CN116438404A - 用于存储液态氢的系统和方法 - Google Patents

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CN116438404A CN202180074643.9A CN202180074643A CN116438404A CN 116438404 A CN116438404 A CN 116438404A CN 202180074643 A CN202180074643 A CN 202180074643A CN 116438404 A CN116438404 A CN 116438404A
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pressure vessel
hydrogen
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约翰·保罗·克拉克
洛里斯·格莱纳
约翰·T·欣臣
乔纳森·卡洛
埃琳娜·寇基纳
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Global Hydrogen Corp
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Global Hydrogen Corp
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Abstract

本公开提供了一种存储系统，该存储系统包括存储罐，该存储罐被配置为在低温温度下在预定量的时间内存储燃料。该存储罐可以具有多个层，该多个层包括：第一层，其包括用于容纳处于加压状态的燃料的压力容具；第二层，其包括用于所述第一层的隔热层；第三层，其包括蒸汽屏障层；以及第四层，其包括壳，该壳被配置为保持存储罐的刚性。

Description

用于存储液态氢的系统和方法
相关申请交叉引用
本非临时专利申请要求2020年10月30日提交的发明名称为″用于存储液态氢的系统和方法″的美国临时专利申请号63/108,048的权益和优先权，其通过引用整体并入本文。
背景技术
载具可以使用能够存储在容器，容具，罐，存储单元，或其他存储模块中的燃料源来运行。燃料源可以被传递到容器，容具，罐，存储单元或其他存储模块中，和/或从容器，容具，罐，存储单元或其他存储模块中传递出来。容器，容具，罐，存储单元或存储模块可被配置为向载具的一个或多个部件或子系统提供燃料源，以使这样的载具能够产生能量并将动力输送到用于移动和运输的推进系统。
发明内容
氢可以作为清洁能源被利用以为多种载具(包括飞行器)提供动力。与具有约为45兆焦耳每千克(MJ/kg)的比能(specific energies)的其他类型的燃料(例如柴油，汽油，或喷气燃料)，或具有通常在约0.4MJ/kg至约1.4MJ/kg范围内的比能的锂离子电池相比，氢具有明显的优势。航空汽油或喷气燃料的比能通常可在约43至约48MJ/kg的范围内。相比之下，氢具有超过140MJ/kg的比能。因此，1千克氢可以提供与约3千克汽油或煤油相同的能量。因此，使用氢作为载具的燃料源可以减轻载具的重量，同时提供与其他传统燃料源相当的能量。此外，消耗氢作为燃料可以排放无害或无毒的副产物，例如水，同时最大限度地减少二氧化碳和一氧化二氮的排放，从而减少使用氢作为燃料源的多种运输方式对环境的影响。
本文认识到了目前可用的传统氢燃料存储系统的各种限制。传统燃料存储系统可能无法被优化以用于长时间存储高压和/或低温燃料。因此，商用的燃料存储系统可能需要在燃料存储系统被运输或输送到载具加燃料站之前排放一部分存储的燃料。此外，传统燃料存储系统不能针对容积空间(volume)和质量效率进行优化，这意味着为了输送规定量的燃料，每段行程需要运输更多的存储罐。
本公开至少解决了与传统燃料存储系统相关的上述不足。本申请的技术总体上涉及燃料存储系统，更具体地，涉及用于氢燃料的燃料存储系统。本公开的燃料存储系统可以用于以可靠且有成本效益的方式存储和运输氢燃料。本公开的系统和方法可以用于长时间存储氢燃料，同时(i)使燃料泄漏最小化和(ii)延迟或减少排放存储在燃料罐内的加压氢的需要。本公开的系统和方法还可以提供高容积空间效能且高质量效能的燃料存储方案，其增加在单个行程中能够被存储和运输的燃料量。
除了以上描述的益处和优点之外，本技术的系统和方法还可以用于安全地存储和运输氢，同时保护或防护氢免受存储条件的潜在变化(温度，压力等的变化)的影响，和/或减轻这些变化的影响。本公开的系统和方法还可以用于高效能地运输氢，同时将燃料存储模块与可能损坏存储模块或包含在其中的氢的振动或外部运动隔离。本公开的系统和方法的实施可以使得氢燃料罐或存储模块与(1)氢生产或处理装置，(2)用于在两个或多个不同位置之间移动和运输氢燃料的运输载具，和/或(3)氢燃料兼容载具和此类氢燃料兼容载具的多种系统或子系统(包括结构部件，动力输送系统，飞行器控制系统，推进系统，运输基础设施，和/或回收基础设施)的快速，方便且精准的接合。本公开的系统和方法可以被用于实现将氢燃料存储模块高效能地装载到载具(包括运输载具和氢燃料兼容载具两者)中以及从载具中高效能地卸载和检查用过的或部分用过的氢燃料存储模块。本公开的系统和方法可以用于降低成本，劳动力，以及与氢的运输和输送相关的基础设施的数量或复杂性。
一方面，本公开的本技术提供了一种用于存储燃料的系统。该系统可以包括存储罐，该存储罐被配置为在低温温度下在预定量的时间内存储燃料，其中，该存储罐具有多个层，该多个层包括：第一层，其形成用于容纳处于加压状态的燃料的压力容具；第二层，其包括用于所述第一层的隔热层；第三层，其包括蒸汽屏障层；和第四层，其包括被配置为保持该存储罐的刚性的壳。
在一些实施例中，该系统还包括被设置为在多个层中的至少两个层之间的一个或多个雉堞状环(crenelated ring)。在其他实施例中，该系统包括在多个层中的至少两个间隔开的层之间并且耦接到该至少两个间隔开的层的可调节张紧组件(tensioningassemblies)。
在一些实施例中，该系统还包括系杆(tie rod)，该系杆将存储罐的第一内部部分耦接到存储罐的第二内部部分，其中系杆被配置为减轻和重新分配压力容具中的结构负载。在一些实施例中，第一内部部分和第二内部部分对应于第一层的一个或多个内壁。在一些实施例中，系杆是实心的。在一些实施例中，系杆是中空的。在一些实施例中，系杆包括铝合金，钢合金，碳纤维，玻璃纤维，或其任意组合。
在一些实施例中，低温温度的范围为约15开尔文至约30开尔文。在一些实施例中，不会泄漏多于最小量的氢和/或不需要将氢从罐中排放的预定量的时间长达约80小时。
在一些实施例中，存储罐具有带半球形端部的圆柱形形状。在一些实施例中，存储罐具有带有凹窝端部(dimpled end)的圆柱形形状，该凹窝端部使得包括该存储罐的多个存储罐能够以高容积空间效能的方式串联堆叠。在一些实施例中，与具有半球形端部的存储罐相比，当具有带凹窝端部的圆柱形形状的存储罐被串联堆叠时，其具有更大的容积空间效能。
在一些实施例中，燃料包括液态氢，固态氢，气态氢，或其任意组合。
在一些实施例中，第一层包括铝合金，钢合金，或碳纤维。在一些实施例中，第二层包括间隔开的超隔热层的交替片，以最大限度地减少热辐射引起的热传递。在一些实施例中，第三层包括聚酯薄膜，铝合金，玻璃纤维复合材料，或其任意组合。在一些实施例中，第四层包括铝合金，钢合金，或碳纤维。
在一些实施例中，一个或多个雉堞状环包括玻璃纤维。在一些实施例中，一个或多个雉堞状环包括设置在雉堞状环的外边缘上的多个雉堞状物，以限制多个层之间的接触面积和热传导。在一些实施例中，一个或多个雉堞状环为第二层提供多个锚固点。
在一些实施例中，存储系统包括存储罐，该存储罐被配置为在低温温度下存储燃料。该存储罐具有多个层，该多个层包括第一层，该第一层形成用于容纳处于低温温度和处于加压状态下的燃料的压力容具。第二层包括用于第一层的隔热层。第三层形成一个外壳，该外壳被配置为保持存储罐的刚性。可以在压力容具与外壳之间提供蒸汽屏障层，但是在其他实施例中，压力容具和/或外壳充当蒸汽屏障层以阻挡氢通过存储罐的传输。多个保持构件对第一层和第三或第四层进行互连，并且允许第一层由于第一层的收缩和膨胀而相对于第四层移动。在一些实施例中，保持构件是对第一和第四层进行互连的保持带组件。保持带组件可以包括耦接到第一层的第一锚固部分，耦接到第四层的第二锚固部分，以及在第一和第二锚固部分之间延伸并对第一和第二锚固部分进行互连的带构件。第一和/或第二锚固部分可以是可调节的，以控制和设定带构件中的初始张力。保持带组件被配置成使得一旦所述保持带组件被调节和设置，对应的带构件在压力容具相对于外壳膨胀或收缩时保持恒定的长度和恒定的张力。在一个或多个实施例中，第一或第二锚固部分包括耦接到带构件的可平移托架(translatable carriage)，其中可平移托架可相对于第一和第四层移动。在一个或多个实施例中，包括连接到外壳的管线连接主体，在所述外壳外部并连接到管线连接主体的第一燃料管线，以及至少部分地在压力容具内并通过燃料管线连接主体与第一燃料出口管线流体连通的第二燃料管线，以及连接到管线连接主体和第二燃料出口管线的近端的膨胀构件，其中膨胀构件被配置为在压力容具相对于外壳移动时膨胀和收缩。膨胀构件可以是被设置在压力容具和外壳之间的波纹管。
