DE102012002996A1

DE102012002996A1 - Hydrogen storage tank

Info

Publication number: DE102012002996A1
Application number: DE102012002996A
Authority: DE
Inventors: Patrick Breuer
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2011-02-18
Filing date: 2012-02-15
Publication date: 2012-09-06
Also published as: US20120214088A1; CN102644844A

Abstract

Ein Druckbehälter umfasst eine innere Schale, die aus einem formbaren Material gebildet ist, eine Zwischenschale, die über der inneren Schale gebildet ist, und eine äußere Schale, die über der Zwischenschale gebildet ist. Die innere Schale weist eine innere Fläche auf, die einen Hohlraum definiert, und die äußere Schale ist mit einem Hochtemperatur-Epoxidharz gebildet.

Description

GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wasserstoffspeichertank. Im Spezielleren betrifft die vorliegende Erfindung einen Wasserstoffspeichertank mit einer äußeren Epoxidschicht einschließlich einer Epoxidschicht.
HINTERGRUND
Die Angaben in diesem Abschnitt liefern lediglich Hintergrundinformation in Bezug auf die vorliegende Offenlegung und stellen möglicherweise nicht den Stand der Technik dar.
Brennstoffzellen wurden als eine Leistungsquelle für Elektrofahrzeuge und andere Anwendungen vorgeschlagen. In Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen wird Wasserstoff als ein Brennstoff an eine Anode der Brennstoffzelle geliefert und Sauerstoff wird als ein Oxidationsmittel an eine Kathode der Brennstoffzelle geliefert. Eine Vielzahl von Brennstoffzellen ist typischerweise in einem Brennstoffzellenstapel zusammengestapelt, um ein Brennstoffzellensystem zu bilden. Der Brennstoff und das Oxidationsmittel sind in hohlen Druckbehältern wie z. B. Brennstofftanks gespeichert, die z. B. an einem Unterbau des Fahrzeuges aufbewahrt sein können.
Ein typischer Druckbehälter umfasst eine innere Schale, eine Zwischenschale, die über der inneren Schale gebildet ist, und eine äußere Schale, die über der Zwischenschale gebildet ist. Die innere Schale ist typischerweise über einem äußeren Abschnitt oder auf einem inneren Abschnitt eines Endstücks, wie z. B. einem metallischen Anschluss, gebildet. Der Anschluss kann mit einem Ventil in Verbindung stehen oder kann in fluidtechnischer Verbindung mit anderen Behälterarmaturen wie z. B. einem Druckentlastungsventil, einer Düse, einer Leitung oder irgendeiner anderen geeigneten Armatur stehen.
Um die Auswirkungen von thermischer Energie auf die innere Schale typischer Behälter zu minimieren, ist in einigen Anwendungen eine Metallschale um die äußere Schale des Behälters herum gebildet. Die Bildung solcher Metallschalen ist jedoch arbeitsintensiv, erhöht das Gewicht der Behälter und maximiert sowohl die Montage- als auch die Materialkosten der Behälter.
Demzufolge wäre es wünschenswert, einen hohlen Druckbehälter zu entwickeln, der geeignet ist, die Auswirkung von thermischer Energie auf den Behälter zu minimieren, und gleichzeitig auch die Montage- und Materialkosten solcher Behälter zu minimieren.
ZUSAMMENFASSUNG
In einem allgemeinen Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Druckbehälter eine innere Schale, die aus einem formbaren Material gebildet ist, eine Zwischenschale, die über der inneren Schale gebildet ist, und eine äußere Schale, die über der Zwischenschale gebildet ist. Die innere Schale weist eine innere Fläche auf, die einen Hohlraum definiert, und die äußere Schale ist mit einem Hochtemperatur-Epoxidharz gebildet.
In einem weiteren Aspekt umfasst ein Druckbehälter eine innere Schale, eine Zwischenschale, die aus einem Kohlefaserverbundstoff und einem ersten Epoxidharz gebildet ist, und eine äußere Schale, die aus einer Faser und einem zweiten Epoxidharz gebildet ist, das sich bei einer höheren Temperatur zersetzt als das erste Epoxidharz.
In einem noch weiteren Aspekt umfasst ein Druckbehälter eine innere Schale, die aus einem formbaren Material gebildet ist, eine Zwischenschale, die über der inneren Schale gebildet ist, und eine äußere Schale, die über der Zwischenschale gebildet ist. Die innere Schale ist aus einem Kohlefaserverbundstoff und einem ersten Epoxidharz gebildet und die äußere Schale ist aus einer Glasfaser und einem zweiten Epoxidharz gebildet, das sich bei einer höheren Temperatur zersetzt als das erste Epoxidharz. Der Druckbehälter umfasst ferner einen metallischen Anschluss, der an einem Ende der inneren Schale angebracht ist, um eine fluidtechnische Verbindung von dem Inneren des Behälters zu der Außenseite des Behälters bereitzustellen.
Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsgebiete werden aus der hierin bereitgestellten Beschreibung offensichtlich. Es sollte einzusehen sein, dass die Beschreibung und die spezifischen Beispiele lediglich der Veranschaulichung dienen sollen und den Schutzumfang der vorliegenden Offenlegung nicht einschränken sollen.
ZEICHNUNGEN
Die hierin beschriebenen Zeichnungen dienen ausschließlich Illustrationszwecken und sollen den Schutzumfang der vorliegenden Offenlegung in keiner Weise einschränken. Die Komponenten in den Fig. sind nicht unbedingt maßstabsgetreu, sondern es wir vielmehr Nachdruck auf die Veranschaulichung der Prinzipien der Erfindung gelegt. In den Zeichnungen ist:
1A eine perspektivische partielle Schnittansicht eines Druckbehälters in Übereinstimmung mit den Prinzipien der vorliegenden Erfindung;
1B eine vergrößerte fragmentarische Querschnittsansicht des Bereiches B des Behälters in 1; und
2 eine Querschnittsansicht des Behälters in 1.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die nachfolgende Beschreibung ist lediglich von beispielhafter Natur und soll die vorliegende Offenlegung, Anwendung oder Verwendungen nicht einschränken.
Unter nunmehriger Bezugnahme auf die 1A, 1B und 2 ist darin ein Druckbehälter veranschaulicht und bei 10 bezeichnet, der die Prinzipien der vorliegenden Erfindung beinhaltet. Als seine Hauptkomponenten umfasst der Druckbehälter 10 eine innere Schale 12, eine Zwischenschale 14 und eine äußere Schale 16. Der Behälter 10 weist eine im Wesentlichen zylindrische Form auf und ist geeignet, ein mit Druck beaufschlagtes Fluid 19 wie z. B. Wasserstoffgas und Sauerstoffgas, eine Flüssigkeit oder sowohl eine Flüssigkeit als auch ein Gas, aufzunehmen.
Man beachte, dass der Behälter je nach Anwendung des Behälters 10 jede gewünschte Form aufweisen kann, die nicht zylindrisch ist. Ferner kann der Behälter 10 je nach Wunsch beispielsweise zusätzliche Schichten, wie z. B. eine Sperrschicht, eine Folienschicht, eine poröse Permeationsschicht und dergleichen ähnlich jenen umfassen, die in den US-Patenten Nr. 11/847 007 und 11/9576 8632 offenbart sind, deren Inhalt hierin durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit aufgenommen sind.
Die innere Schale 12 des Behälters 10 ist ein hohles Gefäß, das geeignet ist, ein mit Druck beaufschlagtes Fluid zu speichern. In speziellen Anwendungen ist die innere Schale 12 aus einem Polymermaterial gebildet. In einigen Anwendungen kann die innere Schale 12 aus mehreren Schichten gebildet sein. Die innere Schale 12 kann mittels Blasformen, Extrusionsblasformen, Rotationsformen oder eines beliebigen anderen geeigneten Verfahrens gebildet werden. Wie in 1 gezeigt, weist die innere Schale 12 eine zylindrische Form auf; allerdings kann die innere Schale, je nachdem, wie der Behälter 10 verwendet wird, jede gewünschte Form aufweisen, die nicht zylindrisch ist.
Wie gezeigt, ist die innere Schale über einem äußeren Abschnitt oder auf einem inneren Abschnitt eines Mundstücks wie z. B. einem metallischen Anschluss 18 gebildet, um eine fluidtechnische Verbindung zwischen dem Inneren und der Außenseite des Behälters 10 zu erleichtern. Im Speziellen stellt der metallische Anschluss 18 durch ein Ventil 20 eine fluidtechnische Verbindung zu der Außenseite des Behälters 10 bereit. Man beachte jedoch, dass der metallische Anschluss es erleichtern kann, dass Fluid aus dem Inneren des Behälters 10 durch irgendeine geeignete Armatur wie z. B. eine Düse, eine Leitung oder ein Druckentlastungsventil hindurch aus dem Behälters 10 austreten kann.
Die innere Schale 12 kann aus einem Kunststoff wie z. B. Polyethylen, PET, Ethylenvinylalkohol oder einem Ethylen-Vinylacetat-Terpolymer gebildet sein. In einigen Ausführungen kann die innere Schale 12 allerdings beispielsweise aus anderen geeigneten formbaren Materialien wie z. B. einem Metall oder einem Glas gebildet sein.
