DE102022110151A1 - Liner für einen Druckbehälter sowie Druckbehälter - Google Patents

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Bayerische Motoren Werke AG
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Liner für einen Druckbehälter mit einem gasdichten Körper (12) aus einem Kunststoffmaterial und einer in den Körper (12) integrierten Faserverstärkung (16), sowie einen Druckbehälter mit einem derartigen Liner.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Liner für einen Druckbehälter, insbesondere für einen Wasserstofftank, sowie ein Druckbehälter.
  • Wasserstofftanks, die in Fahrzeugen, insbesondere Kraftfahrzeugen, verwendet werden, müssen einerseits leicht sein, um das Fahrzeuggewicht nicht unnötig zu erhöhen und andererseits sehr stabil sein, um die notwendigen hohen Drücke zur Speicherung des Wasserstoffs auszuhalten. Zudem dürfen die Tanks im Crashfall des Fahrzeugs nicht kritisch versagen.
  • Zur Speicherung von Wasserstoff werden unterschiedliche Tanksysteme entwickelt. Neben Stahltanks können auch faserverstärkte Druckbehälter eingesetzt werden, wie sie beispielsweise aus der Druckschrift DE 10 2017 206 521 A1 bekannt sind. Derartige Druckbehälter umfassen üblicherweise einen Liner und einen Faserverbundkörper, der den Liner umgibt. Der Liner kann aus einem Metall oder aus Kunststoff hergestellt sein. Im Liner wird der Wasserstoff gespeichert und der Liner ist in der Regel für die Dichtigkeit des Druckbehälters zuständig. Ist der Liner aus Kunststoff hergestellt, so handelt es sich hierbei meist um einen zylinderförmigen Hohlkörper, der an seinen beiden Enden durch jeweils eine Kappe, sogenannte Bosse, begrenzt wird. Der Zusammenbau aus Liner und Kappen wird anschließend mit dem Faserverbundkörper umgeben.
  • Die mechanische Festigkeit von faserverstärkten Druckbehältern wird üblicherweise von dem Faserverbundkörper bereitgestellt, welcher den Liner umgibt. Der Faserverbundkörper weist in der Regel Kreuz- und Umfangslagen auf. Um axiale Spannungen zu kompensieren, werden Kreuzlagen (helical layer) gewickelt. Zudem werden im üblicherweise zylindrischen Umfangsbereich zusätzliche Umfangslagen (hoop layer) vorgesehen. Die Umfangslagen verlaufen in einem Winkel von nahe 90° zur Druckbehälterlängsachse in Umfangsrichtung des Druckbehälters und sorgen für eine Verstärkung in Umfangsrichtung. Die Faserlagen werden in mehreren Prozessschritten aufgebracht, mit Matrixmaterial imprägniert und ausgehärtet. Dies führt zu hohen Produktionskosten und erfordert aufwändige Logistikprozesse. Weiterhin ist es bekannt, bereits imprägnierte Fasern zu verwenden. Hierbei entfällt die Infiltration, aber die Handhabung und die Arbeitssicherheitsanforderungen aufgrund des offenen Harzbades sind aufwendig.
  • Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit anzugeben wie die Fertigung eines faserverstärkten Druckbehälters verbessert werden kann. In einem weiteren Aspekt soll eine Möglichkeit aufgezeigt werden, die eine Erreichung des maximalen Speichervolumens bei gegebenem Bauraum sicherstellt.
  • Gelöst wird die Aufgabe durch einen Liner für ein Druckbehälter nach Patentanspruch 1 und einen Druckbehälter nach Patentanspruch 7. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
  • Es wird ein Liner für einen Druckbehälter, insbesondere für einen Wasserstofftank, angegeben mit einem gasdichten Körper aus einem Kunststoffmaterial und einer in den Körper integrierten Faserverstärkung. Der Liner dient einerseits der Abdichtung des Druckbehälters. Der Begriff „gasdichter Körper“ soll in diesem Kontext so verstanden werden, dass die Permeabilität der Körperwandung für in dem Druckbehälter aufzubewahrende Gase oder Fluide, vorzugsweise Wasserstoff, ausreichend gering ist bzw. die Körperwandung nicht permeabel für diese Stoffe ist. Der gasdichte Körper wirkt als Sperrschicht für diese Stoffe.
  • Erfindungsgemäß ist nun eine Faserverstärkung in den Körper integriert. „Integriert“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Faserverstärkung vollständig in das Kunststoffmaterial des Körpers eingebettet ist.
