CN102195054B - 通过热交换器在压缩气体器皿内的气体温度调节 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及通过热交换器在压缩气体器皿内的气体温度调节，具体地，描述一种用于存储燃料电池反应物的压力器皿。该压力器皿包括：内壳，该内壳由可模制材料形成并且在该内壳内形成腔；和形成为围绕所述内壳的外壳。热传递构件布置在器皿腔内。热传递构件被热联接到压力器皿外部的合适的外部热质量，以使热能量对所述器皿的影响最小化。热传递构件可为所述腔内的金属结构，或者可在内壳表面上与内壳成一体。外部热质量可进一步被热联接到主动或被动外部热处理系统，用于控制器皿内的流体的温度。

Description

通过热交换器在压缩气体器皿内的气体温度调节
技术领域
本发明总体涉及一种压缩气体容器，更具体而言，涉及一种在车辆上存储氢气用于燃料电池的压缩气体容器，其中该容器包括内部热交换结构以抑制在该容器被填充压缩气体时以及从该容器抽取压缩气体时的温度波动。
背景技术
氢是非常有吸引力的燃料源，因为它清洁并且能够用于在燃料电池中有效地产生电力。汽车工业在开发氢燃料电池作为车辆的电源方面花费了大量的资源。这些车辆可更有效，并且比采用内燃发动机的车辆产生更少的排放物。
氢燃料电池为电化学设备，其包括阳极和阴极，以及在阳极和阴极之间的电解质。阳极接收氢气，阴极接收氧。氢气在阳极中被离子化，以产生自由氢离子和电子。氢离子穿过电解质到达阴极，并且与阴极中的氧和电子反应以产生水作为副产物。来自阳极的电子不能穿过电解质，并且在被发送到阴极之前被引导通过负载从而做功。该功用于操作车辆或车辆上的系统。很多燃料电池被组合成堆以产生足够的动力来驱动机动车辆。
燃料电池可包括处理器，该处理器将液体燃料诸如酒精（甲醇或乙醇）、碳氢化合物（汽油）和/或其混合物例如乙醇/甲醇与汽油的调和物转化为用于燃料电池的氢气。这种液体燃料易于存储在车辆上。并且，具有全国性的设施用于供应液体燃料。诸如甲烷、丙烷、天然气、LPG等气体碳氢化合物也是合适的用于车辆和非车辆燃料电池应用的燃料。本领域中已知有各种处理器用于将液体燃料转化为适用于燃料电池的气体氢。
可替代地，氢气能够与车辆分离处理，并且被存储在填充站等。氢气从填充站被传送到车辆上的加压罐或容器，以根据需要向燃料电池供应期望的氢气。用于燃料电池应用的压缩氢气容器内的典型压力在200巴-700巴（2900-10150psi）的范围内。
由于涉及到高压，期望用于压缩气体的存储容器具有机械稳定性和完整性。还期望将车辆上的氢气容器制作为轻质量从而不显著影响车辆的重量要求，或者改进性能，或者兼具二者。行业的当前趋势是采用类型4的压缩气体罐用于在车辆上存储压缩氢气。类型4的罐包括由诸如玻璃纤维或碳纤维包裹料等合成材料制成的外结构层，和内部塑性衬垫。该外层提供罐的结构完整性，用于包含在该罐中的压力，而塑性衬垫提供气体不可渗透器皿用于密封其中的气体。典型地，塑性衬垫首先通过模制过程形成，之后，纤维包裹料被形成为围绕该衬垫并且粘接到该衬垫。
图1示出行业中目前考虑的在车辆上存储压缩氢气用于燃料电池的压缩气体器皿10。器皿10为圆柱形以提供期望的结构完整性，并且包括外结构壁12和在其中限定容器室16的内衬垫14。外壁12典型地由诸如长纤维缠绕玻璃或碳纤维包裹料等合适的纤维互连合成包裹料制成，并且具有足够的厚度以提供期望的机械刚度用于容纳压力。衬垫14典型地由诸如聚乙烯、PET、乙烯-乙烯醇或乙烯-醋酸乙烯酯三元共聚物等合适的高密度聚合物材料制成，以在器皿10中提供基本上氢不能渗透的容纳器皿。衬垫14的厚度大致为约5mm。因此，外壁12和衬垫14的组合以轻质量和成本有效的方式提供了期望的结构完整性、压力容纳和气密。
