DE102009040798A1 - Permeationsschutz für einen druckbeaufschlagten Wasserstoffspeichertank - Google Patents

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Abstract

Eine Ausführungsform der Erfindung umfasst ein Produkt, das eine Ummantelung für ein Speichergefäß für druckbeaufschlagtes Gas aufweist, die eine innere Fläche und eine äußere Fläche, eine Auskleidungsschicht über der inneren Fläche des Speichergefäßes für druckbeaufschlagtes Gas sowie eine Permeationsschutzschicht über der Auskleidungsschicht aufweist.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Das Gebiet, das die Offenbarung allgemein betrifft, umfasst Speichergefäße zum Speichern eines druckbeaufschlagten Gases, wie Wasserstoff, sowie Verfahren zu deren Herstellung.
  • HINTERGRUND
  • Wasserstoff wird üblicherweise bei industriellen Anwendungen, beispielsweise in Brennstoffzellen, verwendet. Wasserstoff, der in derartigen Anwendungen verwendet wird, kann in einem druckbeaufschlagten Speichergefäß gespeichert werden. Speichergefäße für komprimierte Gase müssen eine mechanische Stabilität sowie Integrität besitzen, so dass der Behälter nicht durch den Druck darin reißt oder zerbirst. Für Brennstoffzellenfahrzeuge ist es typischerweise erwünscht, Wasserstoffgasbehälter mit geringem Gewicht herzustellen, um so die Gewichtsanforderungen eines Fahrzeugs nicht signifikant zu beeinflussen. Es ist bekannt, Tanks für komprimiertes Gas vom Typ 4 zur Speicherung von komprimiertem Wasserstoffgas an dem Fahrzeug zu verwenden. Ein Tank vom Typ 4 weist eine äußere strukturelle bzw. konstruktive Schicht, die aus einem Synthetikmaterial besteht, und eine Kunststoffauskleidung auf. Die äußere Schicht sieht die strukturelle Integrität bzw. Stabilität des Tanks für den darin enthaltenen Druck vor, und die Kunststoffauskleidung sieht ein gasdichtes Gefäß zur Abdichtung des Gases darin vor. Die Kunststoffauskleidung kann einen mittleren Durchmesser von etwa 390 mm, eine Dicke von etwa 10 mm, eine Länge von etwa 700 mm, eine Dichte von etwa 2,7 g/cm3 sowie ein Gewicht von etwa 8,5 kg aufweisen. Die Rate der Permeation von Wasserstoff durch die Auskleidung kann invers proportional zu der Dicke der Auskleidung sein. Jedoch reduziert eine dicke Auskleidung die Volumenkapazität des Gefäßes.
  • ZUSAMMENFASSUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
  • Eine Ausführungsform umfasst ein Produkt, das eine Ummantelung für ein Speichergefäß für druckbeaufschlagtes Gas aufweist, die eine Innenfläche und eine Außenfläche, eine Auskleidungsschicht über der Innenfläche des Speichergefäßes für druckbeaufschlagtes Gas sowie eine Permeationsschutzschicht über der Auskleidungsschicht aufweist.
  • Andere beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung offensichtlich. Es sei zu verstehen, dass die detaillierte Beschreibung und spezifische Beispiele, während sie beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung offenbaren, nur zu Zwecken der Veranschaulichung und nicht dazu bestimmt sind, den Schutzumfang der Erfindung zu beschränken.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden aus der detaillierten Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen besser verständlich, in welchen:
  • 1 eine Schnittansicht eines Abschnitts eines Hochdruck-Gasspeichergefäßes gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist;
  • 2A ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht;
  • 2B ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht; und
  • 2C ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Die folgende Beschreibung der Ausführungsform(en) ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken.
