专利名称：用于氢存储容器的安全警告及关闭装置及方法
技术领域：
本发明揭示一种经设计以用于向车辆传动系输送氢的车载氢存储及供应系统的 安全机构。所述机构提供用于氢存储装置的安全警告及关闭系统及方法。
背景技水
氢是宇宙中含量最丰富的元素且可作为主要能源。由于氢可产生大量的环境益处 且可从各种各样的化石及可再生能源中产生，所以氢已日渐被誉为未来燃料。氢可以 压缩形式或液体形式或呈固态以化学方式或通过吸附手段存储。
存在对氢存储系统的三个基本要求(1)从外部源接收燃料的能力；(2)提供足
够的存储容量以允许动力系为车辆提供充足的行进范围；及(3)视需求以要求的速率
向动力系供应燃料。
然而，由于氢的低能量密度，氢的存储是富有挑战性的。当前， 一种可存储氢的 方法是将其存储在高压容器中。这些容器必须很大且在每一加压循环期间均可经受应
力及应变，从而导致材料疲劳及强度降低。
目前的压縮氢车载存储系统经设计以支持每年750到1,000个填充循环，且持续 约15-20年的时间。所述压力器皿经测试以支持15,000个泄露及无破裂循环且持续额 外的30,000个无破裂循环。假设每次填充200英里的范围，则当前的要求相当于每年 150,000到200,000英里，从而导致相当大的过度设计且造成容器设计上的重量及成本 损失。因此，当前的容器设计并不具有成本效益。
在不存在良好界定的机构以保证超过循环使用寿命的系统被肯定地认为已损坏 时，此行业继续鼓励将过度设计作为保证安全的唯一手段。这可造成用于车载氢存储 及供应系统的生产及维护的较高成本。
发明内容
本发明提供一种用于车载氢存储容器的替代的具有成本效益安全特征，此特征是 通过排除对过度设计的需要对现有技术的改进。揭示一种包括具有驾驶员警告及关闭 系统的填充循环计数器的系统及方法。
在一个实施方案中，揭示一种用于氢存储容器的安全警告及关闭系统及方法，其
包括附装到所述容器的阀，所述阀具有用于填充所述氢存储容器的止回阀、电螺线 管、压力变换器及温度变换器；用于监视填充循环数目的传感器；及切断装置，其用
于在达到填充循环数目的预定限度之后停止进一步使用氢系统。
在例示性实施方案中，所述传感器为安放在燃料容器中的应变计量仪。所述应变 计量仪可以是所属技术领域中已知的若干不同计量仪。在一个实施方案中，所述传感 器包括利用嵌入式光纤在容器中测量应变的应变计量仪。在另一实施方案中，所述传 感器为在容器中测量应变的机械应变计量仪。在又一实施方案中，所述感测系统并入 声发射发生器及接收器以监视因对容器加压而引起的结构应变。
在其它实施方案中，所述安全警告及关闭系统及方法将传感器并入阀中。在一个 例示性实施方案中，应变计量仪包括位于阀中的隔膜。
在进一步的实施方案中，所述系统包括警告装置以通知车辆的使用者系统正接近 预定的限度。
在再一些实施方案中，利用软件及硬件测量以在系统达到预定限度时防止篡改所 述系统。
所述安全警告及关闭系统还可包括计数填充循环数目的控制器。在例示性实施方 案中，填充循环是在每次氢容器被填充到额定压力或质量的90%以上时计数的。
在其它例示性实施方案中，所述控制器去激活所述电螺线管以停用所述阀并防止 在填充循环数目已达到预定数目之后进一步使用所述氢系统。所述控制器还可去激活
所述止回阀以停用所述阀并防止在填充循环数目已达到预定数目之后进一步使用所述
氢系统。
在例示性实施方案中，所述控制器为发动机控制单元。在其它实施方案中，所述 控制器为附装到氢容器或机械计数器的单独微处理器。
根据后续说明及随附权利要求书，本发明的其它目的、特征及优点将变得显而易见。
结合附图参照下文说明，上文提及的本发明特征及目标将变得更加显而易见，在 附图中，相同的参考编号表示相同的元件，且其中
图1是图解说明并入整合到容器阀中的本发明装置的氢存储系统的透视图； 图2是图解说明并入本发明装置的容器阀的细节的透视图。 图3图解说明氢存储系统的一个实施方案，其描绘容器中存在的金属应变计量仪。 图4图解说明氢存储系统的另一实施方案，其描绘容器中存在的光纤嵌入式应变 计量仪。
