CN108930790A - 高压容器 - Google Patents

Abstract

一种高压容器，具有衬垫和用于增强衬垫的周缘的复合层，包括：柱形部分，沿着高压容器的轴向方向形成；以及顶盖部分，紧固至柱形部分的两端以封闭高压容器。形成于柱形部分上的复合层由交替重叠的多个环箍层和多个螺旋层形成。设置为离衬垫更近的环箍层所具有的厚度比设置为离衬垫更远的环箍层的厚度大，使得环箍层的厚度随着离衬垫的距离的增加而减小。

Description

高压容器

技术领域

本发明总体涉及一种安装在燃料电池系统中的高压容器。更特别地，本发明涉及一种设置在高压罐上的衬垫的周缘上的复合层。

背景技术

通常，燃料电池系统包括：燃料电池组，其产生电能；燃料供应系统，其向燃料电池组供应燃料(氢气)；空气供应系统，其向燃料电池组供应来自空气的氧气，作为电化学反应所需的氧化剂；热和水管理系统，其控制燃料电池组的工作温度，等等。

包含在燃料供应系统中的氢气罐，即，氢气供应装置，储存大约700巴的高压下的压缩氢气，并且在此之后根据安装在氢气罐的入口部分处的高压控制器的打开/关闭操作而将所储存的压缩氢气排出至高压管线，在将压缩空气供应至燃料电池组之前，当压缩氢气通过启动阀和氢气供应阀时使压缩氢气减压。

这里，将高压气体用做燃料(氢气)，如此，需要有用于根据需要储存和排出气体的气体储存容器。特别地，由于气体在容器内具有低储存密度，所以在高压下储存气体最有效，尽管存在高压产生燃烧危险的缺点。特别地，替代燃料气体车辆具有有限量的用于储存容器的空间，如此，关键技术元件是在保证安全性的同时保持储存压力较高。

因此，在用于储存燃料气体的复合材料容器的情况中，必须用具有高比强度和高比刚度的纤维增强复合材料增强外壳，以承受来自氢气的高内部压力，并且在内侧上安装衬垫以保持气密性。更具体地，可附接在两端具有两个半球形的衬垫以形成一个储存容器。

另外，可将用于储存气体(特别是氢气)的容器根据衬垫的材料分类成不同的类型，具有金属材料的衬垫的容器分类为类型3，具有高密度聚合物材料的容器分类为类型4。类型3容器相对稳定，但是非常昂贵且具有低抗疲劳性，而类型4容器相对便宜且具有更好的抗疲劳性，但是牵涉与安全性相关的问题，这些问题与氢气泄漏、低不渗透性等相关联。

特别地，沿着圆周方向在形成于高压容器的中心的柱形部分出现高水平的应力。因此，需要有一种缠绕在高压容器的柱形部分周围以承受施加于其上的应力的复合层结构，并且需要在抵抗高水平应力的同时允许减小重量的技术特征。

上文的目的仅在于帮助理解本发明的背景技术，而非旨在意味着本发明落在本领域技术人员已知的相关技术的范围内。

发明内容

在现有的高压容器的情况中，复合材料以低角度缠绕，以围绕形成于高压容器的任一端的凸起部分在衬垫的外部形成螺旋层，然而复合材料以高角度缠绕，以围绕高压容器的中心部分在衬垫的外部形成环箍层。然而，在此情况中，可能在环箍层和螺旋层之间的界面出现气囊。

而且，难以在高压容器中抵抗从各种方向施加的应力地保证恒定的耐久性水平。因此，本发明的一个实施例采用这样的结构，其中，将大量环箍层和螺旋层以交替缠绕的构造布置在高压容器的柱形部分中，以在抵抗从不同方向施加的应力地增加耐久性的同时提供轻重量的复合层。

为了实现以上目的，根据本发明的一个方面，提供一种具有衬垫和用于增强衬垫的周缘的复合层的高压容器，高压容器包括：柱形部分，其沿着高压容器的轴向方向设置；以及顶盖部分，其紧固至柱形部分的两端以包围高压容器。设置在柱形部分上的复合层，包括交替重叠的多个环箍层和多个螺旋层。多个环箍层中的设置为离衬垫更近的环箍层所具有的厚度比设置为离衬垫更远的环箍层的厚度更大，使得多个环箍层的厚度随着离衬垫的距离的增加而减小。

