氢气存储系统的传感器集成的玻璃球温度压力泄放装置设计 |
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| 申请号 | CN201410092362.8 | 申请日 | 2014-02-05 | 公开(公告)号 | CN103972530B | 公开(公告)日 | 2016-06-29 |
| 申请人 | 通用汽车环球科技运作有限责任公司; | 发明人 | A·黑泽; | ||||
| 摘要 | 一种用于高压存储容器的TPRD，其包括与激活机构协作的集成压 力 传感器 ；和一种监控对于在 燃料 电池 系统中使用的TPRD的方法。所述TPRD包括可以在打开和关闭 位置 之间移动的释放 活塞 ，其控制气体从燃料存储容器流动通过气体出口端口。所述热激活的激活机构包括气体入 口腔 和具有空气泡的液体填充球。当激活时，所述释放活塞从关闭位置移动到打开位置。所述集成 压力传感器 检测TPRD中的压力。在所述燃料存储容器中的 流体 压力与TPRD中的压力之间的压力差提供所述释放活塞运动被减弱的指示。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于与燃料存储罐一起使用的温度压力泄放装置，所述装置包括： |
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| 说明书全文 | 氢气存储系统的传感器集成的玻璃球温度压力泄放装置设计背景技术[0002] 电化学转换电池(通常称作燃料电池)通过处理反应物(例如，通过氢气和氧气的氧化和还原反应)生产电能。氢气是一种非常有吸引力的燃料，因为其洁净，并能够用在燃料电池中有效率地生产电力。在氢燃料电池作为车辆动力源的发展中，汽车工业已经花费了大量资源。由氢燃料电池提供动力的车辆将比当今采用内燃机的车辆更加高效，并产生更少的排放物。 [0003] 在典型的燃料电池系统中，氢气或富氢气体作为反应物供应到燃料电池的阳极侧，氧气(例如以大气氧的形式)作为反应物供应到燃料电池的阴极侧。燃料电池的一种形式(称作质子交换膜(PEM)燃料电池)已经对于车辆和相关的机动应用显示出特别的前景。PEM燃料电池的电解质层为固体质子传送膜(例如全氟磺酸膜，其商业化示例是Nafion TM)的形式。由电解质层从阴极分开的阳极的存在形成单个的PEM燃料电池；许多这种单个的电池可以组合形成燃料电池组，从而增加了其功率输出。多个电池组可以联接在一起以进一步增加功率输出。 [0004] 用于燃料电池的氢气通常储存在重量轻的高压容器(其耐刺穿)中。这些高压容器通常包括TPRD。所述TPRD与容器的内部流体地连通，并且其配置成当被激活时将容器气体排出。TPRD的激活可响应于紧急情况(例如，在失火的情况下)而发生。激活TPRD允许容器气体从系统中释放。典型的高压容器TPRD包括一次性使用的激活机构，例如，带有空气泡的液体填充球。当加热时，空气泡膨胀，并且一旦达到指定的温度就使液体填充球破裂。当液体填充球破裂时，由完整的球保持在位的释放活塞被释放，从而打开气体释放阀门。之后，气体通过泄放阀门逸出以避免因高温产生的超压状态以及对于系统的相关损坏。 [0005] 在某些情况下，在TPRD的寿命期内，由于机械堵塞(例如腐蚀或者在活塞与壳体之间的其它机械影响)，释放活塞可能变得卡住。当这种情况发生时，释放活塞将不移动(即使液体填充球破裂时)，并且容器气体不能被排出。目前，没有办法监控TPRD的机械堵塞以及相关的释放活塞缺乏可运动性。 发明内容[0006] 根据本公开，示出了一种用于高压存储容器的TPRD。