CN101548128B - 压力容器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种包括金属接头件(3)和与所述金属接头件(3)接触的CFRP层(12)的压力容器(1)。在接头件(3)与CFRP层(12)相接触的第一接触区域上形成金属氧化层(50)。所述接头件(3)可由铝或铝合金制成，所述氧化层(50)可通过阳极处理接头件(3)形成。

Description

压力容器 
技术领域
本发明涉及一种设置于例如燃料电池系统中的压力容器，更具体来说涉及一种其中金属接头件(socket)与CFRP(   碳纤维加强塑料)层相接触的压力容器。 
背景技术
日本专利申请公报No.7-310895(JP-A-7-310895)中公开了上述类型的压力容器的一个示例。所公开的压力容器是一种通过向由聚乙烯树脂制成的衬层的外表面涂布CFRP层来加强所述衬层的箱。所述箱的开口配设有由铝合金制成的接头件。 
一般而言，当相互间电极电势不同的导体在例如湿润条件等条件下相互接触时，便会发生电化学腐蚀(电偶腐蚀，galvanic corrosion)。电化学腐蚀也可称作接触腐蚀、电势差腐蚀或杂散电流腐蚀。如果压力容器被放置在这样的湿润条件中，则可形成一电池。在该电池中，形成接头件的铝合金用作负极端，且形成CFRP层的碳用作正极端。在这种情况下，电势较低的接头件可能会被腐蚀。 
为了防止上述腐蚀，在日本专利申请公报No.7-310895(JP-A-7-310895)所公开的压力容器中，通过向接头件涂布电绝缘树脂或在接头件上粘附电绝缘胶粘带，来为接头件配设电绝缘层。 
然而，形成上述电绝缘层的工艺很复杂，而且，使用上述方法难以形成整体厚度均匀的电绝缘层。因此，需要改进成型方法。 
发明内容
本发明提供了一种压力容器，其中能够容易地制造出抑制接头件腐蚀的涂层或层。 
根据本发明的第一方面的压力容器包括金属接头件和与所述接头件接触的CFRP层。在该压力容器中，在所述接头件与所述CFRP层相接触的第一接触区域的至少一部分上形成金属氧化层。 
根据上述构型，接头件经氧化层(即绝缘层)间接接触CFRP层，从而抑制了接头件的腐蚀。另外，由于氧化层可通过表面处理来形成，能够容易地形成厚度均匀的氧化层。 
在根据本发明的第一方面的压力容器中，所述接头件可由铝和铝合金中的一者制成，所述氧化层可通过阳极处理所述接头件形成。 
根据上述构型，能容易地制造出厚度均匀的耐腐蚀氧化层。 
在根据本发明的第一方面的压力容器中，所述第一接触区域在所述接头件的外周面上，使得所述氧化层仅形成于所述接头件的外周面上。 
一般而言，在接头件的内周面上设置内螺纹以使阀等被螺旋插入并连接到该内螺纹上。另外，在接头件的内周面上设置密封面或密封槽从而通过在密封面或密封槽中配设密封部件而密封所述阀等与接头件之间的空间。因此，接头件的内周面的尺寸或形状常常被严格控制。根据上述本发明，氧化层仅形成在接头件的外周面上，从而能够避免改变接头件的内周面的尺寸或形状。这样便能够容易地控制接头件的内周面的尺寸或形状。 
如果压力容器包括涂有CFRP层的衬层(即，形成于CFRP层的内周面上和接头件的外周面上的衬层)，则接头件的外周面与衬层之间的空间可被密封。在这种情况下，用于提供密封且设置于接头件的外周面上的密封部的尺寸或形状得到严格控制。 
