CN102447124B - 用于车辆应用的集成压力容器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于车辆应用的集成压力容器。用于燃料电池供能车辆的燃料容器组件以及增加燃料电池供能车辆的结构刚性的方法。用于存储氢或相关燃料电池兼容燃料的容器可刚性地通过从容器延伸的一个或多个壳附接到车辆框架或相关承载结构。通过组件与框架之间的连接将施加到壳、容器和框架中的一个或多个的负载在它们之间传递，从而通过组件增强框架中的固有承载能力。

Description

用于车辆应用的集成压力容器

技术领域

本发明总体涉及将高压存储容器置于车辆结构中的设备和方法，更具体地，涉及将用于存储加压燃料源的容器集成到采用基于燃料电池体系结构作为原动力源的车辆上，从而该容器增加车辆的承载能力。

背景技术

在典型燃料电池系统中，氢或富含氢的气体可以通过流动路径提供给燃料电池的一侧上的催化电极，而氧气（诸如在大气中的氧气形式）通过单独的流动路径提供给另一个位于燃料电池上其它位置的催化电极。这些电极上的氢元素和氧元素向氢离子和氧离子的电化学转换（分别称为阳极和阴极）允许引导分离的电子通过导电直流（DC）电路以产生有用功。通过燃料电池产生电流的主要特征之一是它们的非污染本质，原因是，伴随使用氢气和氧气反应物的副产品是水蒸气。在被称为质子交换膜（PEM）燃料电池的一种形式的燃料电池中，质子可穿透的膜形式的电解质夹在阳极和阴极之间以产生分层结构，该分层结构通常被称为膜电极组件（MEA）。每个MEA形成单个燃料电池，并且许多这种单个电池可以被组合以形成燃料电池堆，增加其功率输出。多个堆可以连接在一起以进一步增加功率输出。因为其相对简单和稳健的结构以及其非污染本质，所以PEM燃料电池已经显示了用于车辆应用的特别前景。

但是，对燃料电池车辆的一种挑战是相对传统推进系统增加燃料电池汽车的功率重量比，其中，与燃料电池系统相关联的很多的辅助设备重量是寄生的。一种这样的部件是车载燃料存储系统，特别是当它与氢燃料存储罐相关联时，其中，该车载燃料存储系统的稳健性和相关的重量是由在车辆的整个预期寿命期间在包含氢气或相关燃料（如甲醇或氢前体）加压源的同时又维持罐的完整性的需求决定的，否则即使在正常使用（诸如日常操纵和受到道路的不平整）和极端使用（诸如因意外事故或相关的影响）的情况中都可能损坏罐，车辆或两者。因此需要通过使用已经在运输车辆中存在的这些部件来提供增强的结构刚性。还需要减少与在运输车辆中放置高压燃料存储容器相关的不利后果。

发明内容

通过本发明满足这些需求，其中，高压燃料存储罐和相关容器可以按照增强车辆刚度的方式连接到车辆。这种集成方式可形成的结构优势可应用于燃料存储系统包括单存储罐或多个存储罐的构造中，特别是，在至少一个容器具有大直径（伴随的高扭转刚度）的构造中。根据本发明的一方面，燃料电池供能车辆的燃料容器组件包括容器和与容器协作的至少一个壳。容器形成具有内部容积的燃料存储箱，并且还包括一个或多个孔，所述孔形成为穿过所述容器以允许根据需要引入和移除燃料。所述壳用作负载传送构件，从而在组件和车辆中的承载结构之间传送源于容器的结构负载（诸如来自燃料的压力负载）以及外部负载（诸如由于通过壳与车辆框架或其他结构部件的连接部施加到壳的负载），以增强车辆结构中的固有承载能力。在目前本文的上下文中，术语“框架”不仅覆盖传统的框架上车身的车辆体系结构，而且包括更新的被称为一体式车身结构的结构变形，后一种构造中传统地由框架扮演的角色通过承载式结构设计由高惯性矩的组成物代替，在承载式结构设计中在更传统的框架上车身的设计中没有被加载的部分（例如，外车身板，车顶等）现在是结构构件。这样，术语“框架”，当其应用于没有单独框架的一体式车身车辆时，覆盖该车辆的这种支撑部分，许多其他部件附接到、设置于该支撑部分上，或者从该支撑部分至少获得它们的承载能力的显著部分。