根据本发明的一个实施例，一种用于基于燃料电池的推进系统的氢气存储系统的集成压力传感器TPRD被描述，并且其包括与燃料存储罐一同使用的TPRD。所述TPRD包括壳体，所述壳体具有管道和气体出口端口，借此气体可以从燃料存储罐流动通过所述壳体。释放活塞(其设置在所述管道内)能在打开和关闭位置之间移动。当所述释放活塞位于关闭位置时，气体不能从所述燃料存储罐流动通过所述气体出口端口。TPRD内的激活机构包括气体入口腔和具有空气泡的液体填充球。当燃料存储罐中的温度上升，空气泡就会膨胀并使球破裂，以允许释放活塞从关闭位置移动到打开位置。与所述激活机构协作的压力传感器，可以检测在燃料存储罐中流体的压力与由释放活塞施加在球上的压力或者由于燃料存储罐内的压力而施加在释放活塞上的压力之间的压力差(这取决于压力传感器的位置)。当检测到这种压力差时，产生信号以提供释放活塞的运动被减弱的指示。 [0007] 根据本发明的另一个实施例，描述了一种燃料电池系统。所述系统包括由多个燃料电池组成的燃料电池组，燃料电池每个均包括用以接收载氢流体的阳极，用以接收载氧流体的阴极，以及与所述阳极和阴极协作以在其之间传递至少一种催化电离反应物的介质。所述燃料电池系统包括如上所示和描述的燃料存储容器和集成压力传感器TPRD。 [0008] 根据本发明的另一个方面，描述了一种监控对于在机动车燃料电池系统中使用的TPRD的方法。所述方法包括在燃料存储罐中存储气体，并通过检测在燃料存储罐中的气体与TPRD中的压力之间的压力差来确定释放活塞的可运动性。所述TPRD(其与所述燃料存储罐流体连通)包括相邻定位的压力传感器、释放活塞以及液体填充球。附图说明 [0009] 当结合下面的附图阅读时，本发明优选实施例的以下详细描述能够被最佳地理解，其中，相同的结构用相同的附图指示表示，并且其中： [0010] 图1是具有燃料电池推进系统的车辆的透视剖断图； [0011] 图2是图1中车辆的底盘的简化底部视图，其突出显示了根据本发明一个方面的TPRD的象征性布置，以及其在燃料电池推进系统中的布置； [0012] 图3是根据本公开的TPRD系统的简化视图； [0013] 图4是根据本公开的TPRD系统的替代实施例的简化视图；以及 [0014] 图5是根据本公开的被激活的TPRD系统的简化视图。 具体实施方式[0015] 本发明的实施例包括具有TPRD的高压容器，所述TPRD与高压容器的内部联接，所述高压容器配置成在激活所述TPRD时排出容器中所包含的气体(容器气体)。TPRD的激活可以响应于高压容器中温度的上升而发生，并且其允许容器气体从所述系统中释放。包含空气泡的液体填充球将气体释放活塞保持在位。所述空气泡(其与所述容器气体热连通)在达到指定的温度时膨胀并使得液体填充球破裂，从而释放所述释放活塞，这继而打开气体释放阀门。之后，气体通过所述气体释放阀门逸出以避免超压状态。为了检测释放活塞的可运动性，压力传感器可位于液体填充球和释放活塞之间，或者所述液体填充球可位于所述释放活塞和压力传感器之间。当所述压力传感器位于所述液体填充球和释放活塞之间时，所述压力传感器检测由于容器中的气体压力而由释放活塞施加的压力。当所述液体填充球位于所述压力传感器和所述释放活塞之间时，所述压力传感器检测由于容器中的气体压力而由释放活塞施加在液体填充球上的压力。如果该检测到的压力与气体容器中的压力(远程地检测)不同(即存在压力△)，这表明容器气体不能达到活塞或者所述活塞不再与所述液体填充球接触，因为在管道中存在堵塞。这样的堵塞阻止活塞移动(即使在使液体填充球破裂或相关地被移除时)。 [0016] 根据这里示出并描述的实施例，首先参考图1，示出了车辆2。车辆2(例如，小汽车，公交车，卡车，或者摩托车)包括基于燃料电池的推进系统100，其由从燃料电池组200中接收其电功率的电动机150构成，所述燃料电池组200包括多个单独的燃料电池。