DE102011116656B3 - Druckgastank und Fertigungsverfahren für selbigen - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt einen Druckgastank (1) aus Kohlefasermaterialien, der einen Befüll- und Entnahmestutzen aufweist, und ein Verfahren zu dessen Herstellung bereit, das die Schritte umfasst: – Bereitstellen eines schmelzbaren Kerns, der eine Innenform des Druckgastanks (1) bildet, – Umwickeln des Kerns mit zumindest einer Kohlefaser-Bandage und Imprägnieren der Kohlefasern mit einem aushärtbaren polymeren Matrixmaterial, dabei Bereitstellen einer Preform des Druckgastanks (1), – Konsolidieren des polymeren Matrixmaterials der Preform und Erhalten des Kohlefaserverbund-Druckgastanks (1), und – Verflüssigen des Kernmaterials durch Aufschmelzen und Entnehmen des flüssigen Kernmaterials aus dem Befüll- und Entnahmestutzen sowie – bei dem Bereitstellen des schmelzbaren Kerns in dem Kern Vorsehen einer Stützstruktur aus Streben oder Speichen (3) aus Kohlefasermaterial, wobei die freien Enden der Streben oder Speichen (3) über eine zu umwickelnde Oberfläche des Kerns überstehen, – beim Umwickeln des Kerns mit der Kohlefaser-Bandage Einwickeln der überstehenden freien Enden der Streben oder Speichen (3), dann – beim Konsolidieren Fixieren der freien Enden in der Kohlefaserverbund-Ban(3) nach dem Verflüssigen und Entnehmen des flüssigen Kernmaterials in dem Druckgastank (1).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Druckgastanks mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 und einen Druckgastank mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 5.
  • Aus dem Stand der Technik sind Druckwasserstofftanks bekannt, die derzeit gefertigt werden, indem ein Kunststoffliner mit Kohlefasern umwickelt wird, die bereits vorimprägniert sind oder nach der Wicklung imprägniert werden. Hierbei ist der Liner notwendig, um dem Tank seine Grundform zu geben. Nach der Wicklung wird die imprägnierte Kohlefaserbandage auf an sich bekannte Weise durch Aushärten des Matrixpolymers fixiert. Der Liner verbleibt dabei an der Innenwandung des Druckwasserstofftanks. Beim Tankbetrieb kann es nun vorkommen, dass Wasserstoff durch die Wand des Liners diffundiert und sich an der Kohlefaserverbundwerkstoff-Bandage anreichert. Wenn beim anschließenden Fahrbetrieb der Tankdruck abfällt, kann es vorkommen, dass sich der Liner von der Kohlefaserbandage abschält und im schlimmsten Fall kollabiert. Im Stand der Technik soll diese Problematik durch mehrschichtige Liner umgangen werden, die einen höheren Diffusionswiderstand haben, um so das Abschälen zu vermeiden.
  • Ein derartiger Druckwasserstofftank ist aus der DE 10 2009 014 057 A1 bekannt. Er verfügt über eine Wandung aus einem Faserverbundwerkstoff und einen Liner aus Kunststoff sowie einen Anschlussflansch. Die DE 10 2009 014 057 A1 bezieht sich auf die Problematik, eine Diffusion des Wasserstoffgases oder eines sonstigen gasförmigen Mediums aus dem Inneren des Druckbehälters heraus durch die Wandung aus Faserverbundwerkstoff zu unterbinden, was mittels eines zusätzlichen Liners als Gas- oder Dampfsperre geschehen kann.
  • Aus der DE 2124789 A ist eine aufblasbare, faserverstärkte Elastomerblase bekannt, welche als schrumpfbarer und damit entnehmbarer Kern für den Behälterbau vorgeschlagen wird. Aus der DE 19803909 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer faserverstärkten Polymerblase bekannt.
  • Ausgehend von diesem Stand der Technik ergibt sich die Aufgabe, einen Druckgastank, insbesondere für Wasserstoff, zu schaffen, der keine kollabierbare Innenstruktur aufweist.
  • Diese Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch den Druckgastank mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst. Weiterbildungen der Vorrichtung und des Verfahrens sind in den Unteransprüchen ausgeführt.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Druckgastanks aus Kohlefasermaterialien mit einem Befüll- und Entnahmestutzen, wie etwa Druckwasserstofftanks, umfasst in einer ersten Ausführungsform die Schritte
    • – Bereitstellen eines schmelzbaren Kerns, der eine Innenform des Druckgastanks bildet,
    • – Umwickeln des Kerns mit zumindest einer Kohlefaserbandage und Imprägnieren der Kohlefasern mit einem aushärtbaren polymeren Matrixmaterial und dabei Bereitstellen einer Preform des Druckgastanks. Die Imprägnierung der Kohlefasern kann durch Verwendung von vorimprägnierten Kohlefasern zum Umwickeln realisiert werden, andererseits kann auch erst die fertige Kohlefaserbandage imprägniert werden. Es können auch beide Varianten kombiniert werden.
