DE102016220993A1 - Druckbehälter mit einem Auslass für zwischen einem Liner und einer faserverstärkten Schicht angesammelten Brennstoff - Google Patents

Druckbehälter mit einem Auslass für zwischen einem Liner und einer faserverstärkten Schicht angesammelten Brennstoff Download PDF

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Abstract

Die hier offenbarte Technologie betrifft einen Druckbehälter 100 zur Speicherung von Brennstoff mit einem Liner 110 und einer faserverstärkte Schicht 120, die den Liner 110 zumindest bereichsweise umgibt. Der mindestens eine Auslass 150 dient zum Abführen von sich zwischen dem Liner 110 und der faserverstärkten Schicht 120 angesammelten und abzulassenden Brennstoff. Ferner umfasst der Druckbehälter mindestens einen Wärmeschutz 156, der eingerichtet ist, zumindest die faserverstärkte Schicht 120 vor einer thermischen Beschädigung durch eine am Auslass 150 ausbildbare Flamme zu schützen.

Description

  • Die hier offenbarte Technologie betrifft einen Druckbehälter mit einem Auslass für zwischen einem Liner und einer faserverstärkten Schicht angesammelten Brennstoff.
  • Druckbehälter zur Speicherung von Brennstoff als solche sind bekannt. Sie umfassen i.d.R. einen Liner 20 und eine faserverstärkte Schicht 21, die den Liner 20 umgibt (vgl. 1). Es kann vorkommen, dass der Liner 20 im Vergleich zur faserverstärkten Schicht 21 eine höhere Brennstoff-Permeationsrate aufweist. Somit kann sich Brennstoff zwischen dem Liner und der faserverstärkten Schicht 21 ansammeln. Unter Umständen kann diese Ansammlung von Brennstoff in einen Spalt 71 strömen und durch eine Brennstoff-Austrittsstelle bzw. einen Auslass 51 entweichen, der sich eventuell am Druckbehälterhals 11 ausbilden könnte (vgl. 1 und 14 der deutschen Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer DE 10 2009 042401 A1 ). Zur Abhilfe wird in der DE 10 2009 042401 A1 vorgeschlagen, den Liner mit einer Gassperrschicht auszustatten.
  • Es ist eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, zumindest einen Nachteil der vorbekannten Lösungen zu verringern oder zu beheben oder eine Alternative bereitzustellen. Insbesondere ist es eine Aufgabe der hier offenbarten Technologie, aus der Grenzschicht zwischen Liner und faserverstärkten Schicht über den Druckbehälterhals in den Einbauraum des Druckbehälters entweichende Brenngase größeren Ausmaßes zu vermeiden bzw. besser zu kontrollieren. Weitere bevorzugte Aufgaben können sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie ergeben. Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.
  • Die hier offenbarte Technologie betrifft einen Druckbehälter zur Speicherung von unter Umgebungsbedingungen gasförmigen Brennstoff. Der Druckbehälter kann beispielsweise in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden, das mit komprimiertem („Compressed Natural Gas“ = CNG) oder verflüssigtem (LNG) Erdgas oder mit Wasserstoff betrieben wird.
  • Der Druckbehälter kann beispielsweise ein Hochdruckgasbehälter (= CGH2) sein. Hochdruckgasbehälter sind ausgebildet, im Wesentlichen bei Umgebungstemperaturen Brennstoff dauerhaft bei einem nominalen Betriebsdruck (auch nominal working pressure oder NWP genannt) von ca. 350 barü (= Überdruck gegenüber dem Atmosphärendruck), ferner bevorzugt von ca. 700 barü oder mehr zu speichern. Ein kryogener Druckbehälter ist geeignet, den Brennstoff bei den vorgenannten Betriebsdrücken auch bei Temperaturen zu speichern, die deutlich unter der Betriebstemperatur des Kraftfahrzeuges liegen.
  • Der Druckbehälter umfasst einen Liner. Der Liner bildet den Hohlkörper aus, 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.
  • Der Druckbehälter umfasst mindestens eine faserverstärkte Schicht. Die faserverstärkte Schicht kann einen Liner zumindest bereichsweise, bevorzugt vollständig, umgeben. Die faserverstärkte Schicht wird oft auch als Laminat bzw. Ummantelung oder Armierung bezeichnet. Als faserverstärkte Schicht kommen i.d.R. faserverstärkte Kunststoffe (auch FVK bzw. FKV abgekürzt) zum Einsatz, bspw. kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) und/oder glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK). Die faserverstärkte Schicht umfasst zweckmäßig in einer Kunststoffmatrix eingebettete Verstärkungsfasern. Insbesondere Matrixmaterial, Art und Anteil an Verstärkungsfasern sowie deren Orientierung können variiert werden, damit sich die gewünschten mechanischen und/oder chemischen Eigenschaften einstellen. Bevorzugt werden Endlosfasern als Verstärkungsfasern eingesetzt, die durch Wickeln und/oder Flechten aufgebracht werden können.
