DE19749950C2 - Behälter zum Speichern von Druckgas - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Behälter zum Speichern von Druckgas mit einem Druck von mindestens 15 MPa, mit einer Hüllschicht, die einen zur Speicherung des Druckgases vorgesehenen Hohlraum umschließt, und mit mindestens einem Anschluß zum Be- und/oder Entladen des Behälters.

Explosive Gase werden in besonderen Behältern transportiert, die zum einen eine Verflüchtigung der Gase verhindern und zum anderen so stabil konzipiert sein müssen, daß das Gas beispielsweise bei Beschädigung des Behälters nicht schlagartig freigesetzt werden kann. Weiterhin müssen diese Behälter, wenn sie etwa zur Speicherung von Gasen mit hohem Druck verwendet werden, eine äußerst feste und formstabile Behälterwand aufweisen. Üblicherweise bestehen solche Behälter für Druckgas aus Stahl. Aus Festigkeitsgründen werden dabei entweder Kugelformen oder Zylinderformen bevorzugt.

In der Fahrzeugtechnik sind seit vielen Jahren Bestrebungen im Gange, anstelle der bisher üblichen flüssigen Kraftstoffe wie Benzin oder Dieselkraftstoff gasförmige Treibstoffe wie beispielsweise Wasserstoff oder Erdgas zu verwenden. Um die Reichweite von gasbetriebenen Fahrzeugen in einer ausreichenden Größenordnung zu gewährleisten, muß das vom jeweiligen Fahrzeug mitgeführte Gas auf einen relativ hohen Druck verdichtet werden, um in einem zumutbaren Volumen untergebracht werden zu können. Der erforderliche Druck liegt beispielsweise zwischen 15 und 25 MPa (150 bis 250 bar) oder sogar noch darüber. Bisher wurden zur Speicherung der Druckgase Behälter der vorstehend genannten Art verwendet.

Diese Behälter weisen jedoch eine Reihe von Nachteilen auf. Da die Behälterwände aus Stahl oder einem anderen Metall gefertigt sind, haben sie ein sehr hohes Eigengewicht. Dies führt zu einem erhöhten Energieverbrauch des mit den Behältern bestückten Fahrzeugs. Weiterhin können die Behälter aufgrund ihrer Kugel- oder Zylinderform nur an bestimmten Stellen des Fahrzeugs montiert werden. Bei Nutzfahrzeugen werden die Behälter beispielsweise auf dem Fahrzeugdach mitgeführt. Dies führt zu einem unvorteilhaften Aussehen des Fahrzeugs und verschlechtert darüber hinaus auch dessen Aerodynamik und Fahrzeugschwerpunkt. Eine solche Anordnung der Behälter wäre bei Personenkraftwagen nicht akzeptabel. Da die genannten Behälter eine sperrige Form aufweisen, können sie auch nicht anstelle der bisher üblichen Treibstofftanks (diese weisen üblicherweise eine sehr komplexe Formstruktur auf) an den für diese vorgesehenen Stellen im Fahrzeug eingesetzt werden.

Um das Gewicht der Behälter möglichst gering zu halten ist es bekannt, dünnwandige Liner mit einer äußeren Hüllschicht zu versehen. In der US-A-4,700,868 ist ein Druckbehälter zur Speicherung eines flüssigen Mediums beschrieben. Der Druckbehälter weist einen Liner auf, dessen Außenwand einen Hohlraum zum Speichern des flüssigen Mediums umschließt. Der Liner besteht aus Metall oder einem organischen Material und ist Flüssigkeits-undurchlässig. Zur Steigerung der Festigkeit ist der Liner mit einer Hüllschicht umwickelt. Die Hüllschicht besteht aus gewickeltem Fasermaterial und wirkt dem von dem gespeicherten flüssigen Medium ausgehenden Expansionsdruck entgegen. Das Be- und Entladen des Behälters erfolgt über einen entsprechenden Anschluß.

Dieser bekannte Behälter hat jedoch den Nachteil, daß er wiederum eine zylindrische Form aufweist und somit die vorstehend genannten Probleme nicht beseitigt. Weiterhin ist der Behälter nur für die Speicherung von Flüssigkeiten, die im Vergleich zu Gasen mit einem relativ niedrigen Druck gespeichert werden, ausgelegt.

Ein weiterer bekannter Behälter ist in der US-A-5,577,630 beschrieben. Dieser Druckbehälter dient zur Speicherung von Erdgas mit einem Druck von etwa 25 MPa (250 bar). Er besteht aus einer Reihe von langgezogenen Speicherelementen, die aus Kunststoff bestehen und nebeneinander angeordnet sind. Dabei stützen sich die Speicherelemente über die sich berührenden Wände gegenseitig ab. Die Speicherstruktur ist mit einem Gewebe umwickelt, um die Festigkeit des Behälters zu steigern. Das Gewebe soll dem Expansionsdruck des in den Speicherelementen gespeicherten Gases entgegenwirken. Durch die Anordnung mehrerer Speicherelemente nebeneinander wird eine von der Zylinder- oder Kugelform abweichende Gesamtgeometrie des Behälters erreicht. Allerdings weisen die einzelnen Speicherelemente selbst wiederum eine im wesentlichen zylindrische Form auf. Dadurch ist die Verwendungsmöglichkeit des Behälters mit den beschriebenen Nachteilen wiederum nur an bestimmten Stellen eines Fahrzeugs möglich.

