DE60315481T2 - Leichter, mit kryogenen stoffen kompatibler druckbehälter zur speicherung von fahrzeugkraftstoff - Google Patents

Leichter, mit kryogenen stoffen kompatibler druckbehälter zur speicherung von fahrzeugkraftstoff Download PDF

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Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft Druckgefäße für Fluidlagerungsanwendungen. Im Besonderen betrifft die vorliegende Erfindung ein leichtes, isoliertes Druckgefäß für die mit kryogenen Stoffen kompatible flexible Lagerung alternativer Treib- bzw. Brennstoffe, wie etwa von kryogenem, flüssigem Wasserstoff oder von unter Druck stehendem Wasserstoff bei Umgebungs- oder kryogenen Temperaturen in hoch effizienten Fahrzeugen mit Alternativtreibstoff.
  • STAND DER TECHNIK
  • Die effiziente Lagerung von Kraft- bzw. Brennstoffen und damit verbundene Aspekte des Gewichts eines Speichertanks und dessen Volumen zählen wahrscheinlich zu den wichtigsten Problemen, die sich leichten Fahrzeugen mit Alternativtreibstoff stellen, wie etwa Kraftfahrzeugen mit Wasserstoffantrieb oder erdgasbetriebene Automobilen.
  • Das U.S. Patent US-A-5.798.156 zeigt ein Verfahren zur Reduzierung des Gewichts eines Druckgefäßes für eine Anwendung in einem Leichtfahrzeug, wobei ein leichtes Polymer für die Auskleidung eines Druckgas-Speicher- bzw. Aufbewahrungsbehälters eingesetzt wird, der zum Beispiel aus einem Graphit-Epoxid-Verbundstoff. Die Auskleidung weist eine dünne Schicht eines Metalls mit geringer Permeabilität auf, die auf der polymeren Schicht abgeschieden wird, um die Permeationsrate auf zulässig niedrige Werte zu senken. Das Patent '156 ist jedoch auf Gasdruckgefäße beschränkt, wobei in diesem Patent keine Kühltemperaturen unterhalb der erforderlichen Temperaturen für die Verflüssigung dieser Treib- bzw. Kraftstoffe in Betracht gezogen, beschrieben oder vorgeschlagen werden.
  • Darüber hinaus werden kryogene Niederdruck-Speichertanks auch aufgrund ihrer kompakten Beschaffenheit und ihres geringen Gewichts eingesetzt. Herkömmliche kryogene Niederdrucktanks bestehen für gewöhnlich aus einem Gefäß für die Aufnahme einer kryogenen Flüssigkeit (wie zum Beispiel flüssigen Wasserstoff, LH2 oder Flüssignaturgas bzw. Flüssigerdgas (LNG)) und eine Ummantelung bzw. Umhüllung, die von dem Gefäß räumlich getrennt ist und dieses umgibt. Der Zwischenraum zwischen dem Gefäß und der Ummantelung wird luftleer gemacht und ein wärmeisolierendes Medium wird in dem Zwischenraum platziert, so dass das wärmeisolierende Medium die Wärmeübertragung auf die kryogene Flüssigkeit verhindert, die eine Verdampfung und Erweiterung verursachen kann. Unglücklicherweise treten bei der Befüllung von Niederdruck-LH2-Tanks und während Zeiträumen der Inaktivität Verluste durch Verdampfung auf, die durch die Wärmeübertragung durch die Umgebung begründet sind. Darüber hinaus ist in Bezug auf die Niederdruck-LH2-Lagerung im Besonderen erhebliche Elektrizität für die Verflüssigung des Wasserstoffs erforderlich (etwa 40 % des niedrigeren Heizwerts von Wasserstoff). Die Unterschiede zwischen diesen herkömmlichen kryogenen Niederdruck-Lagerbehältern und kryogen isolierten Hochdruck-Druckgefüßen gemäß der vorliegenden Erfindung werden in folgenden Publikationen des Anmelders erördert: "Thermodynamics of Insulated Pressure Vessels for Vehicular Hydrogen Storage", UCRL-JC-128388 und "Analytical and Experimental Evaluation of Insulated Pressure Vessels for Cryogenic Hydrogen Storage ", International Journal of Hydrogen Energy 25 (2000), die beide hierin durch Verweis enthalten sind.