复合层的设置为离衬垫最近的层是环箍层。

复合层的设置为离衬垫最远的层是环箍层。

环箍层仅在与高压容器的轴向方向并排侧向的区域中设置在柱形部分上。

如沿着高压容器的轴向方向测量的，随着离衬垫的距离增加，环箍层的长度减小。

用缠绕在环箍层的外部的螺旋层挤压环箍层的端部。

设置为离衬垫最近且在这些环箍层中具有最大厚度的环箍层，具有与环箍层的总厚度的10％至35％相等的厚度。

环箍层相对于高压容器的轴向方向以88至89度的角度缠绕在衬垫的周缘周围。

螺旋层相对于高压容器的轴向方向以5至44度的角度缠绕在衬垫的周缘周围。

设置于柱形部分上的螺旋层具有恒定的厚度。

基于以上内容，本发明的某些实施例提供以下优点。

根据本发明的实施例，可将高压容器中的衬垫的周缘处的复合层制造得更耐久，抵抗从各种不同方向施加的应力。

进一步，根据本发明的实施例，可减小增强高压容器中的衬垫的周缘所需的复合材料的量。因此，可提供更轻重量的复合层。

另外，根据本发明的实施例，交替地缠绕环箍层和螺旋层，使得可按下并移除可能出现在环箍层和衬垫之间或者环箍层和环箍层的端部处的螺旋层之间的气囊(气隙)，并且可避免复合层内的任何空的空间。

附图说明

当结合附图时，从以下详细描述中将更清楚地理解本发明的以上及其他目的、特征和其他优点，附图中：

图1举例说明了根据本发明的一个实施例的高压容器，示出了高压容器的结构并且仅示出了形成于高压容器的顶盖部分处的螺旋层。

图2举例说明了本发明的一个代表性实施例，示出了图1中的区域“2”的放大图，即，柱形部分的衬垫和复合层的结构。

图3举例说明了根据每个环箍层的位置而施加在图2中的环箍层上的应力的大小。

图4是代表当消除定位为相对靠近衬垫的环箍层和定位为远离衬垫的环箍层时的相同位置的应力的曲线图。

图5是代表高压容器的强度根据定位为最靠近衬垫的环箍层的厚度比例的变化的曲线图。

图6举例说明了当在环箍层上缠绕螺旋层时在环箍层的端部出现气囊(airpocket)或气囊层的可能性。

图7举例说明了本发明的一个代表性实施例，示出了图1中的区域“1”的放大图，即，顶盖部分和柱形部分连接的区域。

具体实施方式

下面参考附图更详细地描述了本发明的某些实施例。可将本发明的实施例改变为各种形式，并且本发明的范围不应解释为限制于以下实施例。将这些实施例仅公开为对本领域普通技术人员提供本发明的更完整的理解。

在说明书中使用的诸如“部分”、“单元”、“模块”等的术语指的是处理至少一个功能或操作的单元部件，其中，这种部件可以硬件或软件形式实现，或者实现为硬件和软件形式的组合。

安装在车辆中的燃料电池系统主要包括：燃料电池组，其产生电能；燃料供应装置，其向燃料电池组供应燃料(氢气)；空气供应装置，其向燃料电池组供应来自空气的氧气，作为电化学反应所需的氧化剂；冷却系统，其将热量从燃料电池组的反应移除到外部系统，并且控制燃料电池组的工作温度，等等。

在燃料电池系统的燃料供应装置中，具有燃料的高压容器可以燃料储存罐的形式存在。在高压容器中，可提供氢气并将其用作燃料，并且可在容器内储存大约700巴的高压下的氢气。

因此，由于燃料或氢气的原因而出现的高压状态可继续在高压容器内维持，在高压容器上施加压力。特别地，如果在高压容器上的某一位置出现泄漏或破裂，那么内部的高压可能集中在所述位置，可能对高压容器造成损坏并导致爆炸，等等。因此，高压容器的耐久性和安全性在燃料电池系统中及可能安装有燃料电池系统的车辆中很重要。

为了可以稳定的方式在高压容器中储存高压燃料(例如氢气)，高压容器可形成为包括衬垫，更具体地，是塑料材料的衬垫，并且包括凸起部分，凸起部分形成于衬垫的一端并包括喷嘴，可通过喷嘴注射或排出燃料。而且，最近的趋势是使用类型4的高压容器，其不仅包括耦接在一起的衬垫和凸起部分的结构，而且包括形成于所述结构上的复合层，其中，通过用碳纤维复合材料缠绕该结构的外部来形成复合层。

在本说明书中，在描述本发明的实施例时，在图1中标有“A”的虚线指的是“高压容器的轴线”或“高压容器的中心轴线”。也就是说，线“A”是沿着高压容器的轴向方向绘制的线，并且高压容器的轴在下文中可指的是标有“A”的线。

