CN108474518A - 压力容器系统 - Google Patents

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CN108474518A
CN108474518A CN201780007496.7A CN201780007496A CN108474518A CN 108474518 A CN108474518 A CN 108474518A CN 201780007496 A CN201780007496 A CN 201780007496A CN 108474518 A CN108474518 A CN 108474518A
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CN
China
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pressure vessel
gas
interface
opening
generally cylindrical
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CN201780007496.7A
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English (en)
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B·克里尔
弗朗索瓦·道尼尔
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Nergy Automotive Systems Research SA
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Nergy Automotive Systems Research SA
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Abstract

本发明涉及一种压力容器系统，该压力容器系统包括：用于存储受压气体的压力容器；位于所述压力容器的潜在泄漏界面处的一个或多个配置为当所述气体沿着所述潜在泄漏界面经过时发生改变的气体敏感部件，所述泄漏界面是所述压力容器内的界面；和一个或多个配置为检测所述一个或多个气体敏感部件的改变的检测模块。本发明还涉及一种连接组件，该连接组件包括：配置为实现气密性连接的第一连接部件和第二连接部件；设置在所述第一连接部件与第二连接部件之间的连接界面处的一个或多个气体敏感部件；和一个或多个配置为检测所述一个或多个气体敏感部件的改变的检测模块。

Description

压力容器系统
技术领域
本发明涉及压力容器系统，尤其是用于在车辆中使用的压力容器系统。具体实施例涉及用于存储氢气、液化石油气(LPG)、压缩天然气(CNG)或氨的压力容器，和用于在压力容器系统中使用的连接组件。
背景技术
当流体存储在容器中时，期望的是防止所存储的流体从容器泄漏，因为这样的泄漏导致损失所存储的流体。而且，流体泄漏还会是危险的，例如如果泄漏使得有毒的气体释放到大气中。
并且，如果在容器中存储有可燃气体，则该可燃气体从容器的泄漏可导致会造成损坏的爆炸。
因此，已知的做法是给流体存储容器设置用于检测从容器损失流体的装置。
例如，德国专利申请DE102013219968描述了一种被气密性外容器环绕的包含气体的内容器。在外容器与内容器之间设有用于接收从内容器逃逸出的任何气体的中间空间，并且在该中间空间中存在至少一个用于检测泄漏的气体的气体传感器。
在可替代系统中，可将有气味物质添加到存储在容器中的气体中。在这样的系统中，通过逃逸出的气体的气味来检测气体泄漏。例如，天然气是无味的，并且是高度可燃的。为了能够快速地检测泄漏，将例如硫醇的有气味物质添加到天然气中，使得能够通过气味来检测任何气体泄漏。
类似地，欧洲专利申请EP1935844描述了一种氢气供给设备，其中有气味物质与氢气混合。该添加的有气味物质则可被用于检测氢气泄漏。在EP1935844中，该设备包括用于存储氢气的气体存储装置，和用于将有气味物质添加到从气体存储装置供给的氢气中的有气味物质添加装置。
在其它已知系统中，可通过测量储箱内的压强和温度来检测从储箱发生的气体泄漏。例如，在这样的系统中，可在首次将气体添加到容器中时以及随后在气体已经存储一段时间时测量压强和温度。如果对于两次读数，容器内的气体的温度是相同的但压强降低了，则可得出存在气体泄漏的结论。
然而，所有这些已知的用于检测气体泄漏的系统都具有缺陷。
例如，使用像在DE102013219968中所描述的那样的双重壁储箱既增加系统的成本也增加系统的重量。
类似地，如果采用在气体中添加了有气味物质的系统，则该系统还需要包括用于存储和添加该有气味物质的装置，这也增加系统的成本和重量。而且，对于已知的有气味物质系统，为了能够检测到气味，用户需要在泄漏时位于系统附近。
并且，使用压强和温度测量来确定气体是否已经泄漏的系统仅能够在相当比例的气体已经逃逸出之后才提醒人存在该泄漏。
发明内容
本发明的实施例意在提供一种用于存储气体的压力容器系统，该系统包括用于检测来自压力容器的气体泄漏的装置，该装置不具有现有技术已知的泄漏检测系统的一个或多个缺陷。
根据本发明的第一方面，提供了一种压力容器系统，该系统包括压力容器、一个或多个气体敏感部件，和一个或多个检测模块。压力容器配置为存储受压气体。该一个或多个气体敏感部件设置在压力容器的潜在泄漏界面处，并配置为当气体沿着潜在泄漏界面经过时发生改变。这些气体敏感部件例如附接到潜在泄漏界面。“附接”指气体敏感部件可通过固定安装或可动安装而连接到潜在界面。泄漏界面是集成在压力容器内的界面。例如，压力容器的任何界面都可被视为泄漏界面或潜在泄漏界面，这是因为气体可从该界面逃逸到压力容器外。该一个或多个检测模块配置为检测该一个或多个气体敏感部件的改变。换句话说，符合本发明的压力容器系统包括：
