DE102021204353A1

DE102021204353A1 - Druckgasbehälter, Druckgasspeichersystem mit Druckgasbehälter

Info

Publication number: DE102021204353A1
Application number: DE102021204353.4A
Authority: DE
Inventors: Matthias Kuntz; Udo Schaich; Jochen Wessner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-04-30
Filing date: 2021-04-30
Publication date: 2022-11-03
Also published as: WO2022228937A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Druckgasbehälter (1) für mobile Anwendungen, insbesondere zum Speichern von Wasserstoff an Bord eines Fahrzeugs, wobei der Druckgasbehälter (1) eine ein Speichervolumen (2) umschließende Wandung (3) aufweist, die außenseitig vollständig mit einer ein- oder mehrlagigen Beschichtung (4) versehen ist, die unter Hitzeeinwirkung, beispielsweise im Brandfall, eine den Druckgasbehälter (1) zumindest temporär schützende Umhüllung ausbildet.Die Erfindung betrifft ferner ein Druckgasspeichersystem mit einem erfindungsgemäßen Druckgasbehälter (1).

Description

Die Erfindung betrifft einen Druckgasbehälter für mobile Anwendungen, insbesondere zum Speichern von Wasserstoff an Bord eines Fahrzeugs. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Druckgasspeichersystem mit mindestens einem erfindungsgemäßen Druckgasbehälter.
Stand der Technik
Die Speicherung von Wasserstoff in mobilen Anwendungen, beispielsweise zum Betreiben eines Brennstoffzellen-Fahrzeugs, ist technisch anspruchsvoll und stellt einen wesentlichen Kostenfaktor dar. Grundsätzlich kann Wasserstoff tiefkalt in sogenannten Kryotanks oder unter Druck in einem oder mehreren Druckgasbehältern gespeichert werden. Für Anwendungen, in denen nicht sichergestellt ist, dass kontinuierlich Wasserstoff entnommen wird, stellt die Speicherung unter Druck, das heißt in einem oder mehreren Druckgasbehälter, die Vorzugslösung dar.
Der Druck in einem Druckgasbehälter für Wasserstoff kann bis zu 700 bar betragen. Der Behälter muss daher für derart hohe Drücke ausgelegt sein. In der Regel wird daher ein Behälter aus Stahl oder aus einem mit Kohlenstofffasern verstärkten Kunststoff (CFK) verwendet. Letzterer weist den Vorteil auf, dass er vergleichsweise leicht ist, so dass er sich insbesondere für mobile Anwendungen eignet. In der Herstellung ist er jedoch teurer als ein Druckgasbehälter aus Stahl. Beide Werkstoffe haben gemein, dass sie im Brandfall, wenn der Druckgasbehälter unter einer großen Hitzeeinwirkung steht, der Hitze nicht standhalten, so dass die Gefahr des Berstens des Druckgasbehälters besteht. Dies gilt es zu verhindern. Mit dieser Aufgabe ist die vorliegende Erfindung befasst.
Zur Lösung der Aufgabe wird der Druckgasbehälter mit den Merkmalen des Anspruchs 1 angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Darüber hinaus wird ein Druckgasspeichersystem mit mindestens einem Druckgasbehälter angegeben.
Offenbarung der Erfindung
Der vorgeschlagene Druckgasbehälter ist insbesondere für mobile Anwendungen geeignet, beispielsweise zum Speichern von Wasserstoff an Bord eines Fahrzeugs. Der Druckgasbehälter weist eine ein Speichervolumen umschließende Wandung auf, die außenseitig vollständig mit einer ein- oder mehrlagigen Beschichtung versehen ist, die unter Hitzeeinwirkung, beispielsweise im Brandfall, eine den Druckgasbehälter zumindest temporär schützende Umhüllung ausbildet.
Mit Hilfe der vorgeschlagenen ein- oder mehrlagigen Beschichtung, welche den Druckgasbehälter vollständig umhüllt, können kritische Temperaturerhöhungen, die im Brandfall unvermeidbar sind, reduziert oder zumindest zeitlich hinausgezögert werden. Auf diese Weise kann der Druckgasbehälter im Brandfall vor einem unkontrollierten Bersten geschützt werden.
Die Beschichtung kann insbesondere den Effekt haben, dass lokale Temperaturerhöhungen, beispielsweise aufgrund einseitiger Beflammung des Druckgasbehälters, gemindert werden, da die Wärme über die Beschichtung gleichmäßiger verteilt wird.
Die Beschichtung kann aber auch den Effekt haben, dass sie eine den Druckgasbehälter vor Überhitzung schützende Isolierung ausbildet.
Der gewünschte Effekt tritt vorzugsweise erst unter Hitzeeinwirkung ein. Das heißt, dass die Beschichtung erst aktiviert werden muss. Die Aktivierung erfolgt weiterhin vorzugsweise selbsttätig bei Überschreiten einer bestimmten Temperatur. Mit Aktivierung erfährt die Beschichtung bevorzugt eine Änderung ihrer Eigenschaften, welche zu dem gewünschten Effekt führt.
Die Beschichtung kann insbesondere aus einem hitzeisolierenden oder hitzeabsorbierenden Gel hergestellt sein. Die hitzeisolierende Wirkung kann beispielsweise dadurch hervorgerufen werden, dass das Gel unter Hitzeeinwirkung aufquillt oder aufschäumt. Sofern das Gel hitzeabsorbierende Eigenschaften besitzt, tragen diese zu einer gleichmäßigen Wärmeverteilung bei, so dass den Druckgasbehälter belastende lokale Temperaturerhöhungen vermieden werden.
