CN102623727B - 压缩氢加注控制阀 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种填充控制系统，其包括燃料存储容器、燃料入口和填充控制阀，燃料入口与燃料存储容器流体连通以提供燃料源和燃料存储容器之间的流体连通，填充控制阀设置在燃料入口和燃料存储容器之间并与燃料入口和燃料存储容器流体连通，填充控制阀的致动造成填充控制阀的上游压力水平类似于燃料存储容器已满的情况。
Description
技术领域
本发明总体涉及用于加注操作的控制阀。尤其是，本发明涉及用于压缩氢系统的控制阀和用于加注压缩氢系统的方法。
背景技术
燃料电池功率系统已经被提出作为用于电动车辆和各种其它应用的一种清洁、有效和环保的功率源。一种类型的燃料电池功率系统使用质子交换膜（PEM）来催化地促进燃料（例如氢）和氧化剂（例如空气或氧气）的反应从而产生电。通常，燃料电池功率系统具有一个以上的燃料电池，该燃料电池包括阳极和阴极，PEM位于阳极和阴极之间。阳极接收氢气，阴极接收氧气。氢气在阳极中离子化，以产生自由氢离子和电子。氢离子通过电解质到达阴极。氢离子与阴极中的氧和电子反应，产生作为副产物的水。来自阳极的电子不能够通过PEM，在被送到阴极之前被引导通过负载来做功。所述功用于操作车辆。在燃料电池堆中组合很多燃料电池以产生所需的功率。
用于燃料电池功率系统的氢气可以与车辆分开处理并存储在填充站等。氢气可以从填充站被输送至车辆上的高压容器或贮存器，以根据需要提供所需的氢气给燃料电池系统。高压容器通常分成以下四种类型之一：具有全金属结构的I型容器；具有金属衬里结构的II型容器，带有纤维玻璃环箍包绕；具有金属衬里结构的III型容器，带有复合全包绕；和具有塑料衬里结构的IV型容器，带有复合全包绕。
当前的燃料电池车辆的加注操作由加注站控制（例如，停止）。传统的车辆和燃料电池系统没有配备成控制来自外部源的燃料的传输。例如，当氢存储系统在加注操作期间是“规格之外”（例如，温度高于适当范围）时，车辆不能够独立于填充站而中断加注。
某些系统包括能够关闭的阀以便防止燃料传输到系统中。然而，在关闭的阀上可能累积压力差，并且在高的压力差下致动阀将减少阀的操作寿命。
期望发展一种填充控制系统，其具有阀，在不关闭燃料管线的情况下控制加注操作。
发明内容
根据本发明，发现了一种填充控制系统，其具有阀，在不关闭燃料管线的情况下控制加注操作。
在一个实施例中，一种填充控制系统包括：燃料存储容器；燃料入口，该燃料入口与燃料存储容器流体连通以提供燃料源和燃料存储容器之间的流体连通；以及填充控制阀，该填充控制阀设置在燃料入口和燃料存储容器之间并与燃料入口和燃料存储容器流体连通，填充控制阀的致动造成填充控制阀的上游压力水平类似于燃料存储容器已满的情况。
在另一实施例中，一种填充控制系统包括：燃料存储容器；燃料电池堆，该燃料电池堆与燃料存储容器流体连通以便从燃料存储容器接收燃料供给；流处理单元，该流处理单元与燃料存储容器和燃料电池堆流体连通，以便在至少燃料存储容器和燃料电池堆之间引导燃料流；燃料入口，该燃料入口与流处理单元流体连通，以便通过流处理单元提供燃料源和燃料存储容器之间的流体连通；以及填充控制阀，该填充控制阀设置在燃料入口和流处理单元之间并与燃料入口和流处理单元流体连通，填充控制阀的致动造成填充控制阀上游的压力水平类似于燃料存储容器已满的情况。
本发明还提供控制填充操作的方法。
一种方法包括以下步骤：致动填充控制阀，在填充控制阀的上游产生压力水平，该压力水平类似于燃料存储容器已满的情况；检测填充控制阀上游的压力水平；以及响应于检测填充控制阀上游的压力水平而调节输送到填充控制阀的燃料的流率。
此外，本发明还涉及以下技术方案。
1. 一种填充控制系统，包括：
燃料存储容器；
