CN117581052A - 用于压力罐且用于燃气运行的车辆的燃料系统 - Google Patents

用于压力罐且用于燃气运行的车辆的燃料系统 Download PDF

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CN117581052A
CN117581052A CN202280045747.1A CN202280045747A CN117581052A CN 117581052 A CN117581052 A CN 117581052A CN 202280045747 A CN202280045747 A CN 202280045747A CN 117581052 A CN117581052 A CN 117581052A
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哈特穆特·弗伦茨
斯蒂芬·克拉普
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Voith Patent GmbH
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Abstract

本发明涉及燃料系统(1、1a、1.1)，该燃料用于安装在氢动力车辆中并且用于一个或多个设计得处于至少200bar的高压水平中的氢压力罐(40、50)，燃料系统包括用于输入线路(3、3a)的接口、用于输出线路(4)的接口和至少以下的内部部件：减压器(10)、气体过滤器(11)、截止阀(15)、排气阀(13)、过压安全阀(14)和压力传感器(31、33)；其中，减压器(10)被实施成使其能够通过如下方式将氢的压力从来自压力罐的高压水平降低到3bar至30bar之间的中压水平，即，减压器(10)实施为两级的减压器，其中，第一级将来自压力罐的压力降低到40bar至80bar之间的中间水平，并且第二级将压力进一步下降到中压水平，并且其中，内部部件和将内部部件相互连接起来的气体线路布置在整体式的且自承载的结构单元(2、2a、2.1)中。

Description

用于压力罐且用于燃气运行的车辆的燃料系统
技术领域
本发明涉及一种燃料系统，该燃料系统被设置成用于安装在氢动力车辆中并且用于一个或多个设计得处于至少200bar的高压水平中的氢压力罐，其中，燃料系统包括用于输入线路的接口、用于输出线路的接口和减压器。并且其中，减压器被实施成使得其将氢的压力从来自压力罐的高压水平降低到3bar至30bar之间的中压水平。
背景技术
例如，氢动力车辆具有燃气发动机或带电动马达的燃料电池作为驱动器。为了能够存储足够的发动机燃料，氢以高压存储在罐中。对于这种压力罐来说典型的是压力超过200bar、通常350bar或700bar、有时甚至高达875bar。因为燃气发动机或燃料电池在较低的输入压力下运行，所以必须将压力可靠地从高压水平调节到低压水平。
在现有技术中，用于氢压力罐并且用于安装在氢动力车辆中的燃料系统是已知的。这种燃料系统例如在DE 102019200459 A1和DE 102017214184A1中进行描述。利用减压器将压力水平从罐压力降低到所需的针对燃料电池的较低的压力水平。必要时，经由控制装置和压力罐上的压力传感器确定液位并且与补给站通信。此外，燃料系统具有截止阀和管线路，它们经由相应的螺接部连接。如果将多个压力罐并联，那么还要添加用于不同的罐线路的分配点。所有这些部件和连接点都必须在安装后进行测试和检验。这将造成相当大的耗费并且带来关于错误装配和发生相应泄漏的风险。
发明内容
本发明的任务现在是，进一步开发和改进用于氢动力车辆的燃料系统，从而使其能够可靠且安全地运行并且能够快速且无错误地装配。
该任务通过根据权利要求1的燃料系统来解决。在从属权利要求中提到另外的有利的特征。
根据本发明，根据权利要求1的燃料系统的特征在于，其至少包括以下的内部部件：
减压器、气体过滤器、截止阀、排气阀、过压安全阀和压力传感器，其中，减压器实施为两级减压器，从而使得该两级减压器在第一级中将来自压力罐的压力降低到40bar至80bar之间的中间水平，并且在第二级中进一步将压力降低到中压水平，并且其中，这些内部部件和将这些内部部件相互连接起来的气体线路布置在整体式的且自承载的结构单元中。
特别优选地，中压水平位于10bar至25bar之间。通过两级减压器能实现更精确的压力调整。
