燃料气体罐及其制造方法

文档序号:9233005阅读:431来源:国知局
燃料气体罐及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种燃料气体存储罐及其制造方法,更具体涉及一种可安全存储高压气态燃料的罐及其制造方法。
【背景技术】
[0002]一般地,在诸如燃料电池车和压缩天然气车辆等可选的燃料气体车辆中,存储系统的构造基于燃料气体的存储方法而有所不同。目前,车辆制造商在考虑成本、重量以及存储方法简便性的同时,还关注压缩气体的存储方法。然而,由于气态燃料具有低能量存储密度,因此可能需要增大存储量或存储压力,来增加车辆的行驶距离。由于车辆中的气体存储系统安装空间有限,因此存储罐的尺寸也会受到限制,因此需要安全地存储更高压力的气体。
[0003]为了使燃料气体存储罐的复合罐承受由压缩气体带来的内压,利用具有高比强度和高比刚度的纤维加强复合材料来加固外层,并且将用来保持气密性的衬里布置在复合层内部。此外,燃料气体存储罐的形式根据衬里的材料而变化,并且被分成具有由诸如铝等金属制成的衬里的类型,和具有高密度聚合物衬里的类型,等等。具体地,当衬里由金属制成时,虽然衬里具有较高的安全属性,但是价格比较昂贵,并且具有较低的耐疲劳特性。
[0004]图5示出具有高密度聚合物衬里的传统燃料气体存储罐,附图标记100指代复合材料,附图标记110指代聚合物衬里。当衬里为高密度聚合物衬里时,价格相对便宜且耐疲劳特性优异,但是存在氢的耐渗透性能降低等安全问题(例如,聚合物衬里并不能完全防止氢渗透到衬里中)。
[0005]具体地,如图5所示,传送气体可停留在聚合物衬里110和复合材料100的界面处,并且在罐压下降时,气体会使复合材料层和聚合物衬里层分离。此外,气体可通过复合材料中的流动路径而泄漏到罐的外部。此外,停留在界面处的传送气体会使聚合物衬里110沿向内方向变形,并使聚合物衬里弯曲,如图6所示。
[0006]在该背景部分公开的上述信息仅用于增强对本发明背景的理解,因此可包含并不构成本国本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