  • Zwischen dem Liner und der faserverstärkten Schicht kann eine Transportschicht (engl.: breather layer) vorgesehen sein. Die Transportschicht kann insbesondere derart gasdurchlässig ausgebildet sein, dass durch den Liner diffundierter Brennstoff in andere Bereiche strömen kann, beispielsweise in Richtung der Enden des Druckbehälters. Die Transportschicht kann hierzu beispielsweise Mikrokanäle oder Mikrospalte ausbilden. Eine solche Transportschicht muss aber nicht vorgesehen sein. Diese Transportschicht kann dann die hier offenbarte Grenzschicht zwischen Liner und faserverstärkte Schicht mit ausbilden.
  • Der hier offenbarte Druckbehälter kann ferner mindestens ein Endstück umfassen, welches an einem Ende und bevorzugt an beiden Enden des Druckbehälters ausgebildet ist. Das Endstück umfasst an mindestens einem Ende mindestens einen Fluiddurchlass für den Brennstoff. l.d.R. weist das andere Ende dann keinen Fluiddurchlass auf. Durch den mindestens einen Fluiddurchlass wird der Druckbehälter betankt und/oder dem Druckbehälter Brennstoff entnommen. In der Regel ist hierfür eine Endstück-Öffnung vorgesehen, in die eine Ventileinheit (= On-Tank-Valve; OTV) eingesetzt, insbesondere eingeschraubt, wird. Das Endstück kann ein separates Bauteil (oft dann als Boss bezeichnet) sein. Alternativ kann das Endstück aber auch einteilig bzw. einstückig mit dem Liner ausgebildet sein. Das Endstück umfasst einen im verbauten Zustand i.d.R. aus dem Druckbehälter herausführenden Hals (engl.: neck) sowie einen sich in axialer Richtung des Druckbehälters in den Druckbehälter hinein verbreiternden Teil. Bevorzugt ist das Endstück aus einem Metallmaterial gefertigt, beispielsweise Aluminium.
  • Die hier offenbarte faserverstärkte Schicht kann direkt oder indirekt zumindest teilweise das hier offenbarte Endstück überdecken. Die faserverstärkte Schicht kann zumindest bereichsweise direkt auf dem Endstück aufliegen. Alternativ kann noch mindestens eine Schicht zwischen Endstück und faserverstärkter Schicht angeordnet sein. Beispielsweise kann in einer Ausgestaltung der Liner oder eine Transportschicht zumindest bereichsweise noch zwischen der faserverstärkten Schicht und dem Endstück angeordnet sein.
  • Der hier offenbarte Druckbehälter umfasst ferner mindestens einen Auslass, der ausgebildet ist, in einer Grenzschicht zwischen dem Liner und der faserverstärkten Schicht permeierten bzw. angesammelten bzw. sich ansammelnden und abzulassenden Brennstoff (nachstehend vereinfachend: „abzulassender Brennstoff“) abzuführen.
  • In einer Ausgestaltung kann der Auslass von mindestens einer an die Umgebung des Druckbehälters angrenzenden Brennstoff-Austrittsstelle ausgebildet werden, aus der der abzulassende Brennstoff in die Umgebung austreten würde. Es wird hier hypothetisch angenommen, dass es dort zur Ausbildung einer Flamme F kommen kann. Die Brennstoff-Austrittsstelle kann zwischen der faserverstärkten Schicht und dem Endstück vorgesehen sein. Beispielsweise kann die Brennstoff-Austrittsstelle von dem Liner bzw. Boss mit der faserverstärkten Schicht ausbildet werden. Ein solcher Auslass ist beispielsweise die Brennstoff-Austrittsstelle 51 der 1. Die Brennstoff-Austrittsstelle kann insbesondere an der Außenoberfläche der faserverstärkten Schicht vorgesehen sein.
  • In einer weiteren Ausgestaltung kann die Brennstoff-Austrittsstelle in einem weiteren Strukturelement vorgesehen, das hier dann den Auslass ausbildet Ein solcher Auslass kann separat befestigt werden oder integral mit einem anderen Bauteil, beispielsweise dem Boss, ausgebildet sein. Ein solcher Auslass kann dazu dienen, den Strömungsweg des abzulassenden Brennstoffs vor dem Austritt zu beeinflussen bzw. mit auszubilden. Ein solcher Auslass ist beispielsweise in der 2 gezeigt.
  • Im Gegensatz zum Auslass 51 der 1 kann gemäß der hier offenbarten Technologie der Strömungsweg des abzulassenden Brennstoffs durch die Gestaltung am Endstück vorgegeben sein. Vorteilhaft kann die Brennstoff-Austrittsstelle beispielsweise in der Einbaulage des Druckbehälters oberhalb von der Endstücköffnung angeordnet sein. Vorteilhaft steigt die durch die Verbrennung entstehende Hitze dann vertikal auf, ohne dass sie entlang der faserverstärkten Schicht oder am thermischen Druckentlastungsventil entlang strömt.
  • Hierzu können beispielsweise das Endstück und die faserverstärkte Schicht am Hals des Endstücks entsprechend geformt werden, beispielsweise so, dass eine eventuell entstehende Flamme vom Druckbehälter (und insbesondere von der faserverstärkten Schicht) weg orientiert ist. Sofern der Auslass ein weiteres Strukturelement ist, kann durch die Ausgestaltung des Strömungswegs und der Brennstoff-Austrittstelle die thermische Beeinflussung angrenzender Bauteile durch die Flamme beeinflusst werden.
