DE102019008951A1 - Druckgasbehälter - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Druckgasbehälter (1) mit einer Innenhülle (5) aus Kunststoff und einer faserverstärkten Außenhülle (6), mit zwei Endstücken (2, 3), welche aus einer Aluminiumlegierung ausgebildet sind, und welche zumindest im Kontaktbereich zwischen ihrer Oberfläche und der Außenhülle (6) mit einer Eloxalschicht versehen sind. Der erfindungsgemäße Druckgasbehälter ist dadurch gekennzeichnet, dass die Eloxalschicht (7) im Kontaktbereich zwischen der Oberfläche der Endstücke (2, 3) und der Außenhülle (6) wenigstens eine Kontaktfläche (8) aufweist, welche frei von der Eloxalschicht (7) ist, wobei die Außenhülle (6) elektrisch leitende Fasern aufweist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Druckgasbehälter mit einer Innenhülle aus Kunststoff und einer faserverstärkten Außenhülle, nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
  • Derartige Druckgasbehälter, welche auch als Typ IV-Behälter bezeichnet werden, sind prinzipiell aus dem Stand der Technik bekannt. Typischerweise werden sie mit Endstücken aus einem metallischen Material eingesetzt. Dabei hat sich in neuerer Zeit der Einsatz von Endstücken aus einer Aluminiumlegierung als besonders effizient erwiesen. Diese Aluminiumlegierung kann einfach an ihrer Oberfläche mit einer Eloxalschicht versehen werden. Dadurch wird die Korrosionsbeständigkeit der Endstücke gewährleistet und gleichzeitig erlaubt die Eloxalschicht eine verbesserte Anhaftung zwischen dem Endstück und der faserverstärkten Außenhülle. Das japanische Patent JP 60-98270 B2 beschreibt einen derartigen Aufbau, bei welchem die Kontaktfläche zwischen der Außenhülle und dem Endstück aus Aluminium entsprechend eloxiert ist, um die Anhaftung zu verbessern.
  • In der Praxis ist es so, dass die Endstücke aus Aluminiumlegierungen mit ihrer Eloxalschicht Vorteile hinsichtlich des Gewichts und der Kosten bei derartigen Druckgasbehältern bieten. Anders als beim Einsatz von den teureren und schwereren Endstücken aus Edelstahl bieten sie jedoch nicht die Möglichkeit einer elektrischen Kontaktierung der Endstücke, da die Eloxalschicht elektrisch isolierend wirkt. Die Anforderungen der sogenannten EC79, gemäß welcher alle metallischen Bauteile in einem Wasserstoffsystem elektrisch geerdet sein müssen, lassen sich damit typischerweise nur relativ aufwändig, insbesondere durch die Erdung von mit den Endstücken verschraubten Elementen auf beiden Seiten des Druckgasbehälters, realisieren.
  • Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung ist es deshalb, einen verbesserten Druckgasbehälter anzugeben, welcher eine einfache und effiziente elektrische Verbindung zwischen den Endstücken ermöglicht.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Druckgasbehälter mit den Merkmalen im Anspruch 1, und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Druckgasbehälter sind die beiden Endstücke aus einer Aluminiumlegierung ausgebildet und zumindest im Kontaktbereich zwischen ihrer Oberfläche und der Außenhülle, wie im eingangs genannten Stand der Technik, oder vorzugsweise an ihrer kompletten Außenoberfläche, eloxiert. Sie bieten damit gegenüber Endstücken aus Edelstahl den Vorteil, dass sie leichter sind und dennoch einen guten Korrosionsschutz ausweisen. Erfindungsgemäß ist es nun so, dass die Endstücke im Kontaktbereich zwischen der Oberfläche der Endstücke und der Außenhülle wenigstens eine Kontaktfläche aufweisen, welche frei von der Eloxalschicht ist, wobei die Außenhülle elektrisch leitende Fasern aufweist. Dadurch, dass nun wenigstens ein Kontaktbereich frei von der Eloxalschicht gehalten wird, kann eine elektrische Kontaktierung des Endstücks mit elektrisch leitenden Fasern der Außenhülle erfolgen. Erfolgt dies bei beiden Endstücken, dann sind die Endstücke innerhalb des Druckgasbehälters elektrisch leitend miteinander verbunden, sodass eine einfache Erdung z.B. über eine Endstückseite des Druckgasbehälters ausreicht, um die Anforderungen der EC79 zu erfüllen.
