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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Komponente zur Speicherung oder Verteilung von Druckgas und eine Komponente zur Speicherung oder Verteilung von Druckgas.
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Aus der
DE 10 2010 000 966 A1 ist ein Druckspeicher, insbesondere ein Wasserstoffdruckspeicher, mit einem Behälterkörper bekannt. Der Behälterkörper ist von einem Hüllkörper umschlossen, wobei zwischen dem Behälterkörper und dem Hüllkörper ein Zwischenraum gebildet ist. Der Behälterkörper ist aus einem Kunststoff-Liner oder einem Aluminium-Liner ausgebildet.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Komponente zur Speicherung oder Verteilung von Druckgas mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat den Vorteil, dass das, insbesondere für mobile Druckgasanwendungen relevante, Leichtbaupotential von Aluminium voll ausgeschöpft werden kann, trotz der Spannungsrisskorrosionsanfälligkeit von Aluminium oder vieler Aluminiumlegierungen. Durch das Cladden und/oder Plattieren und/oder Beschichten von beliebigen Aluminiumlegierungen mit duktilen und gleichzeitig korrosionsbeständigen Aluminiumlegierungen, wie insbesondere der Aluminiumlegierung EN AW-1050, wird diese Anwendungsbeschränkung von Aluminium oder Aluminiumlegierungen überkommen. Besonders vorteilhaft ist dabei, dass für den Kernwerkstoff eine Aluminiumlegierung gewählt werden kann, die hochfest und mechanisch hochbeanspruchbar ist, wobei die Spannungsrisskorrosionsanfälligkeit unbeachtlich ist, während für die Beschichtung eine von dem Kernwerkstoff verschiedene Aluminiumlegierung gewählt werden kann, die eine geringe Spannungsrisskorrosionsanfälligkeit aufweist. Besonders vorteilhaft ist somit insbesondere, dass die duktile Aluminiumlegierung eine höhere Duktilität aufweist als der Kernwerkstoff. Die duktile Aluminiumlegierung hat aufgrund der hohen Duktilität ferner den Vorteil, dass die Aluminiumlegierung auch bei großen Verformungen des Kernwerkstoffes einen großen Widerstand gegenüber Rissbildung aufweist, sodass der Feuchtezutritt zum darunterliegenden Kernwerkstoff über die gesamte Einsatzdauer der Komponente zur Speicher oder Verteilung von Druckgas unterbunden wird. Diese Vorteile werden durch ein Verfahren erreicht, bei dem der Kernwerkstoff aufweisend Aluminium oder eine Aluminiumlegierung druckgasseitig mit einer duktilen Aluminiumlegierung beschichtet wird. Der Kernwerkstoff besteht vorzugsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung. In einer Variante ist der Kernwerkstoff ein Verbundwerkstoff aufweisend Aluminium oder eine Aluminiumlegierung und einen weiteren Werkstoff, beispielsweise Glasfasern.
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Vorteilhaft ist ein Verfahren, bei dem die duktile Aluminiumlegierung mittels Plattieren auf den Kernwerkstoff aufgebracht wird. Plattieren ist ein Verfahren der Metallbearbeitung, bei dem eine oder mehrere Metallauflagen, hier die duktile Aluminiumlegierung, auf einem Grundmetall, hier dem Kernwerkstoff, zur Herstellung einer untrennbaren Verbindung aufgebracht werden. Dies kann beispielsweise durch Aufwalzen der duktilen Aluminiumlegierung und/oder Elektroplattieren, also durch elektrochemische Abscheidung der duktilen Aluminiumlegierung, erfolgen.
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Besonders vorteilhaft ist eine Verfahren, bei dem die duktile Aluminiumlegierung mittels Auftragsschweißen auf den Kernwerkstoff aufgebracht wird. Beim Auftragsschweißen wird die duktile Aluminiumlegierung in Form des Schweißzusatzwerkstoff auf den Kernwerkstoff durch einen Schweißvorgang aufgetragen.
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Vorteilhaft ist ferner ein Verfahren, bei dem die duktile Aluminiumlegierung auf den Kernwerkstoff aufgewalzt und/oder aufgelötet wird. Beim Aufwalzen wird eine Folie der duktilen Aluminiumlegierung auf den Kernwerkstoff gelegt und durch Druck und/oder Temperaturerhöhung eine Verbindung zwischen den Komponenten durch Walzen hergestellt. Beim Auflöten wird eine Folie der duktilen Aluminiumlegierung auf den Kernwerkstoff gelegt und mittels eines Lots mit dem Kernwerkstoff verbunden.
