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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 mindestens die randseitigen Kammerlagen mit einem Dichtungsmaterial verfüllt sind. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einem Tankbehälter sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Tankbehälters.
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Tankbehälter in der Form von Gasdruckspeichern werden beispielsweise bei gasbetriebenen Kraftfahrzeugen, insbesondere auch bei Brennstoffzellenfahrzeugen 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. Auch ist zu beachten, dass zur Verbesserung der Dichtigkeit nicht einfach eine Umwicklung des Tankbehälters mit einem dichten Material möglich ist, da der verwendete Brennstoff, nämlich Wasserstoff leicht zwischen die Außenwand des Tankbehälter der Wicklung diffundiert und dort der Druck ansteigt, was sogar zum Zerreißen der Wicklung führen kann.
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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. Ein solcher Metallhydridspeicher wird in dem Druckbehälter genutzt, der in der
US 2003/0209149 A1 offenbart ist, der mit einem faserverstärkten Material umwickelt und in dessen Inneren eine Wabenstruktur ausgebildet ist. Die Wabenstruktur in einer Wabenspeicherbox für Honig ist in der
CN 209939319 U beschrieben.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen verbesserten Tankbehälter, eine verbesserte Brennstoffzellenvorrichtung sowie ein Verfahren zur Herstellung des Tankbehälters 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 5 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 6 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 die gute Raumausnutzung bei quaderförmigen Tankbehältern genutzt werden kann, da die Nachteile hinsichtlich der Dichtigkeit beseitigt, zumindest gemildert sind. Es liegt nämlich eine Kammerstruktur vor, die aus einzelnen Kammerlagen aufgebaut ist, wobei die randseitigen Kammerlagen mit einem Dichtungsmaterial ausgefüllt sind. Das Dichtungsmaterial ist also in den Tankbehälter eingebracht und innerhalb der Außenwandung angeordnet, so dass die wirkenden Druckkräfte aufgenommen werden können. Zu beachten ist, dass in Umfangsrichtung alle randseitigen Kammerlagen mit dem Dichtungsmaterial gefüllt sind, da diesbezüglich keine Einschränkung vorliegt. Auch können mehr Kammerlagen als nur die äußerste randseitige Kammerlage mit dem Dichtungsmaterial verfüllt sein, so dass mehrere Schichten des Dichtungsmaterials vorliegen.
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Bevorzugt ist dabei, wenn die Kammern in dem mit Dichtungsmaterial verfüllten randseitigen Kammerlagen in Richtung zu den inneren Kammerlagen verschlossene Austauschöffnungen aufweisen und/oder ohne Austauschöffnungen gefertigt sind. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass das Dichtungsmaterial nicht in das zur Speicherung des Brennstoffs vorgesehene Speichervolumen eindringt und dieses beschränkt. Es liegt also eine klar abgrenzte Anordnung des Dichtungsmaterials vor, nämlich in den dazu bestimmten Kammern.
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Vorteilhaft ist auch, 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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Das Dichtungsmaterial ist vorzugsweise ausgewählt aus einer Gruppe, die Elastomere, Epoxidharze, Gläser umfasst, da bei diesen eine gute Dichtigkeit gegenüber dem Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, gegeben ist in Verbindung mit einer guten Verarbeitbarkeit.
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Die vorstehend genannten Vorteile und Wirkungen gelten sinngemäß auch für eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einem derartigen Tankbehälter.
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Als vorteilhaft, kostengünstig und flexibel hinsichtlich der Gestaltung hat sicn ein Verfahren zur Herstellung eines Tankbehälters gezeigt, bei dem in einem generativen Fertigungsprozess die Außenwände und die Kammerlagen mit den Austauschöffnungen zwischen den Kammern aufgebaut werden, wob ei eine Trennschicht ohne Austauschöffnungen zwischen den im Inneren angeordneten Kammerlagen und den mit dem Dichtungsmaterial zu verfüllenden randseitigen Kammerlagen ausgebildet wird und die randseitigen Kammerlagen mit dem Dichtungsmaterial verfüllt werden.
