主控制系统44-废气排放量数据收集和审查
1997年京都议定书创立基于市场的排放量交易机制以有助于国家降低满足其温室气体排放量降低目标的成本。为利用通过使用氢烷所产生的排放额度，需要经适当验证并核实的系统以造成二氧化碳或等效温室气体排放量的任何降低。对于局部空气质量控制(未作为京都议定书的部分)来说，一些地区也交易关于NOx和SOx(硫的氧化物)排放量减少的排放额度。
分配系统14上记录的数据
跟踪二氧化碳排放量的最简单方法是跟踪分配系统14上车队的总燃料消耗。在此情况下，分配系统14可包括与车辆16(图1)上的发动机控制模块46(图1)进行信号通信的审查和控制模块88(图1)。如果已知燃料的组成，那么直接计算以确定每千克经分配并最终燃烧的氢烷向大气中排放的二氧化碳的千克数。然而，如数据计算和报告部分中将论述，这种方法将仅说明实际二氧化碳排放量，而未说明任何其它可能的温室气体排放量或生命周期益处。
由车载设备收集的数据
获取车内数据使得不仅能够跟踪燃料消耗，而且能够跟踪在特定环境和发动机操作状态下的燃料消耗。利用充分表征的发动机排放行为信息，随后有可能量化所有发动机排放量，而不仅仅是二氧化碳。
主控制系统44(图1)和发动机控制模块46(图1)可进行的数据收集和分配功能存在一系列级别。
1.传感器数据可由独立车载设备收集、储存并分配到主控制系统44(图1)。
2.传感器数据可由发动机控制模块46(图1)收集并以实时数据流形式(例如，通过典型SAEJ1939CAN总线)传送到主控制系统44(图1)。
3.传感器数据可由发动机控制模块46(图1)收集并储存且间断性地传送到独立分配单元以向主控制系统44(图1)播送。
4.所有数据收集、储存和通信功能都整合到发动机控制模块46(图1)中。
由发动机控制模块46(图1)车内储存的数据可通过线连接或无线通信(例如，通信系统188-图4)传输到主控制系统44(图1)。这种数据传输过程可发生于在分配系统14(图1)处加燃料期间，或可直接由车队机构收集数据。举例来说，发动机控制模块46可经由无线通信与分配系统14上的审查和控制模块88(图1)进行信号通信。
数据计算和报告
可根据总车队燃料消耗和燃料组成数据来计算简单二氧化碳减排量。这种方法不利用其它等效温室气体(如甲烷排放物)或潜在生命周期益处。这可留下大量未说明的减排额度，因为其它气体(如甲烷)具有显著更强的温室效应。
下个等级的数据计算和报告增加关于在各种发动机操作状态下燃料消耗的柱状图信息；这种数据应在车队的车辆16(图1)中收集。此信息可用于计算各个别车辆16的任何废气组分的总排放量。随后综合来自车队中所有车辆16的计算数据以报告二氧化碳等效减少量。另外，其它气体可使地区空气质量排放交易额度合格，如NOx和SOx。
关于燃料源、加燃料站34(图1)和基准车队的信息提供系统10(图1)的减排的完整生命周期评估所需的数据的最终级别。举例来说，一个站可接收来自管道的天然气(其可为井气与由轮船运输的LNG的混合物)，而另一站可仅使用由轮船和卡车运输的LNG。氢源可能变化更大。在一些情况下，基准可为一队转换为氢烷的天然气公共汽车，而在其它情况下，整个柴油机公共汽车的基准车队可由新颖氢烷单元完全代替。在整个生命周期内计算的温室气体排放量依赖于“从油井到车轮”所采取的路径，且此总生命周期评估应与基准相比作为报告总氢烷温室气体减排量的正确方法。
储存系统30
在不排气的情况下预掺合氢烷可每次在储存系统30(图2C)中储存数天，只要储存条件保持甲烷在氢气中的超临界状态即可。超临界储存的不利方面在于应在压力与绝热方面设计储罐(但压力低于压缩气体储存且绝热次于低温液态储存)。
独立储存
作为以超临界状态将掺合氢烷储存在储存系统30(图2C)中的另一种替代方法，氢气和甲烷可各自以高压压缩气体或低温液体形式独立地储存。这种方法的一个优点在于独立燃料源运输储罐也可用作加燃料站储存容器，直到放空为止。举例来说，氢气长管拖车可停在加燃料站，用尽并开回中央分配中心以继续另一周期。
