CN110645470B - 包括氢气储存容器的氢气填充系统及其运行方法 - Google Patents

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Abstract

一种氢气填充系统包括：第一填充站，其包括多个氢气储存容器；以及中央服务器，其从上述第一填充站接收数据，并且向上述第一填充站提供通过上述数据计算出的信息。各个上述氢气储存容器包括：容器；至少一个声传感器，其设置在上述容器的表面，并且使用声发射(acoustic emission)检测上述容器的破损位置；以及至少一个位移传感器，其以面向上述容器的表面的方式设置，用于测量上述容器的外径。

Description

包括氢气储存容器的氢气填充系统及其运行方法
技术领域
本发明涉及一种包括氢气储存容器的氢气填充系统及上述氢气填充系统的运行方法，更详细地涉及一种能够实时监测氢气储存容器的氢气填充系统及上述氢气填充系统的运行方法。
背景技术
近年来，作为燃料电池的燃料的氢气作为清洁能源备受关注。然而，氢气不仅对于金属的高压氢气容器，且对于为了轻量化而使用以铝合金制或强化塑料作为材料的衬垫(Liner)的高压氢气容器，作为共同的部分，要求具有优异的抗氢脆性的材料，以提高可靠性。
对此，改善抗氢脆性的容器分为：在铝合金或金属等的衬垫(liner)的外表面缠绕粘贴纤维强化树脂或强化纤维的三类(TYPE3)结构；及在强化塑料作为主材料的容器缠绕粘贴强化纤维的四类(TYPE4)结构。
另外，已存在使用声传感器(acoustic sensor)的液化燃料泄漏检查装置及泄漏检查方法等，但其用于液化天然气容器的泄漏检查，并不适合于氢气储存容器，并且其只能确认是否破损，而无法通过更换新的容器及维护来解决根本问题。
发明内容
发明所要解决的问题
本发明的技术问题是鉴于上述背景技术而提出的，本发明的目的在于提供一种包括用于预先预防氢气泄漏的氢气储存容器的氢气填充系统。
本发明的另一个目的在于提供一种包括上述氢气储存容器的上述氢气填充系统的运行方法。
用于解决问题的方案
根据用于实现上述本发明的目的的一实施例的氢气填充系统包括：第一填充站，其包括多个氢气储存容器；以及中央服务器，其从上述第一填充站接收数据，并且向上述第一填充站提供通过上述数据计算出的信息。各个上述氢气储存容器包括：容器；至少一个声传感器，其设置在上述容器的表面，并且使用声发射(acoustic emission)检测上述容器的破损位置；以及至少一个位移传感器，其以面向上述容器的表面的方式设置，用于测量上述容器的外径。
根据本发明的一实施例，上述氢气储存系统还可以包括第二填充站，其包括多个氢气储存容器。上述第一填充站及第二填充站分别可以使用上述氢气储存容器的上述声传感器及上述位移传感器生成上述容器的外径数据、以及针对上述容器是否破损及破损位置的破损信息。上述中央服务器可以从上述第一填充站及第二填充站接收上述外径数据及上述破损信息，并且通过上述外径数据及上述破损信息计算出上述容器的破损率高的外径范围，并生成针对上述容器的破损率高的上述容器的外径范围的危险范围外径信息。
根据本发明的一实施例，上述中央服务器可以向上述第一填充站及上述第二填充站提供上述危险范围外径信息。上述第一填充站及上述第二填充站可以使用上述位移传感器实时测量上述容器的外径。在上第一填充站及上述第二填充站运行期间，当上述氢气储存容器的上述容器对应于上述容器的破损率高的外径范围时，可以对上述氢气储存容器进行检查或更换为新的氢气储存容器。
根据本发明的一实施例，上述中央服务器可以向上述第一填充站及上述第二填充站提供上述危险范围外径信息。上述第一填充站及上述第二填充站可以使用上述位移传感器实时测量上述容器的外径。在上述第一填充站及上述第二填充站运行期间，当上述氢气储存容器的上述容器对应于上述容器的破损率高的外径范围时，可以向使用者发出警报。
根据本发明的一实施例，上述氢气储存系统还可以包括设有上述位移传感器的框架。可以配置2个以上的上述位移传感器，以能够测量上述氢气储存容器的外径。