  • Weitere Schritte des Verfahrens sind
    • – Konsolidieren des polymeren Matrixmaterials der Preform und Erhalten des Kohlefaserverbund-Druckgastanks, und
    • – Verflüssigen des Kernmaterials durch Aufschmelzen und Entnehmen des flüssigen Kernmaterials aus dem Befüll- und Entnahmestutzen
    • – bei dem Bereitstellen des schmelzbaren Kerns in dem Kern Vorsehen einer Stützstruktur aus Streben oder Speichen (3) aus Kohlefasermaterial, wobei die freien Enden der Streben oder Speichen (3) über eine zu umwickelnde Oberfläche des Kerns überstehen,
    • – beim Umwickeln des Kerns mit der Kohlefaser-Bandage Einwickeln der überstehenden freien Enden der Streben oder Speichen (3), dann
    • – beim Konsolidieren Fixieren der freien Enden in der Kohlefaserverbund-Bandage,
    • – verbleiben Lassen der Stützstruktur (3) nach dem Verflüssigen und Entnehmen des flüssigen Kernmaterials in dem Druckgastank (1).
  • So wird es ermöglicht, den Druckgastank ohne einen Liner herzustellen, wodurch sich ergibt, dass die Ablöseproblematik entfällt.
  • Erfindungsgemäß weist das Verfahren folgende Schritte auf, um den Materialbedarf zu verringern und dennoch keine Stabilitätsverluste des Druckgastanks herbeizuführen:
    Wenn der schmelzbare Kern bereitgestellt wird, wird in diesem bereits eine Stützstruktur aus Streben oder Speichen aus Kohlefasermaterial vorgesehen. Diese kann geeigneter Weise aus einer sich von der Zentralachse des Kerns radial weg erstreckenden Speichen-Stützstruktur bestehen. Die freien Enden der Streben oder Speichen sind dabei so lang, dass sie über die zu umwickelnden Oberfläche des Kerns überstehen. Dann werden beim Umwickeln des Kerns mit der Kohlefaser-Bandage die überstehenden freien Enden der Streben oder Speichen in diese eingewickelt. So wird eine vorteilhaft feste Anbindung erreicht. Beim Konsolidieren des polymeren Matrixmaterials werden dann die freien Enden der Stützstruktur, die in die Kohlefaser-Bandage eingewickelt sind, fixiert. Wenn nun das Verflüssigen und Entnehmen des flüssigen Kernmaterials aus dem Druckgastank vorgenommen wird, verbleibt die Stützstruktur stabilisierend in dessen Innerem.
  • Als ausschmelzbare Werkstoffe für den Kern kommen z. B. Wachse oder auch Wassereis in Frage. Wassereis erscheint dabei besonders geeignet, da es, wenn die Wicklung aufgebracht ist, in einem Temperaturabsenk-Schritt weiter heruntergekühlt werden kann, um so die Kohlefaserverbundwerkstoff-Bandage beim Wickelprozess mit einer Vorspannung zu versehen, um eine hohe Druckfestigkeit des Druckgastanks zu erreichen. So kann Druckgastank-Material und Gewicht eingespart werden.
  • Der schmelzbare Kern kann eine runde oder ovale oder eine andere geeignete Querschnittsform aufweisen und es damit erlauben, entsprechend andere als zylindrische Druckgastanks zu fertigen.
  • Ein erfindungsgemäßer Druckgastank, der mit den vorstehenden Verfahren gefertigt werden kann, und der einen Befüll- und Entnahmestutzen aufweist, hat daher eine Wandung, die aus einer Kohlefaserverbundwerkstoffschicht besteht und die vorteilhaft frei von einer innenwandigen Linerschicht ist. Dieser Druckgastank kann ein Druckwasserstofftank sein.
  • Erfindungsgemäß liegt im Inneren des Druckgastanks eine Stützstruktur aus Streben oder Speichen aus Kohlefasermaterial vor, welche stabilisiert und hinsichtlich des Materialeinsatzes günstig ist. Diese kann bevorzugt als eine sich von der Zentralachse des Druckgastanks radial weg erstreckenden Speichen-Stützstruktur ausgestaltet sein.
  • Ihre distale Streben- oder Speichen-Enden durchdringen die Innenwandung des Druckgastanks und sind in der polymeren Matrix der Kohlefaserverbundwerkstoffschicht, die die Wandung des Druckgastanks bildet, aufgenommen.
  • Der Druckgastank kann außer der Zylinderform eine ovale oder eine andere geeignete Querschnittsform haben.
  • Diese und weitere Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung unter Bezug auf die begleitenden Figuren dargelegt. Der Bezug auf die Figuren in der Beschreibung dient der Unterstützung der Beschreibung und dem erleichterten Verständnis des Gegenstands, sie sind lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.
  • Dabei zeigen
  • 1 eine Querschnittsansicht eines zylindrischen Tanks mit radialen Stützstreben,
  • 2 eine Querschnittsansicht eines Tanks mit elliptischem Querschnitt und mit Stützstreben.
