CN111989634A - 用于燃料电池车辆的移动式氢分配器 - Google Patents

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Abstract

移动式分配器可以用于对燃料电池动力车辆的氢储罐进行至少部分地加注，并且利用了使用孔板对加注的纯机械控制，通过使用背压调节器来保持该孔板两侧的压差，该背压调节器的参考压力由压差调节器控制。因为该移动式分配器确实需要或使用电源，所以可以在没有电源或不方便使用电源的情况下使用该移动式分配器。

Description

用于燃料电池车辆的移动式氢分配器
背景技术
技术领域
本发明涉及使用移动式气体分配器对车辆氢储罐进行加注。
相关技术
在提高对诸如燃料电池车辆中使用的氢气等的可持续燃料利用的尝试中，已经提出或实施了若干种技术来实现对此类车辆上的氢储罐的加注。一种典型的方法包括永久性加注站点，该永久性加注站点包括相对较大的储存罐、一个或多个压缩机、一个或多个缓冲储罐、用于对压缩氢进行冷却的热交换器、以及用于以受控方式对车辆储罐执行加注的仪器和阀。
尽管这些永久性加注站点执行起来令人满意，但认识到的是，这些站点可能会不时失常，从而导致用于加注车辆储罐的氢的可用性中断。这可能会导致客户到达站点只是发现技术人员在现场诊断或解决阻碍站点运行的问题。如果客户无法或不愿等到站点运行恢复，则客户可能简单地驾驶到最近的运营中的加注站点。如果车辆储罐中所包含的氢不足以使车辆到达最近的站点，这将是一个问题。当驾驶员在车辆储罐的氢排空之前疏忽驾驶去加注站点时，就会出现相关的问题。
对于那些用于向车辆储罐再加注氢的基础设施发展欠佳的区域，驾驶员可能需要在加注站点无法服务到的位置再加注他们的储罐。这个问题有时被称为“里程焦虑症”，并且可能阻止加氢燃料的燃料电池车辆的进一步商业化。对于那些加注站点可服务到的区域，为了对车辆储罐进行再加注的目的而偏离两个目的地之间的特定路线可能会产生不便。
为了解决这些问题，一些人已经提出使用移动式加燃料器，该移动式加燃料器可以被驾驶到非营运中的站点，并且用于向车辆储罐部分地加注一定量的氢，以允许将该车辆驾驶到最近的站点。例如，US 6,786,245披露了一种移动式加燃料器，该移动式加燃料器可以用于行驶到滞留的氢动力车辆，并且给车辆的储罐加注一定量的氢，该氢的量足以允许该车辆行驶到最近的运营中的站点。使用级联加注系统可实现加注，该级联加注系统采用许多致动阀、压力和温度传感器、螺线管阀、编程有设计来在缩短的时间内实现加注的算法的可编程逻辑控制器(PLC)。
尽管US 6,786,245披露的移动式加燃料器被标榜为在不使用机械压缩、外部动力或其他外部设施的情况下实现了级联加注，但是该移动式加燃料器仍然需要用于为控制器供电的电源。这就要求移动式加燃料器携带移动电源，例如光伏电池阵列和相关联的电池或氢动力燃料电池，以便仍可以执行PLC控制式级联加注。这增加了较大的花费、重量和复杂性，需要更大的占地面积，增加了维护频率和花费，并且在光伏电池阵列和相关联的电池的情况下，在多云天气期间遭受的电压损失足以为PLC供电。
因为US 6,786,245披露的移动式加燃料器利用了级联加注系统，所以该移动式加燃料器需要存在至少两个高压氢气瓶，这些高压氢气瓶相对较重并且必须设置有重型框架以防止这些气瓶损坏。其结果是，移动式加燃料器很重以至于需要由商用车辆(例如3/4吨的皮卡车)拖曳，或由轨道、轮船或其他安装在卡车上的系统来承载。这种拖曳式或交通工具承载式移动式加燃料器的制造和操作相对昂贵，并且可能难以操纵到待加注车辆附近的小空间中。
因为US 6,786,245披露的移动式加燃料器依赖于PLC控制式级联加注，所以由于存在大量的阀、传感器、控制器和相关联的仪器，该移动式加燃料器相对更容易发生设备故障。与较不复杂、机械上稳健的系统相比，这种移动式加燃料器的制造昂贵、经受的维修频率相对较高、并且可能遭受较多的设备故障。
由于US 6,786,245披露的移动式加燃料器依赖于集成到加燃料器中的高压氢气瓶，因此一旦这些气瓶被排空，就必须将该移动式加燃料器驾驶到可以将这些气瓶加满的集中再加注场站。因此，由于需要再加注，对于滞留的客户而言这种移动式加燃料器更常会无法使用。
发明内容
披露了一种用于对燃料电池动力车辆的氢储罐进行至少部分地加注的移动式氢分配器。该分配器包括：第一供应管线，该第一供应管线具有上游端和下游端；第一孔板，该第一孔板设置在该第一供应管线中；背压调节器，该背压调节器设置在该第一供应管线的下游端；输送管线，该输送管线具有上游端和下游端；喷嘴，该喷嘴与该输送管线的下游端流体连通，该喷嘴被适配并配置成与燃料电池车辆的燃料储罐的开口接合；参考压力管线，该参考压力管线具有上游端和下游端；压差调节器，该压差调节器具有入口和出口；以及第一先导管线(pilot line)。该第一供应管线的上游端被适配并配置成接收来自氢源的氢流。该背压调节器是装载有圆顶的(dome-loaded)或装载有弹簧和圆顶的背压调节器，该背压调节器被适配并配置成将所述第一供应管线中所述孔板与所述背压调节器之间的气体压力保持在或低于该背压调节器的可变设定点压力。该可变设定点压力由该背压调节器的圆顶中的压力设定。该上游端被适配并配置成接收来自该背压调节器的氢流。输送管线的下游端被适配并配置成将所接收的氢流引导至燃料电池动力车辆的氢储罐。压差调节器位于参考压力管线的下游端的下游且与该参考压力管线的下游端处于流动连通。该第一先导管线在该压差调节器与该背压调节器的圆顶之间处于流动连通。该压差调节器被适配并配置成在该参考压力管线中的氢压力与该第一先导管线中的氢压力之间保持恒定的压差ΔP。