用于存储受压气体的压力容器；
位于压力容器的潜在泄漏界面处的、配置为当气体沿着潜在泄漏界面经过时发生改变的一个或多个气体敏感部件；所述泄漏界面是压力容器内的界面；以及
配置为检测该一个或多个气体敏感部件的改变的一个或多个检测模块。
在一个实施例中，所述一个或多个检测模块有别于所述一个或多个气体敏感部件。实际上，在该实施例中，所述一个或多个检测模块和所述一个或多个气体敏感部件与“两部法(two-part process)”有关：至少一个气体敏感部件仅能够由于存在气体而发生改变。然后，至少一个检测模块仅能够检测关于该至少一个敏感部件的改变。换句话说，在该实施例中，所述一个或多个检测模块检测当气体沿着界面经过时所述一个或多个气体敏感部件发生的改变。
在另一实施例中，所述一个或多个检测模块和所述一个或多个气体敏感部件可以是单一构件。在该实施例中，该单一构件本身能够当气体沿着界面经过时检测气体。
本发明的实施例具有这样的优点：能够以经改善的可靠的方式检测压力容器的泄漏，允许在不显著地增大压力容器系统重量的情况下将所述一个或多个气体敏感部件紧凑地集成在任何潜在泄漏界面中。在优选实施例中，该集成可以使得尽可能接近潜在泄漏地集成气体敏感部件以实现快速的泄漏检测。
在本发明的范围内，术语“泄漏界面”是存在以及形成于压力容器内的界面、路径或通道，该界面、路径或通道是这样的潜在路线：在泄漏情况下，气体可沿着该潜在路线从容器内部逃逸出。所述一个或多个潜在泄漏界面通常是压力容器的构造方式所固有的。这意味着这样的潜在泄漏界面一般源于压力容器的制造和/或组装。在实践中，压力容器会具有一定数量的易发生泄漏的路径，例如压力容器主体的两层之间的界面或连接界面。在正常情况下，这样的界面在制造和/或组装之后没有泄漏问题，但随时间推移(例如在5年、10年或15年后)可能会由于老化效应、极端温度效应、振动、材料变质等而开始泄漏。像在本发明的实施例中能够检测随时间推移而可能出现的该泄漏是有用的。当检测到泄漏时，则可确定某些部件(例如密封件)需要更换，或在某些情况下可确定应更换整个压力系统。
在本发明的范围中，术语“压力容器”指能够承受至少2bar、优选地至少3bar的内部压强的容器。压力容器包括压力容器主体，以及集成在压力容器主体中的任何构件，例如安装在压力容器主体的开口中的功能性部件，见下文。压力容器主体可以是单层主体或多层主体。
在一个示例性实施例中，泄漏界面是以下中的任一个：压力容器的压力容器主体的两个相互接触的层之间的界面；压力容器的两个集成部件之间的连接界面；压力容器的集成部件与压力容器主体的层之间的连接界面。当提到压力容器的集成部件时，指的是与压力容器主体接触或安装在压力容器主体中的部件。
在一个实施例中，压力容器系统包括压力容器主体和设置在压力容器主体的开口中的功能性部件，其中在开口的边缘与功能性部件之间设置有密封件，并且其中，所述一个或多个气体敏感部件中的至少一个设置在密封件下游，相对于穿过开口的气体流而言的下游，换句话说，设置在功能性部件与开口之间。容器主体能够在开口上游包含气体。功能性部件可例如是以下中的任一种：适配器部件、安装部件、阀门部件、出口部件、封闭部件、热压强释放阀门、压强传感器、温度传感器、过压释放阀门等。
在一些实施例中，压力容器主体可以是带有两个圆形端部的长形的大致柱形(cylindrical)的主体，功能性部件可设置在其中一个端部中的开口中。
在压力容器系统的一些实施例中，开口由压力容器的大致柱形的壁部分限定，功能性部件包括插入开口中的对应的大致柱形的部分。所述一个或多个气体敏感部件中的所述至少一个可设置在功能性部件的大致柱形的部分与大致柱形的壁部分的内侧之间的界面处。
在一个示例性实施例中，功能性部件的大致柱形的部分设有环形槽，密封件设置在该环形槽中。
在一个示例性实施例中，大致柱形的部分是至少部分地插入开口中的凸缘适配器的部分。凸缘适配器可包括第一大致柱形的部分和第二大致柱形的部分，所述第一部分插入所述开口中，所述第二部分向外延伸出所述开口。
在一些实施例中，大致柱形的壁部分向外突出，可围绕限定开口的大致柱形的壁部分设置凸缘(boss)。在这样的实施例中，开口可至少部分地由凸缘的内柱形壁限定。该凸缘可提供能够被功能性部件接合的表面。所述一个或多个气体敏感部件中的至少一个可设置在凸缘的界面处。换句话说，开口由压力容器的向外突出的大致柱形的壁部分限定，其中围绕限定开口的大致柱形的壁部分设置有凸缘，并且其中，所述一个或多个气体敏感部件中的至少一个设置在凸缘的界面处。
在包括功能性部件的系统的实施例中(该功能性部件包括插入开口中的对应的大致柱形的部分)，该大致柱形的部分可以是至少部分地插入开口中的凸缘适配器的部分。
例如，功能性部件可至少部分地由柱形凸缘适配器形成，该柱形凸缘适配器配置为与凸缘的内壁接合。在一些实施例中，凸缘适配器可螺固到凸缘中。
在具有包括对应的大致柱形的部分的功能性部件的实施例中，所述一个或多个气体敏感部件中的至少一个可例如通过包覆模制或覆层而设置在该大致柱形的部分上。可替代地或额外地，大致柱形的部分可设有环形槽，密封件设置在该环形槽中。在一些实施例中，大致柱形的部分包括金属。在其它实施例中，所述一个或多个气体敏感部件中的至少一个可附接到密封件或集成在密封件中。在其它实施例中，所述一个或多个气体敏感部件中的至少一个可附接到功能性部件或集成在功能性部件中。
在包括凸缘适配器的压力容器系统的实施例中，该凸缘适配器可包括具有第一直径的第一大致柱形的部分，和具有大于第一直径的第二直径的第二大致柱形的部分，所述第一部分插入压力容器的开口中，所述第二部分向外延伸出开口。
在压力容器系统的实施例中，压力容器可包括衬里，大致柱形的壁部分可以是衬里的一体部分。
在压力容器包括衬里和凸缘的实施例中，限定开口的大致柱形的壁部分可包覆模制在凸缘上并围绕衬里中的开口焊接到衬里。
