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DE102009024794A1 - Wasserstofftank in einem Kraftfahrzeug - Google Patents

Wasserstofftank in einem Kraftfahrzeug Download PDF

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DE102009024794A1
DE102009024794A1 DE102009024794A DE102009024794A DE102009024794A1 DE 102009024794 A1 DE102009024794 A1 DE 102009024794A1 DE 102009024794 A DE102009024794 A DE 102009024794A DE 102009024794 A DE102009024794 A DE 102009024794A DE 102009024794 A1 DE102009024794 A1 DE 102009024794A1
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tank
hydrogen
hydrogen tank
motor vehicle
volumes
Prior art date
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Withdrawn
Application number
DE102009024794A
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English (en)
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Dieter Dipl.-Ing. Lange
Franz Dipl.-Ing. Maier
Matthias Dr. Nohr
Dirk Dipl.-Ing. Streichert
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Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
Daimler AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Abstract

Der Wasserstofftank (1) ist zur Verringerung seines Gesamtgewichts mehrschalig aufgebaut mit voneinander angeschlossenen Teilvolumina, wobei nach außen hin ein Fülldruck (p, p) abnimmt. Weiterhin wird ein entsprechend ausgestattetes Kraftfahrzeug angegeben.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf einen Wasserstofftank in einem Kraftfahrzeug.
  • Moderne Antriebssysteme für Kraftfahrzeuge basieren auf dem Einsatz von gasförmigem Wasserstoff als Energieträger. Hierzu wird der Wasserstoff in einem Wasserstofftank mit einem bis zu 700fachen Überdruck im Kraftfahrzeug mitgeführt. Derartige Wasserstofftanks sind bisher als Stahlflaschen mit bis zu 200fachem Überdruck eingesetzt worden. Eine Wandung des Wasserstofftanks kann auch für einen höheren Fülldruck aus einem Faserverbundwerkstoff mit beispielsweise Glas- und/oder Kohlenstofffasern bestehen.
  • Derartige Wasserstofftanks verfügen über Zu- und Ableitungen zum Befüllen beziehungsweise zur Versorgung eines Antriebssystems mit dem benötigen Wasserstoff sowie über ein Überdruckventil. Ein Wasserstofftank wird mit geeigneten Haltevorrichtungen an einer Rohbaustruktur beziehungsweise einer Karosserie eines Kraftfahrzeugs befestigt, wobei der Wasserstofftank in seiner äußeren Formgebung an einen vorhandenen Einbauraum der Rohbaustruktur angepasst sein kann.
  • Aus der DE 1 542 186 A1 ist ein Druckbehälter für hohe Innendrücke bekannt, der mehrere in gegenseitigem Abstand angeordnete Schalen aufweist, die jeweils voneinander abgeschlossene Tankvolumina bilden. Dabei nehmen die Fülldrücke in den einzelnen Schalen laufend von innen nach außen hin ab. Ein derartiger Druckbehälter ist insbesondere zur Aufnahme von Kernreaktorkomponenten vorgesehen.
  • Als nachteilig bei bekannten Wasserstofftanks in Kraftfahrzeugen ist es anzusehen, dass sie besonders bei einem hohen Fülldruck eine Wandung ausreichender Stärke oder Dicke benötigen, um die Betriebssicherheit zu gewährleisten. Somit wird auch unter Verwendung von Faserverbundwerkstoffen das Gesamtgewicht eines derartigen Wasserstofftanks in unerwünschter Weise erhöht.
  • Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Wasserstofftank in einem Kraftfahrzeug zu schaffen, dessen Gesamtgewicht bei gleicher Füllmenge oder gleichem Fülldruck verringert ist.
  • Diese Aufgabe wird durch einen Wasserstofftank mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, ein entsprechend ausgestattetes Kraftfahrzeug ist in Anspruch 9 angegeben.