还披露了一种对燃料电池动力车辆的氢储罐进行至少部分地加注的方法。该方法包括以下步骤。提供以上披露的移动式分配器。将第一供应管线的上游端放置在气态氢源的下游且与该气态氢源处于流体连通。将输送管线的下游端放置在车辆储罐的上游且与该车辆储罐处于流体连通。允许氢从该源通过该移动式分配器流入该车辆储罐。中断允许的流动。将该供应管线的上游端与该源解除流体连通。将该输送管线的下游端与该车辆储罐解除流体连通。
所谓“流体连通”，例如短语“与下游端流体连通的喷嘴”，并不是指喷嘴与输送管线的下游端彼此电子信号连通，如在SAE(汽车工程师协会)标准J2601中所讨论的。
所谓“上游端”或“下游端”，是指在从氢源到燃料储罐的氢的流动方向上的背景下在上游(或在下游)的端部。
以上披露的移动式分配器可以包括以下方面中的一个或多个：
-该移动式分配器进一步包括：第二供应管线，该第二供应管线具有上游端和下游端；第二孔板，该第二孔板设置在该第二供应管线中、在其上游端与下游端之间，该第二供应管线的上游端被适配并配置成在与该第一供应管线相同的压力下或在使得该第一供应管线的压力与该第二供应管线的压力之间存在恒定压差的压力下从该源接收相关联的氢流，该第二供应管线的下游端在该第一孔板与该背压调节器之间与该第一供应管线处于流动连通；以及流量控制阀，该流量控制阀设置在该第二供应管线中，该流量控制阀被适配并配置成当该输送管线中的压力低于第一预定设定点压力时允许氢流过该第二供应管线、以及当该输送管线中的压力等于或高于该第一预定设定点压力时防止氢流过该第二供应管线。
-该参考压力管线被适配并配置成在与该第一供应管线相同的压力下或在使得该第一供应管线的压力与该参考压力管线的压力之间存在恒定压力差的压力下从该源接收相关联的氢流。
-该参考压力管线进一步被适配并配置成在与该第二供应管线相同的压力下或在使得该第二供应管线的压力与该参考压力管线的压力之间存在恒定压力差的压力下从该源接收相关联的氢流。
-该移动式分配器进一步包括：第三供应管线，该第三供应管线具有上游端和下游端；第三孔板，该第三孔板设置在该第二供应管线中、在其上游端与下游端之间，该第三供应管线的上游端被适配并配置成在与该第一供应管线相同的压力下或在使得该第一供应管线的压力与该第三供应管线的压力之间存在恒定压差的压力下从该源接收相关联的氢流，该第三供应管线的下游端在该第一孔板与该背压调节器之间与该第一供应管线处于流动连通；以及压力控制阀，该压力控制阀设置在该第三供应管线中，该压力控制阀被适配并配置成当该输送管线中的压力低于第二固定设定点压力时允许氢流过该第三供应管线、以及当该输送管线中的压力等于或高于该第二固定设定点压力时防止氢流过该第三供应管线。
-该参考压力管线进一步被适配并配置成在与该第二供应管线相同的压力下或在使得该第二供应管线的压力与该参考压力管线的压力之间存在恒定压力差的压力下从该源接收相关联的氢流。
-该移动式分配器被适配并配置成从该输送管线的下游端提供恒定质量流率的氢。
-所述流动的所述中断在达到该源与该车辆储罐之间达到压力平衡时自动发生。
附图说明
为了进一步理解本发明的本质和目的，应结合附图来参考以下详细说明，在附图中相似元件给予相同或类似的参考号，并且其中：
图1是本发明的系统的示意图。
图2是图1的系统的、包括第二供应管线的变体的示意图。
图3是图1的系统的、包括第二供应管线和第三供应管线的变体的示意图。
图4是APRR控制式加注的图表。
具体实施方式
当由于设备故障而必须停止用于对燃料电池车辆的氢储罐进行加注的氢加注站点的运行时，主要的维护目标是使该站点恢复到全面运行。为了实现这个目标，某些维修可能需要几个小时才能完成，在极少数情况下，可能需要更多时间才能正确诊断问题。同时，因为车辆储罐所包含的氢量可能不足以将车辆驾驶到另一个可运营的加注站点，所以需要在站点进行加注的车辆操作者可能被滞留。本发明的移动式氢分配器可以用于对这些滞留的车辆操作者的储罐进行至少部分地加注，使得他们至少具有足够的氢以驾驶到附近的站点进行更完全的加注。本发明的移动式氢分配器还可以用于在(多个)压缩机已经失去了电力供应或者其(多个)压缩机或其他设备出现故障的氢加注站点处对燃料电池车辆的储罐进行至少部分地加注。
(燃料电池车辆的)氢储罐的加注是由相对较高压力的氢源与相对较低压力的氢储罐之间的压力差引起的。为了对储罐进行安全地加注，在一个实施例中，移动式分配器以受控的恒定质量流率分配氢。在另一个实施例中，并且也为了在环境温度下对储罐进行安全地加注，储罐以受控的、由环境温度决定的相对恒定的压力斜变速率进行加注。为了提供前面提及类型的控制，移动式分配器使用涉及压力调节器和(多个)孔的纯机械解决方案。此外，移动式分配器不需要用户控制流量。