图5图解说明氢存储系统的另一实施方案，其描绘容器中存在的光纤嵌入式应变 计量仪。
图6图解说明氢存储系统中的阀的近视图，其描绘所述阀中存在的压力变换器端口。
图7图解说明根据本发明的氢存储容器安全及关闭系统的系统方块图。
具体实施例方式
本发明提供一种替代的具有成本效益安全特征，其并入有具有驾驶员警告及关闭
系统5的填充循环计数器。系统5监视填充氢容器10的次数，且然后在预定的终止点 处采取措施。传感器40监视每次氢容器10被填充到额定压力或质量的9O免以上。一 旦达到预先设定的使用寿命，所揭示装置/方向将停用阀12或燃料加注机构以便切断 对车辆的燃料供应且使得不可再次填充容器10。这可实质上保证容器10的使用寿命 结束。
在图1所图解说明的关闭装置及系统5的例示性实施方案中，关断阀组合件12 附装到容器IO、 12的壁。容器10安放在利用氢作燃料的车辆上。例如，用于车载氢 存储的典型容器10经设计以具有约5000到10,000 psi的额定压力。
如图2所图解说明，例示性阀组合件12包括电螺线管关断阀14、压力变换器16、 温度变换器18及止回阀20。当外部压力增大到设计压力以上时，阀12还可具有压力 释放装置22。氢通过止回阀20填充到容器10中，所述止回阀仅允许单向流，SP，流 到容器10中。应动力系需求，氢通过阀开口从容器10流出。
从安全角度考虑，氢存储容器具有有限的使用寿命期。 一旦已将充足数目的填充 循环且由此将高应变设置在容器10上，则不再利用所述容器。此系统提供一种监视设 置在氢存储容器10上的应变及疲劳的量的构件。
为监视容器10的使用寿命，并入有传感器40来监视对容器10的填充循环数目。 在例示性实施方案中，传感器40是应变计量仪。可利用任何类型的计量仪或传感器 40来发信号通知已做出填充。
在本发明的例示性实施方案中，将传感器40构造到容器IO壁或阀12内以在每 次填充容器10时进行检测。传感器40监视填充循环的数目，直到填充循环数目达到 预定的终止点为止。当填充循环数目已达到此预定终止点时，激活切断装置。
在例示性实施方案中，每当将容器10填充到额定工作压力或额定氢质量的90% 以上时，便发生有影响的事件。当发生此一有影响事件时，传感器40指示应计数填充 循环。在完成填充事件时计数部分填充的数目也是可能的。
在进一步实施方案中，利用控制器42来计数循环的数目。 一旦系统已达到填充 循环数目的预定终止点，控制器42即激活切断装置46来防止系统允许任何进一步的 填充循环。
例如，车辆可具有约250,000英里的期望利用率。典型的车载氢存储容器10具有 约200英里的范围。因此，容器10可经设计以用于填充共计约1250个循环的循环。 在此实例中，1250可以是例示性氢存储系统的循环数目的预定终止点。在控制器42 已计数经设计以用于所述系统的循环数目之后，激活切断装置46。然而，这些数目只
是说明性的。所属技术领域的技术人员可以各种范围及设计参数来设计利用所揭示的 安全及关闭装置的另一容器。
在图3所图解说明的实施方案中，传感器40可以是金属应变计量仪28。金属应 变计量仪28包括极细金属线36，或更普遍地包括布置为栅格图案30的金属箔。栅格 图案30使经受平行方向上的应变的金属线或箔36的数量最大化。栅格30接合到薄背 衬或承载架32。例如，可利用焊料连接片34将栅格30接合到承载架32。承载架32 安装到容器10壁。当容器10在填充循环期间经受应变时，所述应变直接地转移到应 变计量仪28，从而增大了栅格30的长度。然后金属应变计量仪28通过电阻的线性变 化做出响应，由此来感测填充循环。
在另一实施方案中，传感器40可以是光纤应变计量仪60。如图4中图解说明， 光纤应变计量仪60包括嵌入在容器10的壁中的光纤电缆62。光纤电缆62包含封入 玻璃管62中的布拉格光栅66。玻璃管62利用粘合剂68附装到光纤电缆62。光纤布 拉格光栅66是沿光纤长度在折射率上的周期性变化。在光纤应变计量仪60中，传感 器40通过移位从来自布拉格光栅66的纤维反射下来的光的光频率来测量应变，所述 布拉格光栅本身嵌入在纤维62内。由于光纤可免受电干扰及腐蚀影响，所以光纤电缆 是有用的。