在优选形式中，所述推进系统100是基于氢气的，并可以包括一个或多个燃料存储气体容器210，220(这里为象征性地示出，以及在图2中更加详细地示出)，以及功率变换器或相关电子设备300，电气存储装置(例如，蓄电池310，超级电容器或类似物)和对其操作提供控制的控制器，以及任何数量的阀门、压缩机、管道、温度调节器和其他辅助设备。燃料存储气体容器210，220的象征性描述并不意味着表示特定的形状、尺寸或相关配置，并且本领域技术人员将理解的是，这种特征可以取决于图2中所示底盘2的配置性需要而调整。 [0017] 任何数量不同类型的燃料电池可用于构成推进系统100的电池组200；这些电池可以是金属氢化物的、碱性的、动电的(electrogalvanic)或其它变型。在一个优选的(但不是必需的)形式中，燃料电池是上面讨论的PEM燃料电池。电池组200包括多个这种燃料电池，其串联和/或并联组合以便产生更高的电压和/或电流场。从推进系统100所产生的电功率之后可直接供应至电动机150，或存储在蓄电池310、电容器或相关的电气存储装置(未示出)中，以供车辆2以后使用。 [0018] 接下来参考图2，对于高压氢气存储罐的罐安装布置示出了车辆2的底盘1，其四个车轮5安装到由管状钢的纵向取向部分制成的框架10上。框架10为底盘1的大部分存有(remaining)部件以及车辆2的车身提供主要的结构支撑；框架10固有的许多负荷承载能力应归于其尺寸、形状、材料选择和本领域技术人员理解的相关设计属性。如图1所示的基于燃料电池的推进系统100可以设置在底盘1中任何适宜的位置，例如，在图中左侧示出的前轮5之间。对于在基于燃料电池的推进系统100中使用的气体燃料存储在一个或多个气体容器中，这里也称作燃料存储罐210，220。在图2所描述的型式中，一对这样的罐包括较大的主气体容器210和较小的次气体容器220。容器210，220二者都可以采用公知的器件(例如交叉杆30，条带40以及手柄50)而固定在底盘1上。将理解的是，任何罐安装布置、基于燃料电池系统的推进系统、或者高压罐存储系统可以与本发明兼容。 [0019] 现在参考图3，示出了在气体容器210，220中的TPRD4。TPRD4与气体容器210，220的内部流体连通，并配置成当被促动时排出在气体容器210，220中的气体。所述TPRD4包括壳体6，所述壳体6具有管道8和气体出口端口12，其配置成允许气体从气体容器210，220流动通过壳体6。释放活塞14可滑动地设置在管道8(图5中所示)内，当TPRD4被促动时，所述释放活塞14可以在关闭位置(如目前所示出的)和打开位置之间移动。当达到预定的温度时，所述TPRD4可被促动。当释放活塞14位于关闭位置(如图3中所示)时，气体不能经由管道8离开气体出口端口12而从气体容器210，220流动到环境大气中，因为释放活塞14将管道8和气体出口端口12二者都堵塞住了。但是，当释放活塞14从关闭位置移动到打开位置(如图5中所示)时，管道8和气体出口端口12二者都没有被堵塞，从而允许容器气体从气体容器210，220流动通过壳体6。所述TPRD4还包括压力传感器16和激活机构18。所述激活机构18包括至少一个气体入口腔22和具有空气泡的液体填充球24。来自气体容器210，220的气体穿过气体入口腔22以使得液体填充球24暴露在气体容器210，220内的环境中。当气体容器210，220中的温度上升时，空气泡膨胀并且使得液体填充球24破裂，这允许释放活塞14移动通过管道8并且进入由液体填充球腾出的空间中。这样就疏通了管道8和气体出口端口12二者，并允许气体从气体容器210，220流动通过管道8并经由出口端口12流出到大气中。