DE102014221530A1

DE102014221530A1 - Druckgastank mit im Tank-Speicherraum vorgesehenen Teilvolumina

Info

Publication number: DE102014221530A1
Application number: DE102014221530.7A
Authority: DE
Inventors: Jan-Mark Kunberger
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2013-11-08
Filing date: 2014-10-23
Publication date: 2015-05-28

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Druckgastank mit im Tank-Speicherraum vorgesehenen Elementen, welche Teilvolumina mit zumindest jeweils einer Gas-Übertrittsöffnung innerhalb des Tank-Speicherraums bilden, wobei die Steifigkeit der jeweiligen auch als Strömungsverzögerungs-Elemente bezeichneten Elemente derart gering ist, dass im theoretischen Fall eines mit Gas unter hohem Druck befüllten und lediglich geschlossene Gas-Übertrittsöffnungen aufweisenden Teilvolumens dieses Druckgas nicht im jeweiligen Teilvolumen gehalten werden kann und dass diese Strömungsverzögerungs-Elemente im Falle eines Anliegens an der Wand des Tank-Speicherraums diese dem Druck des Gases standhaltende Wand nicht nennenswert stützen können. Die Strömungsverzögerungs-Elemente können als hohle bspw. kugelförmige Formkörper aus CFK ausgebildet sein. Es kann zumindest eine der je Strömungsverzögerungs-Element mehreren Gas-Übertrittsöffnungen als Drosselstelle mit veränderbarem Durchströmquerschnitt ausgebildet derart sein dass der Durchströmquerschnitt bei hoher Druckdifferenz zwischen dem innerhalb eines einen näherungsweise geschlossenen Hohlkörper darstellenden Strömungsverzögerungs-Elements und dem außerhalb dieses Elements herrschenden Druck größer und bei geringerer Druckdifferenz geringer oder zumindest näherungsweise geschlossen gehalten ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Druckgastank mit im Tank-Speicherraum vorgesehenen Elementen, welche Teilvolumina mit zumindest jeweils einer Gas-Übertrittsöffnung innerhalb des Tank-Speicherraums bilden. Zum Stand der Technik wird beispielshalber neben der US 2008/0272130 A1 und der DE 10 2011 011 034 A1 auf die DE 21 65 880 A verwiesen.
Künftig werden Druckgastanks auch vermehrt in Kraftfahrzeugen verbaut werden, und zwar zur Speicherung von gasförmigem Wasserstoff unter relativ hohem Überdruck in der Größenordnung von mehreren hundert Bar, wobei auch ein sog. Kryodrucktank, in welchem ein Gas nicht nur unter hohem Druck, sondern zusätzlich tiefkalt speicherbar ist, als Druckgastank gemäß vorliegender Erfindung ausgeführt sein kann.
Aufgrund des hohen Druckes, unter welchem ein Gas in einem Druckgas-Tank gespeichert wird, kann ein Bersten eines Druckgastanks große Schäden verursachen, wobei ein zumindest eine Teilschädigung, aber auch ein Bersten eines in einem Kraftfahrzeug verbauten Druckgastanks wegen der nicht auszuschließenden Gefahr schwererer Unfälle von Kraftfahrzeugen nicht generell ausgeschlossen werden kann. Die Außenwand des Druckgas-Tanks kann durch ein thermisches (Brand) oder ein crashbedingtes, allgemein mechanisches Ereignis geschädigt werden und durch eine strukturelle Schädigung der Tankaußenwand kann der Druckgas-Tank bersten. Dabei wird das Schadensausmaß im Wesentlichen durch die in einem sehr kurzen Zeitraum freiwerdende Volumenänderungsarbeit des im Tank (= Druckgastank) gespeicherten Gases bestimmt, welches eine Druckwelle bildet.
Vorliegend wurde erkannt, dass durch Verzögerung der beim Bersten des Tanks auftretenden Druckwelle und somit durch eine Verringerung der besagten Volumenänderungs-Leistung das Schadensausmaß verringert werden kann. In diesem Sinne sollte angestrebt werden, das Ausströmen des im Druckgastank gespeicherten Gases aus einem geschädigten bzw. berstenden Tank zu drosseln. Diese (vorliegende) Erkenntnis ist im o. g. Stand der Technik, auf den weiter unten noch kurz eingegangen wird, nicht enthalten, weshalb zunächst Aufgabe und Lösung der hier offenbarten Technologie erläutert wird, ehe auf Ähnlichkeiten und Unterschiede zwischen der hier offenbarten Technologie und diesem Stand der Technik eingegangen wird.
Ausgehend von der im vorangegangenen Absatz erläuterten Erkenntnis soll mit vorliegender Erfindung für einen Druckgastank eine wirkungsvolle und insbesondere für einen Einsatz in einem Kraftfahrzeug sinnvoll, d. h. unter Gewichts-, Bauraum- und Kostenaspekten wirtschaftlich darstellbare Maßnahme mit einer minimalen Ausfallwahrscheinlichkeit zur Druckwellenverzögerung im Falle eines Berstens oder einer größeren Leckage-Schädigung des Tanks aufgezeigt werden (= Aufgabe der hier offenbarten Technologie).
