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CN116867996A - 用于在压力下储存挥发性气体的罐及包括这样的罐的结构 - Google Patents

用于在压力下储存挥发性气体的罐及包括这样的罐的结构 Download PDF

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CN116867996A
CN116867996A CN202280014491.8A CN202280014491A CN116867996A CN 116867996 A CN116867996 A CN 116867996A CN 202280014491 A CN202280014491 A CN 202280014491A CN 116867996 A CN116867996 A CN 116867996A
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CN
China
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tank
canister
frame
structural
wall
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202280014491.8A
Other languages
English (en)
Inventor
马修·罗伯特·福克斯
罗米利·弗朗西丝卡·克洛斯
尼古拉斯·利奥·韦瑟比
劳伦斯·特纳
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Weirui Technology Co ltd
Original Assignee
Weirui Technology Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Weirui Technology Co ltd filed Critical Weirui Technology Co ltd
Publication of CN116867996A publication Critical patent/CN116867996A/zh
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Abstract

本公开涉及一种用于在压力下储存挥发性气体的罐(140)以及包括该罐的结构(100)。该罐具有由长丝缠绕碳纤维增强聚合物(CFRP)形成的壁。CFRP可以具有分散在聚合物粘合剂基质中的石墨烯纳米材料填料。该结构包括用于承受来自内部载荷和外部载荷的静态力和动态力的框架，该框架包括罐，该罐是主动承重结构元件，该主动承重结构元件被构造为框架中的受力构件，使得在使用中在结构中，罐承受来自内部载荷和外部载荷的静态力和动态力。罐通过设计而形成为具有框架中的结构元件所需的机械性能，使得结构符合其所需的规范以实现其机械功能。碳纤维的长丝缠绕模式、壁厚、壁形状或包含分散的石墨烯的聚合物基质的材料性能中的一者或多者被设定成使得罐具有结构设计所要求的机械性能。

Description

用于在压力下储存挥发性气体的罐及包括这样的罐的结构
技术领域
本公开涉及用于在压力下储存气体的罐。在特定示例中，本公开涉及用于在车辆中使用以储存作为驱动车辆的动力系统的燃料气体的氢的罐。
背景技术
普遍使用化石燃料作为能源用于驱动动力系统中的内燃机以推进车辆或用于本地发电，这是温室气体排放以及局部污染的重要来源。例如在城市中心的车辆运输中，在向低碳经济过渡以及来自减少燃烧化石燃料排放物方面所付出的努力致使正在研究在使用时清洁的替代能源储存，这是因为这些替代能源储存在使用时不会产生排放物或污染物。