  • Der erfindungsgemäße Liner erfüllt somit neben Dichtigkeitsfunktionen auch strukturelle Anforderungen, welche an den Druckbehälter gestellt werden. Die Anzahl der zur Herstellung des Druckbehälters erforderlichen Prozessschritte kann somit reduziert werden, da bereits strukturelle Anforderungen durch den neuartigen Liner erfüllt werden können. Eine Reduzierung der Prozessschritte senkt die Fertigungszeit und verringert die Herstellkosten. Zudem können die Logistikaufwendungen rund um die Herstellung des Druckbehälters reduziert werden. Zudem kann der den Liner umgebende Faserverbundkörper mit geringerer Wandstärke ausgelegt werden, wodurch eine Bauraum-optimierte Auslegung des Druckbehälter möglich wird und die Erreichung des maximalen Speichervolumens bei gegebenem Bauraum sichergestellt wird.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Körper des Liners ein Hohlkörper mit einem Körperumfang und einer quer zur Umfangsrichtung verlaufenden Längserstreckung und die Faserverstärkung ist eine unidirektionale Verstärkung, die in Richtung der Längserstreckung des Körpers verläuft. Beispielsweise kann der Körper eine hohlzylindrische Form aufweisen und die Faserverstärkung verläuft in der Körperwandung vom Anfang des Körpers bis zum Ende des Körpers im Wesentlichen parallel zu seiner Längsachse, beispielsweise mit einer Abweichung der Faserausrichtung von weniger als 2 % gegenüber der Längsachse. Es hat sich gezeigt, dass durch die Integration der unidirektionalen Faserverstärkung insbesondere die Druckbeständigkeit des Druckbehälters (Berstdruck) sowie die Zyklierbeständigkeit erhöht werden kann. Somit können dünnere Wandstärken am Druckbehälter realisiert werden, wodurch das Tankvolumen bei gleichem Gesamtvolumen vergrößert werden kann. Dies ermöglicht eine Reichweitenerhöhung im Fahrzeug ohne zusätzlichen Bauraum oder eine Reduzierung des Gewichts.
  • Die Faserverstärkung kann übliche Verstärkungsfasern wie beispielsweise Kohlenstofffasern, Glasfasern, Aramidfasern etc. aufweisen. Die Verstärkungsfasern werden vorzugsweise als Endlosfasern eingesetzt und erstrecken sich beispielsweise über die gesamte Länge des Liners.
  • In einer Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass als Faserverstärkung UD-Fasertapes in den Körper integriert sind. Bei UD-Fasertapes handelt es sich um bandförmiges Material mit einer thermoplastischen Kunststoffmatrix, in die eine Vielzahl von unidirektional in Längsrichtung des bandförmigen Materials angeordneten Verstärkungsfasern eingebettet sind. Die Tapes sind beispielsweise wenige Zehntel Millimeter dick und häufig zwischen 5 und 25 mm breit. Die Verwendung derartiger Fasertapes ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn der Liner in einem Mehrschicht-Extrusionsverfahren hergestellt wird. Die Fasertapes können zwischen zwei extrudierten Schichten angeordnet werden, wobei die Fasertapes mit ihrem Matrixmaterial direkt am klebrig zähen Matrixmaterial der extrudierten Schichten haften. Somit kann auf eine zusätzliche Fixierung der Fasern während der Herstellung des Liners verzichtet werden, wodurch der Herstellungsprozess weiter vereinfacht wird. Hierbei kann es von besonderem Vorteil sein, wenn der Grundwerkstoff von der Kunststoffmatrix des Fasertapes und dem Linerkörper ähnlich oder identisch sind, um eine bestmögliche Anbindung zu erhalten.
  • Der Körper des Liners wird vorzugsweise aus einem thermoplastischen Material ausgebildet. Die Verwendung eines thermoplastischen Materials bietet die Möglichkeit, auf Fertigungsverfahren zurückzugreifen, die eine einfache und kostengünstige Integration der Faserverstärkung bereits während der Herstellung des Liners ermöglichen. Beispielhaft genannt werden hier ein Mehrschicht-Extrusionsverfahren (Multilayer-Verfahren), ein Spritzguss-Verfahren mit Hinterspritztechnik oder auch diverse Schleuderverfahren. Geeignete Thermoplaste sind zum Beispiel Polyamid (PA) oder Ethylen-Vinylalkohol-Copolymer (EVOH).