根据本发明的第一方面的压力容器可还包括衬层和密封部。所述衬层可形成于所述CFRP层的内周面和所述接头件的外周面上。所述密封部可形成于所述接头件的外周面上，且设有用以密封所述接头件与所述衬层之间的空间的密封部件。另外，在该压力容器中，所述第一接触区域可在所述接头件的外周面上，并且所述氧化层可形成于所述接头件的外周面上除 所述密封部以外的一部分上，所述外周面的所述部分至少包括所述第一接触区域。 
根据上述构型，由于氧化层不形成在接头件的密封部上，所以更容易控制密封部的尺寸或形状。另外，可容易地在接头件的外周面的包括优选形成氧化层的第一接触区域的一部分中形成氧化层。 
根据本发明的第一方面的压力容器可还包括：形成于所述CFRP层的内周面和所述接头件的外周面上的衬层；和第二接触区域，所述接头件与所述衬层在所述第二接触区域相接触。该压力容器可构造成使得所述第一和第二接触区域在所述接头件的外周面上，并且所述氧化层形成于所述第一和第二接触区域上，使得所述氧化层仅形成于所述接头件的外周面上。 
另外，在根据本发明的第一方面的压力容器中，所述氧化层的表面可通过封孔处理被封孔。 
另外，在根据本发明的第一方面的压力容器中，所述氧化层可形成于所述接头件的外周面上暴露于所述压力容器外部的一部分上。 
另外，在根据本发明的第一方面的压力容器中，所述氧化层可具有润滑性。 
氧化层可具有取决于所生成的氧化层类型的润滑性。如果氧化层具有润滑性，则能够避免CFRP层与接头件之间粘接。因此，能够避免在限制CFRP层运动时导致的应力集中。 
另外，根据本发明的第二方面的压力容器包括金属接头件和与所述接头件接触的金属衬层。在该压力容器中，在所述接头件与所述衬层相接触的接触区域的至少一部分上形成金属氧化层。 
根据上述构型，接头件经氧化层(即绝缘层)间接接触衬层，从而抑制了接头件的腐蚀。另外，能够通过表面处理容易地形成厚度均匀的氧化层。 
根据本发明的压力容器，能够容易地形成抑制接头件腐蚀的涂层或层。 
附图说明
通过以下参照附图对优选实施例的说明，本发明的上述和/或其它目的、特征和优点将更加清楚，其中相同的附图标记用于表示相同的元件，附图中： 
图1是示出燃料电池车辆的图，在该车辆中设置有根据本发明一实施例的压力容器； 
图2是示出根据本发明的实施例的压力容器的剖视图； 
图3是示出根据本发明的实施例的氧化层的放大剖视图； 
图4是示出图2的主要部分的放大剖视图。 
具体实施方式
下面参照附图说明根据本发明的实施例的压力容器。在本说明书中，将高压箱描述为压力容器的一个示例。 
图1示出一燃料电池车辆，在该车辆中设置有根据本发明的高压箱。燃料电池车辆100在车体的后部包括例如三个高压箱1。高压箱1构成燃料电池系统的一部分，使得燃料气体通过气体供给线路102从高压箱1被供给到燃料电池104。储存在高压箱1中的燃料气体是易燃性高压气体，如压缩天然气或氢气。应当指出，除燃料电池车辆外，高压箱1还可用于其它类型的车辆(例如电动车辆和混合动力车辆)、各种类型的移动体(例如船舶、飞行器和机器人)和固定式燃料电池。 
图2是示出各高压箱1的主要部分的剖视图。高压箱1包括箱体2和接头件3，一阀组件4被旋拧入并连接到接头件3。箱体2整体上呈筒状并且被紧密封闭，该箱体内的空间用作储存空间6，该储存空间用于储存压力高于常压的燃料气体。例如，在储存空间6中储存压力为35MPa或70MPa的氢气或者压力为20MPa的压缩天然气。在以下说明中，用氢气作为储存于高压箱1中的高压气体的示例。 
箱体2具有例如双层结构。一层是具有阻气性能的树脂衬里10。另一层是设置在树脂衬里10的外周面上的CFRP层12，而树脂衬里10设置在CFRP层12内侧。 