使用电化学二次电池来储存能量以便以后无排放地转换为电力源例如以驱动电动马达来推进车辆已经越来越多地被用作替代方案。然而，这样的电池储存并非没有缺点，这是因为在例如汽车应用中，在充满电时，使用电池电动车辆当前可实现的里程通常被限制在100英里至200英里，并且补给储存在二次电池中的电荷所需的时间会导致里程焦虑并且对于长途旅行来说存在困难。此外，未来几年，二次电池所需的锂供应可能无法跟上电池储存需求的增长。因此，电池储存缺乏对所有应用的适用性，并且对供应的预期限制意味着如果我们要成功地摆脱化石燃料，就需要可行的替代能源储存。
一种替代能源储存是氢，可以根据需要将氢通过堆叠式燃料电池中的电解膜来将氢转换成电能，因此氢可以用作动力源，例如为电动马达提供动力以推进车辆。将储存的氢转化为燃料电池中的电能只产生热量和水作为副产物，因此完全不含碳并且在使用时不会产生其他污染物。此外，使用来自可再生能源的绿色能源产生氢的过程正在商业化，这为氢成为运输和当地发电的零碳电源提供了一种方式。此外，氢燃料电池不依赖于锂的可用性来满足绿色能源的市场需求。只要有来自氢源的氢供应，燃料电池就可以持续运行，氢源通常在压力下以液体或气体的形式储存在储氢罐中。这些储罐可以在加油站快速补给，并且像内燃机一样，在车辆应用中，这些储罐可以提供连续的动力例如用于长途行驶，且加油所需的停止时间短。
正是在这种背景下，设想了目前公开的主题。
发明内容
为了适应稳定储存氢所需的高压，储罐与所储存的燃料重量相比目前非常笨重。这意味着氢储存对氢动力车辆或发电机增加了显著的空间和体积要求以及显著的重量，这增加了设计限制并降低了氢动力运输的效率。例如，在当前的氢动力汽车中，储氢罐位于后排座椅后面，在后排座椅后面储氢罐受到更多的保护，这占据了车辆内的大量空间，并且显著增加了重量。
本公开的方面提供了一种用于在压力下储存挥发性气体的罐和包括该罐的结构。罐具有由长丝缠绕碳纤维增强聚合物制成的壁。在实施方式中，壁可以由长丝缠绕碳纤维增强聚合物形成，该长丝缠绕碳纤维增强聚合物具有分散在聚合物粘合剂基质中的石墨烯纳米材料填料。该结构包括用于承受来自内部载荷和外部载荷的静态力和动态力的框架，该框架包括罐，该罐是主动承重结构元件，该主动承重结构元件被构造为框架中的受力构件。在实施方式中，罐被构造成使得在使用中在结构中，罐承受来自内部载荷和外部载荷的静态力和动态力。在实施方式中，罐通过设计而形成为具有框架中的结构元件所需的机械性能，使得所述结构符合其所需的规范以实现其机械功能。在实施方式中，碳纤维的长丝缠绕模式、壁厚、壁形状、或包含分散的石墨烯的聚合物基质的材料性能中的一者或多者被设定成使得罐具有结构设计所要求的机械性能。
在实施方式中，罐可以形成为提供一个或多个一体化挂载点，以用于机械连接到框架的其他结构元件或用于支撑结构的其他非承重部件。在实施方式中，挂载点可以包括集成到长丝缠绕部中并且由聚合物粘合剂包覆成型或嵌入聚合物粘合剂中的固定部。在实施方式中，固定部可以包括：嵌入壁的长丝缠绕层中的一个或多个板；以及一个或多个锚接部，该一个或多个锚接部延伸穿过该一个或多个板并从壁伸出，以便为机械连接到框架的其他结构元件提供固定件或用于支撑结构的其他非承重部件。
在实施方式中，罐可以还包括围绕罐的结构性网状套筒，该结构性网状套筒从罐壁延伸并且用于在使用中将罐联接到结构，使得罐在该结构的框架中提供主动承重结构元件。在实施方式中，结构性网状套筒可以在罐壁的至少聚合物粘合剂基质中嵌入到罐壁中。在实施方式中，结构性网状套筒可以集成在罐壁的长丝缠绕部中。在实施方式中，结构性网状套筒可以具有一个或多个固定装置，以用于机械连接到框架的其他结构元件或用于支撑结构的其他非承重部件。
在实施方式中，罐可以还包括沿着罐的纵向轴线在罐中延伸并且在罐的相对的两端穿过罐壁的结构性杆，该结构性杆用于在使用中将罐联接到结构，使得罐在该结构的框架中提供主动承重结构元件。在实施方式中，罐壁的长丝缠绕部可以围绕结构性杆形成，使得结构性杆嵌入罐壁中。在实施方式中，在杆上可以布置有多个套环，每个套环都具有从杆径向延伸的凸缘，并且罐壁的长丝缠绕可以在杆的相对的两端处围绕套环缠绕。在实施方式中，杆可以具有限定腔体的中空横截面，杆被构造用于实现加压气体的来自或到达罐的流体连通。罐可以还包括压力调节器，该压力调节器被设置成与杆的腔体密封流体连通，以便将加压气体在罐压力与外部系统压力之间转换。