  • Somit kann die Wahrscheinlichkeit einer thermischen Beeinflussung von Bauteilen des Druckbehälters oder solchen benachbart dazu zumindest weiter verringert werden.
  • Der mindestens eine Auslass bzw. der weiter unten beschriebene mindestens eine Wärmeschutz kann als Kragen bzw. Ummantelung bzw. Kragenabschnitt (nachstehend vereinfachend: „Kragen“) vorgesehen sein.
  • Der Kragen kann vollständig oder aber auch nur teilweise um das Endstück, bevorzugt um den Hals des Endstücks, herumgeführt sein. Bevorzugt kann der Kragen konzentrisch zum Endstück angeordnet sein. Der Kragen kann an einem Ende des Druckbehälters oder aber bevorzugt an beiden Enden, auch Dome genannt, vorgesehen sein. Die konkrete Geometrie vom Kragen kann in der Draufsicht sowie im Querschnitt variieren und kann insbesondere auch von einer geschlossenen Ringform abweichen. So können beispielsweise auch um den Hals des Endstücks umliegend angeordnete Ausnehmungen in der Druckbehälterwand als (hier dann in die Druckbehälterwand eingelassener) Kragen angesehen werden, obwohl diese keine geschlossene Ringform aufweisen und/oder kein separates Bauteil darstellen.
  • Bevorzugt umgibt der Kragen von außen das Endstück, insbesondere den Hals des Endstücks. Der Kragen kann dabei auf der Wandung des Druckbehälters, bevorzugt auf der Außenseite der faserverstärkten Schicht direkt oder indirekt aufliegen bzw. anliegen. Mithin könnten also noch etwaige Deckschichten zumindest bereichsweise zwischen der faserverstärkten Schicht und dem Kragen angeordnet sein. Insbesondere kann der Kragen ausgebildet sein, eine Verformung der faserverstärkten Schicht in einer Richtung weg vom Liner zu verringern Besonders bevorzugt liegt der Kragen zumindest abschnittsweise dichtend auf der Druckbehälterwand bzw. auf der Außenseite der faserverstärkten Schicht auf. Dabei kann zumindest abschnittsweise ein Dichtelement zwischen dem Kragen und der bzw. der faserverstärkten Schicht vorgesehen sein. Das Dichtelement ist hinsichtlich des Materials und der Dimensionierung so gestaltet, dass es die Verformungen und/oder Verschiebungen zwischen faserverstärkter Schicht und Endstück über den gesamten Druck- und Temperatur-Bereich des Druckbehälters ausgleichen kann und seine Dichtwirkung aufrecht erhält.
  • Der hier offenbarte Kragen interferiert zweckmäßig nicht mit dem On-Tank-Valve. Letzteres kann unabhängig vom Kragen getauscht werden. Ferner hat der Kragen auch keinerlei negativen Einfluss auf die Dichtheit der Verschraubung des On-Tank-Valves. Es wird ein vergleichsweise einfacher, kostengünstiger und/oder platzsparender Aufbau offenbart. Der Kragen greift von außen an die faserverstärkte Schicht an. Somit ist die Wahrscheinlichkeit reduziert, dass verstopfte Ablasskanäle dazu führen, dass sich der Brennstoff einen anderen Weg aus den Druckbehälter sucht. Insgesamt kann hier die Ausfallsicherheit gesteigert werden.
  • Der hier gezeigte Auslass bzw. Kragen kann so angeordnet sein, dass das Matrixmaterial insbesondere während der Herstellung der faserverstärkten Schicht nicht die Strömungskanäle vom Auslass bzw. vom Kragen verstopfen kann.
  • Bevorzugt weist der Kragen ein hitzebeständiges Material zumindest in dem Bereich auf, in dem der abzulassende Brennstoff in die Umgebung austritt. In einer Auslegung kann der Auslass aus einem Material, insbesondere einem Metallmaterial gefertigt sein, das eine Schmelztemperatur aufweist, die höher ist als die Verbrennungstemperatur des Brennstoffs. Die Verbrennungstemperatur oder auch Flammentemperatur liegt beispielsweise für eine Erdgasflamme in Luft bei 1970°C und für eine Wasserstoffflamme in Luft bei maximal 2130°C. In einer konservativen Auslegung kann also jeweils ein Metall mit einer Schmelztemperatur eingesetzt werden, die über diesen jeweiligen Werten liegt, wie beispielsweise Wolfram mit einer Schmelztemperatur von über 3400°C. Somit ist sichergestellt, dass der Auslass auch in dem Fall einwandfrei funktioniert, in dem sich eine Flamme an der Ablassstelle ausbildet. Ferner unterstützt ein Metallmaterial das Abkühlen des Brenngases und erhöht somit die Fähigkeit des Auslasses zur Durchschlagssicherung.
  • Durch Experimente und/oder Thermo-Simulationen ist aufzeigbar, dass die maximalen Temperaturen des Auslasses durch die Abkühleffekte immer deutlich unterhalb der Flammentemperatur liegen, so dass in der Praxis die Schmelztemperatur des Metalls am Auslass auch niedriger sein darf, ohne dass es zu Funktionseinbußen kommt. Vorteilhaft können also Endstück und Kragen aus Metall gebildet sein. Weiterhin kommen auch Keramiken in Betracht. Diese weisen i.d.R. eine sehr hohe Temperaturbeständigkeit auf.
