燃料提取系统、具有燃料提取系统的燃料箱设备、以及具有燃料提取系统的燃料电池系统的制作方法
本发明涉及一种燃料提取系统、一种燃料箱设备、以及一种燃料电池系统，该燃料箱设备和该燃料电池系统分别具有燃料提取系统。本发明尤其涉及一种燃料提取系统、以及具有燃料提取系统的一种燃料箱设备和一种燃料电池系统，该燃料提取系统输送来自燃料箱的气态燃料、使气态燃料达到更高的压力水平并且因此用气动致动装置来致动阀。
背景技术：
常规的燃料电池系统被设计成用于经由管线来输送气态和/或液态的燃料(例如氢气)。这些管线可以设有气动阀或电磁阀，以便控制通过对应管线的燃料的流通量。为了使气动阀或电磁阀运行，需要气动系统或电回路。例如在飞行器中，为此要么使用现有的气动系统或电回路并且将阀的致动装置连接到该气动系统或电回路，要么安装专门针对燃料电池系统而设的气动系统或电回路。然而由此提高了相应的飞行器系统的功率需求以及附加系统的重量。
技术实现要素：
本发明的基本目的在于，提供一种燃料提取系统、一种燃料箱设备、以及一种燃料电池系统，它们可以更简单地受到控制并且在此可以更节省重量地设计。
该目的通过具有权利要求1所述特征的燃料提取系统、具有权利要求9所述特征的燃料箱设备、以及具有权利要求11所述特征的燃料电池系统来实现。
为了更好地理解本公开，根据第一方面，用于从燃料箱中提取气态燃料的燃料提取系统包括：输送装置，所述输送装置被配置成用于输送气态燃料并且使气态燃料从第一压力水平达到第二压力水平；以及第一管线，所述第一管线被配置成用于使所述输送装置与所述燃料箱的内部以流体方式连接。
输送装置例如可以被设计为呈用于气体的压缩机、鼓风机或泵的形式。藉由可以提高气态燃料的压力水平的输送装置，可以在燃料箱中储存处于较低的压力水平的燃料，即以第一压力水平进行储存。燃料例如可以是用于燃料电池的氢气。氢气通常以大约6bar至10bar储存，以便以对应的压力水平被引导至燃料电池，其中须考虑由于线路、阀等引起的压力损失。藉由输送装置，现在可以在例如1bar至4bar、优选1bar至3bar并且特别优选在2bar的较低的压力水平下储存燃料。这允许燃料箱的结构更简单，由此可以明显更轻地并且因此更节省重量地设计该燃料箱。在燃料为氢气形式的情况下，输送装置可以被设计成用于将燃料从燃料箱中的第一压力水平提升到约15bar至22bar、优选18bar至21bar并且特别优选20bar的第二压力水平。
所述燃料提取系统还可以包括缓冲箱，所述缓冲箱被配置成用于储存所述具有第二压力水平的燃料，并且所述缓冲箱具有第一出口和第二出口。此外，所述燃料提取系统可以包括具有气动致动装置的至少一个阀以及第二管线，所述第二管线连接到所述缓冲箱的第一出口并且被配置成用于将所述具有第二压力水平的燃料的一部分引导至所述至少一个阀的气动致动装置。因此用燃料使燃料提取系统的(多个)阀运行，由此并不需要连接到单独的气动系统。此外，已存在的气动系统(如在飞行器中的常规的燃料提取系统中是这样的情况)不必适配于对燃料提取系统的阀的致动。由此可以节省重量，这是因为不必将存在的气动系统的管线延长直到燃料提取系统的安装位置，而且也不必在气动系统中设计用于更高负载(最大总负载)的压力产生器。在飞行器中运行的压缩机例如须达到非常高的压缩比，这是因为在飞行阶段期间存在非常低的环境压力，并且需要高的致动压力来使燃料提取系统中的阀运行。