根据本发明的一实施例，在上述框架与上述位移传感器之间形成高度调节部，即使上述容器的尺寸发生各种改变，通过调节上述高度调节部的高度，也能使上述位移传感器与上述容器的上述表面之间的距离落入上述位移传感器能够工作的适当的范围内。
根据本发明的一实施例，上述声传感器可以包括第一声传感器、第二声传感器、第三声传感器及第四声传感器。上述位移传感器可以包括第一位移传感器、第二位移传感器、第三位移传感器及第四位移传感器。在上述容器的剖面上，上述第一声传感器能够以附着的方式设置在上述容器的上侧的表面上，上述第二声传感器能够以附着的方式设置在上述容器的下侧的表面上，并且上述第三声传感器及上述第四声传感器能够以附着的方式设置在上述容器的左侧及右侧的表面上。上述第一位移传感器能够以面向上述容器的上述上侧的方式设置在上述框架，上述第二位移传感器能够以面向上述容器的上述下侧的方式设置在上述框架，并且上述第三位移传感器及上述第四位移传感器能够以面向上述容器的左侧及右侧的方式设置在上述框架。
根据本发明的一实施例，上述氢气储存系统还可以包括设有上述位移传感器的框架。上述声传感器与上述位移传感器可以以彼此面向的方式配置。
根据用于实现上述本发明的目的的一实施例的氢气填充系统的运行方法包括：设置步骤，设置包括多个氢气储存容器的填充站，其中，上述氢气储存容器包括：容器；至少一个声传感器，其设置在上述容器的表面，并且使用声发射(acoustic emission)来检测上述容器的破损位置；以及至少一个位移传感器，其以面向上述容器的表面的方式设置，用于测量上述容器的外径；外径感测步骤，使用上述位移传感器来测量多个上述容器的各个外径；数据化步骤，通过所测量的值生成针对上述容器的外径数据；破损部位确认步骤，使用上述声传感器检测在上述容器中发生破损的容器的破损位置，并生成针对上述容器是否破损及破损位置的破损信息；数据更新步骤，使针对上述发生破损的容器测量的外径数据与上述破损信息同步，由此更新与上述破损信息对应的上述外径数据的值；以及破损率高的外径范围计算步骤，使用上述外径数据及上述破损信息来计算上述容器的破损率高的外径范围。
根据本发明的一实施例，上述氢气填充系统的运行方法还可以包括：实时感测步骤，使用上述位移传感器实时测量上述容器的外径，在上述填充站运行期间，当上述氢气储存容器的上述容器对应于上述容器的破损率高的外径范围时，向使用者发出警报。
根据本发明的一实施例，上述氢气填充系统的运行方法还可以包括：预先预防事故的步骤，使用危险范围外径信息，进行氢气储存容器的检查或更换，由此预先预防由于泄漏而发生事故。
发明效果
根据本发明的实施例，氢气填充系统包括：第一填充站，其包括多个氢气储存容器；以及中央服务器，其从上述第一填充站接收数据，并向上述第一填充站提供通过上述数据计算出的信息。各个上述氢气储存容器包括：容器；至少一个声传感器，其设置在上述容器的表面，并且使用声发射(acoustic emission)检测上述容器的破损位置；以及至少一个位移传感器，其以面向上述容器的表面的方式设置，用于测量上述容器的外径。因此，可以实时测量上述容器的外径，感测上述容器是否破损及破损位置并使其数据化，由此计算破损率高的外径范围，在填充站运行期间，当上述容器对应于破损率高的外径范围时，向使用者预先发出警报，从而能够预先预防容器的破损。
只是，本发明的效果不限于上述效果，并且在不超出本发明的思想及领域的范围内，可以进行多种扩展。
附图说明
图1为根据本发明的一实施例的氢气储存容器的俯视图。
图2为沿图1的I-I'线截取的氢气储存容器的剖视图。
图3为根据本发明的一实施例的氢气填充系统的框图。
图4为示出根据本发明的一实施例的氢气填充系统的运行方法的流程图。
具体实施方式
以下，将参照附图对本发明的优选实施例进行更详细的说明。
本发明可以进行多种改变且具有各种形态，其中，对于特定实施例，将在附图中举例示出且在本文中详细说明。然而应当理解，其并不是为了将本发明限定于特定的公开形态，其包括落入本发明的思想及技术范围的所有改变、同等物及替代物。
图1为根据本发明的一实施例的氢气储存容器的俯视图。图2为沿图1的I-I'线截取的氢气储存容器的剖视图。
参照图1及图2，上述氢气储存容器可以包括：容器10、支撑部20、框架30、多个声传感器(acoustic sensor)AS及多个位移传感器DS。
