DE102014100551B4 - Speichersystem für druckgas - Google Patents

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Abstract

Speichersystem (10) für Druckgas, wobei das Speichersystem (10) umfasst:eine äußere Schale (12) mit einer inneren und einer äußeren Fläche (14, 16), wobei die äußere Schale (12) einen im Querschnitt kreisförmigen Behälter definiert und wobei die innere Fläche (14) ein inneres Volumen 20) zum Aufnehmen eines Druckgases bei einem Druck zwischen 100 und 700 bar definiert;eine erste elektrisch leitfähige Schicht (24), mit der die äußere Schale (12) versehen ist;eine innere Auskleidung (30), die über der inneren Fläche (14) angeordnet ist;eine zweite elektrisch leitfähige Schicht (26), die der inneren Auskleidung (30) zugeordnet ist, wobei die zweite elektrisch leitfähige Schicht (26) von der ersten elektrisch leitfähigen Schicht (24) elektrisch isoliert ist; undein Kapazitätsmessgerät (32), das die Kapazität zwischen der ersten elektrisch leitfähigen Schicht (24) und der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht (26) misst, wobei eine Änderung der Kapazität eine Beulung in dem Speichersystem (10) anzeigt;wobei die erste elektrisch leitfähige Schicht (24) in die äußere Schale (12) und/oder die zweite elektrisch leitfähige Schicht (26) in die innere Auskleidung (30) eingebettet sind/ist.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gasspeichersystem für brennstoffzellenbetriebene Fahrzeuge, die eine Auskleidungsbeulung detektieren.
  • Aus der WO 2007 / 002 266 A2 geht ein Autoreifen hervor, in dessen Schichtaufbau ein Kondensator integriert ist, mit dem Rückschlüsse auf eine Veränderung des Schichtaufbaus getroffen werden können.
  • Ferner beschreibt die DE 22 28 325 A einen wärmeisolierten Behälter eines Schiffs zur Aufnahme großer Menge Flüssigkeit bei niedriger Temperatur, in dessen Schichtaufbau zumindest ein Kondensator integriert ist, mit dem Rückschlüsse auf ein Loch in dem Schichtaufbau getroffen werden können.
  • HINTERGRUND
  • Brennstoffzellen werden in vielen Anwendungen als eine elektrische Leistungsquelle verwendet. Brennstoffzellen werden insbesondere zur Verwendung in Automobilen vorgeschlagen, um Verbrennungsmotoren zu ersetzen. Ein üblicherweise verwendeter Brennstoffzellenaufbau verwendet eine Festpolymerelektrolyt („SPE“, vom engl. solid polymer electrolyte)-Membran oder Protonenaustauschmembran („PEM“, vom engl. proton exchange membrane), um einen lonentransport zwischen der Anode und der Kathode vorzusehen. In Brennstoffzellen vom Protonenaustauschmembran-Typ wird Wasserstoff der Anode als Brennstoff zugeführt und Sauerstoff wird der Kathode als das Oxidationsmittel zugeführt. Der Sauerstoff kann entweder in reiner Form (O2) oder Luft (einem Gemisch aus O2 und N2) vorhanden sein. PEM-Brennstoffzellen weisen typischerweise eine Membranelektrodenanordnung („MEA“) auf, in der eine Festpolymermembran einen Anodenkatalysator auf einer Seite und einen Kathodenkatalysator auf der entgegengesetzten Seite aufweist.
  • Moderne Brennstoffzellenfahrzeuge speichern Wasserstoff in Druckbehältern mit Drücken bis zu 700 bar. Diese Behälter sind typischerweise aus einem Auskleidungsmaterial hergestellt, welches als eine Barriere gegen eine Gasdiffusion fungiert. Die Auskleidung ist typischerweise von einer Matrix aus Kohlefaserschichten umgeben, die hauptsächlich dafür verantwortlich sind, der Belastung eines mit 700 bar gefüllten Behälters standzuhalten. In einigen Fällen löst sich die Auskleidung, die ein sehr weiches Material ist, von der Faserverbindung ab, und beult sich nach innen. Man nimmt an, dass solch ein Ablösen bei einem Druck von ungefähr null bar im Inneren des Behälters (d. h. eines leeren Behälters) stattfindet. Es ist auch zu beobachten, dass eine Beulung auch bei höheren Innendrücken stattfinden kann, wenn der Deltadruck gegenüber dem Äußeren hoch genug ist. Dies ist der Fall, wenn Gas, das durch das Auskleidungsmaterial hindurch diffundiert, zwischen der Verbindung und der Auskleidung eingeschlossen wird. Eine Auskleidungsbeulung wird als Beitragender zu einer hohen Spannung im Inneren des Auskleidungsmaterials angesehen, die dann zu Haltbarkeitsproblemen und Ermüdungsrissen des Auskleidungsmaterials führen könnte.