树脂衬里10可称作高压箱1的“内壳”或“内容器”。用于形成树脂衬里10的材料并不特别指定，树脂衬里10可由例如硬树脂(如聚乙烯树脂或聚丙烯树脂)制成。另外，树脂衬里10也可以是包括多个层的堆叠结构，所述堆叠结构通过组合两种或多种上述树脂层而形成。 
树脂衬里10包括折返部(folded portion)11。该折返部11形成于箱体2的纵向方向中的一端部上或分别形成于两个端部上，并且是通过将树脂衬里10的边缘朝向箱体2的内部折回以使得所述边缘离开CFRP层12而形成的。折返部11包括相互连续的弯曲部16和筒状部17。弯曲部16经弯折部位19与筒状体18连续。筒状体18是筒状的并且构成树脂衬里10的主体部分。 
CFRP层12(即，纤维加强层)可替代地称作高压箱1的“外壳”或“外容器”。CFRP层12是通过用碳纤维加强基体树脂(塑料)而形成的FRP(纤维加强塑料)层。例如，环氧树脂、改性环氧树脂、或不饱和聚酯树脂可用作基体树脂。在本实施例中，使用热硬化性环氧树脂作为基体树脂。另外，可利用金属纤维代替碳纤维作为加强纤维来形成树脂加强层。 
CFRP层12覆盖树脂衬里10的外表面。CFRP层12通过例如纤维缠绕(长丝缠绕，filament winding)而形成，在该纤维缠绕中将用环氧树脂浸渍的碳纤维缠绕在树脂衬里10的表面上，然后使环氧树脂加热固化。CFRP层12具有由多个环形层和螺旋层堆叠而成的堆叠结构，并且构造成使螺旋层部分地覆盖接头件3的外表面。 
接头件3由铝或铝合金制成，并且通过例如压铸而制成预定的形状。接头件3设置在箱体2的在其纵向方向上的一端或者两端，并且接头件3通过例如嵌件模塑而安装到树脂衬里10的相应的边缘。接头件3的轭部(collar portion)29被夹在树脂衬里10的折返部11与CFRP层12之间。 
接头件3包括开口部30。该开口部30的轴线与箱体2的轴线Y-Y相匹配。阀组件4、盖等被旋拧入并连接到开口部30上。例如阀组件4与设置在高压箱1外侧的气体供给线路102相连接，从而将氢气从储存空间6排出并供给到气体供给线路102中。注意，阀组件4的体部40由金属(如 不锈钢，更优选为与形成接头件3的材料相同的铝或铝合金)制成。 
在接头件3的内周面上形成供阀组件4插入的内螺纹31。另外，在接头件3的内周面上形成密封面32，在该密封面上设置有密封部件70、71以密封阀组件4与接头件3之间的空间。密封面32具有例如预定的内径并且通过直径朝向CFRP层12内部逐渐减小的环形锥面与内螺纹31连续。 
接头件3具有通过在接头件3的外周面的一部分上进行表面处理而形成的氧化层50。由于形成了氧化层50，接头件3的基材不直接接触CFRP层12，因此在接头件3与CFRP层12之间绝缘。 
例如阳极处理(可称为“氧化铝膜处理”)、化学转化处理、或电镀等可用作表面处理方法。在本实施例中，使用阳极处理方法作为表面处理方法，因为在上述的所有表面处理方法中，阳极处理对于形成均匀且厚的层以及提供防腐蚀性是有利的。硫酸阳极处理方法、草酸阳极处理方法、或铬酸阳极处理方法可用作氧化铝膜方法，但阳极处理方法不具体限于本文列出的方法。在本实施例中使用硫酸阳极处理方法。 
图3是示出氧化层50的结构的剖视图。氧化层50是通过熔化由铝或铝合金制成的接头件3的基体材料的表面(即熔化接头件3的外周面)而制成的氧化铝层。氧化层50包括阻挡层51和多孔层52。 