  • Der mindestens eine Auslass kann mindestens eine Ausströmöffnung oder eine Vielzahl an Ausströmöffnungen (nachstehend vereinfachend „mindestens eine Ausströmöffnung“) aufweisen, durch die der abzulassende Brennstoff in die Umgebung austreten kann. Die Ausströmöffnungen können in einer bevorzugten Ausgestaltung voneinander beabstandet sein. Insbesondere kann die Beabstandung der Ausströmöffnungen so gewählt werden, dass es zu keiner Interaktion der Wasserstoffausströmungen dergestalt kommen kann, dass sich die einzeln nicht brennbaren Wasserstoffausströmungen so vereinigen, dass brennbare Wasserstoffausströmungen entstehen.
  • Bilden sich nun an den Ausströmöffnungen Flammen aus, so wird die dadurch entstehende Wärme gleichmäßiger verteilt als bei lediglich einer einzigen Brennstoff-Austrittsstelle.
  • Die hier offenbarte Technologie umfasst mindestens einen Wärmeschutz bzw. mindestens ein Wärmeschild (nachstehend wird vereinfachend der Begriff „Wärmeschutz). Der Wärmeschutz ist eingerichtet, zumindest die faserverstärkte Schicht vor einer thermischen Beschädigung durch eine am Auslass ausbildbare Flamme zu schützen. Bevorzugt ist der Wärmeschutz eingerichtet, thermische Schäden an der faserverstärkten Schicht zu vermeiden, die Auswirkung auf das mechanische Verhalten der faserverstärkten Schicht haben könnten. Bevorzugt ist hierzu der Wärmeschutz eingerichtet, insbesondere die von der am Auslass ausbildbare Flamme ausgehende Wärmestrahlung von der faserverstärkten Schicht abzuwenden.
  • Der hier offenbarte Wärmeschutz kann insbesondere so ausgestaltet sein, dass der Wärmeschutz die durch die am Auslass ausbildbaren Flamme entstehende Wärme von der faserverstärkten Schicht weg leiten kann.
  • Besonders bevorzugt ist der Wärmeschutz als Trennwand ausgebildet, wobei auf einer Seite der Trennwand der Auslass angeordnet ist, und wobei auf der anderen Seite der Trennwand die faserverstärkte Schicht angeordnet ist. Insbesondere ist die Trennwand derart eingerichtet, dass die Wärmestrahlen, die die am Auslass ausbildbare Flamme aussendet, nicht direkt zur faserverstärkten Schicht gelangen können. Somit wird eine direkte auf Erwärmung der faserverstärkten Schicht durch die Flamme vermieden. In der Trennwand können Durchbrüche vorgesehen sein. Insbesondere kann die Trennwand ein nach unten offenes Segment aufweisen. Die Durchbrüche können bevorzugt auch außerhalb vom Außendurchmesser des Druckbehälters angeordnet sein.
  • Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die von einer lokalen Wärmequelle außerhalb des Endes (z.B. einer Wärmequelle im Mittelbereich) ausgehende Wärme durch eine Wärmefördereinrichtung zu einem am Ende des Druckbehälters vorgesehenem TPRD aktiv und/oder passiv gefördert wird, beispielsweise durch entsprechende Kanäle.,
  • Zweckmäßig erstreckt sich der Wärmeschutz von einer Druckbehälterlängsachse A-A der mindestens einen Druckbehälterlängsachse A-A des Druckbehälters nach außen weg. Der Wärmeschutz kann sich dabei senkrecht zu Druckbehälterlängsachse A-A erstrecken oder aber in einem anderen Winkel. Besonders bevorzugt erstreckt sich der Wärmeschutz von der Druckbehälterlängsachse A-A und gleichzeitig vom Mittenbereich des Druckbehälters nach außen weg (d.h. sowohl in radialer Richtung als auch in axialer Richtung), er kann also leicht nach vorne gerichtet sein. In einer Ausgestaltung ist beispielsweise das On-Tank-Valves zumindest teilweise im Wärmeschutz aufgenommen. Bevorzugt beginnt der Wärmeschutz direkt am Auslass bzw. bildet einen Teil des Auslasses mit aus. Vorteilhaft kann der Wärmeschutz den Auslass bzw. das Endstück ringförmig umgeben. Sofern der Druckbehälter T-förmig ausgebildet sein sollte, weist der Druckbehälter mehrere Druckbehälterlängsachsen auf. In diesem Fall kann sich der Wärmeschutz von einer der Druckbehälterlängsachsen A-A des Druckbehälters nach außen weg erstrecken.
  • Besonders bevorzugt ist der hier offenbarte Wärmeschutz nur in einem Endbereich oder in beiden Endbereichen eines Druckbehälters vorgesehen. Mit anderen Worten kann also der Mittenbereich bzw. zylindrische Bereich des Druckbehälters keinen Wärmeschutz aufweisen.
