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 claim 1. The dependent claims are preferred embodiments.

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:

1 eine schematische Querschnittsansicht eines Druckbehälters bei einem ersten Druck des Brennstoffs im Druckbehälter; 1 a schematic cross-sectional view of a pressure vessel at a first pressure of the fuel in the pressure vessel;

2 eine schematische Querschnittsansicht des Druckbehälters aus 1 bei einem zweiten Druck des Brennstoffs, der höher als der erste Druck ist; 2 a schematic cross-sectional view of the pressure vessel from 1 at a second pressure of the fuel that is higher than the first pressure;

3 eine schematische Querschnittsansicht einiger Faserlagen eines Druckbehälters bei einem ersten Druck des Brennstoffs; und 3 a schematic cross-sectional view of some fiber layers of a pressure vessel at a first pressure of the fuel; and

4 eine schematische Querschnittsansicht einiger Faserlagen des Druckbehälters aus 3 bei einem zweiten Druck des Brennstoffs, der höher als der erste Druck ist. 4 a schematic cross-sectional view of some fiber layers of the pressure vessel from 3 at a second pressure of the fuel, which is higher than the first pressure.

1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Druckbehälters 1 bei einem ersten Druck des Brennstoffs im Druckbehälter 1. 2 zeigt eine schematische Querschnittsansicht des Druckbehälters 1 aus 1 bei einem zweiten Druck des Brennstoffs, wobei der zweite Druck höher als der erste Druck ist. Das Druckbehältersystem umfasst einen Druckbehälter 1 zum Speichern eines Brennstoffs. Der Brennstoff ist ein Brennstoff, der bei Standardtemperatur (0 °C) und Standarddruck (1,000 mbar) gasförmig ist. Der Brennstoff kann z.B. Wasserstoff sein. Der Druckbehälter 1 ist in einem Kraftfahrzeug, z.B. einem PKW, angeordnet. Der Brennstoff kann einer Brennstoffzelle zugeführt werden. Die Brennstoffzelle kann zum Antreiben des Kraftfahrzeugs dienen. 1 shows a schematic cross-sectional view of a pressure vessel 1 at a first pressure of the fuel in the pressure vessel 1 , 2 shows a schematic cross-sectional view of the pressure vessel 1 out 1 at a second pressure of the fuel, wherein the second pressure is higher than the first pressure. The pressure vessel system comprises a pressure vessel 1 for storing a fuel. The fuel is a fuel that is gaseous at standard temperature (0 ° C) and standard pressure (1,000 mbar). The fuel may be, for example, hydrogen. The pressure vessel 1 is in a motor vehicle, such as a car, arranged. The fuel can be supplied to a fuel cell. The fuel cell can be used to drive the motor vehicle.

Der Druckbehälter 1 kann ein kryogener Druckbehälter zum Speichern eines kryogenen Brennstoffs, z.B. von kryogenem Wasserstoff, oder ein nicht-kryogener Druckbehälter sein. The pressure vessel 1 may be a cryogenic pressure vessel for storing a cryogenic fuel, such as cryogenic hydrogen, or a non-cryogenic pressure vessel.

Der Brennstoff wird in einem Innenraum 50 bzw. in dem Innenvolumen bzw. Speicherraum des Druckbehälters 1 gespeichert. Sofern der Druckbehälter als kryogener Druckbehälter ausgebildet ist, kann dieser einen Außenbehälter (nicht gezeigt) und einen Innenbehälter aufweisen. Zwischen dem Außenbehälter und dem Innenbehälter kann ein evakuierter Raum angeordnet sein. The fuel is in an interior 50 or in the internal volume or storage space of the pressure vessel 1 saved. If the pressure vessel is designed as a cryogenic pressure vessel, it may have an outer container (not shown) and an inner container. Between the outer container and the inner container, an evacuated space may be arranged.

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 1. Vorstellbar ist auch, dass kein Liner vorhanden ist. In diesem Fall übernimmt die Matrix der Außenhülle die Funktion des Liners. Der Innenraum 50 befindet sich im Innern des Druckbehälters. The pressure vessel has an inner shell (so-called liner, not shown) and an outer shell. The outer shell carries the major part or main part of the pressure load of the fuel in the pressure vessel 1 , It is also conceivable that no liner is present. In this case, the matrix of the outer shell assumes the function of the liner. The interior 50 is located inside the pressure vessel.

Die Außenhülle weist eine Matrixstruktur bzw. Verbundwerkstoffstruktur mit darin eingebetteten Fasern bzw. Faserlagen 20, 21, 22 (mehrere gebündelte Fasern) bzw. Faserschichten auf. The outer shell has a matrix structure or composite structure with fibers or fiber layers embedded therein 20 . 21 . 22 (multiple bundled fibers) or fiber layers.

Die Fasern/Faserlagen 20, 21, 22 sind von der Matrix umgeben bzw. in der Matrix eingebettet. Die Matrix kann einen Kunststoff umfassen oder ein Kunststoff sein. Die Fasern sind aus einem Material, das Zugkräften entlang bzw. in Richtung ihrer Längsrichtung, d.h. der Richtung der größten Ausdehnung der Fasern, standhalten kann. Zur Vereinfachung der zeichnerischen Darstellung der Grundidee sei angenommen, dass die Längsrichtung der Faser bzw. Faserlagen 20, 21, 22 in 1 im Bereich des Mittelteils 12 bzw. Mittelbereichs des Druckbehälters 1 von links nach rechts bzw. umgekehrt verläuft. The fibers / fiber layers 20 . 21 . 22 are surrounded by the matrix or embedded in the matrix. The matrix may comprise a plastic or be a plastic. The fibers are made of a material which can withstand tensile forces along or in the direction of their longitudinal direction, ie the direction of maximum extension of the fibers. To simplify the graphic representation of the basic idea, it is assumed that the longitudinal direction of the fiber or fiber layers 20 . 21 . 22 in 1 in the area of the middle part 12 or middle region of the pressure vessel 1 from left to right or vice versa.

Die Matrix umfasst ein auxetisches Material 30. Auxetische Materialien weisen eine negative Poissonzahl auf, d.h. ihr Querschnitt vergrößert sich, wenn sie in einer vorgegebenen Richtung (Vorzugsrichtung) gedehnt bzw. gestreckt werden. The matrix comprises an auxetic material 30 , Auxetic materials have a negative Poisson number, ie, their cross-section increases when stretched in a given direction (preferred direction).

Die Außenhülle des Druckbehälters 1 umfasst eine Matrix und in der Matrix eingebettete Fasern bzw. Faserlagen 20, 21, 22. Die Faserlagen 20, 21, 22 umfassen im Regelfall mehrere Faserbündel und diese wiederum jeweils mehrere Fasern, z.B. 12.000 Fasern je Faserbündel. The outer shell of the pressure vessel 1 comprises a matrix and embedded in the matrix fibers or fiber layers 20 . 21 . 22 , The fiber layers 20 . 21 . 22 usually comprise a plurality of fiber bundles and these in turn each have a plurality of fibers, for example 12,000 fibers per fiber bundle.

