DE102006031118A1

DE102006031118A1 - Wasserstoffdrucktank

Info

Publication number: DE102006031118A1
Application number: DE102006031118A
Authority: DE
Inventors: Thorsten Rohwer; Ingo Hermann
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2005-07-13
Filing date: 2006-07-05
Publication date: 2007-01-25
Anticipated expiration: 2026-07-06
Also published as: US7731051B2; DE102006031118B4; US20070012551A1

Abstract

Ein Tank zum Speichern eines komprimierten Gases, wie Wasserstoff, umfasst eine Verbindungsanordnung, um eine Dichtungsintegrität zu steigern. Der Tank umfasst eine innere gasdichte Auskleidung und eine äußere Stützlage, die die bauliche Integrität vorsieht. Die Verbindungsanordnung umfasst einen Vorsprung, der in einer Öffnung der Stützlage positioniert ist. Die innere Auskleidung umfasst einen Halsabschnitt, der sich durch eine Innenbohrung des Vorsprungs erstreckt und einen Außenkragen oder -flansch an einer Außenfläche des Vorsprungs aufweist. Ein Tankventil ist an dem Vorsprung an einem Außenumfang des Kragens angeschraubt, wo sich ein Abschnitt des Tankventils durch den Halsabschnitt der Auskleidung und in den Tank erstreckt.

Description

Diese Erfindung betrifft allgemein einen Drucktank und insbesondere einen Wasserstoffdrucktank, der eine speziell konstruierte Verbindungsanordnung umfasst, um ein Gas an den Tank zu liefern oder ein Gas von dem Tank zu entfernen, während eine gasdichte Abdichtung beibehalten wird.
Wasserstoff ist ein sehr attraktiver Brennstoff, da er rein ist und dazu verwendet werden kann, effizient Elektrizität in einer Brennstoffzelle zu erzeugen. Die Kraftfahrzeugindustrie wendet daher erhebliche Ressourcen bei der Entwicklung von Wasserstoff-Brennstoffzellensystemen als eine Energiequelle für Fahrzeuge auf. Derartige Fahrzeuge sind effizienter und erzeugen weniger Emissionen als heutige Fahrzeuge, die Verbrennungsmotoren verwenden.

Typischerweise wird Wasserstoff in einem Druckgastank unter hohem Druck an dem Fahrzeug gespeichert, um den für das Brennstoffzellensystem erforderlichen Wasserstoff bereitzustellen. Der Druck in dem Drucktank kann bis zu 700 bar betragen. Bei einer bekannten Konstruktion umfasst der Drucktank eine innere Kunststoffauskleidung, die eine gasdichte Abdichtung für den Wasserstoff vorsieht, und eine äußere Kohlenstofffaser-Verbundlage, die die bauliche Integrität des Tanks vorsieht. Typischerweise ist zumindest ein Druckregler vorgesehen, der den Druck des Wasserstoffs in dem Tank auf einen für das Brennstoffzellensystem geeigneten Druck reduziert.

Wenn der Wasserstoff von dem Drucktank entfernt wird, nimmt der Druck des Wasserstoffs in dem Tank ab. Wenn der Druck eines Gases reduziert wird und sich das Volumen nicht ändert, nimmt auch die Temperatur des Gases ab. Der Effekt der Abnahme der Temperatur ist begrenzt, da Wärme von der Umgebung in den Tank übertragen wird. Wenn der Durchfluss von Wasserstoff, der aus dem Tank herausströmt, groß genug ist und/oder die Temperatur der Umgebung niedrig genug ist, kann die Temperatur in dem Tank unter –80°C abfallen. Typischerweise ist es möglich, den Wasserstoffdurchfluss so zu begrenzen, dass –80°C die niedrigste Temperatur ist, die in dem Tank auftritt. Wenn ferner der Tank mit Wasserstoff gefüllt ist, kann die Temperatur des Wasserstoffs aufgrund der Kompression des Wasserstoffs innerhalb des Tanks auf 80°C ansteigen, wodurch ein Temperaturwechsel von –80°C auf 80°C vorgesehen wird. Diese Materialien, die Wasserstoff in diesem Temperaturbereich abdichten können, sind schwierig herzustellen.