任选地，组件还包括一个或多个夹紧环，其围绕一个或多个壳设置，以提供这些壳之间的增强的连接性。在另一选择中，容器、壳和环的部分或全部可以由金属或复合材料制成，诸如纤维增强复合材料。壳可以另外包括单向（UD）纤维、肋、加强筋或相关结构作为补充增强，以对抗弯曲或力的其他引起损坏的模式。在另一形式中，所述组件包括延伸超出所述容器的多个壳（当连接到车辆框架或相关承载结构部件时），以允许所述组件与所述承载结构之间的负载传递。在更具体的形式中，多个壳固定到容器，从而当组件附接到车辆时，附接是沿车辆的大体垂直轴线形成的。在一个具体形式中，多个壳绕容器的大体圆柱形外围设置。在包括位于容器的每个纵向端部的两个壳的情况下，两个壳将彼此大体径向相对。在另一选择中，容器限定具有至少一个被形成为圆顶的端部的大体圆柱形结构。圆顶周围的锥形区域可以允许在圆顶与壳之间形成渐进斜坡连接。在一种形式中，可以由相继的更大量复合层或其他材料堆积制成这种渐进连接。

所述组件还可以包括相对于容器放置的释放阀门，从而如果在容器周围存在过高的温度，则释放阀门可以打开。在一种优选形式中，释放阀门可以连接到温度传感器，从而当接收到指示这种过高温度的信号时，释放阀门打开以减小由在容器中的任何燃料形成的容器中的内压。在本文的上下文中，过高温度是可以预期为通过减少组成组件的材料的结构性质，或者通过由对容器中的燃料的加热导致过大压力，来对组件（具体地，对容器）造成损坏的温度。在这种过热的接触需要更容易地到达释放阀门或用于向控制器或释放阀门发送信号的温度传感器的情况下，一个或多个壳可以包括形成于它们中的开口，以允许来自过高温度源的热流更加自由地流动。在另一选择中，一个或多个壳被配置为自由成形的壳，而在另一选择中，一个或多个壳被配置为圆柱形壳。

根据本发明的另一方面，车辆底盘包括框架和燃料容器组件。所述容器通过壳形式的一个或多个连接件固定到框架。通过其设计构造和材料选择，框架本身具有对因外部施加负载的变形的抵抗力。燃料容器组件包括一个或多个容器，从而限定了燃料存储容纳容积，该容积具有一个或多个孔，以允许燃料被引入所述容积，包含在所述容积或者从所述容积去除。壳被固定到所述容器，从而在组件和框架之间传递产生变形的结构负载，从而通过组件增强了框架中限定的对变形的固有抵抗力。

任选地，框架限定垂直部件，从而组件与框架之间的结构连接沿垂直部件形成多个连接位置。通过主要沿垂直轴线（例如，下面更加详细描述的笛卡尔坐标z轴）而不是沿水平轴线形成这种连接，通过给予框架更多的盒状轮廓来增强框架的整体惯性矩。组件可以另外包括布置在壳周围的一个或多个夹紧环，以在容器和壳之间提供增强的连接性。所述组件的至少一部分可以由金属或纤维增强复合材料制成，并且还可以采用温度保护设备。这种设备可以包括与容器协作的释放阀门，从而当暴露于过高温度时，释放阀门打开以减小容器中的燃料引起的内压。

根据本发明的另一方面，公开了一种在燃料电池供能车辆中增强对变形的结构抵抗力的方法。所述方法包括构造燃料电池供能车辆的地盘以包括承载框架；以及将燃料存储容器组件连接到地盘从而通过所述组件传送施加到所述框架的偏斜负载的至少一部分，从而该组件增强了所述框架中固有的变形抵抗力。所述组件包括：容器，该容器在其内限定用于存储氢或相关燃料电池燃料的容积，以及有助于框架实现增强的结构刚性的负载传递连接部。

任选地，负载传递连接部包括连接到容器的多个壳。在更具体的形式中，布置多个壳，从而负载传递连接部沿车辆的垂直轴线部件形成多个连接位置。在另一选择中，可以使用箍环向壳与容器接合的位置添加更多稳健性。与以前几个方面一样，组件的容器、壳和环中的部分或全部可以形成为金属或复合结构。另外，如之前一样，可以释放容器上的压力，否则在容器暴露于可能导致容器中燃料膨胀的过高温度时会产生该容器上的压力。在一种形式中，可以在此能力下使用压力释放阀门。

本发明还提供了如下方案：

方案1. 一种燃料电池供能车辆的燃料容器组件，所述组件包括：

容器，限定燃料存储包含容积和至少一个形成于其中的孔，从而燃料可以被引入、包含在所述容积中或者从所述容积移除；以及

至少一个壳，与所述容器协作，从而施加在所述至少一个壳和所述容器中的至少一个上的结构负载被在所述组件和所述车辆的承载结构之间传递，从而通过所述组件增强所述车辆结构中固有的承载能力。