  • Es ist besonders bevorzugt, wenn der Körper des Liners aus mindestens zwei Kunststoffschichten gebildet ist, wobei die Faserverstärkung zwischen einer inneren und einer äußeren Schicht des Körpers angeordnet ist. Ein derartiger Liner weist zur Innenseite des Druckbehälters eine reine Kunststoffoberfläche auf, wodurch die Einhaltung der notwendigen Gasdichtigkeit auf besonders einfache Weise sichergestellt werden kann. Beispielsweise kann der Körper des Liners in einem Mehrschicht- Extrusionsverfahren hergestellt werden, wobei die Faserverstärkung zwischen den extrudierten Schichten mitgeführt wird. Alternativ kann der Liner im Spritzgussverfahren hergestellt werden, wobei die Faserverstärkung mit dem Spritzgusswerkzeug angeordnet wird und gegebenenfalls in einem weiteren Schritt hinterspritzt wird.
  • Weiterhin wird ein Druckbehälter, insbesondere ein Wasserstofftank, angegeben mit einem wie voranstehend beschriebenen Liner und einem Faserverbundkörper, welcher den Liner umgibt.
  • Der Liner kann insbesondere an seinen Enden durch jeweils eine Kappe (Boss) verschlossen sein. Die Kappen können aus Kunststoff oder Metall ausgebildet sein und beispielsweise eine Öffnung für einen Anschluss vorsehen.
  • Der Faserverbundkörper umgibt den Liner (und gegebenenfalls die Kappen) umfangsseitig. Der Faserverbundkörper kann beispielsweise eine oder mehrere Schichten von gewickelten Fasern, Fasergeflechten und/oder -geweben beinhalten, die in ein Matrixmaterial eingebunden sind. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Matrixmaterial des Faserverbundkörpers ein duroplastisches Matrixmaterial.
  • Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem Liner beschrieben sind, gelten auch im Zusammenhang mit dem Druckbehälter sowie jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Sofern in dieser Anmeldung der Begriff „kann“ verwendet wird, handelt es sich sowohl um die technische Möglichkeit als auch um die tatsächliche technische Umsetzung.
  • Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele an Hand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Darin zeigen in schematischer Darstellung:
    • 1 einen beispielhaften Liner in einer Querschnittsansicht,
    • 2 eine Teilschnittansicht eines beispielhaften Druckbehälter mit dem Liner aus 1 und
    • 3 ein beispielhaftes Verfahren zur Herstellung des Liners aus 1.
  • 1 zeigt einen beispielhaften Liner 10 für einen Druckbehälter in einer Querschnittsansicht. Der Liner 10 beinhaltet einen gasdichten Körper 12 aus einem Kunststoffmaterial und eine in den Körper integrierte Faserverstärkung 16. Der Körper 12 ist aus einem thermoplastischen Material ausgebildet. Der Körper ist ein Hohlkörper mit einem Körperumfang und einer quer zur Umfangsrichtung verlaufenden Längserstreckung. Die Faserverstärkung 16 verläuft in Richtung der Längserstreckung des Körpers 12, in 1 also in die Blattebene hinein.
  • Der Körper 12 ist aus zwei extrudierten Kunststoffschichten 14A und 14B gebildet und die Faserverstärkung 16 ist zwischen den beiden Kunststoffschichten 14A und 14B angeordnet.
  • Die Faserverstärkung 16 ist durch unidirektionale Endlosfasern gebildet, die beispielsweise in Fasersträngen angeordnet sein können. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Faserverstärkung 16 in Form von UD-Fasertapes in den Körper 12 integriert ist. 1 zeigt beispielhaft jeweils acht solcher Fasertapes.
  • 2 zeigt einen Längsschnitt durch einen beispielhaften Druckbehälter 100 in Form eines Wasserstofftanks für ein Kraftfahrzeug. In 1 ist nur die linke Hälfte des Druckbehälters 100 dargestellt. Der Druckbehälter 100 kann insbesondere rotationssymmetrisch ausgebildet sein. Der Druckbehälter 100 weist einen Liner 10 auf. Im Kappenbereich des Druckbehälters ist ein Anschlussstück 120 für die Montage eines Ventils, ein sogenannter „Boss“ vorgesehen. Hierbei kann es sich z.B. um ein Metallbauteil mit Gewinde handeln, das auf den Kappenbereich des Liners 10 aufgesetzt wird.