  • Bei einem derart ausgebildeten Wasserstofftank ist ein erstes Tankvolumen mit einem ersten Fülldruck p1 vorzugsweise vollständig von einem zweiten Tankvolumen mit einem zweiten Fülldruck p2 umhüllt oder umschlungen. Dadurch, dass auf die Außenhülle des ersten, inneren Tankvolumens der Fülldruck p2 des äußeren, zweiten Tankvolumens drückt muss diese erste Tankwandung lediglich eine Druckdifferenz zwischen dem zweiten, niedrigeren Fülldruck p2 und dem ersten, höheren Fülldruck p1 auffangen. Daher muss sie nicht in einer derartigen Dicke ausgeführt werden, wie wenn sie den gesamten ersten, höheren Fülldruck p1 gegenüber dem normalen Luftdruck standhalten müsste. Die dünnere Auslegung ergibt eine Materialeinsparung und eine Verringerung des Gesamtgewichts des Wasserstofftanks.
  • Prinzipiell kann auch eine dritte Schale mit einem dritten Tankvolumen mit einem dritten, noch niedrigeren Fülldruck p3 vorgesehen sein oder noch eine vierte, fünfte oder noch weitere Schale mit jeweils abnehmenden Fülldrücken.
  • Im Rahmen der Erfindung ist die Formgebung eines derartig ausgebildeten Wasserstofftanks vom Fachmann in an sich beliebiger Weise wählbar, insbesondere derart, um vorhandene Einbauräume in einem Kraftfahrzeug optimal ausnutzen zu können. Es versteht sich, dass die jeweiligen Tankwandungen der einzelnen, einander umhüllenden Tankvolumina in Abhängigkeit von konkaven, konvexen, geraden oder abgerundeten Formgebungen jeweils in entsprechender Materialstärke ausgeführt sind, um eine Beschädigung oder Zerstörung während des normalen Betriebs zu vermeiden. Bevorzugt weist der Wasserstofftank jedoch eine längliche, im Wesentlichen zylindrische beziehungsweise flaschenförmige Formgebung auf, wobei die mehreren Tankvolumina insbesondere jeweils runde Querschnitte aufweisen.
  • Es ist ersichtlich, dass das Befüllen beziehungsweise Entleeren des Wasserstofftanks derart erfolgt, dass in allen Tankvolumina eine im Wesentlichen gleichmäßige Druckabnahme erfolgt, so dass insbesondere nicht das äußere, zweite Tankvolumen zuerst vollständig entleert wird und der gesamte erste, höhere Innendruck des ersten Tankvolumens auf der ersten Tankwandung lasten würde. Hierzu ist der Wasserstofftank mit entsprechenden Druck- und Regelventilen ausgestattet und das Befüllen beziehungsweise Entleeren kann von einer Steuerelektronik geregelt werden.
  • Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass bei einem gleichen Tankvolumen durch den mehrschaligen Aufbau in den innen liegenden Schalen mit jeweils höheren Fülldrücken mehr Wasserstoff befüllt werden kann, so dass die Gesamtmenge des in den Wasserstofftank einfüllbaren Wasserstoffs zunimmt, ohne dass das Gesamtgewicht in unerwünschter Weise erhöht werden würde. Außer Wasserstoff können natürlich auch andere gasförmige Betriebsstoffe in einem entsprechend ausgebildeten Tank im Kraftfahrzeug mitgeführt werden.
  • Die einzelnen schalenartigen Tankvolumina können jeweils eine im Wesentlichen ähnliche Querschnittsform aufweisen, prinzipiell können diese aber auch voneinander abweichen, beispielsweise ein ungefähr rundes, zylindrisches inneres Tankvolumen und ein dieses umhüllendes, im Querschnitt gesehen ungefähr rechteckiges äußeres, zweites Tankvolumen.
  • Zur Verstärkung können zwischen den Wandungen verschiedener Tankvolumina jeweils ein oder mehrere Verstärkungsstege vorgesehen sein, die auch jeweils einstückig mit den Tankwandungen ausgeführt sein können. Vorzugsweise erstrecken sich derartige Verstärkungsstege über die gesamte Länge des Wasserstofftanks, um eine durchgehende Verstärkung zu erhalten.
