储存和分配氢氧燃气到燃料电池的燃料油箱 【发明背景】
1.发明领域
本发明总的涉及一种储存和分配气态燃料到燃料电池驱动汽车的燃料油箱，尤其是涉及一种容纳两种气态燃料并将它们分配到这种汽车上的燃料油箱。
2.相关技术的描述
现代运输需要广泛使用长途运输车辆，诸如汽车、货车、卡车等。目前，这类车辆由以汽油和柴油为燃料的发动机驱动。这类燃料的使用已引起了两个明显的缺点。第一，这类燃料的全球供给是有限的，此类燃料的国际控制使得它们的价格和有效性变得无法确定。此类燃料的第二个缺点是它们对环境的不利影响。人们通常认为，内燃机内的汽油或柴油燃烧所释放的碳氢化合物气体对环境是不利的。
因此，在未来需要使用一种由替代燃料驱动的车辆。由燃料电池驱动的车辆已经是公知的了，燃料电池利用各种燃气发动，从而产生电流而使驱动车辆的电机工作。美国专利4,826,741中就描述了这种燃料电池。作为此类燃料电池车辆的实例，美国专利5,193,635和5,250,368均描述了带有燃料电池系统的车辆，它们使用的是金属氢化物蓄电池。然而，它们并没有揭示出类似于本发明中的、金属氢化物形成车辆的结构部分地具有高压气瓶的蓄电池配置。
发明概要
本发明提供了一种容纳两种气态燃料成分并将它们分配到机动车上的燃料油箱。这种燃料油箱所独有的是其物理结构包括一车辆结构的负重件。该特点使得燃料油箱能被置于不会占用车上通常供乘客和/或货物使用的空间的地方，同时保证充足的燃料携带能力，从而获得经济可行的车辆行程。本发明的燃料油箱将提供储存车上燃料电池的工作所需要的燃料成分的装置。驱动车辆的燃料电池是一种电化学装置，它将燃料或燃料燃烧的化学能直接转变成电能和热能。例如，在质子交换薄膜(PEM)燃料电池(也称作聚合物电解质燃料电池)中，氧和氢被输送到燃料电池而产生电流以及热量和水。许多燃料电池串联在一起，从而提供功率足以驱动整个或部分车辆系统的动力源。本发明还可用来为使用此类燃气的其它类型的燃料电池提供氢和氧。此类燃料电池的另一种是碱性燃料电池。
本发明的燃料油箱由一定数量(取决于车辆的尺寸和/或结构)的、容纳诸如氧之类的气态燃料成分的圆筒形压缩气瓶构成，这些气瓶固定于一外燃料油箱或箱体中，该外燃料箱体是与车辆负重结构成一体的部分。压缩气体瓶外部周围、外燃料油箱或箱体内的空间主要填充有通常呈粉状的金属氢化物材料。金属氢化物是能够在相对较低的压力下以金属/氢络合物的形式储存大量氢的合金。氢可与这些合金起可逆反应，吸收/放出氢气。氢可以通过加热而从金属氢化物中释放出来，其中热量可以(部分地)由燃料电池的工作而产生，并通过对流和/或传导传递到燃料油箱内的金属氢化物。
压缩气体瓶利用围绕在它们周围的金属氢化物材料(粉末)而固定在外燃料油箱或箱体内，从而防止它们相对移动，防止在诸如碰撞之类的冲击过程中不良的移位。
因此，本发明将提供一种在车上储存足量的氧和氢，从而足以驱动一质子交换薄膜(PEM)燃料电池或其它诸如碱性燃料电池(AFC)之类的燃料电池的装置，这些电池将为车辆的推进和/或其它辅助设备提供电源。
因此，本发明的一个方面是为车辆提供一种双气体燃料油箱，其中油箱形成与车辆构架成一体的结构件。
本发明的另一个方面是为双燃料驱动车辆提供一种同时容纳氢和其它气体的燃料油箱。
本发明的又一个方面是提供一种双燃料油箱，其中一些充有氧的管状高压燃料气瓶保持在油箱外侧的一箱体之内，该油箱箱体形成与车架成一体的结构件，圆筒形燃气瓶与外侧箱体的内壁之间的空间容纳金属氢化物。
本发明的还有一个方面是为燃料电池驱动车辆提供一种双气体燃料油箱，其中容纳氧的多个高压燃气瓶在结构上保持在燃料油箱箱体内。这形成了车架的一个结构件。金属氢化物粉末填充在燃料油箱箱体内壁与氧气瓶之间的空间内。
本发明的特征新颖性的各种不同的特点将由所附的、构成本揭示的一部分的权利要求作具体的阐明。为便于更好地理解本发明及其使用所能达到的操作上的优点，下面将参照附图和示出本发明一较佳实施例的素材来进行描述。
附图简述
附图中：
图1是一后轮驱动的燃料电池驱动车辆的仰视图，示出了本发明的双气体燃料油箱的一个实施例；