  • Es besteht demgemäß Bedarf an verbesserten Systemen zum Speichern von Druckgasen für Brennstoffzellenanwendungen, die ein prozessgekoppeltes Detektionsverfahren vorsehen, um den Beginn einer Auskleidungsbeulung zu detektieren.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, diesem Bedarf gerecht zu werden.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe mit einem Speichersystem für Druckgas, das die Merkmale des Anspruchs 1 oder des Anspruchs 6 aufweist.
  • In einer anderen Ausführungsform ist ein Verfahren zum Ermitteln einer Beulung in einem Druckgas-Speichersystem vorgesehen. Das Verfahren umfasst die Schritte, dass ein Speichersystem gemäß Anspruch 1 vorgesehen wird , wobei die Kapazität zwischen der ersten elektrisch leitfähigen Schicht und der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht gemessen wird, sodass eine Änderung der Kapazität eine Beulung in dem Speichersystem anzeigt.
  • Das System und das Verfahren der vorliegenden Erfindung werden vorteilhafterweise verwendet, um eine Auskleidungsbeulung zu detektieren, sodass der Druck so gesteuert wird, damit die Beulung aufhört, oder um die Anzahl von Beulungsereignissen zu zählen, um sie mit Materialtests in Beziehung zu setzen.
  • Figurenliste
  • Exemplarische Ausführungsformen der Erfindung werden aus der detaillierten Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen besser verständlich, wobei:
    • 1 eine schematische Illustration eines Druckgas-Speichersystems mit einem Beulungsdetektionsmechanismus ist;
    • 2 ein schematischer Querschnitt eines Druckgas-Speichersystems mit einem Beulungsdetektionsmechanismus ist;
    • 3 ein schematischer Querschnitt eines Abschnitts eines Druckgas-Speichersystems mit einem Beulungsdetektionsmechanismus ist;
    • 4 ein schematischer Querschnitt eines Abschnitts eines anderen Druckgas-Speichersystems mit einem Beulungsdetektionsmechanismus ist, wobei sich eine Isolierschicht zwischen der ersten elektrisch leitfähigen Schicht und der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht befindet;
    • 5 ein schematischer Querschnitt eines Abschnitts eines weiteren Druckgas-Speichersystems mit einem Beulungsdetektionsmechanismus ist; und
    • 6 eine schematische Darstellung ist, welche die Beulung der inneren Auskleidung illustriert, welches von dem oben dargelegten System detektiert wird.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Nunmehr wird im Detail Bezug auf zur Zeit bevorzugte Zusammensetzungen, Ausführungsformen und Verfahren der vorliegenden Erfindung genommen, welche die besten Arten, die Erfindung praktisch umzusetzen, darstellen, die den Erfindern derzeit bekannt sind. Die Fig. sind nicht unbedingt maßstabgetreu. Es sollte jedoch einzusehen sein, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich exemplarisch für die Erfindung sind, die in verschiedenen und alternativen Formen ausgeführt sein kann.
  • Mit Bezugnahme auf die 1, 2 und 3 sind schematische Darstellungen bereitgestellt, die ein Druckgas-Speichersystem illustrieren. Das Druckgas-Speichersystem 10 umfasst eine äußere Schale 12 mit einer inneren Fläche 14 und einer äußeren Fläche 16. Die innere Fläche 14 definiert ein inneres Volumen 20 zum Aufnehmen eines Druckgases. Eine erste elektrisch leitfähige Schicht 24 ist an der äußeren Schale 12 befestigt. Die äußere Schale 12 definiert einen Behälter 18 zum Aufnehmen eines Druckgases wie z. B. Wasserstoff oder eines oxidierenden Gases (z. B. Sauerstoff, Luft etc.), das verwendet werden soll, um eine Brennstoffzelle zu betreiben. In einer Verfeinerung weist der Behälter 18 einen kreisförmigen Querschnitt auf. Das Druckgas kann typischerweise bei einem Druck von etwa 100 bar bis 700 bar gespeichert werden. Eine innere Auskleidung 30 ist über der inneren Fläche 14 angeordnet. Eine zweite elektrisch leitfähige Schicht 26 ist an der inneren Auskleidung 30 befestigt. Ein Kapazitätsmessgerät 32 misst die Kapazität zwischen der ersten elektrisch leitfähigen Schicht 24 und der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht 26, wobei eine Änderung der Kapazität eine Beulung in dem Speichersystem 10 anzeigt. Eine gemessene Änderung der Kapazität zeigt eine Beulung der inneren Auskleidung 30 an. In einer Verfeinerung umfasst das Gasspeichersystem 10 ferner eine Anzeigeeinrichtung 34, um eine Beulung der Auskleidung anzuzeigen. Die Anzeigeeinrichtung stellt vorteilhafterweise eine Warnung oder einen Alarm bereit, wenn eine Beulung detektiert wird.
