DE102016220154B3 - Pressure vessel for storing a fuel with auxetic material - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Druckbehältersystem umfassend einen Druckbehälter (1) zum Speichern eines Brennstoffs, insbesondere von Wasserstoff, aufgezeigt, wobei der Druckbehälter (1) eine Matrix und in der Matrix eingebettete Fasern, insbesondere Faserlagen (20, 21, 22), aufweist, wobei die Matrix ein auxetisches Material (30) derart umfasst, dass die Abstände (70, 71) der Fasern, insbesondere der Faserlagen (20, 21, 22), zueinander in einer Radialrichtung (90) des Druckbehälters (1) wachsen, wenn die Matrix aufgrund eines Druckanstiegs des Brennstoffs in dem Druckbehälter (1) entlang der Fasern gedehnt wird.The invention relates to a pressure vessel system comprising a pressure vessel (1) for storing a fuel, in particular hydrogen, the pressure vessel (1) comprising a matrix and fibers embedded in the matrix, in particular fiber layers (20, 21, 22) Matrix comprises an auxetic material (30) such that the spacings (70, 71) of the fibers, in particular of the fiber layers (20, 21, 22), grow in a radial direction (90) of the pressure vessel (1) relative to each other when the matrix is due to a pressure increase of the fuel in the pressure vessel (1) along the fibers is stretched.
Description
Die Erfindung betrifft ein Druckbehältersystem umfassend einen Druckbehälter zum Speichern eines Brennstoffs, insbesondere von Wasserstoff. The invention relates to a pressure vessel system comprising a pressure vessel for storing a fuel, in particular hydrogen.
In Druckbehältern in Kraftfahrzeugen wird ein Brennstoff, z.B. Wasserstoff, gespeichert. Der Brennstoff dient zum Antreiben eines Kraftfahrzeugs. Der Brennstoff kann z.B. Wasserstoff sein, der einer Brennstoffzelle zugeführt wird, die zum Antreiben des Kraftfahrzeugs dient. In pressure vessels in motor vehicles, a fuel, e.g. Hydrogen, stored. The fuel is used to drive a motor vehicle. The fuel may e.g. Be hydrogen, which is supplied to a fuel cell, which serves to drive the motor vehicle.
Der Druckbehälter umfasst typischerweise einen Liner und eine Außenhülle. Die Außenhülle trägt im Wesentlichen die Drucklast des Druckbehälters. Die Außenhülle des Druckbehälters umfasst Fasern/Faserlagen, die von einer Matrix umgeben sind, bzw. Fasern/Faserlagen, die in einer Matrix eingebettet sind. Bei bisher bekannten Druckbehältersystemen bzw. Druckbehältern werden bei einem Druckanstieg des Brennstoffs in dem Druckbehälter die Fasern/Faserlagen, die weiter innen (d.h. näher am Innenvolumen bzw. Speicherraum des Druckbehälters) liegen, stärker belastet als Fasern/Faserlagen, die weiter außen liegen. Ein solcher Druckbehälter kann ein hohes Gewicht und viel Material aufweisen. Dies kann ein vergleichsweise hohes Gewicht und vergleichsweise hohe Herstellungskosten verursachen. The pressure vessel typically includes a liner and an outer shell. The outer shell essentially carries the pressure load of the pressure vessel. The outer shell of the pressure vessel comprises fibers / fiber layers which are surrounded by a matrix or fibers / fiber layers which are embedded in a matrix. In previously known pressure vessel systems, as the fuel in the pressure vessel increases in pressure, the fiber / fiber layers located farther inward (i.e., closer to the interior volume or storage space of the pressure vessel) are more heavily loaded than fibers / fiber layers further outward. Such a pressure vessel can have a high weight and a lot of material. This can cause a comparatively heavy weight and comparatively high manufacturing costs.
Es ist eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, zumindest einen Nachteil von vorbekannte Lösungen zu verringern oder zu beheben. Insbesondere ist es eine Aufgabe, einen hinsichtlich des Bauraums, Gewicht und/oder bzgl. der Kosten optimierten Druckbehälter bereitzustellen.It is a preferred object of the technology disclosed herein to reduce or eliminate at least one disadvantage of previously known solutions. In particular, it is an object to provide a pressure vessel optimized in terms of space, weight and / or cost.
Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar. The object (s) is / are solved by the subject matter of
Die vorgeschlagene Lösung basiert auf der Erkenntnis, dass bei vorbekannten Lösungen der radiale Abstand der einzelnen Fasern/Faserlagen zueinander sich mit steigendem Druck des Brennstoffs in dem Druckbehälter verringert. Die Ursache hierfür ist, dass die weiter innenliegenden Fasern/Faserlagen nach außen gedrückt werden und sich somit relativ zu den äußeren Lagen nach außen verschieben und sich diesen somit annähern. Die weiter außenliegenden Fasern/Faserlagen werden weniger stark gedehnt als die weiter innenliegenden Fasern/Faserlagen. Folglich stehen die weiter außenliegenden Fasern/Faserlagen des Druckbehälters im Allgemeinen unter einer geringeren Spannung als die weiter innenliegenden Fasern/Faserlagen des Druckbehälters. Daher werden die Fasern/Faserlagen bzw. das Material des Druckbehälters i.d.R. ungleichmäßig belastet. Somit liegt i.d.R. keine optimale bzw. gleichmäßige Ausnutzung des Materials des Druckbehälters vor. The proposed solution is based on the finding that, in previously known solutions, the radial spacing between the individual fibers / fiber layers decreases with increasing pressure of the fuel in the pressure vessel. The reason for this is that the fibers / fiber layers lying further inside are pressed outwards and thus move outwards relative to the outer layers and thus approach them. The more outer fibers / fiber layers are less stretched than the more inner fibers / fiber layers. Consequently, the further outward fibers / fiber layers of the pressure vessel are generally under a lower tension than the more inner fibers / fiber layers of the pressure vessel. Therefore, the fibers / fiber layers or the material of the pressure vessel i.d.R. unevenly loaded. Thus i.d.R. no optimal or even utilization of the material of the pressure vessel before.
Die Aufgabe wird hier durch ein Druckbehältersystem umfassend einen Druckbehälter zum Speichern eines Brennstoffs, insbesondere von Wasserstoff, gelöst, wobei der Druckbehälter eine Matrix und in der Matrix eingebettete Fasern, insbesondere Faserlagen, aufweist, wobei die Matrix ein auxetisches Material zumindest als Additiv umfasst. Das auxetische Material ist hier derart vorgesehen, dass es eine Verringerung der Poissonzahl der Matrix bewirkt. Die Verringerung der Poissonzahl bewirkt, dass sich die Fasern/Faserlagen in Radialrichtung bei Innendruckanstieg weniger stark einander annähern als bei einer ansonsten gleichen Matrix ohne auxetischem Material. Dadurch wird bewirkt, dass der Unterschied der Spannungen in Faserrichtung, der sich zwischen in Radialrichtung weiter innen angeordneten inneren Fasern/Faserlage(n) und im Vergleich dazu weiter außen angeordneten äußeren Fasern/Faserlage(n) ergibt, geringer ist als der Unterschied für dieselben inneren/äußeren Fasern/Faserlage(n) mit einer Matrix (insbesondere mit ansonsten gleicher Matrixzusammensetzung) ohne dem auxetischen Material. Mithin umfasst die Matrix das auxetische Material derart, dass der Verlauf der jeweiligen Faserspannung in einer einen Liner zumindest teilweise umgebenden Außenhülle in Radialrichtung gleichmäßiger ist als in der gleichen Außenhülle mit einer ansonsten gleichen Matrix ohne auxetischem Material. The object is achieved here by a pressure vessel system comprising a pressure vessel for storing a fuel, in particular hydrogen, the pressure vessel having a matrix and fibers embedded in the matrix, in particular fiber layers, wherein the matrix comprises an auxetic material at least as an additive. The auxetic material is here provided to cause a reduction in the Poisson's number of the matrix. The reduction in Poisson's number causes the fiber / fiber layers to converge less strongly in the radial direction with an increase in internal pressure than in an otherwise identical matrix without auxetic material. This causes the difference in the fiber direction stresses resulting between radially inner fiber / fiber layer (s) and outer fiber / fiber layer (s) located further outward to be smaller than the difference for them inner / outer fibers / fiber layer (s) having a matrix (in particular having otherwise the same matrix composition) without the auxetic material. Thus, the matrix comprises the auxetic material in such a way that the profile of the respective fiber tension is more uniform in the radial direction in an outer shell at least partially surrounding a liner than in the same outer shell with an otherwise identical matrix without auxetic material.