燃料电池车辆的氢储罐通过压力均衡化来加注有来自氢源的氢。所谓压力均衡化，是指氢从相对较高压力的氢源流向相对较低压力的车辆储罐，直到储罐中的压力等于源的压力。因此，氢源的压力必须高于氢储罐的压力，否则基于压力均衡化的加注无法进行。考虑到这一点，如果氢源的压力低于氢储罐的标称最大压力(如果储罐处于满负荷下，则会达到)，则只能实现储罐的部分加注。相比于某些常规氢储罐加注技术(其中氢源的压力低于满负荷时的最终氢储罐压力)，该系统并不包括压缩机，该压缩机允许将氢源的压力提升到实现氢储罐的完全加注可能需要的相对较高压力。
氢源的类型不受限制，并且包括气态氢容器，例如气瓶、长管拖车和现场储存罐。可替代地，氢源可以是现场储存罐，该现场储存罐包含与用于向分配器提供气态氢流的气化器连接的液氢。该源的氢典型地满足燃料电池车辆的规范，并且可以符合汽车工程师协会的SAE J2719中描述的品质规范(“燃料电池车辆的氢品质标准”)。为了允许燃料电池动力车辆的氢储罐通过压力均衡化来加注有来自源的氢，氢源的压力高于车辆储罐的压力。典型地，氢源的压力在165bar至700bar的范围内，尽管其当然可以更高或更低。
类似地，燃料电池车辆的类型不受限制，包括叉车、汽车和卡车。这类车辆可以符合汽车工程师协会的SAE J2579中描述的规范(“燃料电池车辆和其他氢燃料车辆中的燃料系统的标准”)。
如图1最佳所示，分配器包括第一供应管线SL1第一供应管线SL1的上游端被适配并配置成与氢源S流体地连接。虽然可以使用任何常规的工业气体设备将氢源S与第一供应管线SL1的上游端连接，但是典型地，这种连接要符合美国国家标准协会ANSI/CSA HGV 4.10-2012中描述的规范(“用于压缩氢气和富氢气体混合物的装配标准”)。其他管线、阀、调节器和喷嘴连接也可以符合ANSI/CSA HGV 4.10-2012。
第一孔板OP1设置在第一供应管线SL1中。孔板，也称为限制板，是众所周知的装置，该孔板安装在气体管线中以限制通过管线的气体的流动。如后面将描述的，孔板OP1的上游侧与下游侧之间(以及孔板OP1的上游侧与车辆储罐之间)的第一供应管线SL1中的压力差保持恒定。因为该压力差是固定的，所以氢源S的压力的任何减小都不会改变通过孔板OP1的质量流率。因此，实现了恒定的质量流率。所谓恒定质量流率，是指在加注过程中质量流率变化不超过50％，或更典型地，在加注过程中质量流率变化不超过25％。
第一供应管线SL1终止于背压调节器BPR的入口。背压调节器是众所周知类型的阀，该背压调节器被放置在气体管线中以将背压调节器上游的管线中的压力保持在设定点压力。虽然背压调节器上游的此类管线中的压力可能会出于与背压调节器无关的原因而降低到设定点以下，但背压调节器被设计成防止此类管线中的压力超过设定点。背压调节器可以与压力调节器形成对比，压力调节器是放置在气体管线中用于在压力调节器下游以恒定压力供应气体的阀。分配器中使用的背压调节器SL1是装载有圆顶的或装载有弹簧和圆顶的背压调节器。在装载有圆顶的或弹簧和装载有圆顶的背压调节器中，供应给背压调节器的圆顶的参考压力可以用于改变其设定点，从而改变背压调节器上游管线中保持的压力。例如，如果供应给圆顶的参考压力降低了10bar，则设定点压力同样降低10bar。
如下文将描述的，参考压力通过参考压力管线RPL、压差调节器DPR和先导管线PL供给至背压调节器SL1的圆顶。参考压力管线RPL中接收到的来自氢源S的氢流的压力典型地与第一供应管线SL1中接收到的来自氢源S的氢流的压力相同。如果两个管线RPL、SL1均直接从源S接收氢，而在任一管线RPL、SL1中没有任何限流装置，或者如果两个管线RPL、SL1直接从源S接收，且每个管线中都具有相同类型的限流装置，则参考压力管线RPL中接收到的来自氢源S的氢流的压力与第一供应管线SL1中接收到的氢流的压力相同。一种简单的实现方式是，如图1所示，在第一供应管线SL1中分接出参考压力管线RPL的上游端。可替代地，氢可以并行地从源供应到参考压力管线RPL和第一供应管线SLl中的每一个。
在参考压力管线RPL的下游端设置了具有入口和出口的压差调节器DPR。先导管线PL从压差调节器DPL出口延伸到背压调节器BPR的圆顶。以这种方式，背压调节器BPR的设定点压力通过先导管线PL中的氢的压力来设定/变化。压差调节器是众所周知的装置，该压差调节器被放置在气体管线中以将气体的压力降低某一恒定量。换句话说，在压差调节器上游的管线中的气体与压差调节器下游的管线中的气体之间存在恒定的压差。预先设定移动式分配器的压差调节器DPR，以在参考压力管线RPL中的氢与先导管线PL中的氢之间实现预定的压差。虽然该压差无需设定为任何特定值，但典型地，它的范围为5bar至30bar。
背压调节器BPR的设定点压力通过先导管线PL中的压力来设定/变化。因此，当参考压力管线RPL和第一供应管线SL1中接收到的氢的压力处于压力P1下，压差调节器DPR供应给先导管线PL的氢处于压力P2下时，孔板OP1与背压调节器BPR之间的第一供应管线SL1中的压力也保持在压力P2下。由于参考压力管线RPL与先导管线PL中的氢之间的压力差通过压差调节器DPR保持在某一恒定值，因此，孔板OP1上游的第一供应管线SL1中的氢与孔板OP1下游的第一供应管线SL1中的氢之间的压力差也恒定。
