專利名稱：具有改善熱阻的陶瓷化聚合物的壓力容器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種容器，尤其涉及一種壓力容器，其具有由可模制材料形成的中空內(nèi)殼，在內(nèi)殼上形成的中間殼，和在中間殼上形成的外殼，外殼浸漬有適用于當(dāng)接觸熱能時(shí)形成圍繞外層的陶瓷層的陶瓷化材料。
背景技術(shù)：
燃料電池已被提議作為一種電動汽車和其他應(yīng)用的動力源。在質(zhì)子交換膜(PEM) 型燃料電池中，氫氣作為燃料提供給燃料電池的陽極以及氧氣作為氧化劑提供給燃料電池的陰極。在燃料電池組中多個燃料電池疊放在一起以形成燃料電池系統(tǒng)。燃料和氧化劑通常儲存在加壓中空容器中，如燃料箱，例如，布置在車輛底盤上。典型的加壓容器10如圖la、Ib和2所示。容器10包括三個殼內(nèi)殼12、形成在內(nèi)殼12上的中間殼14、和形成在中間殼14上的外殼16。內(nèi)殼12通常由聚合物材料形成，如聚乙烯，對苯二甲酸乙二醇聚酯(PET)，乙烯-乙烯醇，或乙烯醋酸乙烯酯共聚物。內(nèi)殼12 也可由可模制材料形成，如金屬、玻璃等等。中間殼14通常由從碳纖維和碳纖維復(fù)合物中的一種通過細(xì)絲纏繞工藝形成并為容器10提供結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。外殼16通常由繞中間殼14纏繞的玻璃纖維形成。外殼16通常浸漬有環(huán)氧樹脂或其他合適的粘合劑以促進(jìn)外殼16與中間殼14的粘合。容器10的內(nèi)殼12通常形成在便于與容器10的內(nèi)部流體連通的終止部的外部或內(nèi)部上。在圖Ia中，終止部是金屬凸起部18。金屬凸起部18與閥門20連通，但是金屬凸起部18也與用于與其他容器配件流體連通(未示出)的任何裝置連通，如泄壓裝置、噴嘴、管
道等等。為了減小熱能對典型的容器的一個或多個內(nèi)殼的影響，金屬殼形成在容器的外殼周圍。這種金屬殼的形成是勞動密集型的、增加了重量、并最大化了容器的裝配和材料成本。開發(fā)一種適應(yīng)于減小熱能對容器的影響的中空壓力容器是可取的，同時(shí)也最小化其裝配和材料成本。

發(fā)明內(nèi)容
與本發(fā)明相一致的，適合于減小熱能對容器的影響，同時(shí)也最小化其裝配和材料成本的中空壓力容器已令人驚訝地被發(fā)現(xiàn)。在一個實(shí)施例中，容器包括由可模制材料形成的內(nèi)殼并在其中形成空腔；中間殼形成在所述內(nèi)殼上；和外殼形成在所述中間殼上，所述外殼浸漬有陶瓷化材料。在另一個實(shí)施例中，容器包括由可模制材料形成的內(nèi)殼并在其中形成空腔；由碳纖維形成的中間殼形成在所述內(nèi)殼上；和由浸漬有陶瓷化材料的玻璃纖維形成外殼，其中陶瓷化材料適合于當(dāng)接觸熱能時(shí)形成圍繞外層的陶瓷層。在另一個實(shí)施例中，容器包括由可模制材料形成的中空內(nèi)殼并在其中形成空腔；第一殼；形成在所述第一殼和所述外殼之間的第第一殼中的陶瓷殼，所述陶瓷殼由浸漬在所述第述陶瓷化材料當(dāng)接觸熱能時(shí)形成所述陶瓷殼。
本發(fā)明還提供了如下方案 方案1. 一種容器，包括 由可模制材料形成并在其中形成空腔的內(nèi)殼； 形成在所述內(nèi)殼上的中間殼；和
形成在所述中間殼上的外殼，所述外殼浸漬有陶瓷化材料。
殼；和形成在所述第一殼上并進(jìn)入所述殼的材料中的陶瓷化材料形成，其中所方案2.