Die Lösung dieser Aufgabe besteht in einem Druckgastank mit im Tank-Speicherraum vorgesehenen Elementen, welche Teilvolumina mit zumindest jeweils einer Gas-Übertrittsöffnung innerhalb des Tank-Speicherraums bilden, wobei die Steifigkeit der jeweiligen auch als Strömungsverzögerungs-Elemente bezeichneten Elemente derart gering ist, dass im theoretischen Fall eines mit Gas unter hohem Druck befüllten und lediglich geschlossene Gas-Übertrittsöffnungen aufweisenden Teilvolumens dieses Druckgas nicht im jeweiligen Teilvolumen gehalten werden kann und dass diese Elemente im Falle eines Anliegens an der Wand des Tank-Speicherraums diese dem Druck des Gases standhaltende Wand nicht nennenswert stützen können. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sind Inhalt der Unteransprüche. Vorgeschlagen wird somit, im Gas-Speicherraum eines Druckgastanks Elemente vorzusehen, welche eine Verzögerung von Gasströmen bewirken können und die im weiteren auch als Strömungsverzögerungs-Elemente bezeichnet werden. Beispielsweise können diese strömungsverzögernd wirkenden Elemente als dünnwandige partiell gasdurchlässige Hohlkugeln ausgebildet sein und es kann (idealisiert) jedes Strömungsverzögerungs-Element durch einen Behälter dargestellt werden, in dessen Wände eine oder mehrere Gas-Übertrittsöffnungen vorgesehen sind, die als Drosselstelle wirken, wenn größere Gas-Mengen bzw. mengenmäßig größere Gasströme durch diese Gas-Übertrittsöffnungen strömen. Über diese Gas-Übertrittsöffnungen gelangt bei intaktem Druckgastank und einer Entnahme von Gas aus diesem eine Teilmenge des in jedem Strömungsverzögerungs-Element enthaltenen Gases aus diesem heraus in den Speicherraum des Tanks, während bei einer Befüllung des Druckgastanks das in dessen Speicherraum eingeführte Gas über diese Gas-Übertrittsöffnungen in die einzelnen Strömungsverzögerungs-Elemente gelangt. Die besagten Gas-Übertrittsöffnungen sind dabei solchermaßen ausgelegt bzw. dimensioniert, dass im normalen Betrieb bei intaktem Tank deren Drosselwirkung praktisch ohne Auswirkung bleibt, so dass eine normale, übliche Befüllung des Tanks und Entnahme von gespeichertem Gas aus dem Tank wie üblich möglich ist. Vereinfacht ausgedrückt ist ein erfindungsgemäßer Druckgastank durch die besagten strömungsverzögernd wirkenden Elemente in mehrere gasdurchlässige Tankbereiche eingeteilt.
Wird ein erfindungsgemäßer Druckgastank bspw. durch ein thermisches oder mechanisches Ereignis geschädigt und damit undicht, so wirkt aufgrund der Strömungsverzögerungs-Elemente auf die geschädigte Stelle der Tank-Wand zunächst nicht die gesamte Volumenänderungsleistung des vollständigen Tankvolumens ein, sondern es gelangt die in einem weiter von der geschädigten Stelle entfernten Strömungsverzögerungs-Element enthaltene Gasmenge aufgrund der Drosselung an den Gas-Übertrittsöffnungen zeitlich später zu dieser geschädigten Stelle der Tank-Wand als die in einem näher bei der geschädigten Stelle liegenden Strömungsverzögerungselement enthaltene Gasmenge. Somit stellen sich jedenfalls kurzfristig in den verschiedenen Strömungsverzögerungs-Elementen in Abhängigkeit von deren Position relativ zur geschädigten Stelle der Tankwand unterschiedliche Druckwerte ein. Die Volumenänderungsarbeit aus intakten Bereichen des Tanks wirkt durch die beschriebene Drosselfunktion der Strömungsverzögerungs-Elemente (hervorgerufen an den genannten Gas-Übertrittsöffnungen) somit zeitlich verzögert auf die geschädigte Stelle der Tankwand ein. Auf diese Weise wirkt die Volumenänderungsleistung und somit die oben genannte Druckwelle über einen längeren Zeitraum und ist daher in ihrer Intensität und somit auch in ihrer Auswirkung reduziert. Die Reduktion der Volumenänderungsleistung an der Stelle der Strukturschwächung (= Schädigung) der Tankwand kann im Idealfall sogar ein völliges Bersten des Tanks verhindern und somit eine grundsätzlich gewünschte Funktion „Leak before Burst” (d. h. Leckage vor Bersten) sicherstellen.
Die offenbarte Technologie betrifft einen Druckgastank 1) mit im Tank-Speicherraum vorgesehenen Elementen, welche Teilvolumina mit zumindest jeweils einer Gas-Übertrittsöffnung innerhalb des Tank-Speicherraums bilden, wobei die Steifigkeit der jeweiligen auch als Strömungsverzögerungs-Elemente bezeichneten Elements derart gering ist, dass im theoretischen Fall eines mit Gas unter hohem Druck befüllten und lediglich geschlossene Gas-Übertrittsöffnungen aufweisenden Teilvolumens dieses Druckgas nicht im jeweiligen Teilvolumen gehalten werden kann und dass diese Strömungsverzögerungs-Elemente im Falls eines Anliegens an der Wand des Tank-Speicherraums diese dem Druck des Gases standhaltende Wand nicht nennenswert stützen können.
Stark abstrahiert ist dies in den beigefügten 1, 2 figürlich dargestellt, wobei mit der Bezugsziffer 1 ein erfindungsgemäßer Druckgastank gekennzeichnet ist, in dessen von einer Tankwand 1b umhülltem Speicherraum 1a für ein unter hohem Druck (bspw. in der Größenordnung von mehreren hundert bar) stehendes Gas (bspw. Wasserstoff) mehrere (hier bspw. nur drei) sog. Strömungsverzögerungs-Elemente 2 (2', 2''; diese Unterscheidung wird nur für die folgende Funktionserläuterung benötigt) vorgesehen sind, welche hier als Hohlkugeln ausgebildet sind, die in ihrem jeweiligen Innenraum ein Teilvolumen 2a bilden. In diesen 1, 2 nicht dargestellt sind Gas-Übertrittsöffnungen in der Wand jedes besagten und wie oben erläutert als strömungsverzögernd wirkenden Elements 2, durch welche Gas zwischen dem Tank-Speicherraum 1a und dem jeweiligen Teilvolumen 2a überströmen kann. In 3, welche einen Ausschnitt der Wand eines Strömungsverzögerungs-Elements 2 zeigt, sind diese Gas-Übertrittsöffnungen mit der Bezugsziffer 3 gekennzeichnet, wobei 3 noch eine Weiterbildung der Erfindung zeigt, auf die erst später eingegangen wird.
