DE102016220996A1 - 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 umfasst einen Druckbehälter zur Speicherung von Brennstoff. Der Druckbehälter umfasst einen Liner, eine faserverstärkte Schicht, mindestens ein Endstück und mindestens einen Auslass. Die faserverstärkte Schicht umgibt zumindest bereichsweise den Liner. Das Endstück ist zumindest teilweise von der faserverstärkten Schicht bedeckt. Der Auslass dient zum Abführen von sich zwischen dem Liner und der faserverstärkten Schicht angesammelten und abzulassenden Brennstoff. Der Auslass ist ausgebildet ist, den abzulassenden Brennstoff zumindest teilweise und zumindest zeitweise durch Sorption aufzunehmen.

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 durch einen Spalt 71 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 kryogener Druckbehälter (= CcH2) oder 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 umfasst ferner mindestens ein Endstück, 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.
  • Der Auslass kann insbesondere derart angeordnet und ausgebildet sein, dass durch den Austritt des abzulassenden Brennstoffs keine thermische Schädigung des Druckbehälters und/oder eine im Vergleich zu einem Druckbehälter ohne Auslass geringere thermische Schädigung eintritt.
  • Somit kann die Wahrscheinlichkeit einer thermischen Beeinflussung von Bauteilen des Druckbehälters oder solchen benachbart dazu zumindest weiter verringert werden.
  • Der Auslass kann derart ausgebildet und am Endstück angeordnet sein, dass beim Austritt des abzulassenden Brennstoffs in die Umgebung des Druckbehälters zumindest in der Nähe der faserverstärkten Schicht, bevorzugt am gesamten Auslass, keine Flamme(n) entstehen und/oder erhalten bleiben kann/können.
  • Mit dem Merkmal „keine Flamme(n) entstehen und/oder erhalten bleiben kann/können“ ist in diesem Zusammenhang bei der hier offenbarten Technologie gemeint, dass es zu keiner Flammenbildung kommt, wenn der Brennstoff aus dem Auslass austritt, und/oder dass, selbst wenn es aufgrund weiterer Einflüsse zu einer Flammenbildung gekommen ist, der durch den Auslass austretende Brennstoff diese Flamme nicht weiter erhalten kann. Der Auslass kann derart bevorzugt eingerichtet sein, dass der Brennstoff aufgrund des Druckunterschieds zwischen Umgebungsdruck und Brennstoffdruck in der Grenzschicht so schnell aus der Grenzschicht entweichen kann, dass ein Druckunterschied zwischen dem Brennstoffdruck in der Grenzschicht und dem Druckbehälterinnendruck geringer ist als ein Grenzdifferenzdruck. Der Grenzdifferenzdruck zwischen Brennstoffdruck in der Grenzschicht und dem Druckbehälterinnendruck kann dabei der Druck sein, ab dem die Gefahr von einer Ablösung des Liners bzw. ein Ausbeulen des Liners ins Druckbehälterinnere besteht. Vorteilhaft bildet dieses Material eine Oberfläche aus, über die der Brennstoff entweicht.
  • Bevorzugt kann der Auslass, insbesondere die hier offenbarte mindestens eine Ausströmöffnung derart ausgebildet sein, dass der Massenstrom an Brennstoff unterhalb eines Grenzwertes bleibt, bei dem in Luft die Erhaltung einer Flamme durch austretenden Brennstoff möglich ist. Dieser im Englischen „flame quenching limit“ genannte Grenzwert ist zunächst abhängig von der Geometrie der Ausströmöffnung (vgl. Butler et al. „Limits for hydrogen leaks that can support stable flames" in International Journal of hydrogen energy 34 (2009) 5174 - 5182). Er beträgt für Wasserstoff beispielsweise 3,9 µg/s für eine optimierte Brennergeometrie mit idealen Bedingungen und etwa 28 µg/s für Leckagen aus Quetschverschraubungen. Unterschreitet der Massenstrom den Wert für die optimierte Brennergeometrie, ist also eine Flamme, die sich aufgrund des ausströmenden Brennstoffs erhält, sicher ausgeschlossen. Dieser Massenstrom stellt also den Grenzwert für eine konservative Auslegung dar.
  • Wird der Wasserstoffmassenstrom für eine Ausströmöffnung also unterhalb von dem Grenzwert von 3,9 µg/s gehalten, so lässt sich vorteilhaft die Bildung einer Flamme vermeiden. Bevorzugt sind die hier offenbarten mehreren Ausströmöffnungen derart ausgebildet, dass die jeweils aus den einzelnen Ausströmöffnungen austretenden Wasserstoffströme jeweils einen Massenstrom unterhalb vom Grenzwert von 3,9 µg/s aufweisen. Bevorzugt sind die mehreren Ausströmöffnungen so beabstandet, dass es zu keiner Interaktion der jeweils aus den einzelnen Ausströmöffnungen austretenden Wasserstoffströme (mit Konzentrationserhöhungen) kommt. Vorteilhaft kann auch hier die Bildung von Flammen verringert bzw. ausgeschlossen werden.
  • Der Auslass kann dabei vollständig oder aber auch nur teilweise um das Endstück, bevorzugt um den Hals des Endstücks, herumgeführt sein. Bevorzugt kann der Auslass konzentrisch zum Endstück angeordnet sein.
  • Der Auslass kann an einem Ende des Druckbehälters oder aber bevorzugt an beiden Enden, auch Dome genannt, vorgesehen sein. Die konkrete Geometrie vom Auslass 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) Auslass angesehen werden, obwohl diese keine geschlossene Ringform aufweisen und/oder kein separates Bauteil darstellen.