  • Ein weiteres nennenswertes Referenzdokument ist das U.S. Patent US-A-3.535.179 mit dem Titel "Method of Making a Filament-Wound Container", das als der verwandteste Stand der Technik betrachtet wird. Dieses Patent offenbart einen Behälter zur Lagerung von kryogenem Material, wobei der Behälter aus einem Polystyrolschaumstoffformkern mit einem undurchlässigen bzw. dichten Material gebildet wird, wobei eine Isolierung an dem Formkern angebracht wird, und wobei danach die Isolierung mit Harz imprägnierten Fäden gewickelt wird. Die Fäden werden ausgehärtet bzw. gehärtet, so dass ein strukturiertes Gehäuse gebildet wird, und wobei der Wicklungsformkern aus dem Inneren des Behälters entfernt wird. Die Isolierung wird durch Einkapseln bzw. Kapseln von Schaum bzw. Schaumstoff in einem vakuumdichten Gehäuse erreicht, so dass ein Kryopumpen von Gas verhindert wird. Eine Abdampflage wird zwischen dem Schaumstoff und dem Gehäuse positioniert, um einen leitenden Pfad bereitzustellen, wodurch der Entzug von Gasen erleichtert wird.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Vorgesehen ist gemäß der vorliegenden Erfindung ein leichtes, mit kryogenen Stoffen kompatibles Druckgefäß zur flexiblen Lagerung von Fluids, wie etwa von kryogenen Flüssigkeiten oder Druckgasen auf kryogenen oder Umgebungstemperaturen, wobei das Druckgefäß folgendes umfasst: einen inneren Druckbehälter, der ein Lagervolumen einschließt; einen äußeren Behälter, der den inneren Druckbehälter umgibt dazwischen einen luftleeren Raum bildet; einen thermischen Isolator, der den inneren Druckbehälter in dem luftleeren Raum umgibt, um eine Wärmeübertragung zu dem Speichervolumen zu verhindern; und eine Einrichtung, die im Wesentlichen einen Vakuumverlust in dem luftleeren Raum durch Fluidpermeation durch den inneren Druckbehälter aus dem Lagervolumen zu verhindern, wobei die kryogene Isolierung aufrechterhalten werden kann, wenn kryogene Flüssigkeiten oder Druckgase auf kryogenen Temperaturen gelagert werden.
  • Vorgesehen ist gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ein leichtes, mit kryogenen Stoffen kompatibles Druckgefäß zur flexiblen Lagerung von kryogenen Flüssigbrennstoffen oder Druckgasbrennstoffen auf kryogenen oder Umgebungstemperaturen in Fahrzeugen, wobei das Druckgefäß folgendes umfasst: einen inneren Druckbehälter, der ein Kraftstofflagervolumen einschließt; einen äußeren Behälter, der den inneren Druckbehälter umgibt und dazwischen einen luftleeren Raum bildet; einen thermischen Isolator, der den inneren Druckbehälter in dem luftleeren Raum umgibt, um die Wärmeübertragung auf das Kraftstofflagervolumen zu verhindern; und eine Einrichtung, die dazu dient, im Wesentlichen den Vakuumverlust in dem luftleer gemachten Raum durch Kraftstoffpermeation durch den inneren Druckbehälter zu verhindern, wobei die kryogene Isolierung aufrechterhalten werden kann, wenn kryogene Flüssigbrennstoffe oder Druckgasbrennstoffe auf kryogenen Temperaturen gelagert werden.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die beigefügten Zeichnungen, die hierin enthalten sind und Bestandteil der Offenbarung bilden, zeigen:
  • 1 eine longitudinale Querschnittsansicht eines ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
  • 2 eine longitudinale Querschnittsansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
  • 3 eine longitudinale Querschnittsansicht eines dritten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
  • 4 eine longitudinale Querschnittsansicht eines vierten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
  • 5 eine longitudinale Querschnittsansicht eines fünften Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung; und
  • 6 eine longitudinale Querschnittsansicht eines sechsten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
  • GENAUE BESCHREIBUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein leichtes, mit kryogenen Stoffen kompatibles Druckgefäß zur flexiblen Lagerung von Fluids, wie etwa von kryogenen Flüssigkeiten sowie Druckgasen, auf kryogenen oder Umgebungstemperaturen. Für Anwendungen der Lagerung bzw. Aufbewahrung von Kraftstoffen, wie Alternativtreibstoff-Fahrzeuge (AFV-Fahrzeuge), ist das Druckgefäß so gestaltet, dass es kryogene Flüssigbrennstoffe (wie z.B. flüssigen Wasserstoff, "LH2" oder flüssiges Naturgas, "LNG") lagert sowie Druckgasbrennstoffe bzw. Druckgaskraftstoffe auf kryogenen oder Umgebungstemperaturen (z.B. Druckwasserstoff, "CH2" oder Drucknaturgas bzw. Druckerdgas, "CNG"). Die Auswahl der Kraftstoffoptionen dient zur optimierten Lagerung, jeweils geeignet für verschiedene Zwecke, wie etwa die Maximierung der Fahrstrecke im Vergleich zur Minimierung der Kraftstoffkosten. Zum Beispiel kann das leichte, mit kryogenen Stoffen kompatible Druckgefäß gemäß der vorliegenden Erfindung mit kryogenem flüssigem Wasserstoff gefüllt werden, der eine größere Fahrstrecke bzw. Reichweite bei jedoch höheren Kraftstoffkosten ermöglicht, oder mit Druckwasserstoffgas auf kryogenen oder Umgebungstemperaturen, das eine kürzere Reichweite bereitstellt, dafür jedoch zu deutlich reduzierten Kosten. Das isolierte Druckgefäß gemäß der vorliegenden Erfindung erreicht ein Gleichgewicht zwischen den niedrigeren Kosten und höherem Volumen der CH2-Lagerung auf Umgebungstemperatur und der Kompaktheit, Energieintensität und Verdampfungsverluste der LH2-Lagerung.