  • Besonders bevorzugt ist der Wärmeschutz wärmeleitend mit einer Fahrzeugkarosserie des Kraftfahrzeugs verbindbar bzw. verbunden, sodass die durch die Flammen in den Wärmeschutz eingebrachte Wärmemenge zumindest teilweise in die Fahrzeugkarosserie einleitbar ist. Bevorzugt ist der Wärmeschutz so gestaltet, dass im quasistationären Zustand mindestens 30 %, ferner bevorzugt mindestens 50 %, und besonders bevorzugt mindestens 75 % der in den Wärmeschutz eingebrachte Wärmemenge an die Fahrzeugkarosserie abgegeben werden kann. Vorteilhaft wird somit die lokal auftretende große Wärmemenge der Flamme auf eine vergleichsweise große Fläche verteilt, die hier von dem Wärmeschutz und der Fahrzeugkarosserie ausgebildet wird. Insgesamt verringert sich somit die maximale Temperatur, die auf die faserverstärkte Schicht des Druckbehälters einwirkt. Die lokale Flamme am Auslass verursacht somit lediglich eine vergleichsweise geringe Temperaturerwärmung des gesamten Druckbehälters, die für die faserverstärkte Schicht i.d.R. nicht kritisch ist.
  • Der Wärmeschutz kann zweckmäßig zwischen der ausbildbaren Flamme und der faserverstärkten Schicht angeordnet sein. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Wärmeschutz von der Flamme und von der faserverstärkten Schicht beabstandet angeordnet. Besonders bevorzugt beträgt der Abstand zwischen dem Wärmeschutz und der faserverstärkten Schicht bzw. der Flamme mindestens 2 mm oder mindestens 5 mm, ferner bevorzugt mindestens 10 mm oder mindestens 20 mm.
  • Alternativ oder zusätzlich kann der Wärmeschutz auch zumindest bereichsweise auf der faserverstärkten Schicht direkt aufliegen oder in einem geringen Abstand, beispielsweise maximal 2 mm, maximal 5 mm, maximal 10 mm oder maximal 30 mm, angeordnet sein. Besonders bevorzugt kann der Wärmeschutz in einer Domkappe mit integriert sein. Eine Domkappe ist eine im Dombereich des Druckbehälters als äußerste Schicht vorgesehene Schutzschicht, die vor mechanischer Beschädigung während des Transports und während des Einbaus des Druckbehälters schützt. In der Regel weist eine solche Domkappe ein poröses Schaumstoffmaterial auf. Eine solche Domkappe könnte um ein Hitzeschild erweitert werden.
  • Besonders bevorzugt ist der Wärmeschutz als Metallblech oder als Metallgitter ausgebildet. Ebenso sind aber auch beschichtete Kunststoffmaterialien vorstellbar. Der Wärmeschutz kann insbesondere nicht brennbar, nicht schmelzend und/oder wärmedämmend bzw. wärmeabweisend ausgebildet sein. Insbesondere ist der hier offenbarte Wärmeschutz eingerichtet, etwaige sich am Auslass des Druckbehälters eventuell ausbildenden Flammen thermisch zu kompensieren, ohne dabei selbst beschädigt zu werden. Mithin kann also dir hier offenbarte Wärmeschutz mehrfach verwendet werden, ohne dass irreversible Schäden am Wärmeschutz auftreten
  • Der Wärmeschutz kann derart flexibel ausgebildet sein, dass der Wärmeschutz die Verformung des Druckbehälters aufnehmen kann. Insbesondere kann der Wärmeschutz eingerichtet sein, die während des Betriebs des Kraftfahrzeugs bzw. des Druckbehälters auftretenden Verformungen zu kompensieren. Diese Verformung kann beispielsweise Auftreten während der Betankung und/oder während des Fahrbetriebs. Beispielsweise kann diese Verformung durch Beschleunigungskräfte des Kraftfahrzeuges oder durch thermische bzw. innendruckabhängige Längendehnungen des Druckbehälters hervorgerufen werden. „Verformung aufnehmen“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass diese Verformung den Wärmeschutz nicht beschädigt und der Wärmeschutz seinerseits nicht so steif ausgebildet ist, dass die Karosserie im Karosserieanbindungspunkt des Wärmeschutzes beschädigt wird. In einer bevorzugten Ausgestaltung hat der Wärmeschutz also lediglich eine vernachlässigbar geringe Auswirkung auf die Lagerung des Druckbehälters im Kraftfahrzeug. Dies muss aber nicht so sein. Ebenso wäre der Wärmeschutz als lasttragende Struktur an einem Ende des Druckbehälters vorstellbar.
  • Insbesondere kann der Wärmeschutz eingerichtet sein, die thermische Beschädigung durch die am Auslass ausbildbare Flamme auch dann zu vermeiden, wenn die am Auslass ausbildbare Flamme mehr als 15 Minuten oder mehr als 30 Minuten oder mehr als 60 Minuten brennt. Der Wärmeschutz ist also anders ausgestaltet als typische Brandschutzschichten, wie beispielsweise eine intumeszente Schicht, die einen Druckbehälter vor anderen Fahrzeugbränden schützt. Solche intumeszente Schichten sind in der Regel so gestaltet, dass sie lediglich eine thermische Beschädigung der faserverstärkten Schicht so lange verzögern, bis das thermische Druckentlastungsventil auslöst.