  • Der Druckbehälter kann so gestaltet sein, dass in der Grenzschicht angesammelter Brennstoff an mindestens einer Brennstoff-Austrittsstelle in den Auslass strömt. Die Brennstoff-Austrittsstelle kann insbesondere an der Außenoberfläche der faserverstärkten Schicht vorgesehen sein, insbesondere zwischen der faserverstärkten Schicht und dem Endstück. Sofern kein die Brennstoff-Austrittsstelle abdeckender Auslass vorgesehen wäre, könnte der Brennstoff an der Brennstoff-Austrittsstelle in die Umgebung entweichen.
  • Der mindestens eine Auslass kann als Kragen bzw. Ummantelung bzw. Kragenabschnitt (nachstehend vereinfachend: „Kragen“) vorgesehen sein. 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 Auslass interferiert zweckmäßig nicht mit dem On-Tank-Valve. Letzteres kann unabhängig vom Auslass getauscht werden. Ferner hat der Auslass 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 Auslass 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.
  • In einer Ausgestaltung der hier offenbarten Technologie kann der Auslass bzw. der Kragen zumindest teilweise in einer Ausnehmung der Druckbehälterwand, bevorzugt der faserverstärkten Schicht, angeordnet sein.
  • Der hier offenbarte Druckbehälter und/oder der hier offenbarte Auslass kann mindestens eine Flammensperre (engl. Flame trap) bzw. mindestens eine Flammendurchschlagsicherungen aufweisen, die einen Flammendurchtritt verhindern. Flammensperren bzw. Flammendurchschlagsicherungen als solche sind bekannt und werden beispielsweise bei Bunsenbrennern, Grubenlampen oder Gasherden eingesetzt. Eine Wirkungsweise von Flammendurchschlagsicherungen beruht beispielsweise darauf, dass eine Flammenfront durch Einbauten bzw. Strömungskanäle soweit gekühlt wird, dass eine Flamme sich hinter der Flammendurchschlagsicherung nicht weiter ausbreiten kann. Es können für den Fluidkanal des Brennstoffs im Auslass Querschnitts-zu-Längenverhältnisse vorgesehen sein, die einen Flammendurchtritt verhindern.
  • Beispielsweise kann im Auslass, insbesondere in dem hier offenbarten Kragen, ein Spalt mit einer maximalen Spaltweite vorgesehen sein, der bzw. die geringer ist als die experimentell ermittelte höchste Grenzspaltweite des Brennstoffs. Bevorzugt ist der Auslass derart ausgebildet, dass die maximale Spaltweite des Auslasses kleiner als 0,64 mm. Somit kann vermieden werden, dass es zu einer Flammenbildung innerhalb des Auslasses kommen, sofern der Druckbehälter mit Wasserstoff befüllt ist. Die experimentell ermittelte höchste Grenzspaltweite (engl. maximum experimental safe gap (MESG)) ist der maximale Abstand zwischen zwei flachen Platten, bei der gerade noch eine Ausbreitung von Flammen (auch im Rahmen von Explosionen) durch den Spalt möglich ist. Diese beträgt bei Wasserstoff 0,08 mm. Der flammenlöschende Spalt (engl. quenching gap) ist der Abstand zweier flacher Platten, bei dem in Luft die Zündung einer grundsätzlich zündfähigen Gasmischung gerade noch unterdrückt wird. Dieser beträgt bei Wasserstoff 0,64 mm. Aufgrund des Explosionsdruckes ist die MESG immer enger als die „quenching gap“. Für die hier offenbarte Technologie ist die Grenzspaltweite zweckmäßig die „quenching gap“.
  • Bevorzugt weist der Auslass ein hitzebeständiges Material zumindest in dem Bereich auf, in dem der abzulassende Brennstoff in die Umgebung austritt auf. 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 Auslass aus Metall gebildet sein. Dies wirkt sich positiv auf die Eigenschaft als Flammensperre aus. Ferner verringert sich die Gefahr, dass Kunststoff in die Auslass-Strömungskanäle fließt. 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 Ausströmöffnungsgeometrie der mindestens einen Ausströmöffnung kann dabei so gestaltet sein, dass keine Flamme(n) entstehen und/oder erhalten bleiben kann/können. Bevorzugt ist die mindestens eine Ausströmöffnung als Venturi-Düse bzw. als Saugstrahlpumpe ausgebildet. Eine solche Düse ist in der Lage, mit Austritt des Brennstoffs gleichzeitig Umgebungsluft anzusaugen, wodurch eine vorteilhafte Durchmischung von Brennstoff und Umgebungsluft erzielt werden kann. Vorteilhaft kann die mindestens eine Ausströmöffnung als Flammensperre bzw. als Flammendurchschlagsicherung ausgebildet sein.
  • Vorteilhaft kann der hier offenbarte Druckbehälter, insbesondere der Auslass, eine Vielzahl an Ausströmöffnungen aufweisen, durch die der abzulassende Brennstoff in die Umgebung austritt. Die Ausströmöffnungen können in einer bevorzugten Ausgestaltung so voneinander beabstandet sein, dass an den Ausströmöffnungen keine Flamme(n) entstehen und/oder erhalten bleiben kann/können. 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.
  • Die mindestens eine Ausströmöffnung kann von mindestens einem Kunststoffmaterial ausgebildet werden, der bevorzugt wasserstoffpermeabel und wasserdicht sein kann.