  • Vorzugsweise sind die Endstücke dabei gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Druckgasbehälters mit Ausnahme der wenigstens einen Kontaktfläche vollständig mit der Eloxalschicht versehen, sodass die gesamte Außenoberfläche korrosionsgeschützt ist und eine Anhaftung der Außenhülle und der Innenhülle an den Endstücken entsprechend einfach und effizient möglich ist.
  • Vorzugsweise weist der erfindungsgemäße Druckgasbehälter dabei mehr als eine Kontaktfläche auf. Gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung kann es entsprechend vorgesehen sein, dass die Kontaktfläche durch Auflagepunkte, an welchen das Endstück während des Eloxierens auf einem Träger auflag, ausgebildet sind. Beim Eloxieren der Endstücke müssen diese entsprechend auf einem Träger aufliegen, sodass die elektrolytische Oxidation des Aluminiums erfolgen kann. Im Bereich dieser Auflagepunkte ist das Endstück also ohnehin frei von der Eloxalschicht, insbesondere wenn hier keine weitere Nachbearbeitung erfolgt, wie es zum Verschließen der Auflagepunkte ansonsten allgemein üblich ist. Wird das Endstück also in dieser Phase aus der Produktion entnommen, dann stehen mit den Auflagepunkten die erforderlichen Kontaktflächen ohnehin zur Verfügung. Der erfindungsgemäße Druckgasbehälter kann somit außerordentlich einfach und effizient realisiert werden.
  • Prinzipiell können in der Außenhülle verschiedene elektrisch leitende Fasern aus Metall, Drähte oder ähnliches angeordnet werden. Gemäß einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung werden als die elektrisch leitenden Fasern jedoch Kohlestofffasern eingesetzt. Bei einem Druckgasbehälter mit einer faserverstärkten Schicht, welche Kohlestofffasern umfasst, also beispielsweise als Verstärkungsfasern ganz oder teilweise Kohlestofffasern aufweist, ist damit eine elektrische Verbindung zwischen den Endstücken einfach dadurch zu realisieren, dass Endstücke eingesetzt werden, welche an ihren Auflagepunkten während des Eloxierens nicht nachträglich versiegelt werden. Der Aufbau des Druckgasbehälters ist damit außerordentlich einfach, effizient und erfordert keine nennenswerte Änderung des Herstellungsverfahrens.
  • Die Kontaktflächen sind dabei vorzugsweise vollständig von der Eloxalschicht umgegeben, haben also einen geschlossenen äußeren Umfang. Je nach Art der Auflage während des Eloxalverfahrens können sie gemäß einer alternativen Ausgestaltung auch an wenigstens drei Seiten ihres Umfangs von der Eloxalschicht umgeben sein. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Auflagepunkte während des Eloxierens beispielsweise an einer Kante oder einem Vorsprung lagen, sodass die Kontaktfläche innerhalb des Kontaktbereichs in diesem Fall bis an den Rand des Kontaktbereichs oder über diesen hinaus geht.
  • Um die elektrische Kontaktierung zwischen den beiden Endstücken, insbesondere über die Kohlestofffasern in der Außenhülle, zu erreichen, reichen dabei relativ kleine Flächeninhalte der Kontaktfläche oder der Kontaktflächen bereits aus, sodass die Vorteile der verbesserten Anhaftung der Außenhülle am Endstück weitgehend bestehen bleiben.
  • Gemäß einer sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Druckgasbehälters ist es daher vorgesehen, dass der Flächeninhalt der Kontaktflächen kleiner als 30 %, vorzugsweise kleiner als 10 % des Flächeninhalts des Kontaktbereiches ist. Die Fläche der einzelnen Kontaktflächen ist also im Verhältnis zur Gesamtfläche des Kontaktbereichs zwischen der Außenhülle und dem Endstück relativ klein. Dies reicht jedoch völlig aus, um über elektrisch leitfähige Fasern, beispielsweise die Kohlefasern bei einer Außenhülle aus kohlefaserverstärktem Kunststoff bzw. CfK die elektrische Verbindung der über den weitgehend größten Teil ihrer Oberfläche eloxierten Endstücke zu gewährleisten.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Druckgasbehälters ergeben sich ebenso wie eine bevorzugte Verwendung aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
  • Dabei zeigen:
    • 1 ein schematisch angedeuteter Druckgasbehälter;
    • 2 einen Schnitt durch einen Teil dieses Druckgasbehälters; und
    • 3 eine Draufsicht auf eines der Endstücke in einer schematischen Darstellung.