在实施方式中，所述结构是车辆，并且框架是车辆的底盘，并且其中罐用于储存加压燃料以在使用中将其传递到车辆的动力系统。
根据本公开的各方面，提供了一种用于储存挥发性气体的轻质罐，该轻质罐可以被制成为足够坚固，使得罐本身可以被设置为主动承重结构元件，作为结构框架中的受力构件，而不是被容纳在处于使用中的结构中并由处于使用中的结构支撑的被动载荷，使得在使用中在结构中，罐承受来自内部载荷和外部载荷的静态力和动态力。这样，不是提供由结构的框架承受的显著的额外重量，而是罐本身可以形成结构的框架的一部分，从而提供作为框架中的结构元件所需的必要的强度、刚度和其他机械性能。因此，储罐取代了原本需要提供的框架的结构元件，并且避免了提供必须被容纳在框架中并由框架支撑的额外的大且重的氢储罐的需要。在实施方式中，例如，框架可以是氢动力车辆的底盘，并且罐可以形成底盘的受力构件。
附图说明
现在将参考附图描述本发明各方面的某些示例性实施方式，在附图中：
图1是包括框架的示例性结构，该框架包括用于在压力下储存挥发性气体的罐，该罐作为该框架的主动承重结构元件；
图2a是图1所示的用于在压力下储存挥发性气体的罐的截面的示例性图示，展示了罐的示例性形成过程；
图2b是图2a所示的罐壁的细节；
图3示出了根据本公开的方面的用于在压力下储存挥发性气体的罐的另一种实施方式；
图4示出了在通过长丝缠绕形成壁之后图3所示的罐的一部分的壁的截面；
图5示出了根据本公开的方面的用于在压力下储存挥发性气体的罐的另一种实施方式，其中围绕罐壁设置结构性网状套筒；以及
图6示出了根据本公开的方面的用于在压力下储存挥发性气体的罐的另一种实施方式的沿罐的纵向轴线剖切的剖视图，其中结构性杆延伸穿过罐。
具体实施方式
本公开的方面提供了一种用于在压力下储存挥发性气体的罐和包括该罐的结构。
图1示出了根据本发明方面的示例性结构100，该结构包括框架101，该框架被布置为连接结构元件的系统，这些结构元件被配置成抵抗在使用中施加到结构100的内部载荷和外部载荷，以便维持该系统的结构完整性并且允许结构100继续执行其整体功能。在该示例中，结构100是呈氢动力汽车形式的车辆，并且框架101是该车辆的底盘。然而，本公开不限于此，并且该结构可以是任何合适的物理系统或物体，其中可能需要储存和使用在压力下储存挥发性气体的罐，该结构包括货车、卡车、拖车、摩托车和其他陆地运输车辆、以及火车、重型起重和建筑装备、游艇、轮船、潜艇和其他水上船只以及固定和移动的海基平台、飞机、直升机、无人机和其他空中载具、火箭、或用于将有效载荷发射到轨道的可重复使用的发射系统的元件。除了用于运输的车辆，该结构可以是静态结构，诸如用于机械或电力发电机的建筑物或罐。
在图1中，所展示的示例是过于简化的底盘101(或其一部分，因为省略了许多结构元件)。底盘101包括用于在压力下储存挥发性氢以便为车辆100的动力系统(未示出)提供能源的罐140，该动力系统可以包括用于通过消耗氢来发电的燃料电池，该燃料电池连接到一个或多个马达，该一个或多个马达受到控制以驱动车辆车轮。底盘101可以是为使用中的车辆100提供结构完整性的任何合适的设计，并且该底盘可以是承载式车身结构、梯子结构、车身框架结构或任何其他合适的结构。
在该示例中，底盘101包括由管状钢形成的前后导轨构件110。轨道构件110由贯穿轴120支撑，贯穿轴自身悬挂在车轮(未示出)之间，从而将底盘101支撑在驱动表面上方。导轨构件110由横梁构件130保持间隔开，这些横梁构件与底盘101的导轨构件110和其他构件机械地互连，使得底盘在使用中承受来自内部载荷和外部载荷的静态力和动态力。例如，当车辆在行驶表面上行驶时，外部载荷施加在结构100上，而内部载荷来自对非活动结构构件的底盘101和车辆100中的载荷的支撑。例如，底盘101支撑并承受处于使用中的车辆的动力系统的内部载荷。后横梁130由用于在压力下储存氢燃料气体的罐140提供。在该示例中，罐140被示出为具有球形端部的大致圆柱形形状，但这不是限制性的，并且罐140被形成为呈现该罐要提供的底盘101的结构构件的设计形状。