  • An der mindestens einen Ausströmöffnung kann ein Ventil vorgesehen sein. Das mindestens eine Ventil kann ausgebildet sein, das Ausströmen von Brennstoff zu steuern oder zu regeln. Bevorzugt ist das Ventil ein passives Ventil, insbesondere ein rein mechanisches Ventil. Das mindestens eine Ventil kann den Brennstoff zweckmäßig in die Umgebung ablassen, insbesondere wenn ein Druckgrenzwert im brennstoffführenden Bereich überschritten wird. Das mindestens eine Ventil kann insbesondere als Rückschlagventil ausgebildet sein, das einen Rückstrom von Brennstoff und das Eindringen von Umgebungsluft in einen brennstoffführenden Bereich unterbindet. Das Ventil kann beispielsweise eine elastische Schicht umfassen. Die elastische Schicht kann ausgebildet sein, die mindestens eine Ausströmöffnung freizugeben, wenn der Druck im brennstoffführenden Bereich den Druckgrenzwert übersteigt. Vorteilhaft kann eine Vielzahl an Ausströmöffnungen in der elastischen Schicht vorgesehen sein. Beispielsweise können in der elastischen Schicht Perforationen bzw. Löcher vorgesehen sein, die bei Atmosphärendruck verschlossen sind, und die sich ab dem Druckgrenzwert, z.B. 1,5 barü (also 1,5 bar Überdruck gegenüber dem Atmosphärendruck), bevorzugt 0,5 barü und besonders bevorzugt 0,1 barü, öffnen.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der hier offenbarten Technologie umfasst der mindestens eine Auslass in seiner Brennstoffaustrittsfläche zumindest bereichsweise ein brennstoffdurchlässiges bzw. brennstoffpermeables Material. Das Material selbst ist also brennstoffdurchlässig. Hierunter fallen beispielsweise poröse Materialien, Metallfasermaterialien und/oder Membrane. Solche Materialien weisen eine im Wesentlichen homogene Brennstoffduchlässigkeit auf, die lediglich im für die Funktion vernachlässigbaren Maß variiert (z.B. wg. Fertigungstoleranzen). Kein brennstoffdurchlässiges Material ist beispielsweise ein eigentlich brennstoffimpermeables Material, in dem makroskopische Austrittskanäle (z.B. mit einem Durchmesser > 1 mm) nachträglich eingebracht worden sind. Aus der Brennstoffaustrittsfläche kann der Brennstoff so austreten, dass keine Flamme entstehen kann und/oder erhalten bleiben kann. Das brennstoffdurchlässige Material bildet hier die Vielzahl an Ausströmöffnungen aus.
  • In einer Ausgestaltung kann die Membran derart ausgebildet sein, dass sie für Brennstoff (z.B. Wasserstoff) durchlässig ist und für zumindest einen Reaktanden des Brennstoffs, insbesondere Umgebungsluft, im Wesentlichen (d.h. bis auf vernachlässigbar geringen Mengen) nicht durchlässig ist. Vorteilhaft kann also kein Reaktand (z.B. Sauerstoff) aus der Umgebung in den hier offenbarten Innenraum vom Auslass gelangen.
  • Die Brennstoffaustrittsfläche kann mindestens 50 cm2, bevorzugt mindestens 100 cm2 und besonders bevorzugt von mindestens 400 cm2 betragen. Die Brennstoffaustrittsfläche kann insbesondere von der gleichen Größenordnung wie die Lineroberfläche sein. Das Material kann ausgebildet sein, den Brennstoff zu verteilen und/oder den Brennstoffaustritt zur Umgebung hin zu beschränken. Insbesondere ist das Material geeignet, den Massenstrom an Brennstoff auch während einer stoßartigen Entladung des Brennstoffs aus der Grenzschicht zu verringern bzw. auf eine ausreichend große Fläche zu verteilen, sodass keine Flamme(n) entstehen und/oder erhalten bleiben kann/können. Insbesondere kann das Material den flächenbezogenen Brennstoffaustritt derart beschränken, dass die durch diese Materialien (insbesondere während der Entladung) hindurchtretenden flächenbezogenen Massenströme derart gering sind, dass keine Flamme(n) entstehen und/oder erhalten bleiben kann/können. Das Material und die Brennstoffaustrittsfläche zur Umgebung sind zweckmäßig also so gewählt, dass der maximale Brennstoffmassenstrom, der während einer Entladung auftreten kann, unterhalb eines Brennstoffmassenstromgrenzwertes liegt, der eine Brennstoffflamme erhalten und/oder entstehen lassen kann.
  • Bevorzugt ist das Metallfasermaterial als Gewebe, Gewirke bzw. als Vlies ausgebildet. Das poröse Material kann beispielsweise ein offenporiges Material sein, bevorzugt ein poröses Metallmaterial, und besonders bevorzugt ein Sintermaterial. Bevorzugt ist die Membran wasserstoffpermeabel und wasserdicht. Beispielsweise kann eine Kunststoffmembran, insbesondere eine Polymermembran eingesetzt werden, die ebenfalls als elastische Schicht, wie sie hier offenbart ist, ausgebildet sein kann.
  • Die mindestens eine Ausströmöffnung und/oder die Brennstoffaustrittsfläche kann/können mindestens 10 mm, bevorzugt mindestens 20 mm, von der Außenoberfläche der faserverstärkten Schicht nach außen zur Umgebung hin beabstandet sein. Somit kann die Wahrscheinlichkeit verringert werden, dass der austretende Brennstoff thermisch auf die faserverstärkte Schicht einwirkt.
  • Der Auslass kann ausgebildet sein, abzulassenden Brennstoff zumindest teilweise katalytisch umzusetzen. Hierzu kann der Auslass ein Katalysatormaterial aufweisen, welches zweckmäßig mit Umgebungsluft fluidverbunden ist. Vorteilhaft kann somit aus der Grenzschicht austretender Brennstoff zumindest teilweise katalytisch umgesetzt werden, bevor er in die Umgebung austritt.