图5描绘了另一实施方案，图中将传感器40显示为声发射应变计量仪。声发射 应变计量仪包括安装到容器10的传输器70及接收器72。声发射信号波74可用作检 测容器10何时发生材料改变(例如，容器10上的应变)的媒介。当接收器72已接收 到此声发射信号波74时，所述系统感测到已出现填充循环。
在本发明的另一实施方案中，流量开关或压降开关并入到阀壳24中或其附近以 计数填充循环的数目。如图6中所示，阀12中有压力变换器16。压力变换器16监视 阀12中的压力。当阀12处于压力下时，压力变换器16发生位移并将此位移转换为电 输出，例如电压或电流。当压力变换器16发射出电压时，所述系统计数一个填充循环。
为监视压力下的变化，将可移动隔膜并入到阀体壳24中。当容器充满氢时，所 述隔膜接触计数填充循环数目的开关。
在另一实施方案中，系统中存在的温度变换器18用于监视填充循环的数目。系 统5监视所存储气体的温度何时增加，所述温度增加与填充过程相关联。在另一实施 方案中，系统5监视并计数所存储气体的温度减小的次数，所述温度减小与排放过程 相关联。
安全系统及关闭装置5可由若干不同控制器来控制。在一个实施例中，所述安全 及关闭系统附装到车辆中的发动机控制单元。来自传感器40的信号将由燃料系统控制 器处理以记录总填充数目。
在另一实施方案中，传感器40或应变计量仪可相互连接以分离附装到容器10的 微处理器。所述微处理器将计数填充循环的数目。 一旦填充数目已达到预定终止点， 所述微处理器即激活切断装置46,从而使容器变得不可用。
在其它实施方案中，控制器42可以是机械计数器。所述机械计数器可包括无论 填充循环在何处完成都被激活的开关。然后所述机械计数器可停用所述系统并防止进 一步使用氢容器10。
在例示性实施方案中，随着已达到预定的填充循环数目，控制器42将激活止回 闽5以防止进一步填充存储系统。因此，系统将关闭止回阀并防止更多的燃料进入系 统。
在另一实施方案中，控制器42将永久地关断螺线管阀3的电源以使不再有燃料 释放。这将基本上停用燃料系统且使车辆接地。
在本发明另一实施方案中，控制器42将致使压力变换器16向燃料加注站及/或车 辆车载燃料加注控制单元发送虚假"满"信号，以使容器10因所述"满"指示而不再 被填充。
在例示性实施方案中，所述关闭系统进一步包括警告装置44来通知车辆驾驶员 容器10正接近其预定的终止点。警告装置44将向车辆驾驶员指示需要维修，或可能 需置换容器以继续车辆的操作。
在本发明另一实施方案中，引入硬件及软件测量48来以类似于对当今车辆的里 程表篡改保护的方式使填充循环及切断装置46可防篡改。这可防止车辆使用者过度使 用所述系统及在容器10已实现其全部使用寿命后继续使用氢容器10。
本发明的各种实施方案均可适用于加压的液体氢存储系统，以通常室温下的压縮 气体、室温与低温之间的温度下的压縮气体及通过物理吸附存储的气体的形式或以化 学氢化物的形式。
虽然已针对目前将哪一实施方案视为最可行及优选实施方案描述了所述设备及 方法，但应了解，本发明无需限于所揭示实施方案。其打算涵盖包含于权利要求书精 神及范围内的各种修改及类似布置，权利要求书的范围应与最广泛的理解相一致以包 含所有这种修改及类似结构。本发明包含以下权利要求书的任何及所有实施方案。
权利要求
1、一种用于氢存储容器的安全警告及关闭系统，其包括附装到所述容器的阀组合件，所述阀具有用于填充所述氢存储容器的止回阀、电螺线管、压力变换器及温度变换器；用于监视填充循环数目的传感器；及切断装置，其用于在达到所述填充循环数目的预定限度之后停用对所述氢系统的进一步使用。
2、 如权利要求1所述的安全警告及关闭系统，其中所述传感器是安放在所述燃 料容器中的应变计量仪。
3、 如权利要求1所述的安全警告及关闭系统，其中所述传感器包括利用嵌入式 光纤在所述容器中测量应变的应变计量仪。
