DE102016204073A1 - Druckbehältersystem umfassend einen Druckbehälter zum Speichern von Gas - Google Patents

Druckbehältersystem umfassend einen Druckbehälter zum Speichern von Gas Download PDF

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Abstract

Es wird ein Druckbehältersystem umfassend einen Druckbehälter (10) zum Speichern von Gas aufgezeigt, wobei der Druckbehälter (10) einen mehrschaligen Aufbau aufweist, wobei die von den jeweiligen Schalen (20, 24, 28, 32) begrenzten Volumina (21, 25, 29, 33) gegeneinander im Wesentlichen fluiddicht abgeschlossen sind, wobei zumindest in dem Volumen (21) zwischen der äußersten Schale (20) und der zweitäußersten Schale (24) eine Flüssigkeit vorhanden ist, wobei das Druckbehältersystem ferner mindestens eine Druckvorrichtung zum unter Druck Setzen der Flüssigkeit umfasst.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Druckbehältersystem umfassend einen Druckbehälter zum Speichern von Gas und ein Verfahren zum Befüllen eines Druckbehälters mit Gas.
  • Kryogene Druckbehältersysteme sind aus dem Stand der Technik bekannt. Sie umfassen kryogene Druckbehälter. Ein solcher Druckbehälter umfasst einen Innenbehälter sowie einen diesen unter Bildung eines superisolierten (z. B. evakuierten) (Zwischen)Raumes umgebenden Außenbehälter. Kryogene Druckbehälter bzw. Drucktanks werden beispielsweise für Kraftfahrzeuge eingesetzt, in denen ein unter Umgebungsbedingungen gasförmiger Kraftstoff bzw. Brennstoff tiefkalt und somit im flüssigen oder überkritischen Aggregatszustand im Wesentlichen also mit gegenüber den Umgebungsbedingungen deutlich höherer Dichte gespeichert wird. Es sind daher hochwirksame Isolationshüllen (z. B. Vakuumhüllen) vorgesehen. Beispielsweise offenbart die EP 1 546 601 B1 einen solchen Druckbehälter.
  • Ein mehrschaliger Druckbehälter ist aus dem Stand der Technik bekannt. Die DE 10 2009 024 794 A1 zeigt einen Wasserstofftank, der mehrschalig aufgebaut ist. In den von den Schalen jeweils begrenzten Volumina ist Wasserstoff unter verschiedenen Fülldrücken gespeichert.
  • Zweck der in der DE 10 2009 024 794 A1 beschriebenen Mehrschaligkeit ist es „einen Wasserstofftank in einem Fahrzeug zu schaffen, dessen Gesamtgewicht bei gleicher Füllmenge oder gleichem Fülldruck verringert ist.” Ohne dass dieser Sachverhalt in der DE 10 2009 024 794 A1 explizit erwähnt wird, ergibt sich nur dann eine Einsparung, wenn Inhomogenitäten der Spannungsverteilung in Dickenrichtung der einschaligen Drucktankwand bei einem mehrschaligen Aufbau deutlich homogener ausfallen: für den Auslegungsfall des Berstdrucks rückt dann die mittlere Spannung in der Drucktankwand bzw. in den Drucktankwänden näher an das durch das vom verwendeten Material vorgegebene Spannungsmaximum heran.
  • Der auf diese Weise möglichen Materialeinsparung stehen andererseits auch gegenteilige Effekte entgegen: Da der volle Druck bei einem mehrschaligen Aufbau nur im innersten Behälter anliegt und dieser gegenüber dem einschaligen Aufbau kleiner ausfällt, ergibt sich ein Füllmengennachteil, d. h. eine geringere Füllmenge. Ein weiterer Nachteil ergibt sich speziell bei Gasen (wie beispielsweise Wasserstoff) durch die Notwendigkeit von Permeationsbarrieren durch Inliner. Produktionsbedingt ist eine gewisse Mindestdicke erforderlich, die möglicherweise noch durch eine (von dem jeweiligen Innendruck abhängige) Mindestdicke, die für die Gewährleistung der Barrierewirkung notwendig ist, überschritten wird.
  • Nachteilhaft an der DE 10 2009 024 794 A1 ist weiterhin, dass das Gas in den jeweiligen Volumina unter hohen Druck gesetzt wird und somit eine hohe Menge an Kompressionsenergie in den (äußeren) Schichten gespeichert ist. Bei einem Bersten, insbesondere bei einem Bersten der äußersten Schale, die gemäß der Lehre der DE 10 2009 024 794 A1 dünner ist als bei einem einschaligen Aufbau, wird somit eine große Menge an Energie und Gas frei, die zu Beschädigungen und/oder Verletzungen führen können. Zudem kann das Gas durch die äußerste, dünne Schale diffundieren und somit unkontrolliert in die Umgebung abgegeben werden. Zudem muss ein großes Gasvolumen in die Volumina zwischen den Schalen eingebracht werden, um entsprechende Drücke in den Volumina zu erzeugen.
  • 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 des Patentanspruchs 1 und den Gegenstand des Patentanspruchs 9. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.
  • Somit wird die Aufgabe durch ein Druckbehältersystem umfassend einen Druckbehälter zum Speichern von Gas gelöst, wobei der Druckbehälter einen mehrschaligen Aufbau aufweist, wobei die von den jeweiligen Schalen begrenzten Volumina gegeneinander im Wesentlichen fluiddicht abgeschlossen sind, wobei zumindest in dem Volumen zwischen der äußersten Schale und der zweitäußersten Schale eine Flüssigkeit vorhanden ist, wobei das Druckbehältersystem ferner mindestens eine Druckvorrichtung zum unter Druck Setzen der Flüssigkeit umfasst.
