CN113056631B - 用于氢压力容器的制造方法、压力容器以及具有氢压力容器的机动车 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于制造氢压力容器（1）的方法，该方法具有以下步骤：a）提供具有内侧面（3）和外侧面（4）的金属容器（2）；b）借助于用氧等离子体进行的表面处理和/或借助于在含氧氛围下进行的表面热处理在容器（2）的内侧面（3）上构造含氧的氧化层（5）；c）在低压方法中尤其在0.1至100 Pa、优选0.1至10 Pa的压力下给所述金属容器（2）的内侧面（3）的、在方法步骤b）中所构造的氧化层（5）涂覆扩散阻挡层（20），其中在方法步骤c）中通过涂覆获得的扩散阻挡层（20）要么被构造为由至少一个能够拉伸的中间层（6）和至少一个高密度的阻挡层（7）所构成的交替的层结构（21），要么被构造为梯度层（8），其中所述梯度层（8）具有从能够拉伸的材料到高密度的材料的优选连续的梯度；d）获得所述氢压力容器（1）。

Description

用于氢压力容器的制造方法、压力容器以及具有氢压力容器 的机动车
技术领域
本发明涉及一种用于制造氢压力容器的方法。
本发明还涉及一种氢压力容器。
此外，本发明还涉及一种具有氢压力容器的机动车。
背景技术
氢压力容器由现有技术已知。由钢构成的并且具有由钢和要么碳纤维增强塑料（CFK）、铝CFK要么塑料CFK构成的材料配对的、用于在直至700 巴的压力下压力储存氢或者用于储存使用中的和/或呈金属氢化物形式的氢的压力罐同样由现有技术、像比如由德国公开文献DE 10 2013 113 208 Al已知。
发明内容
本发明提供一种氢压力容器，所述氢压力容器相对于由现有技术已知的氢压力容器具有如下优点，即所述氢压力容器具有较小的成本并且此外相对于根据现有技术的由碳纤维增强的塑料/玻璃纤维增强的塑料构成的氢压力容器具有较小的氢损失。此外，提供与高的储存容积相关的至少700 巴的内压的高抗压强度。此外，根据本发明的氢压力容器相对于根据现有技术的氢压力容器具有较小的重量。由于在氢储箱的装填和排空时出现的高负荷而重复出现的材料拉伸（Materialdehnung）的问题也通过高密度的阻挡层和能够拉伸的中间层的特别有利的组合来得到解决。通过简单的结构措施解决了前述问题，而在此不会出现值得一提的缺点。根据本发明，设置以下步骤：
a）提供尤其具有圆筒形的或球形的形状的金属容器，所述金属容器具有内侧面和外侧面，
b）借助于用氧等离子体进行的表面处理和/或借助于在含氧氛围下进行的表面热处理在容器的内侧面上构造含氧的氧化层，
c）在低压方法中，尤其在0.1到100 Pa、优选0.1到10 Pa的压力下给所述金属容器的内侧面的、在方法步骤b）中所构成的氧化层涂覆扩散阻挡层，
其中在方法步骤c）中通过涂覆获得的扩散阻挡层要么
- 被构造为由至少一个能够拉伸的中间层和至少一个高密度的阻挡层构成的交替的层结构，要么
- 被构造为梯度层，其中所述梯度层具有从能够拉伸的材料到高密度的材料的优选连续的梯度，其中优选所述在根据方法步骤b）构成的氧化层上的梯度以高密度的材料开始并且以能够拉伸的材料结束、或者特别优选在所构成的氧化层上以高密度的材料开始、过渡为能够拉伸的材料并且以高密度的材料结束，
d）获得所述氢压力容器。
用于制造根据本发明的氢压力容器的方法的突出之处特别是在于，能够在小的重量和低的成本下将在氢储存在根据本发明的氢压力容器中的期间的氢损失保持低水平，其中所述氢压力容器在此具有超过700 巴的高抗压强度，伴随着高储存容积。尤其地，由于根据本发明的氢压力容器的低的氢渗透性，通过金属容器的金属基材的使用与内涂层的组合实现了低的氢损失。通过处于里面的涂层实现了这一点，即：降低对基材的由氢引起的损伤。换句话说，通过处于里面的扩散阻挡层实现了氢较少地吸收到金属容器中的效果。通过由能够拉伸的材料与高密度的材料和要么交替的层结构要么梯度层构成的组合，在由例如运行压力波动和/或温度波动引起的感生（induzieren）的应力中避免了涂层中的裂纹形成，其中这些波动例如可能在装填和排空氢储箱时出现。换言之，通过由能够拉伸的材料与高密度的材料和要么交替的层结构要么梯度层构成的组合，防止尤其是不同的层之间的应力裂纹，从而防止通过不同的层产生的阻挡作用的损失。此外，通过特别有利地构成的梯度层，该梯度层以高密度的材料开始、过渡为能够拉伸的材料并且以高密度的材料结束，来构造或提供特别有抵抗能力的扩散阻挡层。此外，该制造方法是特别经济的，因为所述金属容器在低压方法中借助于优选中空喷枪（Hohllanze）被用作过程反应器、配对电极和衬底。通过对用于金属容器的合金钢进行的有针对性的改性以及对于围绕着金属容器或氢压力容器的可选的碳纤维加固件和/或玻璃纤维加固件（Armierung）的特别有利的选择，能够实现氢压力容器的制造，所述氢压力容器在注意或考虑到诸如渗透密封性、运行压力、环境条件的运行要求的情况下相对于由现有技术已知的氢压力容器实现了重量和成本的降低、尤其是显著的降低。此外，如已经提到的一样，通过氢压力容器与可选的加固件的组合，能够进一步提高所述氢压力容器的强度。