该恒定的压差是至关重要的，因为对于在非阻流条件下横过孔板的气体流，如果孔板两侧的压差恒定，则质量流率是恒定的。实际上，可以通过控制孔板两侧的压差来设定横过孔板的特定质量流率(在非阻流条件下)。这是因为，如果上游压力P1和下游压力P2是已知的并且恒定，则可以根据伯努利方程使用经研究确定的剩余常数来计算固定的质量流率：
Figure BDA0002725101680000081
其中：
Cd＝无量纲流出系数
β＝孔直径d与管道直径D的无量纲直径比
ε＝无量纲可膨胀系数
d＝孔内直径
ρ1＝上游分接平面中的流体密度(kg/m3)
Δp＝在孔两侧测量到的压差(Pa)
因此，尽管在加注过程期间源中氢的压力可能随着时间的推移而降低，并且车辆储罐中的氢的压力可能增大，但是横过移动式分配器中孔板的氢的质量流率是恒定的。
由于移动式分配器的目的是将其与任何氢储存源(即储存罐)一起使用、而不必与由压缩机保持压力的氢源一起使用，在加注过程中，氢源的压力(其压力并未通过压缩机保持恒定)会降低。
通过移动式分配器实现的恒定质量流率至关重要，因为尽管本发明的分配器中没有电子控制阀，但仍然可以提供合理的确定量，使得过高的氢流率将不会传递到车辆储罐并且导致不安全的过热和/或过压水平。结果，尽管本发明的分配器并不包括由接收来自压力传感器和/或流量计的数据的控制器命令的电子控制阀，但该分配器仍可以以合理的安全程度进行操作。
与使用两个标准的减压调节器相比，移动式分配器更具优势。如果改为使用标准减压调节器(第一调节器)来设定P1，而使用单独的调节器(第二调节器)来设定P2，则一旦源压力变得低于第一调节器的设定点，加注就将停止。P1压力因为是固定的，所以也不允许其随储存压力的降低而变化。为了从源中获取最多的气体，需要将该P1调节器设定得非常低，并且这样做的话，如果该调节器接近初始源压力(因为其已被设定得很低)，将无法将车辆储罐加注到令人满意的容量。本发明的移动式分配器由于改为使用压差调节器向背压调节器提供参考压力，避免了使用两个标准减压调节器而不是压差调节器和背压调节器所预期产生的上述问题。
来自背压调节器BPR出口的氢被输送管线DL的上游端接收。输送管线的下游端终止于喷嘴N，该喷嘴被适配并配置成与燃料电池车辆的氢储罐的开口接合。
图1的实施例是有利的，因为其允许移动式分配器以纯机械方式进行操作。
相反，常规的永久性氢加注站点使用压力控制阀来不断地控制氢储罐所经历的压力斜变速率。换句话说，此类站点力图将(车辆储罐的)压力随时间推移的变化保持为常量，称为平均压力斜变速率或APRR的常量。这种压力控制阀由PLC控制，并且随着车辆储罐内压力的增大，通过减小通过压力控制阀的流动路径的截面而基本上用作可变孔。如果PLC计算出的压力斜变速率超过(或降低到低于)给定时刻期望的APRR，则PLC命令压力控制阀减小(或增大)通过压力控制阀的流动路径的截面，以便更紧密地跟随APRR。
常规的受控气体流动系统使用的另一种技术包括使用没有PLC控制的标准压力控制阀(纯机械的，例如具有弹簧的)。如果在没有压差调节器和背压调节器的情况下使用这种压力控制阀，则只能将这种压力控制阀设定为特定的设定点，并且除非操作者改变设定点，否则不能进行更改。
相比之下，移动式分配器的孔板OP1、压差调节器DPR和背压调节器BPR的使用避免了对PLC的需求、对为PLC供电的需求、以及对操作者控制的需求。这是因为，通过孔板OP1、压差调节器DPR和背压调节器BPR以纯机械方式控制氢的流动，以便保持孔板OP1两侧恒定的压差。
作为限制燃料电池车辆的氢储罐过热和过压的另一种机构，一些人已经提出了在执行加注期间将压力斜变速率控制到预定的平均压力斜变速率(APRR)，例如汽车工程师协会的SAE标准J2601。APRR是加注期间每单位时间的平均压力增加。J2601的一个日期为2010年3月的特定版本要求使用确定在环境温度条件下(即，来自源的氢不受温度控制)加注安全的APRR。在该标准下，控制加注过程中的压力斜变速率，以根据范围在-30℃至40℃的环境温度通过查找表来获得所要求的APRR。应当注意的是，期间氢流向车辆储罐不连续(例如检查泄漏期间暂停等)的加注部分并不包括在用于计算APRR的时间分量中。J2601标准和相关技术试图将实际压力斜变速率保持在高于/低于预期APRR的某一百分比偏差内，或保持在高于和低于预期APRR的某一固定压力范围内。常规的系统和方法典型地使用可变压力控制阀、一个或多个压力传感器、以及电动控制器来实现对压力斜变速率的这种控制。
虽然图1的实施例以恒定的质量流率令人满意地将氢输送至氢储罐，但理论上由于氢的压缩因子随着压力的增大而增大，因此在这样恒定的质量流率下，每单位时间内车辆储罐中的一些压力升高可能会高于和超出所预期的。如果压缩因子的这种变化使得将压力斜变速率保持在高于/低于预期APRR的某一范围内变得更加困难，则图2或图3的实施例可以用于通过使用额外的供应管线以及用于控制通过供应管线的流量的孔板和压力控制阀来来解决这个理论问题。
