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Die Erfindung betrifft einen Druckgasbehälter nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung die Verwendung eines derartigen Druckgasbehälters.
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Druckgasbehälter, insbesondere sogenannte Typ-IV-Druckgasbehälter sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Sie weisen einen Aufbau aus einer Innenhülle auf, welche aus einem ein- oder mehrschichtigen Kunststoffaufbau besteht. Die Innenhülle sorgt dabei dafür, dass der spätere Druckgasspeicher für das in ihm gespeicherte Gas möglichst dicht ist. Die Innenhülle, welche selbst mechanisch nicht übermäßig stabil ist, wird dann außen von einer sie stabilisierenden Außenhülle aus faserverstärktem Kunststoff umgeben, welche den im späteren Druckgasbehälter auftretenden Druck aufnimmt. Bei den bisherigen Aufbauten ist es so, dass in wenigstens einem Endbereich des Druckgasbehälters ein sogenannter Boss - als eine Art integrierte Endkappe - ausgebildet ist, welcher als metallisches Bauteil realisiert ist, und welcher ein Gewinde zum Anschluss einer Ventileinrichtung, beispielsweise eines sogenannten On-Tank-Valves (OTV) aufweist. Der Nachteil ist dabei das vergleichsweise große Gewicht dieses Boss. Um dies zu reduzieren, wird er typischerweise bereits aus Aluminium hergestellt, was dann jedoch den Nachteil mit sich bringt, dass beim Einschrauben und Ausschrauben der Ventileinrichtung hohe Verschleißkräfte im Bereich des Gewindes auftreten, was sehr häufig zu einem Fressen führt. Um dies zu verhindern, ist wiederum ein aufwändiges Verfahren, beispielsweise eine Oberflächenbehandlung durch Eloxieren oder dergleichen notwendig.
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Um dieser Problematik zu begegnen und einen einfachen und leichten Aufbau zu schaffen, ist es nun aus der
JP 2000-035 196 A bekannt, einen Druckgasbehälter mit Innenhülle und Außenhülle so aufzubauen, dass ein Gewinde zur Aufnahme der Ventileinrichtung unmittelbar in dem faserverstärkten Kunststoffmaterial der Außenhülle ausgebildet ist. Hierdurch entsteht ein sehr leichter Aufbau. Dieser weist allerdings den Nachteil auf, dass ein im faserverstärkten Kunststoffmaterial ausgebildetes Gewinde sehr wenig belastbar ist und insbesondere bei einem häufigeren Ausbau und wieder Einbau der Ventileinrichtung sehr schnell Beschädigungen im sehr empfindlichen Bereich des in das faserverstärkte Kunststoffmaterial eingebrachten Ventils auftreten können.
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Die
WO 2014/121935 A2 betrifft eine Vorrichtung zur Speicherung und Abgabe von flüssigen und/oder gasförmigen Medien unter Druck aufweisend einen das Medium aufnehmenden Medienbehälter aus einem Kunststoffmaterial, vorzugsweise aus Polyamid, mindestens ein mit dem Medienbehälter verbundenes Ventilanschlusselement, und mindestens ein mit dem Ventilanschlusselement verbindbares Ventilelement, wobei der Medienbehälter einen einstückig angeformten und von dem Medienbehälter abstehenden Kragen mit einer Kragenaußenwandung und einer Krageninnenwandung aufweist. Ein Rückstellelement ist derart angeordnet, dass bei der Montage des Ventilelementes der Kragen und das Rückstellelement zwischen einem Teilbereich der Wandung und dem Verpressungsabschnitt gemeinsam verpresst werden, wobei das Rückstellelement aus einem vernetzten Kunststoffmaterial, vorzugsweise aus vernetztem Polyethylen, gebildet ist, und der Verpressungsabschnitt, der Kragen und das Rückstellelement so aufeinander abgestimmt und ausgebildet sind, dass durch die gemeinsame Verpressung von Kragen und Rückstellelement eine elastische Deformation des Rückstellelements einstellbar ist, die größer ist als die maximale Kriechverformung des Kragens über die Einsatzdauer der Vorrichtung, so dass die Kriechverformung des Kragens über das Rückstellelement ausgleichbar ist.
