DE102006031118B4 - Wasserstoffdrucktank - Google Patents
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Abstract
Hochdrucktankanordnung
mit:
einer äußeren Baulage (54), die eine Öffnung (56) definiert;
einem ringförmigen Vorsprung (62), der in der Öffnung (56) positioniert ist und eine Innenbohrung (64) besitzt;
einer inneren Auskleidungslage (52), die in der äußeren Baulage (54) positioniert ist und eine gasdichte Umgebung vorsieht, wobei die innere Auskleidungslage (52) einen Halsabschnitt (66) umfasst, der sich durch die Innenbohrung (64) des Vorsprungs (62) erstreckt, wobei der Halsabschnitt (66) einen äußeren ringförmigen Flansch (68) umfasst, der an dem Vorsprung (62) an einer Stelle außerhalb der Außenlage (54) positioniert ist;
einem Tankventil (78), das an dem Vorsprung (62) montiert ist und sich durch den Halsabschnitt (66) der Auskleidungslage (52) erstreckt;
einem O-Ring (86), der zwischen einem Basisabschnitt (80) des Tankventils (78) und dem ringförmigen Flansch (68) positioniert ist, um eine abgedichtete Umgebung vorzusehen;
Schrauben (82, 84), welche durch den Basisabschnitt (80) und in den Vorsprung (62) geschraubt...
einer äußeren Baulage (54), die eine Öffnung (56) definiert;
einem ringförmigen Vorsprung (62), der in der Öffnung (56) positioniert ist und eine Innenbohrung (64) besitzt;
einer inneren Auskleidungslage (52), die in der äußeren Baulage (54) positioniert ist und eine gasdichte Umgebung vorsieht, wobei die innere Auskleidungslage (52) einen Halsabschnitt (66) umfasst, der sich durch die Innenbohrung (64) des Vorsprungs (62) erstreckt, wobei der Halsabschnitt (66) einen äußeren ringförmigen Flansch (68) umfasst, der an dem Vorsprung (62) an einer Stelle außerhalb der Außenlage (54) positioniert ist;
einem Tankventil (78), das an dem Vorsprung (62) montiert ist und sich durch den Halsabschnitt (66) der Auskleidungslage (52) erstreckt;
einem O-Ring (86), der zwischen einem Basisabschnitt (80) des Tankventils (78) und dem ringförmigen Flansch (68) positioniert ist, um eine abgedichtete Umgebung vorzusehen;
Schrauben (82, 84), welche durch den Basisabschnitt (80) und in den Vorsprung (62) geschraubt...
Description
- Diese Erfindung betrifft eine 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.
- 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.
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1 ist eine ausgeschnittene Schnittansicht eines Druckwasserstoffspeichertanks/Tanks10 des oben beschriebenen Typs. Der Tank10 umfasst eine äußere Baulage12 , die typischerweise ein Graphit-Verbundstoff ist, und eine innere Auskleidung14 , die typischerweise aus einem beständigen Kunststoff besteht, wie hochdichtem Polyethylen. Die Auskleidung14 sieht die gasdichte Umgebung für den Wasserstoff vor, und die Außenlage/äußere Baulage12 sieht die bauliche Integrität für das komprimierte Wasserstoffgas vor. Ein Metallvorsprung22 , typischerweise aus rostfreiem Stahl, ist zwischen einer Öffnung24 in der Außenlage12 und einem Halsabschnitt20 der Auskleidung14 vorgesehen. Ein Adapter18 ist in dem Halsabschnitt20 der Auskleidung14 befestigt, wobei ein Flansch26 des Adapters18 an einem Ende des Halsabschnitts20 anliegt, wie gezeigt ist. Der Adapter18 ist in dem Tank10 befestigt und bleibt an der Stelle. Ein Verbinder16 ist in ein äußeres Ende des Vorsprungs22 geschraubt, so dass er an dem Flansch26 positioniert ist. Der Verbinder16 kann sich auch durch den Adapter18 in die Auskleidung14 hinein erstrecken. Der Verbinder16 kann bestimmte Komponenten, wie Ventile und Sensoren, enthalten. Der Vorsprung22 ist so ausgebildet, dass er zwischen der Außenlage12 und der Auskleidung14 sicher gehalten wird, den Adapter18 sicher an dem Halsabschnitt20 hält und den Verbinder16 sicher in dem Vorsprung22 hält. Ein O-Ring28 sieht eine Dichtung zwischen dem Halsabschnitt22 der Auskleidung14 und dem Adapter18 vor. Zusätzlich sieht ein O-Ring30 eine Dichtung zwischen dem Flansch26 und dem Ende des Verbinders16 vor, wie gezeigt ist. Die O-Ringe28 und30 helfen, die Dichtung zwischen den verschiedenen Elementen des Verbindungsbereichs insbesondere bei niedrigeren Drücken vorzusehen. Andere Tankkonstruktionen verwenden O-Ringe an anderen Stellen. -
DE 696 29 001 T2 offenbart einen Druckbehälter mit einer einstückigen Auskleidung, welche eine Zugangsöffnung zum Behälter definiert und einen zylindrischen Halsteil und einen Flanschabschnitt aufweist. Es ist ein zylindrisches Verstärkungselement vorgesehen, welches den zylindrischen Halsabschnitt der Auskleidung umgibt und an einem Ende einen Tragflansch aufweist, der mit einer Ringfläche des Flanschabschnitts der Auskleidung in Eingriff steht. Das Verstärkungselement umfasst einen radial verlaufenden Tragfuß an seinem anderen Ende, der mit der äußeren Fläche der Auskleidung in Kontakt steht. - Ähnliche Anordnungen sind aus
JP 2000/266288 A JP 62-255698 A - Weitere Druckgefäße mit einer inneren Auskleidung, bei denen im Bereich einer Behälteröffnung eine versteifende Einlage zwischen der Auskleidung und dem Druckgefäß vorgesehen sind, werden in
DE 69616310 T2 ,DD 121 538 A JP 2000/179795 A - Eine Druckgasflasche mit einer mehrteiligen äußeren Hülse und einem Innenbehälter ist in
EP 0 343 098 A1 offenbart. - 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.