燃料入口，所述燃料入口与所述燃料存储容器流体连通，以便提供燃料源和所述燃料存储容器之间的流体连通；以及
设置在所述燃料入口和所述燃料存储容器之间并与所述燃料入口和所述燃料存储容器流体连通的填充控制阀，所述填充控制阀的致动造成所述填充控制阀上游的压力水平类似于所述燃料存储容器已满的情况。
2. 如技术方案1所述的填充控制系统，其中，所述燃料存储容器是用于存储氢的高压容器。
3. 如技术方案1所述的填充控制系统，其中，所述燃料入口包括用于容纳分配设备的容纳装置，以便提供所述燃料源和所述燃料入口之间的流体连通。
4. 如技术方案1所述的填充控制系统，其中，所述填充控制阀是动力阀。
5. 如技术方案4所述的填充控制系统，其中，所述填充控制阀包括接收控制信号的控制输入，所述控制信号操作为致动所述填充控制阀。
6. 如技术方案1所述的填充控制系统，其中，所述填充控制阀包括形成于其中的泄放路径，所述泄放路径与所述燃料入口和所述燃料存储容器流体连通。
7. 如技术方案1所述的填充控制系统，其中，所述燃料入口在所述填充控制阀的上游，所述燃料存储容器在所述填充控制阀的下游。
8. 如技术方案1所述的填充控制系统，还包括流处理单元，所述流处理单元与所述燃料存储容器流体连通以便将燃料流引导到所述燃料存储容器以及从所述燃料存储容器引导燃料流。
9. 如技术方案8所述的填充控制系统，其中，所述燃料入口与所述流处理单元流体连通，以便通过所述流处理单元提供所述燃料源和所述燃料存储容器之间的流体连通。
10. 一种填充控制系统，包括：
燃料存储容器；
燃料电池堆，所述燃料电池堆与所述燃料存储容器流体连通，以便从所述燃料存储容器接收燃料供给；
流处理单元，所述流处理单元与所述燃料存储容器和所述燃料电池堆流体连通，以便在至少所述燃料存储容器和所述燃料电池堆之间引导燃料流；
燃料入口，所述燃料入口与所述流处理单元流体连通，以便通过所述流处理单元提供燃料源和所述燃料存储容器之间的流体连通；以及
设置在所述燃料入口和所述流处理单元之间并与所述燃料入口和所述流处理单元流体连通的填充控制阀，所述填充控制阀的致动造成所述填充控制阀上游的压力水平类似于所述燃料存储容器已满的情况。
11. 如技术方案10所述的填充控制系统，其中，所述燃料入口包括用于容纳分配设备的容纳装置，以便提供所述燃料源和所述燃料入口之间的流体连通。
12. 如技术方案10所述的填充控制系统，其中，所述填充控制阀是动力阀。
13. 如技术方案12所述的填充控制系统，其中，所述填充控制阀包括接收控制信号的控制输入，所述填充控制阀响应于所述控制信号而调节压降。
14. 如技术方案10所述的填充控制系统，其中，所述填充控制阀包括形成于其中的泄放路径，所述泄放路径与所述燃料入口和所述流处理单元流体连通。
15. 如技术方案10所述的填充控制系统，其中，所述燃料入口在所述填充控制阀的上游，所述燃料存储容器在所述填充控制阀的下游。
16. 一种控制填充操作的方法，包括以下步骤：
致动填充控制阀以便在所述填充控制阀的上游产生压力水平，所述压力水平类似于燃料存储容器已满的情况；
检测所述填充控制阀的上游的压力水平；以及
响应于检测所述填充控制阀上游的压力水平而调节输送到所述填充控制阀的燃料的流率。
17. 如技术方案16所述的方法，其中，所述填充控制阀设置在燃料存储容器和燃料入口之间并且与所述燃料存储容器和所述燃料入口流体连通。
18. 如技术方案16所述的方法，其中，所述填充控制阀包括形成于其中的泄放路径，所述泄放路径与所述燃料入口和所述流处理单元流体连通。
19. 如技术方案16所述的方法，其中，所述填充控制阀包括接收控制信号的控制输入，所述填充控制阀响应于所述控制信号而调节压降。
20. 如技术方案16所述的方法，其中，至所述填充控制阀的燃料流由填充站输送，所述填充站构造成检测所述填充控制阀上游的压力水平，并且响应于检测到的压力水平而调节输送到所述填充控制阀的燃料的流率。