„Ansonsten gleiche Matrix/Außenhülle“ meint in diesem Zusammenhang, dass bei der Vergleichsmatrix/Vergleichsaußenhülle lediglich das auxetische Material/Additiv weggelassen bzw. substituiert wurde, ohne dass ansonsten die chemische Zusammensetzung bzw. der physikalische Aufbau der Faser-Kunststoffverbundes abgeändert wurde..„Zumindest als Additiv“ vorgesehen bedeutet, dass ein auxetisches Material einer faserhaltenden Matrix beigemischt sein kann. In einer bevorzugten Ausgestaltung bildet ein auxetisches Material selbst das gesamte Matrix(material) aus. Bevorzugt ist das auxetische Material auf molekularer Ebene vorgesehen, wie es weiter unten näher beschrieben ist. "Otherwise, the same matrix / outer shell" in this context means that in the comparison matrix / comparison outer shell, only the auxetic material / additive was omitted or substituted, without otherwise the chemical composition or the physical structure of the fiber-plastic composite was changed. Provided at least as an additive means that an auxetic material can be admixed with a fiber-retaining matrix. In a preferred embodiment, an auxetic material itself forms the entire matrix (material). Preferably, the auxetic material is provided at the molecular level, as described in more detail below.
Die Matrix kann das auxetische Material derart umfassen, dass die Abstände der Fasern/Faserlagen, zueinander in einer Radialrichtung des Druckbehälters aufgrund eines Druckanstiegs des Brennstoffs sich weniger stark verringert als bei einer ansonsten gleichen Matrix ohne auxetischem Material. The matrix may comprise the auxetic material such that the distances of the fiber / fiber layers from one another in a radial direction of the pressure vessel are less reduced due to a pressure increase of the fuel than in an otherwise equal matrix without auxetic material.
Die Matrix kann das auxetische Material derart umfassen, dass die Abstände der Fasern, insbesondere der Faserlagen, zueinander in einer Radialrichtung des Druckbehälters wachsen, wenn die Matrix aufgrund eines Druckanstiegs des Brennstoffs in dem Druckbehälter entlang der Fasern gedehnt wird. Ein Vorteil hiervon ist, dass mit steigendem Druck des Brennstoffs im Druckbehälter und entsprechender Dehnung der Fasern/Faserlagen und folglich des auxetischen Matrixmaterials der Abstand der Fasern/Faserlagen zueinander steigt und nicht sinkt bzw. sich verringert. Hierdurch werden weiter außenliegende Fasern/Faserlagen, d.h. Fasern/Faserlagen, die einen größeren Abstand zu dem Innenraum bzw. Speicherraum des Druckbehälters aufweisen, ebenfalls gedehnt bzw. gestreckt, so dass die Fasern/Faserlagen (unabhängig vom Abstand zu dem Innenraum des Druckbehälters, in dem der Brennstoff gespeichert ist) gleichmäßiger belastet bzw. unter Spannung gesetzt werden. Folglich wird das Material des Druckbehälters optimaler bzw. gleichmäßiger ausgenutzt. Somit kann der Druckbehälter bei gleichem bzw. ähnlichen Materialeinsatz und gleichem Gewicht größeren Drücken (ohne Materialschäden) standhalten oder bei gleichbleibendem maximalen Druck (maximaler Betriebsdruck), den der Druckbehälter standhalten kann (ohne Materialschäden), weniger Material und ein geringeres Gewicht aufweisen. Dies senkt das Gewicht und die Herstellungskosten des Druckbehältersystems. The matrix may comprise the auxetic material such that the distances of the fibers, particularly the fiber layers, from each other grow in a radial direction of the pressure vessel as the matrix is stretched along the fibers due to a pressure increase of the fuel in the pressure vessel. An advantage of this is that with increasing pressure of the fuel in the pressure vessel and corresponding expansion of the fiber / fiber layers and consequently of the auxetic matrix material, the distance between the fibers / fiber layers increases and does not decrease. As a result, further outward fibers / fiber layers, ie fibers / fiber layers, which have a larger distance to the interior or storage space of the pressure vessel, also stretched or stretched, so that the fibers / fiber layers (regardless of the distance to the interior of the pressure vessel, in the fuel is stored) are loaded evenly or put under tension. Consequently, the material of the pressure vessel is utilized more optimally. Thus, the pressure vessel with the same or similar material use and the same weight greater pressures (without material damage) withstand or at constant maximum pressure (maximum operating pressure) that the pressure vessel can withstand (without material damage), have less material and a lower weight. This lowers the weight and manufacturing cost of the pressure vessel system.
