氢燃料补给系统及方法

相关申请的交叉引用

本案申请要求2022年02月22提交的美国专利申请No.17/677,394的优先权，该申请的内容作为参考而被合并于此。

技术领域

本公开主要涉及用于泵送或分配液化燃料的方法和系统。更具体地，所公开的主题涉及用于泵送和/或补给氢的系统、泵和方法。

背景技术

许多机动车辆目前由具有化石燃料的内燃机提供动力。由于与燃烧石油衍生燃料相关的有限供应和不利的环境影响，现在正在开发由替代的环境友好燃料(例如，氢)提供动力的车辆。燃料电池可用于通过使氢燃料与氧化剂(例如，空气)发生电化学反应来产生用于机动车辆的电力。与向车辆中添加基于石油的燃料(如，汽油)相比，向燃料电池车辆(FCV)和其它氢动力车辆供给燃料或补给氢燃料提出了不同的挑战。

用于燃料电池车辆的氢燃料补给站可以在燃料作为压缩气态氢被分配到车辆之前存储作为液体的燃料。液化气体或燃料(例如，液态氢)可以储存在与环境绝热的低温罐(cryogenic tank)中。然而，当液体吸收从环境中泄漏的热量时，泄漏到罐中的热量导致液化燃料蒸发以产生“汽化”蒸气。随着蒸气在罐内持续积聚，罐内的压力增加。过量的蒸汽必须通过安全阀排放到环境中，以使罐保持在压力极限之下，从而导致一些液化燃料或气体的损失。需要一种用于使汽化最小化和/或管理储存罐中的顶部空间压力的系统。

发明内容

本公开提供了一种用于储存和分配液化燃料的系统和方法。例如，液化燃料包括或为氢，并且该系统为用于存储和分配液态氢的系统。在一些实施例中，该系统用于将氢补给到基于燃料电池的车辆。

根据一些实施例，这样的系统包括：低温罐，所述低温罐被配置成在其中储存液化燃料，以及泵，被配置成设置在所述低温罐内(即，入口浸没在所述低温罐中的所述液体燃料中)并且从所述低温罐提供液化燃料流。该泵包括活塞、入口和隔离阀，该隔离阀被配置成将所述液化燃料供应到所述入口。

该系统还包括：流体地连接到被配置成保持所述泵中的液化燃料的蒸气的蒸气泵腔室的第一管道，以及流体地连接到被配置成保持与所述活塞的背侧接触的所述液化燃料的第一液体泵腔室的第二管道。当泵工作在伸展或缩回模式中时，来自活塞的背侧的这种液化燃料可吸收动态热，并且可比来自低温罐的入口中的液化燃料更热。在一些实施例中，所述蒸汽泵腔室是所述泵的上部中的上泵腔室，并且一个或多个所述液体泵腔室是所述泵的下部中的下泵腔室。

根据一些实施例，该系统包括切换阀，该切换阀流体地连接到所述第一管道和所述第二管道，并且该切换阀被配置成使所述泵中的液化燃料的蒸气和接触所述活塞的背侧的液化燃料通过第三管道流到所述泵的所述入口。

该系统还包括流体地连接到所述第一管道、所述第二管道和所述低温罐的顶部空间的至少一个隔断阀。该至少一个隔断阀流体地连接到所述切换阀。所述切换阀和所述至少一个隔断阀中的每一者都可被打开或关闭。

该系统被配置成以包括“压力增加”模式、“压力保持”模式和“压力降低”模式的三种工作模式中的一种操作，以分别增加、保持或减小所述低温罐内的顶部空间压力。

该系统还可包括与低温罐、至少一个隔断阀和切换阀连接的控制器。该控制器被配置成测量所述低温罐内的顶部空间压力并且控制所述至少一个隔断阀、所述切换阀和/或所述隔离阀，使得所述系统基于所述顶部空间压力以所述三种工作模式中的一种来操作。

在一些实施例中，在压力增加模式中，所述切换阀关闭并且所述至少一个隔断阀打开。所述隔离阀可以关闭或打开。在压力保持模式中，所述切换阀打开，所述至少一个隔断阀关闭，并且所述隔离阀打开。在压力降低模式中，所述切换阀打开，所述至少一个隔断阀打开，并且所述隔离阀关闭。

在一些实施例中，所述液化燃料是液态氢，并且所述系统是氢燃料补给系统。该系统用于将作为压缩气体的氢燃料补给到燃料电池车辆中。

该系统还包括排放管线，该排放管线与所述泵流体连接并且被配置成将液化燃料流分配出所述泵。在一些实施例中，这种液化燃料流可被提供给分配器，并被分配到燃料电池车辆中的车载罐中。

在一些实施例中，所述切换阀设置在所述泵的外部。该泵具有双壁结构的泵壳体。所述第一管道、所述第二管道和所述第三管道设置在所述泵壳体的两个壁之间。

在一些实施方案中，所述泵包括设置在所述低温罐内的多于一个(例如，两个或更多个)这样的浸没式液体泵。每个泵具有各自的入口，或者所述两个或多个浸没式液体泵共用单个入口。所述两个或更多个浸没式液体泵可以分别并联连接到所述第一管道、所述第二管道和所述第三管道。

在一个方面，本发明提供了一种氢燃料补给系统。该系统包括低温罐和泵，该低温罐被配置成在其中储存液化燃料，该液化燃料是氢，该泵被配置成设置在所述低温罐内。所述泵被配置为提供来自所述低温罐的液化燃料流。该泵具有活塞、入口和隔离阀，该隔离阀被配置成将所述液化燃料供应到所述入口。所述活塞具有面向所述入口的前侧和与该前侧相对的背侧。

