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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Gastank und ein Verfahren zum
Herstellen einer Gastankauskleidung. Genauer betrifft die vorliegende
Erfindung eine Verbesserung des Aufbaus eines Gastanks und ein Verfahren
zum Herstellen einer geeigneten Auskleidung für den Gastank
mit dem verbesserten Aufbau.
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2. Beschreibung der einschlägig
verwandten Technik
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Bekannt
ist ein Gastank (ein Hochdruck-Gasspeicherbehälter), der
als Speicher oder Quelle für Wasserstoff und dergleichen
verwendet wird, und der folgendes aufweist: einen Tankkörper, der
eine Auskleidung aufweist, deren Außenumfangsfläche
mit Harz imprägniert und beispielsweise mit einer Schicht
aus kohlefaserverstärktem Kunststoff (CFK) verstärkt
ist; und einen Deckel bzw. Verschluss, der aus einer Legierung besteht
und an der Öffnung des Tankkörpers befestigt ist.
Beispielsweise kann eine Ventilbaugruppe (ein Teil, das ein Hochdruckventil
und dergleichen aufweist) an dem Verschluss befestigt sein, der
in einer Tanköffnung vorgesehen ist.
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Ebenfalls
offenbart ist ein Gastank (z. B. ein Wasserstoff-Speicherbehälter),
der eine Innenschicht und eine Außenschicht aufweist und
in dem ein Entgasungskanal, der aus dem Tank nach außen führt,
zwischen der Innenschicht und der Außenschicht ausgebildet
ist (siehe beispielsweise die veröffentlichte
japanische Patentanmeldung Nr. 2004-176885 (
JP-A-2004-176885 )).
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Falls
der Entgasungskanal jedoch zwischen Kontaktflächen der
beiden Schichten (der Innenschicht und der Außenschicht)
ausgebildet ist, wie in dem oben beschriebenen Gastank, kann die
Festigkeit des Tanks herabgesetzt sein.
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Um
dieses Problem zu lösen, haben die Erfinder verschiedene Überlegungen
angestellt. In solchen Hochdrucktanks kann das Problem auf die Zweilagenstruktur
zurückzuführen sein, die aus einer Auskleidungsschicht
als der Innenschicht und einer Schicht aus faserverstärktem
Kunststoff (FVK) als der Außenschicht gebildet ist, da
Spurenmengen von Wasserstoffgas durch die Auskleidungsschicht dringen
können, wenn der Tank unter Druck gehalten wird. Da ein
Raum zwischen der FVK-Schicht und der Abdeckung in dem unter hohem
Druck stehenden Tank druckdicht ist, sammelt sich in diesem Fall
Wasserstoffgas zwischen der Auskleidungsschicht und der FVK-Schicht
an, wodurch bewirkt wird, dass sich die Auskleidungsschicht nach
innen verformt (siehe 11). Wenn der Innendruck des
Tanks mit zunehmendem Verbrauch an Wasserstoffgas sinkt, tritt hochkonzentriertes
Wasserstoffgas durch den unzureichend abgedichteten Raum zwischen
der FVK-Schicht und der Abdeckung aus (siehe 12). Nach
eingehender Betrachtung von Hochdrucktanks, insbesondere des Phänomens,
dass Wasserstoffgas durch die Auskleidungsschicht dringt, kam dem
Erfinder ein neuer Gedanke, der zu einer Lösung für
das Problem führt.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung schafft einen Gastank, dessen Festigkeit durch
die Bildung eines Entgasungskanals nicht beeinträchtigt
ist, und ein Verfahren zum Herstellen einer Auskleidung für
den Gastank.
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Ein
erster Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft einen Gastank,
der eine Auskleidung und eine Schicht aus faserverstärktem
Kunststoff (FVK) aufweist. Ein hohler Abschnitt ist innerhalb einer
Dicke der Auskleidung entlang der axialen Richtung des Tanks ausgebildet.
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Der
Gastank des oben genannten Aspekts kann ferner einen Auslass aufweisen,
der so ausgebildet ist, dass er einem Verschluss bzw. Deckel nahe kommt.
Ein Ende des hohlen Abschnitts kann mit dem Auslass in Verbindung
stehen.
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Gemäß dem
oben genannten Aspekt kann ein Gas (z. B. Wasserstoffgas), das die
Auskleidung durchdrungen hat, in dem in der Auskleidung ausgebildeten
hohlen Abschnitt aufgefangen werden und kann aus dem Tank ausgeführt
werden. Somit kann eine Ansammlung des Gases zwischen der Auskleidung
und der FVK-Schicht verhindert werden. Da der hohle Abschnitt, aus
dem das durchgedrungene bzw. ausgetretene Gas ausgeführt
werden soll, innerhalb der Auskleidungsplatte ausgebildet ist, ist
außerdem die Festigkeit der Auskleidung selbst nicht stark
beeinträchtigt.
