CN104074972B - 用于形成压力容器的基体衬里的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及用于存储用于燃料电池系统的加压流体的压力容器、用于压力容器的衬里以及制造方法。制造压力容器的方法包括：形成消失模芯组件；围绕组件形成增强结构；和从所述组件移除模芯以限定出内部隔间。消失模芯组件包括用于：第一牺牲性材料，限定压力容器的内部隔间的形状；凸台，可附接至第一材料以向压力容器中引入和移除流体；和第二材料，围绕第一材料和凸台的至少一部分放置，使得在移除第一材料后，第二材料限定出衬里。增强结构围绕衬里缠绕以向压力容器给予整体的复合结构。

Description

用于形成压力容器的基体衬里的方法和设备
技术领域
本公开总体上涉及用于形成燃料电池系统的压力容器的方法和设备，并且更特别地涉及用于与具有均质特性的压力容器的增强结构结合使用的衬里。
背景技术
用于存储高压力气体介质(比如氢气、压缩天然气或空气)的压力容器(在本文中也被称为存储罐，或更简单地罐体)通常包括一个或多个衬里、至少一个嘴部(通常呈金属凸台的形式)和纤维缠绕的外壳增强结构。压力容器可以被合并到交通工具中，以向能够为交通工具提供动力的燃料电池堆供应燃料(例如氢)或氧化剂(比如氧)。
衬里可以采用常规方法来形成，比如滚塑成型、吹塑成型、注射成型或热成型，原料是塑料，通常为热塑性塑料，比如聚乙烯、PET、聚甲醛(POM)、ABS/PC、乙烯乙烯醇共聚物或尼龙材料等，方法是通过在具有聚合物树脂的型腔中设置穿透元件、加热模具同时进行旋转以使聚合物树脂熔化并涂覆型腔壁、冷却模具、并移除已成型的衬里。
金属凸台通常构造有螺纹或其它联接机构之一，以接受用于为压力容器提供联接点的阀、传感器、联接器、导管或其它装置。当进入或离开压力容器时，气体介质穿过凸台。
缠绕外壳--其通常为压力容器提供支承或增强结构的体积--通常由纤维缠绕过程形成，并连接至衬里并在高压釜中固化。
当前，用于形成压力容器的材料和已知方法提供差的耐久性影响。例如，衬里通常不能承受罐体在其整个操作寿命内所暴露至的应力，比如与受到多次填充和清空循环以及温度极值相关联的那些。因此，在一个形态中，应该总是在罐体中维持最小压力，以确保衬里被增强结构牢固地支承。在低于最小压力的压力例如小于大约20巴时，衬里和增强结构可能彼此分离，造成“松动”衬里效果。如果加压流体在高压力下被快速地引入压力容器中，同时罐体内的压力低于指定的最小值，则衬里将非常厉害地冲撞增强结构，造成“翘曲”衬里。衬里可能破裂，从而允许内含物流动穿过外层到环境中。另外，滞留在衬里与增强结构之间的加压流体可能损伤衬里和增强结构中的一者或两者。显著的温度变化可能产生相同的有害效果。
发明内容
针对以上背景，本公开涉及用于形成燃料电池系统中的压力容器的方法和设备，所述压力容器包括使用消失模芯组件形成的均质基体，以改善耐久性影响，比如松动或翘曲的衬里并避免时间和温度满足上的困难，使得当压力容器被清空至环境压力时，压力容器不被损坏。值得注意的是，依据本文中公开内容制造的衬里和增强结构在结构上具备均质特性，其降低或避免比如以上提及的发生在压力容器被清空至低(例如环境)压力时的松动或翘曲衬里等耐久性影响，以及避免时间和温度满足上的困难。压力容器的均质性质的一个表现是基于纤维的增强结构与构成衬里的树脂的大致完全的结合。除了改善这种压力容器的耐久性之外，本公开的途径将允许为汽车制造商提供改善的交通工具范围或尺寸以及重量优点。