Derartige hitzeisolierende oder hitzeabsorbierende Gele weisen sehr gute Hafteigenschaften auf, so dass die Beschichtung auch unter Belastungen, wie sie für mobile Anwendungen typisch sind, unbeschädigt bleibt. Der Druckgasbehälter ist somit möglichst dauerhaft geschützt. Die guten Hafteigenschaften tragen zudem dazu bei, dass kein Sauerstoff an die Wandung des Druckgasbehälters gelangt, so dass dem Feuer keine neue Nahrung gegeben wird.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Beschichtung aus einem Gel hergestellt ist, das mindestens einen Inhaltsstoff enthält, der unter Hitzeeinwirkung reagiert, beispielsweise Energie aufnimmt und/oder Wasser freisetzt. Wird Wasser freigesetzt, beispielsweise durch Verdunstung, wird zugleich Energie aufgenommen und damit dem Brand entzogen, so dass die Oberflächentemperatur des Druckgasbehälters weniger stark ansteigt. Gegebenenfalls kann sogar eine Kühlung erreicht werden. Derartige Gele sind auch unter der Bezeichnung „Wasser- oder Löschgel“ bekannt und werden beispielsweise im Filmbusiness im Stuntbereich eingesetzt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist in die Beschichtung mindestens ein Inhaltsstoff, insbesondere Feststoff, integriert, der unter Hitzeeinwirkung ein Gel oder einen Schaum ausbildet. Die Beschichtung kann in diesem Fall eine vergleichsweise geringe Schichtdicke aufweisen, die erst unter Hitzeeinwirkung zunimmt und damit den gewünschten Effekt bewirkt. Der Effekt bzw. die Wirkung beruht insbesondere auf einer Hitzeisolierung. Sofern auch Wasser enthalten ist, kann durch Verdunstung zugleich eine Kühlung realisiert werden.
Darüber hinaus kann die Beschichtung aus einem brandhemmenden und/oder isolierenden Anstrich oder Lack hergestellt sein. Die Schichtdicke der Beschichtung kann in diesem Fall weiter verringert werden, da Anstriche und Lacke in der Regel dünn aufgetragen werden. Brandhemmenden und/oder isolierende Anstriche und Lacke weisen üblicherweise Inhaltsstoffe auf, die unter Hitzeeinwirkung aufquellen oder aufschäumen und somit das darunterliegende Bauteil schützen.
Die Schichtdicke der Beschichtung kann demnach variieren. Bevorzugt weist die Beschichtung eine Schichtdicke von 0,5 cm bis 5 cm auf. Auf diese Weise kann mit Hilfe der Beschichtung zugleich ein Schutz des Druckgasbehälters vor mechanischen äußeren Einwirkungen bereitgestellt werden.
Zur Erhöhung der Schichtdicke und/oder zur Erhöhung der Schutzwirkung kann die Beschichtung eine Schicht, vorzugsweise die außenliegende Schicht, eines Beschichtungssystems darstellen. Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass die Beschichtung in ein Schutz- oder Folienhüllen umfassendes Schichtsystem eingebunden ist. Auf diese Weise kann eine Umhüllung des Druckgasbehälters erzielt werden, die nicht nur erhöhte Brandschutzanforderungen erfüllt.
Vorteilhafterweise ist die Beschichtung auf einer Wanderung aus Stahl, insbesondere aus Chrom-Molybdän-Stahl (CrMo), oder aus einem mit Kohlenstofffasern verstärkten Kunststoff aufgebracht. Der Druckgasbehälter weist in diesem Fall die zum Speichern von unter hohem Druck stehenden Gas benötigte Festigkeit auf. Die hohe Festigkeit des Druckgasbehälters trägt zudem dazu bei, dass die Beschichtung auf der Wandung dauerhaft gut haftet. Niedriglegierte Stähle, wie beispielsweise CrMo, weisen zudem den Vorteil auf, dass sie vergleichsweise kostengünstig sind.
Ferner bevorzugt weist der Druckgasbehälter zumindest abschnittsweise eine kreisrunde oder elliptische Querschnittsform auf. Die insbesondere kreisrunde Querschnittsform führt zu einer gleichmäßigen Druckbelastung des gefüllten Druckgasbehälters in Umfangsrichtung. Dadurch kann die Festigkeit des Druckgasbehälters weiter erhöht werden. Eine elliptische Querschnittsform ist ebenfalls möglich.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass der Druckgasbehälter an zumindest einem Ende eine Durchmesserverjüngung aufweist. Die Durchmesserverjüngung kann beispielsweise durch ein sphärisch oder domartig ausgeführtes Ende realisiert sein. Alternativ oder ergänzend kann zumindest ein Ende eine Durchmesserverjüngung nach Art eines Flaschenhalses aufweisen. In diesem Bereich kann ein Ventil angeordnet werden, beispielsweise ein Entnahme- und/oder Tankventil. Bevorzugt weist der Druckgasbehälter an beiden Enden eine Durchmesserverjüngung zur Ausbildung jeweils eines Halsabschnitts auf, so dass im Bereich beider Enden mindestens ein Ventil angeordnet werden kann. Bei dem mindestens einen weiteren Ventil kann es sich beispielsweise um ein Entlüftungsventil und/oder Sicherheitsventil handeln. Die an beiden Enden vorgesehenen Durchmesserverjüngungen können dabei gleich oder unterschiedlich ausgebildet sein.
Darüber hinaus wird ein Druckgasspeichersystem zum Speichern von Wasserstoff an Bord eines Fahrzeugs vorgeschlagen, das mindestens einen erfindungsgemäßen Druckgasbehälter sowie eine rahmenartige Struktur zum Befestigen des mindestens einen Druckgasbehälters an einem Fahrzeug umfasst. Die rahmenartige Struktur kann insbesondere vier Seitenwände und einen Unterboden aufweisen, so dass eine Art Wanne zur Aufnahme des mindestens einen Druckgasbehälters ausgebildet wird. Ergänzend kann auch ein Deckel vorgesehen sein. Vorzugsweise sind mehrere Druckgasbehälter nebeneinander liegend in der rahmenartigen Struktur aufgenommen. Mit Hilfe der Struktur können dann die mehreren Druckgasbehälter am Fahrzeug befestigt werden, vorzugsweise unterhalb des Fahrzeugchassis.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:

1 einen schematischen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Druckgasbehälter und
2 einen schematischen Längsschnitt durch den Druckgasbehälter der 1.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Der in den 1 und 2 dargestellte erfindungsgemäße Druckgasbehälter 1 weist eine längliche Form (siehe 2) mit einem kreisrunden Querschnitt auf (siehe 1). Die beiden Enden 5, 6 des Druckgasbehälters 1 sind vorliegend der Einfachheit halber domartig dargestellt. Nicht dargestellt ist eine Durchmesserverjüngung nach Art eines Flaschenhalses, der den Anschluss des Druckgasbehälter 1 an eine Speicherleitung (nicht dargestellt) ermöglicht. Ferner kann in diesem Bereich ein Ventil (nicht dargestellt) angeordnet werden. Eine derartige Durchmesserverjüngung kann demzufolge auch an beiden Enden 5, 6 des Druckgasbehälters 1 vorgesehen sein.
Der Druckgasbehälter 1 weist eine Wandung 3 auf, die ein Speichervolumen 2 umschließt. Das Speichervolumen 2 ist mit einem unter hohen Druck stehenden Gas befüllbar. Bei dem Gas kann es sich insbesondere um Wasserstoff handeln, das in mobilen Anwendungen in vergleichbaren Druckgasbehältern 1 gespeichert wird. Im Unterschied zu diesen ist die Wandung 3 des dargestellten Druckgasbehälters 1 außenseitig mit einer Beschichtung 4 versehen. Diese hüllt den Druckgasbehälter 1 vollständig ein. Die Beschichtung 4 weist einen Inhaltsstoff 7, insbesondere Feststoff 8, auf, der die Eigenschaft besitzt, unter Hitzeeinwirkung, beispielsweise im Brandfall, Wasser in Form von Wasserdampf freizusetzen. Auf diese Weise wird dem Brand Energie entzogen und der Druckgasbehälter 1 vor zu großer Hitze und damit vor einem Bersten geschützt.