该系统还包括流体地连接到被配置成保持所述泵中的液化燃料的蒸气的蒸气泵腔室的第一管道，以及流体地连接到被配置成保持接触所述活塞的所述背侧的所述液化燃料的第一液体泵腔室的第二管道。

该系统还包括流体连接到所述第一管道和所述第二管道的切换阀。该切换阀被配置成使所述泵中的液化燃料的蒸气和接触所述活塞的所述背侧的液化燃料通过第三管道流到所述泵的入口。该系统还包括流体地连接到所述第一管道、所述第二管道、所述低温罐和所述切换阀的至少一个隔断阀。

该系统还可包括与所述低温罐、所述至少一个隔断阀和所述切换阀连接的控制器。所述控制器被配置成致动所述至少一个隔断阀、所述切换阀和/或所述隔离阀，以便基于低温罐中的顶部空间压力以三种工作模式中的一种操作系统。所述三种工作模式包括压力增加模式、压力保持模式和压力降低模式。

所述控制器可以包括一个或多个处理器和编码有一个或多个程序的至少一个有形的非暂时性机器可读介质，所述一个或多个程序将由一个或多个处理器执行以控制系统的部件。例如，所述控制器可被配置成测量所述顶部空间压力并致动所述至少一个隔断阀、切换阀和/或隔离阀。

在另一方面，本公开提供了一种使用如本文所述的系统的方法。这种方法包括以下步骤：提供存储在低温罐内部的液化燃料，测量所述低温罐内部的顶部空间压力，以及基于所述顶部空间压力，确定待操作所述系统的一个工作模式。所述工作模式是包括压力增加模式、压力保持模式和压力降低模式的三种工作模式中的一种。该方法还包括致动所述至少一个隔断阀、切换阀和隔离阀中的至少一个，以便在所述工作模式下操作所述系统。

在一些实施例中，当所述顶部空间压力低于第一阈值压力(P1)时，确定并激活所述压力增加模式。当所述顶部空间压力处于从第一阈值压力(P1)至第二阈值压力(P2)的范围内时，其中P2>P1，确定并激活所述压力保持模式。当所述顶部空间压力高于第二阈值压力(P2)时，确定并激活所述压力降低模式。

在一些实施例中，在所述压力增加模式中，所述切换阀关闭并且所述至少一个隔断阀打开。所述隔离阀可以关闭或打开。在所述压力保持模式中，所述切换阀打开，所述至少一个隔断阀关闭，并且所述隔离阀打开。在所述压力降低模式中，所述切换阀打开，所述至少一个隔断阀打开，并且所述隔离阀关闭。

该方法还可包括将液化燃料流从所述低温罐泵出并离开所述泵至排放管线。在一些实施例中，所述液化燃料包括氢，并且该方法用于将氢补给到燃料电池车辆。所述液化燃料流被泵送到分配器，并被分配到燃料电池车辆的车载罐中。

本公开中提供的系统和方法提供了如本文所述的许多优点。例如，在一些实施例中，本公开提供了一种用于氢储存和燃料补给的系统。益处包括以下能力：基于顶部空间压力以多模式工作、管理顶部空间压力以及最小化液化燃料的损失。该系统最小化或消除了诸如氢的液化燃料的损失，或具有最小化的氢汽化损失。

附图说明

当结合附图阅读时，从以下详细描述中可以最好地理解本公开。要强调的是，根据惯例，附图的各种特征不一定按比例绘制。相反，为了清楚起见，各种特征的尺寸被任意地扩大或缩小。在整个说明书和附图中，相同的附图标记表示相同的特征。

图1是依据一些实施方案，包括浸没式低温泵的典型系统的横截面示意框图。

图2是图1的示例性系统的一部分的放大图，具有附加的附图标记。

图3示出了根据一些实施例的图1的示例性系统，其包括当低温泵处于活塞缩回的缩回模式时的液化燃料流体(例如，液体和蒸气)的流动路径。

图4示出了根据一些实施例的图1的示例性系统，其包括当低温泵处于活塞伸展的伸展模式时的液化燃料流体(例如，液体和蒸气)的流动路径。

图5示出了根据一些实施例的图1的示例性系统，其包括当低温泵处于缩回模式且系统处于压力降低模式时的液化燃料流体(例如，液体和蒸气)的流动路径。

图6示出了根据一些实施例的图1的示例性系统，其包括当低温泵处于伸展模式且系统处于压力降低模式时的液化燃料流体的流动路径，液化燃料流体(例如，液体和蒸气)，在压力降低模式中活塞伸展。

图7是示出根据一些实施例的示例性方法的流程图。

具体实施方式

对示例性实施例的描述旨在结合附图来阅读，附图被认为是整个书面描述的一部分。在说明书中，诸如“下”、“上”、“水平”、“垂直”、“上方”、“下方”、“向上”、“向下”、“顶部”和“底部”以及其派生词(例如，“水平地”、“向下地”、“向上地”等)的相对术语应被解释为指代如随后描述的或如在所讨论的附图中示出的取向。这些相对术语是为了便于描述，而不要求设备以特定的取向构造或操作。关于附着、耦合等的术语(例如“连接”和“互连”)指的是一种关系，其中结构直接或通过中间结构间接地彼此固定或附着，以及活动或刚性连接或关系，除非另外明确地描述。

为了下文描述的目的，应当理解，下文描述的实施例可以采取替代的变型和实施例。还应当理解，本文所述的具体制品、组合物和/或方法是示例性的，并且不应当被认为是限制性的。