在一个实施例中，一种制造用于燃料电池系统的压力容器的方法包括：以具有大体轴对称形状的第一材料形成消失模芯组件；将一个或多个凸台连接至组件的模芯；将模芯浸渍到第二材料中；凝固第二材料；围绕衬里和凸台的至少一部分形成增强结构，以使形成于压力容器中的内部隔间在从消失模芯组件移除模芯后能够承受达到至少大约30巴(或更多)的压力，该压力由随后放置于其中的加压燃料电池系统反应物造成。
在另一实施例中，一种制造燃料电池系统的方法包括：组装存储容器；提供至少一个燃料电池堆；以及将容器通过导管流体地连接至电池堆。这样，一旦燃料电池反应物被放置在容器中后，容纳在容器内的反应物与电池堆的选择性流体连通得以建立。通过以第一材料、第二材料和一个或多个凸台形成消失模芯组件，来组装容器。第一材料限定出模芯，同时一个或多个凸台被连接至模芯上的优选位置。模芯被浸渍到第二材料中，使得在第二材料凝固以及后续从组件移除模芯后，形成于第二材料内的内部空间或隔间限定出用于容纳用于在燃料电池系统中使用的加压气体的衬里。然后围绕衬里和凸台的至少一部分形成增强结构，使得衬里和增强结构限定出大致整体的结构，使得松动衬里问题得到避免。在一个形态中，容器限定出复合结构，其中在本背景中，复合结构是指由两个或更多个离散部件构成，其在形成功能后，作为整体或单个完整体。在密切关联于本发明的一个特定示例中，增强结构围绕衬里形成为使得它们协同操作以使彼此保持实质性的整体接触，而不管罐体是处于完全加压状态(比如在它容纳氢气或某些其它相关燃料电池系统反应物时)还是处于相对未加压的状态(比如在罐体大致被耗尽反应物时)。
在再一实施例中，公开了通过一过程制备的用于燃料电池系统压力容器的衬里。该过程步骤包括以下步骤：提供形状与压力容器的内部隔间相对应的牺牲性材料；将一个或多个凸台附接至所述牺牲性材料；围绕所述牺牲性材料和一个凸台(或多个凸台)的至少一部分放置衬里材料；以及移除所述牺牲性材料。如在本公开中其它地方论述的，所述牺牲性材料形成模芯，其将消失(即被移除)，以便留下具有所需形状的衬里。在可选形态中，所述牺牲性材料包括泡沫，并且所述衬里材料包括在后续硬化步骤后可固化成固体形态的液体。还如在本公开中其它地方论述的，放置衬里材料的步骤可按如下方式完成：将牺牲性材料浸涂到液体形态的第二材料中并使第二材料凝固，达所需的次数，以实现所需的最终衬里厚度。另外，可以围绕衬里形成增强结构，使得由此形成的压力容器具有增强的承载能力，包括承受由引入其中的加压流体对衬里壁施加的高(达到大约30巴的)压力。
本公开还提供以下技术方案：
1. 一种制造用于燃料电池系统的压力容器的方法，所述方法包括：
形成消失模芯组件，其包括：
第一材料，围绕在所述压力容器内限定出的大致纵向的轴线具有大体轴对称的形状，以限定出模芯；
至少一个凸台，附着至所述模芯的至少一个端部，所述至少一个凸台在其中限定出接收燃料电池反应物的孔眼；
第二材料，使得在所述模芯浸渍于其中并且在所述第二材料后续凝固后，所述第一材料和第二材料以及所述至少一个凸台限定出所述组件，其中所述第二材料构成其衬里部分；
围绕所述组件的所述衬里和所述至少一个凸台的至少一部分形成增强结构；以及
从所述组件移除所述模芯以在其中限定出内部隔间，所述内部隔间能够承受来自随后放置于其中的燃料电池系统反应物的达到至少大约30巴的压力。
2. 如技术方案1所述的方法，其中，所述第一材料包括泡沫。
3. 如技术方案2所述的方法，其中，所述泡沫是聚苯乙烯泡沫。
4. 如技术方案1所述的方法，其中，所述至少一个凸台包括沟槽、通道和凹陷中的至少一个，所述沟槽、通道和凹陷适应于接收所述第一材料和第二材料中的至少一个的一部分。
5. 如技术方案1所述的方法，其中，所述第二材料包括树脂。
