DE102015220530A1 - Druckbehälter zur Speicherung von Brennstoff - Google Patents

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Abstract

Die hier offenbarte Technologie betrifft einen Liner 110 für einen Druckbehälter zur Speicherung von Brennstoff. Von der Oberfläche des Liners 110 stehen Stifte 140 ab. Die Stifte sind 140 einstückig mit dem Liner 110 ausgebildet. Ferner betrifft die offenbarte Technologie einen Druckbehälter mit einem solchen Liner sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Druckbehälters.

Description

  • Die hier offenbarte Technologie betrifft einen Liner für einen Druckbehälter, ein Verfahren zur Herstellung eines Druckbehälters und einen Druckbehälter zur Speicherung von Brennstoff
  • Druckbehälter dehnen sich abhängig von Faktoren wie dem Innendruck p oder der Temperatur T des Druckbehälters aus. Aus diesem Grund werden Druckbehälter nach dem Festlager-Loslager-Prinzip an die Karosserie angebunden. Die Konstruktionen benötigen relativ viel Bauraum. Sie sind überdies nicht in der Lage, Kräfte und Momente von einem Ende eines Druckbehälters auf ein anderes Ende des Druckbehälters zu übertragen. Somit tragen sie nicht bzw. nur zu einem geringen Teil zur Steifigkeit der Karosserie bei.
  • Es ist eine Aufgabe der hier offenbarten Technologie, die Nachteile der vorbekannten Lösungen zu verringern oder zu beheben. Weitere Aufgaben ergeben sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie. Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.
  • Die hier offenbarte Technologie betrifft einen Druckbehälter zur Speicherung von Brennstoff für ein Kraftfahrzeug. Ein solcher Druckbehälter kann beispielsweise ein kryogener Druckbehälter oder ein Hochdruckgasbehälter sein.
  • Hochdruckgasbehälter sind ausgebildet, im Wesentlichen bei Umgebungstemperaturen Brennstoff (z. B. Wasserstoff) dauerhaft bei einem max. Betriebsdruck (auch maximum operating pressure oder MOP genannt) von über ca. 350 barü, ferner bevorzugt von über ca. 500 barü und besonders bevorzugt von über ca. 700 barü zu speichern. Hochdruckgasbehälter sind beispielsweise in der Richtlinie EN13445 definiert. Typ-III bzw. Typ-IV Druckbehälter haben beispielsweise einen Innenliner aus Aluminium bzw. aus Kunststoff und eine faserverstärkte Schicht oder Ummantelung aus faserverstärktem Kunststoff (FVK).
  • Ein kryogener Druckbehälter kann Brennstoff im flüssigen oder überkritischen Aggregatszustand speichern. Als überkritischer Aggregatszustand wird ein thermodynamischer Zustand eines Stoffes bezeichnet, der eine höhere Temperatur und einen höheren Druck als der kritische Punkt aufweist. Der kritische Punkt bezeichnet den thermodynamischen Zustand, bei dem die Dichten von Gas und Flüssigkeit des Stoffes zusammenfallen, dieser also einphasig vorliegt. Während das eine Ende der Dampfdruckkurve in einem p-T-Diagramm durch den Tripelpunkt gekennzeichnet ist, stellt der kritische Punkt das andere Ende dar. Bei Wasserstoff liegt der kritische Punkt bei 33,18 K und 13,0 bar. Ein kryogener Druckbehälter ist insbesondere geeignet, den Brennstoff bei Temperaturen zu speichern, die deutlich unter der Betriebstemperatur (gemeint ist der Temperaturbereich der Fahrzeugumgebung, in dem das Fahrzeug betrieben werden soll) des Kraftfahrzeuges liegt, beispielsweise mind. 50 Kelvin, bevorzugt mindestens 100 Kelvin bzw. mindestens 150 Kelvin unterhalb der Betriebstemperatur des Kraftfahrzeuges (i. d. R. ca. –40°C bis ca. +85°C). Der Brennstoff kann beispielsweise Wasserstoff sein, der bei Temperaturen von ca. 34 K bis 360 K im kryogenen Druckbehälter gespeichert wird. Der Druckbehälter kann in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden, das beispielsweise mit komprimiertem („Compressed Natural Gas” = CNG) oder verflüssigtem (LNG) Erdgas betrieben wird. Der kryogene Druckbehälter kann insbesondere einen Innenbehälter umfassen, der ausgelegt ist für max. Betriebsdrücke (MOPs) bis ca. 350 barü, bevorzugt bis ca. 500 barü, und besonders bevorzugt bis ca. 700 barü. Bevorzugt umfasst der kryogene Druckbehälter ein Vakuum mit einem Absolutdruck im Bereich von 10–9 mbar bis 10–1 mbar, ferner bevorzugt von 10–7 mbar bis 10–3 mbar und besonders bevorzugt von ca. 10–5 mbar. Die Speicherung bei Temperaturen (knapp) oberhalb des kritischen Punktes hat gegenüber der Speicherung bei Temperaturen unterhalb des kritischen Punktes den Vorteil, dass das Speichermedium einphasig vorliegt. Es gibt also beispielsweise keine Grenzfläche zwischen flüssig und gasförmig.
  • Der hier offenbarte Druckbehälter zur Speicherung von Brennstoff in einem Kraftfahrzeug umfasst einen Liner wie er nachstehend beschrieben ist und eine faserverstärkte Schicht, die zumindest bereichsweise den Liner umgibt.
  • Als faserverstärkte Schicht bzw. Ummantelung oder Armierung (nachstehend wird meistens der Begriff „faserverstärkte Schicht” verwendet) kommen faserverstärkte Kunststoffe (FVK), bspw. kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) und glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK), zum Einsatz.
  • Die hier offenbarte Technologie betrifft ebenfalls einen Liner für einen Druckbehälter zur Speicherung von Brennstoff. Von der Oberfläche des Liners stehen Stifte bzw. Bolzen ab.
  • Die Stifte sind einstückig mit dem Liner ausgebildet. Die Stifte können stoffschlüssig an dem Liner befestigt sein. Stoffschlüssige Verbindungen sind dabei alle Verbindungen, bei denen die Verbindungspartner durch atomare oder molekulare Kräfte zusammengehalten werden. Sie sind insbesondere nicht lösbare Verbindungen, die sich nur durch Zerstörung der Verbindungsmittel trennen lassen. Zu den stoffschlüssigen Verbindungsverfahren zählen beispielsweise Löten, Schweißen und Kleben. Ferner umfasst der Begriff einstückig auch Ausgestaltungen, bei denen die Stifte gleichzeitig mit dem Liner aus demselben Material hergestellt sind.