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Der
Gastank im oben genannten Aspekt kann Auslässe an beiden
Enden des Gastanks aufweisen. Das eine Ende des hohlen Abschnitts
kann mit irgendeinem der Auslässe in Verbindung stehen.
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Der
Gastank im oben genannten Aspekt kann ferner einen Vorsprung aufweisen,
der so ausgebildet ist, dass er einem Verschluss nahe kommt. Ein
Ende des hohlen Abschnitts kann mit dem Vorsprung in Verbindung
stehen.
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Im
oben genannten Aspekt kann eine Vielzahl von hohlen Abschnitten
vorgesehen sein. Diese mehreren hohlen Abschnitte können
in gleichmäßigen Abständen in Umfangsrichtung
der Auskleidung ausgebildet sein.
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Die
hohlen Abschnitte im oben genannten Aspekt können über
der gesamten Länge der Auskleidung ausgebildet sein.
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Im
oben genannten Aspekt kann eine Vielzahl von hohlen Abschnitten
vorgesehen sein. Diese mehreren hohlen Abschnitte können
parallel zueinander sein.
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Beide
Seitenflächen der Auskleidung im oben genannten Aspekt
können flach ausgebildet sein.
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Der
hohle Abschnitt im oben genannten Aspekt kann parallel zur axialen
Richtung ausgebildet sein.
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Der
Gastank im oben genannten Aspekt kann mit Gas gefüllt sein,
das Wasserstoff enthält.
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Der
Gastank im oben genannten Aspekt kann ein Wasserstofftank als Brennstoffquelle
in einem Brennstoffzellensystem sein.
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Die
Auskleidung und die Schicht aus faserverstärktem Kunststoff
im oben genannten Aspekt können eine Wandstruktur bilden.
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Ein
zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren
zum Herstellen einer Auskleidung für einen Gastank, der
die Auskleidung und eine Schicht aus faserverstärktem Kunststoff
(FVK) aufweist. Das Verfahren zum Herstellen der Auskleidung weist
auf: Einspritzen von Harz aus einem Einspritz-Anspritzpunkt bzw.
Einguss in eine Kavität, die zwischen einem Haupt-Formblock
und einem Formkern ausgebildet ist; Einspeisen bzw. Einpumpen von unter
Druck stehendem Edelgas durch den Einguss während der Harzeinspritzung;
Vergrößern der Kavität durch Zurückziehen
eines Teils des Kerns; und Abkühlen und Härten
des Harzes, während der Gasdruck für einen bestimmten
Zeitraum aufrechterhalten wird, und danach Abführen des
unter Druck stehenden Gases, um die Auskleidung einzusammeln.
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Im
oben genannten Aspekt kann das unter Druck stehende Gas eingespeist
bzw. eingepumpt werden, während das Harz eingespritzt wird.
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Gemäß dem
oben genannten Aspekt kann ein hohler Abschnitt, welcher der axialen
Richtung des Tanks folgt, anhand eines als gasunterstütztes Spritzgießen
bezeichneten Verfahrens innerhalb der Auskleidungsplatte geschaffen
werden. Der hohle Abschnitt kann das Gas (z. B. Wasserstoffgas),
das die Auskleidung durchdrungen hat, auffangen und das Gas aus
dem Tank ausführen. Somit ist es möglich, eine
Ansammlung des Gases, das die Auskleidung durchdrungen hat, zwischen
der Auskleidung und der FVK-Schicht des Hochdrucktanks zu verhindern.
Da der hohle Abschnitt, der das ausgetretene Gas abführen
soll, innerhalb der Auskleidungsplatte ausgebildet wird, ist außerdem
die Festigkeit der Auskleidung selbst nicht stark beeinträchtigt.
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Ein
Ende der Auskleidung im oben genannten Aspekt kann eine Öffnung
sein. Das oben genannte Verfahren kann ferner beinhalten: Abschneiden
des Auskleidungseingusses; Schweißen einer Öffnung,
bei der es sich um ein Ende der Auskleidung handelt, an eine Öffnung
einer gleichen Auskleidung; und Ausbilden eines Verschlusses im
anderen Ende der Auskleidung.
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Im
oben genannten Aspekt kann der hohle Abschnitt in der Auskleidung
ausgebildet werden. Größe und Zahl der hohlen
Abschnitte können durch Variieren der Zahl von Einlässen,
durch die das unter Druck stehende Edelgas eingepumpt wird, des
Querschnitts der Auskleidung und des Drucks des eingepumpten Gases
angepasst werden.
