EP2768657A1 - Druckgastank und fertigungsverfahren für selbigen - Google Patents

Druckgastank und fertigungsverfahren für selbigen

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EP2768657A1
EP2768657A1 EP12769918.9A EP12769918A EP2768657A1 EP 2768657 A1 EP2768657 A1 EP 2768657A1 EP 12769918 A EP12769918 A EP 12769918A EP 2768657 A1 EP2768657 A1 EP 2768657A1
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EP
European Patent Office
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gas tank
compressed gas
core
carbon fiber
struts
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP12769918.9A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Knoop
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Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
Daimler AG
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Publication date
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Publication of EP2768657A1 publication Critical patent/EP2768657A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/32—Hydrogen storage

Definitions

  • the invention relates to the production of a compressed gas tank and the compressed gas tank, in particular a pressurized hydrogen tank itself.
  • pressurized hydrogen tanks which are currently being manufactured by wrapping a plastic liner with carbon fibers which are already preimpregnated or impregnated after the winding.
  • the liner is necessary to give the tank its basic shape.
  • the impregnated carbon fiber ribbon is fixed in a manner known per se by curing the matrix polymer.
  • the liner remains on the inner wall of the pressurized hydrogen tank.
  • tank operation it may happen that hydrogen diffuses through the wall of the liner and accumulates at the carbon fiber composite bandage. If the tank pressure falls during the subsequent driving operation, it may happen that the liner peels off the carbon fiber bandage and in the worst case collapses.
  • this problem should be circumvented by multilayer liner, which have a higher diffusion resistance, so as to avoid peeling.
  • Such a pressurized hydrogen tank is known from DE 10 2009 014 057 A1. It has a wall made of a fiber composite material and a plastic liner and a connection flange.
  • DE 10 2009 014 057 A1 relates to the problem of preventing diffusion of the hydrogen gas or another gaseous medium out of the interior of the pressure vessel through the wall of fiber composite material, which can be done by means of an additional liner as a gas or vapor barrier.
  • the inventive method for producing compressed gas tanks made of carbon fiber materials with a filling and removal nozzle, such as pressurized hydrogen tanks comprises in a first embodiment, the steps
  • the impregnation of the carbon fibers can be realized by using preimpregnated carbon fibers for wrapping, on the other hand, only the finished carbon fiber bandage can be impregnated. Both variants can be combined.
  • the method has the following steps to increase the material requirement reduce and still cause no loss of stability of the compressed gas tank:
  • a support structure of carbon fiber braces or spokes is already provided therein. This may suitably extend from a radially away from the central axis of the core
  • Consist spokes support structure The free ends of the struts or spokes should be so long that they protrude over the surface of the core to be wrapped. Then, when wrapping the core with the carbon fiber bandage, the overhanging free ends of the struts or spokes can be wrapped into it. This achieves an advantageously fixed connection. Upon consolidation of the polymeric matrix material, the free ends of the support structure wrapped in the carbon fiber bandage are then fixed. Now, if the liquefaction and removal of the liquid core material is made from the compressed gas tank, the support structure remains stabilizing in its interior.
  • the fusible core may have a round or, in particular, if it contains the support structure, oval or other suitable cross-sectional shape and thus allow to produce other than cylindrical pressurized gas tanks.
  • An inventive pressurized gas tank which can be manufactured with the above methods, and which has a filling and withdrawal nozzle, therefore, has a wall which consists of a carbon fiber composite material layer and which is advantageously free of an inner-walled liner layer.
  • This compressed gas tank can be a pressurized hydrogen tank.
  • a support structure of struts or spokes made of carbon fiber material is present in the interior of the compressed gas tank, which stabilizes and with respect to
  • This may preferably be configured as a spoke support structure extending radially away from a central axis of the pressurized gas tank, whose distal strut or spoke ends form the inner wall of the pressurized gas tank penetrate and are received in the polymeric matrix of the carbon fiber composite layer forming the wall of the pressurized gas tank.
  • the pressurized gas tank can therefore have an oval or other suitable cross-sectional shape in addition to the cylindrical shape, especially in Stauer Modellverassemble.