在本发明的一种改进方案中规定，在方法步骤a）中提供的金属容器通过金属的扁平产品的成型来制造和/或获得。这尤其具有以下优点，即：在成型时能够注意到应用情况的特殊要求或者对其作出反应。
此外优选规定，在方法步骤a）中提供的金属容器用多个层、优选在外面用由碳钢或低合金钢构成的层并且此外优选在里面用由不锈钢构成的层来制造。这尤其具有以下优点，即：以简单的方式方法改进了强度、尤其是针对由于金属容器中的波动的氢压力而引起的机械作用的强度以及相对于氢对金属容器的化学作用的抵抗力。
此外优选规定，在方法步骤a）中提供的金属容器在其内侧面和/或外侧面上制造有优选附加的阻挡材料或优选附加的阻挡层、尤其是扩散阻挡层，其中所述内侧面和/或外侧面优选具有一种以上的优选附加的阻挡材料或优选附加的阻挡层、尤其是扩散阻挡层。这尤其具有的优点是，能够以简单的方式方法来进一步改进阻挡作用。
在本发明的另一种改进方案中规定，为了改进扩散阻挡作用，对于在方法步骤a）中提供的金属容器来说来提高或提高了材料使用量、尤其是金属材料。这具有的优点是，能够以简单的方式方法提高所述氢压力容器的扩散阻挡作用。
此外优选规定，所述至少一个能够拉伸的中间层具有10至200 nm、优选50至150nm、特别优选80至120 nm的层厚度。该实施方式尤其具有以下优点，即：通过根据本发明的所规定的层厚度能够提供一种针对由现有技术已知的缺点特别有利地构造的氢压力容器。
此外优选规定，所述至少一个高密度的阻挡层具有10至30 nm、优选15至25 nm、特别优选18至22 nm的层厚度。该实施方式尤其具有以下优点，即：通过根据本发明的所规定的层厚度能够提供一种针对由现有技术已知的缺点特别有利地构造的氢压力容器。
此外优选规定，层结构以高密度的阻挡层开始并且所述层结构以高密度的阻挡层结束。
此外优选规定，为了在低压方法中根据方法步骤c）优选借助于中空喷枪进行涂覆而使用由六甲基二硅醚（HMDSO）和优选分子氧构成的混合物，其中优选地，六甲基二硅醚与氧的比例对于能够拉伸的中间层来说为1比0到1比4并且对于高密度的阻挡层来说为至少10比1。该实施方式尤其具有以下优点，即：通过在所述方法的期间调整六甲基二硅醚和氧之间的比例这种方式能够可变地调整，是应该产生和/或提供能够拉伸的中间层还是应该产生和/或提供高密度的阻挡层。
此外优选规定，在方法步骤a）中提供的金属容器在紧接在方法步骤a）之后的方法步骤al）中并且在方法步骤b）之前被调温到至少23℃、优选至少300℃、特别优选至少400℃的温度，并且所述金属容器也在方法步骤c）的期间、优选在方法步骤b）和c）的期间被调温到该温度。通过这种实施例尤其能够实现的是，不仅通过提高的温度在所施加的层中感生压应力，所述压应力阻止在氢压力容器的运行中或使用中的拉应力，而且通过在施加层的期间提高的分子可运动性来降低所施加的层中的缺陷密度和缺陷大小。
此外优选规定，借助于电容式耦合的高频等离子体、优选射频等离子体使所述至少一个能够拉伸的中间层沉积。该实施方式尤其具有以下的优点，即：产生前体的混合物的、尤其是气体混合物的低裂解。
此外优选规定，在微波等离子体中利用在金属容器与用于进行沉积的中空喷枪之间的、优选在使用电容式耦合的激励的情况下产生的电应力使所述至少一个高密度的阻挡层沉积。由此实现这一点，即：用于涂覆的气体通过电应力以比在纯微波等离子体中更高的程度被裂解并且所产生的带电的气体分子在前往金属容器的路径上被加速，使得所述气体分子以提高的动能撞击在金属容器上，因此以所述金属容器或在所述金属容器的表面上施加的氧化层的较小的缺陷密度实现了特别紧密（innig）的复合结构。
此外优选规定，所获得的氢压力容器在该氢压力容器的外侧面上设有加固件，其中所述金属容器的外侧面与所述氢压力容器的外侧面是相同的，其中所述加固件由一个或多个由碳纤维和/或玻璃纤维以及塑料构成的复合层所组成。通过围绕着所述氢压力容器设置加固件的方式，除了所述金属容器的金属的强度之外，还能够通过所述加固件实现提高的强度，其中所述加固件由于其作为碳纤维加固件和/或玻璃纤维加固件的构造而额外地具有小的重量。
