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CN103969299A - 在线检测加压气体存储系统中的衬套屈曲的方法 - Google Patents

在线检测加压气体存储系统中的衬套屈曲的方法 Download PDF

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CN103969299A
CN103969299A CN201410063035.XA CN201410063035A CN103969299A CN 103969299 A CN103969299 A CN 103969299A CN 201410063035 A CN201410063035 A CN 201410063035A CN 103969299 A CN103969299 A CN 103969299A
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Abstract

本发明涉及在线检测加压气体存储系统中的衬套屈曲的方法。所述加压气体存储系统包括具有内表面和外表面的外壳。所述内表面限定用于保持加压气体的内部容积。第一导电层附接到所述外壳上。内衬套设置在所述内表面上方。第二导电层附接到内衬套。电容计测量所述第一导电层和所述第二导电层之间的电容量，其中电容量的变化表示所述存储系统的屈曲。

Description

在线检测加压气体存储系统中的衬套屈曲的方法
技术领域
本发明涉及用于燃料电池驱动的车辆的检测衬套屈曲的气体存储系统。
背景技术
在很多应用中使用燃料电池作为电功率源。特别是，提出将燃料电池用于汽车中从而取代内燃发动机。通常所使用的燃料电池设计使用固态聚合物电解质(“SPE”)膜或者质子交换膜(“PEEM”)，以提供阳极和阴极之间的离子迁移。在质子交换膜类型的燃料电池中，将氢气作为燃料提供给阳极，并且将氧气作为氧化剂提供给阴极。氧气可以是纯净状态(O2)或者是空气(O2和N2的混合物)。通常PEM燃料电池具有膜电极组件(“MEA”)，其中固态聚合物电解质在一个表面上具有阳极催化剂，在相对的表面上具有阴极催化剂。
现代燃料电池车辆将氢气存储在具有高达700巴的压力的压力容器中。通常，这些容器由衬套材料制成，所述衬套材料用作防止气体扩散的屏障物。衬套通常由碳纤维层的基质环绕，所述碳纤维层主要负责承受700巴的填充容器的应力。在某些情况下，衬套是非常软的材料，所述衬套从纤维复合物剥离并且向内屈曲(buckle)。认为的是，容器内压力大约为0巴(即空容器)时会发生这种剥离。还可以观察到当与外界的压差足够高时，在较高的内部压力下也可发生所述屈曲。当通过衬套材料扩散的气体被捕获在复合物和衬套之间时情况如此。认为衬套屈曲是衬套材料内部的高应力的诱因，接着所述高应力会引起耐用性问题以及衬套材料的疲劳破裂。
因此，需要一种存储用于燃料电池应用的加压气体的改进系统，该系统提供检测衬套屈曲的开始的在线检测方法。
发明内容
本发明通过在至少一个实施例中提供用于加压气体的存储系统来解决现有技术的一个或多个问题。加压气体存储系统包括外壳，外壳具有内表面和外表面。内表面限定用于保持加压气体的内部容积。第一导电层附接到外壳上。内衬套设置在内表面上方。第二导电层附接到内衬套上。在特征上，第二导电层与第一导电层电绝缘。电容计测量第一导电层和第二导电层之间的电容量，其中电容量的变化表示所述存储系统的屈曲。
在另一实施例中，提供用于加压气体的存储系统。加压气体存储系统包括具有内表面和外表面的外壳。内表面限定用于保持加压气体的内部容积。在特征上，外壳包括导电复合物。内衬套设置在内表面上方。导电层附接到内衬套上。导电层与外壳电绝缘。电容计测量外壳和导电层之间的电容量，其中电容量的变化表示所述存储系统的屈曲。
在另一实施例中，提供一种用于确定加压气体存储系统的屈曲的方法。该方法包括如下步骤：提供具有内表面和外表面的外壳；提供附接到外壳上的第一导电层；提供设置在内表面以及第二导电层上方的内衬套；提供与内衬套相关的第二导电层；以及提供电容计，所述电容计测量第一导电层和第二导电层之间的电容量。内表面限定用于保持加压气体的内部容积。在特征上，第二导电层与第一导电层电绝缘。测量第一导电层和第二导电层之间的电容量，使得电容量的变化表示所述存储系统的屈曲。
有利地，本发明的系统和方法用于检测衬套屈曲，从而控制压力以便停止屈曲或者计数屈曲事件的数量以与材料测试相关联。
