DE10356852B4

DE10356852B4 - Druckbehälter zur Speicherung von Gas und Verfahren zum Füllen eines Druckbehälters

Info

Publication number: DE10356852B4
Application number: DE2003156852
Authority: DE
Inventors: Rainer Immel
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: General Motors LLC
Priority date: 2002-12-09
Filing date: 2003-12-05
Publication date: 2005-09-22
Anticipated expiration: 2023-12-06
Also published as: US20040108014A1; US6742554B1; DE10356852A1

Abstract

Druckbehälter (70) zur Speicherung von Gas mit:
einem Wandsystem (12, 14), das eine Behälterkammer (16) darin definiert, wobei das Wandsystem (12, 14) eine äußere Konstruktionswand (12) und eine gasdichte Innenauskleidung (14) aufweist; einem Adapter (18), der in dem Wandsystem (12, 14) positioniert ist, um zu ermöglichen, dass Füllgas (20) die Behälterkammer (16) unter Druck füllen kann; und
einem Füllbehältnis (72), das in der Behälterkammer (16) positioniert ist, wobei das Füllbehältnis (72) eine Füllbehältniswand (74) umfasst, die eine Füllkammer (76) in dem Füllbehältnis (72) und einen Spalt (78) zwischen der Füllbehältniswand (74) und dem Wandsystem (12, 14) definiert, wobei das Füllbehältnis (72) eine Öffnung (82) durch die Füllbehältniswand (74) aufweist, so dass der Spalt (78) und die Füllkammer (76) in Fluidverbindung stehen, wobei bewirkt wird, dass das Füllgas (20) durch den Adapter (18) in den Spalt (78) zwischen das Füllbehältnis (72) und das Wandsystem (12, 14) strömen kann, so...

Description

Diese Erfindung betrifft einen Druckbehälter und insbesondere einen Druckgasbehälter vom Typ 4 zur Speicherung von Gas, insbesondere von Wasserstoffgas in einem Fahrzeug für einen Brennstoffzellenmotor, sowie ein Verfahren zum Füllen eines Druckbehälters mit Komprimierten Gas.
Wasserstoff ist eine sehr attraktive Brennstoffquelle, da sie sauber ist und dazu verwendet werden kann, Elektrizität in einer Brennstoffzelle effizient zu erzeugen. Die Kraftfahrzeugindustrie wendet erhebliche Ressourcen bei der Entwicklung von Wasserstoff-Brennstoffzellen als Antriebsquelle für Fahrzeuge auf. Derartige Fahrzeuge wären effizienter und würden weniger Emissionen erzeugen, als heutige Fahrzeuge, die Verbrennungsmotoren verwenden.
Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die eine Anode und eine Kathode mit einem Elektrolyter dazwischen umfasst. Die Anode nimmt Wasserstoffgas auf, und die Kathode nimmt Sauerstoff auf. Das Wasserstoffgas wird in der Anode ionisiert, um freie Wasserstoffionen und Elektronen zu erzeugen. Die Wasserstoffionen gelangen durch den Elektrolyten zu der Kathode. Die Wasserstoffionen reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode, um Wasser als Nebenprodukt zu erzeugen. Die Elektronen von der Anode können nicht durch den Elektrolyten gelangen, und werden somit durch eine Last geführt, in der sie Arbeit ausführen, bevor sie an die Kathode geleitet werden. Die Arbeit dient dem Betrieb des Fahrzeugs. In einem Stapel (Stack) werden viele Brennstoffzellen kombiniert, um die gewünschte Leistung zu erzeugen.
Ein Brennstoffzellenmotor für ein Fahrzeug kann einen Prozessor umfassen, der einen flüssigen Brennstoff, wie beispielsweise Alkohole (Methanol oder Ethanol), Kohlenwasserstoffe (Benzin) und/oder deren Mischungen, wie beispielsweise Mischungen aus Ethanol bzw. Methanol mit Benzin, in Wasserstoffgas für die Brennstoffzelle umwandelt. Derartige flüssige Brennstoffe sind leicht an Bord des Fahrzeugs zu speichern. Ferner existiert eine breite Infrastruktur zur Lieferung flüssiger Brennstoffe. Gasförmige Kohlenwasserstoffe, wie beispielsweise Methan, Propan, Erdgas, Flüssiggas (LPG; liquified petroleum gas), etc. stellen ebenfalls geeignete Brennstoffe für Brennstoffzellen in Verbindung mit Fahrzeug- oder Nicht-Fahrzeug-Anwendungen dar. In der Technik sind zur Umwandlung des flüssigen Brennstoffs in gasförmigen Wasserstoff, der für die Brennstoffzelle geeignet ist, verschiedene Prozessoren bekannt.