  • Ein Vorteil hiervon ist, dass technisch einfach ein Druck in dem äußersten Volumen erzeugt werden kann, da die Flüssigkeit technisch einfach unter Druck gesetzt werden kann. Zudem ist die Flüssigkeit nahezu inkompressibel. Somit muss zum Erzeugen von Druck in dem Volumen zwischen der äußersten Schale und der zweitäußersten Schale nur ein geringer technischer Aufwand betrieben werden. Es reicht z. B. ein äußerst geringes zusätzliches Flüssigkeitsvolumen in das Volumen zwischen der äußersten Schale und der zweitäußersten Schale einzuführen oder die in dem Volumen zwischen der äußersten Schale und der zweitäußersten Schale vorhandene Flüssigkeit zu komprimieren. In der Flüssigkeit ist wenig Kompressionsenergie gespeichert. Flüssigkeiten haben eine höhere Viskosität als Gase, insbesondere als Wasserstoff. Eine flüssigkeitsdichte Abdichtung ist technisch deutlich einfacher zu realisieren als eine Abdichtung, die gasdicht bzw. wasserstoffdicht ist. Auch müsste das gespeicherte Gas zunächst durch die Flüssigkeit in dem Volumen zwischen der äußersten Schale und der zweitäußersten Schale gelangen, um in die Umgebung auszutreten. Somit wird ein Austreten des Gases in die Umgebung durch Diffusion im Wesentlichen verhindert. Durch den mehrschaligen Aufbau des Druckbehälters kann jede der Schalen dünnwandig ausgebildet sein. Jede Schale muss nur den jeweiligen Differenzdruck zwischen dem Druck auf der jeweiligen Innenseite der Schale und dem Druck auf der jeweiligen Außenseite der Schale aushalten. Folglich ist die Gesamtsumme der Dicken der Wände aller Schalen geringer als bei einem Druckbehälter, der keinen mehrschaligen Aufbau aufweist bzw. der nur eine gasdrucktragende Schale aufweist. Dies senkt den Materialaufwand und somit die Herstellungskosten. Zudem sinkt das Gewicht des Druckbehältersystems. Darüber hinaus wird die Sicherheit aufgrund von Redundanzen zwischen den Schalen erhöht.
  • Der Druckbehälter kann ein kryogener Druckbehälter zum Speichern von kryogenem Gas sein. Ein Vorteil hiervon ist, dass die gasdrucktragende Schale bzw. Außenhülle des Druckbehälters besonders dünn ausgebildet sein kann. Dies verringert die Herstellungskosten und das Gewicht des Druckbehältersystems.
  • Das Druckbehältersystem kann ferner Drucksensoren zum Erfassen des Drucks des Gases in dem Druckbehälter und/oder des Drucks der Flüssigkeit in dem Volumen zwischen der äußersten Schale und der zweitäußersten Schale umfassen. Vorteilhaft hieran ist, dass der Druck genau erfasst werden kann. Somit kann der Druck der Flüssigkeit dem Druck des Gases in dem Druckbehälter besonders genau angepasst werden. Auch kann das Druckverhältnis zwischen dem Gas in dem Druckbehälter und der Flüssigkeit technisch einfach geregelt werden.
  • Die Schalen können im Wesentlichen die gleichen Wanddicken aufweisen. Ein Vorteil hiervon ist, dass das Druckbehältersystem technisch einfach herstellbar ist.
  • Der Druckbehälter kann zwischen der äußersten Schale und der innersten Schale mindestens eine weitere Schale umfassen, wobei zwischen der oder den weiteren Schalen und der jeweils weiter innenliegenden Schale jeweils eine Flüssigkeit vorhanden ist, wobei die Flüssigkeiten von der mindestens einen Druckvorrichtung und/oder weiteren Druckvorrichtungen unter Druck setzbar sind. Ein Vorteil hiervon ist, dass das Gas besonders viele Schichten (Schalen und Flüssigkeit(en)) überwinden muss, um in die Umgebung unkontrolliert bzw. unbeabsichtigt (z. B. durch Diffusion) auszutreten. Der Druck des Gases kann besonders effektiv auf die mehreren Schalen bzw. mehreren Flüssigkeiten verteilt werden, so dass die Wände der Schalen besonders dünn ausgebildet sein können. Dies senkt das Gewicht der Druckbehältersystems und die Herstellungskosten. Zudem wird bei einem Versagen der äußersten Schicht besonders wenig Energie freigesetzt.
  • Die Flüssigkeiten in den Schalen können jeweils derart unter einen Druck setzbar sein, dass die auftretenden Materialspannungen über die Schalen möglichst gleichmäßig verteilt sind. Vorteilhaft hieran ist, dass eine besonders effektive Spannungsverteilung über den gesamten Druckbehälter, d. h. die mehreren Schalen, erreicht wird. Hierdurch wird das Material der Schalen besonders effektiv benutzt bzw. ausgelastet. Die Summe der Wanddicken der Schalen kann besonders gering sein.
  • Die Druckvorrichtung kann zum Verkleinern des Volumens innerhalb der innersten Schale ausgebildet sein. Ein Vorteil hiervon ist, dass bei niedrigen Drücken des Gases in der innersten Schale das Volumen verkleinert werden kann. Hierdurch kann das Gas auch bei geringen Mengen an Gas in der innersten Schale dem Druckbehälter technisch einfach entnommen werden. Zudem steigt die nutzbare Masse.