  • Als Materialien für die verschiedenen Tankwandungen kommen unter anderem metallische Werkstoffe in Frage, bevorzugt sind diese Wandungen jedoch aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt, dessen Festigkeitswerte in Abhängigkeit des gewählten Kunststoffmaterials beziehungsweise der Art und Menge der verwendeten Fasern wie Glasfasern, Kohlefasern und/oder metallischer Fasern vom Fachmann gewählt werden kann.
  • Zur Herstellung eines derartigen Wasserstofftanks aus einem Faserverbundwerkstoff ist vorgeschlagen, dass dieser in einem Autoklaven unter Überdruck ausgehärtet wird. Durch den erhöhten Außendruck während des Aushärtens wird der Wandung aus dem Faserverbundwerkstoff eine Eigenspannung verliehen, die beim Befüllen des Wasserstofftanks, vorzugsweise mit Wasserstoffgas, zunächst mit einem ersten Innendruck ausgeglichen werden muss, um einen spannungsfreien Zustand in der Tankwandung zu erhalten. Nachfolgend wird der Innendruck auf den gewünschten Fülldruck erhöht, beispielsweise 700facher Überdruck. Dabei ist der tatsächlich nach Außen wirkende Druck auf die Tankwandung aber kleiner als der 700fache atmosphärischer Überdruck und zwar um den Betrag der Vor oder Eigenspannung. Somit kann die Wandung des Wasserstoffbehälters dünner ausgeführt werden, da nicht der vollständige Überdruck aufgefangen werden muss.
  • Zur weiteren Erhöhung der Stabilität können nach dem Aushärtevorgang weitere Verstärkungsfasern unter einer definierten Vorspannung aufgebracht werden. Damit wird zwar die Dicke der Wandung und das Gesamtgewicht des Wasserstofftanks erhöht, jedoch kann der Fülldruck entsprechend ebenfalls erhöht werden.
  • Vorzugsweise erfolgt das Aufbringen der zusätzlichen Verstärkungsfasern in einem an sich bekannten Wickelverfahren.
  • Weiterhin kann ein Liner beziehungsweise eine gasdichte Schicht oder Beschichtung nicht auf einer Tankinnenseite angebracht sein sondern der Liner wird zumindest teilweise in die Wandung einlaminiert. Somit wird insbesondere für nicht runde Tanks eine zusätzliche Verstärkung erhalten.
  • Es versteht sich, dass der Wasserstofftank hinsichtlich seiner mechanischen Eigenschaften derart ausgelegt ist, dass er bei der Betankung beziehungsweise der Entleerung während des Betriebs sowie unter verschiedenen Temperatureinflüssen maßhaltig ist, um insbesondere den störungsfreien Einsatz im Kraftfahrzeug zu gewährleisten.
  • Schließlich ist vorgeschlagen, dass der Wasserstofftank zwei miteinander verbundene Tankbehälter umfasst, die beispielsweise T- oder L-förmig angeordnet und miteinander verflanscht sind. Dabei herrscht in einem ersten Tank ein höherer Druck als im anderen, zweiten Tank. Für den Tank niedrigeren Drucks ist ein Regelventil vorgesehen, wobei beim Befüllen zuerst der Niederdruck-Tank befüllt wird, bis dieser seinen Arbeitsdruck erreicht hat. Nachfolgend wird der Tank mit höherem Fülldruck befüllt. Während des Betriebs erfolgt die Entnahme in umgekehrter Reihenfolge.
  • Zum Einbau des Wasserstofftanks im Kraftfahrzeug ist vorgeschlagen, dass dieser selbst als tragendes Element der Rohbaustruktur des Kraftfahrzeugs ausgebildet ist. Das bedeutet, dass er zur Stabilität einer Rohkarosse des Kraftfahrzeugs beiträgt und gegebenenfalls weitere Komponenten insbesondere der Karosse des Kraftfahrzeugs an dem Wasserstofftank befestigt sein können. Es versteht sich, dass der Wasserstofftank beziehungsweise dessen Wandung in einer ausreichenden Wandstärke ausgelegt ist, um die statischen und dynamischen Kräfte, insbesondere während des Fahrtbetriebs, aufnehmen zu können.