Alternativ dazu kann Wasserstoffgas getrennt von dem Fahrzeug verarbeitet und an Betankungsstationen und dergleichen gespeichert werden. Das Wasserstoffgas wird von der Betankungsstation an Drucktanks oder -behälter in dem Fahrzeug geliefert, um das gewünschte Wasserstoffgas nach Bedarf an den Brennstoffzellenmotor zu liefern. Typische Drücke in Behältern für unter Druck gesetztes Wasserstoffgas der Brennstoffzellenanwendungen liegen im Bereich von 200 bar bis 700 bar.

Speicherbehälter für unter Druck gesetzte Gase müssen eine hohe mechanische Stabilität wie auch Integrität bzw. Einheitlichkeit und Unversehrtheit (engl. integrity) aufweisen, so dass der Behälter durch den Druck darin nicht zerbirst oder zerbricht. Es ist typischerweise erwünscht, Wasserstoffgasbehälter in Fahrzeugen so leicht wie möglich zu machen, um die Gewichtsanforderungen des Fahrzeugs nicht nachteilig zu beeinflussen. Der gegenwärtige Trend in der Industrie besteht darin, Druckgastanks vom Typ 4 zur Speicherung von komprimiertem Wasserstoffgas in dem Fahrzeug zu verwenden. Ein Tank vom Typ 4 umfasst eine äußere Konstruktionslage, die aus einem synthetischen Material, wie beispielsweise Glasfaser- oder Kohlefaserummantelung besteht, und eine Kunststoffauskleidung. Die Außenlage sieht die bauliche Einheitlichkeit bzw. Integrität (engl. structural integrity) des Tanks für den darin enthaltenen Druck vor, und die Kunststoffauskleidung sieht ein gasdichtes Behältnis zur Abdichtung des Gases darin vor. Zunächst wird die Kunststoffauskleidung durch einen Formprozess geformt. Anschließend wird die Faserummantelung um die Auskleidung herum ausgebildet und daran gehärtet.

1 ist eine Schnittansicht eines Druckgasbehälters 10 vom Typ 4, der derzeit in der Industrie verwendet wird, um komprimiertes Wasserstoffgas in einem Fahrzeug für Brennstoffzellenmotoren zu speichern. Der Behälter 10 besitzt eine zylindrische Form, die die gewünschte Einheitlichkeit besitzt, und umfasst eine äußere Konstruktionswand 12 und eine Innenauskleidung 14, die eine Behälterkammer 16 darin definieren. Die Außenwand 12 besteht typischerweise aus einer geeigneten, aus miteinander verbundenen Fasern bestehenden synthetischen Ummantelung bzw. einer Kunstfaserummantelung, wie beispielsweise Glas- oder Kohlefaserummantelungen, und besitzt eine ausreichende Dicke, um die gewünschte mechanische Starrheit und Stabilität für die Aufnahme des Druckes vorzusehen. Die Auskleidung 14 besteht typischerweise aus einem geeigneten Kunststoff, wie beispielsweise hochdichtem Polyethylen, um ein gasdichtes Aufnahmebehältnis in dem Behälter 10 vorzusehen. Die Dicke der Auskleidung 14 beträgt allgemein etwa 5 mm. Somit sieht die Kombination aus der Außenwand 12 und der Auskleidung 14 die gewünschte bauliche Einheitlichkeit bzw. Integrität, die gewünschte Druckspeicherung wie auch Gasdichtheit auf eine vom Gewicht her leichte wie auch kostengünstige Art und Weise vor.