在本发明的一种改进方案中规定，根据方法步骤b）的氧化层和/或根据方法步骤c）的扩散阻挡层具有10nm以下、优选5nm以下的表面粗糙度Ra。
此外优选规定，根据方法步骤b的氧化层和/或根据方法步骤c的扩散阻挡层没有表面缺陷、尤其是污物颗粒、孔或刮痕。
此外优选规定，所述氢压力容器被设立用于使得该氢压力容器适合于在固定的运行中或在具有马达的车辆、像比如机动车或载重汽车中使用。
此外，本发明涉及一种按照根据本发明的制造方法来制造和/或能够按照其来制造的氢压力容器。由此产生已经结合根据本发明的方法所提到的优点。
此外，本发明涉及一种具有根据这里的本发明的氢压力容器的机动车。由此产生已经结合根据本发明的方法所提到的优点。
其它优点和优选的特征和特征组合尤其从之前的描述中得出。
附图说明
下面要借助于附图对本发明进行详细解释。对此示出：
图1以示意图示出了有利的方法的第一种实施方式，并且
图2示出了有利的氢压力容器的一种实施例的示意图。
具体实施方式
图1示意性地示出了氢压力容器1的构造，其中用附图标记2示出了金属容器。在所述金属容器2的内侧面3上借助有利的制造方法来施加氧化层5。作为扩散阻挡层20要么由至少一个能够拉伸的中间层6和至少一个高密度的阻挡层7构成的交替的层结构21要么梯度层8附接到氧化层5上，其中所述梯度层8具有从能够拉伸的材料到高密度的材料的优选连续的梯度。所述金属容器2可选在外侧面4上具有加固件9。
用于制造扩散阻挡层的制造方法具有以下步骤：
a）提供具有内侧面3和外侧面4的金属容器2；
b）借助于用氧等离子体进行的表面处理和/或借助于在含氧氛围下进行的表面热处理在金属容器2的内侧面3上构造含氧的氧化层5；
c）在低压方法中尤其在0.1至100 Pa、优选0.1至10 Pa的压力下给所述金属容器2的内侧面3的、在方法步骤b）中所构造的氧化层5涂覆扩散阻挡层20，
其中在方法步骤c）中通过涂覆获得的扩散阻挡层20要么被构造为由至少一个能够拉伸的中间层6和至少一个高密度的阻挡层7所构成的交替的层结构21，要么被构造为梯度层8，其中所述梯度层8具有从能够拉伸的材料到高密度的材料的优选连续的梯度；
d）获得所述氢压力容器1。
此外优选规定，所述层结构21以高密度的阻挡层7开始并且所述层结构21以高密度的阻挡层7结束。
此外优选规定，为了根据方法步骤c）进行涂覆，在低压方法中使用由六甲基二硅醚（HMDSO）和氧构成的混合物，其中优选地，六甲基二硅醚与氧的比例对于能够拉伸的中间层来说为1比0至1比4并且对于高密度的阻挡层来说为至少10比1。
此外优选规定，在方法步骤a）中提供的金属容器2在紧接在方法步骤a）之后的方法步骤al）中并且在方法步骤b）之前被调温到至少23℃、优选至少300℃、特别优选至少400℃的温度，并且所述金属容器2也在方法步骤c）的期间、优选在方法步骤b）和c）的期间被调温到该温度。
此外优选规定，借助于电容式耦合的高频等离子体使所述至少一个能够拉伸的中间层6沉积。
此外优选规定，在微波等离子体中利用在金属容器与用于进行沉积的中空喷枪之间的电应力使至少一个高密度的阻挡层7沉积。
此外优选规定，所获得的氢压力容器1在该氢压力容器1的外侧面10上设有加固件9，其中所述金属容器2的外侧面4与所述氢压力容器1的外侧面10是相同的，其中所述加固件9由一个或多个由碳纤维和/或玻璃纤维以及塑料构成的复合层所组成。
在图2中示出，所述金属容器2的外侧面4或者所述氢压力容器1的外侧面10在金属压力容器2的或氢压力容器1的窄侧上具有两个穿孔11a、11b，其中中空喷枪11从所述两个穿孔11a、11b中穿过。此外示出，所述中空喷枪11与高频源12相连接。所述高频源12也通过中空喷枪11与接地端（Erdung）13连接。在所述两个穿孔11a、11b处布置有阀14a和14b，以用于封闭两个穿孔11a、11b，由此能够在涂覆方法或氧化层的施加的开始在所述金属容器2或氢压力容器1中产生真空。作为替代方案，为此可行的是，所述中空喷枪11仅仅从一侧、也就是说要么通过穿孔11a要么通过穿孔11b被插入到金属容器2中，并且另一个穿孔、也就是穿孔11b或者穿孔11a借助于布置在那里的阀14b或14a来封闭。在图2中示出了氧化层5连同扩散阻挡层20。
通过所述中空喷枪11中的穿孔17，可行的是，将过程气体15尽可能均匀地加入到金属容器2的或氢压力容器1的内部、尤其容积18中。用箭头16示出了所述过程气体15的优选的流动方向。
优选通过所述金属容器2的或氢压力容器1的内部或容积18中的真空泵（在附图中未示出）来产生真空。