图2是沿图1的2-2线局部剖开的端视图；
图3是沿图2的3-3线局部剖开的侧视图；
图4是一后轮驱动的燃料电池驱动车辆的仰视图，示出了本发明的双气体燃料油箱的实施；
图5是图4所示的实施例沿5-5线局部剖开的端视图；
图6是本发明一实施例的俯视示意图，其中后轮驱动燃料电池驱动车辆的一单个燃料油箱箱体内保持有多个圆柱形的组合燃料气瓶；
图7是图6所示的实施例的侧视图；
图8是与图6相类似的本发明的另一实施例的俯视示意图，它用于前轮驱动燃料电池驱动车辆；
图9是图8所示的实施例的侧视图；
图10是燃料油箱组件切去一部分后的立体图，示出了圆柱形的组合燃料气瓶嵌于双气体燃料油箱中的金属氢化物粉末内的形式。
较佳实施例的描述
参照附图，首先是参照图1，可以看到，标号10总的表示后轮驱动式燃料电池驱动车辆的车架。车架10具有一对侧栏或侧梁12、14，它们由彼此隔开的侧向延伸的横梁16、18、20互相连接。右侧和左侧的台阶凹陷24、26可以以标准的方式车架10的两侧而设置。作为常规汽车的一部分，还具有一排气管28，它沿车架10的一侧延伸，从而与一消音器30互相连接，该消音器上有一尾管32延伸出来。按多少有点标准的形式，在后轮驱动车辆中，驱动轴34在中央处沿车架10的底部延伸于一传动装置和一差动组件之间。
按照本发明的一个实施例，车架10的下方固定有一对双气体燃料油箱40、42，它们与车架成一体。燃料油箱40、42具有不锈钢的结构，其设计使得油箱的重量在机动车所合理的限度之内，并预防因所携带的燃料和油箱组件的工作环境而造成腐蚀。诸如全合成的或玻璃纤维增强的材料之类先进材料也可以使用。在每个燃料油箱40、42内有一些压缩气体瓶43，它们也是由全合成的或玻璃纤维增强的瓶制成，这些瓶可以是铝，或是用塑料衬里。以公知的方式对这些瓶装歧管，使它们向车辆的燃料电池供气。燃气瓶43与燃料油箱40、42之间的空间45填充有一种金属氢化物，诸如镍(Ni)或镧(La)合金。虽然任何含氢的化学复合物均可称作氢化物，但术语氢化物通常是专门指氢和金属的合成物。一氢化锂LiH是盐类氢化物的一个例子。这种类型的氢化物具有离子特性，通常认为它由一金属阳离子和一氢阴离子构成。氢和硼可合成一系列称作硼烷的氢化物。衍生物硼氢化钠作为一种选择性还原剂在有机化学中是非常重要的。
在标准的车辆结构中，每一个侧栏或侧梁12、14总是具有连续的长度。然而，按照本发明，侧梁12、14在接纳燃料油箱40、42的区域被除去，其结构上由油箱本身所代替。如图1-3所示，外罩构架槽梁36焊接于燃料油箱40或形成与其成一体的部分，而外罩构架槽梁38也同样制成燃料油箱42的一体部分。然后，将外罩槽梁36、38分别接纳并焊接于侧梁或构架梁12、14的各个端部。将构架外罩槽梁36、38焊接和固定于构架梁12、14和燃料油箱40、42的实际操作很容易为本技术领域的技术人员所认识和理解。
将可以理解，本发明设想用槽梁36、38将侧梁或构架梁12、14容纳于其中，如图所示。但也可以想象到，槽梁36、38可容纳于侧梁12、14所形成的槽内。在这两种情况下，本技术领域的技术人员会理解，侧梁12、14的连续延伸可通过将各燃料油箱40、42设置在中间而实现，这样就通过设置构架外罩槽梁36、38而实现了与燃料油箱40、42连续并成一体的侧梁结构。当然，梁36、38与相应侧梁12、14之间的覆盖程度从某种程度上说可决定构架组件10的总的整体性。
如果需要的话，槽梁36、38与侧梁12、14之间的外罩的接合可以进一步通过提供一跨过该接合并固定于各相应的槽梁36、38和侧梁12、14上的板来加强。为此，已经发现，可以将厚度约为0.25英寸的金属坯料板用螺钉或用其它方法固定于接合处上。本技术领域的技术人员将会理解，侧梁12、14由钢制成，其厚度约为0.125英寸，因此，槽梁36、38最好也用类似的材料制成。
同样是作为本发明的一部分而提供的并对燃料油箱增加附加支承的是固定于车底板76上的窄板44、46、48、50。如图2所示，窄板44在其端部具有腿部或凸缘80，窄板48的端部具有腿部或凸缘78。当然，窄板46、50在它们的端部也具有类似的凸缘。凸缘78、80可以焊接、螺钉连接或用其它方法固定于车底板76上，为燃料油箱40、42提供进一步的支承。