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Gemäß den
oben genannten Aspekten kann eine Herabsetzung der Festigkeit des
Tanks auch dann vermieden werden, wenn der Entgasungskanal ausgebildet
wird.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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Die
oben genannten und weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden
aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen
mit Bezug auf die begleitende Zeichnung deutlich, wobei gleiche
Bezugzahlen verwendet werden, um gleiche Elemente darzustellen,
und wobei:
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1 ein
Beispiel für den Aufbau eines Brennstoffzellensystems gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
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2 eine
Querschnittsansicht ist, die Hauptkomponenten eines Hochdrucktanks
gemäß der Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung zeigt;
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3 eine
schematische Darstellung einer Gießform ist und eine Ausführungsform
eines Verfahrens zum Herstellen des Hochdrucktanks zeigt;
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4 nur
einen vertikalen Querschnitt einer Harzauskleidung zeigt, wobei
es sich um ein Beispiel für ein Harzauskleidungs-Formteil
handelt;
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5 eine
Querschnittsdarstellung des gesamten Umfangs der Harzauskleidung
entlang der Linie V-V in 4 ist;
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6 eine
vergrößerte Darstellung eines umrahmten Abschnitts
von 5 ist.
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7 zeigt,
dass offene Enden von zwei Harzauskleidungen aneinander gelegt und
miteinander verschweißt werden;
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8 eine
perspektivische Darstellung ist, die ein Beispiel für den
Hochdrucktank nach einem FW-Formverfahren zeigt;
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9 ein
Ablaufschema ist, das ein Beispiel für das Verfahren zum
Herstellen des Hochdrucktanks veranschaulicht;
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10A eine allgemeine Ansicht des Hochdrucktanks
ist;
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10B eine teilweise vergrößerte
Ansicht ist, die zum Vergleich die Ansammlung von Wasserstoffgas,
das die Harzauskleidung durchdrungen hat, zwischen der Harzauskleidung
und einer äußeren verstärkten Schicht
(CFK-Schicht) zeigt;
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11 zum
Vergleich einen Zustand zeigt, wo die Harzauskleidung nach innen
verformt wird, wenn Wasserstoffgas ausgeführt wird; und
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12 einen
Zustand zeigt, wo Wasserstoffgas, das die Harzauskleidung durchdrungen
hat, sich zwischen der Harzauskleidung und der äußeren
verstärkten Schicht (CFK-Schicht) ansammelt.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
EINER AUSFÜHRUNGSFORM
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Der
Aufbau der vorliegenden Erfindung wird nachstehend ausführlich
auf der Basis einer in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform
beschrieben. 1 bis 9 zeigen
einen Gastank und ein Herstellungsverfahren dafür gemäß der
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Ein Gastank 1 (nachstehend
auch als Hochdrucktank bezeichnet) weist einen Deckel bzw. Verschluss 11,
eine Harzauskleidung (Auskleidung) 20 und eine Schicht
aus kohlefaserverstärktem Kunststoff (CFK) (eine verstärkte
Schicht) 21 auf, die am Außenumfang der Harzauskleidung 20 vorgesehen
ist. Im Folgenden wird ein Fall beschrieben, wo der Hochdrucktank 1 gemäß der
Ausführungsform auf einen Hochdruck-Wasserstofftank als
eine Brennstoffquelle in einem Brennstoffzellensystem 100 angewendet
wird.
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Zuerst
wird der allgemeine Aufbau des Brennstoffzellensystems in dieser
Ausführungsform (siehe 1) beschrieben.
Das Brennstoffzellensystem 100 weist auf: eine Brennstoffzelle 2;
ein Oxidierungsgas-Leitungssystem 30, das Luft (Sauerstoff) zur
Brennstoffzelle 2 liefert; ein Brenngas-Leitungssystem 40,
das Wasserstoff zur Brennstoffzelle 2 liefert; und eine
Steuereinheit 70, die das gesamte System steuert.
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Die
Brennstoffzelle 2 ist aus einem festen Polyelektrolyten
aufgebaut und weist eine Stapelstruktur auf, bei der eine Anzahl
von Einheitszellen übereinander geschichtet sind. Die Einheitszellen
der Brennstoffzelle 2 weisen jeweils eine Luftkathode auf einer
Oberfläche eines Elektrolyten, der aus einer Ionentauschermembran
gebildet ist, eine Brennstoffanode auf der anderen Oberfläche
des Elektrolyten und ein Paar Separatoren, zwischen denen die Luftkathode
und die Brennstoffanode angeordnet sind, auf. Das Brenngas wird
in einen Brenngaskanal in einem der Separatoren geliefert, während Oxidierungsgas
in einen Oxidierungsgaskanal im anderen Separator geliefert wird.
Die Brennstoffzelle 2 erzeugt aus den zugeführten
Gasen Elektrizität.
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Das
Oxidierungsgas-Leitungssystem 30 weist auf: einen Zufuhrkanal 17,
durch den Oxidierungsgas, das der Brennstoffzelle 2 zugeführt
werden soll, strömt; und einen Ausfuhrkanal 12,
durch den Oxidierungsabgas, das aus der Brennstoffzelle 2 ausgeführt
wird, strömt. Der Zufuhrkanal 17 ist mit einem
Kompressor 14, der Oxidierungsgas durch einen Filter 13 empfängt,
und einem Befeuchter 15 ausgestattet, der Oxidierungsgas,
das vom Kompressor 14 unter Druck zugeführt wird,
befeuchtet. Oxidierungsgas, das durch den Ausfuhrkanal 12 strömt,
durchströmt ein Gegendruck-Regulierungsventil 16 und
wird einem Feuchtigkeitsaustausch im Befeuchter 15 unterzogen,
bevor es als Abgas aus dem System in die Atmosphäre ausgeführt
wird.
