DE102009024793A1 - Verfahren zur Herstellung eines Wasserstofftanks - Google Patents

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Franz Dipl.-Ing. Maier
Matthias Dr. Nohr
Dirk Dipl.-Ing. Streichert
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Abstract

Bei einem Verfahren zur Herstellung eines Wasserstofftanks für ein Kraftfahrzeug aus einem Faserverbundwerkstoff wird zur Verringerung einer Wandstärke ein Aushärtevorgang in einem Autoklaven unter Überdruck ausgeführt. Weiterhin wird ein entsprechend ausgestattetes Kraftfahrzeug angegeben.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Wasserstofftanks für ein Kraftfahrzeug aus einem Faserverbundwerkstoff sowie ein entsprechend ausgestattetes Kraftfahrzeug.
  • Moderne Antriebssysteme für Kraftfahrzeuge basieren auf dem Einsatz von gasförmigem Wasserstoff als Energieträger. Hierzu wird der Wasserstoff in einem Wasserstofftank mit einem bis zu 700fachen Überdruck im Kraftfahrzeug mitgeführt. Derartige Wasserstofftanks sind bisher als Stahlflaschen mit bis zu 200fachem Überdruck eingesetzt worden. Eine Wandung des Wasserstofftanks kann auch für einen höheren Fülldruck aus einem Faserverbundwerkstoff mit beispielsweise Glas- und/oder Kohlenstofffasern bestehen.
  • Derartige Wasserstofftanks verfügen über Zu- und Ableitungen zum Befüllen beziehungsweise zur Versorgung eines Antriebssystems mit dem benötigen Wasserstoff sowie über ein Überdruckventil. Ein Wasserstofftank wird mit geeigneten Haltevorrichtungen an einer Rohbaustruktur beziehungsweise einer Karosserie eines Kraftfahrzeugs befestigt, wobei der Wasserstofftank in seiner äußeren Formgebung an einen vorhandenen Einbauraum der Rohbaustruktur angepasst sein kann.
  • Ein derartiger Druckbehälter, insbesondere zum Mitführen von Wasserstoff, ist aus der DE 10 2006 051 376 A1 bekannt. Dabei wird der Druckbehälter in einem Walzverfahren aus einem metallischen Werkstoff angefertigt. Zur Erhöhung der Festigkeit beziehungsweise um eine dünnere Wandung zur Gewichtsreduzierung realisieren zu können kann eine Behälteraußenfläche mit faserverstärktem Kunststoff umwickelt werden, um derart den Innenbehälter einer Druck-Vorspannung auszusetzen, dem so genannten Autofrettagedruck. Wird der Druckbehälter befüllt wird diese Druck-Vorspannung zunächst ausgeglichen und erst bei ansteigendem Fülldruck die Behälterwandung nach Außen hin beansprucht.
  • Als nachteilig hierbei ist es anzusehen, dass üblicherweise nach wie vor Stahlflaschen als Innenbehälter eingesetzt werden und dass das Umwickeln einen erheblichen fertigungstechnischen Aufwand erfordert.
  • Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Herstellungsverfahren für einen Wasserstofftank anzugeben, mit dem in einfacher Weise ein leichtgewichtiger Wasserstoffbehälter herstellbar ist. Weiterhin soll ein entsprechend ausgestattetes Kraftfahrzeug angegeben werden.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 beziehungsweise ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst.
  • Bei einem derartigen Verfahren wird ein Faserverbundwerkstoff in an sich beliebiger Weise in die gewünschte Form gebracht, die der später gewünschten Form des ausgehärteten Wasserstofftanks entspricht. Nachfolgend wird das Kunststoffmaterial des Faserverbundwerkstoffs ausgehärtet. Hierzu erfolgt eine Temperaturführung, um optimale Festigkeitswerte in Abhängigkeit des gewählten Kunststoffmaterials beziehungsweise der Art und Menge der verwendeten Fasern wie Glasfasern, Kohlefasern und/oder metallischer Fasern zu erhalten.
  • Insgesamt wird der Aushärtevorgang in einem Autoklaven durchgeführt, einem gasdicht verschließbaren Druckbehälter.
  • Während des Aushärtevorgangs herrscht im Autoklaven ein Überdruck, der von Außen auf die aushärtende Wandung des Wasserstofftanks einwirkt. Es versteht sich, dass das Innere des Wasserstofftanks mit geeigneten Ventilen, Verschlüssen oder dergleichen gegen den Außendruck abgedichtet ist beziehungsweise es wird die Wandung innenseitig abgestützt.
  • Durch den erhöhten Außendruck während des Aushärtens wird der Wandung aus dem Faserverbundwerkstoff eine Eigenspannung verliehen, die beim Befüllen des Wasserstofftanks, vorzugsweise mit Wasserstoffgas, zunächst mit einem ersten Innendruck p1 ausgeglichen werden muss, um einen spannungsfreien Zustand in der Tankwandung zu erhalten. Nachfolgend wird der Innendruck auf den gewünschten Fülldruck erhöht beispielsweise 700facher Überdruck. Dabei ist der tatsächlich nach Außen wirkende Druck auf die Tankwandung p2 aber kleiner als der 700fache atmosphärischer Überdruck und zwar um den Betrag p1. Somit kann die Wandung des Wasserstoffbehälters dünner ausgeführt werden, da nicht der vollständige Überdruck aufgefangen werden muss.
  • Es versteht sich, dass die Formgebung eines derartigen Wasserstofftanks vom Fachmann in an sich beliebiger Weise gestaltet werden kann in Abhängigkeit der im Kraftfahrzeug vorhandenen Einbauräume. Bevorzugt wird jedoch eine längliche, zylindrische Formgebung gewählt werden.