4、 如权利要求1所述的安全警告及关闭系统，其中所述传感器是在所述容器中 测量应变的金属应变计量仪。
5、 如权利要求1所述的安全警告及关闭系统，其中所述传感器是利用声发射来 测量应变。
6、 如权利要求1所述的安全警告及关闭系统，其中所述传感器是应变计量仪， 其包括处于所述阀中的隔膜，所述隔膜在所述阀中的压力改变时被激活。
7、 如权利要求1所述的安全警告及关闭系统，其进一步包括用于通知车辆使用 者所述系统正接近预定限度的警告系统。
8、 如权利要求1所述的安全警告及关闭系统，其进一步包括软件及硬件测量以防止一旦所述系统达到所述预定限度便篡改所述系统。
9、 如权利要求1所述的安全警告及关闭系统，其中所述填充循环是在每次所述 氢容器被填充到所述额定压力或质量的90%以上时而计数的。
10、 如权利要求1所述的安全警告及关闭系统，其中所述关闭装置是计数所述填 充循环数目的控制器。
11、 如权利要求1所述的安全警告及关闭系统，其中在所述填充循环数目已达到 所述预定限度之后，所述关闭装置去激活所述电螺线管以停用所述阀且防止对所述氢 系统的进一步使用。
12、 如权利要求1所述的安全警告及关闭系统，其中在所述填充循环数目已达到 所述预定限度之后，所述关闭装置去激活所述止回阀以停用所述阀并防止对所述氢系 统的迸一步使用。
13、 如权利要求1所述的安全警告及关闭系统，其中所述关闭装置是计数所述存 储气体的温度增加的次数的控制器，所述温度增加与填充过程相关联。
14、 如权利要求1所述的安全警告及关闭系统，其中所述关闭装置是计数所述存 储气体的温度减小的次数的控制器，所述温度减小与排放过程相关联。
15、 如权利要求1所述的安全警告及关闭系统，其中所述系统通过向燃料加注站 控制器发送指示所述系统已完全充满的假信号来防止在所述填充循环数目已达到所述 预定限度之后进一步填充所述氢存储系统。
16、 如权利要求1所述的安全警告及关闭系统，其中所述控制器是发动机控制单元。
17、 如权利要求1所述的安全警告及关闭系统，其中所述控制器是附装到贮气罐 的单独微处理器。
18、 一种提供用于氢存储容器的安全警告及关闭系统的方法，所述方法包括-提供氢存储容器、附装到所述容器的阀组合件，所述阀具有用于填充所述氢存储容器的止回阀、电螺线管、压力变换器及温度变换器； 利用传感器计数填充循环数目；及在达到预定的填充循环数目之后停用所述阀及对所述氢系统的进一步使用。
19、 如权利要求18所述的方法，其中所述传感器包括利用嵌入式光纤在所述容 器中测量应变的应变计量仪。
20、 如权利要求18所述的方法，其中所述传感器是在所述容器中测量应变的金 属应变计量仪。
21、 如权利要求18所述的方法，其中利用声发射监视系统来测量应变。
22、 如权利要求18所述的方法，其中所述传感器是位于所述系统的所述阀中的 压力变换器。
23、 如权利要求18所述的方法，其进一步包括警告车辆使用者所述系统正接近 所述预定的填充循环数目。
24、 如权利要求18所述的方法，其进一步包括防止一旦所述系统己达到所述预 定的填充循环数目便篡改所述系统内的软件及硬件测量。
25、 如权利要求18所述的方法，其进一步包括在所述填充循环数目已达到所述 预定数目之后，去激活所述止回阀以停用所述阀并防止对所述氢系统的进一步使用。
全文摘要
本发明提供一种用于车载氢存储容器的替代的具有成本效益的安全特征，所述容器并入有具有驾驶员警告及关闭系统的填充循环传感器。所述系统监视填充氢容器的次数，且然后在预定的终止点处采取措施。控制器监视每次所述氢容器被填充到额定压力或质量的90％以上。一旦达到填充循环的所述预定终止点，所揭示装置/方法将停用所述阀或燃料加注机构以便切断对车辆的燃料供应且使得不可再次填充所述容器，从而实质上保证所述容器的使用寿命结束。
文档编号C25B9/00GK101365825SQ200680048255
公开日2009年2月11日 申请日期2006年12月21日 优先权日2005年12月23日
发明者尼尔·西罗什, 托尼·斯特普尔斯, 鲍勃·米勒 申请人:昆腾燃料系统技术全球公司