在其他实施例中，氢燃料存储系统包括被配置为存储氢燃料的存储罐，其中存储罐具有内部压力容具，该内部压力容具容纳处于至少液相和处于加压状态的氢燃料。外壳与压力容具径向间隔开，以在外壳和压力容具之间形成容积空间，其中在该容积空间中抽真空。蒸汽屏障层在该容积空间中，并被配置为阻挡氢气从压力容具传输到外壳。隔热层在该容积空间中，并被配置为阻挡穿过压力容具和外壳之间的容积空间的热传递。多个保持构件被提供在该容积空间中，并且在该容积空间中支撑压力容具并与外壳间隔开。保持构件被配置为允许压力容具由于压力容具的热收缩和膨胀而相对于外壳移动。管线连接主体连接到外壳，并且被设置为在外壳和压力容具之间的容积空间中或邻近该容积空间。外部燃料管线在外壳的外部，并且燃料拾取管线至少部分地在压力容具内并且通过管线连接主体与外部燃料出口管线流体连通。膨胀波纹管连接到管线连接主体并且连接到燃料拾取管线的近端。膨胀波纹管被配置为在压力容具相对于外壳热收缩和膨胀时而膨胀和收缩。
在另一实施例中，根据本技术的氢燃料存储系统包括被配置为存储氢燃料的存储罐。存储罐包括内部压力容具，该内部压力容具被配置为容纳处于至少液相和处于加压状态的氢燃料。外壳与压力容具径向间隔开，以在外壳和压力容具之间形成容积空间，其中该容积空间保持在真空下。蒸汽屏障层可以被提供在容积空间中，并被配置为阻挡氢气从压力容具传输到外壳。管线连接主体连接到外壳，并且被设置为在外壳和压力容具之间的容积空间中或邻近该容积空间。外部燃料管线在外壳的外部，并且燃料拾取管线至少部分地在压力容具内并且通过管线连接主体与外部燃料出口管线流体连通。膨胀波纹管连接到管线连接主体并且连接到燃料拾取管线的近端。膨胀波纹管被配置为在压力容具相对于外壳热收缩和膨胀时而膨胀和收缩。
在一些实施例中，该系统还包括氢拾取管线，以捕获和分配气态氢。在一些实施例中，氢拾取管线被设置为邻近罐的顶部部分。在一些实施例中，氢拾取管线被设置在浮子上，使得拾取管线高于燃料的燃料液位。在一些实施例中，拾取管线包括内部加热器以确保气态氢的分配，即使拾取管线被浸没。
在一些实施例中，该系统还包括主电加热器，该主电加热器被配置为加热罐内的液态氢并控制罐的压力。
在一些实施例中，该系统还包括用于测量罐压力，罐温度，和燃料液位的多个传感器。
在一些实施例中，该系统还包括在存储罐的外部部分上的一个或多个凸台。在一些实施例中，一个或多个凸台包括用于消耗或再填充燃料的主出口。在一些实施例中，主出口可操作地耦接到(i)压力传感器，(ii)过压阀，和(iii)被配置为控制燃料流入和流出存储罐的质量流率的控制阀中的至少一项。在一些实施例中，一个或多个凸台包括通气出口，其用于在填充操作期间排放存在于存储罐中的气体。在一些实施例中，一个或多个凸台包括用于对电连接进行布线的一个或多个通路，其中电连接被配置为将存储罐内的一个或多个传感器，致动器，或加热器连接到外部计算单元或电源。在一些实施例中，一个或多个凸台包括隔热层，以最小化存储在存储罐内的燃料与存储罐的周围环境之间的热传递。在一些实施例中，隔热层包括间隔开的超隔热层的交替片，以最小化由于热辐射引起的热传递。在一些实施例中，隔热层被保持在高真空下，以最小化由于热传导或对流引起的热传递。在一些实施例中，一个或多个凸台包括主出口和通气出口。通气出口位于主出口内以减少热泄漏。在一些实施例中，凸台包括主出口和通气出口，其中当氢未被消耗或再填充时，主出口和通气出口与凸台的内盖物理地断开连接。
在一些实施例中，该系统还包括支撑管，该支撑管用于承受一个或多个凸台的内盖与外盖之间的结构负载。在一些实施例中，支撑管包括具有低热导率的材料。在一些实施例中，支撑管包括玻璃纤维或刚性塑料。
本公开的另一方面提供了一种包括机器可执行代码的非暂时性计算机可读介质，该机器可执行代码在由一个或多个计算机处理器执行时实现以上或本文其他地方的任何方法。
本公开的另一方面提供了一种系统，其包括一个或多个计算机处理器和与其耦接的计算机存储器。计算机存储器包括机器可执行代码，其在由一个或多个计算机处理器执行时实现上述或本文其他地方的任何方法。
根据以下详细描述，本公开的其他方面和优势对于本领域技术人员将变得通俗易懂，其中仅显示和描述了本公开的说明性实施例。正如将被认识到的，本技术可以具有其他的和不同的实施例，并且其若干细节能够在多种明显的方面进行修改，所有这些都没有背离本公开。因此，附图和描述应被视为本质上是说明性的，而不是限制性的。
附图说明
本公开的新颖特征在所附权利要求中被具体阐述。通过参考以下阐述说明性实施例(其中利用了本公开的原理)的详细描述以及附加的图(本文也称″附图″和″图″)，将更好地理解本公开的特征和优势，其中：
图1示意性地示出了根据一些实施例的用于存储氢燃料的燃料存储罐。
图2A和图2B示意性地示出了根据一些实施例的具有半球形端部的圆柱形燃料存储罐。
图3A示意性地示出了根据一些实施例的具有凹窝端部的圆柱形燃料存储罐。
图3B示意性地示出了根据一些实施例的串联堆叠在一起的具有凹窝端部的多个燃料存储罐。
图4A和图4B示意性地示出了根据一些实施例的具有系杆的存储罐。
图5A示意性地示出了根据一些实施例的包括多个层的存储罐。
图5B是根据一些实施例的存储罐的截面图。
图5C是基本上沿图5B的线5C-5C截取的放大截面图。
图6是根据一些实施例的燃料存储罐的示意性等距视图，其中半透明地示出了外层(即，外壳)以示出内部压力容具和多个罐保持带组件。
图7是图6的罐保持带组件的放大等距视图。
图8是处于另一位置的图6的罐保持带组件的放大等距视图。
图9A，图9B和图9C示意性地示出了根据一些实施例的可以插入存储罐的两层或更多层之间的雉堞状环。
图10是图2A的燃料存储罐的端视图，其示出了根据实施例的具有外部管线的管道配置。
图11A和图11B示意性地示出了根据一些实施例的存储罐的凸台的主出口和通气出口。
图12示意性地示出了根据一些实施例的支撑管，该支撑管被配置为承受存储罐的凸台的内盖与外盖之间的结构负载。
图13示意性地示出了根据一些实施例的被设置在存储罐的主出口内的通气出口。
图14示意性地示出了根据一些实施例的存储罐的气态氢拾取管线和电加热器。
图15是图2A的燃料存储罐的局部剖视图，其示出了内部特征。
图16是耦接到罐的内部特征的凸台和膨胀波纹管的放大剖视图。
图17示意性地示出了根据一些实施例的用于从存储罐中释放氢燃料的存储罐的操作。
图18是根据一些实施例的具有耦接到内部压力容具的加热线圈和传感器的燃料存储罐的示意性等距视图。
图19是图18的燃料存储罐的局部放大截面图。
图20示意性地示出了被编程的或被配置以实现本文提供的方法的计算机系统。
图21示意性地示出了根据一些实施例的用于调节存储罐的操作的控制系统。
具体实施方式
虽然本文示出和描述了本技术的多种实施例，但是对于本领域技术人员来说显而易见的是，这些实施例仅以示例的方式被提供。在不脱离本技术的范围的情况下，本领域技术人员可以想到许多变化，改变，和替换。应当理解，可以采用本文描述的实施例的多种替代方案。
每当术语″至少″，″大于″，或″大于或等于″出现在一系列两个或多个数值中的第一个数值之前时，术语″至少″，″大于″，或″大于或等于″应用于该系列数值中的每个数值。例如，大于或等于1，2，或3相当于大于或等于1，大于或等于2，或大于或等于3。
每当术语″不超过″，″小于″，或″小于或等于″出现在一系列两个或多个数值中的第一个数值之前，术语″不超过″，″小于″，或″小于或等于″应用于该系列数值中的每个数值。例如，小于或等于3，2，或1相当于小于或等于3，小于或等于2，或小于或等于1。
如本文中可互换使用的术语″实时(real time)″或″实时的(real-time)″，通常是指使用最近获得的(例如，收集的或接收的)数据执行的事件(例如，操作，过程，方法，技术，计算，运算，分析，可视化，优化等)。在一些例子中，可以几乎立即或在足够短的时间跨度内，例如在至少0.0001毫秒(ms)，0.0005ms，0.001ms，0.005ms，0.01ms，0.05ms，0.1ms，0.5ms，1ms，5ms，0.01秒，0.05秒，0.1秒，0.5秒，1秒或更长时间内，执行实时事件。在一些例子中，可以几乎立即或在足够短的时间跨度内，例如在至多1秒，0.5秒，0.1秒，0.05秒，0.01秒，5ms，1ms，0.5ms，0.1ms，0.05ms，0.01ms，0.005ms，0.001ms，0.0005ms，0.0001ms或更短的时间内，执行实时事件。
