DE102018218427A1 - Tankvorrichtung zur Speicherung von verdichteten Fluiden und Verfahren zur Herstellung einer Tankvorrichtung - Google Patents

Tankvorrichtung zur Speicherung von verdichteten Fluiden und Verfahren zur Herstellung einer Tankvorrichtung Download PDF

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Abstract

Tankvorrichtung (4) zur Speicherung von verdichteten Fluiden und zur Anwendung in Fahrzeugen (1) mit Brennstoffzellenantrieb mit mindestens einem Tankbehälter (6), welcher Tankbehälter (6) aus einem metallischen Material hergestellt und in dem Tankbehälter (6) ein Schaumelement (8) angeordnet ist, welches Schaumelement (8) form- und kraftschlüssig mit einer Tankhülle (12) des Tankbehälters (6) verbunden ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Tankvorrichtung zur Speicherung von verdichteten Fluiden für ein Fahrzeug mit Brennstoffzellenantrieb und ein Verfahren zur Herstellung solch einer Tankvorrichtung.
  • Stand der Technik
  • Gasspeichersysteme für Fahrzeuge, insbesondere für Drücke bis zu 700 bar, die bevorzugt in Kraftfahrzeugen zur Speicherung von Wasserstoff zur Versorgung einer Brennstoffzellenanordnung eingesetzt werden, sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Sie weisen einen mehrteiligen Aufbau auf mit einer Innenhülle und einer Außenhülle, wobei die Außenhülle aus faserverstärktem Kunststoff hergestellt ist, um den hohen Gasdruck standzuhalten. Diese sind daher mit hohen Herstellungskosten verbunden.
  • Die nicht vorveröffentlichte DE 10 2018 201 055 A1 beschreibt ein solches Gasspeichersystem mit mindestens zwei Speichereinheiten, welche die Speicherung eines gasförmigen Brennstoffs, insbesondere Wasserstoff, Methan oder Erdgas, unter einem verhältnismäßig hohen Innendruck von beispielsweise bis zu 700 bar ermöglicht. Dabei weisen die Speichereinheiten jeweils ein Steuerventil auf, mittels welchem die Speichereinheit zugeschaltet oder abgeschaltet werden kann. Die Speichereinheiten sind über ein Leitungssystem miteinander und mit einer Ausgangsleitung verbunden. Die Ausgangsleitung ist dabei beispielsweise mit einer Verbrauchereinheit wie einer Brennstoffzelleneinheit oder einem Verbrennungsmotor verbunden.
  • Solche Gasspeichersysteme sind jedoch aufgrund ihrer Größe auf angepasste Karosseriekonstruktionen mit entsprechend großen freien Einbauräumen angewiesen.
  • Es besteht daher der Bedarf nach kostengünstigen Gasspeichersystemen, die einfach herzustellen und an den zur Verfügung stehenden Bauraum anpassbar sind.
  • Vorteile der Erfindung
  • Die erfindungsgemäße Tankvorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 weist den Vorteil auf, dass eine Tankvorrichtung vorgeschlagen wird, welche kostengünstig herstellbar und an den verfügbaren Bauraum anpassbar ist.
  • Dazu weist die Tankvorrichtung zur Speicherung von verdichteten Fluiden und zur Anwendung in Fahrzeugen mit Brennstoffzellenantrieb mindestens einen Tankbehälter auf, welcher aus einem metallischen Material hergestellt. Außerdem ist in dem Tankbehälter ein Schaumelement angeordnet ist, welches Schaumelement form- und kraftschlüssig mit einer Tankhülle des Tankbehälters verbunden ist.
  • Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Tankvorrichtung gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
    • - Ausschäumen und Sintern des Tankbehälters mit dem Schaumelement, wodurch eine form- und kraftschlüssige Verbindung zwischen der Tankhülle und dem Schaumelement gebildet wird;
    • - Bestimmen der Querschnittsflächen der Schaumporen und der Dicke c der Stege mittels des Ausschäumprozesses.