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Die
DE 69 530 126 T2 offenbart einen Druckbehälter mit einem Innenmantel, der als Gassperre dienen kann, und einem druckfesten Außenmantel, der den Innenmantel bedeckt, wobei der Außenmantel aus einem faserverstärkten Kunststoff besteht, der Verstärkungsfasern und ein Harz umfasst und ein Zugmodul von 35 GPa oder mehr und eine Zugbruchspannung von 1,5 % oder mehr aufweist.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, einen verbesserten Druckgasbehälter anzugeben, welcher insbesondere die genannten Nachteile löst.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Druckgasbehälter mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Druckgasbehälters ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Außerdem ist eine besonders bevorzugte Verwendung im Anspruch 8 angegeben. Eine bevorzugte Weiterbildung dieser Verwendung ergibt sich aus dem hiervon abhängigen Unteranspruch.
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Bei dem Druckgasbehälter gemäß der Erfindung ist es vorgesehen, dass dieser, wie es aus dem zuletzt genannten Stand der Technik bekannt ist, mit einer Innenhülle und einer Außenhülle sowie einem Gewinde zur Aufnahme einer Ventileinrichtung ausgebildet ist. Erfindungsgemäß ist es so, dass das Gewinde in einer metallischen Hülse ausgebildet ist, welche formschlüssig in die Außenhülle integriert ist, wobei die mittlere Wandstärke der Hülse maximal 1/3 der mittleren Wandstärke der Außenhülle beträgt. Anstelle des sehr wuchtigen Boss tritt nun also eine dünne metallische Hülse, deren einzige Aufgabe darin besteht, ein möglichst verschleißfestes Gewinde in dem Druckgasbehälter auszubilden und so einen sehr leichten und gleichzeitig sehr dauerhaften und auch bei häufiger Montag und Demontage der Ventileinrichtung sehr zuverlässigen Druckgasbehälter bereitzustellen. Durch die metallische Hülse wird dies optimal erreicht, da diese durch ihre relativ kleine Wandstärke entsprechend leicht ist und dennoch die hohen Flächenpressung, welche während der Verwendung des Druckgasbehälters zwischen ihr und dem Gewinde der Ventileinrichtung auftreten, optimal aufnehmen und in den faserverstärkten Kunststoff weiterleiten kann.
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Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Druckgasbehälters kann es dabei vorgesehen sein, dass die Hülse aus Stahl hergestellt ist. Eine solche Hülse aus Stahl, welche insbesondere aus einem nicht rostenden Stahl hergestellt sein kann, ist ideal geeignet, um die vergleichsweise hohen Kräfte, welche im Betrieb des Druckgasbehälters auftreten, aufzunehmen. Aufgrund der geringen Wandstärke spielt dabei das vergleichsweise hohe Gewicht des Materials Stahl eine untergeordnete Rolle.
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In einer sehr vorteilhaften Weiterbildung dieser Idee kann es nun außerdem vorgesehen sein, dass die Hülse zumindest im Bereich der Oberfläche des Gewindes vergütet ist. Ein weiterer Vorteil der Verwendung von Materialien aus Stahl ist der, dass durch eine Oberflächenvergütung eine Verbesserung der Materialeigenschaften in diesem Bereich hinsichtlich ihrer späteren Belastung erzielt werden kann. Dies ist dabei ein sehr einfaches und gängiges Verfahren, welches sehr kostengünstig verfügbar ist, und daher zumindest hinsichtlich der Herstellungskosten einen erheblichen Vorteil gegenüber einer beispielsweise aus Aluminium hergestellten Hülse, welche an ihrer Oberfläche eloxiert ist, darstellt. Die gemäß der vorteilhaften Weiterbildung aus Stahl hergestellte und insbesondere im Bereich ihrer Oberfläche vergütete Hülse bietet also einen entscheidenden Kostenvorteil.
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Gemäß einer weiteren, sehr vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Druckgasbehälters kann es auch vorgesehen sein, dass die metallische Hülse Legierungsbestandteile aufweist, welche eine niedrige Gleitreibung zusammen mit dem Ventilelement aufweisen. Solche Legierungsbestandteile, welche für eine niedrige Gleitreibung des Materials der metallischen Hülse zusammen mit dem üblicherweise eingesetzten Material der Ventileinrichtung ermöglichen, sind von entscheidendem Vorteil, da auch sie dazu beitragen, dass bei häufiger Montage und Demontage der Ventileinrichtung die Gefahr einer Beschädigung des Gewindes an der Ventileinrichtung oder in der Hülse, beispielsweise durch Fressen, entsprechend reduziert wird.