当加燃料站34(图2C)位于距天然气管道相对较远处时，LNG储存提供经济益处，不仅关于运输方面，而且关于LCNG的制造方面，LCNG是由抽吸和汽化LNG制造的CNG(压缩天然气)。LCNG可在车辆加燃料期间由LNG迅速制造，因此不需要高压天然气储存，仅需要小缓冲罐。天然气与氢气的独立储存也允许燃料的独立分配，以使得LNG、CNG、氢气和氢烷车辆可在一个地方再填充。然而，如果只有压缩氢气和CNG或LCNG独立储存，那么在压缩气体车辆储罐加燃料期间高压氢烷掺合是必要的，其可能会不如低压、预压缩机氢烷掺合简单和稳定。
车辆储存
与加燃料站34(图2C)处的储存一样，车辆中的氢烷储存存在许多选择。一种适合的车辆储存方法将车辆燃料罐42配置为低温容器或杜瓦瓶(dewar)，其经配置以储存超临界状态的预掺合氢烷。然而，加燃料站34(图2C)处的储存方法与车辆16(图2C)中的储存方法的组合对可用于向高压车辆燃料罐42(图2C)分配掺合氢烷的方法施加限制。
使用氢烷，车辆燃料罐42约20％的体积含有氢气，其具有低于甲烷的每单位体积能含量。另外，甲烷在较高压力下具有有利的可压缩性特性，而氢气的可压缩性随着压力增大而降低。总体作用在于在转换为氢烷时，天然气车辆的行程可能降低多达20％。这种作用可由天然气的组成和其高级烃含量稍微缓和。通过在25MPa(3600psi)和0℃下乙烷、丙烷和丁烷在氢烷储罐中都达到饱和(非冷凝)，混合物的体积能量密度在相同条件下纯甲烷储罐的5％范围内。在行程是关键问题的一些情况下，可能需要用高级烃有意“强化”氢烷。
作为掺合系统26(图2)的替代方案，可如2005年11月14日申请的名称为“Method And System For Producing A Supercritical Cryogenic Fuel(SCCF)”的美国申请案第11/273,397号(其是以引用的方式并入本文)中所述，使用涡旋混合器混合并压缩氢气和超临界甲烷燃料。
分配系统14
参看图4，独立显示分配系统14。分配系统14包括软管36和注入阀38，其用以与车辆16(图1)上的车辆燃料罐42(图1)进行气密性气体/流体相通。分配系统14(图4)也包括各种内部组件40，其包括计量组件、控制组件和开关组件以及支撑电磁阀、压力计和安全性相关组件。另外，组件40可针对欲分配的特定氢烷燃料类型进行配置。对于高压气态氢烷来说，组件40的装配可类似于现有天然气车辆市场中所用的常规CNG分配器。
分配系统14也可包括前述审查和控制模块88(图4)。除与前述通信线路182(图2C)进行信号通信之外，审查和控制模块88还可与信号通信系统188进行信号通信。信号通信系统188可包含无线系统(例如RF(射频)系统)，其经配置以在分配系统14与系统10(图1)的其它组件之间传输信号。举例来说，通信系统188可与发动机控制模块46(图1)以及主控制系统44(图2A)建立信号通信。除无线系统外，通信系统188还可包含硬线连接或读卡器系统。
分配独立CNG与压缩氢气以混合于高压储罐中
如储存部分中所述，天然气可以低压LNG形式储存且仅在车辆加燃料期间抽吸成高压并汽化。另一可能性在于将压缩天然气和压缩氢气独立储存以保持在一个设施处向CNG、氢或氢烷车辆加燃料的灵活性。在这些情况下，氢烷可能会不得不分配到压缩氢气与CNG的交替喷射器或等分试样中以在车辆储罐中混合。这使得氢烷的分配复杂化且可能不提供与其它氢烷掺合方法一样相容的混合物。
分配独立低温液体或超临界氢烷混合物
空间限制或远程车辆可能需要较高密度的低温燃料储存。可使用独立LNG和液态氢储罐，但车辆加燃料随后需要独立燃料连接且氢烷掺合应在车辆内进行。或者，可通过一个燃料连接来抽吸超临界低温氢烷掺合物并储存在一个车辆储罐中。
向独立车辆储罐中分配低温液体或压缩气体
在一些不寻常情况下，可能需要使用可变氢烷组成，或在某些发动机状态期间或在车辆沿途的特定位置处仅使用天然气或氢燃料。在这些情况下，可能必需将天然气和氢气独立地分配并储存在车辆中的低温储罐、高压气罐或其组合中。
车辆运送系统20
一旦燃料处在车辆16(图1)中，关于氢烷向车辆发动机18(图1)的运送就存在若干选择。关于氢烷最终在车辆发动机18(图1)内燃烧的方式也存在多种选择。