一方面，本公开提供了一种用于存储燃料的存储罐。存储罐可以被配置为保持一定容积空间的气态或液态燃料。燃料可以包括氢。氢可以包括高压下的液态氢。在一些例子中，氢可以包括气态氢。在一些例子中，氢可以包括液态氢和气态氢两者。在一些例子中，存储在存储罐中的氢可以处于循着液-气连续体的任意物质状态。
图1示意性地示出了用于存储氢燃料11的燃料存储罐10。如本文其他地方所述，氢燃料11可以包括处于循着液-气连续体的任意物质状态下的氢。在一些例子中，存储罐可以被配置为在低温温度下存储加压液态氢。如本文所使用的，低温温度可以指足够低以将氢保持在稳定液相中的温度。存储罐可以是被配置为在预定温度范围存储加压液态氢的低温存储罐。在一些例子中，预定温度范围可以从约15开尔文至约30开尔文。燃料存储罐可以被配置为防护和隔离存储在燃料存储罐内的氢燃料免受由于外力或存储罐周围环境的环境条件而引起的温度或压力的变化。
存储罐可以被配置为在需要消耗或排放存储在存储罐内的氢燃料之前的预定量的时间内存储氢。预定量的时间可以是从存储罐被填充或部分填充有氢燃料的时间起约80小时(在标准温度和压力下)。在一些实施例中，时间量可以在约40-80小时的范围内，而不会泄漏多于最小量的氢和/或不需要将氢从罐中排放。如本文所使用的，标准温度和压力(STP)可以指273.15开尔文(K)的标准温度和1atm(101.325千帕)或1巴(100千帕)的标准绝对压力。
可以采用在氢生产设施中生产的氢来填充或再填充存储罐。在一些例子中，氢可以在存储之前被处理。如果使用的处理方法留下残余杂质或引入杂质，则处理氢可以包括加压步骤，液化步骤，和/或纯化步骤。在一些实施例中，可以处理氢以在存储之前改变氢的压力，温度，和/或密度。例如，出于存储和运输目的，氢可以被处理(例如，通过加压或液化步骤)以增加氢的压力，降低氢的压力，增加氢的温度，降低氢的温度，增加氢的密度，和/或降低氢的密度。
在一些例子中，氢最初可以经由燃料注入口被供应至氢燃料存储罐，直到(i)燃料存储罐中的氢燃料的压力达到预定压力阈值或(ii)氢燃料的质量达到预定压力质量阈值。控制模块可以被配置为监测氢燃料的压力和/或质量，并且当存储罐中的氢燃料的压力和/或质量达到预定阈值时，切断氢燃料到燃料存储罐的供应。
根据本技术的氢存储罐可以具有多种形状因数。例如，氢存储罐的大小，形状，和/或被配置为可以使得当被插入或装载到氢燃料兼容载具中时，存储罐符合该氢燃料兼容载具的内部容积空间。氢存储罐的大小，形状，和/或配置还可以与运输载具的一个或多个结构部件或特征接合，以促进所述存储罐从氢生产设施运输或输送到一个或多个氢燃料兼容载具或载具加燃料站。
氢存储罐可以包括垂直截面和水平截面。垂直截面可以包括第一形状。水平截面可以包括第二形状。第一形状和/或第二形状可以包括圆形，椭圆形，三角形，正方形，矩形，五边形，六边形，七边形，八边形，或具有三个或多个边的任何多边形。在一些例子中，第一形状和/或第二形状可以包括具有两个或多个边的正多边形，该两个或多个边具有相同的长度。在一些例子中，第一形状和/或第二形状可以包括具有两个或多个边的不规则多边形，该两个或多个边具有不同的长度。在一些例子中，第一形状和/或第二形状可以包括不规则或无定形形状。不规则或无定形形状可以包括具有至少一个曲线或边缘的任何闭合形状。在一些例子中，第一形状可以与第二形状相似或相同。在其他例子中，第一形状和第二形状可以不相似或相同，或者不需要相似或相同。
在一些实施例中，氢存储罐可以包括多个垂直截面和多个水平截面。在一些例子中，多个垂直截面可以包括具有不同大小，形状，或面积的两个或多个垂直截面。在一些例子中，多个水平截面可以包括具有不同大小，形状，或面积的两个或多个水平截面。在一些例子中，多个垂直截面和多个水平截面可以相似或相同。或者，多个垂直截面和多个水平截面可以不相似或相同，或者不需要相似或相同。
在一些实施例中，液态氢存储罐可以被成形为圆柱体。如图2A和图2B所示，在一些例子中，圆柱形存储罐100可以包括半球形端部101。在其他例子中，圆柱体的端部可以是圆顶形，部分球形，圆锥形，或其任意组合。如下面更详细地讨论的，流体管线103(图2A)可以连接到罐100的一端或两端101并且与罐100的内部105连通。在另一个实施例中，如图3A所示，液态氢存储罐100可以被成形为具有凹窝端部102的圆柱体。如本文所使用的，凹窝端部可以指圆柱形存储罐的具有一个或多个凹窝，凹陷，压痕，或凹痕的顶端或底端。与具有半球形端部的多个圆柱形罐串联堆叠在一起时相比，凹窝端部102可以允许多个存储罐以更大的容积空间效能串联堆叠在一起。如图3B所示，具有凹窝端部102的多个氢存储罐100可以在飞行器机身115内串联堆叠在一起。与具有平坦端部的容积空间相当的圆柱形压力容具相比，具有凹窝端部102的圆柱形罐100的形状可以提供显著更轻的结构重量。
如图4A和图4B所示，液态氢存储罐100可以具有系杆120。系杆120可以包括能够承载拉伸负载的细长结构构件。系杆120可被配置为将液态氢存储罐的第一部分物理连接到液态氢存储罐的第二部分。第一部分和第二部分可以位于存储罐的相对端上。系杆120可以从存储罐的第一凹窝端部102延伸到存储罐的第二凹窝端部102。系杆120可被配置为减轻和重新分配施加在存储罐100或存储罐的内层(例如，存储罐的第一层，其可包括如下面更详细描述的压力容具)上的结构负载。因此，存储罐100可以不需要任何额外的结构构件来管理压力负载，这可以导致更轻的罐。
系杆120可以包括一种或多种铝合金，钢合金，碳纤维，玻璃纤维，或其任意组合。在一些例子中，系杆可包括实心构件。在其他例子中，系杆120可以包括具有内腔的中空构件。在任一例子中，系杆可以包括单一材料或多种不同材料。在其他实施例中，例如具有半球形端部101的圆柱形罐100，可以不使用或不需要系杆来为罐提供额外的结构支撑。
如图5A至图5C中所示，液态氢存储罐100可以包括多个层。多个层和/或材料可以各自被配置或优化以执行一个或多个功能(例如，隔热，抗冲击性，或承载压力负载)。在一些例子中，多个层和/或材料可以被配置或优化以执行多种功能(例如，隔热，抗冲击性，和承载压力负载)。
在所示实施例中，液态氢存储罐100具有内部第一层201，该内部第一层201限定了围绕内部区域105的罐的内壳并充当被设计成容纳加压液态氢的压力容具。第一层201可以包括铝合金，钢合金，碳纤维，其他纤维增强复合材料和/或材料的组合。在至少一个实施例中，内层201由具有约2.5mm厚度的铝6061层形成。
液态氢存储罐100还可以包括与第一层201径向向外间隔开的第二层202。第二层202可以包括隔热层，该隔热层被配置为最小化罐周围与存储在存储罐内的低温氢之间的热传递。隔热层可以包括间隔开的超隔热层的交替片，以最小化由于热辐射引起的热传递。隔热层也可以被保持在高真空下，以最小化由于热传导和对流引起的热传递。在一个实施例中，包含隔热层的容积空间被保持在约7.5E-6托的真空下，然而其他实施例可以将包含隔热层的空间保持在不同的真空水平下。间隔开的超隔热层可以包括与多层纯铝箔交错的多层玻璃纤维抓绒垫片。玻璃纤维抓绒垫片的层和纯铝箔的层可以使用连接件或粘合剂保持在一起。间隔开的超隔热层可以具有每10层约5.0毫米(mm)的标称压缩厚度。在一个实施例中，间隔开的超隔热层包括多层隔热层，该多层隔热层具有与十八层纤维垫片交错的大约十八层金属箔，其中隔热层具有大约25mm的厚度。在其他实施例中，隔热层可以具有其他材料，其他配置，其他层布置，和/或其他厚度。
液态氢存储罐100还可以包括第三层203，其被配置成与第二层202径向向外间隔开的蒸汽屏障层。第三层203可被配置为控制或防止蒸汽或湿气通过第三层扩散出罐100。第三层203可以具有防止蒸汽或湿气通过第三层扩散的渗透性。蒸汽屏障层可以包括例如聚脂薄膜，铝合金，玻璃纤维复合材料，或其任意组合。在所示实施例中，第二层202被设置在第一层201和第三层203之间。在其他实施例中，蒸汽屏障层(例如，第三层203)可以被设置在第一层201和第二层202之间。在其他实施例中，不使用单独的蒸汽屏障层，并且压力容具和/或罐的外壳被配置为充当阻挡氢通过罐传输的蒸汽屏障层。
液态氢存储罐100还可以包括第四层204，其包括被配置为提供结构支撑并保持存储罐的内部支撑结构的刚性的外壳。第四层204还可以提供耐磨性和/或抗冲击性。在一些实施例中，第四层204可以提供坚固的外表面，其用于处理和接纳配件。第四层204可以包括例如铝合金，钢合金，碳纤维，其他纤维增强复合材料，和/或材料的组合。
