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Die Erfindung betrifft einen Tankbehälter mit einer Außenwandung und einer im Inneren ausgebildeten Kammerstruktur, bestehend aus einzelnen Kammern, die in Kammerlagen zusammengefasst und durch Austauschöffnungen miteinander strömungsverbunden sind, wobei die randseitigen Dichtungsmaterial-Kammerlagen mit einem Dichtungsmaterial verfüllt und die den Dichtungsmaterial-Kammerlagen benachbarten präterminalen Kammerlagen mit einem flüssigen Dichtungsmittel befüllt sind. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einem Tankbehälter sowie ein Brennstoffzellen-Fahrzeug.
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Tankbehälter in der Form von Gasdruckspeichern werden beispielsweise bei gasbetriebenen Kraftfahrzeugen, insbesondere auch bei Brennstoffzellen-Fahrzeugen eingesetzt, in denen Brennstoffzellenvorrichtungen für die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser genutzt werden, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektroden-Einheit, die ein Verbund aus einer protonenleitenden Membran und jeweils einer, beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode, nämlich der Anode und der Kathode ist. Im Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Mehrzahl zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasster Brennstoffzellen wird aus dem Tankbehälter der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff (H2) oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H2 zu H+ unter Abgabe von Elektronen stattfindet. Über die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein Transport der Protonen H+ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch zugeführt, so dass eine Reduktion von O2 zu O2- unter Aufnahme der Elektronen stattfindet. Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum diese Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser.
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Der Brennstoff wird also unter Hochdruck in dem Tankbehälter gespeichert und bedarfsgerecht an die das Brenngas verbrauchenden Konstituenten abgegeben wird. Der Nachteil bei bekannten Tankbehältern liegt darin, dass diese insbesondere in Brennstoffzellenfahrzeugen den verfügbaren Bauraum nur unzureichend ausnutzen, insbesondere wenn die Tankbehälter eine zylindrische Grundform aufweisen. Quaderförmige beziehungsweise im Querschnitt rechteckige Tankbehälter bieten im Hinblick auf den Bauraumbedarf Vorteile, besitzen aber hinsichtlich der Druckstabilität große Nachteile. Zur Besserung dieses Nachteils ist es bekannt, nach Art von Bienenwaben eine Kammerstruktur, bestehend aus einzelnen Kammern, die in Kammerlagen zusammengefasst sind zu nutzen. Bei einer mobilen Anwendung in einem Brennstoffzellen-Fahrzeug bestehen aber auch hohe Anforderungen an die Dichtigkeit auch bei äußeren Einwirkungen, wenn beispielsweise das Brennstoffzellen-Fahrzeug in einen Unfall verwickelt wird. Selbst bei kleinen Beschädigungen soll die Dichtigkeit des Tankbehälters gegeben sein.
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In der
WO 2017/99543 A1 wird zur Speicherung von Wasserstoff die Nutzung eines zylindrischen Tankbehälters vorgeschlagen, in den ein Metallhydridspeicher eingebracht ist. Die
CN108679437 A beschreibt einen Wasserstofftank, bei dem als Leckageschutz zwischen einer äußeren Hülle und einer inneren Hülle ein Wasserstoff speicherndes Material angeordnet ist, so dass in einem Leckagefall der Wasserstoff dort absorbiert wird. In der
CN 111253028 A ist ein Fermentationsreaktor mit einem verbesserten Leckageschutz offenbart.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen hinsichtlich der Dichtigkeit verbesserten Tankbehälter, eine verbesserte Brennstoffzellenvorrichtung sowie ein verbessertes Brennstoffzellen-Fahrzeug bereit zu stellen.
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Diese Aufgabe wird durch einen Tankbehälter mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch eine Brennstoffzellenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 und durch ein Brennstoffzellen-Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Durch den eingangs genannten Tankbehälter ist erreicht, dass in einem Schadensfalle, bei dem eine äußere, auf den Tankbehälter einwirkende Kraft, die die Integrität der Außenwandung beeinträchtigt, das Dichtungsmittel in Reserve bereit steht, um die Dichtigkeit zu gewährleisten oder wieder herzustellen, zumindest aber die Leckage einzuschränken. Dafür kann das flüssige Dichtungsmittel durch ein Leck austreten und seine Dichtwirkung entfalten, insbesondere dort mit dem Dichtungsmaterial reagieren.
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In diesem Zusammenhang ist es bevorzugt, wenn das Dichtungsmittel durch ein Vulkanisiermittel oder eine Silikon-Dichtmasse gebildet ist. Diese Dichtungsmittel sind insbesondere aufgrund der flüssigen Bereitstellung, gegebenenfalls mit hoher Viskosität, und ihrer intrinsischen Elastizität gut geeignet, ein auftretendes Leck abzudichten.
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Alternativ oder auch ergänzend besteht die Möglichkeit, dass das Dichtungsmittel durch ein Zweikomponenten-Dichtungsmittel gebildet ist, wobei die Komponenten des Zweikomponenten-Dichtungsmittels in benachbarten Kammern bereit gestellt sind. Bei dieser Ausführungsform muss ein Schadensereignis zwei Kammern betreffen, so dass bei größeren einwirkenden Kräften ein weiterer Sicherungsmechanismus zur Verfügung steht.