器皿10包括为容纳在器皿10中的氢气提供入口开口和出口开口的接合器或突出部18。接合器18典型地为钢结构，其收纳各种阀、压力调节器、管道连接器、过流限制器等，其允许器皿10被压缩氢气填充，并且允许压缩气体以环境压力或者接近环境压力或者以期望的压力从器皿10释放，从而被传送到燃料电池。接合器18典型地由钢制成，以提供用于存储压缩氢气所期望的结构。接合器18可由适于器皿10内部压力水平的与氢兼容的任何金属或金属合金制成。合适的粘合剂、密封环等（未示出）被采用以气密的方式将衬垫14与接合器18密封，并且将接合器18紧固到外壁12。
在器皿填充过程中，填充气体20从器皿10的一个端部22流入器皿10中到达器皿10的相对端部24，并且变成容纳气体26。随着填充过程的进行，器皿10中的压力增加。期望的是填充气体20的温度接近环境温度（300K，27℃）并且为合适的压力以便在几分钟（小于三分钟）内填充器皿10。然而，由于填充气体20和容纳气体26的热力学特性，随着填充气体20在压力下被引入到容纳气体26，压缩导致容纳气体26被加热。结果是，器皿10内的容纳气体26的温度升高，因为在填充过程中从气体到器皿以及进一步到环境没有明显的热交换。在填充（即加燃料）过程期间增加的压力与增加的温度之间的关系例示在图2中虚线30的左边。
器皿10内的容纳气体26的加热导致塑性衬垫14内不期望的温度升高，这可影响衬垫14的气密封能力。因此，需要在器皿10被填充时和填充后控制器皿10内的容纳气体26的温度。事实上，对于具有塑性衬垫的复合器皿，器皿内的气体温度是加燃料时间的限制因素。通常由于器皿中的气体温度而须减慢或中断加燃料。这甚至在填充气体20在填充站被预先冷却时也有这种情况。
从器皿10移除气体导致相反的问题，如图2中虚线30的右边所例示。例如，当燃料电池的工作期间气体从压力器皿中移出时，器皿内的温度显著下降。如果放任不管，则温度会降落到器皿材料或相邻部件的最小期望工作温度以下。防止器皿内温度太低的已知的技术包括向器皿10或接合器18应用加热器，或者使抽取的气体的流量减小。加热器消耗由燃料电池产生的能量，否则该能量将用于操作车辆。抽取的气体的流量减小限制了燃料电池的功率输出，从而影响车辆的操作。
期望通过在填充气体和外部环境之间提供热传递来开发一种中空压力器皿，其适于使热能量对器皿的影响最小化，同时还使其组装和材料成本最小化。
发明内容
根据本发明，令人惊讶地发现了一种中空压力器皿，其适于使热能量对所述器皿的影响最小化，同时还使其组装和材料成本最小化。
在一个实施例中，一种器皿包括：内壳，该内壳由可模制材料形成并且在该内壳内形成腔；形成在所述内壳上的外壳；和一体形成在所述器皿内的热传递构件，该热传递构件被热联接到环境以使热能量对所述器皿的影响最小化。该热传递构件可为在所述腔内的金属片结构，或者可在内壳表面上与内壳成一体。该热传递构件可被热联接到合适的外部热质量，用于控制填充气体的温度。
在另一实施例中，一种器皿包括：内壳，该内壳由可模制材料形成并且在该内壳内形成腔；形成在所述内壳上的外壳；和一体形成在所述器皿内的热传递构件，该热传递构件被热联接到环境以使热能量对所述器皿的影响最小化。该热传递构件可为在所述腔内的金属片结构，或者可在内壳表面上与内壳成一体。该热传递结构被热联接到主动外部热系统，用于控制填充气体的温度。
本发明还包括如下方案：
方案1. 一种器皿，其包括：
