DE102011108597B4 - Vorrichtung zum Speichern von niedermolekularen Gasen - Google Patents

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Abstract

Eine Vorrichtung (5) dient zum Speichern von niedermolekularen Gasen unter hohem Druck mit einer metallischen einen Innenraum umschließenden Innenschale (6) und wenigstens einer die Innenschale (6) umgebenden Außenhülle (7) aus einem faserverstärktem Material. Die Vorrichtung (5) ist dadurch gekennzeichnet, dass die der Außenhülle (7) zugewandte Oberfläche (9) der Innenschale (6) eine mikroskopisch und/oder makroskopisch aufgeraute Oberflächenstruktur (10) aufweist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Speichern von niedermolekularen Gasen unter hohem Druck nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
  • Vorrichtungen zum Speichern von Gasen beziehungsweise Druckgasspeicher sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Typischerweise werden derartige Druckgasspeicher in verschiedene Typen unterteilt. Beispielsweise ist ein sogenannter Typ-II-Druckgasspeicher ein Druckgasspeicher mit einer Innenschale aus hochfestem Stahl und einer diese Innenschale umgebenden Außenhülle, beispielsweise aus faserverstärktem Material bekannt. Ein Typ-III-Druckspeicher weist eine Innenschale aus Aluminium auf, welche von wenigstens einer Außenhülse aus faserverstärktem Material umgeben ist.
  • Solche Druckgasspeicher dienen als Vorrichtungen zum Speichern von Gasen unter hohen Drücken. Im Allgemeinen werden dabei Drücke in der Größenordnung von ca. 350 bar, in der Größenordnung von ca. 700 bar oder auch in der Größenordnung von 1100 bis 1200 bar vorgesehen, um insbesondere bei leichten Gasen eine möglichst große Menge des Gases in einem vergleichsweise überschaubaren Volumen der Vorrichtung speichern zu können.
  • Wenn nun niedermolekulare Gase, insbesondere Wasserstoff, unter hohem Druck in der Vorrichtung zum Speichern des Gases gespeichert werden, so ist es in der Praxis praktisch nicht zu vermeiden, dass geringe Mengen des niedermolekularen Gases durch die Vorrichtung hindurchdiffundieren und in die Umgebung abströmen. Dies ist aufgrund der vergleichsweise kleinen Menge im Allgemeinen unproblematisch.
  • Nun kommt es in bestimmten Situationen jedoch dazu, dass eine gewisse Menge an Wasserstoff durch die Innenschale hindurchdiffundiert ist und sich in dem Bereich zwischen der Innenschale und der Außenhülle aufhält. Im regulären Betrieb wird dann ein langsames Hindurchdiffundieren dieses Wasserstoffs durch die Außenschale auftreten, sodass auch hierdurch kein Problem entsteht. Bei einem annähernd leeren Druckgasspeicher kann es nun jedoch zu entscheidenden Problemen kommen. Beim Wiederbetanken kommt es in der Innenschale relativ schnell zu einem Druckanstieg von einem sehr geringen Restdruck bei annähernd leerem Druckgasspeicher zu einem sehr hohen Druck bei vollbetanktem Druckgasspeicher, beispielsweise zu einem Druck in der Größenordnung der oben angesprochenen 700 bar. Da die Innenschale typischerweise eine gewisse Elastizität aufweist, kommt es durch den relativ schnellen Druckanstieg dazu, dass die zwischen der Innenschale und der Außenschale befindlichen Gaspolster des durch die Innenschale hindurchdiffundierten niedermolekularen Gases unter einen relativ hohen Druck gesetzt werden. In diesen Situationen gelangt das Gas dann vergleichsweise schnell durch die Außenhülle, sodass sich in der Umgebung der Außenhülle in diesen Situationen eine Gaswolke bildet, deren Konzentration deutlich höher ist, als es beim Hindurchdiffundieren durch die Wandungen des Druckgasspeichers im regulären Betrieb der Fall ist. Wenn nun über entsprechende Detektoren die Dichtheit der Druckgasspeicher festgestellt wird, insbesondere die Dichtheit von Druckgasspeichern, welche zur Speicherung von Brenngas in Fahrzeugen eingesetzt werden, so ist diese Konzentration typischerweise so hoch, dass ein Alarm ausgelöst wird und dies im Allgemeinen zu einer Notabschaltung des Systems, beispielsweise zu einer Notabschaltung der Betankung, führt.