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Dabei besteht die Möglichkeit, dass die Komponenten in benachbarten Kammern der präterminalen Kammerlagen bereit gestellt sind, also nur das Volumen einer Kammerlage benötigt wird und ansonsten das Speichervolumen für den Brennstoff nicht beeinträchtigt ist.
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Alternativ kann eine der Komponenten in den präterminalen Kammerlagen und die andere der Komponenten in den dazu benachbarten Kammerlagen angeordnet sein, so dass insgesamt ein größeres Volumen des Dichtungsmittel bereit steht und auch größere Leckagen abgedeckt sind.
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Vorgesehen ist auch, dass jeweils eine Trennschicht zwischen Kammerlagen mit ungleichartigen Inhaltsstoffen angeordnet ist, um so die funktionelle Trennung zu gewährleisten und die Aktivierung des Dichtungsmittel auf den Schadensfall zu beschränken.
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Bevorzugt ist es, wenn die Größe der Kammern in den Kammerlagen sich zur Außenwand hin verringert. Auf diese Weise wird die mechanische Stabilität verbessert, da nach außen hin vermehrt Kammerwandungen zur Verfügung stehen für die Krafteinleitung und den Ausgleich wirkender Kräfte. Von Vorteil ist dabei auch, dass durch das damit verbundene Versetzen der Kammerwandungen die Diffusionslänge für den Brennstoff vergrößert wird, so dass auch auf diese Weise die Leckage verringert ist.
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Die vorstehend genannten Vorteile und Wirkungen gelten sinngemäß auch für eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einem derartigen Tankbehälter und für ein Brennstoffzellen-Fahrzeug.
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Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung,
- 2 eine schematische Darstellung der Wabenstruktur eines Tankbehälters mit einem in die Dichtungsmaterial-Kammerlage eingebrachten Dichtungsmaterial und einer Dichtungsmittel-Kammerlage,
- 3 eine schematische Darstellung der Wabenstruktur eines Tankbehälters mit einem in die Dichtungsmaterial-Kammerlage eingebrachten Dichtungsmaterial sowie mit einem in zwei Kammerlagen bereit gestellten Zweikomponenten-Dichtungsmittel, und
- 4 eine schematische Darstellung der Wabenstruktur eines Tankbehälters mit einem in die Dichtungsmaterial-Kammerlage eingebrachten Dichtungsmaterial sowie mit einem in mindesten zwei getrennten Kammern einer präterminalen Kammerlage bereit gestellten Zwei-komponenten-Dichtungsmittel.
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In der 1 ist schematisch eine Brennstoffzellenvorrichtung 1 gezeigt, wobei diese eine Mehrzahl von in einem Brennstoffzellenstapel 3 zusammengefasster Brennstoffzellen 2 umfasst. Derartige Brennstoffzellenvorrichtungen werden insbesondere in Brennstoffzellen-Fahrzeugen verwendet.
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Jede der Brennstoffzellen 2 umfasst eine Anode, eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende, protonenleitfähige Membran.
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Über einen Anodenraum kann der Anode Brennstoff, insbesondere Wasserstoff aus einem Tankbehälter 13 zugeführt werden. In einer Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle) werden an der Anode Brennstoff oder Brennstoffmoleküle in Protonen und Elektronen aufgespaltet. Die PEM lässt die Protonen hindurch, ist aber undurchlässig für die Elektronen. An der Anode erfolgt beispielsweise die Reaktion: 2H2 → 4H+ + 4e- (Oxidation/Elektronenabgabe). Während die Protonen durch die PEM zur Kathode hindurchtreten, werden die Elektronen über einen externen Stromkreis an die Kathode oder an einen Energiespeicher geleitet. Über einen Kathodenraum kann der Kathode das Kathodengas (zum Beispiel Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltende Luft) zugeführt werden, so dass kathodenseitig die folgende Reaktion stattfindet: O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O (Reduktion/Elektronenaufnahme).
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Um eine gute Dichtigkeit des Tankbehälters 13 zu gewährleisten, ist dieser mit einer Außenwand 21 und einer im Inneren ausgebildeten Kammerstruktur gebildet, die aus einzelnen Kammern 22 besteht, die in Kammerlagen 23, 25, 29, 33 zusammengefasst sind. Dieser Tankbehälter 13 besitzt eine gute mechanische Stabilität, die auch die Gestaltung in Form eines Quaders ermöglicht, um eine verbesserte Bauraumausnutzung zu bieten, wenn der Tankbehälter 13 in einer Brennstoffzellenvorrichtung 1 genutzt werden soll, die in dem Brennstoffzellen-Fahrzeug angeordnet ist.