Auxetisches Material weist eine negative Poissonzahl auf, d.h. der Querschnitt des auxetischen Materials vergrößert sich, wenn es in einer vorgegebenen Richtung (Vorzugsrichtung) gedehnt bzw. gestreckt wird. Auxetic material has a negative Poisson number, i. the cross section of the auxetic material increases when it is stretched in a given direction (preferred direction).
Die Radialrichtung des Druckbehälters kann in einem Mittelbereich des Druckbehälters (auch zylindrischer Bereich genannt) senkrecht zu einer Zentrumslinie und von der Zentrumslinie weg verlaufen. In zwei domartigen Endbereichen, die jeweils an den Mittelbereich angrenzen, kann die Radialrichtung jeweils von dem Mittelpunkt der Endbereiche aus nach außen (d.h. in der Richtung von dem Innenraum zur Außenhülle) verlaufen. Die Radialrichtung kann also von einem Symmetriepunkt (z.B. Mittelpunkt) bzw. einer Symmetrielinie (z.B. der Zentrumslinie) bzw. der Druckbehälterlängsachse des Druckbehälters nach außen (d.h. in der Richtung von dem Innenraum weg gerichtet) verlaufen. The radial direction of the pressure vessel may be perpendicular to a center line and away from the center line in a central area of the pressure vessel (also called a cylindrical area). In two dome-like end portions, each adjacent to the central portion, the radial direction may extend outwardly from the center of the end portions (i.e., in the direction from the inner space to the outer shell), respectively. Thus, the radial direction may extend outwardly from a point of symmetry (e.g., midpoint) or a line of symmetry (e.g., the center line) or the pressure vessel longitudinal axis of the pressure vessel (i.e., in the direction away from the interior).
Wenn der Druckbehälter eine andere Form, z.B. eine ellipsoide Form aufweist, die keine direkte Definition der Radialrichtung anhand einfacher Symmetrien erlaubt, kann die (lokale) Radialrichtung über die Tangenten an die Druckbehälterwände bzw. an die Fasern/Faserlagen definiert werden: Die Radialrichtung kann dabei die Senkrechte auf die Tangenten an die Druckbehälterwände bzw. an die Fasern/Faserlagen sein. Die Radialrichtung ist dabei von innen nach außen gerichtet. Bei gekrümmten Flächen ist dies häufig von der konkaven Fläche zur konvexen Fläche hin. Die Radialrichtung kann somit senkrecht zu jeweils lokalen Tangentialebenen der Druckbehälterwände bzw. der Wände der Außenhülle des Druckbehälters verlaufen. Bei Faserlagen, bei denen die Fasern in der Regel lokal parallel verlaufen, lässt sich beispielsweise eine Tangente („längs“) in Faserrichtung und eine weitere, dazu lotrechte Tangente, die in der Faserlage, aber quer zur Faserrichtung verläuft, definieren. Die Radialrichtung kann dann in diesem Fall das Lot auf die beiden Tangenten („längs“ und „quer“ zur Faserrichtung) sein. Entlang dieser Radialrichtung kann auch der Abstand der Faserlagen gemessen werden. If the pressure vessel has a different shape, e.g. has an ellipsoidal shape, which does not allow a direct definition of the radial direction by means of simple symmetries, the (local) radial direction can be defined via the tangents to the pressure vessel walls or to the fiber / fiber layers: The radial direction can be the perpendicular to the tangents to the pressure vessel walls or to the fibers / fiber layers. The radial direction is directed from the inside to the outside. For curved surfaces, this is often from the concave surface to the convex surface. The radial direction can thus run perpendicular to each local tangent planes of the pressure vessel walls or the walls of the outer shell of the pressure vessel. For fiber layers in which the fibers generally run locally parallel, for example, a tangent ("longitudinal") in the fiber direction and another, perpendicular to tangent, which runs in the fiber layer, but transverse to the fiber direction define. The radial direction in this case may then be the perpendicular to the two tangents ("longitudinal" and "transverse" to the fiber direction). Along this radial direction and the distance of the fiber layers can be measured.