  • Das Druckbehältersystem kann eine Rückgewinnungsvorrichtung zum Rückgewinnen von Gas aus den mit Flüssigkeit gefüllten Volumina umfassen. Somit kann Gas, das durch eine oder mehrere Schalen diffundiert ist und sich ggf. in der Flüssigkeit gelöst hat, wieder rückgewonnen werden und anschließend verwendet werden. Folglich ist Gas (z. B. Wasserstoff), das aus der (den) Schale(n), in der bzw. den das Gas gespeichert ist, ausgetreten und in ein Volumen mit Flüssigkeit gelangt ist, noch dem Verbraucher (z. B. Brennstoffzelle) zuführbar. Somit werden Verluste an Gas durch Diffusion oder ähnliches vermindert.
  • Die Aufgabe wird somit auch durch ein Verfahren zum Befüllen eines Druckbehälters mit Gas gelöst, wobei der Druckbehälter einen mehrschaligen Aufbau derart aufweist, dass die von den jeweiligen Schalen begrenzten Volumina gegeneinander im Wesentlichen fluiddicht abgeschlossen sind, wobei während des Befüllens der innersten Schale des Druckbehälters mit Gas eine Flüssigkeit in der äußersten Schale oder Flüssigkeiten in den äußeren Schalen unter Druck gesetzt wird/werden.
  • Ein Vorteil hiervon ist, dass die Flüssigkeit technisch einfach unter Druck gesetzt werden kann. Zudem ist die Flüssigkeit nahezu inkompressibel. Somit muss zum Erzeugen von Druck in der Flüssigkeit nur wenig technischer Aufwand betrieben werden. Es reicht z. B. wenig weitere Flüssigkeit in das Volumen zwischen der äußersten Schale und der zweitäußersten Schale einzuführen oder die in dem Volumen zwischen der äußersten Schale und der zweitäußersten Schale vorhandene Flüssigkeit zu komprimieren. In der Flüssigkeit ist wenig Kompressionsenergie gespeichert. Auch muss das Gas durch die Flüssigkeit in dem Volumen zwischen der äußersten Schale und der zweitäußersten Schale gelangen, um in die Umgebung auszutreten. Somit wird ein Austreten des Gases in die Umgebung durch Diffusion im Wesentlichen verhindert. Durch den mehrschaligen Aufbau des Druckbehälters kann jede der Schalen dünnwandig ausgebildet sein. Jede Schale muss nur den jeweiligen Differenzdruck zwischen dem Druck auf der jeweiligen Innenseite der Schale und dem Druck auf der jeweiligen Außenseite der Schale aushalten. Folglich kann bei dem Verfahren ein Druckbehälter verwendet werden, bei dem die Gesamtsumme der Dicken der Wände aller Schalen geringer ist als bei einem Druckbehälter, der keinen mehrschaligen Aufbau aufweist bzw. der nur eine gasdrucktragende Schale aufweist. Dies senkt den Materialaufwand und somit die Herstellungskosten.
  • Zudem sinkt das Gewicht des Druckbehältersystems. Darüber hinaus wird die Sicherheit aufgrund von Redundanzen zwischen den Schalen erhöht.
  • Die Flüssigkeit oder die Flüssigkeiten kann/können mit steigendem Druck des Gases in der innersten Schale derart unter Druck gesetzt werden, dass die auftretenden Materialspannungen über die Schalen möglichst gleichmäßig verteilt sind. Vorteilhaft hieran ist, dass eine besonders effektive Spannungsverteilung über den gesamten Druckbehälter, d. h. die mehreren Schalen, erreicht wird. Hierdurch wird das Material der Schalen besonders effektiv benutzt bzw. ausgelastet. Bei dem Verfahren kann somit ein Druckbehälter verwendet werden, dessen Summe der Wanddicken der Schalen besonders gering ist.
  • Das Gas kann Wasserstoff sein. Das Gas kann aus dem Druckbehälter einer Brennstoffzelle zugeführt werden. Das Druckbehältersystem kann in einem Kraftfahrzeug angeordnet sein.
  • Die hier offenbarte Technologie betrifft unter anderem einen kryogenen Druckbehälter bzw. Drucktank. Der kryogene Druckbehälter bzw. Drucktank 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. 30 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 Speicherdrücke 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.
  • Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine Längsschnittansicht einer ersten Ausführungsform des hier offenbarten Druckbehältersystems;
  • 2 eine Querschnittsansicht des Druckbehältersystems aus 1 entlang der Linie II-II;
  • 3 ein Spannungsverlaufsdiagramm des Materials in einem Druckbehälter gemäß dem Stand der Technik;
  • 4 ein Spannungsverlaufsdiagramm des Materials bei dem Druckbehältersystem aus 1 bzw. 2;
  • 5 ein Druckverlaufsdiagramm beim Befüllen und Entnehmen gemäß einem theoretischen Modell;
  • 6 ein Druckverlaufsdiagramm beim Befüllen und Entnehmen des hier offenbarten Druckbehältersystems;
  • 7 eine Querschnittsansicht einer zweiten Ausführungsform des hier offenbarten Druckbehältersystems; und
  • 8 eine Querschnittsansicht einer dritten Ausführungsform des hier offenbarten Druckbehältersystems.
  • 1 zeigt eine Längsschnittansicht einer ersten Ausführungsform des hier offenbarten Druckbehältersystems. 2 zeigt eine Querschnittsansicht des Druckbehältersystems aus 1 entlang der Linie II-II. Das Druckbehältersystem umfasst einen mehrschaligen Druckbehälter 10, d. h. einen Druckbehälter, der mehrere Schalen 20, 24, 28, 32 umfasst. Der Druckbehälter 10 weist in 1 bzw. 2 drei Schalen 20, 24, 32 auf. Ganz außen befindet sich eine äußerste Schale 20. Die äußerste Schale 20 umschließt die zweitäußerste Schale 24 vollständig. Die zweitäußerste Schale 24, die in 1 gleichzeitig die zweitinnerste Schale ist, umschließt die innerste Schale 32 vollständig.