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Gemäß der Erfindung weist die metallische Hülse die Form des Gewindes auf ihrer inneren und äußeren Oberfläche auf. Das Gewinde kann also beispielsweise in die metallische Hülse entsprechend eingeprägt sein, sodass diese sowohl im inneren als auch im äußeren Bereich das Gewinde aufweist. Das Gewinde im äußeren Bereich, oder zumindest eine gewindeähnliche Form, welche nach dem Einprägen des Gewindes im inneren Bereich sich im äußeren Bereich ausbildet, kann dazu beitragen, dass ein Formschluss zumindest in axialer Richtung erzielt wird.
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In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Druckgasbehälters kann es dann außerdem vorgesehen sein, dass die Hülse auf ihrer dem faserverstärkten Kunststoff zugewandten Außenfläche Rillen, Noppen oder Flügel aufweist. Solche Rillen, Noppen oder Flügel, insbesondere mit einer gewindeähnlichen Ausbildung der äußeren Oberfläche der metallischen Hülse zusammen, gewährleisten dann einen sehr guten Formschluss zwischen der Hülse und dem Material der Außenhülle. Die Fixierung ist dann sowohl gegen axiale Kräfte, als auch gegen rotatorische Kräfte sehr resistent.
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Die üblichen Aufbauten von Druckgasbehältern weisen je nach größtem Durchmesser des Druckgasbehälters unterschiedliche Wandstärken der Außenhüllen auf. So sind beispielsweise bei Außendurchmesser der Druckgasbehälter von rund 200 mm Wandstärken in der Größenordnung von 8 bis 15 mm üblich. Dagegen sind bei Druckgasbehältern mit 370 mm Außendurchmesser 12 bis 30 mm an Materialstärke des faserverstärkten Kunststoffs in der Außenhülle üblich. Dementsprechend ist die metallische Hülse an diese Wandstärken angepasst, weist aber in jedem Fall das oben genannte Drittel als maximale Wandstärke auf. Vorzugsweise kann die metallische Hülse dabei weniger als 2 mm Wandstärke aufweisen, da dies einen sehr guten Kompromiss zwischen Tragfähigkeit hinsichtlich des Gewindes und Gewicht der metallischen Hülse darstellt.
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Die bevorzugte Verwendung eines Druckgasspeichers gemäß der Erfindung liegt in seinem Einsatz zur Speicherung von Wasserstoff oder komprimiertem Erdgas, bei Nenndrücken von mehr als 250 bar. Der erfindungsgemäße Druckgasbehälter kann einfach effizient und sehr stabil ausgeführt werden. Er eignet sich insbesondere zur Aufnahme von Wasserstoff oder komprimiertem Erdgas bei relativ hohen Nenndrücken. Bei komprimiertem Erdgas liegen diese typischerweise in der Größenordnung von 260 bar, bei Wasserstoff liegen die üblicherweise eingesetzten Nenndrücke heute bei ca. 700 bar. Höhere Drücke sind dabei grundsätzlich möglich und denkbar.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Verwendung kann es dabei ferner vorgesehen sein, dass der Druckgasspeicher zur Speicherung von Brennstoff in einem Fahrzeug eingesetzt wird. Ein solcher Brennstofftank für Wasserstoff oder komprimiertes Erdgas kann beispielsweise in einem Fahrzeug eingesetzt werden, welches die Gase in einem Verbrennungsmotor verbrennt. Insbesondere bei der Speicherung von Wasserstoff kann der erfindungsgemäße Druckgasbehälter, jedoch vorzugsweise auch als Wasserstoffspeicher in einem Brennstoffzellenfahrzeug Verwendung finden.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Druckgasbehälters ergeben sich aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
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Dabei zeigen:
- 1 ein prinzipmäßig angedeutetes Fahrzeug mit einem Druckgasbehälter gemäß der Erfindung;
- 2 prinzipmäßige Schnittdarstellung durch einen Teil eines Druckgasbehälters gemäß der Erfindung; und
- 3 einen vergrößerten Ausschnitt gemäß III in 2.