6. 如技术方案5所述的方法，其中，所述树脂是基体树脂或环氧树脂。
7. 如技术方案1所述的方法，其中，所述浸渍包括将所述模芯浸涂到所述第二材料的液体形态中至少一次。
8. 如技术方案1所述的方法，其中，所述形成增强结构包括在所述第二材料已硬化后围绕所述衬里和所述至少一个凸台的所述至少一部分纤维缠绕所述增强结构。
9. 如技术方案1所述的方法，其中，所述移除所述模芯是通过熔化过程或增溶过程中的至少一者进行的。
10. 如技术方案1所述的方法，其中，所述形成增强结构包括将所述增强结构附着至所述第二材料以在其间限定出大致整体的永久性结构。
11. 一种制造燃料电池系统的方法，所述方法包括：
组装用于在其中容纳燃料电池反应物的压力容器，所述制造包括：
以第一材料形成模芯；
将至少一个凸台连接至所述模芯；
至少将所述模芯浸渍到第二材料中；
使所述第二材料凝固，以使所述第一材料、第二材料和至少一个凸台限定出消失模芯组件；
从组件移除所述模芯，以在其中形成限定出内部隔间的容器形状的衬里；以及
围绕所述衬里和所述至少一个凸台的至少一部分形成增强结构，所述衬里和所述增强结构在所述压力容器内限定出大致整体的结构；
提供至少一个燃料电池堆；以及
将所述容器通过导管流体地连接至所述至少一个燃料电池堆，使得在燃料电池反应物放置于所述容器中后，放置于其中的所述反应物通过所述导管与所述至少一个燃料电池堆建立选择性的流体连通。
12. 如技术方案11所述的方法，其中，组装好的所述压力容器围绕其大致纵向的轴线构成大体轴对称的形状。
13. 如技术方案11所述的方法，其中，所述第一材料包括泡沫，并且所述第二材料包括可固化树脂。
14. 如技术方案13所述的方法，其中，所述浸渍可以包括浸涂至少一次。
15. 如技术方案11所述的方法，其中，所述移除所述模芯是通过熔化过程或增溶过程中的至少一者进行的。
16. 如技术方案11所述的方法，其中，所述增强结构在所述模芯被移除之前形成。
17. 如技术方案11所述的方法，其中，所述增强结构在所述模芯被移除之后形成。
18. 一种用于燃料电池系统压力容器的衬里，所述衬里由包括以下步骤的过程制备：
提供形状与所述压力容器的内部隔间相对应的牺牲性材料；
将至少一个凸台附接至所述牺牲性材料，所述至少一个凸台在其中限定出孔眼；
围绕所述牺牲性材料和所述凸台的至少一部分放置衬里材料；以及
移除所述牺牲性材料。
19. 如技术方案18所述的压力容器，其中，所述牺牲性材料包括泡沫，并且所述衬里材料包括在后续硬化步骤后可固化成固体形态的液体。
20. 如技术方案19所述的压力容器，其中，所述放置衬里材料包括：将所述牺牲性材料浸涂到所述第二材料的所述液体形态中至少一次，并凝固所述第二材料。
参考以下描述和所附权利要求书，本公开的这些以及其它特征、方面和优点将被更好地理解。
附图说明
虽然说明书终结于特别指出并清楚要求本公开的权利要求书，但应相信的是：从以下描述结合附图进行理解将更好地理解本公开，附图中：
图1是根据本公开一方面的由在压力容器的组装中使用的牺牲性第一材料制成的模芯的剖视图；
图2是连接至图1的模芯的凸台区域的剖视图；
图2A是图2的详细视图，进一步示出了在其上具有一体化部分的凸台区域；
图3是由图2的模芯和凸台区域构成的具有形成衬里的第二材料的消失模芯组件的剖视图；
图3A是图3的详细视图，进一步示出了在其上具有一体化部分的凸台区域；
图4是围绕图3的消失模芯组件和凸台区域的一部分形成的增强结构的剖视图；
图4A是图4的详细视图，进一步示出了在其上具有一体化部分的凸台区域；