在一些实施例中，凸缘可围绕限定开口的大致柱形的壁部分、并围绕凸缘适配器的插入开口中的第二部分的一部分而设置。
功能性部件可包括设置在大致柱形的部分中的阀门，所述一个或多个气体敏感部件中的至少一个可设置在阀门与大致柱形的部分之间。该阀门可包括例如过压释放阀门、热释放阀门、管理例如给燃料电池供给氢或给发动机供给气体的常闭电阀门。
在本发明的实施例中，压力容器可配置为存储以下中的任一种：、液化石油气(LPG)、氢、压缩天然气(CNG)、氨(通常为氨水，并且其中，压力容器配置为承受0.2MPa(2bar)以上的压强)。
在实施例中，所述气体敏感部件中的一个或多个可布置为使其暴露于空气下。例如，气体敏感部件可布置为邻近一槽，该槽配置为与环境空气联通。当检测模块在气体敏感部件暴露于空气的情况下工作得更好时，这样的实施例会是有利的。
在本发明的一些实施例中，压力容器可配置为存储压强在0.3MPa(3bar)以上的气体。
如果压力容器配置为存储液化石油气(LPG)，则压力容器可配置为存储压强大约为0.5MPa至1.5MPa(5至15bar)的液化石油气。对于配置为存储氢气的压力容器，压力容器可存储压强大约为70MPa(700bar)或35MPa(老标准，350bar)的该气体。如果压力容器用于存储压缩天然气(CNG)，则压力容器可配置为存储压强大约为20MPa(200bar)的该气体。如果压力容器用于存储氨(通常为氨水)，则压力容器可配置为存储压强为0.1MPa至2MPa的氨。
在本发明的一些实施例中，压力容器可包括衬里和围绕衬里设置的增强层。
在这样的实施例中，衬里可例如通过吹气模制或注射模制由热塑性材料制成。衬里可由基于例如HDPE、PA、PPA的单体材料或其它任何合适的热塑性材料构成。可替代地，衬里可由共挤出结构、例如包括具有非常低的氢渗透性的层的共挤出层制成。
增强层可由复合材料形成。增强层可包括嵌入热固性或热塑性基质中的增强纤维，例如碳、玻璃、芳纶纤维等。增强层可以通过丝线缠绕工艺、编织工艺、自动带材铺敷工艺、激光辅助带材铺敷工艺或任何替代性工艺获得。
在另一实施例中，压力容器不包括衬里，气体约束功能可通过增强层来实现。于是可在增强层中和/或凸缘适配器上通过精整操作或组装操作来包括密封件。
在一些实施例中，衬里可包括限定开口的向外延伸的柱形壁部分，其中，围绕柱形壁部分设置有凸缘，所述凸缘部分地被增强层覆盖。
在压力容器系统的实施例中，所述一个或多个气体敏感部件中的至少一个可设置在凸缘与增强层之间。这样的实施例会允许检测由于衬里泄漏而导致发生的泄漏，其中，泄漏界面沿着衬里/凸缘与增强层之间的界面延伸。
在一个优选实施例中，衬里可包括限定开口的向外延伸的柱形壁部分，其中，可围绕柱形壁部分设置凸缘，所述凸缘部分地被增强层覆盖，其中，所述一个或多个气体敏感部件中的至少一个可设置在凸缘与增强层之间。
在一些实施例中，衬里可包括向压力容器内部向内突出的大致柱形的壁部分，其中，凸缘适配器包括第一大致柱形的部分和第二大致柱形的部分，所述第一部分插入开口中，所述第二部分向外延伸出所述开口；并且其中，增强层至少部分地覆盖第二大致柱形的部分。在这样的实施例中，凸缘适配器还起到凸缘的作用。在这样的实施例中，所述一个或多个气体敏感部件中的至少一个可设置在第二大致柱形的部分与增强层之间和/或衬里的向内突出的大致柱形的壁部分与凸缘适配器之间，在位于衬里的向内延伸的大致柱形的壁部分与凸缘适配器之间的密封件的下游。
在一些实施例中，衬里可包括向着压力容器内部向内突出的大致柱形的壁部分，其中，凸缘适配器包括第一大致柱形的部分和第二大致柱形的部分，所述第一部分插入开口中，所述第二部分向外延伸出所述开口；并且其中，增强层至少部分地覆盖第二大致柱形的部分，并且其中，所述一个或多个气体敏感部件中的至少一个设置在第二大致柱形的部分与增强层之间。
在一些实施例中，所述一个或多个气体敏感部件中的至少一个包括以下中的任一种：
碳纳米管；
碳黑；
包含碳纳米管或碳黑的聚合材料；
纳米管凝胶(例如，将碳纳米管分散在使用溶胶-凝胶工艺制备的氧化锡基质中)；
超吸收性凝胶；
使用离子液体作为溶剂的聚合凝胶(例如在由T.Yamauchi等人所著的发表于ECSTransactions,2012,vol.50,No.12,pp 231-236的文章“Development of micro hydrogengas sensor utilizing polymerized gel with ionic liquid as solvent”中所描述的)；
“pellistor”(催化燃烧传感器)催化珠；
从铑、钯、铂、铀、镧和稀土材料中选择的一种或更多种金属。
在压力容器系统的一些实施例中，优选的是由钯来形成所述气体敏感部件中的一个或多个。例如，可将钯作为覆层布置在系统的一部分的表面上。
所述一个或多个检测模块中的至少一个可配置为测量以下中的任一种或更多种：电学特性、热学特性、化学特性、光学特性。
在一些实施例中，检测模块和/或所述一个或多个气体敏感材料可包括以下中的任一种：
导热性检测器；
钯场效应传感器；
基于钯的电阻器；
覆有钯的光纤传感器；
钯内消旋线和纳米颗粒检测器；
钯纳米团簇/纳米管/纳米颗粒/纳米线；
金属氧化物和催化珠氢感应技术；
电化学传感器(液态或固态电解质)；
基于压电的氢感应技术；
基于表面声波和微共振的传感器；
所有类型的采用纳米技术手段的传感器，纳米技术手段例如为碳纳米管、纳米颗粒、纳米线、纳米晶须、金属纳米管、金属氧化物纳米结构、纳米团簇；
基于光纤的传感器，例如覆有聚合物的塑料光纤；
基于红外光谱的传感器。
例如，合适的氢传感器可包括钯电阻器。该钯电阻器由沉积在两个金属接触部之间的钯膜形成。钯膜在暴露于氢时由于钯中的相变而显示出导电性变化。这样的钯电阻器可设置为所述一个或多个气体敏感部件中的一个，检测模块可配置为例如通过发送穿过电阻器的电流来测量电阻器的电学特性。