在本公开中，单数形式“一”、“一个”和“所述”包括复数引用，并且对特定数值的引用至少包括该特定值，除非上下文另有明确指示。当通过使用先行词“约”将值表示为近似值时，应理解，该特定值形成另一个实施方案。如本文所用，“约X”(其中X是数值)优选是指所引用值的±10％，包括端值在内。例如，短语“约8”优选地指7.2至8.8的值，包括端值。当存在时，所有范围都是包括性的和可组合的。例如，当列举“1至5”的范围时，所列举的范围应被解释为包括范围“1至4”、“1至3”、“1-2和4-5”、“1-3和5”、“2-5”等。另外，当肯定地提供了备选的列表时，这种列表可以解释为意味着可以排除任何备选，例如，通过权利要求中的否定限制进行排除。例如，当列举“1至5”的范围时，所列举的范围可以解释为包括其中1、2、3、4或5中的任意者被否定地排除的情况；因此，对“1至5”的叙述可以被解释为“1和3-5，但不是2”，或简单地“其中不包括2”。在此明确引用的任何组件、元件、属性或步骤可以被明确地排除在权利要求之外，无论这些组件、元件、属性或步骤是否作为替代物列出或者无论它们是否单独引用。

除非另外明确说明，否则本文所用的术语“基本上”诸如“基本上相同”将被理解为涵盖具有在合适范围内的波动的参数，例如具有参数的±10％或±15％波动。在一些实施方案中，波动的范围在±10％内。

除非另外明确指出，否则诸如氢的液化燃料被存储在存储罐中，并且使用泵以液体形式泵出。它可以作为气体燃料或液体燃料分配到车辆的接收罐中。在本公开中，术语“加燃料”和“燃料补给”可互换使用。

如本文所使用的，当元件或部件被描述为形成“连接到”、“耦合到”或“接触”另一元件或部件时，其可以直接连接到、直接耦合到、直接接触，或者中间元件或部件可以连接、耦合或接触特定元件或部件。当元件或部件被称为“直接连接到”、“直接耦合到”或“直接接触”另一元件时，不存在中间元件或部件。

如本文所用，本文所用的用语“热耦合到”将理解为部件直接或通过中间部件耦合在一起，使得热可在部件之间传递，且部件可彼此间接接触或中间部件接触部件。如本文所用，本文所用的用语“流体地耦合(或连接)到”或“流体地耦合(或连接)”将理解为部件与管道或管线连接，且被配置成使气体或液体流过部件。如本文所用，本文所用的术语“电连接”将被理解为涵盖使用有线或无线连接的电连接。

这里使用的术语“伸展”将被理解为包括低温泵的工作模式，其中包括活塞杆的活塞伸展，并且在低温泵中提供压缩。术语“缩回”将被理解为包括低温泵的不同的工作模式，其中包括活塞杆的活塞在吸入冲程中移动，该吸入冲程是在伸展的相反方向上。在一些实施例中，活塞具有面向入口的前表面。在伸展模式中，活塞朝向入口移动。在缩回模式中，活塞进一步移动远离所述入口。

这里描述的止回阀是单向阀，其仅在一个方向上自动打开或关闭。如本文所述的隔离阀可控制为打开或关闭。当隔离阀打开时，来自低温罐的液化燃料被允许进入低温泵。如本文所述的切换阀可控制为关闭或打开以使流体仅沿一个方向流动。如本文所述的隔断阀可控制为关闭或打开，以便阻止或允许流体在一个或多个方向上移动。

本文所用的术语”环境温度“将被理解为在环境条件下的温度，例如20-22℃的室温。

液化气体或燃料如液态氢(LH

与LH

将燃料作为液态氢(LH

本公开提供了一种诸如燃料补给站的系统和一种用于管理由于在液化燃料的储存或分配期间的汽化而引起的顶部空间压力的方法。例如，液化燃料包括或为氢，并且所述系统为用于储存和/或使用液态氢的系统。

根据一些实施例，本公开中提供的燃料补给站设计允许通过使用具有多模式操作能力的浸没式泵来管理顶部空间压力。泵或泵送系统用于泵送液态氢。例如，在第一模式中，泵送系统可增加顶部空间压力。在第二模式中，泵送系统可保持顶部空间压力。在第三模式中，泵送系统可直接排空顶部空间蒸气以降低顶部空间压力。使用阀在这些操作模式之间切换。

LH

由于通过容器壁、支撑结构和管道的传导和辐射热传递，发生静态热泄漏。在低温储存容器中，具有多层绝缘的真空双壁结构可用于抽真空空间中，并且低传导性材料可用于支撑结构。然而，静态热泄漏可以被最小化，但不能被消除。液态氢储存容器中的静态热通量的工业经验基于内部容器表面积约为1W/m

动态热泄漏是在泵的操作期间的热输入。它包括用于克服摩擦而不是提高排出压力的机械能、密封泄漏或窜漏、以及热力学非等熵行为。它取决于泵流速和吸入液体密度，并且受到泵设计(例如泵相对于低温罐的密封和放置(即，低温罐的外部或浸没在低温罐内部))的严重影响。动态热泄漏通常比静态热泄漏多数倍。例如，所需的等熵泵送功率是34.4kW，以将流速为120kg/hr的液态氢从其正常沸点加压到900bar的排放压力。非等熵损失的每个百分比是340W，其已经大于大型低温罐的典型NER。对于外部泵，初始冷却是汽化损失的另一个主要来源。在正常操作期间，外部泵中的短的热路径包括活塞轴、真空夹套壳体和泵周围的液氢浴，这比浸没式泵引起更多的热泄漏和动态汽化。通过真空夹套管的蒸气回流将额外的热量带入低温罐中。

