用于形成壓力容器的基體襯里的方法和設備的制作方法

用于形成壓力容器的基體襯里的方法和設備的制作方法
【專利摘要】本公開涉及用于存儲用于燃料電池系統的加壓流體的壓力容器、用于壓力容器的襯里以及制造方法。制造壓力容器的方法包括：形成消失模芯組件；圍繞組件形成增強結構；和從所述組件移除模芯以限定出內部隔間。消失模芯組件包括用于：第一犧牲性材料，限定壓力容器的內部隔間的形狀；凸臺，可附接至第一材料以向壓力容器中引入和移除流體；和第二材料，圍繞第一材料和凸臺的至少一部分放置，使得在移除第一材料后，第二材料限定出襯里。增強結構圍繞襯里纏繞以向壓力容器給予整體的復合結構。
【專利說明】用于形成壓力容器的基體襯里的方法和設備

【技術領域】
[0001]本公開總體上涉及用于形成燃料電池系統的壓力容器的方法和設備，并且更特別地涉及用于與具有均質特性的壓力容器的增強結構結合使用的襯里。

【背景技術】
[0002]用于存儲高壓力氣體介質(比如氫氣、壓縮天然氣或空氣)的壓力容器(在本文中也被稱為存儲罐，或更簡單地罐體)通常包括一個或多個襯里、至少一個嘴部(通常呈金屬凸臺的形式)和纖維纏繞的外殼增強結構。壓力容器可以被合并到交通工具中，以向能夠為交通工具提供動力的燃料電池堆供應燃料(例如氫)或氧化劑(比如氧)。
[0003]襯里可以采用常規方法來形成，比如滾塑成型、吹塑成型、注射成型或熱成型，原料是塑料，通常為熱塑性塑料，比如聚乙烯、PET、聚甲醛(POM)、ABS/PC、乙烯乙烯醇共聚物或尼龍材料等，方法是通過在具有聚合物樹脂的型腔中設置穿透元件、加熱模具同時進行旋轉以使聚合物樹脂熔化并涂覆型腔壁、冷卻模具、并移除已成型的襯里。
[0004]金屬凸臺通常構造有螺紋或其它聯接機構之一，以接受用于為壓力容器提供聯接點的閥、傳感器、聯接器、導管或其它裝置。當進入或離開壓力容器時，氣體介質穿過凸臺。
[0005]纏繞外殼一其通常為壓力容器提供支承或增強結構的體積一通常由纖維纏繞過程形成，并連接至襯里并在高壓釜中固化。
[0006]當前，用于形成壓力容器的材料和已知方法提供差的耐久性影響。例如，襯里通常不能承受罐體在其整個操作壽命內所暴露至的應力，比如與受到多次填充和清空循環以及溫度極值相關聯的那些。因此，在一個形態中，應該總是在罐體中維持最小壓力，以確保襯里被增強結構牢固地支承。在低于最小壓力的壓力例如小于大約20巴時，襯里和增強結構可能彼此分離，造成“松動”襯里效果。如果加壓流體在高壓力下被快速地引入壓力容器中，同時罐體內的壓力低于指定的最小值，則襯里將非常厲害地沖撞增強結構，造成“翹曲”襯里。襯里可能破裂，從而允許內含物流動穿過外層到環境中。另外，滯留在襯里與增強結構之間的加壓流體可能損傷襯里和增強結構中的一者或兩者。顯著的溫度變化可能產生相同的有害效果。


【發明內容】

[0007]針對以上背景，本公開涉及用于形成燃料電池系統中的壓力容器的方法和設備，所述壓力容器包括使用消失模芯組件形成的均質基體，以改善耐久性影響，比如松動或翹曲的襯里并避免時間和溫度滿足上的困難，使得當壓力容器被清空至環境壓力時，壓力容器不被損壞。值得注意的是，依據本文中公開內容制造的襯里和增強結構在結構上具備均質特性，其降低或避免比如以上提及的發生在壓力容器被清空至低(例如環境)壓力時的松動或翹曲襯里等耐久性影響，以及避免時間和溫度滿足上的困難。壓力容器的均質性質的一個表現是基于纖維的增強結構與構成襯里的樹脂的大致完全的結合。除了改善這種壓力容器的耐久性之外，本公開的途徑將允許為汽車制造商提供改善的交通工具范圍或尺寸以及重量優點。