外殼的陶瓷層。方案3.劑。
i
案案案方方方
如方案1的容器，其中陶瓷化材料適合于當(dāng)與熱能接觸時(shí)形成環(huán)繞所述
如方案2的容器，其中熱能的范圍從大約300攝氏度到大約1000攝氏度。
如方案1的容器，其中陶瓷層滲入所述外殼。
如方案4的容器，其中陶瓷層將所述外殼粘合到所述中間殼。
如方案1的容器，其中陶瓷化材料包括聚合物、至少一種耐火礦物和熔
方案7.如方案6的容器，其中陶瓷化材料進(jìn)一步包括功能性添加劑。 方案8.如方案7的容器，其中功能性添加劑是阻燃劑、抑煙劑、發(fā)泡劑、著色劑以及上述添加劑組合中的其中之一。 方案9.如方案6的容器，其中聚合物是三元乙丙橡膠、聚酯、丙烯腈酸酯、氯乙烯、聚烯烴、聚酰胺、上述材料的衍生物、上述材料的共混物、及上述材料的共聚物中的至少
一種。方案10如方案6的容器，其中耐火礦物是陶瓷形成前體物和陶瓷的其中之一。方案11如方案6的容器，其中耐火礦物是硅酸鹽礦物。方案12 如方案11的容器，其中硅酸鹽礦物是粘土和云母的其中之一。方案13 如方案6的容器，其中熔劑包括鉛、硼、鈉、鉀、鋰、鈣、鎂、鋇、鋅、鍶和長石的其中之一。
方案14如方案13的容器，其中長石是鉀長石和鈉長石中的一種。方案15 如方案1的容器，其中所述中間殼由碳纖維形成。方案16 如方案1的容器，其中所述外殼由玻璃纖維形成。方案17一種容器，包括 由可模制材料形成并在其中形成空腔的內(nèi)殼； 由碳纖維形成在所述內(nèi)殼上的中間殼；和
由浸漬有陶瓷化材料的玻璃纖維形成的外殼，其中陶瓷化材料適合于當(dāng)與熱能接觸時(shí)形成環(huán)繞所述外殼的陶瓷層。方案18.如方案17的容器，其中陶瓷化材料包括聚合物、至少一種耐火礦物和熔劑。方案19. 一種容器，包括
由可模制材料形成并在其中形成空腔的中空內(nèi)殼；
第一殼；形成在所述第一殼和所述外殼之間的第二殼；和
形成在所述第一殼上并滲入形成所述第一殼的材料內(nèi)的陶瓷殼，所述陶瓷殼由浸漬在所述第一殼的材料內(nèi)的陶瓷化材料形成，其中當(dāng)與熱能接觸時(shí)所述陶瓷化材料形成所述陶ο方案20.如方案19的容器，其中陶瓷化材料包括聚合物、至少一種耐火礦物和熔劑。


當(dāng)結(jié)合參考附圖，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，本發(fā)明的上述和其它優(yōu)點(diǎn)將從以下優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述中變得顯而易見。圖Ia為現(xiàn)有技術(shù)中已知的容器的部分截面立體圖Ib為圖Ia中由圓b強(qiáng)調(diào)的容器的不完整的橫截面放大視圖； 圖2為圖Ia的容器的橫截面端部正視圖； 圖3為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的容器的橫截面端部正視圖； 圖4為圖3中容器在接觸熱能之后的橫截面端部正視圖。
具體實(shí)施例方式下面詳細(xì)的說明書和附圖描述和闡述了本發(fā)明的各種具體實(shí)施例。說明書和附圖作用為使得本領(lǐng)域技術(shù)人員制造并使用本發(fā)明，且不以任何方式限制本發(fā)明的范圍。在所披露的方法方面，提出的步驟在本質(zhì)上是具體的，因此，這些步驟的順序不是必要或關(guān)鍵的。圖3和圖4說明了中空壓力容器310，其具有內(nèi)殼312、中間殼314和外殼316。如圖la、Ib和2中說明的容器10 —樣，容器310具有大致圓柱的形狀且適合于容納加壓流體 (未示出)?？