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Das
Brenngas-Leitungssystem 40 weist auf: den Hochdrucktank 1 als
Brennstoffquelle, der mit unter hohem Druck stehendem Wasserstoff
gefüllt ist; einen Zufuhrkanal 22, durch den Wasserstoffgas, das
der Brennstoffzelle 2 zugeführt werden soll, aus dem
Hochdrucktank 1 strömt; einen Umwälzkanal 23 zum
Rückführen von verbrauchtem Wasserstoffgas (verbrauchtem
Brenngas), das aus der Brennstoffzelle 2 ausgeführt
wird, zu einer Einmündung A1; eine Pumpe 24, die
verbrauchtes Wasserstoffgas im Umwälzkanal 23 unter
Druck in den Zufuhrkanal 22 speist, und einen Ausfuhrkanal 25,
der vom Umwälzkanal 23 abzweigt.
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Der
Hochdrucktank 1 ist als Brenngasvorratstank für
ein Brennstoffzellen-Fahrzeug bevorzugt. Obwohl nicht dargestellt,
sind beispielsweise drei Hochdrucktanks 1 im hinteren Abschnitt
des Fahrzeugs eingebaut. Der Hochdrucktank 1 bildet einen
Teil des Brennstoffzellensystems 100 und liefert Brenngas
durch das Brenngas-Leitungssystem 40 zur Brennstoffzelle 2.
Das Brenngas, das im Hochdrucktank 1 gespeichert ist, kann
ein unter hohem Druck stehendes brennbares Gas, wie Wasserstoffgas
und verdichtetes Erdgas, sein.
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Der
Hochdrucktank 1 dieser Ausführungsform ist so
aufgebaut, dass Wasserstoffgas darin bei einem Druck wie 35 MPa
gespeichert werden kann. Wenn ein Haupt- Rückschlagventil 26 des
Hochdrucktanks 1 offen ist, strömt Wasserstoffgas
in den Zufuhrkanal 22. Nachdem die Strömungsrate
und der Druck des Wasserstoffgases durch einen Injektor 29 angepasst
wurden, wird der Druck des Wasserstoffgases schließlich
durch ein mechanisches Druckregulierungsventil 27 oder
ein anderes drucksenkendes Ventil stromabwärts vom Injektor 29 beispielsweise
auf etwa 200 kPa gesenkt. Dann wird der Brennstoffzelle 2 Wasserstoffgas
zugeführt. Das Haupt-Rückschlagventil 26 und
der Injektor 29 sind in eine Ventilbaugruppe 50 integriert,
die in 1 als gestrichelt gezeichneter Kasten dargestellt
ist. Die Ventilbaugruppe 50 ist mit dem Hochdrucktank 1 verbunden.
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Ein
Sperrventil 28 ist stromaufwärts von der Einmündung
A1 im Zufuhrkanal 22 vorgesehen. Ein Wasserstoffgas-Umwälzsystem
wird durch Verbinden eines Strömungswegs stromabwärts
von der Einmündung A1 im Zufuhrkanal 22, des Brenngaskanals,
der in einem der Separatoren der Brennstoffzelle 2 ausgebildet
ist, und der Umwälzleitung 23 – in dieser
Reihenfolge – gebildet. Ein Spülventil 33 am Abgaskanal 25 wird
während des Betriebs des Brennstoffzellensystems 100 nach
Bedarf geöffnet, so dass Verunreinigungen im verbrauchten
Wasserstoffgas zusammen mit verbrauchtem Wasserstoffgas in einen
(nicht dargestellten) Wasserstoffverdünner ausgeführt
werden. Wenn das Spülventil offen ist, wird im Umwälzkanal 23 die
Konzentration der Verunreinigungen im verbrauchten Wasserstoffgas
gesenkt, und die Konzentration von Wasserstoff im verbrauchten Wasserstoffgas,
das für eine Einspeisung zurückgeführt
wird, wird erhöht.
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Die
Steuereinheit 70 ist als Mikrorechner aufgebaut, der eine
CPU, ein ROM und ein RAM aufweist. Die CPU führt eine gewünschte
Berechnung gemäß einem Steuerprogramm (Programm)
durch und führt verschiedene Verarbeitungs- und Steuerabläufe,
wie die Strömungsratensteuerung des Injektors 29,
aus. Das ROM speichert das Steuerprogramm und Steuerdaten, die von
der CPU verarbeitet werden. Das RAM wird hauptsächlich
als variierender Arbeitsbereich für Steuerprozesse verwendet. Die
Steuereinheit 70 empfängt verschiedene Erfassungssignale
von einem Drucksensor, einem Temperatursensor und dergleichen, die
in den Gassystemen (30 und 40) und in einem (nicht
dar gestellten) Kühlmittelsystem verwendet werden, und sendet
die Signale an die einzelnen Komponenten.