Ausgehend vom genannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Behälter zum Speichern von Druckgas zu schaffen, bei dem die beschriebenen Nachteile vermieden werden. Insbesondere soll ein Behälter geschaffen werden, der eine beliebige geometrische Konfiguration aufweisen kann, der Gase mit einem hohen Druck speichern kann, der ein geringes Eigengewicht aufweist und der auf einfache und kostengünstige Weise hergestellt werden kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im Hohlraum des Behälters zum Speichern von Druckgas Stützelemente angeordnet sind, die mit der Hüllschicht verbunden sind. Es handelt sich hierbei also um eine Mehrzahl von Stützelementen im Hohlraum des Behälters. Die einzelnen Stützelemente haben eine zugkraftaufnehmende Wirkung und daher eine entsprechende Richtung in ihrer geometrischen Gestalt z. B. als Stützstab, Zugseil oder Stützscheibe.

Der erfindungsgemäß ausgestaltete Behälter weist eine Reihe von Vorteilen auf. Durch die Verwendung von Stützelementen wird erreicht, daß in dem Behälter Gase mit hohem Druck gespeichert werden können. Dabei nehmen die Stützelemente die auf die Hüllschicht gerichteten Expansionskräfte der Gase auf. Durch die Stützelemente wird verhindert, daß die Hüllschicht und damit auch der gesamte Behälter unter dem herrschenden Gasdruck ausbeult, also die geometrische Konfiguration - etwa durch das Bestreben, eine zylindrische oder kugelförmige Form anzunehmen - verändert. Aus diesem Grund ist der erfindungsgemäße Behälter nicht mehr auf eine zylindrische oder kugelförmige Geometrie festgelegt. Vielmehr kann der Behälter nunmehr jede beliebige, insbesondere eine flache und auch unregelmäßige Konfiguration aufweisen. Dies ist besonders für die Verwendung des Behälters als Treibstofftank in der Fahrzeugindustrie von Vorteil, wo der Behälter den bisher üblichen Flüssigtreibstofftank mit dessen komplexer Geometrie ersetzen kann.

Die Stützelemente gewährleisten zu jeder Zeit und bei jeder beliebigen Form des Behälters, daß das Gas sicher und problemlos im Behälter gespeichert werden kann. Insbesondere ist es möglich, den Behälter ovalförmig oder flach auszubilden. Ein solcher Behälter kann beispielsweise bei Verwendung für Nutzfahrzeuge unter dem Fahrzeugboden angeordnet werden. Eine Montage auf dem Fahrzeugdach kann dadurch entfallen.

Weiterhin weist der erfindungsgemäße Behälter nur ein geringes Eigengewicht auf. Durch die Verwendung entsprechender Hüllschichtmaterialien kann das Gewicht gezielt eingestellt werden. Dabei ist grundsätzlich die Verwendung jedes beliebigen Materials möglich. Wichtig ist lediglich, daß der Behälter eine ausreichende Festigkeit für die Speicherung der Gase aufweist und das der Behälter insgesamt gasdicht ist. Geeignete Materialien werden weiter unten beschrieben.

Die Hüllschicht kann beispielsweise einteilig oder mehrteilig ausgebildet sein. Bei der mehrteiligen Ausgestaltung der Hüllschicht muß jedoch sichergestellt werden, daß die einzelnen Teile auf geeignete Weise miteinander verbunden werden.

Durch die erfindungegemäße Ausgestaltung des Behälters mit einer Hüllschicht, in deren Hohlraum die als Zuganker wirkenden Stützelemente vorgesehen sind, kann der Behälter für jede beliebige Anwendung und mit jeder beliebigen geometrischen Form konzipiert werden. Die Herstellung derartiger Behälter ist jeweils auf einfache und kostengünstige Weise möglich.

Bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Behälters ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Bevorzugt erstrecken sich die Stützelemente von einer Seite der Hüllschicht im wesentlichen senkrecht durch den Hohlraum zur gegenüberliegenden Seite der Hüllschicht. Dies ist besonders bei etwa parallel gegenüberliegenden Seiten zweckmäßig.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung können sich die Stützelemente von einer Seite der Hüllschicht um einen Winkel geneigt durch den Hohlraum zur anderen Seite der Hüllschicht erstrecken. Dabei kann der zwischen der Hüllschicht und den Stützelementen eingeschlossene Winkel 40 bis 90 Grad betragen. Die Wahl des Winkels kann je nach Behältergeometrie und Anwendungsgebiet erfolgen. Weiterhin ist es möglich, einzelne Stützelement im Hohlraum mit jeweils unterschiedlichen Winkeln oder mit unterschiedlicher Ausrichtung vorzusehen. Dadurch kann eine gezielte Kompensation des Gas-Expansionsdrucks erreicht werden.

Vorteilhaft sind die Stützelemente stabförmig ausgebildet.

In weiterer Ausgestaltung können die Stützelement einen im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Der Durchmesser der Stützelemente liegt bevorzugt in einem Bereich von 0.5 bis 35 mm.

Allerdings ist es auch möglich, daß die Stützelemente von der Kreisform abweichende Querschnitte aufweisen. Anwendbar sind beispielsweise polygonale Querschnitte und hier insbesondere viereckige oder wabenförmige Strukturen.

