DE102014209921B4 - Druckbehälter für ein Fahrzeug - Google Patents

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Abstract

Druckbehälter zur Speicherung eines Kraftstoffes im gasförmigen und/oder flüssigen Aggregatzustand, bestehend wenigstens aus einer wenigstens Festigkeit herstellenden Behälterwand (12) aus Faser verstärktem Kunststoff mit wenigstens einer Befülleinrichtung für den zu speichernden Kraftstoff, die wenigstens eine zentrisch entlang der Zylinderlängsachse (5) verlaufende Öffnung (4) des Druckbehälters und eine von dieser Öffnung (4) ausgehende, in einen Innenraum (7) des Druckbehälters führende Leitung (3) für den Kraftstoff umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung (3) an ihrem Ausströmende im Innenraum (7) des Druckbehälters als Strahlpumpe (1) ausgebildet ist, deren Treibmedium der Kraftstoff zur Befüllung des Innenraums (7) des Druckbehälters ist und deren Saugmedium im Druckbehälter gespeicherter Kraftstoff ist, der an Stellen des Druckbehälters entnommen wird, an denen aufgrund schlechter Durchmischung beim Befüllvorgang eine Temperaturerhöhung im Kraftstoff zu erwarten ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Druckbehälter zur Speicherung von Kraftstoff, nach dem Oberbegriff des ersten Anspruchs.
  • Wasserstoff ist bereits seit Jahren als Kraftstoff für Kraftfahrzeuge bekannt. Zum Beispiel wird der Wasserstoff dafür gasförmig oder flüssig in einem Druckbehälter gespeichert, wie in DE 10 2010 033 623 B4 beschrieben. Ausdrücklich wird auf diese Offenbarung der verschiedenen Druckbehälter Bezug genommen.
  • Zur Befüllung mit Wasserstoff besitzen diese Druckbehälter eine Befüllleitung, die üblicherweise mittels eines Ventils verschließbar ist. Falls notwendig, ist eine thermische Isolation des Druckbehälters entweder als Feststoff- oder als Vakuumisolierung ausgeführt. Bevorzugt sind Behälter eingesetzt, die einen Nenndruck von 700 bar aufweisen, es kann jedoch auch ein Einsatz von Behältern mit niedrigerem Nenndruck angezeigt sein. Alle diese Druckbehälter sind nach dem Stand der Technik schichtweise aufgebaut und besitzen zum Beispiel als innere Schicht einen Liner aus Aluminium (Typ III) oder Kunststoff (Typ IV), verstärkt durch Wicklungen aus faserverstärktem Kunststoff, als äußere Schicht. Die zur Verstärkung verwendeten Fasern können aus Carbon, Glas, Aramid oder Kevlar bestehen. Vorzugsweise werden Carbonfasern verwendet und der damit verstärkte Kunststoff heißt abgekürzt CFK. Bedingt durch die CFK-Wickeltechnik und die kreiszylindrische Form, befindet sich eine Behälteröffnung zum Durchtritt von Leitungen, günstiger Weise in axialer Richtung verlaufend, in der Nähe der Kreiszylinder-Mittenachse oder deckungsgleich mit dieser. Deshalb liegt es nahe, den Kraftstoff in der Nähe der Tankmittelachse zu entnehmen und auch dort eine Befülleinrichtung zu platzieren.
  • Bei dieser Art der Befüllung, in Höhe der Tankmittelachse und besonders bei Druckbehältern mit großem Längen-Durchmesser-Verhältnis und deshalb tendenziell schlechter Durchmischung, kann es an dem der Einfüllöffnung abgewandten Druckbehälterende beim Befüllen örtlich zu einer starken Erhitzung durch Kompression kommen. An einzelnen, besonders durch Erhitzung bei der Befüllung betroffenen Stellen, den so genannten Hotspots, muss dann die entstehende Wärme zuverlässig abgeführt werden. Die DE10 2010 033 956 B4 beschreibt eine Wärmeaufnahme- bzw. Wärmeübertragungsvorrichtung unter anderem für einen solchen Zweck bei einer Druckgasspeichervorrichtu ng.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, Hotspots auf einfachere und daher preiswertere Weise zu unterbinden.
  • Die Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beschreiben die abhängigen Ansprüche.
  • Nach der Erfindung ist ein Druckbehälter mit einem zylindrischen Mantel und abgerundeten Stirnseiten zur Speicherung eines Kraftstoffes im gasförmigen und/oder flüssigen Aggregatzustand, bestehend wenigstens aus einer wenigstens Festigkeit herstellenden Behälterwand aus Faserverstärktem Kunststoff mit wenigstens einer Befülleinrichtung für den zu speichernden Kraftstoff, die wenigstens eine zentrisch entlang der Zylinderlängsachse verlaufende Öffnung des Druckbehälters und eine von dieser Öffnung ausgehende, in einen Innenraum des Druckbehälters führende Leitung für den Kraftstoff umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung an ihrem Ausströmende im Innenraum des Druckbehälters als Strahlpumpe ausgebildet ist, deren Treibmedium der Kraftstoff zur Befüllung des Innenraums des Druckbehälters ist und deren Saugmedium im Druckbehälter gespeicherter Kraftstoff ist, der an Stellen des Druckbehälters abgesaugt wird, an denen aufgrund schlechter Durchmischung beim Befüllvorgang eine Temperaturerhöhung im Kraftstoff zu erwarten ist.