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Nun
wird der Aufbau des Hochdrucktanks 1 beschrieben.
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2 ist
eine Querschnittsdarstellung, welche die Hauptkomponenten des Hochdrucktanks 1 zeigt.
Der Hochdrucktank 1 weist beispielsweise einen zylindrischen
Tankkörper 10 mit halbkugelförmigen Enden
und den Verschluss 11 auf, der an einem axialen Ende des
Tankkörpers 10 befestigt ist.
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Die
Wand des Tankkörpers 10 ist zweilagig aufgebaut,
wobei die Auskleidung 20 die innere Wandschicht ist und
eine Harzfilamentschicht (eine verstärkte Schicht), wie
die CFK-Schicht 21, die äußere Wandschicht
ist.
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Die
Auskleidung 20 hat im Wesentlichen die gleiche Gestalt
wie der Tankkörper 10. Die Auskleidung 20 wird
beispielsweise aus Polyethylenharz, Polypropylenharz oder einem
anderen harten Harz gebildet (nachstehend wird die Auskleidung 20 auch als
Harzauskleidung 20 bezeichnet).
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Am
oberen bzw. vorderen Ende der Harzauskleidung 20, an dem
sich der Verschluss 11 befindet, ist ein gekanteter Abschnitt 30 ausgebildet,
der nach innen gerichtet ist. Der gekantete Abschnitt 30 ist
derart zur Innenseite des Tankkörpers 10 gerichtet,
dass er von der äußeren CFK-Schicht getrennt ist.
Der gekantete Abschnitt 30 weist auf: einen sich verjüngenden
Abschnitt 30a, dessen Radius zum vorderen Ende des gekanteten
Abschnitts 30 hin abnimmt; und einen zylindrischen Abschnitt 30b,
dessen Radius konstant ist und der mit einem vorderen Ende des sich
verjüngenden Abschnitts 30a verbunden ist. Eine Öffnung
der Harzauskleidung 20 wird von diesem zylindrischen Abschnitt 30b gebildet.
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Der
Verschluss 11 ist im Allgemeinen zylindrisch und ist in
die Öffnung der Harzauskleidung 20 gepasst. Der
Verschluss 11 besteht beispielsweise aus Aluminium oder
einer Aluminiumlegierung und wird anhand eines Druckgießverfahrens
oder der gleichen in einer speziellen Gestalt ausgebildet. Der Verschluss 11 wird
beispielsweise durch Einformen an der Harzauskleidung 20 befestigt.
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Am äußeren
Ende des Verschlusses 11 sind beispielsweise ein Flansch 11a (auf
der in axialer Richtung äußeren Seite des Hochdrucktanks 1)
und hinter dem Flansch 11a eine ringförmige Eintiefung 11b in
Bezug auf die Achse des Hochdrucktanks 1 (auf der in der
axialen Richtung inneren Seite des Hochdrucktanks 1) ausgebildet.
Die Eintiefung 11b ist gekrümmt und zur axialen
Seite hin ausgebildet. Ein ebenfalls gerundeter Abschnitt der CFK-Schicht 21 nahe
deren vorderem Ende greift luftdicht in diese Eintiefung 11b ein.
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Ein Überzug
auf einem festen Schmiermittel „C”, wie beispielsweise
aus einem fluorierten Harz, kann auf die Oberfläche der
Eintiefung 11b aufgebracht werden. Infolgedessen ist der
Reibkoeffizient zwischen der CFK-Schicht 21 und der Eintiefung 11b verringert.
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Weiter
hinten ist die Eintiefung 11b des Verschlusses 11 (die
Seite, die in axialer Richtung des Hochdrucktanks 1 weiter
innen liegt) so ausgebildet, dass sie beispielsweise in die Form
des gekanteten Abschnitts 30 der Harzauskleidung 20 passt.
Beispielsweise ist ein Vorsprung 11c, in den die Eintiefung 11b übergeht,
mit einem großen Durchmesser ausgebildet, und ein zylindrischer
Verschlussabschnitt 11d, der einen konstanten Durchmesser
aufweist, ist an der hinteren Seite des Vorsprungs 11c ausgebildet.
Der sich verjüngende Abschnitt 30a im gekanteten
Abschnitt 30 der Harzauskleidung 20 steht in enger
Berührung mit der Oberfläche des Vorsprungs 11c,
und der zylindrische Abschnitt 30b steht in enger Berührung
mit der Oberfläche des zylindrischen Verschlussabschnitts 11d.
Dichtelemente 40 und 41 sind zwischen dem zylindrischen
Abschnitt 30b und dem zylindrischen Verschlussabschnitt 11d angeordnet.
