DE102021102745A1

DE102021102745A1 - Verfahren zur Herstellung eines Tanks zur Speicherung verdichteter Fluide

Info

Publication number: DE102021102745A1
Application number: DE102021102745.4A
Authority: DE
Inventors: Klaus SZOUCSEK; Guenther Ehrgott; Daniel Spindler; Joerg NAUMANN
Original assignee: Worthington Cylinders GmbH; Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Worthington Cylinders GmbH; Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2021-02-05
Filing date: 2021-02-05
Publication date: 2022-08-11

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Tanks (1) zur Speicherung verdichteter Fluide, insbesondere Wasserstoff, umfassend die folgenden Schritte: Erwärmen eines Blocks (2) aus Metall auf eine Umformtemperatur, Formen eines Napfes (3) durch Lochen des erwärmten Blocks (2) auf einer Lochpresse (10), Formen eines Flaschenrohlings (4) durch zumindest einmaliges Abstrecken des Napfes (3) auf einer Ziehpresse (13), wobei der Flaschenrohling (4) einen Boden (6), eine zylindrische Wandung (7) und eine offene Seite aufweist, Bilden des Tanks (1) durch Formen eines Doms (8) an der offenen Seite des Flaschenrohlings (4).

Description

Vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Tanks. Der Tank ist zur Speicherung verdichteter Fluide, insbesondere Wasserstoff, ausgebildet. Ferner umfasst die Erfindung die Verwendung des Tanks in einem Fahrzeug.
Vorbekannte Tanks zur Speicherung von Wasserstoff in Fahrzeugen werden beispielsweise aus faserverstärktem Kunststoff oder Metall gefertigt. Ein entsprechendes Tankmodul aus Metall zeigt DE 10 2017 212 485 A1 , welches aus rohrförmigen Halbzeugen gefertigt ist.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum effizienten Herstellen eines leichten und betriebssicheren Tanks zur Speicherung verdichteter Fluide, insbesondere Wasserstoff, anzugeben.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Die abhängigen Ansprüche haben vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung zum Gegenstand.
Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass ein Tank aus Metall, insbesondere Stahl, unter Berücksichtigung der hier vorgestellten Schritte zur Herstellung einen kostengünstigen, leichten und betriebssicheren Tank ermöglicht. Insbesondere ergeben sich dadurch Vorteile gegenüber der Tanks aus faserverstärktem Kunststoff. Die eingangs erwähnten, vorbekannten Tankmodule aus rohrförmigen Halbzeugen haben gegenüber dem hier vorgestellten Verfahren den Nachteil, dass diese rohrförmigen Halbzeuge, in der Regel nahtlose Rohre, relativ aufwendig in der Produktion sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellung des Tanks umfasst zumindest die folgenden Schritte:

(i) Zunächst erfolgt das Erwärmen eines Blocks aus Metall auf eine Umformtemperatur. Bei diesem Metall handelt es sich insbesondere um Stahl. Bei dem Block handelt es sich insbesondere um ein aus Kokillen- oder Strangguss hergestelltes und danach gewalztes und zugeschnittenes Element. Der Block weist vorzugsweise eine zylindrische Form auf. Insbesondere weist der Block einen Durchmesser von 100 bis 300 mm, vorzugsweise 150 bis 250 mm, auf. Eine anderweitige Form, beispielsweise eine Rechteckige Form, des Blocks ist auch möglich.
(ii) Nach dem Erwärmen des Blocks wird aus dem Block ein Napf geformt. Dies erfolgt durch Lochen des erwärmten Blocks auf einer Lochpresse. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Lochpresse eine Form aufweist, in die der warme Block eingesetzt wird. Daraufhin wird in den Block, insbesondere von oben, ein Lochdorn gepresst. Der Block verformt sich dabei nach außen, bis er an der Form anliegt. Gleichzeitig bildet sich durch das Einpressen des Lochdorns ein Hohlraum im Inneren des Blocks. Der in der Lochpresse umgeformte Block wird als „Napf“ bezeichnet. Dieser Napf ist an einer Seite verschlossen, weist eine zylindrische Wandung auf und ist an der gegenüberliegenden Seite offen. Im Gegensatz zur Verwendung von rohrförmigen Halbzeugen, insbesondere nahtlosen Rohren, ergeben sich durch die Bildung des Napfes in einer Lochpresse bereits erhebliche Vorteile: Der so gebildete Napf weist einen Boden auf, der im weiteren Verfahren den Boden des Tanks an einer Seite darstellt. Darüber hinaus bedarf es, im Gegensatz zu den nahtlosen Rohren, keiner aufwendigen Walzverfahren in der Herstellung.
(iii) Nach dem Formen des Napfes wird, insbesondere in der gleichen Hitze, aus dem Napf ein sog. Flaschenrohling geformt. Dies erfolgt durch zumindest einmaliges Abstrecken des Napfes auf einer Ziehpresse. Insbesondere weist diese Ziehpresse einen Ziehring und Rollengerüste auf. Es kann auch mit mehreren Ziehringen gearbeitet werden. Durch diesen Ziehring und durch mehrere Rollengerüste wird der Napf gepresst, wodurch der Flaschenrohling entsteht. Zum Pressen des Napfes durch den Ziehring und die Rollengerüste wird vorzugsweise in den Napf ein Pressdorn eingesetzt. Dieser Pressdorn bewegt den Napf durch den Ziehring und die Rollengerüste, wobei es an der Außenseite des Napfes durch den Ziehring und die Rollengerüste zu einem Abstrecken kommt. Durch diesen Vorgang wird der Napf auf die gewünschte Wandstärke und die notwendige Flaschenlänge abgestreckt. Durch die entsprechende Durchmesserwahl am Pressdorn wird der Innendurchmesser des Flaschenrohlings bestimmt.