阻挡层51作为氧化层50的一部分形成于接头件3的基体材料与氧化层50之间的界面上。多孔层52由一组小孔形成。每个小孔的形状都是六棱柱形，并且在其中央包括微孔53。多孔层52与阻挡层51连续。多孔层52的表面54通过封孔处理而被封孔，使得孔53被覆盖和封闭。这样便改进了氧化层50的耐磨损性和绝缘性能。特别地，如果多孔层52的表面54通过封孔处理——在所述封孔处理中微小的PTFE(聚四氟乙烯)颗粒被化学地吸附在多孔层52的表面54上——而被封孔，则可改进氧化层50的润滑性。 
氧化层50具有良好的厚度均匀性。氧化层50的厚度基于进行电解的条件以及进行电解的时间段而确定。例如，该厚度在3到30μm的范围内。因此，与电镀方法相比，在使用阳极处理方法时更易于控制厚度。然而已 知的是，因为阳极处理方法由于在接头件3的外周面上形成的阳极化层而减小了接头件3的厚度，所以与电镀方法相比更难控制尺寸精度。在本实施例中，考虑到对接头件3的尺寸精度的控制，如下所述地限制形成氧化层50的部位。 
如图4中所示，仅在接头件3的外周面上形成氧化层50。这是因为即使在阳极处理接头件3时也避免了改变内螺纹31和密封面32的尺寸和形状。特别地，如果内螺纹31的尺寸或形状被改变，则阀组件4可能无法以合适的方式被紧密地旋入。另外，由设置在密封面32上的密封部件密封高压下的氢气。因此，密封面32与阀组件4的体部40之间的间隙应当被严格地控制，并且不希望接头件3在形成密封面32的部分处的厚度减小。因此，通过仅在接头件3的外周面上形成氧化层50，使得更加易于控制接头件3的内周面的尺寸或形状。 
另一方面，氧化层50可形成在接头件3的外周面上除了形成密封面34(密封部分)的部分以外的部分，而不是使氧化层50形成于接头件3的整个外周面上。也就是说，在接头件3的整个外周面上，氧化层50形成在第一接触区域35、第二接触区域36、第三接触区域37、以及凸缘面38上。这使得易于在考虑到上述准确控制间隙的要求的情况下控制接头件3的外周面的尺寸或形状。 
密封面34是用于使用密封部件80、81轴向密封树脂衬里10与接头件3之间的空间的区域，所述密封部件嵌入形成在树脂衬里10的筒状部17的内表面上的凹槽中。更具体地，密封面34是在轴线Y-Y方向上延伸的筒状区域。密封部件80、81设置在密封面34上。 
第一接触区域35和第二接触区域36与折返部11的周向表面相对，并且如果不设置氧化层50便直接接触折返部11的周向表面。密封面34设置在第一接触区域35与第二接触区域36之间。第三接触区域37与CFRP层12的内周面相对，并且如果不设置氧化层50便直接接触CFRP层12的内周面。第二接触区域36构成轭部29的外周面的一半，第三接触区域37构成轭部29的外周面的另一半。应当指出，本实施例中说明的第一接 触区域35和第二接触区域36可一起视作根据本发明的“第二接触区域”或“接触区域”，而本实施例中说明的第三接触区域37可视作根据本发明的“第一接触区域”。 
凸缘面38是露出高压箱1外部的表面，也就是说，该表面可暴露于外界大气中。支撑面39以基本垂直的方式与凸缘面38连续，并且是接头件3在箱体12的轴线Y-Y方向上的一个端面。阀组件4嵌装在支撑面39上。在本实施例中，在支撑面39上也形成有氧化层50。在凸缘面38或支撑面39上也可不形成氧化层50。另外，可省去密封面34，氧化层50也可形成在接头件3的整个外表面上。 