  • 1 zeigt den Schnitt durch einen zylindrischen Druckwasserstofftank 1 aus Kohlefasermaterialien mit Kohlefaserspeichen 3, die sich im Inneren radial von einer Zentralachse zur Tankwandung 2 hin erstrecken und in die Wandung 2 aufgenommen sind. Zur Herstellung des Druckwasserstofftanks 1 wurde ein schmelzbarer Kern (nicht gezeigt), etwa aus Wachs oder Eis, herangezogen, um die Innenform des zylindrischen Druckgastanks zu bilden. Dann wurde der Kern mit Kohlefasern umwickelt, so dass die entstandene Kohlefaser-Bandage eine Preform des Druckgastanks 1 bildet. Das aushärtbare polymere Matrixmaterial, mit dem die Kohlefasern vor oder nach der Wicklung imprägniert wurden, wurde entsprechenden Aushärtebedingungen ausgesetzt, so dass der konsolidierte Kohlefaserverbundwerkstoff entsteht, der die Wandung 2 des Drucktanks 1 bereitstellt. Die Speichenenden, die aus dem Kern herausragten und in die Kohlenfaser-Bandage aufgenommen sind, werden dabei in der polymeren Matrix fixiert. Wird ein pulverförmiges aushärtbares polymeres Matrixmaterial eingesetzt, so kann dieses zunächst auch erst verflüssigt werden, um die Kohlefasern zu benetzen.
  • Am Ende des Herstellungsprozesses wurde der Kern, der bereits die Stützstruktur aus Speichen 3 enthielt, durch Aufschmelzen verflüssigt und das flüssige Kernmaterial aus dem Befüll- und Entnahmestutzen entnommen.
  • Durch Einsetzen derartiger von einer Zentralachse radial abstehender Speichen 3 oder gegebenenfalls auch einer anderen Stützstruktur, besteht sogar die Möglichkeit, von der zylindrischen Grundform eines Druckwasserstofftanks abzuweichen und beispielsweise einen elliptischen Querschnitt des Druckwasserstofftanks zu schaffen, wie in 2 gezeigt.

Claims (8)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Druckgastanks (1) aus Kohlefasermaterialien, der einen Befüll- und Entnahmestutzen aufweist, umfassend die Schritte – Bereitstellen eines schmelzbaren Kerns, der eine Innenform des Druckgastanks (1) bildet, – Umwickeln des Kerns mit zumindest einer Kohlefaser-Bandage und Imprägnieren der Kohlefasern mit einem aushärtbaren polymeren Matrixmaterial, dabei Bereitstellen einer Preform des Druckgastanks (1), – Konsolidieren des polymeren Matrixmaterials der Preform und Erhalten des Kohlefaserverbund-Druckgastanks (1), und – Verflüssigen des Kernmaterials durch Aufschmelzen und Entnehmen des flüssigen Kernmaterials aus dem Befüll- und Entnahmestutzen gekennzeichnet durch die Schritte: – bei dem Bereitstellen des schmelzbaren Kerns in dem Kern Vorsehen einer Stützstruktur aus Streben oder Speichen (3) aus Kohlefasermaterial, wobei die freien Enden der Streben oder Speichen (3) über eine zu umwickelnde Oberfläche des Kerns überstehen, – beim Umwickeln des Kerns mit der Kohlefaser-Bandage Einwickeln der überstehenden freien Enden der Streben oder Speichen (3), dann – beim Konsolidieren Fixieren der freien Enden in der Kohlefaserverbund-Bandage, – verbleiben Lassen der Stützstruktur (3) nach dem Verflüssigen und Entnehmen des flüssigen Kernmaterials in dem Druckgastank (1).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Stützstruktur aus Streben oder Speichen (3) als sich von einer Zentralachse des Kerns radial weg erstreckend vorgesehen wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der schmelzbare Kern ein Wassereiskern oder ein Wachskern ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, umfassend den Schritt nach dem Umwickeln des Kerns mit der Kohlefaser-Bandage zunächst weiter Absenken der Kerntemperatur.
  5. Druckgastank (1) mit einem Befüll- und Entnahmestutzen, herstellbar durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine Wandung (2) des Druckgastanks (1) aus einer Kohlefaserverbundwerkstoffschicht besteht und frei von einer innenwandigen Linerschicht ist dadurch gekennzeichnet, dass in dem Inneren des Druckgastanks (1) eine Stützstruktur aus Streben oder Speichen (3) aus Kohlefasermaterial angeordnet ist, wobei die distalen Streben- oder Speichen-Enden in einer polymeren Matrix der Kohlefaserverbundwerkstoffschicht, die die Wandung (2) des Druckgastanks (1) bildet, aufgenommen sind.
  6. Druckgastank (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckgastank (1) ein Druckwasserstofftank (1) ist.
  7. Druckgastank (1) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichen-Stützstruktur (3) sich von einer Zentralachse des Druckgastanks (1) radial weg erstreckt.
  8. Druckgastank (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckgastank (1) eine runde oder ovale oder eine andere geeignete Querschnittsform aufweist.
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