Erfindungsgemäß können die Stützelemente aus Fäden gebildet sein. Die Fäden bestehen vorteilhaft aus einem Fasermaterial. Bevorzugte Fasermaterialien sind unter anderem Aramidfasern, Kohlenstoffasern, Borfasern, organische Polymerfasern oder Glasfasern. Allerdings sind auch andere Fasertypen einsetzbar. Wichtig ist lediglich, daß die Fasern eine ausreichend hohe Festigkeit haben, um dem Expansionsdruck der im Behälter gespeicherten Gase widerstehen zu können.

Bei Verwendung solcher Fäden als Stützelemente können die einzelnen Bereiche der Hüllschicht beispielsweise in ähnlicher Form wie bei einem Abstandsgewebe, wie es aus der DE 38 13 741 A1 bekannt ist, miteinander vernäht werden. Eine solche Ausgestaltung der Stützelement ist beispielsweise dann von Vorteil, wenn die Hüllschicht aus mehreren Teilen, etwa aus einer Unterschale und einer Oberschale besteht. Es kann ein einzelner durchgängiger Faden oder auch eine Vielzahl von Einzelfäden verwendet werden.

Bevorzugt können die Fäden einzeln oder als Fadenbündel einen Durchmesser von bis zu 20 mm, vorzugsweise von 0.5 bis 10 mm aufweisen. Besonders vorteilhaft ist ein Durchmesser von 2 bis 4 mm vorgesehen. Erfindungsgemäß können die Fäden aus Einzelfilamenten gebildet sein, wobei die Einzelfilamente einen Durchmesser von größer oder gleich 6 µm aufweisen können.

Eine andere zweckmäßige Ausführungsform der Erfindung sieht vor, die Stützelemente als scheibenförmige Körper zu gestalten, wobei diese eine der Querschnittsform des Behälters entsprechende Form aufweisen und mit der Behälterwand verbunden sind. Auch hierbei handelt es sich um ein gerichtetes Stützelement. Es nimmt Zugkräfte auf, deren Richtung innerhalb der von dem scheibenförmigen Körper aufgespannten Ebene liegt. Damit das gesamte Volumen des Behälters für das einzufüllende Druckgas nutzbar ist, müssen die scheibenförmigen Körper selbstverständlich mit Durchgangslöchern versehen sein.

In weiterer Ausgestaltung können die Stützelemente einteilig mit der Hüllschicht ausgebildet sein. Diese Ausgestaltung ist beispielsweise dann von Vorteil, wenn die Hüllschicht aus einer Kunststoffolie gebildet ist und die Hüllschicht und die Stützelemente in einem einzigen Fertigungsschritt hergestellt werden können.

Gemäß einem weiteren Aspekt können die Stützelemente stoffschlüssig mit der Hüllschicht verbunden sein. Dabei ist es möglich, daß die Stützelemente je nach Anwendungsfall aus einem anderen Material als die Hüllschicht bestehen können. Die Stützelemente können separat hergestellt werden und nachträglich in den Hohlraum der Hüllschicht eingebracht werden. Die Befestigung der Stützelemente an der Hüllschicht kann beispielsweise - jedoch nicht ausschließlich - mittels Schweißen, Kleben, Verschrauben und dergleichen erfolgen.

Gemäß einem weiteren Aspekt können die Stützelemente durch entsprechend ausgebildete Öffnungen in der Hüllschicht hindurchgesteckt und mittels geeigneter Befestigungsmittel (beispielsweise Schrauben) mit der Hüllschicht verbunden werden. In diesem Fall können die Stützelemente beispielsweise - jedoch nicht ausschließlich - aus einem Karbonwerkstoff, Kunststoff oder Metall bestehen.

In weiterer Ausgestaltung können die Stützelement untereinander einen unterschiedlichen Durchmesser oder Dicke aufweisen. Dadurch kann gezielt auf die in der Behälterwand herrschenden Spannungsverhältnisse eingegangen werden. Bei Behältern mit komplizierter Geometrie können durch den Expansionsdruck der gespeicherten Gase in der Hüllschicht Bereiche mit stark unterschiedlichen Spannungen vorhanden sein. An kritischen Stellen sollten daher z. B. Stützelemente mit größerer Dicke eingesetzt werden. Bei Verwendung eines flachen Behälters mit abgerundeten Randbereichen ist es beispielsweise von Vorteil, wenn die im Randbereich, d. h. in der Nähe der beginnenden Rundung angeordneten Stützelemente eine größere Dicke als die übrigen Stützelemente aufweisen. Alternativ oder zusätzlich können die Stützelemente im Randbereich auch dichter nebeneinander angeordnet werden, um eine entsprechend Wirkung zu erzielen.

Erfindungsgemäß können die Stützelemente innen hohl sein.

In weiterer Ausgestaltung können durch diese hohlen Stützelemente zusätzlich Stützfäden hindurchgeführt sein. Diese Stützfäden, die einen ähnlichen Effekt wie die fadenartigen Stützelemente haben, können die Festigkeit des Behälters weiter erhöhen. Zu den Vorteilen, Wirkungen und Funktionen der Stützfäden wird auf die vorstehenden Ausführungen zu den fadenartigen Stützelementen vollinhaltlich Bezug genommen und hiermit verwiesen.

Die Stützfäden können aus dem gleichen Material (siehe oben) wie die fadenartigen Stützelemente gebildet sein und den gleichen oder einen ähnlichen Durchmesser aufweisen. Besonders bevorzugt werden Aramidfasern verwendet. Der Durchmesser der Stützfäden, die wiederum als durchgehender Faden oder aus einer Vielzahl von Einzelfäden gebildet sein können, beträgt vorteilhaft 2 bis 4 mm.