该移动允许气体从气体容器210，220释放出来，防止了由于温度上升(通常由于在气体容器210，220中或周围失火造成)而产生的超压状态。所述激活机构18设置在保护盖26中，所述保护盖26将液体填充球24与气体容器210，220的环境隔离开。 [0020] 为了确定释放活塞14的可运动性，将TPRD4中的压力与气体容器210，220中的压力比较。在TPRD4中的压力和气体容器210，220中的压力之间检测到压力差指示释放活塞14是不可运动的。集成的压力传感器16允许在线监控释放活塞14在已装配的TPRD4中的可运动性。该安全特征允许监控系统的寿命。压力传感器16、释放活塞14和液体填充球24相邻地(即按次序)定位(也就是，以压力传感器16，释放活塞14和液体填充球24为接触地顺次定位)。 [0021] 在图3所示的实施例中，压力传感器16设位于释放活塞14和液体填充球24之间。压力传感器16检测由于气体容器210，220中的压力而由释放活塞14施加的压力。如果释放活塞14没有被堵塞(即，其能够沿着箭头指示的方向移动，而非因为腐蚀、磨损、损坏或其他障碍而“冻结”在原地)，由释放活塞14施加在压力传传感器16上的压力将与气体容器210，220中的压力相同(即，遍及系统的压力将是相等的)。然而，如果释放活塞14被堵塞或以其他方式被阻止移动，在气体容器210，220中的压力和由释放活塞14施加的压力之间将存在压力差。这可能是因为某种机械堵塞阻止来自气体容器210，220的气体到达释放活塞14。这以指示出，即使液体填充球24破碎，释放活塞14也不能移动，并且因而将不从关闭位置移动到打开位置。这阻止了超压状态和系统相关损坏的不履行以在紧急情况下将气体容器210，220排空。 [0022] 在图4中所示的本公开的替代实施例中，液体填充球24位于压力传感器16和释放活塞14之间。压力传感器16检测由释放活塞14施加在液体填充球24上的压力。如上面参考图3所讨论的，如果释放活塞14自由移动，由释放活塞14施压的压力将与气体容器210，220中的压力相同，即，遍及系统的压力将是相等的。如果压力传感器16在气体容器210，220中的压力与由释放活塞14施加在液体填充球24上的压力之间检测到压力差，这指示出着释放活塞14是不能移动的。 [0023] 图5示出了如上面参考图3所描述的TPRD4，其中，释放活塞14已在液体填充球24破裂时，从关闭位置移动到打开位置。在释放活塞14没有堵塞的情况下，当温度上升到足以使得液体填充球24中的空气泡膨胀时，液体填充球24将破裂并允许释放活塞14前进到曾经由液体填充球24占据的空间中。这打开了出口端口12，并允许气体通过管道8排出并经由出口端口12离开气体容器210，220。这防止了超压状态，以及由气体容器210，220中建立的压力所造成的对系统的相关损坏。 [0024] 在一种形式中，控制器320可以联接到TPRD4的压力传感器16，以接收所感测的压力信号以及提供输出信号(例如，压力差或与TPRD4操作相关的异常操作状态的指示)。本领域技术人员将理解的是，这种控制器(其可以是可编程逻辑控制器(PLC)的形式)包括数字处理能力，所述数字处理能力设计(通过适当的接口)成接收输入信号并通过中央处理单元(CPU)产生输出控制信号。这种控制器还可包括其上存储有计算机可执行指令的计算机可读介质。还将理解的是，这种控制器可构成较大控制系统的一部分，所述控制系统能够用于与推进系统10o的各个部件通信，以便协调它们的运行以及提供在车辆2与乘客、驾驶员或其他用户之间的信息接口。 |
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