内壳，所述内壳在其中形成腔；
形成在所述内壳上的外壳；和
热传递构件，所述热传递构件布置在所述腔内以提供所述腔与所述腔的外部之间的热连通，所述热传递构件适于使热能量对所述器皿的影响最小化。
方案2. 如方案1所述的器皿，其特征在于，所述热传递构件被热联接到所述外壳外部的热交换结构，用于控制所述腔中的温度。
方案3. 如方案1所述的器皿，其特征在于，所述热传递构件为布置在所述腔内的金属片结构。
方案4. 如方案3所述的器皿，其特征在于，所述热传递构件还包括：
中心支撑件；和
被热联接到所述中心支撑件并且从所述中心支撑件基本向外延伸的至少一个翅片。
方案5. 如方案4所述的器皿，其特征在于，所述至少一个翅片接触所述内壳的内表面的至少一部分。
方案6. 如方案5所述的器皿，其特征在于，其还包括：
在器皿第一端部处具有第一热质量的第一接合器，所述第一接合器密封地接合所述内壳和所述外壳中的至少一个并且延伸通过所述内壳和所述外壳中的所述至少一个；和
在器皿第二端部处具有第二热质量的第二接合器，所述第二接合器密封地接合所述内壳和所述外壳中的至少一个并且延伸通过所述内壳和所述外壳中的所述至少一个；
其中所述中心支撑件被热联接到所述第一接合器和所述第二接合器。
方案7. 如方案6所述的器皿，其特征在于，所述第一热质量和所述第二热质量中的至少一个被热联接到外部热交换结构，用于控制所述腔中的温度。
方案8. 如方案1所述的器皿，其特征在于，其还包括：
具有布置在器皿第一端部处的第一热质量的第一接合器，所述第一接合器密封地接合所述内壳和所述外壳中的至少一个并且延伸通过所述内壳和所述外壳中的所述至少一个；和
具有布置在器皿第二端部处的第二热质量的第二接合器，所述第二接合器密封地接合所述内壳和所述外壳中的至少一个并且延伸通过所述内壳和所述外壳中的所述至少一个；
其中所述中心支撑件被热联接到所述第一接合器和所述第二接合器。
方案9. 如方案8所述的器皿，其特征在于，所述第一接合器和所述第二接合器中的至少一个被热联接到热交换结构。
方案10. 如方案9所述的器皿，其特征在于，所述热交换结构为散热器以及加热和空调系统中的一个。
方案11. 如方案8所述的器皿，其特征在于，所述第一接合器和所述第二接合器中的一个还包括形成在其中的内部通道，用于接收热交换流体，所述流体与热交换结构热连通。
方案12. 如方案11所述的器皿，其特征在于，所述热交换结构为主动冷却系统。
方案13. 如方案11所述的器皿，其特征在于，所述热交换结构为散热器以及加热和空调系统中的一个。
方案14. 一种器皿，其包括：
内壳，所述内壳由能够模制的材料形成并且在所述内壳内形成腔；
形成在所述内壳上的外壳；和
布置在所述腔内适于使热能量对所述器皿的影响最小化的金属结构，其中所述金属结构被热联接到所述外壳外部的热交换结构，用于控制所述腔中的温度。
方案15. 如方案15所述的器皿，其特征在于，所述金属结构与所述腔的内表面的至少一部分热连通。
方案16. 如方案16所述的器皿，其特征在于，其还包括：
接合器，所述接合器密封地接合所述内壳和所述外壳中的至少一个并且延伸通过所述内壳和所述外壳中的所述至少一个；其中所述金属结构被热联接到所述接合器。
方案17. 如方案17所述的器皿，其特征在于，所述接合器还被热联接到外部热交换器。
方案18. 一种器皿，其包括：
中空内壳，所述中空内壳由能够模制的材料形成并且在所述中空内壳内形成腔；
形成在所述内壳上的外壳；
接合器，所述接合器密封地接合所述内壳和所述外壳中的至少一个并且延伸通过所述内壳和所述外壳中的所述至少一个；