在燃料补给操作期间使用液体泵来输送燃料可增加或减小顶部空间压力。在长时间的不活动期间，静态热泄漏可能导致低温罐压力增加。泵操作，尤其是在效率低的泵设计的情况下，动态热泄漏也可导致低温罐压力增加。在低温泵操作期间，能量通过动态热泄漏被递送至罐，但也通过排出的流体从低温罐移除。此外，LH

为了维持低温泵的高容积效率，必须使进入低温罐的静态和动态热泄漏最小化，以维持低低温罐压力和高液体密度。然而，顶部空间压力不能降低到给定阈值以下，因为其具有使低温罐内爆的风险。在高流量泵送期间，例如车辆的背靠背加燃料期间，低温罐压力可能降低到期望的极限以下。在这种情况下，需要一种向低温罐中添加能量以建立压力的方法。非常希望具有一种如本公开中提供的在压力建立模式、压力保持模式和压力降低模式之间切换的系统和方法。

在一方面，本发明提供一种燃料补给站设计，其允许通过使用具有多模式运行能力的浸没式LH

根据一些实施例，如本文所述的切换阀允许系统在这些操作模式之间切换。例如，在“压力建立”模式中，来自低温泵操作的动态热泄漏被重新引导到低温罐中以增加压力。由于罐中液化燃料的汽化蒸汽，顶部空间压力在系统使用期间也可部分地增加。在“压力保持”模式中，流出低温罐的流体携带动态热泄漏。在“压力降低”模式中，顶部空间蒸汽被去除以直接减压。如上所述，最大的热源是动态热泄漏。通过控制该热源，模式切换方法可以向低温罐添加热量以建立压力，或者将这种热量从罐导出以降低压力。

具有多模式配置的单个系统以受控方式实现与三种模式相关联的所有功能。该系统在管理低温罐压力方面提供效用。液体的状态被调节至与顶部空间气体的热力学平衡。在较低压力下，液体质量(由其密度确定)较高。较高的液体质量导致更有效的泵操作；另外的益处是避免了在与过高压力相关的排气过程中H

最近，现场测试表明，美国专利No.11,149,703中描述的浸没式泵能够降低罐中的顶部空间压力，但是这仅发生在泵的伸展操作期间，并且没有迹象表明可以对顶部空间压力进行主动控制。本公开中提供的系统和方法可以用于主动管理若干操作模式。

本公开还提供一种为氢燃料电池车辆加燃料的方法，其中氢燃料作为LH

在图1-6中，相同的项目由相同的附图标记表示，并且为了简洁，不再重复以上参照前面的附图提供的结构的描述。参考图1-6中描述的示例性结构来描述图7中描述的方法。

参照图1-2，示出了根据一些实施例的示例性系统100或称为浸没式泵送系统。示例性系统100包括低温罐10和泵40。

在一些实施方案中，低温罐10是具有外部容器12(或称为外壁)和内部容器13(或称为内壁)的双壁低温罐。容器12和13的两个壁之间的空间是真空的或填充有绝缘材料。

所述低温罐10被配置成在其中储存液化燃料14。所述低温罐10可以是适于在低温和压力下储存诸如液态氢的液化燃料14的绝热罐。在一些实施例中，所述液化燃料14包括氢或者是氢。所述液化燃料14的蒸气相16(汽化)可存在于低温罐10的内部容器13内的顶部空间18中的液化燃料14的液相上方。

所述泵40被配置成设置在低温罐10内并且提供来自低温罐10的液化燃料流。所述泵40是浸没式泵，其中，泵入口在使用期间浸没在低温罐10中的液化燃料14内。泵40被插入到低温罐10中，并且可以被取出以进行维护。泵40具有包括外管道(或管)20的泵壳体。泵40也可以包括内管道(或管)21。所述外管道20本身或外管道20和内管道21的组合作为双壁结构可以被称为泵壳体。所述外管道20和内管道21可以被称为第一和第二管线或管，并且具有第一直径和大于第一直径的第二直径。所述内管道21连接到低温罐10的外部容器12。所述外管道20连接到低温罐10的内部容器13。如图2所示，所述外管道20具有侧壁20a和底壁20b。所述内管道21具有侧壁21a和底壁21b。所述内管道21的侧壁21a和外管道20的侧壁20a之间存在空间29。这种空间29可以是真空的或填充有绝缘材料，并且容纳其它管道，例如本文所述的管道7、8和31。泵40被配置成设置在低温罐10内。换言之，泵40是可插入的或插入低温罐10中，在一些实施方式中，除了包括外管道21或外管道21和内管道的泵壳体之外，低温泵40可被取出以进行维护。

在一些实施方案中，泵40是单级单作用往复式低温泵。在一些实施例中，泵40包括设置在内管道21内并与侧壁21a耦合的分离器17，并将内管道21内的空间分成底部的液体区域和顶部的气体区域39。所述分离器17是密封件，一些液体燃料14可以泄漏到蒸汽空间39。

泵40还包括活塞杆22和活塞23，该活塞是用于液化燃料(例如，液态氢)的活塞。在一些实施例中，所述活塞23可具有圆形形状。活塞杆22穿过分离器17。活塞杆22与外部液压活塞41连接，该活塞可与动力驱动器和致动器(未示出)连接。