Der Behälter 10 umfasst einen Adapter 18, der die Einlass- und Auslassöffnung für das darin eingeschlossene Wasserstoffgas vorsieht. Der Adapter 18 ist typischerweise ein Stahlaufbau, der die verschiedenen Ventile, Druckregler, Rohrverbinder, Überschussdurchflussbegrenzer, etc. aufnimmt, die ermöglichen, dass der Behälter 10 mit dem komprimierten Wasserstoffgas gefüllt werden kann, und auch ermöglichen, dass das komprimierte Gas von dem Behälter 10 auf oder bei nahezu Umgebungsdruck oder einem höheren Druck zur Lieferung an den Brennstoffzellenmotor ausgetragen werden kann. Der Adapter 18 besteht aus Stahl, um den zur Speicherung von komprimiertem Wasserstoffgas gewünschten Aufbau vorzusehen, und besitzt typischerweise ein Gewicht von etwa 5 kg. Ein geeigneter Klebstoff, Dichtungsring oder dergleichen wird dazu verwendet, die Auskleidung 14 an dem Adapter 18 auf eine gasdichte Art und Weise abzudichten und den Adapter 18 an der Außenwand 12 zu befestigen.

1 zeigt den Behälter 10, der durch den Adapter 18 mit einem Wasserstofffüllgas 20 gefüllt ist. Während des Befüllungsprozesses strömt das Füllgas 20 in den Behälter 10 von einem Ende 22 des Behälters 10 zu einem entgegengesetzten Ende 24 des Behälters 10, und wird zu eingeschlossenem Gas 26. Wenn der Füllprozess fort fährt, steigt der Druck in dem Behälter 10. Es ist erwünscht, dass die Temperatur des Füllgases 20 in der Nähe der Umgebungstemperatur (300K, 27°C) liegt und sich dieses auf einem geeigneten Druck befindet, um den Behälter 10 innerhalb weniger Minuten (weniger als 3 Minuten) zu füllen. Jedoch hat dabei infolge der thermodynamischen Eigenschaften des Füllgases 20 und des eingeschlossenen Gases 26 eine adiabatische Kompression zur Folge, dass das eingeschlossene Gas 26 in Ansprechen auf das darin unter Druck eingeführte Füllgas 20 erhitzt wird.

Diese Erhitzung des eingeschlossenen Gases 26 in dem Behälter 10 steht jedoch mit einem Problem in Verbindung, nämlich dass die Kunststoffauskleidung 14 beschädigt wird, wenn die Temperatur des eingeschlossenen Gases 26 über eine Schadenstemperatur des Auskleidungsmaterials ansteigt, beispielsweise über 85°C. Wenn die Temperatur des eingeschlossenen Gases 26 die Schadenstemperatur des Auskleidungsmaterials überschreitet, ändern sich die Eigenschaften des Auskleidungsmaterials (es wird weich und / oder schmilzt), wodurch die Gasabdichtfähigkeit der Auskleidung 14 beeinträchtigt werden kann. Daher ist es notwendig, eine Technik vorzusehen, um die Temperatur des eingeschlossenen Gases 26 in dem Behälter 10, während der Behälter 10 gefüllt wird, wie auch danach, unterhalb der Auskleidungsschadenstemperatur zu halten.

Die 2 – 4 zeigen Simulationen des eingeschlossenen Gases 26, das in dem Behälter 10 erhitzt wird. 2 ist eine Draufsicht auf ein Simulationsmodell 28, bei dem ein Behälter 30 mit komprimiertem Gas 42 aus einem unendlichen Reservoir 32 durch ein Ventil 34 befüllt wird und das den Joule-Thompson-Effekt zeigt. Der Behälter 30 ist in einzelne Zellen 36 aufgeteilt, hier fünfzig Zellen, die von einer ersten Zelle 38, die dem Befüllungspunkt des Behälters 30 am nächsten liegt, zu einer letzten Zelle 40 an einem dem Füllort entgegengesetzten Ende des Behälters 30 beziffert sind. Bevor der Befüllungsprozess eingeleitet wird, befindet sich jede der Zellen 36 bei einem Druck von 2,8 MPa und einer Temperatur in der Nähe der Umgebungstemperatur von etwa 300 K. Ferner liegt die Temperatur des Befüllungsgases ebenfalls in der Nähe der Umgebungstemperatur.