热传递构件，所述热传递构件布置在所述腔内并且被热联接到所述接合器，以使热能量对所述器皿的影响最小化。
方案19. 如方案19所述的器皿，其特征在于，所述热传递构件为金属结构，包括：
中心支撑件；和
被热联接到所述中心支撑件并且从所述中心支撑件基本向外延伸的至少一个翅片。
附图说明
对于本领域技术人员来说，本发明的上述和其它优点在考虑附图时从下面的优选实施例的详细说明书中将变得明显，附图中：
图1为本领域已知的压力器皿的示意性剖视图；
图2为表示了在典型的加燃料/填充过程期间和典型的抽取/驱动过程期间填充气体的压力和温度与时间的关系的曲线图；
图3为根据本发明实施例的器皿的示意性剖视图；和
图4为根据本发明另一实施例的器皿的示意性剖视图。
具体实施方式
下面的详细说明书和附图描述和例示出本发明的各种示例性实施例。说明书和附图用于使本领域技术人员制作和使用本发明，并且不旨在以任何方式限制本发明的范围。对于公开的方法，呈现的步骤实质上为示例性的，并且因此，该步骤的顺序不是必要的或不是关键性的。
图3例示出中空压力器皿110，其具有外结构壁112和在其中限定了器皿室116的内衬垫114。与图1的器皿10类似，器皿110具有基本圆柱形形状，并且适于保持加压流体126。理解的是，器皿110可具有期望的任何形状，并且器皿110可根据需要包括与在共同拥有的美国专利申请序号11/847,007和美国专利申请序号11/956,863中所公开的层类似的附加层，例如阻隔层、箔层、多孔渗透层等，上述专利文献通过引用全部合并于此。加压流体126可为任何流体，例如氢气和氧气、液体、以及液体和气体等。
器皿110的内衬垫114为适于存储加压流体126的中空容器。如所示，内衬垫114由一层聚合物材料形成，但内衬垫114可根据需要由多层形成。内衬垫114可通过吹塑成形、挤压吹塑成形、旋转模制或任何其它合适的过程形成。在所示的实施例中，内衬垫114具有基本圆柱形形状。然而，内衬垫114可根据需要具有任何形状。内衬垫114可由诸如聚乙烯、PET、乙烯-乙烯醇或乙烯-醋酸乙烯酯三元共聚物等塑料形成。内衬垫114还可由被选择为使加压流体126的逸出或扩散最小化的其它能够模制的材料形成，例如金属、玻璃等。
器皿110的外结构壁112布置在内衬垫114上。外结构壁112具有基本圆柱形形状，并且基本邻接内衬垫114，以便为器皿110提供结构性支撑，从而允许器皿110承受高压力。外结构壁112可例如由诸如金属和塑料等任何可模制的材料形成，或者外结构壁112可通过长纤维缠绕过程或其它过程形成。如果外结构壁112通过长纤维缠绕过程形成，则外结构壁112可例如由碳纤维、玻璃纤维、复合纤维、具有树脂涂层的纤维等形成。理解的是，用于形成外结构壁112的材料可根据用于将外结构壁112粘附到内衬垫114的过程、器皿110的用途以及待被存储在器皿110中的流体的特性来选择。
与图1的器皿10类似，器皿110包括附接在器皿第一端部122处的接合器118，其为容纳在器皿110中的加压流体126提供入口开口和出口开口。如之前注意到的那样，接合器118典型地为收纳各种阀、压力调节器、管道连接器、过流限制器等的钢结构，其允许器皿110填充被变为加压流体126的填充气体120，并且允许加压流体126以环境压力或接近环境压力或者以任何期望的压力从器皿110释放，以便被传送到燃料电池。合适的粘合剂、密封环或类似物（未示出）被采用从而以本领域已知的气密方式将内衬垫114与接合器118密封。类似地，传统的机构被用于将接合器118紧固到中空器皿110的外结构壁112。