  • Der Auslass kann ausgebildet sein, abzulassenden Brennstoff zumindest teilweise und zumindest zeitweise durch Sorption aufzunehmen. Der Begriff „Sorption“ umfasst dabei eine Absorption und eine Adsorption. Eine Adsorption ist ein physikalischer Prozess, bei dem Stoffe (in der Regel Moleküle) auf der Oberfläche eines anderen Stoffes haften bleiben und sich auf dessen Oberfläche anreichern. Die chemische Absorption beschreibt den Prozess der Aufnahme oder des „Lösens“ eines Atoms, Moleküls oder eines Ions in einer anderen Phase. Hierbei handelt es sich nicht um eine Anlagerung an der Oberfläche (Adsorption), sondern um eine Aufnahme in das freie Volumen der absorbierenden Phase. Mit anderen Worten kann ein Brennstoff-Sorptionsspeicher vorgesehen sein, der ausgebildet ist, den abzulassenden Brennstoff zu speichern und später wieder abzugeben. Der Brennstoff-Sorptionsspeicher kann ausgebildet sein, zumindest so viel vom Brennstoff-Massenstrom aufzunehmen, dass die während der teilweise stoßhaften Entladung in der Grenzschicht auftretenden Massenströme so weit verringert werden, dass die dann am Auslass instantan in die Umgebung austretenden Brennstoffmengen unter einem Emissions-Grenzwert liegen.
  • Im Auslass kann mindestens ein Brennstoff-Sorptionsspeicher angeordnet sein, welcher im verbauten Zustand am bzw. im Druckbehälter von Gas, insbesondere Umgebungsluft zumindest teilweise umströmbar und/oder zumindest teilweise durchströmbar ist. Insbesondere kann der Auslass derart in einem Kraftfahrzeug anordenbar bzw. angeordnet sein, dass der Brennstoff-Sorptionsspeicher bei einer Fahrt des Kraftfahrzeugs vom durch die Fahrt erzeugten Fahrtwind umströmt bzw. durchströmt werden kann.
  • Vorteilhaft liegt somit also ein selbstreinigendes System vor, das zu einem Zeitpunkt den Brennstoff ablässt, der für das Ablassen von Brennstoff besonders geeignet ist, nämlich während der Fahrt. Bevorzugt ist der Brennstoff-Sorptionsspeicher zumindest teilweise, bevorzugt vollständig außerhalb der faserverstärkten Schicht angeordnet.
  • Die hier offenbarte Technologie umfasst ferner eine Vorrichtung zur Steigerung der Strömungsrate, mit der Oxidationsmittel, Inertgas und/oder Umgebungsluft zum Auslass strömt, insbesondere
    1. a. zur mindestens einen Ausströmöffnung, und/oder
    2. b. zum mindestens einen Spalt, und/oder
    3. c. zum brennstoffdurchlässigen Material, und/oder
    4. d. zum Brennstoff-Sorptionsspeicher.
  • Nachstehend sind der Komponenten a. bis d. nicht explizit angeführt. Gleichsam sollen diese spezifische Ausführungen mit umfasst sein, wenn die Durch- bzw. Umströmung vom Auslass beschrieben ist. Die Vorrichtung zur Steigerung der Strömungsrate kann umfassen:
    • - eine Umleitung von Umgebungsluft während der Fahrt des Kraftfahrzeugs; und/oder
    • - einen Druckluftspeicher; und/oder
    • - einen Oxidationsmittelförderer, insbesondere einen Luftförderer.
  • In einer Ausgestaltung kann mindestens ein Oxidationsmittelförderer eingerichtet sein, das Oxidationsmittel so zu fördern, dass der Auslass zumindest teilweise umströmt und/oder zumindest teilweise durchströmt werden kann.
  • Hierzu kann beispielsweise der Oxidationsmittelförderer des Brennstoffzellensystems verwendet werden. Der Oxidationsmittelförderer des Brennstoffzellensystems ist eingerichtet, das Oxidationsmittel für die Kathode des Brennstoffzellensystems bereitzustellen. Beispielsweise kann in der Kathodenzuluft des Brennstoffzellensystems, oder in einem kathodenseitigen Brennstoffzellenbypass ein Abzweig vorgesehen sein, der eine Fluidverbindung zwischen dem Oxidationsmittelförderer des Brennstoffzellensystems und dem Auslass herstellt.
  • Der Druckbehälter bzw. ein Druckbehältersystem kann mindestens ein Strömungsänderungselement umfassen, welches die zumindest teilweise Umströmung und/oder zumindest teilweise Durchströmung insbesondere basierend auf ein Signal eines Steuergeräts verändern kann. Das Strömungsänderungselement kann eine Klappe oder ein Ventil sein. Beispielsweise kann das Strömungsänderungselement in der Fluidverbindung zwischen Oxidationsmittelförderer und Brennstoff-Sorptionsspeicher angeordnet sein, insbesondere stromab vom Abzweig. Das Strömungsänderungselement kann aber gleichsam in der Ausgestaltung mit umströmter Umgebungsluft Anwendung finden, beispielsweise um diese umzuleiten.
  • Bevorzugt umfasst der hier offenbarte Druckbehälter ferner mindestens eine Detektionseinrichtung zur Detektion des abzulassenden Brennstoffs. Die Detektionsvorrichtung ist ausgebildet, eine Temperaturveränderung des Brennstoff-Sorptionsmaterials zu erfassen. Ferner kann die Detektionseinrichtung eingerichtet sein, aus der Temperaturveränderung einen Wert zu ermitteln, der indikativ für die Leckage des Druckbehälters 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, bevorzugt die im Brennstoff-Sorptionsspeicher eingelagerte und/oder abgegebene Brennstoffmenge pro Zeiteinheit.
  • Zweckmäßig kann die hier offenbarte Detektionsvorrichtung eingerichtet sein, das Strömungsänderungselement und/oder den Oxidationsmittelförderer zu regeln und/oder zu steuern. Beispielsweise kann/können das Strömungsänderungselement und/oder der Oxidationsmittelförderer derart betrieben werden, dass in ersten Zeiten der Auslass zumindest teilweise von Oxidationsmittel zumindest teilweise umströmt bzw. durchströmt wird und zu den zweiten Zeiten nicht umströmt bzw. durchströmt wird. Somit gelangen weniger Verunreinigungen in den Auslass und/oder der Luftwiderstand des Fahrzeugs und/oder der Energiebedarf des Fahrzeugs ist geringer.