  • Aus der DE 10 2008 053 244 A1 ist ein Druckgasspeicher bekannt, welcher mit einer Innenschale und wenigstens einer Außenschale aufgebaut ist. Um die oben genannte Problematik eines schlagartigen Entweichens von Wasserstoff, welcher sich zwischen der Innenschale, dem sogenannten Liner, und der Außenhülle ansammelt zu vermeiden, ist es gemäß dieser deutschen Offenlegungsschrift vorgesehen, die Außenhülle so auszubilden, dass diese für das Gas durchlässig ist. Damit kommt es zu einem kontinuierlichen Abstrom des diffundierten Gases durch die Außenhülle. Damit wird verhindert, dass das Gas sich beim Betanken und Ausdehnen der Innenhülle schlagartig durch die Außenhülle presst. Der Verlust an gespeichertem Gas bleibt zwar auch hier bestehen. Dadurch, dass es in kleinen Konzentrationen kontinuierlich abströmt, wird jedoch beim Betanken kein Alarm ausgelöst und damit die oben genannte Problematik umgangen.
  • Zum weiteren Stand der Technik wird auf:
    DE 197 21 128 A1 ,
    US 2011/0024 431 A1 ,
    US 2002//0 070 222 A1 ,
    US 6 089 399 A , sowie
    JP 7 167 391 A
    verwiesen.
  • Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine Vorrichtung zur Speicherung von niedermolekularen Gasen unter hohem Druck dahingehend weiterzuentwickeln, dass die Dichtheit erhöht und gleichzeitig das Ausbilden von Gaspolstern zwischen der Innenschale und der Außenhülle vermieden wird.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich dabei aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Eine besonders bevorzugte Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist im Anspruch 8 angegeben. Eine vorteilhafte Weiterbildung hiervon findet sich im abhängigen Unteranspruch.
  • Die erfindungsgemäße Lösung sieht es vor, dass die der Außenhülle zugewandte Oberfläche der Innenschale eine mikroskopisch und/oder makroskopisch aufgeraute Oberflächenstruktur aufweist. Die Tatsache, dass die äußere Oberfläche der Innenschale, anders als bei den im Stand der Technik üblichen polierten Innenschalen, eine bewusst strukturierte Oberfläche mit mikroskopisch und/oder makroskopisch aufgerauter Struktur aufweist, ermöglicht ein besseres Anhaften der Fasern der Außenhülle an der Oberfläche der Innenschale. Neben der Anhaftung über Adhäsion aufgrund des typischerweise verwendeten Bindemittels im Bereich der Außenhülle wird zusätzlich ein Verhaken beziehungsweise Verzahnen der Verstärkungsfasern der Außenhülle mit der aufgerauten Oberflächenstruktur der äußeren Oberfläche der Innenschale erreicht. Dabei ist es vorgesehen, dass die aufgeraute Oberflächenstruktur Noppen aufweist, welche durch sich überkreuzende erste und zweite Einschnitte ausgebildet sind. Diese Oberflächenstruktur ist insbesondere dann von Vorteil, wenn zumindest die der Innenschale zugewandte Schicht der Außenhülle aus geflochtenen Verstärkungsfasern besteht. Wenn der Flechtwinkel in etwa mit dem Winkel der sich überkreuzenden Einschnitte übereinstimmt, dann kann eine sehr gute makroskopische Anhaftung der geflochtenen Struktur der Verstärkungsfasern mit der die Noppen aufweisenden aufgerauten Oberflächenstruktur erzielt werden.