Wenn die Temperatur des Wasserstoffs in dem Tank unter eine bestimmte Temperatur hinaus abnimmt, wie –80°C um die Auskleidung und –40°C an den Tankdichtungen, einschließlich der O-Ringe und anderer Dichtungen, werden die Materialien brüchig und möglicherweise beschädigt, wodurch die gasdichte Ausführung des Tanks beeinträchtigt wird. Daher existieren Grenzen, wie schnell Wasserstoff und/oder für wie lange Wasserstoff von dem Drucktank in einem Brennstoffzellensystem entfernt werden kann.

1 ist eine ausgeschnittene Schnittansicht eines Druckwasserstoffspeichertanks 10 des oben beschriebenen Typs. Der Tank 10 umfasst eine äußere Baulage 12, die typischerweise ein Graphit-Verbundstoff ist, und eine innere Auskleidung 14, die typischerweise aus einem beständigen Kunststoff besteht, wie hochdichtem Polyethylen. Die Auskleidung 14 sieht die gasdichte Umgebung für den Wasserstoff vor, und die Außenlage 12 sieht die bauliche Integrität für das komprimierte Wasserstoffgas vor. Ein Metallvorsprung 22, typischerweise aus rostfreiem Stahl, ist zwischen einer Öffnung 24 in der Außenlage 12 und einem Halsabschnitt 20 der Auskleidung 14 vorgesehen. Ein Adapter 18 ist in dem Halsabschnitt 20 der Auskleidung 14 befestigt, wobei ein Flansch 26 des Adapters 18 an einem Ende des Halsabschnitts 20 anliegt, wie gezeigt ist. Der Adapter 18 ist in dem Tank 10 befestigt und bleibt an der Stelle. Ein Verbinder 16 ist in ein äußeres Ende des Vorsprungs 22 geschraubt, so dass er an dem Flansch 26 positioniert ist. Der Verbinder 16 kann sich auch durch den Adapter 18 in die Auskleidung 14 hinein erstrecken. Der Verbinder 16 kann bestimmte Komponenten, wie Ventile und Sensoren, enthalten. Der Vorsprung 22 ist so ausgebildet, dass er zwischen der Außenlage 12 und der Auskleidung 14 sicher gehalten wird, den Adapter 18 sicher an dem Halsabschnitt 20 hält und den Verbinder 16 sicher in dem Vorsprung 22 hält. Ein O-Ring 28 sieht eine Dichtung zwischen dem Halsabschnitt 22 der Auskleidung 14 und dem Adapter 18 vor. Zusätzlich sieht ein O-Ring 30 eine Dichtung zwischen dem Flansch 26 und dem Ende des Verbinders 16 vor, wie gezeigt ist. Die O-Ringe 28 und 30 helfen, die Dichtung zwischen den verschiedenen Elementen des Verbindungsbereichs insbesondere bei niedrigeren Drücken vorzusehen. Andere Tankkonstruktionen verwenden O-Ringe an anderen Stellen.
Es ist wichtig, dass der komprimierte Wasserstoff, der in dem Tank gespeichert ist, an einem Austreten oder Herausdiffundieren von dem Tank gehindert wird. Da Wasserstoff ein leichtes und diffusives Gas ist, ist das Abdichten der undichten Stellen typischerweise schwierig, insbesondere um den Verbindungsbereich zu der Außenseite des Tanks herum. Somit besteht ein Bedarf, die Anzahl von Dichtungen und die Komplexität des Verbindungsbereichs zu reduzieren. Auch bestehen typischerweise die Verbindungsstrukturen in dem Tank aus verschiedenen Materialien, was die Dichtung noch schwieriger macht.
Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung ist ein Tank zur Speicherung eines komprimierten Gases offenbart, wie Wasserstoff, der eine speziell konstruierte Tankverbindungsanordnung umfasst, um die Dichtungsintegrität zu erhöhen. Der Tank umfasst eine innere gasdichte Auskleidung und eine äußere Baulage, die die bauliche Integrität vorsieht. Die Verbindungsanordnung umfasst einen Vorsprung, der in einer Öffnung der Baulage positioniert ist. Die Innenauskleidung umfasst einen Halsabschnitt, der sich durch eine Innenbohrung des Vorsprungs erstreckt und einen Außenkragen oder Flansch außerhalb des Vorsprungs umfasst. Ein Tankventil ist an den Vorsprung an einem Außenumfang des Kragens geschraubt, wo sich ein Abschnitt des Tankventils durch den Halsabschnitt der Auskleidung und in den Tank erstreckt. Zwischen dem Ventilbasisabschnitt und dem Kragen kann ein O-Ring vorgesehen sein, um die Dichtungsintegrität zu verbessern, und um die Schrauben herum kann eine flache Dichtung vorgesehen sein, die die Dichtungsintegrität weiter steigert.
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
1 eine ausgeschnittene Schnittansicht eines bekannten Druckwasserstofftanks mit einer daran befestigten Verbindungsanordnung ist; und
2 eine ausgeschnittene Schnittansicht eines Druckgastanks mit einer Tankverbindungsanordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
Die folgende Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung, die auf ein Druckgastanksystem und eine Tankverbindungsanordnung gerichtet ist, ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken.
2 ist eine ausgeschnittene Schnittansicht eines Verbindungsbereichs eines Druckgastanks 50, der eine besondere Anwendung für einen Speichertank für komprimierten Wasserstoff für ein Brennstoffzellensystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besitzt. Der Tank 50 umfasst eine Innenauskleidung 52, die aus einem geeigneten Material besteht, wie hochdichtem Polyethylen. Der Tank 50 umfasst auch eine äußere Baulage 54, die aus einem geeigneten Baumaterial besteht, wie Graphitverbundstoff. Die Auskleidung 52 sieht die Gasdichtheit des Tanks 50 vor, und die Außenlage 54 sieht die bauliche Integrität des Tanks 50 vor, wenn die Außenlage 54 nicht gasdicht ist. In der Baulage 54 ist eine Öffnung 56 vorgesehen, an der das Wasserstoffgas an den Tank 50 geliefert bzw. von dem Tank 50 entfernt wird.
Gemäß der Erfindung umfasst der Tank 50 eine Tankverbindungsanordnung 60, die weniger komplex und zuverlässiger als diejenigen ist, die im Stand der Technik bekannt sind, um eine gasdichte Umgebung bei den hohen Drücken und breiten Temperaturbereichen, wie oben beschrieben ist, vorzusehen. Die Verbindungsanordnung 60 umfasst einen ringförmigen Vorsprung 62 mit einer speziellen Ausgestaltung, um mit der Öffnung 56 zwischen der Außenlage 54 und der Auskleidung 52 zusammenzupassen, wie gezeigt ist. Bei einer Ausführungsform ist der ringförmige Vorsprung 62 ein Metallvorsprung, wie beispielsweise rostfreier Stahl, wobei jedoch auch andere Materialien geeignet für diesen Zweck verwendet werden können. Der ringförmige Vorsprung 62 umfasst eine Zentralboh rung 64. Die Auskleidung 52 umfasst einen Halsabschnitt 66, der durch die Bohrung 64 verläuft, wie gezeigt ist. Der Halsabschnitt 66 umfasst einen ringförmigen Flansch oder Kragen 68, der in einer ringförmigen Nut 70 des Vorsprungs 62 ausgebildet ist, wie gezeigt ist. Somit umfasst die Auskleidung 52 einen Abschnitt, der sich zu einem Außenrand des Tanks 50 erstreckt, um die Dichtungsintegrität zu erhöhen.