Während in 1 der Normalzustand mit intaktem Druckgastank 1 dargestellt ist, zeigt 2 die Verhältnisse im Fall einer Schädigung der im unbeschädigten Zustand dem Gas-Druck von bspw. 500 bar im Speicherraum 1a standhaltenden Tankwand 1b, welche hier aus einer thermischen Einwirkung, symbolisch dargestellt durch eine Hitzequelle 4, resultiere. Im Bereich dieser Schädigung tritt Gas gemäß Pfeilen aus dem Tank-Speicherraum 1a in die Umgebung aus, weshalb sich im Tank-Speicherraum 1a hinter dieser geschädigten Tankwand ein Druck p₃ einstellt, der erheblich kleiner ist als der bei intaktem Tank 1 gemäß 1 im Tank-Speicherraum 1a sowie in jedem Element 2 herrschenden Druck p_i. Da aber – nunmehr wieder auf 2 Bezug nehmend – der Druck p₃ erheblich niedriger als der Druck p_i ist, wird sich im der geschädigten Tankwand 1b nächstliegenden Strömungsverzögerungs-Element 2' zu einem bestimmten Zeitpunkt aufgrund des über die Gas-Übertrittsöffnungen (3) gedrosselten Austretens von Gas aus diesem nächstliegenden Element 2' sowie dem zwischen dem Element 2 und dem Element 2 liegende Gas-Volumen ein Druck p₂ einstellen, der größer als p₃ und kleiner als p_i ist. In Fortsetzung dieser Logik stellt sich zum gleichen Zeitpunkt im nächsten, weiter als das Element 2 von der geschädigten Tankwand entfernt liegenden Strömungsverzögerungs-Element 2' ein Druck p₁ ein, der größer als p₂ und kleiner als p_i ist. Im am weitesten von der geschädigten Tankwand entfernt liegenden Strömungsverzögerungs-Element 2'' herrsche zu diesem Zeitpunkt noch der Druck p_i.
Nunmehr auf den eingangs genannten Stand der Technik in Form der DE 21 65 880 A eingehend ist die Unterteilung eines Druckgastanks in Teilvolumina selbstverständlich bekannt, wobei diese genannte Schrift sog. Schottwände zeigt, die eine vollständige Abgrenzung der einzelnen Teilvolumina in Form von Schotts gegeneinander erlauben. In jeder innerhalb des dortigen Tank-Speicherraums vorgesehenen und dabei vollumfänglich an der Tank-Innenwand anliegenden Schottwand ist dabei zumindest ein Gas-Übertrittsventil vorgesehen, welches bei hohen Druckdifferenzen zwischen den einzelnen Schotts schließt, so dass über eine geschädigte Tankwand im wesentlichen nur das im jeweiligen zugehörigen Schott befindliche Gas in die Umgebung entweichen kann. Bei dieser in mannigfachen Ausführungen bekannten Gestaltung müssen jedoch die einzelnen Schottwände ausgelegt sein, dem maximal zulässigen Gasdruck standzuhalten, was zu einem hohen Gewicht sowie einem reduzierten Volumen eines solchen Tanks führt, weshalb diese Lösung für die Anwendung in Kraftfahrzeugen, insbesondere Personenkraftwagen, weniger geeignet ist. Zur Abgrenzung gegenüber diesem bekannten Stand der Technik enthält der vorliegende unabhängige Patentanspruch folglich die (folgenden) Merkmale, dass die Steifigkeit der jeweiligen Strömungsverzögerungs-Elemente derart gering ist, dass im theoretischen Fall eines mit einem Druckgas befüllten und lediglich geschlossene Gas-Übertrittsöffnungen aufweisenden Teilvolumens dieses Druckgas nicht im jeweiligen Teilvolumen gehalten werden kann und dass diese Strömungsverzögerungs-Elemente im Falle eines Anliegens an der Wand des Tank-Speicherraums diese Wand nicht nennenswert stützen können. Auf die weiteren als Stand der Technik genannten Schriften wird an späterer Stelle eingegangen.
Wie bereits erwähnt, können die erfindungsgemäßen und wie beschrieben bezüglich des im Tank befindlichen Gases strömungsverzögernd wirkenden Elemente 2 beispielsweise wie in den 1, 2 dargestellt als Hohlkugeln ausgebildet sein, allgemein jedoch beliebig geformte Hohlkörper (= hohle Formkörper) sein. Vorzugsweise schließt jeder Hohlkörper ein in Relation zum Tank-Innenraum nicht geringes Teilvolumen (2a) ein, um das Gewicht des Druckgastanks nicht übermäßig zu erhöhen. Beispielsweise können in einem erfindungsgemäßen Druckgastank, der für die Verwendung in einem Personenkraftwagen beispielsweise ein Volumen in der Größenordnung von 80 Litern besitzt, fünf bis einhundert, vorzugsweise zehn bis vierzig, und besonders bevorzugt ein bis drei solcher Strömungsverzögerungs-Elemente (2) vorgesehen sein, nur um eine gewisse Größenordnung anzugeben, die einen signifikanten Unterschied zur weiterhin allgemeinen Stand der Technik beschreibenden und eingangs hierfür beispielhaft genannten DE 10 2011 011 034 A1 darstellt. In der letztgenannten Schrift ist nämlich ein Hochdruckbehälter beschrieben, der einen Grundkörper umfasst und einen Innenhohlraum aufweist, um darin ein Fluid aufzunehmen, wobei zumindest ein Abschnitt des Innenhohlraums ein darin angeordnetes Füllmaterial umfasst, das eine Ausflussrate des Fluids aus dem Grundkörper minimiert, wobei es sich bei dem Füllmaterial um ein Porenstrukturmaterial und/oder ein Granulat handelt. Zweck dieses Füllmaterials ist es, im Falle einer Schädigung der Behälterwand im Bereich dieser geschädigten Stelle bzw. Öffnung in der Behälterwand die Durchflussrate des im Behälter unter Druck gespeicherten Fluids durch diese Öffnung zu minimieren und somit auch die örtliche Spannungskonzentration zu reduzieren. Es unterscheidet sich somit nicht nur die Funktionsweise dieses bekannten Granulats von derjenigen der erfindungsgemäßen Strömungsverzögerungs-Elemente (2), sondern es unterscheiden sich letztere auch durch ihre Ausgestaltung (nämlich zumindest mit Gas-Übertrittsöffnungen, vorzugsweise auch zumindest einem Hohlraum) und durch ihre Größe signifikant von einem Granulat, bei welchem es sich gemäß der zitierten Schrift um ein Porenstrukturmaterial oder eine Vielzahl von mikroporösen Kügelchen handeln kann.