为了使燃料系统在运行中更可靠且更安全，除了减压器以外，燃料系统还包括另外的部件。排气阀，例如在维护工作后可以经由该排气阀冲洗系统。气体过滤器，其阻挡来自压力罐的较小的杂质并且因此提供高纯度氢，该高纯度氢例如对于燃料电池的更长的使用寿命来说是需要的。截止阀，燃料系统可以利用该截止阀相对于燃料电池或燃气发动机被切断。过压安全阀，该过压安全阀保护燃料系统不受过大的压力的影响，并且该过压安全阀优选沿穿流方向被布置在减压器之后。用于测量氢气的状态的压力传感器。从这些测量值(必要时与压力罐上的传感器的测量值一起)可以更可靠且更准确地确定有多少氢存在于压力罐中。这是用于计算车辆的续航里程和用于补给过程的重要信息。
此外，所有内部部件和将内部部件相互连接起来的相应的气体线路被布置在整体式的和自承载的结构单元中。这提供的优点是，使得根据本发明的燃料系统可以与车辆无关地并且与压力罐无关地作为结构组件被预装配。这种作为结构组件预装配的燃料系统于是也可以提前进行测试，并且在安全技术和质量技术方面得到验收。由此，使得燃料系统可以首次作为自成一体的结构组件被提供。在车辆中的安装就不那么耗费了，这是因为仅需连接少量接口，并且所有内部部件和连接部已经在功能和泄漏方面得到测试。紧固更为简单，这是因为自承载的结构单元仅需要几个紧固点，并且可以作为结构组件进行装配。此外，整个燃料系统中的螺接部的数量明显减少。
整体式的、自承载的结构单元可以优选完全或部分实施有铝压铸壳体。例如，阀座和/或作为其他线路的通道可以被整合到其中。对于阀装配或其他的部件的装配所需的开口或空腔可以利用密封件和盖封闭。整体式的、自承载的结构单元也可以由多个部分组成。例如，可以将子单元实施有铝压铸壳体，并且将另外的部件紧固在该子单元上。然而根据本发明，在各部分或部件之间不存在螺接的暴露的管线路，以便不损害可靠性和简单的装配。
在另外的根据本发明的实施方案中，燃料系统还包括第二排气阀作为内部部件，其中优选地，两个排气阀与共同的冲洗线路连接，该冲洗线路向外引导通过壳体。尤其地，其中一个排气阀布置在减压器之前，而另一排气阀布置在减压器之后。因此，可以可靠地冲洗高压侧和中压侧。此外，还可以再设置有额外的排气阀，尤其是在使用两级减压器时。
此外有利的是，至少一个止回阀和作用到多个罐线路上的分配件作为内部部件存在，其中，罐线路向外引导，并且其中，针对每个压力罐存在有接口。通过在输入侧将分配件和止回阀附加地整合到结构单元中并且因此整合到燃料系统的结构组件中，将进一步减少车辆上的装配和测试耗费。因此，其中大部分的连接点和螺接部布置在燃料系统的内部并且当结构组件被安装在车辆中时就已经提前被装配好并提前被测试。此外有利的是，在输入线路上直接联接有补给接套，并且因此是燃料系统的一部分。由此还进一步简化车辆中的装配。
优选地，减压器能经由弹簧负载调整到各自的期望的压力水平。
为了避免在通过燃料系统的体积流量更高时并且在更强的压力变化的情况下发生过大的温度变化而可能有利的是，在减压器上设置冷却装置。冷却装置优选可以被实施为具有被流体流过的通道的热交换器。这些通道可以被设置在共同的壳体中，或者被加工到其中。尤其地，该热交换器可以被实施成使得其能与车辆的冷却剂系统连接。
在优选的实施方案中，燃料系统附加地包括电子的罐控制单元，该罐控制单元紧固在结构单元上并由该结构单元承载，其中，罐控制单元适用于至少接收和处理在燃料系统上存在的传感器的信号，并且产生一个或多个输出信号。通过将电子的罐控制单元的燃料系统整合到燃料系统中，还可以提前对结构组件进行更全面的测试，并且在装配在车辆中时所要注意的接口更少。因此，罐控制单元与传感器之间的线束也可以被整合在结构单元中并且由结构单元承载。
当罐控制单元被设立成使其可以从每个压力罐接收温度传感器信号时，并且尤其是当罐控制单元还可以从每个压力罐接收压力传感器信号时，罐控制单元得到进一步改进。因此，可以更准确且更可靠地计算压力罐的液位。
附加地，罐控制单元可以被设立成使其可以与氢补给站通信，并且尤其可以控制加补给过程。
在特别优选的实施方案中，温度传感器作为内部部件存在。利用温度传感器可以监控氢的状态，并且在特定的条件下计算氢量。
尤其地，简化的实施方案可以提供优点，这是因为其是更廉价的并且包含更少的部件。在根据本发明的该实施方案中，燃料系统仅包括刚好一个压力传感器和刚好一个温度传感器作为内部传感器，其分别布置在减压器之前。