附图说明
本发明的以上以及其它优点对于本领域技术人员来说将从参考附图的优选实施例的详细描述变得清楚，其中该附图是根据本发明的实施例的填充控制系统的示意性表示。
具体实施方式
以下详细说明和附图描述和图示了本发明的各个实施例。描述和附图用于能够让本领域技术人员制造和使用本发明，且并不以任何方式限制本发明的范围。关于所公开的方法，所提出的步骤本质上是示例性的，因此，步骤的顺序不是必然的或关键的。
附图示出了根据本发明实施例的填充控制系统10。如图所示，系统10包括一对燃料存储容器12、与每个燃料存储容器12流体连通的燃料电池堆14、与燃料存储容器12和燃料电池堆14流体连通的流处理单元16（即，气体/燃料处理单元）、与燃料处理单元16流体连通的燃料入口18、与燃料入口18和燃料处理单元16流体连通的填充控制阀20，其中，填充控制阀20控制燃料入口18和填充控制阀20的下游点之间的压降。
例如，每个燃料存储容器12通常是用于存储氢气的高压容器。如本领域技术人员所知，作为非限制性示例，每个燃料存储容器12是下面类型中的一种：具有全金属结构的I型容器；具有金属衬里结构的II型容器，带有纤维玻璃环箍包绕；具有金属衬里结构的III型容器，带有复合全包绕；和具有塑料衬里结构的IV型容器，带有复合全包绕。然而，每个燃料存储容器12能够是适用于存储任何燃料的任何容器。应当理解的是，燃料存储容器12可具有任何尺寸和形状。还应该理解，可以使用任何数量的燃料存储容器12。
每个燃料存储容器12通常至少与燃料入口18和燃料电池堆14（例如，通过流处理单元16）流体连通。作为非限制性示例，多个罐上阀（OTV）22提供燃料存储容器12和至少燃料入口18以及燃料电池堆14之间的流体连通。应该理解，OTV22可以安装到燃料存储容器12并且包括额外的构件，例如自动关闭阀、手动阀、温度传感器和压力传感器。也可以使用使至少燃料入口18和燃料电池堆14与燃料存储容器12流体连通的其它适当装置。还应该懂得，至少一个OTV22能够提供至少一个燃料存储容器12和高压释放排出口24之间的流体连通。
燃料电池堆14通常与至少一个燃料存储容器12流体连通，以便从该燃料存储容器12接收燃料流（例如，氢）。作为非限制性示例，燃料电池堆14包括多个PEM燃料电池（未示出）。然而，可以使用其它燃料电池堆、系统、和/或发动机，并构造成从至少一个燃料存储容器12接收燃料流。
在某些实施例中，流处理单元16与燃料存储容器12和燃料电池堆14流体连通，以便引导至少燃料存储容器12和燃料电池堆14之间的燃料流。作为非限制性示例，流处理单元16与燃料入口18流体连通，以便提供燃料源26（例如，在填充站28）和燃料存储容器12之间的流体连通。作为另一非限制性示例，流处理单元16与用于至少低压释放的排出口30流体连通。
燃料入口18与至少一个燃料存储容器12流体连通，以便提供燃料源26和至少一个燃料存储容器12之间的流体连通。在某些实施例中，燃料入口18与流处理单元16流体连通，以便通过流处理单元16提供燃料源26与至少一个燃料存储容器12之间的流体连通。作为非限制性示例，燃料入口18包括容纳装置32，用于容纳分配设备（未示出），以便提供燃料源26和燃料入口18之间的流体连通。作为另一非限制性示例，燃料入口18包括通讯设备33（例如，红外数据接口）以便与燃料源26和填充站28中的至少一个通讯，为燃料源26和填充站28中的至少一个提供关于系统10的状态（例如，燃料存储容器12的燃料水平）的反馈。应该懂得，任何数据可以在通讯设备33以及燃料源26和填充站28中的至少一个之间相互通讯，以便控制燃料源26和填充站28中的至少一个的操作。还应该懂得，通讯设备33可以位于系统10中的任何位置。