Die Fasern können in der Matrix zumindest teilweise derart angeordnet sein und das auxetische Material kann zumindest teilweise derart ausgebildet und angeordnet sein, dass bei einer Dehnung der Matrix entlang der Fasern der Abstand der jeweiligen Faser, insbesondere der jeweiligen Faserlage, von einem Mittelpunkt oder einer Zentrumslinie des Druckbehälters proportional zu dem Abstand der jeweiligen Faser zu dem Mittelpunkt oder der Zentrumslinie des Druckbehälters vor der Dehnung der Matrix wächst. Hierdurch wird eine noch bessere bzw. noch gleichmäßigere Verteilung der auftretenden Spannungen bzw. Kräfte auf die Fasern/Faserlagen erreicht. Die Fasern/Faserlagen werden, unabhängig vom Abstand der Faser/Faserlage von dem Mittelpunkt bzw. der Zentrumslinie, im Wesentlichen gleich stark belastet. Folglich kann der Druckbehälter bei gleichem bzw. ähnlichem Materialeinsatz größeren Drücken (ohne Materialschäden), standhalten bzw. einen höheren maximalen Betriebsdruck aufweisen. Dies senkt das Gewicht und die Herstellungskosten des Druckbehältersystems. Die Zentrumslinie verläuft bei einem zylinderförmigen Mittelteil des Druckbehälters und zwei domartigen Endbereichen durch die Mitte des Mittelteils von einem domartigen Endbereich zu dem anderen domartigen Endbereich, d.h. parallel zur Höhe des zylinderförmigen Mittelteils und senkrecht zum Radius des zylinderförmigen Mittelteils. The fibers may be at least partially disposed in the matrix and the auxetic material may be at least partially formed and arranged such that, as the matrix is stretched along the fibers, the spacing of the respective fiber, in particular the respective fiber layer, from a center or centerline of the pressure vessel increases in proportion to the distance of the respective fiber to the center or the center line of the pressure vessel prior to expansion of the matrix. As a result, an even better or more even distribution of the occurring stresses or forces on the fibers / fiber layers is achieved. The fibers / fiber layers, regardless of the distance of the fiber / fiber layer from the center or the center line, loaded substantially equally strong. Consequently, the pressure vessel with the same or similar material use greater pressures (without material damage), withstand or have a higher maximum operating pressure. This lowers the weight and manufacturing cost of the pressure vessel system. The center line extends from a dome-like end portion to the other dome-like end portion at a cylindrical central portion of the pressure vessel and two dome-like end portions through the center of the center portion. parallel to the height of the cylindrical central part and perpendicular to the radius of the cylindrical central part.
Das auxetische Material kann ein auxetisches Material auf molekularer Ebene umfassen, insbesondere ein auxetisches Material auf molekularer Ebene sein. Hierdurch wird verhindert, dass vorhandene Hohlräume in dem auxetischen Material durch den ausgeübten Druck des Brennstoffs kollabieren und das auxetische Material somit die auxetische Eigenschaft verliert bzw. nicht mehr funktionsfähig ist. Somit ist ein Vorteil hiervon, dass die Einsatzfähigkeit bzw. Funktionsfähigkeit des Druckbehältersystems auch bei hohen Drücken sichergestellt ist. The auxetic material may comprise an auxetic material at the molecular level, in particular an auxetic material at the molecular level. This prevents existing cavities in the auxetic material from collapsing due to the applied pressure of the fuel, and thus the auxetic material loses the auxetic property or is no longer functional. Thus, an advantage of this is that the operability of the pressure vessel system is ensured even at high pressures.
Das auxetische Material kann in der Matrix gleichmäßig verteilt sein. Vorteilhaft hieran ist, dass die auftretenden Spannungen in dem Druckbehälter noch gleichmäßiger auf die verschiedenen Fasern/Faserlagen verteilt werden. The auxetic material may be evenly distributed in the matrix. The advantage of this is that the stresses occurring in the pressure vessel are evenly distributed to the different fibers / fiber layers.
Die Matrix kann einen Kunststoff, insbesondere einen Polymerkunststoff, umfassen. Hierdurch kann das Druckbehältersystem ein besonders geringeres Gewicht aufweisen. The matrix may comprise a plastic, in particular a polymer plastic. As a result, the pressure vessel system can have a particularly low weight.
Der Druckbehälter kann ein zylinderförmiges Mittelteil und zwei domartige Endbereiche aufweisen. Ein Vorteil hiervon ist, dass die auftretenden Kräfte besonders gleichmäßig auf den Druckbehälter verteilt werden. Zudem lässt sich ein derartiges Druckbehältersystem platzsparend in einem Kraftfahrzeug anordnen. The pressure vessel may have a cylindrical central part and two dome-shaped end regions. An advantage of this is that the forces are distributed particularly evenly on the pressure vessel. In addition, such a pressure vessel system can be arranged to save space in a motor vehicle.