预掺合运送
在大多数情况下，氢烷可以预掺合、压缩气体形式储存。过滤器、电磁锁定阀和压力调节器以及其相关管件连接燃料罐42(图1)或储罐，其中燃料运送系统20(图1)和发动机控制模块46(图1)向发动机18(图1)运送氢烷。
如果氢烷是以预混合超临界燃料形式储存，那么储罐压力将足够高以使用与上文预混合压缩气体实例相同的运送系统20(图1)。然而，当超临界氢烷混合物离开车辆燃料罐42(图1)时，其应经加热并汽化。
同样，如果氢烷燃料组分中的一种是以低温液体形式独立储存，那么当燃料从燃料罐42(图1)中离开时，其应经加热并汽化。然而，在此情况下，减压调节器可能不是必需的，因为液体储罐通常不是保持在高压下。只有过滤器、锁定阀和管件连接储罐和发动机燃料系统。
独立储存的燃料，在车内掺合的氢烷
当氢气与天然气独立储存在车辆16(图1)中时，氢烷随后应在车内掺合。为实现在发动机18的广泛燃料流动范围内一致的氢烷掺合比，特殊掺合或运送设备是必需的。
美国专利4,520,763中说明一种掺合方法，所述专利是以引用的方式并入本文中。这种掺合方法使用气体的可压缩性来实现进入发动机18(图1)中的空气与注射于发动机中的燃料量之间的成比例流动。HydrogenComponents，Inc.(Littleton，CO)已使用这种技术(称作“恒定体积注射(Constant Volume Injection)”(CVI))25年来控制氢气发动机。同一技术可用于以精确、固定比例来计量两种或两种以上气体。
参看图5，说明CVI单元50。所述CVI单元50包括以下组件。
52  排气口
54  阀密封件
56  阀导承
58  垫片
60  辊式导板
62  润滑油
64  阀座
66  进气口
68  进气歧管
70  排气通道
72  弹簧座
74  弹簧
76  弹簧座
78  保持器
80  滚柱挺杆
82  凸轮
84  排气阀
86  CVI室
与发动机的凸轮轴同步的凸轮82以3步次序来操作CVI单元50：
1.进气阀(未显示)打开，使氢气与甲烷燃料填充其各自的CVI室86。存在用于各气态燃料的CVI室86，一个用于氢气且一个用于甲烷(CNG)。
2.通过关闭进气阀(未显示)在CVI室86中收集精确测量的量的氢燃料。同样，在其各自的CVI室86中收集相应量的甲烷燃料。
3.排气阀84打开且将氢气和甲烷燃料气体排到燃料缓冲体积(未显示)中以进行混合并运送到发动机燃料控制系统48中。
基本操作原则在于在受控压力和固定温度下精确已知体积的密封室容纳已知量的气体。由CVI室86运送的气态燃料的量与发动机RPM、腔室体积以及进气阀(未显示)与排气阀84之间的压力差成比例。以能含量计掺合7％氢气的目标需要天然气中有约20体积％氢气。在理想气体理论中，用于天然气的腔室86的体积应比用于氢气的腔室86的体积大4倍以产生80/20％混合物。测试结果已显示理论腔室体积需要稍微更改以适应实际气体行为。只要天然气和氢气是在相同压力下供应到CVI单元50中，且两个腔室86排到相同缓冲体积中，燃料混合物组成就将保持恒定比。也有可能在此缓冲体积中使用传感器来检验最终燃料混合物组成。
独立储存并用平行燃料系统独立运送到发动机的燃料
平行燃料控制系统也可用于以精确的已知比率向发动机运送氢气和天然气。如果已知在整个操作范围内燃料计量组件(例如良好表征的燃料注射器)的开放回路燃料运送特性，那么天然气和氢气可经独立计量以最终在发动机入口处或在发动机气缸内混合。尽管使用两组独立的燃料计量组件，但其都可由一个发动机控制模块驱动。
在大多数情况下，使用恒定氢烷组成，且针对此特定混合物最优化发动机校准。然而，在一些情况下，视燃料可用性而定，有利的是能够仅操作氢烷或天然气。通过车内氢烷掺合，可关闭氢燃料运送系统，且燃料控制系统48(图5)可使用双重校准表以适应仅NG或氢烷燃料供应。为进一步获得燃料系统灵活性，燃料控制系统48(图5)也有可能感测引入的燃料氢含量并补偿可变氢烷组成。通过独立的氢气和天然气车辆储存，甚至有可能灵活地控制燃料混合物并对不同发动机操作状态或车辆路程位置提供仅天然气、仅氢气或其间任何混合物。