虽然缓冲箱须被设计成用于储存处于更高的第二压力水平下的燃料。然而因为缓冲箱仅是须针对足以致动至少一个阀和/或足以用于使已连接的燃料电池运行的燃料量进行设计的，所以这个缓冲箱的尺寸被确定为明显小于燃料箱。例如提供用于暂时储存约10g至50g的气态燃料、优选15g至30g并且特别优选20g的气态燃料的缓冲箱就足够了。此外，还可以取决于已连接的燃料电池的功率来设计缓冲箱的尺寸，例如用于暂时储存每100kw系统功率为约10g至50g、优选每100kw为15g至30g并且特别优选每100kw为20g。由此，几乎不抵消甚至根本不抵消不再必须针对高的压力而设计的燃料箱的重量节省。此外，缓冲箱不必被设计成用于在更长的时间段上储存处于第二压力水平的燃料，例如在如下阶段期间，其中燃料提取系统不处于运行中、而是仅须维持用于燃料提取系统运行期间的燃料。换言之，缓冲箱不必构造成且确保使其如常见的燃料箱一样长时间地并且可靠地保存燃料。因此，即使当燃料提取系统不处于运行中或者被关断时，也可以排空缓冲箱。例如，在缓冲箱中以第二压力水平储存的燃料由于较高的压力水平可以轻松地被引导返回到燃料箱中。
在一个设计变体中，所述至少一个阀的气动致动装置可以被配置成用于仅借助于所述具有第二压力水平的燃料来打开和关闭所述阀。换言之，具有第二压力水平的燃料以足够的量并且以足够高的压力存在于缓冲储存器中，以使至少一个阀在打开位置与关闭位置或其间的部分打开的位置之间移动。因此，用于至少一个阀的致动装置不必包括诸如弹簧、电磁致动器等附加的致动元件。此外，至少一个阀的气动致动装置是例如与以电磁方式运行的阀相比更可靠的变体。因此，以电磁方式运行的阀例如须具有马达驱动装置等，该马达驱动装置在非常低的温度下可靠地工作，即具有快速且可靠的关闭时间和打开时间。
在另一个设计变体中，所述燃料提取系统可以包括第三管线，所述第三管线连接在所述缓冲箱的第二出口处并且被配置成用于将所述具有第二压力水平的燃料引导至消耗器。消耗器可以是马达、燃料电池或将燃料的能量转化成电能、动能和/或热量的其他机器。当消耗器为燃料电池时，这个燃料电池需要具有约2bar(2bar+/-0.5bar)的压力水平的氢气，氢气由输送装置(藉由缓冲箱)提供。因此，燃料箱中的燃料可以以较低的第一压力水平被储存，而与燃料箱与消耗器之间的管线、阀等中的压力损失无关。
在又另一个设计变体中，所述第三管线具有如下区段，所述区段引导穿过所述燃料箱的内部并且所述区段包括用于使所述燃料箱中的液态燃料蒸发的热交换器。由于燃料的压力提高到第二压力水平，因此一定量的能量被供应给燃料。例如，在气态燃料被输送装置压缩期间，气态燃料也升温。因此，可以将从燃料箱提取的并且被提升到第二水平的燃料用作燃料箱中的热源，以便在那里蒸发液态燃料。因此，第三管线中的燃料可以在燃料箱中提供升华能的输入(sublimierungsenergieeintrag)。例如在将氢气作为燃料的情况下，燃料可以通过输送装置在从燃料箱中的第一压力水平提升到缓冲箱中的第二压力水平时升温约5k。该热能通常足以将液态氢气蒸发到燃料箱中。
替代性地或附加地，在燃料箱的内部还可以布置有单独的冷却回路的单独的热交换器，该热交换器向液态燃料释放热能，以便在那里产生升华能。
在另一个设计变体中，所述至少一个阀中的第一阀可以在所述第三管线中被布置在穿过所述燃料箱的内部的区段的下游，并且可以被配置成用于调节通过所述第三管线的燃料的流通量。换言之，第一阀调节被供应给消耗器的燃料量。燃料提取系统为此不需要另一个系统(例如气动系统或电系统)的部件。由此也可以非常紧凑地并且因此进一步节省重量地制造燃料提取系统。燃料提取系统的后续安装或更换由于其紧凑性也可以快速且简单地执行。