  • Dadurch kommt es zu einer besseren Anhaftung der Außenhülle an der Oberfläche der Innenschale. Die Gefahr, dass Gas, welches durch die Innenschale hindurchdiffundiert, sich im Bereich zwischen der Innenschale und der Außenhülle sammelt und damit die Außenhülle zumindest geringfügig von der Innenschale abhebt, kann so minimiert werden. Damit werden Gasblasen zwischen der Innenschale und der Außenhülle, das sogenannte „Buckling”, der Vorrichtung zum Speichern von niedermolekularem Gas verhindert. Eine schlagartige Abgabe von zwischen Innenschale und Außenhülle gesammelten Gaspolstern, insbesondere beim Betanken der Vorrichtung, kann durch die Verbesserung der Anhaftung der Außenhülle gegenüber der Innenschale verhindert oder zumindest minimiert werden. Damit lassen sich ungewollte Alarme vermeiden. Gemäß einer besonders günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es dabei vorgesehen, dass die aufgeraute Oberflächenstruktur durch spanabhebende Bearbeitung der Oberfläche ausgebildet ist. Eine solche spanabhebende Bearbeitung kann sehr einfach und effizient eine entsprechende Rauheit an der Oberfläche realisieren, welche durch mikroskopische und makroskopische Verhakungseffekte zwischen den Verstärkungsfasern der Außenhülle und der aufgerauten Oberflächenstruktur der Innenschale die Anhaftung verbessern.
  • In einer vorteilhaften Weiterbildung kann es vorgesehen sein, dass die aufgeraute Oberflächenstruktur durch Sandstrahlen der Oberfläche ist hergestellt ist. Dem Erfinder hat sich gezeigt, dass bereits ein einfaches Sandstrahlen der Oberfläche, welches eine vergleichsweise gleichmäßige makroskopische Oberfläche und mikroskopisch auftretende Ansatzpunkte für eine Verzahnung der Oberfläche mit den Verstärkungsfasern der Außenhülle ermöglicht, eine deutliche Verbesserung der Anhaftung der Außenhülle an der Innenschale ermöglicht. Das Sandstrahlen ist dabei einfach und effizient möglich und kann kostengünstig als Oberflächenbearbeitung für die Innenschale realisiert werden.
  • In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung kann es ferner vorgesehen sein, dass die aufgeraute Oberflächenstruktur durch Ätzen hergestellt ist. Ein solches Realisieren der aufgerauten Oberflächenstruktur durch Ätzen ermöglicht es, mit vergleichsweise überschaubaren Produktionskosten außerordentlich komplexe Oberflächenstrukturen herzustellen, welche eine sehr gute Anhaftung der Außenhülle an der Oberfläche der Innenschale gewährleisten können.
  • In einer sehr günstigen und vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es ferner vorgesehen, dass Strukturelemente der Oberflächenstruktur mittlere geometrische Abmessungen aufweisen, welche in derselben Größenordnung liegen, wie die mittleren Durchmesser der in der Außenhülle in dem der Innenschale zugewandten Bereich eingesetzten Verstärkungsfasern oder Faserbündeln. Diese Abstimmung der Größenordnung der Strukturelemente der aufgerauten Oberflächenstruktur, sodass diese mit den Faserdurchmessern oder Bündeldurchmesser der Verstärkungsfasern in der Außenhülle entsprechend harmoniert, ermöglicht eine außerordentliche gute Verzahnung der einzelnen Fasern mit der Oberflächenstruktur der Innenschale. Zusätzlich zu der durch das Bindemittel erzielten Adhäsion kann so in idealer Weise sowohl die stoffschlüssige als auch die formschlüssige Verbindung zwischen den Verstärkungsfasern und dem Material der Außenhülle und der strukturierten Oberfläche der Innenschale erreicht werden. Dies garantiert eine sehr gute Anhaftung, welche das Auftreten von Gaspolstern zwischen der Innenschale und der Außenhülle weitgehend verhindern kann.
  • Dabei kann es ferner vorgesehen sein, dass das niedermolekulare Gas als Wasserstoff ausgebildet ist. Insbesondere bei der Speicherung von Wasserstoff, beispielsweise unter Drücken von mehr als 200 oder insbesondere mehr als 600 bar, kommt es unweigerlich zu einer Diffusion durch die Innenschale der Vorrichtung, sodass speziell bei der Speicherung von Wasserstoff durch das den Wasserstoff absorbierende Material eine zu hohe Wasserstoffkonzentration in der Umgebung der Vorrichtung beim Betanken verhindert werden kann. Da Wasserstoff zusammen mit Sauerstoff ein zündfähiges Gemisch bilden kann, kann so eine notwendige Sicherheitsabschaltung bei zu hoher Wasserstoffkonzentration in der Umgebung der Vorrichtung sicher und zuverlässig vermieden werden.