  • Zwar sind Wasserstoff und Natur- bzw. Erdgas die beiden typischsten bzw. gewöhnlichsten Beispiele für Alternativtreibstoffe, die für AFV-Anwendungen eingesetzt werden, wobei aber auch andere Treibstoffe eingesetzt werden können, die sich für die Lagerung von Druckgas und die Lagerung kryogener Flüssigkeiten eignen. In der vorliegenden Beschreibung wird Wasserstoff als beispielhafter Treibstoff verwendet, um die Funktionsweise der vorliegenden Erfindung allgemein zu veranschaulichen. Die Vorteile eines leichten, mit kryogenen Stoffen kompatiblen Druckgefäßes für Lageranwendungen in Fahrzeugen sind zwar leicht ersichtlich, wobei die Erfindung diesbezüglich jedoch nicht beschränkt ist. Die vorliegende Erfindung kann allgemein für jede Anwendung eingesetzt werden, die eine Flexibilität in Bezug auf die gelagerten Fluidarten voraussetzt.
  • In Bezug auf die Zeichnungen zeigt die Abbildung aus 1 eine longitudinale Querschnittsansicht eines ersten Ausführungsbeispiels des leichten, mit kryogenen Stoffen kompatiblen Druckgefäßes 100 mit einer zentralen Achse 1. Das Druckgefäß 100 weist entlang der zentralen Achse 1 allgemein eine elongierte zylindrische Konfiguration auf, mit abgerundeten, elliptischen, halbsphärischen Enden, wie dies für die Bauweise von Druckgefäßen auf dem Gebiet typisch ist. Ferner weist das Druckgefäß 100 einen inneren Druckbehälter 103 auf, der ein Speichervolumen 102 umgibt und einschließt, und einen äußeren Behälter 104, der den inneren Druckbehälter 103 umgibt, so dass dazwischen ein luftleerer Raum 105 gebildet wird. Isolierte Querträger 107 trennen den inneren Druckbehälter 103 von dem äußeren Behälter 104 und tragen ihn, so dass dazwischen eine Wärmeleitung verhindert wird. Der Zugang in und aus dem Speichervolumen 102 erfolgt über einen Einlassanschluss 108 und einen Auslassanschluss 109, der sich durch den inneren Druckbehälter 10 und den äußeren Behälter 104 erstreckt. Der äußere Behälter 104 weist eine leichte, steife Körperkonstruktion auf, die den luftleeren Raum 105 darin tragen bzw. stützen kann, wobei es sich bei Aluminium oder Edelstahl um beispielhafte Materialarten handelt, die für die Konstruktion eingesetzt werden können.
  • Aufgrund der Tatsache, dass das Gewicht in Druckgefäßen von entscheidender Bedeutung ist, im Besonderen bei Fahrzeuganwendungen, weist der innere Druckbehälter 103 eine leichte, steife Struktur mit einem hohen Stärke-Gewichts-Verhältnis auf. Ferner ist die Konstruktion des inneren Druckbehälters 103 so konfiguriert, dass sie hohen Druckwerten (durch die Druckgaslagerung) aus dem Inneren des Kraftstofflagervolumens 102 standhält. Zum Beispiel können leichte Fahrzeuglagerungsanwendungen, die Druckgasbrennstofftreibstoffe verwenden, für gewöhnlich Druckwerte im Betrieb von bis zu 5000 psi aufweisen, wenn 5 kg H2 in einem externen Volumen von 250 Litern gelagert werden. In jedem Fall wird der innere Druckbehälter 103 für gewöhnlich aus einem leichten Verbundwerkstoff mit einer faserverstärkten Harzmatrixkonstruktion unter Verwendung von im Fach bekannten Fertigungsverfahren hergestellt. Verbundkonstruktionen, wie zum Beispiel Kohlenstofffaser, Faserepoxid, der unter dem Warenzeichen "Kevlar" angeboten wird, etc., stellen zahlreiche Vorteile bereit, wie zum Beispiel ein geringes Gewicht und Widerstandsfähigkeit in Bezug auf Korrosion, Ermüdung und Totalausfall. Diese Kombination aus geringem Gewicht und Widerstandsfähigkeit gegen Versagen ist möglich aufgrund der hohen spezifischen Stärke der Verstärkungsfäden bzw. -fasern (Kohlenstoff, Glas, Aramid, etc.), welche bei der Konstruktion von Druckgefäßen für gewöhnlich in Richtung der Hauptbelastungen ausgerichtet sind.