在本文所述的任何实施例中，可以优化每层的厚度和组成。例如，可以调节每层的厚度和组成以最大化(i)燃料质量与存储罐质量的质量分数或(ii)存储罐的容积空间效能。可以至少部分地基于液态氢保持时间限制来优化每层的厚度和组成。保持时间限制可以对应于在存储于存储罐内的内容物需要被消耗或排放之前从存储罐的填充或再填充开始经过的时间量。在一些例子中，可以至少部分地基于对于存储罐或存储罐内的多个层的某些性能要求(例如，内部负载管理，抗冲击性，隔热性能等)来优化每层的厚度和组成。
在所示实施例中，氢燃料(例如，液态氢)被包含在罐的内部区域105内，使得氢在选定的压力范围内(例如大约4-6巴或优选地高达大约5巴)被加压。因此，罐100的第一层201形成压力层或容具125。压力容具125容易受到低温氢的低温的影响，这可以引起压力容具125相对于罐的外壳204的热收缩。在所示实施例中，压力容具125以考虑热收缩或膨胀以及控制从压力容具125到外壳204的热传递的方式被支撑在外壳204内。在至少一个实施例中，压力容具125由耦接在内部压力容具125和外壳204之间的多个罐保持带组件从外壳204支撑或被支撑在外壳204内。
图6是根据一个实施例的燃料存储罐100的示意性等距视图，其中外壳204被半透明地示出，以显示外壳204和内部压力容具125之间的多个内部可调节保持带组件140。图7和8是相对于压力容具125处于第一位置和第二位置的罐保持带组件140的放大等距视图。
在所示实施例中，燃料存储罐100具有在外壳204内被支撑的压力容具125。压力容具125和外壳204中的每一个都具有焊接到圆柱形主体部分144a/144b的相对端部上的一对半球形端部部分142a/142b。多个保持带组件140被设置在主体部分144a/144b的每个端部处。保持带组件140围绕邻近相应的半球形端部部分142a/142b的主体部分144a/144b的圆周被固定到压力容具125和外壳204。在一个或多个实施例中，四个保持带组件140在主体部分的每个端部处围绕主体部分144a/144b的圆周均等地分布。因此，燃料存储罐100具有总共八个保持带组件140(在主体部分的每个端部上有四个)。其他实施例可以在压力容具125和外壳204之间具有更多或更少数量的保持带组件140。
如图7所示，所示实施例的每个保持带组件140具有从压力容具125的外表面径向延伸并进入到第一层201和和第三层203之间的空间中的锚固构件146(图5A)。在一个实施例中，每个锚固构件146整体地或以其他方式连接到围绕压力容具的主体部分144a的周边而固定的内围环148。内围环148可以是焊接到压力容具的主体部分144a的相应端部区域的机加工铝环。所示实施例的锚固构件146具有在耦接到内围环148的一对间隔开的凸缘152之间延伸的锚固销150。带156围绕锚固销150延伸并被捕获在凸缘152之间。带156可以是具有最小导热率的不可拉伸材料，从而在压力容具125和外壳204之间提供热断开。在一些实施例中，带156可以是Kevlar环氧树脂材料，例如单向Kevlar-49CYCOM 950-1带。其他实施例可以使用玻璃纤维材料，碳纤维材料，碳纤维复合材料，纤维增强材料，或其他合适的材料。
保持带组件140还具有锚固调节单元158，其从外壳204的内表面径向延伸并进入外壳204和压力容具125之间的空间中。在一个实施例中，每个锚固调节单元158整体地或以其他方式连接到围绕外壳的主体部分144b的内表面而固定的外围环160。外围环148可以是焊接到外壳的主体部分144a的相应端部区域的机加工铝环。所示实施例的锚固调节单元158具有可移动地安装到框架164的可调节托架162，框架164连接到外围环160。可调节托架162具有在一对间隔开的托架凸缘168之间延伸的外部锚固销166。带156围绕上锚固销166延伸并在托架凸缘152之间被捕获。因此，不可拉伸的非导热带156被牢固地固定到锚固调节单元158和内部锚固构件146并在锚固调节单元158和内部锚固构件146之间延伸。
可调节托架162可相对于框架164移动，以调节托架162(即，外锚固销166)和内锚固构件146(即，内锚固销150)之间的距离，从而调节和控制压力容具125相对于外壳204的位置。托架162的调节还控制各个带156中的张力。在所示实施例中，托架162可平移地安装在连接到调节螺钉172的支撑构件170上。调节螺钉172是可调节的，以使托架162相对于框架164沿支撑构件170移动，从而调节带156中的张力或压力容具125相对于外壳204的位置。例如，图7示出了在相对于外壳204的第一位置支撑压力容具125的锚固调节单元158，并且图8示出了被调节到另一位置以在相对于外壳204的第二位置支撑压力容具125的锚固调节单元158。
在所示实施例中，每个锚固调节单元158被设置位置为使得托架162可在平行于燃料存储罐100的纵向轴线的方向上移动。锚固调节单元158被设置位置在邻近于圆柱形主体部分144a/144b的端部。在组装期间，在半球形端盖144a/144b被焊接或以其他方式固定到相应主体部分142a/142b之前，压力容具125的主体144a被设置位置为在外壳204内并与外壳204径向间隔开。因此，在安装半球形端盖144a/144b之前，锚固调节单元158的调节螺钉172是可达的(accessible)和可调节的，以固定并牢固地保持压力容具125相对于外壳204的轴向位置和径向位置。这种配置允许锚固调节单元158被设置位置在最小化压力容具上的应力并分配压力容具上的应力的位置。调节单元还适应包含液态氢的压力容具上的负载或应力，同时限制压力容具在外壳内的相对移动，例如在燃料存储罐100的使用或移动期间。锚固调节单元158和带156还被配置为选择性地允许由于低温液态氢的低温和由于使用而引起的变化条件(例如氢燃料的消耗，燃料存储罐的再填充，和/或在使用期间燃料存储罐100可能暴露的环境条件的变化)而引起的热收缩和/或膨胀。在这种膨胀和/或收缩期间，带156保持恒定的长度，并被配置为围绕相应锚固构件146和/或锚固调节单元158枢转，同时在带156中保持恒定的张力。
如上所述，锚固调节单元158位于压力容具125和外壳240之间的空间中，并且在该空间内抽高真空。除了空间中的隔热层和高真空环境的隔热效果之外，非导热带156在压力容具125和外壳204之间形成热断开。因此，压力容具中的低温条件被控制为对燃料存储罐100的外壳204具有有限的影响。
应当注意，在所示实施例中，保持带组件140的可调节部分附接到外壳204，而锚固构件146附接到压力容具125。然而，在其他实施例中，该布置可以是倒转的，其中保持带组件140的可调节部分可以附接到压力容具125，而锚固构件146可以附接到外壳204。在另一实施例中，一些保持带组件140可以具有附接到外壳204的可调节部分，而其他一些保持带组件可以具有附接到压力容具125的可调节部分。
在一个或多个其他实施例中，压力容具125可以采用其他结构来相对于外壳204被支撑。例如，图9A，图9B，和图9C示意性地示出了根据一些实施例可插入在存储罐的两层或更多层之间以在外壳204内支撑压力容具125的雉堞状环。雉堞状环130可以插入在存储罐的任何两层或更多层之间。雉堞状环130可以包括具有设置在环的外边缘上的一个或多个雉堞状物135的环。一个或多个雉堞状物135可以包括从环的外边缘延伸的凸起特征(例如，凸块或挤压件)。在一些例子中，一个或多个雉堞状物135可以包括与存储罐的第四层的内壁的内部曲率一致的弯曲形状或轮廓。在其他例子中，一个或多个雉堞状物135可以包括平坦的或基本上平坦的表面轮廓。在一些例子中，一个或多个雉堞状物135可以沿着环130的外边缘以周期性图案设置。在此类例子中，一个或多个雉堞状物135可以相对于彼此以相等的角度间隔分隔开。在其他例子中，一个或多个雉堞状物135可以沿着环130的外边缘以非周期性图案布置。在此类例子中，一个或多个雉堞状物135可以相对于彼此以不同的角距离放置。在本文所述的任何实施例中，雉堞状物135可被添加在每个环130上以限制存储罐的第一层和第四层之间的接触面积，从而最小化所述层之间的热传导。支撑环130还可以用作锚固点，在该锚固点上铺设并紧固隔热层(即，存储罐的第二层)。在一些实施例中，雉堞状环130可以包括玻璃纤维。