Erfindungsgemäß kann im Hohlraum zusätzlich zu den bereits beschriebenen Stützelementen eine offenzellige Struktur angeordnet sein. Diese Struktur kann beispielsweise ein offenzelliger Schaum oder eine sonstige offene Zellenstruktur sein. Die Verwendung eines offenzelligen Schaumkerns hat den Vorteil, daß die Steifigkeit des Behälters auch gegenüber äußeren Druckkräften weiter erhöht wird. Dabei wird das Gas in den offenen Poren des Schaumstoffs gespeichert. Der Schaumstoff kann mit der Hüllschicht verklebt oder verschweißt sein.

Die Zellenstruktur kann erfindungsgemäß örtlich begrenzt auch geschlossene Zellen aufweisen, die als Stützelemente ausgebildet sind und als solche fungieren. Auf diese Weise können stab- oder scheibenförmige Stützelemente aus einem porösen Material entstehen.

Die einzelnen Zellen der Zellenstruktur haben vorteilhaft einen mehreckigen Querschnitt, beispielsweise einen viereckigen oder wabenförmigen Querschnitt. Dadurch wird ein in sich versteifter Verbund der Zellen geschaffen, wodurch die Steifigkeit und Festigkeit des Behälters weiter erhöht wird. Die Zellenstruktur kann aus einem Kunststoff oder Metall, beispielsweise Aluminium, hergestellt sein. Die Verbindung der einzelnen Zellen zum Gasaustausch kann durch Lochung oder Perforierung der Zellenwände erfolgen. Die als Stützelement dienenden Zellen können durch zusätzlich hindurchgeführte Stützfäden in ihrer Zugfestigkeit verbessert werden.

Vorzugsweise werden die Stützelemente in einem Abstand von 1 bis 90 mm voneinander angeordnet. Die Erfindung ist nicht auf bestimmte Abstände oder Anordnungsmuster beschränkt. Vielmehr kann die Dichte der Stützelemente sowie deren Anordnungsmuster je nach Anwendungsfall individuell bestimmt werden.

Eine besonders zweckmäßige Ausführungsform des erfindungsgemäßen Behälters weist eine Hüllschicht mit zwei einander gegenüberliegenden großflächigen Breitseiten auf, die durch Seitenflächen miteinander verbunden sind, welche im wesentlichen zylinderabschnittsförmig nach außen gewölbt sind. Dabei empfiehlt es sich, die Stützelemente jeweils an den beiden Breitseiten zu befestigen. Da im Nahbereich des Übergangs von den Breitseiten in die zylinderabschnittsförmigen Seitenflächen besonders hohe Spannungen in der Behälterwand entstehen, ist es zweckmäßig, in diesem Nahbereich den Abstand zwischen den Stützelementen kleiner oder deren Querschnitt größer als in den übrigen Bereichen der Hüllschicht zu wählen. Beim Übergang von einer Zylinderform in eine ebene Form der Behälterwand hat sich eine Verdoppelung des Querschnitts der Stützelemente oder eine Halbierung des Abstands der Stützelemente voneinander als zweckmäßig erwiesen. Selbstverständlich ist es auch möglich, eine Erhöhung des Querschnitts der Stützelemente mit einer Verringerung der Abstände untereinander zu kombinieren. Vorteilhafterweise werden die Stützelemente als Ankerbolzen mit zwei jeweils außen auf der Hüllschicht aufliegenden Ankerköpfen ausgebildet. Es empfiehlt sich, diese Ankerbolzen im Sinne einer Schraubverbindung auszubilden. Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, die Breitseiten (im Behälterquerschnitt gesehen) wellenförmig auszubilden, wobei die Ankerbolzen jeweils im Bereich der Wellentäler angeordnet sind und die Ankerköpfe eine der Wellenform angepaßte Auflagefläche aufweisen. Zweckmäßigerweise haben die Wellenberge einen im wesentlichen kreisabschnittsförmigen Verlauf, dessen Krümmung derjenigen der zylinderabschnittsförmigen Seitenflächen des Behälters entspricht.

Vorteilhaft ist an der inneren Oberfläche der Hüllschicht ein Liner angeordnet. Der Liner übernimmt an sich grundsätzlich keine tragende Funktion, sondern dient der inneren Abdichtung der Hüllschicht. Deshalb besteht der Liner aus einem gasdichten Material. Der Liner kann als vorgeformter Kunststoffbehälter ausgebildet sein. Andere Möglichkeiten zur Ausbildung des Liners sind das Ausgießen oder Ausschwenken des Hohlraums mit flüssigem Kunststoff, Lack oder Teer. Allerdings sind auch andere Möglichkeiten zur Ausbildung des Liners an der inneren Oberfläche der Hüllschicht denkbar.

In einer anderen Ausgestaltungsform des Behälters kann der Liner jedoch auch eine tragende Funktion haben und beispielsweise aus Metall hergestellt sein. In diesem Fall wird der Liner z. B. mit der eigentlichen Hüllschicht umwickelt, wie dies aus dem Behälterbau grundsätzlich bekannt ist.