  • Wie dies in der Abbildung aus 1 dargestellt ist, kann der innere Druckbehälter 103 zusätzlich eine innere Auskleidung 101 aufweisen, welche die innere Oberfläche des Behälters auskleidet. Die innere Behälterauskleidung 101 besteht vorzugsweise aus einem leichten, nicht-metallischen Material, wie etwa einem Polymer, um eine erhebliche Gewichtsreduzierung des Druckgefäßes zu erreichen (im Vergleich zu Aluminiumauskleidungen, die für gewöhnlich für herkömmliche Druckgefäße eingesetzt werden). Zu den Beispielen für Polymere zählen unter anderem Polyethylen, Nylon, Kapton oder andere Polymere, ohne darauf beschränkt zu sein. Die durch den Einsatz einer polymeren Auskleidung bereitgestellte erhebliche Gewichtsreduzierung kann durch die potenziellen Gewichtseinsparungen von 10 bis 15 kg für eine Gesamtmasse des Gefäßes von 35 bis 40 kg für das vorstehend beschriebene Beispiel eines Druckgefäßes mit 5 kg H2/250 Litern verdeutlicht werden (wobei die Aluminiumauskleidung eine ungefähre durchschnittliche Dicke von 3 mm aufweist). Wenn eine innere Auskleidung eingesetzt wird, umfasst die Konstruktion bzw. der Aufbau der Verbundkonstruktion des inneren Druckbehälters für gewöhnlich das Wickeln von Fasern über die Auskleidung, um die faserverstärkte Harzmatrix zu erzeugen. Für den Fall eines Verbunds aus innerem Gefäß und innerer Auskleidung umfasst die Herstellung des inneren Behälters 103 für gewöhnlich einen wasserlöslichen oder anderweitig entfernbaren Kern bzw. Formkern. In jedem Fall werden die Kunststoffauskleidung 101 und der innere Druckbehälter 103 mit Verbundkonstruktion so ausgewählt und gestaltet für einen geeigneten Betrieb bzw. eine geeignete Funktionsweise über einen umfassenden Bereich von Temperaturen, von Flüssigwasserstofftemperaturen (20 K) bis zu hohen Temperaturen, die resultieren können, wenn das Gefäß mit Druckwasserstoff (bis zu 400 K) gefüllt ist.
  • Wie dies in der Abbildung aus 1 dargestellt ist, weist das Druckgefäß 100 ferner einen thermischen Isolator 106 auf, der den inneren Druckbehälter 103 in dem luftleeren Raum 105 umgibt. Der thermische Isolator 106 dient dazu, die Wärmeübertragung auf das Lagervolumen 102 zu verhindern. Ein exemplarisches Ausführungsbeispiel des thermischen Isolators umfasst eine externe mehrlagige Vakuumisolierung, um die Wärmeübertragung auf das Lagervolumen zu reduzieren, im Besonderen während einem kryogenen Betrieb. Der äußere Behälter 104 arbeitet so, dass ein Vakuum um das Gefäß erhalten bleibt, das für einen effektiven Betrieb der mehrlagigen Isolierung erforderlich ist. In einem exemplarischen Ausführungsbeispiel wird das Druckgefäß mit einer MLVSI (mehrlagige Vakuumsuperisolation) isoliert. Die MLVSI weist eine gute thermische Performance nur bei hohem Vakuum auf, bei einem Druck unter 0,01 Pa (7,5 × 10(–5) mm Hg).
  • Der Einsatz einer polymeren Auskleidung (oder die vollständige Entfernung der Auskleidung) stellt eine erhebliche Gewichtsreduzierung des Druckgefäßes bereit, ist jedoch auch mit erheblichen Kosten verbunden. Nicht-metallische Auskleidungen, wie etwa polymere Auskleidungen, sind einer Fluidpermeation, wie z.B. Wasserstoffgas-Permeation dort hindurch ausgesetzt. Vorhandener Wasserstoff in dem Vakuumisolationsraum erhöht zum Beispiel schnell die Leitfähigkeit der Isolierung auf einen Wert, der ausreichend hoch ist, so dass eine erhebliche Wärmeübertragung eintritt, was zu einer schnellen Verdampfung des in dem Gefäß gelagerten kryogenen Wasserstoffs führt. Wenn Wasserstoff auf Umgebungstemperatur gelagert wird, ist zwar kein Vakuum erforderlich, jedoch muss ein Vakuum in dem isolierten, luftleeren Raum beibehalten werden, wenn der Tank bzw. der Behälter mit kryogenen Wasserstoff gerillt wird bzw. ist, um einen optimalen Betrieb bzw. eine optimale Funktionsweise der mehrlagigen Isolierung 106 zu ermöglichen, wie dies vorstehend im Text beschrieben worden ist. Das für einen effizienten Betrieb der mehrlagigen Isolierung erforderliche Vakuum entspricht ungefähr 7,5 × 10–5 Torr. Somit werden verschiedene Mittel bereitgestellt, um den Vakuumverlust in dem luftleeren Raum im Wesentlichen zu verhindern, um das Einströmen von permeierendem Wasserstoff zu adressieren. Der Begriff "im Wesentlichen verhindern" bedeutet hierin und in den Ansprüchen, das Verhindern einer bzw. zumindest eine geregelte Permeation und des Vakuumverlusts, so dass der luftleere Raum ein ausreichendes Vakuum für die mehrlagige Isolierung 106 aufweist.