在另一有利的实施方案中，还存在第二压力传感器和/或第二温度传感器作为内部部件，其中优选地，一个压力传感器和一个温度传感器布置在减压器之前，并且一个压力传感器和一个温度传感器布置在减压器之后。通过这些附加的传感器将更准确地检测所流过的氢气的状态的确定，并且因此使氢量的计算更准确且更可靠。此外，可以更好地识别故障或泄漏，这提高了系统的安全性。
作为扩展方案地，还可以设置有氢纯度传感器作为内部部件。优选地，该氢纯度传感器沿穿流方向被布置在减压器之后。利用该附加的传感器可以确保的是，例如使随后的燃料电池得到所输送的足够清洁的氢，并且因此保持了燃料电池的功能，并且延长其使用寿命。及时识别对气体过滤器进行必要的维护或必要的更换。
特别优选地，这些内部部件沿穿流方向从输入线路到输出线路按以下顺序布置：气体过滤器、减压器、排气阀、过压安全阀、截止阀。另外的存在的内部部件可以布置在这些部件之间或布置在它们之前或之后。所提到的顺序提供特别好的功能性。
本发明也包括以下实施方案，在其中，结构单元由多个子单元组成，这些子单元相互紧固，使得它们形成自承载的结构单元。
尤其地，结构单元可以包括具有优选由铝铸造材料制成的壳体的子单元，在该壳体中至少布置以下内部部件：减压器、压力传感器、排气阀、过压安全阀和截止阀。就这方面来说“布置”在此是指，对于这些阀并且更特别是对于截止阀，当在子单元中至少布置有阀座时就足够了。
此外有利的是，结构单元具有带有两个端侧的基本上棱柱形的造型，其中，这些端侧优选类似三角形地实施或优选类似平行四边形地实施。通过结构单元的这种形状，使得燃料系统可以节省空间地放置在车辆上的压力罐之间。压力罐是长形的且呈柱体形的，从而结构单元可以利用其类型三角形的或类型平行四边形的横截面形状非常好地布置在压力罐之间的空隙中，而不需要附加的结构空间。
就这方面来说，类似三角形的端侧除了被理解为准确的三角形以外也被理解为，三角形的边界线实施得稍微弧形，或实施有各个突起部或凹陷部。就这方面来说，让端侧基本上类似于三角形形状是十分重要的。这类似地适用于类似平行四边形的端侧。
尤其有利的是，用于输入线路的接口和/或用于输出线路的接口分别布置在端侧之一上。由此，使得接口是易于接近的并且可以简单地装配且也可以进行维护。
为了能够实现进一步简化的装配而有利的是，结构单元具有紧固手段，经由该紧固手段，使得燃料系统可以装配在承载结构上，该承载结构使压力罐被紧固在车辆中。因此，燃料系统必要时可以紧固在包括承载结构和多个压力罐的罐模块上，并且已经与压力罐的罐线路提前连接。包括燃料系统在内的罐模块作为总单元安置在车辆中。因此，使车辆制造商的生产线中的装配时间进一步被最小化，这是很大的优点。
附图说明
借助实施例，参照附图阐述本发明的另外的有利的特征。所提到的特征不仅可以以所示的组合方式有利地实现，而且也可以彼此单独地组合。这些附图详细地：
图1示出根据本发明的燃料系统的示意图；
图2a、2b示出壳体的几何形状的示例；
图3示出另外的根据本发明的燃料系统。
随后将更详细地描述这些附图。相同的附图标记表示相同的或类似的构件或部件。
具体实施方式
图1示意性示出了用于氢动力车辆的燃料系统1的根据本发明的实施方案。关于压力罐40、50的尺寸比和定位不是按比例的。在该实施方案中，燃料系统1经由输入线路3与分配器19联接，分配器一方面将罐线路8、9与燃料系统1连接起来并且另一方面将补给接套7与燃料系统1连接起来。示范性示出了仅两个压力罐40、50，但也可以联接更多个压力罐。
作为内部部件存在两级地构造的减压器10、气体过滤器11、排气阀13以及过压安全阀14和在输出线路4之前的截止阀15。所有这些内部部件都安装在整体式且自承载的结构单元2中或其上。从输入线路3到输出线路4的穿流方向用18标注。诸如燃料电池或燃气发动机的消耗器可以联接到输出线路4上。此外，至少一个压力传感器31、33和至少一个温度传感器32、34作为内部部件存在。
通过使用所提到的内部部件并将其整合到结构单元2中，使得燃料系统变得更可靠。作为结构单元2的燃料系统1可以被提前装配并被测试功能和密封性，从而使得在车辆装配时，燃料系统作为具有较少接口的结构组件可以比在迄今的燃料系统中更快且更可靠地装配。此外，也仅需对这些较少接口检验密封性。