Der Flaschenrohling weist nach dem Abstrecken bereits die gewünschte Wandstärke auf. Der ursprünglich in der Lochpresse ausgebildete Boden des Napfes bildet im Flaschenrohling nach der entsprechenden Umformung beim Abstrecken auch den Boden des Flaschenrohlings und somit den Boden des fertigen Tanks. Zusätzlich kann auch ein Zapfen in den Flaschenboden integriert werden.

(iv) An dem Flaschenrohling wird an der dem Boden gegenüberliegenden offenen Seite ein Dom gebildet. Dies erfolgt insbesondere durch Umformen, insbesondere Drücken. Insbesondere erfolgt dieses Umformen zur Bildung des Doms im erwärmten Zustand. Der so gebildete Dom kann einen Zapfen aufweisen. Auf dem Zapfen oder in dem Zapfen wird vorzugsweise ein Gewinde ausgebildet, insbesondere geschnitten. An diesem Gewinde kann eine Leitung oder ein Ventil angeschlossen werden, um den Tank letztendlich zu verschließen.

Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Tank nach dem Formen des Doms wärmebehandelt wird, um so die zur Speicherung des verdichteten Fluides nötigen mechanische Eigenschaften zu erreichen.
Besonders bevorzugt wird der Tank entsprechend wärmebehandelt, so dass nach der Wärmebehandlung folgende Eigenschaften, insbesondere bei 21°C, vorliegen:

Die Zugfestigkeit des Materials des Tanks liegt vorzugsweise bei mindestens 1500 MPa (Megapascal), weiter vorzugsweise mindestens 1700 MPa, besonders vorzugsweise mindestens 1900 MPa. Zusätzlich oder alternativ weist das Material vorzugsweise eine 0,2 %-Streckgrenze von mindestens 1100 MPa, weiter vorzugsweise mindestens 1300 MPa, besonders vorzugsweise mindestens 1500 MPa auf. Zusätzlich oder alternativ liegt vorzugsweise die Bruchdehnung des Materials bei mindestens 10 %, weiter vorzugsweise mindestens 8%, besonders vorzugsweise mindestens 6 %.

Die Wärmebehandlung des Tanks umfasst, insbesondere zum Erreichen der oben beschriebenen Eigenschaften, vorzugsweise folgende Schritte in gegebener Reihenfolge:

Zunächst erfolgt eine Austenitisierung mit anschließendem Abschrecken. Daraufhin erfolgt zumindest ein einmaliges Anlassen und anschließendes Luftkühlen.

Das Austenitisieren erfolgt vorzugsweise bei einer Temperatur von 850°C bis 890°C über 10 bis 75 Minuten. Daraufhin wird der Tank in einem Härtemedium abgeschreckt.
Nach dem Austenitisieren erfolgt bevorzugt ein zumindest einmaliges Anlassen, wobei jedes Anlassen bei einer Temperatur von 280°C bis 570°C über 15 Minuten bis 2,5 Std. mit anschließender Luftabkühlung durchgeführt wird.
Für den Block wird vorzugsweise Stahl verwendet. Dieser Stahl umfasst, insbesondere zum Erreichen der oben beschriebenen Materialeigenschaften mit der beschriebenen Wärmebehandlung, folgende Elemente:

0,3 bis 0,5 % Kohlenstoff und/oder
0,6 bis 1,5 % Chrom und/oder
0,5 bis 1,0 % Mangan und/oder
0,2 bis 0,75 % Molybdän und/oder
1,5 bis 2,15 % Nickel und/oder
1,35 bis 1,9 % Silizium.