Die Zwischenschale 14 des Behälters 10 ist über der inneren Schale 12 gebildet und ist zwischen der inneren Schale 12 und der äußeren Schale 16 positioniert. Die Zwischenschale 14 weist eine im Wesentlichen zylindrische Form auf. Wie gezeigt, steht die Zwischenschale 14 in direktem Kontakt mit der inneren Schale 12. Die Zwischenschale 14 kann aus einem beliebigen formbaren Material wie z. B. einem Metall oder einem Kunststoff gebildet sein. Alternativ kann die Zwischenschale 14 mit einem Faserwickelverfahren gebildet werden. In Anwendungen, in denen die Zwischenschale 14 mit einem Faserwickelverfahren gebildet wird, kann die Zwischenschale 14 aus einer Kohlefaser, einer Glasfaser, einer Verbundfaser, einer Faser mit einer Harzbeschichtung oder einer beliebigen anderen geeigneten Faser gebildet sein. Das Material, das verwendet wird, um die Zwischenschale 14 zu bilden, kann auf der Basis des Verfahrens, das verwendet wird, um die Zwischenschale 14 an der inneren Schale 12 zu befestigen, der Verwendung des Behälters 10 und der Eigenschaften des in dem Behälter 10 gespeicherten Fluids 19 gewählt werden.
Die äußere Schale 16 des Behälters 10 ist über zumindest einem Abschnitt der Zwischenschale 14 angeordnet. Für den gezeigten Behälter 10 weist die äußere Schale eine im Wesentlichen zylindrische Form auf und steht in direktem Kontakt mit der Zwischenschale 14. Die äußere Schale wird mit einem Faserwickelverfahren aus einer Glasfaser gebildet, die mit einem Hochtemperatur-Epoxidharz 22 beschichtet ist. Alternativ kann die Glasfaser mit dem Epoxidharz 22 imprägniert werden. Man beachte, dass das Epoxidharz 22 ein Hochtemperatur-Harz ist, das in bestimmten Anwendungen von dem Harz verschieden ist, welches in der Zwischenschale 14 verwendet wird, wenn die Zwischenschale 14 aus einer Faser mit einer Harzbeschichtung gebildet wird. In solchen Anordnungen zersetzt sich das Hochtemperatur-Epoxidharz 22 bei einer höheren Temperatur als das Epoxidharz, das verwendet wird, um die Zwischenschale 14 zu bilden. Man beachte auch, dass die äußere Schale 16 eine Dicke aufweisen kann, die größer ist als die äußere Glasfaserschale eines typischen Druckbehälters.
Das Epoxidharz 22 erleichtert das Verkleben der äußeren Schale 16 mit der Zwischenschale 14. Außer dass die äußere Schale einen Steinschlagschutz für den Behälter 10 bereitstellt, stellt die Verwendung des Hochtemperatur-Epoxidharzes 22 eine höhere Wärmeformbeständigkeitstemperatur bereit. Demzufolge kann die Verwendung des Hochtemperatur-Epoxidharzes 22 die Bildung von Zersetzungsprodukten verzögern und reduzieren, welche die Selbstentzündung des Verbundmaterials bei erhöhten Temperaturen bewirken können.
Abhängig von der Verwendung des Behälters 10 kann die äußere Schale 16 aus einer Kohlefaser, einer Verbundstofffaser oder einer beliebigen anderen geeigneten, mit dem Epoxidharz 22 beschichteten oder imprägnierten Faser gebildet werden, die zum Faserwickeln geeignet ist. Es kann zusätzliches Material auf der Oberfläche der Schale 16 mittels eines Spritzverfahrens, eines Beschichtungsverfahrens, eines Tauchverfahrens oder eines beliebigen anderen geeigneten Verfahrens angeordnet werden. Es kann z. B. an jedem Ende des Behälters 10 über der äußeren Schicht 16 eine Schaumkuppel 17 gebildet werden, um einen zusätzlichen Fallbruchschutz des Behälters 10 bereitzustellen.
In einigen Ausführungen ist das Hochtemperatur-Epoxidharz 22 ein Hochtemperatur-Faserwickelharz, welches ein mit einem flüssigen Aminhärter kombiniertes Bis-A-Epoxid ist. In einer speziellen Ausführung wird ein Epicote-Harz 862 (ein flüssiges Epoxid) mit einem Epikure-Härter W (einem flüssigen aromatischen Amin) und einem Beschleuniger wie z. B. Epikure-Härter 537 kombiniert. Diese Kombination stellt eine Glasübergangstemperatur von etwa 300°C bereit, wenn sie bei etwa 177°C gehärtet wird.
Die Beschreibung der Erfindung ist lediglich von beispielhafter Natur und Abwandlungen, die nicht von dem Kern der Erfindung abweichen, sollen innerhalb des Schutzumfanges der Erfindung liegen. Solche Abwandlungen sind nicht als Abweichung von dem Geist und dem Schutzumfang der Erfindung zu betrachten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 11/847007 [0017]
US 11/95768632 [0017]