梢岳斫猓萜?10可以具有所需的任何形狀，且容器310可包括額外的層，如所需的屏障層、箔層、多孔滲透層等等，和共同擁有的申請?zhí)枮?1/847,007的美國專利申請以及申請?zhí)枮?1/956,863的美國專利申請中公開的類似，其因此在這里以整體合并作為參考。加壓流體可以是任意流體，例如，氫氣和氧氣、液體、以及同時(shí)為液體和氣體。容器310的內(nèi)殼312是適合于儲存加壓流體的中空容器，如圖所示，內(nèi)殼312由一層聚合物材料形成，但是內(nèi)殼312也可按要求由多層形成。內(nèi)殼312可通過吹塑、擠出吹塑、 旋轉(zhuǎn)成型或任意其他合適的加工過程形成。在所示實(shí)施例中，內(nèi)殼312大致為圓柱形狀。然而，內(nèi)殼312可具有所需要的任意形狀。如同容器10 —樣，內(nèi)殼312的第一端(未示出)可容納至少一部分凸起部(未示出)。內(nèi)殼312可由塑料形成，如聚乙烯，對苯二甲酸乙二醇聚酯(PET)，乙烯-乙烯醇，或乙烯醋酸乙烯酯共聚物。內(nèi)殼312也可由其他模制材料如金屬、 玻璃等等形成。容器310的中間殼314在內(nèi)殼312和外殼316之間布置內(nèi)殼312上。中間殼314 具有大致圓柱的形狀。如圖所示，中間殼314基本鄰接內(nèi)殼312。中間殼314可由任意可模制的材料形成，如金屬和塑料，例如，或中間殼314可由細(xì)絲纏繞工藝形成。如果中間殼314 通過細(xì)絲纏繞工藝形成，那么中間殼314可例如由碳纖維、玻璃纖維、復(fù)合纖維和具有樹脂涂料的纖維等等形成。可以理解，使用來形成中間殼314的材料可基于用來將中間殼314粘貼到內(nèi)殼312的工藝、容器310的使用以及待儲存在容器310內(nèi)的流體的性質(zhì)來選擇。容器310的外殼316布置在至少一部分中間殼314上。外殼316具有大致圓柱的形狀。如圖3和4所示，外殼316基本鄰接中間殼314。外殼316由浸漬有或以其他方式涂覆有陶瓷化材料322的玻璃纖維通過細(xì)絲纏繞工藝形成。由于陶瓷化材料322，外殼316 具有比典型容器的玻璃纖維外殼更大的厚度，如容器10的外殼16。外殼316也可浸漬有環(huán)氧樹脂以促進(jìn)外殼316與中間殼314的粘合?？梢岳斫猓鈿?16可由碳纖維、復(fù)合纖維、 具有樹脂涂層的纖維和其他任何適合于以細(xì)絲纏繞的材料形成。額外的陶瓷化材料322可通過噴涂工藝、涂覆在工藝、浸蘸工藝以及其他適合于將陶瓷化材料322填充到外殼316的纖維之間的空隙空間的工藝布置在外殼316的表面上。陶瓷化材料322是一種復(fù)合材料，其包括基體、至少一種耐火礦物和熔劑。陶瓷化材料322也可選擇性地包括功能添加劑。在圖3所示的實(shí)施例中，基體是一種聚合物材料， 如聚酯，丙烯腈酸酯，氯乙烯，聚烯烴，聚酰胺，上述材料的衍生物，上述材料的共混物，及上述材料的共聚物。基體也可以是橡膠，如三元乙丙橡膠(EPDM)。耐火礦物可以是陶瓷形成前體物或陶瓷的其中之一，如硅酸鹽礦物。硅酸鹽礦物可以是粘土或云母。熔劑可以是任意用來降低耐火材料的熔點(diǎn)的材料。熔劑可以是鉛、硼、鈉(soda)、鉀、鋰、鈣、鎂、鋇、鋅、鍶和包括上述任意材料的化合物，如二硅酸鉛。熔劑還可以是長石，如鉀長石和鈉長石。功能性添加劑可以是阻燃劑、抑煙劑、發(fā)泡劑、著色劑以及上述添加劑組合中的其中之一。在使用中，容器310連接到燃料電池動力車輛?？梢岳斫?，容器310可連接到以任何方式驅(qū)動的車輛。當(dāng)容器310在正常操作條件下并處于環(huán)境溫度時(shí)，容器310如上所述。 然而，當(dāng)容器310與具有從大約150攝氏度到大約300攝氏度的溫度的熱能接觸時(shí)，聚合物基體降解。當(dāng)聚合物基體降解時(shí)和容器310與溫度從大約300攝氏度到大約1000攝氏度的熱能接觸時(shí)，耐火礦物進(jìn)入液態(tài)相并形成多孔陶瓷殼324，稱為陶瓷化過程，如圖4所示。 