上述容器10可以包括金属衬垫及缠绕上述金属衬垫的复合材料衬垫。上述容器10可以是在上述金属衬垫上使用纤维缠绕(filament widing)工艺将环氧树脂含浸于碳纤维中，并通过环箍(hoop)及螺旋(helical)工艺对其进行全包裹(full wrap)而形成的三类(type3)氢气储存用容器。
上述容器10可以是在第一方向D1上延长的圆筒形的容器，并且在由垂直于上述第一方向D1的第二方向D2及第三方向3构成的平面上的截面可以是圆形。
上述支撑部20可以支撑上述容器10的颈部，因此，即使上述容器10的外径根据上述容器10的内部压力及温度而变化，也可以牢固地支撑上述容器10。
上述框架30可以配置成围绕上述容器10的一剖面。上述框架30可以设置有上述位移传感器DS。上述位移传感器可以包括：第一位移传感器DSa、第二位移传感器DSb、第三位移传感器DSc及第四位移传感器DSd。具体地，在上述容器10的剖面上，上述第一位移传感器DSa能够以面向上述容器10的上侧的方式设置在上述框架30，上述第二位移传感器DSb能够以面向上述容器10的在第二方向D2上的下侧的方式设置在上述框架30，并且上述第三位移传感器DSc及上述第四位移传感器DSd能够以面向上述容器10的左侧及右侧的方式设置在上述框架30。
上述位移传感器DS可以实时测量上述容器10的外径。上述位移传感器DS可以是激光位移传感器，其向特定物体照射激光束并接收碰撞特定物体后反射的激光，由此测量与特定物体之间的距离。例如，可以向以面向上述位移传感器DS的方式配置的上述声传感器AS的表面照射激光束并接收反射的激光，由此测量上述容器10的外径，并且，可以利用通过上述第一位移传感器DSa及上述第二位移传感器DSb测量的外径和通过上述第三位移传感器DSc及上述第四位移传感器DSd测量的外径求出平均外径，或者测量发生异常的方向上的外径。
此时，无论上述容器10的外径如何，第一位移传感器DSa、第二位移传感器DSb、第三位移传感器DSc及第四位移传感器DSd与上述框架30之间还可以分别设置有第一位移调节部32a、第二位移调节部32b、第三位移调节部32c及第四位移调节部32d，使得上述位移传感器位于适当的位置。即使在由于更换上述容器10等而引起上述容器10的外径发生变化的情况下，也可以通过调节上述位移调节部32a、32b、32c、32d的高度，将上述位移传感器的设置位置改变到上述位移传感器可以正常运行的适当位置。
上述多个声传感器AS可以设置在上述容器10的表面上。上述多个声传感器AS能够以面向上述位移传感器DS的方式设置。上述多个声传感器AS可以包括：第一声传感器ASa、第二声传感器ASb、第三声传感器ASc及第四声传感器ASd。具体地，在上述容器10的剖面上，上述第一声传感器ASa能够以附着的方式设置在上述容器10的上述上侧的上述表面上，上述第二声传感器ASb能够以附着的方式设置在上述容器10的上述下侧的上述表面上，并且上述第三声传感器ASc及上述第四声传感器ASd能够以附着的方式设置在上述容器10的上述左侧及上述右侧的上述表面上。
可以通过分析从上述声传感器AS传达的声信号的强度来检测上述容器10是否破损及破损位置。具体地，上述声传感器AS感测在上述容器10的破损位置发生的气体的流动声音，并分析从上述声传感器AS传达的上述声信号的强度，由此检测上述容器10的破损位置。其中，可以使用已知的各种方法检测泄漏位置，例如，可以利用声发射(acousticemission)检测上述容器10的破损位置。上述声发射是指当弹性能量随着固体材料的塑性变形或破裂而释放时作为纵波传播的现象。当检测声发射波(acoustic emission wave，AE波)时，可以宏观有效地观察金属结构部件的进展中的动态缺陷，因此可以实现被动式非破坏性试验。通过超声波传感器观察AE波的方法称为AE法。
上述声传感器AS可以设置在多个位置，并且在多个位置感测声发射信号。可以通过分析声发射信号的撞击(hit)数、振幅(amplitude)、上升时间(rise time)、计数(count)及持续时间(duration)等检测上述容器10是否破损及破损位置。
其中，用于检测上述容器10是否破损及破损位置的、上述声发射信号中可能会考虑到的参数可如下所示。