所述泵40还包括泵缸27，其设置在分离器17下方并位于内管道21内，该内管道被配置成容纳活塞23。所述泵缸27与分离器17耦合。所述泵缸27的侧壁限定了孔4。在泵缸27内，活塞23下方和上方的空间分别被标记为35和38，它们是泵腔室，并且被配置成在泵40的操作期间保持液化燃料(例如LH

所述泵40还包括隔离阀5和入口34。所述隔离阀5被配置成将液化燃料14从低温罐10供应至入口34。

请参照图1至图2，所述隔离阀5设置于内管道21的底壁21b上。隔离阀5可根据需要而被指令(控制)开启或关闭。隔离阀5可以通过外部致动器(未示出)致动和控制。隔离阀5的一个合适的例子在U.S.2020/0240379中公开，其被授权为美国U.S.11,149,703。通过关闭隔离阀5，泵壳体与具有液化燃料的内部容器13隔离，使得泵40可以在不影响内部容器13的情况下被移除。

在一些实施例中，所述活塞23具有面向入口34的前表面23a。在伸展模式中，活塞23朝向入口34移动。在缩回模式中，活塞进一步远离入口34移动。

在一些实施例中，至少一个止回阀6设置在支撑壁19上，该支撑壁设置在内管道21a和泵缸27之间，在一些实施例中，止回阀24设置在泵缸27的底壁上。止回阀6、24和26自动打开和关闭。止回阀(例如，本文所述的阀6、24和26)是单向阀。内管道21底部和支撑壁19下方的空间是泵40的入口34，其被配置成在泵40的操作过程中从内罐13中吸入液化燃料14(例如，LH

背侧泵腔室38位于分离器17和支撑壁19之间以及内管道21和泵缸27之间。腔室38与腔室36在泵缸27和内管道21之间的同一环形空间中流体连通。这种背侧泵腔室被配置成保持来自孔4和止回阀6的液化燃料14。来自孔4的背侧泵腔室38中的液化燃料14可以吸收来自泵40的动态热。这种来自活塞23背侧的液化燃料可以在泵40以伸展或缩回模式工作时吸收动态热，并且可以比入口中的液化燃料热。

示例性系统100还包括流体地连接到被配置成保持所述泵中的液化燃料的蒸气的蒸气泵腔室39的第一管道8，以及流体地连接到被配置成保持与活塞23的背侧23b接触的液化燃料的第一液体泵腔室的第二管道7。

如图1-2所示，所述管道7和8与泵40的内管道21的侧壁21a流体连接。管道7被配置成从作为泵40的底部的液体泵腔室36排出液化燃料14。管道8被配置成排出存在于蒸汽空间39中的任何气体燃料。这种气体燃料是在从泵40吸收热量之后从经过分离器密封件17泄漏到内管道21的上部中的蒸汽腔室39的液化燃料14中的蒸汽。

泵40的上部指的是泵40在分离器17上方的部分。蒸汽腔室39也可以称为上部腔室。在分离器17下方的泵40内的腔室是液体腔室，或者被称为下部腔室，其被配置成保持液化燃料。为了便于描述，液体泵腔室36是第一液体泵腔室。液体泵腔室35可以是第二液体泵腔室。背侧泵腔室38也是泵40中的液体腔室。腔室38和腔室36流体连接。

示例性系统100还包括排放管线25，其与泵40流体连接且被配置成将液化燃料流分配出泵40。如图1-2所示，液化燃料14可以通过具有止回阀26并与泵缸27流体连接的排放管线25(管道)泵出到分配器中。所述排放管线25和所述止回阀位于内管道21的内侧。所述止回阀26单向打开。例如，如图2所示，在一些实施例中，排放管线25与泵缸27的底壁流体连接，当活塞23伸出时，液化燃料可以被泵出。在一些实施例中，液化燃料流可被提供给分配器，并被分配到燃料电池车辆中的车载罐中。

参照图1和图2，根据一些实施例，示例性系统100包括切换阀30以及管道或管线31，其被配置成使液相或蒸气相的液化燃料14从管道7和8流回泵40的入口34，如果需要的话。如图1和2所示，在一些实施例中，与切换阀30连接的管道31与泵40的内管道21流体连接。管道31的连接点靠近入口止回阀24。切换阀30流体连接到被称为第一管道的管道8和被称为第二管道的管道7，并且被配置成使泵40中的液化燃料14的蒸气和接触活塞23的背侧23b的液化燃料14通过被称为第三管道的管道31流到泵40的入口34。

此外，示例性系统100还被配置成使液相或蒸气相的液化燃料14从管道7和8流回低温罐10。示例性系统100还包括流体地连接到所述第一管道、所述第二管道和低温罐10的顶部空间18的至少一个隔断阀50或51。所述至少一个隔断阀50或51流体地连接到切换阀30。所述切换阀30和所述至少一个隔断阀50或51中的每一个均可打开或关闭。

如图1至图2所示，示例性系统100包括双隔断阀50和51，其被配置成使液化燃料14从管道7和8通过管道52流回低温罐10的内部容器13。管道52通过上部气体部分中的管道8和下部液体部分中的管道7与低温泵的内部管道21流体连接。当切换阀30关闭时，发生液化燃料14向低温罐10的流动。当阀50和51关闭时，来自管道7和8的液化燃料14流回泵40。在一些实施例中，这两个路线可以共存，并且可以调节两个路线之间的比率。

示例性系统100还可包括在阀50和51之间的减压阀53，以在需要时排出低温罐的顶部空间中的蒸气。在切换阀30和阀50之间的排气管线提供了用于吹扫和排气的另外的选择。