  • Der Liner kann aus einem Metall, aus einem Kunststoff oder aus einer Metalllegierung hergestellt sein.
  • Während des Herstellungsprozesses des Liners können die Stifte mit in dem Liner verbunden werden. Bevorzugt werden die Stifte mit in den Liner gegossen. Werden die Liner beispielsweise (spritz)gegossen oder durch Blasformen hergestellt, so könnten die Stifte als Einlegeteile mit im Werkzeug vorgesehen sein. Ferner können die Stifte gleichzeitig mit dem Liner hergestellt werden. Beispielsweise können die Stifte Teil der Werkzeugform sein und gleichzeitig mit dem Linervolumen gegossen werden. Bevorzugt werden also die Stifte während der Herstellung des Liners bereits in den Liner integriert bzw. mit diesem gleichzeitig hergestellt. Somit lassen sich vorteilhaft die Herstellungskosten reduzieren.
  • Am Fuß von mindestens einem Stift (bevorzugt von jedem lasttragenden Stift) kann eine Auflageverstärkung vorgesehen sein, die mit der Oberfläche des Liners stoffschlüssig verbunden sein kann. Bevorzugt handelt es sich um eine Materialverdickung in dem Bereich der Stifte, die den Übergang zur Oberfläche des Liners ausbilden. Bevorzugt sind die Auflageverstärkungen derart geformt, dass auf die Stifte einwirkende Kräfte gut in den Liner und/oder in die faserverstärkte Schicht eingeleitet werden können. Vorteilhaft verbreitert sich die Auflageverstärkung zum Liner hin. Mithin weist der Stift also an seinem freien Ende eine geringere Dicke auf als an seinem Fuß, der mit der Lineroberfläche verbunden ist. Somit lassen sich Kerbwirkungen im Übergang von den Stiften zum Liner reduzieren.
  • Besonders bevorzugt ist zumindest ein Stift ausgebildet, externe Lasten von einer Fahrzeugkarosserie des Kraftfahrzeuges in den Liner und/oder in die faserverstärkte Schicht des Druckbehälters zu übertragen. Bevorzugt ist dazu in der Einbaulage des Druckbehälters zumindest ein Teilbereich von zumindest einem Stift mit der Karosserie direkt oder indirekt gekoppelt, so dass Kräfte übertragen werden können. Somit ist es vorteilhaft möglich, Kräfte und Momente von der Karosserie in den Druckbehälter zu übertragen. Die Gesamtsteifigkeit des Kraftfahrzeuges kann somit kostengünstig, annähernd gewichtsneutral und mit wenig Bauraumbedarf signifikant gesteigert werden.
  • Die hier offenbarte Technologie betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Druckbehälters. Das Verfahren umfasst die Schritte:
    • – Bereitstellen eines Liners wie er hier offenbart ist; und
    • – zumindest bereichsweises Aufbringen einer faserverstärkten Schicht auf den Liner.
  • Die faserverstärkte Schicht bzw. Ummantelung wird in der Regel in einem Wickelprozess oder in einem Flechtprozess hergestellt.
  • Zumindest bereichsweise ist die Dicke der faserverstärkten Schicht bevorzugt geringer als die Länge von mindestens einem Stift, so dass der mindestens eine Stift in der Einbaulage des Drucktanks an die Karosserie direkt oder indirekt koppelbar ist.
  • Die hier offenbarte Technologie betrifft insbesondere einen Liner mit integrierten Lasteinleitungselementen (den Stiften) zur Übertragung von Lasten aus der Karosserie in die Faserverbundwerkstoff-Armierung (der faserverstärkten Schicht) eines Druckspeichers. Der Liner umfasst bereits herstellungsseitig im Bauteil integrierten, auf der Oberfläche angeordneten und nach außen zeigenden Stiften bzw. Bolzen. Anhand der Stifte kann von außen eine mechanische Last in den Druckbehälter bzw. deren CFK-Armierung eingeleitet werden. Bei Verwendung von metallischen Linern sind aufgeschweißte, ebenfalls metallische Bolzen vorteilhaft. Kunststoff-Liner können beispielsweise direkt und in einem Arbeitsgang mit integrierten Bolzen hergestellt werden. Um ihre lasteinleitende Funktion übernehmen zu können, weisen die Kunststoffbolzen vorteilhaft Aufsätze aus einem festen und steifen Werkstoff auf. Zweckmäßig sind Bolzen, die in ihrer Länge über die Oberfläche der Armierung hinausragen. Somit kann über einen formschlüssigen Aufsatz die Einleitung von Zug-, Druck- und Torsionslasten erfolgen.
  • Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der schematischen 1 erläutert. Die 1 zeigt einen teilweisen Querschnitt von einem Druckbehälter mit einem Liner 110 und einer faserverstärkten Schicht 120. Der Liner 110 bildet ein Speichervolumen I für den Brennstoff aus. Am vorderen Ende 150 ist ein Auslass für den gespeicherten Brennstoff vorgesehen. Dieser Auslass sowie der den Auslass ausbildende Boss sind nicht als Stift 140 anzusehen. Von der Oberfläche O des Liners 110 stehen die Stifte 140 ab. Die Stifte 140 weisen am Fuß der Stifte eine Auflageverstärkung 142 auf. Im Bereich der Auflageverstärkung 142 weist der Stift 140 eine größere Dicke auf als am freien Ende des Stiftes. Somit ist der Stift 140 insgesamt stabiler und die von der Karosserie (nicht gezeigt) übertragenen Kräfte und Moment können besser in den Liner 110 und in die faserverstärkte Schicht 120 übertragen werden. Die faserverstärkte Schicht 120 weist hier eine geringere Schichtdicke auf als die Stifte 140 lang sind. Somit ragen die Stifte 140 aus der faserverstärkten Schicht 120 hervor. Diese hervorstehenden Bereichen der Stifte 140 dienen zur Befestigung der Stifte 140 und somit des Drucktanks an die Karosserie.
  • Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.
  • 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 Nicht-Patentliteratur
    • Richtlinie EN13445 [0005]

Claims (10)

  1. Liner (110) für einen Druckbehälter zur Speicherung von Brennstoff, wobei von der Oberfläche des Liners (110) Stifte (140) abstehen, wobei die Stifte (140) einstückig mit dem Liner (110) ausgebildet sind.
  2. Liner (110) nach Anspruch 1, wobei der Liner (110) aus einem Metall, aus einem Kunststoff oder aus einer Metalllegierung hergestellt ist, und wobei die Stifte (140) stoffschlüssig an den Liner (110) befestigt sind.
  3. Liner (110) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Stifte (140) während des Herstellungsprozesses des Liners (110) mit dem Liner (110) verbunden werden.
  4. Liner (110) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei am Fuß von mindestens einem Stift (140) eine Auflageverstärkung vorgesehen ist, die mit der Oberfläche des Liners (110) verbunden ist.
  5. Druckbehälter zur Speicherung von Brennstoff in einem Kraftfahrzeug, umfassend: – einen Liner (110) nach einem der vorherigen Ansprüche; und – eine faserverstärkte Schicht (120), die zumindest bereichsweise den Liner (110) umgibt.
  6. Druckbehälter nach Anspruch 5, wobei zumindest bereichsweise die Dicke der faserverstärkten Schicht (120) geringer ist als die Länge von mindestens einem Stift (140).
  7. Liner nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder Druckbehälter nach Anspruch 4, wobei zumindest ein Stift (140) ausgebildet ist, externe Lasten von einer Fahrzeugkarosserie des Kraftfahrzeuges in den Liner (110) und/oder in die faserverstärkte Schicht (120) zu übertragen.
  8. Verfahren zur Herstellung eines Druckbehälters, umfassend die Schritte: – Bereitstellen eines Liners (110) nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 4; und – zumindest bereichsweises Aufbringen einer faserverstärkten Schicht (120) auf den Liner (110).
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei zumindest bereichsweise die Dicke der faserverstärkten Schicht (120) geringer ist als die Länge von zumindest eines Stiftes (140).
  10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Stifte (140) während des Herstellungsprozesses des Liners (110) mit dem Liner (110) verbunden werden und/oder gleichzeitig mit dem Liner (110) hergestellt werden.
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