DE102016225446B4 - Pressure tank with reinforcing fibers - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Drucktank (110) mit zumindest einer gewölbten Wand (201) beschrieben, wobei die gewölbte Wand (201) einen Hohlraum zur Aufnahme eines Mediums bildet. Die Wand (201) weist eine erste Schicht mit Fasern (211, 212) und eine darüber liegende zweite Schicht mit Fasern (211, 212) auf. Dabei weisen zumindest Fasern (211, 212) der ersten Schicht eine Poissonzahl auf, die kleiner als 0,05, insbesondere kleiner als Null, ist. A pressure tank (110) is described with at least one curved wall (201), wherein the curved wall (201) forms a cavity for receiving a medium. The wall (201) has a first layer with fibers (211, 212) and an overlying second layer with fibers (211, 212). In this case, at least fibers (211, 212) of the first layer have a Poisson number which is less than 0.05, in particular less than zero.
Description
Die Erfindung betrifft einen Drucktank, insbesondere zur Aufnahme eines Kraftstoffs für ein Fahrzeug.The invention relates to a pressure tank, in particular for receiving a fuel for a vehicle.
Ein Straßenkraftfahrzeug kann eine Brennstoffzelle aufweisen, die auf Basis eines Kraftstoffs wie z.B. Wasserstoff elektrische Energie für den Betrieb, insbesondere für den Antrieb, des Fahrzeugs generiert. Der Kraftstoff kann in einem oder mehreren Drucktanks des Fahrzeugs gespeichert werden, wobei ein Drucktank Wände aufweist, die einen Hohlraum zur Aufnahme des Kraftstoffs umschließen.A road vehicle may comprise a fuel cell based on a fuel such as e.g. Hydrogen generates electrical energy for operation, in particular for the drive, of the vehicle. The fuel may be stored in one or more pressurized tanks of the vehicle with a pressurized tank having walls enclosing a cavity for receiving the fuel.
Ein gefüllter Drucktank ist den Druckkräften des im Drucktank enthaltenen Kraftstoffs ausgesetzt und wird typischerweise für einen bestimmten Nenndruck ausgelegt. Beispielsweise kann ein Drucktank ausgelegt sein, um dauerhaft Kraftstoff bei einem Druck von 350, 500, 700 barü oder mehr zu speichern (barü steht dabei für „bar“ Überdruck gegenüber dem Atmosphärendruck bzw. Umgebungsdruck). Die Wände eines Drucktanks müssen daher für den jeweiligen Nenndruck ausgelegt werden. So muss beispielsweise ein Drucktank für einen Mindestberstdruck ausgelegt werden, der ein Vielfaches des Nenndrucks beträgt. Die gängigen Zulassungsvorschriften fordern beispielsweise für Wasserstoffbehälter mit Carbonfaser-Armierung einen Sicherheitsfaktor von 2,25 um den der Mindestberstdruck den Nenndruck übersteigen muss. Dabei steigt die erforderliche Wandstärke typischerweise mit steigendem Nenndruck bzw. Mindestberstdruck an.A filled pressure tank is exposed to the pressure forces of the fuel contained in the pressure tank and is typically designed for a certain nominal pressure. For example, a pressure tank can be designed to permanently store fuel at a pressure of 350, 500, 700 bar or more (baru stands for "bar" overpressure relative to the atmospheric pressure or ambient pressure). The walls of a pressure tank must therefore be designed for the respective nominal pressure. For example, a pressure tank must be designed for a minimum burst pressure, which is a multiple of the nominal pressure. For example, the common approval requirements require a safety factor of 2.25 μm for hydrogen containers with carbon fiber reinforcement, which must exceed the minimum burst pressure above the nominal pressure. The required wall thickness typically increases with increasing nominal pressure or minimum burst pressure.
Mit steigender Wandstärke sinkt das Fassungsvermögen eines Drucktanks (bei vorgegebenem, beschränktem Bauraum) und/oder steigt das Gewicht eines Drucktanks. Als Folge daraus werden die Reichweite und die Effizienz eines Fahrzeugs beeinträchtigt.As the wall thickness increases, the capacity of a pressure tank (for a given limited space) decreases and / or the weight of a pressure tank increases. As a result, the range and efficiency of a vehicle are compromised.