如在图2中最佳展示的，分配器包括图1的分配器的每个特征，并且还包括具有上游端的第二供应管线SL2。第二供应管线SL2中接收到的来自氢源S的氢流的压力典型地与参考压力管线RPL中接收到的来自氢源S的氢流的压力相同。如果两个管线RPL、SL2均直接从源S接收氢，而在任一管线中没有任何限流装置，或者如果两个管线RPL、SL2直接从源接收，且每个管线中都具有相同类型的限流装置，则参考压力管线RPL中接收到的来自氢源S的氢流的压力与第二供应管线SL2中接收到的氢流的压力相同。一种简单的实现方式是，如图2所示，在第一供应管线中分接出第二供应管线SL2的上游端。可替代地，氢可以并行地从源S供应到参考压力管线RPL和第二供应管线SL2中的每一个。
第二孔板OP2设置在第二供应管线SL2中、在上游端与下游端之间。选择与第一孔板OP1和第二孔板OP2以及第一供应管线SL1和第二供应管线SL2相关联的尺寸和变量，以便实现通过第一供应管线SL1和第二供应管线SL2中的每一个供应管线的恒定质量流率相同。
压力控制阀PCV2设置在第二供应管线SL2中、在第二孔板OP2与第二供应管线SL2的下游端之间。这个压力控制阀PCV2被适配并配置成当输送管线DL中的压力低于第一预定设定点压力时允许氢流过第二供应管线SL2，并且当输送管线DL中的压力等于或高于第一预定设定点压力时防止氢流过第二供应管线SL2。因此，这个压力控制阀PCV2不是可变压力阀，因为该压力控制阀要么完全打开要么完全关闭。
如在图3中最佳所示，分配器包括图2的分配器的每个特征，并且还包括具有上游端的第三供应管线SL3。第三供应管线SL3中接收到的来自氢源S的氢流的压力典型地与参考压力管线RPL中接收到的来自氢源S的氢流的压力相同。如果两个管线SL3、RPL均直接从源S接收氢，而在任一管线中没有任何限流装置，或者如果两个管线SL3、RPL均直接从源S接收，且每个管线SL3、RPL中都具有相同类型的限流装置，则参考压力管线RPL中接收到的来自氢源S的氢流的压力与第三供应管线SL3中接收到的氢流的压力相同。一种简单的实现方式是，如图3所示，在第一供应管线SL1中分接出第三供应管线SL3的上游端。可替代地，氢可以并行地从源S供应到参考压力管线RPL和第三供应管线SL3中的每一个。
第三孔板OP3设置在第三供应管线SL3中、在上游端与下游端之间。假设第一供应管线SL1、第二供应管线SL2和第三供应管线SL3的内直径相同，并且假设第一孔板OP1两侧、第二孔板OP2两侧和第三孔板OP3两侧的压差相同，虽然在第一孔板OP1、第二孔板OP2和第三孔板OP3中的每个孔板中形成的孔可以是相同的，但是这些孔不必相同，只要在孔板OP1、OP2、OP3中形成的孔的截面积的相对值是已知的即可。因此，第一孔板OP1、第二孔板OP2和第三孔板OP3中的每个孔板的Cd和β的值相同。如果在第一孔板OP1、第二孔板OP2和第三孔板OP3中形成的孔的孔内直径d相同，则通过推理规则，横过那些孔板OP1、OP2、OP3的质量流率也相同。如果在第一孔板OP1、第二孔板OP2和第三孔板OP3中形成的孔的一个或多个孔内直径不同，但是每个孔板的相对值是已知的，则同样已知横过那些板孔OP1、OP2、OP3中的每个板孔的质量流率的相对值。作为一个示例，形成在第一孔板OP1中的孔的内直径d是形成在第二孔板OP2、和第三孔板OP3中的孔的内直径的倍数。
压力控制阀PCV3设置在第三供应管线SL3中、在第三孔板OP3与第三供应管线SL3的下游端之间。这个流量控制阀PCV3被适配并配置成当输送管线DL中的压力低于第二预定设定点压力时允许氢流过第三供应管线SL3，并且当输送管线DL中的压力等于或高于第二预定设定点压力时防止氢流过第三供应管线SL3。因此，这个压力控制阀PCV3不是可变压力阀，因为该压力控制阀要么完全打开要么完全关闭。应当注意的是，参考压力管线RPL进一步被适配并配置成在与第三供应管线SL3所接收的氢流相同的压力下从源S接收相关联的氢流。可替代地，参考压力管线RPL进一步被适配并配置成在与第三供应管线SL3所接收的氢流不同的压力下接收来自源S的相关联的氢流，只要这两个压力之间的压力差恒定即可。
如以上所讨论的，当输送管线DL中的压力低于第一预定设定点压力时，第二供应管线SL2中的压力控制阀PCV2允许氢流过第二供应管线SL2并进入输送管线DL。当输送管线DL中的压力低于第二预定设定点压力时，第三供应管线SL3中的压力控制阀PCV3类似地允许氢流过第三供应管线SL2并进入输送管线DL。第二预定设定点压力低于第一预定设定点压力，该第一预定设定点压力进而被选择成低于在加注完成时在车辆储罐中通常期望实现的压力。
关于图2的实施例，输送管线DL中的压力(其反映了车辆储罐中的压力)在加注开始时相对较低并且通常低于第一预定设定点压力。在加注期间的该时刻，氢以等于通过第一孔板OP1和第二孔板OP2的质量流率之和的质量流率经由输送管线DL流过第一供应管线SL1和第二供应管线SL2中的每个供应管线并且进入车辆。随着氢流入车辆储罐并且车辆储罐朝向第一预定设定点压力升高但并未达到时，压力斜变速率并非保持恒定而是升高，主要是由于氢储罐内部的温度影响以及压缩因子的增大导致储罐中氢的压力升高到高于并且超出固定体积的储罐中氢气累积质量所预期的压力。当输送管线DL中的压力升高到并且高于第一预定设定点压力时，第二供应管线SL2中的压力控制阀PCV2关闭，以防止氢通过第二供应管线SL2流入输送管线DL。因此，进入车辆储罐的氢的质量流率然后降低到仅通过第一孔板OP1的氢的质量流率。