  • Am anderen Ende weist der Druckbehälter einen zweiten, in 1 nicht dargestellten Kappenbereich auf, in dem z.B. eine Kappe, ein Verschluss oder eine weitere Anschlussmöglichkeit vorgesehen sein kann.
  • Außen um den Liner 10 herum ist ein Faserverbundkörper 130 ausgebildet. Der Faserverbundkörper weist ein oder mehrere Faserschichten auf. Rein beispielhaft sind zwei Faserschichten 132 und 134 dargestellt. Die Faserschichten können beispielsweise als Wicklung und/oder Geflecht ausgebildet sein und jeweils ein oder mehrere gleiche oder unterschiedliche Faserlagen umfassen. Die Faserschichten sind in einem gemeinsamen Matrixmaterial 136 eingebettet.
  • 3 zeigt beispielhaft die Herstellung des Liners 10 aus 1. Es wird die gewünschte Anzahl an UD- Faserverstärkungen 16 bzw. UD- Fasertapes bereitgestellt. In einem Mehrschicht-Extrusionsverfahren werden aus einem Extrusionskopf E die zwei Kunststoffschichten 12A und 12B hergestellt. Die Faserverstärkungen 16 werden zwischen den beiden Kunststoffschichten angeordnet. Hierzu können die Faserverstärkungen 16 beispielsweise parallel zu den aus dem Extrusionskopf E austretenden Kunststoffschichten 12A und 12B mitgeführt und in den Liner eingebettet werden. Alternativ ist auch eine Herstellung im Spritzgussverfahren denkbar, wobei die Faserverstärkung 16 zur vollständigen Einbindung in den Liner zusätzlich hinterspritzt werden kann.
  • Das extrudierte Rohr mit Faserverstärkung wird anschließend in ein Presswerkzeug W eingelegt und dort unter Druck in die endgültige Form gepresst. Anschließend kann der geformte Liner 10 dem Werkzeug entnommen werden. Das Kunststoffmaterial des Liners 10 kann transparent gewählt werden, um eine Sichtbarkeit der Faserverstärkung 16 zu ermöglichen.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Liner
    12
    Körper
    14A, 14B
    Kunststoffschichten
    16
    Faserverstärkung
    100
    Druckbehälter
    120
    Anschlussstück
    130
    Faserverbundkörper
    132, 134
    Faserschichten
    136
    Matrixmaterial
    E
    Extrusionskopf
    W
    Presswerkzeug
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102017206521 A1 [0003]

Claims (8)

  1. Liner für einen Druckbehälter mit: einem gasdichten Körper (12) aus einem Kunststoffmaterial und einer in den Körper (12) integrierten Faserverstärkung (16).
  2. Liner nach Patentanspruch 1, wobei der Körper (12) ein Hohlkörper ist mit einem Körperumfang und einer quer zur Umfangsrichtung verlaufenden Längserstreckung und die Faserverstärkung (16) in Richtung der Längserstreckung des Körpers (12) verläuft.
  3. Liner nach einem der vorangehenden Patentansprüche, wobei der Körper (12) aus einem thermoplastischen Material ausgebildet ist.
  4. Liner nach einem der vorangehenden Patentansprüche, wobei als Faserverstärkung (16) unidirektionale Endlosfasern verwendet werden.
  5. Liner nach Patentanspruch 4, bei dem als Faserverstärkung (16) UD-Fasertapes in den Körper (12) integriert sind.
  6. Liner nach einem der vorangehenden Patentansprüche, bei dem der Körper (12) des Liners (10) aus mindestens zwei Kunststoffschichten (14A, 14B) gebildet ist, wobei die Faserverstärkung (16) zwischen einer inneren und einer äußeren Schicht des Körpers (12) angeordnet ist.
  7. Druckbehälter mit einem Liner (10) nach einem der vorangehenden Patentansprüche und einem Faserverbundkörper (130), welcher den Liner (10) umgibt.
  8. Druckbehälter nach Patentanspruch 7, bei dem das Matrixmaterial (136) des Faserverbundkörpers (130) ein duroplastisches Matrixmaterial ist.
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE102006006902B4 (de) 2006-02-09 2008-02-21 Gräfenthaler Kunststofftechnik GmbH Druckbehälter aus Kunststoff und Verfahren zu seiner Herstellung
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