图5是模芯被移除后的用于燃料电池系统的已成型压力容器的剖视图；并且
图5A是详细视图，进一步示出了在其上具有凸台区域和一体化部分的图5的已成型压力容器。
具体实施方式
现在将偶尔参考特定实施例来描述本公开的特征和优点。然而，本公开可以被体现为不同的形式，从而不应该被解释为局限于本文中给出的实施例。相反，这些实施例被提供来使得本公开将是充分和完全的，并且将向本领域的技术人员全面地传达本公开的范围。
如在本文中多个实施例中描述的加压流体可以是任何流体，比如：诸如氢气、压缩天然气和氧气等气体；液体；以及液体和气体两者等。在一优选实施例中，本文中描述的压力容器被构造为用于加压反应物燃料的存储罐。
首先参考图1，其中示出了在制作压力容器10的消失模芯组件时使用的模芯20的剖视图。模芯20由包括泡沫材料例如聚苯乙烯泡沫的第一材料形成。在一优选形态中，泡沫材料被选择为通过在相对较低温发生熔化(例如在热液池中使用的)或在存在适当的化学(增溶)剂时发生溶解而成为牺牲性的。模芯20具有大体轴对称的形状，其限定出完成容器10的所需内部空腔尺寸和形状，然而，模芯20也可以根据需要具有任意形状。已成型的模芯可通过放置到适当的模具(例如，塑料注塑模具，未示出)中并被热塑性或热固性材料包覆模制而成形，从而形成所需的衬里形状。
图2示出了连接至图1的模芯20的至少一个端部的凸台30的剖视图，而图2A是连接至模芯20的凸台区域30的更详细的视图，示出了形成于其上的一体化部分。除了提供可以向随后形成的罐体中引入或从随后形成的罐体中移除流体的孔眼之外，凸台30还包括凹陷(或沟槽)32、肩部34和颈部36。模芯20被连接至凸台30的肩部34，使得模芯20填充位于凸台30的肩部34的内表面上的多个凹陷32。除了凹陷32之外，应该明白的是：凸台30还可以包括沟槽、通道和/或突起，其适应于接收材料的一部分，以促进材料向凸台30的更高程度的机械附接。凸台30可以具有任何尺寸和直径，其适合于与引导并控制流体进出加压流体存储罐的固定芯、螺纹套筒、喷嘴、阀、量表、管、热压释放装置(TPRD)和类似固定装置联接。在一些实施例中，本领域中公知的附加密封元件可以被设置在凸台30与模芯20之间，以防止气体介质的意外损失。
图3是形成在图2的凸台区域30和模芯组件20的外表面上的第二材料40的剖视图。图3A是图3的局部剖视图，进一步示出了在其上具有一体化部分的凸台区域30。已成型的模芯20被浸渍到第二材料40中。在一个形态中，第二材料40向模芯20上的施加是通过浸涂。第二材料40在固化后将形成衬里50，使用的是树脂例如基体树脂或环氧树脂，其可为用于衬里50的适当塑料的基础，其在第二材料40的凝固或相关固化后得以生成。在这种凝固过程期间，由第二材料40构成的衬里50形成在凸台30的肩部34的外边缘上。浸涂可以重复次数，取决于衬里50的所需最终厚度。因此，在一个形态中，衬里50可以在一系列重复步骤中累积而成。如能够在图看出的，衬里50覆盖凸台区域30处于沟槽32之上直到限定出颈部36的圆柱形部分的起点。这样，实现了沿用于气体作用力和机械载荷的两个方向的附加气密性和机械强度。这在比如交通工具碰撞或相关误用等破坏性撞击事件中是尤其有利的。
图4是围绕由模芯20、凸台区域30和衬里50构成的消失模芯组件形成的增强结构60的剖视图，而图4A更详细地示出了凸台区域30。尽管目前未示出，但是形成于凸台30中的孔眼可以包括螺纹，以容许与流体联接线或其它连接装置的旋转连接(由孔眼上方示出的逆时针方向旋转绘出)。如图所示，增强结构60被附着或以其它方式固定至由第二材料形成的衬里50，使得它们一起在它们之间限定出大致整体的永久性结构。在这点上，容器10由衬里50与增强结构60之间的复合材料制成。在一特定形态中，增强结构60的纤维可以缠绕已经如以上论述的通过多次重复浸渍累积而成的湿衬里50壳。
