DE102009042553A1 - Gastank und Verfahren zum Herstellen einer Gastankauskleidung - Google Patents

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Abstract

Harz wird aus einem Einspritz-Anspritzpunkt bzw. Einguss (83) in eine Kavität zwischen einem Haupt-Gießblock (82) und einem Kern (81) einer Spritzgießform eingespritzt. Ein unter Druck stehendes Gas wird durch den Einguss (83) eingepumpt, während eine Harzauskleidung (20) gebildet wird. Die Kavität wird durch Zurückziehen eines Teils des Kerns (81) vergrößert. Dann wird das unter Druck stehende Gas aus der Form (80) ausgeführt und aufgefangen, nachdem das Harz abgekühlt und ausgehärtet ist, während der Gasdruck für einen bestimmten Zeitraum aufrechterhalten wurde. Somit verhindert ein hohler Abschnitt, der in einer Platte der Auskleidung (20) gebildet wird, dass Gas, das die Auskleidung (20) durchdrungen hat, sich in dem Raum zwischen der Auskleidung (20) und einer FVK-Schicht sammelt.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • 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.
  • 2. Beschreibung der einschlägig verwandten Technik
  • 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.
  • 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 )).
  • 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.
  • 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.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die hohlen Abschnitte im oben genannten Aspekt können über der gesamten Länge der Auskleidung ausgebildet sein.
  • Im oben genannten Aspekt kann eine Vielzahl von hohlen Abschnitten vorgesehen sein. Diese mehreren hohlen Abschnitte können parallel zueinander sein.
  • Beide Seitenflächen der Auskleidung im oben genannten Aspekt können flach ausgebildet sein.
  • Der hohle Abschnitt im oben genannten Aspekt kann parallel zur axialen Richtung ausgebildet sein.
  • Der Gastank im oben genannten Aspekt kann mit Gas gefüllt sein, das Wasserstoff enthält.
  • Der Gastank im oben genannten Aspekt kann ein Wasserstofftank als Brennstoffquelle in einem Brennstoffzellensystem sein.
  • Die Auskleidung und die Schicht aus faserverstärktem Kunststoff im oben genannten Aspekt können eine Wandstruktur bilden.
  • 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.
  • Im oben genannten Aspekt kann das unter Druck stehende Gas eingespeist bzw. eingepumpt werden, während das Harz eingespritzt wird.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Gemäß den oben genannten Aspekten kann eine Herabsetzung der Festigkeit des Tanks auch dann vermieden werden, wenn der Entgasungskanal ausgebildet wird.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
  • 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:
  • 1 ein Beispiel für den Aufbau eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 2 eine Querschnittsansicht ist, die Hauptkomponenten eines Hochdrucktanks gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 3 eine schematische Darstellung einer Gießform ist und eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen des Hochdrucktanks zeigt;
  • 4 nur einen vertikalen Querschnitt einer Harzauskleidung zeigt, wobei es sich um ein Beispiel für ein Harzauskleidungs-Formteil handelt;
  • 5 eine Querschnittsdarstellung des gesamten Umfangs der Harzauskleidung entlang der Linie V-V in 4 ist;
  • 6 eine vergrößerte Darstellung eines umrahmten Abschnitts von 5 ist.
  • 7 zeigt, dass offene Enden von zwei Harzauskleidungen aneinander gelegt und miteinander verschweißt werden;
  • 8 eine perspektivische Darstellung ist, die ein Beispiel für den Hochdrucktank nach einem FW-Formverfahren zeigt;
  • 9 ein Ablaufschema ist, das ein Beispiel für das Verfahren zum Herstellen des Hochdrucktanks veranschaulicht;
  • 10A eine allgemeine Ansicht des Hochdrucktanks ist;
  • 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;
  • 11 zum Vergleich einen Zustand zeigt, wo die Harzauskleidung nach innen verformt wird, wenn Wasserstoffgas ausgeführt wird; und
  • 12 einen Zustand zeigt, wo Wasserstoffgas, das die Harzauskleidung durchdrungen hat, sich zwischen der Harzauskleidung und der äußeren verstärkten Schicht (CFK-Schicht) ansammelt.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG EINER AUSFÜHRUNGSFORM
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Nun wird der Aufbau des Hochdrucktanks 1 beschrieben.
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Nun wird ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Hochdrucktanks 1 beschrieben (siehe 3 und 9).
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - JP 2004-176885 [0003]
    • - JP 2004-176885 A [0003]