  • Die Abbildungen der 2 bis 6 veranschaulichen fünf beispielhafte Methodologien, um den Vakuumverlust in kryogenen Druckgefäßen mit einer Kunststoffauskleidung oder ohne Auskleidung deutlich zu behindern bzw. zu verhindern. Diese Methodologien können einzeln oder in Kombination miteinander angewandt werden.
  • Wie dies aus der Abbildung aus 2 ersichtlich ist, ist ein zweites Ausführungsbeispiel des Druckgefäßes mit der Bezugsziffer 200 dargestellt. Ein Getter-Material 201, 202 wird vorzugsweise als Mittel eingesetzt, um den Vakuumverlut in dem luftleer gemachten Raum wesentlich zu verhindern, um insgesamt sehr niedrige Permeationsraten in dem luftleer gemachten Raum zu adressieren. Kleine Volumina von Getter-Material werden als "Molekularsieb" eingesetzt, um Massen von permeiertem Material zu ad- oder absorbieren, wodurch ein kleiner Anteil des enthaltenen Wasserstoffs sequestriert wird, bevor dessen Permeation die Vakuumisolierung einschränken kann. Es ist bekannt, dass Getter regeneriert werden können, um mehr permeierten Wasserstoff zu verbrauchen durch thermischen Zyklusverlauf und/oder Vakuumpumpen, wobei die Getter auch vollständig ersetzt werden oder eine durch die Bauweise bedingte entsprechend geeignete Kapazität aufweisen können, um die gesamte Lebensdauer des Tanks überstehen zu können. Wie dies in der Abbildung aus 2 ersichtlich ist, befindet sich das Getter-Material 201, 202 an dem inneren Druckbehälter 203 in dem luftleer gemachten Raum 205. Hiermit wird jedoch festgestellt, dass auch andere Positionen in dem luftleeren Raum 205 ebenfalls möglich sind.
  • Wie dies in der Abbildung aus 3 dargestellt ist, ist ein drittes Ausführungsbeispiel des Druckgefäßes mit der Bezugsziffer 300 bezeichnet. Dargestellt ist eine mechanische Pumpe 301 zum Spülen von in dem luftleer gemachten Raum 303 festgestelltem permeiertem Wasserstoff. Die Pumpe 301 kann sich an dem äußeren Behälter 302 oder an jeder geeigneten Position für eine Kommunikation zwischen dem luftleer gemachten Raum 303 und über das Druckgefäß hinaus befinden. Auf nahezu jedem Wert der Durchdringung bzw. der Permeation können mechanische Vakuumpumpen den permeierten Wasserstofffluss auszugleichen, um einen effektiven Vakuumisolierungsraum unter 7,5 × 10–5 Torr (3) aufrechtzuerhalten. Bei niedrigen Durchdringungswerten kann kryogenes und Ionenpumpen ebenfalls eingesetzt werden, um eine effektive Vakuumisolierung zu erhalten. Die Minitiarisierung und der absatzweise Betrieb sind vorteilhaft für die Mikrogramm-/Stunden-Permeation bzw. Durchdringung, während absatzweises externes (außerhalb des Fahrzeugs gelegen) Pumpen gut isolierte Wasserstofflagerungssysteme unterstützen kann, ohne dass zusätzliche Pumpen an Bord erforderlich sind (wobei für moderates Vakuumpumpen keine Zwischenverbindung erforderlich wäre).
  • Ein weiteres Mittel (nicht abgebildet), um den Vakuumverlust in dem luftleer gemachten Raum erheblich zu verhindern, ist der Einsatz von Katalysatoren, die an Substraten mit hohen Oberflächenbereichen zum Einsatz kommen (z.B. Folien und Molekularsiebe), um permeierten Wasserstoff zu erfassen, indem eine Reaktion dessen mit Sauerstoff und dessen Umwandlung in Wasser ausgeführt wird. Dieses Wasser wird danach auf der äußeren Oberfläche des inneren Tanks gefroren. Der Dampfdruck des Wassers ist ausreichend niedrig auf der niedrigen Temperatur, so dass die Vakuumisolierung auch in Gegenwart des Eises ordnungsgemäß funktionieren kann.