方案2. 如方案1所述的组件，还包括：至少一个夹紧环，其置于所述至少一个壳周围，以在所述容器与所述至少一个壳之间提供增强的连接性。

方案3. 如方案2所述的组件，其中，所述组件的至少一部分由金属或纤维增强复合材料制成。

方案4. 如方案1所述的组件，其中，所述至少一个壳还包括形成于其中的至少一个补充屈曲增强元件。

方案5. 如方案1所述的组件，其中，从由单向纤维、肋、加强筋及其组合组成的组中选择所述至少一个补充屈曲增强元件。

方案6. 如方案1所述的组件，其中，所述至少一个壳包括延伸超出所述容器的多个壳，以促进所述组件与所述车辆中的所述承载结构之间的负载传递。

方案7. 如方案6所述的组件，其中，所述多个壳被固定到所述容器，从而当所述组件附接到所述车辆时，沿所述车辆的大体垂直轴线形成所述附接。

方案8. 如方案1所述的组件，其中，所述容器限定基本圆柱形结构，其至少一端形成为圆顶，从而通过沿所述圆顶的至少一部分形成的渐进斜坡连接将所述至少一个壳固定到所述容器。

方案9. 如方案1所述的组件，还包括：释放阀门，与所述容器协作，从而当被暴露于过高温度时，所述释放阀门打开以减少所述容器中包含的燃料在所述容器中形成的内压。

方案10. 如方案9所述的组件，其中，所述至少一个壳限定形成于其中的至少一个热流开口。

方案11. 如方案1所述的组件，其中，所述至少一个壳被配置为自由成形的壳。

方案12. 如方案1所述的组件，其中，所述至少一个壳被配置为圆柱形壳。

方案13. 一种用于燃料电池推进车辆的底盘，所述底盘包括：

框架，限定对由至少一个外部施加负载造成的变形的抵抗力；以及

燃料容器组件，结构上连接到所述框架，所述组件包括：

至少一个容器，限定燃料存储包含容积，至少一个孔形成在该容积中，从而燃料可以被引入、包含在所述容积或者从所述容积移除；以及

至少一个壳，与所述至少一个容器协作，从而施加到所述框架的产生变形的结构负载在所述组件和所述框架之间被传递，从而通过所述组件增强所述框架中限定的对变形的所述抵抗力。

方案14. 如方案13所述的底盘，其中，所述框架限定垂直部件，从而在所述组件与所述框架之间的所述连接结构沿所述垂直部件形成多个连接位置，从而额外地增强所述框架的对变形的所述抵抗力。

方案15. 如方案13所述的底盘，其中，所述组件还包括置于所述至少一个壳周围的至少一个夹紧环，以提供所述容器与所述至少一个壳之间的增强连接性。

方案16. 如方案15所述的底盘，其中，所述组件的至少一部分由金属或纤维增强复合材料制成。

方案17. 如方案12所述的底盘，还包括：温度保护设备，包括释放阀门，与所述容器协作，从而当被暴露于过高温度时，所述释放阀门打开以减少所述容器中包含的燃料在所述容器中形成的内压。