【发明内容】

[0007]本发明提供一种燃料气体存储罐及其制造方法,其中通过利用在聚合物衬里本体部的注塑/挤压成型过程中与金属线圈一体形成而在衬里的周向和径向上具有增强刚度的燃料气体存储罐,可以防止复合材料与聚合物衬里分离,并且可防止因渗透的燃料气体的压力而导致聚合物衬里弯曲。
[0008]此外,本发明提供一种燃料气体存储罐及其制造方法,其可消除因气体的瞬间释放而引起的爆炸声,例如能够利用诸如复合材料和聚合物衬里之间的气体扩散层等多孔层暂时存储渗透的气体,利用多孔层中的气泡来去除和释放渗透的气体。
[0009]燃料气体存储罐可包括形成罐壳体的复合材料以及布置在复合材料内部(under)的衬里,其中衬里具有金属线圈一体形成在衬里内部的结构,该结构可增大衬里在周向和径向上的刚度。因此,燃料气体存储罐可通过嵌入的金属线圈一体化结构,来增大衬里在周向和径向上的刚度。
[0010]具体地,可以在衬里注塑成型时,将与衬里一体形成的金属线圈一体地成型或插入,并且在那时与衬里一体成型的金属线圈可形成到衬里的本体部上。此外,燃料气体存储罐还可包括形成在复合材料和衬里之间的气体扩散层,以允许气体在扩散和移动时被释放到外部。
[0011]制造燃料气体存储罐的方法可包括以下步骤:利用注塑或挤压模具使装备有金属线圈的金属线圈一体化衬里成型,以及利用绕丝机在金属线圈一体化衬里的表面上制造复合材料。该方法还可包括利用发泡模具,通过在金属线圈一体化衬里的表面上使多孔层材料发泡成型而使气体扩散层成型。此外,金属线圈一体化衬里的成型可包括,利用注塑或挤压模具使装备有金属线圈的金属线圈一体化衬里的本体部成型,使装备有金属凸起部的金属凸起一体化衬里圆顶部成型,并且通过熔化将衬里本体部和衬里圆顶部接合起来。
[0012]另外,该制造方法还可包括自紧工艺(autofrettage),在复合材料和衬里之间形成残余应力。此外,利用绕丝机在金属线圈一体化衬里的表面上制造复合材料的步骤可包括:当长丝缠绕复合材料时,覆盖位于衬里两端处的凸起部的一部分。
[0013]本发明提供的燃料气体存储罐及其制造方法具有以下效果:
[0014]I)增大衬里的刚度
[0015]通过去除衬里与复合材料之间的层离区域(例如,分离的部分),可以防止穿过衬里并停留在释放空间中的燃料气体被截留(trap)。
[0016]通过增加衬里的周向刚度,可以防止因被截留在衬里和复合材料之间的释放空间中的气体而使衬里弯曲。
[0017]2)被传送的燃料气体的排出
[0018]通过衬里的壁传送的燃料气体,可通过气体扩散层中的孔和孔与孔之间的流动路径,移动到罐两端处的凸起部,并且可通过形成由多孔层材料制成的气体扩散层而被释放到大气(例如,存储罐的外部)。
[0019]可防止出现已停留在衬里和复合材料之间的释放空间中的传送气体被立即释放到凸起部的现象,这样可防止爆炸声,并且气体可以经由复合材料流动路径而被释放到罐的表面上。
【附图说明】
[0020]现在参考在附图中示出的某些示例性的实施方式来详细描述本发明的上述和其它特征,仅仅以示例性的方式给出下文中的附图,因此其不构成对本发明的限制,其中:
[0021]图1是示出根据本发明示例性实施例的燃料气体存储罐的示例性剖视图;
[0022]图2是示出根据本发明示例性实施例的燃料气体存储罐的复合层与具有金属线圈(例如插入到聚合物衬里中的金属线圈)的聚合物衬里的应力曲线,以及二者之间的接触机构的示例性示意图;
[0023]图3是示出渗透气体从根据本发明示例性实施例的燃料气体存储罐排出的状态的示例性剖视图;
[0024]图4是示出根据本发明示例性实施例的燃料气体存储罐的制造方法的示例性示意图;
[0025]图5是示出根据现有技术的燃料气体存储罐的示例性剖视图;以及
[0026]图6是示出根据现有技术的燃料气体存储罐的弯曲的示例性视图。
[0027]应当理解的是,附图不必按比例绘制,而是呈现出说明本发明的基本原理的各种特征的简化表示。在此公开的本发明的特殊设计特征,包括,例如特殊的尺寸、取向、位置、以及形状,可部分地由特别意图的应用和使用环境决定。在附图中,贯穿附图中几幅图的附图标记涉及本发明的相同或等效部件。
【具体实施方式】
[0028]可以理解的是,本文所使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似的术语包括一般而言的机动车辆,诸如包含运动型多用途车辆(SUV)、公共汽车、货车,各种商用车辆的客车、包含各种轮船和舰船的船只、飞行器等等,并且包括混合动力车、电动汽车、燃油式、混合动力电动汽车、氢动力汽车和其它替代燃料汽车(例如,从除了石油以外的资源中取得的燃料)。
[0029]本文所用的术语仅用于描述特定实施例,而并非对本发明进行限制。如本文所使用的,除非上下文另有明确指出,否则单数形式“一”、“一个”和“该”也旨在包括复数形式。还应该理解的是,在该说明中使用的术语“包括”和/或“其包括”,具体指存在所述特征、整体、步骤、操作、元件、和/或组件,但不排除存在或添加一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的群组。如本文所使用的,术语“和/或”包括一个或多个相关所列事项的任何组合和所有组合。
[0030]下文将详细地参考本发明的不同示例性实施例,其示例显示在附图中并在下文进行描述。尽管将结合示例性实施例对本发明进行描述,然而,应当理解的是,这些描述并非旨在将本发明限制到那些示例性实施例。相反地,本发明旨在不仅涵盖示例性实施例,并且还涵盖可包括在由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的各种替代、修正、等效形式以及其它实施例。
[0031]接下来,将参考附图详细地描述本发明。
[0032]图1是示出根据本发明示例性实施例的燃料气体存储罐的示例性剖视图。如图1所示,燃料气体存储罐可具有诸如管状的结构,其可通过将卷绕的金属加强件一体地装备到聚合物衬里的本体部内以增强刚度,从而防止不同材料界面之间发生层离(例如分离)。因此,燃料气体存储罐可包括形成罐的壳体的复合材料10,以及被布置在复合材料10内部的聚合物衬里11。
[0033]具体地,复合材料10和衬里11可向内、向外地双粘合到彼此,以便提供可安全存储高压燃料气体的空间并形成罐的形状。金属线圈12 (例如具有由金属制成的螺旋弹簧形式的金属线圈12),可形成在衬里11内部,以增大衬里11的周向和径向刚度。金属线圈12可由基于材料的延伸强度和屈服强度的各种材料制成,例如铝、不锈钢等。
[0034]金属线圈12可在衬里11的注塑成型过程中被一起插入并一体成型,以此方式被一体插入并成型的金属线圈12可完全地布置在本体部中,而不会暴露到外部,同时同心地布置在衬里11的衬里本体部Ila上。另外,当衬里11包括衬里本体部Ila和衬里圆顶部Ilb的一体结构时,衬里本体部Ila和衬里圆顶部Ilb可以分别在注塑或挤压成型后,通过熔化,形成彼此粘合的一体化衬里。具体地,由于金属线圈12 —体地构建于衬里11内,因此可增大衬里11的周向和径向刚度。
[0035]另一方面,可通过被插入来代替金属线圈12,以堆叠形式制造管状薄膜金属,但是由于材料之间的渗透性存在差异,而会在聚合物和金属层之间发生层离。然而,当根据本发明示例性实施例应用金属线圈12时,在增大刚度的同时,被传送的氢气可在线圈之间(例如,聚合物基体材料之间)移动。因此,不会发生如同管状薄膜金属那样在不同材料界面之间发生分呙。
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