In den Halsabschnitt 66 ist ein länglicher Abschnitt 76 einer Sperrventilanordnung 78 eingesetzt, so dass ein Basisabschnitt 80 der Anordnung 78 neben einer Außenfläche des Vorsprungs 62 positioniert ist, wie gezeigt ist. Schrauben 82 und 84 sind durch den Basisabschnitt 80 und in den Vorsprung 62 geschraubt, um die Ventilanordnung 78 an dem Tank 50 zu halten. Zwischen dem Basisabschnitt 80 und dem Kragen 68 ist ein O-Ring 86 vorgesehen, um die Aufrechterhaltung der Dichtungsintegrität der Auskleidung 52 zu unterstützen. Zusätzlich können Dichtungsbeilagscheiben 88 und 90 jeweils um die Schrauben 82 und 84 herum vorgesehen sein, um die Dichtungsintegrität des Tanks 50 weiter zu steigern.
Der Vorsprung 62 kann ein einteiliger Vorsprung sein, der zwischen der Außenlage 54 und der Auskleidung 52 ausgebildet ist, oder kann ein geteilter Vorsprung sein, der aus zwei (oder mehr) Vorsprungsteilen besteht, die an den Halsabschnitt 66 in der Öffnung 56 montiert werden. Wenn der Vorsprung 62 eine einteilige Einheit ist, kann er in der Auskleidungsform positioniert werden, so dass der Halsabschnitt 66 um den Vorsprung 62 während eines Rotationsschmelzprozesses oder anderer Produktionsprozesse geformt wird, die dazu verwendet werden können, die Auskleidung 52 herzustellen. Wenn der Vorsprung 62 ein geteilter Vorsprung ist, dann kann dieser an die Auskleidung 52 in einem separaten Schritt montiert werden, sobald die Auskleidung 52 hergestellt ist. Zusätzlich kann die Auskleidung 52 als zwei separate Teile geformt werden, die ein Behälterteil und den Halsabschnitt 66 umfassen. Bei diesem Herstellprozess kann der Vorsprung 62 an dem Halsabschnitt 66 geformt und später mit dem Behälterteil der Auskleidung 52 verschweißt werden.
Die Tankverbindungsanordnung 60 bietet einen weniger komplexen und leichter herstellbaren Verbindungsbereich für den Tank 50, der die Gefahr von Wasserstoffundichtigkeiten von dem Tank in der Auskleidung 14 verringert. Die Konstruktion der Auskleidung 52 sieht eine erhöhte Dichtungsintegrität als Ergebnis des ringförmigen Kragens 68 vor, der sich um einen Außenrand des Halsabschnitts 66 erstreckt und an dem Vorsprung 62 ausgebildet ist. Dies erlaubt, dass der O-Ring 86, der die Dichtungsintegrität vorsieht, weg von dem Bereich bewegt werden kann, an dem der Wasserstoff aus der Ventilanordnung 78 herausströmt. Somit wird für hohe Durchflüsse der O-Ring 86 von der kalten Temperatur des Wasserstoffs getrennt, was ansonsten die Dichtungsintegrität beeinträchtigen kann.
Zusammengefasst umfasst ein Tank zum Speichern eines komprimierten Gases, wie Wasserstoff, eine Verbindungsanordnung, um eine Dichtungsintegrität zu steigern. Der Tank umfasst eine innere gasdichte Auskleidung und eine äußere Stützlage, die die bauliche Integrität vorsieht. Die Verbindungsanordnung umfasst einen Vorsprung, der in einer Öffnung der Stützlage positioniert ist. Die innere Auskleidung umfasst einen Halsabschnitt, der sich durch eine Innenbohrung des Vorsprungs erstreckt und einen Außenkragen oder -flansch an einer Außenfläche des Vorsprungs aufweist. Ein Tankventil ist an dem Vorsprung an einem Außenumfang des Kragens angeschraubt, wo sich ein Abschnitt des Tankventils durch den Halsabschnitt der Auskleidung und in den Tank erstreckt.