燃料存储罐100被配置为允许诸如氢的燃料通过管道系统进入和离开罐的受控流动。图10是图2A的燃料存储罐的端视图，其示出了根据至少一个实施例的管道系统180。管道系统180与压力容具125内的罐的内部容积空间连通，以允许氢燃料流入罐中(即，在补充燃料期间)。管道系统还允许氢燃料受控地流出罐，以供燃料电池，马达，动力系统，或其他氢动力或消耗部件使用。管道系统180还被配置用于控制和管理燃料存储罐100中的压力容具125内的压力。所示实施例的管道系统180耦接到凸台182，该凸台182连接到燃料存储罐100的端部。如本文所用，凸台182可以指燃料存储罐100的表面上的突出物或凸起特征。所示实施例的凸台182刚性地且密封地连接到外壳204和内部压力容具125。凸台182连接到管道系统180，并被配置为提供进入压力容具125的牢固且密封的通道。
在所示实施例中，管道系统180包括连接到填充管线186的歧管结构184，该填充管线186可耦接到诸如液态氢的氢燃料源。填充管线186连接到截流阀188，例如可以控制氢通过填充管线186流到歧管结构184的手动和/或自动截流阀。真空计传感器189可以可拆卸地或永久地附接到填充管线186以监测填充管线186中的状况。歧管结构184还连接到氢出口管线190，氢出口管线190从压力容具125内接收氢燃料并将氢燃料引导至耦接到燃料电池，马达，动力系统，或其他氢动力或消耗部件的燃料管线。出口管线190还连接到截流阀192，例如能够控制来自燃料罐100的氢的流动的手动和/或自动截流阀。在所示实施例中，填充管线184和出口管线190可以是隔热的，并且可以包括真空夹套管道193和配件195，例如双金属配件，该双金属配件具有适合于与液态和/或气态的氢燃料相关的低温高能金属。
所示实施例的管道系统180可包括压力传感器194和耦接到歧管结构184的卸压阀196，以在压力容具内的压力超过选定水平(例如约5巴或其他选定压力水平)时允许卸压。爆破隔膜197也可以耦接到歧管结构184以防止管道系统180中的过压状况，例如在氢填充过程期间。在一个实施例中，爆破隔膜197可被配置为在选定的过压(例如大约7.5巴或其他选定的水平)下释放。在其他实施例中，可以提供其他爆破隔膜或其他过压设备用于过压管理。管道系统180还可以包括与压力容具125的内部区域连通的真空检修端口198。真空检修端口198可以包括手动和/或自动截流控制器199。
图11A和图11B示意性地示出了根据一些实施例的存储罐100的凸台182的主出口和通气出口。图12示意性地示出了根据一些实施例的支撑管，该支撑管被配置为承受存储罐100的凸台182的内盖与外盖之间的结构负载。图13示意性地示出了根据一些实施例的被设置在存储罐100的主出口内的通气出口。
如图11A和图11B所示，一个或多个实施例的凸台182可以包括主出口410，该主出口410连接到填充管线186(图10)并且被配置为允许液态氢(LH2)被传递到存储罐中以用于再填充存储罐。主出口410还连接到出口管线190，以允许氢从存储罐中传递出来用于燃料消耗。主出口410可以连接到控制阀以控制进入和离开罐的氢质量流率。主出口410还可以包括压力传感器和过压阀。过压阀可以被配置为通过允许加压燃料经由辅助通路以受控的方式流出罐而作为泄压阀(PRV)来运行。在一些例子中，过压阀可以包括被动的或不受控制的阀或爆破隔膜，该被动的或不受控制的阀或爆破隔膜被配置为在压力传感器检测到超过预定压力阈值的罐压力时提供紧急泄压。
如图12和13所示，凸台182还可以包括通气出口420，其被配置为在填充操作期间排放存在于存储罐中的任何气体。在一些例子中，通气出口420还可以用于增加冗余压力传感器和/或额外过压阀以增加罐的安全性。
在本文所述的任何实施例中，凸台182还可以包括用于对电连接430进行布线的一个或多个通路，如图11A和图11B所示。电连接可用于将存在于罐内的传感器，致动器，或加热器连接到外部计算单元(例如，控制器)或电源。燃料罐100还可以包括一个或多个电馈通组件431(图10)，该电馈通组件431可以为进入燃料存储罐(例如进入外壳204和压力容具125之间的空间)中的电线提供密封且受保护的通道。电线可以连接到传感器，加热器，或其他部件。在一个实施例中，电馈通组件431可以包括多引脚连接器，例如传统的9引脚连接器，其允许燃料存储罐100容易且快速地连接到电源。
在一些实施例中，通气出口420可位于主出口内，以进一步减少与存储罐相关联的总体热泄漏。例如，如图13所示，通气出口420可位于或嵌套在主出口410内。主出口410和通气出口420可以以同心方式对齐，使得主出口410和通气出口420的中心轴线彼此重合。或者，主出口410和通气出口420的中心轴线可以不重合或不需要重合。
在一些实施例中，当不需要消耗和/或重新填充来自罐的氢时，主出口410和通气出口420可以与凸台内盖物理地断开连接。这可以有助于进一步减少通过凸台182的热泄漏。在一些例子中，可移动机构可以用于根据需要(例如，当重新填充罐时或者当消耗存储在罐内的氢时)将主出口410和通气出口420连接到凸台的内盖。
在一些实施例中，凸台182可以包括隔热层440，以使罐周围和低温氢之间的热传递最小化，如图12所示。在一些例子中，隔热层440可以包括间隔开的超隔热层的交替片，以最小化由于热辐射引起的热传递。隔热层440也可以保持在高真空下，以最小化由于热传导和对流引起的热传递。
如图12所示，在一些实施例中，可以添加由具有低热导率的材料制成的支撑管450，以承受凸台的内盖460和外盖470之间的结构负载。这可以允许更薄的出口管，因为内盖460和外盖470不必承受任何结构负载，这进而可以减小总体凸台热泄漏，只要支撑管450具有比出口管更低的热导率即可。在一些实施例中，支撑管450可以包括玻璃纤维或刚性塑料。
如图14所示，液态氢存储罐100的内部容积空间可以包括氢拾取管线310以捕获和分配气态氢。氢拾取管线310可以朝向罐的压力容具125的内部容积空间的顶部固定在内部容积空间内的将在低温液态氢上方的空间中。或者，氢拾取管线310可以在浮子上，以保持在存储在罐内的液态氢上方。因此，氢拾取管线310被设置在罐的压力容具125中的液态氢上方和含有气态氢的上部容积空间或顶部空间中。氢燃料可以主要作为低温液态氢存储，并且压力容具125中的顶部空间允许一部分氢燃料改变相态，因此，当在使用期间从压力容具125中抽取氢时，氢处于气态。这允许氢在存储罐中发生相变，因此在将气态氢提供给燃料电池或其他氢消耗部件之前，不需要燃料存储罐100外部的其他系统来适应相变。在一些例子中，氢拾取管线310可以包含内部加热器315以确保即使氢拾取管线310浸没在存储于罐内的液态氢中，氢拾取管线310也可以继续分配气态氢。在一些例子中，内部加热器315可以可操作地耦接到独立的热能源。在其他例子中，内部加热器315可以热耦接到主电加热器320。
如图14所示，液态氢存储罐的内部容积空间还可以包括主电加热器320以加热罐内的液态氢。主电加热器320可被配置为调节罐内的氢的温度。在一些例子中，主电加热器320可以被配置为通过调节罐内的氢的温度来间接控制罐压力。主电加热器320和/或内部加热器31 5可以耦接到电馈通组件431。
在一些例子中，液态氢存储罐的内部容积空间还可以包括一个或多个传感器。一个或多个传感器可以包括温度传感器和/或压力传感器，以用于检测或测量环境状况或存储在燃料存储罐内的氢燃料的温度和/或压力。在一些例子中，一个或多个传感器可以包括压力计，应变计，热电偶，热敏电阻，和/或质量流量计。一个或多个传感器可被配置为测量罐压力，罐温度，和/或罐内的燃料液位。在一些例子中，一个或多个传感器可以被配置为检测燃料液位，燃料压力，或燃料温度随时间的泄漏或变化。在一些替代实施例中，一个或多个传感器可以包括加速度计，光学传感器，震动传感器，损坏传感器，声学传感器，压阻应变计，电容式压力传感器，电磁压力传感器，压电压力传感器，光学压力传感器，电位压力传感器，谐振压力传感器，热压力传感器，和/或电离压力传感器。
图15是图2A的燃料存储罐100的局部剖视图，其示出了内部管道特征，包括液体填充管线330和气体出口管线332。在所示实施例中，液体填充管线330耦接到歧管结构184和罐外部的填充管线186(图10)。气体出口管线332也耦接到歧管结构184和外部出口管线190(图10)。在一些实施例中，液体填充管线330和气体出口管线332可以连接到单个歧管组件或连接到分别耦接到外部填充管线186和出口管线190(图10)的单独部件。在所示实施例中，液体填充管线330的远端334a和气体出口管线332的远端334b分别固定或以其他方式被设置为邻近压力容具125的顶部。因此，远端334a，334b将位于包含气态氢的顶部空间中并且在液态氢燃料上方。
燃料罐的压力容具125暴露于液态氢的非常低的低温温度，以及在使用和燃料耗尽，燃料再填充时可能发生的内部压力变化，以及由于外部环境压力和温度的变化。内部压力容具125，外壳204，气体出口管线332和液体填充管线334在使用期间通常会收缩和/或膨胀，但是罐内的这种收缩和膨胀的速率和/或程度通常会不同于罐的外部。在所示实施例中，膨胀波纹管340被提供在凸台182上的歧管结构184与气体出口管线332和液体填充管线334中的每一个之间，以适应罐内的收缩和膨胀。