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Die Kammern 22 in den Kammerlagen 23, 25, 29, 33 sind durch Austauschöffnungen 24 miteinander strömungsverbunden. Für die Gewährleistung einer guten Dichtigkeit sind mindestens die randseitigen Dichtungsmaterial-Kammerlagen 25 mit einem Dichtungsmaterial 26 verfüllt (2).
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Zu beachten ist, dass nur eine Seite des Tankbehälters 13 gezeigt ist, die Eigenschaften dieser Seite aber auf allen Seiten des Quaders gelten; die Figuren zeigen daher exemplarisch und zur Verbesserung der Übersichtlichkeit nur jeweils eine Seite des Quaders. Die Figuren zeigen, dass die Größe der Kammern 22 in den Kammerlagen 23, 25, 29, 33 sich von innen nach außen, mithin also zur Außenwand 21 hin, verringert, so dass die mechanischen Stabilität verbessert und die Diffusionslänge erhöht ist. Das Dichtungsmaterial 26 ist ausgewählt aus einer Gruppe, die Elastomere, Epoxidharze und Gläser umfasst. In den Kammern 22 in den mit Dichtungsmaterial 26 verfüllten randseitigen Dichtungsmaterial-Kammerlagen 25 sind in Richtung zu den Kammerlagen 23 im Inneren keine Austauschöffnungen 24 vorhanden. Für die Herstellung eines derartigen Tankbehälters 13 kann ein generativer Fertigungsprozess genutzt werden
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Die Dichtigkeit des Tankbehälters 13 soll allerdings nicht nur für den Normalbetrieb gewährleistet sein, sondern auch wenn, beispielsweise bei einem Unfall, äußere Kräfte auf den Tankbehälter 13 einwirken und dieser eine leichte Beschädigung aufweist. Auch für diesen Fall soll der Austritt von Wasserstoff unterbunden, zumindest aber reduziert sein. Dazu ist der vorstehend beschriebene Tankbehälter 13 so gestaltet, dass die den Dichtungsmaterial-Kammerlagen 25 benachbarten präterminalen Kammerlagen 29 mit einem flüssigen Dichtungsmittel 30 befüllt sind, das in einem Schadensfall aus der beschädigten Kammer 22 austreten und das entstandene Leck abdichten kann, insbesondere im Zusammenwirken mit dem Dichtungsmaterial 26 (2). Dazu ist das Dichtungsmittel 30 durch ein Vulkanisiermittel oder eine Silikon-Dichtmasse gebildet ist.
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Die 3 und 4 zeigen Ausführungsformen, bei denen das Dichtungsmittel 30 durch ein Zweikomponenten-Dichtungsmittel gebildet ist. Dies kann ein Zweikomponenten-Kleber oder ein Harz, insbesondere ein Epoxid-Harz mit einem Härter sein. Dabei können die Komponenten des Zweikomponenten-Dichtungsmittels in benachbarten Kammern 22 bereit gestellt sein, nämlich in benachbarten Kammern 22 der präterminalen Kammerlagen 29 ( 3). Alternativ oder auch ergänzend kann eine der Komponenten 31 in den präterminalen Kammerlagen 29 und die andere der Komponenten 32 in den dazu benachbarten Kammerlagen 33 angeordnet sein.
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Aus den Figuren ist auch ersichtlich, dass jeweils eine Trennschicht 27 zwischen Kammerlagen 23, 25, 29, 33 mit ungleichartigen Inhaltsstoffen angeordnet ist, also eine Trennschicht 27 zwischen der Dichtungsmaterial-Kammerlage 25 und der präterminalen Kammerlage 29, eine Trennschicht 27 zwischen der Kammerlage mit dem Dichtungsmittel 30 und den Kammerlagen 23 mit dem Brennstoff und gegebenenfalls eine Trennschicht 27 zwischen den Kammerlagen mit den Komponenten 31, 32 des Zweikomponenten-Dichtungsmittels.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennstoffzellenvorrichtung
- 2
- Brennstoffzelle
- 3
- Brennstoffzellenstapel
- 4
- Befeuchter
- 5
- Ladeluftkühler
- 6
- Bypassleitung
- 7
- Befeuchter-Bypassventil
- 8
- Frischluftdosierventil
- 9
- Kathodenfrischgas
- 10
- Kathodenabgasleitung
- 11
- Kathodenabgasventil
- 12
- Brennstoffleitung
- 13
- Tankbehälter
- 14
- Rezirkulationsleitung
- 15
- Rezirkulationsgebläse
- 16
- Wärmetauscher
- 18
- Verdichter
- 19
- Brennstoffdosierventil
- 20
- Wasserabscheider
- 21
- Außenwand
- 22
- Kammer
- 23
- Kammerlage
- 24
- Austauschöffnung
- 25
- Dichtungsmaterial-Kammerlage
- 26
- Dichtungsmaterial
- 27
- Trennschicht
- 28
- Steg
- 29
- präterminale Kammerlage
- 30
- Dichtungsmittel
- 31
- erste Komponente
- 32
- zweite Komponente
- 33
- benachbarte Kammerlage
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2017/99543 A1 [0004]
- CN 108679437 A [0004]
- CN 111253028 A [0004]