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Besonders vorteilhaft ist ein Verfahren bei dem die duktile Aluminiumlegierung durch Innenhochdruckumformung auf den Kernwerkstoff aufgebracht wird. Dabei wird die in einen Hohlraum der aus dem Kernwerkstoff hergestellten Komponente zur Speicherung oder Verteilung von Druckgas die duktile Aluminiumlegierung eingelegt und durch Aufbringen eines Innendrucks an die Innenwandung des Kernwerkstoffes angepresst.
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Vorteilhaft ist ferner ein Verfahren bei dem die duktile Aluminiumlegierung durch Co-Extrusion auf den Kernwerkstoff aufgebracht wird. Bei der Co-Extrusion werden sowohl der Kernwerkstoff als auch die duktile Aluminiumlegierung durch das selbe Extrusionswerkzeug zur Herstellung eines Halbzeuges bestehend aus dem Kernwerkstoff und der duktilen Aluminiumlegierung gepresst. In einem anschließenden zweiten Verfahrensschritt wird aus dem hergestellten Halbzeug die Komponente zur Speicherung oder Verteilung von Druckgas beispielsweise durch einen Umformvorgang hergestellt.
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Besonders vorteilhaft ist ein Verfahren bei dem die duktile Aluminiumlegierung eine Aluminiumknetlegierung, insbesondere die Aluminiumlegierung EN AW-1050, ist. Aluminiumknetlegierungen sind Aluminiumlegierungen mit Zusätzen von Magnesium und/oder Silizium und/oder Kupfer und/oder Zink und/oder Nickel und/oder Mangan zur Erhöhung der Duktilität. Die Aluminiumlegierung EN AW-1050 weist vorzugsweise die folgende Zusammensetzung auf:
- - 0,25 % Silizium
- - 0,4 % Eisen
- - 0,05 % Kupfer
- - 0,05 % Mangan
- - 0,05 % Magnesium
- - 0,07 % Zink
- - 0,05 % Titan
- - Rest: Aluminium
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Die Erfindung betrifft ferner eine Komponente zur Speicherung oder Verteilung von Druckgas mit einem Kernwerkstoff aufweisend Aluminium oder eine Aluminiumlegierung, wobei der Kernwerkstoff druckgasseitig mit einer duktilen Aluminiumlegierung beschichtet ist, wobei die Komponenten vorzugsweise durch das vorstehend beschriebene Verfahren hergestellt wurde. Die Komponenten ist insbesondere ein Druckgastank, insbesondere ein Wasserstoffdruckgastank, und/oder ein Ventil, insbesondere Temperaturventil und/oder ein Überdruckventil und/oder ein Absperrventil und/oder ein Rückschlagventil, und/der eine Rohrleitung, insbesondere eine Wasserstoffrohrleitung. Ein Wasserstoffdruckgastank dient zur Speicherung von Wasserstoff als dem Druckgas, wobei zwischen einem Typ I, Typ II, Typ III, Typ IV und Typ V Wasserstoffdruckgastank unterschieden wird, wobei sich die Typen im Wesentlichen durch das Wandmaterial und/oder die Druckfestigkeit unterscheiden. Das beschriebene Verfahren ist für die Herstellung aller Typen von Wasserstoffdruckgastanks aufweisend Aluminium oder eine Aluminiumlegierung im Kernwerkstoff geeignet. Eine Wasserstoffrohrleitung dient zum Transport und damit Verteilung von Wasserstoff als dem Druckgas. In einer Variante ist die Komponente ein Einsteckbauteil, wobei das Einsteckbauteil aus dem Kernwerkstoff mit der druckgasseitigen Beschichtung mit der duktilen Aluminiumlegierung besteht. Einsteckbauteile haben den Vorteil, dass durch das Einstecken Werkstücken schnell und einfach mit den erforderlichen Materialeigenschaften, insbesondere mit einer geringen Spannungsrisskorrosionsanfälligkeit, ausgestatten werden können. Im Übrigen weisen die Komponenten zur Speicherung oder Verteilung von Druckgas entsprechende Vorteile wie das vorstehend beschriebene Verfahren auf.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezug zu den Figuren und aus den abhängigen Ansprüchen.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen anhand mehrerer Figuren dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 ein Verfahren zur Herstellung einer Komponente zur Speicherung oder Verteilung von Druckgas,
- 2 einen Druckgastank, und
- 3 ein Ventil.