参考图1考虑缠绕在高压容器10的衬垫300的周缘周围的复合层400的详细组成，复合层400可包括螺旋层420、管螺旋层和环箍层410组成。

这里，螺旋层420、管螺旋层和环箍层410可通过相对于高压容器10的轴线的角度而区分开，螺旋层420、管螺旋层和环箍层410以该角度缠绕在高压容器10周围，特别是缠绕在衬垫300的周缘周围，其中，相对于高压容器10的中心轴线(线A)，螺旋层420以低角度缠绕，在某一实施例中，是5至44度，管螺旋层以中角度缠绕，在某一实施例中是45至87度，并且环箍层410以高角度缠绕，在某一实施例中，是88至89度。

缠绕在衬垫300的周缘周围的复合材料是具有特殊宽度的连续纤维材料。可在缠绕之前准备该材料，并且可将其以设定角度缠绕在衬垫300的周缘周围。更具体地，提前注射成型的衬垫300可保持固定，同时缠绕装置可移动以相对于衬垫300形成特定角度，然后通过特定水平的张力在衬垫300的周缘周围缠绕特定宽度的连续复合纤维材料以形成复合层400。也就是说，可通过使复合材料重叠若干层来形成复合层400，缠绕在衬垫300的周缘周围的第一层形成为接触衬垫300的周缘。

图1提供举例说明了这种类型4的高压容器10的形状的简化图。参考图1，高压容器10可包括柱形部分200和顶盖部分100，柱形部分以圆柱形形状在高压容器10的中心延伸并形成高压容器10的主体，顶盖部分在柱形部分200的两端形成为半球形形状并固定至柱形部分200以与柱形部分一起形成高压容器10。也就是说，高压容器10的柱形部分200的沿着轴向方向A的截面可形成直线，沿着高压容器10的轴向方向A没有任何弯曲。然而，关于其三维形状，柱形部分200可具有沿着高压容器10的圆周方向弯曲的表面。相比之下，高压容器10的顶盖部分100可具有沿着高压容器10的轴向方向A和圆周方向弯曲的表面。

考虑图1所示的顶盖部分100的放大部分，可以看到，仅形成于高压容器10的喷嘴周围的顶盖部分100和/或与高压容器10的喷嘴相对地形成的顶盖部分100形成为具有螺旋层420。

通常，由于高压容器10的内部充满高压的燃料(例如气体)，所以高压容器10受到在径向方向上施加的应力。因此，衬垫300的每个点接收在径向方向上从高压容器10的中心点移动的力，因此可以看到，在高压容器10的顶盖部分100处，相对于高压容器10的轴向方向A以低角度缠绕复合材料可提供最好地承受在径向方向上施加的力的结构。

类似地，在高压容器10的柱形部分200处，可在径向方向上从高压容器10的中心点施加内部压力，即，沿着柱形部分200的圆周方向。因此，可以看到，沿着垂直于高压容器10的轴向方向A的方向缠绕特殊宽度的复合材料可提供最好地承受在衬垫300和高压容器10上施加的压力的结构。

这里，从材料力学的观点看，虽然在径向方向上从高压容器10的中心点施加应力，但是在圆周方向(即，垂直于高压容器10的轴向方向A的方向)上在高压容器10的柱形部分200处施加的应力可等于或大于在高压容器10的轴向方向A上施加的应力的两倍。因此，在柱形部分200处，以几乎垂直于高压容器10的轴向方向A的角度缠绕的环箍层410，承受在高压容器10的圆周方向上在柱形部分200处施加的应力。

因此，本发明的一个实施例旨在在复合层400中包括螺旋层420和环箍层410，复合层400以这样的方式缠绕在柱形部分200周围，使得柱形部分200的复合层400在仍能够承受在高压容器10的圆周方向上在柱形部分200处施加的应力的同时具有最小厚度且由此具有较轻的重量。下面将具有复合层400(其包括螺旋层420和环箍层410)的高压容器10的结构更详细地描述为本发明的一个代表性实施例。

图2是图1中的部分“2”处的截面的放大图。在图2中，衬垫300可布置在高压容器10的最内侧，即，在图中的左侧上。关于形成于衬垫300的外部上的复合层400的组成，可以看到大量环箍层410和螺旋层420交替地重叠以形成复合层400。因此，在本发明的一个代表性实施例中，可通过环箍层410和螺旋层420的重叠，来形成在高压容器10的柱形部分200处的衬垫300的外部上形成的复合层400。

由于通过使环箍层410和螺旋层420交替地分层来在高压容器10的柱形部分200处形成复合层400，所以与仅以一个角度缠绕的复合层400相比，相对于以各种角度施加的应力可增加高压容器10中的柱形部分200的耐久性。