氢烷发动机操作
基本上存在两种用于车辆发动机操作的发动机操作模式：稀燃和化学计量。视优先权和排放量目标而定，两种发动机类型都可使用氢烷以改良燃烧稳定性、增大功率和效率且降低有害废气排放量。
以稀薄空气/燃料比操作发动机通常改良效率。然而，功率降低，因此通常增加涡轮增压器以增大气流和功率。通过提供较高入口压力并利用废弃废气能量，涡轮也进一步改良效率。最大效率在空气/燃料比变得更稀时受可燃性限制且在入口压力增大时受碰撞限制。NOx减排量也受到稀薄可燃性极限的限制，其中未燃烧的烃(甲烷)排放量急剧增加。向接近稀薄可燃性极限操作的天然气发动机中加入氢气(无其它校准变化)将增加NOx，增大功率，增大效率且减少未燃烧的烃。然而，氢气也改良燃料可燃性且允许更稀薄操作和缩短的点火时间。可在不增加未燃烧的烃的情况下关于更高效率、更高功率或降低的NOx排列量来最优化这些校准参数。急剧降低烃排放量的最经济方法是使用氧化催化剂，然而，稳定甲烷分子需要相对高的排气温度以有效催化。许多研究和论证方案已证实氢烷中氢气含量为7％(以能量计)对于在不存在效率、功率或烃排放量的任何损失的情况下减少NOx(对比NG，约50％)是最佳的。氢气越多将允许越稀薄操作，但在无效率、功率或烃排放量损失的情况下较低NOx是不可能的(由于在较稀薄条件下氧化催化剂中的排气温度较低)。
化学计量燃烧
化学平衡的空气/燃料混合物被称作“化学计量”空气/燃料比。在此条件下操作的天然气发动机提供最大功率，但效率和发动机排出的排放量比稀燃操作差。另外，排气温度在满载下在化学计量燃烧期间处于最大值，且许多重型柴油机衍生发动机并非关于这些高温和热负荷来设计。
尽管存在这些明显缺点，但大多数轻型汽油发动机为化学计量型，且许多重型发动机目前正经开发用于这种类型的操作。化学计量发动机的关键生效技术是三效废气催化剂。这种装置降低NOx排放量并使用其氧以及发动机中的不完全燃烧所留下的氧来氧化一氧化碳(CO)和未燃烧的烃(HC)。催化剂后排放的总水平可为低于甚至用天然气稀燃燃烧的数量级。尽管化学计量、催化天然气发动机的排放水平已极低，但氢烷仍可显著改良排放。氢气刺激甲烷的燃烧且为NOx与未反应氧的有效还原剂。以能量计低达5％的氢气已证实在具有三效催化的化学计量CNG轻型车辆中将NOx和CO减少50％以上且将总烃排放量降低35％。
较低效率和高温是重型发动机的待改良的化学计量燃烧的不当特性。这两种问题可通过使用废气再循环(EGR)来改善。与稀燃操作一样，EGR增大效率，但损害功率；因此，涡轮增压频繁用于改良发动机的功率密度。对于大部分来说，稀燃发动机通过用过量空气稀释空气/燃料进料以降低燃烧温度来降低排气温度并减少NOx。EGR实现相同作用，但甚至进一步减少NOx，因为再循环废气含有很少氧气或不含氧气。在任何情况下，当使用化学计量空气/燃料比时，在催化剂中几乎完全消除任何发动机排出的NOx。与稀燃发动机一样，化学计量EGR发动机从氢气的加入中获益，因为在混合物的稀释可燃性极限造成点火失败之前可使用额外EGR。这增大效率且降低排气温度和发动机排出的NOx排放量。另外，使用EGR仍允许实现利用化学计量三效催化的氢气的益处，例如在相对低温下的燃烧刺激和高催化反应性。对于重型应用来说，使用EGR和三效催化剂的化学计量涡轮增压发动机提供氢烷燃料的最低可能的排放量，但因EGR系统的费用和复杂性而造成成本比稀燃操作高，且效率略低。
氢烷公共汽车燃料是天然气中有7％氢气(以能含量计)的掺合物(20％体积H2)。图6显示在联邦排放试验的稳态刺激下，各种氢气浓度对改良型康明斯(Cummins)L-10公共汽车发动机的NOx排放量的影响。
因此本发明提供一种制造、分配、使用富含氢的燃料并监控其生命周期排放的改良系统和方法。尽管已关于某些优选实施例描述本发明，但如所属领域的技术人员将显而易见，可在不偏离由下列权利要求所界定的本发明范围的情况下作出某些改变和更改。

Claims (15)

1.一种系统，其包含：
制造系统，其经配置以通过掺合来自氢源的氢和来自烃源的烃来制造富含氢的燃料；