Bei dieser Simulation werden verschiedene Annahmen gemacht, die für reale Anwendungen nicht gelten. Zunächst findet kein Wärmeaustausch zwischen dem eingeschlossenen Gas und den Behälterwänden oder anderen Teilen des Behälters, wie beispielsweise dem Adapter 18, statt. Zweitens ist das Reservoir 32 unendlich groß, und daher erfolgt keine Druck- oder Temperaturänderung in dem Reservoir 32 während des Befüllungsprozesses. Drittens wird das Füllgas in einer Längsrichtung in den Behälter 30 von links nach rechts eingeführt. Viertens ist in dem gesamten Behälter 30 während des Befüllungsprozesses der Druck überall gleich. Fünftens erfolgt keine Rückmischung des Füllgases in dem Behälter 30, da die Strömung ausschließlich von dem Adapter 18 in Richtung des entgegengesetzten Endes gerichtet ist. Sechstens ist die adiabatische Kompression des eingeschlossenen Gases in dem Behälter 30 durch das Restgas ideal.

Wenn der Druck in dem Behälter 30 während des Befüllungsprozesses ansteigt, werden zu verschiedenen Zeitpunkten Temperaturablesungen durchgeführt. 3 ist ein Diagramm mit der Temperatur in Grad Celsius an der vertikalen Achse und der Zellenanzahl an der horizontalen Achse. Die Diagrammlinie 44 zeigt den Druck, 2,8 MPa, in dem Behälter 30, bevor das Füllgas eingeführt wird. Es ist offensichtlich, dass die Temperatur über die Zellen 36 vor dem Füllprozess konstant ist. Die Diagrammlinien 46, 48, 50, 52, 54 und 56 zeigen Drücke von 5, 10, 15, 20, 25 bzw. 35 MPa zu verschiedenen Füllzeiten des Behälters 30.

Wie es offensichtlich ist, bleibt die Temperatur in den Zellen 36 in der Nähe des Füllortes des Behälters 30 während des gesamten Füllprozesses relativ niedrig. Dies ist darauf zurückzuführen, dass in der Nähe des Füllortes das einströmende Kühlfüllgas 42 das eingeschlossene Gas 26 abkühlt und den durch die Kompression des eingeschlossenen Gases bewirkten Temperaturanstieg kompensiert. Jedoch heizen sich die Zellen 36, die von dem Füllort am weitesten weg liegen, infolge einer adiabatischen Kompression während des Füllprozesses stark auf und überschreiten die Schadenstemperatur der Auskleidung 14. Insbesondere wenn der Behälter 30 vollständig voll ist, besitzen die Temperaturen 36 gegenüberliegend dem Füllort eine Temperatur von über 350°C. Jedoch mischt sich in der Realität das Gas über die Zellen 36, und es wird durchschnittlich eine niedrigere Temperatur erreicht.

Das oben beschriebene Modell zeigt ein ungünstigstes Szenario (worst case) eines Temperaturanstiegs in dem eingeschlossenen Gas in dem Behälter 30 für die hier beschriebenen Drücke und Füllgastemperaturen. Bei einer zweiten Simulation wird angenommen, dass sich das Gas während des Füllprozesses vollständig über die Zellen 36 mischt. Dies ist das beste Szenario (best case) einer adiabatischen Füllung, wird aber in einer realen Situation ebenfalls nicht auftreten. Die Temperatur des Füllgases beträgt auch 300 K, und der Druck des Gases in allen Zellen 36 vor dem Füllprozess beträgt 2,8 MPa. Bei dieser Simulation werden ebenfalls bestimmte Annahmen gemacht. Zunächst erfolgt kein Wärmeaustausch zwischen dem eingeschlossenen Gas und dem Behälter 30. Zweitens ist das Füllreservoir 32 unendlich groß. Drittens besitzt das eingeschlossene Gas 26 in dem Behälter 30 überall dieselbe Temperatur wie auch denselben Druck.

4 ist ein Diagramm mit einem Druck in MPa an der horizontalen Achse und einer Temperatur in Grad Celsius an der vertikalen Achse, das die Ergebnisse der zweiten Simulation zeigt. Wie gezeigt ist, liegt, wenn sich das Gas vollständig über die Zellen 36 mischt, die Temperatur des eingeschlossenen Gases, wenn der maximale Fülldruck (35 MPa) erreicht ist, bei etwa 150°C.