Insbesondere weist der Stahl alle hier aufgezählten Elemente mit dem entsprechenden Verhältnis auf. Der Phosphorgehalt des Stahls liegt vorzugsweise bei max. 0,05 %; zusätzlich oder alternativ liegt der Schwefelgehalt des Stahls vorzugsweise bei max. 0,05 %. Zusätzlich oder alternativ liegt der Vanadiumgehalt des Stahls vorzugsweise bei max. 0,1 %. Der restliche Anteil zum Erreichen der 100 % ist im Wesentlichen, vorzugsweise vollständig, Eisen.
Wie eingangs erwähnt, wird der Block vor dem Umformen in der Lochpresse auf die Umformtemperatur erwärmt. Diese Umformtemperatur liegt vorzugsweise zwischen 1150°C und 1350°C. Bei dem Erwärmen des Blocks kann auf dem Block Zunder entstehen. Deshalb ist bevorzugt vorgesehen, dass der Block nach dem Erwärmen und vor dem Umformen in der Lochpresse, vorzugsweise mit einem Wasserstrahl und/oder Sandstrahl und/oder Kugelstrahl, gereinigt wird. Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass das Werkzeug, also die Form der Lochpresse und/oder der Lochdorn mit einem Trenn- und Schmiermittel beaufschlagt wird.
Um Zunder auf der Oberfläche des Blocks möglichst zu vermeiden, ist bevorzugt vorgesehen, dass der Block unter Schutzgas in einem Ofen erwärmt wird. Zusätzlich oder alternativ zur Verwendung des Schutzgases ist es auch möglich, den Block induktiv zu erwärmen. Das induktive Erwärmen geht wesentlich schneller als das Erwärmen in einem herkömmlichen Ofen, wodurch wesentlich weniger Zunder entsteht.
Zur Herstellung des Tanks, insbesondere zur Speicherung von Wasserstoff, ist neben den beschriebenen Verfahrensschritten und dem beschriebenen Material insbesondere vorgesehen, folgende Größenverhältnisse einzuhalten:

Der Napf weist eine erste Wandstärke und der Flaschenrohling eine zweite Wandstärke auf. Ein Verhältnis der ersten Wandstärke zur zweiten Wandstärke wird vorzugsweise zwischen folgenden Unter- und Obergrenzen gewählt: Die Untergrenze liegt vorzugsweise bei 1,3, besonders vorzugsweise bei 1,5. Die Obergrenze liegt vorzugsweise bei 10, besonders vorzugsweise bei 7.

Der Block weist vor seiner Umformung einen ersten Durchmesser und der Flaschenrohling einen zweiten Durchmesser auf. Definiert ist dabei der Außendurchmesser des Flaschenrohlings. Das Verhältnis des ersten Durchmessers zum zweiten Durchmesser liegt vorzugsweise zwischen folgenden Unter- und Obergrenzen: Die Untergrenze liegt vorzugsweise bei 1,1, besonders vorzugsweise bei 1,3. Die Obergrenze liegt vorzugsweise bei 3, besonders vorzugsweise bei 2,5.
Die Erfindung umfasst ferner die Verwendung des im Rahmen des Verfahrens vorgestellten Tanks zur Speicherung von Wasserstoff in einem Fahrzeug. Bei dem Fahrzeug handelt es sich insbesondere um ein Straßenfahrzeug. Vorzugsweise wird der Tank im Fahrzeug als Drucktank verwendet, in dem der Wasserstoff als „Druckwasserstoff“ im Niveau der Umgebungstemperatur unter hohem Druck gespeichert wird.
Des Weiteren umfasst die Erfindung ein Fahrzeug, in dem der hier vorgestellte Tank eingebaut ist und zur Speicherung von Wasserstoff im Fahrzeug verwendet wird. Der Wasserstoff wiederum wird im Fahrzeug insbesondere in Verbindung mit einer Brennstoffzelle oder einem Verbrennungsmotor verwendet.
Die Länge des einzelnen Tanks, insbesondere für die Verwendung im Fahrzeug, liegt vorzugsweise zwischen 0,5 m und 3 m, insbesondere zwischen 1 m und 2,5 m. In dem Fahrzeug werden insbesondere mehrere dieser einzelnen Tanks angeordnet und entsprechend miteinander verbunden.
Die Erfindung umfasst ferner die Verwendung von hochfestem Stahl als Material eines Tanks zu Speicherung von Druckwasserstoff, insbesondere in einem Fahrzeug. Der Tank, insbesondere die Wandung des Tanks, ist vorzugsweise ausschließlich aus dem hochfestem Stahl gefertigt. Der Tank wird zur Speicherung von „Druckwasserstoff“ - also Wasserstoff im Niveau der Umgebungstemperatur unter hohem Druck - verwendet und kann deshalb auch als Drucktank bezeichnet werden.
Das Material des Tanks wird insbesondere als „hochfester Stahl“ angesehen, wenn es im fertigen Tank folgende Eigenschaften, insbesondere bei 21 °C, aufweist:

Zusätzlich oder alternativ zu den oben aufgeführten Eigenschaften, wird das Material des Tanks insbesondere als „hochfester Stahl“ angesehen, wenn es folgende Elemente aufweist:

Insbesondere weist der hochfeste Stahl alle hier aufgezählten Elemente mit dem entsprechenden Verhältnis auf. Der Phosphorgehalt des Stahls liegt vorzugsweise bei max. 0,05 %; zusätzlich oder alternativ liegt der Schwefelgehalt des Stahls vorzugsweise bei max. 0,05 %. Zusätzlich oder alternativ liegt der Vanadiumgehalt des Stahls vorzugsweise bei max. 0,1 %. Der restliche Anteil zum Erreichen der 100 % ist im Wesentlichen, vorzugsweise vollständig, Eisen.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:

1 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Tanks gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2 eine schematische Ansicht einer Lochpresse zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß dem Ausführungsbeispiel;
3 eine schematische Darstellung einer Ziehpresse zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß dem Ausführungsbeispiel;
4 einen Block, einen Napf und einen Flaschenrohling, wie sie während der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erzeugt werden;
5 eine schematische Schnittansicht des Tanks, hergestellt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gemäß dem Ausführungsbeispiel;
6 ein erfindungsgemäßes Fahrzeug, in dem ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellter Tank verwendet wird.

1 zeigt rein schematisch die Verfahrensschritte 100 bis 400. Im Verfahrensschritt 100 erfolgt das Erwärmen eines Blocks 2 aus Stahl auf die Umformtemperatur. Im Verfahrensschritt 200 erfolgt das Formen eines Napfes 3 durch Lochen des erwärmten Blocks 2 auf einer Lochpresse 10. Im Verfahrensschritt 300 erfolgt das Formen eines Flaschenrohlings 4 durch zumindest einmaliges Abstrecken des Napfes 3 auf einer Ziehpresse 13. Im Verfahrensschritt 400 erfolgt das Bilden des Tanks 1 durch Formen eines Doms 8 an der offenen Seite des Flaschenrohlings 4.
2 zeigt rein schematisch die Lochpresse 10 des Verfahrensschritts 200. Die Lochpresse 10 umfasst eine Form 11, in die der erwärmte Block 2 eingesetzt wird. Der Block 2 wird in der Form 11 zu einem Napf 3 durch Einpressen eines Lochdorns 12 umgeformt.
3 zeigt rein schematisch die Ziehpresse 13 des Verfahrensschritts 300. Die Ziehpresse 13 weist einen Ziehring 14 auf. Der Napf 3 wird mit einem Pressdorn 15 durch den Ziehring 14 gepresst, wodurch der Flaschenrohling 4 entsteht.
4 verdeutlicht in einer schematischen Darstellung, dass der Block 2 als zylindrischer Körper aus Stahl mit einem ersten Durchmesser D1 verwendet wird. Aus diesem Block 2 wird der in 4 dargestellte Napf 3 geformt. Der Napf 3 weist eine erste Wandstärke W1 auf.
In der Ziehpresse 13 entsteht aus dem Napf 3 der in 4 dargestellte Flaschenrohling 4 mit einer zweiten Wandstärke W2 und einem zweiten Durchmesser D2. Der Flaschenrohling 4 weist eine Wandung 7 und einen Boden 6 auf.
5 zeigt in der Schnittansicht den fertigen Tank 1. Dieser weist einen Dom 8 mit Zapfen 9 auf. In dem Zapfen 9 kann ein Innengewinde ausgebildet werden.
6 verdeutlicht die Anordnung des Tanks 1 in einem Fahrzeug 50 zur Speicherung von Wasserstoff im Fahrzeug 50.
Für das Material des Blocks 2 wurde Stahl verwendet, wie er im allgemeinen Teil der Beschreibung definiert wurde. Nach dem Formen des Doms 8 wurde der Tank 1 der im allgemeinen Teil beschriebenen Wärmebehandlung, insbesondere mit Austenitisierung und zweimaligem Anlassen, unterzogen.
Bezugszeichenliste