陶瓷化涉及處于液態(tài)相的耐火礦物顆粒的粘結(jié)或熔合，以及耐火礦物顆粒的反應(yīng)燒結(jié)。耐火礦物這樣選擇以至于形成的陶瓷當(dāng)與具有溫度從大約750攝氏度到大約1000攝氏度的熱能接觸時(shí)不會發(fā)生收縮。耐火礦物的熔點(diǎn)通過熔劑材料降低以促進(jìn)陶瓷殼324的形成。 熔劑和耐火礦物，以及它們每種使用的量是基于它們每種的性質(zhì)選擇的，以確保液態(tài)相的耐火材料具有所需的粘度且在與溫度從大約300攝氏度到大約1000攝氏度的熱能接觸時(shí)不從外殼316中的空隙空間流走。由于容器310與熱能接觸的結(jié)果，陶瓷殼324圍繞外殼 316形成且陶瓷殼3 滲入外殼316中。陶瓷殼3 適合于最小化容器310的中間殼314 和內(nèi)殼312與熱能接觸。從前面的描述中，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以很容易地確定本發(fā)明的本質(zhì)特征，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍下，可以改變和改進(jìn)本發(fā)明以使其適用于不同的用途和條件。
權(quán)利要求
1.一種容器，包括由可模制材料形成并在其中形成空腔的內(nèi)殼； 形成在所述內(nèi)殼上的中間殼；和形成在所述中間殼上的外殼，所述外殼浸漬有陶瓷化材料。
2.如權(quán)利要求1的容器，其中陶瓷化材料適合于當(dāng)與熱能接觸時(shí)形成環(huán)繞所述外殼的陶瓷層。
3.如權(quán)利要求2的容器，其中熱能的范圍從大約300攝氏度到大約1000攝氏度。
4.如權(quán)利要求1的容器，其中陶瓷層滲入所述外殼。
5.如權(quán)利要求4的容器，其中陶瓷層將所述外殼粘合到所述中間殼。
6.如權(quán)利要求1的容器，其中陶瓷化材料包括聚合物、至少一種耐火礦物和熔劑。
7.如權(quán)利要求6的容器，其中陶瓷化材料進(jìn)一步包括功能性添加劑。
8.如權(quán)利要求7的容器，其中功能性添加劑是阻燃劑、抑煙劑、發(fā)泡劑、著色劑以及上述添加劑組合中的其中之一。
9.一種容器，包括由可模制材料形成并在其中形成空腔的內(nèi)殼； 由碳纖維形成在所述內(nèi)殼上的中間殼；和由浸漬有陶瓷化材料的玻璃纖維形成的外殼，其中陶瓷化材料適合于當(dāng)與熱能接觸時(shí)形成環(huán)繞所述外殼的陶瓷層。
10.一種容器，包括由可模制材料形成并在其中形成空腔的中空內(nèi)殼；第一殼；形成在所述第一殼和所述外殼之間的第二殼；和形成在所述第一殼上并滲入形成所述第一殼的材料內(nèi)的陶瓷殼，所述陶瓷殼由浸漬在所述第一殼的材料內(nèi)的陶瓷化材料形成，其中當(dāng)與熱能接觸時(shí)所述陶瓷化材料形成所述陶ο
全文摘要
本發(fā)明涉及具有改善熱阻的陶瓷化聚合物的壓力容器。本發(fā)明公開了一種盛放加壓流體的容器，該容器具有由可模制材料形成的中空內(nèi)殼，其中形成有空腔，在內(nèi)部容器殼上形成的中間殼，和在所述中間殼上形成的外殼，所述外殼具有形成在其外表面的陶瓷層。
文檔編號H01M8/04GK102163727SQ20111004051
公開日2011年8月24日 申請日期2011年2月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月19日
發(fā)明者A.弗勒利希, M.布呂格爾曼, M.林德納, P.布羅伊爾 申請人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作有限責(zé)任公司