  • So ist in einfacher Weise eine Tankvorrichtung aus kostengünstigem Material herstellbar und ist in konstruktiv einfacher Weise in Karossieren von Fahrzeugen einbaubar, da die Geometrie des Tankbehälters flexibel ausbildbar ist.
  • In erster vorteilhafter Weiterbildung umfasst das metallische Material des Tankbehälters Aluminium, Edelstahl oder eine Legierung aus Aluminium oder Edelstahl. So kann in einfacher Weise eine Kostenersparnis erzielt werden. Außerdem weisen diese Materialien eine höhere Verarbeitungsgeschwindigkeit auf als beispielsweise Kohlefaser, was typischerweise für Tankvorrichtung zur Speicherung von verdichteten Fluiden, insbesondere Wasserstoff, verwendet wird. Somit kann so die Produktionszeit reduziert werden, was ebenfalls zu einer Kostenersparnis führt. Darüber hinaus muss bei Verwendung von Metallen beispielsweise bei der Befüllung der Tankvorrichtung von Wasserstoff, dieser nicht typischerweise auf -40° C heruntergekühlt werden, um einer möglichen Beschädigung der temperaturempfindlichen Kohlefaserwerkstoffe entgegenzuwirken.
  • In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass der Tankbehälter quaderförmig ausgebildet ist. Insbesondere bei der Verwendung von Karosseriekonzepten für Fahrzeuge mit Batterieelektroantrieb ist dadurch die Integration sehr einfach, da in diesen Fahrzeugen die verwendeten Batterien einen ähnlichen Bauraum benötigen. So kann beispielsweise ein gemeinsames Karosseriekonzept für Fahrzeuge mit Batterieelektroantrieb und für Fahrzeuge mit Brennstoffzellenantrieb verwendet werden.
  • In vorteilhafter Weiterbildung ist das Schaumelement aus einem porösen metallischen Material mit Schaumporen und Stegen hergestellt. So können die Kräfte, die von dem Gasdruck herrühren, von einer Wandung des Tankbehälters auf das Schaumelement umverteilt werden. Dies ermöglicht eine Verringerung der Dicke der Wandung des Tankbehälters und erhöht somit die Geometrieflexibilität des Tankbehälters.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass der Tankbehälter und das Schaumelement aus demselben metallischen Material hergestellt sind. Dies ist effektiv und einfach herstellbar.
  • In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass der Tankbehälter und das Schaumelement aus unterschiedlichem metallischen Material hergestellt sind. So kann eine optimierte Funktion des Tankbehälters erzielt werden, beispielsweise durch die Umverteilung der Kräfte des Gasdrucks.
  • Die beschriebene Tankvorrichtung zur Speicherung von verdichteten Fluiden eignet sich vorzugsweise in einer Brennstoffzellenanordnung zur Speicherung von Wasserstoff für den Betrieb einer Brennstoffzelle.
  • Die beschriebene Tankvorrichtung zur Speicherung von verdichteten Fluiden eignet sich vorzugsweise in einem Fahrzeug mit einem Antrieb mit gasförmigen Kraftstoffen.
  • Figurenliste
  • In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Tankvorrichtung und ein Fahrzeug mit solch einer Tankvorrichtung dargestellt. Es zeigt in
    • 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Tankvorrichtung zur Anwendung in Fahrzeugen mit Brennstoffzellenantrieb im Querschnitt,
    • 2 das Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Tankvorrichtung aus der 1 in vergrößerter Ansicht,
    • 3 das aus 1 beschriebene Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Tankvorrichtung hier in einem Fahrzeugboden eines Fahrzeugs eingebaut, in schematischer Ansicht.