应当注意的是，在图2的实施例中，如果在加注开始时输送管线中的压力高于第一预定设定点压力，则仅从第一供应管线SL1对车辆储罐进行加注。在这种情况下，进入车辆储罐的质量流率当然等于通过第一孔板的质量流率。
关于图3的实施例，输送管线DL中的压力(其反映了车辆储罐中的压力)在加注开始时相对较低并且通常低于第二预定设定点压力。在加注期间的该时刻，氢以等于通过第一孔板OP1、第二孔板OP2和第三孔板OP3的质量流率之和的质量流率经由输送管线DL流过第一供应管线SL1、第二供应管线SL2和第三供应管线SL3中的每个供应管线并且进入车辆。随着进入车辆储罐的氢流朝向第二预定设定点压力升高但并未达到时，压力斜变速率并非保持恒定而是升高，主要是由于氢储罐内部的温度影响以及压缩因子的增大导致储罐中氢的压力升高到高于并且超出固定体积的储罐中氢气累积质量所预期的压力。当输送管线DL中的压力升高到并且高于第二预定设定点压力时，第三供应管线SL3中的压力控制阀PCV3关闭，以防止氢通过第三供应管线SL3流入输送管线DL。因此，流入车辆的氢的质量流率降低到通过第一孔板OP1和第二孔板OP2的氢质量流率之和。再次，随着流入车辆储罐的氢的压力继续朝向第一预定设定点压力升高但并未达到，压力斜变速率同样并非保持恒定而是升高，主要是由于氢储罐内部的温度影响以及压缩因子的增大导致储罐中气体膨胀到高于并且超出固定体积的储罐中氢气累积质量所预期的压力。当输送管线DL中的压力升高到并且高于第一预定设定点压力时，第二供应管线SL2中的压力控制阀PCV2关闭，以防止氢通过第二供应管线SL2流入输送管线DL。因此，进入车辆储罐的氢的质量流率当然降低到仅通过第一孔板OP1的质量流率。
应当注意的是，在图3的实施例中，如果在加注开始时输送管线DL中的压力高于第二预定设定点压力，则仅从第一供应管线SL1和第二供应管线SL2对车辆储罐进行加注。在这种情况下，进入车辆储罐的质量流率当然等于流过第一孔板OP1和第二孔板OP2的氢的质量流率之和。类似地，如果在加注开始时输送管线DL中的压力高于第一预定设定点压力，则仅从第一供应管线SLl对车辆储罐进行加注。在这种情况下，进入车辆储罐的质量流率当然等于仅流过第一孔板OP1的氢的质量流率。
如图4最佳所示，图3的实施例的性能近似于将压力斜变速率维持在APRR附近。如图4最佳所示，车辆储罐压力最初低于125bar，并且第二供应管线SL2和第三供应管线SL3中的每个供应管线中的压力控制阀PCV2、PCV3打开，从而导致通过输送管线DL到车辆储罐的质量流率为1.10g/s。第三供应管线SL3的压力控制阀具有125bar的第二预定设定点。当输送管线DL中的压力到达125bar(其代表车辆储罐中的压力)时，第三供应管线SL3中的压力控制阀PCV3关闭，并且防止氢通过第三供应管线SL3流到输送管线SL。因为现在氢仅流过第一供应管线SL1和第二供应管线SL2，所以通过输送管线SL到达车辆储罐的质量流率为1.02g/s。第二供应管线SL2的压力控制阀PCV2具有250bar的第二预定设定点。当输送管线DL中的压力到达250bar时，第二供应管线SL2中的压力控制阀PCV2关闭，并且防止氢通过第二供应管线SL2流到输送管线DL。因为现在氢仅流过第一供应管线SL1，所以通过输送管线DL到达车辆储罐的质量流率为0.95g/s。加注继续进行，直到源压力和车辆储罐压力相等为止。
本领域普通技术人员将认识到，控制压力斜变速率不限于图2和图3的实施例。相反，可以具有更多的供应管线，每个供应管线具有与第一、第二或第三供应管线的孔板和压力控制阀相似或相同的相关联的孔板和压力控制阀。因此，可以以两个步骤(如图2的实施例中)、以三个步骤(如图3的实施例中)或以多于三个的步骤来完成压力斜变速率控制式加注。不管步骤的数量如何，初始氢储罐压力将决定在加注开始时打开多少个压力控制阀。每个孔板和相关联的压力控制阀将被分别确定尺寸并且将被设定为接近预定的APRR。例如，针对35C的环境温度下的环境温度加注的2010年3月版SAE J2601标准要求以0.7MPa/min的APRR进行加注。在该特定示例中，孔板的尺寸被确定成并且相关联的压力控制阀已经设定成使得实现APRR约为0.7MPa/min的加注。典型地，孔板的尺寸被确定成并且压力控制阀被设定成使得移动式分配器被适配并配置成根据2010年3月版要求执行环境温度表，以在-3℃至4℃的环境温度下工作。
图2和图3的实施例是特别有利的，因为与图1的实施例相比，它们允许更安全且更快速的加注。虽然图1的实施例由于以恒定的质量流率输送氢而提供了很好的可预测性，但是在这种布置中的孔板的尺寸必须适当地确定，以便避免车辆储罐中的压力升高过快。如果孔板具有相对较大的尺寸，则其允许较高的质量流率，并因此允许更快的加注。但是，由于氢在增加的压力下的可膨胀系数的变化，车辆储罐内的温度可能以超过热量从车辆储罐内的氢传递到周围环境的速率的速率升高。如果发生这种情况，则车辆储罐可能过热，从而增加了氢不受控制释放的风险。虽然当然可以通过使用相对较小的孔板来改善这种结果，以产生不会在加注结束时导致车辆储罐过热的质量流率，但这种孔板将在整个加注过程中产生相对较小的流率，因此增加了加注时间。