底盘101可以是承载式车身结构(unibody construction)，并且罐140可以作为该底盘的横梁固定在单体式底盘的下侧。然而，本公开不限于这种布置，并且在其他示例性实施方式中，车辆底盘的一个或多个结构构件可以由这样的罐提供。在其他示例中，底盘可以是承载式车身结构，并且罐形成该底盘的受力构件。在其他示例中，底盘包括子框架(例如，用于支撑燃料电池、悬架或其他部件的框架，该框架安装到单体式车身或其他底盘结构上并且因此是单体式车身或其他底盘结构的一部分)或非承载式车身结构(body-on-frameconstruction)，并且罐形成该底盘的受力构件。
罐140被形成为提供主动承重结构元件作为车辆100的底盘101中的受力构件，使得在处于使用中的车辆100中，罐140承受来自内部载荷和外部载荷的静态力和动态力。
从图2a中可以看出，并且在图2b中可以详细看出，罐140包括形成罐140的中空室145的壁143中的开口141，开口141在使用中被密封，以用于在压力下将挥发性气体(诸如氢)以液体或气体形式保持在室145中。当充满时，室145中的压力的范围可以介于250巴至1000巴之间。在实施方式中，压力可以是300巴至500巴，或者在其他实施方式中，压力可以是800巴至900巴。
罐140极其轻、足够坚硬且牢固，能够在压力下容纳气体并且能够凭借壁143的材料结构形成框架/底盘101的整体结构元件。特别地，壁143由长丝缠绕碳纤维增强聚合物(CFRP)形成，在实施方式中，石墨烯纳米材料填料分散在聚合物粘合剂基质中。壁143也可以由长丝缠绕石墨烯纤维增强聚合物或碳纤维和石墨烯纤维的混合物一起形成。
罐140可以通过长丝缠绕工艺形成，该长丝缠绕工艺将碳纤维长丝围绕心轴147缠绕，以形成罐140所需形状的长丝缠绕部143f，从而提供框架的结构构件(在示例中，底盘101的横梁130)。
在长丝缠绕工艺期间，碳纤维长丝可以在围绕心轴147缠绕之前通过包含聚合物粘合剂的浴槽进行拉伸，使得在已经形成了长丝缠绕部143f之后，聚合物粘合剂形成CFRP复合材料的基质材料。聚合物粘合剂浴槽可以具有分散在其中的石墨烯纳米材料填料，使得石墨烯纳米材料填料分散在所得的基质材料中。替代地或者另外地，在已经形成了长丝缠绕部143f之后，例如通过将长丝缠绕结构浸渍在浴槽中，可以用例如热固性塑料或环氧树脂的树脂浸渍长丝缠绕结构。同样地，该浴槽可以具有分散在其中的石墨烯纳米材料填料。然后使长丝缠绕结构固化和硬化以形成复合基质材料143m，石墨烯纳米材料填料分散在该复合基质材料中并且长丝缠绕部143f可以嵌入该复合基质材料中，从而密封、加强和保持长丝缠绕以形成罐的壁143。在实施方式中，分散在聚合物粘合剂基质中的石墨烯纳米材料填料可以包含石墨烯纳米片。分散在长丝缠绕碳纤维基质中的石墨烯纳米填料提供了轻质的、高耐久的、高强度的罐壁143，该罐壁可以形成为具有设计所要求的形状和机械性能，以足以提供框架(例如，车辆底盘的框架)的主动承重结构元件，同时在压力下稳健地保持挥发性气体。
通常，使用将石墨烯纳米材料填料分散在聚合物粘合剂基质中的长丝缠绕碳纤维增强聚合物作为罐140的壁143，这允许罐140形成为用于在高压下储存诸如氢的挥发性气体的轻质容器，同时还允许罐形成为提供主动承重结构元件作为结构框架中的受力构件，使得在处于使用中的结构中，罐承受来自内部载荷和外部载荷的静态力和动态力。通过由此形成轻质罐，可以使罐足够坚固，使得罐不是被容纳在处于使用中的结构中并由其支撑，而是罐自身可以作为主动承重结构元件被提供作为结构的框架中的受力构件，使得在处于使用中的结构中，罐承受来自内部载荷和外部载荷的静态力和动态力。