Die oben beschriebenen Simulationen zeigen, dass die Schadenstemperatur der Auskleidung 14, wenn der Behälter 30 mit Wasserstoffgas bei Umgebungstemperatur gefüllt wird, durch adiabatische Kompression leicht erreicht wird. Wie oben beschrieben ist, erlauben diese Simulationen keine Entfernung von Wärme von dem eingeschlossenen Gas durch die Behälterwände. Die Geschwindigkeit des Füllprozesses ist somit für eine rein adiabatische Kompression nicht relevant. Durch die Behälterwand wie auch durch den Adapter 18 erfolgt jedoch eine gewisse Wärmeabsenkung. Jedoch wird, da die Auskleidung 14 aus Kunststoff besteht, nur wenig Wärme darin absorbiert. Somit ist die Zeitdauer, die erforderlich ist, um den Behälter 10 so zu füllen, damit die Temperatur des eingeschlossenen Gases durch Wärmeableitung unter der Schadenstemperatur der Auskleidung 14 beibehalten wird, unakzeptabel hoch.

Es ist bekannt, das Füllgas auf eine geeignete Temperatur abzukühlen, so dass es das eingeschlossene Gas nicht über die Schadenstemperatur der Auskleidung 14 hinaus anhebt. Jedoch tragen derartige Kühlsysteme an der Speichereinrichtung zu erheblichen Kosten während des Füllvorganges bei und sind somit allgemein nicht erwünscht.

US 6 450 193 B1 beschreibt einen Flüssigkraftstofftank. Kanäle erstrecken sich durch die Wand einer inneren Kammer, so dass flüssiger Kraftstoff durch eine erste Kammer in die innere Kammer fließen kann.

DE 1 551 625 A beschreibt einen Behälter für Flüssiggas mit einer Wand, die eine Behälterkammer definiert. Ein Adapter ist vorgesehen, um zu ermöglichen, dass Füllgas in die Behälterkammer gefüllt werden kann. Der Behälter weist ein inneres Behältnis auf, das in der Behälterkammer positioniert ist, wobei zwischen der Wand des inneren Behälters und der Wand des Flüssiggasbehälters ein Spalt definiert ist. Der innere Behälter und der Spalt stehen durch eine Öffnung in Fluidverbindung, wodurch das Füllgas durch den Adapter in den Spalt zwischen das innere Behältnis und die Wand des Flüssiggasbehälters strömen kann.

DE 688 949 A beschreibt einen Druckbehälter für verflüssigte Gase mit einer Behälterwand, die eine Behälterkammer definiert, und einem Adapter zur Befüllung der Behälterkammer.

EP 1 249 748 A1 offenbart einen Druckbehälter mit einer Wand, die eine Behälterkammer definiert. Der Druckbehälter umfasst ein Füllbehältnis in der Behälterkammer, das eine Füllbehältniswand umfasst, die eine Füllkammer in dem Füllbehältnis und einen Spalt zwischen der Füllbehältniswand und der Wand des Druckbehälters definiert. Das Füllbehältnis weist eine Öffnung auf.

WO 94/12396 A1 zeigt einen Druckbehälter für komprimiertes Gas mit einem Wandsystem, das eine Behälterkammer definiert, wobei das Wandsystem eine äußere Konstruktionswand und eine Innenauskleidung aufweist.

Nach Göller/Steyrer/Doktor, DruckbehV., Bd. II (TRB), 13. Lfg. /Juli 1998, Seiten 1 und 2 ist ein Druckbehälter ein Druckraum, in dem ein höherer Druck als 0,1 bar bzw. 0,01 bar Überdruck herrscht.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Druckbehälter und ein verbessertes Verfahren zum Füllen eines Druckbehälters anzugeben, die verhindern, dass erhitztes Gas eine Innenauskleidung des Behälters beschädigen kann, während der Behälter mit unter Druck stehendem Gas befüllt wird.

Diese Aufgabe wird mit einem Druckbehälter mit den Merkmalen des Anspruches 1 und einem Verfahren zum Füllen eines Druckbehälters mit den Merkmalen des Anspruches 11 gelöst. Unteransprüche sind auf bevorzugte Ausführungsformen gerichtet.