  • Vorzugsweise wird ein derartiger Wasserstofftank in Kraftfahrzeugen zum Mitführen des Wasserstoffs eingesetzt, grundsätzlich können derartig ausgebildete Wasserstofftanks aber auch auf allen anderen Gebieten der Technik eingesetzt werden, beispielsweise als stationärer Vorratsbehälter zur Energiegewinnung in einer Brennstoffzelle. Auch können bei geeigneter Materialwahl auch andere Gase eingefüllt werden.
  • Zur weiteren Erhöhung der Stabilität können nach dem Aushärtevorgang weitere Verstärkungsfasern unter einer definierten Vorspannung aufgebracht werden. Damit wird zwar die Dicke der Wandung und das Gesamtgewicht des Wasserstofftanks erhöht, jedoch kann der Fülldruck entsprechend ebenfalls erhöht werden.
  • Vorzugsweise erfolgt das Aufbringen der zusätzlichen Verstärkungsfasern in einem an sich bekannten Wickelverfahren.
  • Weiterhin kann ein Liner beziehungsweise eine gasdichte Schicht oder Beschichtung nicht auf einer Tankinnenseite angebracht sein sondern der Liner wird zumindest teilweise in die Wandung einlaminiert. Somit wird insbesondere für nicht runde Tanks eine zusätzliche Verstärkung erhalten.
  • Es versteht sich, dass der Wasserstofftank hinsichtlich seiner mechanischen Eigenschaften derart ausgelegt ist, dass er bei der Betankung beziehungsweise der Entleerung während des Betriebs sowie unter verschiedenen Temperatureinflüssen maßhaltig ist, um insbesondere den störungsfreien Einsatz im Kraftfahrzeug zu gewährleisten.
  • In einer weiteren Ausgestaltung weist der Wasserstofftank einen mehrschaligen Aufbau auf. Das bedeutet, dass mehrere in sich abgeschlossene Tankvolumina jeweils einander umhüllend angeordnet sind. Dabei herrscht im innersten Tankvolumen der höchste Fülldruck, der jeweils nach Außen hin abnimmt. Bei einer derartigen Anordnung verschiedener Tanks ineinander muss eine Wandung des innersten Tankes nicht derart dickwandig ausgelegt werden, dass sie den vollständigen Unterschied zwischen Normaldruck und dem Druck im Inneren aufnehmen muss, sondern lediglich die Druckdifferenz zum umgebenenden Tankvolumen. Somit kann jeweils Material bei der Auslegung der verschiedenen Tankwandungen eingespart werden.
  • Schließlich ist vorgeschlagen, dass der Wasserstofftank zwei miteinander verbundene Tankbehälter umfasst, die beispielsweise T- oder L-förmig angeordnet und miteinander verflanscht sind. Dabei herrscht in einem ersten Tank ein höherer Druck als im anderen, zweiten Tank. Für den Tank niedrigeren Drucks ist ein Regelventil vorgesehen, wobei beim Befüllen zuerst der Niederdruck-Tank befüllt wird, bis dieser seinen Arbeitsdruck erreicht hat. Nachfolgend wird der Tank mit höherem Fülldruck befüllt. Während des Betriebs erfolgt die Entnahme in umgekehrter Reihenfolge.
  • Zum Einbau des Wasserstofftanks im Kraftfahrzeug ist vorgeschlagen, dass dieser selbst als tragendes Element der Rohbaustruktur des Kraftfahrzeugs ausgebildet ist. Das bedeutet, dass er zur Stabilität einer Rohkarosse des Kraftfahrzeugs beiträgt und gegebenenfalls weitere Komponenten insbesondere der Karosse des Kraftfahrzeugs an dem Wasserstofftank befestigt sein können. Es versteht sich, dass der Wasserstofftank beziehungsweise dessen Wandung in einer ausreichenden Wandstärke ausgelegt ist, um die statischen und dynamischen Kräfte, insbesondere während des Fahrtbetriebs, aufnehmen zu können.
  • Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung können der nachfolgenden Beschreibung zu dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel sowie den einzelnen Patentansprüchen entnommen werden.
  • In der Zeichnung zeigt:
  • 1 die Druckverhältnisse in einem herkömmlichen und einem erfindungsgemäßen Wasserstofftank.
  • In 1 ist in dem Diagramm links der Anstieg des Drucks p im Innen eines herkömmlichen Wasserstofftanks dargestellt. Dabei ist auf der x-Achse die zunehmende Spannung in der Wandung eines Wasserstofftanks abgetragen. Bei zunehmendem Druck p steigt auch die auf der y-Achse dargestellte Bauteil- Spannung in der Wandung des Wasserstofftanks an. Beim gewünschten Arbeitsdruck p2 sind noch genügend Sicherheitsreserven vorhanden, um eine Zerstörung des Wasserstofftanks ausschließen zu können.
  • Ist der Wasserstofftank beziehungsweise dessen Wandung jedoch im Autoklaven unter Überdruck mit einer Eigenspannung ausgestattet worden, so hat der Wasserstofftank im Leerzustand eine derartige Eigenspannung, die durch den negativen Druck -p1 angegeben ist, dass im leeren Zustand der Wasserstofftank quasi das Bestreben hat, sich selbst zusammen zu ziehen, wie aus dem Diagramm in 1 auf der rechten Seite dargestellt. Erst wenn der Wasserstofftank mit dem Druck p1 befüllt ist ist die Eigenspannung in der Wandung ausgeglichen und absolut gesehen steht die Wandung unter dem gesamten Innendruck „0”. Nachfolgend wird der Wasserstofftank bis zum Gesamtdruck p2 befüllt, so dass die gleiche Füllmenge wie im Stand der Technik enthalten ist. Dabei ist der absolut herrschende Druck von innen auf die Wandung aber geringer als im Stand der Technik, da die Vorspannung p1 abgezogen wird.
    • p
    Druck
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 102006051376 A1 [0004]

