DE102016208005B3 - Pressure vessel with outgassing channels and manufacturing process - Google Patents
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Abstract
Die hier offenbarte Technologie betrifft einen Druckbehälter 100 zur Speicherung von Brennstoff für ein Kraftfahrzeug sowie ein Herstellungsverfahren. Der Druckbehälter umfasst mindestens eine faserverstärkte Schicht 120, die ein Brennstoffspeichervolumen umgibt. Die faserverstärkte Schicht 120 weist eine radial außen angeordnete Außenoberfläche 122 und eine radial weiter innen angeordnete Innenoberfläche 124 auf. In der faserverstärkten Schicht 120 sind mehrere Ausgasungskanäle 126 vorgesehen. Die Ausgasungskanäle 126 sind ausgebildet, Brennstoff aus dem Inneren der faserverstärkten Schicht zur Außenoberfläche 122 zu befördern. Die Ausgasungskanäle beginnen beabstandet von der Innenoberfläche der faserverstärkten Schicht 120 und erstrecken sich zur Außenoberfläche 122 hin.The technology disclosed herein relates to a pressure vessel 100 for storing fuel for a motor vehicle and a manufacturing method. The pressure vessel includes at least one fiber reinforced layer 120 surrounding a fuel storage volume. The fiber-reinforced layer 120 has a radially outer outer surface 122 and a radially inner surface 124 arranged inside. In the fiber reinforced layer 120, a plurality of outgassing channels 126 are provided. The outgassing channels 126 are configured to convey fuel from within the fiber reinforced layer to the outer surface 122. The outgassing channels begin at a distance from the inner surface of the fiber reinforced layer 120 and extend toward the outer surface 122.
Description
Die hier offenbarte Technologie betrifft einen Druckbehälter zur Speicherung von Brennstoff für ein Kraftfahrzeug. Solche Behälter sind aus dem Stand der Technik bekannt. Insbesondere handelt es sich um einen Druckbehälter mit Ausgasungskanälen in der faserverstärkten Schicht. Ferner betrifft die hier offenbarte Technologie ein Herstellungsverfahren eines solchen Druckbehälters. The technology disclosed herein relates to a pressure vessel for storing fuel for a motor vehicle. Such containers are known in the art. In particular, it is a pressure vessel with Ausgasungskanälen in the fiber reinforced layer. Further, the technology disclosed herein relates to a manufacturing method of such a pressure vessel.
Vorbekannte Druckbehälter umfassen einen Liner sowie eine den Liner umgebende faserverstärkte Schicht. Um eine möglichst effiziente Bauraum-Ausnutzung zu erzielen, sind die Liner-Wandstärken nicht beliebig dick gestaltet. Deshalb ist das langsame Durchwandern der Linerwand durch geringe Mengen an Wasserstoff über die Zeit unvermeidlich und bis zu einer bestimmten Obergrenze auch in den gesetzlichen Regelungen akzeptiert. Durch die Barriere-Wirkung der sich außen anschließenden faserverstärkten Schicht kann es nun wiederum zu Ansammlung von Wasserstoff zwischen dem Liner und der faserverstärkten Schicht kommen. Diese Ansammlungen können bei hohen Tankdrücken ihrerseits hohe Drücke erreichen. Bei einer Druckminderung im Liner (z. B. durch rasche Wasserstoffentnahme) können die Ansammlungen expandieren und zu einem Beulen des Liners führen. Prior art pressure vessels include a liner and a fiber reinforced layer surrounding the liner. In order to achieve the most efficient use of space, the liner wall thicknesses are not designed arbitrarily thick. Therefore slow migration of the liner wall through small amounts of hydrogen over time is unavoidable and up to a certain upper limit also accepted in the legal regulations. The barrier effect of the externally adjoining fiber-reinforced layer can now again lead to accumulation of hydrogen between the liner and the fiber-reinforced layer. These accumulations can in turn reach high pressures at high tank pressures. If the liner is depressurized (eg, by rapid removal of hydrogen), the accumulations may expand and cause the liner to buckle.
Aus dem Stand der Technik sind Breather Layers bekannt, die zwischen Liner und faserverstärkten Schicht angeordnet sind. Diese Breather Layers sollen bewirken, dass die Wasserstoff-Sammlungen in Richtung der Bosse strömen. In der Praxis erfolgt dieses Abführen von Wasserstoff bei hohen Drücken nur im geringen Maße. Breather layers are known from the prior art, which are arranged between liner and fiber-reinforced layer. These breather layers are meant to cause the hydrogen collections to flow towards the bosses. In practice, this removal of hydrogen at high pressures takes place only to a small extent.
