氫氣存儲系統(tǒng)的傳感器集成的玻璃球溫度壓力泄放裝置設(shè)計的制作方法
【專利摘要】一種用于高壓存儲容器的TPRD，其包括與激活機(jī)構(gòu)協(xié)作的集成壓力傳感器；和一種監(jiān)控對于在燃料電池系統(tǒng)中使用的TPRD的方法。所述TPRD包括可以在打開和關(guān)閉位置之間移動的釋放活塞，其控制氣體從燃料存儲容器流動通過氣體出口端口。所述熱激活的激活機(jī)構(gòu)包括氣體入口腔和具有空氣泡的液體填充球。當(dāng)激活時，所述釋放活塞從關(guān)閉位置移動到打開位置。所述集成壓力傳感器檢測TPRD中的壓力。在所述燃料存儲容器中的流體壓力與TPRD中的壓力之間的壓力差提供所述釋放活塞運(yùn)動被減弱的指示。
【專利說明】氫氣存儲系統(tǒng)的傳感器集成的玻璃球溫度壓力泄放裝置設(shè)計
【背景技術(shù)】
[0001]本發(fā)明總體上涉及用于高壓存儲容器的溫度壓力泄放裝置(TPRD)，并且更具體地，涉及用于燃料存儲系統(tǒng)的集成壓力傳感器TPRD。
[0002]電化學(xué)轉(zhuǎn)換電池(通常稱作燃料電池)通過處理反應(yīng)物(例如，通過氫氣和氧氣的氧化和還原反應(yīng))生產(chǎn)電能。氫氣是一種非常有吸引力的燃料，因?yàn)槠錆崈?，并能夠用在燃料電池中有效率地生產(chǎn)電力。在氫燃料電池作為車輛動力源的發(fā)展中，汽車工業(yè)已經(jīng)花費(fèi)了大量資源。由氫燃料電池提供動力的車輛將比當(dāng)今采用內(nèi)燃機(jī)的車輛更加高效，并產(chǎn)生更少的排放物。
[0003]在典型的燃料電池系統(tǒng)中，氫氣或富氫氣體作為反應(yīng)物供應(yīng)到燃料電池的陽極偵牝氧氣(例如以大氣氧的形式)作為反應(yīng)物供應(yīng)到燃料電池的陰極側(cè)。燃料電池的一種形式(稱作質(zhì)子交換膜(PEM)燃料電池)已經(jīng)對于車輛和相關(guān)的機(jī)動應(yīng)用顯示出特別的前景。PEM燃料電池的電解質(zhì)層為固體質(zhì)子傳送膜(例如全氟磺酸膜，其商業(yè)化示例是Naf ionTM)的形式。由電解質(zhì)層從陰極分開的陽極的存在形成單個的PEM燃料電池；許多這種單個的電池可以組合形成燃料電池組，從而增加了其功率輸出。多個電池組可以聯(lián)接在一起以進(jìn)一步增加功率輸出。
[0004]用于燃料電池的氫氣通常儲存在重量輕的高壓容器(其耐刺穿)中。這些高壓容器通常包括TPRD。所述TPRD與容器的內(nèi)部流體地連通，并且其配置成當(dāng)被激活時將容器氣體排出。TPRD的激活可響應(yīng)于緊急情況(例如，在失火的情況下)而發(fā)生。激活TPRD允許容器氣體從系統(tǒng)中釋放。典型的高壓容器TPRD包括一次性使用的激活機(jī)構(gòu)，例如，帶有空氣泡的液體填充球。當(dāng)加熱時,空氣泡膨脹,并且一旦達(dá)到指定的溫度就使液體填充球破裂。當(dāng)液體填充球破裂時，由完整的球保持在位的釋放活塞被釋放，從而打開氣體釋放閥門。之后，氣體通過泄放閥門逸出以避免因高溫產(chǎn)生的超壓狀態(tài)以及對于系統(tǒng)的相關(guān)損壞。