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Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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Nachfolgend wird ein Verfahren zur Herstellung einer Komponente zur Speicherung oder Verteilung von Druckgas mit einem Kernwerkstoff aufweisend Aluminium oder eine Aluminiumlegierung beschrieben, wobei der Kernwerkstoff druckgasseitig mit einer duktilen Aluminiumlegierung beschichtet wird. Ferner wird eine Komponente zur Speicherung oder Verteilung von Druckgas mit einem Kernwerkstoff aufweisend Aluminium oder eine Aluminiumlegierung beschrieben, insbesondere ein Druckgastank oder ein Ventil, wobei der Kernwerkstoff druckgasseitig mit einer duktilen Aluminiumlegierung beschichtet ist.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei aus Aluminiumlegierungen gefertigte stationäre und mobile Gasspeichertanks, Tankinnenliner und Tankanbauteile, die in der Anwendung einer Druckgasatmosphäre ausgesetzt sind, auch unter Einhaltung der entsprechenden Reinheitsvorgaben für Druckgase, wie beispielsweise Wasserstoff, bei der Befüllung der Gasspeichertanks hinreichende Feuchtigkeitsmengen eingetragen werden können, die bei niedrigen, im Betrieb auftretenden Temperaturen durch Unterschreitung des Taupunkts kondensieren und in Verbindung mit den innendruckbedingten Zugspannungen Spannungsrisskorrosion induzieren und zur Beschädigung der Komponente führen können.
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Durch die nachfolgend beschriebene Beschichtung des hochfesten Kernwerkstoffes mit dem duktilen, korrosionsbeständigen Beschichtungswerkstoff und der damit vorliegenden Barriere, wird der direkte Kontakt des potentiell spannungsrisskorrosionsanfälligen Kernwerkstoffs mit dem feuchten Druckgas/Kondensat unterbunden. Damit werden zwei (Werkstoff, Medium) der drei notwendigen Komponenten (Werkstoff, Medium, Zugspannung), die zur Spannungsrisskorrosion führen, ausgeschaltet. Hierzu wird zur Unterbindungen des Kontakts zwischen Feuchte/Kondensat und dem spannungsrisskorrosionsanfälligen Kernwerkstoff der Kernwerkstoff mit einer duktilen Aluminiumlegierung gecladdet und/oder plattiert und/oder beschichtet. Für Bauteile aus Bandmaterial wird der Beschichtungswerkstoff oder der Plattierwerkstoff auf den Kernwerkstoff co-extrudiert und/oder aufgewalzt und/oder aufgeschweißt und/oder gelötet und/oder gewalzt. Für Tankliner oder Gasflaschen wird die Beschichtung durch Koextrusion von Kern- und Beschichtungswerkstoff oder durch Innenhochdruckumformung aufgebracht. Das dem Druckgas exponierte Innere von Ventilen wird beschichtet oder die Ventile werden mit Einsteckbauteile ausgestattet. Die Realisierung der Erfindung bei Komponenten zur Speicherung oder Verteilung von Druckgas kann durch einen metallographischen Schliff oder durch chemische Analyse von Kernwerkstoff und Plattierung zerstörend oder bei gegebener Zugänglichkeit auch zerstörungsfrei nachgewiesen werden. Durch das nachfolgend beschriebene Verfahren können Aluminiumliner von Druckgastanks insbesondere des Typs III und/oder Druckgasflaschen, beispielsweise für Taucher, und/oder druckgasexponierte Aluminiumkomponenten, beispielsweise Temperaturventile und/oder Überdruckventile (Thermal and Pressure Relief Devices/TPRD) und/oder Absperrventile (Shut-off valves) und/oder Rückschlagventile (Check valves) hergestellt werden.