图16是凸台182和歧管结构184的放大剖视图，其示出了膨胀波纹管340耦接到压力容具125中的气体出口管线332和液体填充管线334。在所示实施例中，波纹管340耦接到气体出口管线332和液体填充管线334中的每一个的近端342。波纹管340的另一端耦接到歧管结构184并与外部填充管线186和外部出口管线190中的相应一个连通。波纹管340可以被设置在压力容具125和外壳204之间。波纹管340可以被第二层202中的间隔开的超隔热层包围(图5C)。在所示的实施例中，波纹管由选定的金属(例如SS316)制成，但也可由其他合适的金属制成。波纹管340被配置为允许压力容具125相对于歧管结构184，凸台182和/或外壳而收缩和膨胀。例如，在至少一个实施例中，由保持带组件140居中支撑在外壳204内的压力容具125将在使用期间膨胀和收缩多达大约13mm。因此，波纹管340以及保持带组件140被配置为适应相对于外壳204的这种收缩和膨胀。
在所示实施例中，波纹管340的一端经由双金属配件346连接到歧管结构184，而另一端经由另一双金属配件346连接到相应的气体出口管线332和液体填充管线334。波纹管340可以是边缘焊接波纹管，其允许压力容具，气体出口管线，液体燃料管线和其他连接部件的弯曲，膨胀和/或收缩。配件346和/或波纹管340可以连接到支撑支架348，并且支撑支架可以连接到压力容具125以帮助支撑配件和波纹管，同时允许燃料存储罐内的膨胀和收缩。在一些实施例中，传感器和/或过压阀可以连接到歧管结构184，气体出口管线332，和/或气体出口管线190，以帮助监测和控制来自罐的氢燃料的流动。
图17示出了根据一个或多个实施例的用于从存储罐100释放氢燃料以供氢燃料兼容载具消耗的存储罐100的操作。可以使用弹簧柱塞405将存储罐100与真空层403密封隔开。弹簧柱塞405可以被设置为抵靠内部阀体座404。存储罐100的外喷嘴可以通过活塞411与真空层403密封隔开。外喷嘴412可以被配置为用于双动作运动。外喷嘴412的第一动作可以使外喷嘴抵靠内部阀体座404就位，由此阻挡燃料进入真空层的流动路径。外喷嘴412的第二动作可以使活塞411延伸并使外喷嘴开封。活塞411的延伸可以将弹簧柱塞405推回，从而允许燃料从存储罐流入外喷嘴中。在一些实施例中，图17中所示的部件和可移动机构可以用于在不使用氢时(例如，当不需要消耗和/或重新填充来自罐的氢时)使凸台内盖和外盖断开连接。在其他实施例中，外喷嘴412可以邻近或抵靠罐(即，压力容具125)的第一层而就位，使得外喷嘴412保持在固定位置和/或固定方向。
图18是具有耦接到内部压力容具125的加热线圈420和传感器422的实施例的氢燃料罐100的示意性等距视图。在所示实施例中，加热线圈420是缠绕在压力容具125外部的加热丝。加热线圈420可以是环氧化到压力容具125的镍铬合金线加热器。加热线圈420可以被设置在压力容具125的外表面和第二层202的间隔开的超隔热层之间，以便选择性地向压力容具提供热量，同时第二层202的间隔开的超隔热层和高真空使外壳与热量隔离。加热线圈420可以被配置为延伸穿过安装到外壳204的电馈通组件431(图10)。
除了控制到压力容具125的热量之外，氢燃料罐100被配置为监测压力容具125内的温度以及压力容具的内部区域内的液态氢的液位。如图19所示，至少一个实施例具有延伸到压力容具125的内部区域中的温度传感器424。温度传感器424可以被设置在压力容具的顶部，并且至少部分地延伸到压力容具125中的液态氢上方的顶端的顶部空间中。除了温度传感器124之外，所示实施例的燃料罐100具有延伸到压力容具125的内部区域中的液位传感器426。液位传感器426被配置为检测和监测压力容具125内的低温液态氢燃料的液位。在一个实施例中，液位传感器426可以是电容式传感器，但是其他实施例可以使用适用于低温条件的其他传感器。
在所示的实施例中，温度传感器424和液位传感器带有螺纹并且可密封地旋入到延伸穿过并焊接到压力容具125的顶壁的深置塞子428中。每个传感器424和426以及对应的塞子428可以使用标准的，NPT(国家管螺纹)螺纹。每个传感器424和426也采用被配置为承受低温温度的密封剂来被密封到其相应的螺纹塞子428中，以产生完全密封，从而避免泄漏到压力容具125和外壳204之间的第二层202(图5A)中的高真空中。传感器424和426可以连接到延伸通过电馈通组件431的电源线或数据线。
一方面，本公开提供了一种用于运输氢燃料以供消耗的方法。该方法可以包括向一个或多个燃料存储罐提供氢。一个或多个燃料存储罐可以被配置为在低温温度下在预定量的时间内存储液态氢燃料。存储罐可以包括多个层，该多个层包括：第一层，其包括用于容纳处于加压状态的所述燃料的压力容具；第二层，其包括用于所述第一层的隔热层；第三层，其包括蒸汽屏障层；以及第四层，其包括壳，该壳被配置为保持存储罐的刚性并提供用于处理和接纳配件的外表面。在一些实施例中，该方法还可以包括确定对氢燃料的需求，并且至少部分地基于对氢的需求来协调一个或多个氢燃料存储罐到位于一个或多个载具加燃料站处或附近的一个或多个氢燃料兼容载具的输送或运输。在一些例子中，对氢燃料的需求可以在一个或多个燃料存储罐被填充或再填充氢之前确定。在其他例子中，对氢燃料的需求可以在一个或多个燃料存储罐被填充或再填充氢之后确定。在一些实施例中，该方法还可以包括将含有氢燃料的一个或多个存储罐运输到载具加燃料站。一个或多个氢燃料兼容载具可以位于载具加燃料站处或附近。在一些实施例中，该方法还可以包括从存储罐中提取氢并将所提取的氢提供给一个或多个氢燃料兼容载具，该一个或多个氢燃料兼容载具可以被配置为使用氢来推进或移动。
一方面，本公开提供了被编程或以其他方式被配置为实现本公开的方法(例如，用于存储和运输氢以供消耗的任何主题方法)的计算机系统。图20示出了计算机系统1201，其被编程或以其他方式被配置为实现用于存储，运输，和消耗氢的方法。计算机系统1201可以被配置为例如确定对氢燃料存储模块的需求并且协调一个或多个氢燃料存储模块到位于一个或多个载具加燃料站处或在一个或多个载具加燃料站附近的一个或多个氢燃料兼容载具的输送或运输。计算机系统1201可以是用户的电子设备或相对于电子设备位于远处的计算机系统。电子设备可以是移动电子设备。
计算机系统1201可以包括中央处理单元(CPU，本文也称为″处理器″和″计算机处理器″)1205，其可以是单核或多核处理器，或用于并行处理的多个处理器。计算机系统1201还包括存储器或存储位置1210(例如随机存取存储器，只读存储器，闪存)，电子存储单元1215(例如硬盘)，用于与一个或多个其他系统通信的通信接口1220(例如网络适配器)，和外围设备1225，例如高速缓存，其他存储器，数据存储器，和/或电子显示适配器。存储器1210，存储单元1215，接口1220，和外围设备1225通过诸如主板的通信总线(实线)与CPU1205通信。存储单元1215可以是用于存储数据的数据存储单元(或数据存储库)。计算机系统1201可以在通信接口1220的帮助下被可操作地耦接到计算机网络(″网络″)1230。网络1230可以是因特网，内联网，和/或外联网，或者与因特网通信的内联网和/或外联网。网络1230在一些示例中是电信和/或数据网络。网络1230可以包括一个或多个计算机服务器，其可以实现分布式计算，例如云计算。网络1230，在一些示例中在计算机系统1201的帮助下，可以实现对等网络，这可以使被耦接到计算机系统1201的设备能够充当客户端或服务器。
CPU 1205可以执行一系列机器可读指令，这些指令可以被体现在程序或软件中。指令可以被存储在存储器位置，例如存储器1210。指令可以被引导至CPU 1205，其随后可以编程或以其他方式配置CPU 1205以实现本公开的方法。CPU 1205执行的操作示例可以包括提取，解码，执行，和写回。
CPU 1205可以是电路的一部分，例如集成电路。系统1201的一个或多个其他部件可以被包括在该电路中。在一些示例中，电路是专用集成电路(ASIC)。
存储单元1215可以存储文件，例如驱动器，库，和所保存的程序。存储单元1215可以存储用户数据，例如用户偏好和用户程序。在一些例子中的计算机系统1201可以包括一个或多个位于计算机系统1201外部(例如，在通过内联网或因特网与计算机系统2001通信的远程服务器上)的附加数据存储单元。