本发明包括如下方案。
1.一种用于加压气体的存储系统，所述存储系统包括：
外壳，所述外壳具有内表面和外表面，所述内表面限定用于保持加压气体的内部容积；
第一导电层，所述第一导电层附接到所述外壳上；
内衬套，所述内衬套设置在所述内表面和第二导电层上方；
第二导电层，所述第二导电层与所述内衬套相关联，所述第二导电层与所述第一导电层电绝缘；以及
电容计，所述电容计测量所述第一导电层和所述第二导电层之间的电容量，其中所述电容量的变化表示所述存储系统的屈曲。
2.根据方案1所述的存储系统，其中，所述外壳包括固态基质。
3.根据方案2所述的存储系统，其中，所述固态基质包括碳纤维复合物。
4.根据方案2所述的存储系统，其中，所述第一导电层嵌入在所述固态基质中。
5.根据方案1所述的存储系统，其中，所述第一导电层设置在所述内表面处。
6.根据方案1所述的存储系统，其中，所述第二导电层嵌入在所述内衬套中。
7.根据方案1所述的存储系统，其中，所述第一导电层和所述第二导电层均独立地包括从由金属箔和金属格栅构成的组中选择的部件。
8.根据方案1所述的存储系统，其中，所述外壳具有圆形截面。
9.根据方案1所述的存储系统，其中，所述存储系统保持处于从大约100巴到700巴的压力下的加压气体。
10.一种用于加压气体的存储系统，所述存储系统包括：
具有内表面和外表面的外壳，所述内表面限定用于保持加压气体的内部容积；
内衬套，所述内衬套设置在所述内表面和第二导电层上方；
导电层，所述导电层与所述内衬套相关联，所述导电层与所述外壳电绝缘；以及
电容计，所述电容计测量所述导电层和所述外壳之间的电容量，其中所述电容量的变化表示所述存储系统的屈曲。
11.根据方案10所述的存储系统，其中，所述外壳包括碳纤维复合物。
12.根据方案1所述的存储系统，其中，所述第二导电层嵌入在所述内衬套中。
13.一种检测用于加压气体的存储系统的衬套屈曲的方法，所述方法包括：
提供具有内表面和外表面的外壳，所述内表面限定用于保持加压气体的内部容积；
提供第一导电层，所述第一导电层附接到所述外壳上；
提供内衬套，所述内衬套设置在所述内表面和第二导电层上方；
提供与所述内衬套相关联的第二导电层，所述第二导电层与所述第一导电层电绝缘；以及
提供电容计，所述电容计测量所述第一导电层和所述第二导电层之间的电容量；以及
测量所述第一导电层和所述第二导电层之间的电容量，其中所述电容量的变化表示所述存储系统的屈曲。
14.根据方案9所述的方法，其中，所述固态基质包括碳纤维复合物。
15.根据方案9所述的方法，其中，所述第一导电层嵌入在所述固态基质中。
16.根据方案9所述的方法，其中，所述第一导电层定位在所述内表面处。
17.根据方案9所述的方法，其中，所述第二导电层嵌入在所述内衬套中。
18.根据方案9所述的方法，其中，所述外壳具有圆形截面。
附图说明
本发明的示例性实施例通过具体说明和附图将被更加充分地理解，在附图中：
图1为具有屈曲检测机构的加压气体存储系统的示意图；
图2为具有屈曲检测机构的加压气体存储系统的示意截面图；
图3为具有屈曲检测机构的加压气体存储系统的一部分的示意截面图；
图4为具有屈曲检测机构的加压气体存储系统的一部分的示意截面图，其中绝缘层位于第一导电层和第二导电层之间；
图5为示出了由图1-4中阐述的系统检测到的内衬套的屈曲的示意截面图；以及
图6为示出了由上述系统检测到的内衬套的屈曲的示意图。
具体实施方式
现将详细参考本发明的当前优选组成、实施例和方法，其构成了对发明人来说目前已知的最佳执行模式。附图没必要按比例绘制。然而，应当理解的是，所公开的实施例仅仅是本发明的实例，所述实施例可以以各种替代性的形式被实施。因此，本文所公开的特定细节并不能 解释为是限制性的，而仅仅作为本发明任意方面的典型基础和／或作为教导本领域技术人员广泛地采用本发明的典型基础。
除非在实例中或者以其他方式被明确地指出，否则说明书中的表示材料量或者反应和／或使用条件的所有数量都被理解为用词语“大约”来修改，从而描述本发明的最宽泛的范围。在所陈述的数量极值内的实践通常是优选的。并且，除非以相反的方式明确表述，都这样规定：百分比、“(的)部分”以及比值是按重量计的；对与本发明相关的特定目的而言合适或者优选的材料的组或类的说明暗含了，该组或类中的任意两种或者更多种组分的混合物同样是合适的或者优选的；按照化学术语对组分的说明指的是在向该说明书中规定的任何组合中添加时的组分，并且不必排除混合之后混合物的各组分之间的相互化学反应；首字母缩略词或者其他简称的第一次定义适用于对此相同简称的本文所有后续使用，并且还适用于对最初定义的缩略词实施正常的语法变化；并且，除非以相反的方式明确指出，针对性质先前或之后引用的技术相同的技术来确定所述相同性质的测量值。