再次参考图2，在本发明的一个代表性实施例中，形成为离衬垫300最近的复合层400内的层和/或形成为离衬垫300最远的层可以是环箍层410。

参考图2，本发明的一个代表性实施例在布置为离衬垫300最近的复合层400内可具有最厚的环箍层410。而且，环箍层410的厚度可随着离衬垫300的距离的增加而连续减小，使得形成为离衬垫300最远的环箍层410可具有最小的厚度。也就是说，当比较任意一个螺旋层420附近的环箍层410时，形成为离衬垫300更近的环箍层410的厚度可大于形成为离衬垫300更远的环箍层410的厚度。

可参看图3和图4说明以此方式在本发明的一个实施例中布置环箍层410的原因。图3至图5中所示并在下面提到的数字可以是转换成标准强度(规格化强度)的值，并且可以是代表构件之间的相对强度关系的无量纲值(non-dimensional value)。

图3举例说明了本发明的一个实施例中的按照环箍层410的位置的应力的分布。从图3中可以看到，环箍层410离衬垫300越近，即，环箍层410定位在越向内的地方，所施加的应力越大。更大的量的所施加的应力可意味着，复合层400内的对应点承受更大的负载(由在高压容器内填充的燃料、气体施加的压力)。

图4是代表当移除环箍层410时出现在每个位置的应力增加的曲线图。参考图4可以看到，更大数量的所移除的环箍层410通常转换成所测量位置(临界点)处的更大的应力增加。当比较只移除一个环箍层410的情况时，可以看到，从移除布置为离衬垫300近的环箍层410产生的应力增加度(斜率α)大于从移除布置为离衬垫300远的环箍层410产生的应力增加度(斜率β)。而且可以看到，与移除外侧上的环箍层410(其是布置为离衬垫300相对更远的层)相比，移除内侧上的环箍层410(其是布置为离衬垫300相对更近的层)在所测量位置(临界点)处导致更大的应力增加。从此曲线图中可以观察到，从该大量环箍层410中，离衬垫300更近的环箍层承受更大的应力。

缠绕在高压容器10的柱形部分200周围的螺旋层420可用来承受各种方向上的应力。而且，考虑缠绕螺旋层420的方式，由于将螺旋层420沿着衬垫的周缘缠绕在高压容器的中心点周围，所以螺旋层420不可能不通过柱形部分而缠绕在顶盖部分周围并覆盖顶盖部分。因此，螺旋层420是不可避免地缠绕在柱形部分周围的层。

然而，如上所述，在圆周方向上在高压容器10的衬垫300中施加的较大幅度的应力，可主要由环箍层410支撑并保持。因此，根据本发明的一个实施例，缠绕在柱形部分200周围的多个螺旋层420可形成为具有均匀的厚度。

图5是代表高压容器10的强度根据形成为离衬垫300最近的环箍层410的厚度占环箍层410的总厚度的比例的变化的曲线图。参考图5，本发明的一个实施例可具有最厚的环箍层410，即，形成为离衬垫300最近的环箍层410，形成为具有对应于环箍层410的总厚度的35％或更小的厚度。形成为离衬垫300最近的环箍层410可形成为具有环箍层410的总厚度的10％和35％之间的厚度。

首先，从图5中可以看到，在某一区域内，形成为离衬垫300最近的最内侧的环箍层410的厚度占环箍层410的总厚度的比例的增加，转换成高压容器10的强度的增加。

然而，如图5中指出的，如果形成为离衬垫300最近的最内侧的环箍层410的厚度超过环箍层410的总厚度的35％，那么将难以使螺旋层420缠绕在环箍层410上，使得制造困难。即使制造这种构造并将螺旋层420缠绕在环箍层410上，柱形部分200的端部处的环箍层410的端部的厚度也将在环箍层410和螺旋层420之间产生气囊，导致高压容器10的强度减小。

下面提供了由环箍层410的厚度导致的这种气囊的更详细的描述。由于在柱形部分200上(仅在柱形部分200的一部分上)形成环箍层410，然而在柱形部分200和顶盖部分100上都形成螺旋层420，所以可在任意一个环箍层410和在环箍层410上分层的螺旋层420之间的环箍层410的端部处形成气囊(气囊层)。

将图6提供为上述情况的例证，并且为了方便起见，示出了在形成为离衬垫300最近的环箍层410和与所述环箍层410重叠的螺旋层420之间可出现气囊的位置。参考图6，当螺旋层420在柱形部分200和顶盖部分100连接的区域缠绕在形成于柱形部分200上的环箍层410上时，环箍层410的截面的厚度可在环箍层410的端部产生气囊。如果产生气囊，那么这可能减小高压容器10的强度。