计算机系统1201可以通过网络1230与一个或多个远程计算机系统通信。例如，计算机系统1201可以与用户的远程计算机系统通信(例如，氢燃料兼容载具的操作员，用于运输一个或多个氢燃料存储模块的运输载具的操作员，氢生产设施的技术人员，管理氢燃料电池输送和分配的准时网络的实体等)。远程计算机系统的示例包括个人计算机(例如便携式PC)，无键盘电脑或平板电脑(例如
Figure BDA0004209498060000271
iPad，/>
Figure BDA0004209498060000272
Gala12Tab)，电话，智能手机(例如/>
Figure BDA0004209498060000273
iPhone，Android使能设备，/>
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)，或个人数字助理。用户可以经由网络1230访问计算机系统1201。
本文描述的方法可以通过被存储在计算机系统1201的电子存储位置上(例如在存储器1210或电子存储单元1215上)的机器(例如，计算机处理器)的可执行代码的方式来实现。机器可执行代码或机器可读代码可以以软件的形式被提供。在使用过程中，代码可以由处理器1205执行。在一些示例中，代码可以被从存储单元1215中获得并被存储在存储器1210上以供处理器1205随时访问。在一些例子中，电子存储单元1215可以被排除，并且机器可执行指令被存储在存储器1210中。
代码可以被预编译和配置以与具有适于执行代码的处理器的机器一起使用，或者可以在运行期间被编译。代码可以以一种编程语言被提供，该语言可以被选择以使代码能够以预编译或编译后的方式执行。
本文提供的系统和方法的各方面，例如计算机系统1201，可以在编程中被体现。该技术的多个方面可以被认为是″产品″或″制造品″，通常以机器(或处理器)可执行代码和/或在一种类型的机器可读介质中承载或体现的关联数据的形式。机器可执行代码可以被存储在电子存储单元上，例如存储器(例如，只读存储器，随机存取存储器，闪存)或硬盘。″存储″类型的介质可以包括计算机，处理器等的任何或所有有形存储器，或其相关联模块，例如多种半导体存储器，磁带驱动器，磁盘驱动器等，它们可以提供随时用于软件编程的非暂时性存储。有时可能会通过因特网或多种其他电信网络传送全部或部分软件。这样的通信，例如，可以使得能够将软件从一台计算机或处理器加载到另一台计算机或处理器中，例如从管理服务器或主计算机加载到应用服务器的计算机平台中。因此，可以携带软件元件的另一种类型的介质包括光波，电波，和电磁波，例如跨本地设备之间的物理接口，通过有线和光陆线网络，以及通过多种空中链路被使用。承载这种波的物理元件，例如有线或无线链路，光链路等，也可以被认为是携带软件的介质。如本文所用，除非被限于非暂时性，有形″存储″介质，诸如计算机或机器″可读介质″之类的术语是指参与向处理器提供指令以供执行的任何介质。
因此，诸如计算机可执行代码的机器可读介质可以采用多种形式，包括但不限于有形存储介质，载波介质，或物理传输介质。可以使用非易失性存储介质，包括例如光盘或磁盘，或任何计算机中的任何存储设备等，来实现图中所示的数据库等。易失性存储介质包括动态存储器，例如这种计算机平台的主存储器。有形传输介质包括同轴电缆；铜线和光纤，包括计算机系统内总线的线缆。载波传输介质可以采用电信号或电磁信号，或声波或光波的形式，例如在射频(RF)和红外(IR)数据通信期间生成的那些。因此，计算机可读介质的常见形式包括例如：软盘，软磁盘，硬盘，磁带，任何其他磁性介质，CD-ROM，DVD或DVD-ROM，任何其他光学介质，穿孔卡纸磁带，任何其他带有孔图案的物理存储介质，RAM，ROM，PROM和EPROM，FLASH-EPROM，任何其他存储芯片或盒式磁带，传输数据或指令的载波，传输此类载波的电缆或链路，或计算机可以从中读取程序代码和/或数据的任何其他介质。这些形式的计算机可读介质中的许多可以涉及承载一个或多个指令的一个或多个序列到处理器以供执行。
计算机系统1201可以包括电子显示器1235，或与电子显示器1235通信，电子显示器1235包括用户界面(UI)1240，用于提供例如用于监测一个或多个氢燃料存储模块的运输或使用的门户。该门户可以通过应用程序编程接口(API)被提供。用户或实体还可以经由UI与门户中的多种元素进行交互。UI的示例包括但不限于图形用户界面(GUI)和基于网络的用户界面。
本公开的方法和系统可以通过一种或多种算法来实现。算法可以由中央处理单元1205执行软件的方式来实现。算法可以被配置为确定对氢燃料存储模块的需求并且协调一个或多个氢燃料存储模块至位于一个或多个载具加燃料站处或在一个或多个载具加燃料站附近的一辆或多辆氢燃料兼容载具的输送或运输。
图21示出了用于调节存储罐1300的操作的控制系统。控制系统可以包括一个或多个传感器1310和控制器1320。一个或多个传感器1310可以可操作地耦接到控制器1320。一个或多个传感器1310可以与存储罐1300的流量控制机构1330集成。控制器1320可以被配置为实现反馈回路，以基于使用一个或多个传感器1310获得的一个或多个测量值来调整或调节流量控制机构1330。流量控制机构1330可以包括例如致动器，阀，或者可由控制器1320电子地控制(例如，自动控制或用户控制)以调节进入和/或离开存储罐的氢流速的任何其他可移动部件。在一些例子中，流量控制机构1330可以对应于图17中所示的流量控制部件(例如，弹簧柱塞405和/或活塞411)。
在一些实施例中，图21的控制系统可用于在存储罐正在被填充或再填充时控制氢燃料流入存储罐。在此类例子中，一个或多个传感器1310可以包括压力传感器和/或流量传感器。当氢正被传递到存储罐中时，一个或多个传感器1310可以监测罐的压力或进入罐中的氢的流速。使用一个或多个传感器1310获得的测量值可被实时地提供给控制器1320。控制器1320可以被配置为(i)监测进入罐中的氢的流速或罐内的燃料的压力，并且(ii)向流量控制机构1330发送命令，以在氢燃料的流速或存储罐中的氢燃料的压力达到预定阈值时增加，减少或限制氢燃料向燃料存储罐的供应。在一些例子中，控制器1320可以被配置为(i)监测罐内的燃料的压力或进入罐的氢的流速，并且(ii)至少部分地基于使用一个或多个传感器1310获得的压力测量值或流量测量值，向流量控制机构1330发送命令以增加，减少，或限制进入燃料存储罐的氢燃料的流量。
在其他实施例中，图21的控制系统可用于在存储罐中的氢燃料正在被使用或消耗时控制氢燃料流出存储罐的流量。在此类例子中，一个或多个传感器1310可以包括压力传感器和/或流量传感器。当氢正被传递出存储罐时，一个或多个传感器1310可以监测罐的压力或从罐中流出的氢的流速。使用一个或多个传感器1310获得的测量值可被实时地提供给控制器1320。控制器1320可以被配置为(i)监测氢流出罐的流速或者罐内的燃料的压力，并且(ii)向流量控制机构1330发送命令，以在氢燃料的流速或存储罐中的氢燃料的压力达到预定阈值时增加，减少，或限制氢燃料流出燃料存储罐的流量。在一些例子中，控制器1320可以被配置为(i)监测罐内的燃料的压力或氢流出罐的流速，并且(ii)至少部分地基于使用一个或多个传感器1310获得的流量测量值或压力测量值，向流量控制机构1330发送命令以增加，减少，或限制流出燃料存储罐的氢燃料的流速。
虽然本文已经显示和描述了本公开的优选实施例，但是对于本领域技术人员来说显然的是，这些实施例仅以示例的方式被提供。并非旨在将本公开由说明书内提供的具体示例的限制。尽管已经参考前述说明书描述了本公开，但是本文的实施例的描述和图示不意味着以限制意义来解释。在不脱离本公开的情况下，本领域技术人员现在将想到许多变化，改变，和替换。此外，应当理解，本公开的所有方面并不限于本文所述的取决于多种条件和变量的具体描述，配置，或相对比例。应当理解，在实施本公开时可以采用本文描述的本公开实施例的多种替代方案。因此，考虑本公开还应涵盖任何此类替代，修改，变化，或等同物。所附权利要求旨在限定本公开的范围，并且这些权利要求及其等同物范围内的方法和结构由此被覆盖。

Claims (28)

1.一种存储系统，包括：
存储罐，所述存储罐被配置为在低温温度下存储燃料，其中所述存储罐具有多个层，所述多个层包括：
第一层，所述第一层形成用于容纳处于低温温度且处于加压状态的燃料的压力容具；
第二层，所述第二层包括用于所述第一层的隔热层；
第三层，所述第三层包括外壳，所述外壳被配置为保持所述存储罐的刚性；和
多个保持带组件，所述多个保持带组件对所述第一层和所述第三层进行互连，并且允许所述第一层由于所述第一层的收缩和膨胀而相对于所述第三层移动，每个保持带组件包括带构件，所述带构件被配置为在所述压力容具相对于所述外壳膨胀和收缩时枢转并保持恒定的长度和张力，
其中所述存储罐被配置为在所述低温温度下存储液态氢长达大约80小时的时间段而没有排放。
