WO2014127907A1 - Vorrichtung zum speichern von gas unter hohem druck - Google Patents

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Andreas Knoop
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    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/32Hydrogen storage

Definitions

  • the invention relates to a device for storing gas under high pressure according to the closer defined in the preamble of claim 1.
  • the invention also relates to a method for producing such a device.
  • the invention also relates to the use of the device.
  • Devices for storing gas under high pressure are known from the general state of the art. Typically, such devices are also referred to as compressed gas storage. They are generally bottle-shaped and serve for storing, for example, natural gas, but especially of hydrogen. In particular, in the case of hydrogen nominal pressures of 350 bar or 700 bar are usual.
  • the reservoirs have a comparatively large diameter in relation to their length and are therefore extremely critical with regard to installation in existing structures, in particular in existing installation spaces within a vehicle.
  • the local storage container which is also described as a tubular high-pressure storage tank, is formed in particular from an inner layer surrounding the storage volume, which is then from a
  • the structure Surrounding layer is surrounded.
  • the structure to the outside in turn completes a flexible outer layer.
  • the structure provides for the reinforcing layer a flexible elastic material, which is formed for example in the nature of a rubber material, and which additionally introduced by in the rubber material
  • the tubular high-pressure accumulator hose described therein is flexible overall
  • CONFIRMATION COPY configured and can thereby be introduced into appropriate open spaces, for example within a vehicle and fixed within these spaces.
  • flexible elastic structure in a rigid metal boxes, which defines the necessary external shape is introduced.
  • the structure allows by its elasticity and flexibility while the utilization of otherwise unattainable or difficult to use space, for example, within a vehicle. It also allows the use in different vehicles, as it can be adapted due to its flexibility during assembly to different installation spaces. By fixing only within the space, however, creates a serious disadvantage. A disassembly of the memory is extremely complex, since this unfolds by its flexibility and, especially in the case of a possible reassembly laborious in the appropriate space must be covered. This creates a considerable effort.
  • the flexible hose tank when used in a vehicle, it is such that, in the event of damage to the surrounding installation space, the flexible hose tank can unfold and protrude into the environment. This is the case, in particular, when it is filled with a comparatively high pressure, since then in the case of a non-rigid construction there is a risk that it will move. This is especially true when a leak occurs, for example, at one end of the hose. Due to the flexibility of this then beats back and forth, similar to a non-fixed at its end water hose, flows out of the water at high speed or high pressure. The structure in this case represents a greatly increased security risk.
  • the object of the invention is therefore to provide a device for storing gas under high pressure, in particular for storing low molecular weight gases such as hydrogen, which avoids the disadvantages mentioned and allows a simple and efficient structure.
  • Storage volume similar to the prior art, surrounded by at least one cladding layer.
  • This can be constructed in particular from a plastic matrix and reinforcing fibers, as is the case in the prior art.
  • the crucial difference compared to the prior art is that in the
  • the at least one coating layer is cured with the plastic matrix and the reinforcing fibers into a rigid arrangement.
  • Inventive device for storing gas thus has no flexibility. Rather, it is placed in the final shape during its manufacture which it is to occupy later, and is then cured so as to achieve a substantially rigid arrangement of the tubular storage volume. This then has no flexibility and elasticity more, but remains as a self-supporting rigid structure in the intended form. This allows for a rigid construction
  • the tubular gas storage device retains its shape even in such critical cases, resulting in a significant additional safety benefit
  • the tubular storage volume is formed repeatedly bent over, wherein the inner diameter of the tubular storage volume is reduced in the region of the sheets, and wherein the thickness of the cured shell layer in the region of the sheets at most equal to, or preferably smaller, than in the non-bent areas.
  • the tubular Storage volume bent several times, in particular during the preparation and in advance of the bending provided for the subsequent bending areas of the tubular storage volume, in a conventional manner, are provided with a reduced diameter. This makes much easier and more efficient bending possible.
  • an inner casing surrounding the storage volume is arranged within the hardened coating layer.
  • a so-called liner or inliner can be used, for example, when using the device as a hydrogen tank to increase the tightness against the hydrogen.
  • the liner may for example consist of a plastic hose or a metallic tube.
  • the inner shell is formed as an extruded profile, which has individual in cross-section not connected to each other line sections.
  • Such parallel within the extruded profile line sections for example, in a cross-shaped internal reinforcement in a tubular extruded profile four parallel in cross-section quarter-circular line sections can be so easily and efficiently combined within the inner shell.
  • Extruded profiles are for example made of plastic materials or of metallic materials such as aluminum in particular, easily and efficiently available on the market. Due to the reduction of the diameter of the individual line sections or due to the radial forces in the manner of tie rods receiving the individual line sections in cross-section with each other separating webs of the extruded profile radially outward forces can be even better compensated in the filling of the extruded profile with gases, so less radial forces must be absorbed by the hardened cladding layer. These can be made correspondingly thinner and in particular with less expensive reinforcing fibers.
  • the cladding layer of the invention In the inventive method for producing a device for storing gas under high pressure, from a tubular storage volume, which is surrounded by at least one coating layer with reinforcing fibers and a plastic matrix, it is provided according to the invention that the cladding layer of the
  • Reinforcing fibers or made of plastic pre-impregnated reinforcing fibers by wrapping and / or braiding a core is produced, after which the still flexible tubular storage volume is brought in its subsequent final form in a first step according to the invention, which can be done for example by bending and stacking the pipe sections lying between the sheets ,
  • a first step according to the invention which can be done for example by bending and stacking the pipe sections lying between the sheets
  • the step according to the invention is then followed by curing of the prepreg
  • Plastic matrix and / or impregnation of the reinforcing fiber with the plastic matrix, followed by curing causes.
  • a rigid structure is created, which is designed as a self-supporting structure of the device for storing gas, and which can be recorded, for example via straps or the like.
  • Cladding elements would be necessary, which surround the device according to the invention outside and hold in their desired shape.
  • an inner layer enclosing the storage volume is used as the core for wrapping and / or braiding.
  • the inner layer can for example be made of plastic, of a metallic material or of a corresponding composite material, for example a metal-coated plastic or the like.
  • the typically tubular inner layer may be of constant diameter or already have tapers in some areas, so that the device later in the
  • a lost core is used.
  • such a lost core can be made of wax and later by heating
  • foamed polystyrene or the like conceivable, which then has a
  • Solvent is washed out.
  • such a lost core can be used to connect directly to the reinforcing fibers and the plastic matrix, ie the
  • Envelope layer to be surrounded, so that ultimately a device for storing gas is formed, which consists only of the plastic matrix and the reinforcing fibers, so has no additional inner shell.
  • the lost core can also be used to find use in combination with an inner layer. In this case, it serves to correspondingly stabilize the, for example, very thin inner layer and, despite a very thin and light inner layer, to provide sufficient stability for wrapping and / or braiding with the reinforcing fibers.
  • the core itself whether as a lost core or in the form of the inner layer
  • the finished storage volume coating for example, a mechanical and / or chemical coating, or a vapor deposition of the core is possible, so that an additional layer in the finished storage volume is formed inside the plastic matrix and the reinforcing fibers, which, for example, the diffusion resistance to the gas to be stored, in particular to hydrogen, elevated.
  • the coating layer is provided with a coating on its inner surface before or after curing.
  • the order of the coating for example, chemically, electrochemically or mechanically possible.
  • the coating essentially serves to correspondingly increase the tightness of the device for storing gas, in that the coating forms a diffusion barrier, for example for hydrogen stored in the device.
  • the device according to the invention can be constructed very cost-effectively, in particular with the method according to the invention, very cost-effectively and in comparison with structures according to the prior art. In contrast to conventional compressed gas storage, it is extremely flexible in terms of the space in which it can be installed, since it only reaches its final shape after curing. This makes it very flexible fit into various installation spaces, for example in
  • the preferred use of the device according to the invention or a device obtainable by the method according to the invention is accordingly in its use in a vehicle, in particular in a fuel cell vehicle.
  • the device serves to store hydrogen under high pressure, so that, for example, hydrogen at 700 bar nominal pressure easily and efficiently in the device according to the invention within installation spaces
  • Storage of hydrogen for receiving the device can be used.
  • Fig. 1 is a schematic diagram of a possible embodiment of the device according to the invention.
  • FIG. 2 shows a sectional view through the device according to the invention according to FIG. 1;
  • FIG. Fig. 3 is a side view of an alternative embodiment of the device according to the invention;
  • FIG. 4 shows a sectional view through the view according to FIG. 3;
  • Fig. 5 is a schematic diagram of a portion of a core for the production of
  • FIG. 6 shows a partial element from which the core according to FIG. 5 is assembled
  • Fig. 7 shows an embodiment of the device according to the invention, which is a
  • FIG. 8 shows the embodiment of the device according to FIG. 7 in its final form
  • FIG. and Fig. 9 shows a possible embodiment of an inner shell of the invention
  • FIG. 1 shows a three-dimensional view of a device 1 for storing gases, in particular hydrogen, under high pressure, for example at a core pressure of 350 bar or 700 bar.
  • Fig. 2 is for
  • the device 1 comprises a tubular storage volume 2, which is surrounded at least by a cladding layer 3.
  • the cladding layer 3 is made of reinforcing fibers and a
  • the tubular storage volume may have an additional inner layer or inner shell, which is typically referred to as a liner or inliner.
  • This liner 4 can not be explicitly recognized in the illustrations. However, it may in principle be present in all embodiments shown below. Typically, it serves as an additional diffusion barrier to the
  • Tightness to increase the stored hydrogen can for example consist of a plastic material or of a metallic material, for example an aluminum tube, or as described in the illustration of FIG. 9, made of an aluminum extruded profile, a plastic extruded profile or the like. It can be used in principle in all the embodiments shown below, it can, however, also be dispensed with, with the exception of the form of representation in FIG. 9.
  • the tubular storage volume 2 is produced as a tubular component with the enveloping layer 3. It can then be shaped, for example, into one
  • a device 1 which has a substantially square structure with about twice the thickness of
  • Pipe diameter has. After the tubular storage volume 2 has been brought into this form with its coating layer 3, it is cured accordingly, for example by the impregnation is activated either chemically or thermally when using pre-impregnated reinforcing fibers, so that the
  • Pre-impregnated applied plastic matrix hardens accordingly.
  • the impregnation and curing for example, with epoxy resin, take place.
  • a rigid and ideally self-supporting structure of the device then arises 1, which can be used in the corresponding space, for example inside the vehicle.
  • FIG. 4 again shows the cross section of the device shown in FIG. Instead of the "winding" is the tubular
  • Storage volume 2 with its cladding layer 3 here meander-like bent, and as can be seen from the cross section in Fig. 4, in the manner of closest packing
  • a core 7 shown in FIG. 5 can be used.
  • This core 7 has a
  • the core 7 can be formed in particular from wax or foamed polystyrene. It can be produced in a suitable form, for example, as a single component. With a typical diameter of the pipe sections 5 of about 60 to 80 mm and a total length of the construction of about 40 to 60 m, however, this is correspondingly complex. Therefore, it is provided in a preferred embodiment of the method according to the invention that the core 7 is formed from recognizable in the representation of FIG. 6 core portions 71, which can then be assembled to the entire core 7 very simple and efficient.
  • Each individual core section 71 has a substantially bottle-like shape, so that the entire core 7 is produced by assembling and, for example, fusing or gluing the core sections 71.
  • corresponding connecting elements 8 for the later storage volume 1 are arranged at the two axial ends of the core 7. In the illustration of FIG. 7, these can be seen within the enveloping layer 3 wound around the core 7.
  • One of the connecting elements 8 is designed as a closed end element and one of the connecting elements 8 (in Fig. 8 above) has a threaded through-hole in order to connect thereto a valve for refueling and removal of hydrogen from the device 1 can.
  • the construction shown by way of example is still flexible in the state shown in FIG. 7, in which the reinforcing fibers are preferably wound around the core 7, and can be bent accordingly, in particular in the region of the constrictions which form the later sheets 6.
  • the structure may for example consist of carbon fibers and a
  • Epoxy resin matrix exist.
  • the device 1 then receives after hardening its rigid shape, which is particularly adapted to the corresponding construction volumes in which it is to be fitted.
  • the core 7 is then removed from the device 1, so that the internal volume is available for storing hydrogen.
  • an inner layer 4 which is not recognizable in the representations, which is also referred to as a liner or inliner, can be arranged within the cladding layer 3.
  • This inner layer 4, which serves as a diffusion barrier for the hydrogen, can be made comparatively thin and can, for example in the manner of a shrink tube on the finished core 7 are laid before it is wrapped with the cladding layer 3 and the reinforcing fibers of the cladding layer 3 ,
  • the coating can be carried out, for example, galvanically.
  • the inner layer 4 is formed with such a large wall thickness that it has sufficient stability for depositing the reinforcing fibers without a specially introduced core 7. It can then be made, for example, as a pipe made of plastic or of metal or optionally also provided with a corresponding coating pipe. The inner layer 4 in this case simultaneously forms the core in the device 1.
  • FIG. 9 Another possible embodiment of the inner layer 4 can be seen in the illustration of FIG. 9.
  • an extruded profile for example of plastic or in particular of aluminum, is preferably used here.
  • webs 9 within the formed as an extruded inner layer 4 there is a division of the storage volume in cross section with each other not connected line sections 10, which are separated from the webs 9 from each other.
  • the webs 9 act against a widening of the inner layer 4 by the inside of the
  • This can be in the range of not shown in Fig. 9 sheath 3 material required, in particular the amount of required reinforcing fibers, reduce accordingly, so that the structure is once again much easier and cheaper.
  • This is due, in particular, to the fact that the extruded profile shown in FIG. 9 is available on the market as an inner layer 4 in a simple, cost-effective manner and in a very large number of different design variants.

Abstract

Eine Vorrichtung (1) dient zum Speichern von Gas unter hohem Druck. Sie ist aus einem rohrförmigen Speichervolumen (2) ausgebildet, welches von wenigstens einer Hüllschicht (3) umgeben ist. Wenigstens eine der Hüllschichten (3) weist dabei eine Kunststoffmatrix und Verstärkungsfasern auf. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass die wenigstens eine Hüllschicht (3) mit der Kunststoffmatrix und den Verstärkungsfasern zu einer starren Anordnung ausgehärtet ist. Die bevorzugte Verwendung der Vorrichtung (1 ) ist dabei der Einsatz zur Speicherung von Wasserstoff in einem Fahrzeug, insbesondere in einem Brennstoffzellenfahrzeug.

Description

Vorrichtung zum Speichern von Gas unter hohem Druck
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Speichern von Gas unter hohem Druck nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer derartigen Vorrichtung. Letztlich betrifft die Erfindung außerdem die Verwendung der Vorrichtung.
Vorrichtungen zum Speichern von Gas unter hohem Druck sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Typischerweise werden derartige Vorrichtungen auch als Druckgasspeicher bezeichnet. Sie sind im Allgemeinen flaschenförmig ausgebildet und dienen zum Speichern beispielsweise von Erdgas, insbesondere jedoch von Wasserstoff. Insbesondere bei Wasserstoff sind dabei Nenndrücke in der Höhe von 350 bar bzw. 700 bar üblich. Die Speicher haben einen vergleichsweise großen Durchmesser im Verhältnis zu ihrer Länge und sind deshalb hinsichtlich des Einbaus in bestehende Strukturen, insbesondere in bestehende Bauräume innerhalb eines Fahrzeugs, außerordentlich kritisch.
Ein Beispiel für eine Vorrichtung zum Speichern von Gas unter hohem Druck ist in DE 10 2006 046 722 B4 beschrieben. Der dortige Speicherbehälter, welcher auch als rohrförmiger Hochdruckspeichertank beschrieben wird, ist insbesondere aus einer das Speichervolumen umgebenden Innenschicht ausgebildet, welche dann von einer
Verstärkungsschicht umgeben ist. Den Aufbau nach außen schließt wiederum eine flexible Außenschicht ab. Der Aufbau sieht für die Verstärkungsschicht ein flexibles elastisches Material vor, welches beispielsweise in der Art eines Gummimaterials ausgebildet ist, und welches zusätzlich durch in das Gummimaterial eingebrachte
Verstärkungsfasern gegenüber einem Bersten der Innenschicht gesichert ist. Der dort beschriebene rohrförmige Hochdruckspeicherschlauch ist dabei insgesamt flexibel
BESTÄTIGUNGSKOPIE ausgestaltet und kann dadurch in entsprechende Freiräume, beispielsweise innerhalb eines Fahrzeugs eingebracht und innerhalb dieser Freiräume fixiert werden. In einer vorteilhaften Alternative wird außerdem beschrieben, dass der flexible elastische Aufbau in einen starren Metall kästen, welcher die notwendige Außenform definiert, eingebracht wird.
Der Aufbau erlaubt durch seine Elastizität und Flexibilität dabei die Ausnutzung von ansonsten nicht oder nur schwer nutzbaren Bauräumen, beispielsweise innerhalb eines Fahrzeugs. Er ermöglicht außerdem die Verwendung in unterschiedlichen Fahrzeugen, da er aufgrund seiner Flexibilität bei der Montage an unterschiedliche Bauräume angepasst werden kann. Durch die Fixierung lediglich innerhalb des Bauraums entsteht jedoch ein gravierender Nachteil. Eine Demontage des Speichers ist außerordentlich aufwändig, da dieser sich durch seine Flexibilität entfaltet und insbesondere bei einer eventuellen Wiedermontage aufwändig in den entsprechenden Bauraum zurückgelegt werden muss. Hierdurch entsteht ein erheblicher Aufwand.
Außerdem ist es beim Einsatz in einem Fahrzeug so, dass sich der flexible Schlauchtank im Falle einer Beschädigung des ihn umgebenden Bauraums entfalten und in die Umgebung ragen kann. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn er mit einem vergleichsweise hohen Druck befüllt ist, da dann bei einem nicht starren Aufbau die Gefahr besteht, dass dieser sich bewegt. Dies gilt insbesondere, wenn ein Leck beispielsweise an einem Ende des Schlauchs auftritt. Durch die Flexibilität schlägt dieser dann hin und her, ähnlich wie ein an seinem Ende nicht fixierter Wasserschlauch, aus dem Wasser mit hoher Geschwindigkeit bzw. hohem Druck ausströmt. Der Aufbau stellt in diesem Fall ein stark erhöhtes Sicherheitsrisiko dar.
Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, eine Vorrichtung zum Speichern von Gas unter hohem Druck, insbesondere zum Speichern von niedermolekularen Gasen wie beispielsweise Wasserstoff, anzugeben, welche die genannten Nachteile vermeidet und einen einfachen und effizienten Aufbau ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und
Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den restlichen abhängigen Ansprüchen. Außerdem löst ein Verfahren zum Herstellen einer derartigen Vorrichtung mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 6 diese
Aufgabe. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens sind in den hiervon abhängigen Unteransprüchen entsprechend angegeben. Im Anspruch 15 ist außerdem eine bevorzugte Verwendung der Vorrichtung beschrieben.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Speichern von Gas, welche auch als Rohrspeicher bezeichnet werden könnte, ist das eigentliche rohrförmige
Speichervolumen, ähnlich wie im Stand der Technik, von wenigstens einer Hüllschicht umgeben. Diese kann insbesondere aus einer Kunststoffmatrix und Verstärkungsfasern aufgebaut werden, ebenso wie es im Stand der Technik der Fall ist. Der entscheidende Unterschied gegenüber dem Stand der Technik liegt nun darin, dass bei der
erfindungsgemäßen Vorrichtung die wenigstens eine Hüllschicht mit der Kunststoffmatrix und den Verstärkungsfasern zu einer starren Anordnung ausgehärtet ist. Die
erfindungsgemäße Vorrichtung zum Speichern von Gas weist also keine Flexibilität auf. Sie wird vielmehr während ihrer Herstellung in die endgültige Form, welche sie später einnehmen soll, angebracht und wird dann ausgehärtet, um so eine im Wesentlichen starre Anordnung des rohrförmigen Speichervolumens zu erzielen. Dieses weist dann keine Flexibilität und Elastizität mehr auf, sondern bleibt als selbsttragendes starres Gebilde in der vorgesehenen Form. Hierdurch kann auf eine starre den Aufbau
umgebende Hülle verzichtet werden, da bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung durch den starren Aufbau nach dem Aushärten keine zusätzliche Unterstützung der Form notwendig ist. Die Vorrichtung kann einfach und effizient eingebaut werden und wird sich auch dann nicht aus ihrer vorgesehenen Form verformen, wenn eine entsprechende Verkleidung, Befestigung oder dgl. beschädigt wird. Vielmehr wird die rohrförmige Vorrichtung zum Speichern von Gas ihre Form auch in solchen kritischen Fällen beibehalten, was zu einem erheblichen zusätzlichen Vorteil bei der Sicherheit,
insbesondere beim Einsatz der Vorrichtung als Wasserstofftank in einem Fahrzeug, führt.
In einer sehr günstigen Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum
Speichern von Gas ist es dabei vorgesehen, dass das rohrförmige Speichervolumen mehrfach umgebogen ausgebildet ist, wobei der Innendurchmesser des rohrförmigen Speichervolumens im Bereich der Bögen verringert ist, und wobei die Schichtstärke der ausgehärteten Hüllschicht im Bereich der Bögen allenfalls gleich, oder bevorzugt kleiner, als in den nicht umgebogenen Bereichen ist. Typischerweise wird das rohrförmige Speichervolumen mehrfach umgebogen, wobei insbesondere bereits bei der Herstellung und im Vorfeld des Umbiegens die für das spätere Umbiegen vorgesehenen Bereiche des rohrförmigen Speichervolumens, in an sich bekannter Art und Weise, mit einem verringerten Durchmesser vorgesehen sind. Hierdurch ist ein sehr viel leichteres und effizienteres Biegen möglich.
Aufgrund des verringerten Innendurchmessers des Speichervolumens im Bereich der Bögen treten hier sehr viel geringere Axial- und Radialkräfte auf. Dadurch ist es beispielsweise möglich, die Segmente des Rohrtanks einzeln zu fertigen und durch geeignete Fügetechniken zu einem späteren Zeitpunkt zu verbinden.
In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Speichern von Gas kann es dabei vorgesehen sein, dass innerhalb der ausgehärteten Hüllschicht eine das Speichervolumen umgebende Innenhülle angeordnet ist. Ein solcher sog. Liner bzw. Inliner kann eingesetzt werden, um beispielsweise bei der Verwendung der Vorrichtung als Wasserstofftank, die Dichtheit gegenüber dem Wasserstoff zu vergrößern. Der Liner kann beispielsweise aus einem Kunststoff schlauch oder einem metallischen Rohr bestehen.
In einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung dieser Idee ist es dabei vorgesehen, dass die Innenhülle als Strangpressprofil ausgebildet ist, welches einzelne im Querschnitt untereinander nicht verbundene Leitungsabschnitte aufweist. Solche innerhalb des Strangpressprofils parallel liegende Leitungsabschnitte, beispielsweise bei einer kreuzförmigen Innenverstärkung in einem rohrförmigen Strangpressprofil vier parallel verlaufende im Querschnitt viertelkreisförmige Leitungsabschnitte können so einfach und effizient innerhalb der Innenhülle vereint werden. Derartige
Strangpressprofile sind beispielsweise aus Kunststoffmaterialien oder auch aus metallischen Materialien wie insbesondere Aluminium, einfach und effizient am Markt verfügbar. Aufgrund der Verringerung der Durchmesser der einzelnen Leitungsabschnitte bzw. aufgrund der die radialen Kräfte in der Art von Zugankern aufnehmenden die einzelnen Leitungsabschnitte im Querschnitt untereinander trennenden Stege des Strangpressprofils können radial nach außen wirkende Kräfte bei der Befüllung des Strangpressprofils mit Gasen noch besser ausgeglichen werden, sodass weniger Radialkräfte von der ausgehärteten Hüllschicht aufgenommen werden müssen. Diese kann hierdurch entsprechend dünner und insbesondere mit weniger kostspieligen Verstärkungsfasern ausgebildet werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zum Speichern von Gas unter hohem Druck, aus einem rohrförmigen Speichervolumen, welches von wenigstens einer Hüllschicht mit Verstärkungsfasern und einer Kunststoffmatrix umgeben ist, ist es gemäß der Erfindung vorgesehen, dass die Hüllschicht aus den
Verstärkungsfasern oder aus mit Kunststoff vorimprägnierten Verstärkungsfasern durch Umwickeln und/oder Umflechten eines Kerns hergestellt wird, wonach in einem ersten erfindungsgemäßen Schritt das noch flexible rohrförmige Speichervolumen in seine spätere Endform gebracht wird, was beispielsweise durch Umbiegen und Aufstapeln der zwischen den Bögen liegenden Rohrabschnitte erfolgen kann. Im zweiten
erfindungsgemäßen Schritt wird danach ein Aushärten der vorimprägnierten
Kunststoffmatrix und/oder ein Tränken der Verstärkungsfaser mit der Kunststoffmatrix, mit anschließendem Aushärten, bewirkt. Hierdurch wird ein starrer Aufbau geschaffen, welcher als selbsttragender Aufbau der Vorrichtung zum Speichern von Gas ausgebildet ist, und welcher beispielsweise über Spannbänder oder dgl. an einer geeigneten Stelle, insbesondere in einem Fahrzeug, aufgenommen werden kann, ohne dass
Verkleidungselemente notwendig wären, welche die erfindungsgemäße Vorrichtung außen umgeben und in ihrer gewünschten Form halten.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, dass eine das Speichervolumen umschließende Innenschicht als Kern zum Umwickeln und/oder Umflechten verwendet wird. Über eine solche Innenschicht als Kern zum Umflechten oder insbesondere zum reinen Umwickeln lässt sich ein sehr einfacher Aufbau realisieren, welcher verfahrenstechnisch sehr leicht beherrscht werden kann. Die Innenschicht kann beispielsweise aus Kunststoff, aus einem metallischen Material oder einem entsprechenden Verbundwerkstoff, beispielsweise einem mit Metall beschichteten Kunststoff oder dgl. ausgebildet sein. Die typischerweise rohrförmige Innenschicht kann dabei von konstantem Durchmesser sein oder in einigen Bereichen bereits Verjüngungen aufweisen, sodass die Vorrichtung später im Bereich der
Verjüngungen sehr leicht umgebogen und beispielsweise in eine mäanderartige Endform gebracht und dann entsprechend ausgehärtet werden kann. Ergänzend oder alternativ zu der eben beschriebenen Ausführungsform kann es darüber hinaus vorgesehen sein, dass ein verlorener Kern verwendet wird. Ein solcher verlorener Kern kann beispielsweise aus Wachs hergestellt und später durch Erwärmen
ausgeschmolzen werden. Genauso gut ist die Herstellung beispielsweise aus
aufgeschäumten Polystyrol oder Ähnlichem denkbar, welches dann über ein
Lösungsmittel ausgewaschen wird. Ein solcher verlorener Kern kann einerseits eingesetzt werden, um direkt mit den Verstärkungsfasern und der Kunststoffmatrix, also der
Hüllschicht, umgeben zu werden, sodass letztlich eine Vorrichtung zum Speichern von Gas entsteht, welche lediglich aus der Kunststoffmatrix und den Verstärkungsfasern besteht, also keine zusätzliche Innenhülle aufweist. Ergänzend oder alternativ dazu kann der verlorene Kern auch eingesetzt werden, um in Kombination mit einer Innenschicht Verwendung zu finden. In diesem Fall dient er dazu, die beispielsweise sehr dünne Innenschicht entsprechend zu stabilisieren und, trotz einer sehr dünnen und leichten Innenschicht dieser eine ausreichende Stabilität zum Umwickeln und/oder Umflechten mit den Verstärkungsfasern zu geben.
Der Kern selbst, egal ob er als verlorener Kern oder in Form der Innenschicht
ausgebildet, kann vor dem Umwickeln und/oder Umflechten gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer im fertigen Speichervolumen verbleibenden Beschichtung versehen werden. So ist beispielsweise eine mechanische und/oder chemische Beschichtung, oder auch ein Bedampfen des Kerns möglich, sodass im Inneren der Kunststoffmatrix und der Verstärkungsfasern eine zusätzliche Schicht in dem fertigen Speichervolumen entsteht, welche beispielsweise die Diffusionsbeständigkeit gegenüber dem zu speichernden Gas, insbesondere gegenüber Wasserstoff, erhöht.
In einer ergänzenden oder alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens kann es auch vorgesehen sein, dass die Hüllschicht vor oder nach dem Aushärten an ihrer Innenfläche mit einer Beschichtung versehen wird. Auch hier ist wieder der Auftrag der Beschichtung beispielsweise chemisch, elektrochemisch oder auch mechanisch möglich. Auch hier dient die Beschichtung im Wesentlichen dazu, die Dichtheit der Vorrichtung zum Speichern von Gas entsprechend zu erhöhen, indem die Beschichtung eine Diffusionssperre, beispielsweise für in der Vorrichtung gespeicherten Wasserstoff, ausbildet. Die erfindungsgemäße Vorrichtung lässt sich, insbesondere mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, sehr leicht und im Vergleich zu Aufbauten gemäß dem Stand der Technik sehr kostengünstig aufbauen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Druckgasspeichern ist sie hinsichtlich des Bauraums, in welchen sie eingebaut werden kann, außerordentlich flexibel, da sie ihre endgültige Form erst nach dem Aushärten erreicht. Damit lässt sie sich sehr flexibel in verschiedene Bauräume einpassen, beispielsweise in
unterschiedliche Fahrzeugtypen. Die bevorzugte Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhältlichen Vorrichtung liegt dementsprechend in ihrem Einsatz in einem Fahrzeug, insbesondere in einem Brennstoffzellenfahrzeug. Die Vorrichtung dient dabei zur Speicherung von Wasserstoff unter hohem Druck, sodass beispielsweise Wasserstoff bei 700 bar Nenndruck einfach und effizient in der erfindungsgemäßen Vorrichtung innerhalb von Bauräumen
gespeichert werden kann, welche in dem Fahrzeug ohnehin zur Verfügung stehen bzw. einfach und effizient durch die an diese Bauräume angepasste Vorrichtung zur
Speicherung von Wasserstoff zur Aufnahme der Vorrichtung verwendet werden können.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den restlichen abhängigen
Unteransprüchen und werden anhand der Ausführungsbeispiele deutlich, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben sind.
Dabei zeigen:
Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig. 2 eine Schnittdarstellung durch die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß Fig. 1 ; Fig. 3 eine Seitenansicht einer alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig. 4 eine Schnittdarstellung durch die Ansicht gemäß Fig. 3;
Fig. 5 eine Prinzipdarstellung eines Abschnitts aus einem Kern zur Herstellung der
erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig. 6 ein Teilelement, aus dem der Kern gemäß Fig. 5 zusammengesetzt ist;
Fig. 7 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, welche um einen
Kern gemäß den Figuren 5 und 6 aufgebaut worden, ist in einer Ausgangslage; Fig. 8 die Ausführungsform der Vorrichtung gemäß Fig. 7 in ihrer Endform; und Fig. 9 eine mögliche Ausführungsform einer Innenhülle der erfindungsgemäßen
Vorrichtung im Querschnitt.
In der Darstellung der Fig. 1 ist eine dreidimensionale Ansicht einer Vorrichtung 1 zum Speichern von Gasen, insbesondere von Wasserstoff, unter hohem Druck, beispielsweise unter einem Kerndruck von 350 bar oder 700 bar dargestellt. In Fig. 2 ist zur
Verdeutlichung ein Querschnitt durch die Vorrichtung 1 zu erkennen. Die Vorrichtung 1 umfasst ein rohrförmiges Speichervolumen 2, welches zumindest von einer Hüllschicht 3 umgeben ist. Die Hüllschicht 3 ist dabei aus Verstärkungsfasern und einer
Kunststoffmatrix ausgebildet. Das rohrförmige Speichervolumen kann eine zusätzliche Innenschicht bzw. Innenhülle aufweisen, welche typischerweise auch als Liner oder Inliner bezeichnet wird. Dieser Liner 4 ist in den Darstellungen nicht explizit zu erkennen. Er kann jedoch in allen nachfolgend dargestellten Ausführungsformen grundsätzlich vorhanden sein. Typischerweise dient er als zusätzliche Diffusionssperre, um die
Dichtheit gegenüber dem gespeicherten Wasserstoff zu erhöhen. Er kann beispielsweise aus einem Kunststoffmaterial oder auch aus einem metallischen Material, beispielsweise einem Aluminiumrohr, oder wie in der Darstellung der Fig. 9 beschrieben, aus einem Aluminiumstrangpressprofil, einem Kunststoffstrangpressprofil oder dgl. bestehen. Er kann in allen nachfolgend dargestellten Ausführungsformen grundsätzlich eingesetzt sein, auf ihn kann, mit Ausnahme der Darstellungsform in Fig. 9, jedoch jeweils auch verzichtet werden.
Das rohrförmige Speichervolumen 2 wird als rohrförmiges Bauteil mit der Hüllschicht 3 hergestellt. Es kann dann so geformt werden, dass es beispielsweise in einen
vorgegebenen Bauraum, vorzugsweise innerhalb eines Fahrzeugs, eingepasst werden kann. In der Darstellung der Fig. 1 wird dadurch eine Vorrichtung 1 erzielt, welche im Wesentlichen einen quadratischen Aufbau mit in etwa der doppelten Dicke des
Rohrdurchmessers aufweist. Nachdem das rohrförmige Speichervolumen 2 mit seiner Hüllschicht 3 in diese Form gebracht worden ist, wird es entsprechend ausgehärtet, beispielsweise indem bei der Verwendung von vorimprägnierten Verstärkungsfasern die Imprägnierung entweder chemisch oder thermisch aktiviert wird, sodass die
vorimprägniert aufgebrachte Kunststoffmatrix entsprechend aushärtet. Bei der ebenso denkbaren Verwendung von reinen Verstärkungsfasern kann zu diesem Zeitpunkt auch das Tränken und Aushärten, beispielsweise mit Epoxidharz, erfolgen. Im Wesentlichen entsteht dann ein in sich starrer und idealerweise selbsttragender Aufbau der Vorrichtung 1 , welcher in den entsprechenden Bauraum, beispielsweise innerhalb des Fahrzeugs, eingesetzt werden kann.
Eine alternative Ausführungsform der Vorrichtung 1 ist in der Darstellung der Fig. 3 zu erkennen. Die Darstellung in Fig. 4 zeigt wiederum den Querschnitt der in Fig. 3 dargestellten Vorrichtung. Anstelle des "Aufwickeins" wird das rohrförmige
Speichervolumen 2 mit seiner Hüllschicht 3 hier mäanderartig gebogen, und wie es aus dem Querschnitt in Fig. 4 zu erkennen ist, in der Art der dichtesten Packung
übereinandergestapelt, um so eine sehr kompakte Vorrichtung 1 mit vergleichsweise großem Speichervolumen im Inneren zu erzielen. Um das mäanderförmige Biegen zu erleichtern, ist es, wie es in der Darstellung der Fig. 3 zu erkennen ist, dabei vorgesehen, dass zwischen im Wesentlichen geraden rohrförmigen Abschnitten 5 Bögen 6 angeordnet sind, welche in ihrem Querschnitt gegenüber den geraden Rohrabschnitten 5 reduziert sind, um so das Umbiegen des rohrförmigen Speichervolumens 2 bzw. der Hüllschicht 3 zu erleichtern.
Zur Herstellung beispielsweise des in den Figuren 3 und 4 gezeigten Aufbaus kann dabei ein in Fig. 5 gezeigter Kern 7 verwendet werden. Dieser Kern 7 weist ein
rotationssymmetrisches Profil auf, welches in dem mit 5' bezeichneten Bereich später zur Ausbildung der geraden Rohrabschnitte 5 geeignet ist, und welches sich in dem mit 6' bezeichneten Bereich entsprechend verjüngt, um später mit einem harmonischen
Übergang von den Rohrabschnitten 5 zu den Bögen 6 die Bögen 6 auszubilden. Der Kern 7 kann dabei insbesondere aus Wachs oder geschäumtem Polystyrol ausgebildet werden. Er kann in einer geeigneten Form beispielsweise als einziges Bauteil hergestellt werden. Bei einem typischen Durchmesser der Rohrabschnitte 5 von ca. 60 bis 80 mm und einer Gesamtlänge des Aufbaus von ca. 40 bis 60 m ist dies jedoch entsprechend komplex. Daher ist es in einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass der Kern 7 aus in der Darstellung der Fig. 6 erkennbaren Kernabschnitten 71 ausgebildet wird, welche dann zu dem gesamten Kern 7 sehr einfach und effizient zusammengesetzt werden können. Jeder einzelne Kernabschnitt 71 hat dabei eine im Wesentlichen flaschenartige Form, sodass durch Zusammensetzen und beispielsweise Verschmelzen oder Verkleben der Kernabschnitte 71 der gesamte Kern 7 entsteht. In einer bevorzugten Ausführungsform werden dabei an den beiden axialen Enden des Kerns 7 entsprechende Anschlusselemente 8 für das spätere Speichervolumen 1 angeordnet. In der Darstellung der Fig. 7 sind diese innerhalb der um den Kern 7 gewickelten Hüllschicht 3 zu erkennen. Eines der Anschlusselemente 8 ist dabei als verschlossenes Abschlusselement ausgebildet und eines der Anschlusselemente 8 (in Fig. 8 oben) weist eine Durchgangsbohrung mit Gewinde auf, um hieran ein Ventil zum Betanken und Entnehmen des Wasserstoffs aus der Vorrichtung 1 anschließen zu können.
Der beispielhaft gezeigte Aufbau ist in dem in Fig. 7 gezeigten Zustand, bei welchem die Verstärkungsfasern bevorzugt um den Kern 7 gewickelt worden sind, noch flexibel und kann entsprechend gebogen werden, insbesondere im Bereich der Verjüngungen, welche die späteren Bögen 6 ausbilden. Ein solcher gebogener Zustand der in Fig. 7
dargestellten beispielhaft sehr kurz gehaltenen Vorrichtung 1 ist in der Darstellung der Fig. 8 zu erkennen. Nachdem die Vorrichtung in diese in Fig. 8 dargestellte endgültige Ausgestaltung gebogen worden ist, wird die in den Verstärkungsfasern bereits
vorimprägniert enthaltene Kunststoffmatrix ausgehärtet oder, falls die Verstärkungsfasern nicht vorimprägniert sind, eine entsprechende Kunststoffmatrix aufgebracht und ausgehärtet. Der Aufbau kann beispielsweise aus Kohlefasern und einer
Epoxidharzmatrix bestehen. Die Vorrichtung 1 erhält dann nach dem Aushärten ihre starre Form, welche insbesondere an die entsprechenden Bauvolumina, in welche sie eingepasst werden soll, angepasst ist. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel mit einem Kern 7, welcher ausgeschmolzen oder ausgewaschen werden kann, wird dann der Kern 7 aus der Vorrichtung 1 entfernt, sodass das Innenvolumen zur Speicherung von Wasserstoff zur Verfügung steht.
Wie bereits erwähnt kann innerhalb der Hüllschicht 3 eine in den Darstellungen nicht erkennbare Innenschicht 4, welche auch als Liner oder Inliner bezeichnet wird, angeordnet sein. Diese Innenschicht 4, welche als Diffusionssperre für den Wasserstoff dient, kann dabei vergleichsweise dünn ausgebildet sein und kann, beispielsweise in der Art eines Schrumpfschlauchs über den fertigen Kern 7 gelegt werden, bevor dieser mit der Hüllschicht 3 bzw. den Verstärkungsfasern der Hüllschicht 3 umwickelt wird.
Ergänzend oder alternativ dazu ist es auch möglich, den Kern 7 mit der Innenschicht 4 entsprechend zu beschichten, oder diese als Beschichtung erst nach dem Entfernen des Kerns 7 aus der Vorrichtung 1 im Inneren der Hüllschicht 3 anzubringen. Beim Einsatz von metallischen Verstärkungsfasern oder Kohlefasern, welche elektrisch leitend sind, kann die Beschichtung beispielsweise galvanisch erfolgen.
Eine weitere Alternative besteht darin, die Innenschicht 4 mit einer so großen Wandstärke auszubilden, dass diese ohne eigens eingebrachten Kern 7 eine ausreichende Stabilität zum Ablegen der Verstärkungsfasern aufweist. Sie kann dann beispielsweise als Rohr aus Kunststoff oder aus Metall hergestellt sein oder gegebenenfalls auch aus mit einer entsprechenden Beschichtung versehenem Rohr. Die Innenschicht 4 bildet in diesem Fall gleichzeitig den Kern in der Vorrichtung 1 aus.
Eine weitere mögliche Ausgestaltung der Innenschicht 4 ist in der Darstellung der Fig. 9 zu erkennen. Anstelle der Verwendung eines Rohrs mit einem im Wesentlichen gleichmäßigen offenen Querschnitt wird hier vorzugsweise ein Strangpressprofil, beispielsweise aus Kunststoff oder insbesondere aus Aluminium eingesetzt. Durch Stege 9 innerhalb der als Strangpressprofil ausgebildeten Innenschicht 4 kommt es zu einer Aufteilung des Speichervolumens in im Querschnitt untereinander nicht verbundene Leitungsabschnitte 10, welche von den Stegen 9 voneinander getrennt werden. Die Stege 9 wirken dabei gegen ein Aufweiten der Innenschicht 4 durch den im Inneren der
Leitungsabschnitte 10 unter Druck stehenden Wasserstoff in der Art von Zugankern, und verhindern damit eine sehr starke Aufdehnung der Innenschicht 4. Hierdurch lässt sich im Bereich der in Fig. 9 nicht dargestellten Hüllschicht 3 benötigtes Material, insbesondere die Menge an benötigten Verstärkungsfasern, entsprechend reduzieren, sodass der Aufbau nochmals viel einfacher und kostengünstiger wird. Dies liegt insbesondere auch daran, dass das in Fig. 9 dargestellte Strangpressprofil als Innenschicht 4 einfach, kostengünstig und in sehr vielen verschiedenen Ausführungsvarianten am Markt verfügbar ist.

Claims

Patentansprüche
Vorrichtung (1) zum Speichern von Gas unter hohem Druck, mit einem
rohrförmigen Speichervolumen
(2), welches von wenigstens einer Hüllschicht (3) umgeben ist, wobei wenigstens eine der Hüllschichten (3) eine Kunststoffmatrix und Verstärkungsfasern aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die wenigstens eine Hüllschicht (3) mit der Kunststoffmatrix und den
Verstärkungsfasern zu einer starren Anordnung ausgehärtet ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
innerhalb der ausgehärteten Hüllschicht
(3) eine das Speichervolumen (2) umgebende Innenschicht
(4) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
das rohrförmige Speichervolumen (2) mehrfach umgebogen ausgebildet ist, wobei der Innendurchmesser des rohrförmigen Speichervolumens (2) im Bereich der Bögen (6) verringert ist, und wobei die Schichtstärke der ausgehärteten Hüllschicht (3) im Bereich der Bögen (6) allenfalls gleich oder bevorzugt kleiner als in den nicht umgebogenen Bereichen (Rohrabschnitte 5) ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 , 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
das rohrförmige Speichervolumen (2) ein Verhältnis von maximaler Länge zu maximalem Durchmesser von mehr als 50 aufweist.
5. Vorrichtung (1) nach Anspruch 2, 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Innenschicht (4) als Strangpressprofil mit einzelnen im Querschnitt
untereinander nicht verbundenen Leitungsabschnitten (10) ausgebildet ist.
6. Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung (1) zum Speichern von Gas unter
hohem Druck aus einem rohrförmigen Speichervolumen (2), welches von wenigstens einer Hüllschicht (3) mit Verstärkungsfasern und einer Kunststoffmatrix umgeben ist, wobei die Hüllschicht (3) aus Verstärkungsfasern oder mit Kunststoff vorimprägnierten Verstärkungsfasern durch Umwickeln und/oder Umflechten eines Kerns (4, 7) hergestellt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
das noch flexible rohrförmige Speichervolumen (2) in seine spätere Endform gebracht wird, wonach ein Aushärten der vorimprägnierten Kunststoffmatrix und/oder ein Tränken der Verstärkungsfasern mit der Kunststoffmatrix, mit anschließendem Aushärten erfolgt.
7. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine das Speichervolumen (2) in der fertigen Vorrichtung (1) umschließende Innenschicht (4) als Kern zum Umwickeln und/oder Umflechten verwendet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein verlorener Kern (7) anstelle der Innenschicht (4) als Kern oder innerhalb der Innenschicht (4) verwendet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 6, 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Kern (4, 7) an seinen axialen Enden mit Anschlusselementen (8) versehen wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (4, 7) vor dem Umwickeln und/oder Umflechten mit einer in der fertigen Vorrichtung (1) verbleibenden Beschichtung versehen wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Hüllschicht (3) vor oder nach dem Aushärten an ihrer Innenfläche mit einer Beschichtung als Innenschicht (4) versehen wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 1 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Kern (4, 7) so ausgebildet wird, dass er im Bereich von Bögen (6), welche beim Verformen des rohrförmigen Speichervolumens (2) in die Endform entstehen, einen verringerten Durchmesser hat.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Kern (4, 7) aus sich einseitig verjüngenden um eine Achse
rotationssymmetrischen Einzelteilen (Kernabschnitte 71) zusammengesetzt wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Kern (4, 7) mit den Verstärkungsfasern umwickelt wird.
15. Verwendung der Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 oder einer nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 6 bis 14 erhältlichen Vorrichtung (1), zur Speicherung von Wasserstoff unter hohem Druck in einem Fahrzeug, insbesondere in einem Brennstoffzellenfahrzeug.
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