Der Druckbehälter 1 bzw. die Außenhülle weist einen hier zylinderförmigen Mittelteil 12 bzw. Mittelbereich und zwei domartige Endbereiche 15, 16 an zwei gegenüberliegenden Enden des zylinderförmigen Mittelteils 12 auf (in 1 bzw. in 2 ganz links bzw. ganz rechts). Die Form des Druckbehälters 1 ist somit zigarrenförmig. Andere Formen des Druckbehälters 1 sind vorstellbar. Die domartigen Endbereiche 15, 16 ähneln jeweils Halbkugeln. Durch den zylinderförmigen Mittelteil 12 des Druckbehälters 1 verläuft mittig eine Zentrumslinie 40 (in 1 von links nach rechts). Die Zentrumslinie 40 verläuft parallel zur Höhe des zylinderförmigen Mittelteils 12. Die Zentrumslinie 40 ist auch eine Symmetrielinie des Druckbehälters 1. Der Mittelteil 12 ist im Allgemeinen deutlich größer bzw. beherbergt ein größeres Volumen als die beiden domartigen Endbereiche 15, 16. The pressure vessel 1 or the outer shell has a cylindrical central part here 12 or central region and two dome-shaped end regions 15 . 16 at two opposite ends of the cylindrical central part 12 on (in 1 or in 2 far left or far right). The shape of the pressure vessel 1 is thus cigar-shaped. Other forms of pressure vessel 1 are conceivable. The dome-shaped end areas 15 . 16 each resemble hemispheres. Through the cylindrical middle part 12 of the pressure vessel 1 runs centrally a center line 40 (in 1 left to right). The center line 40 runs parallel to the height of the cylindrical middle part 12 , The center line 40 is also a symmetry line of the pressure vessel 1 , The middle part 12 is generally significantly larger or houses a larger volume than the two dome-like end regions 15 . 16 ,

Die Fasern bzw. Faserlagen 20, 21, 22 in 1 verlaufen in einer ersten Richtung, die hauptsächlich (d.h. im Mittelbereich des Druckbehälters 1) parallel zu der Längserstreckung des Druckbehälters 1 (in 1 von rechts nach links) bzw. parallel zu der Zentrumslinie 40 verläuft. Nicht alle Fasern bzw. Faserlagen 20, 21, 22 verlaufen in die gleiche Richtung. Die Fasern bzw. Faserlagen 20, 21, 22 sind in 1 und in 2 geschlossen dargestellt. Dies stellt eine zeichnerische Vereinfachung dar und spiegelt die Wirklichkeit nicht präzise wider. Tatsächlich bzw. in der Realität werden die Fasern bzw. Faserlagen 20, 21, 22 z.B. gewickelt und sind somit in einer Querschnittsansicht gemäß 1 bzw. 2 typischerweise nicht geschlossen. Insbesondere wird der Faserverlauf in der Realität nicht in der Zeichnungsebene liegen, unter anderem deshalb, weil eine nicht gezeigte Druckbehälteröffnung auf der Mittellinie bzw. Zentrumslinie 40 diesen Faserverlauf nicht erlauben würde. In der Realität werden die Fasern die Zeichnungsebene unter einem Winkel (je nach Herstellungsmethode als Wickelwinkel, Flechtwinkel, Gelegewinkel oder allgemein als Lagenwinkel bezeichnet) schneiden. Umfangslagen werden dabei die Zeichnungsebene im zylindrischen Bereich 12 unter einem Winkel von nahe 90° schneiden und sind besonders gut geeignet, um Spannungen in Umfangsrichtung aufzunehmen. Helixlagen (auch Kreuzlagen oder Polarlagen genannt) werden die Zeichnungsebene im zylindrischen Bereich 12 unter relativ kleinen Winkeln (typischerweise zwischen 5° und 30°) schneiden und sind besonders gut geeignet, um Axialspannungen aufzunehmen. Um Biegespannungen im Schulterbereich der Dome bzw. domartigen Endbereiche 15, 16 aufzunehmen werden häufig noch sogenannte „High-Angle-Helicals“ mit Wickelwinkeln im zylindrischen Bereich 12 um ca. 70° ergänzt. Der exakte Lagenaufbau – also die Abfolge der einzelnen Lagen, ihre jeweilige Dicken und die jeweiligen Winkel – ist im Wesentlichen abhängig von der Geometrie des Druckbehälters 1, der geforderten Druckfestigkeit, sowie dem verwendeten Material und ergibt sich aus Festigkeitsbetrachtungen, üblicherweise in Form von Finiten-Elemente-Simulationen. Die schematische Darstellung der Fasern bzw. Faserlagen 20, 21, 22 in den Zeichnungen dient zur Verdeutlichung der Bewegung der Fasern bzw. Faserlagen 20, 21, 22 bei einer Dehnung des auxetischen Materials 30 der Matrix, welches sich zwischen den Fasern bzw. Faserlagen 20, 21, 22 befindet. Die Fasern bzw. ein Teil der Fasern/Faserlagen 20, 21, 22 können auch senkrecht zur Zeichenebene der 1 bzw. der 2 und somit senkrecht zur Zentrumslinie 40 verlaufen. Dies entspräche einer Umfangslage. Auch andere Verlaufsformen der Fasern/Faserlagen 20, 21, 22, z.B. helixförmig, sind vorstellbar. The fibers or fiber layers 20 . 21 . 22 in 1 extend in a first direction, the main (ie in the central region of the pressure vessel 1 ) parallel to the longitudinal extent of the pressure vessel 1 (in 1 from right to left) or parallel to the center line 40 runs. Not all fibers or fiber layers 20 . 21 . 22 go in the same direction. The fibers or fiber layers 20 . 21 . 22 are in 1 and in 2 shown closed. This represents a simplified drawing and does not accurately reflect reality. In fact, or in reality, the fibers or fiber layers 20 . 21 . 22 For example, wound and are thus in a cross-sectional view according to 1 respectively. 2 typically not closed. In particular, in reality, the fiber path will not lie in the plane of the drawing, inter alia because a pressure vessel opening, not shown, lies on the center line or center line 40 would not allow this fiber path. In reality, the fibers will cut the plane of the drawing at an angle (called the wrap angle, braid angle, jaw angle, or generally as the layer angle, depending on the manufacturing method). Peripheral layers are doing the drawing plane in the cylindrical area 12 cut at an angle of close to 90 ° and are particularly well suited to accommodate stresses in the circumferential direction. Helix layers (also called cross layers or polar layers) become the plane of the drawing in the cylindrical area 12 cut at relatively small angles (typically between 5 ° and 30 °) and are particularly well suited to accommodate axial stresses. To bending stresses in the shoulder area of the dome or dome-like end areas 15 . 16 Frequently, so-called "high-angle helicals" with winding angles in the cylindrical area are also included 12 supplemented by approx. 70 °. The exact layer structure - ie the sequence of the individual layers, their respective thicknesses and the respective angles - is essentially dependent on the geometry of the pressure vessel 1 , the required compressive strength, as well as the material used and results from strength considerations, usually in the form of finite element simulations. The schematic representation of the fibers or fiber layers 20 . 21 . 22 in the drawings serves to illustrate the movement of the fibers or fiber layers 20 . 21 . 22 at a stretch of the auxetic material 30 the matrix, which is located between the fibers or fiber layers 20 . 21 . 22 located. The fibers or a part of the fibers / fiber layers 20 . 21 . 22 can also be perpendicular to the drawing plane 1 or the 2 and thus perpendicular to the center line 40 run. This would correspond to a circumferential position. Other forms of the fibers / fiber layers 20 . 21 . 22 , eg helical, are conceivable.