Das vorliegende Dokument befasst sich mit der technischen Aufgabe, einen Drucktank zur Aufnahme eines Kraftstoffs bereitzustellen, der für einen bestimmten Nenndruck eine möglichst geringe Wandstärke aufweist.The present document deals with the technical problem of providing a pressure tank for receiving a fuel, which has the smallest possible wall thickness for a given nominal pressure.
Die Aufgabe wird durch den unabhängigen Anspruch gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen werden u.a. in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.The object is solved by the independent claim. Advantageous embodiments are described i.a. in the dependent claims.
Gemäß einem Aspekt wird ein Drucktank mit zumindest einer gewölbten Wand beschrieben. Dabei bildet die Wand einen Hohlraum zur Aufnahme eines Mediums, insbesondere zur Aufnahme eines Kraftstoffs. Der Kraftstoff kann z.B. komprimierten Wasserstoff umfassen. Die Wand kann zumindest abschnittweise einen Zylinder bilden. Der Zylinder kann durch domförmige Stirnwände verschlossen sein. Der Drucktank kann für einen bestimmten Nenndruck (über Atmosphärendruck) ausgelegt sein. Durch den Nenndruck werden Kräfte auf die Innenseite der zumindest einen Wand bewirkt. Die Kräfte auf die Innenseite bewirken dabei Spannungen innerhalb der zumindest einen Wand des Drucktanks.In one aspect, a pressure tank having at least one domed wall is described. In this case, the wall forms a cavity for receiving a medium, in particular for receiving a fuel. The fuel may e.g. Comprise compressed hydrogen. The wall can at least partially form a cylinder. The cylinder can be closed by dome-shaped end walls. The pressure tank can be designed for a certain nominal pressure (above atmospheric pressure). The nominal pressure causes forces on the inside of the at least one wall. The forces on the inside cause stresses within the at least one wall of the pressure tank.
Die Wand kann eine erste Schicht mit Fasern und eine darüber liegende zweite Schicht mit Fasern aufweisen. Die Fasern können dabei in einer Matrix, z.B. in einem Harz, eingebettet sein. Mit anderen Worten, die Wand kann aus mehreren Schichten eines Faserverbundwerkstoffes aufgebaut sein. Dabei ist die erste Schicht näher an der Innenseite der Wand angeordnet als die zweite Schicht. Des Weiteren kann die zweite Schicht aufgrund der Wölbung der Wand eine größere Oberfläche aufweisen als die erste Schicht. Die erste Schicht befindet sich somit näher am Hohlraum in dem das Medium gespeichert werden kann, während die zweite Schicht sich näher an der Umgebung (in der typischerweise Atmosphärendruck herrscht) befindet.The wall may comprise a first layer of fibers and an overlying second layer of fibers. The fibers may be in a matrix, e.g. embedded in a resin. In other words, the wall can be constructed of several layers of a fiber composite material. In this case, the first layer is arranged closer to the inside of the wall than the second layer. Furthermore, due to the curvature of the wall, the second layer may have a larger surface area than the first layer. The first layer is thus closer to the cavity in which the medium can be stored while the second layer is closer to the environment (where atmospheric pressure typically exists).
Aufgrund der Wölbung der Wand weisen die Fasern der ersten Schicht normalerweise eine höhere Zugspannung auf als die Fasern der darüber liegenden zweiten Schicht. Zumindest Fasern der ersten Schicht können jedoch eine Poissonzahl aufweisen, die kleiner als 0,05, insbesondere kleiner als Null, ist. Zumindest Fasern der ersten Schicht können somit ein auxetisches Verhalten, d.h. eine negative Poissonzahl, aufweisen. Mit anderen Worten bewirkt eine Längsdehnung der Fasern auch einen Anstieg der Querschnittsfläche der Fasern. So kann bewirkt werden, dass Zugspannungen auf die Fasern der unterschiedlichen Schichten möglichst gleichmäßig über den Querschnitt der Wand verteilt werden können. Insbesondere kann so ein Unterschied zwischen der Zugspannung auf Fasern der ersten Schicht und der Zugspannung auf Fasern der zweiten Schicht reduziert werden (ggf. auf substantiell Null reduziert werden). Eine gleichmäßige oder zumindest eine gleichmäßigere Beanspruchung der Fasern der unterschiedlichen Schichten ermöglicht dann die Verwendung von Wänden mit einer reduzierten Wandstärke.Due to the curvature of the wall, the fibers of the first layer normally have a higher tensile stress than the fibers of the overlying second layer. However, at least fibers of the first layer may have a Poisson's number that is less than 0.05, in particular less than zero. At least fibers of the first layer may thus exhibit auxetic behavior, i. a negative Poisson number. In other words, longitudinal stretching of the fibers also causes an increase in the cross-sectional area of the fibers. Thus it can be effected that tensile stresses on the fibers of the different layers can be distributed as uniformly as possible over the cross section of the wall. In particular, such a difference between the tensile stress on fibers of the first layer and the tensile stress on fibers of the second layer can be reduced (possibly reduced to substantially zero). A uniform or at least a more uniform stress on the fibers of the different layers then allows the use of walls with a reduced wall thickness.
