JP2022541394A - 気体状の媒体を備蓄するためのタンク装置、およびタンク装置を製造する方法 - Google Patents

気体状の媒体を備蓄するためのタンク装置、およびタンク装置を製造する方法 Download PDF

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Abstract

少なくとも１つのタンク容器（３）を有し、この少なくとも１つのタンク容器（３）はタンクネック（２）を有するタンクハウジング（３０）を有する、気体状の媒体を、特に水素を備蓄するためのタンク装置（１）。さらにタンクネック（２）の中にタンク圧力底面（８）が配置されており、タンク圧力底面（８）はタンクネック空間（７）とタンク内部空間（６）とを互いに分離し、タンクネック（２）は外側（２０）に雄ねじ（１０）を支持部として有する。【選択図】 図２

Description

本発明は、たとえば燃料電池駆動部を有する車両で適用するための、特に水素を備蓄するための燃料電池タンクのためのタンク装置に関し、および、このようなタンク装置を製造する方法に関する。
先公開ではない特許文献１は、燃料電池タンクの温度圧力を解放するためのタンク装置を記載しており、このタンク装置は、たとえば燃料電池システムの適正な機能形態を保証する、たとえば遮蔽弁などのさまざまな弁を有するタンク容器を含んでいる。
このようなタンク装置のための安全装置は規格化されている。そこでは各々のタンク装置が、このような遮蔽弁を有さなくてはならない。そのようにして遮蔽弁は、燃料電池駆動部を有する車両の事故によって引き起こされるタンク装置の損傷のときや、タンク装置の配管が破損したときに、遮蔽弁が無通電の状態で閉じるので、タンク容器が閉止されることを保証することができる。そのようにして事故や不具合が生じたときに、タンク容器からのガス流出をいつでも回避することができる。
法律の要求事項は、容器に応じて、このような安全弁がタンク容器の表面あるいはさらに内部に直接取り付けられなければならないことを定めている。したがって安全弁は、気体状の媒体やシステム圧力に直接的に暴露され、たとえば最大で１０００バールのシステム圧力に暴露される。このような安全弁に対して作用する高い力は、安全弁の急速な老化およびこれに伴う不具合を防止するために、高いコストのかかる設計上の方策を必要とする。
独国特許出願公開第１０２０１８２０９０５７号明細書
それに対して、請求項１の特徴部の構成要件を有する本発明によるタンク装置は、タンク装置内の数多くのタンク容器にもかかわらず、および、これらについて定められる安全弁にもかかわらず、このようなタンク装置の安全性を最小化することなしに低コストで信頼度の高い解決法が実現されるという利点がある。
そのために、気体状の媒体を、特に水素を備蓄するためのタンク装置は、少なくとも１つのタンク容器を有する。少なくとも１つのタンク容器は、タンクネックを有するタンクハウジングを有する。これに加えてタンクネックの中にタンク圧力底面が配置されており、該タンク圧力底面はタンクネック空間とタンク内部空間とを互いに分離し、該タンクネックは雄ねじを支持部として有する。
さらに、本発明にはタンク装置を製造する方法が含まれ、少なくとも１つのタンク容器が鋼材から製作されていて特定の溶融温度を有し、次の各ステップを有することを特徴とする：
少なくとも１つのタンク容器の両方の端部が特定の溶融温度まで加熱され；
少なくとも１つのタンク容器の各端部がタンクネックをなすように成形工具によって変形され；
二重のタンク圧力底面を作成するために伸長・圧縮プロセスによってタンクネックが内側で成形され、このとき少なくとも２つのマンドレルが同時または交互にタンクネックへ挿入され、そのようにしてタンクネックが内方に向かって成形され；
タンク圧力底面の事前設定された幾何学形状と剛性が達成されるまで前記ステップが反復される。
本方法の好ましい発展例では、タンク圧力底面の事前設定される幾何学形状は横断面で見て円板に相当する。
さらに、本発明にはタンク装置を製造する代替的な方法が含まれ、少なくとも１つのタンク容器が鋼材から製作されていて特定の溶融温度を有し、次の各ステップを有することを特徴とする：
少なくとも１つのタンク容器の両方の端部が特定の溶融温度まで加熱され；
同じく加熱された中実材料の圧着または焼嵌めによって少なくとも１つのタンク容器の各端部がタンクネックをなすように変形され；
タンクネックに二重のタンク圧力底面を製作するために、任意に選択されたジオメトリーが中実材料に付与される。
このようにして、バルブ装置における力作用面が可能な限り小さく抑えられることによって、タンク装置の各コンポーネントに対する、特にバルブ装置に対する、負荷を低減することができる。力作用面が、タンクネックに挿入されたコンポーネントだけに縮小されれば、このことはタンク容器に対する力の負荷の全般的な低減にもつながる。
さらに、市販の飲料ビンに匹敵するタンク容器の形状によって、および、円筒状のタンク容器の最大直径が均等に先細になることによって、簡易な製造が可能となる。
第１の好ましい発展例では、タンク圧力底面にタンク圧力底面開口部が形成されることが意図される。そのようにして、タンク容器の充填や中身の放出を設計的に簡易な方式で保証することができる。
本発明の別の実施形態では、少なくとも１つのタンク容器は大気圧に対して１から１０００バールの圧力差のために設計されることが意図されるのが好ましい。そのようにして、タンク容器の中の気体状の媒体の利用を最適化することができる。
好ましい発展例では、タンクネックは円筒状に構成されるとともに、テーパ状の拡張部として円筒状のタンク本体へと移行していき、タンクネックの直径ｄはタンク本体の直径Ｄよりも小さい。このような形状により、タンク容器内部での均等な圧力分布が可能である。タンク容器のタンクネックにおける最大の開口部は、およびこれと関連する最大の圧力作用面は、典型的には、タンクネックの各コンポーネントがどのような機能を果たさなければならないか、どのような機械的負荷が各コンポーネントに対して作用するか、どのような寸法設定が必要であるかによって規定される。タンク容器からの容積流量のために小さな開口部が必要であり、そのため典型的にはこれらのコンポーネントは、その機能のために必要であるよりも肉厚に構成される。したがって本発明では、圧縮力の大部分がビン構造の内部で吸収されることによってタンクネックの各コンポーネントに対する力作用面を低減する底面を、タンクネックに挿入することが提案される。このようにして、圧力負荷を受けるタンク容器の開口部を、必要な容積流量およびシール部材の保持のために必要であるだけの大きさにのみ寸法設定することができる。
好ましい発展例では、少なくとも１つのタンク容器はプラスチック材料、炭素繊維材料、または鋼材で製作されることが意図される。そのようにして、コストを削減するタンク容器の設計が実現される。
本発明の別の実施形態では、タンク容器のタンクネックにタンク容器の長軸に対して同軸にバルブ装置が配置されることが意図されるのが好ましい。そのようにして、安全弁としてのバルブ装置をタンク容器へ設計的に簡易な方式で統合することができ、たとえば作動中の衝撃などの外部要因によって引き起こされる損傷からバルブ装置が防護される。
記載されているタンク装置は、特に、燃料電池構造体で燃料電池の作動のための水素を備蓄するのに適している。記載されているタンク装置は、燃料電池駆動部を有する車両で使用することができるのが好ましい。
図面には、気体状の媒体を、特に水素を、備蓄するための本発明によるタンク装置の実施例が示されている。
タンクネックとタンク本体とを有するタンクハウジングを含む、タンク容器を有する本発明のタンク装置の実施例を示す縦断面図である。 タンクネックの領域で図１の実施例を示す拡大部分図である。 バルブ装置を有するタンクネックの領域で図１の実施例を示す拡大部分図である。 本発明によるタンク装置を製造する本発明による方法を示すフローチャートである。 本発明によるタンク装置を製造する本発明による代替的な方法を示すフローチャートである。
図１には、気体状の媒体のための、特に水素のための、本発明によるタンク装置１の実施例が模式的な図面で示されている。タンク装置１は、タンクハウジング３０を備えるタンク容器３を有している。タンクハウジング３０は、タンク本体３１とタンクネック２とを含んでいる。ここではタンク本体３１は、タンクネック２のテーパ状の拡張部として構成されている。タンク本体３１とタンクネック２はいずれも円筒状に構成されており、タンク本体３１の直径Ｄはタンクネック２の直径ｄよりも大きい。したがって、この形状は市販の飲料ビンに匹敵する。
図２は、図１に示す長軸１６を有するタンクネック２の領域で、タンク容器３の拡大図を横断面図として示している。タンクネック２はタンク容器３の内部に、タンク本体３１をなすタンク容器３のテーパ状の拡張部の方向を向く端部に、横断面で見て円板に相当する二重のタンク圧力底面８を有している。さらにタンク圧力底面８は、タンク圧力底面開口部９を有している。
タンク本体３１の中には、タンクネック２の中に形成されるタンクネック空間７へとタンク圧力底面開口部９を介して連通するタンク内部空間６が形成されている。
さらにタンクネック２は外側２０に、タンク装置１を他の取付コンポーネントに取り付けるために、たとえばバルブ装置を取り付けるために利用することができる雄ねじ１０を支持部として有している。
図３は、図１に示すタンクネック２の領域で、タンク容器３の拡大図を横断面図として示している。ここではタンクネック２の中にバルブ装置１１が長軸１６に対して同軸に配置されている。バルブ装置１１はバルブハウジング１５を有していて、これによってバルブ装置１１がタンク容器３に固定的に統合される。このような固定的な統合は、タンクネック２の雄ねじ１０に外側からねじ止めされるバルブ取付部材１４によって行われる。このときバルブ取付部材１４はバルブ装置１１と固定的に結合されている。
さらにバルブ装置１１はバルブスプリング１２を有していて、これが力によって弁体１７に初期応力をかけ、それによりバルブ装置１１が、およびこれに伴ってバルブハウジング１５に構成されたバルブ貫通孔１３が、閉止される。バルブ装置１１の電磁石が通電されるとこれを開くことができ、それにより気体状の媒体が、特に水素が、タンク容器３からたとえば燃料電池のアノード領域の方向へと流れることができる。
タンク圧力底面８は、たとえばバルブ装置１１などの安全性コンポーネントの取付スペースとしての役目を果たすタンクネック空間７から、タンク内部空間６を分離する。このときバルブ装置１１とタンクネック空間７との間で、バルブ装置の励起部の領域すなわち電磁石の領域に、低圧領域４が形成される。タンク内部空間６には、およびバルブ装置１１のバルブ貫通孔１３には、高圧領域５が形成される。
タンク容器３は、大気圧に対する１バールから１０００バールの圧力差のために設計されている。典型的には、たとえば水素を最大７００バールの圧力で備蓄するタンク容器３が燃料電池構造体で利用される。さらにタンク容器は、プラスチック材料、炭素繊維材料、または鋼材で製作される。
このときタンク装置１は、１つのタンク容器３だけに限定されるものではない。タンク装置は、上に説明した多数のタンク容器３を有することができ、たとえば燃料電池駆動部を有する車両に統合することができる。さらにタンク容器３の形状は、上に説明した市販の飲料ビンの形状だけに限定されるものではなく、必要に応じて任意のジオメトリーをとることができる。
次に、図４のフローチャートが示すように、鋼材で製作されて特定の溶融温度を有する、上に説明したタンク装置１を製造する方法について説明する。
タンク容器３の両方の端部が、鋼材の素材がどのように選択されるかに依存して、特定の溶融温度になるまで加熱される（加熱４０）。次いで、タンク容器３の各端部が成形工具によってタンクネック２をなすように変形される（変形４１）。次のステップで、二重のタンク圧力底面８を作成するために、伸長・圧縮プロセスによってタンクネック２の内側の変形４２が行われ、このとき少なくとも２つのマンドレルが同時または交互にタンクネック２へ挿入され、そのようにしてタンクネック２の内側の変形４２が実現される。
特定の幾何学形状と剛性が達成されるまで、このステップが反復される（反復４３）。たとえばタンク圧力底面８の幾何学形状は、図１、図２、および図３の実施形態では横断面で見て円板に相当する。
鋼材で製作されて特定の溶融温度を有する、上に説明したタンク装置１を製造する代替的な方法のフローチャートが図５に示されている：
タンク容器３の両方の端部が、鋼材の素材がどのように選択されるかに依存して、特定の溶融温度になるまで加熱される（加熱４４）。次いで、タンク容器３の各端部がタンクネック２をなすように、同じく加熱された中実材料の圧着または焼嵌めによって変形される（変形４５）。任意に選択されるジオメトリーを中実材料に付与４６することで、タンク圧力底面８のジオメトリーを相応に製作することができる。
これら両方の方法は、たとえば水素やその他の影響のもとでの使用による損傷、もしくは作動時のその他の損傷を排除するために、均一な材料組成を得ることを目的とする。
熱処理およびその他の材料工学プロセスを、たとえば加工中やこれに後続するステップ中にいつでも適用することができる。
１ タンク装置
２ タンクネック
３ タンク容器
６ タンク内部空間
７ タンクネック空間
８ タンク圧力底面
９ タンク圧力底面開口部
１０ 雄ねじ
１１ バルブ装置
１６ 長軸
２０ 外側
３０ タンクハウジング
３１ タンク本体
４０ 加熱
４１ 変形
４２ 内側の変形
４３ 反復
４４ 加熱
４５ 変形
４６ 付与

Claims (11)

  1. 少なくとも１つのタンク容器（３）を有し、少なくとも１つの前記タンク容器（３）はタンクネック（２）を有するタンクハウジング（３０）を有する、気体状の媒体を、特に水素を備蓄するためのタンク装置（１）において、前記タンクネック（２）の中にタンク圧力底面（８）が配置されており、前記タンク圧力底面（８）はタンクネック空間（７）とタンク内部空間（６）とを互いに分離し、前記タンクネック（２）は外側（２０）に雄ねじ（１０）を支持部として有する、タンク装置。
  2. 前記タンク圧力底面（８）にタンク圧力底面開口部（９）が形成されることを特徴とする、請求項１に記載のタンク装置（１）。
  3. 少なくとも１つの前記タンク容器（３）は大気圧に対する１バールから１０００バールの圧力差のために設計されることを特徴とする、請求項１または２に記載のタンク装置（１）。
  4. 前記タンクネック（２）は円筒状に構成され、テーパ状の拡張部として円筒状のタンク本体（３１）へと移行していき、前記タンクネック（２）の直径ｄは前記タンク本体（３１）の直径Ｄよりも小さいことを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載のタンク装置（１）。
  5. 少なくとも１つの前記タンク容器（３）はプラスチック材料、炭素繊維材料、または鋼材で製作されることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載のタンク装置（１）。
  6. 前記タンク容器（３）の前記タンクネック（２）の中に前記タンク容器（３）の長軸（１６）に対して同軸にバルブ装置（１１）が配置されることを特徴とする、請求項１から５のいずれか１項に記載のタンク装置（１）。
  7. 燃料電池駆動部と、請求項１から６のいずれか１項に記載のタンク装置（１）とを有している車両。
  8. 燃料電池の作動のための水素を備蓄するために請求項１から７のいずれか１項に記載のタンク装置（１）を有している燃料電池構造体。
  9. 請求項１から６のいずれか１項に記載のタンク装置（１）を製造する方法であって、少なくとも１つの前記タンク容器（３）が鋼材から製作されていて特定の溶融温度を有する、方法において、次の各ステップ：
    ａ．少なくとも１つの前記タンク容器（３）の両方の端部が特定の溶融温度まで加熱（４０）され、
    ｂ．少なくとも１つの前記タンク容器（３）の各端部がタンクネック（２）をなすように成形工具によって変形（４１）され、
    ｃ．二重のタンク圧力底面（８）を作成するために伸長・圧縮プロセスによって前記タンクネック（２）が内側で変形（４２）され、このとき少なくとも２つのマンドレルが同時または交互に前記タンクネック（２）へ挿入され、そのようにして前記タンクネック（２）が内方に向かって成形され、
    ｄ．前記タンク圧力底面（８）の事前設定された幾何学形状と剛性が達成されるまで、前記ステップｃが反復（４３）されるステップを有することを特徴とする方法。
  10. 前記タンク圧力底面（８）の事前設定された幾何学形状は横断面で見て円板に相当することを特徴とする、請求項９に記載の方法。
  11. 請求項１から６のいずれか１項に記載のタンク装置（１）を製造する方法であって、少なくとも１つの前記タンク容器（３）が鋼材から製作されていて特定の溶融温度を有する方法において、次の各ステップ：
    ａ．少なくとも１つの前記タンク容器（３）の両方の端部が特定の溶融温度まで加熱（４４）され、
    ｂ．同じく加熱された中実材料の圧着または焼嵌めによって少なくとも１つの前記タンク容器（３）の各端部がタンクネック（２）をなすように変形（４５）され、
    ｃ．前記タンクネック（２）に二重のタンク圧力底面（８）を製作するために、任意に選択されたジオメトリーが前記中実材料に付与（４６）されるステップを有することを特徴とする方法。
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