用于显示排放极限点的一体形成在高压容器的内部和外部衬里中的应变计

摘要

用于显示排放极限点的一体形成在高压容器的内部和外部衬里中的应变计。一种高压容器，具有用于在车辆上储存用于燃料电池系统的氢气的特定用途。容器包括气密内部衬里层和外部纤维束复合结构层。第一应变计设置在外部结构层内，而第二应变计设置在内部衬里层内，都接近层之间过渡区。应变计相对于彼此被校准以确定内部衬里层开始收缩并与外部复合层分离的位置的压力。

说明书

发明领域

本发明通常涉及一种高压容器，并且，更特别地，涉及包括具有第一应变 计的外部纤维复合层和具有第二应力计的内部衬里层的高压容器，其中第一和 第二应变计确定内部衬里层开始收缩并与外部层分离的位置的压力。

背景技术

由于氢是清洁的并能够用于在燃料电池中有效产生电力，因此其是一种 非常具有吸引力的燃料。汽车工业在氢燃料电池系统作为车辆能源的研发花费 了显著的资源。这种车辆与今天的采用内燃机的车辆相比，会更有效并产生较 少的排放物。

通常氢气存储在位于车辆上的高压下的压缩气体容器中，用于为燃料电 池系统提供必要的氢。压缩容器中的压力可以为700bar或更高。在一个已知的 设计中，压缩容器包括为氢气提供气密密封的内部塑料衬里，和提供容器结构 完整性的外部碳纤维复合层。典型地，提供至少一个压力调整器用于将容器内 的氢气压力减小到适合燃料电池系统的压力。

如果容器中的压力降到某一特定值以下，那么内部衬里层可能开始收缩 并与外部层分离。这种分离能够导致内部衬里损坏和丧失密封性，并因此是必 须避免的。现行的避免这种分离的解决方法是保持容器内部足够高的压力从而 阻止内部衬里层的收缩。对于现有的容器设计，容器内必须保持最小20bar的压 力以避免内部衬里层收缩并与外部结构层分离

在容器中提供压力传感器，以提供对容器中的压力的测量。由于用于这些类 型容器中的压力传感器必须提供超过大约1000bar范围的相当精确压力测量，且 这些压力传感器必须相对便宜，它们通常具有大约1.5％的精确度，其提供大约 +/-15bar的精确度。进而，考虑到传感器布线在容器可能会遇到的整个温度范围 内的测量要求典型地提供了+/-35bar的测量精确度，其被增加了20bar以提供期 望的安全裕度。因而，必须在容器压力传感器的读数大约为55bar时停止从容器 中排放氢，导致容器中大约5％的氢气不能用于车辆的运行。

发明内容

根据本发明的教导，已经公开了高压容器，其特别用于在车辆上储存用于 燃料电池系统的氢气。容器包括气密内部衬里层和外部纤维束复合结构层。第 一应变计设置在外部层内以及第二应变计设置在内部衬里层内，两个都接近层 之间的过渡区。应变计相对于彼此校准以确定内部衬里层开始收缩并与外部复 合层分离的位置的压力。