Fasern der ersten Schicht können Carbonfasern auf Basis von Polyacrylnitril (PAN) umfassen. Derartige Carbonfasern können nanoskopisch eine negative Poissonzahl von etwa -0,4 aufweisen, wobei der Abstand der Graphen-Ebenen zueinander mit der Längsdehnung steigt. Aufgrund der Porosität der PAN-basierten Carbonfasern, die typischerweise bei 30% liegt, ergibt sich jedoch mikroskopisch bei Betrachtung der Faser eine positive Poissonzahl von etwa 0,2. Die Carbonfasern können deshalb im Rahmen der Herstellung verdichtet worden sein, um einen reduzierten Porenanteil aufzuweisen. Insbesondere können die Carbonfasern eine Porosität von 20%, insbesondere von 10%, oder weniger aufweisen. Durch eine Reduzierung des Porenanteils der PAN-basierten Carbonfasern kann die Poissonzahl der Fasern reduziert werden (d.h. durch die Reduzierung der Porosität kann das auxetische Verhalten auf der Nano-Skala (Abstände der Graphen-Ebenen zueinander) auf die Mikro-Skala (Faser-Querschnitt) übertragen werden.).Fibers of the first layer may comprise carbon fibers based on polyacrylonitrile (PAN). Such carbon fibers may nanoscopically have a negative Poisson's ratio of about -0.4, with the distance of the graphene planes from each other increasing with the longitudinal strain. However, due to the porosity of the PAN-based carbon fibers, which is typically 30%, microscopically, when viewed on the fiber, a positive Poisson's value of about 0.2 results. The carbon fibers may therefore have been densified in the course of manufacture in order to have a reduced pore content. In particular, the carbon fibers may have a porosity of 20%, more preferably 10%, or less. By reducing the porosity of the PAN-based carbon fibers, the Poisson's number of fibers can be reduced (ie by reducing the porosity, the auxetic behavior on the nano-scale (distances of the graphene planes to each other) on the micro-scale (fiber cross-section ) be transmitted.).
Alternativ oder ergänzend können Fasern der ersten Schicht ein helikales bzw. spiralförmiges, auxetisches Garn (auf Englisch „helical auxetic yarn“) umfassen. Alternatively or additionally, fibers of the first layer may comprise a helical auxetic yarn.
Insbesondere kann eine Faser der ersten Schicht eine erste Faser-Komponente und eine zweite Faser-Komponente umfassen, wobei die erste Faser-Komponente (insbesondere eine erste Faser bzw. ein erstes Faserbündel) in einem Grundzustand helikal bzw. spiralförmig bzw. Helix-förmig um die zweite Faser-Komponente (insbesondere um eine zweite Faser bzw. um ein zweites Faserbündel) gewickelt ist. Dabei können die erste Faser-Komponente und/oder die zweite Komponente z.B. Carbon, Kevlar, Glas, Kunststoff, Polyamid und/oder Polyester umfassen. Bevorzugt kann die erste Faser-Komponente ein höheres E-Modul aufweisen als die zweite Faser-Komponente. Durch die Verwendung von derartigem auxetischen Garn können Faser-Schichten mit auxetischem Verhalten bereitgestellt werden, um eine gleichmäßige Belastung der Schichten einer mehrschichtigen Wand zu bewirken.In particular, a fiber of the first layer may comprise a first fiber component and a second fiber component, wherein the first fiber component (in particular a first fiber or a first fiber bundle) in a ground state helically or helically around the second fiber component (in particular around a second fiber or around a second fiber bundle) is wound. In this case, the first fiber component and / or the second component, e.g. Carbon, Kevlar, glass, plastic, polyamide and / or polyester include. Preferably, the first fiber component may have a higher modulus of elasticity than the second fiber component. By using such auxetic yarn, fiber layers with auxetic behavior can be provided to effect uniform loading of the layers of a multilayer wall.