方案18. 一种在燃料电池供能车辆中增强对变形的结构抵抗力的方法，所述方法包括：

将所述燃料电池供能车辆的底盘配置为包括承载框架；以及

将燃料存储容器组件连接到所述底盘，从而通过所述连接传递施加到所述框架的偏斜负载的至少一部分，从而增强所述框架中固有的对变形的抵抗力，所述组件包括：

容器，其内限定存储燃料电池燃料的容积，所述燃料可以被引入、包含在所述容积内或者从所述容积移除；以及

负载传递连接，其形成在所述容器与所述框架之间。

方案19. 如方案18所述的方法，其中，所述负载传递连接包括连接到所述容器的多个壳。

方案20. 如方案19所述的方法，还包括：布置所述多个壳，从而所述负载传递连接沿所述车辆的垂直轴线部件形成多个连接位置。

方案21. 如方案18所述的方法，还包括：将所述组件的至少一部分配置为复合结构。

方案22. 如方案18所述的方法，还包括：释放所述容器上的压力，从而如果所述容器暴露于过高温度，则所述容器中所述燃料的膨胀引起的压力不损坏所述容器。

附图说明

当结合下面的附图阅读时，可以最佳地理解下面本公开的具体实施例的详细描述，其中，相同的结构由相同的标号指示，其中：

图1示出根据现有技术的采用双罐构造的车辆底盘的底侧透视图；

图2是根据本发明的一方面的氢存储容器的简化示图；

图3是图2的存储容器的一部分的详细示图；

图4描述了根据本发明的一方面的置于框架内的容器的设计空间；

图5A和图5B示出可以在本发明的容器组件中使用的两个不同壳体实施例；

图6A至图6C示出根据本发明的一方面的在容器组件的各壳体上的由沿x，y和z笛卡尔坐标方向的加速度导致的代表性负载；

图7A和图7B示出偏心的侧面和正面撞击如何可以将负载施加到容器组件和车辆框架两者；

图8示出包括壳体中形成的开口的容器和壳体的简化端部；

图9A至图9D示出将壳体组装到容器所使用的步骤；

图10A和图10B示出将壳体组装到容器的替换方式；以及

图11A和图11B示出将壳体组装到容器的另一替换方式。

在附图阐述的实施例本质上仅是示例性的，且不意在限制权利要求限定的实施例。此外，根据下面的详细描述，附图和实施例的各个方面将会更充分显现和理解。

具体实施方式

首先参照图1，根据现有技术的高压氢存储罐的罐安装布置示出车辆底盘1具有安装到由纵向取向的钢管部分形成的框架10的4个轮子5。框架10提供用于底盘1的多数剩余部件以及车辆车身（未示出）的主要结构支撑；如本领域的技术人员所知，框架10中固有的大部分的承载能力是由其大小、形状、材料选择和相关设计属性决定的。基于燃料电池的马达（未示出）可以位于底盘1内的任何方便的位置，例如，位于示出在附图左侧上的前轮之间。气体燃料存储在一个或多个罐20中。在所示变型中，一对这种罐包括较大的主罐20A和较小的副罐20B。罐20A, 20B通过横杆30、带40和柄50固定到底盘1，其中，带40在罐20A,20B周围形成环箍带且带的两端由柄50紧固。带40固定到横杆30，而横杆被安装到底盘1。这种带的使用示例是传统的，包括用该带在运输期间固定货物，在消防车中紧固水箱，固定天然气驱动叉车的罐和在天然气客车中固定用于提供燃料的罐。除了带之后，夹紧、支撑、螺栓和焊接布置也是本领域已知的。罐20的布置相关的重量以及图1所述的罐的基于皮带的支撑机构被认为是寄生的，原因是这些部件都没有有助于增加底盘1的承载能力。

图2和图3示出可以集成到车辆中（优选地，在图1所示的罐20占据的空间中）的根据本发明的一方面的燃料存储容器组件120的一个优选构造。具体地，组件120由容器122与壳124和夹紧环126形式的突片或相关承载力传递元件构成，在置于与底盘1的框架10协作时，壳和夹紧环可以增加对由于施加到底盘1的负载引起的偏斜的抵抗力，特别是扭转负载，如果不这样这些扭转负载会有使框架10扭曲的趋势。具体参照图2，发明人已经确定将负载引入容器122的优选方式是通过多个壳124。发明人还另外发现在基本垂直方向的附接位置将壳124安装到车辆框架10有助于更好地传递负载，以及通过取消横杆（否则可以用于附加刚度）减轻整个车辆重量。具体参照图3，示出环126、壳124和容器122之间连接的夹紧本质。垫片（未示出，但是在两个夹紧环126之间绕容器122的外围延伸）可以用于向组件120提供附加稳健性。

在优选形式中，4个壳124和2个环126可以附接到容器122以产生容器组件120，以及形成壳124与容器122之间的渐进斜坡接合。在此情况下，优选地，使从容器122的相同端延伸的两个壳124相对于彼此沿直径方向相对设置。以这种方式，当组件120安装到框架10时（优选地，其包括至少部分垂直向上的延伸（例如，在图4和图6A至图6C中的笛卡尔z方向）），可以采用径向相对的壳124（图2的右侧以及图8所示）之间的连接的垂直属性，在该连接更接近笛卡尔x方向和y方向形成的平面的情况下提供更高程度的抗弯刚度。壳124结合到容器122，并且通过一个或多个夹紧环126的周向层卷紧。在一种形式中，夹紧环126的尺寸可以稍小以保证壳124在容器122上的摩擦适合。在另一形式中，夹紧环126可以具有楔形形状，以尤其限定倒角边缘。在壳124和夹紧环126之间的接合处形成的渐进斜坡和倒角边缘有助于避免应力集中的位置，以及提供它们之间的更加完全和安全的连接。

参照图6A和图6C，示出容器122可能承受的多个负载的一部分。这些是切向负载，轴向拉伸和压缩负载和弯曲负载，响应于在相应方向施加到框架（当前未示出）或容器组件120的加速度力F，相对于笛卡尔x，y和z方向示出上述负载。尽管当前没有示出，但是当设计容器组件120且其到车辆的集成时，由其中包含的流体（诸如氢或相关燃料）所施加到容器122的压力导致的径向向外负载，或由施加到框架的扭力造成的扭转负载，也落入需要被考虑的负载的范围内。这些之中，需要考虑可能导致容器122的圆柱形状的椭圆化的径向压力负载，以避免出现局部弯曲和相关的分层。类似地，可以通过缠绕结构的审慎选择避免会在容器122上产生扭转负载的力，以保证容器122具有高抗扭刚度和抵抗力。统一地，在此讨论的所有负载，其中由撞击、燃料压力或热效应引起，通过将负载置于容器122、壳124、环126（或组件120的其他部件）上，都被认为是结构负载。