燃料源数据，其包含在所述氢源以及在所述烃源上的信息；
车辆，其经配置以使用所述富含氢的燃料；和
控制系统，其与所述制造系统和所述车辆进行信号通信，
所述控制系统经配置以通过所述制造系统来控制所述富含氢的燃料的制造，并且在所述车辆使用所述富含氢的燃料的期间感测、检索以及储存排放量数据、燃料消耗数据以及里程数据，
所述控制系统经配置以使用所述燃料源数据、排放量数据、燃料消耗数据和里程数据来量化排放量和空气质量交易额度。
2.根据权利要求1所述的系统，其进一步包含使用所述富含氢的燃料的至少两部车辆，且其中所述控制系统经配置以在所述至少两部车辆中的每部所述车辆使用所述富含氢的燃料的期间感测、检索以及储存排放量数据、燃料消耗数据和里程数据，并且对于所有车辆综合所述排放量和空气质量交易额度。
3.根据权利要求1所述的系统，其进一步包含与所述控制系统进行信号通信的分配系统，所述分配系统经配置以将所述富含氢的燃料分配到所述车辆中，且其中所述控制系统经配置以感测由所述分配系统产生的排放量。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述控制系统包含基准车队信息并且用于将所述车辆的排放量数据、燃料消耗数据和里程数据与所述基准车队信息比较。
5.一种系统，其包含：
制造系统，其经配置以通过从氢源掺合氢且从烃源掺合烃以制造富含氢的燃料；
燃料源数据，其包含在所述氢源以及在所述烃源上的信息；
至少两部车辆，每部车辆包含第一控制模块和经配置以使用所述富含氢的燃料的发动机；
分配系统，其经配置以将所述富含氢的燃料分配到所述车辆中，所述分配系统包含与所述第一控制模块进行信号通信的第二控制模块；和
控制系统，其与所述第一控制模块和所述第二控制模块进行信号通信，所述控制系统经配置在所述车辆使用所述富含氢的燃料的期间感测、检索以及储存排放量数据、燃料消耗数据以及里程数据，且量化排放量，并且将排放量数据、燃料消耗数据以及里程数据与基准车队信息比较，
所述控制系统经配置以使用所述排放量数据、基准车队信息以及燃料源数据来计算空气质量交易额度。
6.根据权利要求5所述的系统，其中所述氢源和烃源是选择成在氢和烃制造期间将排放量和能量消耗最小化。
7.根据权利要求5所述的系统，其中所述至少两部车辆包含一队公共汽车。
8.根据权利要求5所述的系统，其中所述控制系统经配置以在所述富含氢的燃料通过分配系统的分配期间以及通过车辆使用所述富含氢的燃料来计算空气质量交易额度。
9.根据权利要求5所述的系统，其中所述第一控制模块与所述第二控制模块之间的信号通信包含无线通信。
10.根据权利要求5所述的系统，其中所述第一控制模块与所述第二控制模块之间的信号通信包含读卡器或硬线连接。
11.一种制造、分配、使用并监控富含氢的燃料的方法，其包含：
提供来自氢源的氢气和来自烃源的烃燃料；
提供燃料源数据，其包含在所述氢源以及在所述烃源上的信息；
将所述氢气与所述烃燃料掺合为所述富含氢的燃料；
将所述富含氢的燃料分配到车辆中，所述车辆具有经配置以使用所述富含氢的燃料的发动机；
在所述车辆发动机中使用所述富含氢的燃料；
感测、检索以及储存排放量数据、燃料消耗数据以及里程数据；和
使用所述燃料源数据、排放量数据、燃料消耗数据以及里程数据来量化排放量和空气质量交易额度。
12.根据权利要求11所述的方法，其进一步包含在所述掺合步骤、分配步骤和使用步骤期间量化所述排放量和空气质量交易额度。
13.根据权利要求11所述的方法，其中所述量化步骤在所述富含氢的燃料的整个生命周期(包括在富含氢的燃料的制造、分配和使用期间)内评估所述排放量。
14.根据权利要求11所述的方法，其进一步包含对包括根据京都议定书的碳或NOx排放额度的不同可交易排放量程式进行合格审查。
15.根据权利要求11所述的方法，其进一步包含在具有基准车队信息的一队车辆中执行所述分配步骤、使用步骤、感测步骤和量化步骤，并且使用所述数据和信息以减少所述车辆的排放量和燃料消耗。
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