Erfindungsgemäß ist ein Druckbehälter offenbart, der besondere Anwendung zur Speicherung von Wasserstoffgas unter Druck für einen Brennstoffzellenmotor besitzt. Eine Ausführungsform ist ein Druckgasbehälter vom Typ 4, der eine thermoplastische gasdichte Auskleidung wie auch eine daran ausgebildete äußere Konstruktionswand umfasst. Ein Adapter ist an der Außenwand und der Auskleidung abgedichtet, um zu ermöglichen, das Füllgas den Behälter unter Druck füllen kann, und um auch reguliertes Brennstoffgas während des Betriebs des Brennstoffzellenmotors vorzusehen. Ein Füllbehältnis ist in der Auskleidung vorgesehen und an dem Adapter abgedichtet. Das Füllgas befindet sich bei Umgebungstemperatur und strömt durch den Adapter in den Behälter. Das Füllgas ist in einem Raum zwischen einer Außenfläche des Füllbehältnisses und der Auskleidung eingeschlossen, so dass die Temperatur um die Auskleidung herum während des Füllprozesses nicht wesentlich erhöht wird. In dem Füllbehältnis gegenüberliegend dem Adapter ist eine Öffnung vorgesehen, so dass das Füllgas das erhitzte in dem Behälter eingeschlossene Gas durch die Öffnung von der Auskleidung weg in das Füllbehältnis drängt.

Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Ansprüche unter Bezugnahme auf die begleitend Zeichnung offensichtlich.
Es zeigt:
1 eine Schnittansicht eines bekannten Druckbehälters vom Typ 4 zur Speicherung von Wasserstoffgas;
2 eine Draufsicht auf ein Simulationsmodell, das ein Speicherreservoir zeigt, das einen Druckbehälter mit Füllgas füllt, wobei der Druckbehälter in Druckzellen unterteilt ist;
3 ein Diagramm mit der Zellenanzahl an der horizontalen Achse und der Temperatur an der vertikalen Achse, das die Temperatur in den verschiedenen Zellen des Druckbehälters, der in 2 gezeigt ist, bei verschiedenen Drücken für eine Simulation zeigt;
4 ein Diagramm mit dem Druck an der horizontalen Achse und der Temperatur an der vertikalen Achse, das die Temperatur des Gases in dem Druckbehälter über verschiedene Drücke für eine andere Simulation zeigt; und
5 eine Schnittansiht eines Druckbehälters vom Typ 4 im Schnitt, der ein Füllbehältnis gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet.
Die folgende Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung, die auf einen Druckbehälter zur Speicherung von Wasserstoffgas für einen Brennstoffzellenmotor gerichtet ist, ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, oder ihre Anwendung oder ihren Gebrauch zu begrenzen. Beispielsweise ist der Druckbehälter der Erfindung zur Verwendung bei der Speicherung von Wasserstoffgas in einem Fahrzeug für einen Brennstoffzellenmotor beschrieben. Jedoch kann der Druckbehälter auch andere Gase für Brennstoffzellen oder andere Anwendungen gemäß der Erfindung speichern.
5 ist eine Schnittansicht eines Druckbehälters 70 vom Typ 4 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zur Speicherung von Wasserstoffgas für einen Brennstoffzellenmotor. Der Druckbehälter 70 ist ähnlich dem Druckbehälter 10, der oben beschrieben ist, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente zeigen. Der Behälter 70 ist bei dieser Ausführungsform zylindrisch geformt und besitzt einen bestimmten Durchmesser wie auch eine bestimmte Länge für diese Anwendung. Dies ist jedoch lediglich beispielhaft, da die Größe wie auch Form des Behälters 70 innerhalb des Schutzumfanges der vorliegenden Erfindung variieren kann.
Gemäß der Erfindung umfasst der Behälter 70 ein Füllbehältnis 72, das innerhalb der Auskleidung 14 positioniert ist. Das Füllbehältnis 72 hat die grundsätzliche Form des Behälters 70. Das Behältnis 72 umfasst eine Wand 74, die eine innere Füllkammer 76 und einen Spalt 78 zwischen der Wand 74 und der Auskleidung 14 definiert, wie gezeigt ist. Das Behältnis 72 besteht aus einem geeigneten thermisch leitfähigen Material, wie beispielsweise Aluminium oder Stahl, und besitzt erwünschte thermische Eigenschaften, wie hier beschrieben ist. Die Wand 74 ist an dem Adapter 18 durch Verschweißen oder dergleichen abgedichtet, so dass das Füllgas 20 gezwungen wird, in den Behälter 70 durch den Spalt 78 zu einem Ende 80 des Behälters 70 gegenüberliegend dem Adapter 18 zu strömen, wie gezeigt ist. Das Füllgas 20 bewirkt, dass das eingeschlossene Gas 26 in dem Behälter 70 in Richtung dem Ende 80 gedrängt wird, und tritt in das Behältnis 72 durch eine Öffnung 82 ein.
Das eingeschlossene Gas 26 in dem Behälter 70 wird infolge der adiabatischen Kompression erhitzt, die durch das Füllgas 20 bewirkt wird, wobei es jedoch in dem Behältnis 72 eingeschlossen ist und nicht in Kontakt mit der Auskleidung 14 steht. Daher wird, sogar obwohl das erhitzte eingeschlossene Gas 26 die Schadenstemperatur der Auskleidung 14 überschreiten kann, dieses die Auskleidung 14 nicht beschädigen. Das Füllgas 20 tritt, wenn es in den Behälter 70 eingeführt wird, mit der Auskleidung 14 in dem Spalt 78 in Kontakt, befindet sich jedoch immer noch relativ nahe bei Umgebungstemperatur, so dass die Temperatur der Auskleidung 14 nicht stark gesteigert wird. Wärme von dem eingeschlossenen Gas 26 in dem Behältnis 72 wird an die Wand 74 übertragen und in dem Adapter 18 gespeichert, so dass Wärme von dem eingeschlossenen Gas 26 entfernt wird.
Die Öffnung 82 besitzt einen ausreichend kleinen Durchmesser, so dass das eingeschlossene Gas 26 in dem Behältnis 72 nicht so stark in den Spalt 78 hinausleckt. Ebenfalls stützt das Behältnis 72 keine mechanische Last, da der Druck auf beiden Seiten der Wand 74 in etwa gleich ist. Daher kann die Dicke der Wand 74 minimal sein und trägt somit nicht groß zu dem Gewicht des Behälters 70 bei. Ferner ist die Breite des Spalts 78 klein genug, so dass der Großteil des Volumens des Behälters 70 in dem Behältnis 72 liegt. Auch ist ein Trägeraufbau 84 mit der Wand 74 und der Außenlage 12 gekoppelt, um das Behältnis 72 in dem Behälter 70 zu stabilisieren, was für Fahrzeuganwendungen wichtig ist. Der Trägeraufbau 84 kann ein beliebiger geeigneter Aufbau sein, der erlaubt, dass das Füllgas 20 sich um diesen herum ausbreiten kann.
Die vorhergehende Beschreibung offenbart und beschreibt lediglich beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Für Fachleute ist es aus der Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen und Ansprüchen offensichtlich, dass verschiedene Änderungen, Abwandlungen und Variationen darin ohne Abweichung vom Schutzumfang der Erfindung, der in den Ansprüchen definiert ist, ausgeführt werden können.
Zusammenfassend ist ein Druckbehälter zur Speicherung von Wasserstoffgas unter Druck für einen Brennstoffzellenmotor offenbart. Der Behälter umfasst eine äußere Stützlage und eine thermoplastische Auskleidung. Ein Adapter ist in der Außenlage und der Auskleidung vorgesehen, um zu ermöglichen, dass Füllgas den Behälter unter Druck füllen kann. Ein Füllbehältnis ist in der Auskleidung vorgesehen und an dem Adapter abgedichtet und thermisch mit diesem gekoppelt. Das Füllgas ist in einem Spalt zwischen einer Außenfläche des Füllbehältnisses und der Auskleidung eingeschlossen, so dass die Temperatur der Auskleidung während des Füllprozesses nicht wesentlich erhöht wird. In dem Füllbehältnis ist eine Öffnung vorgesehen, so dass das Füllgas das eingeschlossene Gas in dem Behälter durch die Öffnung in das Füllbehältnis drängt.