  • Beschreibung des Ausführungsbeispiels
  • 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Tankvorrichtung 4 im Querschnitt. Die Tankvorrichtung 4 weist einen Tankbehälter 6 auf, der quaderförmig ausgebildet und aus einem metallischen Material hergestellt ist. Die Tankvorrichtung 4 ist beispielsweise aus Aluminium, Edelstahl oder einer Legierung aus Aluminium oder Edelstahl hergestellt.
  • Weiterhin weist der Tankbehälter 6 eine Tankhülle 12 auf, wobei in dem Tankbehälter 6 ein Schaumelement 8 angeordnet und dieses form- und kraftschlüssig mit der Tankhülle 12 verbunden ist. Das Schaumelement 8 ist aus einem porösen metallischen Material mit Schaumporen 10 hergestellt.
  • Vorzugsweise sind die Tankhülle 12 und das Schaumelement 8 aus demselben metallischen Material hergestellt.
  • In einer alternativen Ausführung sind die Tankhülle 12 und das Schaumelement 8 aus unterschiedlichem metallischen Material hergestellt.
  • Quaderförmige Tankbehälter 6 benötigen im Vergleich zu zylindrischen oder kugelförmigen Ausführungen dickere Wandungen, um den Innendruck von beispielsweise 700 bar, abzuleiten. Bei Tankbehältern 6 mit innenliegenden Strukturen kann die Aufnahme dieser Kraft umverteilt werden, so dass die Dicke der Wandung reduziert werden kann. Dies wird hier durch Verwendung des Schaumelements 8 realisiert.
  • 2 zeigt das Ausführungsbeispiel aus der 1 in vergrößerter Ansicht. Die Tankhülle 12 und das Schaumelement 8 sind hier in vergrößerter Darstellung gezeigt. Die Tankhülle 12 umfasst eine Wandung 14 mit einer Dicke b. Das Schaumelement 8 umfasst die Schaumporen 10, welche unterschiedliche Querschnittsflächen 18 aufweisen. Weiterhin umfasst das Schaumelement 8 Stege 20, welche unterschiedliche Dicken c aufweisen.
  • Ist die Querschnittsfläche 18 beispielsweise 1 mm2 groß, so wirkt auf diese Schaumpore 10 eine Kraft von 70 N bei einem Gasdruck von 700 bar. Jeder angrenzende Steg 20 nimmt daher eine Zugkraft von 70 N auf unter der Annahme, dass er beispielsweise die Hälfte der Kräfte der umliegenden Schaumporen 10 zusätzlich aufnimmt. Je nach Zugfestigkeit des jeweils verwendeten Materials für den Tankbehälter 6, in diesem Fall die Zugfestigkeit von Stahl oder Aluminium liegt die Dicke c der Stege 20 beispielsweise zwischen 0,05 mm und 0,6 mm. So kann durch die Variierung der Querschnittsfläche 18 der Schaumporen 10 auch die Dicke c der Stege 20 angepasst werden. Dabei ist die Dicke c der Stege 20 so dimensioniert, dass sie sich aufgrund des innenliegenden Gasdrucks und der daraus resultierenden Kräfte auf die Querschnittsflächen 18 nicht verformt bzw. reißt.
  • Im Folgenden wird ein Ablaufplan des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Tankvorrichtung 4 erläutert:
  • Der Tankbehälter 6 wird mit einem Schaumelement 8 ausgeschäumt und gesintert. Dadurch wird eine form- und kraftschlüssige Verbindung zwischen der Tankhülle 12 und dem Schaumelement 8 gebildet. Mittels des Ausschäumprozesses werden die Querschnittsflächen 18 der Schaumporen 10 und die Dicke c der Stege 20 bestimmt.
  • Das Schaumelement 8 ist dabei so porös, dass sich das Gas darin verteilen kann.
