EP4273437A1 - Druckbehälter zur aufnahme von unter druck stehenden fluiden medien sowie verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

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EP4273437A1
EP4273437A1 EP22171183.1A EP22171183A EP4273437A1 EP 4273437 A1 EP4273437 A1 EP 4273437A1 EP 22171183 A EP22171183 A EP 22171183A EP 4273437 A1 EP4273437 A1 EP 4273437A1
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EP
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carbon fibers
fiber system
fiber
pressure vessel
composite material
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EP22171183.1A
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V Carbon GmbH
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    • F17C2260/04—Reducing risks and environmental impact
    • F17C2260/048—Refurbishing

Definitions

  • the invention relates to a pressure vessel for holding pressurized fluid media according to the preamble of claim 1.
  • the invention further relates to a corresponding manufacturing method.
  • Hydrogen is generally stored in pressure vessels in order to achieve the desired volumetric storage density.
  • Pressure vessels have proven particularly useful here, which include an inner container that is tight to hydrogen, usually made of a thermoplastic (so-called Type IV pressure vessel), and a covering layer made of a fiber composite material wound onto the inner container to support the load.
  • the fiber composite material has at least one endless band-shaped fiber system with a large number of carbon fibers and a curable plastic matrix in which the at least one fiber system is embedded.
  • pressure vessels have also been considered that do not require an inner container, but only have a shell layer around the receiving space for a fluid medium.
  • the present invention also includes such pressure vessels.
  • the carbon fibers have a proportion of at least 50%, preferably at least 80%, recycled carbon fibers (rCF).
  • rCF recycled carbon fibers
  • a fiber system is understood to mean a large number of individual fibers that are combined to form a coherent strand. This can be done with the help of binding materials or auxiliary fibers or wrapping threads or purely mechanically, for example by twisting. Fiber systems can in particular include tapes, but also rovings, yarns, ribbons, braiding materials and the like.
  • the pressure vessel further comprises a gas-tight inner container, with the covering layer encasing the inner container.
  • the inner container is preferably made of plastic, in particular polyamide or polyethylene, so that a type IV pressure container results.
  • these inner containers have proven to be gas-tight, in particular also against hydrogen, and on the other hand proven to be very resilient while being very light at the same time.
  • the pressure vessel particularly preferably has two end caps, as is known in principle from the prior art.
  • a closable filler neck and outlet is provided in one of these end caps.
  • a measuring sensor can also protrude into the recording space.
  • gas-tightness can be achieved through the shell layer alone, which can be achieved by optimizing various parameters.
  • the materials of the fiber composite material to be used (in particular the fiber system or systems and the matrix material), the total thickness of the cladding layer, the number and thickness of the individual layers that make up the cladding layer and the width of the at least one fiber system come into question here.
  • gas-tightness it is possible for gas-tightness to be achieved subsequently, for example by applying a corresponding film, paint and/or liquid resin to the inside and/or outside of the casing.
  • the proportion of recycled carbon fibers of the total carbon fibers is at least 80%. This can further increase energy and cost savings and reduce CO 2 emissions.
  • the use of 100% recycled carbon fibers is therefore also advantageous. If the proportion of recycled carbon fibers is less than 100%, the remaining fibers can be new carbon fibers and/or of a different fiber type, for example comprising glass fibers.
  • the carbon fibers are highly aligned within the at least one fiber system, with a degree of alignment of the carbon fibers at least 90% +/-5°.
  • This notation means that at least 90% of the carbon fibers have a maximum deviation of 5° from the longitudinal orientation of the at least one fiber system.
  • the high degree of alignment of the individual carbon fibers contributes to the uniformity of the fiber system and to the stability and thus high mechanical resilience.
  • the recycled carbon fibers have a fiber length between 2 mm and 100 mm, in particular between 20 mm and 100 mm. If the recycled carbon fibers are processed in a textile process, it is particularly advantageous if the recycled carbon fibers have a fiber length of more than 8 mm, preferably more than 10 mm and particularly preferably more than 20 mm.
  • a high degree of alignment of the recycled carbon fibers in the fiber systems is achieved through several steps in its production.
  • Various methods have already become known for this purpose.
  • the individual carbon fibers present as staple fibers can be sprayed with a fluid onto upright plates.
  • the carbon fibers then slide along the plates due to their gravity, aligning themselves, and finally hit a moving film arranged on the underside of the plates, on which they are deposited one after the other. This ultimately creates a tape.
  • this process is limited to shorter fiber lengths.
  • the at least one fiber system preferably has a width-thickness ratio of more than 2:1, preferably more than 3:1 and particularly preferably more than 5:1, for example more than 10:1. It is advantageous here if the at least one fiber system has a width of more than 5 mm, preferably more than 10 mm and particularly preferably more than 15 mm. Furthermore, it is advantageous if the at least one fiber system has a width of less than 35 mm, preferably less than 30 mm, for example 25 mm. With a width of the at least one fiber system of, for example, 25 mm, the covering layer can be built up relatively quickly due to the large area coverage that can be achieved in this way.
  • the recycled carbon fibers and any other fibers present are - in accordance with what was said above - preferably provided as staple fibers parallel to one another.
  • the parallelized staple fibers can therefore be used to produce tapes in particular, but also yarns. In most cases, tapes are preferred for producing the covering layer because they achieve greater surface coverage than yarns due to their greater width.
  • the fiber composite material preferably has a fiber volume content of more than 40%, preferably more than 50%, particularly preferably more than 60%. Basically, the stability of the covering layer increases with higher fiber volume content. On the other hand, however, there must still be enough matrix material to be able to embed the fiber system stably.
  • the covering layer is preferably produced by winding the at least one fiber system.
  • a tape is used as the at least one fiber system, with it being preferred to use several tapes simultaneously, possibly one after the other, in the winding process in order to realize time advantages in the production of the covering layer.
  • an inner container is provided as part of the pressure vessel, the tape or tapes are wound onto the outer peripheral surface of the inner container.
  • the fiber composite material comprises a further, preferably endless, band-shaped fiber system with a large number of carbon fibers, the carbon fibers of the further fiber system being predominantly or entirely new carbon fibers.
  • one or more fiber systems with virgin carbon fibers which are then preferably in the form of continuous fibers, can also be used.
  • These fiber systems can be present as rovings or also as tapes and are preferably also applied wound and together with the tape or tapes of recycled carbon fibers form the fiber composite material.
  • this is preferably pre-impregnated with the matrix material before the covering layer is formed - advantageously by winding.
  • the flat fiber composite material that is then hardened is then obtained.
  • large-area pressure can be applied to the at least one fiber system after the winding layers have been applied in order to achieve a distribution of the matrix material.
  • the at least one fiber system is preferably wound around the inner container using cross and/or parallel winding.
  • first one or more fiber systems, in particular tapes are applied around an inner container in cross-windings and then one or more fiber systems, in particular tapes, in parallel winding are applied to the outside of the cross-wound fiber system(s).
  • Other wrapping sequences are easily possible.
  • an inner layer of the covering layer can comprise several windings of the fiber system or systems with the claimed proportion of recycled carbon fibers and an outer layer of the covering layer can comprise several windings of at least one further fiber system with new carbon fibers.
  • the fiber system or systems wound around the inner container in cross windings comprise the claimed proportion of recycled carbon fibers, while the fiber system or systems applied in parallel windings predominantly or completely comprise new carbon fibers.