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In
der Innenumfangsfläche des Verschlusses 11 ist
ein Gewinde 42 ausgebildet, auf das die Ventilbaugruppe 50 geschraubt
wird. Die Ventilbaugruppe 50 steuert die Zufuhr und Ausfuhr
des Brenngases zwischen einer externen Gaszuleitung (dem Zufuhrkanal 22)
und der Innenseite des Hochdrucktanks 1. Dichtelemente 60 und 61 sind zwischen
der Außenumfangsfläche der Ventilbaugruppe 50 und
der Innenumfangsfläche des Verschlusses 11 angeordnet.
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Die
CFK-Schicht 21 wird beispielsweise anhand eines Faserwicklungs-Formverfahrens (FW-Formverfahrens)
derart gebildet, dass eine Schicht aus verstärkten Fasern,
die mit Harz imprägniert ist, um die Außenumfangsfläche
der Harzauskleidung 20 und die Eintiefung 11b des
Verschlusses 11 gewickelt wird und das Harz danach gehärtet
wird. Beispiele fÜr das Harz, das für die CFK-Schicht 21 verwendet
wird, schließen beispielsweise Epoxidharz, modifiziertes
Epoxidharz und ungesättigtes Polyesterharz ein. Als Verstärkungsfaser
können Kohlefasern, Metallfasern oder dergleichen verwendet werden.
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Innerhalb
der Dicke der Harzauskleidung 20, die Bestandteil des Hochdrucktanks 1 dieser
Ausführungsform ist, wird eine Vielzahl von hohlen Abschnitten
(Langlöchern) 19, die in der axialen Richtung
des Hochdrucktanks 1 verlaufen, durch Einpumpen von Gas
oder dergleichen ausgebildet (siehe 5 und 6).
Da die Vielzahl von hohlen Abschnitten 19 innerhalb der
Platte der Harzauskleidung 20 ausgebildet wird, sind beide
Seitenflächen der Harzauskleidung 20 im Allgemeinen
flach. In jedem dieser hohlen Abschnitte 19 ist in der
Nähe des Verschlusses 11 ein Gasauslass ausgebildet,
beispielsweise dadurch, dass jeweils ein Ende des hohlen Abschnitts 19 mit der Öffnung
eines Eingussschnittbereichs, der noch beschrieben wird, verbunden
ist. Diese hohlen Abschnitte 19 sind außerdem
in der axialen Richtung des Hochdrucktanks 1 im Allgemeinen
parallel zueinander ausgebildet.
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In
dem wie oben beschrieben aufgebauten Hochdrucktank 1 wird
das Wasserstoffgas, das die Harzauskleidung 20 durchdrungen
hat, zum Teil oder zum größten Teil in dem oben
beschriebenen hohlen Abschnitt 19 aufgefangen und aus dem
Tank ausgeführt, ohne dass es sich zwischen der Harzauskleidung 20 und
der CFK-Schicht 21 ansammelt. Demgemäß dient
jeder hohle Abschnitt 19 als Lecköffnung, die
Wasserstoff, der die Harzauskleidung 20 durchdrungen hat,
auffängt und aus dem Tank ausführt. Außerdem
ist durch die Aufnahme der hohlen Abschnitte 19 das Gewicht
der Harzauskleidung 20 verringert. Ferner wird mit den
hohlen Abschnitten 19 die Festigkeit der Harzauskleidung 20 pro
Einheitsgewicht erhöht, wodurch die Festigkeit der Harzauskleidung 20 an
sich im Vergleich mit einer massiven Harzauskleidung, die keine
hohlen Abschnitte 19 aufweist, erhöht werden kann.
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Um
an möglichst vielen Stellen ein effizientes Auffangen und
Ausführen von Wasserstoffgas, das die Harzauskleidung 20 durchdrungen
hat, zu verwirklichen, können diese hohlen Abschnitte 19 fortlaufend über
der gesamten Länge der Harzauskleidung 20 ausgebildet
sein. Außerdem können viele der hohlen Abschnitte 19 in
einer Region ausgebildet sein, wo die nötige Festigkeit
der Harzauskleidung 20 gewährleistet ist, oder
sie können in gleichmäßigen Abständen
in Umfangsrichtung der Harzauskleidung 20 ausgebildet sein.
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Nun
wird ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Hochdrucktanks 1 beschrieben
(siehe 3 und 9).
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Zuerst
wird Harz aus einem Einspritz-Anspritzpunkt bzw. Einguss 83 in
eine Kavität eingespritzt, die zwischen einem Kern (einer
Patrize) 81 und einem Haupt-Formblock (einer Matrize) 82 einer Spritzgießform 80 ausgebildet
ist (Schritt SP1). Während des Formens der Harzauskleidung 20 wird
der Kern 81 zurückgezogen, um die Kavität
allmählich zu erweitern, während unter Druck stehendes
Gas, beispielsweise ein Edelgas, durch den Einguss 83 eingepumpt
wird (Schritt SP2), und der Gasdruck wird für einen bestimmten
Zeitraum aufrechterhalten, während die Harzauskleidung 20 abkühlt
und aushärtet (Schritt SP3). Dann wird das unter Druck
stehende Gas aus dem Tank ausgeführt und gesammelt (Schritt
SP4). Das unter Druck stehende Gas kann beispielsweise von der unteren
Seite der Form 80 (der dem Einguss 83 entgegengesetzten
Seite) her ausgeführt werden. In 3 sind eine
Gießrinne und der Einguss, die nach dem Ausstoßen
eines Formteils bzw. geformten Produkts entfernt werden, von einer
gestrichelten Ellipse umrissen dargestellt (siehe 3).