填充控制阀20与燃料入口18和至少一个燃料存储容器12流体连通，其中，填充控制阀20控制燃料入口18和该至少一个燃料存储容器12之间的压降。作为非限制性示例，填充控制阀20通过调节流过填充控制阀20的流率（即，流的阻力）来控制填充控制阀20的上游和下游的压力差。在示出的实施例中，填充控制阀20在燃料入口18的下游和流处理单元16的上游，其中，来自燃料入口18的燃料流必须通过填充控制阀20到达流处理单元16。然而，可以包括其它流路和旁路。
填充控制阀20通常包括穿过它的主流路34和泄放路径36。通过主流路34的流率是可调节的，从而控制填充控制阀20的上游点和填充控制阀20的下游点之间的压降。在某些实施例中，填充控制阀20是动力阀。作为非限制性示例，填充控制阀20包括接收控制信号的控制输入38，填充控制阀20响应于该控制信号而调节通过主流路34的流率。应该懂得，控制信号可以包括任何信号数据，包括关于例如至少一个燃料存储容器12、燃料电池堆14和流处理单元18的情况或特性（例如，填充水平、温度、压力、错误状态等）的数据。还应该懂得，填充控制阀20可以使用任何技术（自动或手动）并基于任何数据或信息来致动。
通过填充控制阀20的泄放路径36构造成提供通过它的流体的预先确定的最小流率。应该懂得，泄放路径36有效地限制填充控制阀20的上游点和下游点之间的压力差。还应该懂得，泄放路径36的最小流率可以被设定为任何水平。
在使用中，燃料入口18的容纳装置32容纳分配设备以输送燃料流（例如，氢）。燃料从燃料源26流动通过容纳装置32并通过填充控制阀20。在某些实施例中，燃料从填充控制阀20流到流处理单元16，在该流处理单元16中，燃料被引导到目标（例如，燃料存储容器12）。然而，应该懂得，燃料可以直接从填充控制阀20流到至少一个燃料存储容器12。
通常，通讯设备33与填充站28通讯以控制从燃料源26进入燃料存储容器12的燃料的流率。然而，在某些情况下（例如，在规格之外、错误、故障等），燃料存储容器12不适合用于接收燃料流。
不是仅仅依赖于通讯设备33和填充站28之间的相互通讯来控制进入系统10的燃料的流率，填充控制阀20能够被致动来控制填充控制阀20上的压降。作为非限制性示例，如果系统10的温度高于预先确定的阈值，则填充控制阀20能够被致动以最大化填充控制阀20上的压降。因此，填充站28检测指示“满罐”状态的压力累积并停止填充操作（即，燃料的输送）。换句话说，填充控制阀20的致动造成填充控制阀20上游的压力水平类似于燃料存储容器已满的情况。应该懂得，不管由填充控制阀20产生的压降/压力水平如何，泄放路径36都提供通路来基本上均衡填充控制阀20的上游点和填充控制阀20的下游点之间的压力差。因此，在损害本领域的阀并降低传统阀的操作寿命的不适当地高压力差情况下，填充控制阀20将不被致动。一旦系统10的情况合适，填充控制阀20被致动以允许燃料流入系统10以适当地填充燃料存储容器12。
本发明提供了一种填充控制阀20，用于在不进行流体密封关闭或密封的情况下增加填充控制阀20上的压降而中断车辆的加注操作，流体密封关闭或密封传统上将在阀上产生高的压力差。
由前面的描述，本领域技术人员能容易的发现本发明的本质特征，并在不脱离本发明的精神和范围内，对本发明作出各种改变或者修改以适应其各种用途和情况。
Claims (20)
1.一种填充控制系统，包括：
燃料存储容器；
燃料入口，所述燃料入口与所述燃料存储容器流体连通，以便提供燃料源和所述燃料存储容器之间的流体连通；以及
设置在所述燃料入口和所述燃料存储容器之间并与所述燃料入口和所述燃料存储容器流体连通的填充控制阀，所述填充控制阀的致动造成所述填充控制阀上游的压力水平类似于所述燃料存储容器已满的情况。
2.如权利要求1所述的填充控制系统，其中，所述燃料存储容器是用于存储氢的高压容器。