  • 1 ist eine teilweise Schnittansicht eines Speichergefäßes 10 für druckbeaufschlagtes Gas gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Das Speichergefäß 10 kann mit einem Ventil in einer beliebigen einer Vielzahl von Konstruktionsanordnungen, die dem Fachmann bekannt sind, geschlossen werden. Das Speichergefäß 10 umfasst eine Gefäßummantelung 12. Die Gefäßummantelung 12 besitzt eine Innenfläche 14 und eine Außenfläche 16. Bei einer Ausführungsform kann die Gefäßummantelung 12 ein Synthetikmaterial sein, wie beispielsweise, jedoch nicht darauf beschränkt, Kohlefaser, Glasfaser oder eine Komposit- bzw. Verbundfasermatrix. Das Innere des Gefäßes 10 ist zur Aufnahme von druckbeauf schlagtem Gas, beispielsweise Wasserstoff, geeignet. Bei einer Ausführungsform kann der druckbeaufschlagte Wasserstoff in einer Brennstoffzelle verbraucht werden. Bei anderen Ausführungsformen kann das Speichergefäß 10 derart angepasst sein, um andere druckbeaufschlagte Gase für eine Vielzahl von Anwendungen zu enthalten.
  • Weiter Bezug nehmend auf 1 liegt eine Auskleidungsschicht 18 über der Innenfläche 14 der Gefäßummantelung 12. Bei einer Ausführungsform kann die Gefäßummantelung 12 um die Auskleidungsschicht 18 gewickelt werden. Bei einer Ausführungsform kann die Auskleidungsschicht 18 um die Gefäßummantelung 12 gewickelt werden. Bei einer Ausführungsform kann die Auskleidungsschicht 18 ein Synthetikmaterial sein. Bei einer Ausführungsform kann die Auskleidungsschicht 18 Kunststoff sein. Bei einer Ausführungsform kann die Auskleidungsschicht 18 ein kostengünstiger Kunststoff sein. Die Auskleidungsschicht 18 besitzt eine erste Fläche 20 und eine zweite Fläche 22. Die erste Fläche 20 kann in Kontakt mit der Innenfläche 14 der Gefäßummantelung 12 stehen. Bei einer Ausführungsform besitzt die Auskleidungsschicht eine Dicke von etwa 1 bis etwa 20 mm. Bei einer anderen Ausführungsform besitzt die Auskleidungsschicht eine Dicke von etwa 3 bis etwa 12 mm. Bei einer Ausführungsform kann die Auskleidungsschicht 18 einen Trägerrahmen für das Speichergefäß 10 bereitstellen. Bei einer Ausführungsform, die in 1 gezeigt ist, braucht die Auskleidungsschicht 18 nicht in Kontakt mit dem gespeicherten Gas in dem Speichergefäß 10 kommen. Bei einer Ausführungsform umfasst die Auskleidungsschicht 18, ist jedoch nicht darauf beschränkt, ein Polymermaterial, beispielsweise hochdichtes Polyethylen. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann die Auskleidungsschicht 18 in der Lage sein, einen breiten Bereich von Betriebstemperaturen, Drücken sowie Konzentrationen von druckbeaufschlagtem Gas auszuhalten.
  • Bei einer Ausführungsform liegt eine Permeationsschutzschicht 24 über der Auskleidungsschicht 18. Bei einer Ausführungsform kann die Permeationsschutzschicht 24 als eine Beschichtung über der Auskleidungsschicht 18 beschrieben werden. Bei einer Ausführungsform kann die Auskleidungsschicht 18 ein verformbarer Trägeraufbau oder eine verformbare Trägerplattform für die Permeationsschicht 24 sein, während die Permeationsschutzschicht 24 die Permeation von Gas von dem Speichergefäß 10 verhindert oder verringert. Die Permeationsschutzschicht 24 besitzt eine erste Fläche 26 und eine zweite Fläche 28. Bei einer Ausführungsform, die in 1 gezeigt ist, kann die erste Fläche 26 in Kontakt mit der zweiten Fläche 22 der Auskleidungsschicht 18 stehen. Die Permeationsschutzschicht 24 kann die mechanischen Anforderungen verschiedener Betriebstemperaturen, Drücke, etc. in dem Speichergefäß 10 anpassen.