Erfindungsgemäß können die Hüllschicht und/oder der Liner aus einem Kunststoff und/oder einem Fasermaterial gebildet sein. Bevorzugt - jedoch nicht ausschließlich - kann der Liner aus einem Kunststoff, beispielsweise PE-Kunststoff, einem anderen organischen Material oder einem Metall hergestellt sein. Zu beachten ist dabei nur, daß das Linermaterial möglichst gasdicht ist. Die Hüllschicht kann beispielsweise aus einem Fasermaterial, einem Kunststoff oder einem Gewebe bestehen. Dabei kann durch die Auswahl, Ausrichtung und Wicklung der Fasern ein fester Mantel geschaffen werden, der dem herrschenden Expansionsdruck der gespeicherten Gase vorteilhaft entgegenwirken kann. Als besonders geeignete Fasern sind beispielsweise die in bezug auf die fadenförmigen Stützelemente beschriebenen Fasern zu nennen. Gemäß einer anderen Ausgestaltung kann eine aus Kunststoff bestehende Hüllschicht auf ihrer Innenseite mit einer Metallschicht (Liner) besprüht sein und zusätzlich auf ihrer äußeren Oberfläche noch ein Gewebe aufweisen. Dabei kann das Gewebe strumpfartig über die Hüllschicht gezogen sein und dem Behälter somit die erforderliche Festigkeit verleihen. Zusätzlich kann die Hüllschicht mit einem Harz getränkt sein. Natürlich sind auch andere Werkstoffkombinationen denkbar.

In weiterer Ausgestaltung kann die innere Oberfläche der Hüllschicht und/oder des Liners zumindest in Teilbereichen mit einer Abdichtschicht beschichtet sein. Diese zusätzliche Abdichtschicht ist immer dann von Vorteil, wenn die Stützelemente nicht einteilig mit der Hüllschicht ausgebildet sind. Insbesondere beim Hindurchführen der Stützelemente durch die Hüllschicht müssen diese Stellen und Bereiche abgedichtet werden, um die Gasdichtigkeit des Behälters zu gewährleisten. Die Abdichtung kann beispielhaft - jedoch nicht ausschließlich - durch Ausschwenken des Behälters mit Lack, Teer oder PTFE erfolgen. Möglich ist auch das Einspritzen und nachträgliche Aufschmelzen von thermoplastischem Pulver.

Es sind Anwendungsfälle denkbar, in denen sowohl ein Liner als auch eine Abdichtschicht vorgesehen sind. In anderen Fällen, etwa wenn eine Abdichtung nur in kleinen Bereichen erfolgen muß, kann bei entsprechender Auswahl des Hüllschichtmaterials auf einen Liner verzichtet und nur eine Abdichtschicht verwendet werden.

Erfindungsgemäß kann der Betriebsdruck der im Behälter gespeicherten Gase 10 bis 60 MPa (100 bis 600 bar), vorzugsweise 15 bis 45 MPa (150 bis 450 bar) betragen. Vorteilhaft liegt der Druck zwischen 20 bis 35 MPa (200 bis 350 bar). Der entsprechende Berstdruck entspricht dabei dem dreifachen Wert des jeweiligen Betriebsdrucks.

Der vorstehend beschriebene Behälter kann erfindungsgemäß zur Speicherung von gasförmigem Treibstoff, vorzugsweise von Erdgas oder Wasserstoff verwendet werden. Hierbei ist insbesondere an die Anwendung in der Automobil- und Flugzeugindustrie zu denken. In weiterer Anwendung kann der Behälter auch zur Speicherung von anderen Gasen, vorzugsweise von Luft, Sauerstoff oder Stickstoff dienen. Hier sind beispielsweise Verwendungen im Atemschutz- oder Tauchbereich denkbar. Allerdings kann der erfindungsgemäße Behälter für jede beliebige Anwendung verwendet werden, bei der Gase mit hohem Druck gespeichert werden sollen.

Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Teilansicht eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Behälters,

Fig. 2 eine schematische Querschnittsansicht des Behälters nach Fig. 1 und

Fig. 3 bis Fig. 6 schematische Querschnittsansichten weiterer Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Behälters.

In den Fig. 1 und 2 ist ein Behälter 10 zum Speichern eines Druckgases mit einem Betriebsdruck von 20 bis 35 MPa (200 bis 350 bar) dargestellt. Damit muß der Behälter 10 einem Berstdruck von 60 bis 105 MPa (600 bis 1050 bar) standhalten können. Das Be- und/oder Entladen des Behälters 10 erfolgt über einen nicht dargestellten Anschluß.

Der Behälter 10 weist eine flach ausgebildete Hüllschicht 11 auf, deren Randbereiche eine abgerundete Form haben. Der so ausgebildete Behälter 10 kann beispielsweise als Treibstofftank für ein Nutzfahrzeug, etwa einen Omnibus dienen. Aufgrund der flachen Ausgestaltung des Behälters 10 kann dieser unterhalb des Fahrzeugbodens und damit aerodynamisch günstig und optisch ansprechend am Fahrzeug befestigt werden. Weiterhin wird durch diese Anordnung des Behälters 10 der Schwerpunkt des Fahrzeugs nicht nachteilig verändert.

Die Hüllschicht 11 umschließt einen Hohlraum 13 zur Aufnahme des zu speichernden Gases. Die Hüllschicht 11 verleiht dem Behälter 10 die nötige Steifigkeit und Festigkeit und besteht aus einem gewickelten Fasermaterial. An der inneren Oberfläche 12 der Hüllschicht 11 ist ein Liner 14 angeordnet, der aus einem gasdichten PE-Kunststoff gebildet ist.