2.如权利要求1所述的存储系统，其中所述保持带组件中的每一个包括耦接到所述第一层的第一锚固部分，耦接到所述第三层的第二锚固部分，以及在所述第一锚固部分和所述第二锚固部分之间延伸并对所述第一锚固部分和所述第二锚固部分进行互连的带构件。
3.如权利要求2所述的存储系统，其中所述第一锚固部分或所述第二锚固部分是可调节的，以控制所述带构件中的张力。
4.如权利要求3所述的存储系统，其中所述第一锚固部分或所述第二锚固部分包括耦接到所述带构件的可平移托架，其中所述可平移托架可相对于所述第一层和所述第三层移动。
5.如权利要求1所述的存储系统，其中所述保持带组件在所述压力容具和所述外壳之间提供热断开。
6.如权利要求1所述的存储系统，还包括被设置在所述第一层和所述第三层之间的蒸汽屏障层。
7.如权利要求1所述的存储系统，其中所述存储罐包括相对的第一端部部分和第二端部部分，所述相对的第一端部部分和第二端部部分可密封地连接到主体部分；以及系杆，所述系杆对所述第一端部部分和所述第二端部部分进行互连，其中所述系杆被配置为减轻和重新分配所述压力容具中的结构负载。
8.如权利要求1所述的存储系统，还包括管线连接主体，所述管线连接主体连接到所述外壳；第一燃料管线，所述第一燃料管线在所述外壳的外部并连接到所述管线连接主体；以及第二燃料管线，所述第二燃料管线至少部分地在所述压力容具内并通过所述燃料管线连接主体与所述第一燃料出口管线流体连通；以及膨胀构件，所述膨胀构件连接到所述管线连接主体和所述第二燃料出口管线的近端，其中所述膨胀构件被配置为在所述压力容具相对于所述外壳移动时膨胀和收缩。
9.如权利要求8所述的存储系统，其中所述膨胀构件是被设置在所述压力容具和所述外壳之间的波纹管。
10.如权利要求8所述的存储系统，其中所述第一燃料管线和所述第二燃料管线是被配置为从所述压力容具内的顶部空间输送气态氢的燃料出口管线。
11.如权利要求8所述的存储系统，其中所述第一燃料管线和所述第二燃料管线是被配置为将燃料输送出所述压力容具的燃料出口管线，并且所述存储系统还包括外部燃料填充管线，所述外部燃料填充管线在所述外壳的外部并连接到所述管线连接主体；以及内部燃料填充管线，所述内部燃料填充管线至少部分地在所述压力容具内并通过所述燃料管线连接主体与所述外部燃料填充管线流体连通；以及第二膨胀构件，所述第二膨胀构件连接到所述管线连接主体和所述内部燃料填充管线的近端，其中所述第二膨胀构件被配置为在所述压力容具相对于所述外壳移动时膨胀和收缩。
12.如权利要求1所述的存储系统，其中所述第二层包括多层的，间隔开的隔热层。
13.如权利要求1所述的存储系统，其中所述第一层通过容积空间与所述第三层间隔开，并在所述容积空间中抽真空。
14.如权利要求1所述的存储系统，还包括加热线圈，所述加热线圈被设置在所述压力容具上以加热所述压力容具。
15.一种氢燃料存储系统，包括：
存储罐，所述存储罐被配置为存储氢燃料，其中所述存储罐包括内部压力容具，所述内部压力容具被配置为容纳处于至少液相和处于加压状态的氢燃料；外壳，所述外壳与所述压力容具径向间隔开，以在所述外壳和所述压力容具之间形成容积空间，其中所述容积空间被保持在真空下，以及隔热层，所述隔热层在所述容积空间中并被配置为阻挡跨所述压力容具和所述外壳之间的所述容积空间的热传递；
多个保持构件，所述多个保持构件在所述容积空间中，并且在所述容积空间中支撑所述压力容具并与所述外壳间隔开，其中所述保持构件被配置为允许所述压力容具由于所述压力容具的热收缩和膨胀而相对于所述外壳移动，同时在所述压力容具相对于所述外壳膨胀和收缩时保持所述保持构件内的恒定张力；和
管线连接主体，所述管线连接主体连接到所述外壳并且被设置为在所述外壳和所述压力容具之间的所述容积空间中或邻近所述容积空间；外部燃料管线，所述外部燃料管线在所述外壳的外部；燃料拾取管线，所述燃料拾取管线至少部分地在所述压力容具内并通过所述管线连接主体与所述外部燃料出口管线流体连通；以及膨胀波纹管，所述膨胀波纹管连接到所述管线连接主体和所述燃料拾取管线的近端，其中所述膨胀波纹管被配置为在所述压力容具相对于所述外壳热收缩和膨胀时膨胀和收缩。
16.如权利要求1 5所述的氢燃料存储系统，其中所述燃料拾取管线具有远端，所述远端在所述压力容具内位于液态氢上方的顶部空间中，并且被配置为通过所述膨胀波纹管和所述管线连接主体将气态氢从所述顶部空间通过所述燃料拾取管线抽取到所述外部燃料管线。
17.如权利要求15所述的氢燃料存储系统，还包括外部氢填充管线，所述外部氢填充管线在所述外壳的外部并且被配置为将氢燃料携带到所述压力容具；燃料填充管线，所述燃料填充管线至少部分地在所述压力容具内并且通过所述管线连接主体与所述外部氢填充管线流体连通；以及第二膨胀波纹管，所述第二膨胀波纹管连接到所述管线连接主体和所述燃料填充管线的第二近端，其中所述第二膨胀波纹管被配置为在所述压力容具相对于所述外壳热收缩和膨胀时膨胀和收缩。
18.如权利要求15所述的氢燃料存储系统，其中所述存储罐被配置为在大约15-30开尔文的范围内的低温温度下并且在长达约80小时的时间段内存储液态氢而没有排放。
19.如权利要求15所述的氢燃料存储系统，其中所述隔热层包括多层隔热层，所述多层隔热层具有交替间隔片，以使由于热辐射引起的热传递最小化。
20.如权利要求1 5所述的氢燃料存储系统，所述氢燃料存储系统还包括加热器线圈，所述加热器线圈附接到所述压力容具的外部，并被配置为向所述压力容具中的氢提供热量。
21.如权利要求1 5所述的氢燃料存储系统，其中所述保持构件是远离所述外壳支撑所述压力容具的保持带组件，所述保持带组件中的每一个包括耦接到所述压力容具的第一锚固部分，耦接到所述外壳的第二锚固部分，以及在所述第一锚固部分和所述第二锚固部分之间延伸并对所述第一锚固部分和所述第二锚固部分进行互连的带构件，其中所述带构件被配置为在所述压力容具膨胀或收缩时保持恒定长度并相对于所述第一锚固部分或所述第二锚固部分枢转。
22.如权利要求21所述的氢燃料存储系统，其中所述第一锚固部分或所述第二锚固部分包括耦接到所述带构件的可平移托架，其中所述可平移托架可相对于所述压力容具和所述外壳移动。
23.一种氢燃料存储系统，包括：
存储罐，所述存储罐被配置为存储氢燃料，其中所述存储罐包括内部压力容具，所述内部压力容具被配置为容纳处于至少液相和处于加压状态的氢燃料；外壳，所述外壳与所述压力容具径向间隔开，以在所述外壳和所述压力容具之间形成容积空间，其中所述容积空间被保持在真空下，并且其中所述外壳和/或所述压力容具提供阻挡氢气通过所述存储罐传输的蒸汽屏障层；和
管线连接主体，所述管线连接主体连接到所述外壳并且被设置为在所述外壳和所述压力容具之间的所述容积空间中或邻近所述容积空间；外部燃料管线，所述外部燃料管线在所述外壳的外部；燃料拾取管线，所述燃料拾取管线至少部分地在所述压力容具内并通过所述管线连接主体与所述外部燃料出口管线流体连通；以及膨胀波纹管，所述膨胀波纹管连接到所述管线连接主体和所述燃料拾取管线的近端，其中所述膨胀波纹管被配置为在所述压力容具相对于所述外壳热收缩和膨胀时膨胀和收缩。
24.如权利要求23所述的氢燃料存储系统，其中所述燃料拾取管线具有远端，所述远端在所述压力容具内位于液态氢上方的顶部空间中的，并且被配置为通过所述膨胀波纹管和所述管线连接主体将气态氢从所述顶部空间通过所述燃料拾取管线抽吸到所述外部燃料管线。
25.如权利要求23所述的氢燃料存储系统，还包括外部氢填充管线，所述外部氢填充管线在所述外壳的外部并且被配置为将氢燃料携带到所述压力容具；燃料填充管线，所述燃料填充管线至少部分地在所述压力容具内并且通过所述管线连接主体与所述外部氢填充管线流体连通；以及第二膨胀波纹管，所述第二膨胀波纹管连接到所述管线连接主体和所述燃料填充管线的第二近端，其中所述第二膨胀波纹管被配置为在所述压力容具相对于所述外壳热收缩和膨胀时膨胀和收缩。
26.如权利要求23所述的氢燃料存储系统，其中所述保持构件是远离所述外壳支撑所述压力容具的保持带组件，所述保持带组件中的每一个包括耦接到所述压力容具的第一锚固部分，耦接到所述外壳的第二锚固部分，以及在所述第一锚固部分和所述第二锚固部分之间延伸并对所述第一锚固部分和所述第二锚固部分进行互连的带构件。
27.如权利要求26所述的氢燃料存储系统，其中所述第一锚固部分或所述第二锚固部分包括耦接到所述带构件的可平移托架，其中所述可平移托架可相对于所述压力容具和所述外壳移动。
28.如权利要求23所述的氢燃料存储系统，还包括隔热层，所述隔热层在所述压力容具和所述外壳之间的容积空间中，其中所述多层隔热层包括交替间隔片，以使由于热辐射引起的热传递最小化。
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