  • Bei vorteilhaften Ausführungsformen der Erfindung kann dies dadurch geschehen, dass an die an die Stellen des Druckbehälters, an denen aufgrund schlechter Durchmischung beim Befüllvorgang eine Temperaturerhöhung im Kraftstoff zu erwarten ist, Saugleitungen der Strahlpumpe hingeführt und deren Einlassöffnungen dort positioniert sind. Alternativ kann auch die Befülleinrichtung des Druckbehälters wenigstens eine Saugleitung für die Strahlpumpe besitzen, die mehrere Öffnungen zum Absaugen von Kraftstoff besitzt, jeweils eine an jeweils einer Stelle des Druckbehälters platziert, an der aufgrund schlechter Durchmischung beim Befüllvorgang die Temperaturerhöhung in dem Kraftstoff zu erwarten ist.
  • Dadurch kann vorteilhafterweise im von Überhitzung bedrohten Druckbehälterende über eine druckbehälterinterne Saugleitung zur Ansaugöffnung der Strahlpumpe der relativ warme Kraftstoff angesaugt und mit dem kalten einströmenden Befüllstrom vermischt werden. Eine solche Vermeidung von Hotspots ermöglicht rasche Betankungen bei geringem Hardware-Aufwand ohne bewegte Teile. Beim Befüllvorgang findet eine gute Durchmischung des Kraftstoffs statt und dadurch werden örtliche Temperaturspitzen an der Druckbehälterwand vermieden, die während des instationären Füllvorgangs ansonsten auftreten würden. Außerdem entstehen dadurch bei kryogener Speicherung des Kraftstoffs geringere Kraftstoffverluste durch Abblasen und es wird eine größere Behälterkapazität erreicht, da ein kalter Druckbehälter eine größere Masse an Kraftstoff aufnimmt.
  • Für die Herstellung des Druckbehälters ist es günstig, dass dieser im Betriebszustand eine horizontal verlaufende Zylinderlängsachse besitzt. Ebenso ist es für die Langlebigkeit des Druckbehälters bezüglich Festigkeit und Dichtigkeit von Vorteil, wenn dessen Behälterwand aus wenigstens zwei Schichten besteht, aus einer wenigstens Dichtigkeit gewährleistenden Kunststoff- oder Metallinnenschicht und aus der wenigstens Festigkeit gewährleistenden Behälterwand aus Faserverstärktem Kunststoff, als Außenschicht. Wenn dann noch wenigstens eine weitere Behälterwandschicht, eine Super-Isolationsschicht, in der Vakuum vorliegt, sowie eine dieses Vakuum einschließende Außenhülle, die Behälterwand aus Faserverstärktem Kunststoff umgibt, ist die Effizienz für mögliche kryogene Speicherung besonders groß und die Notwendigkeit des Abblasens von Kraftstoff-Gas wird minimiert.
  • Der Druckbehälter eignet sich besonders für einen Einbau in ein Kraftfahrzeug als Speicher für ein Betriebsmittel eines Antriebsaggregats, insbesondere für gasförmigen Wasserstoff oder Wasserstoff im überkritischen oder flüssigen Aggregatzustand, oder für komprimiertes Erdgas oder Flüssigerdgas, CNG, LNG, oder für Autogas, LPG, oder für Biogas.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels weiter erläutert. Die einzige Figur zeigt in einem Längsschnitt ein Beispiel für einen Druckbehälter gemäß der Erfindung mit den für deren Verständnis erforderlichen Merkmalen.
  • Ein Druckbehälter zur Speicherung von gasförmigem oder flüssigem Wasserstoff zur Versorgung eines nicht dargestellten Verbrauchers, beispielsweise einer Brennkraftmaschine und/oder einer Brennstoffzelle eines Kraftfahrzeugs mit Kraftstoff, besteht wenigstens aus einem gasdichten Liner 13 aus Aluminium, innerhalb dessen, im Druckbehälter-Innenraum 7, sich der bedruckte Wasserstoff befindet und aus einer den Liner 13 umgebenden, dessen Festigkeit garantierenden, Schicht 12 aus Kohlefaser verstärktem Kunststoff, aufgebracht auf den Liner 13 als CFK-Wicklung. In der Figur nicht gezeichnet sind weitere mögliche Wandschichten, zum Beispiel eine die CFK-Wicklung umgebende Super-Isolationsschicht, in der im Wesentlichen Vakuum vorliegt, sowie eine dieses Vakuum einschließende Außenhülle.