解决方案1：一种高压容器组件，包括：

外部结构层；

内部衬里层，位于外部结构层内，并且提供气密环境；

设置在外部结构层内的第一应变计；以及

设置在内部衬里层内的第二应变计，所述第一和第二应变计确定分离点，在 该分离点由于低压下内部衬里层的收缩导致内部衬里层与外部结构层分离。

解决方案2：根据解决方案1的容器组件，其中外部层包括构造在层压树脂 内的平行的纤维列。

解决方案3：根据解决方案2的容器组件，其中第一应变计位于树脂中的两 行平行的纤维列之间。

解决方案4：根据解决方案2的容器组件，其中第一应变计的长度与纤维的 长度垂直。

解决方案5：根据解决方案2的容器组件，其中纤维是碳纤维。

解决方案6：根据解决方案1的容器组件，其中第一和第二应变计接近结构 层和内部衬里层之间的过渡区定位。

解决方案7：根据解决方案1的容器组件，其中第一和第二应变计具有大约 30厘米的长度。

解决方案8：根据解决方案1的容器组件，其中内部衬里层为塑料层。

解决方案9：根据解决方案1的容器组件，其中每个第一应变计和第二应变 计都包括一对电线，其中电线电连接到惠斯登电桥，其确定第一和第二应变计 之间的平衡。

解决方案10：根据解决方案1的容器组件，其中容器组件是氢气容器组件。

解决方案11：根据解决方案10的容器组件，其中容器组件是车辆上的燃料 电池系统的一部分。

解决方案12：一种用于储存氢气的高压容器组件，所述容器组件包括：

外部结构层，包括构造在层压树脂中的平行的纤维列；

内部塑料衬里层，位于外部结构层内并提供用于储备氢气的气密环境；

第一应变计，位于外部结构层内、树脂内的两行平行的纤维列之间，其中第 一应变计的长度与纤维的长度垂直；以及

第二应变计，模制在内部塑料衬里层内，所述第一和第二应变计确定分离点， 在分离点由于低压下内部衬里层的收缩导致内部衬里层与外部结构层分离。

解决方案13：根据解决方案12的容器组件，其中纤维是碳纤维。

解决方案14：根据解决方案12的容器组件，其中第一和第二应变计接近结 构层和内部衬里层之间的过渡区。

解决方案15：根据解决方案12的容器组件，其中第一和第二应变计具有大 约30厘米的长度。

解决方案16：根据解决方案12的容器组件，其中每个第一应变计和第二应 变计都包括一对电线，该电线电连接到惠斯登电桥，其确定第一和第二应变计 之间的平衡。

解决方案17：根据解决方案12的容器组件，其中容器组件是车辆上的燃料 电池系统的一部分。

解决方案18：一种高压容器组件，包括：

外部结构层；

内部衬里层，位于外部结构层内并提供气密环境；

第一应变计，设置在外部结构层内并刚性地固定于其中；

第二应变计，设置在内部衬里层内并具有响应于内部衬里层的收缩而改变的 长度；以及

电连接于第一和第二应变计的惠斯登电桥，所述惠斯登电桥提供指数，在该 指数时由于低压下内部衬里层的收缩导致内部衬里层与外部结构层分离。

解决方案19：根据解决方案18的容器组件，其中外部层包括构造在层压树 脂中的平行纤维列，并且其中第一应变计位于树脂中两行平行的纤维列之间。

解决方案20：根据解决方案18的容器组件，其中第一和第二应变计接近结 构层和内部衬里层之间的过渡区定位。

根据下面的描述及所附的权利要求，结合附图，本发明的其他特征将会变得 明显。

附图说明

附图1为压缩氢气容器的截面图；

附图2为附图1所示出的容器的剖开部分，示出了外部结构层中的第一应变 计和内部衬里层的第二应变计；以及

附图3示出了附图2所示的一个应变计的顶视图。

具体实施例

下面讨论的本发明的实施例在本质上仅是示例性的，而决不意图限制本发明 或其应用或用途，本发明实施例涉及一种高压容器系统，其包括确定气密内部 衬里层与外部复合结构层之间的分离点的应变计。例如，下面的讨论将本发明 描述为具有用于储存车辆上用于燃料电池系统的氢气的特定应用。然而，如本 领域技术人员所预期的，本发明可以具有储存其他类型气体的具有内部气密层 和外部结构层的其他类型的高压容器的应用。

附图1是上述类型的压缩氢气储存容器10的截面图。容器10包括外部结构 层12(通常包括碳纤维复合束以提供结构完整性)，及通常由耐用模制塑料(如 高密度聚乙烯)构成的内部衬里层14，从而在层12和衬里14之间形成过渡区 16。衬里14为氢气提供气密环境，以及外部层12为压缩氢气提供结构完整性。 容器10包括位于开口中的适配器18，延伸穿过外部结构层12和内部衬里14， 以提供通向容器10内部的通道，用于通过本领域技术人员熟知的方式填充容器 10和从容器10中去除气体。

容器10包括设置在外部结构层12内的第一应变计20和设置在内部衬里14 内的第二应变计22。附图2是容器10的剖开部分，示出了应变计20和22接近 外部结构层12和内部衬里14之间的过渡区16定位。附图3是应变计20的顶 视图。只要应变计20和22相对于彼此定位，那么应变计20和22就可以设置 在围绕容器10周围的任意合适位置处。进而，应变计20和22可以具有任何合 适用于本文所述目的的构造并可以具有任何合适的长度，例如30cm。

外部结构层12包括形成在层压树脂32中的一系列平行的复合纤维列30。 应变计20以刚性固定于其中的方式设置在层压树脂32中的两行纤维列30之间， 其中，应变计20的长度与纤维30的长度基本垂直且不会改变。进而，应变计 20包括具有两个末端部36和38的缠绕金属带34，并缠绕金属带34由本领域 技术人员所熟知的响应于其长度微小变化而电阻显著变化的材料制成。应变计 20包括分别连接到带34的末端部36和38的两条电线40和42，其沿着外部结 构层12延伸并穿过转接器18延伸出容器10。在应变计22被模制时其形成在衬 里14中，并会具有与应变计20相同的设计。

应变计20和22可以具有相当长的感测长度，例如30cm，以增加其敏感度 且由于应变计20和22处在相同的温度下，因此通常不受温度波动的影响。当 衬里14由于容器10内的压力过低而开始收缩时，应变计22的长度会改变，其 会提供应变计22输出的变化。由于层12是刚性的，那么应变计20的长度不会 改变，所以应变计20和22之间的输出相对差异能够用于确定衬里14开始收缩 的时刻，并且因此确定容器10必须关闭的时刻。

惠斯登电桥46能够用于确定应变计20和22之间的平衡，从而确定上述的 容器10的关闭时刻。如图所示，惠斯登电桥40包括以正交构造电连接的四个 电阻48，50，52和54及电压表56。电线40和42分别连接至惠斯登电桥46 的相对结点58和60，并且应变计22的电线62和64分别连接至惠斯登电桥40 的相对结点66和68，如图所示。电阻48，50，52和54选择成使得惠斯登电桥 46被平衡并校准，从而在衬里14紧靠在结构层12的内部表面时提供应变计20 和22之间应力的给定值，例如0。

当容器10例如在气体填充站填充气体达到20bar的压力时，即分离发生位 置的压力，采用高精度压力传感器，惠斯登电桥40被归零到平衡值。只要容器 10内的压力高于20bar，衬里14就不会收缩且保持紧靠在外部结构层的内部。 应变计20和22的长度将会保持相同，且惠斯登电桥46的输出会停留在其校准 值。如果容器10内的压力低于20bar，在该位置衬里14开始收缩，那么刚性固 定在结构层12内的应变计20的长度保持相同，然而应变计22的长度会由于收 缩而减小。这就在由电阻48，50，52和54提供的惠斯登电桥46中形成不平衡， 由传感器56测出。该测量值能够被检测到，且合适的算法能够阻止关闭容器10， 从而提供衬里14进一步收缩。因而与以前能使用的相比，可以从容器10使用 更多的氢气。

前述所公开的讨论和描述仅是本发明示例性实施例。本领域技术人员会容易 从这些论述、附图和权利要求中得知：可以在其中进行各种变化、修正和改变， 而不会脱离如后面权利要求所限定的本发明的精神和范围。