1: Tank
2: Block
3: Napf
4: Flaschenrohling
6: Boden
7: Wandung
8: Dom
9: Zapfen
10: Lochpresse
11: Form
12: Lochdorn
13: Ziehpresse
14: Ziehring
15: Pressdorn
D1: erster Durchmesser
D2: zweiter Durchmesser
W1: erste Wandstärke
W2: zweite Wandstärke
50: Fahrzeug
100 - 400: Verfahrensschritte

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102017212485 A1 [0002]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Tanks (1) zur Speicherung verdichteter Fluide, insbesondere Wasserstoff, umfassend die folgenden Schritte: • Erwärmen eines Blocks (2) aus Metall auf eine Umformtemperatur, • Formen eines Napfes (3) durch Lochen des erwärmten Blocks (2) auf einer Lochpresse (10), • Formen eines Flaschenrohlings (4) durch zumindest einmaliges Abstrecken des Napfes (3) auf einer Ziehpresse (13), wobei der Flaschenrohling (4) einen Boden (6), eine zylindrische Wandung (7) und eine offene Seite aufweist, • Bilden des Tanks (1) durch Formen eines Doms (8) an der offenen Seite des Flaschenrohlings (4).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Tank (1) nach dem Formen des Doms (8) wärmebehandelt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Material des Tanks (1) nach der Wärmebehandlung folgende Eigenschaften aufweist: • Zugfestigkeit von mindestens 1500 MPa, vorzugsweise mindestens 1700 MPa, besonders vorzugsweise mindestens 1900 MPa, • und/oder 0,2% Streckgrenze von mindestens 1100 MPa, vorzugsweise mindestens 1300 MPa, besonders vorzugsweise mindestens 1500 MPa, • und/oder Bruchdehnung von höchstens 10%, vorzugsweise höchstens 8%, besonders vorzugsweise höchstens 6%.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei die Wärmebehandlung folgende Schritte in gegebener Reihenfolge umfasst: • Austenitisieren und anschließendes Ölabschrecken, • und zumindest einmaliges Anlassen und anschließendes Luftkühlen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei für den Block (2) ein Stahl mit folgenden Elementen verwendet wird: • 0,3 bis 0,5 % Kohlenstoff, • und/oder 0,6 bis 1,5 % Chrom, • und/oder 0,5 bis 1,0 % Mangan, • und/oder 0,2 bis 0,75 % Molybdän, • und/oder 1,5 bis 2,15 % Nickel, • und/oder 1,35 bis 1,9 % Silizium • und/oder maximal 0,05 % Phosphor, • und/oder maximal 0,05 % Schwefel, • und/oder maximal 0,1 % Vanadium.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Block (2) nach dem Erwärmen entzundert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Block (2) unter Schutzatmosphäre und/oder induktiv auf die Umformtemperatur erwärmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Napf (3) eine erste Wandstärke (W1) und der Flaschenrohling (4) eine zweite Wandstärke (W2) aufweist, wobei ein Verhältnis der ersten Wandstärke (W1) zur zweiten Wandstärke (W2) • eine Untergrenze von 1,3, vorzugsweise 1,5, aufweist • und/oder eine Obergrenze von 10, vorzugsweise 7, aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Block (2) einen ersten Durchmesser (D1) und der Flaschenrohling (4) einen zweiten Durchmesser (D2) aufweist, wobei ein Verhältnis des ersten Durchmessers (D1) zum zweiten Durchmesser (D2) • eine Untergrenze von 1,1, vorzugsweise 1,3, aufweist • und/oder eine Obergrenze von 3, vorzugsweise 2,5, aufweist.
Verwendung zumindest eines nach den Ansprüchen 1 bis 9 hergestellten Tanks (1) zur Speicherung von Wasserstoff in einem Fahrzeug (50), vorzugsweise Straßenfahrzeug.
Fahrzeug (50), vorzugsweise Straßenfahrzeug, umfassend zumindest einen nach den Ansprüchen 1 bis 9 hergestellten Tank (1) zur Speicherung von Wasserstoff im Fahrzeug (50).
Verwendung von hochfestem Stahl als Material eines Tanks (1) zu Speicherung von Druckwasserstoff in einem Fahrzeug (50).