当被集成到车辆的车身（诸如图1的底盘1）时，这种高度的刚度（不管径向，切向还是纵向）可能特别有用，因为在适当方向被加载时，其可以有助于底盘1或车体的其他部件的刚度增加。此外，因为容器122被设计为纤维间断裂（IFF）-超临界结构，所以其可以优选地向容器122均匀地传递负载。IFF，也被称为基体开裂，在裂缝平行于纤维方向的复合层是一种不足。IFF-超临界意思是允许设计的结构具有一定程度的IFF。在诸如容器122的燃料罐或相关箱的情况下，IFF的一个原因可能是由于高内压产生。均匀的负载传递是在足够大的区域上传递一致的负载，从而负载引起一致的应力，而高局部负载将引起可能损坏IFF-弱化的复合材料的高应力。类似地，本发明人进行的有限元（FE）分析已经示出在负载传递中的三个特别感兴趣的方向。第一是由框架10的变形导致的壳124与未加载的容器122之间的滑动，第二是来自壳边缘压力，第三是通过框架10变形的局部IFF。

在汽车应用中，对于上述笛卡尔坐标系统中的所有主轴必须满足显著负载准则。示例包括承受上述高加速力F、由于通过内压所致容器122的膨胀造成的负载和在正常操作条件下车辆的弹性和热变形造成的负载。此外，尽管这些负载中的一部分可能不彼此相互作用（例如，加速度力通常仅在高车辆速度时产生，而车辆的高弹性变形只出现较低的速度），但是必须考虑如下事实：这些负载中的一部分具有与其他负载相互作用的趋势（诸如通过内压所致的膨胀和热变形）。

将容器122建模在概念车内（诸如图1描述的车辆底盘1）有助于通过基于车辆1内的位置和方向量化容器122的加强效果来表征负载传递的本质（包括方向）。这种建模帮助找到组件120相对于框架10被放置在哪一位置可以最大化某些结构特性，诸如扭转刚度。在一种代表性建模中，发明人假设大致U形的框架轮廓以及概念容器组件的各种放置位置，以达到容器组件设置优良的大致测量。下面的表1示出这种建模的结果。

表1

。

从上述表可以看出，可以在轴之间的位置获得容器122的最佳增强效果。当然，因为这将侵入乘客舱，所以将需要重新考虑这种设置。当建模容器组件120时，可以考虑这些（以及其他的设计考虑因素）。

接下来，参照图4，示出相对于车辆框架和相关增强元件放置的氢燃料存储容器122（没有壳124）。例如，框架10可以由一系列大致纵向的杆130形成，其中，附图左侧示出的纵杆沿页面向内和向外延伸，右侧的纵杆垂直地向上和向下延伸，从而各种杆130一起形成盒状结构。壳124与纵杆130之间形成的连接位置（部分纵杆130可以垂直地向上延伸以给予框架更高的刚度）可以是使从容器122的一端延伸的壳124相对于彼此垂直堆叠；这种垂直堆叠以与从上述表1得到的结果一致的方式增加集成后组件120与框架10之间的刚性。容器122包括具有圆顶122B（每个将大约9英寸多添加到容器122的总长度）的大致圆柱形中心部122A（在一个实施例中，大约10英寸长）。容器122的相对纵端中形成的孔可配备有阀门，以提供选择性流体连通路径，用于燃料的引入或去除。通常，容器122根据其被集成到的框架10的大小被调整大小以适合底盘1内产生的空间中。纵杆130用于向容器122提供连接位置；这种连接可以通过螺栓，螺钉或其他已知紧固装置。接合位置125（以下将结合图5进一步讨论）可以用作围绕圆柱形中心部分122A的位置，以促进通过夹紧环126将中心部分连接到壳124的接合处124A4和124B4。这种接合位置125还可以用作渐进斜坡的连接点，其中壳124接触容器的圆柱形中心部122A和其中一个圆顶122B。

在优选形式中，容器122是由纤维增强聚合物制成的复合结构。多个层取向是可行的，诸如平衡的层板和环箍层。可以基于已知公式确定容器122的圆柱形部分的必要扭转刚度：

其中，G_yθ是层压材料的剪切模量，I_P是扭矩面积，l_CA是圆柱区域的长度。在一种示例性形式中，在碳纤维作为增强介质，并假设上述尺寸的情况下，C_T是大约174MNm/rad。

具体参照图5A和图5B，示出壳配置的各种变形，包括自由成形的壳124A和圆柱形壳124B两者。每个壳由中间部分124A1, 124B1、外（边缘）部分124A2, 124B2、凸缘124A3,124B3和接合处124A4, 124B4。如上结合图4所述，接合处124A4, 124B4是壳124A, 124B固定到容器122上的相应接合位置125的位置，而凸缘124A3, 124B3用于将壳124A, 124B连接到框架10。尽管没有示出，如本领域的技术人员所理解，后一种连接可以通过螺栓，螺钉，粘合剂或其他传统的紧固方式。