  • Eine besonders bevorzugte Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer der oben genannten Ausgestaltungen ergibt sich dabei immer dann, wenn es sich um Druckgasspeicher handelt, welche vergleichsweise häufig entleert und wieder betankt werden müssen. Die Vorrichtung lässt sich daher insbesondere zur Speicherung von Brennstoff in einem Fahrzeug verwenden. Ein solches Fahrzeug, welches beispielsweise über einen Verbrennungsmotor mit Wasserstoff oder einem anderen niedermolekularen Gas betrieben wird, kann besonders effizient mit der Vorrichtung ausgestattet werden. Aufgrund des typischerweise relativ hohen Verbrauchs an Brennstoff sind keine allzu langen Speicherzeiten des Brennstoffs in der Vorrichtung zu erwarten, sodass die zumindest bei Wasserstoff unvermeidliche Diffusion kein großes Problem darstellt. Da jedoch relativ häufig die Vorrichtung zur Speicherung des Gases betankt werden muss, stellt die erfindungsgemäße Lösung, welche eine zu hohe Konzentration des Gases um die Vorrichtung beim Betanken derselben verhindert, einen entscheidenden Vorteil für diese Art der Anwendung dar.
  • Ein besonders bevorzugter Verwendungszweck liegt dabei im Bereich von Brennstoffzellenfahrzeugen, in welchen der Wasserstoff in derartigen erfindungsgemäßen Vorrichtungen besonders benutzerfreundlich gespeichert werden kann, da diese beispielsweise auf einem Druckniveau von 700 bar bei vertretbarem Volumen eine ausreichende Menge von Wasserstoff speichern können, um eine gute Reichweite des Fahrzeugs zu realisieren. Unerfreuliche Notabschaltungen beim Betanken können dabei zuverlässig und ohne Sicherheitsrisiko vermieden werden.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich dabei aus den restlichen abhängigen Patentansprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert wird.
  • Dabei zeigen:
  • 1 ein prinzipmäßiges angedeutetes Brennstoffzellenfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Speicherung von Wasserstoff;
  • 2 die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Speicherung von Wasserstoff in einem Querschnitt;
  • 3 eine erste mögliche Ausführungsform der aufgerauten Oberfläche in einer vergrößerten Darstellung;
  • 4 eine zweite Ausführungsform der aufgerauten Oberfläche in einer vergrößerten Darstellung; und
  • 5 eine dritte Ausführungsform der aufgerauten Oberfläche in einer vergrößerten Darstellung.
  • In der Darstellung der 1 ist ein Fahrzeug 1 zu erkennen. Dieses prinzipmäßig angedeutete Fahrzeug 1 soll dabei über einen im Bereich der Räder angedeuteten Elektromotor 2 angetrieben sein, wobei dieser Elektromotor 2 über eine Leistungselektronik 3 mit elektrischer Leistung aus einer Brennstoffzelle 4 in an sich bekannter Art und Weise versorgt wird. Die Leistungselektronik 3 kann dabei ferner einen elektrischen Zwischenspeicher, zum Beispiel eine Batterie, aufweisen. Der Zwischenspeicher kann insbesondere zur Aufnahme von rekuperierter Bremsenergie genutzt werden. Der Brennstoffzelle 4 werden dabei in an sich ebenfalls bekannter Art und Weise Sauerstoff beziehungsweise Luft und Wasserstoff H2 zur Erzeugung der elektrischen Leistung zugeführt. Der Wasserstoff stammt dabei aus einer oder mehreren, gegebenenfalls über das Fahrzeug 1 verteilt angeordneten Vorrichtungen 5 zum Speichern von Wasserstoff H2 unter hohem Druck. Die Vorrichtung beziehungsweise der Druckgasspeicher 5 wird typischerweise auf einem Druckniveau von beispielsweise 350 oder 700 bar betrieben und soll in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel als sogenannter Typ-III-Druckgasspeicher 5 ausgebildet sein.