[0005]在某些情況下，在TPRD的壽命期內(nèi)，由于機(jī)械堵塞(例如腐蝕或者在活塞與殼體之間的其它機(jī)械影響)，釋放活塞可能變得卡住。當(dāng)這種情況發(fā)生時，釋放活塞將不移動(即使液體填充球破裂時)，并且容器氣體不能被排出。目前，沒有辦法監(jiān)控TPRD的機(jī)械堵塞以及相關(guān)的釋放活塞缺乏可運(yùn)動性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]根據(jù)本公開，示出了一種用于高壓存儲容器的TPRD。根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，一種用于基于燃料電池的推進(jìn)系統(tǒng)的氫氣存儲系統(tǒng)的集成壓力傳感器TPRD被描述，并且其包括與燃料存儲罐一同使用的TPRD。所述TPRD包括殼體，所述殼體具有管道和氣體出口端口，借此氣體可以從燃料存儲罐流動通過所述殼體。釋放活塞(其設(shè)置在所述管道內(nèi))能在打開和關(guān)閉位置之間移動。當(dāng)所述釋放活塞位于關(guān)閉位置時，氣體不能從所述燃料存儲罐流動通過所述氣體出口端口。TPRD內(nèi)的激活機(jī)構(gòu)包括氣體入口腔和具有空氣泡的液體填充球。當(dāng)燃料存儲罐中的溫度上升，空氣泡就會膨脹并使球破裂，以允許釋放活塞從關(guān)閉位置移動到打開位置。與所述激活機(jī)構(gòu)協(xié)作的壓力傳感器，可以檢測在燃料存儲罐中流體的壓力與由釋放活塞施加在球上的壓力或者由于燃料存儲罐內(nèi)的壓力而施加在釋放活塞上的壓力之間的壓力差(這取決于壓力傳感器的位置)。當(dāng)檢測到這種壓力差時，產(chǎn)生信號以提供釋放活塞的運(yùn)動被減弱的指示。
[0007]根據(jù)本發(fā)明的另一個實(shí)施例，描述了一種燃料電池系統(tǒng)。所述系統(tǒng)包括由多個燃料電池組成的燃料電池組，燃料電池每個均包括用以接收載氫流體的陽極，用以接收載氧流體的陰極，以及與所述陽極和陰極協(xié)作以在其之間傳遞至少一種催化電離反應(yīng)物的介質(zhì)。所述燃料電池系統(tǒng)包括如上所示和描述的燃料存儲容器和集成壓力傳感器TPRD。
[0008]根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，描述了一種監(jiān)控對于在機(jī)動車燃料電池系統(tǒng)中使用的TPRD的方法。所述方法包括在燃料存儲罐中存儲氣體，并通過檢測在燃料存儲罐中的氣體與TPRD中的壓力之間的壓力差來確定釋放活塞的可運(yùn)動性。所述TPRD(其與所述燃料存儲罐流體連通)包括相鄰定位的壓力傳感器、釋放活塞以及液體填充球。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]當(dāng)結(jié)合下面的附圖閱讀時，本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的以下詳細(xì)描述能夠被最佳地理解，其中，相同的結(jié)構(gòu)用相同的附圖指示表示，并且其中:
[0010]圖1是具有燃料電池推進(jìn)系統(tǒng)的車輛的透視剖斷圖；
[0011]圖2是圖1中車輛的底盤的簡化底部視圖，其突出顯示了根據(jù)本發(fā)明一個方面的TPRD的象征性布置，以及其在燃料電池推進(jìn)系統(tǒng)中的布置；
[0012]圖3是根據(jù)本公開的TPRD系統(tǒng)的簡化視圖；
[0013]圖4是根據(jù)本公開的TPRD系統(tǒng)的替代實(shí)施例的簡化視圖；以及