In 1 und in 2 ist jeweils auch eine Faserlage 25 zu sehen, die senkrecht zu den anderen drei Faserlagen 20, 21, 22 gewickelt bzw. angeordnet ist. In 1 and in 2 is also a fiber layer 25 seen perpendicular to the other three fiber layers 20 . 21 . 22 wound or arranged.

Die Radialrichtung 90 des Druckbehälters 1 verläuft im zylindrischen Bereich 12 von dem Mittelpunkt 42 bzw. allgemeiner der Zentrumslinie 40 des Druckbehälters 1 nach außen (von dem Innenraum 50 weg nach außen). Der Mittelpunkt 42 des Druckbehälters 1 befindet sich in 1 und in 2 in der Mitte des Mittelteils 12 des Druckbehälters 1. In den beiden domartigen Endbereichen 15, 16 verläuft die Radialrichtung 90 jeweils von dem Mittelpunkt 45, 46 der halbkreisförmigen Endbereiche 15, 16 nach außen. The radial direction 90 of the pressure vessel 1 runs in the cylindrical area 12 from the center 42 or more generally the center line 40 of the pressure vessel 1 to the outside (from the interior 50 away to the outside). The middle-point 42 of the pressure vessel 1 is located in 1 and in 2 in the middle of the middle section 12 of the pressure vessel 1 , In the two dome-like end areas 15 . 16 runs the radial direction 90 each from the center 45 . 46 the semicircular end portions 15 . 16 outward.

Das auxetische Material 30, das sich in unmittelbarer Nähe zu den Fasern/Faserlagen 20, 21, 22 befindet, dehnt sich aus, wenn die Fasern/Faserlagen 20, 21, 22 in ihrer Längsrichtung bzw. größten Ausdehnungsrichtung (in 1 und in 2 im Mittelteil 12 von links nach rechts) gestreckt bzw. gedehnt werden. Das auxetische Material 30 der Matrix dehnt sich somit bei einer Streckung/Dehnung der Faser/Faserlage 20, 21, 22 in Verlaufsrichtung bzw. Längsrichtung der Fasern/Faserlagen 20, 21, 22 folglich senkrecht zu der Verlaufsrichtung bzw. Längsrichtung der Fasern/Faserlagen 20, 21, 22 aus. Bei einer Dehnung der Fasern/Faserlagen 20, 21, 22 in 1 bzw. in 2 im Bereich des Mittelteils 12 in eine Richtung, die von links nach rechts verläuft bzw. umgekehrt, dehnt sich somit das auxetische Material 30 in einer Richtung senkrecht zu der Dehnung der Fasern/Faserlagen 20, 21, 22 aus, d.h. das auxetische Material 30 dehnt sich nach oben und unten und in die Zeichenebene der 1 bzw. 2 hinein und aus der Zeichenebene heraus aus. The auxetic material 30 , which are in close proximity to the fibers / fiber layers 20 . 21 . 22 is located, expands when the fibers / fiber layers 20 . 21 . 22 in their longitudinal direction or largest expansion direction (in 1 and in 2 in the middle part 12 from left to right) are stretched or stretched. The auxetic material 30 The matrix thus expands upon stretching / stretching of the fiber / fiber layer 20 . 21 . 22 in the running direction or longitudinal direction of the fibers / fiber layers 20 . 21 . 22 consequently perpendicular to the course direction or longitudinal direction of the fibers / fiber layers 20 . 21 . 22 out. At an elongation of the fibers / fiber layers 20 . 21 . 22 in 1 or in 2 in the area of the middle part 12 in a direction that runs from left to right, or vice versa, the auxetic material expands 30 in a direction perpendicular to the elongation of the fibers / fiber layers 20 . 21 . 22 out, ie the auxetic material 30 stretches up and down and into the drawing plane of the 1 respectively. 2 in and out of the drawing plane.

Es ist ebenfalls vorstellbar, dass ein erster Teil der Fasern/Faserlagen 20, 21, 22, wie in 1 bzw. 2 gezeigt, im Mittelteil 12 parallel zu der Zentrumslinie 40 verläuft und ein zweiter Teil der Fasern/Faserlagen im Mittelteil 12 senkrecht zu den ersten Fasern/Faserlagen 20, 21, 22 im Mittelteil 12 verläuft. Auch alle anderen Winkel sind innerhalb des Lagenaufbaus möglich. It is also conceivable that a first part of the fibers / fiber layers 20 . 21 . 22 , as in 1 respectively. 2 shown in the middle section 12 parallel to the center line 40 runs and a second part of the fibers / fiber layers in the middle part 12 perpendicular to the first fibers / fiber layers 20 . 21 . 22 in the middle part 12 runs. All other angles are possible within the layer structure.

Das auxetische Material 30 der Matrix in der Nähe der Fasern bzw. Faserlagen 20, 21, 22 ist derart angeordnet und ausgebildet, dass sich das auxetische Material 30 ausdehnt, wenn das auxetische Material 30 in Richtung der Verlaufsrichtung bzw. Längsrichtung der Fasern/Faserlagen 20, 21, 22 gedehnt bzw. gestreckt wird. Die Vorzugsrichtung des auxetischen Materials 30 (d.h. die Richtung, zu der sich das auxetische Material 30 senkrecht ausdehnt, wenn das auxetische Material 30 in die Richtung gedehnt wird) ist jeweils parallel ausgerichtet zu der Längsrichtung bzw. Verlaufsrichtung der benachbarten bzw. in der Nähe befindlichen Fasern/Faserlagen 20, 21, 22. The auxetic material 30 the matrix in the vicinity of the fibers or fiber layers 20 . 21 . 22 is arranged and configured such that the auxetic material 30 expands when the auxetic material 30 in the direction of the running direction or longitudinal direction of the fibers / fiber layers 20 . 21 . 22 is stretched or stretched. The preferred direction of the auxetic material 30 (ie the direction to which the auxetic material 30 expands vertically when the auxetic material 30 is stretched in the direction) is respectively aligned parallel to the longitudinal direction or running direction of the adjacent or adjacent fiber / fiber layers 20 . 21 . 22 ,

Bei unterschiedlicher Ausrichtung der Vorzugsrichtung des auxetischen Materials 30 (abhängig von der Verlaufsrichtung der Fasern/Faserlagen 20, 21, 22, die im jeweiligen Bereich bzw. in der jeweiligen Nachbarschaft des auxetischen Materials 30 eingebettet sind) treten Scherkräfte in dem Material des Druckbehälters 1 auf. Das Auftreten von Scherkräften zwischen den Faserlagen ist bereits von herkömmlichen Komposit-Druckbehältern (also ohne die Verwendung auxetischer Materialien) bekannt. With different orientation of the preferred direction of the auxetic material 30 (depending on the course of the fibers / fiber layers 20 . 21 . 22 , in the respective area or in the respective neighborhood of the auxetic material 30 embedded) shear forces occur in the material of the pressure vessel 1 on. The occurrence of shear forces between the fiber layers is already known from conventional composite pressure vessels (ie without the use of auxetic materials).