可替代地，氢传感器可包括钯场效应晶体管或电容器，或传感器可包括覆在光学活性材料上的钯层，该光学活性材料将氢浓度转换成光学信号。
根据一个优选实施例，压力容器系统包括所述一个或多个检测模块中的至少一个，所述一个或多个检测模块通过以下方式中的任何一种连接到所述一个或多个气体敏感部件中的至少一个：电线、光导线；和/或其中，所述一个或多个检测模块中的至少一个包括位于压力容器中的第一部分和位于压力容器外的第二部分，所述第一部分配置为与第二部分无线通讯。
所述一个或多个检测模块中的至少一个可通过两条电线连接到所述一个或多个气体敏感部件中的至少一个。在光学活性材料的情况下，检测模块可通过光纤连接到所述一个或多个气体敏感部件。在另一实施例中，所述一个或多个检测模块可包括位于压力容器中的第一部分和位于压力容器外的第二部分，所述第一部分配置为例如使用RFID与第二部分无线地通讯。在这样的实施例中，可在压力容器中集成检测模块的第一部分作为感测气体敏感材料改变的传感器和RFID芯片的组件，所感测的信号可经由RFID芯片传送到检测模块的位于压力容器外的第二部分。换句话说，实际检测是在压力容器内实现的，然后发送到检测模块的位于容器外的第二部分。
在本发明的示例性实施例中，所述一个或多个检测模块中的一检测模块可完全位于压力容器外。然而，如上所述，检测模块也可至少部分地集成在压力容器内，其中，可选地，检测模块的另一部分位于压力容器外。
在一些实施例中，电线或光导线可穿过凸缘适配器。额外地或替代地，电线或光导线可穿过凸缘。额外地或替代地，电线或光导线可在衬里与增强材料之间或在凸缘与增强材料之间经过。
在系统的实施例中，所述一个或多个检测模块中的至少一个可配置为基于所述一个或多个气体敏感部件中的至少一个处检测到的改变来确定是否存在泄漏。检测模块还可配置为当确定存在泄漏时生成警报信号。警报信号可以是以下中的一种或更多种：在压力容器被包括在汽车中的情况下的驾驶员提示；故障指示灯(MIL)激活信号；撤离请求信号；蜂鸣信号等。也可采取其它行动，例如如果车辆停在外面则启动紧急释放等。检测模块还可配置为将关于检测到的泄漏的信息传送到外部设备，例如传送到加燃料站，使得能够出于安全和环境原因而防止或禁止下一次加燃料。在设置有多个气体敏感部件的情况下，这样的传送也可包括泄漏的精确位置。
在一些实施例中，所述一个或多个检测模块中的至少一个可配置为考虑环境温度和/或大气压强，以改善检测准确性并确定是否存在更低泄漏流率的泄漏。
在一些实施例中，可围绕所述气体敏感部件中的一个或多个设置空腔，从压力容器逃逸出的气体可积累在该空腔中。
根据另一方面，提供了一种车辆系统，该车辆系统包括上述实施例中任一个的压力容器系统。压力容器系统还可包括集成了一个或多个气体敏感部件的连接组件。更具体地，连接组件可包括第一连接部件和第二连接部件。第一和第二连接部件配置为实现气密性连接。所述一个或多个气体敏感部件设置在第一连接部件与第二连接部件之间的连接界面处，其中，所述一个或多个气体敏感部件配置为当气体沿着连接界面经过时发生改变。压力容器系统的所述一个或多个检测模块则可还配置为检测连接界面处的所述一个或多个气体敏感部件的改变。通常，第一连接部件经由一个或多个阀门和/或管道与压力容器的内部连接。本领域技术人员理解，可在沿着从压力容器直至燃料电池或甚至燃料电池内部的氢气路径、或沿着从压力容器到内燃机的压缩天然气路径、或沿着从压力容器到内燃机的液化石油气路径的所有具有泄漏风险的连接点处使用一个或多个气体敏感部件。连接点包括具有连接界面的连接器组件，例如快速连接器或配件。可沿着该连接表面的潜在泄漏路径包括一个或多个气体敏感部件。而且，在这样的实施例中，检测模块可还配置为将关于检测到的泄漏的信息传送到外部设备，例如传送到加燃料站，使得可出于安全和环境原因而防止或禁止下一次加燃料。这样的传送还可包括泄漏在车辆系统中的精确位置。
根据一个优选实施例，所述车辆系统包括根据前述实施例中任一个的压力容器系统和连接组件，所述连接组件包括：
第一连接部件和第二连接部件，所述第一和第二连接部件配置为实现气密性连接；
设置在第一连接部件与第二连接部件之间的连接界面处的一个或多个气体敏感部件，其中，所述一个或多个气体敏感部件配置为当气体沿着连接界面经过时发生改变，并且其中，压力容器系统的所述一个或多个检测模块还配置为检测连接界面处的所述一个或多个气体敏感部件的改变；
其中，所述第一连接部件经由一个或多个阀门和/或管道与压力容器内部连接。
根据本发明的另一方面，提供了一种连接组件，所述连接组件包括：
第一连接部件和第二连接部件，所述第一和第二连接部件配置为实现气密性连接；
设置在第一连接部件与第二连接部件之间的连接界面处的一个或多个气体敏感部件，其中，所述一个或多个气体敏感部件配置为当气体沿着连接界面经过时发生改变；和
配置为检测所述一个或多个气体敏感部件的改变的一个或多个检测模块。所述或每个气体敏感部件附接到连接界面。
根据一个实施例，连接组件还包括设置在第一连接部件与第二连接部件之间的密封件。
优选地，连接组件所包括的所述一个或多个气体敏感部件中的至少一个设置在密封件下游。
根据一个实施例，连接组件所包括的所述一个或多个气体敏感部件中的至少一个设置在密封件上。
根据一个实施例，根据本发明的连接组件配置为对于压强在3bar以上的气体是气密性的。
根据一个实施例，连接组件所包括的所述一个或多个气体敏感部件中的至少一个包括以下中的至少一种：
碳纳米管；
碳黑；
包含碳纳米管或碳黑的聚合材料；
纳米管凝胶；
超吸收性凝胶；
使用离子液体作为溶剂的聚合凝胶；
“pellistor”(催化燃烧传感器)催化珠；
从铑、钯、铂、铀、镧和稀土材料中选择的一种或更多种金属。
根据一个实施例，连接组件所包括的所述一个或多个检测模块中至少一个配置为测量以下中的任一种：电学特性、热学特性、化学特性、光学特性。