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Der erfindungsgemäße Druckgasbehälter wird nachfolgend anhand eines Ausführungs- und Anwendungsbeispiels in einem Brennstoffzellenfahrzeug mit einem Wasserstofftank näher erläutert und beschrieben. Der erfindungsgemäße Druckgasbehälter kann genauso gut für Fahrzeuge eingesetzt werden, welche beispielsweise durch Wasserstoff oder komprimiertes Erdgas mittels eines Verbrennungsmotors angetrieben werden. Der erfindungsgemäße Druckgasbehälter kann außerdem außerhalb eines Fahrzeugs eingesetzt werden, hat jedoch aufgrund seiner sehr leichten Ausführung und der sehr sicheren Ausführungsform seinen bevorzugten Einsatzzweck im Bereich von Fahrzeugen.
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In der Darstellung der 1 ist sehr stark schematisiert ein Fahrzeug 1 angedeutet, welches über eine Brennstoffzelle 2 mit elektrischer Antriebsleistung versorgt wird. Die Brennstoffzelle 2 umfasst dabei einen Kathodenbereich 3, welchem Luft als Sauerstofflieferant zugeführt wird, sowie einen Anodenbereich 4, welchem Wasserstoff aus einer Speicher-Vorrichtung 5 zum Speichern von Wasserstoff unter hohem Druck zugeführt wird. Beispielhaft für die gesamte Speicher-Vorrichtung 5, welche typischerweise aus diversen Verrohrungen, Ventileinrichtungen, einem Tankanschluss sowie einem oder mehreren Druckgasbehälter 6 ausgebildet ist, ist in der Darstellung der 1 lediglich einer der Druckgasbehälter 6 angedeutet. Dieser ist über eine Wasserstoffleitung 7 mit dem Anodenraum 4 der Brennstoffzelle 2 verbunden, wobei hier in typischerweise Druckregel- und Dosiereinheiten und dergleichen angeordnet sind. Die Brennstoffzelle 2 liefert dabei elektrische Leistung, welche über eine Leistungselektronik 8 entsprechend aufbereitet und an einen prinzipmäßig angedeuteten Fahrmotor 9 weitergegeben wird, welcher dann zum Antrieb des Fahrzeugs 1 dient.
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Bei dem Druckgasbehälter 6, welcher in der Darstellung der 2 nochmals in einem Ausschnitt seines einen Endes dargestellt ist, ist es nun so, dass dieser in an sich bekannter Art und Weise aus einer Außenhülle 10 sowie einer Innenhülle 11, dem sogenannten Liner 11 besteht. Der Liner 11 sorgt als typischerweise ein- oder mehrschichtiger Aufbau aus Kunststoff dafür, dass eine hohe Resistenz gegen das zu speichernde Gas, in dem Fall also eine hohe Diffusionsbeständigkeit gegenüber dem Wasserstoff, aufweist. Die Außenhülle 10 aus faserverstärktem Kunststoffmaterial sorgt dann als entsprechend leichter und dennoch sehr stabiler Aufbau dafür, dass die Nenndrücke im Inneren des Liners 11 durch die Außenhülle 10 aufgenommen werden können. Beim Beispiel des Wasserstoffs sind dies derzeit Nenndrücke von 700 bar. In dem Aufbau des Druckgasbehälters 6, wie er in der Darstellung der 2 zu erkennen ist, ist es nun so, dass im Bereich des dargestellten Ende des Druckgasspeichers 6 eine metallische Hülse 12 angeordnet ist, welche zur Aufnahme einer Ventileinrichtung, welche nicht dargestellt ist, ausgebildet ist. Hierfür weist die metallische Hülse 12 ein angedeutetes Gewinde 13 auf, in welches die Ventileinrichtung, beispielsweise ein On-Tank-Valve eingeschraubt werden kann. Die metallische Hülse 12 ist dabei vorzugsweise aus einem nicht rostenden Stahl ausgeführt, welcher zumindest im Bereich des Gewindes 13 an seiner Oberfläche vergütet ist.