  • Fig. 1 is a cross-sectional view of a cylindrical tank with radial support struts
  • Fig. 2 is a cross-sectional view of a tank having an elliptical cross-section and with
  • FIG. 1 shows the section through a cylindrical pressurized hydrogen tank 1 made of carbon fiber materials with carbon fiber spokes 3, which extend radially in the interior from a central axis to the tank wall 2 and are received in the wall 2.
  • a fusible core (not shown), such as wax or ice, was used to form the inner shape of the cylindrical pressurized gas tank. Then, the core was wrapped with carbon fibers, so that the resulting carbon fiber bandage forms a preform of the compressed gas tank 1.
  • the curable polymeric matrix material with which the carbon fibers were impregnated before or after winding was subjected to appropriate curing conditions to form the consolidated carbon fiber composite material that provides the wall 2 of the pressure tank 1.
  • spoke ends which protrude from the core and are incorporated into the carbon fiber bandage, are thereby fixed in the polymeric matrix. If a pulverulent, curable polymeric matrix material is used, it can first be liquefied first in order to wet the carbon fibers.
  • the core which already contained the supporting structure of spokes 3, was liquefied by melting and the liquid core material was removed from the filling and removal nozzle. If such spokes 3 projecting radially from a central axis are used, or optionally also another supporting structure, it is even possible to deviate from the cylindrical basic shape of a pressurized hydrogen tank and, for example, to create an elliptical cross section of the pressurized hydrogen tank, as shown in FIG.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt einen Druckgastank (1) aus Kohlefasermaterialien, der einen Befüll- und Entnahmestutzen aufweist, und ein Verfahren zu dessen Herstellung bereit, das die Schritte umfasst: - Bereitstellen eines schmelzbaren Kerns, der eine Innenform des Druckgastanks (1) bildet, - Umwickeln des Kerns mit zumindest einer Kohlefaser-Bandage und Imprägnieren der Kohlefasern mit einem aushärtbaren polymeren Matrixmaterial, dabei Bereitstellen einer Preform des Druckgastanks (1), - Konsolidieren des polymeren Matrixmaterials der Preform und Erhalten des Kohlefaserverbund-Druckgastanks (1), und - Verflüssigen des Kernmaterials durch Aufschmelzen und Entnehmen des flüssigen Kernmaterials aus dem Befüll- und Entnahmestutzen.

Description

Druckgastank und Fertigungsverfahren für selbigen
Die Erfindung betrifft die Fertigung eines Druckgastanks und den Druckgastank, insbesondere einen Druckwasserstofftank selbst.
Aus dem Stand der Technik sind Druckwasserstofftanks bekannt, die derzeit gefertigt werden, indem ein Kunststoffliner mit Kohlefasern umwickelt wird, die bereits vorimprägniert sind oder nach der Wicklung imprägniert werden. Hierbei ist der Liner notwendig, um dem Tank seine Grundform zu geben. Nach der Wicklung wird die imprägnierte Kohlefaserbandage auf an sich bekannte Weise durch Aushärten des Matrixpolymers fixiert. Der Liner verbleibt dabei an der Innenwandung des Druckwasserstofftanks. Beim Tankbetrieb kann es nun vorkommen, dass Wasserstoff durch die Wand des Liners diffundiert und sich an der Kohlefaserverbundwerkstoff-Bandage anreichert. Wenn beim anschließenden Fahrbetrieb der Tankdruck abfällt, kann es vorkommen, dass sich der Liner von der Kohlefaserbandage abschält und im schlimmsten Fall kollabiert. Im Stand der Technik soll diese Problematik durch mehrschichtige Liner umgangen werden, die einen höheren Diffusionswiderstand haben, um so das Abschälen zu vermeiden.