  • In der Darstellung der 1 ist ein Druckgasbehälter 1 gezeigt. Dieser soll als sogenannter Typ IV-Druckgasbehälter ausgebildet sein. Er kann insbesondere zur Speicherung von Wasserstoff, beispielsweise bei einem Nenndruck von 70 MPa oder höher, eingesetzt werden. Er besteht aus einem Mittelteil und an seinen beiden Enden aus jeweils zwei Endstücken 2, 3, welche auch als Boss bezeichnet werden. In zumindest einem dieser Endstücke ist typischerweise eine Öffnung vorgesehen, um ein Tankventil einzuschrauben.
  • In der Darstellung der 2 ist der detaillierte Aufbau nun in einem Schnitt des Bereichs des Druckgasbehälters 1 um das eine der Endstücke 2 herum zu erkennen. Auf der gegenüberliegenden Seite des Druckgasspeichers 1 im Bereich des anderen Endstücks 3 kann der Aufbau dabei vergleichbar ausgebildet sein. Im Nachfolgenden wird daher nur die mit dem Endstück 2 versehene Seite näher beschrieben. Das Endstück 2 weist eine Durchgangsbohrung 4 auf, in welche beispielsweise ein Tankventil eingeschraubt werden kann. Das andere Endstück 3 wird typischerweise eine ähnliche Durchgangsbohrung 4 aufweisen oder es wird verschlossen oder mit einer Sacklochbohrung ausgebildet sein. Da die Durchgangsbohrung 4 hier nicht von näherer Bedeutung für die vorliegende Erfindung ist, muss darauf nicht weiter eingegangen werden.
  • Als typischer Typ IV-Druckgasbehälter weist der Druckgasbehälter 1 eine Innenhülle 5 aus einem dünnen Kunststoffmaterial auf, deren Aufgabe vor allem darin besteht, das Innere des Druckgasbehälters 1 gegenüber dem zu speichernden Medium, hier also einem Gas, wie insbesondere Wasserstoff, abzudichten. Die Innenhülle 5, welche mit dem Endstück 2 entsprechend verbunden, beispielsweise verklebt, ist, wird dabei zusammen mit einem Teil des Endstücks 2 von einer Außenhülle 6 umgeben. Diese besteht typischerweise aus Verstärkungsfasern, beispielsweise Kohlefasern, welche auch mit anderen Fasern wie beispielsweise Aramidfasern, Glasfasern oder Basaltfasern gemischt sein können. Diese Fasern werden über eine Kunststoffmatrix zusammengehalten und stabilisiert, beispielsweise über ein auf einem Harz basierenden Material. Die Endstücke 2, 3 sind dabei aus einer Aluminiumlegierung ausgebildet. Um die Endstücke 2, 3 einerseits gegen Korrosion zu schützen und andererseits eine möglichst gute Anhaftung der Endstücke 2, 3 beim Verkleben mit der Innenhülle 5, insbesondere jedoch der Außenhülle 6 zu gewährleisten, sind die Endstücke 2, 3 an ihren nach außen gewandten Oberflächen, also typischerweise vor dem Einbringen der Durchgangsbohrung 4, eloxiert worden. Dadurch bildet sich eine mit einer dickeren Linie symbolisierte Eloxalschicht 7 aus. Diese kann, wie hier angedeutet, die äußere Oberfläche der Endstücke 2, 3 bedecken, falls die Durchgangsbohrung 4 nach dem Eloxieren eingebracht worden ist, oder kann gegebenenfalls auch das Innere der Durchgangsbohrung 4 ganz oder teilweise mit umfassen, wenn anschließend eloxiert worden ist.