相比之下，图2和图3的实施例允许在加注中前期使用相对较大的孔，使得在稍后在加注中使用相对较小的孔板以防止过热之前，可以实现相对较大的质量流率。以这种方式，与尺寸经适当确定的孔板设计成防止在加注结束时车辆储罐过热的图1的实施例相比，总体加注时间明显缩短。
不管是否对APRR进行控制，该方法和系统都不包括需要使用电力供应的电子控制部件。由于它本质上是纯机械的，因此可以在没有电力供应的地方使用氢源。移动式分配器也不需要用户进行流量控制，并且在某些实施例中，可以产生符合周围环境加燃料(ambient fueling)协议(例如2010年3月版J2601草案标准)的稳定流量输出。
该移动式分配器旨在于在站点长时间停机的最初几个小时内应用。典型地，移动式分配器并不用于长期氢加注站点停机，例如持续时间超过48小时的停机。
对于期望在永久性站点以外的位置方便加燃料的驾驶员，或对于需要在由于仍然残留在储罐中的氢气量而成为可能的行驶半径内没有任何站点的位置再加注的驾驶员，移动式分配器还旨在应用于路边加燃料。
移动式分配器相对较小。该移动式分配器也是便携式的，典型地，其重量小于50kg、小于25kg，并且在某些情况下甚至小于15kg。通常，移动式分配器足够小以装配在乘用车的后部中，并且可以由一个人或少至两个人来装卸，由此提供了供单个使用者或两个使用者在各种应用中使用的灵活性。
移动式分配器还将设计成能够接收来自各种源中的任何一种的气态氢，包括但不限于：a)用于具有典型压力范围为200bar至450bar的永久性氢加注站点的现有的地面储存装置，b)具有典型压力范围约为165bar或450bar的氢长管拖车，c)经常加注到165bar压力的氢气瓶，d)压力与氢长管拖车相等、因此典型地具有在200bar至450bar的压力范围内的传统气态氢储存罐，以及e)与气化器相联接的液氢储存罐。为了对车辆储罐进行至少部分地加注，车辆储罐中的压力必须低于源的压力。因此，移动式分配器仅能够将车辆储罐加注到最高达源压力，因为该移动式分配器并不旨在与压缩机集成在一起。
该移动式分配器不需要在车辆与分配器之间进行通信或冷却氢，而是意味着在主导的环境温度下运行。
出于安全原因，车辆操作者可能希望训练有素的操作者使用移动式分配器进行加注。
移动式分配器及其使用方法可以与常规的永久性氢加注站点区分开。如以上所提及的，移动式分配器避免了对PLC的需要、对为PLC供电的需要、以及在加注过程中对操作者控制压力控制阀设定点的需要。常规的氢加注站点所使用的氢的上游压力典型地是恒定的，因为包含氢的储存容器不断通过压缩机来再加注。在移动式分配器的情况下，由于典型地不存在运行中的压缩机，因此随着车辆储罐被加注，给送到移动式分配器的氢源的压力会随着时间的推移而降低。如果未执行由压差调节器进行的背压调节器控制，则无法实现孔板两侧的恒定压差。因此，将不能实现恒定的质量流率。而且，移动设备将不会测量输送到车辆储罐中的氢量(因为它不包含流量计)，也将不会为客户提供销售点以对加注进行支付。这样，当断电或需要加注的车辆位于不易获得电力的偏远位置时，允许将移动式分配器用作永久性氢加注站点的备份。
如下所述，移动式分配器可以用于对燃料电池动力车辆的氢储罐进行至少部分地加注。
第一供应管线的上游端被放置在气态氢源的下游且与该气态氢源处于流体连通。输送管线的下游端被放置在车辆储罐的上游且与该车辆储罐处于流体连通。引发了氢从源通过移动式分配器进入车辆储罐中的流动。引发了通过至少第一供应管线和输送管线进入车辆储罐中。典型地，通过打开源处的一个或多个阀以允许氢流入移动式分配器中来引发流动。氢的流动被中断，供应管线的上游端与源解除流体连通，而输送管线的下游端与车辆储罐解除流体连通。
流动的中断可以以以下非限制性事件列表中的任何一个或多个事件的发生为条件：在经过预定的持续时间之后，从源到储罐已经通过了预定量的氢，车辆储罐的压力达到预定压力，以及在源与车辆储罐之间实现了压力平衡。优选地，一旦在源与车辆储罐之间达到压力平衡，就自动中断流动。由于压力平衡将导致流率为零，因此可以通过使用安装在输送管线中的流率计进行观察。
虽然已经结合本发明的具体实施例描述了本发明，但显然，鉴于前述说明，许多替代方案、修改、和变化对于本领域技术人员将是清楚的。因此，旨在包含落入所附权利要求的精神和广泛范围内的所有此类替代方案、修改和变化。本发明可以适当地包含所披露的要素、由所披露的要素组成或基本上由所披露的要素组成，并且可以在不存在未披露的要素下实施。此外，如果存在涉及顺序的语言，例如第一和第二，应在示例性意义上、而不是在限制性意义上进行理解。例如，本领域技术人员可以认识到，可以将某些步骤组合成单一步骤。
单数形式“一个/种(a/an)”和“该”包括复数个指示物，除非上下文另外清楚地指出。
