用于在压力下储存挥发性气体的罐及包括这样的罐的结构的制作方法

本公开涉及用于在压力下储存气体的罐。在特定示例中，本公开涉及用于在车辆中使用以储存作为驱动车辆的动力系统的燃料气体的氢的罐。

背景技术：

1、普遍使用化石燃料作为能源用于驱动动力系统中的内燃机以推进车辆或用于本地发电，这是温室气体排放以及局部污染的重要来源。例如在城市中心的车辆运输中，在向低碳经济过渡以及来自减少燃烧化石燃料排放物方面所付出的努力致使正在研究在使用时清洁的替代能源储存，这是因为这些替代能源储存在使用时不会产生排放物或污染物。

2、使用电化学二次电池来储存能量以便以后无排放地转换为电力源例如以驱动电动马达来推进车辆已经越来越多地被用作替代方案。然而，这样的电池储存并非没有缺点，这是因为在例如汽车应用中，在充满电时，使用电池电动车辆当前可实现的里程通常被限制在100英里至200英里，并且补给储存在二次电池中的电荷所需的时间会导致里程焦虑并且对于长途旅行来说存在困难。此外，未来几年，二次电池所需的锂供应可能无法跟上电池储存需求的增长。因此，电池储存缺乏对所有应用的适用性，并且对供应的预期限制意味着如果我们要成功地摆脱化石燃料，就需要可行的替代能源储存。

3、一种替代能源储存是氢，可以根据需要将氢通过堆叠式燃料电池中的电解膜来将氢转换成电能，因此氢可以用作动力源，例如为电动马达提供动力以推进车辆。将储存的氢转化为燃料电池中的电能只产生热量和水作为副产物，因此完全不含碳并且在使用时不会产生其他污染物。此外，使用来自可再生能源的绿色能源产生氢的过程正在商业化，这为氢成为运输和当地发电的零碳电源提供了一种方式。此外，氢燃料电池不依赖于锂的可用性来满足绿色能源的市场需求。只要有来自氢源的氢供应，燃料电池就可以持续运行，氢源通常在压力下以液体或气体的形式储存在储氢罐中。这些储罐可以在加油站快速补给，并且像内燃机一样，在车辆应用中，这些储罐可以提供连续的动力例如用于长途行驶，且加油所需的停止时间短。

4、正是在这种背景下，设想了目前公开的主题。

技术实现思路

1、为了适应稳定储存氢所需的高压，储罐与所储存的燃料重量相比目前非常笨重。这意味着氢储存对氢动力车辆或发电机增加了显著的空间和体积要求以及显著的重量，这增加了设计限制并降低了氢动力运输的效率。例如，在当前的氢动力汽车中，储氢罐位于后排座椅后面，在后排座椅后面储氢罐受到更多的保护，这占据了车辆内的大量空间，并且显著增加了重量。

2、本公开的方面提供了一种用于在压力下储存挥发性气体的罐和包括该罐的结构。罐具有由长丝缠绕碳纤维增强聚合物制成的壁。在实施方式中，壁可以由长丝缠绕碳纤维增强聚合物形成，该长丝缠绕碳纤维增强聚合物具有分散在聚合物粘合剂基质中的石墨烯纳米材料填料。该结构包括用于承受来自内部载荷和外部载荷的静态力和动态力的框架，该框架包括罐，该罐是主动承重结构元件，该主动承重结构元件被构造为框架中的受力构件。在实施方式中，罐被构造成使得在使用中在结构中，罐承受来自内部载荷和外部载荷的静态力和动态力。在实施方式中，罐通过设计而形成为具有框架中的结构元件所需的机械性能，使得所述结构符合其所需的规范以实现其机械功能。在实施方式中，碳纤维的长丝缠绕模式、壁厚、壁形状、或包含分散的石墨烯的聚合物基质的材料性能中的一者或多者被设定成使得罐具有结构设计所要求的机械性能。

3、在实施方式中，罐可以形成为提供一个或多个一体化挂载点，以用于机械连接到框架的其他结构元件或用于支撑结构的其他非承重部件。在实施方式中，挂载点可以包括集成到长丝缠绕部中并且由聚合物粘合剂包覆成型或嵌入聚合物粘合剂中的固定部。在实施方式中，固定部可以包括：嵌入壁的长丝缠绕层中的一个或多个板；以及一个或多个锚接部，该一个或多个锚接部延伸穿过该一个或多个板并从壁伸出，以便为机械连接到框架的其他结构元件提供固定件或用于支撑结构的其他非承重部件。