  • Das Druckbehältersystem ist zwiebelartig aufgebaut. Der Aufbau des Druckbehälters 10 ähnelt dem Aufbau einer Matrjoschka. Jede Schale 20, 24, 28 (bis auf die innerste Schale 32) umschließt eine weitere Schale 24, 28, 32 vollständig. Die Volumina 21, 25, 29 zwischen den jeweiligen Schalen 20, 24, 28, 32 sind vorzugsweise besonders klein im Vergleich zu dem innersten Volumen 33.
  • Die innerste Schale 32 bzw. das von der innersten Schale 32 umschlossene Volumen 33 ist zum Speichern von Gas, insbesondere von Wasserstoff, ausgebildet. Der Wasserstoff kann insbesondere überkritischer kryogener Wasserstoff sein. Vorstellbar ist auch, dass in dem Volumen 25 zwischen der innersten Schale 32 und der zweitinnersten Schale 24 ebenfalls Gas gespeichert wird.
  • Zwischen den Schalen 20, 24, 28, 32 ist jeweils ein Hohlraum bzw. ein Volumen 21, 25, 29 ausgebildet. Die Hohlräume bzw. Volumina 21, 25, 29 sind somit (bis auf den innersten Hohlraum bzw. das innerste Volumen 33) durch jeweils zwei Schalen 20, 24, 28, 32 begrenzt. Die Hohlräume bzw. Volumina 21, 25, 29 zwischen den Schalen 20, 24, 28, 32 können besonders klein ausgebildet sein, insbesondere im Vergleich zu dem von der innersten Schale 32 umschlossenen Volumen 33 bzw. Hohlraum.
  • Zwischen der äußersten Schale 20 und der zweitäußersten Schale 24 ist eine Flüssigkeit angeordnet. Zwischen der zweitäußersten Schale 24 und der innersten Schale 32 ist ebenfalls eine Flüssigkeit angeordnet. Die Flüssigkeiten können von einer Druckvorrichtung unter Druck gesetzt werden. Das Material der verschiedenen Schalen 20, 24, 28, 32 kann unter anderem Metall, Polymer, CFK etc. umfassen. Insbesondere kann die innerste Schale 32 ein Linermaterial, wie z. B. Metall oder Kunststoff, und/oder ein gasdrucktragendes Außenhüllenmaterial, wie z. B. CFK, umfassen.
  • Die äußeren Schalen 20, 24, d. h. in 1 bzw. 2 die äußerste Schale 20 und die zweitäußerste Schale 24, können ebenfalls aus einem Linermaterial, wie z. B. Metall, und/oder aus einem Außenbehälter-Material, wie z. B. faserverstärktes Material, insbesondere CFK, sein bzw. diese umfassen. Da die äußeren Schalen erfindungsgemäß lediglich gegenüber einer Flüssigkeit dicht sein müssen, ist die Herstellung des Liners stark vereinfacht, die notwendige Linerdicke stark reduziert oder es kann vollständig auf den Einsatz von Linern für die äußeren Schalen 20, 24, 28 verzichtet werden. Die Schalen 20, 24, 28, 32 haben die gleiche bzw. eine ähnliche Form. Vorstellbar ist jedoch auch, dass die Schalen 20, 24, 28, 32 unterschiedliche Formen haben.
  • Die Schalen 20, 24, 32 bzw. die Schalenwände weisen eine Gesamtdicke (d. h. Summe der Dicken aller Schalen bzw. aller Schalenwände) auf, die kleiner ist als die Dicke der Wand bzw. Hülle eines einschaligen Druckbehälters bzw. eines Druckbehälters, der eine einzige Schale aufweist, die den Gasdruck trägt bzw. dem Gasdruck standhält. Bei üblichen kryogenen Druckbehältern trägt die Außenhülle des Innenbehälters den Druck des Gases (nahezu) allein. Daher muss diese eine große Dicke aufweisen. Jede Schale 20, 24, 28, 32 muss bei der hier offenbarten Technologie nur eine derartige Dicke aufweisen, dass diese dem Druckunterschied zwischen der Innenseite der jeweiligen Schale 20, 24, 28, 32 und der Außenseite der jeweiligen Schale 20, 24, 28, 32 standhält. Der Druckunterschied zwischen dem Gasdruck in der innersten Schale 32 und dem Umgebungsdruck wird somit auf mehrere Schalen 20, 24, 28, 32 verteilt.
  • Die Flüssigkeit bzw. die Flüssigkeiten zwischen den Schalen werden durch eine Druckvorrichtung oder mehrere Druckvorrichtungen unter Druck gesetzt. Somit kann dem Gasdruck in der innersten Schale 32 ein entsprechender Gegendruck entgegensetzt werden.
  • 3 zeigt ein Spannungsverlaufsdiagramm des Materials in einem Druckbehältersystem gemäß dem Stand der Technik. 4 zeigt ein Spannungsverlaufsdiagramm des Materials bei dem Druckbehältersystem aus 1 bzw. 2. 3 zeigt den ungefähren Druckverlauf in einem Druckbehälter mit einer einzigen (drucktragenden) Schale gemäß dem Stand der Technik. Im Stand der Technik wird nicht das gesamte Material des einschaligen Druckbehälters (d. h. nur eine Schale ist drucktragend) gleichmäßig belastet bzw. unter Spannung gesetzt. Mit steigendem Radius (von dem Innenradius der Schale Ri zum Außenradius der Schale Ra) fällt die Spannung des Materials in einem Druckbehältersystem gemäß dem Stand der Technik ab. Das Rechteck, dessen Ecken durch die vier Punkte (Ri; 0), (Ra; 0), (Ra; σmax), (Ri; σmax) gebildet wird (dies ist in 3 gestrichelt dargestellt), gibt die (theoretisch) optimale Materialausnutzung der drucktragenden Schale an. Somit wird im Stand der Technik nur ein sehr kleiner Teil des Materials effektiv genutzt. Die Maximalspannung im Material ist mit σmax angegeben.