3.如权利要求1所述的填充控制系统，其中，所述燃料入口包括用于容纳分配设备的容纳装置，以便提供所述燃料源和所述燃料入口之间的流体连通。
4.如权利要求1所述的填充控制系统，其中，所述填充控制阀是动力阀。
5.如权利要求4所述的填充控制系统，其中，所述填充控制阀包括接收控制信号的控制输入，所述控制信号操作为致动所述填充控制阀。
6.如权利要求1所述的填充控制系统，其中，所述填充控制阀包括形成于其中的泄放路径，所述泄放路径与所述燃料入口和所述燃料存储容器流体连通，由此在不进行所述填充控制阀的流体密封关闭的情况下实现所述填充控制阀上游的压力水平。
7.如权利要求1所述的填充控制系统，其中，所述燃料入口在所述填充控制阀的上游，所述燃料存储容器在所述填充控制阀的下游。
8.如权利要求1所述的填充控制系统，还包括流处理单元，所述流处理单元与所述燃料存储容器流体连通以便将燃料流引导到所述燃料存储容器以及从所述燃料存储容器引导燃料流。
9.如权利要求8所述的填充控制系统，其中，所述燃料入口与所述流处理单元流体连通，以便通过所述流处理单元提供所述燃料源和所述燃料存储容器之间的流体连通。
10.一种填充控制系统，包括：
燃料存储容器；
燃料电池堆，所述燃料电池堆与所述燃料存储容器流体连通，以便从所述燃料存储容器接收燃料供给；
流处理单元，所述流处理单元与所述燃料存储容器和所述燃料电池堆流体连通，以便在至少所述燃料存储容器和所述燃料电池堆之间引导燃料流；
燃料入口，所述燃料入口与所述流处理单元流体连通，以便通过所述流处理单元提供燃料源和所述燃料存储容器之间的流体连通；以及
设置在所述燃料入口和所述流处理单元之间并与所述燃料入口和所述流处理单元流体连通的填充控制阀，所述填充控制阀的致动造成所述填充控制阀上游的压力水平类似于所述燃料存储容器已满的情况。
11.如权利要求10所述的填充控制系统，其中，所述燃料入口包括用于容纳分配设备的容纳装置，以便提供所述燃料源和所述燃料入口之间的流体连通。
12.如权利要求10所述的填充控制系统，其中，所述填充控制阀是动力阀。
13.如权利要求12所述的填充控制系统，其中，所述填充控制阀包括接收控制信号的控制输入，所述填充控制阀响应于所述控制信号而调节压降。
14.如权利要求10所述的填充控制系统，其中，所述填充控制阀包括形成于其中的泄放路径，所述泄放路径与所述燃料入口和所述流处理单元流体连通，由此在不进行所述填充控制阀的流体密封关闭的情况下实现所述填充控制阀上游的压力水平。
15.如权利要求10所述的填充控制系统，其中，所述燃料入口在所述填充控制阀的上游，所述燃料存储容器在所述填充控制阀的下游。
16.一种控制填充操作的方法，包括以下步骤：
致动填充控制阀以便在所述填充控制阀的上游产生压力水平，所述填充控制阀上游的压力水平类似于燃料存储容器已满的情况；
检测所述填充控制阀的上游的压力水平；以及
响应于检测所述填充控制阀上游的压力水平而调节输送到所述填充控制阀的燃料的流率。
17.如权利要求16所述的方法，其中，所述填充控制阀设置在燃料存储容器和燃料入口之间并且与所述燃料存储容器和所述燃料入口流体连通。
18.如权利要求16所述的方法，其中，所述填充控制阀包括形成于其中的泄放路径，所述泄放路径与燃料入口和流处理单元流体连通，由此在不进行所述填充控制阀的流体密封关闭的情况下实现所述填充控制阀上游的压力水平。
19.如权利要求16所述的方法，其中，所述填充控制阀包括接收控制信号的控制输入，所述填充控制阀响应于所述控制信号而调节压降。
20.如权利要求16所述的方法，其中，至所述填充控制阀的燃料流由填充站输送，所述填充站构造成检测所述填充控制阀上游的压力水平，并且响应于检测到的压力水平而调节输送到所述填充控制阀的燃料的流率。
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