4、在实施方式中，罐可以还包括围绕罐的结构性网状套筒，该结构性网状套筒从罐壁延伸并且用于在使用中将罐联接到结构，使得罐在该结构的框架中提供主动承重结构元件。在实施方式中，结构性网状套筒可以在罐壁的至少聚合物粘合剂基质中嵌入到罐壁中。在实施方式中，结构性网状套筒可以集成在罐壁的长丝缠绕部中。在实施方式中，结构性网状套筒可以具有一个或多个固定装置，以用于机械连接到框架的其他结构元件或用于支撑结构的其他非承重部件。

5、在实施方式中，罐可以还包括沿着罐的纵向轴线在罐中延伸并且在罐的相对的两端穿过罐壁的结构性杆，该结构性杆用于在使用中将罐联接到结构，使得罐在该结构的框架中提供主动承重结构元件。在实施方式中，罐壁的长丝缠绕部可以围绕结构性杆形成，使得结构性杆嵌入罐壁中。在实施方式中，在杆上可以布置有多个套环，每个套环都具有从杆径向延伸的凸缘，并且罐壁的长丝缠绕可以在杆的相对的两端处围绕套环缠绕。在实施方式中，杆可以具有限定腔体的中空横截面，杆被构造用于实现加压气体的来自或到达罐的流体连通。罐可以还包括压力调节器，该压力调节器被设置成与杆的腔体密封流体连通，以便将加压气体在罐压力与外部系统压力之间转换。

6、在实施方式中，所述结构是车辆，并且框架是车辆的底盘，并且其中罐用于储存加压燃料以在使用中将其传递到车辆的动力系统。

7、根据本公开的各方面，提供了一种用于储存挥发性气体的轻质罐，该轻质罐可以被制成为足够坚固，使得罐本身可以被设置为主动承重结构元件，作为结构框架中的受力构件，而不是被容纳在处于使用中的结构中并由处于使用中的结构支撑的被动载荷，使得在使用中在结构中，罐承受来自内部载荷和外部载荷的静态力和动态力。这样，不是提供由结构的框架承受的显著的额外重量，而是罐本身可以形成结构的框架的一部分，从而提供作为框架中的结构元件所需的必要的强度、刚度和其他机械性能。因此，储罐取代了原本需要提供的框架的结构元件，并且避免了提供必须被容纳在框架中并由框架支撑的额外的大且重的氢储罐的需要。在实施方式中，例如，框架可以是氢动力车辆的底盘，并且罐可以形成底盘的受力构件。

技术特征：

1.一种用于在压力下储存挥发性气体的罐，所述罐具有由长丝缠绕碳纤维增强聚合物形成的壁，其中所述罐被形成为提供主动承重结构元件来作为结构的框架中的受力构件，使得在使用中在所述结构中，所述罐承受来自内部载荷和外部载荷的静态力和动态力。

2.根据权利要求1所述的罐，其中，所述壁由长丝缠绕碳纤维增强聚合物制成，其中所述碳纤维增强聚合物具有分散在所述聚合物粘合剂基质中的石墨烯纳米材料填料。

3.根据权利要求1或2所述的罐，其中，所述罐通过设计而形成为具有所述框架中的结构元件所需的机械性能，使得所述结构符合所述结构所需的规范以实现所述结构的机械功能。

4.根据权利要求3所述的罐，其中，碳纤维的长丝缠绕模式、壁厚、壁形状或可选地包含分散的石墨烯纳米材料填料的聚合物基质的材料性能中的一者或多者被设定成使得所述罐具有所述结构的设计所需的机械性能。

5.根据前述权利要求中任一项所述的罐，其中，分散在所述聚合物粘合剂基质中的所述石墨烯纳米材料填料包括石墨烯纳米片。

6.根据前述权利要求中任一项所述的罐，其中，所述聚合物粘合剂是环氧树脂或热固性聚合物。

7.根据前述权利要求中任一项所述的罐，其中，所述罐是无衬里的。

8.根据前述权利要求中任一项所述的罐，其中，所述罐形成为在300巴至1000巴范围内的压力下储存气体。

9.根据前述权利要求中任一项所述的罐，其中，所述罐形成为储存呈液相或气相的压缩的氢、氮或氧。

10.根据前述权利要求中任一项所述的罐，其中，所述罐形成为使得所述罐在操作压力下充满时的重量为所述罐在排空时的重量的至少110％。

11.根据前述权利要求中任一项所述的罐，其中，所述罐形成为提供一个或多个一体化的挂载点，以用于机械连接到所述框架的其他结构元件或用于支撑所述结构的其他非承重部件。