图7是图1中的区域“1”的放大图。图1的区域“1”可以是高压容器10的柱形部分200和顶盖部分100彼此连接的区域。参考图7，在高压容器10的截面中，环箍层410可与高压容器10的轴向方向A并排侧向地形成，仅在与高压容器10的轴向方向A平行形成的区域中形成。

参考图7，当使大量环箍层410和螺旋层420重复分层布置时，在柱形部分200上与高压容器10的轴向方向A并排侧向地形成的区域，即，相对于高压容器10的轴向方向A没有弯曲的区域，可随着离衬垫300的距离的增加而逐渐减小，这是由于环箍层410和螺旋层420已经在下方分层布置的原因。

根据本发明的一个实施例，环箍层410通常可缠绕在高压容器10的柱形部分200的周缘上。然而，环箍层410可仅形成于与高压容器10的轴向方向A并排侧向地形成的柱形部分200的周缘上，即，相对于高压容器10的轴向方向A没有弯曲的区域，如在高压容器10的截面中看到的。因此，沿着高压容器10的轴向方向A测量的该多个环箍层410的长度可随着离衬垫300的距离的增加而减小。

简而言之，本发明的关键特征是，在高压容器的柱形部分处形成于衬垫的周缘上的复合层，包括以高角度缠绕的环箍层和以低角度缠绕的螺旋层，环箍层和螺旋层交替地重叠。特别地，对于任意一个螺旋层，这样形成螺旋层上方和下方的环箍层，使得形成为离衬垫更近的环箍层所具有的厚度比形成为离衬垫更远的环箍层的厚度更大。

虽然上面公开并描述了本发明的某些实施例，但是应认识到，在不脱离在权利要求书的范围内阐述的本发明的实质的情况下，本领域普通技术人员可实现本发明的各种修改和变化，例如通过补充、改变、省略或增加元件。这些修改和变化包含在本发明的范围内。

而且，在描述本发明的实施例时，如果认为与已知的功能或元件相关的某些详细描述可能会不必要地使本发明的实质难以理解，那么可省略这些描述。考虑在本发明的实施例的上下文内的相关功能来定义以上使用的术语，并且其可根据用户或操作员的意图或惯例等而以不同的方式使用。因此，应基于本说明书的全部内容来定义这些术语。以上提供的本发明的详细描述并非旨在将本发明限制于以上公开的实现方式，并且以下权利要求书的范围应解释为包含各种其他实现方式。

Claims (10)

1.一种高压容器，具有衬垫和复合层，所述复合层用于增强所述衬垫的周缘，所述高压容器包括：

柱形部分，沿着所述高压容器的轴向方向；以及

顶盖部分，紧固至所述柱形部分的两端以封闭所述高压容器，

其中，设置于所述柱形部分上的所述复合层包括交替重叠的多个环箍层和多个螺旋层，并且

其中，所述多个环箍层中设置为离所述衬垫更近的环箍层所具有的厚度比设置为离所述衬垫更远的环箍层的厚度大，以使得所述多个环箍层的厚度随着离所述衬垫的距离的增加而减小。

2.根据权利要求1所述的高压容器，其中，所述复合层的设置为离所述衬垫最近的层是所述多个环箍层中的环箍层。

3.根据权利要求1所述的高压容器，其中，所述复合层的设置为离所述衬垫最远的层是所述多个环箍层中的环箍层。

4.根据权利要求1所述的高压容器，其中，所述多个环箍层在所述高压容器的所述轴向方向上侧向地设置在所述柱形部分上。

5.根据权利要求1所述的高压容器，其中，沿着所述高压容器的所述轴向方向测量时，所述多个环箍层的长度随着离所述衬垫的距离的增加而减小。

6.根据权利要求1所述的高压容器，其中，所述多个环箍层中的每个环箍层的端部均被缠绕在所述多个环箍层的外部的所述螺旋层挤压。

7.根据权利要求1所述的高压容器，其中，在所述多个环箍层中，设置为离所述衬垫最近且在所述多个环箍层中具有最大厚度的环箍层所具有的厚度是所述多个环箍层的总厚度的10％至35％。

8.根据权利要求1所述的高压容器，其中，所述多个环箍层相对于所述高压容器的所述轴向方向以88至89度的角度缠绕在所述衬垫的周缘周围。

9.根据权利要求1所述的高压容器，其中，所述多个螺旋层相对于所述高压容器的所述轴向方向以5至44度的角度缠绕在所述衬垫的周缘周围。

10.根据权利要求1所述的高压容器，其中，设置于所述柱形部分上的所述多个螺旋层具有恒定的厚度。