根据一个实施例，连接组件所包括的所述一个或多个检测模块中至少一个通过以下中的任一种连接到所述一个或多个气体敏感部件中的至少一个：电线、光导线；和/或其中，所述一个或多个检测模块包括位于压力容器中的第一部分和位于压力容器外的第二部分，所述第一部分配置为与第二部分无线通讯。
根据一个实施例，连接组件所包括的所述一个或多个检测模块中的至少一个配置为基于所述一个或多个气体敏感部件中的至少一个的检测到的改变来确定是否存在泄漏。
根据一个实施例，连接组件所包括的所述一个或多个检测模块中的至少一个配置为考虑环境温度和/或大气压强以确定是否存在泄漏。
根据本发明的另一方面，提供了一种车辆系统，该车辆系统包括根据前述实施例中任一个的连接组件。
本发明还涉及根据前述实施例中任一个的连接组件在车辆系统中的用途。
附图说明
附图用于示出本发明的设备的目前优选的非限制性示例性实施例。由以下详细的说明，当结合附图阅读时，本发明的特征和主题的以上和其它优点将变得更加明显，并将更好地理解本发明，在附图中：
图1示意性地示出根据本发明的压力容器系统的第一实施例的截面；
图2示意性地示出根据本发明的压力容器系统的第二实施例的截面；
图3示意性地示出根据本发明的压力容器系统的第三实施例的截面；
图4示意性地示出根据本发明的压力容器系统的第四实施例的截面；
图5示意性地示出根据本发明的压力容器系统的第五实施例的截面；
图6示意性地示出根据本发明的压力容器系统的第六实施例的截面；
图7示意性地示出根据本发明的压力容器系统的第七实施例的截面；
图8示意性地示出根据本发明的压力容器系统的第八实施例的截面；
图9示意性地示出一个燃料电池系统，该燃料电池系统包括根据本发明的连接组件的一个示例性实施例和压力容器的一个示例性实施例。
具体实施方式
图1示出压力容器系统的第一示例性实施例100。该压力容器系统100包括配置为存储受压气体的压力容器101(在图中仅示出该压力容器的局部)。图1的压力容器101由被复合增强材料5环绕的衬里4形成。在图1示出的系统中，压力容器101的衬里4和增强材料5形成具有长柱形形状和圆形的端部103的容器。
在图1的系统100中，在压力容器101的圆形端部部分103中存在开口102。开口102由呈柱形壁部分104形式的边缘限定。围绕该柱形壁部分104设有凸缘1，在柱形壁部分104内布置有凸缘适配器2。凸缘适配器2和安装在凸缘适配器中的任何构件(例如：阀门，例如压强释放阀门或多功能阀门；出口；传感器；热压强释放阀门；压强传感器；温度传感器；过压释放阀门；适配器部件；安装部件等)一起形成以密封的方式安装在开口102中的功能性部件。要指出的是，在一个可替代实施例中，凸缘适配器2也可是封闭部件，即不具有中央通道的部件。开口102由柱形壁部分104和限定凸缘1中的通道的内表面限定。
在图1示出的系统中，凸缘适配器2包括具有第一直径的第一大致柱形的部分120，和具有第二直径的第二大致柱形的部分121，其中第二直径例如大于第一直径，所述第一部分120插入开口102中，所述第二部分121向外延伸出开口102。
图1示出的压力容器101的衬里4具有集成的柱形壁部分104，该柱形壁部分104限定位于容器的圆形端部103中的开口102。该柱形壁部分104由衬里4的向外突出部分形成。然而，由于衬里4经常不是由强度足以将功能性部件(例如包括凸缘适配器2的功能性部件)保持在开口102内的材料制成的，因此容器101通常设有围绕柱形壁部分104的凸缘1。该凸缘1可由金属或能够抵抗压力容器中的压强的其它任何材料形成。可围绕凸缘1设置增强复合材料壁部分5。换句话说，在制造期间，首先可围绕衬里4的柱形壁部分104设置凸缘1，然后可将增强材料设置在衬里4上和凸缘1的周边外表面上。
在衬里4包括限定开口102的向外延伸的柱形壁部分104和凸缘1的压力容器系统100的实施例中，凸缘1可围绕柱形壁部分104设置，所述凸缘1至少部分地被增强层5覆盖。
如由图1可见，还存在位于柱形壁部分104与凸缘适配器2之间的、设置在开口102内的球面密封件3。该球面密封件3被设计为提供柱形壁部分104与凸缘适配器2之间的密封，以防止所存储的气体从压力容器逃逸出。在一些实施例中，凸缘适配器2可设有环形槽16，密封件3可设置在该环形槽中。
然而，在一些情况下(例如，由于密封件3受损、磨损或密封材料质量变差)，密封件3可能不再形成柱形壁部分104与凸缘适配器2之间的气密性阻闭，存储在压力容器101内的气体中的一些可能会逃逸出。
衬里4可由热塑性材料通过吹气模制或注射模制来制成。衬里4可由基于HDPE、PA、PPA等的单体材料构成，或可由共挤出结构制成，该共挤出结构包括具有非常低的氢渗透性的层。增强层5可由复合材料制成，并可包括嵌入热固性或热塑性基质中的增强纤维，例如碳、玻璃、芳纶纤维等。在另一实施例中，压力容器不包括衬里，气体约束功能直接由复合材料结构实现。然而，在该后一构型中也会在组件中包括密封件。复合材料结构可通过丝线缠绕工艺、编织工艺、自动带材铺敷工艺、激光辅助带材铺敷工艺或任何替代性工艺来获得。
在既包括凸缘1也包括凸缘适配器2的实施例中，凸缘适配器2可配置为螺固到凸缘1中。
压力容器系统包括敏感部件7a，该敏感部件7a配置为当存储在压力容器101内的气体沿着潜在的泄漏界面经过时发生改变。气体敏感部件7a设置在密封件3下游，位于功能性部件与容器101的开口102的周圈之间。更具体地，气体敏感部件7a位于凸缘适配器2与压力容器1中的开口102的边缘之间。在所示出的实施例中，气体敏感部件7a位于凸缘适配器2与限定开口102的大致柱形的壁部分104之间。
第一气体敏感部件7a设置在衬里4的一部分与凸缘适配器2之间。在这样的实施例中，气体敏感部件7a可以设置在衬里4的大致柱形的壁部分104上。例如，气体敏感部件7a可覆盖或包覆模制在衬里4的突出部分104上。在一些实施例中，该大致柱形的部分104可包括用于增强柱形部分的金属。在另一实施例中，气体敏感部件7a通过使用注射模制工艺的包覆模制、粘接、沉积或组装而设置在凸缘适配器上。