  • Der Auslass bzw. der Wärmeschutz kann/können derart angeordnet und ausgebildet sein, dass die am Auslass ausbildbare Flamme nicht über Wärmestrahlung auf ein thermisches Druckentlastungsventil einwirken kann. Die Druckentlastungsvorrichtung umfasst mindestens eine thermisch aktivierbare Druckentlastungseinrichtung. Die thermisch aktivierbare Druckentlastungseinrichtung, auch Thermal Pressure Release Device bzw. TPRD genannt, ist i.d.R. benachbart zum Druckbehälter vorgesehen. Bei Hitzeeinwirkung (z.B. durch Flammen) wird durch das TPRD der im Druckbehälter gespeicherte Brennstoff in die Umgebung abgelassen. Die Druckentlastungseinrichtung lässt den Brennstoff ab, sobald die Auslösetemperatur des TPRDs überschritten wird (=wird thermisch aktiviert). Es können ferner Auslöseleitungen vorgesehen sein. Ein solches System zur thermischen Druckentlastung ist beispielsweise in der DE 10 2011114725 A1 oder der EP 1 655 533 B1 gezeigt. Besonders bevorzugt sind mehrere TPRDs vorgesehen, wovon mindestens eins im Mittelbereich des Druckbehälters angeordnet ist. Insbesondere kann durch diese Maßnahmen gegebenenfalls sichergestellt werden, dass es bei vernachlässigbar kleinen Flammen nicht zu Druckentlastung des Druckbehälters kommt, sofern eine solche Funktion erwünscht wäre.
  • Bevorzugt umfasst der hier offenbarte Druckbehälter ferner mindestens eine Detektionseinrichtung zur Detektion des abzulassenden Brennstoffs bzw. zur Detektion der am Auslass ausbildbare Flamme. Die Detektionsvorrichtung ist ausgebildet, einen Wert zu ermitteln, der indikativ für die Leckage des Druckbehälters bzw. für die ausbildbare Flamme ist. Die Leckage kann dabei zurückzuführen sein auf die Permeation des Brennstoffs durch den Liner oder aber auf andere Liner-Leckagen, die durch den Auslass bzw. durch den Brennstoff-Sorptionsspeicher ausgetragen werden. Der Wert kann beispielsweise einen entweichenden Brennstoffmengenmassenstrom repräsentieren.
  • Die Detektionsvorrichtung kann selbst ein Steuergerät umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann ein anderes Steuergerät diese Aufgabe und/oder weitere Steueraufgaben der hier offenbarten Technologie übernehmen.
  • Insbesondere kann die Detektionseinrichtung so gestaltet sein, dass sie autark betrieben werden kann. Mit anderen Worten kann die Detektionseinrichtung so gestaltet sein, dass auch bei einer schlafenden bzw. ausgeschalteten Steuerung eine Flamme bzw. Ausströmen des Brennstoffs sicher detektiert werden kann. Hinsichtlich der Detektion einer Flamme kann vorgesehen sein, dass ein Steuergerät durch mindestens einen thermoelektrischen Generator mit Strom versorgt wird, um das Ausbilden der Flamme und etwaige andere Informationen zu speichern. Thermoelektrische Generatoren als solche sind bekannt. Thermoelektrische Generatoren, auch TE-Generatoren genannt, sind Geräte, welche elektrische Energie aus Wärme gewinnen können. Anders als übliche Wärmekraftmaschinen enthalten sie keinerlei bewegliche Teile. Sie basieren auf dem thermoelektrischen Effekt (Seebeck-Effekt) in Halbleitern. Hierbei werden i.d.R. zwei unterschiedlich dotierte (n-dotierte bzw. p-dotierte) Versionen eines Halbleitermaterials (z. B. Bismuttellurit, Bismutantimonit, Bleitellurit oder Eisendisilizid) mit möglichst hohem Seebeck-Koeffizienten verwendet.
  • In einer weiteren Ausgestaltung kann die Detektionseinrichtung einen elektrischer Schalter umfassen, der durch die am Auslass ausbildbare Flamme betätigbar ist. Beispielsweise kann ein Formgedächtnisdraht oder ein Bimetallstreifen durch die am Auslass ausbildbare Flamme verformt und dadurch der elektrische Schalter betätigt werde. Wird der thermisch betätigbare elektrische Schalter betätigt, so kann die hier offenbarte Detektionseinrichtung die am Auslass ausgebildete Flamme detektieren. Beispielsweise kann der elektrische Schalter dafür Sorge tragen, dass die Detektionseinrichtung mit elektrischer Energie versorgt wird. Es sind aber auch andere Schaltung zum Erfassen der Flamme vorstellbar.
  • Die hier offenbarte Technologie betrifft ferner ein Kraftfahrzeug, welches mindestens einen Druckbehälter umfasst, wie er hier offenbart ist.
  • Mit anderen Worten betrifft die hier offenbarte Technologie einen Druckbehälter, bei dem die in die Umgebung der Bosse entweichenden Brennstoffmassenströme auf einem oder beiden Seiten/Enden des Druckbehälters jeweils durch eine hitzebeständige Vorrichtung eingefangen werden können. Insbesondere wird vorgeschlagen, um die Austrittstelle ein Wärmeschild anzubringen, dass die faserverstärkte Struktur und andere Bauteile schützt - z.B. in Form eines Kragens (, wie beispielsweise bei einem Hund, der sich nicht am Kopf kratzen darf), oder einer geeigneten Beschichtung (Wärmereflektor) zum Schutz der faserverstärkte Struktur und der umgebenden Bauteile. Der Kragen kann die entstehende Wärme auch gleichzeitig aufnehmen und homogen verteilen oder an eine geeignete Position leiten.
  • Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der schematischen 2 erläutert
  • Die 2 zeigt schematisch den Druckbehälter 100. Der Druckbehälter umfasst den Liner 110, der von einer faserverstärkten Schicht bzw. Armierung 120 umschlossen ist. Im Dombereich ist hier ein Endstück 130 angeordnet, an dessen Innenseite ein Ende des Liners 110 anliegt.
  • Das Endstück 130 umfasst einen Hals 132, in dem ein On-Tank-Valve 170 eingeschraubt ist. Hierzu ist in dem Endstück 130 eine Ausströmöffnung mit einem Innengewinde vorgesehen, in welches ein Gewinde des On-Tank-Valves 170 eingreift. Im On-Tank-Valve 170 ist ein TPRD 172 integriert, welches aus der Oberfläche des On-Tank-Valves 170 heraus ragt. Nicht gezeigt ist hier die mindestens eine Befüll- und Entnahmeleitung, die in das Innere des Liners 110 hinein ragt. Ferner umfasst das Endstück 130 einen sich verbreiternden Bereich 134, dessen eine Seite am Liner 110 anliegt und dessen andere Seite von der faserverstärkten Schicht 120 hier vollständig umgeben ist. Die faserverstärkte Schicht 120 liegt hier fest an dem sich verbreiternden Bereich 134 an. Das Endstück 130 kann beispielsweise aus Aluminium hergestellt sein. Es ist ebenso vorstellbar, dass die hier offenbarte Technologie auf einen Druckbehälter 100 angewendet wird, bei dem das Endstück 130 und der Liner 110 einstückig, beispielsweise in einem Herstellungsprozessschritt, hergestellt worden sind. Diese Komponenten könnten aber auch anders ausgestaltet sein.
  • Zwischen dem Liner 110 und der faserverstärkten Schicht 120 sammelt sich Brennstoff, hier Wasserstoff an, der entlang der Grenzschicht zwischen dem Liner 110 und der faserverstärkten Schicht 120 langsam zu dem Dom wandert (Wasserstoff ist gestrichelt gezeigt). Im Bereich des Doms dringt der Wasserstoff zwischen die faserverstärkte Schicht 120 und dem sich verbreiternden Bereich 134 und gelangt somit allmählich zum Hals 132 des Endstücks 130.
  • Am Hals 132 des Endstücks 130 ist ein hier als Kragen ausgebildeter Auslass 150 vorgesehen. Der Kragen 150 umschließt ringförmig den Hals 132. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Kragen 150 durch einen Bajonettverschluss oder durch eine Verschraubung an der Hals-Außenseite befestigt (hier nicht dargestellt). Der als Kragen 150 ausgebildete Auslass kann mindestens eine Ausströmöffnung 151 aufweisen. Aus dieser Ausströmöffnung 151 strömt der abzulassende Brennstoff in die Umgebung aus. Es wird hier hypothetisch angenommen, dass es dort zur Ausbildung einer Flamme F kommen kann. Diese Ausströmöffnung 151 ist in dieser Ausgestaltung die Brennstoff-Austrittsstelle 151. Dies muss aber nicht so sein. Ebenso kann sich die Brennstoff-Austrittsstelle 151 auch an der Oberfläche der faserverstärkten Schicht 120 zwischen dem Hals 132 und der faserverstärkten Schicht 120 ausbilden, falls der Kragen 150 hier nicht vorgesehen wäre oder anders gestaltet gewesen wäre. Dazu kann beispielsweise der Wärmeschutz 156 anders befestigt werden.
  • Hier ist der Wärmeschutz 156 einstückig mit dem Kragen 150 ausgebildet bzw. der Wärmeschutz 156 und der Auslass bilden zusammen den Kragen 150 aus. Der Wärmeschutz 156 erstreckt sich von der Oberfläche der faserverstärkten Schicht 120 und von der Druckbehälterlängsachse A-A weg. Insbesondere ist der Wärmeschutz 156 leicht nach vorne geneigt, so dass ein Teil des On-Tank-Valves 170 im Wärmeschutz 156 aufgenommen ist.