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Wie
bisher beschrieben, werden die mehreren hohlen Abschnitten 19 derart
in der Harzauskleidung 20 ausgebildet, dass sie der axialen
Richtung des Hochdrucktanks 1 folgen. Das unter Druck stehende
Gas kann während der Einspritzung des Harzes ein gepumpt
werden, um die Kavität zu erweitern. In dieser Schrift
bedeutet der Ausdruck „der axialen Richtung des Hochdrucktanks 1 folgen” nicht,
dass der hohle Abschnitt 19 vollkommen linear-parallel
zur axialen Richtung des Hochdrucktanks 1 ist. Er bedeutet,
dass der hohle Abschnitt 19 so ausgebildet ist, dass er
der Gestalt des Hochdrucktanks 1 folgt.
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Die
Bildung des hohlen Abschnitts 19 durch Einpumpen des unter
Druck stehenden Gases kann anhand eines gasunterstützten
Spritzgießverfahrens durchgeführt werden. Eine
Gaseinspeisungsausrüstung schließt einen Gaszylinder
oder einen Druckgasgenerator und einen Gasinjektor zusätzlich
zu einer üblichen Spritzgießmaschine ein. Die
Form weist ebenfalls ein Gaseinspeisungsteil auf. Beim gasunterstützten
Spritzgießen wird im Allgemeinen so verfahren, dass durch
direktes Einpumpen von Edelgas in eine Düse, die Rinne
oder die Kavität nach der Einspritzung von geschmolzenem
Harz in die Form ein geformtes Produkt mit einer hohlen Struktur
erhalten wird. Das Grundprinzip des gasunterstützten Spritzgießverfahrens
ist, dass nach der Einspritzung von geschmolzenem Harz in die Form
entweder die Patrize oder die Matrize bewegt wird, während
Edelgas in das Harz gepumpt wird und danach das Volumen der Formkavität
erhöht wird, um ein geformtes Produkt mit großem
Hohlraum zu erhalten.
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Dann
wird die Harzauskleidung 20, in der die hohlen Abschnitte 19 ausgebildet
wurden, aus der Form 80 genommen, nachdem sie ausreichend
abgekühlt ist (Schritt SP5). Ferner werden die Rinne und
der Einguss (ein Abschnitt, der in 3 von der gestrichelten
(gepunkteten) Ellipse umrissen ist und der in 4 auch
mit der Bezugszahl 20g bezeichnet ist) der abgenommenen
Harzauskleidung 20 abgeschnitten (Schritt SP6). Ein Auslass
zum Ausführen von Wasserstoffgas und dergleichen aus dem
Tank während der Verwendung des Hochdrucktanks 1 wird
durch Abschneiden des Eingusses 20g der Harzauskleidung 20 gebildet
(siehe 4). Obwohl nicht im Einzelnen dargestellt, wird
der Auslass im Hochdrucktank 1 dieser Ausführungsform
in der Nähe eines Abschnitts ausgebildet, der in 4 von
einem Konturenpfeil angezeigt wird.
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Dann
werden die beiden Harzauskleidungen 20 aneinander gelegt
und miteinander verschweißt. Der Verschluss 11 wird
zusammengesetzt (siehe 7), und ein Fila mentwicklungs-(FW)-Formen wird
durchgeführt (siehe 8). Nach
dem FW-Formen wird der Hochdrucktank 1 erwärmt
und gehärtet, um ein fertiges Produkt zu erhalten (Schritt
SP7 bis Schritt SP9).
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In
dem wie oben beschrieben gebildeten Hochdrucktank 1 dient
jeder der hohlen Abschnitte 19, der in der Harzauskleidung 20 ausgebildet
ist, auch als sogenannte Lecköffnung, die ausgetretenes Gas
ausführt.
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Im
Gegensatz dazu sammelt sich im Falle eines Hochdrucktanks, der nur
aus der Harzauskleidung 20 und der CFK-Schicht 21 besteht,
Wasserstoffgas, das die Harzauskleidung 20 durchdrungen hat,
in einem Raum zwischen der Harzauskleidung 20 und der äußeren
verstärkten Schicht (in dieser Ausführungsform
der CFK-Schicht 21), was dazu (ihren kann, dass die Harzauskleidung 20 sich
während des Ausführens von Wasserstoffgas nach
innen beult (siehe 10A und 10B).