Claims (16)

  1. Gastank (1), dadurch gekennzeichnet, dass er aufweist: eine Auskleidung (20); und eine Schicht aus faserverstärktem Kunststoff (21), wobei ein hohler Abschnitt (19) in einer Dicke der Auskleidung in einer axialen Richtung des Tanks (1) ausgebildet ist.
  2. Gastank (1) nach Anspruch 1, ferner einen Auslass aufweisend, der in der Nähe eines Verschlusses (11, 18) ausgebildet ist, wobei ein Ende des hohlen Abschnitts (19) mit dem Auslass in Verbindung steht.
  3. Gastank (1) nach Anspruch 2, wobei: der Auslass an beiden axialen Enden des Gastanks (1) ausgebildet ist; und das eine Ende des hohlen Abschnitts (19) mit irgendeinem der Auslässe in Verbindung steht.
  4. Gastank (1) nach Anspruch 1, ferner einen Vorsprung aufweisend, der in der Nähe eines Verschlusses (11, 18) ausgebildet ist, wobei ein Ende des hohlen Abschnitts (19) mit dem Vorsprung in Verbindung steht.
  5. Gastank (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine Vielzahl von hohlen Abschnitten (19) vorgesehen ist; und diese mehreren hohlen Abschnitte (19) in gleichmäßigen Abständen in Umfangsrichtung der Auskleidung (20) ausgebildet sind.
  6. Gastank (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die hohlen Abschnitte (19) über der gesamten Länge der Auskleidung (20) ausgebildet sind.
  7. Gastank (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei eine Vielzahl der hohlen Abschnitte (19) vorgesehen ist; und diese mehreren hohlen Abschnitte (19) parallel zueinander sind.
  8. Gastank (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei beide Seitenflächen der Auskleidung (20) flach ausgebildet sind.
  9. Gastank (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der hohle Abschnitt (19) parallel zur axialen Richtung ausgebildet ist.
  10. Gastank (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Gastank (1) mit Gas gefüllt ist, das Wasserstoffgas einschließt.
  11. Gastank (1) nach Anspruch 10, wobei der Gastank (1) ein Wasserstofftank als Brennstoffquelle in einem Brennstoffzellensystem (100) ist.
  12. Gastank nach Anspruch 1, wobei die Auskleidung (20) und die Schicht aus faserverstärktem Kunststoff (21) eine Wandstruktur bilden.
  13. Verfahren zum Herstellen einer Auskleidung (20) für einen Gastank (1), der die Auskleidung (20) und die Schicht aus faserverstärktem Kunststoff (21) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass es umfasst: Einspritzen von Harz aus einem Einguss (83) in eine Kavität, die zwischen einem Haupt-Gießblock (82) und einem Kern (81) einer Form (80) ausgebildet ist; Einpumpen von unter Druck stehendem Edelgas durch den Einguss (83) während der Harzeinspritzung; Vergrößern der Kavität durch Zurückziehen eines Teils des Kerns (81); und Abkühlen und Härten des Harzes, während der Gasdruck für einen bestimmten Zeitraum aufrechterhalten wird, und danach Ausführen des unter Druck stehenden Gases, um die Auskleidung aufzusammeln.
  14. Verfahren zum Herstellen der Auskleidung (20) nach Anspruch 13, wobei das unter Druck stehende Gas während der Harzeinspritzung eingepumpt wird.
  15. Verfahren zum Herstellen der Auskleidung (20) nach Anspruch 13 oder 14, wobei ein Ende der Auskleidung (20) eine Öffnung ist, und wobei das Verfahren ferner umfasst: Abschneiden eines Eingussabschnitts (83) der Auskleidung (20); Verschweißen der Öffnung, bei der es sich um ein Ende der Auskleidung (20) handelt, mit einer Öffnung einer gleichen Auskleidung (20); und Ausbilden eines Verschlusses (11, 18) im anderen Ende der Auskleidung (20).
  16. Verfahren zum Herstellen der Auskleidung (20) für einen Gastank (1) nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei: ein hohler Abschnitt (19) in der Auskleidung (20) ausgebildet ist; und die Größe und die Zahl der hohlen Abschnitte (19) durch Variieren der Zahl der Eingüsse (83), durch die das unter Druck stehende Edelgas eingepumpt wird, des Querschnitts der Auskleidung (20) und des Drucks des eingespeisten Gases angepasst wird.
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