- Die Aufgabe der Erfindung mit es deshalb, eine verbesserte Hochdrucktankanordnung zuschaffen.
- Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1.
- Vorteilhafte Ausgestaltungen dazu sind in den Unteransprüchen genannt.
- 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 Aus kleidung 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 ist ein O-Ring vorgesehen, um die Dichtungsintegrität zu verbessern, und um die Schrauben herum ist eine flache Dichtung vorgesehen, die die Dichtungsintegrität weiter steigert.
- Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
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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.
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2 ist eine ausgeschnittene Schnittansicht eines Verbindungsbereichs einer Hochdrucktankanordnung/eines Druckgastanks/Tanks50 , der eine besondere Anwendung für einen Speichertank für komprimierten Wasserstoff für ein Brennstoffzellensystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besitzt. Der Tank50 umfasst eine Innenauskleidung/innere Auskleidungslage52 , die aus einem geeigneten Material besteht, wie hochdichtem Polyethylen. Der Tank50 umfasst auch eine äußere Baulage/Außenlage54 , die aus einem geeigneten Baumaterial besteht, wie Graphitverbundstoff. Die Auskleidung52 sieht die Gasdichtheit des Tanks50 vor, und die Außenlage54 sieht die bauliche Integrität des Tanks50 vor, wenn die Außenlage54 nicht gasdicht ist. In der Baulage54 ist eine Öffnung56 vorgesehen, an der das Wasserstoffgas an den Tank50 geliefert bzw. von dem Tank50 entfernt wird. - Gemäß der Erfindung umfasst der Tank
50 eine Tankverbindungsanordnung60 , 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 (Tank-)-Verbindungsanordnung60 umfasst einen ringförmigen Vorsprung62 mit einer speziellen Ausgestaltung, um mit der Öffnung56 zwischen der Außenlage54 und der Auskleidung/-slage52 zusammenzupassen, wie gezeigt ist. Bei einer Ausführungsform ist der ringförmige Vorsprung62 ein Metallvorsprung, wie beispielsweise rostfreier Stahl, wobei jedoch auch andere Materialien geeignet für diesen Zweck verwendet werden können. Der ringförmige Vorsprung62 umfasst eine Innen-/-Zentralboh rung64 . Die Auskleidung52 umfasst einen Halsabschnitt66 , der durch die (Innen-)-Bohrung64 verläuft, wie gezeigt ist. Der Halsabschnitt66 umfasst einen ringförmigen Flansch oder Kragen68 , der in einer ringförmigen Nut70 des Vorsprungs62 ausgebildet ist, wie gezeigt ist. Somit umfasst die Auskleidung52 einen Abschnitt, der sich zu einem Außenrand des Tanks50 erstreckt, um die Dichtungsintegrität zu erhöhen. - In den Halsabschnitt
66 ist ein länglicher Abschnitt76 eines Tankventils/einer Sperrventilanordnung78 eingesetzt, so dass ein Basisabschnitt80 der (Sperrventil-)-Anordnung78 neben einer Außenfläche des Vorsprungs62 positioniert ist, wie gezeigt ist. Schrauben82 und84 sind durch den Basisabschnitt80 und in den Vorsprung62 geschraubt, um die (Sperr-)-Ventilanordnung78 an dem Tank50 zu halten. Zwischen dem Basisabschnitt80 und dem Kragen68 ist ein O-Ring86 vorgesehen, um die Aufrechterhaltung der Dichtungsintegrität der Auskleidung52 zu unterstützen. Zusätzlich können Dichtungsbeilagscheiben88 und90 jeweils um die Schrauben82 und84 herum vorgesehen sein, um die Dichtungsintegrität des Tanks50 weiter zu steigern. - Der Vorsprung
62 kann ein einteiliger Vorsprung sein, der zwischen der Außenlage54 und der Auskleidung52 ausgebildet ist, oder kann ein geteilter Vorsprung sein, der aus zwei (oder mehr) Vorsprungsteilen besteht, die an den Halsabschnitt66 in der Öffnung56 montiert werden. Wenn der Vorsprung62 eine einteilige Einheit ist, kann er in der Auskleidungsform positioniert werden, so dass der Halsabschnitt66 um den Vorsprung62 während eines Rotationsschmelzprozesses oder anderer Produktionsprozesse geformt wird, die dazu verwendet werden können, die Auskleidung52 herzustellen. Wenn der Vorsprung62 ein geteilter Vorsprung ist, dann kann dieser an die Auskleidung52 in einem separaten Schritt montiert werden, sobald die Auskleidung52 hergestellt ist. Zusätzlich kann die Auskleidung52 als zwei separate Teile geformt werden, die ein Behälterteil und den Halsabschnitt66 umfassen. Bei diesem Herstellprozess kann der Vorsprung62 an dem Halsabschnitt66 geformt und später mit dem Behälterteil der Auskleidung52 verschweißt werden. - Die Tankverbindungsanordnung
60 bietet einen weniger komplexen und leichter herstellbaren Verbindungsbereich für den Tank50 , der die Gefahr von Wasserstoffundichtigkeiten von dem Tank in der Auskleidung14 verringert. Die Konstruktion der Auskleidung52 sieht eine erhöhte Dichtungsintegrität als Ergebnis des ringförmigen Kragens68 vor, der sich um einen Außenrand des Halsabschnitts66 erstreckt und an dem Vorsprung62 ausgebildet ist. Dies erlaubt, dass der O-Ring86 , der die Dichtungsintegrität vorsieht, weg von dem Bereich bewegt werden kann, an dem der Wasserstoff aus der Ventilanordnung78 herausströmt. Somit wird für hohe Durchflüsse der O-Ring86 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 (8)
- Hochdrucktankanordnung mit: einer äußeren Baulage (
54 ), die eine Öffnung (56 ) definiert; einem ringförmigen Vorsprung (62 ), der in der Öffnung (56 ) positioniert ist und eine Innenbohrung (64 ) besitzt; einer inneren Auskleidungslage (52 ), die in der äußeren Baulage (54 ) positioniert ist und eine gasdichte Umgebung vorsieht, wobei die innere Auskleidungslage (52 ) einen Halsabschnitt (66 ) umfasst, der sich durch die Innenbohrung (64 ) des Vorsprungs (62 ) erstreckt, wobei der Halsabschnitt (66 ) einen äußeren ringförmigen Flansch (68 ) umfasst, der an dem Vorsprung (62 ) an einer Stelle außerhalb der Außenlage (54 ) positioniert ist; einem Tankventil (78 ), das an dem Vorsprung (62 ) montiert ist und sich durch den Halsabschnitt (66 ) der Auskleidungslage (52 ) erstreckt; einem O-Ring (86 ), der zwischen einem Basisabschnitt (80 ) des Tankventils (78 ) und dem ringförmigen Flansch (68 ) positioniert ist, um eine abgedichtete Umgebung vorzusehen; Schrauben (82 ,84 ), welche durch den Basisabschnitt (80 ) und in den Vorsprung (62 ) geschraubt sind, um das Tankventil (78 ) an der Hochdrucktankanordnung (50 ) zu halten; und Dichtungsbeilagscheiben (88 ,90 ), welche um die Schrauben (82 ,84 ) herum zwischen dem Basisabschnitt (80 ) und einem Abschnitt des Vorsprungs positioniert sind. - Hochdrucktankanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Flansch (
68 ) in einer ringförmigen Öffnung (70 ) in dem Vorsprung (62 ) positioniert ist. - Hochdrucktankanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsprung (
62 ) ein Metallvorsprung ist. - Hochdrucktankanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsprung (
62 ) ein einteiliger Vorsprung ist. - Hochdrucktankanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsprung (
62 ) ein geteilter Vorsprung mit einer Vielzahl von Vorsprungsteilen ist. - Hochdrucktankanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auskleidungslage (
52 ) aus Kunststoff besteht und die äußere Baulage (54 ) aus einem Graphitverbundmaterial besteht. - Hochdrucktankanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochdrucktankanordnung (
50 ) Wasserstoff für ein Brennstoffzellensystem speichert. - Hochdrucktankanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Brennstoffzellensystem an einem Fahrzeug befindet.
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