[发明专利]两相氢泵及方法

说明书

技术领域

本发明总体上涉及燃料系统，并且更具体涉及用于将液态氢转化为气态氢的系统和方法。

背景技术

就减少排放且提高燃料效率而言，氢提供了多个优于石油基燃料的优点。例如，当氢用于燃料电池以产生用于驱动电动机的电力时，副产物是水。当氢在例如涡轮发动机或者活塞式发动机的内燃发动机中燃烧时，与由石油基燃料的燃烧引起的排放相比，其废气排放相对低。氢作为燃料的另一个优点是与例如喷射燃料的石油基燃料相比通常每质量的能量密度(energy-per-mass density)较高。例如，氢含有的每单位质量能量大致是石油基燃料的三倍。

为了最小化所需的存储体积，氢可以以液态形式有效地存储。尽管以液态形式存储氢需要将温度维持在低于大致-420℉，但是与将要存储气态形式氢的大量槽相比，可以存储液态氢的低压最小化交通工具的总重量。

上述与氢有关的优点可以应用于某些交通工具。例如，高海拔长耐久性(high-altitude long-endurance)(HALE)飞机可以得益于氢基推进系统。HALE飞机可以设计用于在高达65000英尺的海拔工作，并且可以在空中停留多达十四天或者更长时间。然而，各种其他交通工具和系统可以得益于氢作为石油基燃料的替换。

为了在燃料电池或者内燃发动机中使用氢，氢必须处于气态状态。此外，需要增加气态氢的压力，从而适合燃料电池或者内燃发动机的操作要求。用于在适合的温度和压力下将液态氢转化为气态氢的现有技术方法包括使用热交换器和机械泵。热交换器可以用于将液态氢汽化为气态氢用作燃料。不幸地是，热交换器通常体积庞大。

在例如HALE飞机的长耐久性应用中，机械泵必须能够连续工作很长时间。液态氢的极端低温和氢的低粘稠度限制了机械泵的效率和可靠性。更具体地说，因为极端低温，机械泵暴露于液态氢的部分可以经历显著的热收缩。为了调和机械泵的各部分之间热收缩差异，必须设计且制造具有相对大公差的泵配合构件(mating components)。然而，大的公差可以减小泵效率。

此外，机械泵通常包括需要润滑从而最小化摩擦且防止磨损的旋转构件。不幸地是，液态氢的相对低的粘稠度最小化氢充当润滑剂的能力。此外，液态氢的低温最小化可用于该泵的适合润滑剂(例如，Teflon(特氟纶))的可利用数目。

能够看出，本领域中存在对于用于在适当的工作温度和压力下将液态氢转化为气态氢的系统和方法的需要。在这点上，本领域中存在对于用于将液态氢转化为气态氢的系统和方法的需要，其需要活动部件的数目最少，并且其中气态氢可以以可靠且有效的方式连续产生。

发明内容

与氢燃料有关的上述需要由本公开具体解决，在一个实施例中，本公开提供了包含泵壳体和加热机构的氢泵。泵壳体被配置成例如通过壳体入口接收液态氢，例如来自供给槽的液态氢。该加热机构被配置成汽化泵壳体内含有的液态氢，从而产生气态氢。

此外，该加热机构被配置成增加气态氢的压力，以便气态氢可以在达到气态氢的预定压力时从壳体出口连续释放。该气态氢可以从壳体出口连续释放，直到泵壳体中的液态氢降低到预定水平之下，这时壳体出口可以关闭。然后，剩余的气态氢可以从泵壳体排出，从而便于在新的周期开始接收泵壳体内部额外的液态氢。

在一个实施例中，氢泵可以这样配置，在关闭壳体出口之后且排出剩余液态氢之前，壳体入口暂时打开(即，持续预定时段)。以这个方式，泵壳体内部较高压力的气态氢通过壳体入口流出泵壳体，并且与液态氢混合，从而减少气态氢的温度。

氢泵可以包括相互连接泵壳体和供给槽的中间部分。中间部分可以含有液态氢，并且可以为气态氢与液态氢混合提供位置。随着气态氢与液态氢的混合，泵壳体中剩余的气态氢可以通过排出管线排出，以便减少泵壳体内部的压力。剩余气态氢的排出允许额外的液态氢在新的周期开始时流入壳体入口。排出管线可以选择性地通过中间部分，以便在剩余气态氢传送到供给槽之前提取排出管线中剩余的气态氢的热量。从剩余气态氢提取热量减少了汽化泵壳体中液态氢所需热量的量。

本公开的技术效益包括将氢的汽化和抽运合并为单个无源闭合系统，而不需要机械泵或者常规的热交换器。无源氢泵提供用于在想要的工作温度和压力下以有效且可靠的方式产生气态氢的装置。

已经讨论的特征、功能和优点在本公开的各个实施例中能够单独获得，或者可以在其他实施例中合并，进一步的细节能够参考下面的下列描述和附图。

附图说明

在参考附图时，本公开的这些及其他特征会变得显而易见，其中所有相同的数字指的是相同的部件，并且其中：