Aus der Offenlegungsschrift
Nachteilig an dem Druckbehälter gemäß der
Es ist eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, die Nachteile der vorbekannten Lösungen zu verringern oder zu beheben. Insbesondere ist es eine Aufgabe der hier gezeigten Technologie, ein witterungsbeständiges Druckbehältersystem bereitzustellen, das aus dem Behälterinneren diffundierte Brenngase sicher abtransportiert. Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand der Patentansprüche 1 und 6. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar. It is a preferred object of the technology disclosed herein to reduce or eliminate the disadvantages of the prior art solutions. In particular, it is an object of the technology shown here to provide a weather-resistant pressure vessel system that reliably removes fuel gases that have diffused out of the container interior. The object is solved by the subject matter of patent claims 1 and 6. The dependent claims represent preferred embodiments.
Die hier offenbarte Technologie betrifft einen Druckbehälter zur Speicherung von unter Umgebungsbedingungen gasförmigen Brennstoff. Der Druckbehälter kann in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden, das beispielsweise mit komprimiertem („Compressed Natural Gas“ = CNG) oder verflüssigtem (LNG) Erdgas oder mit Wasserstoff betrieben wird. Der Druckbehälter kann beispielsweise ein kryogener Druckbehälter (CcH2) oder ein Hochdruckgasbehälter (CGH2) 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 (= Überdruck gegenüber dem Atmosphärendruck), ferner bevorzugt von über ca. 500 barü und besonders bevorzugt von über ca. 700 barü zu speichern. 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 liegen, 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). The technology disclosed herein relates to a pressure vessel for storing gaseous fuel under ambient conditions. The pressure vessel can be used in a motor vehicle, which is operated for example with compressed ("compressed natural gas" = CNG) or liquefied (LNG) natural gas or with hydrogen. The pressure vessel may be, for example, a cryogenic pressure vessel (CcH2) or a high-pressure gas vessel (CGH2). High pressure gas containers are designed to hold fuel (e.g., hydrogen) at ambient temperatures substantially at a max. Operating pressure (also called maximum operating pressure or MOP) of about 350 barü (= overpressure relative to the atmospheric pressure), further preferably of about 500 barü and more preferably of about 700 barü store. A cryogenic pressure vessel is particularly suitable for storing the fuel at temperatures significantly below the operating temperature (meaning the temperature range of the vehicle environment in which the vehicle is to be operated) of the motor vehicle, for example at least 50 Kelvin, preferably at least 100 Kelvin or At least 150 Kelvin below the operating temperature of the motor vehicle (usually about -40 ° C to about + 85 ° C).
Der hier offenbarte Druckbehälter kann ebenfalls einen Liner für den hier offenbarten Druckbehälter zur Speicherung von Brennstoff umfassen. Der Liner kann aus einem Metall, aus einer Metalllegierung oder aus mindestens einem Kunststoff hergestellt sein. Zweckmäßig verfügt beispielsweise ein CcH2-Behälter über einen Liner aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung, während für einen CGH2-Behälter häufig Kunststoff-Liner verwendet werden. Im Liner wird der Brennstoff gespeichert und der Liner ist i.d.R. für die Dichtheit des Druckbehälters zuständig. Falls beispielsweise Wasserstoff gespeichert wird, ist der Liner i.d.R. ausgebildet, eine Wasserstoffpermeation zu vermeiden. Der Liner kann zudem als Wickel- und/oder Flechtkern dienen. Eine metallische Ausführung kann sowohl lasttragend, als auch, wie ein Polymer-Liner, nicht lasttragend ausgelegt sein. Üblicherweise wird die Linerkontur so dünn wie möglich gewählt, da die Festigkeit des Faserverbunds wesentlich höher ist und somit eine dünnere Gesamtwandstärke erreicht werden kann. Beispielsweise kann die max. Wandstärke des Liners weniger als 30 mm, bevorzugt weniger als 10 mm oder 5 mm betragen. Wie der Druckbehälter weist auch der Liner i.d.R. eine längliche, bevorzugt zylindrische Form mit i.d.R. gewölbten Endbereichen auf. Die Endbereiche und der dazwischen angeordnete i.d.R. zylindrische Umfangsbereich M sind insbesondere vorteilhaft einstückig