  • Wie oben dargelegt, ist die erste elektrisch leitfähige Schicht 24 an der äußeren Schale 12 befestigt. In einer Variante ist die erste elektrisch leitfähige Schicht 24 in der äußeren Schale 12 eingebettet. In einer Verfeinerung kann die erste elektrisch leitfähige Schicht 24 eine Metallfolie oder ein Metallgitter sein. Geeignete Metalle umfassen, sind aber nicht beschränkt auf, Aluminium, rostfreie Stähle, Titan und dergleichen. In einer anderen Verfeinerung umfasst die äußere Schale 16 eine feste Matrix 22 wie z. B. einen Verbundwerkstoff. Beispiele für geeignete Verbundwerkstoffe umfassen, sind aber nicht beschränkt auf, Karbon-Verbundwerkstoffe, welche in einem Harz dispergierte/s Kohlefasern oder -pulver umfassen. Es sollte einzusehen sein, dass das Volumen des aus der äußeren Schale 12 gebildeten Behälters größer wird, wenn er mit Druck beaufschlagt wird. Deshalb muss die erste elektrisch leitfähige Schicht 24 ausreichend flexibel sein, um sich mit dem Behälter auszudehnen und zusammenzuziehen. Die Volumenänderung wird z. B. kalibriert, um eine Beulung einwandfrei zu detektieren. In einer Verfeinerung wird die Kapazität gegen den Druck für den Behälter ermittelt.
  • Wie oben dargelegt, ist die zweite elektrisch leitfähige Schicht 26 an der inneren Auskleidung 30 befestigt. In einer Variante ist die zweite elektrisch leitfähige Schicht 26 in der inneren Auskleidung 30 eingebettet. In einer anderen Variante, wie in 4 dargelegt, ist die zweite elektrisch leitfähige Schicht 26 an der Fläche der inneren Auskleidung 30 befestigt. In dieser Variante ist eine elektrisch isolierende Schicht (z. B. eine dielektrische Schicht 36) zwischen der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht 26 und der äußeren Schale 12 eingebaut. In jeder dieser Varianten kann die zweite elektrisch leitfähige Schicht 26 eine Metallfolie oder ein Metallgitter sein. Geeignete Metalle umfassen, sind aber nicht beschränkt auf, Aluminium, rostfreie Stähle, Titan und dergleichen.
  • In Kombination bilden die erste elektrisch leitfähige Schicht 24 und die zweite elektrisch leitfähige Schicht 26 mit dem dazwischen eingebauten Dielektrikum einen Kondensator. Es ist daher erforderlich, dass während einer Beulung die erste elektrisch leitfähige Schicht 24 mit der äußeren Schale 12 zusammenbleibt und die zweite elektrisch leitfähige Schicht 26 mit der inneren Auskleidung 30 zusammenbleibt.
  • Mit Bezugnahme auf 5 ist eine Variante bereitgestellt, in der die äußere Schale aus einem elektrisch leitfähigen Material gebildet ist. In dieser Variante ist die erste elektrisch leitfähige Schicht nicht notwendig. Die äußere Schale 12' ist z. B. aus einem Karbon-Verbundwerkstoff gebildet, welcher eine Kohlefaser oder ein Kohlepulver umfasst, die in einem Harz dispergiert sind. Das Druckgas-Speichersystem 10' umfasst insbesondere eine äußere Schale 12' mit einer inneren Fläche 14' und einer äußeren Fläche 16'. Die innere Fläche 14' definiert ein inneres Volumen 20' zum Aufnehmen eines Druckgases. Die äußere Schale 12' definiert einen Behälter zum Aufnehmen eines Druckgases wie z. B. Wasserstoff oder eines oxidierenden Gases (z. B. Sauerstoff, Luft etc.), das verwendet werden soll, um eine Brennstoffzelle zu betreiben, wie oben dargelegt. Eine innere Auskleidung 30' ist über der inneren Fläche 14' angeordnet. Eine elektrisch leitfähige Schicht 26' ist an der inneren Auskleidung 30' befestigt. Ein Kapazitätsmessgerät 32' misst die Kapazität zwischen der äußeren Schale 12' und der elektrisch leitfähigen Schicht 26', wobei eine Änderung der Kapazität eine Beulung in dem Speichersystem 10' anzeigt. Eine gemessene Änderung der Kapazität zeigt eine Beulung der inneren Auskleidung 30' an. In einer Verfeinerung umfasst das Gasspeichersystem 10 ferner eine Anzeigeeinrichtung 34, um eine Beulung der Auskleidung anzuzeigen. In einer Variante ist eine elektrisch isolierende Schicht zwischen der elektrisch leitfähigen Schicht 26' und der äußeren Schale 12' eingebaut, wie oben in Verbindung mit der Beschreibung von 4 dargelegt.