压力容器系统还包括配置为检测气体敏感部件7a的改变的检测模块6。检测模块6或连接到检测模块的控制器还可配置为当检测到气体敏感部件7a改变时提供警报信号。一旦发生泄漏，气体敏感部件就会经历该气体敏感部件7a的物理特征改变，由此使得能够借助于合适的检测模块(通常为电子模块)检测到泄漏。一旦检测到泄漏，就可生成各种警报，例如：在压力容器被包括在车辆中的情况下生成驾驶员通知、故障指示灯(MIL)、撤离请求、蜂鸣等。也可采取其它行动，例如如果车辆停在外面则启动紧急释放等。
一些在以上结合图1描述的特征也存在于图2至8的示例性实施例中，不再说明。
在图2的示例性实施例中，在凸缘1的外边缘与复合增强材料5之间示出另一气体敏感部件9。如果衬里4在压力容器101内的区域中受损，则认为所存储的气体可能会从衬里4逃逸出并沿着衬里4与增强材料5之间的界面移动，然后在增强材料5与凸缘1之间经过。气体敏感部件9设置在该第二位置以检测这样的气体泄漏。本领域技术人员理解，气体敏感部件9也可设置在沿着一方面的衬里4/凸缘适配器2与另一方面的增强材料5之间的该界面的一不同位置处或多个位置处。压力容器系统还包括配置为检测气体敏感部件9的改变的检测模块8。
在图3的示例性实施例中，气体敏感部件7b位于限定凸缘1中的通道的内表面与凸缘适配器2的外表面之间。压力容器系统还包括配置并连接为检测气体敏感部件7b的改变的检测模块6。
在图4的示例性实施例中，气体敏感部件7a位于衬里的壁部分104与凸缘适配器2的外表面之间。压力容器系统包括配置并连接为检测气体敏感部件7a的改变的检测模块6。而且，在凸缘1的外边缘与复合增强材料5之间示出另一气体敏感部件9。压力容器系统还包括配置为检测气体敏感部件9的改变的检测模块8。
在图5的示例性实施例中，功能性部件包括设置在凸缘适配器2的大致柱形的通道15中的阀门13。更具体地，系统还包括位于凸缘适配器2内的多功能阀门部件13。在该实施例中，在凸缘适配器2与多功能阀门部件13之间设置有另一密封件12。像位于衬里4与凸缘适配器2之间的第一密封件3那样，该第二密封件12被设计为防止气体经由凸缘适配器2与多功能阀门部件13之间的路径从压力容器101逃逸出。然而，为了应对气体仍然通过该潜在泄漏界面逃逸出的情况，图5的实施例设有位于凸缘适配器2与多功能阀门部件13之间的第三气体敏感部件11。第三气体敏感部件11位于第二密封件12的下游。压力容器系统还包括配置为检测气体敏感部件11的改变的检测模块10。在一个未在此示出的可替代实施例中，检测模块6、8、10可组合为连接到所有气体敏感部件7a、9、11的单一检测模块。
在图1至5示出的压力容器系统100的实施例中，压力容器101中的开口102由衬里4的向外突出的大致柱形的壁部分104限定，功能性部件包括插入开口102中的对应的大致柱形的部分(即在这些实施例中的凸缘适配器2)。在大致柱形的壁部分104向外突出的实施例中，可围绕限定开口102的大致柱形的壁部分104设置凸缘1。
相反地，在图6中，开口102由衬里4的向内突出的部分105(即向着压力容器101内部向内突出的大致柱形的壁部分105)限定。部分地由凸缘适配器2形成的功能性部件插入衬里4的壁部分105内。在该实施例中，凸缘1包括具有第一直径的第一大致柱形的部分120，和具有第二直径的第二大致柱形的部分121，其中第二直径例如大于第一直径，所述第一部分120插入开口102中，所述第二部分121向外延伸出开口102，其中，增强层5至少部分地覆盖第二大致柱形的部分121。在图6的示例性实施例中，仅设置了一个在衬里4的开口102中延伸的集成的凸缘1，而没有设置凸缘1和凸缘适配器2。
在图7的示例性实施例中，衬里4不形成柱形开口。相反地，柱形壁部分由可包覆模制在凸缘1上的单独的柱形构件14形成。该柱形构件14可由可焊接热塑性材料形成。在图7的实施例构造期间，柱形构件14可首先焊接到衬里4，然后可施加复合增强材料5。
在图8的压力容器系统100中，系统100设有插入压力容器101中的开口102内的内部容器适配器130。该内部容器适配器130可由金属和能够抵抗压力容器中的压强的其它任何材料制成，并可在衬里4的吹气模制期间集成。在图8的实施例中，系统100不包括凸缘或凸缘适配器。在衬里4的内周圈与内部容器适配器130之间设置有密封件3，以使得开口102被适当地密封。在该密封件3下游设置有气体敏感部件7c，该气体敏感部件7c也位于衬里4与内部容器适配器130的外壁之间。压力容器系统还包括配置为检测气体敏感部件7c的改变的检测模块6。
在未在图中示出的实施例中，也可在衬里4与增强材料5之间具有一个或多个气体敏感部件。
在所示出的本发明的实施例中，压力容器101可配置为存储以下中的任一种：液化石油气(LPG)、氢气、压缩天然气(CNG)、氨气。
在图1至8的系统100中，在本发明的一些实施例中，压力容器101可配置为存储压强在0.3MPa(3bar)以上的气体。如果压力容器101配置为存储液化石油气(LPG)，则压力容器101可配置为存储压强大约为0.5MPa至1MPa(5至10bar)的该液化石油气体。对于配置为存储氢气的压力容器101，压力容器101可存储压强大约为70MPa(700bar)或大约为35MPa(老标准的350bar)的该气体。最后，如果压力容器101存储压缩天然气(CNG)，则压力容器101可配置为存储压强大约为20MPa(200bar)的该气体。如果压力容器101用于存储氨(通常为氨水)，压力容器可配置为存储压强为0.1MPa至2MPa的氨。
在所示出的实施例中，所述一个或多个气体敏感部件7a、7b、7c、9、11可由以下中的任一种形成：
碳纳米管；
碳黑；
包含碳纳米管或碳黑的聚合材料；
纳米管凝胶(例如，将碳纳米管分散在使用溶胶-凝胶工艺制备的氧化锡基质中)；
超吸收性凝胶；