Claims (8)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Wasserstofftanks für ein Kraftfahrzeug aus einem Faserverbundwerkstoff, dadurch gekennzeichnet, dass ein Aushärtevorgang in einem Autoklaven unter Überdruck ausgeführt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Aushärten weitere Verstärkungsfasern unter einer Vorspannung aufgebracht werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsfasern in einem Wickelverfahren aufgebracht werden.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Liner in eine Wandung des Wasserstofftanks einlaminiert ist.
  5. Kraftfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass es mit einem Wasserstofftank ausgestattet ist, der nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 hergestellt ist.
  6. Kraftfahrzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstofftank einen mehrschaligen Aufbau mit jeweils unterschiedlichen Fülldrücken aufweist.
  7. Kraftfahrzeug nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstofftank einen T- oder L-förmigen Aufbau aufweist, insbesondere mit zwei miteinander verbundenen Behältern.
  8. Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstofftank als tragendes Element in eine Rohbaustruktur des Kraftfahrzeugs eingebaut ist.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE102011007361A1 (de) * 2011-04-14 2012-10-18 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Druckbehälter, insbesondere für ein Kraftfahrzeug

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102006051376A1 (de) 2006-10-27 2008-05-08 Eska Flowform Gmbh Druckbehälter und Verfahren zu dessen Herstellung

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