  • In 4 sind die Innenradien Ri,1, Ri,2, Ri,3 und die Außenradien Ra,1, Ra,2, Ra,3 der drei Schalen 32, 24, 20 gezeigt. Bei dem hier offenbarten Druckbehältersystem wird ein viel größerer Teil der (gestrichelt dargestellten) Rechtecke, deren Ecken jeweils durch die vier Punkte (Ri,n; 0) (Ra,n; 0), (Ra,n; σmax) und (Ri,n; σmax), n = 1; 2; 3 gebildet sind, und deren Summe die (theoretisch) optimale Materialausnutzung angibt, durch das Material abgedeckt (Fläche unterhalb der Kurve(n)). Der Bereich unter den dargestellten Kurven in 4 weist eine größere (Gesamt-)Fläche auf als der Bereich unter der Kurve in 3. Die jeweiligen Flächen unter den Kurven in 3 und in 4 sind schraffiert dargestellt. Daher wird beim hier offenbarten Druckbehältersystem das Material der Schalen effektiv genutzt bzw. verwendet, d. h. das Material der jeweiligen Schalen 20, 24, 28, 32, insbesondere das Material nahe des Außenrands der jeweiligen Schale, befindet sich näher an der (zulässigen) Spannungsgrenze des Materials.
  • Die Flüssigkeit kann z. B. ein Wasser-Glykol-Gemisch und/oder Hydraulikflüssigkeit sein. Die Flüssigkeit ist insbesondere ein Stoff, der über den gesamten Bereich der Lager- bzw. Betriebstemperaturen des Druckbehältersystems (bei nicht-kryogenen Druckbehältern beispielsweise häufig –40°C bis +85°C) und normalem Luftdruck flüssig ist. Wenn die innerste Schale 32 unter keinem oder einem sehr geringen Druck durch Gas steht, kann die Flüssigkeit aus den äußeren Schalen 20, 24 entfernt werden. Vorteilhafter bzw. technisch einfacher ist es, wenn die Flüssigkeit(en) in den Volumina der jeweiligen Schalen 20, 24, 32 auch dann verbleibt/verbleiben und die Flüssigkeit(en) lediglich nicht mehr unter Druck gesetzt sind bzw. werden. Sobald der Druck des Gases in der innersten Schale 32 gegenüber dem Umgebungsdruck steigt oder einen vorbestimmten Druckschwellenwert überschreitet, werden die Flüssigkeit(en) in dem äußeren Volumen 21 oder in den äußeren Volumina 21, 25 wieder unter Druck gesetzt. Vorstellbar ist auch, dass die Flüssigkeit bzw. die Flüssigkeiten unter Druck gesetzt bleiben, auch wenn (nahezu) kein Gas in dem innersten Volumen 33 vorhanden ist.
  • Das Gas kann nur in der innersten Schale 32 gespeichert werden, während die Volumina 21, 25 der äußeren Schalen 20, 24 (vollständig) mit Flüssigkeit gefüllt sind bzw. Flüssigkeit enthalten. Vorstellbar ist jedoch auch, dass neben der innersten Schale 32 eine oder mehrere weitere Schalen 24, 32, die außerhalb der inneren Schale 32 angeordnet sind, ebenfalls Gas enthalten. Die Volumina 21, 25 der äußersten Schalen 20, 24 enthalten dann Flüssigkeit.
  • Die Flüssigkeiten in den Schalen 20, 24, 28 sind jeweils derart unter Druck gesetzt, dass jede Flüssigkeit einen Druck aufweist, der einem vorbestimmten Bruchteil des Drucks des Gases in der innersten Schale 32 bzw. dem innersten Volumen 33 entspricht. Die Summe der Differenzdrücke, die auf die einzelnen Schalen 20, 24, 28, 32 wirken, entspricht dem (Über-)Druck des Gases in der innersten Schale 32. In 1 bzw. 2 weist das Druckbehältersystem drei Schalen 20, 24, 32 auf. Die beiden Volumina 21, 25 der äußeren Schalen 20, 24 weisen eine Flüssigkeit auf, während die innerste Schale 32 das Gas speichert. Der Druck in den beiden Flüssigkeiten sorgt dafür, dass der Überdruck des Gases in der innersten Schale 32 sich nicht in einem Schritt (d. h. in einer Schale) dem Umgebungsdruck annähern muss, sondern in drei Schritten annähern kann: Nimmt man beispielsweise an, dass alle Schalen 20, 24, 32 in etwa die gleiche Dicke aufweisen sollen und dass der Überdruck in Schale 32, also im Volumen 33, 600 bar betragen soll, dann ergibt sich für das Volumen 25 ein Druck von 400 bar und für das Volumen 21 ein Druck von 200 bar, um für eine gleichmäßige Spannungauslastung in den Schalen 20, 24, 32 zu sorgen.