  • Die Abbildung aus 4 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel des Druckgefäßes, das mit der Bezugsziffer 400 bezeichnet ist. Dünne metallische und intermetallische Überzüge, die direkt auf Oberflächen abgeschieden sind, sind zwar allgemein dafür bekannt, dass sie die Wasserstoffdurchdringung wesentlich verhindern, allerdings ist es wahrscheinlich, dass sich diese Schichten von der Oberfläche des Tanks lösen, und zwar aufgrund der hohen Zugbelastungswerte, die für leichte Druckgefäße kennzeichnend sind (gestaltet mit den meisten masseneffizienten strukturellen Verbundwerkstoffen, die für gewöhnlich mit einer Belastung von bis zu 1,5 – 2,5 % betrieben werden). Eine Lösung dieses Problems ist in der Abbildung aus 4 dargestellt, indem die metallischen Schichten texturiert und in nachgiebigeren Schichten eingebettet werden, wobei der Großteil ihrer Flächen in Falzen platziert wird, um deren ohne Undurchdringbarkeit zu erhalten. Die texturierten metallischen Schichten sind als Zinnen mit gleichmäßigen Zwischenräumen oder Leibungen dargestellt, die eine Biegung der metallischen Schicht ermöglichen, um Ausdehnungen/Kontraktionen des Druckbehälters zu kompensieren. Diese Vorgehensweise ist in der Abbildung aus 4 dargestellt. Gemäß der Abbildung weist die innere Auskleidung 402 ein dünnes (z.B. mit einer Dicke von < 10 Mikron) Metall 405 auf, das sich zwischen einer äußeren Schicht der Auskleidung 403 und einer inneren Schicht der Auskleidung 404 befindet. Diese Anordnung des Druckgefäßes 400 ist für eine besonders niedrige Permeabilität in Bezug auf Wasserstoff gestaltet. Vorberechnungen des Anmelders haben gezeigt, dass eine auf die Kunststoffauskleidung 402 aufgetragene sehr dünne (z.B. 10 Mikron) Metallschicht die erforderliche Widerstandsfähigkeit gegen Permeabilität über die Nutzungsdauer des Druckgefäßes bereitstellen kann. Diese dünne Metallschicht würde das Gewicht des Gefäßes nur sehr geringfügig erhöhen.
  • Dendritische Oberflächen (nicht abgebildet) können zusätzlich eingesetzt werden als das Mittel zur wesentlichen Verhinderung von Vakuumverlust, um eine Oberflächenbereichsverbesserung um mehrere Größenordnungen bereitzustellen. Diese dendritischen Oberflächen, wenn sie auf Druckgefäßoberflächen, deren Innenseiten, beide Seiten der Auskleidungen, Oberflächen der Isolierschicht (Folie) und die Innenseite des einschließenden Gehäuses des luftleer gemachten Raums aufgetragen sind, unterstützen die Sequestrierungsraten von Gettern, Katalysatoren und Eiserfassungstechniken.
  • Die Abbildung aus 5 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel des Druckgefäßes, das mit der Bezugsziffer 500 bezeichnet ist. In dem exemplarischen Ausführungsbeispiel umfasst das Mittel zum wesentlichen Verhindern des Vakuumverlusts in dem luftleer gemachten Raum eine dünne Glasschicht 503, welche die innere Auskleidung 501 auskleidet. Die Glasschicht 503 kann amorphe Metalle, Keramikwerkstoffe und Intermetalle aufweisen. Diese können potenziell viele Druckzyklen überstehen, wenn dünne Schichten hoher Zugbelastung ausgesetzt werden. Sie können somit auf die innere Oberfläche der Auskleidung 501 aufgetragen werden, angrenzend an das Lagervolumen 502, wo sie Druck- und Temperaturzyklen standhalten können. Sie gelten auch als für Wasserstoff undurchdringbar, um den Wasserstoffdruck in dem luftleer gemachten Raum effektiv zu reduzieren.
  • Die Abbildung aus 6 zeigt ein sechstes Ausführungsbeispiel des Druckgefäßes gemäß der vorliegenden Erfindung, angezeigt durch die Bezugsziffer 600. In dem vorliegenden exemplarischen Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der Einrichtung bzw. dem Mittel zum wesentlichen Verhindern von Vakuumverlusten um eine spezifische, nur für Fluid durchdringbare Membran, die es nur ermöglicht, dass bestimmtes Fluid dort hindurch tritt. Im Fall von Wasserstoff handelt es sich bei der Membran nur für spezifisches Fluid um eine Palladium-Membran 602, die es ermöglicht, dass nur Wasserstoff durch den äußeren Behälter 601 aus dem Vakuumisolationsraum austreten kann, ohne dass die Bestandteile von Luft eintreten bzw. eindringen können.