  • Bei einer Ausführungsform kann die Permeationsschutzschicht 24 aus Glas, SiO2, Titanoxid, amorphem hydriertem diamantartigem Kohlenstoff (DLC), einem Metall aus der vierten bis achten Untergruppe des Periodensystems der Elemente oder einer Kombination von Metallen aus der vierten bis achten Untergruppe des Periodensystems der Elemente sein. Bei einer Ausführungsform besitzt die Permeationsschutzschicht eine Dicke von etwa 10 nm bis etwa 5 μm. Bei einer anderen Ausführungsform besitzt die Permeationsschutzschicht eine Dicke von etwa 100 nm bis etwa 1 μm. Die Permeationsschutzschicht 24 kann die Permeation von druckbeaufschlagtem Gas aus dem Inneren des Gefäßes verhindern. Die Permeationsschutzschicht 24 kann die mechanischen Anforderungen, beispielsweise Temperatur und Druck, zur Verhinderung der Permeation von druckbeaufschlagtem Gas aus dem Gefäßinneren anpassen.
  • Bei einer Ausführungsform können die kombinierte Dicke der Auskleidungsschicht 18 und der Permeationsschutzschicht 24 kleiner als die Di cke einer herkömmlichen Auskleidung in einem Speichergefäß für druckbeaufschlagtes Gas sein. Die Volumenspeicherkapazität des Gefäßes 10 kann größer als diejenige eines herkömmlichen Speichergefäßes für druckbeaufschlagtes Gas sein.
  • In den 2A–C sind Flussdiagramme für verschiedene Verfahren zur Herstellung des Speichergefäßes 10 gezeigt. Bezug nehmend auf 2A wird bei einer Ausführungsform die Auskleidungsschicht 18 vorgesehen. Anschließend wird die Permeationsschutzschicht 24 über der zweiten Fläche 22 der Auskleidungsschicht 18 vorgesehen. Bei einer Ausführungsform kann die Permeationsschutzschicht 24 über der zweiten Fläche 22 der Auskleidungsschicht 18 unter Verwendung einer Abscheidungstechnik geformt werden, wie beispielsweise, jedoch nicht darauf beschränkt, chemische Abscheidung aus der Dampfphase bzw. Chemical Vapor Deposition, plasmaaktivierte Chemical Vapor Deposition oder physikalische Dampfphasenabscheidung bzw. Physical Vapor Deposition. Anschließend kann die Gefäßummantelung 12 über der ersten Fläche 20 der Auskleidungsschicht 18 vorgesehen werden.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform, die in 2B gezeigt ist, wird die Auskleidungsschicht 18 vorgesehen. Anschließend kann die Gefäßummantelung 12 über der ersten Fläche 20 der Auskleidungsschicht 18 vorgesehen werden. Bei einer Ausführungsform kann die Gefäßummantelung 12 um die Auskleidungsschicht 18 in einem automatisierten oder manuellen Umwickelungsprozess gewickelt werden. Anschließend kann die Permeationsschutzschicht 24 über der zweiten Fläche 22 der Auskleidungsschicht 18 vorgesehen werden. Wie oben beschrieben ist, kann die Permeationsschutzschicht 24 unter Verwendung einer Abscheidungstechnik geformt werden.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform, die in 2C gezeigt ist, wird die Gefäßummantelung 12 vorgesehen. Anschließend kann die Auskleidungsschicht 18 über der Innenfläche 14 der Gefäßummantelung 12 vorgesehen werden. Bei einer Ausführungsform kann die Auskleidungsschicht 18 um die Gefäßummantelung 12 in einem automatisierten oder manuellen Umwickelungsprozess gewickelt werden. Anschließend kann die Permeationsschutzschicht 24 über der zweiten Fläche 22 der Auskleidungsschicht 18 vorgesehen werden. Wie oben beschrieben ist, kann die Permeationsschutzschicht 24 unter Verwendung einer Abscheidungstechnik geformt werden.
  • Bei einer Ausführungsform kann das Speichergefäß 10 in einem Brennstoffzellenfahrzeug (nicht gezeigt) angebracht sein. Es kann gasförmiger Druck beaufschlagter Wasserstoff in dem Speichergefäß 10 gespeichert sein. Der druckbeaufschlagte Wasserstoff kann von dem Inneren des Gefäßes an einen Brennstoffzellenstapel (nicht gezeigt) verteilt werden, an dem der Wasserstoff als Brennstoff verwendet werden kann, um elektrische Leistung für das Brennstoffzellenfahrzeug zu erzeugen.
  • Die obige Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung ist lediglich beispielhafter Natur, und somit sind Abwandlungen derselben nicht als eine Abweichung von dem Erfindungsgedanken und dem Schutzumfang der Erfindung zu betrachten.