  • 5 zeigt ein Druckverlaufsdiagramm beim Befüllen und Entnehmen gemäß einem theoretischen Modell, das eine zu jeder Zeit gleichmäßige Belastung aller Schalen sicherstellt. Somit ist die für einen vorgegebenen Druckverlauf des Speichervolumens 33 die geringstmögliche Schädigung und damit die bestmögliche Zyklenfestigkeit des Druckbehältersystems gegenüber Betankungs- und Entnahme-Zyklen garantiert. 6 zeigt ein Druckverlaufsdiagramm bei einer alternativen Befüll- und Entnahme-Strategie des hier offenbarten Druckbehältersystems, die die äußeren Schalen bei Betankungs- und Entnahme-Zyklen stärker belastet und speziell die innerste Schale 32 schont. Dies kann sinnvoll sein, weil die äußere Schale 20 einer Untersuchung auf Schädigung naturgemäß zugänglicher ist als die übrigen Schalen. Der linke Teil in 5 und in 6 zeigt den Vorgang während der Befüllung des Druckbehältersystems bzw. des Druckbehälters 10. Im mittleren Teil sind die Verhältnisse dargestellt nach der Befüllung/Betankung und vor der Entleerung des Druckbehälters 10. Im rechten Teil der 5 bzw. 6 wird der Vorgang der Entnahme von Gas aus dem Druckbehälter 10 dargestellt. Der Druckverlauf in 5 und der Druckverlauf in 6 unterscheidet sich darin, dass der Druck in der innersten Schale schneller erhöht wird als in den äußeren Schalen. Zudem sinken in 5 die Drücke in den verschiedenen Volumina gleichmäßig ab.
  • Der Druck in 5 bzw. 6 gibt den Druck des Gases bzw. der Flüssigkeit in den entsprechenden Volumina an. Beim Betanken bzw. Befüllen nach 6 wird im äußersten Volumen 21, d. h. dem Volumen zwischen der äußersten Schale 20 und der zweitäußersten Schale 24, zuerst der für dieses Volumen vorgesehene bzw. vorgegebene erste Druck erreicht. Anschließend wird keine weitere Druckerhöhung im äußersten Volumen 21 durchgeführt. Im zweitäußersten Volumen 25 steigt der Druck weiter an, bis hier ein vorgegebener zweiter Druck erreicht wird. Anschließend wird dem innersten Volumen 33 weiter Gas zugeführt, bis ein vorgegebener Maximaldruck des Gases erreicht wurde. In diesem Fall nimmt der Druck von dem innersten Volumen 33 zu dem äußersten Volumen 21 ab. Beim Entnehmen sinkt zunächst der Druck 60 des Gases im innersten Volumen 33, während der Druck 65, 70 in den äußeren Volumina 21, 25 gleichbleibt. Erst wenn der Druck 60 des Gases im innersten Volumen 33 dem Druck 65 des Gases oder der Flüssigkeit im zweitinnersten Volumen 25 entspricht, wird der Druck 65 im zweitinnersten Volumen 25 ebenfalls gesenkt, indem diesem Gas entnommen wird oder der Druck der Flüssigkeit gesenkt wird. Ebenso wird der Druck 70 im äußersten Volumen 21 erst gesenkt, wenn der Druck 60 im innersten Volumen 33 und der Druck 65 im zweitinnersten Volumen 25 dem Druck 70 im äußersten Volumen 21 entspricht.
  • Es sind auch Mischungen dieser beiden Regelstrategien und/oder Übergänge zwischen den in 5 und 6 dargestellten Befüll- und Entnahme-Strategien möglich. Insbesondere sei darauf hingewiesen, dass der für die Festigkeitsauslegung maßgebliche Berstdruck um ein Vielfaches höher sein muss als der Nominaldruck. Im Fall von CFK-armierten Wasserstoffbehältern im Fahrzeug wird beispielsweise typischerweise ein „Berstfaktor” (Berstdruck geteilt durch Nominaldruck) von 2,25 gefordert. Dieser Umstand lässt sich durch eine Befüll- und Entnahmestrategie nach 6 nutzen, die es ermöglicht, bei einer Befüllung bis zum Nominaldruck oder alternativ auch bis zum höheren maximalen Betriebsdruck eine Belastung und damit eine betriebsbedingte Schädigung für die innerste Schale praktisch vollständig zu vermeiden.
  • Die Druckregelung wird vorzugsweise direkt in das Behälterventil integriert und kann somit von einem Bauteil aus die unterschiedlichen Volumina 21, 25, 33 befüllen und entleeren. Zur Realisierung der Betankung bzw. Entnahme nach 6 dient eine Anordnung wie in 1. Dabei ist für jedes Volumen 21, 25, 33 bzw. jeden Zwischenraum die Parallelschaltung eines Rückschlagventils mit einem Druckregler 40, 45 vorgesehen. Wird nun über die Entnahme-/Befüllleitung 50 das innerste Volumen 33, d. h. das von der innersten Schale 32 umgebene Volumen 33, betankt bzw. befüllt, so erlaubt der Druckregler 40, 45 solange einen Zufluss in die jeweils weiter außen liegenden Volumina 21, 25 bis dort der jeweils voreingestellte (oder regelbare) Druck erreicht ist. Die Einstellung dieses Drucks richtet sich vorzugsweise nach der Auslegung der einzelnen (Behälter-)Schalen 20, 24, 28, 32 und der vorgesehenen Druck-Kaskade (von dem innersten Volumen 33 zu dem äußersten Volumen 21).
  • Bei der Befüllung werden also zunächst alle Druckregler 40, 45 geöffnet sein. Als erstes wird der vorgesehene Druck im äußersten Volumen 21, d. h. dem von der äußersten Schale 20 umgebenen Volumen, erreicht sein und der zweite, äußere Druckregler 45 wird sich demzufolge schließen. Bei geschlossenen Druckreglern kann kein Gas bzw. keine Flüssigkeit von einer Schale in die andere Schale gelangen, da diese fluiddicht gegeneinander abgedichtet sind. Bei geöffneten Druckreglern 40, 45 ist dies natürlich möglich.