使用离子液体作为溶剂的聚合凝胶(例如在由T.Yamauchi等人所著的发表于ECSTransactions,2012,vol.50,No.12,pp 231-236的文章“Development of micro hydrogengas sensor utilizing polymerized gel with ionic liquid as solvent”中所描述的)；
“pellistor”(催化燃烧传感器)催化珠；
从铑、钯、铂、铀、镧和稀土材料中选择的一种或更多种金属。
在所示出的实施例中，可优选的是由钯形成所述一个或多个气体敏感部件7a、7b、7c、9、11。例如，钯可作为覆层布置在凸缘1和/或凸缘适配器2和/或衬里4部分的表面上。
在图1至8中，检测模块6、8、10可配置为测量以下中的一种或更多种：电学特性、热学特性、化学特性、光学特性。
在一些实施例中，所述一个或多个气体敏感部件7a、7b、7c、9、11与所述一个或多个检测模块6、8、10的组合可包括以下中的任一种：
导热性检测器；
钯场效应传感器；
基于钯的电阻器；
覆有钯的光纤传感器；
钯内消旋线(mesowire)和纳米颗粒检测器；
钯纳米团簇/纳米管/纳米颗粒/纳米线；
金属氧化物和催化珠氢感应技术；
电化学传感器(液态或固态电解质)；
基于压电的氢感应技术；
基于表面声波和微共振的传感器；
所有类型的采用纳米技术手段的传感器，纳米技术手段例如为碳纳米管、纳米颗粒、纳米线、纳米晶须、金属纳米管、金属氧化物纳米结构、纳米团簇；
基于光纤的传感器或覆有聚合物的塑料光纤；
基于红外光谱的传感器。
在图1至8示出的系统100中，所述一个或多个检测模块6、8、10中的至少一个可通过两条电线或光导线6a、6b；8a、8b；10a、10b连接到所述一个或多个气体敏感部件7、9、11中的至少一个。在一些实施例中，这些电线或光导线6a、6b；8a、8b；10a、10b可穿过凸缘适配器2。额外地或可替代地，电线或光导线6a、6b；8a、8b；10a、10b可穿过凸缘1。可替代地，该连接可由无线技术(例如RFID技术)实现。
在系统100的实施例中，一个或多个检测模块6、8、10可配置为基于至少一个气体敏感部件7、9、11所检测到的改变来确定是否存在泄漏。
在本发明的所示出的系统100的实施例中，所述一个或多个检测模块中的至少一个可配置为当确定是否存在来自压力容器101的泄漏时考虑环境温度和/或大气压强。
本领域技术人员能够意识到，确定是否已经有来自压力容器的泄漏的步骤可由经编程的计算机来实施。在此，一些实施例也意在涵盖程序存储设备，例如数字数据存储媒介，这些设备是机器或计算机可读并编码机器可执行或计算机可执行的程序指令，其中，所述指令实施确定是否已经有泄漏时所涉及的一些或所有步骤。
图9示出燃料电池系统的一个示例性实施例，该燃料电池系统包括大致与图1的容器相同的压力容器系统100。该压力容器系统100包括配置为存储受压气体的压力容器101。压力容器101由被复合增强材料5环绕的衬里4形成。压力容器101具有包括第一圆形端部103和第二圆形端部103’的长柱形形状。压力容器101可在圆形端部103、103’处设有冲击吸收器38、39。而且，可围绕压力容器101的柱形部分设置用于将压力容器系统100固定到车辆的带子30、31。
在图9的压力容器系统100中，在第一圆形端部103中存在第一开口102，在第二圆形端部103’中存在第二开口102’。在其它实施例中，仅一个端部103可设有开口。在第一开口102中设置有呈多功能阀门32(例如：氢气多功能阀门)形式的第一功能性部件32。在第二开口102’中设置有第二功能性部件47(例如：附属压强释放阀门)。在限定第一开口102的边缘与功能性部件32之间设置有第一密封件3。类似地，在限定第二开口102’的边缘与功能性部件47之间设置有第二密封件3’。
在图9中，压力容器101和安装功能性部件32的结构被示出为与图1的实施例的相同，即，使用围绕衬里4的柱形壁部分设置的凸缘1、1’，其中柱形壁部分向外突出且限定开口102、102’。然而，本领域技术人员理解，图6至8中任一个所示的结构也是可行的。
压力容器系统100包括第一敏感部件7a和第二敏感部件7d，它们配置为当存储在压力容器101内的气体沿着潜在泄漏界面经过时发生改变。气体敏感部件7a设置在密封件3下游，位于功能性部件32与容器101的第一开口102的周圈之间。气体敏感部件7d设置在密封件3’下游，位于功能性部件47与容器101的第二开口102’的周圈之间。例如，气体敏感部件7a、7d可通过覆层、包覆模制、沉积、粘接、焊接、化学附接等附接到衬里4的突出部分或密封件3、3’的侧部或功能性部件32。气体敏感部件也可集成在衬里4的突出部分中、密封件3、3’的侧部中或功能性部件32中。
为了进一步限制构件，密封件和气体敏感部件可组合程单一构件。当附接到密封件或集成在密封件中时，气体敏感部件可布置在密封件的侧部上以使得在正常工作条件下(不存在泄漏)，气体敏感材料不与压力容器内的气体接触。
图9的燃料电池系统还包括通过加燃料管道35连接到多功能阀门32的加燃料界面37和通过燃料电池供给管道42连接到多功能阀门32的燃料电池45。在这样的系统中，可区分出四个连接界面：加燃料界面37与加燃料管道35之间的连接界面；加燃料管道35与多功能阀门32之间的连接界面；多功能阀门32与燃料电池供给管道42之间的连接界面；以及燃料电池供给管道42与燃料电池45之间的连接界面。在这些连接界面中的每个处都可设置一个或多个气体敏感部件，见附图标记34、36、41、44。
压力容器系统还包括电子控制单元46，该电子控制单元46作为检测模块工作，该检测模块配置为检测气体敏感部件7a、7d、34、41、36、44中的一个或多个的改变。电子控制单元46可还配置为当检测到气体敏感部件7a、7d、34、41、36、44中的一个发生改变时提供警报信号。由此能够精确地定位泄漏的存在，并能够给驾驶员或修理店就维修范围提供指示。当检测到泄漏时，可将其通知给例如加燃料站，可出于安全和环境原因防止或禁止下一次加燃料。该通知也可包括泄漏的精确位置。