In den Zeichnungen ist der sogenannte Liner bzw. die Innenhülle des Druckbehälters 1 nicht gezeigt. Der Liner liegt an der Innenseite der Außenhülle an. Somit befindet sich der Liner zwischen der Außenhülle des Druckbehälters und dem Innenraum 50. Der Liner kann Metall und/oder einen Kunststoff, z.B. Polyethylen und/oder Polyamid, umfassen oder sein. Der Druckbehälter 1 kann insbesondere ein Typ-III-Druckbehälter (Liner aus Metall) oder ein Typ-IV-Druckbehälter (Liner aus Kunststoff) sein. Auch vorstellbar ist, dass kein Liner vorhanden ist. In the drawings, the so-called liner or the inner shell of the pressure vessel 1 Not shown. The liner abuts the inside of the outer shell. Thus, the liner is between the outer shell of the pressure vessel and the interior 50 , The liner may comprise or be metal and / or a plastic, eg polyethylene and / or polyamide. The pressure vessel 1 may in particular be a type III pressure vessel (metal liner) or a type IV pressure vessel (plastic liner). It is also conceivable that no liner is present.

Das auxetische Material 30 der Matrix vergrößert seinen Querschnitt, wenn dieses in Richtung der Fasern/Faserlagen gedehnt bzw. gestreckt wird. Die Richtung der Fasern bzw. Faserlagen 20, 21, 22 verläuft im zylinderförmigen Mittelteil 12 des Druckbehälters 1 parallel zur Zentrumslinie 40, d.h. von links nach rechts in 1 und in 2. Bei einer Erhöhung des Drucks des Brennstoffs im Druckbehälter 1 werden die Fasern (bzw. die erste Faserlage 20) nahe des Innenraums 50 gedehnt, da der Brennstoff gegen den Druckbehälter 1 bzw. die Innenhülle (Liner) drückt, die wiederum gegen die Außenhülle des Druckbehälters 1 drückt, d.h. nach außen (in Radialrichtung 90 des Druckbehälters 1). Die Druckerhöhung kann z.B. durch die Erhöhung der Temperatur des Brennstoffs oder durch Einfüllen von Brennstoff in den Druckbehälter 1 stattfinden. Der Durchmesser des Druckbehälters vergrößert sich durch die Druckerhöhung. Hierdurch werden die Fasern bzw. Faserlagen 20, 21, 22 gedehnt, da diese nun einen längeren Weg zurücklegen müssen bzw. weiter entfernt von dem Mittelpunkt 42 des Druckbehälters 1 bzw. der Zentrumslinie 40 des Druckbehälters 1 verlaufen. Durch die Dehnung der Fasern bzw. Faserlagen 20, 21, 22 wird das auxetische Material 30 des Druckbehälters 1 bzw. der Außenhülle ebenfalls in Richtung der Fasern gedehnt, da die Fasern/Faserlagen 20, 21, 22 in dem auxetischen Material 30 der Matrix eingebettet sind. The auxetic material 30 The matrix enlarges its cross-section as it is stretched towards the fiber / fiber layers. The direction of the fibers or fiber layers 20 . 21 . 22 runs in the cylindrical middle part 12 of the pressure vessel 1 parallel to the center line 40 ie from left to right in 1 and in 2 , At an increase in the pressure of the fuel in the pressure vessel 1 become the fibers (or the first fiber layer 20 ) near the interior 50 stretched, as the fuel against the pressure vessel 1 or the inner liner (liner) presses, which in turn against the outer shell of the pressure vessel 1 pushes, ie outward (in the radial direction 90 of the pressure vessel 1 ). The increase in pressure can eg by increasing the temperature of the fuel or by filling of fuel in the pressure vessel 1 occur. The diameter of the pressure vessel is increased by the pressure increase. As a result, the fibers or fiber layers 20 . 21 . 22 stretched, as they now have to travel a long way or further away from the center 42 of the pressure vessel 1 or the center line 40 of the pressure vessel 1 run. By stretching the fibers or fiber layers 20 . 21 . 22 becomes the auxetic material 30 of the pressure vessel 1 or the outer shell also stretched in the direction of the fibers, since the fibers / fiber layers 20 . 21 . 22 in the auxetic material 30 embedded in the matrix.

Die Fasern bzw. Faserlagen 20, 21, 22 können sich gegenüber dem auxetischen Material 30 der Matrix nicht verschieben bzw. umgekehrt. The fibers or fiber layers 20 . 21 . 22 can stand up to the auxetic material 30 do not move the matrix or vice versa.

Das auxetische Material 30 vergrößert durch die Dehnung des auxetischen Materials 30 bzw. der Matrix entlang der Richtung der Fasern/Faserlagen 20, 21, 22 seinen Querschnitt senkrecht zu der Dehnungsrichtung. Dies bedeutet, dass die Ausdehnung des auxetischen Materials 30 senkrecht zur Richtung der Fasern/Faserlagen 20, 21, 22 und somit senkrecht zur Richtung der Dehnung bzw. Streckung des auxetischen Materials 30 steigt. Da zwischen zwei unmittelbar benachbarten Fasern/Faserlagen 20, 21, 22 (z.B. erste 20 und zweite 21 Faserlage in 1 bzw. in 2) auxetisches Material 30 der Matrix angeordnet ist, steigt hierdurch der Abstand zwischen den beiden unmittelbar benachbarten Fasern/Faserlagen 20, 21, 22. Dies bedeutet, dass eine Dehnung einer ersten Faser/Faserlage 20, die nahe am Innenraum 50 des Druckbehälters 1 angeordnet ist, zu einer Dehnung des auxetischen Materials 30 zwischen der ersten Faser/Faserlage 20 und einer von dem Innenraum 50 weiter als die erste Faser/Faserlage 20 entfernten zweiten Faser/Faserlage 21 führt. Dadurch wird die zweite Faser/Faserlage 21 ebenfalls gestreckt bzw. gedehnt und, da die Fasern/Faserlagen 20, 21, 22 fest mit der Matrix verbunden sind bzw. in der Matrix eingebettet sind, ebenfalls das auxetische Material 30 der Matrix nahe der zweiten Faser/Faserlage 21. Folglich wird auch auxetisches Material 30 der Matrix gedehnt, das sich weiter entfernt vom Innenraum 50 des Druckbehälters 1 befindet als die zweite Faser/Faserlage 21, und zwar in Richtung der Verlaufsrichtung der zweiten Faser/Faserlage 21. Hierdurch vergrößert sich wiederum der Querschnitt des auxetischen Materials 30 an dieser Stelle senkrecht zur Verlaufsrichtung der zweiten Faser/Faserlage 21 und der Abstand 62 zwischen der zweiten Faser/Faserlage 21 und der dritten Faserlage 22 vergrößert sich. Dies setzt sich dann entsprechend für die weiteren Fasern/Faserlagen und das entsprechende auxetische Material 30 bzw. den entsprechenden Teil des auxetischen Materials 30 der Matrix fort. The auxetic material 30 increased by the stretching of the auxetic material 30 or the matrix along the direction of the fibers / fiber layers 20 . 21 . 22 its cross section perpendicular to the direction of elongation. This means that the expansion of the auxetic material 30 perpendicular to the direction of the fibers / fiber layers 20 . 21 . 22 and thus perpendicular to the direction of elongation of the auxetic material 30 increases. As between two immediately adjacent fibers / fiber layers 20 . 21 . 22 (eg first 20 and second 21 Fiber layer in 1 or in 2 ) Auxetic material 30 the matrix is arranged, thereby increasing the distance between the two immediately adjacent fibers / fiber layers 20 . 21 . 22 , This means that stretching of a first fiber / fiber layer 20 close to the interior 50 of the pressure vessel 1 is arranged, to an elongation of the auxetic material 30 between the first fiber / fiber layer 20 and one of the interior 50 further than the first fiber / fiber layer 20 removed second fiber / fiber layer 21 leads. This will make the second fiber / fiber layer 21 also stretched and, as the fibers / fiber layers 20 . 21 . 22 are firmly connected to the matrix or embedded in the matrix, also the auxetic material 30 the matrix near the second fiber / fiber layer 21 , Consequently, also becomes auxetic material 30 The matrix stretched farther away from the interior 50 of the pressure vessel 1 located as the second fiber / fiber layer 21 , in the direction of the direction of the second fiber / fiber layer 21 , This in turn increases the cross-section of the auxetic material 30 at this point perpendicular to the direction of the second fiber / fiber layer 21 and the distance 62 between the second fiber / fiber layer 21 and the third fiber layer 22 increases. This then sets itself accordingly for the other fibers / fiber layers and the corresponding auxetic material 30 or the corresponding part of the auxetic material 30 the matrix continues.