  • Mit steigendem Druck im innersten Volumen 33 werden nun von außen nach innen die Zieldrücke bzw. jeweils vorgegebenen Drücke erreicht und deshalb von außen nach innen die übrigen Druckregler 40 schließen.
  • Bei der Entnahme, die ebenfalls durch die Befüll-/Entnahme-Leitung erfolgt, sinkt zunächst nur der Druck im innersten Volumen 33 bis dieser unter den Druck des nächstäußeren Volumens 25 fällt. Das Rückschlagventil zwischen der innersten Schale 32 und der zweitinnersten Schale 24 wird sich deshalb öffnen.
  • Mit sinkendem Druck im innersten Volumen 33 werden nun von innen nach außen die Drücke der jeweils nächstäußeren Schale 20, 24, 28, 32 erreicht und deshalb von innen nach außen die übrigen Rückschlagventile, hier im konkreten Fall also lediglich das Rückschlagventil des äußeren Druckreglers 45 öffnen.
  • 7 zeigt eine Querschnittsansicht einer zweiten Ausführungsform des hier offenbarten Druckbehältersystems. 8 zeigt eine Querschnittsansicht einer dritten Ausführungsform des hier offenbarten Druckbehältersystems. Das in 7 bzw. 8 gezeigte Druckbehältersystem unterscheidet sich von dem Druckbehältersystem gemäß 1 und 2 darin, dass die Anzahl der Schalen in 7 zwei und in 8 vier beträgt. In 8 existieren vier Hohlräume bzw. Volumina 21, 25, 29, 33 zwischen bzw. innerhalb der vier Schalen 20, 24, 28, 32.
  • Die Anzahl an Schalen 20, 24, 28, 32 ist nicht begrenzt. Insbesondere sind Druckbehältersystem mit fünf, sechs, sieben, acht oder mehr Schalen vorstellbar. Die Materialen der verschiedenen Schalen 20, 24, 28, 32 können typisches Liner-Material (z. B. Metall, insbesondere Aluminium, aber auch Kunststoff, wie Polyamid oder HD-Polyethylen) und/oder typisches Außenhüllen-Material (z. B. CFK) umfassen.
  • Eine Befüll-/Entnahmeleitung verläuft von dem Hohlraum bzw. Innenraum bzw. Volumen 33 der innersten Schale 32 durch die beiden äußeren Schale 20, 24 nach außen.
  • Ein Druckbehältersystem zur Realisierung der Betankung bzw. Entnahme nach 6 umfasst beispielsweise einen ersten Druckregler 40, der den Druck in der innersten Schale 32 bzw. im innersten Volumen 33 regelt und einen zweiten Druckregler 45, der den Druck in der zweitinnersten, d. h. zweitäußersten, Schale 24 bzw. dem zweitäußersten Volumen 21 regelt.
  • Die Druckvorrichtung bzw. ein Druckminderer kann das Volumen 33 der innersten Schale 32 verkleinern. Die Druckvorrichtung kann bzw. die Druckvorrichtungen bzw. die Druckregler 40, 45 können einen Druckübersetzer umfassen.
  • Ein Druckbehältersystem zur Realisierung der Betankung bzw. Entnahme nach 5 umfasst beispielsweise mindestens einen Druckübersetzer, der in das innerste Volumen 33 der innersten Schale bzw. den Boss oder das Behälterventil integriert sein kann. Die Druckverhältnisse in den verschiedenen Volumina lassen sich beispielsweise dadurch erreichen, dass jeweils der Primärkolben eines Druckübersetzers durch den Druck in dem weiter innen liegenden Volumen betätigt wird und einen gegenüber dem Druck in dem weiter innen liegenden Volumen (in einem vorgegebenen Verhältnis) reduzierten Druck über einen Sekundärkolben auf das weitere außen liegende Volumen ausübt. Ebenso ist es möglich, für alle Primärkolben der Druckübersetzer eine Fluidverbindung mit dem innersten Volumen 33 zu schaffen und für deren jeweilige Sekundärkolben jeweils eine Fluidverbindung mit den jeweiligen äußeren Volumina 21, 25, 29 zu schaffen.
  • Ein nicht zulässiger Überdruck (z. B. durch Übertanken) in dem innerste Volumen 33 bzw. der innersten Schale 32 kann gezielt auf das äußerste Volumen 21 bzw. ein äußeres Volumen 21, 25, 29 geleitet werden, so dass die äußerste Schale 20 bzw. eine der äußeren Schalen 20, 24, 28 berstet und ein Bersten der innersten Schale 32 vermieden wird. Da das innerste Volumen 33 von allen Volumina 21, 25, 29, 33 am größten ist, wird folglich beim Bersten weniger Energie freigesetzt.