再注意一下图2和图3可以发现，沿各燃料油箱40、42的长度方向焊接或用其它合适方法连接有一角钢64，该角杆也焊接或用其它合适方法连接于底板76。本技术领域的技术人员现在会很容易理解，双燃料油箱40、42不仅仅是作为侧栏或侧梁12、14的一体部分而提供的，而且也是作为底板76的一体部分而提供的。因此，虽然侧栏或侧梁12、14看上去因装入了燃料油箱40、42而变得不连续，但由如上所述的大尺寸金属制成的燃料油箱的存在却可增加车架10的强调和整体性。
还有，燃料油箱40、42具有非圆形的截面。提供这种截面基本呈矩形的燃料油箱，可以使燃料油箱的容量达到最大，从而增大气瓶43周围容纳金属氢化物用的空间。燃料油箱40、42的棱边最好是倒圆的，如图所示。
下面参照图4和图5，可以看到，本发明的原理可以很容易地用前轮驱动的燃料电池驱动车辆来实施。这里，车架侧栏或侧梁12’、14’由横梁16’、18’、20’互相连接，并以普通的方式设置有一排气管28’、消音器30’和尾管32’。由于前轮驱动车辆不需要驱动轴，因此可以采用单个的一大尺寸的双燃料油箱70。这样，里面就可以放置更多的压缩气体瓶43。而且，在本发明的较佳实施例中，油箱70的结构与油箱40、42的相类似，基本上采用相同的材料、焊接技术等，以确保必要的结构整体性和承受上述压力的能力。所公知的歧管配置和选择燃料转换也与对燃料油箱40、42的描述相似。
如图4和图5所示，构架外罩槽梁36、38也是焊接于燃料油箱70和相应的各侧栏12’、14’上。在这种情况下，油箱70不仅可确保各侧栏12’、14’的连续性，而且还可用来使它们互相连接。另外，窄板72通过焊接、螺钉连接或其它方式固定于车底板84上，并且可用来为油箱70提供垂直支承。还具有角钢74，它横穿于燃料油箱70前后方向的中部，同时焊接于油箱70上和底板84上。因此，燃料油箱70不仅仅是构架的侧栏12’、14’的一体部分，而且也为底板84提供了强度和刚性，进一步使底板84与车架的其余部分互相连接。
如以上所提供的，构架外罩槽梁36、38可以是容纳侧栏12’、14’的各端的类型，或者，可以制成为容纳于侧栏12’、14’的槽内。这两种设想均预计为本发明的一部分。
用金属或复合材料来制造燃料油箱；如上所述，燃料油箱不仅起到车辆的构架部件的作用，而且具有足够的强度以抵抗来自配置等的冲击。因此，本发明可确保车辆结构的整体性，提高安全性和环境方面的相容性。
如图6和图7所示，标号100总的表示一种变化后的后轮驱动的燃料电池驱动车辆的车架。如以上对于图1-5所提供的，车架100具有合适的侧栏或侧梁102、104，它们带有横梁，这些都是本技术领域的技术人员所理解和熟悉的。在图6和图7所示的较佳实施例中，发动机106通过一驱动轴108与一位于车辆后轮处的差动装置110互相连接。轮轴112从差动装置110延伸到与后驱动轮114彼此驱动连接的位置。当然，车辆的下方保持有一合适的消音器116和排气系统的其它部分等，如图所示。
按照本发明，由先进的复合材料制成或是其它诸如金属或纤维强化玻璃纤维之类的合适结构的双气体燃料油箱箱体118，是以与以上参照图1-5所描述的燃料油箱相同的方式来安装。也就是说，如以上所讨论的，燃料油箱箱体118成为车架的一体部分，它与侧栏或侧梁102、104互相连接。当然，可以理解，由于驱动轴108从发动机106延伸到差动装置110，并且燃料油箱箱体118是设置在它们之间，因此，必须有供驱动轴108通过的空间。关于这一点，或者可按以上参照图1和图2所描述的那样来提供两个油箱箱体，或者可将燃料油箱箱体118构造成具有一适当的槽之类的部分，用以供驱动轴108通过。在任何情况下，燃料油箱箱体118均与构架部件102、104互相连接，并且适当地焊接或用其它方式连接和固定于车底板120，正如本文的前面所描述的。