  • Ein solcher Typ-III-Druckgasspeicher besteht dabei, wie in der Schnittdarstellung der 2 näher zu erkennen ist, aus einer metallischen Innenschale 6 und wenigstens einer die Innenschale 6 umgebenden Außenhülle 7, welche beispielsweise aus einer oder mehreren Schichten aufgebaut sein kann, und welche aus einem faserverstärkten Material ausgebildet ist. Typisch für den Aufbau der Außenhülle 7 ist dabei ein Aufbau aus Kohlefasern, welche entweder mit einem Bindemittel beziehungsweise Harz vorimprägniert sind oder unmittelbar vor dem Aufbringen auf die Innenschale 6 mit einem solchen getränkt werden. Ergänzend oder alternativ dazu können jedoch auch andere Verstärkungsfasern, z. B. aus Kevlar, Glas oder Ähnlichem eingesetzt werden. Die Außenhülle 7 kann dabei aus langen Faserbahnen bestehen, welche beispielsweise bei der Herstellung des Druckgasspeichers 5 um die Innenschale 6, den sogenannten Liner, gewickelt werden. Alternativ oder ergänzend dazu ist auch ein Umflechten der Innenschale 6 mit den Fasern der Außenhülle 7 möglich. Außerdem wäre der Einsatz vorkonfektionierter Gewebeteile aus den Verstärkungsfasern prinzipiell denkbar. Ebenso sind Kombinationen dieser Techniken, z. B. in einzelnen aufeinanderfolgenden Schichten der Außenhülle 7 möglich. Der Aufbau weist damit eine sehr hohe mechanische Stabilität bei vergleichsweise geringem Eigengewicht auf. Häufig sind in einem oder beiden der Endbereiche dabei Anschlusselemente 8, angeordnet, welche die Anschlüsse zum Betanken und Entnehmen des Wasserstoffs H2 aus dem Druckgasspeicher 5 aufweisen. In der Darstellung der 2 ist dabei lediglich ein Anschlusselement 8 auf einer Seite des Druckgasspeichers 5 dargestellt.
  • Sowohl das Material der Innenschale 6 als auch das der Außenhülle 7 lässt sich typischerweise nicht so ausbilden, dass dieses dauerhaft und über einen langen Zeitraum hinweg den Wasserstoff H2 im Inneren des Druckgasspeichers 5 sicher und zuverlässig einschließt. Eine sehr geringe Menge an Wasserstoff H2 wird typischerweise immer durch die Innenschale 6 und die Außenhülle 7 aus dem Druckgasspeicher 5 hinausdiffundieren, sodass geringfügige Verluste an Wasserstoff H2 unvermeidlich sind. Die sehr geringen Mengen an Wasserstoff H2, welche während des regulären Betriebs des Druckgasspeichers 5 in dem Fahrzeug 1 durch den Druckgasspeicher 5 hinausdiffundieren, sind dabei vergleichsweise unkritisch und strömen einfach an die Umgebung ab. Kritisch beziehungsweise problematisch wird es erst, wenn höhere Konzentrationen an Wasserstoff H2 durch die Wandungen des Druckgasspeichers 5 hindurchdiffundieren und damit aufgrund der vergleichsweise hohen Wasserstoffkonzentration in der Umgebung des Druckgasspeichers 5 die Bildung eines zündfähigen Gemischs oder die Bildung von Knallgas zu befürchten ist. Zur Detektion solch kritischer Konzentrationen sind daher fast immer Wasserstoffsensoren vorhanden, welche beim Überschreiten von Grenzkonzentrationen einen Alarm sowie gegebenenfalls eine Systemabschaltung auslösen.