图5是图4的剖视图，示出了用于燃料电池系统的已成型压力容器10。一旦消失模芯组件的模芯20被移除后，衬里50和增强结构60内保留的中空空间限定出用于存储加压氢气或其它气体的内部隔间70，所述加压氢气或其它气体用作一般而言的燃料电池系统以及特别而言的基于质子交换膜片(PEM)的燃料系统的反应物。图5A是更详细的视图，进一步示出了具有凸台区域30和一体化部分的图5的已成型压力容器10。压力容器10的长度方向尺寸，其与穿过形成于凸台30中的孔眼的流体引入和移除方向大体重合，限定出大致纵向的轴线，使得内部隔间70的形状围绕这种轴线是大体轴对称的。
尽管图3-5A绘出了泡沫模芯20在增强结构60已围绕衬里50形成后被移除的制造途径，但是在增强结构60形成之前移除泡沫模芯20也处于本发明的范围内，只要变成衬里的第二材料40足够坚硬以在该中间阶段能自承即可。同样地，用于燃料电池系统的压力容器的当前制造方法可以包括附加的步骤或者是更大组装方案的一部分，其包括将已制成的容器连接至一个或多个其它燃料电池系统部件比如燃料电池堆、以及导管、阀、传感器/监测装备、控制器和可选的泵送装备。
应指出的是：如“优选”、“一般”和“通常”(及它们的变型)之类的术语在本文中不是被采用来限制所要求的公开的范围，或暗示某些特征对所要求的公开的结构或功能来说是关键的、必要的或者甚至是重要的。相反，这些术语仅仅旨在强调替代的或附加的特征，其可以也可以不被采用在本公开的特定实施例中。同样，为了描述和限定本公开的目的，应指出的是：术语“装置”在本文中被采用来表示部件的组合和个体部件，而不管这些部件是否与其它部件组合。
为了描述和限定本公开的目的，应指出的是：术语“大致(基本上)”在本文中被使用来表示固有程度的不确定性，其可以归因于任何定量比较、值、测量或其它表示。术语“大致(基本上)”在本文中还被使用来表示一定程度，定量表示可以不同于所陈述的基准达该程度，而不会导致所涉及主题的基本功能的变化。照此，它被使用来表示固有程度的不确定性，其可以归因于任何定量比较、值、测量或其它表示，是指元件或特征的配置--虽然在理论上将预期呈现出精确对应或行为--但在实践中可以体现为略微小于精确。
除非另有限定，本文中所使用所有技术和科学术语具有与本公开所属领域的技术人员通常所理解的相同的意义。在本文的描述中所使用的术语只是用于描述特定实施例，并不旨在进行限制。如说明书和所附权利要求书中所使用的，“一”、“一个”、“该”等单数形式旨在同样包括复数形式，除非上下文另有明确的相反指示。
虽然已通过参考本公开的具体实施例详细地描述了本公开，但是应该理解的是：在不背离在所附权利要求书中限定出的本公开的范围的情况下，变型和变更是可能的。更具体地，尽管本公开的一些方面在本文中被识别为优选的或特别有利的，但是可以想到的是本公开并不一定局限于本公开的这些优选方面。

Claims (20)

1.一种制造用于燃料电池系统的压力容器的方法，所述方法包括：
形成消失模芯组件，其包括：
第一材料，围绕在所述压力容器内限定出的纵向的轴线具有轴对称的形状，以限定出模芯；
至少一个凸台，附着至所述模芯的至少一个端部，所述至少一个凸台在其中限定出接收燃料电池反应物的孔眼；
第二材料，所述模芯浸渍于所述第二材料中并且在所述第二材料后续凝固后，所述第二材料形成衬里，所述模芯、衬里以及所述至少一个凸台限定出所述组件；
围绕所述组件的所述衬里和所述至少一个凸台的至少一部分形成增强结构；以及
从所述组件移除所述模芯以在其中限定出内部隔间，所述内部隔间能够承受来自随后放置于其中的燃料电池系统反应物的达到至少30巴的压力。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一材料包括泡沫。
3.如权利要求2所述的方法，其中，所述泡沫是聚苯乙烯泡沫。
4.如权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个凸台包括沟槽，所述沟槽适应于接收所述第一材料和第二材料中的至少一个的一部分。
5.如权利要求1所述的方法，其中，所述第二材料包括树脂。
6.如权利要求5所述的方法，其中，所述树脂是基体树脂或环氧树脂。
7.如权利要求1所述的方法，其中，所述浸渍包括将所述模芯浸涂到所述第二材料的液体形态中至少一次。
8.如权利要求1所述的方法，其中，所述形成增强结构包括在所述第二材料已硬化后围绕所述衬里和所述至少一个凸台的所述至少一部分纤维缠绕所述增强结构。
9.如权利要求1所述的方法，其中，所述移除所述模芯是通过熔化过程或增溶过程中的至少一者进行的。
10.如权利要求1所述的方法，其中，所述形成增强结构包括将所述增强结构附着至所述第二材料以在其间限定出整体的永久性结构。
11.一种制造燃料电池系统的方法，所述方法包括：
组装用于在其中容纳燃料电池反应物的压力容器，所述制造包括：
以第一材料形成模芯；
将至少一个凸台连接至所述模芯；
至少将所述模芯浸渍到第二材料中；
使所述第二材料凝固，以形成衬里，所述模芯、衬里和至少一个凸台限定出消失模芯组件；
从组件移除所述模芯，以在其中形成限定出内部隔间的容器形状的衬里；以及
围绕所述衬里和所述至少一个凸台的至少一部分形成增强结构，所述衬里和所述增强结构在所述压力容器内限定出整体的结构；
提供至少一个燃料电池堆；以及
将所述容器通过导管流体地连接至所述至少一个燃料电池堆，使得在燃料电池反应物放置于所述容器中后，放置于其中的所述反应物通过所述导管与所述至少一个燃料电池堆建立选择性的流体连通。
12.如权利要求11所述的方法，其中，组装好的所述压力容器围绕其纵向的轴线构成轴对称的形状。
13.如权利要求11所述的方法，其中，所述第一材料包括泡沫，并且所述第二材料包括可固化树脂。
14.如权利要求13所述的方法，其中，所述浸渍包括浸涂至少一次。
15.如权利要求11所述的方法，其中，所述移除所述模芯是通过熔化过程或增溶过程中的至少一者进行的。
16.如权利要求11所述的方法，其中，所述增强结构在所述模芯被移除之前形成。
17.如权利要求11所述的方法，其中，所述增强结构在所述模芯被移除之后形成。
18.一种用于燃料电池系统压力容器的衬里，所述衬里由包括以下步骤的过程制备：
提供形状与所述压力容器的内部隔间相对应的牺牲性材料；
将至少一个凸台附接至所述牺牲性材料，所述至少一个凸台在其中限定出孔眼；
将所述牺牲性材料和所述凸台的至少一部分浸渍于衬里材料中并且在所述衬里材料后续凝固后，所述衬里材料形成衬里；以及
移除所述牺牲性材料。
19.如权利要求18所述的衬里，其中，所述牺牲性材料包括泡沫，并且所述衬里材料包括在后续硬化步骤后可固化成固体形态的液体。
20.如权利要求19所述的衬里，其中，将所述牺牲性材料和所述凸台的至少一部分浸渍于衬里材料中的步骤包括：将所述牺牲性材料浸涂到所述衬里材料的所述液体形态中至少一次，并凝固所述衬里材料。
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