DE102006032341A1

DE102006032341A1 - Beheizter O-Ring

Info

Publication number: DE102006032341A1
Application number: DE102006032341A
Authority: DE
Inventors: Rainer Pechtold
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2005-07-13
Filing date: 2006-07-12
Publication date: 2007-01-25
Anticipated expiration: 2026-07-13
Also published as: US7525072B2; DE102006032341B4; US20070015013A1

Abstract

Ein beheizter O-Ring, der besonders bei der Bereitstellung einer Abdichtung in einem Verbinderbereich eines Druckwasserstoffspeichertanks in einem Brennstoffzellensystem Anwendung findet. In einer Ausführungsform ist ein elektrischer Heizdraht durch den O-Ring gewickelt, so dass ein Widerstandsheizen bereitgestellt wird, indem ein elektrisches Potential an den Draht angelegt wird, so dass die Temperatur des O-Ringes nicht unter eine vorbestimmte Temperatur abnimmt. In einer anderen Ausführungsform sind elektrische Heizelemente benachbart zu und in Kontakt mit dem O-Ring vorgesehen, wobei ein elektrisches Potential, das an die Heizelemente angelegt wird, bewirkt, dass die Heizelemente die Tempertur des O-Rings aufrechterhalten.

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft im Allgemeinen einen beheizten O-Ring und im Besonderen einen beheizten O-Ring für einen Druckwasserstofftank für ein Brennstoffzellensystem.

2. Diskussion des Standes der Technik

Wasserstoff ist ein sehr attraktiver Brennstoff, da er sauber ist und dazu verwendet werden kann, in einer Brennstoffzelle effizient Elektrizität zu erzeugen. Die Automobilindustrie steckt beträchtliche Ressourcen in die Entwicklung von Wasserstoff-Brennstoffzellensystemen als Energiequelle für Fahrzeuge. Derartige Fahrzeuge wären effizienter und würden weniger Emissionen erzeugen als heutige Fahrzeug, die Verbrennungsmotoren anwenden.

Typischerweise wird Wasserstoff in einen Druckgastank unter Hochdruck an dem Fahrzeug gespeichert, um den für das Brennstoffzellensystem notwendigen 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 Dichtung für den Wasserstoff bereitstellt, und eine äußere Kohlefaserverbundschicht, die die konstruktive Einheit des Tanks bereitstellt. Typischerweise ist mindestens ein Druckregler vorgesehen, der den Druck des Wasserstoffs in dem Tank auf einen Druck verringert, der für das Brennstoffzellensystem geeignet ist.

Es ist wichtig, dass verhindert wird, dass der in dem Tank gespeicherte Druckwasserstoff aus dem Tank leckt oder diffundiert. Da Wasserstoff ein sehr leichtes und diffusionsfähiges Gas ist, ist die Abdichtung der Lecks gewöhnlich schwierig, insbesondere um die Verbindungsfläche zur Außenseite des Tanks. Es ist somit erwünscht, die Anzahl von Dichtungen und die Komplexität der Verbindungsfläche mit dem Tank zu verringern. Typischerweise sind die Verbindungsstrukturen in dem Tank auch aus unterschiedlichen Materialien hergestellt, was die Abdichtung noch schwieriger macht.

Wenn der Wasserstoff aus dem Drucktank entnommen wird, wird der Druck des Wasserstoffs in dem Tank abnehmen. Wenn der Druck eines Gases verringert wird und sich das Volumen nicht ändert, wird die Temperatur des Gases ebenfalls abnehmen. Dieser Effekt der Abnahme der Temperatur wird begrenzt sein, da Wärme aus der Umgebung in den Tank übertragen wird. Wenn die Strömungsrate des Wasserstoffs, der aus dem Tank strömt, hoch genug ist und/oder die Temperatur der Umgebung niedrig genug ist, kann die Temperatur in dem Tank unter –80°C fallen. Es ist typischerweise möglich, die Wasserstoffströmungsrate zu begrenzen, so dass –80°C die niedrigste Temperatur ist, die in dem Tank auftritt. Wenn darüber hinaus der Tank mit Wasserstoff gefüllt wird, kann die Temperatur des Wasserstoffs aufgrund der Kompression des Wasserstoffs innerhalb des Tanks auf 80°C zunehmen, was einen Temperaturausschlag von –80°C bis 80°C bereitstellt. Die Materialien, die Wasserstoff in diesem Temperaturbereich abdichten können, sind schwierig herzustellen.

Wenn die Temperatur des Wasserstoffs in dem Tank über eine bestimmte Temperatur hinaus, wie etwa –80°C um die Auskleidung herum, und –40°C an den Tankdichtungen, die O-Ringe und andere Dichtungen umfassen, abnimmt, werden die Materialien spröde und möglicherweise beschädigt, was das Gasdichtigkeitsverhalten des Tanks beeinträchtigt. Deshalb gibt es Grenzen, wie schnell Wasserstoff und/oder für wie lange Wasserstoff aus dem Drucktank in einem Brennstoffzellensystem entnommen werden kann.

1 ist eine partielle Querschnittsansicht eines bekannten Druckwasserstoffspeichertanks 10 von der oben besprochenen Art. Der Tank 10 umfasst eine äußere Konstruktionsschicht 12, die typischerweise aus einem Graphitverbundwerkstoff hergestellt ist, und eine Innenauskleidung 14, die gewöhnlich aus einem haltbaren Kunststoff, wie etwa hochdichtem Polyethylen, hergestellt ist. Die Auskleidung 14 stellt die gasdichte Umgebung für den Wasserstoff bereit und die Außenschicht 12 stellt die konstruktive Einheit für das Druckwasserstoffgas bereit. Ein Metallvorsprung 22, typischerweise aus rostfreiem Stahl, ist zwischen einer Öffnung 24 in der Außenschicht 12 und einem Halsabschnitt 20 der Auskleidung 14 vorgesehen. Ein Adapter 18 ist in dem Halsabschnitt 20 der Auskleidung 14 montiert, wobei ein Flansch 26 des Adapters 18 an einem Ende des Halsabschnitts 20 anschlägt, wie es gezeigt ist. Der Adapter 18 ist in dem Tank 10 befestigt und bleibt an seiner Stelle. Ein Verbinder 16 ist in ein Außenende des Vorsprungs 22 zur Positionierung gegen den Flansch 26 geschraubt. Der Verbinder 16 kann sich auch durch den Adapter 18 in die Auskleidung 14 hinein erstrecken. Der Verbinder 16 kann bestimmte Komponenten, wie etwa Ventile und Sensoren, enthalten. Der Vorsprung 22 ist derart konfiguriert, dass er sicher zwischen der Außenschicht 12 und der Auskleidung 14 gehalten ist, um den Adapter 18 sicher an dem Halsabschnitt 20 zu halten und den Verbinder 16 sicher innerhalb des Vorsprungs 22 zu halten.

Ein O-Ring 28 stellt eine Dichtung zwischen dem Halsabschnitt 22 der Auskleidung 14 und dem Adapter 18 bereit. Zusätzlich stellt ein O-Ring 30 eine Dichtung zwischen dem Flansch 26 und einem Ende des Verbinders 16 bereit, wie es gezeigt ist. Die O-Ringe 28 und 30 helfen, die Abdichtung zwischen den verschiedenen Elementen der Verbindungsfläche, insbesondere bei niedrigeren Drücken, bereitzustellen. Andere Tankkonstruktionen verwenden O-Ringe an anderen Stellen.

Es gibt ein Problem, wenn O-Ringe in dieser Art von Umgebung verwendet werden. Da der Wasserstoff, der aus dem Tank 10 emittiert wird, Temperaturen unter –40°C erreichen kann, können auch die O-Ringe 28 und 30 diese Temperaturen erreichen. Diese Temperaturen beeinträchtigen jedoch die Abdichtungsfähigkeit des O-Ringmaterials, da es spröde wird und seine Abdichtungstauglichkeit verliert und möglicherweise bricht. Es sind verschiedene Lösungen in der Technik vorgeschlagen worden, um dieses Problem anzugehen. Eine vorgeschlagene Lösung begrenzt die Strömungsrate des Wasserstoffs aus dem Tank 10, so dass die Temperatur des Auslassbereichs des Tanks 14 nicht unter die Temperatur fällt, bei der die O-Ringe 28 und 30 ihre Abdichtungsfähigkeit verlieren könnten. Diese Lösung könnte jedoch unerwünscht sein, da die Ausgangsleistung des Brennstoffzellenstapels dementsprechend eingeschränkt werden würde. Es ist auch bekannt, die Verbindungsfläche des Tanks 10 mit einem elektrischen Heizelement oder heißem Wasser zu erwärmen, so dass die Temperatur der O-Ringe über einer erwünschten Temperatur gehalten wird. Jedoch sind die bekannten Heizlösungen üblicherweise komplex und teuer, da die gesamte Verbinderfläche erwärmt wird, was eine beträchtliche Energiemenge erfordert.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung ist ein beheizter O-Ring offenbart, der eine besondere Anwendung für die Bereitstellung einer Abdichtung in einem Verbinderbereich eines Druckwasserstoffspeichertanks in einem Brennstoffzellensystem findet. In einer Ausführungsform ist ein elektrischer Heizdraht durch den O-Ring gewickelt, so dass ein Widerstandsheizen bereitgestellt wird, indem ein elektrisches Potential an den Draht angelegt wird, so dass die Temperatur des O-Rings nicht unter eine vorbestimmte Temperatur abnimmt. In einer anderen Ausführungsform sind elektrische Heizelemente benachbart zu und in Kontakt mit dem O-Ring vorgesehen, wobei ein elektrisches Potential, das an die Heizelemente angelegt wird, bewirkt, dass die Heizelemente die Temperatur des O-Rings halten.

Zusätzliche Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen in Verbindung genommen mit den begleitenden Zeichnungen deutlicher werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine partielle Querschnittsansicht einer Verbinderfläche eines bekannten Wasserstoffspeichertanks;
2 ist eine Querschnittsansicht eines O-Rings in einer Abdichtungsposition, wobei der O-Ring ein internes Heizelement umfasst; und
3 ist eine Querschnittsansicht eines O-Rings in einer Abdichtungsposition, wobei äußere Heizelemente vorgesehen sind, um den O-Ring zu beheizen, gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Ausführliche Beschreibung der Ausführungsformen
Die folgende Besprechung der Ausführungsformen der Erfindung, die auf einen beheizten O-Ring gerichtet ist, ist lediglich beispielhafter Natur und soll die Erfindung oder ihre Anwendung oder ihren Nutzen in keiner Weise einschränken. Der beheizte O-Ring der Erfindung findet beispielsweise bei einem Druckwasserstoffspeichertank in einem Brennstoffzellensystem besondere Anwendung. Wie es jedoch Fachleute feststellen werden, kann der beheizte O-Ring der Erfindung auch andersweitig Anwendung finden.
2 ist eine Querschnittsansicht einer O-Ringanordnung 38, die einen O-Ring 40 umfasst, der innerhalb einer Dichtfläche 42 zwischen einer ersten Struktur 44 und einer zweiten Struktur 46 angeordnet ist. Die Strukturen 44 und 46 können jede Struktur sein, die einen abdichtenden O-Ring erfordert, wie etwa zwischen dem Halsabschnitt 20 der Auskleidung und dem Adapter 18 oder dem Adapter 18 und dem Verbinder 16, wie es oben besprochen wurde. In diesem Beispiel dichtet der O-Ring 40 einen Hochdruckbehälter für die Speicherung von Hochdruckwasserstoff ab. Wie es oben besprochen wurde, kann die Temperatur des Wasserstoffs unter eine bestimmte Temperatur fallen, wenn er aus dem Tank 10 abgezogen wird, wobei die Abdichtungstauglichkeit des O-Rings beeinträchtigt wird. Erfindungsgemäß ist ein Drahtheizelement 48 innerhalb und durch den O-Ring 40 gewickelt. Das Heizelement 48 nimmt einen elektrischen Strom auf, um das Heizelement 48 und somit den O-Ring 40 zu beheizen. Das Drahtheizelement 48 kann durch den O-Ring 40 auf irgendeine ge eignete Weise gewickelt sein, die ein gewünschtes Niveau an Heizen bereitstellt, wie etwa eine Spule.
Die Enden 50 und 52 des Drahtheizelements 48 erstrecken sich aus der Struktur 46 heraus, um ein elektrisches Potential aufzunehmen. Da diese Fläche der Struktur 46 hohen Drücken und einem weiten Bereich von Temperaturen ausgesetzt sein kann, muss eine sorgfältige Konstruktion verwendet werden, um die Unversehrtheit der Struktur 46 aufrechtzuerhalten. In dieser nicht einschränkenden Ausführungsform sind Glas- oder Glas-Keramik-Verbinder 54 und 56 jeweils um die Enden 50 bzw. 52 innerhalb der Struktur 46 vorgesehen, wie es gezeigt ist. Dies lässt zu, dass die elektrischen Verbindungen mit dem Heizelement 48 gegen Wasserstoff abgedichtet werden können.
3 ist eine Querschnittsansicht einer O-Ringanordnung 60, die einen O-Ring 62 umfasst, wobei gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen wie in der O-Ringanordnung 38 gekennzeichnet sind, gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In dieser Ausführungsform ist das Drahtheizelement 48 innerhalb des O-Rings 40 durch zwei externe Heizelemente 64 und 66 ersetzt worden, die zwischen dem O-Ring 62 und der Struktur 46 angeordnet sind, wie es gezeigt ist. Die Heizelemente 64 und 66 sind planare Elektroden, die flexibel sind und sich an die Fläche zwischen dem O-Ring 62 und der Struktur 46 anpassen, und die sich entlang der Länge des O-Rings 62 erstrecken. Eine elektrische Verbindung legt ein elektrisches Potential an die Heizelemente 64 und 66 an, um den O-Ring 62 zu beheizen und somit zu verhindern, dass seine Temperatur unter eine vorbestimmte Temperatur abfällt. Andere Ausführungsformen können andere Heizelemente für die O-Ringe 40 und 62 innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung umfassen.
Deshalb werden erfindungsgemäß nur die O-Ringe innerhalb der Verbindungsfläche des Tanks 10 beheizt, was die Energie begrenzt, die notwendig ist, um zu verhindern, dass die Temperatur der O-Ringe 28 und 30 unter eine vorbestimmte Temperatur fällt, ohne die Strömungsrate des Wasserstoffs, der aus dem Tank 10 emittiert wird, zu begrenzen.
Die vorstehende Diskussion offenbart und beschreibt lediglich beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Fachleute werden leicht aus einer derartigen Beschreibung und aus den begleitenden Zeichnungen und Ansprüchen erkennen, dass verschiedene Änderungen, Modifikationen und Abwandlungen daran vorgenommen werden können, ohne vom Gedanken und Schutzumfang der Erfindung, die in den folgenden Ansprüchen definiert ist, abzuweichen.

Claims

O-Ringanordnung, umfassend: eine erste Struktur; eine zweite Struktur, die benachbart zu der ersten Struktur angeordnet ist und dazwischen eine Dichtfläche definiert; einen O-Ring, der in der Dichtfläche zwischen der ersten Struktur und der zweiten Struktur angeordnet ist; und mindestens ein Heizelement, das relativ zu dem O-Ring in der Dichtfläche angeordnet ist, wobei das mindestens eine Heizelement ein elektrisches Potential zum Beheizen des O-Rings aufnimmt.
O-Ringanordnung nach Anspruch 1, wobei das mindestens Heizelement ein Draht ist, der innerhalb des O-Rings gewickelt ist.
O-Ringanordnung nach Anspruch 1, wobei das mindestens eine Heizelement ein Heizelement ist, das zwischen dem O-Ring und der ersten Struktur angeordnet ist.
O-Ringanordnung nach Anspruch 3, wobei das mindestens eine Heizelement zwei separate Heizelemente ist, die zwischen dem O-Ring und der ersten Struktur angeordnet sind.
O-Ringanordnung nach Anspruch 1, die ferner Drähte umfasst, die sich durch die erste Struktur erstrecken und elektrisch mit dem Heizelement verbunden sind.
O-Ringanordnung nach Anspruch 5, die ferner einen Glasverbinder umfasst, der um die Drähte in der ersten Struktur herum gebildet ist.
O-Ringanordnung nach Anspruch 1, wobei die erste Struktur ein Adapter ist und die zweite Struktur eine Auskleidung ist, die zu einem Druckgasspeichertank gehört.
O-Ringanordnung nach Anspruch 1, wobei die erste Struktur ein Adapter ist und die zweite Struktur ein Verbinder ist, der zu einem Druckgasspeichertank gehört.
O-Ringanordnung nach Anspruch 1, wobei die erste und zweite Struktur Teil eines Druckgastanks sind.
O-Ringanordnung nach Anspruch 9, wobei der Druckgastank ein Wasserstoffspeichertank für ein Brennstoffzellensystem ist.
O-Ringanordnung nach Anspruch 10, wobei sich das Brennstoffzellensystem an einem Fahrzeug befindet.
O-Ringanordnung für einen Druckgastank, wobei die Anordnung umfasst: eine erste Struktur; eine zweite Struktur, die benachbart zu der ersten Struktur angeordnet ist und dazwischen eine Dichtfläche definiert; einen O-Ring, der in der Dichtfläche zwischen der ersten Struktur und der zweiten Struktur angeordnet ist; mindestens ein Heizelement, das relativ zu dem O-Ring in der Dichtfläche angeordnet ist; und mindestens einen Draht, der sich durch die erste Struktur erstreckt und elektrisch mit dem Heizelement verbunden ist, wobei der mindestens eine Draht ein elektrisches Potential zum Beheizen des O-Rings aufnimmt.
O-Ringanordnung nach Anspruch 12, wobei das mindestens eine Heizelement ein Draht ist, der innerhalb des O-Rings gewickelt ist.
O-Ringanordnung nach Anspruch 12, wobei das mindestens eine Heizelement ein Heizelement ist, das zwischen dem O-Ring und der ersten Struktur angeordnet ist.
O-Ringanordnung nach Anspruch 14, wobei das mindestens eine Heizelement zwei separate Heizelemente ist, die zwischen dem O-Ring und der ersten Struktur angeordnet sind.
O-Ringanordnung nach Anspruch 12, die ferner einen Glasverbinder umfasst, der um die Drähte in der ersten Struktur herum gebildet ist.
O-Ringanordnung nach Anspruch 12, wobei die erste Struktur ein Adapter ist und die zweite Struktur eine Auskleidung ist, die zu dem Druckgasspeichertank gehört.
O-Ringanordnung nach Anspruch 12, wobei die erste Struktur ein Adapter ist und die zweite Struktur ein Verbinder ist, der zu dem Druckgasspeichertank gehört.
O-Ringanordnung nach Anspruch 12, wobei der Druckgastank ein Wasserstoffspeichertank für ein Brennstoffzellensystem ist.
O-Ringanordnung nach Anspruch 19, wobei sich das Brennstoffzellensystem an einem Fahrzeug befindet.