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Dabei kann die generative Fertigung der randseitigen Kammerlagen unterbrochen werden, um die randseitigen Kammerlagen dem Dichtungsmaterial zu verfüllen, wobei die generative Fertigung zum Verschließen der randseitigen Kammerlagen danach fortgesetzt wird.
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Ergänzend besteht die Möglichkeit, dass nach dem Verfüllen der randseitigen Kammerlagen und vor dem Fortsetzen der generativen Fertigung eine Oberflächenbearbeitung des Dichtungsmaterials und/oder der Stege der Kammerlagen erfolgt. Insbesondere kann beispielsweise mit einem Fräser der Rest des Dichtungsmaterials von dem Kammerlagen entfernt oder die Stege der Kammerwandungen bearbeitet und an die Dicke des Dichtungsmaterials angepasst werden.
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Alternativ besteht die Möglichkeit, dass das Füllen der randseitigen Kammerlagen durch das Injizieren des Dichtungsmaterials durch mindestens eine Einfüllöffnung erfolgt, dem Verteilen innerhalb der Kammern der Kammerlagen durch die Austauschöffnungen und dem Entlüften durch mindestens eine Entlüftungsöffnung erfolgt. Dies bietet den Vorteil, dass die generative Fertigung nicht unterbrochen werden muss, sondern abgeschlossen werden kann, um anschließend das Verfüllen des Dichtungsmaterials zu bewirken, das in den Kammern aushärten kann. Nach dem Füllen des Dichtungsmaterials werden die Einfüllöffnung und die Entlüftungsöffnung durch Verschlusskappen verschlossen, um eine geschlossene Hülle als Außenwandung bereit zu stellen und das Dichtungsmaterial auch mechanisch zu schützen.
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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,
- 3 eine der 2 entsprechende Darstellung mit einem in die oberste Wabenlage eingebrachten Dichtungsmaterial,
- 4 eine der 3 entsprechende Darstellung mit der nach dem Einbringen des Dichtungsmaterials verschlossenen obersten Wabenlage,
- 5 eine der 2 entsprechende Darstellung einer Ausführungsform mit mehreren zur Aufnahme des Dichtungsmaterials vorgesehen Wabenlagen, die über mindestens eine Einfüllöffnung und mindestens eine Entlüftungsöffnung verfügen,
- 6 eine der 5 entsprechende Darstellung mit einer Teilbefüllung der beiden oberen Wabenlagen, und
- 7 eine der 6 entsprechende Darstellung mit vollständiger Befüllung der beiden oberen Wabenlagen und der verschlossenen Einfüllöffnung und der verschlossenen Entlüftungsöffnung.
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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.
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Jede der Brennstoffzellen 2 umfasst eine Anode, eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende, protonenleitfähige Membran. Die Membran ist aus einem lonomer, vorzugsweise einem sulfonierten Polytetrafluorethylen-Polymer (PTFE) oder einem Polymer der perfluorierten Sulfonsäure (PFSA) gebildet. Alternativ kann die Membran auch als eine sulfonierte Hydrocarbon-Membran gebildet sein.
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Den Anoden und/oder den Kathoden kann zusätzlich ein Katalysator beigemischt sein, wobei die Membranen vorzugsweise auf ihrer ersten Seite und/oder auf ihrer zweiten Seite mit einer Katalysatorschicht aus einem Edelmetall oder einem Gemisch umfassend Edelmetalle wie Platin, Palladium, Ruthenium oder dergleichen beschichtet sind, die als Reaktionsbeschleuniger bei der Reaktion der jeweiligen Brennstoffzelle 2 dienen.
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Über einen Anodenraum kann der Anode Brennstoff (zum Beispiel 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.
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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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Da in dem Brennstoffzellenstapel 3 mehrere Brennstoffzellen 2 zusammengefasst sind, muss eine ausreichend große Menge an Kathodengas zur Verfügung gestellt werden, so dass durch einen Verdichter 18 ein großer Kathodengasmassenstrom oder Frischgasstrom bereitgestellt wird, wobei infolge der Komprimierung des Kathodengases sich dessen Temperatur stark erhöht. Die Konditionierung des Kathodengases oder des Frischluftgasstroms, also dessen Einstellung hinsichtlich der im Brennstoffzellenstapel 3 gewünschten Temperatur und Feuchte, erfolgt in einem dem Verdichter 18 nachgelagerten Ladeluftkühler 5 und einem diesem nachgelagerten Befeuchter 4, der eine Feuchtesättigung der Membranen der Brennstoffzellen 2 zur Steigerung von deren Effizienz bewirkt, da dies den Protonentransport begünstigt.