权利要求书中的“包括(comprising)”是开放式过渡术语，其是指随后确定的权利要求要素是无排他性的清单，即，其他任何事物可以附加地被包括并且保持在“包括”的范围内。“包括”在此被定义为必要地涵盖更受限制的过渡术语“基本上由……组成”和“由……组成”；因此“包括”可以被“基本上由……组成”或“由……组成”代替并且保持在“包括”的清楚地限定的范围内。
权利要求中的“提供”被定义为是指供给、供应、使可获得或制备某物。该步骤可以相反地由任何行动者在权利要求中没有明确的语言的情况下执行。
任选的或任选地是指随后描述的事件或情况可能发生或可能不发生。本说明包括其中所述事件或情况发生的实例以及其中所述事件或情况不发生的实例。
在本文中范围可以表述为从大约一个具体值和/或到大约另一个具体值。当表述此种范围时，应理解的是另一个实施例是从所述一个具体值和/或到所述另一个具体值、连同在所述范围内的所有组合。
在此确定的所有参考文件各自特此通过引用以其全文结合到本申请中，并且是为了具体的信息，各个参考文件被引用就是为了所述具体信息。

Claims (5)

1.一种用于对燃料电池动力车辆的氢储罐进行至少部分地加注的移动式氢分配器，所述分配器包括：
第一供应管线，该第一供应管线具有上游端和下游端，该第一供应管线的上游端被适配并配置成接收来自氢源的氢流；
第一孔板，该第一孔板设置在该第一供应管线中；
背压调节器，该背压调节器设置在该第一供应管线的下游端处，该背压调节器是装载有圆顶的或装载有弹簧和圆顶的背压调节器，该背压调节器被适配并配置成将所述第一供应管线中所述孔板与所述背压调节器之间的气体压力保持在或低于该背压调节器的可变设定点压力，该可变设定点压力由该背压调节器的圆顶中的压力设定；
输送管线，该输送管线具有上游端和下游端，该上游端被适配并配置成接收来自该背压调节器的氢流，该输送管线的下游端被适配并配置成将所接收的氢流引导至燃料电池动力车辆的氢储罐；
喷嘴，该喷嘴与该输送管线的下游端流体连通，该喷嘴被适配并配置成与燃料电池车辆的燃料储罐的开口接合；
参考压力管线，该参考压力管线具有上游端和下游端，该参考压力管线的上游端被适配并配置成接收来自该氢源的氢流；
压差调节器，该压差调节器具有入口和出口，该压差调节器的入口位于该参考压力管线的下游端的下游且与该参考压力管线的下游端处于流动连通；以及
第一先导管线，该第一先导管线在该压差调节器与该背压调节器的圆顶之间处于流动连通，该压差调节器被适配并配置成在该参考压力管线中的氢压力与该第一先导管线中的氢压力之间保持恒定的压差ΔP。
2.如权利要求1所述的移动式分配器，进一步包括：
第二供应管线，该第二供应管线具有上游端和下游端；
第二孔板，该第二孔板设置在该第二供应管线中、在其上游端与下游端之间，该第二供应管线的上游端被适配并配置成在与该第一供应管线相同的压力下或在使得该第一供应管线的压力与该第二供应管线的压力之间存在恒定压差的压力下从该源接收相关联的氢流，该第二供应管线的下游端在该第一孔板与该背压调节器之间与该第一供应管线处于流动连通；以及
流量控制阀，该流量控制阀设置在该第二供应管线中，该流量控制阀被适配并配置成当该输送管线中的压力低于第一预定设定点压力时允许氢流过该第二供应管线、以及当该输送管线中的压力等于或高于该第一预定设定点压力时防止氢流过该第二供应管线，其中，该参考压力管线进一步被适配并配置成在与该第二供应管线相同的压力下或在使得该第二供应管线的压力与该参考压力管线的压力之间存在恒定压力差的压力下从该源接收相关联的氢流。
3.如权利要求1所述的移动式分配器，进一步包括：
第三供应管线，该第三供应管线具有上游端和下游端；
第三孔板，该第三孔板设置在该第二供应管线中、在其上游端与下游端之间，该第三供应管线的上游端被适配并配置成在与该第一供应管线相同的压力下或在使得该第一供应管线的压力与该第三供应管线的压力之间存在恒定压差的压力下从该源接收相关联的氢流，该第三供应管线的下游端在该第一孔板与该背压调节器之间与该第一供应管线处于流动连通；以及
压力控制阀，该压力控制阀设置在该第三供应管线中，该压力控制阀被适配并配置成当该输送管线中的压力低于第二固定设定点压力时允许氢流过该第三供应管线、以及当该输送管线中的压力等于或高于该第二固定设定点压力时防止氢流过该第三供应管线，其中，该参考压力管线进一步被适配并配置成在与该第二供应管线相同的压力下或在使得该第二供应管线的压力与该参考压力管线的压力之间存在恒定压力差的压力下从该源接收相关联的氢流。
4.一种对燃料电池动力车辆的氢储罐进行至少部分地加注的方法，包括以下步骤：
提供如权利要求1所述的移动式分配器；
将该第一供应管线的上游端放置在气态氢源的下游且与该气态氢源处于流体连通；
将该输送管线的下游端放置在该车辆储罐的上游且与该车辆储罐处于流体连通；
允许氢从该源通过该移动式分配器流入该车辆储罐；
中断所述允许的流动；
将该供应管线的上游端与该源解除流体连通；以及
将该输送管线的下游端与该车辆储罐解除流体连通。
5.如权利要求1所述的方法，其中，所述流动的所述中断在达到该源与该车辆储罐之间达到压力平衡时自动发生。
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