示例性系统100还可以包括一个或多个控制器60，用于控制如本文所述的方法的步骤和部件。控制器60可与系统100中的相关部件(例如，阀30、50和51、排气管线59)电连接。控制器60可包括一个或多个处理器和至少一个有形的、非暂时性机器可读介质，该机器可读介质编码有一个或多个程序以由一个或多个处理器执行。控制器60被配置成与每个部件协调以控制操作，例如，以不同的模式操作低温泵、控制液化燃料储存和给车辆加燃料。控制器60与低温罐10连接。例如，控制器60可通过连接64与内部容器13连接，并被配置成测试内部容器13内的顶部空间压力。控制器60用于监测顶部空间条件并在如本文所述的操作模式之间切换。例如，控制器60被配置成测量低温罐10内部的顶部空间压力或温度，并且控制至少一个隔断阀50或51、切换阀30和/或隔离阀5，使得系统基于顶部空间压力或温度以不同的工作模式操作。示例性系统100被配置成以包括压力增加模式、压力保持模式和压力降低模式的三种工作模式中的一种操作，以分别增加、保持或减小低温罐内的顶部空间压力。

上述部件可以具有任何合适的尺寸。例如，泵40的内管道21的直径可以在25cm至50cm的范围内。泵40的外管道20的直径可以在35cm至70cm的范围内。管道和管线7、8、31、25和52可以具有任何合适的尺寸，例如具有1cm至15cm范围内的直径。在一些实施例中，管道52具有约2.5cm的内径。

当顶部空间压力(P)低于第一压力阈值(P1)时，可使用如上所述的压力增加模式。在一些实施例中，在压力增加模式中，切换阀30关闭并且至少一个隔断阀50或51打开。如果系统包括如图1-2所示的两个隔断阀50和51，则该两个隔断阀在压力增加模式下都打开。隔离阀5可以关闭或打开。

参考图3，示出了处于缩回模式的示例性系统100。在图2中标出了腔室和空间。首先描述了切换阀30关闭或示例性系统不具有切换阀30的情况。

当单级单作用往复式低温泵的泵40的活塞23在吸入冲程中缩回时，隔离阀5和止回阀24打开，而止回阀6关闭。来自低温罐10的液态液化燃料14进入泵腔室35。来自活塞23后部的腔室38的液化燃料14通过开口4离开到腔室36，并流过管道7。

当切换阀30关闭时或当示例性系统不具有切换阀30时，来自腔室38和腔室36的液化燃料14流过阀50和51，并且通过管道52的开口进入低温罐10的内部容器中。

气体管线8被配置成将蒸气从泵壳体的上部部分上的蒸气空间39排出到低温罐10的顶部空间，并且提供泵壳体的上部部分上的蒸气空间39与泵壳体的底部部分处的液体空间(例如，泵腔室36和38)之间的压力均衡。如图3所示，当切换阀30关闭时，来自蒸汽空间39的蒸汽相通过气体管线8到顶部空间18。来自蒸汽空间39的蒸汽和来自活塞23的后部之后的背侧腔室38的液相可具有比低温罐10中的液化燃料14的温度高的温度，因为它们吸收来自泵40的动态热。

参考图4，示出了处于伸展模式的示例性系统100。在图2中标出了腔室和空间。首先描述了切换阀30关闭或示例性系统不具有切换阀30的情况。

当活塞23在压缩期间伸展时，止回阀24关闭，迫使液化燃料从泵腔室通过止回阀26流出到排放管线25。

在没有切换阀30或切换阀30关闭的布置中，活塞23周围的任何密封泄漏、活塞23后部中的液体以及泵腔室和活塞周围获得的摩擦加热通过管线52被送回到低温罐中。该操作模式是压力构建模式，因为其在操作期间将热量添加到低温罐10中并且增加顶部空间压力。气相16中的顶部空间压力与液相14的低温罐压力大致相同。

返回参考图3-4，切换阀30连同管线31一起可被配置成将具有动态热量的液化燃料流体(例如，来自管道8的蒸气相和来自管道7的液相)重新引导回到泵40的入口，该入口可在入口止回阀24附近。

在压力保持模式中，切换阀30打开，而隔断阀50和/或隔断阀51关闭。隔离阀5在该工作模式期间打开。如图3所示，在吸入冲程期间，当活塞23缩回时，止回阀24打开，并且经由隔离阀5接纳来自低温罐10(即，低温罐10的内部容器13)的流体。隔离阀5打开而止回阀6关闭。止回阀24还允许来自管线31的液化燃料14的流体。来自活塞23后部的腔室38的液化燃料14(其吸收了热量)通过开口4离开而到达腔室36，并流过管道7。液化燃料流体(例如，来自管道7的液体和来自管8的蒸气)通过切换阀30，返回到泵40，并与来自低温罐10的液化燃料14混合。

如图4所示，在压力保持模式中，当泵40处于伸展模式时，活塞23朝向泵40的底部伸展。隔离阀5和止回阀6打开，而止回阀24关闭。包括来自管线31的流体的液化燃料14从止回阀26和排放管线25离开泵40。来自止回阀6且在腔室36内的一些冷的液化燃料14可以通过开口4被吸入活塞23后面的腔室38内。

来自管线31的流体中所含的动态热泄漏的能量进入泵腔室35，并且随后通过止回阀26和排放管线25离开泵40。因此，没有动态热输入被引入低温罐10中。尽管仍然存在静态热泄漏，但从低温罐10移除液体增加了顶部空间体积并且降低了其压力。液体的焓是从低温罐10移除热量的另一来源。静态热泄漏和液体移除之间的平衡会导致在如图3-4中所示的压力保持模式中的稳定低温罐压力。