下面将说明制造根据本实施例的高压箱1的工艺步骤。首先制出接头件3。然后，通过掩饰处理覆盖接头件3的不需要被阳极处理的区域(例如内周面和密封表面)，然后阳极处理接头件3。这样，氧化层50形成在接头件3上需要形成氧化层50的表面上。被处理的接头件3通过嵌件模塑安装到树脂衬里10上。然后，将浸透环氧树脂的碳纤维缠绕在接头件3和树脂衬里10的外周面上使得碳纤维覆盖所述外周面，然后使环氧树脂加热硬化。这样便形成CFRP层12。根据此处所述的一系列工艺步骤制成其中接头件3和箱体2形成一体的高压箱1。 
在上述实施例中的高压箱1中，氧化层50(绝缘层)形成于接头件3与CFRP层12相接触的整个区域上，从而避免了接头件3与CFRP层12直接接触。因此，可避免接头件3的电化学腐蚀。另外，由于氧化层50是通过阳极处理形成的，所以能容易地制成厚度均匀的氧化层50。另外，这使得能够制造出抗热的氧化层50，该氧化层可耐受制造高压箱1时的加热，也就是说在进行加热硬化以形成CFRP层12时的加热。 
另外，如果氧化层50具有润滑性，则可合适地避免CFRP层12与接头件3之间的粘接。这使得能够避免对CFRP层12的运动(例如由高压箱1的内压改变引起的CFRP层12的运动)造成限制。因此，可避免在CFRP层12与接头件3之间的界面上的应力集中。另外，如果氧化层50具有润滑性，可降低不利的效果(例如由于在使用润滑剂时可能涉及的污 染而引起的性能退化)和随时间的不利的改变。 
在另一实施例中，可使用由例如铝制成的金属衬里作为衬里，来代替树脂衬里10。在这种情况下，以与如上所述相同的方式，氧化层50可以形成在接头件3与金属衬里相接触的整个区域上。特别地，优选通过阳极处理接头件3的不设置密封面34的整个外周面来形成氧化层50。 
尽管对本发明的说明是参照本发明的实施例进行的，应当理解本发明不限于该实施例或结构。相反，本发明应涵盖各种不同的修改方案和等效结构。另外，虽然以各种组合和构型示出了实施例的各种要素，但这仅是示例性的，包括更多、更少或仅一个要素的其它的组合和构型也在本发明的精神和范围内。 

Claims (5)

1.一种压力容器(1)，所述压力容器包括金属接头件(3)，与所述接头件(3)的外周面接触的CFRP层(12)，以及形成于所述CFRP层(12)的内周面和所述接头件(3)的外周面上的衬层(10)，其特征在于：
在所述接头件(3)与所述CFRP层(12)相接触的第一接触区域(37)、和所述接头件(3)与所述衬层(10)相接触的第二接触区域(35，36)上，形成具有润滑性的金属氧化层(50)，使得所述氧化层(50)仅形成于所述接头件(3)的外周面上。
2.根据权利要求1所述的压力容器(1)，其中：
所述接头件(3)由铝和铝合金中的一者制成，并且所述氧化层(50)是通过阳极处理所述接头件(3)而形成的。
3.根据权利要求1或2所述的压力容器(1)，其特征在于还包括：
密封部(34)，所述密封部形成于所述接头件(3)的外周面上，且设有用以密封所述接头件(3)与所述衬层(10)之间的空间的密封部件(80，81)，其中：
所述氧化层(50)形成于所述接头件(3)的外周面上除所述密封部(34)以外的一部分上，所述外周面的所述部分至少包括所述第一接触区域(37)。
4.根据权利要求1或2所述的压力容器(1)，其中：
所述氧化层(50)的表面通过封孔处理被封孔。
5.根据权利要求1或2所述的压力容器(1)，其中：
所述氧化层(50)形成于所述接头件(3)的外周面上暴露于所述压力容器(1)外部的一部分上。
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