凸缘124A3, 124B3产生的上升端（突出部）通过提供更大的惯性矩减小了过早屈曲的风险。发明人进行的分析示出了两个壳变形应该具有足有的刚度，并且这两种之中，与自由成形的壳124A相比，圆柱形壳124B对屈曲具有更大的抵抗力，而自由成形的壳124A比圆柱形壳124B更轻。发明人进行的单独分析指出圆柱壳124B的刚度明显高于自由成形的壳124A的刚度（超过四倍高）。

壳124可以由各种材料制成，尽管在一个优选实施例中国，这种材料可以是片状模塑化合物（SMC），SMC是由作为基体的热固性聚合物和随机取向的玻璃纤维组成的片状材料。在一种形式中，纤维长度可以在30-50毫米之间。SMC被压到期望的形状，然后在加热工具中被固化。壳124可以通过夹紧环126被安装到容器122，在一种形式中，夹紧环126由与容器122和壳124类似的材料制成，诸如玻璃纤维增强环氧树脂或相关的塑料。当被配置为纤维增强复合物时，壳124A和124B可以由各种形式的纤维增强材料制成，其中，壳质量和壳刚度之间的权衡可以是确定性因素之一。发明人已经确定一种特定的增强形式，由基本上为x形状的纤维层制成，实现刚度-重量比的最高增加。另外，还可通过增强件（诸如UD层、肋和加强筋）增强壳（特别是对屈曲）。

车辆集成问题还将必须被考虑以用于材料选择和壳124构造。例如，圆柱形壳124B的结构效率优点必须与自由成形的壳124A的矩形凸缘124A3能更加容易地连接到纵杆130的大致平面配合面或框架10的相关面进行平衡。这样，集成问题可能使圆柱形壳124B的圆形凸缘124B3连接到纵杆130更加困难。如上述这些的考虑导致在凸缘构造中的权衡。

接下来参照图7A和图7B，示出对具有简化型式的底盘1的车辆纵向和横向的偏置撞击的情况（诸如由于碰撞）。在这种情况下，通过壳124传递到组件120的负载不平衡。例如，在图7A所示的侧面撞击力F中，撞击引起左上壳124压缩，而在图7B所示的正面撞击力F中，撞击引起最左侧壳124相对于右侧的壳朝边缘弯曲。这种撞击与它们的偏心施加的力一起可导致只有一个负载传输元件承载全部负载。即使在这种情况下，重要的是，燃料存储容器组件120保持其与框架10或纵杆130（其可以用作框架10的一部分或者框架10与组件120之间的中间结构）的连接，以使通过框架10的变形消散碰撞能量，或者（在更严重的情况下）以使撞击元件消散碰撞能量。在目前情况下，撞击元件被设计为特定结构，当受到撞击力时连续失效，从而避免壳和容器的突然和彻底坍塌。本领域的技术人员将理解，存在另外的消散碰撞能量或者在撞击之后保持容器与壳的接合的方式。

发明人还进行如下分析：使用单个1000N朝边缘的加载，将具有集成容器122的概念车框架的刚度与不具有容器122的概念车框架进行比较。在第一分析中（不存在集成容器122），负载引起0.16毫米的位移，这相当于框架刚度为6202 N/mm²。在第二分析中，容器122以集成方式被组装到框架，从而施加的负载的至少一部分会通过容器122。相同的1000N负载引起0.1毫米的位移，这相当于刚度为10000 N/mm²，或者大约1.6的增加因子。尽管进一步改进是可行的，并且可以将其它因素包括或不包括在内以增加或减小此刚度放大，但是本领域的技术人员将理解，通过本发明的下面的方法可以实现车辆框架的承载能力的明显改善。仅通过示例方式给出上述内容作为比较已知刚度的方式，并且通过类比上述朝边缘加载的情况，本发明的发明人认为还可以在甚至更多的相关因素中实现可观的改善，诸如车辆扭转刚度。

具体参照图8，热效应也可被消灭。具体地，发明人已经确定一个或多个压力释放阀门（未示出）可以安装到容器122。这种阀门可以在温度剧增的情况下（例如，在容器122的附近着火）打开，以允许不然会在容器122中递增的压力被释放。通过温度传感器（未示出）控制该阀门。因为壳124按照使其与热源隔离的方式相对于温度传感器放置，所以直到压力释放信号被发送到阀门的时间可能被延迟，或者甚至被阻止（在最坏的情况下）。为了避免这种情况，至少期望被暴露于高温源（诸如火）的壳可具有形成于其中的开口128，以更加容易允许热流200流到传感器。在壳124由复合材料制成的情况下，这种开口128可以在设计活动中确定（例如，避开主要的负载路径），从而可以最小化对容器组件120的承载能力的影响。在一种形式中，底壳（更可能暴露于火或另一热源）可以包括开口128，而上壳不包括开口128。在另一形式中（诸如图8描述的实施例的情况），上壳和下壳124A可以都包括开口128。在任何一种情况下，至少一个开口128可以允许热流200容易地流到阀门。