[0014]圖5是根據(jù)本公開的被激活的TPRD系統(tǒng)的簡化視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015]本發(fā)明的實(shí)施例包括具有TPRD的高壓容器，所述TPRD與高壓容器的內(nèi)部聯(lián)接，所述高壓容器配置成在激活所述TPRD時排出容器中所包含的氣體(容器氣體)。TPRD的激活可以響應(yīng)于高壓容器中溫度的上升而發(fā)生，并且其允許容器氣體從所述系統(tǒng)中釋放。包含空氣泡的液體填充球?qū)怏w釋放活塞保持在位。所述空氣泡(其與所述容器氣體熱連通)在達(dá)到指定的溫度時膨脹并使得液體填充球破裂，從而釋放所述釋放活塞，這繼而打開氣體釋放閥門。之后，氣體通過所述氣體釋放閥門逸出以避免超壓狀態(tài)。為了檢測釋放活塞的可運(yùn)動性，壓力傳感器可位于液體填充球和釋放活塞之間，或者所述液體填充球可位于所述釋放活塞和壓力傳感器之間。當(dāng)所述壓力傳感器位于所述液體填充球和釋放活塞之間時，所述壓力傳感器檢測由于容器中的氣體壓力而由釋放活塞施加的壓力。當(dāng)所述液體填充球位于所述壓力傳感器和所述釋放活塞之間時，所述壓力傳感器檢測由于容器中的氣體壓力而由釋放活塞施加在液體填充球上的壓力。如果該檢測到的壓力與氣體容器中的壓力(遠(yuǎn)程地檢測)不同(即存在壓力Λ )，這表明容器氣體不能達(dá)到活塞或者所述活塞不再與所述液體填充球接觸，因?yàn)樵诠艿乐写嬖诙氯?。這樣的堵塞阻止活塞移動(即使在使液體填充球破裂或相關(guān)地被移除時)。
[0016]根據(jù)這里示出并描述的實(shí)施例，首先參考圖1，示出了車輛2。車輛2(例如，小汽車，公交車，卡車，或者摩托車)包括基于燃料電池的推進(jìn)系統(tǒng)100，其由從燃料電池組200中接收其電功率的電動機(jī)150構(gòu)成，所述燃料電池組200包括多個單獨(dú)的燃料電池。在優(yōu)選形式中，所述推進(jìn)系統(tǒng)100是基于氫氣的，并可以包括一個或多個燃料存儲氣體容器210，220 (這里為象征性地示出，以及在圖2中更加詳細(xì)地示出)，以及功率變換器或相關(guān)電子設(shè)備300，電氣存儲裝置(例如，蓄電池310，超級電容器或類似物)和對其操作提供控制的控制器，以及任何數(shù)量的閥門、壓縮機(jī)、管道、溫度調(diào)節(jié)器和其他輔助設(shè)備。燃料存儲氣體容器210，220的象征性描述并不意味著表示特定的形狀、尺寸或相關(guān)配置，并且本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解的是，這種特征可以取決于圖2中所示底盤2的配置性需要而調(diào)整。
[0017]任何數(shù)量不同類型的燃料電池可用于構(gòu)成推進(jìn)系統(tǒng)100的電池組200 ;這些電池可以是金屬氫化物的、堿性的、動電的(electrogalvanic)或其它變型。在一個優(yōu)選的(但不是必需的)形式中，燃料電池是上面討論的PEM燃料電池。電池組200包括多個這種燃料電池，其串聯(lián)和/或并聯(lián)組合以便產(chǎn)生更高的電壓和/或電流場。從推進(jìn)系統(tǒng)100所產(chǎn)生的電功率之后可直接供應(yīng)至電動機(jī)150，或存儲在蓄電池310、電容器或相關(guān)的電氣存儲裝置(未示出)中，以供車輛2以后使用。
[0018]接下來參考圖2，對于高壓氫氣存儲罐的罐安裝布置示出了車輛2的底盤1，其四個車輪5安裝到由管狀鋼的縱向取向部分制成的框架10上?？蚣?0為底盤I的大部分存有(remaining)部件以及車輛2的車身提供主要的結(jié)構(gòu)支撐；框架10固有的許多負(fù)荷承載能力應(yīng)歸于其尺寸、形狀、材料選擇和本領(lǐng)域技術(shù)人員理解的相關(guān)設(shè)計屬性。如圖1所示的基于燃料電池的推進(jìn)系統(tǒng)100可以設(shè)置在底盤I中任何適宜的位置，例如，在圖中左側(cè)示出的前輪5之間。對于在基于燃料電池的推進(jìn)系統(tǒng)100中使用的氣體燃料存儲在一個或多個氣體容器中，這里也稱作燃料存儲罐210，220。在圖2所描述的型式中，一對這樣的罐包括較大的主氣體容器210和較小的次氣體容器220。容器210，220 二者都可以采用公知的器件(例如交叉桿30，條帶40以及手柄50)而固定在底盤I上。將理解的是，任何罐安裝布置、基于燃料電池系統(tǒng)的推進(jìn)系統(tǒng)、或者高壓罐存儲系統(tǒng)可以與本發(fā)明兼容。