其中多个内部部件可以如在此示出的那样作为子单元布置在壳体中。另外的部件或子单元与该子单元连接，使得它们形成结构单元2。子单元的壳体5优选由铝铸造材料制成。在所示的实施方案中，该子单元包括减压器10、排气阀13、过压安全阀14和截止阀15。并且可选地还有压力和温度传感器以及可能还有冷却装置17(如果设置有的话)。尤其地，壳体5可以实施为子单元的基体，在其中加工有所需的阀座、开口或用于传感器的空腔以及气体线路(例如作为流动优化的通道)。
截止阀15优选实施为电磁阀。减压器10两级地且优选受弹簧加载地调整到期望的压力水平。排气阀13具有冲洗线路，该冲洗线路通过壳体向外引导。在附图中仅示出了阀13。排气阀13优选实施为手动阀，这是因为它仅在调试或维护工作时才需要。
过压安全阀15保护燃料系统的中压侧、即沿穿流方向在减压器10后面的区域，以防其受过大的压力。过压安全阀通到排气线路6中，排气线路向外延伸，并且在外部可以联接上软管或另外的线路，以用于在紧急情况下安全排出氢气。
附加地，在该实施方案中可选地设置有电子的罐控制单元30，其可以紧固在结构单元2上。备选地，罐控制单元也可以作为内部部件布置在结构单元2中。罐控制单元30处理内部传感器的信号，并且附加地处理外部传感器的信号，在此例如处理在各个压力罐40、50上的压力传感器43等的信号和温度传感器42等的信号。因此，能可靠地计算罐液位和氢消耗。罐控制单元30例如可以输出罐液位、续航里程等作为输出信号。此外，必要时，它可以与氢补给站通信，从而使得补给过程最佳地运行，或者其可以与补给站通信地控制补给过程。并且罐控制单元与燃料电池或燃气发动机连接，以便交换信息和信号。
附加地，可以如所示的那样安装第二压力传感器31、33和/或第二温度传感器32、34作为内部部件。因此，进一步改善了罐液位的计算、与补给站的通信、以及密封性的监控和故障识别。
在减压器10的区域中可以设置有冷却装置17，该冷却装置用于避免由于氢在减压器10处的减压而引起的过大的温度变化。
优选地，输入线路3和输出线路4被设置在壳体2的对置的端侧20、21上。这导致的是，燃料系统1可以实施得很薄，并且给用于补给接套7和通向燃料电池或通向燃气发动机的接口提供足够的空间。
在图2a和图2b中简化地示意性示出了整体式的且自承载的结构单元2、2.1的可能的形状。一个是端面20、21类似三角形，一个是类似平行四边形20.1、21.1。在这两种情况下，端面也被理解为具有弯曲的边缘或具有突起部或凹陷部的表面，如之前已经描述的那样。该构型的意义是，使得燃料系统1、1.1可以节约空间地布置在呈柱体形的压力罐之间。还示出了分别在结构单元2、2.1的侧面之一上的紧固手段22。经由紧固手段22，使得燃料系统1、1.1可以装配在承载结构上，该承载结构承载压力罐并且紧固在车辆上。除了所示的结构单元形状之外，还能想到另外的类似的形状，其是合适的，从而使得燃料系统可以布置在压力罐之间的空隙中，而无需附加的空间需求。
图3示出了根据本发明的燃料系统1a的另一实施方案。所示的变型方案与图1所示的实施方案的不同之处在于，作用到罐线路8、9上的分配器19和至少一个止回阀16作为内部部件被附加地布置在结构单元2a上。由此，还产生更少的在车辆装配中必须被注意且检验的接口。尤其地，补给接套7可以直接紧固在结构单元2a上，并且由该结构单元承载。
在该实施方案中，温度传感器34和/或压力传感器33也可以有利地定位在分配器19上。
作为优选的实施方案地，壳体5可以制造为子单元的基体，尤其是制造为铝压铸构件，在其中加工有所需的阀座、开口或用于传感器的空腔以及气体线路(例如作为流动优化的通道)。如果壳体多件式地实施，那么在这些部分之间不设置自由的管线路是重要的。而是这些部分直接相互连接、例如螺接。
又示范性示出了仅两个压力罐。在此也可以联接更多个罐线路和更多个压力罐。
附图标记列表
1、1a、1.1 燃料系统
2、2a、2.1 整体式且自承载的结构单元
3、3a 输入线路
4 输出线路
5 壳体、子单元
6 排气线路
7 补给接套
8、9 罐线路
10 减压器
11 气体过滤器
13 排气阀
14 过压安全阀
15 截止阀
16 止回阀
17 加热装置或冷却装置
18 穿流方向
19 分配器
20、20.1、21、21.1 端侧
22 紧固手段
30 罐控制单元
31、33 压力传感器
32，34 温度传感器
40、50 压力罐
41、51 罐阀
42 温度传感器
43 压力传感器

Claims (14)