Claims

Hochdrucktankanordnung mit: einer äußeren Baulage, die eine Öffnung definiert; einem ringförmigen Vorsprung, der in der Öffnung positioniert ist und eine Innenbohrung besitzt; und einer inneren Auskleidungslage, die in der äußeren Baulage positioniert ist und eine gasdichte Umgebung vorsieht, wobei die innere Auskleidungslage einen Halsabschnitt umfasst, der sich durch die Innenbohrung des Vorsprungs erstreckt, wobei der Halsabschnitt einen äußeren ringförmigen Flansch umfasst, der an dem Vorsprung an einer Stelle außerhalb der Außenlage positioniert ist.
Tankanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Flansch in einer ringförmigen Öffnung in dem Vorsprung positioniert ist.
Tankanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsprung ein Metallvorsprung ist.
Tankanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsprung ein einteiliger Vorsprung ist.
Tankanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsprung ein geteilter Vorsprung mit einer Vielzahl von Vorsprungsteilen ist.
Tankanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Tankventil, das an dem Vorsprung montiert ist und sich durch den Halsabschnitt der Auskleidung erstreckt.
Tankanordnung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen O-Ring, der zwischen einem Basisabschnitt des Tankventils und dem ringförmigen Flansch positioniert ist, um eine abgedichtete Umgebung vorzusehen.
Tankanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auskleidungslage aus Kunststoff besteht und die Außenlage aus einem Graphitverbundmaterial besteht.
Tankanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tankanordnung Wasserstoff für ein Brennstoffzellensystem speichert.
Tankanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Brennstoffzellensystem an einem Fahrzeug befindet.
Hochdrucktankanordnung zum Speichern von komprimiertem Wasserstoff, wobei die Tankanordnung umfasst: eine äußere Baulage, die eine Öffnung definiert; einen ringförmigen Metallvorsprung, der in der Öffnung positioniert ist und eine Innenbohrung und eine ringförmige Öffnung an einer äußeren Stelle des Vorsprungs aufweist; und eine innere Auskleidungslage, die in der äußeren Baulage positioniert ist und eine gasdichte Umgebung vorsieht, wobei die innere Auskleidungslage einen Halsabschnitt umfasst, der sich durch die Innenbohrung des Vorsprungs erstreckt, wobei der Halsabschnitt einen äußeren ringförmigen Flansch umfasst, der in der ringförmigen Öffnung des Vorsprungs an einer Stelle außerhalb der Außenlage positioniert ist.
Tankanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsprung ein einteiliger Vorsprung ist.
Tankanordnung nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsprung ein geteilter Vorsprung mit einer Vielzahl von Vorsprungsteilen ist.
Tankanordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, gekennzeichnet durch ein Tankventil, das an dem Vorsprung befestigt ist und sich durch den Halsabschnitt der Auskleidung erstreckt.
Tankanordnung nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch einen O-Ring, der zwischen einem Basisabschnitt des Tankventils und dem ringförmigen Flansch positioniert ist, um eine abgedichtete Umgebung vorzusehen.
Tankanordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Auskleidungslage aus einem Kunststoff besteht und die Außenlage aus einem Graphitverbundmaterial besteht.
Tankanordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Brennstoffzellensystem an einem Fahrzeug befindet.
Hochdrucktankanordnung mit: einer äußeren Baulage, die eine Öffnung definiert; einem ringförmigen Vorsprung, der in der Öffnung positioniert ist und eine Innenbohrung besitzt; und einer inneren Auskleidungslage, die in der äußeren Baulage positioniert ist und eine gasdichte Umgebung vorsieht, wobei die innere Auskleidungslage einen Halsabschnitt umfasst, der sich vollständig durch die Innenbohrung des Vorsprungs erstreckt.
Tankanordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Halsabschnitt einen äußeren ringförmigen Flansch umfasst, der an dem Vorsprung an einer Stelle außerhalb der Außenlage positioniert ist.
Tankanordnung nach einem der Ansprüche 18 oder 19, gekennzeichnet durch ein Tankventil, das an dem Vorsprung montiert ist und sich durch den Halsabschnitt der Auskleidung erstreckt.
Tankanordnung nach Anspruch 20, gekennzeichnet durch einen O-Ring, der zwischen einem Basisabschnitt des Tankventils und dem ringförmigen Flansch positioniert ist, um eine abgedichtete Umgebung vorzusehen.
Tankanordnung nach einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Auskleidungslage aus einem Kunststoff besteht und die Außenlage aus einem Graphitverbundmaterial besteht.
Tankanordnung nach einem der Ansprüche 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Tankanordnung Wasserstoff für ein Brennstoffzellensystem speichert.