热传递构件130位于中空器皿110内，并且更具体而言，在内衬垫114内和在器皿室116内。图3所示的热传递构件130被示出为是在器皿腔或室116内的金属结构。热传递构件130可包括中心支撑件132和与中心支撑件132整体式连接或热联接的多个翅片或臂134。中心支撑件132在中心支撑件第一端部136处被热连接到接合器118。在一个实施例中，中心支撑件第二端部138被热连接到嵌入在器皿第二端部124内的第二接合器或突出部140。翅片134从器皿室116内的中心支撑件132向外伸出。翅片134被尺寸形成和构造为在器皿室116内充分延伸，以提供与加压流体126期望的热交互。翅片134还可接触内衬垫114的内表面128。在一个实施例中，翅片134的至少一部分158形成在内衬垫114的内表面128上。
接合器118和突出部140可由于接合器118和突出部140的各个的热质量而用作散热片。另外，接合器118和突出部140中的一个或二者可分别热联接到热交换结构142、144。热交换结构142、144可分别包括额外热质量146、148，例如用于控制从器皿110抽取气体的阀组，或者类似物。热质量146、148可被主动或被动地冷却，并且由热质量146、148移除的任何热可被存储或可被利用来控制气体抽取系统的其它区域的温度，从而增强设计的效率。作为非限制性示例，在加燃料事件期间在加压流体126的温度升高时被抽取和存储在热质量146、148内的热，当其在燃料电池的工作期间被从器皿110抽取时可被用于加热气体120，或者可被用于在从器皿110抽取气体120期间使加压流体自身的温度上升。
在加燃料操作期间（即在图2中虚线30左边示出的状态内），当流体120被添加到中空器皿110时，器皿内的加压流体126的压力32和温度34都升高。在填充过程中产生的热流动通过热传递构件130，并且被引导为从翅片134到中心支撑件132，以及从中心支撑件132到接合器118和突出部140中。结果是，热被从加压流体126抽取并且被引导到器皿110之外，从而控制器皿110内的温度。如果接合器118和突出部140的热质量足够大，则器皿110内的温度可保持在期望点以下，而不需要另外的散热片。可替代地，合适的散热结构诸如热质量146、148可存储热或者例如通过外部翅片160或通过散热器（未示出）或类似物将热传递到环境中。
在从器皿110抽取流体期间（即在图2中虚线30右边示出的状态内），当流体120从中空器皿110被抽取时，器皿内的加压流体126的压力32’和温度34’下降。在该操作状态内，外部热从热质量146、148被引导分别通过接合器118和突出部140，并且被进一步引导进入中心支撑件132的相应第一端部136和第二端部138，在第一端部136和第二端部138处其可被进一步引导进入翅片134以支持器皿110内的加压流体126的加热。来自器皿110外部的热因此能够使器皿室116将加压流体126的工作温度维持在器皿110的任何最小期望工作温度以上。如之前注意到的那样，热质量146、148可被被动或主动地加热和冷却。被动热质量146、148可采取大金属块的形式，并且可包括翅片160或其它期望的被动热辐射结构。
参照图4，描述了包括主动热处理系统的本发明的另一实施例。为了清楚的目的，与图3相似的结构具有相同的参考标号并且以撇符号（’）标识。