  • Im Vorhergehenden wurde die Erfindung im Wesentlichen im Zusammenhang mit dem Einsatz eines derartigen Wasserstofftanks in einem Kraftfahrzeug beschrieben. Es ist jedoch ersichtlich, dass ein derartiger Wasserstofftank auch auf allen anderen Gebieten der Technik einsetzbar ist, beispielsweise als stationärer Vorratsbehälter für eine Brennstoffzelle zur Energieerzeugung.
  • Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung können der nachfolgenden Beschreibung zu dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel sowie den einzelnen Patentansprüchen entnommen werden.
  • In der Zeichnung zeigt:
  • 1 zwei Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Wasserstofftanks.
  • In 1 ist in der oberen Hälfte ein erster Wasserstofftank 1 abgebildet, der aus zwei ineinander angeordneten Tankwandungen 2, 3 besteht, die jeweils einen im Wesentlichen runden, zylindrischen Querschnitt aufweisen. Im Inneren der ersten Tankwandung 2 herrscht ein erster, höherer Fülldruck p1 als innerhalb des Tankvolumens zwischen erster Tankwandung 2 und zweiter, äußerer Tankwandung 3. Dadurch, dass in dem zweiten Tankvolumen ein geringerer Fülldruck p2 als im inneren, ersten Tankvolumen herrscht, muss die erste Tankwandung 2 nicht den vollständigen ersten, höheren Fülldruck p1 gegenüber dem normalen Luftdruck aufnehmen, sondern lediglich die Druckdifferenz zwischen p1 und p2. Daher kann die erste Tankwandung 2 in einer geringeren Materialstärke ausgeführt sein als es für den eigentlichen Fülldruck p1 notwendig wäre. Dies führt zu einer Material- und Gewichtsreduzierung.
  • Im zweiten Ausführungsbeispiel in 1 in der unteren Hälfte hat die erste Tankwandung 2 eine im Wesentlichen ebenfalls runde, zylindrische Formgebung und wird von der zweiten Tankwandung 3 im Wesentlichen vollständig umhüllt oder umschlungen, wobei diese zweite Tankwandung 3 einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweist.
  • Als Material für die jeweiligen Tankwandungen 2, 3 kommen metallische Werkstoffe oder vorzugsweise Faserverbundwerkstoffe, insbesondere unter Eigenspannung stehend, in Betracht. Zur Verstärkung beziehungsweise zur Erhöhung der mechanischen Stabilität des Wasserstofftanks kann zwischen den verschiedenen Tankwandungen 2, 3 auch ein oder mehrere Verstärkungsstege 4 vorgesehen sein, die vorzugsweise einstückig mit den Tankwandungen 2, 3 ausgebildet sind.
    • 1
    Wasserstofftank
    2
    erste Tankwandung
    3
    zweite Tankwandung
    4
    Verbindungssteg
    p
    Druck
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 1542186 A1 [0004]

Claims (9)

  1. Wasserstofftank (1) in einem Kraftfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass er einen mehrschaligen Aufbau mit voneinander abgeschlossenen Tankvolumina aufweist, wobei nach Außen hin ein Fülldruck (p1, p2) jeweils abnimmt.
  2. Wasserstofftank (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass verschiedene Tankwandungen (2, 3) des Wasserstofftanks jeweils unterschiedliche Querschnittsformen aufweisen.
  3. Wasserstofftank (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen verschiedenen Tankwandungen (2, 3) jeweils ein Verstärkungssteg (4) vorgesehen ist.
  4. Wasserstofftank (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Tankwandungen (2, 3) aus einem Faserverbundwerkstoff bestehen.
  5. Wasserstofftank (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserverbundwerkstoff unter einer Vor- oder einer Eigenspannung steht.
  6. Wasserstofftank (1) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Liner in eine Tankwandung (2, 3) des Wasserstofftanks (1) einlaminiert ist.
  7. Wasserstofftank (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass er einen T- oder L-förmigen Aufbau aufweist, insbesondere mit zwei miteinander verbundenen Behältern.
  8. Wasserstofftank (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass er als tragendes Element in eine Rohbaustruktur des Kraftfahrzeugs eingebaut ist.
  9. Kraftfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass es mit einem Wasserstofftank (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ausgestattet ist.
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