Ein derartiger Druckwasserstofftank ist aus der DE 10 2009 014 057 A1 bekannt. Er verfügt über eine Wandung aus einem Faserverbundwerkstoff und einen Liner aus Kunststoff sowie einen Anschlussflansch. Die DE 10 2009 014 057 A1 bezieht sich auf die Problematik, eine Diffusion des Wasserstoffgases oder eines sonstigen gasförmigen Mediums aus dem Inneren des Druckbehälters heraus durch die Wandung aus Faserverbundwerkstoff zu unterbinden, was mittels eines zusätzlichen Liners als Gas- oder Dampfsperre geschehen kann.
Aus der DE 2124789 A ist eine aufblasbare, faserverstärkte Elastomerblase bekannt, welche als schrumpfbarer und damit entnehmbarer Kern für den Behälterbau
vorgeschlagen wird. Aus der DE 19803909 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer faserverstärkten Polymerblase bekannt. Ausgehend von diesem Stand der Technik ergibt sich die Aufgabe, einen Druckgastank, insbesondere für Wasserstoff, zu schaffen, der keine kollabierbare Innenstruktur aufweist.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und mit der Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst. Weiterbildungen der Vorrichtung und des Verfahrens sind in den Unteransprüchen ausgeführt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Druckgastanks aus Kohlefasermaterialien mit einem Befüll- und Entnahmestutzen, wie etwa Druckwasserstofftanks, umfasst in einer ersten Ausführungsform die Schritte
- Bereitstellen eines schmelzbaren Kerns, der eine Innenform des Druckgastanks bildet,
- Umwickeln des Kerns mit zumindest einer Kohlefaserbandage und Imprägnieren der Kohlefasern mit einem aushärtbaren polymeren Matrixmaterial und dabei Bereitstellen einer Preform des Druckgastanks. Die Imprägnierung der Kohlefasern kann durch Verwendung von vorimprägnierten Kohlefasern zum Umwickeln realisiert werden, andererseits kann auch erst die fertige Kohlefaserbandage imprägniert werden. Es können auch beide Varianten kombiniert werden.
Weitere Schritte des Verfahrens sind
- Konsolidieren des polymeren Matrixmaterials der Preform und Erhalten des Kohlefaserverbund-Druckgastanks, und
- Verflüssigen des Kernmaterials durch Aufschmelzen und Entnehmen des flüssigen Kernmaterials aus dem Befüll- und Entnahmestutzen
- bei dem Bereitstellen des schmelzbaren Kerns in dem Kern Vorsehen einer Stützstruktur aus Streben oder Speichen (3) aus Kohlefasermaterial, wobei die freien Enden der Streben oder Speichen (3) über eine zu umwickelnde Oberfläche des Kerns überstehen,
- beim Umwickeln des Kerns mit der Kohlefaser-Bandage Einwickeln der überstehenden freien Enden der Streben oder Speichen (3), dann
- beim Konsolidieren Fixieren der freien Enden in der Kohlefaserverbund-Bandage,
- verbleiben Lassen der Stützstruktur (3) nach dem Verflüssigen und Entnehmen des flüssigen Kernmaterials in dem Druckgastank (1)..
So wird es ermöglicht, den Druckgastank ohne einen Liner herzustellen, wodurch sich ergibt, dass die Ablöseproblematik entfällt.
Erfindungsgemäß weist das Verfahren folgende Schritte auf, um den Materialbedarf zu verringern und dennoch keine Stabilitätsverluste des Druckgastanks herbeizuführen:
Wenn der schmelzbaren Kern bereitgestellt wird, wird in diesem bereits eine Stützstruktur aus Streben oder Speichen aus Kohlefasermaterial vorgesehen. Diese kann geeigneter Weise aus einer sich von der Zentralachse des Kerns radial weg erstreckenden
Speichen-Stützstruktur bestehen. Die freien Enden der Streben oder Speichen sollen dabei so lang sein, dass sie über die zu umwickelnden Oberfläche des Kerns überstehen. Dann können beim Umwickeln des Kerns mit der Kohlefaser-Bandage die überstehenden freien Enden der Streben oder Speichen in diese eingewickelt werden. So wird eine vorteilhaft feste Anbindung erreicht. Beim Konsolidieren des polymeren Matrixmaterials werden dann die freien Enden der Stützstruktur, die in die Kohlefaser-Bandage eingewickelt sind, fixiert. Wenn nun das Verflüssigen und Entnehmen des flüssigen Kernmaterials aus dem Druckgastank vorgenommen wird, verbleibt die Stützstruktur stabilisierend in dessen Innerem.