Claims

Druckbehälter, umfassend: eine innere Schale, die aus einem formbaren Material gebildet ist, wobei die innere Schale eine innere Fläche aufweist, die einen Hohlraum definiert; eine Zwischenschale, die über der inneren Schale gebildet ist; und eine äußere Schale, die über der Zwischenschale gebildet ist, wobei die äußere mit einem Hochtemperatur-Epoxidharz gebildet ist.
Druckbehälter nach Anspruch 1, wobei die äußere Schale aus einer Faser gebildet ist.
Druckbehälter nach Anspruch 2, wobei das Epoxid mit dem Epoxid imprägniert ist.
Druckbehälter nach Anspruch 1, wobei das Epoxidharz ein mit einem Aminhärter kombiniertes Bis-A-Epoxid ist.
Druckbehälter nach Anspruch 1, wobei das Epoxidharz eine Zusammensetzung aus einem Epicote-Harz 862 aufweist, das mit einem Epikure-Härter W und einem Epikure-Härter 537-Beschleuniger kombiniert ist.
Druckbehälter nach Anspruch 1, wobei das Epoxid die äußere Schale an die innere Schale klebt.
Druckbehälter nach Anspruch 1, wobei die innere Schale ein Kunststoff, ein Metall oder ein Glas ist.
Druckbehälter nach Anspruch 1, wobei die innere Schale aus einem Kunststoff hergestellt ist, welcher aus der Gruppe gewählt ist, die aus Polyethylen, PET, Ethylenvinylalkohol und Ethylen-Vinylacetat-Terpolymer besteht.
Druckbehälter nach Anspruch 1, wobei die Zwischenschale ein Kunststoff oder ein Glas ist.
Druckbehälter nach Anspruch 1, wobei die Zwischenschale aus einer Faser gebildet ist.