  • Hier ist der Wärmeschutz 156 aus einem flexiblen Metallblech hergestellt. Der Wärmeschutz 156 beginnt am Kragen und erstreckt sich zumindest teilweise in radialer Richtung bis zu einem Karosserieanbindungspunkt 200. Dort kann der Wärmeschutz 156 beispielsweise durch eine Festlageranbindung (z.B. Verschraubung) wärmeleitend mit der Fahrzeugkarosserie befestigt sein. Sofern sich eine Flamme F ausbildet, würde die von dieser Flamme F ausgehende Wärmestrahlung auf den Wärmeschutz 156 treffen. Der Wärmeschutz 156 würde einen großen Teil der Wärme an die Fahrzeugkarosserie weiterleiten. Es kommt zu einer vergleichsweise gleichmäßigen Aufwärmung einer vergleichsweise großen thermischen Masse. Somit bewirkt die Flamme F eine vergleichsweise geringe Gesamterwärmung, die über eine vergleichsweise große Fläche auf eine vergleichsweise große Fläche der faserverstärkten Schicht 120 übertragen wird. Somit sinkt die Gefahr von unzulässigen Hot Spots an der faserverstärkten Schicht 120. Kommt es zur Flammenbildung, so entsteht vergleichsweise viel Wärme, die vertikal aufsteigt. Vorteilhaft ist der Wärmeschutz so ausgebildet und angeordnet, dass diese aufsteigende Wärme kanalisiert wird in eine Richtung weg von der faserverstärkten Schicht 120. Dabei hilft es, wenn der Wärmeschutz 156 schräg von der faserverstärkten Schicht 120 weg orientiert ist. Hinsichtlich der von der Flamme ausgehenden Wärmestrahlung und/oder bezüglich der aufsteigenden heißen Gase wirkt der Wärmeschutz als Trennwand, die den Bereich mit infolge der ausgebildeten Flamme erhöhten Temperatur abtrennt von dem Bereich, in dem die faserverstärkte Schicht angeordnet ist.
  • Zur Abdichtung des Innenraums des Kragens 150 ist hier eine Dichtung 152 vorgesehen, die an der Außenfläche der faserverstärkten Schicht 120 anliegt.
  • Aus Gründen der Leserlichkeit wurde vereinfachend der Ausdruck „mindestens ein(e)“ teilweise weggelassen. Sofern ein Merkmal der hier offenbarten Technologie in der Einzahl bzw. unbestimmt beschrieben ist (z.B. der/ein Druckbehälter, das/ein Endstück, der/ein Liner, die/eine faserverstärkte Schicht, die/eine Dichtung, der/ein Auslass, der/ein Kragen, die/eine Wärmeschutz, die/eine Ausströmöffnung, die/eine Detektionsvorrichtung, etc.) so soll gleichzeitig auch deren Mehrzahl mit offenbart sein (z.B. der mindestens eine Druckbehälter, das mindestens eine Endstück, der mindestens eine Liner, die mindestens eine faserverstärkte Schicht, die mindestens eine Dichtung, der mindestens eine Auslass, der mindestens eine Kragen, der mindestens eine Wärmeschutz, die mindestens eine Ausströmöffnung, die mindestens eine Detektionsvorrichtung, etc.).
  • Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102009042401 A1 [0002]
    • DE 102011114725 A1 [0038]
    • EP 1655533 B1 [0038]

Claims (11)

  1. Druckbehälter (100) zur Speicherung von Brennstoff, umfassend: - einen Liner (110); - eine faserverstärkte Schicht (120), die den Liner (110) zumindest bereichsweise umgibt; - mindestens einen Auslass (150) zum Abführen von sich zwischen dem Liner (110) und der faserverstärkten Schicht (120) angesammelten und abzulassenden Brennstoff; und - mindestens einen Wärmeschutz (156), wobei der Wärmeschutz (156) eingerichtet ist, zumindest die faserverstärkte Schicht (120) vor einer thermischen Beschädigung durch eine am Auslass (150) ausbildbaren Flamme zu schützen.
  2. Druckbehälter nach Anspruch 1, wobei der Wärmeschutz (156) zwischen der am Auslass (150) ausbildbaren Flamme und der faserverstärkten Schicht (120) angeordnet ist.
  3. Druckbehälter nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Wärmeschutz (156) eingerichtet ist, die durch die Flamme entstehende Wärme von der faserverstärkten Schicht (120) wegzuleiten.
  4. Druckbehälter nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Wärmeschutz (156) wärmeleitend mit einer Fahrzeugkarosserie eines Kraftfahrzeugs verbunden ist.
  5. Druckbehälter nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Wärmeschutz (156) eine Trennwand aufweist, wobei auf einer Seite der Trennwand der Auslass (150) angeordnet ist, und wobei auf der anderen Seite der Trennwand die faserverstärkte Schicht (120) angeordnet ist.
  6. Druckbehälter nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Wärmeschutz (156) sich von einer Druckbehälterlängsachse (A-A) der mindestens einen Druckbehälterlängsachse (A-A) des Druckbehälters nach außen weg erstreckt.
  7. Druckbehälter nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Wärmeschutz (156) derart flexibel ausgebildet ist, dass der Wärmeschutz (156) Verformungen des Druckbehälters aufnehmen kann.
  8. Druckbehälter nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Wärmeschutz (156) an der faserverstärkten Schicht (120) anliegt oder in einem Abstand zur faserverstärkten Schicht (120) von weniger als 20 mm angeordnet ist.
  9. Druckbehälter nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Wärmeschutz (156) eingerichtet ist, die thermische Beschädigung auch dann zu vermeiden, wenn die Flamme mehr als 15 Minuten oder mehr als 30 Minuten brennt.
  10. Druckbehälter nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassend eine Detektionseinrichtung, die eingerichtet ist, die am Auslass ausbildbare Flamme zu detektieren.
  11. Druckbehälter nach Anspruch 10, wobei die Detektionseinrichtung einen elektrischen Schalter umfasst, und wobei der elektrische Schalter durch die am Auslass ausbildbare Flamme betätigbar ist.
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