Ausdrücklich sei darauf hingewiesen, dass die erfindungsgemäßen strömungsverzögernd wirkenden Elemente (= Strömungsverzögerungs-Elemente) keineswegs Hohlkörper sein müssen, sondern beispielsweise auch flächig gestaltet und ähnlich den bekannten Schottwänden angeordnet sein können, beispielsweise ausgebildet in Form von mit geeigneten Gas-Übertrittsöffnungen versehenen Membranen. Auch auf solche Membranen oder dgl. trifft zu, dass deren Steifigkeit derart gering ist, dass im theoretischen Fall eines mit einem Druckgas befüllten und lediglich geschlossene Gas-Übertrittsöffnungen aufweisenden und durch beispielsweise zwei nach Art von Schottwänden angeordneten Membranen begrenzten Teilvolumens dieses Druckgas nicht im jeweiligen Teilvolumen gehalten werden kann und dass diese Strömungsverzögerungs-Elemente (Membranen oder dgl.) im Falle eines Anliegens an der Wand des Tank-Speicherraums diese Wand nicht nennenswert stützen können.
Vorzugsweise kommt für die Darstellung der Strömungsverzögerungs-Elemente (insbesondere in Form hohler oder flächiger Formkörper) ein Werkstoff mit geringem spezifischem Gewicht zum Einsatz, um die Auswirkung auf das Gesamtgewicht des Druckgastanks gering zu halten. Zu nennen sind in diesem Zusammenhang beispielsweise faserverstärkte Kunststoffe, bspw. CFK.
Nach einer anderen Ausführungsform der hier offenbarten Technologie können die besagten Strömungsverzögerungs-Elemente durch ein Aerogel oder eine Struktur aus Aerogel(en) gebildet sein. Demnach kann in einen Druckgastank ein Aerogel als strömungsverzögerndes Element eingefüllt sein oder es können mehrere Aerogelstrukturen (bei denen es sich um größere Festkörper, bspw. in Form von Kugeln, handelt, eingelegt werden. Aerogele an sich sind bekanntlich kleine poröse Festkörper, bei denen bis zu 99,98% des Volumens aus Poren bestehen. Diese Poren sind bei vollständig mit einem Gas befülltem Druckgastank vollständig mit diesem Gas ausgefüllt und es stellen die Poren-Eintrittsöffnungen die erfindungsgemäßen Gas-Übertrittsöffnungen dar, die aufgrund der an den engen Poren-Eintrittsöffnungen entstehenden Reibungs-Verluste eine hohe (gewünschte) Drosselwirkung zeigen. Die Verwendung von Aerogelstrukturen in Form von Festkörpern, bspw. Kugeln, hat den Vorteil, dass diese einzelnen Strukturen jeweils umströmt werden können, was eine schnelle Befüllung des Druckgastanks bzw. Gasbeladung des im Tank-Speicherraum befindlichen Aerogels ermöglicht. Ein solchermaßen ausgebildeter erfindungsgemäßer Druckgastank wird durch die Aerogelstrukturen in mehrere gasdurchlässige Tankbereiche eingeteilt. Wird die Außenwand des Druckgastanks bzw. die Drucktankstruktur geschädigt und somit an einer Stelle undicht, so wirkt analog der weiter oben beschriebenen Ausführungen (mit Hohlkugeln oder dgl.) auf diese geschädigte Stelle zunächst nicht die Volumenänderungsleistung des kompletten Tankvolumens. Kurzfristig werden sich in Abhängigkeit von der Lage der geschädigten Stelle unterschiedliche Drücke in den einzelnen Aerogelstrukturen einstellen. Die Volumenänderungsarbeit wirkt durch die Drosselfunktion der Aerogelstrukturen zeitlich verzögert auf die geschädigte Stelle ein. Auf diese Weise wirkt die Volumenänderungsleistung (in Form einer Druckwelle) über einen längeren Zeitraum und ist daher reduziert. Dabei zeichnen sich Aerogele durch mehrere vorteilhafte Eigenschaften aus, denn sie besitzen ein sehr geringes spezifisches Gewicht und weisen eine extrem hohe Porosität auf und bieten daher ein großes Speichervermögen, verursachen weiterhin durch ihre extrem große Oberfläche hohe strömungsbedingte Reibungsverluste und bieten damit eine sehr gute Drosselwirkung und stellen keine Verunreinigungs-Gefährdung für das im Druckgastank zu speicherende Gas dar.