在可选的设计方案中，第一阀可以为减压阀。第一阀例如可以在该第一阀的上游将气态燃料保持在第二压力水平，而在该第一阀的下游在第三管线中将气态燃料设定为第三压力水平。第一阀例如可以使气态燃料的压力减小到约8bar至12bar、优选9bar至11bar并且特别优选为10bar。这对应于燃料电池系统中的燃料的常规压力。因此，燃料提取系统的管线(尤其第二管线和第三管线)中的气态燃料可以被保持在第二压力水平，由此防止燃料的液化。即使燃料提取系统暂时不处于运行中，管线中的燃料也可以被保持在第二压力水平并且因此被保护以防液化，由此处于下游的诸如管线、阀等构件不受到液态燃料的损坏。
在另一个设计变体中，所述燃料提取系统还可以包括：旁通管线，所述旁通管线在所述燃料箱的外部绕开所述第三管线的穿过所述燃料箱的内部的区段；以及所述至少一个阀的第二阀，所述第二阀被布置在所述旁通管线中并且被配置成用于调节通过所述旁通管线的燃料的流通量。藉由旁通管线可以控制向燃料箱中的热量输入。因此，可以通过打开第二阀使处于第二压力水平的燃料在燃料箱旁经过，从而使得较少的能量(热能)经由第三管线的穿过燃料箱内部的区段中的第一热交换器被引入(液态)燃料中。控制通过旁通管线的流通量同样可以藉由具有气动致动件的阀来进行，该气动致动件进而用来自第二管线的、处于第二压力水平的燃料来运行。因此，对于旁通管线以及其运行而言，不需要用于控制第二阀(旁通阀)的附加的系统。
在又另一个设计变体中，所述燃料提取系统可以包括第二热交换器，所述第二热交换器被配置成用于将所述气态燃料用作用于冷却回路的冷却剂的吸热剂
冷却回路例如可以涉及燃料电池系统的冷却回路，其中燃料提取系统是燃料电池系统的一部分。换言之，在燃料电池系统的燃料电池中产生的废热被用来使燃料提取系统运行。燃料电池系统的冷却回路中的冷却剂可以具有约60℃至90℃的温度，而作为燃料所储存的氢气具有约-240℃至-250℃(约20k至30k)的温度并且因此是非常好的吸热剂。
替代性地或附加地，所述燃料提取系统还可以包括第三热交换器，所述第三热交换器被配置成用于使所述第一管线中的气态燃料与所述第三管线中的气态燃料热耦合。在此，可以提升第一管线中的气态燃料的温度水平，这是因为第三管线中的气态燃料由于藉由输送装置提升到第二压力水平还具有与第一管线中的燃料相比更高的温度。这防止第一管线中的燃料液化或者能够使第一管线中的剩余的液态燃料在其被供应给输送装置之前蒸发。由此可以防止液态燃料对输送装置造成损坏。根据一个变体，所述第一热交换器和所述第三热交换器被组合在共用的构件中，从而使得所述第一管线中的燃料、所述第三管线中的燃料以及所述冷却回路中的冷却剂是相互热耦合的。
在另一个设计变体中，所述燃料提取系统可以包括主阀，所述主阀被布置在所述第二管线中并且被配置成用于调节通过所述第二管线的所述具有第二压力水平的燃料的流通量。因此，主阀调节处于第二压力水平的燃料向所述至少一个阀的气动致动件的流入量。通过关闭主阀可以设定燃料提取系统的运行。所述至少一个阀中的每个阀例如可以以如下方式设计，使得该阀在停用位置中总是处于关闭的状态(例如借助于机械弹簧等)。于是，气动致动件用于将阀打开直到所希望的打开程度。当然，所述至少一个阀中的每个阀例如还可以以如下方式设计，使得朝向气动致动件的、处于第二压力水平的燃料被用于打开和关闭所述阀。