事件(event)：表示在发生源产生声发射信号。
撞击(hit)：作为表示声发射频率的参数，其表示由探头(probe)检测到的一个突发型信号。
振幅(amplitude)：一个声发射event的最大振幅。
计数(count)：超出设定的阈值电压的波高(wave height)的数。
上升时间(rise time)：在一个event中，从超过阈值电压的时间至到达最大振幅所需的时间。
持续时间(duration)：在一个event中，从超过阈值电压的时间到event结束的时间所需的时间。
图3为根据本发明的一实施例的氢气填充系统的框图。
参照图1至图3，上述氢气填充系统可以包括：第一填充站100、第二填充站200、第三填充站300等的多个填充站，及中央服务器500。
上述第一填充站100可以包括多个氢气储存容器10a、10b、10c、10d、10e。如图1及图2所示，各个上述氢气储存容器由支撑部20支撑，并且设置有框架30，而且可以使用位移传感器DS及声传感器AS感测容器的外径、溶剂是否破损及破损位置。图中，均以具有相同尺寸的方式图示了上述氢气储存容器10a、10b、10c、10d、10e，但上述氢气储存容器也可以具有不同尺寸的规格。
即，上述第一填充站100、第二填充站200及第三填充站300分别可以使用上述氢气储存容器的上述声传感器及上述位移传感器生成上述容器的外径数据、以及针对上述容器是否破损及破损位置的破损信息DATA。
上述中央服务器500可以从上述第一填充站100、第二填充站200及第三填充站300接收上述外径数据及上述破损信息DATA，并且通过上述外径数据及上述破损信息DATA计算出上述容器的破损率高的外径范围，并生成针对上述容器的破损率高的上述容器的外径范围的危险范围外径信息INF。
上述中央服务器500将上述危险范围外径信息INF提供给第一填充站100、第二填充站200及第三填充站300，上述第一填充站100、第二填充站200及第三填充站300可以使用上述位移传感器实时测量上述容器的外径。由此，在上述第一填充站100、第二填充站200及第三填充站300运行期间，当上述氢气储存容器的上述容器对应于上述容器的破损率高的外径范围时，向使用者发出警报，以便使用者确认该容器并预先更换容器，从而可以预防上述容器的破损。
图4为示出根据本发明的一实施例的氢气填充系统的运行方法的流程图。
上述氢气填充系统的运行方法可以包括：设置步骤S100、外径感测步骤S200、数据化步骤S300、破损部位确认步骤S400、数据更新步骤S500、破损率高的外径范围计算步骤S600以及实时感测步骤S700。并且，上述氢气填充系统的运行方法还可以包括预先预防事故的步骤S800。
在上述设置步骤S100中，可以设置包括多个氢气储存容器的填充站，其中，上述氢气储存容器包括：容器；至少一个声传感器，其设置在上述容器的表面，并且使用声发射(acoustic emission)检测上述容器的破损位置；以及至少一个位移传感器，其以面向上述容器的表面的方式设置，用于测量上述容器的外径。可以设置多个上述填充站。
在上述外径感测步骤S200中，可以使用上述位移传感器测量多个上述容器的各个外径。上述外径测量可以实时地持续进行。
在上述数据化步骤S300中，可以通过所测量的值生成针对上述容器的外径数据。
在上述破损部位确认步骤S400中，可以使用上述声传感器检测在上述容器中发生破损的容器的破损位置，并生成针对上述容器是否破损及破损位置的破损信息。
在上述数据更新步骤S500中，可以使针对发生上述破损的容器测量的外径数据与上述破损信息同步，由此更新与上述破损信息对应的上述外径数据值。
在上述破损率高的外径范围计算步骤S600中，可以使用上述外径数据及上述破损信息计算上述容器的破损率高的外径范围。
在上述实时感测步骤S700中，可以使用上述位移传感器实时测量上述容器的外径，在上述填充站运行期间，当上述氢气储存容器的上述容器对应于上述容器的破损率高的外径范围时，向使用者发出警报。