  • Über eine Befüllleitung 3 wird der Druckbehälter mit möglichst kaltem Wasserstoff befüllt. Dazu eventuell nötige Ventile und Wärmetauscher und die Versorgungsleitungen hierzu sind nicht dargestellt, bis auf die Befüllleitung 3, die letztlich zur Befüllung des Druckbehälters, aus diesem durch eine Behälteröffnung 4 heraus geführt ist. Diese Behälteröffnung 4, zum Durchtritt von Leitungen, verläuft in axialer Richtung deckungsgleich mit einer Kreiszylinder-Mittenachse 5 des Druckbehälters. Es liegt nahe, die Befüllleitung 3 dort aus dem Druckbehälter herauszuführen, da die CFK-Wicklungen vom Fertigungsprozess her so gelegt werden können, dass die Behälteröffnung 4 diese dort nicht quer durchbrechen muss, sondern dass die CFK-Wicklungen um die Behälteröffnung 4, diese mit formend und verstärkend, herum gelegt werden können.
  • Da beim Befüllen mit bedrucktem Wasserstoff durch Kompression entstehende Wärme zuverlässig aus dem Druckbehälter-Innenraum 7 abgeführt werden muss, ist die Befüllleitung 3 an ihrem Ausströmende im Innenraum 7 des Druckbehälters als Strahlpumpe 1 ausgebildet, deren Treibmedium der Wasserstoff zur Befüllung des Innenraums 7 des Druckbehälters ist und deren Saugmedium im Druckbehälter gespeicherter Wasserstoff ist, das an Stellen des Druckbehälters entnommen wird, an denen aufgrund schlechter Durchmischung beim Befüllvorgang eine Temperaturerhöhung im Wasserstoff zu erwarten ist. Deshalb wird im von Überhitzung bedrohten Druckbehälterende 11 über eine tankinterne Saugleitung 2 zur Ansaugöffnung 10 der Strahlpumpe1 der relativ warme Wasserstoff angesaugt und mit dem kalten einströmenden Befüllstrom 9 vermischt, wieder in den Innenraum 7 des Druckbehälters abgegeben (Pfeil 8), was eine gute Durchmischung des Wasserstoff-Inhalts mit Hilfe der Energie des Befüllstroms 9 bewirkt.

Claims (7)

  1. Druckbehälter zur Speicherung eines Kraftstoffes im gasförmigen und/oder flüssigen Aggregatzustand, bestehend wenigstens aus einer wenigstens Festigkeit herstellenden Behälterwand (12) aus Faser verstärktem Kunststoff mit wenigstens einer Befülleinrichtung für den zu speichernden Kraftstoff, die wenigstens eine zentrisch entlang der Zylinderlängsachse (5) verlaufende Öffnung (4) des Druckbehälters und eine von dieser Öffnung (4) ausgehende, in einen Innenraum (7) des Druckbehälters führende Leitung (3) für den Kraftstoff umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung (3) an ihrem Ausströmende im Innenraum (7) des Druckbehälters als Strahlpumpe (1) ausgebildet ist, deren Treibmedium der Kraftstoff zur Befüllung des Innenraums (7) des Druckbehälters ist und deren Saugmedium im Druckbehälter gespeicherter Kraftstoff ist, der an Stellen des Druckbehälters entnommen wird, an denen aufgrund schlechter Durchmischung beim Befüllvorgang eine Temperaturerhöhung im Kraftstoff zu erwarten ist.
  2. Druckbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an die Stellen des Druckbehälters, an denen aufgrund schlechter Durchmischung beim Befüllvorgang eine Temperaturerhöhung im Kraftstoff zu erwarten ist, Saugleitungen (2) der Strahlpumpe (1) hingeführt und deren Einlassöffnungen dort positioniert sind.
  3. Druckbehälter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dessen Befülleinrichtung wenigstens eine Saugleitung (2) für die Strahlpumpe (1) besitzt, die mehrere Öffnungen zum Absaugen von Kraftstoff besitzt, jeweils eine an jeweils einer Stelle des Druckbehälters platziert, an der aufgrund schlechter Durchmischung beim Befüllvorgang die Temperaturerhöhung in dem Kraftstoff zu erwarten ist.
  4. Druckbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass dieser im Betriebszustand eine horizontal verlaufende Zylinderlängsachse (5) besitzt.
  5. Druckbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass dessen Behälterwand aus wenigstens zwei Schichten (12,13) besteht, aus einer wenigstens Dichtigkeit gewährleistenden Innenschicht (13) und aus der wenigstens Festigkeit gewährleistenden Behälterwand aus faserverstärktem Kunststoff, insbesondere CFK, als Außenschicht (12).
  6. Druckbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine weitere Behälterwandschicht, eine Super-Isolationsschicht, in der Vakuum vorliegt, sowie eine dieses Vakuum einschließende Außenhülle, die Behälterwand aus faserverstärktem Kunststoff umgibt.
  7. Druckbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass dieser als Speicher für ein Betriebsmittel in ein Kraftfahrzeug eingebaut ist.
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