这样，轻质罐本身可以形成结构框架的一部分，从而提供作为框架中的结构元件所需的必要强度、刚度和其他机械性能，而不是提供由结构的框架所承受的显著的额外重量。储罐因此取代了原本需要提供的框架的结构元件，并且避免了提供必须被容纳在框架中并由框架支撑的额外的大且重的储氢罐的需要。此外，该结构在压力下容纳大量气体，与其重量形成对比。在实施方式中，罐形成为使得罐在工作压力下装满时的重量为罐在排空时的重量的至少107％。在其他实施方式中，罐形成为使得罐在工作压力下充满时的重量为罐在排空时的重量的至少110％。在另一些实施方式中，罐形成为使得罐在工作压力下充满时的重量为罐在排空时的重量的至少113％。利用这种设计可以实现更高的燃料与罐重量比。
实际上，在实施方式中，罐140可以通过设计而形成为具有框架中的结构元件所需的机械性能，使得该结构符合其所需的规范以实现其机械功能。例如，碳纤维的长丝缠绕模式、壁厚、壁形状或包含分散的石墨烯的聚合物基质的材料性能中的一者或多者可以被设定成使得罐具有结构设计所需的机械性能。例如，缠绕模式可以被设计为给予罐140所需的机械性能(例如，在某些方向上的强度和刚度)，这些机械性能是罐要在框架中提供的结构元件所需的。例如，可以使用高角度环形结构和低角度极性或螺旋模式的组合来给罐提供所需的周向强度或纵向拉伸强度。
挂载点结构149(诸如由钢、钛、铝或CFRP形成的单独的固定部)集成到罐中，以用于机械连接到框架的其他结构元件或用于支撑结构的其他非承重部件。挂载点结构149可以包括集成到长丝缠绕中并由聚合物粘合剂包覆成型或嵌入聚合物粘合剂中的固定部分。
在罐140已经形成之后，可以通过开口141移除心轴147，此后可以密封该开口以允许气体在压力下被填充并被保持在室145中。在其他实施方式中，心轴147可以保持位于罐140内并且被布置成提供用于容纳室145内的气体的衬里，衬里147由壁143保持，这为罐140提供必要的强度。然而，在实施方式中，心轴147被移除，并且罐140被提供用作无衬里V型氢罐。这进一步减轻了重量并且提供了更轻的罐结构。如果提供衬里，则衬里可以由高密度聚乙烯或尼龙形成。
在罐140形成为合适设计以提供结构元件后，该罐就在其预期位置与底盘101的其余部分组装并装配到该底盘的其余部分。在该示例中，罐140被设置为前后导轨110之间的横梁130。罐140可以采取不同的形式并且通过任何合适的固定方法(包括结合、扩散集合、通过机械固定、或固定方法的任何合适的组合)装配到底盘或框架101的其他部分以为该底盘或框架提供结构元件。挂载点149可以用于这样的固定点。
在框架101的原位中，罐140为该框架提供受力构件，使得在处于使用中的结构100中，罐140承受来自内部载荷和外部载荷的静态力和动态力(包括但不限于剪切应力、弯曲应力和扭转应力)。罐140具有足以充当框架101中的结构元件的机械性能，使得结构100作为一个整体符合其所需的规范以实现其机械功能。例如，包括罐140的底盘101可以作为一个整体确保车辆100能够承受车辆100在其正常工作范围内所经受的内力和外力(其中一些力由罐140通过底盘101产生)，从而确保车辆100在其整个可用寿命期间在正常使用中保持其结构完整性。此外，罐140被设计成使得其用作框架101中的主动结构元件对其作为用于在压力下储存挥发性气体的罐的性能(包括安全性、强度和保持气体的能力)没有负面影响。罐140可以直接机械地连接到结构的框架101上以提供框架101的整体结构元件，并且罐可以被特别地设计并被构造成具有足以充当框架101中的结构元件的机械性能。也就是说，罐140可以不是通过由设计成将一些载荷分配给罐的单独的特定形成的结构元件保持或支撑而间接联接到框架中的一般形成的罐，罐和联接结构元件一起形成具有足以用作框架中的结构元件的机械性能的组件。
图3示出了根据本公开的方面的用于在压力下储存挥发性气体的罐340的另一种实施方式，其中提供多个固定件349作为嵌入罐壁中的挂载点结构。固定件349提供与框架的其他结构元件的机械连接或者用于支撑结构的其他非承重部件。例如，固定件349可以用于将罐340直接机械地联接到车辆的底盘中，使得罐340为车辆的底盘提供承重结构元件。