如上所述，在一个优选形式中，容器122和壳124两者可以由复合材料制成。在一种代表性制造形式中，可以使用任何已知层构造在心轴上绕制容器122（圆顶没有在图9A至图9D中示出）。类似地，可以结合环箍层使用平衡的层板。壳124可以层压到由铝制成的分离工具上。这种工具更易于铣削并且有益于在完成时移除壳124。壳124可以由具有热固性树脂或其他合适的结构复合材料的随机取向的玻璃纤维制成，诸如SMC，以及由已知的金属或它们的合金制造，诸如钢或铝。在一个实施例中，按照容器122的结构需求决定壳124的厚度。可以通过已知方法将夹紧环126生产为环箍，而壳124、容器122和夹紧环126的组件120可以如下完成。首先，如图9A所示，两个壳124用螺钉或相关的紧固件固定到板300，板300连接到缠绕心轴310。壳124的夹紧部分位于心轴面上。测定由在心轴上和在壳124上的铝缠绕止挡件320限定。接下来，如图9B所示，夹紧环126可以作为周向层缠绕在两个壳124的周围。心轴310的直径稍微小于容器122的直径，因此使夹紧环126的内径尺寸稍小。在另一形式中，也可以将夹紧环制成与壳分离。夹紧环和壳可以在另外的步骤中通过粘合剂结合。接下来，如图9C所示，容器122被压入壳124，与夹紧环126一起由按压支撑装置350支撑。未固化的胶粘剂可作为润滑剂。力（标为“按压1”）可以是任何保证充分的部件合并所需的量。最终，如图9D所示，在标为“按压2”的负载下，来自图9B和9C所示步骤的部分被压在一起，其中，可以使用另外的胶粘剂或润滑剂。

接下来参照图10A、10B、11A和11B，示出将壳组装到容器上的两种其他形式。在图10A和10B描述的变型中，壳124可以首先被置于容器122的一端上，之后，一对夹紧环126置于容器122周围。环126具有足够的直径使得它们被压在壳124上。此后，在容器122的另一端放置壳124，从而然后，夹紧环126中的第二个被压在容器122的另一端上的上、下壳124上。夹紧环126可具有楔形形状。在一种形式中，楔角小于大约15°。类似地，在图11A和图11B中描述的变型中示出楔形负载引入环132。楔形负载引入环132可以按照与结合图10A和图10B的设备讨论的夹紧环126大体类似地方式操作，并且楔形负载引入环132还可以包括楔形对应物134，该对应物可以是单独的部件（诸如环）或者集成到壳124。在另一个型式的概念中，按压方向可以变换。这在壳124与楔形负载引入环132之间的空间在按压之前充足的情况可能是有用的。

也可以采用其他特征。例如，组件120还可以包括大体顺应性垫片以允许某种程度的撞击吸收。因为容器122和壳124是刚性结构，所以容器122由于其被填充气体燃料造成的任何尺寸增加将被传递到框架10的纵杆130。为了避免纵杆130的变形（并且派生地导致车辆车身变形），弹性垫片（诸如软粘合剂形式）可以置于壳124与车辆车身之间。在另一形式中，纵杆130可以具有在其中设计的弹性区。在相对小变形的情况下（在每壳大约0.7mm的量级上，这可能源于用燃料将容器填充到工作压力），将通过这种弹性垫片或相关元件吸收。

已经参照本发明的特定实施例详细描述了本发明的实施例，明显地是，在不脱离所附权利要求限定的本发明的范围的情况下可以进行各种修改和改变。更具体地，尽管本发明的各个方面被发现为优选的或特别有利，但是可以理解，本公开没有必要限制到这些方面。

Claims (21)

1.一种燃料电池供能车辆，包括：

带车轮的底盘，所述底盘构造成支撑乘客舱并且包括框架，所述框架限定了对由至少一个从外部施加的载荷引起的变形的抵抗力；

与所述底盘联接的原动力源，所述原动力源包括至少一个燃料电池；和

燃料供应系统，所述燃料供应系统流体地联接到所述原动力源使得它们之间的操作促使所述底盘的至少一个车轮转动，所述燃料供应系统通过燃料容器组件与所述底盘集成，所述燃料容器组件包括：