  • Die ersten Zeiten können dabei beispielsweise feste Zeitabstände sein. Alternativ können die ersten und zweiten Zeiten abhängig vom Brennstoff im Sorptionsspeicher sein. Z.B. kann ab einer gewissen Brennstoffmenge im Brennstoff-Sorptionsspeicher der Sorptionsspeicher gespült werden.
  • 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.
  • Ferner umfasst die hier offenbarte Technologie ein Verfahren zum Abführen von sich zwischen dem Liner und der faserverstärkten Schicht des Druckbehälters angesammelten und abzulassenden Brennstoff. Gemäß den hier offenbarten Verfahren wird der abzulassende Brennstoff in dem Brennstoff-Sorptionsspeicher zwischengespeichert.
  • Das Verfahren kann den Schritt umfassen, wonach der Brennstoff-Sorptionsspeicher mit Umgebungsluft zumindest teilweise umströmt bzw. durchströmt wird, sodass der Brennstoff-Sorptionsspeicher sukzessive den zwischengespeicherten Brennstoff an die Umgebungsluft abgibt.
  • Das Verfahren kann den Schritt umfassen, wonach der Brennstoff-Sorptionsspeicher des in dem Kraftfahrzeug angeordneten Druckbehälters von Fahrtwind derart umströmt und/oder durchströmt wird, dass der Brennstoff-Sorptionsspeicher Brennstoff an die Umgebungsluft abgibt.
  • Das hier offenbarte Verfahren kann den Schritt umfassen, wonach mindestens ein Oxidationsmittelförderer das Oxidationsmittel so fördert, dass der Brennstoff-Sorptionsspeicher zumindest teilweise umströmt wird und/oder zumindest teilweise durchströmt wird. Das hier offenbarte Verfahren kann die Schritte umfassen:
    • - Erfassen eines Signals, das indikativ für den abzulassenden Brennstoff und/oder für den Druckbehälterinnendruck ist; und
    • - Verändern der zumindest teilweise Umströmung und/oder zumindest teilweise Durchströmung basierend auf dem erfassten Signal.
  • Insbesondere kann dabei der zeitliche Verlauf des Druckbehälterinnendrucks verwendet werden, um eine Abschätzung des abzulassenden Brennstoffs zu erzeugen: So ist die Permeation durch die Wand des Liners an sich zunächst einmal proportional zur Druckdifferenz zwischen der Linerinnenseite und der Lineraußenseite. Andererseits kann bei höheren Druckbehälterinnendrücken der Abfluss des zwischen Liner und CFK-Armierung angesammelten Wasserstoffs ganz oder teilweise blockiert sein und erst bei niedrigeren Drücken freigegeben werden.
  • Bevorzugt wird das dem Brennstoff-Sorptionsspeicher zuzuführende Oxidationsmittel gefiltert, bevorzugt durch einen Luftfilter stromauf vom Oxidationsfilter des Brennstoffzellensystems.
  • Die hier offenbarten Verfahren können die Schritte umfassen:
    • - Erfassen einer Temperaturveränderung des Brennstoff-Sorptionsspeicher; und
    • - Bestimmen des Wertes, der indikativ für die Leckage des Druckbehälters ist.
  • Die hier offenbarte Technologie umfasst ferner ein Verfahren zur Herstellung des hier offenbarten Druckbehälters, umfassend die Schritte:
    • - Aufbringen der faserverstärkten Schicht (120) auf den Liner (110); und
    • - Anbringen von mindestens einem Auslass (150) an dem Ende des Druckbehälters, so dass der Auslass (150) an der Außenseite der faserverstärkten Schicht (120) direkt oder indirekt anliegt, bevorzugt nachdem die faserverstärkte Schicht (120) ausgehärtet 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, die über lokale Ausströmöffnungen verfügt, ähnlich wie die von Brennern bei Gasherden. Die genaue Geometrie der Vorrichtung, insbesondere die Anzahl und Größe der Ausströmöffnung(en) und das innere Volumen der Vorrichtung können so bemessen sein, dass innerhalb der Vorrichtung, also nahe am CFK, keine Flammen entstehen können. Ist das Volumen eng genug begrenzt, kann sich bei keinem Brennstoff-Luft-Gemisch eine Flamme ergeben bzw. eine Flamme ausbreiten, da die Abkühlung durch die Umgebungswände der Verbrennung mehr Wärme entzieht als die Flamme zur Ausbreitung benötigen würde. Insbesondere kann eine Grenzspaltweite gemäß der „quenching gap“ vorgesehen sein.
  • Bevorzugt umfasst die Vorrichtung mindestens eine Ausströmöffnung, die als Düse ausgebildet sein kann und über den Bereich der abzulassenden Massenströme in der Art einer Venturidüse den Luftsauerstoff mitnimmt. Der Ort der Verbrennung und die Ausrichtung der Ausströmöffnung(en) können so gewählt sein, dass bei unbegrenzter Dauer des Brennstoffsaustritts und für alle relevanten Massenströme keinerlei Beeinträchtigung der Einrichtung, des Druckbehälters und/oder des übrigen Fahrzeugs auftritt. Alternativ kann die Leckage an den Endstücken bzw. Bossen über ein Fasermaterial verteilt werden, bevorzugt über ein netzartiges, ungeordnetes Gewebe, Gewirke bzw. Vlies, und besonders bevorzugt aus einem Metallfasermaterial (z.B. Stahlwolle). Alternativ oder ergänzend können insbesondere poröse Sintermetalle zur Verteilung der Wasserstoffmassenströme dienen. Dadurch wird zum einen die Austrittstelle des Brennstoffs verlagert (d.h. weg vom Faser-Kunststoff-Verbund) und die die lokalen Massenströme (pro Austrittstelle) unter einen „zündfähigen“ und dauerhaft flammenbildenden (Flamme erhält sich selber) Wert reduziert. Ein Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, insbesondere einer höheren Leitfähigkeit als die faserverstärkte Schicht, kann zusätzlich als Flammensperre bzw. Flammendurchschlagsicherung dienen bzw. den Effekt der Flammensperre verstärken. Eine Flamme, sollte sie mal entstehen, könnte sich dann nicht bis zur Brennstoff-Austrittstelle fortpflanzen. Vorteilhaft kann vorgesehen sein, eine eventuell bestehende Flammenfront durch die erwähnten Einbauten soweit abzukühlen, dass eine Flamme sich nicht in den Bereich hinter der Flammendurchschlagsicherung hinein ausbreiten kann.