关于固定件349的形成，图4示出了在通过长丝缠绕形成壁343之后图3所示的罐340的一部分的壁343的截面。可以看到，固定件349包括嵌入壁343f的长丝缠绕层中的一个或多个板349p。这里应该注意的是，将板349p嵌入图4所示的壁343f的层中的意图是说明性的，并且除了板349p，围绕壁的连续长丝缠绕由聚合物基质构建并粘合在一起，使得这些层在壁的横截面中是不可分离的。然而，如可以看出，固定件349是通过以下方式形成的：通过围绕心轴缠绕长丝形成CRFP壁的初始层343f，然后在固化之前将稳固板349p放置在层343f的外侧上。稳固板可能已经具有从稳固板远离壁延伸的固定锚接部，或者可移除销350可以设置成位于板343p中的螺纹中。锚接部或可移除销350可以允许容器壁通过在初始板349p上缠绕进一步的CFRP层343f而继续形成，使得稳固板349p变得嵌入到罐壁343中。当壁被长丝缠绕并且添加了另外的层343f时，可以在销上添加额外的稳固板349p，将这些稳固板螺纹连接在位，在长丝缠绕完成并且聚合物基体固化时，一个或多个这样的板349p被提供为嵌入在壁343中。通过以这种方式包括嵌入的稳固板393p，固定件249变得非常坚固。在罐壁343已经被完全缠绕并固化后，可移除的销350就可以被拧松并用固定锚接部或其他合适的固定件代替，这些固定锚接部或者其他合适的紧固件用于将罐340机械地联接到框架的其他结构元件或者用于支撑结构的其他非承重部件。图3和图4中所示的固定件349的布置和形式的意图不是限制性的，并且合适的固定件可以以任何合适的布置嵌入罐的壁343中。
现在参考图5，这示出了根据本公开的方面的用于在压力下储存挥发性气体的罐540的另一种实施方式，其中围绕罐壁提供结构性网状套筒560。结构性网状套筒560是在其中插入罐540的单独形成的部件，结构网为罐提供结构支撑并且有助于罐为其要集成到的框架提供结构元件。网可以由合适的材料制成，这种合适的材料可以包括不锈钢、铝、钛或由树脂和合适的增强材料(诸如碳纤维或玻璃)制成的复合材料。如图5所示，结构性网状套筒560可以从罐壁延伸，并且在结构性网状套筒560上的位置处包括固定件561以用于将罐540连接到框架的其他结构元件或者用于支撑使用中的结构的其他非承重部件。例如，固定件561可以将罐540机械地联接到车辆的底盘，使得罐540提供在处于使用中的底盘的框架中的主动承重结构元件。同样地，结构性网状套筒560和固定件561的布置可以是任何合适的布置，使得罐540提供框架的结构性承重元件。实际上，结构性网状套筒560允许在罐540周围的一系列不同位置中布置一体化固定件，这允许在由包括结构性网状套筒的罐540提供的质量、强度和空间包络方面实现显著的设计灵活性。通过具有网形式，结构性网状套筒560为罐540增加了显著的加强和支撑，将载荷传递到罐壁、从罐壁传递载荷、以及通过罐壁传递载荷，同时还提供了一定程度的灵活性，使得网允许罐在充注和耗尽加压气体时膨胀和收缩。可以指定网形式的构型，使得罐作为整体额定地承受所需的施加载荷(无论是拉伸、压缩、弯曲还是扭转)。为了实现网，可以在网几何形状、网直径、厚度、材料类型以及固定锚接部点的位置和布置方面进行调整。
尽管为了便于表示和理解，结构性网状套筒560在图5中示出为安置于罐540的外部，围绕并支撑罐壁，但在其他实施方式中，为了进一步改善结构性网状套筒560与罐540之间的机械一体化，通过在固化之前将罐540和结构性网状套筒560浸入聚合物粘合剂层中，结构性网状套筒560可以嵌入罐壁中的至少聚合物粘合剂基质中，并且在其他实施方式中，还通过将结构性网状套筒560在长丝缠绕工艺期间围绕罐540放置然后过度缠绕而集成在罐壁的长丝缠绕中，如上面关于图3和图4中的挂载点固定件所描述的。当以这种方式嵌入时，结构性网状套筒560的网状结构提供了大量的结合点，从而在罐540与结构性网状套筒560之间提供了高度的结构一体化。