Claims

Druckgasbehälter (1) für mobile Anwendungen, insbesondere zum Speichern von Wasserstoff an Bord eines Fahrzeugs, wobei der Druckgasbehälter (1) eine ein Speichervolumen (2) umschließende Wandung (3) aufweist, die außenseitig vollständig mit einer ein- oder mehrlagigen Beschichtung (4) versehen ist, die unter Hitzeeinwirkung, beispielsweise im Brandfall, eine den Druckgasbehälter (1) zumindest temporär schützende Umhüllung ausbildet.
Druckgasbehälter (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (4) aus einem hitzeisolierenden oder hitzeabsorbierenden Gel hergestellt ist.
Druckgasbehälter (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (4) aus einem Gel hergestellt ist, das mindestens einen Inhaltsstoff (7) enthält, der unter Hitzeeinwirkung reagiert, beispielsweise Energie aufnimmt und/oder Wasser freisetzt.
Druckgasbehälter (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in die Beschichtung (4) mindestens ein Inhaltsstoff, insbesondere Feststoff (8) integriert ist, der unter Hitzeeinwirkung ein Gel oder einen Schaum ausbildet.
Druckgasbehälter (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (4) aus einem brandhemmenden und/oder isolierenden Anstrich oder Lack hergestellt ist.
Druckgasbehälter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (4) eine Schichtdicke von 0,5 cm bis 5 cm aufweist.
Druckgasbehälter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (4) eine Schicht, vorzugsweise die außenliegende Schicht, eines Beschichtungssystems darstellt und/oder in ein Schutz- oder Folienhüllen umfassendes Schichtsystem eingebunden ist.
Druckgasbehälter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (4) auf einer Wandung (3) aus Stahl, insbesondere aus Chrom-Molybdän-Stahl (CrMo), oder aus einem mit Kohlenstofffasern verstärkten Kunststoff aufgebracht ist.
Druckgasbehälter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckgasbehälter (1) zumindest abschnittsweise eine kreisrunde oder elliptische Querschnittsform aufweist und/oder an zumindest einem Ende (5, 6) eine Durchmesserverjüngung aufweist.
Druckgasspeichersystem zum Speichern von Wasserstoff an Bord eines Fahrzeugs, umfassend mindestens einen Druckgasbehälter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche sowie eine rahmenartige Struktur zum Befestigen des mindestens einen Druckgasbehälters an einem Fahrzeug.