  • Alternativ oder zusätzlich kann die „Ummantelung“ der Austrittstelle mit einem Brennstoff-Sorptionsmaterial ausgekleidet sein, z.B. einem Adsorbermaterial wie Aktivkohle oder einem Metallhydridpulver. Dieses Brennstoff-Sorptionsmaterial kann beispielsweise im Stillstand (Parken, Stehen, Betankung) des Kraftfahrzeuges die Brennstoff-Leckage auffangen. Anschließend wird während der Fahrt das Brennstoff-Sorptionsmaterial mit Frischluft durchströmt. Durch diese Durchströmung wird der eingelagerte Brennstoff wieder desorbiert. Die bei dieser Spülung auftretenden Desorptionsströme vom Brennstoff sind im Vergleich zur umströmenden bzw. durchströmenden Luft so gering, dass das Spülgas das Brennstoff-Sorptionsmaterial mit einer vergleichsweisen geringen Brennstoffkonzentration verlässt.
  • Die Austrittsposition des Brennstoffs in die Umgebung kann zweckmäßig derart beabstandet von Zündquellen und/oder thermisch sensiblen Bauteilen angeordnet sein, dass es zu keiner oder nur zu einer geringen Interaktion zwischen dem Austritt und den Zündquellen bzw. thermisch sensiblen Bauteilen kommen kann. Bevorzugt ist die Austrittsposition an einem gut bzw. im Vergleich zum Druckbehälter (insbesondere zu dessen Endstücken) besser durchlüfteten Ort vorgesehen.
  • Eventuell kann die Luftmasse nach der Durchströmung des Adsorbers wieder dem Wasserstoffverbraucher (Verbrennungsmotor, Brennstoffzelle) zugeführt werden. Dieses Prinzip hat somit Ähnlichkeit mit dem Aktivkohlefilter, der zur Vermeidung von Emissionen bei der konventionellen Kraftstoffversorgungsanlage verwendet wird. Der hier offenbarte Sorptionsspeicher, z.B. ein Absorptionsfilter könnte auch als Detektionseinheit dienen. Da die Prozesse der Ad- und Desorption exo- bzw. endotherm ablaufen, könnte durch eine Temperaturmessung, u.a. unter Berücksichtigung der Umgebungstemperatur bzw. der Temperatur der einströmenden Luft eine Leckage direkt oder indirekt detektiert werden. Diese Detektion von Brennstoff kann ganz allgemein auch bei anderen Lecks ein geeignetes Mittel sein, um Leckagen aufzuspüren.
  • Es kann eine aktive Durchströmung mittels Lüfter, Pumpe oder Unterdruck (Luftansaugung des Kompressors - ähnlich der Spülung des Aktivkohlefilters beim Benzintank) vorgesehen sein. Zudem kann es zweckmäßig sein, die Durchströmung durch aktive Klappen zu steuern/regeln. z.B. nur bei Tankdrücken, bei denen man mit wenig Wasserstoffleckage durch den BreatherLayer rechnet, wird der Sorptionsspeicher durchströmt und damit der Sorptionsspeicher regeneriert. Der Vorteil ist hierbei, dass der Luftdurchsatz und somit der „Schmutzeintrag“ begrenzt wird. Selbstverständlich kann auch ein Filter vorgesehen sein um den Sorptionsspeicher beim Spülen zu schützen. Die unten hier offenbarte Detektionseinrichtung kann die aktiven Elemente steuern/regeln.
  • Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
    • 2 eine schematische Querschnittsansicht eines Druckbehälters 100;
    • 3 eine weitere schematische Querschnittsansicht eines Druckbehälters 100; und
    • 4 bis 6 Ventile 33, die in eine elastische Schicht aufgenommen sind.
  • 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. Nicht gezeigt ist hier die mindestens eine Befüll- und Entnahmeleitung, die in das Innere des Liners 110 hineinragt. 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.
  • 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 Kragen 150 kann mindestens eine Ausströmöffnung 3 aufweisen. Die Ausströmöffnung 3 ist hier als Spalt ausgebildet mit einer gewissen Länge und einer gewissen Spaltbreite. Die Spaltlänge und die Spaltbreite sind dabei so gewählt, dass die Ausströmöffnung hier als Flammensperre bzw. Flammendurchschlagsicherungen wirkt. Mit anderen Worten sind Spaltweite und Länge so gewählt, dass etwaige im Inneren des Kragens 150 sich ausbildende Flammen nicht nach außen gelangen und/oder etwaige Flammen an der Außenseite des Kragens 150 nicht in das Innere des Kragens 150 gelangen. Somit können keine Flammen entstehen und/oder bestehende Flammen können nicht erhalten bleiben.
  • Zur Abdichtung des Innenraums des Kragens 150 ist hier eine Dichtung 152 vorgesehen, die an der Außenfläche der faserverstärkten Schicht 120 anliegt.
  • Die 3 zeigt eine weitere Ausgestaltung der hier offenbarten Technologie. Nachstehend wird nur auf den im Vergleich zur Ausgestaltung gemäß der 2 unterschiedlichen Auslass 150 eingegangen. Der Auslass 150 ist hier wiederum als Kragen 150 ausgestaltet. Dies muss aber nicht so sein.