当顶部空间压力(P)等于或高于第一压力阈值(P1)同时低于第二压力阈值(P2)时，可使用这种压力保持模式。当顶部空间压力(P)在P1至P2的范围内时，示例性系统以压力保持模式工作。

参照图5-6，示出了在压力降低模式下工作的示例性系统100。如图5所示，泵40处于缩回模式。如图6所示，泵40处于伸展模式，其中活塞伸展。在压力降低模式中，切换阀30打开，并且隔断阀50和51打开。隔离阀5关闭。

当顶部空间压力(P)高于第二压力阈值(P2)时，期望压力降低以防止低温罐10的顶部空间18中的汽化的排出。如图5所示，隔离阀5关闭，而阀50和51打开。切换阀30也打开，其中建立从低温罐10的顶部空间18到止回阀24附近的泵入口的流动路径。同样如图5所示，其它部件(例如，止回阀6(关闭)、止回阀24(打开)以及管线7和8)的工作方式与图3所示的类似。顶部空间蒸气16流入泵40，并可与其中的液化燃料14混合。

如图6所示，泵40处于伸展模式，同时隔离阀5关闭。阀50和51打开。切换阀30和管线31打开。其它部件(例如，止回阀6(打开)、止回阀24(关闭)和管线7、8)的工作方式与图4所示的类似。顶部空间蒸气16或顶部空间蒸气的混合物通过止回阀26和管线25被泵出。

如图5至图6所示，在这种压力降低模式中，顶部空间蒸气16被泵出低温罐10以直接减压。

作为示例性系统100提供的显著益处之一，泵40能够泵送液化燃料的液体和蒸气。在该蒸气泵送模式中的流速低于液态液化燃料的泵设计流速。例如，在0.8MPa下氢的饱和液体和蒸气密度分别为52.4和12.1kg/m

为了促进蒸汽压缩，希望在排放压力相对低时，例如在车辆加注开始时，启动压力降低模式。控制逻辑可被实现为管理模式切换的定时和持续时间。

在背靠背的车辆加燃料期间，大量的液体从低温罐10中抽出，并且这可能导致罐压力降低，这取决于液位、液体密度、罐容积以及初始罐压力。例如，对于在70kg/m

参照图1-6，在一些实施例中，切换阀30设置在泵的外部。泵40具有双壁结构的泵壳体。第一管道8、第二管道7和第三管道31设置在泵壳体的两个壁之间。

在图1-6中，仅为了说明而包括一个泵40。在一些实施例中，泵40可以是设置在低温罐10内的多于一个的，例如两个或更多个这样的浸没式液体泵。每个泵40可以是独立的，并具有各自的入口。或者所述两个或多个浸没式液体泵40共用同一入口34。多个泵40可以并联连接，然后分别与第一管道8、第二管道7和第三管道31耦合在一起。

在一个方面，如上所述，本公开提供了一种用于补给氢燃料的示例性系统100，例如氢补给站。系统100包括被配置成在其中储存为氢的液化燃料14的低温罐10，以及被配置成设置在低温罐10内的至少一个泵40。泵40被配置成提供来自低温罐10的液化燃料14的流。泵40具有活塞23、入口34、以及被配置成将液化燃料14从低温罐10供应至入口34的隔离阀5。活塞23具有面向入口34的前侧23a和与前侧相对的背侧23b。

系统100还包括流体地连接到被配置成保持泵40中的液化燃料的蒸气的蒸气泵腔室39的第一管道8，以及流体地连接到被配置成保持接触活塞23的背侧23b的液化燃料的第一液体泵腔室36的第二管道7。

系统100还包括流体地连接到第一管道8和第二管道7的切换阀30。切换阀30被配置成使泵40中的液化燃料的蒸气和接触活塞23的背侧的液化燃料通过第三管道31流到泵40的入口。系统100还包括流体地连接到第一管道8、第二管道7、低温罐10和切换阀30的至少一个隔断阀50或51。

系统100还可包括与低温罐10、所述至少一个隔断阀50或51和所述切换阀30连接的控制器60。控制器60被配置成致动所述至少一个隔断阀50或51、切换阀30和/或隔离阀5，以便基于低温罐10中的顶部空间压力或温度以三种工作模式中的一种来操作系统100。这三种工作模式包括压力增加模式、压力保持模式和压力降低模式。

控制器60可包括一个或多个处理器和编码有一个或多个程序的至少一个有形的非暂时性机器可读介质，所述一个或多个程序将由一个或多个处理器执行以控制系统的部件。例如，控制器60可被配置成测量顶部空间压力或温度，并致动所述至少一个隔断阀50或51、切换阀30和/或隔离阀5。

示例性系统100还可包括在燃料补给站中的分配器。示例性系统100可以被集成用于给燃料电池车辆补充氢燃料。所述分配器被配置成接收来自管线25的液化燃料14的流，并将其以气体燃料的形式分配到接收燃料罐，例如车辆的车载燃料罐。所述燃料补给站还可包括用于将液化燃料14转换成待分配的气体燃料的热交换器。所述气体燃料在分配之前可以处于增加的压力。在一些实施例中，所述泵可压缩所述液化燃料以在泵送操作期间增加其压力。