geformt. In mindestens einer der Polkappen des Liners ist eine Öffnung vorgesehen. Es ist überdies möglich linerlose Druckbehälter mit der hier offenbarten Technologie auszubilden. The pressure vessel disclosed herein may also include a liner for the pressure vessel for storing fuel disclosed herein. The liner may be made of a metal, a metal alloy or at least one plastic. Suitably, for example, a CcH2 container has a liner of aluminum or of an aluminum alloy, while a CGH2 container often uses plastic liners. The fuel is stored in the liner and the liner is usually responsible for the tightness of the pressure vessel. For example, if hydrogen is stored, the liner is usually designed to avoid hydrogen permeation. The liner can also serve as a winding and / or braided core. A metallic design can be load-bearing as well as, like a polymer liner, not load-bearing. Usually, the liner contour is chosen to be as thin as possible, since the strength of the fiber composite is much higher and thus a thinner overall wall thickness can be achieved. For example, the max. Thickness of the liner less than 30 mm, preferably less than 10 mm or 5 mm. Like the pressure vessel, the liner usually has an elongated, preferably cylindrical shape with generally curved end regions. The end regions and the idR cylindrical circumferential region M arranged therebetween are in particular advantageously integrally formed. In at least one of the pole caps of the liner, an opening is provided. It is also possible to form linerless pressure vessels with the technology disclosed herein.
Der hier offenbarte Druckbehälter kann ferner eine Brennstoffdiffusionsschicht (=breather layer bzw. bleeder) umfassen, die zwischen dem Liner und der faserverstärkten Schicht angeordnet ist. Die Brennstoffdiffusionsschicht ist insbesondere geeignet, den Brennstoff in Umfangsrichtung und/oder in axialer Richtung (also nicht in radialer Richtung durch die nachstehend erläuterte faserverstärkten Schicht) zu transportieren. The pressure vessel disclosed herein may further comprise a fuel diffusion layer (= breather layer) disposed between the liner and the fiber reinforced layer. The fuel diffusion layer is particularly suitable for transporting the fuel in the circumferential direction and / or in the axial direction (ie not in the radial direction through the fiber-reinforced layer explained below).
Der Druckbehälter umfasst mindestens eine faserverstärkte Schicht, die ein Brennstoffspeichervolumen des Druckbehälters umgibt. Die faserverstärkte Schicht kann einen Liner zumindest bereichsweise bevorzugt vollständig umgeben. Die faserverstärkte Schicht wird oft auch als Laminat bzw. Ummantelung oder Armierung bezeichnet. Nachstehend wird meistens der Begriff „faserverstärkte Schicht“ verwendet. Als faserverstärkte Schicht kommen i.d.R. faserverstärkte Kunststoffe (auch FVK bzw. FKV abgekürzt) zum Einsatz, bspw. kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) und/oder glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK). Die faserverstärkte Schicht umfasst zweckmäßig in einer Kunststoffmatrix eingebettete Verstärkungsfasern. Insbesondere Matrixmaterial, Art und Anteil an Verstärkungsfasern sowie deren Orientierung können variiert werden, damit sich die gewünschten mechanischen und/oder chemischen Eigenschaften einstellen. Bevorzugt werden Endlosfasern als Verstärkungsfasern eingesetzt, die durch Wickeln und/oder Flechten aufgebracht werden können. The pressure vessel includes at least one fiber reinforced layer surrounding a fuel storage volume of the pressure vessel. The fiber-reinforced layer may preferably completely surround a liner at least in regions. The fiber reinforced layer is often referred to as a laminate or armor. Hereinafter, the term "fiber-reinforced layer" is usually used. As a fiber reinforced layer i.d.R. Fiber-reinforced plastics (also abbreviated to FVK or FKV), for example carbon fiber reinforced plastics (CFRP) and / or glass fiber reinforced plastics (GRP). The fiber-reinforced layer suitably comprises reinforcing fibers embedded in a plastic matrix. In particular, matrix material, type and proportion of reinforcing fibers and their orientation can be varied so that the desired mechanical and / or chemical properties are established. Preferably, continuous fibers are used as reinforcing fibers, which can be applied by winding and / or braiding.
Die faserverstärkte Schicht weist eine (radial) außen angeordnete Außenoberfläche und eine im Vergleich zur Außenoberfläche (radial) weiter innen (bzw. weiter zum Brennstoffspeichervolumen hin) angeordnete Innenoberfläche auf. In der faserverstärkten Schicht sind mehrere bzw. eine Vielzahl an Ausgasungskanäle vorgesehen. Sie dienen zur Ausgasung bzw. Entgasung des Druckbehälters. In der faserverstärkten Schicht bzw. zwischen der faserverstärkten Schicht und dem Liner angesammelter Brennstoff, der durch den Liner diffundiert ist, soll über diese Ausgasungskanäle in im Wesentlichen radialer Richtung abtransportiert werden. Vorteilhaft verlaufen daher die Ausgasungskanäle selbst im Wesentlichen (bevorzugt exakt) in radialer Richtung. Unwesentlich sind in diesem Zusammenhang beispielsweise Abweichungen, die sich aufgrund von Fertigungstoleranzen einstellen. Die Ausgasungskanäle sind also ausgebildet, diffundierten Brennstoff aus dem Inneren der faserverstärkten Schicht zur Außenoberfläche zu befördern. Die Ausgasungskanäle beginnen beabstandet von der Innenoberfläche und erstrecken sich bis zur Außenoberfläche hin und münden in dieser. The fiber-reinforced layer has an outer surface (radially) arranged outside and an inner surface arranged further inwards (or farther towards the fuel storage volume) compared to the outer surface (radially). In the fiber-reinforced layer, a plurality or a plurality of Ausgasungskanäle are provided. They serve for degassing or degassing of the pressure vessel. Fuel accumulated in the fiber-reinforced layer or between the fiber-reinforced layer and the liner, which has diffused through the liner, is to be transported away via these outgassing channels in a substantially radial direction. Advantageously, therefore, the outgassing channels themselves essentially (preferably exactly) run in the radial direction. For example, deviations that occur due to manufacturing tolerances are not essential in this context. The outgassing channels are thus designed to convey diffused fuel from the interior of the fiber-reinforced layer to the outer surface. The outgassing channels begin at a distance from the inner surface and extend to the outer surface and open into it.
Die Außenoberfläche der faserverstärkten Schicht selbst kann durch weitere Maßnahmen geschützt sein, wie beispielsweise einer Schutzfolie oder weiteren Funktionsschichten. Ferner kann es sich auch um einen Druckbehälter mit mehreren ineinander verschachtelten Teilvolumina handeln. Dann wäre der diffundierte Brennstoff weiterhin nutzbar. Ein solches System ist beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung mit
Die inneren Enden der Ausgasungskanäle weisen zur Innenoberfläche jeweils einen radialen Abstand auf. Im Bereich benachbart zum jeweiligen Ausgasungskanals beträgt das Verhältnis von radialen Abstand zur Gesamtdicke D der faserverstärkten Schicht bevorzugt ca. 0,05 bis ca. 0,5, bevorzugt ca. 0,1 bis ca. 0,25. Die inneren Enden sind dabei die Enden, die in der faserverstärkten Schicht vorgesehen sind. Die inneren Enden könnten auch als die dem Brennstoffspeichervolumen zugewandten Enden der Ausgasungskanäle bezeichnet werden. The inner ends of the Ausgasungskanäle each have a radial distance to the inner surface. In the region adjacent to the respective outgassing channel, the ratio of the radial distance to the total thickness D of the fiber-reinforced layer is preferably about 0.05 to about 0.5, preferably about 0.1 to about 0.25. The inner ends are the ends, which are provided in the fiber-reinforced layer. The inner ends could also be referred to as the ends of the outgassing channels facing the fuel storage volume.
Der seitliche bzw. laterale Abstand b zwischen zwei unmittelbar benachbarten Ausgasungskanälen kann geringer sein als die Gesamtdicke D der faserverstärkten Schicht im Bereich der unmittelbar benachbarten Ausgasungskanäle. The lateral or lateral distance b between two directly adjacent outgassing channels can be less than the total thickness D. the fiber-reinforced layer in the region of the directly adjacent outgassing channels.
Die optimale Geometrie der Ausgasungskanäle hängt direkt von den radialen, axialen und tangentialen Permeationseigenschaften der faserverstärkten Schicht (=Faserverbundarmierung) und den radialen Permeationseigenschaften des Liners ab. The optimal geometry of the outgassing channels depends directly on the radial, axial and tangential permeation properties of the fiber-reinforced layer (= Faserverbundarmierung) and the radial permeation properties of the liner.