还应当理解的是，本发明并不限于下文所述的特定实施例和方法，这是因为特定的部件和／或条件当然可能改变。另外，本文所使用的术语仅仅是用于描述本发明的特定实施例的目的，并且绝不旨在是限制性的。
还必须注意的是，正如在说明书和所附权利要求中所使用的，单数形式“一”，“一个”以及“该”也包括复数形式，除非上下文以其他方式明确地指出。例如，对单数形式的部件的引用旨在也包括多个所述部件。
贯穿本申请，在引用了公开文本的情况下，这些公开文本所公开的全部内容以引用的方式全部并入本申请，以更全面地描述与本发明相关的现有技术。
参考图1、2和3，提供了阐述加压气体存储系统的示意图。加压气体存储系统10包括外壳12，所述外壳具有内表面14和外表面16。内表面14限定用于保持加压气体的内部容积20。第一导电层24附接到外壳12上。外壳12限定用于保持加压气体的容器18，所述加压气体例如是氢气或氧化气体(例如，氧气、空气等)以用于为燃料电池提供能量。在一具体形式中，容器18具有圆形截面。通常，加压气体可存储在从大约100巴到700巴的压力下。内衬套30设置在内表面14上。第二导电层26附接到内衬套30上。电容计32测量第一导电层24和第二导电层26之间的电容量，其中电容量的变化表示存储系统10的屈曲。所测量的电容量的变化表示内衬套30的屈曲。在一具体形式中，气体存储系统10还包括指示器34，以用于指示衬套的屈曲。有利地，当检测到屈曲时，指示器提供警示或警报。
如上所述，第一导电层24附接到外壳12上。在一变型中，第一导电层24嵌入到外壳12中。在一具体形式中，第一导电层24可以是金属箔或者金属格栅。合适的金属包括但不限于，铝、不锈钢、钛等。在另一具体形式中，外壳16包括固态基质22，例如复合物。合适复合物的实例包括但不限于碳复合物，其包括分散在树脂内的碳纤维或者粉末。应当理解的是，当被加压时，外壳12所形成的容器的容积会增大。因此，第一导电层24必须足够柔韧，以随着容器而扩大或者收缩。例如，容积的变化被标定以便适当地检测屈曲。在一具体形式中，针对容器确定电容量与压力的关系。
如上所述，第二导电层26附接到内衬套30上。在一变型中，第二导电层26嵌入在内衬套30中。在图4中阐述的另一变型中，第二导电层26附接到内衬套30的表面34上。在该变型中，电绝缘层(例如，介电层)36插入到第二导电层26和外壳12之间。在这些变型中的任一情况下，第二导电层26可以是金属箔或者金属格栅。合适金属包括但不限于铝、不锈钢、钛等。
第一导电层24和第二导电层26与插入其间的电介质结合起来而形成电容器。因此，在屈曲期间，有必要使第一导电层24与外壳12在一起并且使第二导电层26与内衬套30在一起。
参考图5，提供其中外壳由导电材料形成的变型。在该变型中，无需第一导电层。例如，外壳12’由碳复合物形成，所述碳复合物包括分散在树脂中的碳纤维或者碳粉末。特别地，加压气体存储系统10’包括具有内表面14’和外表面16’的外壳12’。内表面14’限定用于保持加压气体的内部容积20’。外壳12’限定用于保持加压气体的容器，所述加压气体例如是氢气或者氧化气体(例如，氧气、空气等)，以用于如上文所述地那样为燃料电池提供能量。内衬套30’设置在内表面14’上。导电层26’附接到内衬套30’上。电容计32’测量外壳12’和导电层26’之间的电容量，其中电容量的变化表示存储系统10’的屈曲。测量的电容量变化表示内衬套30’的屈曲。在一具体形式中，气体存储系统10还包括指示器34，以用于指示衬套的屈曲。在变型中，电绝缘层插入到导电层26’和外壳12’之间，如结合图4的说明在上文阐述的。
参考图6，提供示出了由如上所述的系统检测到的内衬套屈曲的示意图。内衬套30与外壳12分离，其中在分离处形成的空间50中的压力P0大于在内衬套30的内侧上的压力P1。该分离程度被检测为第一导电层24与第二导电层26之间的电容量的变化。替代性地对于图5的设计，该分离程度被检测为导电性外壳12和导电层26’之间的电容量的变化。
尽管已经阐述并描述了本发明的实施例，并不意在这些实施例阐述并描述本发明的所有可能的形式。而是，该说明书中所使用的词语是说明性而非限制性的词语，并且可以理解，在不偏离本发明的精神和范围的情况下可以做出各种变化。