  • Während des Betriebs des Fahrzeugs 1 wird sich der Druckgasspeicher 5 durch den Wasserstoffverbrauch der Brennstoffzelle 4 immer weiter leeren, wodurch der Druck im Inneren der Innenschale 6 entsprechend absinkt. Wasserstoff H2, welcher bereits durch die Innenschale 6 hindurchdiffundiert ist, kann sich beiden Aufbauten gemäß dem Sat6nd der Technik insbesondere in diesen Situationen dann in etwas größeren Mengen zwischen der Innenschale 6 und der Außenhülle 7 sammeln. Bei vergleichsweise leerer Innenschale 6 und damit vergleichsweise geringen Druck im Druckgasspeicher 5 wird sich dieses zwischen der Innenschale 6 und der Außenhülle 7 gesammelte Gas vergleichsweise lange in diesem Bereich halten. Kommt das Fahrzeug 1 nun zu einer Betankung des Druckgasspeichers 5, so wird über den Anschluss 8 frischer Wasserstoff H2 mit einem Druck von z. B. 700 bar in den Bereich des Druckgasspeichers 5 geleitet. Der Druck im Inneren der Innenschale 6 steigt dabei vergleichsweise schnell auf diese 700 bar an. Die im Bereich zwischen der Innenschale 6 und der Außenhülle 7 gebildeten Polster an Wasserstoff H2, welche durch die Innenschale 6 hindurchdiffundiert sind, werden dadurch bei einem herkömmlichen Aufbau durch die Außenhülle 7 nach außerhalb des Druckgasspeichers 5 gedrückt, sodass hier innerhalb einer sehr kurzen Zeitspanne plötzlich eine sehr hohe Konzentration an Wasserstoff H2 auftritt. Dies löst dann typischerweise den Sicherheitsalarm aus, welcher mit einer Systemabschaltung und insbesondere einem Abbruch des Tankvorgangs einhergeht. Da in diesen Situationen jedoch keine echte Undichtheit beziehungsweise Leckage des Druckgasbehälters 5 vorliegt, sondern lediglich eine erhöhte Wasserstoffkonzentration aufgrund der baulichen Eigenschaften des Druckgasbehälters 5 aufgetreten ist, handelt es sich bei diesem Sicherheitsalarm und insbesondere bei der Notabschaltung um einen sehr ärgerlichen Vorgang.
  • Der hier beschriebene Druckgasspeicher 5 kann diese Problematik weitgehend einschränken und im Idealfall vermeiden. Dafür wird die Anhaftung der Außenhülle 7 an der Innenschale 6 entsprechend verbessert. Hierfür ist es vorgesehen, dass die der Außenhülle 7 zugewandte Oberfläche 9 eine aufgeraute Oberflächenstruktur 10 aufweist. In der Darstellung der 3 ist dies in einer sehr stark vergrößerten Darstellung eines Ausschnitts der Innenschale 6 im Querschnitt zu erkennen. Die der Außenhülle 7 zugewandte Oberfläche 9 der Innenschale 6 weist dabei eine aufgeraute Oberflächenstruktur 10 auf. Diese kann in dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel beispielsweise durch ein Sandstrahlen der äußeren Oberfläche 9 der Innenschale 6 erzielt werden. Es ergeben sich dann vergleichsweise zufällig verteilte Oberflächenstrukturen, ähnlich wie die, die in 3 beispielhaft angedeutet sind. Wird auf diese aufgeraute Oberflächenstruktur 10 der Oberfläche 9 nun das Material der Außenhülle 7 aufgebracht, so kommt es zu einer Anhaftung der Außenhülle 7 durch Adhäsion des eingesetzten Bindemittels mit der Oberfläche 9. Als Bindemittel sind dabei sowohl über Lösungsmittel aushärtende Bindemittel wie beispielsweise Harze oder dergleichen denkbar, oder thermoplastische Matrixmaterialien, welche durch Temperatureinwirkung zumindest teilweise aufgeschmolzen werden und die Verstärkungsfasern der Außenhülle 7 untereinander und mit der Oberfläche 9 der Innenschale 6 verbinden.
  • Die aufgeraute Oberflächenstruktur 10 ermöglicht es nun, dass zusätzlich zu dieser Anhaftung des Bindemittels beziehungsweise Matrixmaterials zwischen den Verstärkungsfasern der Außenhülle 7 und der Oberfläche 9 ein Verhaken der Verstärkungsfasern in der aufgerauten Oberflächenstruktur 10 der Oberfläche 9 erzielt werden kann. Die Verstärkungsfasern können durch dieses Verhaken zusätzlich zur Anhaftung aufgrund des Bindemittels beziehungsweise Matrixmaterials eine formschlüssige Verbindung mit der Oberfläche 9 beziehungsweise ihrer aufgerauten Oberflächenstruktur 10 eingehen. Damit ist eine sehr gute mechanische Verbindung zwischen der Innenschale 6 und der diese umgebenden Außenhülle 7 möglich. Die Ausbildung von Gaspolstern zwischen der Innenschale 6 und der Außenhülle 7 wird dadurch deutlich erschwert. Ist die Außenhülle 7 zusätzlich für das gespeicherte Gas, insbesondere den gespeicherten Wasserstoff, vergleichsweise gut durchlässig, dann kann ein unerwünschter Alarm in der oben beschriebenen Art sicher und zuverlässig vermieden werden.
  • In der Darstellung der 4 ist eine alternative aufgeraute Oberflächenstruktur 10 der Oberfläche 9 der Innenschale 6 zu erkennen. Diese vergleichsweise komplexe aufgeraute Oberflächenstruktur 10 lässt sich wirtschaftlich in dieser Art am besten durch Ätzen herstellen. Ätzverfahren ermöglichen nämlich vergleichsweise komplexe Oberflächenstrukturen mit vertretbarem Herstellungsaufwand. Die in der Darstellung der 3 beispielhaft dargestellte Oberflächenstruktur weist dabei zahlreiche Einzelelemente 11 auf, welche über eine Hauptebene der Oberflächenstruktur hinausragen. Diese sind so ausgebildet, dass sie bei senkrechtem Blick auf die Oberfläche 9, in der Darstellung der 4 also dem Blick von oben, jeweils Hinterschnitte 12 aufweisen, welche lediglich an einem der Elemente 11 mit dem Bezugszeichen 12 versehen sind. Diese Hinterschnitte 12 ermöglichen ein sehr gutes Verhaken der Fasern des faserverstärkten Materials der Außenhülle 7 mit der Innenschale 6 und verhindern ein Abheben der Außenhülle 7 von der Oberfläche 9 der Innenschale 6 sicher und zuverlässig. Auch hier kann die Struktur in idealer Weise so ausgebildet werden, dass Einzelfasern zwischen den Elementen 11 Platz finden, oder bei einer entsprechenden makroskopischen Ausbildung so, dass Faserbündel der in der Außenhülle 7 eingesetzten Verstärkungsfasern zwischen den Elementen 11 Platz finden und aufgrund der Hinterschnitte 12 sicher und effizient an einem Abheben von der Oberfläche 9 gehindert werden.
  • Eine weitere mögliche Ausgestaltung der aufgerauten Oberflächenstruktur 10 ist in einer dreidimensionalen Darstellung der Oberfläche 9 in 5 zu erkennen. Die aufgeraute Oberflächenstruktur 10 in diesem Ausführungsbeispiel ist dabei eher makroskopisch zu verstehen und dient schwerpunktmäßig dazu, Faserbündel der Verstärkungsfasern des Materials der Außenhülle 7 sicher und zuverlässig mit der Oberfläche 9 der Innenschale 6 zu verbinden.