在上述预先预防事故的步骤S800中，根据上述实时感测步骤S700，当上述容器对应于上述容器的破损率高的外径范围时，使用者确认该容器，当发现异常时，更换该容器，由此可以预先预防事故。并且，上述容器对应于上述容器的破损率高的外径范围的情况下，即使没有发现异常，也可以出于安全原因预先更换该容器。
根据本发明的实施例，氢气填充系统包括：第一填充站，其包括多个氢气储存容器；以及中央服务器，其从上述第一填充站接收数据，并向上述第一填充站提供通过上述数据计算出的信息。上述氢气储存容器分别包括：容器；至少一个声传感器，其设置在上述容器的表面，并且使用声发射(acoustic emission)检测上述容器的破损位置；以及至少一个位移传感器，其以面向上述容器的表面的方式设置，用于测量上述容器的外径。因此，可以实时测量上述容器的外径，感测上述容器是否破损及破损位置并使其数据化，由此计算破损率高的外径范围，在填充站运行期间，当上述容器对应于破损率高的外径范围时，向使用者预先发出警报，从而能够预先预防由于容器的破损而可能发生的事故。
以上，参照实施例进行了说明，但本领域技术人员应当理解，在不脱离所记载的权利要求书中的本发明的思想及领域的范围内，可以对本发明进行各种修改及改变。

Claims (4)

1.一种氢气填充系统，其特征在于，包括：
第一填充站，其包括多个氢气储存容器；
中央服务器，其从所述第一填充站接收数据，并向所述第一填充站提供通过所述数据计算出的信息；以及
第二填充站，其包括多个氢气储存容器，
各个所述氢气储存容器包括：
容器，其包括金属衬垫及缠绕所述金属衬垫且含碳纤维的复合材料衬垫；
至少一个声传感器，其设置于所述容器的表面，并且使用声发射来检测所述容器的破损位置；
至少2个位移传感器，其以面向所述容器的表面的方式设置，并且用于测量所述容器的外径；以及
框架，其设置有所述位移传感器，并且围绕所述容器的一剖面，
所述声传感器和所述位移传感器以彼此面向的方式进行设置，
所述第一填充站及所述第二填充站分别通过使用所述氢气储存容器的所述声传感器及所述位移传感器生成所述容器的外径数据及针对所述容器是否破损及破损位置的破损信息，
所述中央服务器从所述第一填充站及所述第二填充站接收所述外径数据及所述破损信息，并且通过所述外径数据及所述破损信息计算所述容器的破损率高的外径范围，并生成针对所述容器的破损率高的所述容器的外径范围的危险范围外径信息，
在所述框架与所述位移传感器之间形成高度调节部，即使所述容器的尺寸发生各种改变，通过调节所述高度调节部的高度，也能使所述位移传感器与所述容器的所述表面之间的距离落入所述位移传感器能够工作的适当的范围内。
2.根据权利要求1所述的氢气填充系统，其特征在于，
所述中央服务器向所述第一填充站及所述第二填充站提供所述危险范围外径信息，
所述第一填充站及所述第二填充站使用所述位移传感器实时测量所述容器的外径，
在所述第一填充站及所述第二填充站运行期间，当所述氢气储存容器的所述容器对应于所述容器的破损率高的外径范围时，对所述氢气储存容器进行检查或更换为新的氢气储存容器。
3.根据权利要求1所述的氢气填充系统，其特征在于，
所述中央服务器向所述第一填充站及所述第二填充站提供所述危险范围外径信息，
所述第一填充站及所述第二填充站使用所述位移传感器实时测量所述容器的外径，
在所述第一填充站及所述第二填充站运行期间，当所述氢气储存容器的所述容器对应于所述容器的破损率高的外径范围时，向使用者发出警报。
4.根据权利要求1所述的氢气填充系统，其特征在于，
所述声传感器包括第一声传感器、第二声传感器、第三声传感器及第四声传感器，
所述位移传感器包括第一位移传感器、第二位移传感器、第三位移传感器及第四位移传感器，
在所述容器的剖面上，所述第一声传感器以附着的方式设置在所述容器的上侧的表面上，所述第二声传感器以附着的方式设置在所述容器的下侧的表面上，并且所述第三声传感器及所述第四声传感器以附着的方式设置在所述容器的左侧及右侧的表面上，
所述第一位移传感器以面向所述容器的所述上侧的方式设置在所述框架，
所述第二位移传感器以面向所述容器的所述下侧的方式设置在所述框架，并且所述第三位移传感器及所述第四位移传感器以面向所述容器的左侧及右侧的方式设置在所述框架。
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