[0019]現(xiàn)在參考圖3，示出了在氣體容器210，220中的TPRD4。TPRD4與氣體容器210，220的內(nèi)部流體連通，并配置成當(dāng)被促動時排出在氣體容器210，220中的氣體。所述TPRD4包括殼體6，所述殼體6具有管道8和氣體出口端口 12，其配置成允許氣體從氣體容器210，220流動通過殼體6。釋放活塞14可滑動地設(shè)置在管道8 (圖5中所示)內(nèi)，當(dāng)TPRD4被促動時，所述釋放活塞14可以在關(guān)閉位置(如目前所示出的)和打開位置之間移動。當(dāng)達(dá)到預(yù)定的溫度時，所述TPRD4可被促動。當(dāng)釋放活塞14位于關(guān)閉位置(如圖3中所示)時，氣體不能經(jīng)由管道8離開氣體出口端口 12而從氣體容器210，220流動到環(huán)境大氣中，因?yàn)獒尫呕钊?4將管道8和氣體出口端口 12 二者都堵塞住了。但是，當(dāng)釋放活塞14從關(guān)閉位置移動到打開位置(如圖5中所示)時，管道8和氣體出口端口 12 二者都沒有被堵塞，從而允許容器氣體從氣體容器210，220流動通過殼體6。所述TPRD4還包括壓力傳感器16和激活機(jī)構(gòu)18。所述激活機(jī)構(gòu)18包括至少一個氣體入口腔22和具有空氣泡的液體填充球24。來自氣體容器210，220的氣體穿過氣體入口腔22以使得液體填充球24暴露在氣體容器210，220內(nèi)的環(huán)境中。當(dāng)氣體容器210，220中的溫度上升時，空氣泡膨脹并且使得液體填充球24破裂，這允許釋放活塞14移動通過管道8并且進(jìn)入由液體填充球騰出的空間中。這樣就疏通了管道8和氣體出口端口 12 二者，并允許氣體從氣體容器210，220流動通過管道8并經(jīng)由出口端口 12流出到大氣中。該移動允許氣體從氣體容器210，220釋放出來，防止了由于溫度上升(通常由于在氣體容器210，220中或周圍失火造成)而產(chǎn)生的超壓狀態(tài)。所述激活機(jī)構(gòu)18設(shè)置在保護(hù)蓋26中，所述保護(hù)蓋26將液體填充球24與氣體容器210, 220的環(huán)境隔尚開。
[0020]為了確定釋放活塞14的可運(yùn)動性，將TPRD4中的壓力與氣體容器210，220中的壓力比較。在TPRD4中的壓力和氣體容器210，220中的壓力之間檢測到壓力差指示釋放活塞14是不可運(yùn)動的。集成的壓力傳感器16允許在線監(jiān)控釋放活塞14在已裝配的TPRD4中的可運(yùn)動性。該安全特征允許監(jiān)控系統(tǒng)的壽命。壓力傳感器16、釋放活塞14和液體填充球24相鄰地(即按次序)定位(也就是，以壓力傳感器16，釋放活塞14和液體填充球24為接觸地順次定位)。