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Die metallische Hülse 12 ist so in der Lage eine sehr hohe Flächenpressung im Bereich des Gewindes 13 auszuhalten, ohne dass, auch bei häufiger Montage und Demontage der Ventileinrichtung ein entsprechender Verschleiß auftritt. Die metallische Hülse 12 ist dabei mit relativ kleiner Wandstärke ausgeführt, insbesondere mit in etwa einer Wandstärke von 2 mm, während das faserverstärkte Kunststoffmaterial der Außenhülle 10 je nach Durchmesser des Druckgasbehälters 6 typischerweise zwischen 8 und 30 mm mittlere Materialstärke aufweist. Die metallische Hülse 12 dient also lediglich zur Aufnahme der Ventileinrichtung und zur Bereitstellung des Gewindes 13, welches eine höhere Verschleißfestigkeit aufweist, als dies ein Gewinde, welches direkt in das faserverstärkte Kunststoffmaterial der Außenhülle 10 eingebracht wäre, tut. Der Liner 11, der im hier dargestellten Ausführungsbeispiel an die Stirnseite der metallischen Hülse 12 angebracht ist, und kann beispielsweise mit dieser verschweißt oder verklebt ausgebildet sein. Dies ist für die hier vorliegende Erfindung von untergeordneter Bedeutung, sodass diese Darstellung auch lediglich beispielhaft zu verstehen ist. Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Arten den Liner 11 an dem dort üblicherweise eingesetzten Boss anzubringen bekannt. Außerdem kann beispielsweise ein Einklemmen des Liners 11 zwischen der metallischen Hülse 12 und der Außenhülle 10 realisiert werden, ein Anschweißen oder Ankleben an die metallische Hülse 12 oder ein durchlaufender Liner 11, welcher entlang der Außenfläche der metallischen Hülse 12 bis in den Außenbereich ihrer Verbindung mit der Außenhülle 10 läuft.
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Die in ihrer Materialstärke vergleichsweise dünn ausgeführte Hülse 12 kann nun so mit dem Gewinde 13 versehen sein, dass dieses beim Einbringen in die Hülse 12 sich sowohl auf der Innenfläche als auch auf der Außenfläche ausbildet. Dies ist in der vergrößerten Schnittdarstellung der 3 prinzipmäßig angedeutet. Das faserverstärkte Kunststoffmaterial der Außenhülle 10 kann dann formschlüssig mit dem Gewinde oder gewindeähnlichen Teil auf der Außenseite der Hülse 12 zusammenwirken, sodass eine gute formschlüssige Verbindung der metallischen Hülse 12 und der Außenhülle 10 in axialer Richtung des Gewindes 13 erreicht wird. Gegen ein Verdrehen können beispielsweise Noppen oder Rillen im Außenbereich der metallischen Hülse 12 vorgesehen sein. Beispielhaft sind in der Darstellung der 3 zwei Flügel 14 angedeutet, von welchen der untere der Flügel 14 in der Schnittebene und der darüber angeordnete Flügel 14 in einer Ebene hinter der Schnittebene angedeutet ist. Durch diese Flügel 14 kann eine rotatorische Bewegung durch Formschluss zwischen den einstückig mit der metallischen Hülse 12 ausgebildeten Flügeln 14 und dem Material der Außenhülle 10 verhindert werden. Durch den in 3 beispielhaft angedeuteten Aufbau wird also ein Formschluss in alle relevanten Raumrichtungen erzielt.
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Alternativ dazu oder zusätzlich kann auch ein Verkleben zwischen der Außenhülle 10 und der metallischen Hülse 12 realisiert werden. Insbesondere kann bei der Herstellung zuerst der Liner 11 mit der Hülse 12 verbunden werden. Anschließend wird dieser Aufbau dann in an sich bekannter Art und Weise von einem faserverstärkten Material bzw. von den Fasern dieses Materials umwickelt oder umflochten, welche dann entweder mit einer Kunststoffmatrix getränkt und ausgehärtet werden oder durch Aktivierung einer zuvor in die Fasern eingebrachten Kunststoffmatrix vernetzt und ausgehärtet werden. Hierdurch entsteht einerseits ein Formschluss und andererseits auch eine gewisse Klebewirkung zwischen dem Material der Außenhülle 10 und der Hülse 12.
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Der Aufbau ist außerordentlich sicher, einfach und lässt sich gegenüber Aufbauten gemäß dem Stand der Technik, welche einen Boss verwenden, sehr leicht realisieren. Gegenüber Aufbauten gemäß dem Stand der Technik, welche ohne metallische Materialien auskommen, weist der hier beschriebene Aufbau mit der metallischen Hülse 12 eine sehr viel höhere Beständigkeit auf, sodass eine Ventileinrichtung bei Bedarf häufig montiert und demontiert werden kann, ohne das Gewinde nachhaltig zu schädigen.