Somit wächst bei einer Erhöhung des Drucks des Brennstoffs im Druckbehälter 1 der Abstand der jeweiligen Fasern/Faserlagen 20, 21, 22 (in Radialrichtung 90) zueinander. Zudem wächst der Abstand der jeweiligen Faser/Faserlage 20, 21, 22 von dem Mittelpunkt 42 des Druckbehälters 1 bzw. der Zentrumslinie 40 des Druckbehälters 1 bzw. von den Mittelpunkten 45, 46 der domartigen Endbereiche 15, 16. Thus, increasing the pressure of the fuel in the pressure vessel increases 1 the distance of the respective fibers / fiber layers 20 . 21 . 22 (in radial direction 90 ) to each other. In addition, the distance of the respective fiber / fiber layer increases 20 . 21 . 22 from the center 42 of the pressure vessel 1 or the center line 40 of the pressure vessel 1 or from the midpoints 45 . 46 the dome-like end areas 15 . 16 ,

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 1 einen sogenannten kohlenfaserverstärkten Kunststoff (CFK) bzw. faserverstärkten Kunststoff (FVK) oder besteht aus diesem. The fibers may comprise or be carbon or carbon. The matrix may comprise one or more plastics or consist of one or more plastics. Thus, the outer shell of the pressure vessel comprises 1 a so-called carbon fiber reinforced plastic (CFRP) or fiber reinforced plastic (FRP) or consists of this.

Das auxetische Material 30 und die Faserlagen 20, 21, 22 sind derart angeordnet und ausgebildet, dass bei einem Druckanstieg des Brennstoffs im Druckbehälter 1 und einer dadurch begründeten Dehnung der Fasern und folglich einer Dehnung des (zu der jeweiligen Faser/Faserlage 20, 21, 22 benachbarten) auxetischen Materials 30 entlang bzw. in Richtung der Fasern, (zumindest im zylinderförmigen Mittelteil 12 des Druckbehälters 1) der Abstand der jeweiligen Fasern/Faserlage 20, 21, 22 zu der Zentrumslinie 40 proportional zu dem Abstand 61, 62, 63 der jeweiligen Faser zu der Zentrumslinie 40 vor der Dehnung/Streckung der Faser wächst. Dies bedeutet, dass die Änderung (dr) des Abstands 61, 62, 63 der jeweiligen Faserlage 20, 21, 22 zu der Zentrumslinie 40 proportional zu dem Abstand 61, 62, 63 der jeweiligen Faserlage 20, 21, 22 zu der Zentrumslinie 40 (dieser Abstand sei r genannt) (vor der Dehnung der Faser/Faserlage 20, 21, 22 und des auxetischen Materials 30 bzw. Erhöhung des Drucks des Brennstoffs im Druckbehälter 1) ist:
dr ~ r
The auxetic material 30 and the fiber layers 20 . 21 . 22 are arranged and designed such that at a pressure increase of the fuel in the pressure vessel 1 and a thereby induced elongation of the fibers and consequently an elongation of the (to the respective fiber / fiber layer 20 . 21 . 22 adjacent) auxetic material 30 along or in the direction of the fibers, (at least in the cylindrical midsection 12 of the pressure vessel 1 ) the distance of the respective fibers / fiber layer 20 . 21 . 22 to the center line 40 proportional to the distance 61 . 62 . 63 the respective fiber to the center line 40 grows before the stretching / stretching of the fiber. This means that the change (dr) of the distance 61 . 62 . 63 the respective fiber layer 20 . 21 . 22 to the center line 40 proportional to the distance 61 . 62 . 63 the respective fiber layer 20 . 21 . 22 to the center line 40 (this distance is called r) (before stretching the fiber / fiber layer 20 . 21 . 22 and the auxetic material 30 or increasing the pressure of the fuel in the pressure vessel 1 ) is:
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 15, 16 annähernd einem Großkreis folgt, gilt in guter Näherung der obige Zusammenhang. The above relationship is derived from the uniform distribution of hoop stresses across the vessel wall thickness and strictly applies only to a circumferential grain such as occurs in the cylindrical region at the circumferential locations. Also for a fiber flow, in a hemispherical dome or in a hemispherical end region 15 . 16 Approximately follows a great circle, applies in good approximation, the above context.

Für die Axialspannungen im zylindrischen Bereich gilt zunächst, dass diese im Prinzip unabhängig von r sind. Da nun der zylindrische Bereich 12 mit den Domen 15, 16 verbunden ist und dementsprechend Fasern durch den zylindrischen Bereich 12 und die Dome 15, 16 laufen, sind hier geeignete Übergänge geschaffen worden. For the axial stresses in the cylindrical region, it is first of all true that they are independent of r in principle. Now the cylindrical area 12 with the domes 15 . 16 is connected and accordingly fibers through the cylindrical portion 12 and the dome 15 . 16 run, suitable transitions have been created here.

Der Faserwinkel im zylindrischen Bereich entscheidet darüber, wie stark die Faser bzw. die Faserlage 20, 21, 22 zur Aufnahme von jeweils Axialspannungen und jeweils Umfangsspannungen beiträgt. Der Faserwinkel kann somit als Gestaltungsparameter genutzt werden um einer optimalen Faserausnutzung nahe zu kommen. The fiber angle in the cylindrical area determines how strong the fiber or the fiber layer 20 . 21 . 22 contributes to the absorption of each axial stresses and each circumferential stresses. The fiber angle can thus be used as a design parameter to come close to optimal fiber utilization.

Es ist möglich, dass der Abstand der jeweiligen Faserlage 20, 21, 22 nicht über die gesamte Länge bzw. Ausdehnung der Faserlage 20, 21, 22 konstant ist. In diesem Fall beziehen sich die Angaben über die proportionale Ausdehnung bzw. die proportionale Änderung des Abstands jeweils auf Bereiche der Faserlagen 20, 21, 22, die (im Wesentlichen) den gleichen Abstand zur Zentrumslinie 40 oder dem Mittelpunkt 42 aufweisen. It is possible that the distance of the respective fiber layer 20 . 21 . 22 not over the entire length or extent of the fiber layer 20 . 21 . 22 is constant. In this case, the information on the proportional extent or the proportional change of the distance in each case relate to areas of the fiber layers 20 . 21 . 22 which are (essentially) the same distance to the center line 40 or the center 42 exhibit.