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1 zeigt ein Verfahren zur Herstellung einer Komponente zur Speicherung oder Verteilung von Druckgas. In einem ersten Verfahrensschritt 10 wird die Komponente zur Speicherung oder Verteilung von Druckgas aus dem Kernwerkstoff aufweisend Aluminium oder eine Aluminiumlegierung hergestellt. Bei der Komponente handelt es sich insbesondere um einen Druckgastank, insbesondere einen Wasserstoffdruckgastank, und/oder ein Ventil, insbesondere ein Temperaturventil und/oder ein Überdruckventil und/oder ein Absperrventil und/oder ein Rückschlagventil, und/der eine Rohrleitung, insbesondere eine Wasserstoffrohrleitung. In einem zweiten Verfahrensschritt wird der Kernwerkstoff druckgasseitig mit einer duktilen Aluminiumlegierung beschichtet. In einer ersten Variante wird die duktile Aluminiumlegierung mittels Plattieren auf den Kernwerkstoff aufgebracht. Alternativ oder zusätzlich wird die duktile Aluminiumlegierung in einer weiteren Variante mittels Auftragsschweißen auf den Kernwerkstoff aufgebracht und/oder aufgewalzt. In einer weiteren Variante wird die duktile Aluminiumlegierung alternativ oder zusätzlich durch Innenhochdruckumformung auf den Kernwerkstoff aufgebracht. In einer Variante ist die Komponente ein Einsteckbauteil auf, wobei das Einsteckbauteil aus dem Kernwerkstoff hergestellt wird. Das Einsteckbauteil ist ausgebildet, in eine weitere Komponente zur Speicherung oder Verteilung von Druckgas, insbesondere ein Ventil, eingebaut zu werden. Das Einsteckbauteil wird in dieser Variante in einem weiteren Verfahrensschritt in die Komponente zur Speicherung oder Verteilung von Druckgas, insbesondere ein Ventil, eingebaut. In einer weiteren Variante wird abweichend von dem ersten Verfahrensschritt 10 und dem zweiten Verfahrensschritt 12 zunächst die duktile Aluminiumlegierung auf dem Kernwerkstoff, beispielsweise durch Co-Extrusion, aufgebracht und dann in einem weiteren Verfahrensschritt aus dem so hergestellten Halbzeug die Komponente zur Speicherung oder Verteilung von Druckgas hergestellt. In allen Variante ist vorzugsweise vorgesehen, dass die duktile Aluminiumlegierung eine höhere Duktilität auf als der Kernwerkstoff aufweist und/oder dass die duktile Aluminiumlegierung eine Aluminiumknetlegierung, insbesondere die Aluminiumlegierung EN AW-1050, ist.
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2 zeigt einen Druckgastank 20, beispielsweise einen Wasserstoffdruckgastank, als eine Komponente zur Speicherung von Druckgas 34. Der Druckgastank 20 umfasst einen Kernwerkstoff 22 aufweisend Aluminium oder eine Aluminiumlegierung und eine druckgasseitigen 28 Beschichtung mit einer duktilen Aluminiumlegierung 24. Das in dem Druckgastank 20 gespeicherte Druckgas, beispielsweise Wasserstoff, übt gegen die Wandung des Druckgastanks 20 einen Innendruck 32 aus. Aufgrund technisch nicht vollständig vermeidbarer Verunreinigungen weist das Druckgas 34 eine Feuchtigkeit 30 auf. Ferner umfasst der Druckgastank 20 einen Einfüllstutzen 26 zum Befüllen des Druckgastanks 20 mit dem Druckgas 34. Der Druckgastank 20 wurde durch ein mit Bezug auf die 1 erläutertes Verfahren zur Herstellung einer Komponente zur Speicherung oder Verteilung von Druckgas 34 hergestellt.
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2 zeigt ein Ventil 40 als eine Komponente zur Verteilung von Druckgas 34. Das Ventil 40 ist als ein Absperrventil ausgebildet. Das Ventil 40 umfasst einen Kernwerkstoff 22 aufweisend Aluminium oder eine Aluminiumlegierung und eine druckgasseitigen 28 Beschichtung mit einer duktilen Aluminiumlegierung 24. Ferner umfasst das Ventil 40 eine Hochdruckseite 42 und eine Niederdruckseite 44, wobei die Hochdruckseite 42 durch einen im Ventilsitz 52 sitzenden Ventilteller 50 gegenüber der Niederdruckseite 44 abgedichtet ist. Das auf der Hochdruckseite 42 des Ventils 40 befindliche Druckgas 34, beispielsweise Wasserstoff, übt gegen die Wandung des Ventils 40 einen Innendruck 32 aus. Aufgrund technisch nicht vollständig vermeidbarer Verunreinigungen weist das Druckgas 34 eine Feuchtigkeit 30 auf. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Kernwerkstoff 22 sowohl auf der Hochdruckseite 42 als auch auf der Niederdruckseite 44 mit der duktilen Aluminiumlegierung 24 und somit druckgasseitig 28 beschichtet. Ferner ist im bevorzugten Ausführungsbeispiel zusätzlich oder alternativ der Ventilsitz 52 und/oder der Ventilteller 50 mit der duktilen Aluminiumlegierung 24 beschichtet. Ferner weist das Ventil 40 eine Buchse 54, eine Spindel 48, die in der Buchse 54 gelagert ist, und ein Handrad 46 auf. Das Ventil 40 ist ausgebildet, die Hochdruckseite 42 mit der Niederdruckseite 44 zu verbinden, indem durch Betätigung des Handrads 46 über die Spindel 48 der Ventilteller 50 vom Ventilsitz 52 gelöst wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010000966 A1 [0002]