Zwar ist aus der eingangs genannten US 200810272130 A1 ein Druckgastank mit darin enthaltenen Mikrokugeln und einem verflüssigten viskosen Material, bei welchem es sich um ein Aerogel handel kann, bekannt, wobei diese Mikrokugeln und das viskose Material (bspw. Aerogel) als Mischung in eine Form („mold”) gegeben wird und in dieser aushärtet und woraufhin diese ausgehärtete Mischung mit einer Ummantelung („coating”) versehen wird. Wenngleich in einem solchen Tank gemäß US 2008/0272130 A1 bspw. Wasserstoff unter hohem Druck speicherbar sein soll, so handelt es sich dabei doch nicht um einen Druckgastank gemäß vorliegender Erfindung. Beim Tank nach der US 200810272130 A1 ist nämlich die Tankwand in Form der genannten Ummantelung nicht geeignet, einem höheren Gas-Druck im Speicherraum standzuhalten – vielmehr stellt die erhärtete Mischung aus Mikrokugeln und einem vor dem Aushärten verflüssigten viskosen Material ein feste Struktur dar, die selbst einem höherem Druck des in dieser bzw. in deren Poren gespeicherten Gases standhält. Insofern unterscheidet sich die vorliegende Erfindung durch das im unabhängigen Patentanspruch enthaltene Merkmal, dass die Steifigkeit der erfindungsgemäßen Strömungsverzögerungs-Elemente derart gering ist, dass im theoretischen Fall eines mit einem Druckgas befüllten und lediglich geschlossene Gas-Übertrittsöffnungen aufweisenden Teilvolumens dieses Druckgas nicht im jeweiligen Teilvolumen gehalten werden kann und dass diese Elemente im Falle eines Anliegens an der Wand des Tank-Speicherraums diese Wand nicht nennenswert stützen können, signifikant vom Stand der Technik nach der US 2008/0272130 A1 . Während bei letzterem die bspw. auch aus einem Aerogel gebildete Struktur eine hohe Steifigkeit aufweist, um dem Gas-Druck im Tank (d. h. innerhalb der Ummantelung) standhalten zu können, ist bei der hier offenbarten Technologie ausdrücklich keine derartige Steifigkeit einer Aerogel-Struktur bzw. allgemein der Strömungsverzögerungs-Elemente vorhanden; vielmehr wird die Druckfestigkeit des Druckgastanks alleine durch dessen Tankwand dargestellt, ohne dass im Tank-Speicherraum irgendwelche steifen Stützelemente oder dgl. vorgesehen sind, welche das Gewicht des Druckgastanks nur (unnötig) erhöhen und das Volumen des Tank-Speicherraums nur (unnötig) verringern würden. Dabei sei an dieser Stelle nochmals ausdrücklich darauf hingewiesen, dass auch bei den anderen soweit erläuterten Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Druckgastanks mit im Tank-Speicherraum vorgesehenen Strömungsverzögerungs-Elementen, die nicht durch ein Aerogel gebildet sind, keine nennenswerten Stützstrukturen oder dgl. im Tank-Speicherraum vorgesehen sind.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der hier offenbarten Technologie kann zumindest eine der je Strömungsverzögerungs-Element mehreren Gas-Übertrittsöffnungen als Drosselstelle mit veränderbarem Durchströmquerschnitt ausgebildet sein. Dies bedeutet, dass je Strömungsverzögerungs-Element mehrere – zumindest zwei – Gas-Übertrittsöffnungen vorgesehen sind, wobei die Größe zumindest einer dieser Gas-Übertrittsöffnungen variabel ist. Vorzugsweise sind die Strömungsverzögerungs-Elemente dabei solchermaßen ausgebildet, dass sich der veränderbare Durchströmquerschnitt in Abhängigkeit der Druckdifferenz zwischen dem innerhalb eines einen annähernd geschlossenen Hohlkörper darstellenden Strömungsverzögerungs-Elements und dem außerhalb dieses Elements (aber selbstverständlich innerhalb des Tank-Speicherraums) herrschenden Druck selbsttätig solchermaßen ändert, dass der veränderbare Durchströmquerschnitt bei hoher Druckdifferenz größer und bei geringerer Druckdifferenz geringer ist oder sogar zumindest näherungsweise geschlossen ist.
Der Zweck dieses in der beigefügten und bereits kurz erläuterten 3 dargestellten Prinzips, wonach in der Wand des erfindungsgemäßen Strömungsverzögerungs-Elements 2 mehrere Gas-Übertrittsöffnungen 3 vorgesehen sind, von denen die mit der Bezugsziffer 3* bezeichneten Gas-Übertrittsöffnungen nur bei größerer Druckdifferenz zwischen Innenraum und Umgebung, nämlich mit |p_i| (= Betrag von p_i) signifikant größer als |p₁|, geöffnet und ansonsten geschlossen sind, ist wie folgt: Wenn im Falls einer hohen Druckdifferenz nur eine einzige Gas-Übertrittsöffnung 3 vorhanden wäre, könnte das jeweilige Strömungsverzögerungs-Element 2 seinerseits bersten, womit dessen gewünschte strömungsverzögernde Wirkung hinfällig wäre. Daher müssen bei hoher Druckdifferenz zwischen dem außerhalb des Elements 2 und dem innerhalb des Elements herrschenden Druck mehrere wirksame Gas-Übertrittsöffnungen vorhanden sein. Ist hingegen die Druckdifferenz zwischen Innenraum und Umgebung niederiger aber immer noch vorhanden, so sollten möglichst wenige Gas-Übertrittsöffnungen je Strömungsverzögerungs-Element vorhanden sein, da andernfalls deren gewünschte Wirkung der Strömungsverzögerung auch nicht eintreten würde, da an vielen Gas-Übertrittsöffnungen bei geringerer Druckdifferenz die benötigte Drosselwirkung nicht auftritt.