Das Querdehnungsverhalten (d.h. insbesondere die Poissonzahl) der Fasern der ersten Schicht und der zweiten Schicht ist bevorzugt derart, dass in einem gewölbten Abschnitt der Wand Spannungen in der ersten Schicht und in der zweiten Schicht substantiell gleich sind, wenn der Drucktank mit seinem Mindestberstdruck belastet wird. Dabei kann das Querdehnungsverhalten (insbesondere die Poissonzahl) an die Wölbung, insbesondere an einen Wölbungsradius, angepasst werden.The transverse expansion behavior (ie in particular the Poisson's ratio) of the fibers of the first layer and of the second layer is preferably such that in a curved section of the wall, stresses in the first layer and in the second layer are substantially equal when the pressure tank is loaded with its minimum burst pressure , In this case, the transverse expansion behavior (in particular the Poisson's number) can be adapted to the curvature, in particular to a curvature radius.
Die Angleichung der Spannungen in den unterschiedlichen Schichten kann, wie in diesem Dokument beschrieben, durch Verwendung von Fasern mit auxetischem Verhalten bewirkt werden. Insbesondere können durch auxetische Fasern in der ersten Schicht aufgrund der radialen Ausdehnung der Fasern der ersten Schicht Kräfte auf die zweite Schicht bewirkt werden, um eine gleichmäßige Beanspruchung der Schichten der mehrschichtigen, gewölbten, Wand zu bewirken. Mit anderen Worten bewirkt das auxetische Verhalten eine (geringfügige) Verdickung der Wand mit steigendem Druck, durch die die äußeren Schichten (die ohne auxetisches Verhalten geringer als die inneren Schichten belastet würden) stärker zum Mittragen der Last veranlasst werden und idealerweise eine gleichmäßige Faserbelastung aller Schichten für den Berstdruck erreicht wird.The alignment of the stresses in the different layers can be effected, as described in this document, by using fibers with auxetic behavior. In particular, forces on the second layer may be caused by auxetic fibers in the first layer due to the radial expansion of the fibers of the first layer to cause uniform stress on the layers of the multilayer, curved, wall. In other words, the auxetic behavior causes a (slight) thickening of the wall with increasing pressure, which causes the outer layers (which would be less burdened than the inner layers without auxetic behavior) to carry more of the load and, ideally, a uniform fiber load of all layers is reached for the bursting pressure.
Wie bereits oben dargelegt, weisen die erste Schicht und die zweite Schicht typischerweise eine Matrix (z.B. Harz) auf, in der die Fasern angeordnet sind. Ein Material der Matrix kann eine negative Poissonzahl aufweisen. So kann die Gleichmäßigkeit der Spannungsverteilung innerhalb einer mehrschichtigen Wand weiter erhöht werden.As stated above, the first layer and the second layer typically comprise a matrix (e.g., resin) in which the fibers are disposed. A material of the matrix may have a negative Poisson number. Thus, the uniformity of the stress distribution within a multilayer wall can be further increased.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Fahrzeug (insbesondere ein Straßenkraftfahrzeug z.B. ein Personenkraftwagen oder ein Lastkraftwagen) beschrieben, das den in diesem Dokument beschriebenen Drucktank umfasst.According to a further aspect, a vehicle (in particular a road motor vehicle, for example a passenger car or a lorry) is described which comprises the pressure tank described in this document.
Es ist zu beachten, dass die in diesem Dokument beschriebenen Vorrichtungen und Systeme sowohl alleine, als auch in Kombination mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Vorrichtungen und Systemen verwendet werden können. Des Weiteren können jegliche Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Vorrichtungen und Systemen in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden.It should be understood that the devices and systems described herein may be used alone as well as in combination with other devices and systems described in this document. Furthermore, any aspects of the devices and systems described in this document may be combined in a variety of ways. In particular, the features of the claims can be combined in a variety of ways.
Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigen
-
1 eine beispielhafte Drucktank-Anordnung; -
2 einen beispielhaften Querschnitt eines Drucktanks; und -
3 ein beispielhaftes auxetisches Garn.
-
1 an exemplary pressure tank assembly; -
2 an exemplary cross section of a pressure tank; and -
3 an exemplary auxetic yarn.