Als ausschmelzbare Werkstoffe für den Kern kommen z. B. Wachse oder auch Wassereis in Frage. Wassereis erscheint dabei besonders geeignet, da es, wenn die Wicklung aufgebracht ist, in einem Temperaturabsenk-Schritt weiter heruntergekühlt werden kann, um so die Kohlefaserverbundwerkstoff-Bandage beim Wickelprozess mit einer Vorspannung zu versehen, um eine hohe Druckfestigkeit des Druckgastanks zu erreichen. So kann Druckgastank-Material und Gewicht eingespart werden.
Der schmelzbare Kern kann eine runde oder insbesondere, wenn er die Stützstruktur enthält, ovale oder eine andere geeignete Querschnittsform aufweisen und es damit erlauben, entsprechend andere als zylindrische Druckgastanks zu fertigen.
Ein erfindungsgemäßer Druckgastank, der mit den vorstehenden Verfahren gefertigt werden kann, und der einen Befüll- und Entnahmestutzen aufweist, hat daher eine Wandung, die aus einer Kohlefaserverbundwerkstoffschicht besteht und die vorteilhaft frei von einer innenwandigen Linerschicht ist. Dieser Druckgastank kann ein Druckwasserstofftank sein.
Erfindungsgemäß liegt im Inneren des Druckgastanks eine Stützstruktur aus Streben oder Speichen aus Kohlefasermaterial vor, welche stabilisiert und hinsichtlich des
Materialeinsatzes günstig ist. Diese kann bevorzugt als eine sich von einer Zentralachse des Druckgastanks radial weg erstreckenden Speichen-Stützstruktur ausgestaltet sein, deren distale Streben- oder Speichen-Enden die Innenwandung des Druckgastanks durchdringen und in der polymeren Matrix der Kohlefaserverbundwerkstoffschicht, die die Wandung des Druckgastanks bildet, aufgenommen sind.
Der Druckgastank kann außer der Zylinderform daher insbesondere bei Stützstrukturverwendung eine ovale oder eine andere geeignete Querschnittsform haben.
Diese und weitere Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung unter Bezug auf die begleitenden Figuren dargelegt. Der Bezug auf die Figuren in der Beschreibung dient der Unterstützung der Beschreibung und dem erleichterten Verständnis des Gegenstands, sie sind lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.
Dabei zeigen
Fig. 1 eine Querschnittsansicht eines zylindrischen Tanks mit radialen Stützstreben, Fig. 2 eine Querschnittsansicht eines Tanks mit elliptischem Querschnitt und mit
Stützstreben.
Figur 1 zeigt den Schnitt durch einen zylindrischen Druckwasserstofftank 1 aus Kohlefasermaterialien mit Kohlefaserspeichen 3, die sich im Inneren radial von einer Zentralachse zur Tankwandung 2 hin erstrecken und in die Wandung 2 aufgenommen sind. Zur Herstellung des Druckwasserstofftanks 1 wurde ein schmelzbarer Kern (nicht gezeigt), etwa aus Wachs oder Eis, herangezogen, um die Innenform des zylindrischen Druckgastanks zu bilden. Dann wurde der Kern mit Kohlefasern umwickelt, so dass die entstandene Kohlefaser-Bandage eine Preform des Druckgastanks 1 bildet. Das aushärtbare polymere Matrixmaterial, mit dem die Kohlefasern vor oder nach der Wicklung imprägniert wurden, wurde entsprechenden Aushärtebedingungen ausgesetzt, so dass der konsolidierte Kohlefaserverbundwerkstoff entsteht, der die Wandung 2 des Drucktanks 1 bereitstellt. Die Speichenenden, die aus dem Kern herausragten und in die Kohlenfaser-Bandage aufgenommen sind, werden dabei in der polymeren Matrix fixiert. Wird ein pulver- förmiges aushärtbares polymeres Matrixmaterial eingesetzt, so kann dieses zunächst auch erst verflüssigt werden, um die Kohlefasern zu benetzen.