Die Harzauskleidung 20, die während des Ausführens
von Wasserstoffgas verformt wurde wie oben beschrieben, kehrt zu
ihrer ursprünglichen Gestalt zurück, wenn der
Zylinder erneut mit unter Druck stehendem Wasserstoffgas gerillt
wird. Wenn Wasserstoffgas wieder abgeführt wird, beult
die Harzauskleidung 20 dann erneut nach innen. Ein wiederholtes
Beulen der Harzauskleidung 20 kann schließlich
dazu führen, dass die Harzauskleidung nicht mehr brauchbar
ist (siehe 11). In dem Fall, dass sich
Wasserstoffgas in dem Raum zwischen der Harzauskleidung 20 und
der verstärkten Schicht (CFK-Schicht 21) sammelt
und das Innere des Hochdrucktanks 1 unter hohem Druck steht, wird
ein Raum zwischen der CFK-Schicht 21 und dem Verschluss 11 unter
Druck gesetzt und dicht verschlossen. Somit bleibt die Wasserstoffgasansammlung
bestehen. Wenn jedoch der Innendruck mit dem Verbrauch des Wasserstoffgases
und dergleichen abnimmt, tritt möglicherweise Wasserstoffgas
durch den unzureichend abgedichteten Raum zwischen der CFK-Schicht 21 und
dem Verschluss 11 aus dem Tank aus (siehe 12).
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Im
Gegensatz dazu kann im Hochdrucktank 1 dieser Ausführungsform,
in dem der wie oben beschrieben in der Harzauskleidung ausgebildete
hohle Abschnitt 19 auch als sogenannte Lecköffnung
dient, eine Ansammlung von Wasserstoffgas in dem Raum zwischen der
Harzauskleidung 20 und der CFK-Schicht 21 verhindert
werden. Da in dieser Ausführungsform ein FW-Formen durchgeführt
wird, wenn der hohle Abschnitt 19 innerhalb der Harzauskleidung 20 ausgebildet
wird, strömt Wasserstoffgas, das die Innenseite der Auskleidung
durchdrungen hat, durch den hohlen Abschnitt 19 und wird
nahe am Verschluss 11 nach außen geleitet, wenn
der Tank verwendet wird. Aufgrund der hohlen Struktur ist darüber
hinaus die Festigkeit der Auskleidung erhöht, was dazu
führt, dass Verformungen wie eine sogenannte Einbeulung
vermieden werden.
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Beispielsweise
werden in keiner der oben beschriebenen Ausführungsformen
die Größe und die Zahl der hohlen Abschnitte 19 beschrieben.
Jedoch sind Größe und Zahl der hohlen Abschnitte 19 nicht
besonders beschränkt. Außerdem können
die Größe und die Zahl der hohlen Abschnitte 19 beispielsweise
durch Variieren der Zahl der Druckgaseinlässe (der Eingüsse 83),
des Querschnitts der Harzauskleidung 20, des Drucks des
eingespeisten Gases und dergleichen angepasst werden.
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In
der oben beschriebenen Ausführungsform wurde ein Hochdrucktank 1 zum
Speichern von Wasserstoffgas, der als Brennstoffquelle im Brennstoffzellensystem 100 verwendet
wird, beschrieben. Jedoch ist diese Ausführungsform nur
ein Beispiel der vorliegenden Erfindung. Daher kann der Hochdrucktank 1 gemäß der
vorliegenden Erfindung auch verwendet werden, um andere Gase außer
Wasserstoffgas zu speichern.
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In
der Beschreibung wurde bisher eine mit der Bezugszahl 11 bezeichnete
Komponente als Beispiel für einen Verschluss genommen.
Jedoch ist der Verschluss der vorliegenden Erfindung nicht auf den beschränkt,
an dem die Ventilbaugruppe 50 befestigt ist. Anders ausgedrückt – wenn
ein Vorsprung an derjenigen Seite des Hochdrucktanks 1 vorgesehen
ist, die der Ventilbaugruppe 50 gegenüber liegt,
kann auch ein Verschluss, an dem der Vorsprung befestigt ist, als
Verschluss der vorliegenden Erfindung betrachtet werden. In 7 und 10 wird der Verschluss, an dem der Vorsprung
befestigt ist, von der Bezugszahl 18 bezeichnet.
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Obwohl
die Erfindung unter Bezug auf ihre Ausführungsbeispiele
beschrieben wurde, sei klargestellt, dass die Erfindung nicht auf
die beschriebenen Ausführungsformen oder Konstruktionen
beschränkt ist. Die Erfindung soll vielmehr verschiedene
Mo difikationen und äquivalente Anordnungen abdecken. Obwohl
die verschiedenen Elemente der offenbarten Erfindung in verschiedenen
beispielhaften Kombinationen und Gestaltungen dargestellt sind,
liegen darüber hinaus auch andere Kombinationen und Gestaltungen,
die mehr, weniger oder nur ein einziges Element aufweisen, im Bereich
der beigefügten Ansprüche.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 2004-176885 [0003]
- - JP 2004-176885 A [0003]