[0021 ] 在圖3所示的實(shí)施例中，壓力傳感器16設(shè)位于釋放活塞14和液體填充球24之間。壓力傳感器16檢測由于氣體容器210，220中的壓力而由釋放活塞14施加的壓力。如果釋放活塞14沒有被堵塞(即，其能夠沿著箭頭指示的方向移動，而非因?yàn)楦g、磨損、損壞或其他障礙而“凍結(jié)”在原地)，由釋放活塞14施加在壓力傳傳感器16上的壓力將與氣體容器210，220中的壓力相同(即，遍及系統(tǒng)的壓力將是相等的)。然而，如果釋放活塞14被堵塞或以其他方式被阻止移動，在氣體容器210，220中的壓力和由釋放活塞14施加的壓力之間將存在壓力差。這可能是因?yàn)槟撤N機(jī)械堵塞阻止來自氣體容器210，220的氣體到達(dá)釋放活塞14。這以指示出，即使液體填充球24破碎，釋放活塞14也不能移動，并且因而將不從關(guān)閉位置移動到打開位置。這阻止了超壓狀態(tài)和系統(tǒng)相關(guān)損壞的不履行以在緊急情況下將氣體容器210，220排空。
[0022]在圖4中所示的本公開的替代實(shí)施例中，液體填充球24位于壓力傳感器16和釋放活塞14之間。壓力傳感器16檢測由釋放活塞14施加在液體填充球24上的壓力。如上面參考圖3所討論的，如果釋放活塞14自由移動，由釋放活塞14施壓的壓力將與氣體容器210,220中的壓力相同，即，遍及系統(tǒng)的壓力將是相等的。如果壓力傳感器16在氣體容器210，220中的壓力與由釋放活塞14施加在液體填充球24上的壓力之間檢測到壓力差，這指示出著釋放活塞14是不能移動的。
[0023]圖5示出了如上面參考圖3所描述的TPRD4，其中，釋放活塞14已在液體填充球24破裂時，從關(guān)閉位置移動到打開位置。在釋放活塞14沒有堵塞的情況下，當(dāng)溫度上升到足以使得液體填充球24中的空氣泡膨脹時，液體填充球24將破裂并允許釋放活塞14前進(jìn)到曾經(jīng)由液體填充球24占據(jù)的空間中。這打開了出口端口 12，并允許氣體通過管道8排出并經(jīng)由出口端口 12離開氣體容器210，220。這防止了超壓狀態(tài)，以及由氣體容器210，220中建立的壓力所造成的對系統(tǒng)的相關(guān)損壞。
[0024]在一種形式中，控制器320可以聯(lián)接到TPRD4的壓力傳感器16，以接收所感測的壓力信號以及提供輸出信號(例如，壓力差或與TPRD4操作相關(guān)的異常操作狀態(tài)的指示)。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解的是，這種控制器(其可以是可編程邏輯控制器(PLC)的形式)包括數(shù)字處理能力，所述數(shù)字處理能力設(shè)計(通過適當(dāng)?shù)慕涌?成接收輸入信號并通過中央處理單元(CPU)產(chǎn)生輸出控制信號。這種控制器還可包括其上存儲有計算機(jī)可執(zhí)行指令的計算機(jī)可讀介質(zhì)。還將理解的是，這種控制器可構(gòu)成較大控制系統(tǒng)的一部分，所述控制系統(tǒng)能夠用于與推進(jìn)系統(tǒng)IOo的各個部件通信，以便協(xié)調(diào)它們的運(yùn)行以及提供在車輛2與乘客、駕駛員或其他用戶之間的信息接口。
[0025]盡管為了闡釋本發(fā)明之目的，已經(jīng)示出了某些代表性的實(shí)施例和細(xì)節(jié)，而對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說顯而易見的是，在沒有偏離由所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明范圍的情況下，可以做出各種改變。
【權(quán)利要求】