12.根据权利要求11所述的罐，其中，所述挂载点包括集成到长丝缠绕部中并且由所述聚合物粘合剂包覆成型或嵌入所述聚合物粘合剂中的固定部。

13.根据权利要求12所述的罐，其中，所述固定部包括：一个或多个板，嵌入所述壁的长丝缠绕层中；以及一个或多个锚接部，延伸穿过一个或多个所述板并且从所述壁伸出，以提供用于机械连接到所述框架的其他结构元件或用于支撑所述结构的其他非承重部件的固定件。

14.根据前述权利要求中任一项所述的罐，还包括围绕所述罐的结构性网状套筒，所述结构性网状套筒从所述罐壁延伸并且用于在使用中将所述罐联接到所述结构，使得所述罐在所述结构的所述框架中提供主动承重结构元件。

15.根据权利要求14所述的罐，其中，所述结构性网状套筒在所述罐壁的至少聚合物粘合剂基质中嵌入所述罐壁中并且可选地集成在所述罐壁的长丝缠绕部中。

16.根据权利要求14或15所述的罐，所述结构性网状套筒具有一个或多个固定装置，以用于机械连接到所述框架的其他结构元件或用于支撑所述结构的其他非承重部件。

17.根据前述权利要求中任一项所述的罐，还包括结构性杆，所述结构性杆在所述罐中沿着所述罐的纵向轴线延伸并且在所述罐的相对的两端处穿过所述罐壁，所述结构性杆用于在使用中将所述罐联接到所述结构，使得所述罐在所述结构的所述框架中提供主动承重结构元件。

18.根据权利要求17所述的罐，其中，所述罐壁的长丝缠绕部围绕所述结构性杆形成，使得所述结构性杆嵌入在所述罐壁中。

19.根据权利要求17或18所述的罐，其中，在所述杆上布置有多个套环，这些套环均具有从所述杆径向延伸的凸缘，所述罐壁的长丝缠绕部在所述杆的相对的两端处围绕套环缠绕。

20.根据权利要求17、18或19所述的罐，其中，所述杆具有中空横截面，从而限定腔体，所述杆被构造用于以互通的方式与所述罐流体连通，所述罐还包括压力调节器，所述压力调节器设置成与所述杆的所述腔体密封地流体连通，以使加压气体在罐压力与外部系统压力之间转换。

21.一种结构，包括用于承受来自内部载荷和外部载荷的静态力和动态力的框架，所述框架包括根据前述权利要求中任一项所述的罐，所述罐是被构造为所述框架中的受力构件的主动承重结构元件。

22.根据权利要求21所述的结构，其中，所述罐被构造用于在使用中在所述结构内传递静态力和动态力。

23.根据权利要求21或22所述的结构，其中，所述结构是车辆，并且所述框架是所述车辆的底盘，并且其中所述罐用于储存加压燃料以用于在使用中将加压燃料传递到车辆的动力系统。

24.根据权利要求23所述的结构，其中，在使用中，包括所述罐的所述底盘支撑并承受所述车辆的动力系统的内部载荷。

25.根据权利要求23或24所述的结构，其中，所述底盘为承载式车身结构，并且所述罐形成所述底盘的受力构件。

26.根据权利要求23或24所述的结构，其中，所述底盘包括子框架或非承载式车身结构，并且所述罐形成所述底盘的受力构件。

技术总结
本公开涉及一种用于在压力下储存挥发性气体的罐(140)以及包括该罐的结构(100)。该罐具有由长丝缠绕碳纤维增强聚合物(CFRP)形成的壁。CFRP可以具有分散在聚合物粘合剂基质中的石墨烯纳米材料填料。该结构包括用于承受来自内部载荷和外部载荷的静态力和动态力的框架，该框架包括罐，该罐是主动承重结构元件，该主动承重结构元件被构造为框架中的受力构件，使得在使用中在结构中，罐承受来自内部载荷和外部载荷的静态力和动态力。罐通过设计而形成为具有框架中的结构元件所需的机械性能，使得结构符合其所需的规范以实现其机械功能。碳纤维的长丝缠绕模式、壁厚、壁形状或包含分散的石墨烯的聚合物基质的材料性能中的一者或多者被设定成使得罐具有结构设计所要求的机械性能。

技术研发人员：马修·罗伯特·福克斯,罗米利·弗朗西丝卡·克洛斯,尼古拉斯·利奥·韦瑟比,劳伦斯·特纳
受保护的技术使用者：维瑞科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15