Die Matrix kann mindestens zwei unterschiedliche auxetische Materialien umfassen, die sich in ihrer Poisson-Zahl unterscheiden. Hierdurch können die Fasern bzw. Faserlage noch gezielter gleichmäßig belastet werden. The matrix may comprise at least two different auxetic materials which differ in their Poisson number. As a result, the fibers or fiber layer can be evenly targeted evenly loaded.
Der Druckbehälter kann mindestens drei Faserlagen umfassen. Ein Vorteil hiervon ist, dass der Druck über eine Vielzahl von Fasern/Faserlagen verteilt wird. Hierdurch steigt der zulässige Maximaldruck des Druckbehälters. The pressure vessel may comprise at least three fiber layers. An advantage of this is that the pressure is distributed over a plurality of fibers / fiber layers. This increases the permissible maximum pressure of the pressure vessel.
Die Abstände der Fasern, insbesondere der Faserlagen, von dem Innenraum des Druckbehälters können wachsen, wenn die Matrix aufgrund eines Druckanstiegs des Brennstoffs in dem Druckbehälter entlang der Fasern gedehnt wird. Ein Vorteil hiervon ist, dass die Matrix besonders gleichmäßig gedehnt wird, wenn die Fasern/Faserlagen entlang bzw. in Richtung ihrer Längsrichtung bzw. Haupterstreckungsrichtung gestreckt werden. Somit bewirkt der Druck des Brennstoffs eine noch gleichmäßigere Verteilung der mechanischen Spannung über die Fasern/Faserlagen des Druckbehälters. The spacing of the fibers, particularly the fiber layers, from the interior of the pressure vessel may grow as the matrix is stretched along the fibers due to a pressure increase of the fuel in the pressure vessel. An advantage of this is that the matrix is stretched particularly uniformly when the fibers / fiber layers are stretched along or in the direction of their longitudinal direction or main direction of extension. Thus, the pressure of the fuel causes an even more uniform distribution of the mechanical stress over the fibers / fiber layers of the pressure vessel.
Das auxetische Material kann anisotrope Eigenschaften derart aufweisen, dass sich das auxetische Material in unterschiedlichen Richtungen senkrecht zur Richtung entlang der Fasern unterschiedlich stark ausdehnt, wenn die Matrix aufgrund eines Druckanstiegs des Brennstoffs in dem Druckbehälter entlang der Fasern gedehnt wird. Ein Vorteil hiervon ist, dass die auftretenden Kräfte gezielt auf Fasern bzw. Faserbündel bzw. Faserlagen unterschiedlicher Bereiche des Druckbehälters verteilt werden können. Das auxetische Material kann in einer ersten Richtung senkrecht zur Richtung der Fasern bzw. Faserlagen bzw. zur Längsrichtung der Fasern bzw. Faserlagen einen ersten Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. Der Ausdehnungskoeffizient gibt an, wie stark sich das auxetische Material dehnt bzw. ausdehnt, wenn die Matrix in Richtung der Fasern/Faserlagen gedehnt wird. In einer zweiten Richtung, die senkrecht zur Richtung der Fasern bzw. Faserlagen bzw. zur Längsrichtung der Fasern bzw. Faserlagen und senkrecht zur ersten Richtung ist, kann das auxetische Material einen zweiten Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, wobei der erste Ausdehnungskoeffizient größer oder kleiner als der zweite Ausdehnungskoeffizient sein kann. The auxetic material may have anisotropic properties such that the auxetic material expands differently in different directions perpendicular to the direction along the fibers as the matrix is stretched along the fibers due to a pressure increase of the fuel in the pressure vessel. One advantage of this is that the forces occurring can be distributed in a targeted manner to fibers or fiber bundles or fiber layers of different regions of the pressure vessel. The auxetic material may have a first coefficient of expansion in a first direction perpendicular to the direction of the fibers or fiber layers or to the longitudinal direction of the fibers or fiber layers. The coefficient of expansion indicates how much the auxetic material expands as the matrix is stretched toward the fiber / fiber layers. In a second direction, which is perpendicular to the direction of the fiber layers or to the longitudinal direction of the fiber layers and perpendicular to the first direction, the auxetic material may have a second expansion coefficient, the first expansion coefficient being greater or smaller than the second expansion coefficient can be.