1.一種用于與燃料存儲罐一起使用的溫度壓力泄放裝置，所述裝置包括: 殼體，所述殼體具有允許氣體從所述燃料存儲罐流動通過所述殼體的管道和氣體出口端口，以及釋放活塞，所述釋放活塞設(shè)置在所述管道中，能夠在打開和關(guān)閉位置之間移動，以便當(dāng)處于關(guān)閉位置時，氣體不能從所述燃料存儲罐流動到所述氣體出口端口 ； 激活機(jī)構(gòu)，其包括氣體入口腔和具有空氣泡的液體填充球，其中，當(dāng)所述燃料存儲罐中的溫度上升時，所述空氣泡膨脹并使得所述球破裂，以便允許所述釋放活塞當(dāng)所述球破裂時從關(guān)閉位置移動到打開位置；以及 壓力傳感器，其與所 述激活機(jī)構(gòu)協(xié)作，以使得當(dāng)檢測到在所述燃料存儲罐中流體的壓力與在由所述釋放活塞施加在所述球上的壓力和由于所述燃料存儲罐中的壓力而施加在所述釋放活塞上的壓力中的至少一個之間的壓力差時，產(chǎn)生信號以提供所述釋放活塞的運(yùn)動被減弱的指示。
2.權(quán)利要求1所述的溫度壓力泄放裝置，其中，所述激活機(jī)構(gòu)設(shè)置在保護(hù)蓋中。
3.權(quán)利要求1所述的溫度壓力泄放裝置，其中，所述球位于所述壓力傳感器和所述釋放活塞之間。
4.權(quán)利要求1所述的溫度壓力泄放裝置，其中，所述壓力傳感器位于所述釋放活塞和所述液體填充球之間。
5.一種燃料存儲罐，包括權(quán)利要求1所述的溫度壓力泄放裝置。
6.一種燃料電池系統(tǒng)，包括: 燃料電池組，其包括多個燃料電池，所述燃料電池每個均包括用以接收載氫流體的陽極，用以接收載氧流體的陰極，以及與所述陽極和所述陰極協(xié)作以在其之間傳遞至少一種催化電離反應(yīng)物的介質(zhì)； 與所述陽極流體連通的陽極流動路徑； 與所述陰極流體連通的陰極流動路徑；以及 燃料存儲罐，其包括 燃料存儲罐； 與所述燃料存儲罐一起使用的溫度壓力泄放裝置，所述裝置包括: 殼體，所述殼體具有允許氣體從所述燃料存儲罐流動通過所述殼體的管道和氣體出口端口，以及釋放活塞，所述釋放活塞設(shè)置在所述管道中，能夠在打開和關(guān)閉位置之間移動，以便當(dāng)處于關(guān)閉位置時，氣體不能從所述燃料存儲罐流動到所述氣體出口端口 ； 激活機(jī)構(gòu)，其包括氣體入口腔和具有空氣泡的液體填充球，其中，當(dāng)所述燃料存儲罐中的溫度上升時，所述空氣泡膨脹并使得所述球破裂，以便允許所述釋放活塞當(dāng)所述球破裂時從關(guān)閉位置移動到打開位置；以及 壓力傳感器，其與所述激活機(jī)構(gòu)協(xié)作，以使得當(dāng)檢測到在所述燃料存儲罐中流體的壓力與在 (a)由所述釋放活塞施加在所述球上的壓力和 (b)由于所述燃料存儲罐中的壓力而施加在所述釋放活塞上的壓力 中的至少一個之間的壓力差時，產(chǎn)生信號以提供所述釋放活塞的運(yùn)動被減弱的指示。
7.一種用于監(jiān)控在高壓存儲容器中的溫度壓力泄放裝置的方法，包括: 在燃料存儲罐中存儲氣體；通過檢測在所述燃料存儲罐中的氣體與溫度壓力泄放裝置中的壓力之間的壓力差來確定釋放活塞的可運(yùn)動性，其中，所述溫度壓力泄放裝置與所述燃料存儲罐流體連通，并且包括相鄰定位的壓力傳感器、釋放活塞和液體填充球。
8.權(quán)利要求7所述的方法，其中， 所述壓力傳感器位于所述釋放活塞和所述液體填充球之間。
9.權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述液體填充球位于所述壓力傳感器和所述活塞之間。
【文檔編號】H01M8/24GK103972530SQ201410092362
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年2月5日 優(yōu)先權(quán)日:2013年2月5日
【發(fā)明者】A·黑澤 申請人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作有限責(zé)任公司