Was die Ausgestaltung derartiger variabler Gas-Übertrittsöffnungen in einem erfindungsgemäßen Strömungsverzögerungs-Element betrifft, so kann diese relativ einfach gestaltet sein, bspw. in Form einer lokal begrenzten Schwachstelle in der Wand oder Haut des Strömungsverzögerungs-Elements, welche bei höherer Druckdifferenz aufreißt. Alternativ kann ein Verschlusstopfen oder dgl. in einer solchen variablen Gas-Übertrittsöffnung vorgesehen sein, welcher bei höherer Druckdifferenz aus dieser Öffnung heraus (und dabei in Abhängigkeit der Druckverhältnisse bspw. auch in das jeweilige Teilvolumen 2a hinein) gedrückt wird. Dass nach einer solchen Offenlegung einer zunächst geschlossenen Gas-Übertrittsöffnung der Ausgangszustand nicht wieder herstellbar ist spielt dabei keine Rolle, da eine solche durch eine hohe Druckdifferenz verursachte Offenlegung auch nur dann erfolgen wird, wenn die Tankwand des Druckgastanks beschädigt ist, was ohnehin einen vollständigen Austausch des Druckgastanks zur Folge hat. Ausdrücklich erwähnt sei (nochmals), dass entgegen der zeichnerischen Darstellung in 3 Gas-Übertrittsöffnungen 3*, die bei geringerer Druckdifferenz geschlossen sind und nur bei höherer Druckdifferenz zwischen dem Innenraum und der Umgebung des jeweiligen Strömungsverzögerungs-Elements 2 öffnen, so dass stets eine gedrosselte Gas-Strömung von einem Ort mit höherem Druckniveau hin zum Ort mit niedrigerem Druckniveau möglich ist.
Wie figürlich dargestellt können die Strömungsverzögerungs-Elemente 2 an der Innenwand 1a des Druckgastanks 1 anliegen, jedoch ist dies nicht zwingend, wenngleich damit die Strömungsverzögerungs-Elemente 2 vorteilhafterweise fest innerhalb des Druckgastanks 1 platziert sind. Um im Falle einer Schädigung der Wand 1a des Druckgastanks 1 die Wahrscheinlichkeit einer gleichzeitigen Schädigung eines oder mehrere an der Wand 1a anliegenden Strömungsverzögerungs-Elemente(s) 2 so gering als möglich zu halten sollte daher die Kontaktfläche zwischen dem jeweiligen Strömungsverzögerungs-Element 2 und der Wand 1a möglichst gering sein. Dies kann durch eine Vierpunktlagerung dargestellt sein, wobei die Strömungsverzögerungs-Elemente stark abstrahiert die Gestalt einer beliebig geformten (und somit auch asymmetrischen) Pyramide mit abgerundeten Kanten aufweisen könnte. Selbstverständlich können verschiedene Strömungsverzögerungs-Elemente 2 auch gegeneinander abgestützt sein.
Mit erfindungsgemäß in einem Druckgastank vorgesehenen Strömungsverzögerungs-Elementen, die vorzugsweise ein geringes Strukturvolumen besitzen, um nur einen geringen Verlust von Tankvolumen zu verursachen, und die durchaus eine hohe Festigkeit gegen Zerstörung aufweisen sollten und dabei durchaus plastisch verformbar sein können und ferner nicht ausgasend oder verunreinigend auf das im Tank zu speicherende Gas wirken sollten, liegt eine rein mechanische und energetisch unabhängige, d. h. keine Fremdenergie benötigende Lösung zur Darstellung einer Druckwellenverzögerung im Falle einer lokalen Schädigung der Tankwand eines Druckgastanks vor, die sich somit durch sehr geringe Ausfallwahrscheinlichkeit auszeichnet und das Gesamtgewicht des Druckgastanks nicht signifikant erhöht. Im Falle nicht flächiger Strömungsverzögerungs-Elemente besitzen diese vorzugsweise ein großes Innenvolumen für die Gasaufnahme sowie eine teilweise gasdurchlässige Wand bzw. bilden eine entsprechende Struktur. Idealerweise kann mit solchen Elementen ein Bersten eines zunächst nur lokal beschädigten Druckgastanks verhindert werden, d. h. es ist „Leak Before Burst” darstellbar, wobei damit aus dem Druckgastank geeignet verzögert austretendes brennbares Gas wie Wasserstoff vorteilhafterweise auch gezielt abgebrannt werden kann, insbesondere im Falle einer thermischen Schädigung des Druckgastanks.
Gemäß der hier offenbarten Technologie umfassen die Elemente 2 also als Schwachstellen bzw. Berststellen bzw. durch Verschlussstopfen (nachstehend: Schwachstellen) ausgebildete Gas-Übertrittsöffnungen 3*, die ab einem gewissen Differenzgrenzdruck zwischen dem Teilvolumen V_T im Strömungsverzögerungselement 2 und dem benachbarten Außenbereich V_A des Elementes 2 (aber noch innerhalb des Tank-Speicherraumes 1a) aufbrechen bzw. aufreißen bzw. herausgedrückt werden. Die Schwachstellen sind relativ leicht und einfach an vergleichsweise dünnen Wänden bzw. Häuten der Elemente 2 anzubringen. Ihr Funktionsprinzip ist sehr einfach und die Schwachstellen bzw. Berststellen funktionieren sehr zuverlässig. Solche Schwachstellen können ferner besonders schnell auslösen.
Beispielsweise können Berstscheiben 3* eingesetzt werden, die vergleichsweise einfach herzustellen sind.
Ventile, wie sie beispielsweise in der DE 10 2004 011 595 B4 erwähnt werden, sind vergleichsweise groß und schwer. Sie lassen sich meistens schlechter anbringen. Im Vergleich zu Berstscheiben sind Ventile kompliziert und teuer. Es werden zur Halterung auch entsprechend dimensionierte strukturtragende (Zwischen)Wände benötigt, die im vorliegenden Anwendungsfall das Gesamtgewicht auf ein unerwünschtes Maß steigern würden.
Ein Hochdrucktank könnte nur in ganz seltenen Fällen nach vielen Jahren mobilen Einsatzes und aufgrund von außergewöhnlichen äußeren Einwirkungen (theoretisch) bersten. In einem solchen (theoretischen) Fall muss das Strömungsverzögerungselement 2 in jedem Fall auslösen. Daher ist es sehr wichtig, eine äußerst einfache und robuste Einrichtung vorzusehen. Ventile sind aufgrund der vorgenannten Eigenschaften nicht geeignet oder zumindest nachteilhaft, da sie (besonders ohne Wartung) eine höhere Ausfallwahrscheinlichkeit besitzen. Überdies sind Schwachstellen vergleichsweise kostengünstig realisierbar.