在完成制造的氢压力容器1上通过借助于光学显微镜、电极显微镜或原子力显微镜进行的形态学分析能够检测有利的扩散阻挡层20或者说氧化层5连同扩散阻挡层20。

Claims (16)

1.用于制造氢压力容器（1）的方法，具有以下步骤：
a）提供具有内侧面（3）和外侧面（4）的金属容器（2）；
b）借助于用氧等离子体进行的表面处理和/或借助于在含氧氛围下进行的表面热处理在所述金属容器（2）的内侧面（3）上构造含氧的氧化层（5）；
c）在低压方法中借助于中空喷枪（11）给所述金属容器（2）的内侧面（3）的、在方法步骤b）中所构造的氧化层（5）涂覆扩散阻挡层（20），其中，所述金属容器在低压方法中被用作过程反应器、配对电极和衬底，
其中在方法步骤c）中通过涂覆获得的扩散阻挡层（20）要么，
- 被构造为由至少一个能够拉伸的中间层（6）和至少一个高密度的阻挡层（7）所构成的交替的层结构（21），要么
- 被构造为梯度层（8），其中所述梯度层（8）具有从能够拉伸的材料到高密度的材料的梯度；
d）获得所述氢压力容器（1）。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在低压方法中在0.1至10 Pa的压力下借助于中空喷枪（11）给所述金属容器（2）的内侧面（3）的、在方法步骤b）中所构造的氧化层（5）涂覆扩散阻挡层（20）。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，至少一个能够拉伸的中间层（6）具有10至200 nm的层厚度。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，至少一个高密度的阻挡层（7）具有10至30 nm的层厚度。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述层结构（21）以高密度的阻挡层（7）开始并且所述层结构（21）以高密度的阻挡层（7）结束。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，为了在低压方法中根据方法步骤c）借助于中空喷枪进行涂覆而使用由六甲基二硅醚（HMDSO）和氧构成的混合物。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述氧是分子氧。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，六甲基二硅醚与氧的比例对于能够拉伸的中间层（6）来说为1比0至1比4并且对于所述高密度的阻挡层（7）来说至少为10比1。
9.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在方法步骤a）中提供的金属容器（2）在紧跟在方法步骤a）之后的方法步骤al）中并且在方法步骤b）之前被调温到至少23℃的温度，并且所述金属容器（2）也在方法步骤c）的期间被调温到该温度。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述金属容器（2）也在方法步骤b）和c）的期间被调温到至少23℃的温度。
11.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，借助于电容式耦合的高频等离子体使所述至少一个能够拉伸的中间层（6）沉积。
12.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在微波等离子体中利用在金属容器和用于进行沉积的中空喷枪之间的电应力使所述至少一个高密度的阻挡层（7）沉积。
13.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所获得的氢压力容器（1）在该氢压力容器（1）的外侧面（10）上设有加固件（9），其中所述金属容器（2）的外侧面（4）与所述氢压力容器（1）的外侧面（10）是相同的，其中所述加固件（9）由一个或多个复合层组成，所述复合层则由碳纤维和/或玻璃纤维以及塑料构成。
14.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述梯度层（8）具有从能够拉伸的材料到高密度的材料的连续的梯度。
15.氢压力容器（1），其按照根据前述权利要求中的任一项所述的制造方法来制造和/或能够根据其来制造。
16.机动车，其具有根据权利要求15所述的氢压力容器（1）。
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