Innerhalb des Hohlraums 13 sind eine Vielzahl von Führungskanälen 31 für Stützelemente 30 vorgesehen, die als hohle Stäbe ausgebildet sein können und mit der Hüllschicht 11 verbunden sind. Die Führungskanäle 31 erstrecken sich von der einen flachen Seite der Hüllschicht 11 senkrecht durch den Hohlraum 153 zur gegenüberliegenden flachen Seite der Hüllschicht 11. Die Führungskanäle 31 haben einen Innendurchmesser von 4 mm und sind in gleichmäßigen Abständen von 80 mm voneinander angeordnet. Die Anzahl der Führungskanäle 31 sowie deren Anordnungsmuster kann je nach Behältergeometrie und zu speicherndem Gasdruck individuell eingestellt werden.

Zur Erhöhung der Festigkeit und der Steifigkeit des Behälters 10 sind als Stützelemente 30 Stützfäden vorgesehen. Im vorliegenden Fall sind die Stützfäden als einteiliger, durchgängiger Stützfaden ausgebildet. Er besteht aus Aramidfasern und hat einen Durchmesser von 2 mm. Der Stützfaden 31 wird beispielsweise, wie dies aus Fig. 1 ersichtlich ist, nacheinander jeweils durch die einzelnen Führungskanäle 31 hindurchgeführt, wodurch die Möglichkeit des Behälters 10, sich unter Wirkung des vom gespeicherten Gas ausgehenden Expansionsdruck auszudehnen oder aufzublähen, verhindert wird. Der Stützfaden 30 erfüllt dabei gleichsam die Funktion einer Naht, die die einzelnen Bestandteile der Hüllschicht 11 zusammenhält.

Es ist aber auch möglich, eine Vielzahl kürzerer Stützfäden einzusetzen und diese beispielsweise jeweils nur durch einen einzigen Führungskanal 31 hindurchzuführen und jeweils auf den beiden flachen Breitseiten des Behälters 10 als Zuganker zu verankern.

In Fig. 3 ist eine weitere Ausführungsform des Behälters 10 dargestellt. Der Behälter 10 weist eine Hüllschicht 11' auf, die wiederum aus Fasermaterial gebildet ist. In der Außenwand der Hüllschicht 11' sind eine Reihe von Löchern 41 vorgesehen, durch die stabförmige Stützelemente 40 hindurchgesteckt sind. Die Fixierung der Stützelemente 40 erfolgt über Befestigungselemente 41, beispielsweise Schrauben. Die Stützelemente 40 weisen einen Durchmesser von 10 mm auf und sind in einem Abstand von 80 mm voneinander angeordnet. Um das Austreten von Gas aus dem Hohlraum 13 des Behälters 10 zu verhindern, ist an der inneren Oberfläche 12 der Hüllschicht 11' zunächst ein aus PE-Kunststoff bestehender Liner 14 angeordnet. Zur zusätzlichen Steigerung der Gasdichtigkeit sind die innere Oberfläche des Liners 14 sowie die Oberflächen der Stützelemente 40 mit einer durchgängigen Abdichtschicht 15 beschichtet.

Je nach Bedarf können einzelne Stützelemente unterschiedliche Durchmesser aufweisen. Bei dem Behälter gemäß Fig. 3 ist es beispielsweise von Vorteil, wenn die den abgerundeten Randbereichen am nächsten liegenden Stützelemente einen größeren Durchmesser aufweisen als die übrigen Stützelemente. Sofern die Stützelemente 40 als hohle Stäbe ausgebildet sind, können durch diese zur weiteren Versteifung und Verfestigung des Behälters 10 zusätzliche Stützfäden hindurchgeführt werden. Diese können wie bei den Fig. 1 und 2 die Funktion einer Naht haben.

Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 weist der Behälter 10 eine Hüllschicht 11" auf, die aus einer oberen und einer unteren Halbschale 11a", 11b" zusammengesetzt ist. Die beiden Halbschalen umschließen wiederum einen Hohlraum 13 zur Speicherung des Druckgases. Die sich durch den Hohlraum 13 erstreckenden und die Halbschalen verbindenden Stützelemente 50 sind in Form von Fäden ausgebildet. Die Fäden bestehen aus Aramidfasern und weisen einen Durchmesser von 2 mm auf. Die fadenförmigen Stützelemente 50 liegen in Form eines einzelnen durchgängigen Fadens vor. Mit Hilfe des Fadens werden die beiden Halbschalen vernäht. Um eine ausreichende Festigkeit und Steifigkeit des Behälters 10 zu erreichen, sind die einzelnen durch den Hohlraum 13 hindurchgehenden Fadenbestandteile, die die Stützelemente 50 bilden, in geringem Abstand zueinander und in einem dichten Anordnungsmuster vorgesehen. Dadurch kann die Belastung durch den im Hohlraum 13 herrschenden Gasdruck optimal verteilt werden. Um den Behälter 10 gasdicht zu halten, sind die inneren Oberflächen 14 der Halbschalen 11a", 11b" mit einer nicht dargestellten Abdichtschicht beschichtet. Dadurch wird verhindert, daß Gas durch die Durchstichlöcher für die Stützelemente 50 entweichen kann.

Da die fadenförmige Struktur der Stützelemente 50 zumindest im leeren Zustand des Behälters 10 sehr labil ist, ist zur weiteren Abstützung und Versteifung des Behälters 10 innerhalb des Hohlraums 13 eine nicht näher dargestellte offenzellige Struktur in Form eines offenzelligen Schaumstoffs vorgesehen. Die äußeren Ränder des offenzelligen Schaumkörpers 51 sind mit der Hüllschicht 11" verklebt. Der offenzellige Schaum ist aufgrund seiner offenen Poren geeignet, Gas zu speichern und zu leiten.