容器，限定燃料存储包含容积和至少一个形成于其中的孔，从而燃料可以被引入、包含在所述容积中或者从所述容积移除；以及

多个壳，所述多个壳与所述容器形成在一起并且从所述容器延伸，从而施加在所述框架上的结构负载穿过所述多个壳和所述容器，从而由此增强所述框架的承载能力。

2.如权利要求1所述的车辆，还包括：至少一个夹紧环，其置于所述多个壳中的至少一个壳周围，以在所述容器与所述至少一个壳之间提供增强的连接性。

3.如权利要求2所述的车辆，其中，所述组件的至少一部分由金属或纤维增强复合材料制成。

4.如权利要求1所述的车辆，其中，所述多个壳中的至少一个壳还包括形成于其中的至少一个补充屈曲增强元件。

5.如权利要求4所述的车辆，其中，从由单向纤维、肋、加强筋及其组合组成的组中选择所述至少一个补充屈曲增强元件。

6.如权利要求1所述的车辆，其中，所述多个壳被固定到所述容器，从而当所述组件附接到所述车辆时，沿所述车辆的大体垂直轴线形成所述附接。

7.如权利要求1所述的车辆，其中，所述容器限定基本圆柱形结构，其至少一端形成为圆顶，从而通过沿所述圆顶的至少一部分形成的渐进斜坡连接将所述多个壳体中的至少一个壳固定到所述容器。

8.如权利要求1所述的车辆，还包括：释放阀门，与所述容器协作，从而当被暴露于过高温度时，所述释放阀门打开以减少所述容器中包含的燃料在所述容器中形成的内压。

9.如权利要求8所述的车辆，其中，所述多个壳中的至少一个壳限定形成于其中的至少一个热流开口。

10.如权利要求1所述的车辆，其中，所述多个壳中的所述至少一个壳被配置为自由成形的壳。

11.如权利要求1所述的车辆，其中，所述多个壳中的所述至少一个壳被配置为圆柱形壳。

12.一种用于燃料电池推进车辆的底盘，所述底盘包括：

框架，限定对由至少一个外部施加负载造成的变形的抵抗力；以及

燃料容器组件，结构上连接到所述框架使得所述燃料容器组件被配置成在发生相撞时保持其与所述框架的连接，所述组件包括：

至少一个容器，限定燃料存储包含容积，至少一个孔形成在该容积中，从而燃料可以被引入、包含在所述容积或者从所述容积移除；以及

多个壳，所述多个壳与所述至少一个容器形成在一起并从所述至少一个容器延伸使得施加到所述框架的结构负载穿过所述多个壳和所述至少一个容器，从而由此增强所述框架中的承载能力。

13.如权利要求12所述的底盘，其中，所述框架限定垂直部件，从而在所述组件与所述框架之间的结构连接沿所述垂直部件形成多个连接位置，从而额外地增强所述框架的对变形的所述抵抗力。

14.如权利要求12所述的底盘，其中，所述组件还包括置于所述多个壳中的至少一个壳周围的至少一个夹紧环，以提供所述容器与所述至少一个壳之间的增强连接性。

15.如权利要求14所述的底盘，其中，所述组件的至少一部分由金属或纤维增强复合材料制成。

16.如权利要求15所述的底盘，还包括：温度保护设备，包括释放阀门，与所述至少一个容器协作，从而当被暴露于过高温度时，所述释放阀门打开以减少所述至少一个容器中包含的燃料在所述至少一个容器中形成的内压。

17.一种在燃料电池供能车辆中增强对变形的结构抵抗力的方法，所述方法包括：

将所述燃料电池供能车辆的底盘配置为包括承载框架；以及

将燃料存储容器组件连接到所述底盘，从而通过所述连接传递施加到所述框架的偏斜负载的至少一部分，从而增强所述框架中固有的对变形的抵抗力，并且将所述燃料存储容器组件结构连接到所述框架使得所述燃料存储容器组件在发生相撞时保持其与所述框架的连接，所述组件包括：

容器，其内限定存储燃料电池燃料的容积，所述燃料可以被引入、包含在所述容积内或者从所述容积移除；以及

多个壳，所述多个壳与所述容器形成在一起并且从所述容器延伸，使得施加在所述框架上的结构负载穿过所述多个壳和所述容器，从而由此增强所述框架的承载能力。

18.如权利要求17所述的方法，其中，所述多个壳在多个垂直方向位置中被联接到所述容器，所述多个壳延伸超过所述容器的纵向尺寸，从而由此增强了所述框架的对偏斜的扭转抵抗力。

19.如权利要求17所述的方法，还包括：布置所述多个壳，从而所述组件和所述底盘之间的负载传递连接沿所述车辆的垂直轴线部件形成多个连接位置。

20.如权利要求17所述的方法，还包括：将所述组件的至少一部分配置为复合材料。

21.如权利要求17所述的方法，还包括：释放所述容器上的压力，从而如果所述容器暴露于过高温度，则所述容器中所述燃料的膨胀引起的压力不损坏所述容器。