Die Ausgasungskanäle können als brennstoffdurchlässige Stifte bzw. als brennstoffdurchlässige Rohre ausgebildet sein. The outgassing channels can be designed as fuel-permeable pins or as fuel-permeable pipes.
Die hier offenbarte Technologie betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung des hier offenbarten Druckbehälters. Das hier offenbarte Verfahren kann den Schritt umfassen, wonach Ausgasungskanäle in die faserverstärkte Schicht eingebracht werden, die beabstandet von der Innenoberfläche der faserverstärkten Schicht beginnen und sich zur Außenoberfläche hin erstrecken. The technology disclosed herein further relates to a method of manufacturing the pressure vessel disclosed herein. The method disclosed herein may include the step of introducing outgassing channels into the fiber reinforced layer that begin at a distance from the inner surface of the fiber reinforced layer and extend toward the outer surface.
Während der Herstellung der faserverstärkten Schicht können Stifte und/oder Rohre in den Bereichen vorgesehen sein, in denen später die Ausgasungskanäle ausgebildet werden sollen. During the manufacture of the fiber-reinforced layer, pins and / or tubes may be provided in the areas in which the outgassing channels are to be formed later.
Das hier offenbarte Verfahren kann den Schritt umfassen, wonach die Stifte und/oder Rohre nach Ausbildung der faserverstärkten Schicht zumindest teilweise entfernt werden. The method disclosed herein may include the step of at least partially removing the pins and / or tubes after forming the fiber reinforced layer.
Das hier offenbarte Verfahren kann zumindest einen der Schritte umfassen:
- – Aufbringen von Verstärkungsfasern auf einen Kern;
- – Einbringen von Stiften und/oder Rohren in den Bereichen, in denen später die Ausgasungskanäle ausgebildet werden sollen; und/oder
- – Aushärten eines Matrixmaterials.
- - Applying reinforcing fibers to a core;
- - Inserting pins and / or pipes in the areas in which later the Ausgasungskanäle are to be formed; and or
- - curing a matrix material.
Ferner kann das hier offenbarte Verfahren den Schritt umfassen, wonach die Stifte während des Aushärtens bewegt, bevorzugt gedreht, werden. Further, the method disclosed herein may include the step of moving, preferably rotating, the pins during curing.
Ferner kann das hier offenbarte Verfahren den Schritt umfassen, wonach die Stifte und/oder Rohre beabstandet von der Innenoberfläche des Druckbehälters beginnend und sich zur Außenoberfläche hin erstreckend in der faserverstärkten Schicht angeordnet werden und wobei die Stifte im Wesentlichen in radialer Richtung orientiert sind. Further, the method disclosed herein may include the step of placing the pins and / or tubes spaced apart from the inner surface of the pressure vessel and extending toward the outer surface in the fiber reinforced layer, and wherein the pins are oriented substantially in the radial direction.
Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der Figuren erläutert. Es zeigen: The technology disclosed herein will now be explained with reference to the figures. Show it:
Die
Die
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. The foregoing description of the present invention is for illustrative purposes only, and not for the purpose of limiting the invention. Various changes and modifications are possible within the scope of the invention without departing from the scope of the invention and its equivalents.
Wie oben erwähnt, ist idealerweise die Geometrie (speziell der radiale Abstand a und der laterale Abstand b) auf die Permeationseigenschaften von der faserverstärkten Schicht und dem Liner abgestimmt. Für den Fall von a/D = 0,0678 und b/D = 0,67 ist in den
Auch ohne Simulation lässt sich dies anhand der Rate der Gaspermeation Q leicht sehen: Q ist invers proportional zur Länge des Permeationswegs. Ist die Länge des Permeationswegs nun im Wesentlichen gleich dem radialen Abstand a (anstatt der Gesamtdicke D) ergibt sich eine deutliche Erhöhung der Permeation, die im Idealfall die Ansammlung von Gasblasen zwischen Liner und Faserverbundarmierung soweit reduziert bzw. verhindert, dass ein Linerbeulen reduziert oder sogar vermieden wird.Even without simulation, this can easily be seen from the rate of gas permeation Q: Q is inversely proportional to the length of the permeation path. If the length of the permeation path is now substantially equal to the radial distance a (instead of the total thickness D), a clear increase in permeation results, which ideally reduces or prevents the accumulation of gas bubbles between the liner and the fiber composite reinforcement so that a liner bulge is reduced or even reduced is avoided.
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