Die Schwachstelle kann beispielsweise eine Materialverdünnung sein. Ferner können weitere Komponenten, beispielsweise Berstscheiben, über eine Aussparung geklebt oder durch ein anderes Befestigungsverfahren an das Strömungsverzögerungselement 2 befestigt sein. Dabei reißt entweder die Komponente selbst oder ihre Verbindung zum Strömungsverzögerungselement 2 auf.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung weist das Strömungsverzögerungselement 2 mehrere Schwachstellen auf, wobei zumindest zwei Schwachstellen unterschiedliche Differenzgrenzdrücke G1, G2 zwischen dem jeweiligen Teilvolumen V_T im Strömungsverzögerungselement 2 und dem benachbarten Außenbereich V_A des Elementes 2 (aber noch innerhalb des Tank-Speicherraumes 1a) aufweisen. Bevorzugt reißt also eine erste Schwachstelle bei einem ersten Differenzgrenzdruck G1 auf, der geringer ist als ein zweiter Differenzgrenzdruck G2.
Bei geringer Druckdifferenz G1 zwischen dem innerhalb eines einen näherungsweise geschlossenen Hohlkörper darstellenden Strömungsverzögerungselements 2 und dem außerhalb dieses Elements 2 herrschenden Druckes öffnen sich also lediglich die Schwachstellen, die bei der ersten Grenzdruckdifferenz bersten. Bei einer hohen Grenzdruckdifferenz G2 zwischen dem innerhalb eines einen näherungsweise geschlossenen Hohlkörper darstellenden Strömungsverzögerungselements 2 und dem außerhalb dieses Elements 2 herrschenden Druckes sind bevorzugt alle Schwachstellen geöffnet, die beim ersten und zweiten Grenzdruck G1, G2 bersten.
Abhängig von der tatsächlichen Druckdifferenz können somit also verschiedene Querschnittsveränderungen realisiert werden. Die Strömungsverzögerung lässt sich für verschiedene Berstfälle durch die verschiedenen Differenzgrenzdrücke G1, G2 der Schwachstellen einfach und kostengünstig mit sehr hoher Zuverlässigkeit gestalten, ohne dass der Tank insgesamt erheblich schwerer oder teurer wird.
Insbesondere kann zumindest ein Strömungsverzögerungselement 2, bevorzugt alle Strömungsverzögerungselemente 2, 2', mindestens eine Überdrucksicherung bzw. Rohrbruchsicherung aufweisen. Die Überdrucksicherung unterbindet den Gasübertritt zwischen dem Teilvolumen V_T im Strömungsverzögerungselement 2 und der Umgebung V_A außerhalb dieses Strömungsverzögerungselementes 2, wenn ein Überdruckdifferenz-Grenzwert zwischen dem jeweiligen Teilvolumen V_T im Strömungsverzögerungselement 2 und dem benachbarten Außenbereich V_A des Strömungsverzögerungselementes 2 (aber noch innerhalb des Tank-Speicherraumes 1a) überschritten ist. Bevorzugt ist der Überdruckdifferenz-Grenzwert G_ü kleiner als die unterschiedlichen Differenzgrenzdrücke G1, G2 der zumindest zwei Schwachstellen.
Falls nun die Wand 1b des Druckgastanks bersten würde, so würde sich an zumindest einem Strömungsverzögerungselement 2 zunächst der Überdruckdifferenz-Grenzwert G_ü einstellen. Folglich würde die Überdrucksicherung den Durchgang der Überdrucksicherung verschließen. Somit kann bei Berstvorgängen mit vergleichsweisen geringen Differenzdrücken die Strömungsverzögerung verbessert werden, ohne dass die Betankungs- und Entladungsvorgänge durch zu geringe Öffnungsquerschnitte (umfassend die dauerhaft geöffnete Gas-Übertrittsöffnung(en) und den Öffnungsquerschnitt der mindestens einen Überdrucksicherung) behindert werden. Liegt ein Berstvorgang mit vergleichsweise hohem Differenzdruck vor, öffnen (während des Druckanstiegs) zunächst die Schwachstellen mit dem ersten Auslegungsdifferenzdruck G1 und kurze Zeit später gegebenenfalls auch die Schwachstellen mit dem zweiten Auslegungsdifferenzdruck G2. Es werden vorteilhaft die Funktionen Betankung, Entnahme und Strömungsverzögerung entkoppelt.
4 zeigt einen Querschnitt senkrecht zur Druckgastank-Längsachse A-A der 1. Die Wand 1b des Tank-Speicherraumes 1a weist hier einen runden Querschnitt auf. Das Strömungsverzögerungselement 2 ist im Tank-Speicherraum 1a angeordnet und hier z. B. über drei Lagerpunkte P1, P2, P3 im Tank-Speicherraum 1a gelagert. Bevorzugt sind die drei Lagerpunkte P1, P2, P3 entlang der Innenumfangswand des Tank-Speicherraumes 1a, beispielsweise jeweils um ca. 120° beabstandet, angeordnet. Egal wie das Strömungsverzögerungselement 2 durch die Wand 1b des Tank-Speicherraumes 1a belastet wird, stellen sich bei der Dreipunktlagerung vorteilhaft immer Lagerkräfte ein, die zum Mittelpunkt des Tanks gerichtet sind. Es treten daher keine oder vernachlässigbare Querkräfte auf.
In der Druckgastank-Längsachse A-A (vgl. 1) können beabstandet weitere Lagerpunkte vorgesehen sein, die hier nicht dargestellt sind. Zwischen zwei Lagerpunkten P1, P2, P3 ist hier jeweils eine Seitenwand 2a angeordnet. Die hier eine nach außen – also zur Wand 1b hin – gewölbte Oberfläche hat. Die Lagerpunkte P1, P2, P3 sind hier so gestaltet, dass sie in einem relativ kleinen Bereich an der Umfangsinnenfläche der Wand 1b anliegen. Dadurch kann vorteilhaft verhindert werden, dass ein mechanischer oder thermischer Einfluss nicht nur die Wand 1b sondern gleichzeitig auch das Strömungsverzögerungselement 2 beschädigt. Vorteilhaft ist die Wölbung so gewählt, dass das Volumen zwischen der gewölbten Seitenwand 2a und der Wand 1b minimal ist, wobei gleichzeitig eine mechanische oder thermische Schädigung der gewölbte Seitenwand 2a bei Schädigung der Wand 1b vermieden werden sollte.