Wie eingangs dargelegt, befasst sich das vorliegende Dokument mit der Reduzierung der Wandstärke eines Drucktanks. Insbesondere befasst sich das vorliegende Dokument mit einem Druckbehältersystem (en: compressed hydrogen storage system (=CHS-System)) für ein Kraftfahrzeug. Das Druckbehältersystem dient zur Speicherung von unter Umgebungsbedingungen gasförmigen Kraftstoff bzw. Brennstoff. Das Druckbehältersystem kann beispielsweise in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden, das mit komprimiertem („Compressed Natural Gas“ = CNG) oder verflüssigtem (LNG) Erdgas oder mit Wasserstoff betrieben wird.As stated above, the present document is concerned with reducing the wall thickness of a pressure tank. In particular, the present document is concerned with a pressurized container system (= compressed hydrogen storage system (= CHS system)) for a motor vehicle. The pressure vessel system is used to store under ambient conditions gaseous fuel or fuel. The pressure vessel system can be used, for example, in a motor vehicle that is operated with compressed natural gas (CNG) or liquefied (LNG) natural gas or with hydrogen.
Ein solches Druckbehältersystem umfasst mindestens einen Druckbehälter. Der Druckbehälter kann beispielsweise ein kryogener Druckbehälter (= CcH2) oder ein Hochdruckgasbehälter (= CGH2) sein.Such a pressure vessel system comprises at least one pressure vessel. The pressure vessel may be, for example, a cryogenic pressure vessel (= CcH2) or a high-pressure gas vessel (= CGH2).
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.High pressure gas containers are formed, substantially at ambient temperatures Permanently store fuel at a nominal operating pressure (also called nominal working pressure or NWP) of about 350 bar (= over-pressure versus atmospheric pressure), more preferably about 700 bar or more. A cryogenic pressure vessel is suitable to store the fuel at the aforementioned operating pressures even at temperatures well below the operating temperature of the motor vehicle.
Die Drucktanks
Ein Drucktank
Ein Druckbehälter
Die faserverstärkte Schicht weist typischerweise Kreuz- und Umfangslagen auf. Um axiale Spannungen zu kompensieren, werden über die gesamte Wickelkernoberfläche Kreuzlagen (engl. helical layers) gewickelt bzw. geflochten. Im i.d.R. zylindrischen Umfangsbereich sind meist sogenannte Umfangslagen (engl. „hoop layers“) vorgesehen, die für eine Verstärkung in Umfangsrichtung sorgen. Die Umfangslagen verlaufen in Umfangsrichtung U des Druckbehälters und sind in einem Winkel von ca. 90° (+/- 5°) zur Druckbehälterlängsachse A-A (Achse
Vorteilhaft können mindestens zwei Lagen der faserverstärkten Schicht in einem ausgeglichenen Winkelverbund (AWV, engl. „Balanced Ply Laminate“) angeordnet sein. Ein ausgeglichener Winkelverbund kann als ein Verbund aus zwei unidirektionalen Lagen beschrieben werden, wobei neben dem Gelege auch bspw. Gewebe und gewickelte Kreuzlagen dafür infrage kommen. Die Verstärkungsfasern dieser unidirektionalen Lagen weisen Faserwinkel zur Gewebenormale bzw. Längsachse A-A (Achse
Ein Drucktank
Die Wand
Die Kräfte an der Innenseite der Wand
In diesem Dokument wird vorgeschlagen, Fasern
Als Folge der Dehnung εr der Fasern
Die Verwendung von Fasern
Der Differenzbetrag
Die Fasern
Es sei darauf hingewiesen, dass bereits eine Reduzierung der Poissonzahl (auch bei weiterhin positiver Possionzahl) zu einer gleichmäßigeren Verteilung der Faserauslastung führt. Mit anderen Worten, der in
Im oberen Teil von
Es können somit auxetische Garne
Das auxetische Garn
Die Gesamt-Poissonzahl für den Komposit in der Wand
Ergänzend zu der Verwendung von Fasern
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist zu beachten, dass die Beschreibung und die Figuren nur das Prinzip der vorgeschlagenen Vorrichtungen und Systeme veranschaulichen sollen.The present invention is not limited to the embodiments shown. In particular, it should be noted that the description and figures are intended to illustrate only the principle of the proposed devices and systems.
Claims (10)
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