1.燃料系统(1、1a、1.1)，所述燃料系统用于安装在氢动力车辆中并且用于一个或多个设计得处于至少200bar的高压水平中的氢压力罐(40、50)，所述燃料系统包括用于输入线路(3、3a)的接口、用于输出线路(4)的接口和至少以下的内部部件：
减压器(10)、气体过滤器(11)、截止阀(15)、排气阀(13)、过压安全阀(14)和压力传感器(31、33)；
其中，所述减压器(10)被实施成使其能够通过如下方式将氢的压力从来自所述压力罐的高压水平降低到3bar至30bar之间的中压水平，即，所述减压器(10)实施为两级的减压器，其中，第一级将来自所述压力罐的压力降低到40bar至80bar之间的中间水平，并且第二级将压力进一步下降到中压水平，
并且其中，所述内部部件和将所述内部部件相互连接起来的气体线路布置在整体式的且自承载的结构单元(2、2a、2.1)中。
2.根据权利1所述的燃料系统(1、1a、1.1)，
其特征在于，
所述燃料系统包括止回阀(16)和作用到多个罐线路(8、9)上的分配件(19)作为内部部件，其中，所述罐线路(8、9)从所述结构单元(2、2a、2.1)向外引导，并且针对每个压力罐(40、50)存在接口。
3.根据权利要求1或2所述的燃料系统(1、1a、1.1)，
其特征在于，
补给接套(7)是所述结构单元(2、2a、2.1)的一部分。
4.根据前述权利要求中任一项所述的燃料系统(1、1a、1.1)，
其特征在于，
在所述减压器(10)上设置有冷却装置(17)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的燃料系统(1、1a、1.1)，
其特征在于，
存在电子的罐控制单元(30)，所述罐控制单元紧固在所述结构单元(2、2a、2.1)上，并且由所述结构单元承载，其中，所述罐控制单元适用于接收和处理存在的传感器的信号并且产生一个或多个输出信号。
6.根据权利要求5所述的燃料系统(1、1a、1.1)，
其特征在于，
所述罐控制单元(30)被设立成从每个压力罐(40、50)接收温度传感器信号，并且尤其从每个压力罐(40、50)接收压力传感器信号。
7.根据权利要求5或6所述的燃料系统(1、1a、1.1)，
其特征在于，
所述罐控制单元(30)被设立成使得所述罐控制单元能够与氢补给站通信并且尤其能够控制补给过程。
8.根据前述权利要求中任一项所述的燃料系统(1、1a、1.1)，
其特征在于，
存在温度传感器(32、34)作为内部部件，其中优选地，作为内部传感器仅存在分别布置在所述减压器(10)之前的压力传感器(33)和温度传感器(34)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的燃料系统(1、1a、1.1)，
其特征在于，
所述燃料系统还包括第二压力传感器(31、33)和/或第二温度传感器(32、34)作为内部部件，其中优选地，一个压力传感器(33)和一个温度传感器(34)布置在所述减压器(10)之前，并且一个压力传感器(31)和一个温度传感器(32)布置在所述减压器(10)之后。
10.根据前述权利要求中任一项所述的燃料系统(1、1a、1.1)，
其特征在于，
所述燃料系统包括氢纯度传感器作为内部部件。
11.根据前述权利要求中任一项所述的燃料系统(1、1a、1.1)，
其特征在于，
所述内部部件沿穿流方向(18)从输入线路(3)到输出线路(4)按以下顺序布置：
气体过滤器(11)、减压器(10)、排气阀(13)、安全阀(14)、截止阀(15)。
12.根据前述权利要求中任一项所述的燃料系统(1、1a、1.1)，
其特征在于，
所述结构单元(2、2a、2.1)由多个子单元组成，所述子单元相互紧固，使得所述子单元形成自承载的结构单元。
13.根据前述权利要求中任一项所述的燃料系统(1、1a、1.1)，
其特征在于，
所述结构单元(2、2a、2.1)包括具有优选由铝铸造材料制成的壳体(5)的子单元，在所述壳体中至少布置有以下内部部件：减压器(10)、压力传感器(31、33)、排气阀(13)、过压安全阀(14)和截止阀(15)。
14.根据前述权利要求中任一项所述的燃料系统(1、1a、1.1)，
其特征在于，
所述结构单元(2、2a、2.1)具有紧固手段(22)，经由所述紧固手段能够将所述燃料系统(1、1a、1.1)装配在承载结构上，所述承载结构使所述压力罐被紧固在车辆中。
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