  • Die Flüssigkeit bzw. Flüssigkeiten können derart unter Druck gesetzt werden, dass die durch den Druck der Flüssigkeit(en) und des Gases in den Materialien der Schalen 20, 24, 28, 32 auftretenden Spannungen über die Schalen 20, 24, 28, 32 gleichmäßig verteilt sind. Dies bedeutet, dass das Material jeder Schale 20, 24, 28, 32 derart belastet wird, dass die auftretende Materialspannung in der jeweiligen Schale 20, 24, 28, 32 im Wesentlichen der auftretenden Materialspannung in der bzw. den jeweils anderen Schalen 20, 24, 28, 32 entspricht. Auf diese Weise wird eine besonders effiziente Verwendung des Materials erreicht, so dass besonders wenig Material benötigt wird.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Druckbehälter
    20
    äußerste Schale
    21
    Volumen zwischen äußerster Schale und zweitäußerster Schale
    24
    zweitäußerste Schale
    25
    Volumen zwischen zweitäußerster Schale und drittäußerster Schale
    28
    drittäußerste Schale
    29
    Volumen zwischen drittäußerster Schale und innerster Schale
    32
    innerste Schale
    33
    Volumen innerhalb der innersten Schale
    40
    erster Druckregler
    45
    zweiter Druckregler
    50
    Entnahme-/Befüllleitung
    60
    Druck im Volumen der innersten Schale
    65
    Druck im Volumen zwischen der innersten Schale und der zweitinnersten Schale
    70
    Druck im Volumen zwischen der zweitinnersten Schale und der äußersten Schale
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 1546601 B1 [0002]
    • DE 102009024794 A1 [0003, 0004, 0004, 0006, 0006]

Claims (10)

  1. Druckbehältersystem umfassend einen Druckbehälter (10) zum Speichern von Gas, wobei der Druckbehälter (10) einen mehrschaligen Aufbau aufweist, wobei die von den jeweiligen Schalen (20, 24, 28, 32) begrenzten Volumina (21, 25, 29, 33) gegeneinander im Wesentlichen fluiddicht abgeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest in dem Volumen (21) zwischen der äußersten Schale (20) und der zweitäußersten Schale (24) eine Flüssigkeit vorhanden ist, wobei das Druckbehältersystem ferner mindestens eine Druckvorrichtung zum unter Druck Setzen der Flüssigkeit umfasst.
  2. Druckbehältersystem nach Anspruch 1, wobei das Druckbehältersystem ferner Drucksensoren zum Erfassen des Drucks des Gases in dem Druckbehälter (10) und/oder des Drucks der Flüssigkeit in dem Volumen (21) zwischen der äußersten Schale (20) und der zweitäußersten Schale (24) umfasst.
  3. Druckbehältersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schalen (20, 24, 28, 32) im Wesentlichen die gleichen Wanddicken aufweisen.
  4. Druckbehältersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Druckbehälter (10) zwischen der äußersten Schale (20) und der innersten Schale (32) mindestens eine weitere Schale (24, 28) umfasst, wobei zwischen der oder den weiteren Schalen (24, 28) und der jeweils weiter innenliegenden Schale (28, 32) jeweils eine Flüssigkeit vorhanden ist, wobei die Flüssigkeiten von der mindestens einen Druckvorrichtung und/oder weiteren Druckvorrichtungen unter Druck setzbar sind.
  5. Druckbehältersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Flüssigkeit oder die Flüssigkeiten jeweils derart unter einen Druck setzbar ist/sind, dass die auftretenden Materialspannungen über die Schalen (20, 24, 28, 32) möglichst gleichmäßig verteilt sind.
  6. Druckbehältersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Druckvorrichtung zum Verkleinern des Volumens (33) innerhalb der innersten Schale (32) ausgebildet ist.
  7. Druckbehältersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Rückgewinnungsvorrichtung zum Rückgewinnen von Gas aus den mit Flüssigkeit gefüllten Volumina (21, 25, 29).
  8. Druckbehältersystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Druckbehälter (10) ein kryogener Druckbehälter zum Speichern von kryogenem Gas ist.
  9. Verfahren zum Befüllen eines Druckbehälters (10) mit Gas, wobei der Druckbehälter (10) einen mehrschaligen Aufbau derart aufweist, dass die von den jeweiligen Schalen (20, 24, 28, 32) begrenzten Volumina (21, 25, 29, 33) gegeneinander im Wesentlichen fluiddicht abgeschlossen sind, wobei während des Befüllens des von der innersten Schale (32) des Druckbehälters (10) begrenzten Volumens (33) mit Gas eine Flüssigkeit in der äußersten Schale (20) oder Flüssigkeiten in den äußeren Schalen (20, 24, 28) unter Druck gesetzt wird/werden.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Flüssigkeit oder die Flüssigkeiten mit steigendem Druck des Gases in der innersten Schale (32) derart unter Druck gesetzt wird/werden, dass die auftretenden Materialspannungen über die Schalen (20, 24, 28, 32) möglichst gleichmäßig verteilt sind.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115164086A (zh) * 2022-06-20 2022-10-11 中国石油化工股份有限公司 一种用于储存高压氢气的容器
WO2023025515A1 (de) 2021-08-26 2023-03-02 Robert Bosch Gmbh Druckbehältersystem
EP4283182A1 (de) * 2022-05-23 2023-11-29 Aciturri Engineering, S.L. Kryogentank

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1546601B1 (de) 2002-09-27 2007-08-08 The Regents Of the University of California Leichter, mit kryogenen stoffen kompatibler druckbehälter zur speicherung von fahrzeugkraftstoff
DE102009024794A1 (de) 2009-06-10 2010-12-16 Daimler Ag Wasserstofftank in einem Kraftfahrzeug

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1546601B1 (de) 2002-09-27 2007-08-08 The Regents Of the University of California Leichter, mit kryogenen stoffen kompatibler druckbehälter zur speicherung von fahrzeugkraftstoff
DE102009024794A1 (de) 2009-06-10 2010-12-16 Daimler Ag Wasserstofftank in einem Kraftfahrzeug

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023025515A1 (de) 2021-08-26 2023-03-02 Robert Bosch Gmbh Druckbehältersystem
DE102021209366A1 (de) 2021-08-26 2023-03-02 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Druckbehältersystem
EP4283182A1 (de) * 2022-05-23 2023-11-29 Aciturri Engineering, S.L. Kryogentank
CN115164086A (zh) * 2022-06-20 2022-10-11 中国石油化工股份有限公司 一种用于储存高压氢气的容器

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