为了更好地理解本公开，根据另一个方面，一种燃料箱设备包括：用于储存处于液态状态和/或气态状态下的燃料的燃料箱、以及根据第一方面所述的燃料提取系统。在此，第一管线可以例如在燃料箱的(在已安装燃料箱的状态下的)上部区段中具有开口，以便经过第一管线将气态燃料引导至输送装置。被布置在燃料箱的内部的第一热交换器进而可以被设置在燃料箱的(在已安装燃料箱的状态下的)下部区段中、例如被设置在燃料箱的池槽(sumpf)中，以便被液态燃料包围。
在一个设计变体中，所述燃料箱设备还可以包括：通向所述燃料箱的输入管线，所述输入管线用于用液态燃料来填充所述燃料箱；以及所述至少一个阀的第三阀，所述第三阀被布置在所述输入管线中并且被配置成用于调节通过所述输入管线的燃料的流通量。由此在运行期间也可以用液态燃料来填充燃料箱设备。为了控制被引导到燃料箱中的液态燃料，不需要附加的系统。仅须运行燃料提取系统的输送装置，以便气动地致动第三阀。
为了更好地理解本公开，根据另一个方面，一种燃料电池系统包括用气态燃料运行的燃料电池、以及根据第一方面所述的燃料提取系统。替代性地或附加地，所述燃料电池系统可以包括根据另一个(第二)方面所述的燃料箱设备。
为了更好地理解本公开，根据又另一个方面，一种飞行器包括根据上述方面所述的燃料提取系统、燃料箱设备和/或燃料电池系统。
上述方面、设计方案和变体自然可以组合，而无需明确描述。因此，相对于这些方面、设计方案和变体中的每个或其已有的组合可以可选地看到所描述的设计变体中的每个设计变体。因此，本公开不限制于单独的设计方案并且不以这些方面和设计方案变体的所描述的顺序或特定的组合限制于设计方案变体。
附图说明
现在借助示意性附图详细解释本发明的优选实施方式，该附图示出燃料提取系统、燃料箱设备、以及燃料电池系统的一部分。
具体实施方式
在唯一的图中(至少分区段地)示出的燃料电池系统1包括用气态燃料运行的燃料电池2。气态燃料可以被储存在燃料箱设备10的燃料箱101中。燃料箱101包含气态燃料以及液态燃料(在燃料箱101中以阴影展示)。
为了从燃料箱101中提取燃料，燃料提取系统100包括输送装置110，该输送装置经由第一管线105与燃料箱101的内部相连接。第一管线105优选起始于燃料箱101的上部区域中，以便仅将气态燃料而不将液态燃料从燃料箱101中导出。输送装置110可以将气态燃料从存在于燃料箱101中的第一压力水平提升到第二压力水平。输送装置110例如可以将气态燃料的压力从约2bar提升到约20bar。
随后，气态燃料以第二压力水平被(暂时)储存在缓冲箱120中。缓冲箱120具有第一出口121，在该第一出口处连接有第二管线125。具有第二压力水平的燃料的一部分经由第二管线125被引导到至少一个阀130的气动致动装置131。为此，第二管线125可以包括主阀126，其中第二管线125在主阀126的下游分支，并且构成朝向相应的阀130a、130b、130c的输入管线。当然，另外的阀也可以在燃料提取系统的外部具有气动致动装置131，该气动致动装置籍由来自第二管线125的燃料被致动。可以仅藉由来自第二管线125的燃料来打开和关闭至少一个阀130的致动装置131中的每个致动装置。替代性地，打开或关闭还可以藉由弹簧元件或其他的机械致动器独立地进行。
缓冲箱120的第二出口122处连接有第三管线135。第三管线135首先用于向消耗器(例如燃料电池2)供应燃料。
在第三管线135中可以设有第一热交换器140，该第一热交换器位于第三管线135的穿过燃料箱101的内部的区段135a中。通过第一热交换器140可以将热能引入燃料箱101中的液态燃料中，由此使液态燃料蒸发。