  • Um über die elektrisch leitfähigen Kohlefasern in der Außenhülle 6 eine elektrische Verbindung zwischen den beiden Endstücken 2, 3 zu gewährleisten, sodass diese gemeinsam geerdet werden können, sind nun in einigen Bereichen in einem Kontaktbereich zwischen der Außenhülle 6 und dem Endstück 2, ohne dass dies hier dargestellt ist, Kontaktflächen 8 vorgesehen, welche frei von der Eloxalschicht 7 sind. In der Darstellung der 2 ist dies in der unteren Hälfte des Endstücks 2 entsprechend angedeutet. Dadurch, dass diese Kontaktflächen 8 frei von der Eloxalschicht 7 sind, kann hier ein direkter und elektrisch leitender Kontakt zwischen dem Aluminium des Endstücks 2, und über die Kontaktbereich 8 mit den Kohlestofffasern in der Außenhülle 6 realisiert werden. Hierdurch sind die beiden Endstücke 2, 3 elektrisch miteinander verbunden. Wird eines der Endstücke 2, 3, beispielsweise das Endstück 3, entsprechend geerdet, dann ist das andere Endstück 2 und der gesamte Druckgasbehälter 1 ebenfalls geerdet.
  • Prinzipiell wäre es nun denkbar, die Kontaktflächen 8 nachträglich auszubilden und an diesen Stellen das Eloxal beispielsweise durch Schleifen, Fräsen oder dergleichen wieder zu entfernen, um die Eloxalschicht 7 punktuell zu unterbrechen. Besonders günstig ist es jedoch, wenn die Kontaktflächen 8 beim Eloxieren der Endstücke 2, 3 direkt als Auflagepunkte für das Eloxieren dienen. Im Bereich dieser Auflagepunkte ist dann prinzipbedingt beim Eloxieren ohnehin ein elektrischer Kontakt zwischen der Aluminiumlegierung des jeweiligen Endstücks 2, 3 und einer Elektrolyse-Spannungsquelle notwendig. Die Auflagepunkte selbst werden dabei nicht von der Eloxalschicht überzogen und sind nach dem Eloxieren des Endstücks 2 frei von der Eloxalschicht 7. Sie eignet sich dann insbesondere dazu, mit einer herkömmlichen Außenhülle 6 aus einem Verbundwerkstoff, welcher zumindest einen Anteil von Kohlefasern umfasst, eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den Endstücken 2 und 3 auszubilden.
  • In der Darstellung der 3 ist dies nochmals gezeigt. Die Kontaktflächen 8, welche hier mehr oder weniger gleichmäßig um den Umfang des Endstücks 2 herum verteilt angeordnet sind, waren hier insbesondere die Auflagepunkte während des Eloxierens des Endstücks 2 und sind damit herstellungsbedingt frei von der Eloxalschicht 7 und können so ideal als Kontaktflächen 8 eingesetzt werden.
  • 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
    • JP 6098270 B2 [0002]

Claims (8)

  1. Druckgasbehälter (1) mit einer Innenhülle (5) aus Kunststoff und einer faserverstärkten Außenhülle (6), mit zwei Endstücken (2, 3), welche aus einer Aluminiumlegierung ausgebildet sind, und welche zumindest im Kontaktbereich zwischen ihrer Oberfläche und der Außenhülle (6) mit einer Eloxalschicht versehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Eloxalschicht (7) im Kontaktbereich zwischen der Oberfläche der Endstücke (2, 3) und der Außenhülle (6) wenigstens eine Kontaktfläche (8) aufweist, welche frei von der Eloxalschicht (7) ist, wobei die Außenhülle (6) elektrisch leitende Fasern aufweist.
  2. Druckgasbehälter (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Endstücke (2, 3) mit Ausnahme der wenigstens einen Kontaktfläche (8) an ihrer äußeren Oberfläche vollständig mit der Eloxalschicht (7) versehen sind.
  3. Druckgasbehälter (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Endstücke (2, 3) mehr als eine Kontaktfläche (8) aufweist.
  4. Druckgasbehälter (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktflächen (8) durch Auflagepunkte, an welchen das Endstück (2, 3) während des Eloxierens auf einem Träger auflag, gebildet sind.
  5. Druckgasbehälter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitenden Fasern als Kohlenstoffasern ausgebildet sind.
  6. Druckgasbehälter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Kontaktfläche (8) an ihrem Umfang vollständig von der Eloxalschicht (7) umgeben ist.
  7. Druckgasbehälter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5. dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Kontaktfläche (8) an wenigstens drei Seiten ihres Umfangs von der Eloxalschicht (7) umgeben ist.
  8. Druckgasbehälter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Flächeninhalt der wenigstens einen Kontaktfläche (8) kleiner als 30 %, vorzugsweise kleiner als 10 %, des Flächeninhalts des Kontaktbereichs (8) ist.
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