CN101365825B - 用于氢存储容器的安全警告及关闭装置及方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

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。

背景技术

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。

目前的压缩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，利用软件及硬件设施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。

附图说明

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90％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10、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10,000psi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，即，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10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将激活止回阀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，引入硬件及软件设施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，以通常室温下的压缩气体、室温与低温之间的温度下的压缩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。

Claims (25)

1.一种用于氢存储容器的安全警告及关闭系统，其包括：

固定地附装到所述氢存储容器的车载阀组合件，所述阀组合件具有用于填充所述氢存储容器的止回阀、电螺线管、被配置为测量所述氢存储容器中的压力的压力变换器及被配置为测量所述氢存储容器中的温度的温度变换器；

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所述阀组合件并且防止对所述氢存储容器的进一步使用。

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氢存储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氢存储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氢存储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，其包括处于所述阀组合件中的隔膜，所述隔膜在所述阀组合件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所述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设施以便一旦所述系统达到所述预定限度便防止篡改所述系统。

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存储容器被填充到额定压力或质量的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，其中所述切断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，所述切断装置去激活所述电螺线管以停用所述阀组合件且防止对所述氢存储容器的进一步使用。

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，所述切断装置去激活所述止回阀以停用所述阀组合件并防止对所述氢存储容器的进一步使用。

13.如权利要求1所述的安全警告及关闭系统，其中所述切断装置是计数所存储的氢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，其中所述切断装置是计数所存储的氢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容器。

16.如权利要求10、13和14中任一项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10、13和14中任一项所述的安全警告及关闭系统，其中所述控制器是附装到所述氢存储容器的单独微处理器。

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、固定地附装到所述氢存储容器的车载阀组合件，所述阀组合件具有用于填充所述氢存储容器的止回阀、电螺线管、被配置为测量所述氢存储容器中的压力的压力变换器及被配置为测量所述氢存储容器中的温度的温度变换器；

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组合件并防止对所述氢存储容器的进一步使用。

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氢存储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氢存储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，其中所述传感器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组合件中的压力变换器。

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，其进一步包括一旦所述系统已达到所述预定的填充循环数目便使用所述系统内的软件及硬件设施防止篡改。

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组合件并防止对所述氢存储容器的进一步使用。

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