Claims

Druckbehälter (70) zur Speicherung von Gas mit: einem Wandsystem (12, 14), das eine Behälterkammer (16) darin definiert, wobei das Wandsystem (12, 14) eine äußere Konstruktionswand (12) und eine gasdichte Innenauskleidung (14) aufweist; einem Adapter (18), der in dem Wandsystem (12, 14) positioniert ist, um zu ermöglichen, dass Füllgas (20) die Behälterkammer (16) unter Druck füllen kann; und einem Füllbehältnis (72), das in der Behälterkammer (16) positioniert ist, wobei das Füllbehältnis (72) eine Füllbehältniswand (74) umfasst, die eine Füllkammer (76) in dem Füllbehältnis (72) und einen Spalt (78) zwischen der Füllbehältniswand (74) und dem Wandsystem (12, 14) definiert, wobei das Füllbehältnis (72) eine Öffnung (82) durch die Füllbehältniswand (74) aufweist, so dass der Spalt (78) und die Füllkammer (76) in Fluidverbindung stehen, wobei bewirkt wird, dass das Füllgas (20) durch den Adapter (18) in den Spalt (78) zwischen das Füllbehältnis (72) und das Wandsystem (12, 14) strömen kann, so dass das Füllgas (20) in der Behälterkammer (16) eingeschlossenen Gas (26) in die Füllkammer (76) drängt.
Druckbehälter nach Anspruch 1, wobei das Füllbehältnis (72) an dem Adapter (18) abgedichtet ist.
Druckbehälter nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das Füllbehältnis (72) mit dem Adapter (18) thermisch gekoppelt ist.
Druckbehälter nach Anspruch 3, wobei das Füllbehältnis (72) aus einem Material besteht, das Metall umfasst.
Druckbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die äußere Konstruktionswand (12) aus einem faserhaltigen synthetischen Material besteht und die Auskleidung aus einem hochdichten Polyethylenkunststoff besteht.
Druckbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Druckbehälter (70) ein Druckbehälter vom Typ 4 ist.
Druckbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, ferner mit einem Trägeraufbau (84), wobei der Trägeraufbau (84) an dem Füllbehältnis (72) und dem Wandsystem (12, 14) gegenüberliegend dem Adapter (18) befestigt ist, um das Füllbehältnis (72) in der Behälterkammer (16) zu stabilisieren.
Druckbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Öffnung (82) in dem Füllbehältnis (72) an einem dem Adapter (18) gegenüberliegenden Ende des Füllbehältnisses (72) angeordnet ist.
Druckbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Füllgas (20) und das eingeschlossene Gas (26) Wasserstoffgas für eine Brennstoffzelle ist.
Druckbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei sich der Adapter (18) durch die äußere Konstruktionswand (12) und die gasdichte Innenauskleidung (14) erstreckt und daran abgedichtet ist.
Verfahren zum Füllen eines Druckbehälters (70) mit komprimiertem Gas, umfassend, dass: eine äußere Konstruktionswand (12) vorgesehen wird; eine gasdichte Innenauskleidung (14) vorgesehen wird, die eine Behälterkammer (16) darin definiert; ein Adapter (18) vorgesehen wird, der sich durch die äußere Konstruktionswand (12) und die gasdichte Innenauskleidung (14) erstreckt; ein Füllbehältnis (72) in der Behälterkammer (16) vorgesehen wird, das an dem Adapter (18) abgedichtet und thermisch mit diesem gekoppelt ist, wobei das Füllbehältnis (72) eine Füllbehältniswand (74) umfasst, die eine Füllkammer (76) in dem Füllbehältnis (72) und einen Spalt (78) zwischen der Füllbehältniswand (74) und der gasdichten Innenauskleidung (14) definiert; und ein Füllgas (20) durch den Adapter (18) in den Spalt (78) gedrängt wird, so dass das Füllgas (20) in der Behälterkammer (16) eingeschlossenes Gas (26) durch eine Öffnung (82) in dem Füllbehältnis (72) in die Füllkammer (76) drängt.
Verfahren nach Anspruch 11, ferner umfassend, dass ein Ende (80) des Füllbehältnisses (72) starr an der gasdichten Innenauskleidung (14) gegenüberliegend dem Adapter (18) befestigt ist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Füllgas (20) und ein eingeschlossene Gas (26) Wasserstoffgas ist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Schritt, dass eine äußere Konstruktionswand (12) und eine gasdichte Auskleidung (14) vorgesehen wird, umfasst, dass eine äußere Konstruktionswand (12) aus faserhaltigem Synthetikmaterial ausgebildet wird und eine gasdichte Innenauskleidung (14) aus hochdichtem Polyethylenkunststoff ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Schritt, dass ein Füllbehältnis (72) vorgesehen wird, umfasst, dass ein Füllbehältnis (72) bestehend aus Metall vorgesehen wird.