  • Es wurden zwar bestimmte Betriebssequenzen, Materialien, Temperaturen, Parameter und bestimmte Ausführungsbeispiele beschrieben und/oder veranschaulicht, wobei diese die Erfindung jedoch nicht einschränken. Modifikationen und Abänderungen können für den Fachmann auf dem Gebiet ersichtlich werden, wobei der Umfang der vorliegenden Erfindung jedoch nur durch die anhängigen Ansprüche beschränkt ist.

Claims (23)

  1. Leichtes, mit kryogenen Stoffen kompatibles Druckgefäß (100, 200, 300, 400, 500, 600) zur flexiblen Lagerung von Fluids, wobei das Druckgefäß dadurch gekennzeichnet ist, dass es folgendes umfasst: einen inneren Druckbehälter (103, 203), der ein Lagervolumen (102, 502) einschließt; einen äußeren Behälter (104, 204, 302, 601), der den inneren Druckbehälter (103, 203) umgibt, wobei das Gefäß Fluids lagert, wie etwa kryogene Flüssigkeiten oder Druckgase, wobei der äußere Behälter (104, 204, 302, 601) und der innere Druckbehälter (103, 203) dazwischen einen luftleeren Raum (105, 205, 303) bilden; einen thermischen Isolator (106), der den inneren Druckbehälter (103, 203). in dem luftleeren Raum (105, 205) umgibt, um eine Wärmeübertragung zu dem Speichervolumen (102, 502) zu verhindern; und ein Behälterauskleidung (101, 402, 503), welche eine innere Oberfläche des Innendruckbehälters (103, 203, 503) auskleidet, und daran eine Fluid undurchlässige Schicht aufweist, um im Wesentlichen einen Vakuumverlust in dem luftleeren Raum (105, 205, 303) durch Fluidpermeation durch den inneren Druckbehälter (103, 203) aus dem Lagervolumen (102, 502) zu verhindern, wobei die kryogene Isolierung aufrechterhalten werden kann, wenn kryogene Flüssigkeiten oder Druckgase auf kryogenen Temperaturen gelagert werden.
  2. Leichtes, mit kryogenen Stoffen kompatibles Druckgefäß nach Anspruch 1, ferner dadurch gekennzeichnet, dass der Innendruckbehälter (103, 203) eine faserverstärkte Verbundkonstruktion aufweist.
  3. Leichtes, mit kryogenen Stoffen kompatibles Druckgefäß nach Anspruch 1, ferner dadurch gekennzeichnet, dass die Behälterauskleidung (101, 402, 503) ein leichtes, nicht metallisches Material umfasst.
  4. Leichtes, mit kryogenen Stoffen kompatibles Druckgefäß nach Anspruch 3, ferner dadurch gekennzeichnet, dass die Behälterauskleidung (101, 402, 503) ein polymeres Material umfasst.
  5. Leichtes, mit kryogenen Stoffen kompatibles Druckgefäß nach einem der Ansprüche 1 bis 4, ferner dadurch gekennzeichnet, dass die Fluid undurchlässige Schicht im Wesentlichen undurchlässig ist in Bezug auf H2.
  6. Leichtes, mit kryogenen Stoffen kompatibles Druckgefäß nach Anspruch 1, ferner dadurch gekennzeichnet, dass die Fluid undurchlässige Schicht so konfiguriert ist, dass sie sich durch Ausdehnung/Kontraktion der Behälterauskleidung biegt.
  7. Leichtes, mit kryogenen Stoffen kompatibles Druckgefäß nach Anspruch 1, ferner dadurch gekennzeichnet, dass die Fluid undurchlässige Schicht (503) eine Fluid undurchlässige, glasähnliche Schicht umfasst, die sich auf der Behälterauskleidung befindet.
  8. Leichtes, mit kryogenen Stoffen kompatibles Druckgefäß nach Anspruch 7, ferner dadurch gekennzeichnet, dass die Fluid undurchlässige, glasähnliche Schicht im Wesentlichen undurchlässig ist in Bezug auf H2.
  9. Leichtes, mit kryogenen Stoffen kompatibles Druckgefäß nach Anspruch 1, ferner gekennzeichnet durch ein Mittel zum Erfassen von permeiertem Fluid in dem luftleeren Raum (105, 205, 303).
  10. Leichtes, mit kryogenen Stoffen kompatibles Druckgefäß nach Anspruch 9, ferner dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Mittel zum Erfassen von permeiertem Fluid in dem luftleeren Raum um ein Getter-Material (201, 202) handelt, das sich in dem luftleeren Raum (205) befindet.