在图4所示的实施例中，接合器118’和突出部140’可分别包括通道150、152，以允许热交换流体154流动通过接合器118’和突出部140’。 通道150、152，以及因此接合器118’和突出部140’被热联接到热质量146’、148’，以允许来自器皿室116’的热被存储或者被传递到环境中。当通道150、152被联接到由燃料电池提供动力的机动车辆的气候控制系统时，可得到良好的结果。因此，热传递构件130’可被机动车辆的加热和空调系统加热或冷却。可替代地，热交换流体154可为被加热或者被冷却时经历相变的流体。这种相变的流体可进一步将热引导为从接合器118’和突出部140’到热质量146’、148’，并且从热质量146’、148’到诸如翅片160’、散热器（未示出）或类似物的外部热交换结构142’、144’。以此方式，器皿110’内的热传递构件130’可根据需要被热联接到任何外部热交换器。
尽管为了例示本发明的目的已经示出某些代表性的实施例和细节，但对于本领域技术人员很明显的是在不脱离由下面随附权利要求进一步描述的本公开范围的情况下可进行各种改变。

Claims (10)

1.一种器皿，其包括：
内壳，所述内壳在其中形成腔；
形成在所述内壳上的外壳；
在器皿的第一端部处的第一接合器，所述第一接合器密封地接合所述内壳和所述外壳并且延伸通过所述内壳和所述外壳；所述第一接合器包括形成在其中的内部通道，用于接收热交换流体；
在器皿的第二端部处的第二接合器，所述第二接合器密封地接合所述内壳和所述外壳并且延伸通过所述内壳和所述外壳，所述第二接合器包括形成在其中的内部通道，用于接收热交换流体；和
热传递构件，所述热传递构件布置在所述腔内并延伸所述腔的整个长度以提供所述腔与所述腔的外部之间的热连通并且被热联接到所述第一接合器和所述第二接合器，所述热传递构件包括中心支撑件和多个离散翅片，其中，所述多个离散翅片被热联接到所述中心支撑件并且以相对于所述中心支撑件成小于90度的角度从所述中心支撑件径向向外延伸，并且具有与所述内壳的内表面的至少一部分接触的弯曲段。
2.如权利要求1所述的器皿，其特征在于，所述热传递构件被热联接到所述外壳外部的热交换结构，用于控制所述腔中的温度。
3.如权利要求1所述的器皿，其特征在于，所述热传递构件为布置在所述腔内的金属片结构。
4.如权利要求1所述的器皿，其特征在于，所述第一接合器和所述第二接合器中的至少一个被热联接到热交换结构。
5.如权利要求4所述的器皿，其特征在于，所述热交换结构为主动冷却系统。
6.如权利要求4所述的器皿，其特征在于，所述热交换结构为散热器以及加热和空调系统中的一个。
7.一种器皿，其包括：
内壳，所述内壳由能够模制的材料形成并且在所述内壳内形成腔；
形成在所述内壳上的外壳；
密封地接合所述内壳和所述外壳并且延伸通过所述内壳和所述外壳的接合器，所述接合器包括形成在其中的内部通道，用于接收热交换流体；和
热传递构件，其布置在所述腔内并延伸所述腔的整个长度，其中所述热传递构件被热联接到所述接合器，所述热传递构件包括中心支撑件和多个离散翅片，其中，所述多个离散翅片被热联接到所述中心支撑件并且以相对于所述中心支撑件成小于90度的角度从所述中心支撑件径向向外延伸，并且具有与所述内壳的内表面的至少一部分接触的弯曲段。
8.如权利要求7所述的器皿，其特征在于，所述热传递构件为金属结构。
9.如权利要求8所述的器皿，其特征在于，所述金属结构与所述腔的内表面的至少一部分热连通。
10.如权利要求7所述的器皿，其特征在于，所述接合器还被热联接到外部热交换器。
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Granted publication date: 20150318

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