  • Die aufgeraute Oberflächenstruktur 10 ist dazu so ausgebildet, dass sie eine Vielzahl von einzelnen Noppen 13 aufweist, von welchen lediglich einige mit einem Bezugszeichen versehen sind. Die Noppen 13 werden dabei durch erste Einschnitte 14 gebildet, welche parallel zueinander über die Oberfläche 9 verteilt angeordnet sind. Diese ersten Einschnitte 14 kreuzend sind zweite Einschnitte 15 in vergleichbarer Art angeordnet. Der Winkel der Einschnitte 14, 15 zueinander soll dabei vorzugsweise zwischen 60° und 120° liegen. Die ersten und die zweiten Einschnitte 14, 15 können beispielsweise über spanende Formgebung, insbesondere Drehen, Fräsen oder dergleichen, in das Material der Innenschale 6 eingebracht werden. Auch alternative Herstellungsverfahren, wie beispielsweise Ätzen oder Erodieren, sind zum Einbringen der ersten und zweiten Einschnitte 14, 15 in die Innenschale 6 denkbar. Zwischen den sich überkreuzenden Einschnitten 14, 15 bleiben die einzelnen Noppen 13 bei der Herstellung stehen. In der Darstellung ist es außerdem zu erkennen, dass die zweiten Einschnitte 15 mit einer größeren Tiefe als die ersten Einschnitte 14 ausgeführt sind. Dadurch ergibt sich zusätzlich zu den einzelnen über die Fläche hervorstehenden Noppen 13 ein Aufbau erzielt, welcher in Richtung der zweiten Einschnitte 15 gerillt ausgeführt ist.
  • Die aufgeraute Oberflächenstruktur 10, wie sie in der Darstellung der 5 beispielhaft angedeutet ist, ist ideal geeignet, um Faserbündel, welche in etwa in demselben Winkel, in dem die Einschnitte 14, 15 sich kreuzen, geflochten worden sind, mit der Oberfläche 9 zu verhaken. Damit wird ein sehr effizienter Aufbau erzielt. Die Aufgabe der Oberflächenstruktur 10, wie sie in der Darstellung der 5 zu erkennen ist, eignet sich insbesondere als makroskopische Oberflächenstruktur. Die Noppen 13 und insbesondere die Flächen der Einschnitte 14 und 15 können ergänzend hierzu zusätzlich, beispielsweise durch Sandstrahlen oder Ätzen, entsprechend mikroskopisch aufgeraut werden.
  • Sowohl die in den 3 bis 5 beschriebenen aufgerauten Oberflächenstrukturen 10 als auch die hierfür vorgeschlagenen Verfahren sind dabei rein beispielhaft zu verstehen. Im Sinne der Erfindung funktioniert jede Form der Oberflächenstruktur 10 im Bereich der Oberfläche 9 der Innenschale 6, welche eine verbesserte Anhaftung der Außenhülle 7 durch die Möglichkeit, dass die Verstärkungsfasern der Außenhülle 7 sich mit der aufgerauten Oberflächenstruktur 10 entweder als Einzelfasern und/oder als Faserbündel verhaken, bietet.

Claims (9)

  1. Vorrichtung (5) zum Speichern von niedermolekularen Gasen unter hohem Druck mit einer metallischen einen Innenraum umschließenden Innenschale (6) und wenigstens einer die Innenschale (6) umgebenden Außenhülle (7) aus einem faserverstärkten Material, wobei die der Außenhülle (7) zugewandte Oberfläche (9) der Innenschale (6) eine mikroskopisch und/oder makroskopisch aufgeraute Oberflächenstruktur (10) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die aufgeraute Oberflächenstruktur (10) Noppen (13) aufweist, welche durch sich überkreuzende erste und zweite Einschnitte (14, 15) ausgebildet sind.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die aufgeraute Oberflächenstruktur (10) durch spanabhebende Bearbeitung der Oberfläche (9) ausgebildet ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die aufgeraute Oberflächenstruktur (10) durch Sandstrahlen der Oberfläche (9) ausgebildet ist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Einschnitte (14) eine andere Tiefe aufweisen, als die zweiten Einschnitte (15).
  5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aufgeraute Oberflächenstruktur (10) durch Ätzen hergestellt ist.
  6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die die aufgeraute Oberflächenstruktur (10) aus der Sicht senkrecht auf die Oberfläche (9) Hinterschnitte (12) aufweist.
  7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Strukturelemente der aufgerauten Oberflächenstruktur (10) mittlere geometrische Abmessungen aufweisen, welche in derselben Größenordnung liegen, wie die mittleren Durchmesser der in der Außenhülle (7) in dem der Innenschale (6) zugewandten Bereich eingesetzten Verstärkungsfasern oder Faserbündel.
  8. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, zur Speicherung von Brennstoff in einem Fahrzeug (1).
  9. Verwendung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug (1) ein Brennstoffzellenfahrzeug ist.
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