可在燃料电池系统中在燃料电池系统内的一个或多个连接部件(未在图中示出)处应用类似的概念。这会允许进一步区分泄漏位置。
更具一般性地，本领域技术人员理解，可在沿着从压力容器直至燃料电池的氢气路径、从压力容器到内燃机的压缩天然气路径、或从压力容器到内燃机的液化石油气路径的所有具有泄漏风险的连接点处使用一个或多个气体敏感部件。这些连接点可包括一个或多个快速连接器、一个或多个例如“Swagelock”(世伟洛克)类型的配件。这样的配件可具有带有或不带有密封件的集成密封表面。可沿着该密封表面的潜在泄漏路径包括一个或多个气体敏感部件。理想地，气体敏感部件应布置为接近密封表面并集成在连接组件内。
尽管以上结合具体实施例陈述了本发明的原理，但是应理解，该说明仅是示例性地做出的，而非对于保护范围的限制，保护范围由所附权利要求确定。

Claims (15)

1.一种压力容器系统，包括：
用于存储受压气体的压力容器；
一个或多个气体敏感部件，位于所述压力容器的潜在泄漏界面处且配置为当所述气体沿着所述潜在泄漏界面经过时发生改变；所述泄漏界面是所述压力容器内的界面；以及
一个或多个检测模块，配置为检测所述一个或多个气体敏感部件的改变。
2.如权利要求1所述的压力容器系统，其中，所述泄漏界面是以下中的任一个：所述压力容器的压力容器主体的两个相互接触的层之间的界面；所述压力容器的两个集成部件之间的连接界面；所述压力容器的集成部件与所述压力容器主体的层之间的连接界面。
3.如权利要求1或2所述的压力容器系统，其中，所述压力容器包括压力容器主体和设置在所述压力容器主体的开口中的功能性部件，其中在所述开口的边缘与所述功能性部件之间设置有密封件，并且其中，所述一个或多个气体敏感部件中的至少一个设置在所述密封件的下游，该下游是相对于穿过所述开口的气体流而言的。
4.如权利要求3所述的压力容器系统，其中，所述压力容器主体是带有两个圆形端部的长形的大致柱形的主体，并且其中，所述功能性部件设置在其中一个所述端部中的开口内。
5.如权利要求2或3所述的压力容器系统，其中，所述开口由所述压力容器的大致柱形的壁部分限定，并且其中，所述功能性部件包括插入所述开口中的对应的大致柱形的部分；
其中，所述一个或多个气体敏感部件中的至少一个设置在所述功能性部件的所述大致柱形的部分与所述大致柱形的壁部分的内侧之间的界面处。
6.如权利要求2、3或4所述的压力容器系统，其中，所述开口由所述压力容器的向外突出的大致柱形的壁部分限定，其中，围绕限定所述开口的所述大致柱形的壁部分设置有凸缘，并且其中，所述一个或多个气体敏感部件中的至少一个设置在所述凸缘的界面处。
7.如权利要求2至6中任一项所述的压力容器系统，其中，所述一个或多个气体敏感部件中的至少一个附接到所述密封件或集成在所述密封件中。
8.如上述权利要求中任一项所述的压力容器系统，其中，所述压力容器配置为存储以下中的任一种：液化石油气(LPG)、氢、压缩天然气(CNG)、氨；并且其中，所述压力容器配置为承受2bar以上的压强。
9.如上述权利要求中任一项所述的压力容器系统，其中，所述压力容器包括衬里和围绕所述衬里设置的增强层。
10.如权利要求9所述的压力容器系统，其中，所述衬里包括限定开口的向外延伸的柱形壁部分，其中，围绕所述柱形壁部分设置有凸缘，所述凸缘部分地被所述增强层覆盖，其中，所述一个或多个气体敏感部件中的至少一个设置在所述凸缘与所述增强层之间。
11.如权利要求9所述的压力容器系统，其中，所述衬里包括向所述压力容器内部向内突出的大致柱形的壁部分，其中，在所述大致柱形的壁部分中设置有凸缘适配器，所述凸缘适配器包括大致柱形的第一部分和大致柱形的第二部分，所述第一部分插入所述开口中，所述第二部分向外延伸出所述开口；其中，所述增强层至少部分地覆盖大致柱形的所述第二部分；并且其中，所述一个或多个气体敏感部件中的至少一个设置在大致柱形的所述第二部分与所述增强层之间。
12.如上述权利要求中任一项所述的压力容器系统，其中，所述一个或多个气体敏感部件中的至少一个包括以下中的任一种：
碳纳米管；
碳黑；
包含碳纳米管或碳黑的聚合材料；
纳米管凝胶；
超吸收性凝胶；
使用离子液体作为溶剂的聚合凝胶；
“pellistor”催化珠；
从铑、钯、铂、铀、镧和稀土材料中选择的一种或多种金属。
13.如上述权利要求中任一项所述的压力容器系统，其中，所述一个或多个检测模块中的至少一个通过以下方式中的至少一种连接到所述一个或多个气体敏感部件中的至少一个：电线、光导线；和/或其中，所述一个或多个检测模块中的至少一个包括位于所述压力容器中的第一部分和位于所述压力容器外的第二部分，所述第一部分配置为与所述第二部分无线通讯。
14.一种车辆系统，包括如上述权利要求中任一项所述的压力容器系统和连接组件，该连接组件包括：
第一连接部件和第二连接部件，所述第一连接部件和所述第二连接部件配置为实现气密性连接；
设置在所述第一连接部件与所述第二连接部件之间的连接界面处的一个或多个气体敏感部件，其中，所述一个或多个气体敏感部件配置为当气体沿着所述连接界面经过时发生改变；并且其中，所述压力容器系统的所述一个或多个检测模块还配置为检测所述连接界面处的所述一个或多个气体敏感部件的改变；
其中，所述第一连接部件经由一个或多个阀门和/或管道与所述压力容器的内部连接。
15.一种连接组件，包括：
第一连接部件和第二连接部件，所述第一连接部件和所述第二连接部件配置为实现气密性连接；
设置在所述第一连接部件与所述第二连接部件之间的连接界面处的一个或多个气体敏感部件，其中，所述一个或多个气体敏感部件配置为当气体沿着所述连接界面经过时发生改变；和
一个或多个检测模块，配置为检测所述一个或多个气体敏感部件的改变。
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