在第三管线135中还可以设有第二热交换器150，其中在第三管线135中的燃料用作用于冷却回路155的冷却剂的吸热剂。冷却回路155例如可以被用来冷却燃料电池2。替代性地或附加地，可以设有第三热交换器151，该第三热交换器使第一管线105中的气态燃料与第三管线135中的气态燃料热耦合。由此，气态燃料可以以气态的状态保持在第一管线105中，或者剩余的液态燃料可以在第三热交换器151中蒸发。在图中以彼此分离的方式展示了第二热交换器150和第三热交换器151。当然，可以涉及组合的热交换器，该热交换器使第一管线105中的燃料、第三管线135中的燃料以及冷却回路155中的冷却剂互相热耦合。
为了通过第一热交换器140调节燃料箱101中有待蒸发的燃料的量，设有旁通管线136，该旁通管线在燃料箱101的外部绕开第三管线135的区段135a并且因此绕开第一热交换器140。旁通管线在第三管线135的位于燃料箱101的内部的区段135a之前从第三管线135分支，并且在区段135a之后再次通入第三管线135。至少一个阀130中的被布置在旁通管线中的第二阀130b可以调节通过旁通管线136的燃料的流通量，由此也调节通过穿过燃料箱101的内部的区段135a和第一热交换器140的燃料的流通量。
在区段135a和/或旁通管线136之后，在第三管线135中设有第一阀130a。被引导直到第一阀130a的燃料随后经过第三管线135的另一个区段135b被引导至消耗器(例如燃料电池2)。为此，第一阀130a调节通过第三管线135的另一个区段135b的燃料的流通量。第一阀130a还可以是减压阀。在第一阀130a的上游的气态燃料例如可以具有近似第二压力水平(连同通过管线135、135a、136、热交换器140、150、151和/或阀136的对应的压力损失在内)，而第一阀130a将用于第三管线135的另一个区段135b的气态燃料调节到消耗器2所需的压力水平。
燃料箱设备10除燃料箱101之外还可以设有保护箱102。这个保护箱首先用于收集来自燃料箱101的、可能从其中泄露的燃料。即使在燃料箱101的非希望的泄露的情况下，保护箱102也可以收集燃料。经由对应的安全管线103、104，燃料可以从保护箱102可靠地被释放到周围环境中。
燃料提取系统100(除燃料箱101外)还可以被布置在保护箱102内。由此，可以收集并且可靠地排出从在图的右侧在保护箱102旁展示的构件之一中泄露的燃料。替代性地，燃料提取系统100的在其中包含具有第二压力水平的燃料的元件被布置在单独的(虚线示出的)保护容器中。针对具有第二压力水平的燃料泄露的这种情况，燃料可以经由通向燃料箱101的对应的输入管线(例如用于气态燃料的输入管线138或单独的输入管线)独立地被引导返回到燃料箱101中，这是因为通向燃料箱101的燃料以更低的第一压力水平储存。仅示例性地，缓冲箱122、第三管线135(除燃料箱101的内部的区段135a之外)、旁通管线136、第二管线125、以及阀126、130可以被布置在(虚线示出的)保护容器内。
燃料箱设备10还可以设有用于液态燃料的输入管线137，其用于用液态燃料来填充燃料箱101。在输入管线137中可以布置有第三阀130c，该第三阀同样具有气动致动件131，该气动致动件经由第二管线125被供给处于第二压力水平的燃料并被致动。在图中还示出用于气态燃料的输入管线138。这个输入管线同样可以藉由(未单独示出的)对应的阀被打开和被关闭。
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