Am Ende des Herstellungsprozesses wurde der Kern, der bereits die Stützstruktur aus Speichen 3 enthielt, durch Aufschmelzen verflüssigt und das flüssige Kernmaterial aus dem Befüll- und Entnahmestutzen entnommen. Wenn derartige von einer Zentralachse radial abstehende Speichen 3 eingesetzt werden, oder gegebenenfalls auch eine andere Stützstruktur, besteht sogar die Möglichkeit, von der zylindrischen Grundform eines Druckwasserstofftanks abzuweichen und beispielsweise einen elliptischen Querschnitt des Druckwasserstofftanks zu schaffen, wie in Fig. 2 gezeigt.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Druckgastanks (1 ) aus Kohlefasermaterialien, der einen Befüll- und Entnahmestutzen aufweist,
umfassend die Schritte
- Bereitstellen eines schmelzbaren Kerns,
der eine Innenform des Druckgastanks (1) bildet,
- Umwickeln des Kerns mit zumindest einer Kohlefaser-Bandage und
Imprägnieren der Kohlefasern mit einem aushärtbaren polymeren Matrixmaterial, dabei Bereitstellen einer Preform des Druckgastanks (1),
- Konsolidieren des polymeren Matrixmaterials der Preform und
Erhalten des Kohlefaserverbund-Druckgastanks (1), und
- Verflüssigen des Kernmaterials durch Aufschmelzen und
Entnehmen des flüssigen Kernmaterials aus dem Befüll- und Entnahmestutzen gekennzeichnet durch die Schritte:
- bei dem Bereitstellen des schmelzbaren Kerns
in dem Kern Vorsehen einer Stützstruktur aus Streben oder Speichen (3) aus Kohlefasermaterial,
wobei die freien Enden der Streben oder Speichen (3) über eine zu umwickelnde Oberfläche des Kerns überstehen,
- beim Umwickeln des Kerns mit der Kohlefaser-Bandage
Einwickeln der überstehenden freien Enden der Streben oder Speichen (3), dann
- beim Konsolidieren Fixieren der freien Enden in der Kohlefaserverbund-Bandage,
- verbleiben Lassen der Stützstruktur (3) nach dem Verflüssigen und Entnehmen des flüssigen Kernmaterials in dem Druckgastank (1).
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
wobei die Stützstruktur aus Streben oder Speichen (3) als sich von einer
Zentralachse des Kerns radial weg erstreckend vorgesehen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
wobei der schmelzbare Kern ein Wassereiskern oder ein Wachskern ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3,
umfassend den Schritt
nach dem Umwickeln des Kerns mit der Kohlefaser-Bandage zunächst weiter Absenken der Kerntemperatur.
5. Verfahren nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche,
wobei der schmelzbare Kern eine runde oder ovale oder eine andere geeignete Querschnittsform aufweist.
6. Druckgastank (1 ) mit einem Befüll- und Entnahmestutzen,
herstellbar nach einem Verfahren mit zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei eine Wandung (2) des Druckgastanks (1) aus einer Kohlefaserverbundwerkstoffschicht besteht und frei von einer innenwandigen Linerschicht ist
dadurch gekennzeichnet, dass
in dem Inneren des Druckgastanks (1) eine Stützstruktur aus Streben oder
Speichen (3) aus Kohlefasermaterial angeordnet ist, wobei die distalen Strebenoder Speichen-Enden in einer polymeren Matrix der Kohlefaserverbundwerkstoffschicht, die die Wandung (2) des Druckgastanks (1) bildet, aufgenommen sind.
7. Druckgastank (1) nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Druckgastank (1 ) ein Druckwasserstofftank (1) ist.
8. Druckgastank (1) nach Anspruch 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Speichen-Stützstruktur (3) sich von einer Zentralachse des Druckgastanks (1) radial weg erstreckt.
9. Druckgastank (1) nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Druckgastank (1) eine runde oder ovale oder eine andere geeignete
Querschnittsform aufweist.
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