In Fig. 5 ist eine Ausführungsform des Behälters 10 dargestellt, bei der die Hüllschicht 11''' wiederum aus zwei Halbschalen 11a''' und 11b''' besteht. Die Halbschalen umschließen einen Hohlraum 13, in dem eine an sich offene Zellenstruktur 61 vorgesehen ist. Die Zellenstruktur 61 besteht aus geschäumtem Aluminium und die einzelnen Zellen sind jeweils wabenförmig ausgebildet. Die Zellenstruktur 61 ist mit den Halbschalen verklebt. Gemäß Fig. 5 weist die Zellenstruktur 61 örtlich begrenzt zusammenhängende, rundherum geschlossenen Zellen auf, die als Stützelemente 60 dienen. Je nach Bedarf können durch diese zellenförmigen Stützelemente 60 zur weiteren Verfestigung und Versteifung des Behälters 10 zusätzliche Stützfäden hindurchgeführt sein.

Weiterhin weist die Zellenstruktur offene Zellen auf, die als Hohlraum 13 für die Speicherung des Druckgases ausgebildet sind. Zum Zwecke des Gasaustauschs und der Gasleitung sind diese Zellen untereinander verbunden. Die Verbindung kann beispielsweise durch Lochung oder Perforierung der Zellenwände erfolgen.

In Fig. 6 ist ein erfindungsgemäßer Behälter im Querschnitt dargestellt, der insgesamt eine flache Form und zwei einander gegenüberliegende großflächige Breitseiten (oben und unten) aufweist. Diese Breitseiten sind durch nach außen gewölbte Seitenflächen miteinander verbunden, die zylinderabschnittsförmig ausgebildet sind, also eine kreisförmige Krümmung im Querschnitt aufweisen. Die Hüllschicht 21 des Behälters 10 ist auf der Innenseite mit einem Liner 14 versehen. Die Breitseiten des Behälters 10 sind wellenförmig ausgebildet, wobei die Krümmung der Wellenberge der Krümmung der zylinderabschnittsförmigen Seitenflächen entspricht. In den Wellentälern ist jeweils eine Reihe von Ankerbolzen 70 angeordnet, von denen jeweils nur einer in der Darstellung gezeigt wird. Die Ankerbolzen 70 sind jeweils als Schraubverbindungen ausgeführt und weisen zwei Ankerköpfe 71, 72 auf. Diese Ankerköpfe besitzen eine Auflagefläche entsprechend dem Verlauf des jeweiligen Wellentals. Während der obere Ankerkopf 71 wie eine Unterlegscheibe unter dem Schraubenkopf angeordnet ist, ist der untere Ankerkopf 72 als Mutter ausgeführt. Selbstverständlich wäre es auch ohne weiteres möglich, eine separate Mutter mit einem gewindelosen Ankerkopf zu kombinieren. In ähnlicher Weise wie in Fig. 3 treten die Ankerbolzen 70 nicht mit dem in den Behälter eingefüllten Gas in Kontakt, da sie jeweils durch einen entsprechenden Kanal in der Schicht des Liners 14 hindurchgesteckt sind. Zweckmäßigerweise handelt es sich hierbei um einen PE- Liner. Die Ankerbolzen 70 können z. B. aus Stahl oder auch aus einem Karbonwerkstoff hergestellt sein. Diese Ausführungsform der Erfindung ist deswegen besonders günstig, da die Hüllschicht 21 großenteils aus zylinderabschnittsartigen Abschnitten besteht, die im Hinblick auf die Festigkeit besonders günstige Eigenschaften haben.

Claims (31)

1. Behälter zum Speichern von Druckgas mit einem Druck von mindestens 15 MPa, mit einer Hüllschicht (11, 11', 11", 11''', 21), die einen zur Speicherung des Druckgases vorgesehenen Hohlraum (13) umschließt, und mit mindestens einem Anschluß zum Be- und/oder Entladen des Behälters, dadurch gekennzeichnet, daß im Hohlraum (13) Stützelemente (30, 40, 50, 60, 70) angeordnet sind, die mit der Hüllschicht (11, 11', 11", 11''', 21) verbunden sind.

2. Behälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Stützelemente (30, 40, 50, 60, 70) von einer Seite der Hüllschicht (11, 11', 11", 11''', 21) im wesentlichen senkrecht durch den Hohlraum (13) zur gegenüberliegenden Seite der Hüllschicht (11, 11', 11", 11''', 21) erstrecken.

3. Behälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Stützelemente (30, 40, 50, 60) von einer Seite der Hüllschicht (11, 11', 11", 11''', 21) um einen Winkel geneigt durch den Hohlraum (13) zur anderen Seite der Hüllschicht (11, 11', 11", 11''', 21) erstrecken, wobei der zwischen der Hüllschicht (11, 11', 11", 11''', 21) und den Stützelementen (30, 40, 50, 60) eingeschlossene Winkel mindestens 40 Grad beträgt.

4. Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützelemente (30, 40, 50, 60, 70) stabförmig ausgebildet sind.

5. Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützelemente (30, 40, 50, 60, 70) einen im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt aufweisen und daß der Durchmesser der Stützelemente (30, 40, 50, 60) vorzugsweise in einem Bereich von 0.5 bis 35 mm liegt.

6. Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützelemente (30, 50) aus Fäden oder Fadenbündeln gebildet sind.

7. Behälter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Fäden oder Fadenbündel einen Durchmesser von bis zu 20 mm, vorzugsweise von 0.5 bis 10 mm, besonders bevorzugt von 2 bis 4 mm aufweisen.

8. Behälter nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Fäden oder Fadenbündel aus Einzelfilamenten gebildet sind und daß die Einzelfilamente einen Durchmesser von größer oder gleich 6 µm aufweisen.

9. Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützelemente (30, 40, 50, 60, 70) als der Querschnittsform des Behälters (13) entsprechende scheibenförmige, mit Löchern versehene Körper ausgebildet sind.

10. Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützelemente (30, 40, 50, 60) einteilig mit der Hüllschicht (11, 11', 11", 11''') ausgebildet sind, oder daß die Stützelemente (30, 40, 50, 60) stoffschlüssig mit der Hüllschicht (11, 11', 11", 11''') verbunden sind.

11. Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützelemente (30, 40, 50, 60, 70) einen unterschiedlichen Durchmesser oder unterschiedliche Dicke aufweisen.

12. Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützelemente (30, 40, 50, 60) hohl sind.

13. Behälter nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Stützelemente (30, 40, 50, 60) Stützfäden oder Stützfadenbündel hindurchgeführt sind.

14. Behälter nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Fäden oder Fadenbündel einen Durchmesser von bis zu 20 mm, vorzugsweise von 0.5 bis 10 mm, bevorzugt von 2 bis 4 mm aufweisen.

15. Behälter nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Fäden oder Fadenbündel aus Einzelfilamenten gebildet sind und daß die Einzelfilamente einen Durchmesser von größer oder gleich 6 µm aufweisen.

16. Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß im Hohlraum (13) zusätzlich zu den Stützelementen (30, 40, 50, 60, 70) eine offenzellige Struktur, vorzugsweise ein offenzelliger Schaumkörper (51) oder eine sonstige offene Zellenstruktur (61) angeordnet ist.

17. Behälter nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellenstruktur (61) örtlich begrenzt zusammenhängende geschlossene Zellen aufweist, die als Stützelemente (60) ausgebildet sind.

18. Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützelemente (30, 40, 50, 60) in einem Abstand von 1 bis 90 mm zueinander angeordnet sind.

19. Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Hüllschicht (11, 11', 11", 11''', 21) zwei einander gegenüberliegende großflächige Breitseiten aufweist, die durch Seitenflächen miteinander verbunden sind, welche im wesentlichen zylinderabschnittsförmig nach außen gewölbt sind, und daß die Stützelemente (30, 40, 50, 60, 70) jeweils an den beiden Breitseiten befestigt sind.

20. Behälter nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß im Nahbereich des Übergangs von den Breitseiten in die zylinderabschnittsförmigen Seitenflächen der Abstand zwischen den Stützelementen (30, 40, 50, 60, 70) kleiner oder deren Querschnitt größer ist als in den übrigen Bereichen der Hüllschicht (11, 11', 11", 11''', 21).

21. Behälter nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Nahbereich des Übergangs der Abstand zwischen den Stützelementen (30, 40, 50, 60, 70) halb so groß oder deren Querschnitt doppelt so groß ist wie in den übrigen Bereichen der Hüllschicht (11, 11', 11", 11''', 21).

22. Behälter nach Anspruch 4 und einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützelemente (70) als Ankerbolzen mit zwei jeweils außen auf der Hüllschicht (21) aufliegenden Ankerköpfen (71, 72) ausgebildet sind.

23. Behälter nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Ankerbolzen (70) als Schraubverbindung ausgebildet ist.

24. Behälter nach einem der Ansprüche 22 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Breitseiten im Behälterquerschnitt gesehen wellenförmig ausgebildet sind, wobei die Ankerbolzen (70) jeweils im Bereich der Wellentäler angeordnet sind und die Ankerköpfe (71, 72) eine der Wellenform angepaßte Auflagefläche aufweisen.

25. Behälter nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenberge einen im wesentlichen kreisabschnittsförmigen Verlauf haben, dessen Krümmung derjenigen der zylinderabschnittsförmigen Seitenflächen entspricht.

26. Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß an der inneren Oberfläche (12) der Hüllschicht (11, 11', 11", 11''', 21) ein Liner (14) angeordnet ist.

27. Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Hüllschicht (11, 11', 11", 11''', 21) und/oder der Liner (14) aus einem Kunststoff und/oder Fasermaterial gebildet sind.

28. Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Oberfläche (12) der Hüllschicht (11, 11', 11", 11''', 21) und/oder die innere Oberfläche des Liners (14) zumindest in Teilbereichen mit einer Abdichtschicht (15) beschichtet sind.

29. Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß der Betriebsdruck des gespeicherten Gases 10 bis 60 MPa, vorzugsweise 15 bis 45 MPa, besonders bevorzugt 20 bis 35 MPa beträgt.

30. Verwendung eines Behälters nach einem der Ansprüche 1 bis 29 zur Speicherung von Treibstoff, vorzugsweise von Erdgas oder Wasserstoff.

31. Verwendung eines Behälters nach einem der Ansprüche 1 bis 29 zur Speicherung von Gas, vorzugsweise von Luft, Sauerstoff oder Stickstoff.