In 1 sind die Abstände d1 61, d2 62, d3 63 der drei Fasern/Faserlagen 20, 21, 22 im Mittelteil 12 des Druckbehälters 1 von der Zentrumslinie 40 bei einem ersten Druck des Brennstoffs (in dem Innenraum 50 bzw. Speichervolumen des Druckbehälters 1) zu sehen. In 2 sind die Abstände d4 64, d5 65, d6 66 der drei Fasern/Faserlagen 20, 21, 22 von der Zentrumslinie 40 bei einem zweiten Druck des Brennstoffs zu sehen, wobei der zweite Druck höher als der erste Druck ist. Der Abstand 61 der (von innen, d.h. nahe zu dem Innenraum 50 des Druckbehälters 1, nach außen, d.h. fern von dem Innenraum 50 des Druckbehälters 1, gesehen) ersten Faser/Faserlage 20 von der Zentrumslinie 40 ist von dem Abstandswert d1 61 nur leicht auf den Abstandswert d4 64 gestiegen. Der Abstand der zweiten Faser/Faserlage 21 ist von dem Abstandswert d2 62 auf den Abstandswert d5 65 gestiegen. Der Unterschied zwischen dem Abstandswert d5 und dem Abstandswert d2 ist größer als der Unterschied bzw. die Differenz zwischen dem Abstandswert d4 64 und dem Abstandswert d1 61. Noch größer als diese beiden Werte ist der Unterschied bzw. die Differenz der Abstände 63, 66 der dritten Faser/Faserlage 22 vor der Druckerhöhung des Brennstoffs (d.h. Abstandswert d6) und nach der Druckerhöhung des Brennstoffs (Abstandswert d3). In 1 are the distances d1 61 , d2 62 , d3 63 the three fibers / fiber layers 20 . 21 . 22 in the middle part 12 of the pressure vessel 1 from the center line 40 at a first pressure of the fuel (in the interior 50 or storage volume of the pressure vessel 1 to see). In 2 are the distances d4 64 , d5 65 , d6 66 the three fibers / fiber layers 20 . 21 . 22 from the center line 40 seen at a second pressure of the fuel, wherein the second pressure is higher than the first pressure. The distance 61 the (inside, ie close to the interior 50 of the pressure vessel 1 , to the outside, ie away from the interior 50 of the pressure vessel 1 , seen) first fiber / fiber layer 20 from the center line 40 is of the distance value d1 61 only slightly to the distance value d4 64 gone up. The distance of the second fiber / fiber layer 21 is of the distance value d2 62 to the distance value d5 65 gone up. The difference between the distance value d5 and the distance value d2 is greater than the difference or the difference between the distance value d4 64 and the distance value d1 61 , Even greater than these two values is the difference or the difference of the distances 63 . 66 the third fiber / fiber layer 22 before the pressure increase of the fuel (ie distance value d6) and after the pressure increase of the fuel (distance value d3).

In den domartigen Endbereichen 15, 16 können die Fasern/Faserlagen 20, 21, 22 derart ausgebildet und angeordnet sein, dass der Abstand der jeweiligen Faserlage 20, 21, 22 von einem Mittelpunkt 45, 46 des (nahezu) halbkugelförmigen, domartigen Endbereichs bei steigendem Druck proportional zu dem Abstand der jeweiligen Faserlage 20, 21, 22 von dem jeweiligen Mittelpunkt 45, 46 des jeweiligen domartigen Bereichs steigt. In the dome-like end areas 15 . 16 can the fibers / fiber layers 20 . 21 . 22 be formed and arranged such that the distance between the respective fiber layer 20 . 21 . 22 from a center 45 . 46 of the (nearly) hemispherical, dome-shaped end region with increasing pressure proportional to the distance of the respective fiber layer 20 . 21 . 22 from the respective center 45 . 46 of the respective dome-like area increases.

Die Bewegung der Fasern aufgrund eines Druckanstiegs des Brennstoffs im Druckbehälter 1 ist im Querschnitt gesehen, wie in 1 und in 2 gezeigt ist, eine Art zentrische Streckung. The movement of the fibers due to a pressure increase of the fuel in the pressure vessel 1 is seen in cross-section, as in 1 and in 2 shown is a kind of centric extension.

Durch die beschriebene Ausdehnung des auxetischen Materials 30 werden die weiter außenliegenden Fasern/Faserlagen 20, 21, 22 (d.h. Fasern/Faserlagen 20, 21, 22 mit einer größeren Entfernung von dem Innenraum 50 des Druckbehälters 1) genauso stark gedehnt bzw. gestreckt wie die weiter innenliegenden Fasern/Faserlagen 20, 21, 22 des Druckbehälters 1. Dadurch findet eine optimale bzw. gleichmäßigere Ausnutzung der vorhandenen Fasern/Faserlagen 20, 21, 22 statt. Dies bedeutet, dass das vorhandene Material der Außenhülle des Druckbehälters 1 optimal ausgenutzt wird. Somit weist der Druckbehälter 1 relativ zu seiner Druckfestigkeit bzw. seinem maximalen Druck bzw. Betriebsdruck ein besonders geringes Gewicht auf und ist besonders kostengünstig herstellbar. Der Abstand der Fasern/Faserlagen 20, 21, 22 zueinander sinkt bei Druckerhöhung des Brennstoffs nicht, sondern der Abstand zueinander wächst durch die Ausdehnung des auxetischen Materials 30 der Matrix. By the described expansion of the auxetic material 30 become the more external fibers / fiber layers 20 . 21 . 22 (ie fibers / fiber layers 20 . 21 . 22 with a greater distance from the interior 50 of the pressure vessel 1 ) stretched or stretched as much as the fibers / fiber layers lying further inside 20 . 21 . 22 of the pressure vessel 1 , This results in an optimal or more uniform utilization of the existing fibers / fiber layers 20 . 21 . 22 instead of. This means that the existing material of the outer shell of the pressure vessel 1 optimally utilized. Thus, the pressure vessel points 1 relative to its compressive strength and its maximum pressure or operating pressure on a particularly low weight and is particularly inexpensive to produce. The distance of the fibers / fiber layers 20 . 21 . 22 does not decrease with increasing pressure of the fuel, but the distance to each other grows due to the expansion of the auxetic material 30 the matrix.

Es ist möglich, dass die Außenhülle neben der Matrix und der Faser/den Faserlagen 20, 21, 22 keine weiteren Materialien aufweist. It is possible that the outer shell next to the matrix and the fiber / fiber layers 20 . 21 . 22 has no other materials.

Das auxetische Material 30 kann ein auxetisches Material auf molekularer Ebene, wie z.B. ein Flüssigkristallpolymer (liquid crystalline polymer; siehe He, C., Liu, P. & Griffin, A.C., „Toward negative Poisson ratio polymers through molecular design“ in „Macromolecules, 31, 3145, Jahr 1998), kristalline Zellulose, kubische Reinmetalle, Zeolith, α-Cristobalit und/oder α-Quartz sein. Hierdurch ist sichergestellt, dass das auxetische Material 30 aufgrund des Drucks nicht kollabiert und seine auxetische Eigenschaft nicht verliert. The auxetic material 30 For example, a molecular-level auxetic material, such as a liquid crystalline polymer (see He, C., Liu, P. & Griffin, AC, "Toward Negative Poisson Ratio polymers through molecular design" in Macromolecules, 31, 3145, Year 1998), crystalline cellulose, cubic pure metals, zeolite, α-cristobalite and / or α-quartz. This ensures that the auxetic material 30 due to the pressure does not collapse and does not lose its auxetic property.