  • Der Kragen 150 umfasst hier einen sich radial verbreitenden Bereich, in dem ein Brennstoff-Sorptionsspeicher 136 angeordnet ist. Der aus der Grenzschicht zwischen dem Liner 110 und der faserverstärkten Schicht 120 abzulassende Brennstoff gelangt hier über den sich ausbildenden Kanal zwischen dem Endstück 130 und der faserverstärkten Schicht 120 in den Innenraum des Kragens 150 und wird dort zumindest teilweise von dem Brennstoff-Sorptionsspeicher 136 aufgenommen. Der Brennstoff-Sorptionsspeicher 136 weist eine Außenoberfläche bzw. Brennstoffaustrittsfläche auf, die von Umgebungsluft, bevorzugt von Fahrtwind, zumindest teilweise umströmt bzw. durchströmt werden kann. Das Umströmen/Durchströmen von Umgebungsluft bewirkt die Abgabe des Brennstoffs an die Umgebung, wobei diese sukzessiv stattfindende Abgabe von Brennstoff einhergeht mit vergleichsweise geringen Brennstoffmassenströmen. Wie bei der 2 ist auch bei der 3 die Strömung des Brennstoffs so nach außen hin gerichtet (= von der Druckbehälterwandung weg), dass die Wahrscheinlichkeit einer thermischen Belastung der faserverstärkten Schicht 120 und/oder des Liners 110 verringert ist.
  • Anstatt eines Brennstoff-Sorptionsspeichers 136 kann ebenso ein brennstoffdurchlässiges Material, insbesondere eine brennstoffpermeable Membran 136, ein poröses Material oder ein Metallfasermaterial 136, vorgesehen sein. Das Metallfasermaterial hat eine im Vergleich zur Kunststofffasern besser wärmeleitende Wirkung.. Die zugrunde liegende Idee dieser Lösung ist, die Ausströmung an abzulassenden Brennstoff zu retardieren, um so die Wahrscheinlichkeit einer thermischen Belastung der faserverstärkten Schicht 120 zu verringern. Das brennstoffdurchlässige Material 136 bildet hier eine Vielzahl an mikroskopischen Ausströmöffnungen 136 aus, die derart beabstandet und bzgl. ihres jeweiligen Brennstoffmassestroms limitiert sind, dass keine Flamme entstehen und/oder erhalten bleiben kann.
  • Alternativ oder zusätzlich zum brennstoffdurchlässigen Material und dem Sorptionsspeicher können auch eine Vielzahl an Ausströmöffnungen 3 vorgesehen sein, wie sie in den 4 bis 6 gezeigt sind.
  • Die 4 zeigt schematisch eine perspektivische Ansicht von mehreren Ausströmöffnungen 3, wie sie beispielsweise in den hier offenbarten Druckbehältersystemen verbaut sein können. Die einzelnen Ausströmöffnungen 3 sind jeweils beabstandet zueinander angeordnet. Jede einzelne Ausströmöffnung 3 kann in ihrem Massenstrom begrenzt sein.
  • Die 5 zeigt eine vergrößerte Ansicht, wenn kein Brennstoff durch die Ausströmöffnungen 3 ausströmen soll. Beispielsweise wenn wenig Brennstoff in die Grenzschicht gelangt. Die Ausströmöffnung 3 ist hier ausgebildet an bzw. in einer Brennstoffaustrittsfläche 31 vom Auslass. Ferner ist an den Ausströmöffnungen 3 eine elastomere Schicht 32 vorgesehen. In der elastomeren Schicht 32 sind Löcher bzw. Perforationen ausgebildet, die in diesem Betriebszustand verschlossen sind und die also hier geschlossenen Ventile 33 bilden. Der Brennstoff gelangt also nicht vom brennstoffführenden Bereich 2 in die Fahrzeugumgebung 1. Weitere Komponenten des Druckbehältersystems sowie des Brennstoffzellensystems sind vereinfachend weggelassen worden.
  • Die 6 zeigt eine vergrößerte Ansicht, wenn der Brennstoff durch die Ausströmöffnungen 3 ausströmen soll. Es besteht eine Druckdifferenz zwischen dem brennstoffführenden Bereich 2 und der Umgebung 1. Diese Druckdifferenz bewirkt, dass sich die verschlossenen Löcher bzw. Perforationen, also die Ventile 33, öffnen und der Brennstoff durch die Ausströmöffnungen 3 entweichen kann. Die Ausströmöffnung 3 wird hierbei durch das Elastomermaterial und der Ausstanzung in der Oberfläche ausgebildet, die eine starre Außenhaut darstellt. Die Ausströmöffnungen 3 können derart ausgebildet sein, dass aus jeder der Ausströmöffnungen ein maximaler Brennstoffmassenstrom entweichen kann. Der maximale Brennstoffmassenstrom liegt hier unterhalb eines Brennstoffmassenstromgrenzwertes, der eine Brennstoffflamme erhalten und/oder entstehen lassen kann. Mit anderen Worten: kommt es durch den Permeationswasserstoff zum Druckanstieg auf der Wasserstoffseite 2, dann wird durch den Druckunterschied die elastische Unterschicht so verformt, dass die Ausströmöffnungen 3 frei gegeben werden. Die starre Außenhaut stützt und stabilisiert dabei Unterschicht.
  • Die Ausübungsbeispiele gemäß der 2 und 3 sowie 4 bis 6 sind ebenso kombinierbar. Sofern in der unmittelbaren Umgebung benachbart zum Druckbehälter Brennstoffsensoren vorgesehen sind, kann mit der hier offenbarten Technologie deren Wahrscheinlichkeit einer Fehlauslösung vorteilhaft weiter verringert werden. Ebenso ist vorstellbar, dass der Brennstoff nicht in die Umgebung des Druckbehälters abgegeben wird, sondern, gegebenenfalls nach einer weiteren Aufbereitung, weiter verwendet wird.