  • the pressure vessel is particularly preferably a pressure tank for storing hydrogen. If the pressure vessel is designed as Type IV, a light but very resilient storage system for hydrogen is realized, which can be used in particular in motor vehicles.
  • recycled carbon fibers can now also be used for the highly stressed pressure vessels. This is achieved by first processing the recycled carbon fibers provided as staple fibers and providing them in the form of an endless, band-shaped fiber system in which the recycled carbon fibers are present in parallel. This allows the fibers to fit exactly in aligned with the longitudinal direction of the fiber system.
  • the pressure vessels can be manufactured cost-effectively and energy-savingly by using recycled fibers. CO 2 emissions are also significantly reduced during production.
  • the at least one fiber system is wound to form the covering layer, preferably by winding around an inner container and here preferably by means of cross and/or parallel winding. This makes it possible to produce a pressure vessel that can optimally withstand the different loads in the axial and circumferential directions.
  • the at least one fiber system is simultaneously stretched during winding in order to achieve even further parallelization of the recycled carbon fibers present as staple fibers.
  • Such stretching can be achieved in particular by winding the tapes under tension.
  • the at least one fiber system is embedded in the matrix material of a plastic matrix before and/or after the shell layer is formed in order to form the fiber composite material.
  • the tapes are pre-impregnated with matrix material.
  • the pressure vessel is expanded when the fiber composite material is applied but not yet hardened. This allows a more uniform distribution of the matrix material in the fiber composite material to be achieved. A certain further parallelization of the carbon fibers can also be achieved.
  • the expansion mentioned can advantageously be achieved by applying pressure from the inside of the covering layer - whether without or with an inner container (in the latter case, this must be expandable accordingly), which is preferably maintained until the fiber composite material has hardened.
  • the recycled carbon fibers are obtained in a solvolysis process.
  • the fibers can thereby be provided without residues and comparatively undamaged and can be well impregnated with the matrix material.
  • the carbon fibers can be produced in an almost CO 2 neutral manner.
  • the recycled carbon fibers are parallelized in a textile process and combined to form the band-shaped fiber system. This means that longer recycled carbon fibers can also be processed and a band-shaped fiber system with a very high degree of alignment can be created.
  • Figure 1 shows a schematic representation of a process for producing a pressure vessel 1.
  • staple fibers with a high proportion of recycled carbon fibers 6 (see. Fig. 2 ) of at least 50%, preferably at least 80%.
  • the recycled carbon fibers 6 were previously obtained and processed in a recycling process. If the carbon fibers 6 are obtained from end-of-life components, the waste is first greatly shredded and then the carbon fibers 6 are separated from the matrix surrounding them. This is particularly complex with duromer matrix materials. Pyrolysis processes, but preferably solvolysis processes, can be used for this. After the recycling process, the carbon fibers 6 are in the form of discontinuous fibers with different lengths, diameters and possibly also have different properties. According to another embodiment of the process, the carbon fibers 6 are obtained from dry or pre-impregnated production waste. Here, too, the production waste is first shredded and, if necessary, freed from resin.
  • the carbon fibers 6, which are in the form of staple fibers, are then aligned using a card or card 14 (process step top left).
  • the still disordered carbon fibers 6 are aligned in a largely uniform direction.
  • the result of the carding process is a loose fleece in which the individual carbon fibers are already in a certain orientation, but have even greater deviations from the main direction.
  • the loose fleece is gathered together and further parallelized in a further process step (top right).
  • this is done with the help of a drafting system 15, in which the fleece or the loose fiber composite is stretched with the help of several rollers 16, more precisely at least two pairs of rollers that are driven at different speeds.
  • the result of the stretching is a fiber system 5 in the form of a sliver, in which the carbon fibers 6 are now already present with a very high degree of alignment. It would be conceivable to solidify this fiber system 5, if necessary by twisting or in some other way, and use it directly for the production of the pressure vessel.
  • the sliver thus obtained or the carbon fibers 6 in the sliver thus obtained are preferably mixed with a binding material 17 in a further process step (middle left) in order to produce a fiber system 5 in the form of a tape 9.
  • the application of a binding material 17 is shown by the two arrows opposite one another.
  • binding material 17 for example, binding fibers, a size or the like can be applied to the fiber system 5 or the sliver.
  • the binding material 17 can be activated, for example, by heat and/or pressure or chemically in order to bind the carbon fibers in a tape 9.
  • the binding material 17 is activated by pressure and heat, which are applied by means of further rollers 16.
  • a tape 9 with a high degree of alignment of the carbon fibers 6 is produced.
  • the step of applying the binding material 17 or a further binding material 17 can also take place before stretching or before carding.
  • the carbon fibers 6 can be mixed with binding fibers before carding. These could then be activated during the stretching process step, so that a compact tape 9 with a high degree of alignment of the carbon fibers 6 is already present after stretching.
  • the fiber system 5, here the tape 9 is then pre-impregnated.
  • the material of the plastic matrix 7 (not shown here, see Fig. 4 ) is applied in viscous form to the fiber system 5, which is symbolized by the two opposing arrows.
  • the fiber system 5 should be soaked as much as possible by the material of the plastic matrix 7.
  • the plastic matrix 7 preferably contains a duromer material, in particular an epoxy resin, vinyl ester resin or phenolic resin.
  • the pressure vessel 1 is then produced by placing a shell layer 3 around a receiving space 2 (see Figure 4 ) is designed for the fluid medium.
  • a gas-tight inner container 8 is provided for this purpose, around which the covering layer 3 is wrapped, so that the covering layer 3 encases the inner container 8.
  • the inner container 8 has, in a manner known per se, two connecting elements 13, which are generally made of metal.
  • the at least one fiber system 5 or tape 9 is first wound in cross windings 11 around the inner container 8 (see illustration below on the left).
  • a reinforcing layer made of parallel windings 12 is wound around the pressure vessel in a further process step.
  • the cladding layer 3 includes both the cross windings 11 and the parallel windings 12.
  • the pressure vessel 1 is also possible for the pressure vessel 1 to be reinforced in another way.
  • Figure 4 shows the fiber composite material 4 of the shell layer 3 in a very schematic sectional view.
  • the fiber systems 5 embedded in the plastic matrix 7 are also only shown symbolically. It is recognizable that the fiber systems 5 are wound in several layers or layers in the plastic matrix 7. Furthermore, the recording space 2 for the medium can be seen.
  • new carbon fibers in the form of staple fibers can be added before the carding process.
  • endless fiber systems 5 can also be produced from recycled fibers, which are present as staple fibers of different lengths after the recycling process. Surprisingly, these can even be used for highly stressed pressure vessels such as hydrogen tanks.
  • the fiber systems 5 or tapes 9 produced in this way can then be wound from new carbon fibers like carbon fiber rovings.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a fiber system 5 with recycled carbon fibers 6 in the form of a tape 9.
  • the fiber system 5 comprises a large number of parallelized carbon fibers 6, which are shown here only symbolically as lines.
  • the individual carbon fibers 6 are closed by means of the Fig. 1 already described binding material 17 held together.
  • the present representation is only to be understood schematically. Depending on the design of the binding material 17, the individual carbon fibers 6 may not even be visible in a view, but would only be visible in a sectional view be recognizable.