Das auxetische Material 30 kann nanostrukturiert sein und/oder durch ein Verfahren der Nanostrukturierung entstanden sein. The auxetic material 30 may be nanostructured and / or formed by a nanostructuring process.

Das auxetische Material 30 kann anisotrope Eigenschaften haben. Es kann insbesondere auf Dehnung bzw. Streckung in der Vorzugsrichtung mit unterschiedlicher Dehnung bzw. Streckung in den beiden zur Vorzugsrichtung senkrechten Raumrichtungen reagieren. The auxetic material 30 may have anisotropic properties. In particular, it can react to elongation or stretching in the preferred direction with different elongation or extension in the two spatial directions perpendicular to the preferred direction.

Es kann in einem Druckbehälter 1 mehr als ein auxetisches Material 30, 30‘ verwendet werden. Die Materialien 30, 30‘ können sich in ihrer Poissonzahl oder genauer dem Verlauf ihrer Poissonzahl über die Dehnung unterscheiden. It can be in a pressure vessel 1 more than auxetic material 30 . 30 ' be used. The materials 30 . 30 ' can differ in their Poisson number or, more precisely, the course of their Poisson number on the strain.

Durch die Ausdehnung des auxetischen Materials 30 aufgrund der Dehnung der Fasern/Faserlagen 20, 21, 22 wächst im Idealfall die Dicke der Außenhülle des Druckbehälters 1. Diese Dickenzunahme führt theoretisch zu einer völlig gleichmäßigen Auslastung aller Fasern und stellt damit die optimale Behälterauslegung dar. Due to the expansion of the auxetic material 30 due to the stretching of the fibers / fiber layers 20 . 21 . 22 Ideally, the thickness of the outer shell of the pressure vessel grows 1 , This increase in thickness theoretically leads to a completely uniform utilization of all fibers and thus represents the optimal container design.

Unter ungünstigen bzw. ungünstigsten Umständen kann es passieren, dass trotz des Einsatzes von auxetischen Materialien 30 die Dehnung der Fasern/Faserlagen 20, 21, 22 nicht zu einem idealen Anwachsen der Dicke der Außenhülle führt. Aber zumindest das ohne den Einsatz von auxetischem Material 30 mit steigendem Innendruck erfolgende Absinken der Dicke der Außenhülle, kann durch den Einsatz von auxetischen Materialien 30 ganz oder teilweise kompensiert werden. Dadurch kann dann zumindest die Faserbelastung gleichmäßiger gestaltet werden, indem die ohne den Einsatz von auxetischen Materialien 30 erheblich weniger belasteten äußeren Fasern/Faserlagen stärker zum Mittragen der Last bzw. der auftretenden Kräfte gebracht werden und somit eine gegenüber der Ausgangslage bzw. dem Stand der Technik gleichmäßigere Auslastung des Materials und damit eine verbesserte Behälterauslegung erreicht werden. In unfavorable or unfavorable circumstances it can happen that despite the use of auxetic materials 30 the stretching of the fibers / fiber layers 20 . 21 . 22 does not lead to an ideal increase in the thickness of the outer shell. But at least that without the use of auxetic material 30 Decreasing the thickness of the outer shell with increasing internal pressure can be achieved through the use of auxetic materials 30 be compensated in whole or in part. As a result, at least the fiber load can be made more uniform by the without the use of auxetic materials 30 considerably less loaded outer fibers / fiber layers are brought more strongly to carry the load or the forces occurring and thus a relation to the starting position or the prior art more uniform utilization of the material and thus an improved container design can be achieved.

Bei einem Kryodruckbehälter grenzt an die äußerste Faserlage 22 außen der evakuierte Raum zwischen dem Innenbehälter und dem Außenbehälter an. In a cryopressure container adjacent to the outermost fiber layer 22 outside the evacuated space between the inner container and the outer container.

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 30 umfassen, Bereiche vorhanden sind, die kein auxetisches Material aufweisen. Es ist auch vorstellbar, dass sich die Verteilung des auxetischen Materials 30 sich im Mittelteil 12 und in den domartigen Endbereichen 15, 16 unterscheidet. It is also conceivable that between areas of the matrix, the auxetic material 30 include areas that have no auxetic material. It is also conceivable that the distribution of the auxetic material 30 in the middle section 12 and in the dome-like end areas 15 . 16 different.

In 1 und in 2 ist nur eine kleine Anzahl an Faserlagen gezeigt. Der Druckbehälter bzw. die Außenhülle des Druckbehälters kann eine große Vielzahl von Faserlagen umfassen, die jeweils eine große Anzahl von Fasern umfasst. In 1 and in 2 only a small number of fiber layers are shown. The pressure vessel or outer shell of the pressure vessel may comprise a wide variety of fiber layers, each comprising a large number of fibers.

3 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einiger Faserlagen 20, 21, 22 eines Druckbehälters 1 bei einem ersten Druck des Brennstoffs im Druckbehälter 1. 4 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einiger Faserlagen 20, 21, 22 des Druckbehälters 1 aus 3 bei einem zweiten Druck des Brennstoffs im Druckbehälter 1, wobei der zweite Druck höher als der erste Druck ist. Nur die Außenhülle ist jeweils gezeigt, d.h. die Innenhülle (Liner) ist nicht gezeigt. Der Abstand 70 der zweiten Faserlage 21 von der ersten Faserlage 20 ist weniger stark gewachsen als der Abstand 71 der dritten Faserlage 22 von der zweiten Faserlage 21. Deutlich ist in 3 und 4 zu erkennen, dass die weiter innenliegenden Fasern/Faserlagen 20, 21, 22 sich weniger weit von ihren Position vor der Druckerhöhung entfernen als die weiter außenliegenden Fasern/Faserlagen 20, 21, 22. Die Enden der Fasern 20, 21, 22 werden in der gezeigten Ausführungsform ortsfest gehalten. Dies ist eine abstrahierte Darstellung und dient nur zur vereinfachten Darstellung des prinzipiellen Aufbaus des Matrixmaterials umfassend Fasern/Faserlage 20, 21, 22 und ein auxetisches Material 30. 3 shows a schematic cross-sectional view of some fiber layers 20 . 21 . 22 a pressure vessel 1 at a first pressure of the fuel in the pressure vessel 1 , 4 shows a schematic cross-sectional view of some fiber layers 20 . 21 . 22 of the pressure vessel 1 out 3 at a second pressure of the fuel in the pressure vessel 1 , wherein the second pressure is higher than the first pressure. Only the outer shell is shown in each case, ie, the inner liner is not shown. The distance 70 the second fiber layer 21 from the first fiber layer 20 has grown less than the distance 71 the third fiber layer 22 from the second fiber layer 21 , It is clear in 3 and 4 to recognize that the more inward fibers / fiber layers 20 . 21 . 22 Move less far from their position before the pressure increase than the more external fibers / fiber layers 20 . 21 . 22 , The ends of the fibers 20 . 21 . 22 are held stationary in the embodiment shown. This is an abstracted representation and serves only to simplify the illustration of the basic structure of the matrix material comprising fibers / fiber layer 20 . 21 . 22 and auxetic material 30 ,

Die Zeichnungen sind nicht maßstabsgetreu. Insbesondere ist die Ausdehnung des auxetischen Materials 30 in den Zeichnungen typischerweise größer als in der Realität bzw. Wirklichkeit. In den Zeichnungen ist die Ausdehnung der Matrix bzw. des auxetischen Materials 30 übertrieben dargestellt, damit die Veränderung der Abstände der Fasern in den Zeichnungen deutlich zu erkennen ist. The drawings are not to scale. In particular, the extent of the auxetic material 30 typically larger in the drawings than in reality. In the drawings, the extent of the matrix or the auxetic material 30 exaggerated, so that the change in the distances of the fibers is clearly visible in the drawings.