  • 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 Flammensperre, die/eine Ausströmöffnung, das/ein Metallfasermaterial, das/ein poröses Material, die/eine Detektionsvorrichtung, der/ein Brennstoff-Sorptionsspeicher 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, die mindestens eine Flammensperre, die mindestens eine Ausströmöffnung, das mindestens eine Metallfasermaterial, das mindestens eine poröses Material, die mindestens eine Detektionsvorrichtung, der mindestens eine Brennstoff-Sorptionsspeicher 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]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • vgl. Butler et al. „Limits for hydrogen leaks that can support stable flames“ in International Journal of hydrogen energy 34 (2009) 5174 - 5182 [0017]

Claims (15)

  1. Druckbehälter (100) zur Speicherung von Brennstoff , umfassend: - einen Liner (110); - eine faserverstärkte Schicht (120), die den Liner (110) zumindest bereichsweise umgibt; - ein Endstück (130), wobei das Endstück (130) zumindest teilweise von der faserverstärkten Schicht (120) bedeckt ist; und - mindestens einen Auslass (150) zum Abführen von sich zwischen dem Liner (110) und der faserverstärkten Schicht (120) angesammelten und abzulassenden Brennstoff; - wobei der Auslass (150) ausgebildet ist, den abzulassenden Brennstoff zumindest teilweise und zumindest zeitweise durch Sorption aufzunehmen.
  2. Druckbehälter nach Anspruch 1, wobei am und/oder im Auslass (150) mindestens ein Brennstoff-Sorptionsspeicher (136) angeordnet ist, welcher von Gas, insbesondere Umgebungsluft, zumindest teilweise umströmbar und/oder zumindest teilweise durchströmbar ist.
  3. Druckbehälter nach Anspruch 2, wobei der Auslass (150) derart in einem Kraftfahrzeug anordenbar ist, dass der Brennstoff-Sorptionsspeicher (136) bei einer Fahrt des Kraftfahrzeugs von Fahrtwind zumindest teilweise umströmt und/oder zumindest teilweise durchströmt werden kann; und/oder wobei mindestens ein Oxidationsmittelförderer eingerichtet ist, Oxidationsmittel so zu fördern, dass der Brennstoff-Sorptionsspeicher (136) zumindest teilweise umströmt und/oder zumindest teilweise durchströmt werden kann.
  4. Druckbehälter (100) nach Anspruch 2 oder 3, wobei mindestens ein Strömungsänderungselement vorgesehen ist, welches die zumindest teilweise Umströmung und/oder zumindest teilweise Durchströmung verändern kann.
  5. Druckbehälter (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Auslass (150) das Endstück (130) zumindest abschnittsweise umgibt, und wobei der Auslass (150) derart angeordnet und ausgebildet ist, dass der abzulassende Brennstoff aus einer Grenzschicht zwischen dem Liner (110) und der faserverstärkten Schicht (120) in den Auslass (150) entweicht.
  6. Druckbehälter (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassend eine Detektionseinrichtung zur Detektion des abzulassenden Brennstoffs.
  7. Druckbehälter (100) nach Anspruch 6, wobei die Detektionsvorrichtung ausgebildet ist, eine Temperaturveränderung des Brennstoff-Sorptionsspeichers (136) zu erfassen, und wobei die Detektionseinrichtung eingerichtet ist, aus der Temperaturveränderung einen Wert zu ermitteln, der indikativ für die Leckage des Druckbehälters ist.
  8. Druckbehälter (100) nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Detektionsvorrichtung eingerichtet ist, das Strömungsänderungselement und/oder den Oxidationsmittelförderer zu regeln und/oder zu steuern.
  9. Verfahren zum Abführen von sich zwischen einem Liner (110) und einer faserverstärkten Schicht (120) eines Druckbehälters (100) angesammelten und abzulassenden Brennstoff, wobei der abzulassende Brennstoff in einem Brennstoff-Sorptionsspeicher (136) zwischengespeichert wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, ferner umfassend den Schritt: zumindest teilweises Umströmen und/oder Durchströmen des Brennstoff-Sorptionsspeicher (136) mit Oxidationsmittel, so dass der Brennstoff-Sorptionsspeicher (136) den Brennstoff an die Umgebungsluft abgibt.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Druckbehälter (100) in einem Kraftfahrzeug angeordnet ist, und wobei der Brennstoff-Sorptionsspeicher (136) von Fahrtwind derart zumindest teilweise umströmt und/oder durchströmt wird, dass der Brennstoff-Sorptionsspeicher (136) Brennstoff an die Umgebungsluft abgibt.
  12. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 9 bis 11, wobei mindestens ein Oxidationsmittelförderer das Oxidationsmittel so fördert, dass der Brennstoff-Sorptionsspeicher (136) zumindest teilweise umströmt wird und/oder zumindest teilweise durchströmt wird.
  13. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 9 bis 12, ferner umfassend die Schritte: - Erfassen eines Signals, das indikativ für den abzulassenden Brennstoff und/oder für den Druckbehälterinnendruck ist; und - Verändern der zumindest teilweise Umströmung und/oder zumindest teilweise Durchströmung basierend auf dem erfassten Signal.
  14. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 9 bis 13, ferner umfassend die Schritte: - Erfassen einer Temperaturveränderung des Brennstoff-Sorptionsspeicher (136); und - Bestimmen eines Wertes, der indikativ für die Leckage des Druckbehälters ist.
  15. Verfahren zur Herstellung des Druckbehälters (100) nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 8, umfassend die Schritte: - Aufbringen der faserverstärkten Schicht (120) auf den Liner (110) des Druckbehälters (100); und - Anbringen von mindestens einem Auslass (150) an ein Ende des Druckbehälters (100), so dass der Auslass (150) an der Außenseite der faserverstärkten Schicht (120) anliegt.
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