图6示出了罐640的第二实施方式的沿其纵向轴线剖切的剖视图。罐640包括结构性杆670，该结构性杆在罐中沿其纵向轴线延伸并在罐640的相对的两端处穿过罐壁643。结构性杆670具有固定件671，以用于在使用中将罐连接到结构，使得罐在该结构的框架中提供主动承重结构元件。结构性杆670增加了罐640的结构完整性和罐640对轴向施加到罐的压缩或拉伸载荷的抵抗力。与提供与罐等效的机械性能所需的杆相比，结构性杆670由于与罐640一体化而明显更小且不那么笨重。因此，在该结构的背景下，罐的重量和空间效率是高的。结构性杆670可以由任何合适的材料制成，该材料可以包括不锈钢、铝、钛或由树脂和合适的增强材料(诸如碳纤维或玻璃)制成的复合材料。结构性杆670可以被设计成额定地提供承受在使用中施加到罐640中的结构性杆670上的载荷(无论是拉伸、压缩、弯曲还是扭转)所需的机械性能。为了获得期望的机械性能，可以对结构性杆670在其直径、壁厚、材料、以及固定锚接部点的位置和布置方面的设计进行调整。
如从图6可以看出，罐壁643的长丝缠绕围绕结构性杆670形成，使得结构性杆670嵌入到罐壁643中并且在该结构性杆与罐壁643的连接处被密封以抵抗使用中由加压气体施加的内部压力。为了有助于结构性杆670与壁套环672之间的一体化，在结构性杆670上布置有从结构性杆670径向延伸的凸缘。罐壁643的长丝缠绕在结构性杆670的相对的两端处围绕套环672缠绕，使得罐壁643保持结构性杆670处于压缩状态。这进一步有助于罐640的结构完整性。
从图6中可以看出，为了允许加压气体与罐640以及例如车辆系统以互通方式连通，结构性杆670可以具有限定腔体670c的中空横截面，结构性杆670被构造成当其穿过罐壁643的纵向端部时通过该杆的腔体670c使加压气体与罐以互通方式流体连通。结构性杆670中的孔可以设置在罐640的内部和外部，以允许这种流体连通。压力调节器673可以设置成与杆的腔体670c密封地流体连通，以便将加压气体在罐压力与外部系统压力(诸如，燃料电池电动车辆的加油或燃料电池系统工作的压力)之间转换。
除了储存用于在燃料电池车辆中使用的氢之外，这些罐还具有其他用途，包括用于航空航天和应急车辆应用中的氧气储存罐，储存挥发性和/或对黑色金属或非黑色金属有腐蚀性的气体，以及储存用于航空航天或空间目的的氮气(例如，氮气推进器)。在这些应用中的每种应用中，与传统罐相比，罐减轻了重量，提高了耐用性，增加了安全性，并且能够形成框架的结构部件。
在本说明书的整个描述和权利要求中，词语“包括”和“包含”及其变体意味着“包括但不限于”，并且它们不旨在(并且也不)排除其他部件、整数或步骤。在本说明书的整个描述和权利要求中，单数涵盖复数，除非上下文另有要求。特别地，在使用不定冠词的情况下，说明书应被理解为考虑复数以及单数，除非上下文另有要求。
结合本发明的特定方面、实施方式或示例描述的特征、整数、特性或组应理解为适用于本文描述的任何其他方面、实施方式或示例，除非与其不兼容。本说明书中公开的所有特征(包括任何随附的权利要求、摘要和附图)和/或如此公开的任何方法或过程的所有步骤可以以任何组合进行组合，除非这些特征和/或步骤中的至少一些相互排斥的组合。本发明不限于任何前述实施方式的细节。本发明扩展到本说明书中公开的特征的任何新颖特征或任何新颖特征的组合(包括任何随附的权利要求、摘要和附图)或者扩展到如此公开的任何方法步骤或工艺步骤的任何新颖特征或任何新颖特征的组合。
例如，包括在本文描述的实施方式中以任何适当布置示出的特征的一些组合的罐旨在处于本公开的范围内。例如，罐可以包含分散在聚合物粘合剂基质中的石墨烯纳米材料填料、集成到长丝缠绕中并由聚合物粘合剂包覆成型或嵌入聚合物粘合剂中的一个或多个固定部、围绕罐的结构性网状套筒和/或沿罐的纵向轴线在罐中延伸的结构性杆中的一者或多者。

Claims (26)

1.一种用于在压力下储存挥发性气体的罐，所述罐具有由长丝缠绕碳纤维增强聚合物形成的壁，其中所述罐被形成为提供主动承重结构元件来作为结构的框架中的受力构件，使得在使用中在所述结构中，所述罐承受来自内部载荷和外部载荷的静态力和动态力。
2.根据权利要求1所述的罐，其中，所述壁由长丝缠绕碳纤维增强聚合物制成，其中所述碳纤维增强聚合物具有分散在所述聚合物粘合剂基质中的石墨烯纳米材料填料。
3.根据权利要求1或2所述的罐，其中，所述罐通过设计而形成为具有所述框架中的结构元件所需的机械性能，使得所述结构符合所述结构所需的规范以实现所述结构的机械功能。