参考图7，本公开提供了使用如上所述并且也在下面一般地描述的系统100的示例性方法200。

在步骤202处，提供液化燃料14并将其储存在低温罐10内。在一些实施例中，所述液化燃料14包括氢或是氢。

在步骤204处，测量低温罐10内部的顶部空间压力和/或温度。低温罐10中的液体的填充水平也可以被测量。

在步骤206，基于顶部空间压力和/或温度，确定待操作的所述系统的一个工作模式。该工作模式是包括压力增加模式、压力保持模式和压力降低模式的三种工作模式中的一种。

在步骤208，至少一个隔断阀、切换阀和隔离阀中的至少一个被致动，以便在所述工作模式中操作系统。

在一些实施例中，当顶部空间压力低于第一阈值压力(P1)时，确定并激活压力增加模式。当顶部空间压力处于从第一阈值压力(P1)至第二阈值压力(P2)的范围内时，其中P2>P1，确定并激活压力保持模式。当顶部空间压力高于第二阈值压力(P2)时，确定并激活压力降低模式。

在一些实施例中，所述第一阈值压力(P1)可为约0.1MPa。所述第二阈值压力(P2)可以是在0.2MPa至0.5MPa范围内的压力。例如，P1为约0.1MPa，P2为约0.5MPa。当顶部空间压力(P)在约0.1MPa至约0.5MPa的范围内时，在一些实施方案中，该系统以压力保持模式工作。当顶空压力高于0.5MPa时，系统处于压力降低模式。

在一些实施例中，所述工作模式还可以基于低温罐10中的温度来确定。例如，当顶部空间温度低于第一阈值温度(T1)时，确定并激活压力增加模式。当顶部空间温度在从第一阈值温度(T1)到第二阈值温度(T2)的范围内时，其中T2>T1，确定并激活压力保持模式。当顶部空间温度高于第二阈值温度(T2)时，确定并激活压力降低模式。没有动态热输入被引入到低温罐中，并且低温罐压力随着泵操作而减小。

如果罐中液化燃料的填充水平太低或太高，则系统100的控制器60可以提供警告。与填充水平处于正常范围内的情况相比，当低温罐接近满或空时，所述工作模式可以不同。

在一些实施例中，在压力增加模式中，切换阀30关闭并且隔断阀50和51打开。隔离阀5打开。在压力保持模式中，切换阀30打开，至少一个隔断阀50或51关闭，并且隔离阀5打开。在压力降低模式下，切换阀30打开，隔断阀50和51打开，并且隔离阀5关闭。

在步骤210处，来自低温罐10的液化燃料流被泵出泵40至排放管线25。在一些实施例中，所述液化燃料包括氢，并且该方法用于将氢补给至燃料电池车辆。所述液化燃料流被泵送到分配器，并被分配到燃料电池车辆的车载罐中。在步骤210，分配循环被操作以给车辆补给燃料。所述氢燃料可以在合适的压力下(例如，35MPa或70MPa)分配到车辆中。压缩氢气可以处于-40℃的温度，并且在例如-20℃的温度下通过给车辆补给燃料的分配循环而被分配。

可以重复步骤204、206、208和210，以便进行额外的燃料补给或所需的填充。在一些实施例中，确定一种工作模式，用于将氢加燃料到多于两个燃料电池车辆。

在两次加燃料事件之间的空闲时间期间，还监测低温罐内的压力或温度，并且如果需要，还确定和激活工作模式。例如，在长时间的空闲时间之后，顶部空间压力可能由于静态热泄漏而增加。可以激活压力降低模式以降低压力。

如上所述，多个泵可设置在低温罐内并可同时运行。一个泵可以具有其自己的入口，或者多个泵共享一个入口。

系统100中的汽化损失被最小化。如果需要排出汽化物，则在一些实施例中可使用用于回收汽化物的设备。该系统可以包括回收子系统。例如，汽化气体可被冷却到液态，并且这种回收的液化燃料被反馈到低温罐。或者，排出的汽化气体(例如，氢气)可通过回收子系统中的压缩机压缩，以具有高于35MPa的增加的压力。压缩气体被输送到级联管存储器，以便随后在燃料补给过程期间输送到车辆。

本公开中提供的系统和方法提供了如本文所述的许多优点。例如，在一些实施例中，本公开提供了一种用于氢储存和燃料补给的系统。益处包括基于顶部空间压力以多模式工作、管理顶部空间压力以及最小化液化燃料的损失的能力。该系统最小化或消除了诸如氢的液化燃料的损失，或具有最小化的氢汽化损失。

这里描述的方法和系统可以至少部分地以计算机实现的过程和用于实践这些过程的装置的形式来体现。所公开的方法还可以至少部分地以用计算机程序代码编码的有形非瞬态机器可读存储媒体的形式来体现。媒体可以包括例如RAM、ROM、CD-ROM、DVD-ROM、BD-ROM、硬盘驱动器、闪存或任何其它非瞬态机器可读存储介质或这些介质的任何组合，其中，当所述计算机程序代码被加载到计算机中并由计算机执行时，该计算机成为用于实践该方法的装置。所述方法还可以至少部分地以计算机的形式来体现，计算机程序代码被加载到所述计算机中和/或在所述计算机中被执行，使得所述计算机成为用于实践所述方法的装置。当在通用处理器上实现时，计算机程序代码段配置所述处理器以创建特定的逻辑电路。所述方法可以可选地至少部分地在由用于执行所述方法的专用集成电路形成的数字信号处理器中实现。所述计算机或控制单元可以使用基于云的系统远程地操作。

尽管已经根据示例性实施例描述了本主题，但是本主题不限于此。相反，所附权利要求应当被宽泛地解释为包括本领域技术人员可以做出的其他变型和实施例。