在较佳实施例中，对于具有多个圆筒形气瓶122的双气体燃料油箱箱体118，使用的是压缩氧气。每个气瓶122与前面所描述的气瓶43类似，具有一圆筒形的本体件124和半球形的端盖126。
类似于气瓶43的圆筒形气瓶122最好是由压力容器所通常使用的复合材料构成，使其足以保持以上所述的压力。诸如石墨、碳或硼复合物之类的纤维强化复合材料适合于实施本发明。同样，目前用作压力容器的纤维绕制结构也是适用的。诸如玻璃纤维绕制结构之类的纤维增强塑料可提供足够的强度来容纳氧气或压缩气体燃料瓶内所必需的高压。
圆筒气瓶122和气瓶43最好是嵌套或用其它方法保持于燃料油箱箱体118内，这将在下面参照图10来更具体地描述。套巢128由金属氢化物来提供，以容纳和保持圆筒气瓶122。金属氢化物容纳于氧气瓶周围的开放区域内，它最好是呈粉末状，以一种公知的方式通过加热来为车辆提供氢。
每个圆筒气瓶122和43互连有一合适的歧管130。因此，一单个的入口阀132可以与歧管互相连接，用于对圆筒气瓶122充气，同时一单个的出口阀134可以与歧管互相连接，以将氧气送至燃料电池。
如图8和图9所示，双气体燃料油箱箱体保持多个圆筒形复合结构的高压气瓶的概念还可以用于前轮驱动车辆上。车架总的由标号140表示，它也表示为具有侧栏或侧梁142、144和根据需要的合适的横梁。发动机146通过一合适的传动轴或类似件连接于前轮(未示出)而驱动它们。同样，后轮148安装于后轴150的两相对端，车的下方也设置有一消音器和合适的排气系统152。
与图6和图7所示的实施例一样，复合材料结构的燃料油箱箱体154的安装方式与以上参照图1-7所描述的相似，通过使其与侧栏142、144相连并适当地固定于底板156，从而构成车架的一体部分。燃料油箱箱体154内保持有如以上所述的合适复合材料的圆筒形高压气瓶158，这些气瓶通过一合适的歧管160互相连接。与图6和图7所示的实施例一样，一合适的入口阀162允许对圆筒形气瓶158进行充气，同时一单个的出口阀164可供气体从气瓶158通入车上的燃料电池。当然，阀162、164与歧管160互相连接。
可以理解，在前轮驱动车辆的场合下，可用一单个的燃料油箱箱体154来容纳所有的圆筒形气瓶158，无需将燃料油箱箱体154构造成可容纳驱动轴。
下面参照图10，可以看到，图1-9的实施例中所采用的这种类型的燃料油箱组件总的由标号170表示。如图所示，合瓣设计的油箱半部172、174构造成里面可容纳多个复合或金属材料的气瓶178并进而可用合适的焊接176或其它沿油箱组件的周边延伸的密封来封闭。复合或金属材料的气瓶178具有以上所描述的特征，具有圆筒形的中部和半球形或准球形的端盖。本技术领域的技术人员将会理解，歧管130、160与气瓶178的半球形端部互相连接，因为对普通的气瓶厚度来说，半球形端部处的应力通常为它们之间的圆筒形气瓶部分中的应力的一半。因此，对气瓶的任何侵袭，其在半球形端部处对气瓶整体性的结构冲击要远小于在圆筒体部分处所造成的。
气瓶178容纳于由金属氢化物所形成的套巢180、182内，如图所示。在一较佳实施例中，金属氢化物粉末可用作吸震材料。显然，这种结构可以用于以上所描述的双气体燃料油箱。
本技术领域的技术人员将很容易理解，使用诸如上述的气瓶122、158、178之类的高压圆筒形复合气瓶，可允许燃料油箱箱体118、154以及172、174用比其它实施例中所采用的尺寸薄得多的金属制成。其结果是重量、材料成本降低，产品可靠性和耐久性提高。
由于能同时携带两种不同的气体，并且能用作车辆的负载件从而允许其设置在车上不会供乘客和/或货物使用的部位，因此，本发明的双气体燃料油箱显得非常有利。这种油箱的燃料携带量足以获得接近或大于传统的单液体或气体燃料车辆所能达到的行程。该油箱对于诸如出入于市区的运输车之类的车辆来说是较为理想的，因为频繁的加燃料周期是不合适和不经济的。
虽然以上详细示出和描述了本发明的具体实施例，以说明发明的运用和原理，但本技术领域的技术人员在看了以上的描述后可以进行一定的变化和改进。因此可以理解，所有的这些变化和改进均为了简明性和可读性的缘故在本文中被省略，但它们却适当地落于所附权利要求书的范围之内。