  11. Leichtes, mit kryogenen Stoffen kompatibles Druckgefäß nach Anspruch 9, ferner dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zum Erfassen von permeiertem Fluid in dem luftleeren Raum einen Katalysator verwendet, um eine Reaktion des permeiertem Fluds mit einer Reagens zu bewirken.
  12. Leichtes, mit kryogenen Stoffen kompatibles Druckgefäß nach Anspruch 11, ferner dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator eingesetzt wird, um eine Reaktion von permeiertem Wasserstoff mit Sauerstoff zu bewirken, so dass Eis gebildet wird.
  13. Leichtes, mit kryogenen Stoffen kompatibles Druckgefäß nach Anspruch 9, ferner dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zum Erfassen von permeiertem Fluid in dem luftleeren Raum (105, 303) eine dendritische Oberfläche zur Vergrößerung des Oberflächenbereichs aufweist, um die Sequestrierungsraten zu verbessern.
  14. Leichtes, mit kryogenen Stoffen kompatibles Druckgefäß nach Anspruch 1, ferner gekennzeichnet durch ein Mittel zum Spülen von permeiertem Fluid aus dem luftleeren Raum (105, 205, 303).
  15. Leichtes, mit kryogenen Stoffen kompatibles Druckgefäß nach Anspruch 14, ferner dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zum Spülen von permeiertem Fluid eine mechanische Vakuumpumpe (301) umfasst.
  16. Leichtes, mit kryogenen Stoffen kompatibles Druckgefäß nach Anspruch 14, ferner dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zum Spülen von permeiertem Fluid eine elektrochemische (Ionen-) Pumpe umfasst.
  17. Leichtes, mit kryogenen Stoffen kompatibles Druckgefäß nach Anspruch 14, ferner dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zum Spülen von permeiertem Fluid eine spezifische nur für Fluid durchlässige Membran (602) umfasst, die an dem äußeren Behälter (601) angeordnet ist, und eine Permeation des spezifischen Fluids dort hindurch aufgrund eines Konzentrationsgradienten ermöglicht.
  18. Leichtes, mit kryogenen Stoffen kompatibles Druckgefäß nach Anspruch 17, ferner dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der spezifischen nur für Fluid durchlässigen Membran um eine Palladium-haltige Membran handelt, die eine Permeation von H2 dort hindurch ermöglicht.
  19. Leichtes, mit kryogenen Stoffen kompatibles Druckgefäß nach Anspruch 14, ferner dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zum Spülen von permeiertem Fluid so konfiguriert ist, dass es automatisch so arbeitet, dass ein vorbestimmter Vakuumdruck in dem luftleeren Raum (105, 205, 303) aufrechterhalten wird.
  20. Leichtes, mit kryogenen Stoffen kompatibles Druckgefäß nach Anspruch 1, ferner gekennzeichnet durch mindestens ein Mittel zur Erfassung von permeiertem Fluid (202, 202) in dem luftleeren Raum (105, 205, 303) und ein Mittel zum Spülen (602, 301) von permeiertem Fluid aus dem luftleeren Raum (105, 205, 303).
  21. Leichtes, mit kryogenen Stoffen kompatibles Druckgefäß nach Anspruch 1, ferner dadurch gekennzeichnet, dass der thermische Isolator eine Mehrzahl reflektierender Schichten umfasst.
  22. Leichtes, mit kryogenen Stoffen kompatibles Druckgefäß nach Anspruch 22, ferner dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem thermischen Isolator (106) um MLVSI (mehrlagige Vakuumsuperisolation) handelt.
  23. Leichtes, mit kryogenen Stoffen kompatibles Druckgefäß nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner dadurch gekennzeichnet, dass das Gefäß zur flexiblen Lagerung von kryogenem Fluid oder Druckgas der flexiblen Lagerung von kryogenen Flüssigbrennstoffen oder Druckgasbrennstoffen auf kryogenen oder Umgebungstemperaturen in Fahrzeugen vorgesehen ist; wobei der innere Druckbehälter (103, 203) ein Lagervolumen einschließt, das ein Kraftstofflagervolumen (102, 502) darstellt; wobei der thermische Isolator (106) den inneren Druckbehälter (103, 203) in dem luftleeren Raum umgibt, um die Wärmeübertragung auf das Lagervolumen zu verhindern, zur Verhinderung der Wärmeübertragung auf das Kraftstofflagervolumen; wobei die Behälterauskleidung dem wesentlichen Verhindern von Vakuumverlust in dem luftleeren Raum (105, 205, 303) durch Kraftstoffpermeation durch den inneren Druckbehälter (103, 203) aus dem Lagervolumen durch den inneren Druckbehälter (103, 203) dient, wobei die kryogene Isolierung aufrechterhalten werden kann, wenn kryogene Flüssigbrennstoffe oder Druckgasbrennstoffe auf kryogenen Temperaturen gelagert werden.
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