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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 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 einem Brennstoffzellen-Fahrzeug angeordnet ist.
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Die Kammer 22 in den Kammerlagen 23 sind durch Austauschöffnungen 24 miteinander strömungsverbunden. Für die Gewährleistung einer guten Dichtigkeit sind mindestens die randseitigen Kammerlagen 25 mit einem Dichtungsmaterial 26 verfüllt. Zu beachten ist, dass dies für die randseitige Kammerlage 25 auf allen Seiten des Quaders gilt; die Figuren zeigen daher exemplarisch und zur Verbesserung der Übersichtlichkeit nur jeweils eine Seite des Quaders.
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Die 3 und 4 zeigen, dass die äußerste, randseitige Kammerlage 25 mit dem Dichtungsmaterial 26 gefüllt ist; es besteht allerdings auch die in der 7 gezeigte Möglichkeit, dass auch mehr als eine Kammerlage 23 mit dem Dichtungsmaterial 26 verfüllt sein kann, nämlich in dem gezeigten Ausführungsbeispiel zwei Kammerlagen 23. Mehr Kammerlagen 23 sind möglich, wobei dies eine Abwägung mit dem verfügbaren Speichervolumen bedarf.
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In den Kammern 22 in den mit Dichtungsmaterial 26 verfüllten randseitigen Kammerlagen 25 sind in Richtung zu den inneren Kammerlagen 23 die Austauschöffnungen 24 verschlossen; alternativ kann auch eine Fertigung ohne Austauschöffnungen 24 erfolgen.
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Die Figuren zeigen, dass die Größe der Kammern 22 in den Kammerlagen 23 sich 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, Gläser umfasst.
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Für die Herstellung eines derartigen Tankbehälters 13 wird ein generativer Fertigungsprozess genutzt, bei dem die Außenwände 21 und die Kammerlagen 23 mit den Austauschöffnungen 24 zwischen den Kammern 22 aufgebaut werden (3). Weiterhin wird eine Trennschicht 27 ohne Austauschöffnungen 24 zwischen den im Inneren angeordneten Kammerlagen 23 und den mit dem Dichtungsmaterial 26 zu verfüllenden randseitigen Kammerlagen 25 ausgebildet. Anschließend werden die randseitigen Kammerlagen 25 mit dem Dichtungsmaterial 26 verfüllt. Bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel wird also die generative Fertigung der randseitigen Kammerlagen 25 unterbrochen, wobei dann die randseitigen Kammerlagen 25 dem Dichtungsmaterial 26 verfüllt werden und sodann die generative Fertigung zum Verschließen der randseitigen Kammerlagen 25 fortgesetzt wird, gegebenenfalls nach einer Oberflächenbearbeitung des Dichtungsmaterials 26 und/oder der Stege 28 der randseitigen Kammerlagen 25.
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Die 6 und 7 zeigen ein alternatives Verfahren, bei dem das Füllen der randseitigen Kammerlagen 25 durch das Injizieren des Dichtungsmaterials 26 durch mindestens eine Einfüllöffnung 29 erfolgt, dem Verteilen innerhalb der Kammern 22 der Kammerlagen 25 durch die Austauschöffnungen 24 und dem Entlüften durch mindestens eine Entlüftungsöffnung 30 erfolgt. Anschließend werden nach dem Füllen des Dichtungsmaterials 26 die Einfüllöffnung 29 und die Entlüftungsöffnung 30 durch Verschlusskappen 31 verschlossen.
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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
- randseitige Kammerlage
- 26
- Dichtungsmaterial
- 27
- Trennschicht
- 28
- Steg
- 29
- Einfüllöffnung
- 30
- Entlüftungsöffnung
- 31
- Verschlusskappe
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2017/99543 A1 [0004]
- US 2003/0209149 A1 [0004]
- CN 209939319 U [0004]