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)

Druckbehältersystem umfassend einen Druckbehälter (1) zum Speichern eines Brennstoffs, insbesondere von Wasserstoff, 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) zumindest als Additiv umfasst, das eine Verringerung der Poissonzahl der Matrix bewirkt. Pressure vessel system comprising a pressure vessel ( 1 ) for storing a fuel, in particular hydrogen, wherein the pressure vessel ( 1 ) a matrix and embedded in the matrix fibers, in particular fiber layers ( 20 . 21 . 22 ), wherein the matrix is an auxetic material ( 30 ) at least as an additive which causes a reduction in the Poisson number of the matrix. Druckbehältersystem nach Anspruch 1, wobei die Matrix das auxetische Material (30) derart umfasst, dass der Spannungsverlauf in einer einen Liner zumindest teilweise umgebenden Außenhülle gleichmäßiger ist als in einer Außenhülle mit einer Matrix ohne auxetischem Material. A pressure vessel system according to claim 1, wherein the matrix comprises the auxetic material ( 30 ) such that the stress curve in a liner at least partially surrounding outer shell is more uniform than in an outer shell with a matrix without auxetic material. Druckbehältersystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Matrix das auxetische Material (30) derart umfasst, dass die Abstände (70, 71) der Fasern, insbesondere der Faserlagen (20, 21, 22), zueinander in Radialrichtung (90) des Druckbehälters (1) aufgrund eines Druckanstiegs des Brennstoffs sich weniger stark verringern als bei einer ansonsten gleichen Matrix ohne auxetischem Material. A pressure vessel system according to claim 1 or 2, wherein the matrix comprises the auxetic material ( 30 ) such that the distances ( 70 . 71 ) of the fibers, in particular the fiber layers ( 20 . 21 . 22 ), to each other in the radial direction ( 90 ) of the pressure vessel ( 1 ) decrease less due to a pressure increase of the fuel than in an otherwise same matrix without auxetic material. Druckbehältersystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Matrix das auxetische Material (30) derart umfasst, dass die Abstände (70, 71) der Fasern, insbesondere der Faserlagen (20, 21, 22), zueinander in Radialrichtung (90) des Druckbehälters (1) wachsen, wenn die Matrix aufgrund eines Druckanstiegs des Brennstoffs in dem Druckbehälter (1) entlang der Fasern gedehnt wird. A pressure vessel system according to claim 1 or 2, wherein the matrix comprises the auxetic material ( 30 ) such that the distances ( 70 . 71 ) of the fibers, in particular the fiber layers ( 20 . 21 . 22 ), to each other in the radial direction ( 90 ) of the pressure vessel ( 1 ) grow when the matrix due to a pressure increase of the fuel in the pressure vessel ( 1 ) is stretched along the fibers. Druckbehältersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fasern in der Matrix zumindest teilweise derart angeordnet sind und das auxetische Material (30) zumindest teilweise derart ausgebildet und angeordnet ist, dass bei einer Dehnung der Matrix entlang der Fasern der Abstand (61, 62, 63) der jeweiligen Faser, insbesondere der jeweiligen Faserlage (20, 21, 22), von einem Mittelpunkt (42) oder einer Zentrumslinie (40) des Druckbehälters (1) proportional zu dem Abstand (61, 62, 63) der jeweiligen Faser zu dem Mittelpunkt (42) oder der Zentrumslinie (40) des Druckbehälters (1) vor der Dehnung der Matrix wächst. Pressure vessel system according to one of the preceding claims, wherein the fibers in the matrix are arranged at least partially and the auxetic material ( 30 ) is at least partially designed and arranged such that when the matrix is stretched along the fibers, the distance ( 61 . 62 . 63 ) of the respective fiber, in particular the respective fiber layer ( 20 . 21 . 22 ), from a midpoint ( 42 ) or a center line ( 40 ) of the pressure vessel ( 1 ) proportional to the distance ( 61 . 62 . 63 ) of the respective fiber to the center ( 42 ) or the center line ( 40 ) of the pressure vessel ( 1 ) grows before stretching the matrix. Druckbehältersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das auxetische Material (30) ein auxetisches Material auf molekularer Ebene umfasst oder ist. Pressure vessel system according to one of the preceding claims, wherein the auxetic material ( 30 ) comprises or is an auxetic material at the molecular level. Druckbehältersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das auxetische Material (30) in der Matrix gleichmäßig verteilt ist; und/oder wobei das auxetische Material (30) eine invertierte Hexagonalstruktur aufweist; und/oder wobei die Matrix und die in der Matrix eingebettete Fasern zumindest bereichsweise in einem Mittelteil (12) und/oder in einem Endbereich (15, 16) angeordnet ist. Pressure vessel system according to one of the preceding claims, wherein the auxetic material ( 30 ) is evenly distributed in the matrix; and / or wherein the auxetic material ( 30 ) has an inverted hexagonal structure; and / or wherein the matrix and the fibers embedded in the matrix at least partially in a central part ( 12 ) and / or in an end region ( 15 . 16 ) is arranged. Druckbehältersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Matrix mindestens zwei unterschiedliche Materialien umfasst, die sich in ihrer Poissonzahl unterscheiden.  Pressure vessel system according to one of the preceding claims, wherein the matrix comprises at least two different materials which differ in their Poisson number. Druckbehältersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Abstände (61, 62, 63) der Fasern, insbesondere der Faserlagen (20, 21, 22), von dem Innenraum (50) des Druckbehälters (1) wachsen, wenn die Matrix aufgrund eines Druckanstiegs des Brennstoffs in dem Druckbehälter (1) entlang der Fasern gedehnt wird. Pressure vessel system according to one of the preceding claims, wherein the distances ( 61 . 62 . 63 ) of the fibers, in particular the fiber layers ( 20 . 21 . 22 ), from the interior ( 50 ) of the pressure vessel ( 1 ) grow when the matrix due to a pressure increase of the fuel in the pressure vessel ( 1 ) is stretched along the fibers. Druckbehältersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das auxetische Material (30) anisotrope Eigenschaften derart aufweist, dass sich das auxetische Material (30) in unterschiedlichen Richtungen senkrecht zur Richtung entlang der Fasern unterschiedlich stark ausdehnt, wenn die Matrix aufgrund eines Druckanstiegs des Brennstoffs in dem Druckbehälter (1) entlang der Fasern gedehnt wird. Pressure vessel system according to one of the preceding claims, wherein the auxetic material ( 30 ) has anisotropic properties such that the auxetic material ( 30 ) varies in different directions perpendicular to the direction along the fibers to different extents when the matrix due to a pressure increase of the fuel in the pressure vessel ( 1 ) is stretched along the fibers.
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