Claims (22)

  1. Produkt, umfassend: eine Ummantelung für ein Speichergefäß für druckbeaufschlagtes Gas, die eine innere Fläche und eine äußere Fläche umfasst; eine Auskleidungsschicht über der inneren Fläche des Speichergefäßes für druckbeaufschlagtes Gas; und eine Permeationsschutzschicht über der Auskleidungsschicht.
  2. Produkt nach Anspruch 1, wobei die Ummantelung für ein Speichergefäß für druckbeaufschlagtes Gas eine Komposit- bzw. Verbundfasermatrix umfasst.
  3. Produkt nach Anspruch 1, wobei die Ummantelung für ein Speichergefäß für druckbeaufschlagtes Gas eine Glasfaser umfasst.
  4. Produkt nach Anspruch 1, wobei die Ummantelung eines Speichergefäßes für druckbeaufschlagtes Gas eine Kohlefaser umfasst.
  5. Produkt nach Anspruch 1, wobei die Auskleidungsschicht Kunststoff umfasst.
  6. Produkt nach Anspruch 1, wobei die Permeationsschutzschicht SiO2, amorphen hydrierten diamantartigen Kohlenstoff (DLC), ein Metall aus der vierten bis ach ten Untergruppe des Periodensystems der Elemente oder eine Kombination von Metallen aus der vierten bis achten Untergruppe des Periodensystems der Elemente umfasst.
  7. Produkt nach Anspruch 1, wobei die Auskleidungsschicht eine Dicke von etwa 1 bis etwa 20 mm besitzt.
  8. Produkt nach Anspruch 1, wobei die Auskleidungsschicht eine Dicke von etwa 3 bis etwa 12 mm umfasst.
  9. Produkt nach Anspruch 1, wobei die Permeationsschutzschicht eine Dicke von etwa 10 nm bis etwa 5 μm besitzt.
  10. Produkt nach Anspruch 1, wobei die Permeationsschutzschicht eine Dicke von etwa 100 nm bis etwa 1 μm besitzt.
  11. Verfahren, umfassend, dass: eine Ummantelung für ein Speichergefäß für druckbeaufschlagtes Gas vorgesehen wird, die eine innere Fläche und eine äußere Fläche umfasst; eine Auskleidungsschicht über der inneren Fläche des Speichergefäßes für druckbeaufschlagtes Gas vorgesehen wird; und eine Permeationsschutzschicht über der Auskleidungsschicht vorgesehen wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Bereitstellen der Permeationsschutzschicht umfasst: chemische Abscheidung aus der Dampfphase bzw. Chemical Vapor Deposition, plasmaaktivierte Chemical Vapor Deposition oder physikalische Dampfphasenabscheidung bzw. Physical Vapor Deposition.
  13. Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Bereitstellen der Auskleidungsschicht ein automatisches Umwickeln oder ein manuelles Umwickeln über die Innenfläche des Speichergefäßes für druckbeaufschlagtes Gas umfasst.
  14. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Ummantelung für ein Speichergefäß für druckbeaufschlagtes Gas eine Komposit- bzw. Verbundfasermatrix umfasst.
  15. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Ummantelung für ein Speichergefäß für druckbeaufschlagtes Gas eine Glasfaser umfasst.
  16. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Ummantelung für ein Speichergefäß für druckbeaufschlagtes Gas eine Kohlefaser umfasst.
  17. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Auskleidungsschicht Kunststoff umfasst.
  18. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Permeationsschutzschicht SiO2, amorphen hydrierten diamantartigen Kohlenstoff (DLC), ein Metall aus der vierten bis achten Untergruppe des Periodensystems der Elemente oder eine Kom bination von Metallen aus der vierten bis achten Untergruppe des Periodensystems der Elemente umfasst.
  19. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Auskleidungsschicht eine Dicke von etwa 1 bis etwa 20 mm besitzt.
  20. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Auskleidungsschicht eine Dicke von etwa 3 bis etwa 12 mm besitzt.
  21. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Permeationsschutzschicht eine Dicke von etwa 10 nm bis etwa 5 μm besitzt.
  22. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Permeationsschutzschicht eine Dicke von etwa 100 nm bis etwa 1 μm besitzt.
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