  • 3 zeigt ein Fahrzeug 1 mit einer im Fahrzeugboden eingebauten Tankvorrichtung 4 - hier das Ausführungsbeispiel aus der 1 - zur Speicherung von verdichteten Fluiden, insbesondere Wasserstoff in schematischer Ansicht. In dieser Ausführung ist die Tankvorrichtung 4 längs zu einer Fahrtrichtung 22 angeordnet. Durch die Anordnung der Tankvorrichtung 4 unterhalb der Fahrgastzelle des Fahrzeugs 1 ist diese besonders unfallsicher, da die energieverzehrenden Bereiche des Fahrzeugs 1, die sogenannten Knautschzonen, vor und hinter der Fahrgastzelle angeordnet sind. Weiterhin ist eine tiefe Anbringung der Tankvorrichtung 4 vorteilhaft, da dies zu einem tiefen Schwerpunkt des Fahrzeugs 1 führt und so die Wank- und Nickneigung der Karosserie bei Kurvenfahrten und Beschleunigungen bzw. bei Abbremsmanövern abnimmt.
  • Darüber hinaus ist durch die quaderförmige Ausführung der Tankvorrichtung 4 ein flexibler Einsatz in das Chassis von Fahrzeugen möglich. Beispielsweise weisen batterieelektrobetriebene Fahrzeuge eine Batterievorrichtung mit ähnlicher quaderförmiger Ausführung auf, so dass in einfacher Weise eine Tankvorrichtung 4 zur Speicherung von Wasserstoff in das Chassis eines batterieelektrobetriebenen Fahrzeugs eingebaut werden kann. So kann beispielsweise dasselbe Chassis für Fahrzeuge mit Brennstoffzellenantrieb und für Fahrzeuge mit Batterieantrieb und somit ein einheitliches Karosseriegrundkonzept verwendet werden.
  • Durch die innenliegenden Strukturen sind auch andere geometrische Ausführungen der Tankvorrichtung 4 möglich, so dass die Tankvorrichtung 4 an das Chassis des jeweiligen Fahrzeugs angepasst werden kann.
  • 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 102018201055 A1 [0003]

Claims (9)

  1. Tankvorrichtung (4) zur Speicherung von verdichteten Fluiden und zur Anwendung in Fahrzeugen (1) mit Brennstoffzellenantrieb mit mindestens einem Tankbehälter (6), dadurch gekennzeichnet, dass der Tankbehälter (6) aus einem metallischen Material hergestellt ist und in dem Tankbehälter (6) ein Schaumelement (8) angeordnet ist, welches Schaumelement (8) form- und kraftschlüssig mit einer Tankhülle (12) des Tankbehälters (6) verbunden ist.
  2. Tankvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Material des Tankbehälters (6) Aluminium, Edelstahl oder eine Legierung aus Aluminium oder Edelstahl umfasst.
  3. Tankvorrichtung (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Tankbehälter (6) quaderförmig ausgebildet ist.
  4. Tankvorrichtung (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaumelement (8) aus einem porösen metallischen Material mit Schaumporen (10) und Stegen (20) hergestellt ist.
  5. Tankvorrichtung (4) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Tankbehälter (6) und das Schaumelement (8) aus demselben metallischen Material hergestellt sind.
  6. Tankvorrichtung (4) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Tankbehälter (6) und das Schaumelement (8) aus unterschiedlichem metallischen Material hergestellt sind.
  7. Verfahren zur Herstellung einer Tankvorrichtung (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: - Ausschäumen und Sintern des Tankbehälters (6) mit dem Schaumelement (8), wodurch eine form- und kraftschlüssige Verbindung zwischen der Tankhülle (12) und dem Schaumelement (8) gebildet wird; - Bestimmen der Querschnittsflächen (18) der Schaumporen (10) und der Dicke c der Stege (20) mittels des Ausschäumprozesses.
  8. Brennstoffzellenanordnung mit einer Tankvorrichtung (4) zur Speicherung von Wasserstoff für den Betrieb einer Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
  9. Fahrzeug (1) mit einer Tankvorrichtung (4) zur Speicherung von verdichteten Fluiden nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
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