[0008]在一個實施例中，一種制造用于燃料電池系統的壓力容器的方法包括:以具有大體軸對稱形狀的第一材料形成消失模芯組件；將一個或多個凸臺連接至組件的模芯；將模芯浸潰到第二材料中；凝固第二材料；圍繞襯里和凸臺的至少一部分形成增強結構，以使形成于壓力容器中的內部隔間在從消失模芯組件移除模芯后能夠承受達到至少大約30巴(或更多)的壓力，該壓力由隨后放置于其中的加壓燃料電池系統反應物造成。
[0009]在另一實施例中，一種制造燃料電池系統的方法包括:組裝存儲容器；提供至少一個燃料電池堆；以及將容器通過導管流體地連接至電池堆。這樣，一旦燃料電池反應物被放置在容器中后，容納在容器內的反應物與電池堆的選擇性流體連通得以建立。通過以第一材料、第二材料和一個或多個凸臺形成消失模芯組件，來組裝容器。第一材料限定出模芯，同時一個或多個凸臺被連接至模芯上的優選位置。模芯被浸潰到第二材料中，使得在第二材料凝固以及后續從組件移除模芯后，形成于第二材料內的內部空間或隔間限定出用于容納用于在燃料電池系統中使用的加壓氣體的襯里。然后圍繞襯里和凸臺的至少一部分形成增強結構，使得襯里和增強結構限定出大致整體的結構，使得松動襯里問題得到避免。在一個形態中，容器限定出復合結構，其中在本背景中，復合結構是指由兩個或更多個離散部件構成，其在形成功能后，作為整體或單個完整體。在密切關聯于本發明的一個特定示例中，增強結構圍繞襯里形成為使得它們協同操作以使彼此保持實質性的整體接觸，而不管罐體是處于完全加壓狀態(比如在它容納氫氣或某些其它相關燃料電池系統反應物時)還是處于相對未加壓的狀態(比如在罐體大致被耗盡反應物時)。
[0010]在再一實施例中，公開了通過一過程制備的用于燃料電池系統壓力容器的襯里。該過程步驟包括以下步驟:提供形狀與壓力容器的內部隔間相對應的犧牲性材料；將一個或多個凸臺附接至所述犧牲性材料；圍繞所述犧牲性材料和一個凸臺(或多個凸臺)的至少一部分放置襯里材料；以及移除所述犧牲性材料。如在本公開中其它地方論述的，所述犧牲性材料形成模芯，其將消失(即被移除)，以便留下具有所需形狀的襯里。在可選形態中，所述犧牲性材料包括泡沫，并且所述襯里材料包括在后續硬化步驟后可固化成固體形態的液體。還如在本公開中其它地方論述的，放置襯里材料的步驟可按如下方式完成:將犧牲性材料浸涂到液體形態的第二材料中并使第二材料凝固，達所需的次數，以實現所需的最終襯里厚度。另外，可以圍繞襯里形成增強結構，使得由此形成的壓力容器具有增強的承載能力，包括承受由引入其中的加壓流體對襯里壁施加的高(達到大約30巴的)壓力。
[0011]本公開還提供以下技術方案:
1.一種制造用于燃料電池系統的壓力容器的方法，所述方法包括:
形成消失模芯組件，其包括:
第一材料，圍繞在所述壓力容器內限定出的大致縱向的軸線具有大體軸對稱的形狀，以限定出模芯；
至少一個凸臺，附著至所述模芯的至少一個端部，所述至少一個凸臺在其中限定出接收燃料電池反應物的孔眼；
第二材料，使得在所述模芯浸潰于其中并且在所述第二材料后續凝固后，所述第一材料和第二材料以及所述至少一個凸臺限定出所述組件，其中所述第二材料構成其襯里部分； 圍繞所述組件的所述襯里和所述至少一個凸臺的至少一部分形成增強結構；以及從所述組件移除所述模芯以在其中限定出內部隔間，所述內部隔間能夠承受來自隨后放置于其中的燃料電池系統反應物的達到至少大約30巴的壓力。
[0012]2.如技術方案I所述的方法，其中，所述第一材料包括泡沫。
[0013]3.如技術方案2所述的方法，其中，所述泡沫是聚苯乙烯泡沫。
[0014]4.如技術方案I所述的方法，其中，所述至少一個凸臺包括溝槽、通道和凹陷中的至少一個，所述溝槽、通道和凹陷適應于接收所述第一材料和第二材料中的至少一個的一部分。
[0015]5.如技術方案I所述的方法，其中，所述第二材料包括樹脂。
[0016]6.如技術方案5所述的方法，其中，所述樹脂是基體樹脂或環氧樹脂。
[0017]7.如技術方案I所述的方法，其中，所述浸潰包括將所述模芯浸涂到所述第二材料的液體形態中至少一次。
[0018]8.如技術方案I所述的方法，其中，所述形成增強結構包括在所述第二材料已硬化后圍繞所述襯里和所述至少一個凸臺的所述至少一部分纖維纏繞所述增強結構。
[0019]9.如技術方案I所述的方法，其中，所述移除所述模芯是通過熔化過程或增溶過程中的至少一者進行的。
[0020]10.如技術方案I所述的方法，其中，所述形成增強結構包括將所述增強結構附著至所述第二材料以在其間限定出大致整體的永久性結構。
[0021]11.一種制造燃料電池系統的方法，所述方法包括:
組裝用于在其中容納燃料電池反應物的壓力容器，所述制造包括:
以第一材料形成模芯；
將至少一個凸臺連接至所述模芯；
至少將所述模芯浸潰到第二材料中；
使所述第二材料凝固，以使所述第一材料、第二材料和至少一個凸臺限定出消失模芯組件；
從組件移除所述模芯，以在其中形成限定出內部隔間的容器形狀的襯里；以及圍繞所述襯里和所述至少一個凸臺的至少一部分形成增強結構，所述襯里和所述增強結構在所述壓力容器內限定出大致整體的結構；
提供至少一個燃料電池堆；以及
將所述容器通過導管流體地連接至所述至少一個燃料電池堆，使得在燃料電池反應物放置于所述容器中后，放置于其中的所述反應物通過所述導管與所述至少一個燃料電池堆建立選擇性的流體連通。
[0022]12.如技術方案11所述的方法，其中，組裝好的所述壓力容器圍繞其大致縱向的軸線構成大體軸對稱的形狀。
[0023]13.如技術方案11所述的方法，其中，所述第一材料包括泡沫，并且所述第二材料包括可固化樹脂。
[0024]14.如技術方案13所述的方法，其中，所述浸潰可以包括浸涂至少一次。
[0025]15.如技術方案11所述的方法，其中，所述移除所述模芯是通過熔化過程或增溶過程中的至少一者進行的。
[0026]16.如技術方案11所述的方法，其中，所述增強結構在所述模芯被移除之前形成。
[0027]17.如技術方案11所述的方法，其中，所述增強結構在所述模芯被移除之后形成。
[0028]18.一種用于燃料電池系統壓力容器的襯里，所述襯里由包括以下步驟的過程制備:
提供形狀與所述壓力容器的內部隔間相對應的犧牲性材料；
將至少一個凸臺附接至所述犧牲性材料，所述至少一個凸臺在其中限定出孔眼；
圍繞所述犧牲性材料和所述凸臺的至少一部分放置襯里材料；以及移除所述犧牲性材料。
[0029]19.如技術方案18所述的壓力容器，其中，所述犧牲性材料包括泡沫，并且所述襯里材料包括在后續硬化步驟后可固化成固體形態的液體。
[0030]20.如技術方案19所述的壓力容器，其中，所述放置襯里材料包括:將所述犧牲性材料浸涂到所述第二材料的所述液體形態中至少一次，并凝固所述第二材料。
[0031]參考以下描述和所附權利要求書，本公開的這些以及其它特征、方面和優點將被更好地理解。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0032]雖然說明書終結于特別指出并清楚要求本公開的權利要求書，但應相信的是:從以下描述結合附圖進行理解將更好地理解本公開，附圖中:
圖1是根據本公開一方面的由在壓力容器的組裝中使用的犧牲性第一材料制成的模芯的剖視圖；
圖2是連接至圖1的模芯的凸臺區域的剖視圖；
圖2A是圖2的詳細視圖，進一步示出了在其上具有一體化部分的凸臺區域；
圖3是由圖2的模芯和凸臺區域構成的具有形成襯里的第二材料的消失模芯組件的剖視圖；
圖3A是圖3的詳細視圖，進一步示出了在其上具有一體化部分的凸臺區域；
圖4是圍繞圖3的消失模芯組件和凸臺區域的一部分形成的增強結構的剖視圖；
圖4A是圖4的詳細視圖，進一步示出了在其上具有一體化部分的凸臺區域；
圖5是模芯被移除后的用于燃料電池系統的已成型壓力容器的剖視圖；并且圖5A是詳細視圖，進一步示出了在其上具有凸臺區域和一體化部分的圖5的已成型壓力容器。

【具體實施方式】
[0033]現在將偶爾參考特定實施例來描述本公開的特征和優點。然而，本公開可以被體現為不同的形式，從而不應該被解釋為局限于本文中給出的實施例。相反，這些實施例被提供來使得本公開將是充分和完全的，并且將向本領域的技術人員全面地傳達本公開的范圍。
[0034]如在本文中多個實施例中描述的加壓流體可以是任何流體，比如:諸如氫氣、壓縮天然氣和氧氣等氣體；液體；以及液體和氣體兩者等。在一優選實施例中，本文中描述的壓力容器被構造為用于加壓反應物燃料的存儲罐。
[0035]首先參考圖1，其中示出了在制作壓力容器10的消失模芯組件時使用的模芯20的剖視圖。模芯20由包括泡沫材料例如聚苯乙烯泡沫的第一材料形成。在一優選形態中，泡沫材料被選擇為通過在相對較低溫發生熔化(例如在熱液池中使用的)或在存在適當的化學(增溶)劑時發生溶解而成為犧牲性的。模芯20具有大體軸對稱的形狀，其限定出完成容器10的所需內部空腔尺寸和形狀，然而，模芯20也可以根據需要具有任意形狀。已成型的模芯可通過放置到適當的模具(例如，塑料注塑模具，未示出)中并被熱塑性或熱固性材料包覆模制而成形，從而形成所需的襯里形狀。
[0036]圖2示出了連接至圖1的模芯20的至少一個端部的凸臺30的剖視圖，而圖2A是連接至模芯20的凸臺區域30的更詳細的視圖，示出了形成于其上的一體化部分。除了提供可以向隨后形成的罐體中引入或從隨后形成的罐體中移除流體的孔眼之外，凸臺30還包括凹陷(或溝槽)32、肩部34和頸部36。模芯20被連接至凸臺30的肩部34，使得模芯20填充位于凸臺30的肩部34的內表面上的多個凹陷32。除了凹陷32之外，應該明白的是:凸臺30還可以包括溝槽、通道和/或突起，其適應于接收材料的一部分，以促進材料向凸臺30的更高程度的機械附接。凸臺30可以具有任何尺寸和直徑，其適合于與引導并控制流體進出加壓流體存儲罐的固定芯、螺紋套筒、噴嘴、閥、量表、管、熱壓釋放裝置(TPRD)和類似固定裝置聯接。在一些實施例中，本領域中公知的附加密封元件可以被設置在凸臺30與模芯20之間，以防止氣體介質的意外損失。
[0037]圖3是形成在圖2的凸臺區域30和模芯組件20的外表面上的第二材料40的剖視圖。圖3A是圖3的局部剖視圖，進一步示出了在其上具有一體化部分的凸臺區域30。已成型的模芯20被浸潰到第二材料40中。在一個形態中，第二材料40向模芯20上的施加是通過浸涂。第二材料40在固化后將形成襯里50，使用的是樹脂例如基體樹脂或環氧樹脂，其可為用于襯里50的適當塑料的基礎，其在第二材料40的凝固或相關固化后得以生成。在這種凝固過程期間，由第二材料40構成的襯里50形成在凸臺30的肩部34的外邊緣上。浸涂可以重復次數，取決于襯里50的所需最終厚度。因此，在一個形態中，襯里50可以在一系列重復步驟中累積而成。如能夠在圖看出的，襯里50覆蓋凸臺區域30處于溝槽32之上直到限定出頸部36的圓柱形部分的起點。這樣，實現了沿用于氣體作用力和機械載荷的兩個方向的附加氣密性和機械強度。這在比如交通工具碰撞或相關誤用等破壞性撞擊事件中是尤其有利的。
[0038]圖4是圍繞由模芯20、凸臺區域30和襯里50構成的消失模芯組件形成的增強結構60的剖視圖，而圖4A更詳細地示出了凸臺區域30。盡管目前未示出，但是形成于凸臺30中的孔眼可以包括螺紋，以容許與流體聯接線或其它連接裝置的旋轉連接(由孔眼上方示出的逆時針方向旋轉繪出)。如圖所示，增強結構60被附著或以其它方式固定至由第二材料形成的襯里50，使得它們一起在它們之間限定出大致整體的永久性結構。在這點上，容器10由襯里50與增強結構60之間的復合材料制成。在一特定形態中，增強結構60的纖維可以纏繞已經如以上論述的通過多次重復浸潰累積而成的濕襯里50殼。
[0039]圖5是圖4的剖視圖，示出了用于燃料電池系統的已成型壓力容器10。一旦消失模芯組件的模芯20被移除后，襯里50和增強結構60內保留的中空空間限定出用于存儲加壓氫氣或其它氣體的內部隔間70，所述加壓氫氣或其它氣體用作一般而言的燃料電池系統以及特別而言的基于質子交換膜片(PEM)的燃料系統的反應物。圖5A是更詳細的視圖，進一步示出了具有凸臺區域30和一體化部分的圖5的已成型壓力容器10。壓力容器10的長度方向尺寸，其與穿過形成于凸臺30中的孔眼的流體引入和移除方向大體重合，限定出大致縱向的軸線，使得內部隔間70的形狀圍繞這種軸線是大體軸對稱的。
[0040]盡管圖3-5A繪出了泡沫模芯20在增強結構60已圍繞襯里50形成后被移除的制造途徑，但是在增強結構60形成之前移除泡沫模芯20也處于本發明的范圍內，只要變成襯里的第二材料40足夠堅硬以在該中間階段能自承即可。同樣地，用于燃料電池系統的壓力容器的當前制造方法可以包括附加的步驟或者是更大組裝方案的一部分，其包括將已制成的容器連接至一個或多個其它燃料電池系統部件比如燃料電池堆、以及導管、閥、傳感器/監測裝備、控制器和可選的泵送裝備。
[0041]應指出的是:如“優選”、“一般”和“通常”(及它們的變型)之類的術語在本文中不是被采用來限制所要求的公開的范圍，或暗示某些特征對所要求的公開的結構或功能來說是關鍵的、必要的或者甚至是重要的。相反，這些術語僅僅旨在強調替代的或附加的特征，其可以也可以不被采用在本公開的特定實施例中。同樣，為了描述和限定本公開的目的，應指出的是:術語“裝置”在本文中被采用來表示部件的組合和個體部件，而不管這些部件是否與其它部件組合。
[0042]為了描述和限定本公開的目的，應指出的是:術語“大致(基本上)”在本文中被使用來表示固有程度的不確定性，其可以歸因于任何定量比較、值、測量或其它表示。術語“大致(基本上)”在本文中還被使用來表示一定程度，定量表示可以不同于所陳述的基準達該程度，而不會導致所涉及主題的基本功能的變化。照此，它被使用來表示固有程度的不確定性，其可以歸因于任何定量比較、值、測量或其它表示，是指元件或特征的配置一雖然在理論上將預期呈現出精確對應或行為一但在實踐中可以體現為略微小于精確。
[0043]除非另有限定，本文中所使用所有技術和科學術語具有與本公開所屬領域的技術人員通常所理解的相同的意義。在本文的描述中所使用的術語只是用于描述特定實施例，并不旨在進行限制。如說明書和所附權利要求書中所使用的，“一”、“一個”、“該”等單數形式旨在同樣包括復數形式，除非上下文另有明確的相反指示。
[0044]雖然已通過參考本公開的具體實施例詳細地描述了本公開，但是應該理解的是:在不背離在所附權利要求書中限定出的本公開的范圍的情況下，變型和變更是可能的。更具體地，盡管本公開的一些方面在本文中被識別為優選的或特別有利的，但是可以想到的是本公開并不一定局限于本公開的這些優選方面。
【權利要求】
1.一種制造用于燃料電池系統的壓力容器的方法，所述方法包括: 形成消失模芯組件，其包括: 第一材料，圍繞在所述壓力容器內限定出的大致縱向的軸線具有大體軸對稱的形狀，以限定出模芯； 至少一個凸臺，附著至所述模芯的至少一個端部，所述至少一個凸臺在其中限定出接收燃料電池反應物的孔眼； 第二材料，使得在所述模芯浸潰于其中并且在所述第二材料后續凝固后，所述第一材料和第二材料以及所述至少一個凸臺限定出所述組件，其中所述第二材料構成其襯里部分； 圍繞所述組件的所述襯里和所述至少一個凸臺的至少一部分形成增強結構；以及從所述組件移除所述模芯以在其中限定出內部隔間，所述內部隔間能夠承受來自隨后放置于其中的燃料電池系統反應物的達到至少大約30巴的壓力。
2.權利要求1所述的方法，其中，所述第一材料包括泡沫。
3.如權利要求2所述的方法，其中，所述泡沫是聚苯乙烯泡沫。
4.如權利要求1所述的方法,其中,所述至少一個凸臺包括溝槽、通道和凹陷中的至少一個，所述溝槽、 通道和凹陷適應于接收所述第一材料和第二材料中的至少一個的一部分。
5.如權利要求1所述的方法，其中，所述第二材料包括樹脂。
6.如權利要求5所述的方法，其中，所述樹脂是基體樹脂或環氧樹脂。
7.如權利要求1所述的方法，其中，所述浸潰包括將所述模芯浸涂到所述第二材料的液體形態中至少一次。
8.如權利要求1所述的方法，其中，所述形成增強結構包括在所述第二材料已硬化后圍繞所述襯里和所述至少一個凸臺的所述至少一部分纖維纏繞所述增強結構。
9.一種制造燃料電池系統的方法，所述方法包括: 組裝用于在其中容納燃料電池反應物的壓力容器，所述制造包括: 以第一材料形成模芯； 將至少一個凸臺連接至所述模芯； 至少將所述模芯浸潰到第二材料中； 使所述第二材料凝固，以使所述第一材料、第二材料和至少一個凸臺限定出消失模芯組件； 從組件移除所述模芯，以在其中形成限定出內部隔間的容器形狀的襯里；以及圍繞所述襯里和所述至少一個凸臺的至少一部分形成增強結構，所述襯里和所述增強結構在所述壓力容器內限定出大致整體的結構； 提供至少一個燃料電池堆；以及 將所述容器通過導管流體地連接至所述至少一個燃料電池堆，使得在燃料電池反應物放置于所述容器中后，放置于其中的所述反應物通過所述導管與所述至少一個燃料電池堆建立選擇性的流體連通。
10.一種用于燃料電池系統壓力容器的襯里，所述襯里由包括以下步驟的過程制備: 提供形狀與所述壓力容器的內部隔間相對應的犧牲性材料； 將至少一個凸臺附接至所述犧牲性材料，所述至少一個凸臺在其中限定出孔眼；圍繞所述犧牲性材料和所述凸臺的至少一部分放置襯里材料；以及移除所述犧 牲性材料。
【文檔編號】F16J12/00GK104074972SQ201410115564
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年3月26日 優先權日:2013年3月26日
【發明者】J.舒爾策 申請人:通用汽車環球科技運作有限責任公司