Claims (10)

1.一种用于加压气体的存储系统，所述存储系统包括：
外壳，所述外壳具有内表面和外表面，所述内表面限定用于保持加压气体的内部容积；
第一导电层，所述第一导电层附接到所述外壳上；
内衬套，所述内衬套设置在所述内表面和第二导电层上方；
第二导电层，所述第二导电层与所述内衬套相关联，所述第二导电层与所述第一导电层电绝缘；以及
电容计，所述电容计测量所述第一导电层和所述第二导电层之间的电容量，其中所述电容量的变化表示所述存储系统的屈曲。
2.根据权利要求1所述的存储系统，其中，所述外壳包括固态基质。
3.根据权利要求2所述的存储系统，其中，所述固态基质包括碳纤维复合物。
4.根据权利要求2所述的存储系统，其中，所述第一导电层嵌入在所述固态基质中。
5.根据权利要求1所述的存储系统，其中，所述第一导电层设置在所述内表面处。
6.根据权利要求1所述的存储系统，其中，所述第二导电层嵌入在所述内衬套中。
7.根据权利要求1所述的存储系统，其中，所述第一导电层和所述第二导电层均独立地包括从由金属箔和金属格栅构成的组中选择的部件。
8.根据权利要求1所述的存储系统，其中，所述外壳具有圆形截面。
9.一种用于加压气体的存储系统，所述存储系统包括：
具有内表面和外表面的外壳，所述内表面限定用于保持加压气体的内部容积；
内衬套，所述内衬套设置在所述内表面和第二导电层上方；
导电层，所述导电层与所述内衬套相关联，所述导电层与所述外壳电绝缘；以及
电容计，所述电容计测量所述导电层和所述外壳之间的电容量，其中所述电容量的变化表示所述存储系统的屈曲。
10.一种检测用于加压气体的存储系统的衬套屈曲的方法，所述方法包括：
提供具有内表面和外表面的外壳，所述内表面限定用于保持加压气体的内部容积；
提供第一导电层，所述第一导电层附接到所述外壳上；
提供内衬套，所述内衬套设置在所述内表面和第二导电层上方；
提供与所述内衬套相关联的第二导电层，所述第二导电层与所述第一导电层电绝缘；以及
提供电容计，所述电容计测量所述第一导电层和所述第二导电层之间的电容量；以及
测量所述第一导电层和所述第二导电层之间的电容量，其中所述电容量的变化表示所述存储系统的屈曲。
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