4.根据权利要求3所述的罐，其中，碳纤维的长丝缠绕模式、壁厚、壁形状或可选地包含分散的石墨烯纳米材料填料的聚合物基质的材料性能中的一者或多者被设定成使得所述罐具有所述结构的设计所需的机械性能。
5.根据前述权利要求中任一项所述的罐，其中，分散在所述聚合物粘合剂基质中的所述石墨烯纳米材料填料包括石墨烯纳米片。
6.根据前述权利要求中任一项所述的罐，其中，所述聚合物粘合剂是环氧树脂或热固性聚合物。
7.根据前述权利要求中任一项所述的罐，其中，所述罐是无衬里的。
8.根据前述权利要求中任一项所述的罐，其中，所述罐形成为在300巴至1000巴范围内的压力下储存气体。
9.根据前述权利要求中任一项所述的罐，其中，所述罐形成为储存呈液相或气相的压缩的氢、氮或氧。
10.根据前述权利要求中任一项所述的罐，其中，所述罐形成为使得所述罐在操作压力下充满时的重量为所述罐在排空时的重量的至少110％。
11.根据前述权利要求中任一项所述的罐，其中，所述罐形成为提供一个或多个一体化的挂载点，以用于机械连接到所述框架的其他结构元件或用于支撑所述结构的其他非承重部件。
12.根据权利要求11所述的罐，其中，所述挂载点包括集成到长丝缠绕部中并且由所述聚合物粘合剂包覆成型或嵌入所述聚合物粘合剂中的固定部。
13.根据权利要求12所述的罐，其中，所述固定部包括：一个或多个板，嵌入所述壁的长丝缠绕层中；以及一个或多个锚接部，延伸穿过一个或多个所述板并且从所述壁伸出，以提供用于机械连接到所述框架的其他结构元件或用于支撑所述结构的其他非承重部件的固定件。
14.根据前述权利要求中任一项所述的罐，还包括围绕所述罐的结构性网状套筒，所述结构性网状套筒从所述罐壁延伸并且用于在使用中将所述罐联接到所述结构，使得所述罐在所述结构的所述框架中提供主动承重结构元件。
15.根据权利要求14所述的罐，其中，所述结构性网状套筒在所述罐壁的至少聚合物粘合剂基质中嵌入所述罐壁中并且可选地集成在所述罐壁的长丝缠绕部中。
16.根据权利要求14或15所述的罐，所述结构性网状套筒具有一个或多个固定装置，以用于机械连接到所述框架的其他结构元件或用于支撑所述结构的其他非承重部件。
17.根据前述权利要求中任一项所述的罐，还包括结构性杆，所述结构性杆在所述罐中沿着所述罐的纵向轴线延伸并且在所述罐的相对的两端处穿过所述罐壁，所述结构性杆用于在使用中将所述罐联接到所述结构，使得所述罐在所述结构的所述框架中提供主动承重结构元件。
18.根据权利要求17所述的罐，其中，所述罐壁的长丝缠绕部围绕所述结构性杆形成，使得所述结构性杆嵌入在所述罐壁中。
19.根据权利要求17或18所述的罐，其中，在所述杆上布置有多个套环，这些套环均具有从所述杆径向延伸的凸缘，所述罐壁的长丝缠绕部在所述杆的相对的两端处围绕套环缠绕。
20.根据权利要求17、18或19所述的罐，其中，所述杆具有中空横截面，从而限定腔体，所述杆被构造用于以互通的方式与所述罐流体连通，所述罐还包括压力调节器，所述压力调节器设置成与所述杆的所述腔体密封地流体连通，以使加压气体在罐压力与外部系统压力之间转换。
21.一种结构，包括用于承受来自内部载荷和外部载荷的静态力和动态力的框架，所述框架包括根据前述权利要求中任一项所述的罐，所述罐是被构造为所述框架中的受力构件的主动承重结构元件。
22.根据权利要求21所述的结构，其中，所述罐被构造用于在使用中在所述结构内传递静态力和动态力。
23.根据权利要求21或22所述的结构，其中，所述结构是车辆，并且所述框架是所述车辆的底盘，并且其中所述罐用于储存加压燃料以用于在使用中将加压燃料传递到车辆的动力系统。
24.根据权利要求23所述的结构，其中，在使用中，包括所述罐的所述底盘支撑并承受所述车辆的动力系统的内部载荷。
25.根据权利要求23或24所述的结构，其中，所述底盘为承载式车身结构，并且所述罐形成所述底盘的受力构件。
26.根据权利要求23或24所述的结构，其中，所述底盘包括子框架或非承载式车身结构，并且所述罐形成所述底盘的受力构件。
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