Der Brennstoff kann insbesondere ein Brennstoff sein, der bei Standardtemperatur (0 °C) und Standarddruck (1,000 bar) gasförmig ist. Vorzugsweise kann der Brennstoff Wasserstoff sein. Der Brennstoff kann von dem Druckbehälter einer Brennstoffzelle zugeführt werden. Der Druckbehälter und die Brennstoffzelle können in einem Fahrzeug, z.B. einem PKW, einem Motorrad, einem LKW, einem Omnibus, angeordnet sein und die Brennstoffzelle kann zum Antreiben des Fahrzeugs dienen. In particular, the fuel may be a fuel which is gaseous at standard temperature (0 ° C) and standard pressure (1,000 bar). Preferably, the fuel may be hydrogen. The fuel can be supplied from the pressure vessel to a fuel cell. The pressure vessel and the fuel cell may be mounted in a vehicle, e.g. a car, a motorcycle, a truck, a bus, and the fuel cell can be used to drive the vehicle.
Das auxetische Material kann nanostrukturiert sein und/oder durch ein Verfahren der Nanostrukturierung entstanden sein. In dem Druckbehälter kann mehr als ein auxetisches Material verwendet werden, d.h. z.B. zwei, drei, vier oder mehr als vier unterschiedliche auxetische Materialien. Die verschiedenen auxetischen Materialien können sich in ihrer Poissonzahl oder dem Verlauf ihrer Poissonzahl über die Dehnung unterscheiden. Die Verteilung des auxetischen Materials im Mittelteil kann sich von der Verteilung des auxetischen Materials in den domartigen Endbereichen unterscheiden. Es ist auch vorstellbar, dass zwischen Bereichen der Matrix, die auxetisches Material umfassen, Bereiche vorhanden sind, die kein auxetisches Material aufweisen. The auxetic material may be nanostructured and / or formed by a nanostructuring process. More than one auxetic material may be used in the pressure vessel, i. e.g. two, three, four or more than four different auxetic materials. The different auxetic materials can differ in their Poisson number or the course of their Poisson number on the strain. The distribution of the auxetic material in the middle part may differ from the distribution of the auxetic material in the dome-like end regions. It is also conceivable that there are areas between areas of the matrix which comprise auxetic material which have no auxetic material.
Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Druckbehältersystem (en: Compressed hydrogen storage system (= CHS-System)) zur Speicherung von unter Umgebungsbedingungen gasförmigen Brennstoff. Ein solcher Druckbehälter ist insbesondere ein in ein Kraftfahrzeug eingebauter bzw. einbaubarer Druckbehälter. 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 umfasst einen Innenbehälter sowie einen diesen unter Bildung eines superisolierten (z.B. evakuierten) (Zwischen)Raumes umgebenden Außenbehälter. The technology disclosed herein relates to a compressed hydrogen storage (CHS) system for storing gaseous fuel under ambient conditions. Such a pressure vessel is in particular a pressure vessel which is installed or can be installed in a motor vehicle. 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 comprises an inner vessel and an outer vessel surrounding it to form a super-isolated (e.g., evacuated) space.
Der Druckbehälter kann einen Liner umfassen. Der Liner kann der Hohlkörper sein, in dem der Brennstoff gespeichert ist. Der Liner kann beispielsweise aus Aluminium oder Stahl oder aus deren Legierungen hergestellt sein. Ferner bevorzugt kann der Liner aus einem Kunststoff hergestellt sein oder es kann auch ein linerloser Druckbehälter vorgesehen sein. The pressure vessel may include a liner. The liner may be the hollow body in which the fuel is stored. The liner can For example, be made of aluminum or steel or their alloys. Further preferably, the liner may be made of a plastic or it may also be provided a linerless pressure vessel.
Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand von Figuren erläutert. Es zeigen: The technology disclosed herein will now be explained with reference to figures. Show it:
Der Druckbehälter
Der Brennstoff wird in einem Innenraum
Der Druckbehälter weist eine Innenhülle (sogenannter Liner; nicht gezeigt) und eine Außenhülle auf. Die Außenhülle trägt den größten Teil bzw. Hauptteil der Drucklast des Brennstoffs in dem Druckbehälter
Die Außenhülle weist eine Matrixstruktur bzw. Verbundwerkstoffstruktur mit darin eingebetteten Fasern bzw. Faserlagen
Die Fasern/Faserlagen
Die Matrix umfasst ein auxetisches Material
Die Außenhülle des Druckbehälters
Der Druckbehälter
Die Fasern bzw. Faserlagen
In
Die Radialrichtung
Das auxetische Material
Es ist ebenfalls vorstellbar, dass ein erster Teil der Fasern/Faserlagen
Das auxetische Material
Bei unterschiedlicher Ausrichtung der Vorzugsrichtung des auxetischen Materials
In den Zeichnungen ist der sogenannte Liner bzw. die Innenhülle des Druckbehälters
Das auxetische Material
Die Fasern bzw. Faserlagen
Das auxetische Material
Somit wächst bei einer Erhöhung des Drucks des Brennstoffs im Druckbehälter
Die Fasern können Carbon bzw. Kohlenstoff umfassen oder sein. Die Matrix kann ein oder mehrere Kunststoffe umfassen oder aus einem oder mehreren Kunststoffen bestehen. Somit umfasst die Außenhülle des Druckbehälters
Das auxetische Material
dr ~ rThe
dr ~ r
Die obige Beziehung ist von der gleichmäßigen Verteilung der Umfangsspannungen über die Behälterwanddicke abgeleitet und gilt streng nur für einen Faserverlauf in Umfangsrichtung, wie sie beispielsweise im zylindrischen Bereich bei den Umfangslagen auftritt. Auch für einen Faserverlauf, der in einem halbkugelförmigen Dom bzw. in einem halbkugelförmigen Endbereich
Für die Axialspannungen im zylindrischen Bereich gilt zunächst, dass diese im Prinzip unabhängig von r sind. Da nun der zylindrische Bereich
Der Faserwinkel im zylindrischen Bereich entscheidet darüber, wie stark die Faser bzw. die Faserlage
Es ist möglich, dass der Abstand der jeweiligen Faserlage
In
In den domartigen Endbereichen
Die Bewegung der Fasern aufgrund eines Druckanstiegs des Brennstoffs im Druckbehälter
Durch die beschriebene Ausdehnung des auxetischen Materials
Es ist möglich, dass die Außenhülle neben der Matrix und der Faser/den Faserlagen
Das auxetische Material
Das auxetische Material
Das auxetische Material
Es kann in einem Druckbehälter
Durch die Ausdehnung des auxetischen Materials
Unter ungünstigen bzw. ungünstigsten Umständen kann es passieren, dass trotz des Einsatzes von auxetischen Materialien
Bei einem Kryodruckbehälter grenzt an die äußerste Faserlage
Vorstellbar ist auch, dass außerhalb der äußersten Faserlage nochmals auxetisches Material oder nicht-auxetisches Material der Matrix vorhanden ist. It is also conceivable that outside the outermost fiber layer again auxetic material or non-auxetic material of the matrix is present.
Es ist auch vorstellbar, dass zwischen Bereichen der Matrix, die auxetisches Material
In
Die Zeichnungen sind nicht maßstabsgetreu. Insbesondere ist die Ausdehnung des auxetischen Materials
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.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1 1
- Druckbehälter pressure vessel
- 12 12
- Mittelteil midsection
- 15, 1615, 16
- domartige Endbereiche dome-shaped end areas
- 20 20
- erste Faserlage first fiber layer
- 21 21
- zweite Faserlage second fiber layer
- 22 22
- dritte Faserlage third fiber layer
- 25 25
- Faserlage fiber layer
- 30 30
- auxetisches Material auxetic material
- 40 40
- Zentrumslinie des Druckbehälters Center line of the pressure vessel
- 42 42
- Mittelpunkt des Druckbehälters Center of the pressure vessel
- 45, 4645, 46
- Mittelpunkt des domartigen Endbereichs Center of the dome-like end region
- 50 50
- Innenraum inner space
- 61 61
- Abstand d1 Distance d1
- 62 62
- Abstand d2 Distance d2
- 63 63
- Abstand d3 Distance d3
- 64 64
- Abstand d4 Distance d4
- 65 65
- Abstand d5 Distance d5
- 66 66
- Abstand d6 Distance d6
- 70 70
- Abstand d7 Distance d7
- 71 71
- Abstand d8 Distance d8
- 90 90
- Radialrichtung radial direction
Claims (10)
Applications Claiming Priority (2)
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102016225446A1 (en) * | 2016-12-19 | 2018-06-21 | Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft | Pressure tank with reinforcing fibers |
CN116877911A (en) * | 2023-08-14 | 2023-10-13 | 中国矿业大学 | Large-deformation underground energy storage device |
Citations (1)
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US20150354755A1 (en) * | 2012-12-21 | 2015-12-10 | Inergy Automotive Systems Research (Societe Anonyme) | Tank for storing a gas stored by sorption comprising shock-absorbing means |
-
2016
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Legal Events
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R020 | Patent grant now final | ||
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |