WO2023144188A1 - Druckbehältersystem mit mehreren druckbehältern sowie kraftfahrzeug - Google Patents

Druckbehältersystem mit mehreren druckbehältern sowie kraftfahrzeug Download PDF

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WO2023144188A1
WO2023144188A1 PCT/EP2023/051764 EP2023051764W WO2023144188A1 WO 2023144188 A1 WO2023144188 A1 WO 2023144188A1 EP 2023051764 W EP2023051764 W EP 2023051764W WO 2023144188 A1 WO2023144188 A1 WO 2023144188A1
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pressure vessel
pressure
vessels
reinforced
pressure vessels
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PCT/EP2023/051764
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Lydia Moral Graci
Klaus Szoucsek
Original Assignee
Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
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    • F17C2223/03—Handled fluid before transfer, i.e. state of fluid when stored in the vessel or before transfer from the vessel characterised by the pressure level
    • F17C2223/033—Small pressure, e.g. for liquefied gas
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    • F17C2223/036—Very high pressure (>80 bar)
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    • F17C2270/0165—Applications for fluid transport or storage on the road
    • F17C2270/0168—Applications for fluid transport or storage on the road by vehicles

Definitions

  • Pressure vessel system with several pressure vessels and motor vehicle
  • the technology disclosed here relates to a pressure vessel system with a plurality of different pressure vessels and motor vehicle
  • Underfloor pressure vessel systems are known from the prior art, which include several identical pressure vessels for storing fuel. There is an effort to further improve these pressure vessel systems with regard to storage volume, costs, weight and safety, while at the same time the pressure vessel system should be able to be integrated into the same construction space as the high-voltage storage systems of other vehicle derivatives, for example purely battery-powered vehicles.
  • the object(s) is/are solved by the subject matter of patent claim 1 .
  • the dependent claims represent preferred embodiments.
  • the object is achieved, among other things, by a pressure vessel system for a motor vehicle.
  • the pressure vessel system includes multiple pressure vessels for storing fuel. At least one pressure vessel of the plurality of pressure vessels is an armored pressure vessel. At least one other pressure vessel of the plurality of pressure vessels is an armor-free pressure vessel.
  • the technology disclosed here relates to a pressure vessel system for a motor vehicle (e.g. passenger cars, motorcycles, commercial vehicles).
  • the pressure vessel system is used to store fuel that is gaseous under ambient conditions.
  • the pressure vessel system can be used, for example, in a motor vehicle that is operated with compressed (also called Compressed Natural Gas or CNG) or liquefied (also called Liquid Natural Gas or LNG) natural gas or with hydrogen.
  • the pressure vessel system is fluidly connected to at least one energy converter, which is set up to convert the chemical energy of the fuel into other forms of energy.
  • the pressure vessel system may include, for example, a cryogenic pressure vessel or a high pressure gas vessel.
  • NWP nominal working pressure
  • a cryogenic pressure vessel is suitable for storing the fuel at the aforementioned operating pressures even at temperatures which are significantly (eg more than 50 Kelvin or more than 100 Kelvin) below the operating temperature of the motor vehicle.
  • the pressure vessel system includes a plurality of pressure vessels.
  • the pressure vessel system preferably comprises more than 5 or more than 7 or more than 10 pressure vessels.
  • the pressure vessel system is expediently provided in the underfloor area.
  • the underfloor area is the area of the motor vehicle that is provided below the passenger compartment and expediently between the wheels of the motor vehicle.
  • a high-voltage storage system for battery-powered vehicles is also regularly integrated into this installation space.
  • the same body can be used for fuel cell powered vehicles and battery powered vehicles.
  • a pressure vessel assembly (also referred to as a "container assembly”) can have the multiple pressure vessels as well as supporting, fastening and/or protective elements (e.g. protective shields, shields, barrier layers, covers, coatings, wrappings, etc.) permanently connected to the pressure vessels -, Fastening and / or protective elements can expediently only be dismantled temporarily and preferably only by qualified personnel and/or not non-destructively.
  • a pressure vessel assembly is particularly suitable for flat installation spaces, especially in the underfloor area.
  • the pressure vessel assembly can preferably be installed as a whole in the vehicle
  • the pressure vessel assembly can have common body connection points, by means of which the system can be fastened as a whole in the motor vehicle.
  • the pressure vessels can have circular or oval cross-sections.
  • the individual pressure vessels can be designed as storage tubes. For example, several pressure vessels can be provided, the longitudinal axes of which run parallel to one another in the installed position.
  • the single ones Pressure vessels can each have a length-to-diameter ratio with a value between 5 and 200, preferably between 7 and 100, and particularly preferably between 9 and 50.
  • the length-to-diameter ratio is the quoting of the total length of the individual pressure vessels (e.g. total length of a storage tube without fluid connection elements) in the numerator and the largest outside diameter of the pressure vessel in the denominator.
  • the individual pressure vessels can be arranged directly adjacent to one another, for example at a distance from one another of less than 20 cm or less than 15 cm or less than 10 cm or less than 5 cm.
  • At least one pressure vessel of the plurality of pressure vessels is an armored pressure vessel.
  • An armored pressure vessel can be, for example, a type 2, type 3 or type 4 pressure vessel.
  • the pressure vessel expediently includes an inner layer, usually referred to as a liner, and a fiber-reinforced layer that forms the reinforcement.
  • the fiber reinforced layer surrounds the inner layer and ensures that the pressure vessel can withstand the pressure loads. It is also conceivable that no inner layer serving as a winding core is provided. Long fibers are expediently introduced into the fiber-reinforced layer.
  • the fibers are advantageously carbon fibers, glass fibers and/or fibers made from Kevlar.
  • a plastic resin is preferably used as the matrix material.
  • the inner layer can be made of metal (e.g.
  • a reinforced pressure vessel always includes a reinforcement made of a fiber-reinforced material.
  • the pressure vessel comprises at least one fiber-reinforced layer.
  • the fiber-reinforced layer can preferably have a liner at least in some areas completely surrounded.
  • the fiber-reinforced layer is often also referred to as a laminate or sheathing or reinforcement.
  • the term "fiber-reinforced layer" is mostly used.
  • fiber-reinforced plastics are used as the fiber-reinforced layer, for example carbon-fiber-reinforced plastics and/or glass-fiber-reinforced plastics.
  • the fiber-reinforced layer expediently comprises reinforcing fibers embedded in a plastic matrix.
  • the matrix material, the type and proportion of reinforcing fibers and their orientation can be varied in order to achieve the desired mechanical and/or chemical properties.
  • Endless fibers are preferably used as reinforcement fibers, which can be applied by winding and/or braiding.
  • the fiber-reinforced layer usually has several layers.
  • At least one other pressure vessel of the plurality of pressure vessels is an armor-free pressure vessel.
  • These reinforcement-free pressure vessels can also be referred to as steel vessels.
  • a pressure vessel without reinforcement is a pressure vessel that has no reinforcement, i.e. no fiber-reinforced layer. Instead, the wall of the armor-free pressure vessel is regularly made from a metal material.
  • a high-strength steel preferably forms the wall of the reinforcement-free pressure vessel.
  • the material of the wall of the reinforcement-free pressure vessel preferably comprises the following elements: 0.3 to 0.5% carbon and/or 0.6 to 1.5% chromium and/or 0.5 to 1.0% manganese and/or 0. 2 to 0.75% molybdenum and/or 1.5 to 2.15% nickel and/or 1.35 to 1.9% silicon.
  • the material has the elements listed here with the appropriate ratio.
  • the phosphorus content of the material is preferably no more than 0.05%; Additionally or alternatively, the sulfur content of the material is preferably a maximum of 0.05%. Additionally or alternatively, the vanadium content of the steel is preferably at most 0.1%. The remainder to reach 100% is substantially, preferably fully. Iron. Such a steel is particularly well suited. l.d.R. a pressure vessel without reinforcement has a smaller wall thickness than a reinforced pressure vessel. The armor-free pressure vessel is usually heavier than a reinforced pressure vessel.
  • the longitudinal axes of the multiple pressure vessels can run parallel to the longitudinal direction of the vehicle.
  • the at least one reinforced pressure vessel is then expediently provided further away from a side sill of the motor vehicle than the at least one reinforced pressure vessel.
  • the at least one reinforced pressure vessel is spaced further away from the side sill than the pressure vessel that is not reinforced.
  • All reinforced pressure vessels of the pressure vessel system are expediently spaced further from the side sill than all pressure vessels of the pressure vessel system that are not reinforced.
  • the longitudinal axes of the multiple pressure vessels can run transversely to the longitudinal direction of the vehicle (usually in the transverse direction of the vehicle), in which case the at least one reinforced pressure vessel is provided further away from a wheel axle of the motor vehicle than the at least one armor-free pressure vessels.
  • the pressure tanks without reinforcement are preferably further to the outside than the reinforced pressure tanks.
  • the plurality of pressure vessels are preferably provided in one level in the underfloor area and the outer pressure vessels (ie at least the outermost one on each side) are advantageously pressure vessels without reinforcement.
  • pressure vessel system exhibits better crash behavior overall.
  • the background is that pressure vessels without armor are less susceptible to intrusion.
  • the armor-free pressure vessels expediently have better crash behavior or better behavior when intruded or impacted by other bodies than the reinforced pressure vessels.
  • pressure vessels without reinforcements can withstand greater intrusion or impacting without bursting than reinforced pressure vessels
  • At least one fire-retardant and preferably intumescent layer can be provided for thermal protection of the reinforced pressure vessel.
  • the fire-retardant layer can be applied, for example, to any armored pressure vessel.
  • the fire-retardant layer is preferably only provided on or immediately adjacent to the reinforced pressure vessels, for example on the floor panel. Intumescent layers for fire protection are known as such. If a trigger temperature is exceeded, these increase their volume to inhibit the fire.
  • the fire-retardant layer is expediently provided in such a way that it does not protect the pressure vessels that are not reinforced. For example, such a fire-retardant layer may not be attached to the at least one pressure vessel without reinforcement.
  • Such a fire-retardant layer can also not be provided on the base plate, which covers the pressure vessel without reinforcement.
  • the manufacturing costs can thus advantageously be reduced without the System security suffers.
  • the background to this is that pressure vessels without reinforcement show better thermal failure behavior than reinforced pressure vessels.
  • a base plate is expediently provided between the plurality of pressure vessels and the roadway.
  • Such a base plate primarily serves to protect the pressure vessel system, for example against the effects of the weather and against intrusion.
  • the bottom plate can belong to the pressure vessel assembly and can be assembled with it.
  • the base plate can also be a separate plate. It can be single-layer or multi-layer and also include structure-reinforcing elements.
  • a first area of the base plate that at least partially and preferably completely covers the reinforced pressure vessel can be made of a different material or layered structure than a second area of the base plate that at least partially and preferably completely covers the pressure vessel that is not reinforced.
  • the first area is advantageously formed from a metal material and particularly preferably from steel.
  • the second area is advantageously made of a plastic material or a light metal that has a lower specific weight than the metal material of the first area.
  • the base plate expediently comprises (i) an outer, preferably ring-shaped area, which essentially covers the unreinforced pressure bottles and the ends of the pressure vessels, and (ii) an inner area, which essentially covers the reinforced pressure bottles.
  • the floating bearing of the reinforced pressure vessel can advantageously be designed differently than the floating bearing of the pressure vessel without reinforcement.
  • the floating bearing of the reinforced pressure vessel can be set up to compensate for a greater operational elongation of the pressure vessel compared to the floating bearing of the pressure vessel without reinforcement.
  • a number of armored pressure vessels can expediently be supported by a common floating bearing. A cost-effective system can thus be implemented.
  • pressure vessels of different lengths can thus be optimally stored.
  • the pressure vessels are connected in parallel.
  • a common fuel line preferably a one-piece distributor pipe or fuel rail, can be provided.
  • the multiple pressure tanks are usually connected directly to the distribution pipe, without a separate shut-off valve that can be electrically actuated from the outside being provided between the fuel line and the individual pressure tanks.
  • a common tank shut-off valve is suitably provided on a common fuel line, the common fuel line fluidly connecting the plurality of pressure vessels to one another without interruption, and the tank shut-off valve being provided in the central region of the fuel line.
  • a common fuel line particularly preferably connects the plurality of pressure vessels to one another.
  • the fuel line can be provided in particular upstream of the (high-pressure) pressure reducer.
  • the fuel line is suitably designed to withstand substantially the same or higher pressures as the pressure vessels connected to the fuel rail.
  • the individual pressure vessels of the pressure vessel assembly are directly fluidly connected to one another via the fuel line, so that the individual pressure vessels essentially have the same pressure in the intended state according to the principle of communicating tubes.
  • the plurality of pressure vessels are generally connected directly to the fuel line, without a separate shut-off valve that can be electrically actuated from the outside being provided between the fuel line and the individual pressure vessels.
  • the plurality of pressure vessels are connected to the common fuel line in a materially joined manner (by means of adhesive bonding, welding and/or soldering), so that the individual pressure vessels cannot be detached from the distributor pipe without being destroyed.
  • the connecting line can also be used to mechanically couple the individual pressure vessels and possibly common ones
  • the fuel line can include a plurality of separate line sections that connect the plurality of pressure vessels to one another.
  • a one-piece fuel line establishes the fluid connection between at least three pressure vessels or all pressure vessels.
  • Such a fuel line may also be referred to as a fuel rail, a fuel rail, or a high pressure fuel rail.
  • a fuel rail can be configured similarly to a high-pressure injection rail of an internal combustion engine.
  • the fuel rail is preferably formed by a single, one-piece tube or a single one-piece block or a single housing.
  • the fuel bar expediently includes several bar connections for direct connection of the pressure vessel.
  • the individual strip connections are advantageous directly on the Bar housing or block or tube provided and / or all have the same distance from each other.
  • Such a fuel rail is disclosed, for example, in the German patent applications with the application numbers DE 10 2020 128607.4 and DE 10 2020 123037.0, the content of which with regard to the design of the fuel rail (also referred to as a distributor pipe or rail) and the connection of the pressure vessel is hereby incorporated by reference .
  • the fuel rail can be designed as a metal block, as is disclosed, for example, in publication DE 602017034685 D1.
  • the fuel rail can be designed to be essentially rigid. Rigid in this context means that the fuel rail is rigid against bending or that in the functional use of the fuel rail only an imperceptible and irrelevant bending occurs for the function.
  • the fuel rail can be designed in such a way that the fuel rail can compensate for changes in the position of the pressure vessels, and in particular of their connecting pieces. Changes in position are deviations between an actual position of the pressure vessel (in operation, during manufacture, during a service call or other situations) and a target position assumed during construction. Changes in position result, for example, from the expansion of the components (e.g. the pressure vessel) due to changes in internal pressure and/or temperature. Furthermore, due to
  • the fuel rail can be set up to enable tolerance compensation perpendicular to the longitudinal axes of the pressure vessel of the pressure vessel system.
  • the fuel line or the fuel rail and, as a rule, also the shut-off valve described below is part of the pressure vessel assembly.
  • a fuel line is very generally a flow path that can be formed by (at least) one pipeline or (at least) one line channel provided in a block.
  • An electrically actuable and normally closed tank shut-off valve can be provided on the pressure vessel assembly and fluidly connected to the fuel line, which is set up to shut off the several pressure vessels or the fuel line from the other fuel-carrying lines of the fuel supply system leading to the energy converter.
  • This shut-off valve has the function of an on-tank valve of a conventional pressure vessel. Only one normally closed shut-off valve is expediently provided.
  • the shut-off valve can expediently be screwed directly onto the pressure vessel assembly or onto the distribution pipe.
  • the check valve is the first valve provided downstream of each of the pressure tanks connected to the common fuel rail.
  • a pipe rupture valve also known as an excess flow valve, can be provided on any pressure vessel or on the distribution pipe.
  • Depressurization is the process by which, as a result of an event, the pressure in the pressure vessel is reduced.
  • the event is not the intended removal to supply an energy converter, but in particular an accident.
  • the pressure relief usually begins with the at least partial opening of a valve and/or a bursting element, which is directly fluidly connected to the pressure vessel.
  • the pressure relief can preferably be done by at least one pressure relief device of the pressure vessel system.
  • the pressure relief device can be a thermally activatable pressure relief device.
  • TPRD Thermal Pressure Relief Device
  • at least one pressure vessel has a TPRD at an end opposite the fuel line.
  • TPRDs are expediently provided at the opposite ends of at least two pressure vessels spaced apart from one another.
  • the TPRDs are each provided on the armor-free pressure vessels. These pressure vessels are regularly made of a metal material. Acts on these
  • the pressure vessel conducts the heat relatively well to the TPRD, which thus triggers promptly.
  • the TPRDs are provided on two armored pressure vessels spaced apart from one another.
  • only one TPRD is provided at the opposite end, preferably on a pressure vessel arranged in or adjacent to the center of the pressure vessel system.
  • a TPRD it is conceivable for a TPRD to be provided in the center of the fuel line and/or at both ends of the fuel line.
  • the tank shut-off valve, the TPRD and/or a Be provided overpressure safety valve. This reduces the number of possible leakage points and component integration can be increased.
  • At least one pressure vessel may include at least one barrier layer.
  • the barrier layer serves to reduce and preferably prevent fuel permeation.
  • the barrier layer is therefore set up to at least reduce and preferably essentially completely prevent the escape of fuel stored in the interior volume into the pressure vessel wall and/or to the environment.
  • the barrier layer can be set up to impede diffusion in particular of the three permeation-determining sub-steps of sorption, diffusion and desorption.
  • the barrier layer can offer the smallest possible free volume, that is to say, for example in the case of polymers, only little free space between the molecular chains.
  • a high filler content or a high level of crystallinity in a thermoplastic and a high degree of crosslinking in the case of elastomers and duroplastics inhibit diffusion.
  • the barrier layer surrounds at least 70%, or at least 90%, or at least 99% of the interior volume.
  • a surface coating can advantageously form the barrier layer.
  • the barrier layer can be in the form of a metal layer, in particular made of aluminum, steel and/or copper and their alloys.
  • the barrier layer may alternatively be made of a fuel barrier plastic such as ethylene vinyl alcohol copolymer (EVOH).
  • EVOH ethylene vinyl alcohol copolymer
  • the barrier layer preferably has a layer thickness of approx. 0.001 mm to 0.2 mm and particularly preferably between approx. 0.005 mm and 0.1 mm.
  • the technology disclosed here relates to a flat storage system with a plurality of pressure vessels, each of which generally has a maximum diameter in the shell area that is less than 250 mm or 175 mm or 150 mm or 120 mm.
  • reinforced pressure vessels also called CFRP tanks
  • the pressure vessel system thus includes differently constructed pressure vessels.
  • the steel tanks are particularly preferably provided directly adjacent to the side skirts and preferably on the outside of the protected width of an underfloor area of a motor vehicle, with the components being safe from a side crash in the protected width. The robustness against a side crash can thus be advantageously improved, because the steel tanks can absorb more impact energy than conventional CFRP tanks.
  • a valve block distributor is preferably provided in the middle of the fuel line (also called rail system or pipe system). If such a pressure vessel system is refueled, a comparatively large amount of heat is generated in the outer tanks due to the compression process. If the outer pressure vessels are steel tanks, they can store the heat comparatively well due to the excellent heat capacity of metal and the fuel in these steel tanks does not get too warm. Furthermore, steel tanks are also cheaper in terms of their storage volume and recyclability. On the other hand, CFRP tanks are lighter than steel tanks. With the technology disclosed here, a pressure vessel system is provided which is improved in terms of storage volume, weight, installation space requirements, costs and reusability.
  • FIG. 1 shows a schematic view of a motor vehicle.
  • the front wheels and the rear wheels are each arranged on common wheel axles A here.
  • the term wheel axle does not mean the physical component here, but the connecting line between the two front wheels and the two rear wheels. is shown in dashed lines here the body outer skin K is greatly simplified.
  • the pressure vessel system is provided here in the underfloor area. It is provided below the passenger compartment and substantially between the wheel axles A and the side sills 410 .
  • the pressure vessel system 100 here comprises a plurality of pressure vessels 110, 120. Eight pressure vessels 110, 120 are shown here. However, the number of pressure vessels could also be larger or smaller.
  • the pressure vessels 110, 120 are oriented here parallel to the longitudinal direction of the vehicle.
  • the pressure vessels 110, 120 are in one plane here.
  • the two outer pressure vessels 110 here are pressure vessels 110 without reinforcement.
  • Steel tanks can expediently be installed here.
  • Reinforced pressure vessels 120 are provided here between the pressure vessels 110 that are not reinforced. Consequently, the reinforced pressure tanks 120 have a greater distance to the side sills on the same side than the pressure tanks 110 without reinforcement.
  • a sheet metal or sheet metal profile is arranged on each side. This sheet metal or sheet metal profile is usually a side member and serves as additional impact protection in the event of a side crash.
  • Each of the plurality of pressure vessels 110, 120 is connected to the fuel line 130 at one end.
  • the fuel line 130 can preferably be designed as a fuel rail. Such a configuration reduces the number of parts and the number of sealing points that could cause leakage.
  • the tank shut-off valve 140 is provided here in the middle of the fuel line 130 and is integrated here in a valve distributor block. In this A TP RD and/or an overpressure safety valve can also be integrated into the valve distributor block.
  • the tank shut-off valve 140 or the valve distributor block is fluidly connected here to a tank coupling.
  • the fluid connection to the energy converter, eg a fuel cell system, has been omitted here for the sake of simplicity.
  • TPRDs which can be provided as an alternative or in addition, are also not shown.
  • the area B designates the width which, according to the body design, is not intruded in the event of a side crash. It can be seen that the pressure vessel system is protected against a side impact.
  • the pressure tanks are installed in the longitudinal direction of the vehicle.
  • the pressure vessels are built into the motor vehicle in the transverse direction of the vehicle.
  • the outer, armor-free pressure tanks are arranged closer to the wheel axles than the reinforced pressure tanks provided in the middle.
  • the term “essentially” includes the precise property or value (eg “vertical axis”) as well as deviations that are insignificant for the function of the property/value (e.g. "tolerable deviation from the vertical axis”).

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Abstract

Die hier offenbarte Technologie betrifft erfindungsgemäß ein Druckbehältersystem für ein Kraftfahrzeug. Das Druckbehältersystem umfasst mehrere Druckbehälter (110), (120) zur Speicherung von Brennstoff. Die Druckbehälter (110), (120) sind i.d.R. im Unterflurbereich des Kraftfahrzeugs vorgesehen und deren Längsachsen sind zweckmäßig parallel zueinander ausgebildet. Mindestens ein Druckbehälter der mehreren Druckbehälter (110), (120) ist ein armierter Druckbehälter (120). Mindestens ein anderer Druckbehälter der mehreren Druckbehälter (110), (120) ist ein armierungsfreier Druckbehälter (110).

Description

Druckbehältersystem mit mehreren Druckbehältern sowie Kraftfahrzeug
Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Druckbehältersystem mit mehreren, unterschiedlichen Druckbehältern und Kraftfahrzeug
Aus dem Stand der Technik sind Unterflur-Druckbehältersysteme bekannt, die mehrere gleiche Druckbehälter zur Speicherung von Brennstoff umfassen. Es existiert ein Bestreben, diese Druckbehältersysteme weiter bzgl. Speichervolumen, Kosten, Gewicht und Sicherheit zu verbessern wobei gleichzeitig das Druckbehältersystem in denselben Bau raum integrierbar sein soll wie die Hochvoltspeichersysteme anderer Fahrzeugderivate, beispielsweise von rein batteriebetriebenen Fahrzeugen,
Es ist eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, zumindest einen Nachteil von einer vorbekannten Lösung zu verringern oder zu beheben oder eine alternative Lösung vorzuschlagen. Es ist insbesondere eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, Unterflur- Druckbehältersysteme hinsichtlich Speichervolumen, Kosten, Gewicht und/oder Sicherheit zu verbessern- Weitere bevorzugte Aufgaben können sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie ergeben.
Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 . Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar. Die Aufgabe wird unter anderem gelöst durch ein Druckbehältersystem für ein Kraftfahrzeug. Das Druckbehältersystem umfasst mehrere Druckbehälter zur Speicherung von Brennstoff. Mindestens ein Druckbehälter der mehreren Druckbehälter ist ein armierter Druckbehälter. Mindestens ein anderer Druckbehälter der mehreren Druckbehälter ist ein armierungsfreier Druckbehälter.
Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Druckbehältersystem für ein Kraftfahrzeug (z.B. Personenkraftwagen, Krafträder, Nutzfahrzeuge). Das Druckbehältersystem dient zur Speicherung von unter Umgebungsbedingungen gasförmigen Brennstoff. Das Druckbehältersystem kann beispielsweise in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden, das mit komprimiertem (auch Compressed Natural Gas oder CNG genannt) oder verflüssigtem (auch Liquid Natural Gas oder LNG genannt) Erdgas oder mit Wasserstoff betrieben wird. Das Druckbehältersystem ist mit mindestens einem Energiewandler fluid verbunden, der eingerichtet ist, die chemische Energie des Brennstoffs in andere Energieformen umzu wandeln.
Das Druckbehältersystem kann beispielsweise einen kryogenen Druckbehälter oder einen Hochdruckgasbehälter umfassen. Hochdruckgasbehälter sind ausgebildet, bei Umgebungstemperaturen Brennstoff dauerhaft bei einem nominalen Betriebsdruck (auch nominal working pressure oder NWP genannt) von mindestens 350 barü (= Überdruck gegenüber dem Atmosphärendruck) oder mindestens 700 barü zu speichern. Ein kryogener Druckbehälter ist geeignet, den Brennstoff bei den vorgenannten Betriebsdrücken auch bei Temperaturen zu speichern, die deutlich (z.B. mehr als 50 Kelvin oder mehr als 100 Kelvin) unter der Betriebstemperatur des Kraftfahrzeuges liegen. Das Druckbehältersystem umfasst eine Mehrzahl an Druckbehältern. Bevorzugt umfasst das Druckbehältersystem mehr als 5 oder mehr als 7 oder mehr als 10 Druckbehälter. Zweckmäßig ist das Druckbehältersystem im Untertiurbereich vorgesehen. Der Unterflurbereich ist der Bereich des Kraftfahrzeugs, der unterhalb des Fahrgastinnenraums und zweckmäßig zwischen den Rädern des Kraftfahrzeugs vorgesehen ist. In diesem Bauraum wird regelmäßig auch ein Hochvoltspeichersystem für batteriebetriebene Fahrzeuge integriert. Somit kann dieselbe Karosserie für brennstoffzellenbetriebene Fahrzeuge und für batteriebetriebene Fahrzeuge genutzt werden.
Bevorzugt kann eine Druckbehälterbaugruppe (auch Container Assembly" genannt) die mehreren Druckbehälter sowie permanent mit den Druckbehältern verbundene Trag-, Befestigungs- und/oder Schutzelemente aufweisen (z.B. Schutzschilder, Abschirmungen, Sperrschichten, Abdeckungen, Beschichtungen, Umwicklungen, etc.). Die Trag-, Befestigungs- und/oder Schutzelemente können zweckmäßig nur temporär und bevorzugt nur von Fachpersonal und/oder nicht zerstörungsfrei demontierbar sein. Eine solche Druckbehälterbaugruppe eignet sich besonders für flache Einbau räume, insbesondere im Unterflurbereich. Die Druckbehälterbaugruppe kann bevorzugt als Ganzes in den im Kraftfahrzeug vorgesehen Einbauraum montierbar sein. Hierzu kann die Druckbehälterbaugruppe gemeinsame Karosserieanbindungspunkte aufweisen, mittels derer das System als Ganzes im Kraftfahrzeug befestigbar ist.
Die Druckbehälter können kreisförmige oder ovale Querschnitte aufweisen. Die einzelnen Druckbehälter können als Speicherrohre ausgebildet sein. Beispielsweise können mehrere Druckbehälter vorgesehen sein, deren Längsachsen in der Einbaulage parallel zueinander verlaufen. Die einzelnen Druckbehälter können jeweils ein Länge-zu-Durchmesser- Verhältnis mit einem Wert zwischen 5 und 200, bevorzugt zwischen 7 und 100, und besonders bevorzugt zwischen 9 und 50 aufweisen. Das Länge-zu- Durch messen- Verhältnis ist der Quotiert aus der Gesamtlänge der einzelnen Druckbehälter (z.B. Gesamtlänge eines Speicherrohrs ohne Fluidverbindungselemente) im Zähler und dem größten Außendurchmesser des Druckbehälters im Nenner. Die einzelnen Druckbehälter können unmittelbar benachbart zueinander angeordnet sein, beispielsweise in einem Abstand zueinander von weniger als 20 cm oder weniger als 15 cm oder weniger als 10 cm oder weniger als 5 cm.
Mindestens ein Druckbehälter der mehreren Druckbehälter ist ein armierter Druckbehälter. Ein armierter Druckbehälter kann beispielsweise ein Typ-2, Typ-3 oder Typ-4 Druckbehälter sein. Zweckmäßig umfasst der Druckbehälter eine Innenschicht, i.d.R. als Liner bezeichnet, und eine faserverstärkte Schicht, die die Armierung ausbildet. Die faserverstärkte Schicht umgibt die Innenschicht und sorgt dafür, dass der Druckbehälter die Drucklasten aushält. Ebenso ist vorstellbar, dass keine als Wickelkern dienende Innenschicht vorgesehen ist. Zweckmäßig sind in der faserverstärkten Schicht Langfasern eingebracht. Vorteilhaft sind die Fasern Kohlefasern, Glasfasern und/oder Fasern aus Kevlar. Bevorzugt wird als Matrixmaterial ein Kunststoffharz verwendet. Die Innenschicht kann aus Metall (z.B. Aluminium) oder bevorzugt aus Kunststoff (z.B. ein Polyamid) hergestellt sein. Zweckmäßig ist die faserverstärkte Schicht an beiden Enden und im Mantel bereich des Druckbehälters vorgesehen. Mit anderen Worten umfasst ein armierter Druckbehälter immer eine Armierung aus einem faserverstärkten Material.
Der Druckbehälter umfasst mindestens eine faserverstärkte Schicht, Die faserverstärkte Schicht kann einen Liner zumindest bereichsweise bevorzugt vollständig umgeben. Die faserverstärkte Schicht wird oft auch als Laminat bzw. Ummantelung oder Armierung bezeichnet. Nachstehend wird meistens der Begriff ..faserverstärkte Schicht“ verwendet. Als faserverstärkte Schicht kommen i.d.R. faserverstärkte Kunststoffe zum Einsatz, bspw. kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe und/oder glasfaserverstärkte Kunststoffe. Die faserverstärkte Schicht umfasst zweckmäßig in einer Kunststoffmatrix eingebettete Verstärkungsfasern. Insbesondere Matrixmaterial, Art und Anteil an Verstärkungsfasern sowie deren Orientierung können variiert werden, damit sich die gewünschten mechanischen und/oder chemischen Eigenschaften einstellen. Bevorzugt werden Endlosfasern als Verstärkungsfasern eingesetzt, die durch Wickeln und/oder Flechten aufgebracht werden können. Die faserverstärkte Schicht weist i.d.R. mehrere Schichtlagen auf.
Mindestens ein anderer Druckbehälter der mehreren Druckbehälter ist ein armierungsfreier Druckbehälter. Diese armierungsfreien Druckbehälter können auch als Stahlbehälter bezeichnet werden. Ein armierungsfreier Druckbehälter ist ein Druckbehälter, der keine Armierung, also keine faserverstärkte Schicht, aufweist. Stattdessen ist die Wandung des armierungsfreien Druckbehälters regelmäßig aus einem Metallmaterial hergestellt. Bevorzugt bildet ein hochfester Stahl die Wand des armierungsfreien Druckbehälters aus.
Bevorzugt umfasst das Material der Wand des armierungsfreien Druckbehälters folgende Elemente: 0,3 bis 0,5 % Kohlenstoff und/oder 0,6 bis 1 ,5 % Chrom und/oder 0,5 bis 1 ,0 % Mangan und/oder 0,2 bis 0,75 % Molybdän und/oder 1 ,5 bis 2,15 % Nickel und/oder 1 ,35 bis 1,9 % Silizium.
Insbesondere weist das Material die hier aufgezählten Elemente mit dem entsprechenden Verhältnis auf. Der Phosphorgehalt des Materials liegt vorzugsweise bei max. 0,05 %; zusätzlich oder alternativ liegt der Schwefelgehalt des Materials vorzugsweise bei max. 0,05 %. Zusätzlich oder alternativ liegt der Vanadiumgehalt des Stahls vorzugsweise bei max. 0,1 %. Der restliche Anteil zum Erreichen der 100 % ist im Wesentlichen, vorzugsweise vollständig. Eisen. Ein solcher Stahl ist besonders gut geeignet. l.d.R. weist ein armierungsfreier Druckbehälter eine kleinere Wanddicke auf als ein armierter Druckbehälter. Der armierungsfreie Druckbehälter ist i.d.R. schwerer als ein armierter Druckbehälter.
Im Einbauzustand können die Längsachsen der mehreren Druckbehälter parallel zur Fahrzeuglängsrichtung verlaufen. Zweckmäßig ist dann der mindestens eine armierte Druckbehälter von einem Seitenschweller des Kraftfahrzeugs weiter entfernt vorgesehen ist als der mindestens eine armierungsfreie Druckbehälter. Mit anderen Worten ist also der mindestens eine armierte Druckbehälter weiter vom Seitenschweller beabstandet als der armierungsfreie Druckbehälter. Zweckmäßig sind alle armierten Druckbehälter des Druckbehältersystems weiter vom Seitenschweller beabstandet als alle armierungsfreien Druckbehälter des Druckbehältersystems. Anstatt des Seitenschwellers könnte auch auf die Karosserieaußenhaut referenziert werden.
Im Einbauzustand können die Längsachsen der mehreren Druckbehälter quer zur Fahrzeug längsrichtung (i.d.R. in Fahrzeugquerrichtung) verlaufen, wobei dann der mindestens eine armierte Druckbehälter von einer Radachse des Kraftfahrzeugs weiter entfernt vorgesehen ist als der mindestens eine armierungsfreie Druckbehälter. Mit anderen Worten liegen die armierungsfreien Druckbehälter bevorzugt weiter außen als die armierten Druckbehälter. Die mehreren Druckbehälter sind bevorzugt in einer Ebene im Unterflurbereich vorgesehen und die äußeren Druckbehälter (d.h. auf jeder Seite zumindest der äußerste) sind vorteilhaft armierungsfreie Druckbehälter.
Dies hat den Vorteil, dass das Druckbehältersystem insgesamt ein besseres Crash verhalten aufweist. Hintergrund ist, dass die armierungsfreien Druckbehälter weniger anfällig für Intrusion sind. Zweckmäßig weisen die armierungsfreien Druckbehälter ein besseres Crashverhalten bzw. ein besseres Verhalten bei Intrusion bzw. Impaktieren durch weitere Körper auf als die armierten Druckbehälter. Die armierungsfreien Druckbehälter können beispielsweise eine größere Intrusion bzw. ein stärkeres Impaktieren ohne zu bersten aushalten als die armierten Druckbehälter
Mindestens eine brandhemmende und bevorzugt intumeszente Schicht kann zum thermischen Schutz der armierten Druckbehälter vorgesehen sein. Die brandhemmende Schicht kann beispielsweise auf jeden armierten Druckbehälter aufgebracht sein. Die brandhemmende Schicht ist bevorzugt nur an oder unmittelbar benachbart zu den armierten Druckbehältern vorgesehen, beispielsweise am Bodenblech. Intumeszente Schichten zum Brandschutz sind als solche bekannt. Wird eine Auslösetemperatur überschritten, so vergrößern diese zur Hemmung des Brandes ihr Volumen. Zweckmäßig ist die brandhemmende Schicht so vorgesehen, dass diese nicht die armierungsfreien Druckbehälter schützt. Beispielsweise kann an dem mindestens einen armierungsfreien Druckbehälter eine solche brandhemmende Schicht nicht angebracht sein. Auch kann an dem Bodenblech, welches den armierungsfreien Druckbehälter bedeckt, eine solche brandhemmende Schicht nicht vorgesehen sein. Vorteilhaft lassen sich somit die Herstellungskosten verringern, ohne dass die Systemsicherheit darunter leidet. Hintergrund ist, dass die armierungsfreien Druckbehälter im Vergleich zu den armierten Druckbehälter ein besseres thermisches Versagensverhalten aufweisen.
Zweckmäßig ist eine Bodenplatte zwischen den mehreren Druckbehältern und der Fahrbahn vorgesehen. Eine solche Bodenplatte dient in erster Linie dem Schutz des Druckbehältersystems, z.B. vor Witerungseinflössen und vor Intrusion. Die Bodenplatte kann beispielsweise zur Druckbehälterbaugruppe gehören und mit dieser zusammen montiert werden. Alternativ kann die Bodenplatte auch eine separate Plate sein. Sie kann einlagig oder mehrlagig ausgebildet sein und auch strukturverstärkende Elemente umfassen. Ein den armierten Druckbehälter zumindest teilweise und bevorzugt ganz abdeckender erster Bereich der Bodenplatte kann aus einem anderen Material oder aus einem anderen Schichtaufbau ausgebildet sein als ein zweiter Bereich der Bodenplatte, der den armierungsfreien Druckbehälter zumindest teilweise und bevorzugt ganz abdeckt. Vorteilhaft ist der erste Bereich aus einem Metallmaterial und besonders bevorzugt aus Stahl ausgebildet. Dies hat den Vorteil, eine Metallplatte (bevorzugt Stahlplatte) unter den armierten Druckbehältern hat den Vorteil, dass Metall bei Feuertemperaturen nicht schmilzt. Dadurch kommt das Feuer nicht direkt zur Tankoberfläche. Ferner verbessert sich der Intrusionsschutz. Vorteilhaft ist der zweite Bereich aus einem Kunststoffmaterial oder einem Leichtmetall hergestellt, das ein geringeres spezifisches Gewicht aufweist als das Metallmaterial des ersten Bereichs. Zweckmäßig umfasst die Bodenplate (i) einen äußeren, bevorzugt ringförmigen Bereich, der die armierungsfreien Druckflaschen und die Enden der Druckbehälter im Wesentlichen abdeckt, und (ii) einen inneren Bereich, der die armierten Druckflaschen im Wesentlichen abdeckt. Vorteilhaft lässt sich somit ein sicheres und gleichzeitig gewichtsoptimiertes Tanksystem herstellen. Das Loslager des armierten Druckbehälters kann vorteilhaft anders ausgebildet sein als das Loslager des armierungsfreien Druckbehälters. Das Loslager des armierten Druckbehälters kann eingerichtet sein, im Vergleich zum Loslager des armierungsfreien Druckbehälters eine größere betriebsbedingte Längung der Druckbehälter zu kompensieren. Zweckmäßig können mehrere armierte Druckbehälter durch ein gemeinsames Loslager gelagert sein. Somit lässt sich ein kostengünstiges System realisieren.
Vorteilhaft können somit sich unterschiedlich längende Druckbehälter optimal gelagert werden.
In einer Ausgestaltung sind die Druckbehälter parallel geschaltet. Dabei kann eine gemeinsame Brennstoff leitung, bevorzugt ein einstückiges Verteilerrohr bzw. Brennstoffleiste, vorgesehen sein. Die mehreren Druckbehälter sind i.d.R. direkt an das Verteileirrohr angeschlossen, ohne dass zwischen der Brennstoffleitung und den einzelnen Druckbehältern jeweils ein eigenes, von außen elektrisch betätigbares Absperrventil vorgesehen ist.
Zweckmäßig ist ein gemeinsames Tankabsperrventil an einer gemeinsamen Brennstoffleitung vorgesehen, wobei die gemeinsame Brennstoffleitung die mehreren Druckbehälter unterbrechungsfrei miteinander fluidverbindet, und wobei das Tankabsperrventil im Mittelbereich der Brennstoffleitung vorgesehen ist.
Besonders bevorzugt verbindet eine gemeinsame Brennstoffieitung die mehreren Druckbehälter miteinander. Die Brennstoff leitung kann insbesondere stromauf vom (Hochdruck-) Druckminderer vorgesehen sein. Die Brennstoffleitung ist zweckmäßig ausgebildet, im Wesentlichen denselben oder höheren Drücken standzu halten wie die Druckbehälter, die an der Brennstoffleiste angeschlossen sind. Die einzelnen Druckbehälter der Druckbehälterbaugruppe sind über die Brennstoffleitung unmittelbar miteinander fluidverbunden, so dass die einzelnen Druckbehälter nach dem Prinzip kommunizierender Röhren im Wesentlichen im bestimmungsgemäßen Zustand denselben Druck aufweisen. Mit anderen Worten sind die mehreren Druckbehälter i.d.R. direkt an die Brennstoffleitung angeschlossen, ohne dass zwischen der Brennstoff leitung und den einzelnen Druckbehältern jeweils ein eigenes, von außen elektrisch betätigbares, Absperrventil vorgesehen ist. Vorteilhaft sind die mehreren Druckbehälter stoffschlüssig (mittels Klebung, Schweißen und/oder Löten) mit der gemeinsamen Brennstoffleitung verbunden, so dass die einzelnen Druckbehälter nicht zerstörungsfrei vom Verteilerrohr lösbar sind. Die Verbindungsleitung kann auch dazu dienen, die einzelnen Druckbehälter mechanisch zu koppeln und eventuell gemeinsame
Karosserieanbindungspunkte auszubilden.
Die Brennstoff leitung kann mehrere separate Leitungsabschnitte umfassen, die die mehreren Druckbehälter miteinander verbinden. In einer bevorzugten Ausgestaltung stellt eine einstückige Brennstoffleitung zwischen mindestens drei Druckbehälter oder alle Druckbehälter die Fluidverbindung her. Eine solche Brennstoffleitung kann auch als Verteilerrohr, als Brennstoffleiste oder als Hochdruckbrennstoffleiste bezeichnet werden. Grundsätzlich kann eine solche Brennstoff leiste ähnlich ausgestaltet sein wie eine Hochdruckeinspritzleiste einer Brennkraftmaschine, Bevorzugt bildet ein einziges, einstöckiges Rohr bzw. ein einziger einstöckiger Block oder ein einziges Gehäuse die Brennstoffleiste aus. Zweckmäßig umfasst die Brennstoff leiste mehrere Leistenanschlüsse zum direkten Anschluss der Druckbehälter. Vorteilhaft sind die einzelnen Leistenanschlüsse direkt am Leistengehäuse bzw. Block bzw. Rohr vorgesehen und/oder weisen alle denselben Abstand untereinander auf. Eine solche Brennstoffleiste ist beispielsweise in den deutschen Patentanmeldungen mit den Anmeldenummern DE 10 2020 128607.4 und DE 10 2020 123037.0 offenbart, deren Inhalt hinsichtlich der Ausgestaltung der Brennstoffleiste (auch als Verteilerrohr oder Rail bezeichnet) und der Anbindung der Druckbehälter hiermit per Verweis hier mit aufgenommen wird. Alternativ kann die Brennstoffleiste als Metallblock ausgebildet sein, wie es beispielsweise in der Druckschrift DE 602017034685 D1 offenbart ist.
Die Brennstoffleiste kann im Wesentlichen biegesteif ausgebildet sein. Biegesteif bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Brennstoffleiste gegen Verbiegen steif ist bzw. dass im funktionsgemäßen Gebrauch der Brennstoffleiste nur eine für die Funktion unmerkliche und unbeachtliche Verbiegung sich einstellt. In einer alternativen Ausgestaltung kann die Brennstoffleiste derart ausgebildet sein, dass die Brennstoffleiste Lageänderungen der Druckbehälter, und insbesondere von deren Anschlussstücken, kompensieren kann. Lageänderungen sind Abweichungen zwischen einer Istlage der Druckbehälter (im Betrieb, während der Herstellung, während eines Serviceeinsatzes oder sonstigen Situationen) und einer bei der Konstruktion angenommenen Solllage. Lageänderungen resultieren beispielsweise durch die Ausdehnung der Bauteile (z.B. der Druckbehälter) aufgrund von Innendruckänderungen und/oder Temperaturänderungen. Ferner können aufgrund von
Fertigungstoleranzen Lageänderungen (Lageabweichungen) auftreten. Die Brennstoffleiste kann eingerichtet sein, einen Toleranzausgleich senkrecht zu den Druckbehälterlängsachsen des Druckbehältersystems zu ermöglichen. Vorteilhaft ist die Brennstoffleitung bzw. die Brennstoffleiste und i.d.R. auch das nachstehend beschriebene Absperrventil Bestandteil der Druckbehälterbaugruppe. Eine Brennstoffleitung ist in diesem Zusammenhang ganz allgemein ein Strömungspfad, der durch (mindestens) eine Rohrleitung oder aber (mindestens) ein in einem Block vorgesehenen Leitungskanal ausgebildet werden kann.
An der Druckbehälterbaugruppe und mit der Brennstoffleitung fluidverbunden kann ein elektrisch betätigbares und stromlos geschlossenes Tankabsperrventil vorgesehen sein, dass eingerichtet ist, die mehreren Druckbehälter bzw. die Brennstoffleitung gegenüber den übrigen brennstoffführenden Leitungen der zum Energiewandler führenden Brennstoffversorgungsanlage abzusperren. Dieses Absperrventil besitzt die Funktion eines On-Tank-Valves eines herkömmlichen Druckbehälters. Zweckmäßig ist lediglich ein stromlos geschlossenes Absperrventil vorgesehen. Das Absperrventil ist zweckmäßig unmitelbar an die Druckbehälterbaugruppe bzw. an das Verteilerrohr an- bzw. einschraubbar. Das Absperrventil ist das erste Ventil, das stromab eines jeden der an der gemeinsamen Brennstoffleitung angeschlossenen Druckbehälter vorgesehen ist. Eine Rohrbruchsicherung, auch Überströmventil (engl. Excess Flow Valve) genannt, kann an jedem Druckbehälter oder am Verteilerrohr vorgesehen sein.
Die Druckentlastung ist der Vorgang, durch den aufgrund eines Ereignisses der Druck im Druckbehälter verringert wird. Das Ereignis ist insbesondere nicht die bestimmungsgemäße Entnahme zur Versorgung eines Energiewandlers, sondern insbesondere ein Störfall. Die Druckentlastung beginnt i.d.R. mit der zumindest teilweisen Öffnung von einem Ventil und/oder einem Berstelement, welches unmittelbar fluidverbunden ist mit dem Druckbehälter. Die Druckentlastung kann bevorzugt durch mindestens eine Druckentlastungseinrichtung des Druckbehältersystems erfolgen. Die Druckentlastungsvorrichtung kann eine thermisch aktivierbare Druckentlastungseinrichtung sein. Die thermisch aktivierbare Druckentlastungseinrichtung, auch Thermal Pressure Relief Device (= TPRD) oder Thermosicherung genannt, ist i.d.R. benachbart zum Druckbehälter vorgesehen. Bei Hitzeeinwirkung (z.B. durch Flammen) wird durch das TPRD der im Druckbehälter gespeicherte Brennstoff in die Umgebung abgelassen. Die Druckentlastungseinrichtung lässt den Brennstoff ab, sobald die Auslösetemperatur des TPRDs überschritten wird (=wird thermisch aktiviert). Bevorzugt ist an mindestens einem Druckbehälter ein TPRD an einem Ende vorgesehen, das der Brennstoffleitung gegenüberliegt. Zweckmäßig sind an den gegenüberliegenden Enden von mindestens zwei voneinander beanstandeten Druckbehälter solche TPRDs vorgesehen. In einer Ausgestaltung sind die TPRDs jeweils an den armierungsfreien Druckbehältern vorgesehen. Diese Druckbehälter sind regelmäßig aus einem Metallmaterial hergestellt. Wirkt auf diese
Druckbehälter eine lokale Flamme ein, so leitet der Druckbehälter die Wärme relativ gut zum TPRD weiter, welches somit zeitnah auslöst. In einer anderen Ausgestaltung sind die TPRDs an zwei voneinander beabstandeten armierten Druckbehältern vorgesehen. Alternativ ist vorstellbar, dass lediglich ein TPRD an dem gegenüberliegenden Ende vorgesehen ist, bevorzugt an einem in oder benachbart zur Mitte des Druckbehältersystems angeordneten Druckbehälter. Alternativ oder zusätzlich ist denkbar, dass an der Brennstoffleitung mittig und/oder an beiden Enden der Brennstoffleitung jeweils ein TPRD vorgesehen ist.
Besonders bevorzugt kann in einem gemeinsamen Gehäuse bzw. in einem gemeinsamen Block das Tankabsperrventil, das TPRD und/oder ein Überdrucksicherungsventil vorgesehen sein. Somit verringert sich die Anzahl an möglichen Leckagestellen und die Bauteilintegration kann erhöht werden.
Mindestens ein Druckbehälter kann mindestens eine Sperrschicht umfassen. Die Sperrschicht dient zur Verringerung und bevorzugt zur Vermeidung von Brennstoffpermeation. Die Sperrschicht ist also eingerichtet, das Entweichen von im Innenvolumen gespeicherten Brennstoff in die Druckbehälterwand und/oder zur Umgebung zumindest zu verringern und bevorzugt im Wesentlichen ganz zu verhindern. Beispielsweise kann die Sperrschicht eingerichtet sein, von den drei permeationsbestimmenden Teilschritten Sorption, Diffusion und Desorption, speziell die Diffusion zu erschweren. Dazu kann die Sperrschicht ein möglichst geringes freies Volumen, also beispielsweise im Fall von Polymeren nur wenig freien Platz zwischen den Molekülketten bieten. Allgemein gilt, dass ein hoher Füllstoffgehalt oder eine hohe Kristallin ität eines Thermoplasten und ein hoher Vernetzungsgrad bei Elastomeren und Duroplasten die Diffusion hemmt. Zweckmäßig umgibt die Sperrschicht mindestens 70% oder mindestens 90% oder mindestens 99% des Innenvolumens. Vorteilhaft kann eine Oberflächenbeschichtung die Sperrschicht ausbilden. Die Sperrschicht kann als Metallschicht ausgebildet sein, insbesondere aus Aluminium, Stahl und/oder Kupfer sowie deren Legierungen. Die Sperrschicht kann alternativ aus einem brennstoffsperrenden Kunststoff, z.B. Ethylen-Vinylaltohol-Copolymer (EVOH) hergestellt sein. Bevorzugt weist die Sperrschicht eine Schichtdicke von ca. 0,001 mm bis 0,2 mm und besonders bevorzugt zwischen ca. 0,005 mm und 0,1mm auf.
Mit anderen Worten betrifft die hier offenbarte Technologie ein Flachspeichersystem mit mehreren Druckbehältern, die jeweils i.d.R. einen maximalen Durchmesser im Mantelbereich aufweisen, der kleiner ist als 250 mm oder als 175 mm oder als 150 mm oder als 120 mm. Gemäß der hier offenbarten Technologie werden armierte Druckbehälter (auch CFK-Tanks genannt) mit nicht armierten bzw. armierungsfreien Druckbehältern (i.d.R. Stahltanks) gemischt verbaut. Das Druckbehältersystem umfasst also unterschiedlich aufgebaute Druckbehälter. Besonders bevorzugt sind die Stahltanks unmittelbar benachbart zum Seitenschweller und bevorzugt an der Außenseite der geschützter Breite eines Unterflurbereiches eines Kraftfahrzeuges vorgesehen, wobei in der geschützten Breite die Komponenten sicher vor Seitencrash sind. Vorteilhaft lässt sich somit die Robustheit gegen Seitencrash verbessern, denn die Stahltanks können mehr Aufprallenergie aufnehmen als gewöhnliche CFK-Tanks. Bevorzugt wird ein Ventilblockverteiler in der Mitte der Brennstoffleitung (auch Railsystem oder Pipesystem genannt) vorgesehen. Wird ein solches Druckbehältersystem betankt, so entsteht in den äußeren Tanks aufgrund von Kompressionsprozesses vergleichsweise viel Wärme. Sind die äußeren Druckbehälter Stahltanks, so können diese aufgrund der hervorragenden Wärmekapazität von Metall die Wärme vergleichsweise gut Zwischenspeichern und der Brennstoff in diesen Stahltanks wird nicht zu warm. Ferner sind Stahltanks auch hinsichtlich ihres Speichervolumens und Wiederverwertbarkeit günstiger. Andererseits sind CFK-Tanks leichter als Stahltanks. Mit der hier offenbarten Technologie wird ein hinsichtlich Speichervolumen, Gewicht, Bauraumbedarf, Kosten und Wiederverwertbarkeit verbessertes Druckbehältersystem bereitgestellt.
Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der schematischen Fig. 1 erläutert, die eine schematische Ansicht eines Kraftfahrzeugs zeigt. Die Vorderräder und die Hinterräder sind hier jeweils auf gemeinsamen Radachsen A angeordnet. Mit dem Begriff Radachse ist hier nicht das physikalische Bauteil gemeint, sondern die Verbindungslinie zwischen den beiden Vorderrädern bzw. den beiden Hinterrädern. Gestrichelt gezeigt ist hier stark vereinfacht die Karosserieaußenhaut K. Das Druckbehältersystem ist hier im Unterflurbereich vorgesehen. Es ist unterhalb des Fahrgastinnenraumes und im Wesentlichen zwischen den Radachsen A und den Seitenschwellern 410 vorgesehen. Das Druckbehältersystem 100 umfasst hier mehrere Druckbehälter 110, 120. Hier dargestellt sind 8 Druckbehälter 110, 120. Die Anzahl an Druckbehälter könnte aber auch größer oder kleiner sein.
Die Druckbehälter 110, 120 sind hier parallel zur Fahrzeuglängsrichtung orientiert. Die Druckbehälter 110, 120 liegen hier in einer Ebene. Die beiden äußeren Druckbehälter 110 sind hier armierungsfreie Druckbehälter 110. Zweckmäßig können Stahltanks hier verbaut sein. Zwischen den armierungsfreien Druckbehälter 110 sind hier armierte Druckbehälter 120 vorgesehen. Mithin weisen die armierten Druckbehälter 120 einen größeren Abstand zu den Seitenschwellern derselben Seite auf als die armierungsfreien Druckbehälter 110. Zwischen den Druckbehältern 120 und den äußeren, armierungsfreien Druckbehältern 110 ist auf jeder Seite ein Blech oder Blechprofil angeordnet. Dieses Blech oder Blechprofil ist i.d.R. ein Längsträger und dient als weiterer Aufprallschutz im Falle eines Seitencrashs. Im unwahrscheinlichen Fall, dass ein Seitencrash tatsächlich eine Verformung bis an die äußeren, armierungsfreien Druckbehälter 110 verursachen würde, so sind diese i.d.R. aus Metall hergestcllten Druckbehälter 110 unempfindlicher gegen mechanische Belastung. Somit können Seitencrashs noch besser überstanden werden. Jede der mehreren Druckbehälter 110, 120 ist an einem Ende mit der Brennstoffleitung 130 verbunden. Die Brennstoffleitung 130 kann bevorzugt als Brennstoffleiste ausgebildet sein. Eine solche Ausgestaltung reduziert die Teileanzahl und die Anzahl an Verschlussstellen, die Leckagen verursachen könnten. In der Mitte der Brennstoffleitung 130 ist hier das Tankabsperrventil 140 vorgesehen, das hier in ein Ventilverteilerblock integriert ist. In diesem Ventilverteilerblock kann zweckmäßig noch ein TP RD und/oder ein Überdruck-Sicherheitsventil integriert sein. Das Tankabsperrventil 140 bzw. der Ventilverteilerblock ist hier mit einer Tankkupplung fluidverbunden. Die Fluidverbindung zum Energiewandler, z.B. einem Brennstoffzellensystem, ist hier vereinfachend weggelassen worden. Ebenfalls nicht gezeigt sind weitere TPRDs, die alternativ oder zusätzlich vorgesehen sein können. Der Bereich B bezeichnet hier die Breite, die gemäß der Karosserieauslegung im Falle eines Seitencrashs nicht intrudiert wird. Es ist ersichtlich, dass das Druckbehältersystem gegen einen Seitenaufprall geschützt ist.
Hier dargestellt ist der Fall, in dem die Druckbehälter in Fahrzeuglängsrichtung eingebaut sind. Alternativ ist vorstellbar, dass die Druckbehälter in Fahrzeugquerrichtung in das Kraftfahrzeug verbaut sind. Dann sind die äußeren, armierungsfreien Druckbehälter näher zu den Radachsen angeordnet als die mitig vorgesehenen armierten Druckbehälter.
Aus Gründen der Leserlichkeit wurde vereinfachend der Ausdruck „mindestens ein(e)“ teilweise weggelassen. Sofern ein Merkmal der hier offenbarten Technologie in der Einzahl bzw; unbestimmt beschrieben ist (z.B. der/ein armierter Druckbehälter, der/ein armierungsfreier Druckbehälter etc.) so soll gleichzeitig auch deren Mehrzahl mit offenbart sein (z.B. der mindestens eine armierter Druckbehälter, der mindestens eine armierungsfreie Druckbehälter, etc.).
Der Begriff „im Wesentlichen“ (z.B. „im Wesentlichen senkrechte Achse“) umfasst im Kontext der hier offenbarten Technologie jeweils die genaue Eigenschaft bzw. den genauen Wert (z.B. „senkrechte Achse“) sowie jeweils für die Funktion der Eigenschaft/ des Wertes unerhebliche Abweichungen (z.B. „tolerierbare Abweichung von senkrechte Achse“). Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung, Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.

Claims

Ansprüche
1. Druckbehältersystem für ein Kraftfahrzeug, umfassend mehrere Druckbehälter (1 10, 120) zur Speicherung von Brennstoff, wobei mindestens ein Druckbehälter der mehreren Druckbehälter (110, 120) ein armierter Druckbehälter (120) ist, wobei mindestens ein anderer Druckbehälter der mehreren Druckbehälter (110, 120) ein armierungsfreier Druckbehälter (110) ist, und wobei
(i) der mindestens eine armierte Druckbehälter (120) von einem Seitenschweller (410) des Kraftfahrzeugs weiter entfernt vorgesehen ist als der mindestens eine armierungsfreie Druckbehälter (110), oder
(ii) der mindestens eine armierte Druckbehälter (120) von einer Radachse (A) des Kraftfahrzeugs weiter entfernt vorgesehen ist als der mindestens eine armierungsfreie Druckbehälter (110).
2. Druckbehältersystem nach Anspruch 1 , wobei die mehreren Druckbehälter (110, 120) in einer Ebene vorgesehen sind, und wobei die äußeren Druckbehälter armierungsfreie Druckbehälter (110) sind.
3. Druckbehältersystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei mindestens eine brandhemmende und insbesondere intumeszente Schicht zum thermischen Schutz der armierten Druckbehälter (120) nur an oder unmittelbar benachbart zu den armierten Druckbehältern (120) vorgesehen ist.
4. Druckbehältersystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei eine Bodenplatte zwischen den mehreren Druckbehältern (110, 120) und der Fahrbahn vorgesehen ist, und wobei ein den armierten Druckbehälter (120) zumindest teilweise abdeckender erster Bereich der Bodenplatte aus einem anderen Material oder aus einem anderen Schichtaufbau ausgebildet ist als ein zweiter Bereich der Bodenplatte, der den armierungsfreien Druckbehälter (110) zumindest teilweise abdeckt.
5. Druckbehältersystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Loslager des armierten Druckbehälters (120) anders ausgebildet ist als das Loslager des armierungsfreien Druckbehälters (110).
6. Druckbehältersystem nach Anspruch 5, wobei mehrere armierte Druckbehälter (120) durch ein gemeinsames Loslager gelagert sind.
7. Druckbehältersystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei ein gemeinsames Tankabsperrventil (140) an einer gemeinsamen Brennstoffleitung (130) vorgesehen ist, wobei die gemeinsame Brennstoffleitung (130) die mehreren Druckbehälter (110, 120) unterbrechungsfrei miteinander fluidverbindet, und wobei das Tankabsperrventil (140) im Mittelbereich der Brennstoffleitung (130) vorgesehen ist.
8. Druckbehältersystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die mehreren Druckbehälter (110, 120) Ober eine gemeinsame Brennstoffleiste (130) miteinander verbunden sind, und wobei die mehreren Druckbehälter (110, 120) im Unterflurbereich des Kraftfahrzeugs vorgesehen sind.
9. Druckbehältersystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei thermische Druckentlastungseinrichtungen nur an armierungsfreien Druckbehältern (110) vorgesehen sind.
10. Druckbehältersystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die armierungsfreien Druckbehälter (110) ein besseres Crashverhalten aufweisen und/oder eine größere Intrusion ohne zu bersten aushalten als die armierten Druckbehälter (120).
11. Kraftfahrzeug, umfassend ein Druckbehältersystem nach einem der vorherigen Ansprüche.
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