Es kann beispielsweise ein kleiner Spalt mit einer bevorzugt gleichbleibenden Spaltweite W ausbildet werden. Bevorzugt beträgt die Spaltweite weniger als 50 mm, bevorzugt weniger als 25 mm, und besonders bevorzugt weniger als 10 mm. Bevorzugt beträgt die Spaltweite jedoch mehr als 2 mm, und besonders bevorzugt mehr als 5 mm. Bevorzugt ist die Spaltweite zumindest abschnittsweise, bevorzugt zumindest über 75% ferner bevorzugt über zumindest 50% der Seitenwandlänge konstant.
Das Volumen außerhalb der Strömungsverzögerungselemente 2 ist das Außenvolumen V_A. Bevorzugt beträgt das Außenvolumen V_A ca. zwischen 1% und 60%, ferner bevorzugt zwischen 2,5% und 30%, und besonders bevorzugt zwischen 5% und 15% des Volumens des Tank-Speicherraumes 1a. Ist das Außenvolumen V_A zu groß, so lässt sich die Behälteraußenwand 1b nicht schnell genug entlasten. Ist indes das Außenvolumen V_A zu klein, besteht die Gefahr, dass die Strömungsverzögerungselemente 2 durch einen zu hohen Druckgradienten ebenfalls beschädigt werden. Bei kleinem Außenvolumen V_A besteht ferner die Gefahr, dass ein zu kleiner Spalt zwischen Seitenwand 2a und Wand 1b vorliegt, wodurch mechanische Schädigungen eher auftreten können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2008/0272130 A1 [0001, 0016, 0016]
DE 102011011034 A1 [0001, 0012]
DE 2165880 A [0001, 0011]
US 200810272130 A1 [0016, 0016]
DE 102004011595 B4 [0024]

Claims

Druckgastank (1) mit im Tank-Speicherraum (1a) vorgesehenen Elementen (2), wobei die Elemente (2) innerhalb des Tank-Speicherraums (1a) Teilvolumina bilden, die jeweils zumindest eine Gas-Übertrittsöffnung (3, 3*) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Elemente (2) Strömungsverzögerungselemente sind, wobei zumindest ein Teil der Gas-Übertrittsöffnungen (3, 3*) als lokal begrenzte Schwachstellen (3*) oder als Verschlussstopfen in einer Wand oder Haut des Strömungsverzögerungselements ausgebildet sind, welche bei höherer Druckdifferenz aufreißen können oder herausgedrückt werden.
Druckgastank nach Anspruch 1, wobei die Strömungsverzögerungs-Elemente (2) durch ein Aerogel oder eine Struktur aus Aerogel(en) gebildet sind.
Druckgastank nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Strömungsverzögerungselemente (2) als hohle Formkörper ausgebildet sind.
Druckgastank nach Anspruch 3, wobei die im Wesentlichen kugelförmigen Formkörper aus faserverstärktem Kunststoff bestehen.
Druckgastank nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei zumindest eine der je Strömungsverzögerungselement (2) mehreren Gas-Übertrittsöffnungen (3*, 3) als Drosselstelle mit veränderbarem Durchströmquerschnitt ausgebildet ist.
Druckgastank nach Anspruch 5, wobei die Strömungsverzögerungs-Elemente (2) ausgebildet sind, den veränderbaren Durchströmquerschnitt bei hoher Druckdifferenz zwischen dem innerhalb eines einen näherungsweise geschlossenen Hohlkörper darstellenden Strömungsverzögerungselements (2) und dem außerhalb dieses Elements (2) herrschenden Druck größer und bei geringerer Druckdifferenz geringer oder zumindest näherungsweise geschlossen zu halten.
Druckgastank nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Strömungsverzögerungselemente (2) solchermaßen geformt sind, dass sie nach Art einer Vierpunktlagerung vorzugsweise an der Wand (1b) des Tank-Speicherraums (1a) abgestützt sind.
Druckgastank nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 6, wobei die Strömungsverzögerungselemente (2) im Querschnitt senkrecht zur Druckgastank-Längsachse (A-A) an mindestens drei Lagerpunkten (L1, L2, L3) mit der Wand (1b) verbunden sind.
Druckgastank nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei zumindest ein Strömungsverzögerungselement (2) zumindest eine Seitenwand (2a) aufweist, die sich zwischen zwei Lagerpunkten (L1, L2, L3) erstreckt, und die derart angeordnet ist, dass zwischen der Seitenwand (2a) und der Wand (1b) des Tank-Speicherraums (1a) ein Spalt entsteht.
Druckgastank nach Anspruch 9, wobei die zumindest eine Seitenwand (2a) zur Wand (1b) des Tank-Speicherraums (1a) hin gewölbt ist.
Druckgastank nach einem der vorangegangenen Ansprüchen, wobei das Strömungsverzögerungselement (2) mehrere Schwachstellen (3*) aufweist, und wobei zumindest zwei Schwachstellen (3*) unterschiedliche Grenzdifferenzdrücke (G1, G2) aufweisen, bei denen sie aufreißen.
Druckgastank nach einem der vorangegangenen Ansprüchen, wobei zumindest ein Strömungsverzögerungselement (2) mindestens eine Überdrucksicherung aufweist, wobei die Überdrucksicherung den Gasübertritt zwischen dem Teilvolumen im Strömungsverzögerungselement (2) und der Umgebung (V_A) außerhalb dieses Strömungsverzögerungselementes (2) unterbindet, wenn ein Überdruckdifferenz-Grenzwert (Gü) überschritten ist.