  • Mit Bezugnahme auf 6 ist eine schematische Darstellung bereitgestellt, welche die Beulung der inneren Auskleidung illustriert, die von den oben dargelegten Systemen detektiert wird. Die innere Auskleidung 30 trennt sich von der äußeren Schale 12, wobei ein Druck P0 in einem Raum, der an der Trennung gebildet wird, größer ist als der Druck P1 auf der Innenseite der inneren Auskleidung 30. Diese Trennung wird als eine Änderung der Kapazitäten zwischen der ersten elektrisch leitfähigen Schicht 24 und der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht 26 detektiert. Alternativ wird diese Trennung für den Aufbau von 5 als eine Änderung der Kapazitäten zwischen der elektrisch leitfähigen äußeren Schale 12 und der elektrisch leitfähigen Schicht 26' detektiert.

Claims (8)

  1. Speichersystem (10) für Druckgas, wobei das Speichersystem (10) umfasst: eine äußere Schale (12) mit einer inneren und einer äußeren Fläche (14, 16), wobei die äußere Schale (12) einen im Querschnitt kreisförmigen Behälter definiert und wobei die innere Fläche (14) ein inneres Volumen 20) zum Aufnehmen eines Druckgases bei einem Druck zwischen 100 und 700 bar definiert; eine erste elektrisch leitfähige Schicht (24), mit der die äußere Schale (12) versehen ist; eine innere Auskleidung (30), die über der inneren Fläche (14) angeordnet ist; eine zweite elektrisch leitfähige Schicht (26), die der inneren Auskleidung (30) zugeordnet ist, wobei die zweite elektrisch leitfähige Schicht (26) von der ersten elektrisch leitfähigen Schicht (24) elektrisch isoliert ist; und ein Kapazitätsmessgerät (32), das die Kapazität zwischen der ersten elektrisch leitfähigen Schicht (24) und der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht (26) misst, wobei eine Änderung der Kapazität eine Beulung in dem Speichersystem (10) anzeigt; wobei die erste elektrisch leitfähige Schicht (24) in die äußere Schale (12) und/oder die zweite elektrisch leitfähige Schicht (26) in die innere Auskleidung (30) eingebettet sind/ist.
  2. Speichersystem nach Anspruch 1, wobei die äußere Schale (12) eine feste Matrix umfasst.
  3. Speichersystem nach Anspruch 2, wobei die feste Matrix einen Kohlefaser-Verbundwerkstoff umfasst.
  4. Speichersystem nach Anspruch 1, wobei die erste elektrisch leitfähige Schicht (24) an der inneren Fläche (14) positioniert ist.
  5. Speichersystem nach Anspruch 1, wobei die erste elektrisch leitfähige Schicht (24) und die zweite elektrisch leitfähige Schicht (26) jeweils unabhängig eine Komponente umfassen, die aus der Gruppe gewählt ist, welche aus einer Metallfolie und einem Metallgitter besteht.
  6. Speichersystem (10') für Druckgas, wobei das Speichersystem (10') umfasst: eine äußere Schale (12') aus einem elektrisch leitfähigen Verbundwerkstoff mit einer inneren und einer äußeren Fläche (14', 16') wobei die äußere Schale (12') einen im Querschnitt kreisförmigen Behälter definiert und wobei die innere Fläche (14') ein inneres Volumen (20') zum Aufnehmen eines Druckgases bei einem Druck zwischen 100 und 700 bar definiert; eine innere Auskleidung (30'), die über der inneren Fläche (14') angeordnet ist; eine elektrisch leitfähige Schicht (26'), die der inneren Auskleidung (30') zugeordnet ist, wobei die elektrisch leitfähige Schicht (26') von der äußeren Schale (12') elektrisch isoliert ist; und ein Kapazitätsmessgerät (32'), das die Kapazität zwischen der elektrisch leitfähigen Schicht (26') und der äußeren Schale (12') misst, wobei eine Änderung der Kapazität eine Beulung in dem Speichersystem (10') anzeigt.
  7. Speichersystem nach Anspruch 6, wobei die äußere Schale (12') einen Kohlefaser-Verbundwerkstoff umfasst.
  8. Verfahren zum Detektieren einer Auskleidungsbeulung in einem Speichersystem (10) für Druckgas, wobei das Verfahren umfasst, dass: ein Speichersystem (10) gemäß Anspruch 1 vorgesehen wird, und die Kapazität zwischen der ersten elektrisch leitfähigen Schicht (24) und der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht (26) gemessen wird, wobei eine Änderung der Kapazität eine Beulung in dem Speichersystem (10) anzeigt.
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