  • the binding material 17 can be a thermoplastic binding material 17, for example.
  • the very high degree of alignment of the carbon fibers 6 can be seen in the present case from the fact that only a few carbon fibers 6 lie slightly obliquely to a longitudinal extent of the tape 9.
  • Figure 3 shows another embodiment of a fiber system 5, which is in the form of a yarn 10.
  • the carbon fibers 6, which are also present here as recycled staple fibers, can be connected to one another by rotation in a spinning process, for example.
  • the yarn 10 is designed as a wrapping yarn and in which the individual carbon fibers 6 are connected to a fiber system 5 by means of a wrapping thread 18.
  • Figure 5 shows a cross section of a fiber system 5, which is also designed in the form of a tape 9. It is again clearly visible that the individual carbon fibers 6 are aligned parallel to one another in the longitudinal direction of the tape 9 in the fiber system 5 and are bound by the binding material 17.
  • the dimensions of the fiber system 5 can also be seen. It is advantageous if, as shown here, the fiber system 5 has a width-thickness ratio of more than 2:1.
  • the fiber systems preferably have a width of up to 15 mm or up to 25 mm.
  • Figure 6 shows a cross section of another fiber system 5, which is designed as a yarn 10.
  • the yarn 10 can be designed as a wrapping yarn, in which the carbon fibers 6 are held together by means of a wrapping thread 18.
  • recycled carbon fibers 6 in the form of staple fibers in highly stressed pressure vessels if these are arranged in the individual fiber systems 5 with a high degree of alignment of more than 90% +/- 5 °, preferably more than 95% +/- 5 °. If the carbon fibers 6 are combined to form endless fiber systems 5, particularly high degrees of alignment can be achieved. At the same time, with a high degree of alignment of the carbon fibers, the fiber volume content, which is important for the good mechanical properties of the fiber composite materials, can also be increased. This is at least 40% and can be more than 45% and even more than 50% if the degree of alignment is high.

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  • Reinforced Plastic Materials (AREA)

Abstract

Ein Druckbehälter (1) zur Aufnahme von unter Druck stehenden fluiden Medien, weist mindestens eine einen Aufnahmeraum (2) für das fluide Medium umgebende Hüllschicht (3) umfassend einen Faserverbundwerkstoff (4) auf, wobei der Faserverbundwerkstoff (4) mindestens ein, vorzugsweise endloses, bandförmiges Fasersystem (5) mit einer Vielzahl von Carbonfasern (6) und eine Kunststoff-Matrix (7) umfasst, in der das mindestens eine Fasersystem (5) eingebettet ist. Die Carbonfasern (6) des mindestens einen Fasersystems (5) weisen einen Anteil von mindestens 50%, vorzugsweise mindestens 80%, recycelten Carbonfasern (6) auf. Bei einem Verfahren zur Herstellung eines solchen Druckbehälters (1) wird mindestens ein bandförmiges Fasersystem (5) bereitgestellt, welches parallelisierte Carbonfasern (6) mit einem Anteil von wenigstens 50% als Stapelfasern vorliegenden, recycelten Carbonfasern (6) umfasst. Es wird eine Hüllschicht (3) um einen Aufnahmeraum (2) für das fluide Medium aus einem Faserverbundwerkstoff (4) gebildet, welcher das in einer Kunststoff-Matrix (7) eingebettete Fasersystem (5) umfasst, und der Faserverbundwerkstoff (4) ausgehärtet.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Druckbehälter zur Aufnahme von unter Druck stehenden fluiden Medien nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Weiterhin betrifft die Erfindung ein entsprechendes Herstellungsverfahren.
  • Zur Verringerung von Schadstoffemissionen sind seit einiger Zeit alternative, mit Wasserstoff betriebene Antriebe in der Diskussion. Die höhere Energiedichte von Wasserstoff gegenüber Benzin ist hierbei einer von vielen Vorteilen. Die Speicherung von Wasserstoff erfolgt prinzipiell in Druckbehältern, um die gewünschte volumetrische Speicherdichte zu realisieren. Hier haben sich insbesondere Druckbehälter bewährt, die einen gegenüber Wasserstoff dichten Innenbehälter, meistens hergestellt aus einem Thermoplast (sog. Typ IV Druckbehälter), und eine auf den Innenbehälter gewickelte Hüllschicht aus einem Faserverbundwerkstoff zur Lastaufnahme umfassen. Der Faserverbundwerkstoff weist bei diesem bekannten Stand der Technik mindestens ein endloses bandförmiges Fasersystem mit einer Vielzahl von Carbonfasern und eine aushärtbare Kunststoff-Matrix auf, in der das mindestens eine Fasersystem eingebettet ist.
  • Der wesentliche Vorteil solcher Druckbehälter, die zumeist zylindrisch mit endseitigen Abschlusskappen versehen sind, ist ihr sehr geringes Gewicht, wodurch der Treibstoffverbrauch deutlich reduziert wird. Auch ist diese Art von Druckbehältern über eine lange Zeit sehr belastbar und widerstandsfähig.
  • Es sind aber auch schon Druckbehälter angedacht worden, die ohne einen Innenbehälter auskommen, sondern lediglich eine Hüllschicht um den Aufnahmeraum für ein fluides Medium aufweisen. Die vorliegende Erfindung umfasst auch solche Druckbehälter.
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen umweltverträglicheren Druckbehälter zur Verfügung zu stellen, dessen Betriebssicherheit und Leistungs-/Gewichtsverhältnis dennoch hervorragend sind.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
  • Gemäß der Erfindung weisen die Carbonfasern einen Anteil von mindestens 50%, vorzugsweise mindestens 80%, recycelten Carbonfasern (rCF) auf. Diese überraschende Einsatzmöglichkeit von recycelten Carbonfasern war bisher nicht im Stand der Technik vorgeschlagen worden, da solchen Carbonfasern eine mangelnde mechanische Eignung und eine schlechte Verarbeitbarkeit bei der Druckbehälterherstellung unterstellt wurden. Die Erfinder haben jedoch herausgefunden, dass recycelte Carbonfasern ohne mechanische Einbußen, jedoch umweltfreundlicher und mit geringeren Kosten für die Hüllschicht von Druckbehältern, insbesondere zur Speicherung von komprimiertem Wasserstoff, verwendet werden können.
  • Unter einem Fasersystem wird im Rahmen der vorliegenden Anmeldung eine Vielzahl von Einzelfasern verstanden, die zu einem zusammenhängenden Strang zusammengefasst sind. Dies kann mit Hilfe von Bindematerialien oder Hilfsfasern bzw. Umwindefäden oder auch rein mechanisch z.B. durch Verdrehung erfolgen. Fasersysteme können insbesondere Tapes, aber auch Rovings, Garne, Bänder, Flechtmaterialien und dgl. umfassen.
  • Es ist besonders bevorzugt, dass der Druckbehälter weiterhin einen gasdichten Innenbehälter umfasst, wobei die Hüllschicht den Innenbehälter ummantelt. Der Innenbehälter ist vorzugsweise aus Kunststoff, insbesondere Polyamid oder Polyethylen, hergestellt, so dass ein Typ IV Druckbehälter resultiert. Diese Innenbehälter haben sich einerseits als gasdicht, insbesondere auch gegenüber Wasserstoff, und andererseits als sehr belastbar bei gleichzeitig sehr geringem Gewicht erwiesen.
  • Der Druckbehälter weist besonders bevorzugt zwei Endkappen auf, wie es prinzipiell aus dem Stand der Technik bekannt ist. In einer dieser Endkappen ist beispielsweise ein verschließbarer Einfüllstutzen und Auslass vorgesehen. Auch kann ein Messfühler in den Aufnahmeraum hineinragen.
  • Es ist möglich und bei bestimmten Ausführungsformen vorteilhaft, keinen eigenen Innenbehälter vorzusehen. Beispielsweise ist eine Gasdichtigkeit auch schon alleine durch die Hüllschicht realisierbar, die durch die Optimierung verschiedener Parameter erreichbar ist. Hier kommen die einzusetzenden Materialien des Faserverbundwerkstoffs (insbesondere das oder die Fasersysteme und das Matrixmaterial), die Gesamtdicke der Hüllschicht, die Anzahl und die Dicke der einzelnen, die Hüllschicht aufbauenden Lagen und die Breite des mindestens einen Fasersystems in Frage. Weiterhin ist es möglich, dass eine Gasdichtigkeit auch nachträglich realisiert wird, beispielsweise durch das Aufbringen einer entsprechenden Folie, von Lack und/oder Flüssigharz auf die Innen- und/oder Außenseite der Umhüllung.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Anteil an recycelten Carbonfasern an den gesamten Carbonfasern wenigstens 80% beträgt. Die Energie- und Kosteneinsparungen können hierdurch noch weiter gesteigert werden und der CO2-Ausstoß reduziert werden. Vorteilhaft ist daher auch der Einsatz von 100% recycelten Carbonfasern. Bei einem geringeren Anteil als 100% an recycelten Carbonfasern können die übrigen Fasern neue Carbonfasern und/oder von anderem Fasertyp sein, beispielsweise umfassend Glasfasern.
  • Für eine optimale Lastverteilung hat es sich bei einigen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Druckbehälters als äußerst vorteilhaft erwiesen, wenn die Carbonfasern innerhalb des mindestens einen Fasersystems hochausgerichtet sind, wobei ein Ausrichtungsgrad der Carbonfasern mindestens 90% +/-5° beträgt. Diese Notation bedeutet, dass mindestens 90% der Carbonfasern eine maximale Abweichung von 5° zur Längsausrichtung des mindestens einen Fasersystems haben. Der hohe Ausrichtungsgrad der einzelnen Carbonfasern trägt zur Gleichmäßigkeit des Fasersystems und zur Stabilität und damit hohen mechanischen Belastbarkeit bei.
  • Vorteilhaft ist es, wenn die recycelten Carbonfasern eine Faserlänge zwischen 2 mm und 100 mm, insbesondere zwischen 20 mm und 100 mm, aufweisen. Werden die recycelten Carbonfasern in einem Textilprozess verarbeitet, so ist es besonders vorteilhaft, wenn die recycelten Carbonfasern eine Faserlänge von mehr als 8 mm, vorzugsweise mehr als 10 mm und besonders bevorzugt mehr als 20 mm, aufweisen.
  • Ein hoher Ausrichtungsgrad der recycelten Carbonfasern in den Fasersystemen wird durch mehrere Schritte bei dessen Herstellung erreicht. Hierzu sind bereits verschiedene Verfahren bekannt geworden. Beispielsweise können in einem Nassprozess die einzelnen als Stapelfasern vorliegenden Carbonfasern mit einem Fluid auf aufrecht aufgestellte Platten gespritzt werden. Die Carbonfasern rutschen sodann aufgrund ihrer Schwerkraft an den Platten entlang, wobei sie sich ausrichten, und treffen schließlich auf einen an der Unterseite der Platten angeordneten, bewegten Film, auf dem sie nacheinander abgelegt werden. Hierdurch wird schließlich ein Tape ausgebildet. Allerdings ist dieses Verfahren auf kürzere Faserlängen beschränkt.
  • Häufig sind jedoch längere Faserlängen von über 10 mm, insbesondere auch von über 20 mm bis zu 100 mm, erwünscht. Diese können teilweise besser weiterverarbeitet werden und können die mechanischen Eigenschaften verbessern. Bevorzugt wird deshalb, die Carbonfasern in einem textilen Herstellungsprozess auf einem Krempel oder einer Karde auszurichten. Die so entstandenen Vliese mit einer noch mäßigen Ausrichtung können im Anschluss zu Faserbändern mit parallelisierten und ausgerichteten Carbonfasern zusammengefasst und beispielsweise in einem Verstreckungsprozess noch weiter ausgerichtet werden. Werden die Carbonfasern mit einem Bindematerial vermischt, so kann dieses während oder auch nach dem Ausrichten der Carbonfasern beispielsweise durch Wärme oder auch chemisch aktiviert werden, um die Carbonfasern in einem Tape zu binden. Hierdurch können Tapes mit einem hohen Ausrichtungsgrad der Carbonfasern erzeugt werden.
  • Bevorzugt weist das mindestens eine Fasersystem ein Breiten-Dickenverhältnis von mehr als 2:1, vorzugsweise mehr als 3:1 und besonders bevorzugt von mehr als 5:1 auf, beispielsweise von mehr als 10:1. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn das mindestens eine Fasersystem eine Breite von mehr als 5 mm aufweist, bevorzugt mehr als 10 mm und besonders bevorzugt mehr als 15 mm. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn das mindestens eine Fasersystem eine Breite von weniger als 35 mm aufweist, bevorzugt von weniger als 30 mm, beispielsweise 25 mm. Mit einer Breite des mindestens einen Fasersystems von z.B. 25 mm lässt sich die Hüllschicht aufgrund der dadurch erzielbaren großen Flächenüberdeckung relativ schnell aufbauen.
  • Die recycelten Carbonfasern und die ggf. vorhandenen anderen Fasern (bei einem Anteil von recycelten Carbonfasern von weniger als 100%) werden - im Einklang mit dem vorher Gesagten - vorzugsweise als zueinander parallelisierte Stapelfasern zur Verfügung gestellt. Aus den parallelisierten Stapelfasern lassen sich demnach insbesondere Tapes herstellen, aber auch Garne. Tapes sind für die Herstellung der Hüllschicht in den meisten Fällen bevorzugt, da sie aufgrund der größeren Breite eine höhere Flächenabdeckung erzielen als Garne.
  • Vorzugsweise besitzt der Faserverbundwerkstoff ein Faservolumengehalt von mehr als 40%, bevorzugt von mehr als 50%, besonders bevorzugt mehr als 60%. Grundsätzlich steigt mit höherem Faservolumengehalt die Stabilität der Hüllschicht. Auf der anderen Seite muss jedoch noch genügend Matrixmaterial vorhanden sein, um das Fasersystem stabil einbetten zu können. Die Hüllschicht wird vorzugsweise durch Wickeln des mindestens einen Fasersystems hergestellt. Vorteilhafterweise wird hierbei als das mindestens eine Fasersystem ein Tape verwendet, wobei es bevorzugt ist, mehrere Tapes gleichzeitig, ggf. auch nacheinander, im Wickelprozess einzusetzen, um Zeitvorteile bei der Produktion der Hüllschicht zu realisieren. Ist ein Innenbehälter als Teil des Druckbehälters vorgesehen, wird das Tape bzw. werden die Tapes auf die Außenumfangsfläche des Innenbehälters gewickelt. Es ist aber beispielsweise auch möglich, dass ein Wickeldorn verwendet wird, der nach dem Wicklungs- und Aushärteprozess entfernt wird.
  • Zusätzlich zu dem mindestens einen Fasersystem mit dem beanspruchten Anteil an recycelten Carbonfasern können weitere Fasersysteme zur Ausbildung der Hüllschicht verwendet werden.
  • Vorteilhaft ist es, wenn der Faserverbundwerkstoff ein weiteres, vorzugsweise endloses, bandförmiges Fasersystem mit einer Vielzahl von Carbonfasern umfasst, wobei die Carbonfasern des weiteren Fasersystems überwiegend oder vollständig Carbonneufasern sind.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel können zusätzlich ein oder mehrere Fasersysteme mit Carbonneufasern ("virgin carbon fibers"), die dann vorzugsweise als Endlosfasern vorliegen, verwendet werden. Diese Fasersysteme können als Rovings oder ebenfalls als Tapes vorliegen und werden bevorzugt ebenfalls gewickelt aufgebracht und bilden zusammen mit dem oder den Tapes der recycelten Carbonfasern den Faserverbundwerkstoff.
  • Um die Einbettung des mindestens einen Fasersystems in die Kunststoff-matrix zu realisieren, wird dieses vorzugsweise vor dem - vorteilhafterweise durch Wickeln realisierten - Ausbilden der Hüllschicht mit dem Matrixmaterial vorimprägniert. In der finalen Anordnung der Hüllschicht bzw. in der gewickelten Lage wird dann der flächig ausgebildete und anschließend auszuhärtende Faserverbundwerkstoff erhalten.
  • Um eine flächige Hüllschicht ohne Schwachstellen zu unterstützen, kann nach Aufbringen der Wickellagen ein großflächiger Druck auf das mindestens eine Fasersystem aufgebracht werden, um eine Verteilung des Matrixmaterials zu erreichen.
  • Das mindestens eine Fasersystem wird vorzugsweise mittels Kreuz- und/oder Parallelwicklung um den Innenbehälter gewickelt. Beispielsweise ist es möglich, dass zunächst ein oder mehrere Fasersysteme, insbesondere Tapes (als bevorzugte Ausführungsform für Fasersysteme) um einen Innenbehälter herum in Kreuzwicklungen und anschließend ein oder mehrere Fasersysteme, insbesondere Tapes, in Parallelwicklung außen auf das oder die kreuzgewickelten Fasersysteme aufgebracht werden. Weitere Wickelabfolgen sind ohne Weiteres möglich.
  • Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn der Faserverbundwerkstoff der Hüllschicht hybrid mit verschiedenen Fasersystemen aufgebaut wird. Dabei kann beispielsweise eine innere Schicht der Hüllschicht mehrere Wicklungen des oder der Fasersysteme mit dem beanspruchten Anteil von recycelten Carbonfasern umfassen und eine äußere Schicht der Hüllschicht mehrere Wicklungen wenigstens eines weiteren Fasersystems mit Carbonneufasern.
  • Ebenso ist es denkbar, dass das oder die um den Innenbehälter herum in Kreuzwicklungen gewickelten Fasersysteme den beanspruchten Anteil von recycelten Carbonfasern umfassen, während das oder die in Parallelwicklungen aufgebrachten Fasersysteme überwiegend oder vollständig Carbonneufasern umfassen.
  • Besonders bevorzugt ist der Druckbehälter ein Drucktank zur Speicherung von Wasserstoff. Bei einer Ausbildung des Druckbehälters vom Typ IV wird ein leichter, aber sehr belastbarer Speicher für Wasserstoff realisiert, der insbesondere in Kraftfahrzeugen Verwendung finden kann.
  • Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung eines wie zuvor beschriebenen Druckbehälters mit den Merkmalen des entsprechenden unabhängigen Verfahrensanspruchs. Das Verfahren umfasst zumindest die Schritte:
    • Bereitstellen mindestens eines, vorzugsweise endlosen, bandförmigen Fasersystems, das bevorzugt als Tape ausgebildet ist, wobei das mindestens eine Fasersystem parallelisierte Carbonfasern mit einem Anteil von wenigstens 50%, vorzugsweise wenigstens 80%, als Stapelfasern vorliegenden, recycelten Carbonfasern umfasst,
    • Ausbilden einer Hüllschicht um einen Aufnahmeraum für das fluide Medium, wobei die Hüllschicht von einem Faserverbundwerkstoff gebildet ist, welches das in einer Kunststoff-Matrix eingebettete mindestens eine Fasersystem umfasst, und
    • Aushärten des Faserverbundwerkstoffs.
  • Zur Herstellung von Druckbehältern wurden im Stand der Technik bisher nur Carbonneufasern eingesetzt. Diese werden in Form von Endlosfilamenten produziert, meist zu Rovings zusammengefasst und zu Behältern gewickelt. Demgegenüber liegen Recyclingfasern nach dem Recyclingprozess als diskontinuierliche Fasern mit unterschiedlichen Längen, Durchmessern und je nach Ausgangsmaterial auch unterschiedlichen Eigenschaften vor. Recycelte Carbonfasern wurden daher bisher nicht für höchstbeanspruchte Bauteile eingesetzt, da diese weder die Verarbeitbarkeit, noch die mechanischen Kennwerte von Carbonneufasern erreichten.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung können nun auch recycelte Carbonfasern für die hochbeanspruchten Druckbehälter eingesetzt werden. Dies wird dadurch erreicht, dass die als Stapelfasern bereitgestellten recycelten Carbonfasern zunächst weiterverarbeitet werden und in Form eines endlosen, bandförmigen Fasersystems bereitgestellt werden, in welchem die recycelten Carbonfasern parallelisiert vorliegen. Die Fasern können dadurch genau in der Längsrichtung des Fasersystems ausgerichtet werden. Die Druckbehälter können durch die Verwendung von Recyclingfasern zugleich kostengünstig und energiesparend hergestellt werden. Ebenso wird bei der Herstellung der CO2-Ausstoß erheblich reduziert.
  • Vorteilhaft ist es, wenn das mindestens eine Fasersystem zum Ausbilden der Hüllschicht gewickelt wird, vorzugsweise durch Wickeln um einen Innenbehälter und hierbei vorzugsweise mittels Kreuz- und/oder Parallelwickeln. Hierdurch kann ein Druckbehälter hergestellt werden, der den unterschiedlichen Belastungen in Axial- und Umfangsrichtung optimal standhält.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform wird das mindestens eine Fasersystem beim Wickeln gleichzeitig verstreckt, um auf diese Weise eine noch weitergehende Parallelisierung der als Stapelfasern vorliegenden recycelten Carbonfasern zu erreichen. Ein solches Verstrecken kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass das Wickeln unter Zugspannung der Tapes vorgenommen wird.
  • Das mindestens eine Fasersystem wird, vor und/oder nach dem Ausbilden der Hüllschicht, in das Matrixmaterial einer Kunststoff-Matrix eingebettet, um den Faserverbundwerkstoff auszubilden. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung, insbesondere für die Ausbildung der Hüllschicht durch Wickeln mittels Tapes, werden die Tapes mit Matrixmaterial vorimprägniert.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung wird der Druckbehälter bei aufgebrachtem, aber noch nicht ausgehärtetem Faserverbundwerkstoff aufgeweitet. Hierdurch kann eine gleichmäßigere Verteilung des Matrixmaterials in dem Faserverbundwerkstoff erreicht werden. Auch kann eine gewisse weitergehende Parallelisierung der Carbonfasern erzielt werden. Die genannte Aufweitung kann vorteilhafterweise dadurch erreicht werden, dass von der Innenseite der Hüllschicht her - ob ohne oder mit Innenbehälter (im letzteren Fall muss dieser entsprechend aufweitbar sein) - Druck aufgebracht wird, der vorzugsweise solange aufrechterhalten wird, bis der Faserverbundwerkstoff ausgehärtet ist.
  • Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführung des Verfahrens werden die recycelten Carbonfasern in einem Solvolyseverfahren gewonnen. Die Fasern können hierdurch ohne Rückstände und vergleichsweise unbeschädigt bereitgestellt werden und können gut mit dem Matrixmaterial imprägniert werden. Zudem können die Carbonfasern im Gegensatz zu einem thermischen Recyclingprozess nahezu CO2-neutral hergestellt werden.
  • Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn die recycelten Carbonfasern in einem textilen Prozess parallelisiert und zu dem bandförmigen Fasersystem zusammengefasst werden. Hierdurch können auch längere recycelte Carbonfasern verarbeitet werden und ein bandförmiges Fasersystem mit einem sehr hohen Ausrichtungsgrad erzeugt werden.
  • Weitere vorteilhafte Weiterbildungen sind durch die Merkmale der Unteransprüche gekennzeichnet.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen:
    • Figur 1
    eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines Druckbehälters,
    Figur 2
    eine schematische Darstellung eines Fasersystems mit recycelten Carbonfasern in Form eines Tapes,
    Figur 3
    eine schematische Darstellung eines Fasersystems mit recycelten Carbonfasern in Form eines Garns,
    Figur 4
    eine schematische Schnittdarstellung einer um einen Aufnahmeraum angeordneten Hüllschicht,
    Figur 5
    eine schematische Querschnittsdarstellung eines Fasersystems in Form eines Tapes, und
    Figur 6
    eine schematische Querschnittsdarstellung eines Fasersystems in Form eines Umwindegarnes.
  • Bei der nachfolgenden Beschreibung der Figuren werden für in den verschiedenen Figuren jeweils identische und/oder zumindest vergleichbare Merkmale gleiche Bezugszeichen verwendet. Die einzelnen Merkmale, deren Ausgestaltung und/oder Wirkweise werden meist nur bei ihrer ersten Erwähnung ausführlich erläutert. Werden einzelne Merkmale nicht nochmals detailliert erläutert, so entspricht deren Ausgestaltung und/oder Wirkweise der Ausgestaltung und Wirkweise der bereits beschriebenen gleichwirkenden oder gleichnamigen Merkmale. Weiterhin sind aus Gründen der Übersichtlichkeit von mehreren identischen Bauteilen bzw. Merkmalen oftmals nur eines oder nur einige wenige beschriftet.
  • Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines Druckbehälters 1. Bei dem Verfahren werden zunächst einmal Stapelfasern mit einem hohen Anteil recycelter Carbonfasern 6 (s. Fig. 2) von wenigstens 50%, vorzugsweise wenigstens 80%, bereitgestellt. Die recycelten Carbonfasern 6 wurden zuvor in einem Recyclingprozess gewonnen und aufbereitet. Sofern die Carbonfasern 6 aus End-of-Life-Bauteilen gewonnen werden, werden dabei zunächst die Abfälle stark zerkleinert und anschließend die Carbonfasern 6 von der sie umgebenden Matrix getrennt. Insbesondere bei duromeren Matrixmaterialien ist dies aufwendig. Hierfür können Pyrolyseverfahren, bevorzugt jedoch Solvolyseverfahren eingesetzt werden. Nach dem Recyclingprozess liegen die Carbonfasern 6 in Form von diskontinuierlichen Fasern mit unterschiedlichen Längen, Durchmessern und ggf. auch unterschiedlichen Eigenschaften vor. Nach einer anderen Ausführung des Verfahrens werden die Carbonfasern 6 aus trockenen oder vorimprägnierten Produktionsabfällen gewonnen. Auch hier werden die Produktionsabfälle zunächst zerkleinert und ggf. von Harz befreit.
  • Die in Form von Stapelfasern vorliegenden Carbonfasern 6 werden sodann mittels eines Krempels oder einer Karde 14 (Verfahrensschritt oben links) ausgerichtet. Dabei werden die noch ungeordneten Carbonfasern 6 in einer weitgehend einheitlichen Richtung ausgerichtet. Das Ergebnis des Kardierprozesses ist ein lockeres Vlies, in dem die einzelnen Carbonfasern zwar bereits in einer gewissen Ausrichtung vorliegen, aber noch größere Abweisungen von der Hauptrichtung haben.
  • Deshalb wird das lockere Vlies zusammengefasst und in einem weiteren Verfahrensschritt (oben rechts) noch weiter parallelisiert. Vorliegend erfolgt dies mit Hilfe eines Streckwerks 15, in welchem das Vlies bzw. der lockere Faserverbund mit Hilfe mehrerer Rollen 16, genauer gesagt wenigstens zwei Rollenpaare, die mit unterschiedlicher Geschwindigkeit angetrieben werden, verstreckt wird. Das Ergebnis des Verstreckens ist ein Fasersystem 5 in Form eines Faserbandes, indem die Carbonfasern 6 nun bereits mit einem sehr hohen Ausrichtungsgrad vorliegen. Es wäre denkbar dieses Fasersystem 5 ggf. durch Verdrehen oder in anderer Weise etwas zu verfestigen und direkt für die Herstellung des Druckbehälters zu verwenden.
  • Bevorzugt wird jedoch das so erhaltene Faserband bzw. werden die Carbonfasern 6 in dem so erhaltenen Faserband in einem weiteren Verfahrensschritt (Mitte links) mit einem Bindematerial 17 vermischt, um ein Fasersystem 5 in Form eines Tapes 9 zu erzeugen. Durch die beiden einander gegenüberliegenden Pfeile wird das Aufbringen eines Bindematerials 17 dargestellt. Als Bindematerial 17 können beispielsweise Bindefasern, eine Schlichte oder ähnliches auf das Fasersystem 5 bzw. das Faserband aufgebracht werden. Das Bindematerial 17 kann beispielsweise durch Wärme und/oder Druck oder auch chemisch aktiviert werden, um die Carbonfasern in einem Tape 9 zu binden. Vorliegend wird das Bindematerial 17 durch Druck und Wärme aktiviert, die mittels weiterer Rollen 16 aufgebracht werden. Im Ergebnis wird ein Tape 9 mit einem hohen Ausrichtungsgrad der Carbonfasern 6 erzeugt.
  • Abweichend von der hier gezeigten Darstellung kann der Schritt des Aufbringens des Bindematerials 17 oder eines weiteren Bindematerials 17 jedoch auch bereits vor dem Verstrecken oder auch vor dem Kardieren erfolgen. Beispielsweise können die Carbonfasern 6 vor dem Kardieren mit Bindefasern vermischt werden. Diese könnten dann bereits beim Verfahrensschritt des Verstreckens aktiviert werden, so dass bereits nach dem Verstrecken ein kompaktes Tape 9 mit einem hohen Ausrichtungsgrad der Carbonfasern 6 vorliegt.
  • In einem weiteren Verfahrensschritt (Mitte rechts) wird sodann das Fasersystem 5, hier das Tape 9, vorimprägniert. Hierzu wird das Material der Kunststoff-Matrix 7 (hier nicht dargestellt, s. Fig. 4) in zähflüssiger Form auf das Fasersystem 5 aufgebracht, was durch die beiden einander gegenüberliegenden Pfeile symbolisiert ist. Das Fasersystem 5 sollte dabei so gut wie möglich von dem Material der Kunststoff-Matrix 7 durchtränkt werden. Die Kunststoff-Matrix 7 beinhaltet vorzugsweise ein Duromermaterial, insbesondere ein Epoxidharz, Vinylesterharz oder Phenolharz.
  • In einem oder mehreren folgenden Verfahrensschritten (unten links und unten rechts) wird sodann der Druckbehälter 1 hergestellt, indem eine Hüllschicht 3 um einen Aufnahmeraum 2 (siehe Figur 4) für das fluide Medium ausgebildet wird. Gemäß vorliegender Darstellung wird hierzu ein gasdichter Innenbehälter 8 bereitgestellt, um welchen die Hüllschicht 3 herumgewickelt wird, so dass die Hüllschicht 3 den Innenbehälter 8 ummantelt. Der Innenbehälter 8 weist in an sich bekannter Weise zwei Anschlusselemente 13 auf, die in der Regel aus Metall bestehen.
  • Gemäß dem hier dargestellten Verfahren wird dabei das mindestens eine Fasersystem 5 bzw. Tape 9 zunächst in Kreuzwicklungen 11 um den Innenbehälter 8 herumgewickelt (siehe Darstellung unten links).
  • Sobald dann eine Grundform des Druckbehälters 1 mit Kreuzwicklungen 11 hergestellt wurde, wird gemäß der vorliegenden Darstellung noch in einem weiteren Verfahrensschritt eine Verstärkungslage aus Parallelwicklungen 12 um den Druckbehälter herumgewickelt. Die Hüllschicht 3 umfasst in diesem Fall sowohl die Kreuzwicklungen 11 als auch die Parallelwicklungen 12. Dies ist jedoch nicht unbedingt erforderlich. Auch ist es möglich, dass eine Verstärkung des Druckbehälters 1 in anderer Weise erfolgt.
  • Abweichend von der hier gezeigten Darstellung, bei welcher nur ein Fasersystem 5 bzw. Tape 9 um den Aufnahmeraum 2 bzw. den Innenbehälter 8 gewickelt wird, ist es natürlich auch möglich, die Hüllschicht aus mehreren Fasersystemen 5 herzustellen, die gleichzeitig gewickelt werden. Ebenso können neben dem oder den Fasersystemen 5, welche einen hohen Anteil an recycelten Carbonfasern 6 aufweisen, zusätzlich auch Fasersysteme 5 zum Einsatz kommen, welche überwiegend oder vollständig Carbonneufasern enthalten. Diese können sowohl von mehreren Vorlagen gleichzeitig mit den Fasersystemen 5 enthaltend die recycelten Carbonfasern 6 gewickelt werden, als auch in einer separaten Lage der Hüllschicht 3 nacheinander.
  • In einem weiteren, hier nicht dargestellten Verfahrensschritt wird sodann der aus dem Material der Kunststoff-Matrix 7 und dem oder den Fasersystemen 5 gebildete Faserverbundwerkstoff 4 (siehe Figur 4) ausgehärtet.
  • Figur 4 zeigt den Faserverbundwerkstoff 4 der Hüllschicht 3 in einer sehr schematischen Schnittdarstellung. Die in die Kunststoff-Matrix 7 eingebetteten Fasersysteme 5 sind ebenfalls lediglich symbolisch dargestellt. Es ist erkennbar, dass die Fasersysteme 5 in mehreren Lagen bzw. Schichten übereinander gewickelt in der Kunststoff-Matrix 7 liegen. Weiterhin ist der Aufnahmeraum 2 für das Medium erkennbar.
  • Wie bereits ausgeführt, ist die vorliegende Erfindung nicht auf die hier beschriebene Ausführung des Verfahrens beschränkt. So können beispielsweise vor dem Kardierprozess auch Carbonneufasern in Form von Stapelfasern beigefügt werden.
  • Mittels des beschriebenen Verfahrens können endlose Fasersysteme 5 auch aus Recyclingfasern hergestellt werden, welche nach dem Recyclingprozess als Stapelfasern unterschiedlicher Länge vorliegen. Diese können dann überraschenderweise sogar für höchstbeanspruchte Druckbehälter wie Wasserstofftanks eingesetzt werden. Die auf diese Weise hergestellten Fasersysteme 5 bzw. Tapes 9 können sodann wie Kohlefaserrovings aus Carbonneufasern gewickelt werden.
  • Um möglichst gute mechanische Kennwerte zu erreichen, die es rechtfertigen, recycelte Carbonfasern 6 Druckbehältern 1 einzusetzen, müssen die einzelnen Carbonfasern 6 hochausgerichtet in dem Fasersystem 5 vorliegen. Dies ist in Figur 2 dargestellt.
  • Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Fasersystems 5 mit recycelten Carbonfasern 6 in Form eines Tapes 9. Das Fasersystem 5 umfasst eine Vielzahl von parallelisierten Carbonfasern 6, die vorliegend lediglich symbolisch als Striche dargestellt sind. Innerhalb des Tapes 9 bzw. des Fasersystems 5 sind die einzelnen Carbonfasern 6 mittels des zu Fig. 1 bereits beschriebenen Bindematerials 17 zusammengehalten. Die vorliegende Darstellung ist dabei lediglich schematisch zu verstehen. Je nach Ausführung des Bindematerials 17 sind die einzelnen Carbonfasern 6 in einer Ansicht unter Umständen gar nicht sichtbar, sondern würden erst in einer Schnittansicht erkennbar sein. Das Bindematerial 17 kann beispielsweise ein thermoplastisches Bindematerial 17 sein. Der sehr hohe Ausrichtungsgrad der Carbonfasern 6 ist vorliegend daran erkennbar, dass lediglich einige wenige Carbonfasern 6 etwas schräg zu einer Längserstreckung des Tapes 9 liegen.
  • Figur 3 zeigt eine andere Ausführung eines Fasersystems 5, welches in Form eines Garns 10 vorliegt. Die Carbonfasern 6, welche auch hier als Recycling-Stapelfasern vorliegen, können beispielsweise in einem Spinnprozess durch Drehung miteinander verbunden werden. Vorliegend ist jedoch eine andere Ausführung gezeigt, bei welcher das Garn 10 als Umwindegarn ausgebildet ist und bei welchem die einzelnen Carbonfasern 6 mittels eines Umwindefadens 18 zu einem Fasersystem 5 verbunden sind.
  • Figur 5 zeigt demgegenüber einen Querschnitt eines Fasersystems 5, das ebenfalls in Form eines Tapes 9 ausgebildet ist. Dabei ist wiederum gut erkennbar, dass die einzelnen Carbonfasern 6 parallel zueinander in Längsrichtung des Tapes 9 ausgerichtet in dem Fasersystem 5 vorliegen und durch das Bindematerial 17 gebunden sind.
  • Ebenso sind die Abmessungen des Fasersystems 5 erkennbar. Vorteilhaft ist es, wenn, wie hier gezeigt, das Fasersystem 5 ein Breiten-Dickenverhältnis von mehr als 2:1 aufweist. Bevorzugt weisen die Fasersysteme eine Breite von bis zu 15 mm oder bis zu 25 mm auf.
  • Figur 6 zeigt einen Querschnitt eines anderen Fasersystems 5, welches als Garn 10 ausgebildet ist. Wie bereits anhand der Figur 3 erläutert, kann das Garn 10 als Umwindegarn ausgebildet sein, bei welchem die Carbonfasern 6 mittels eines Umwindefadens 18 zusammengehalten sind.
  • Zusammenfassend ist es möglich, auch recycelte Carbonfasern 6 in Form von Stapelfasern in hochbeanspruchten Druckbehältern einzusetzen, wenn diese mit einem hohen Ausrichtungsgrad von mehr als 90% +/- 5°, vorzugsweise mehr als 95% +/- 5° in den einzelnen Fasersystemen 5 angeordnet sind. Wenn die Carbonfasern 6 zu endlosen Fasersystemen 5 zusammengefasst werden, können besonders hohe Ausrichtungsgrade erreicht werden. Zugleich kann bei einem hohen Ausrichtungsgrad der Carbonfasern auch der für die guten mechanischen Eigenschaften der Faserverbundwerkstoffe wichtige Faservolumengehalt erhöht werden. Dieser beträgt mindestens 40% und kann bei hohem Ausrichtungsgrad mehr als 45% und sogar mehr als 50% betragen.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Druckbehälter
    2
    Aufnahmeraum
    3
    Hüllschicht
    4
    Faserverbundwerkstoff
    5
    Fasersystem
    6
    Carbonfaser
    7
    Kunststoff-Matrix
    8
    Innenbehälter
    9
    Tape
    10
    Garn
    11
    Kreuzwicklung
    12
    Parallelwicklung
    13
    Anschlusselement
    14
    Karde
    15
    Streckwerk
    16
    Rolle
    17
    Bindematerial
    18
    Umwindefaden

Claims (18)

  1. Druckbehälter (1) zur Aufnahme von unter Druck stehenden fluiden Medien, mit mindestens einer einen Aufnahmeraum (2) für das fluide Medium umgebenden Hüllschicht (3) umfassend einen Faserverbundwerkstoff (4), wobei der Faserverbundwerkstoff (4) mindestens ein, vorzugsweise endloses, bandförmiges Fasersystem (5) mit einer Vielzahl von Carbonfasern (6) und eine Kunststoff-Matrix (7) umfasst, in der das mindestens eine Fasersystem (5) eingebettet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Carbonfasern (6) des mindestens einen Fasersystems (5) einen Anteil von mindestens 50%, vorzugsweise mindestens 80%, recycelten Carbonfasern (6) aufweisen.
  2. Druckbehälter (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er weiterhin einen gasdichten Innenbehälter (8) umfasst, wobei die Hüllschicht (3) den Innenbehälter (8) ummantelt.
  3. Druckbehälter (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Carbonfasern (6) einen Anteil von 90% bis 100% recycelten Carbonfasern (6) aufweisen.
  4. Druckbehälter (1) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Carbonfasern (6) innerhalb des mindestens einen Fasersystems (5) hochausgerichtet sind, wobei ein Ausrichtungsgrad der Carbonfasern (6) mindestens 90% +/-5° beträgt.
  5. Druckbehälter (1) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Fasersystem (5) ein Breiten-Dickenverhältnis von mehr als 2:1 aufweist, vorzugsweise von mehr als 3:1, und besonders bevorzugt mehr als 5:1, wobei das mindestens eine Fasersystem (5) vorzugsweise eine Breite von mehr als 5 mm, bevorzugt mehr als 10 mm und besonders bevorzugt mehr als 15 mm, aufweist, und wobei das mindestens eine Fasersystem (5) vorzugsweise eine Breite von weniger als 35 mm, bevorzugt von weniger als 30 mm, beispielsweise 25 mm, aufweist.
  6. Druckbehälter (1) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserverbundwerkstoff (4) einen Faservolumengehalt von mehr als 40% aufweist, bevorzugt von mehr als 50%, besonders bevorzugt mehr als 60%.
  7. Druckbehälter (1) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die recycelten Carbonfasern (6) zueinander parallelisierte Stapelfasern sind und das mindestens eine Fasersystem (5) als Tape (9) vorliegt.
  8. Druckbehälter (1) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserverbundwerkstoff (4) ein weiteres, vorzugsweise endloses, bandförmiges Fasersystem (5) mit einer Vielzahl von Carbonfasern (6) umfasst, wobei die Carbonfasern (6) des weiteren Fasersystems (5) überwiegend oder vollständig Carbonneufasern sind.
  9. Druckbehälter (1) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die Fasersysteme (5) zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, gewickelt ist oder sind.
  10. Druckbehälter (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die Fasersysteme (5) mit Kreuz- (11) und/oder Parallelwicklungen (12) gewickelt ist oder sind.
  11. Druckbehälter (1) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er ein Drucktank zur Speicherung von Wasserstoff ist.
  12. Verfahren zur Herstellung eines Druckbehälters (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend zumindest die Schritte:
    - Bereitstellen mindestens eines, vorzugsweise endlosen, bandförmigen Fasersystems (5), das bevorzugt als Tape (9) ausgebildet ist, wobei das mindestens eine Fasersystem (5) parallelisierte Carbonfasern (6) mit einem Anteil von wenigstens 50%, vorzugsweise wenigstens 80%, als Stapelfasern vorliegenden, recycelten Carbonfasern (6) umfasst,
    - Ausbilden einer Hüllschicht (3) um einen Aufnahmeraum (2) für das fluide Medium, wobei die Hüllschicht (3) von einem Faserverbundwerkstoff (4) gebildet ist, welcher das in einer Kunststoff-Matrix (7) eingebettete mindestens eine Fasersystem (5) umfasst, und
    - Aushärten des Faserverbundwerkstoffs (4).
  13. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Fasersystem (5) zum Ausbilden der Hüllschicht (3) gewickelt wird, vorzugsweise durch Wickeln um einen Innenbehälter (8) und hierbei vorzugsweise mittels Kreuz- (11) und/oder Parallelwickeln (12).
  14. Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Fasersystem (5) beim Wickeln gleichzeitig verstreckt wird.
  15. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Fasersystem (5) vor und/oder nach diesem Ausbilden in das Matrixmaterial einer Kunststoff-Matrix (7) eingebettet wird.
  16. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckbehälter (1) bei aufgebrachtem, aber noch nicht ausgehärtetem Faserverbundwerkstoff (4) aufgeweitet wird, vorzugsweise durch Aufbringen von innerem Druck, und erst anschließend die Aushärtung des Faserverbundwerkstoffs (4) erfolgt.
  17. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die recycelten Carbonfasern (6) in einem Solvolyseverfahren gewonnen werden.
  18. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die recycelten Carbonfasern (6) in einem textilen Prozess parallelisiert und zu dem bandförmigen Fasersystem (5) zusammengefasst werden.
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