DE-102021103918-B4 - Wasserstoffdrucktank umfassend dünne lasttragende Faserverbundschalen mit H2-Barriereschichten

Abstract

Wasserstoffdrucktank (1) zum Speichern von Wasserstoff, zur Verwendung in einem Fahrzeug, wobei der Wasserstoffdrucktank (1) im Betrieb unter Hochdruck steht, wobei der Wasserstoffdrucktank(1) eine Hülle (2) besitzt, die aus mehreren sich überdeckenden Lagen (3) aufgebaut ist, wobei eine äußere Lage (5) in Harz eingebettete Faser (7) aufweist, und eine innere Lage (6) als Barriereschicht (9) ausgebildet ist, wobei mehrere sich zwiebelschalenartig überdeckende äußere Lagen (5) mit in Harz eingebetteten Fasern (8) vorhanden sind, deren Fasern (8) so abgelegt / eingebracht / ausgerichtet sind, dass sie im befüllten Zustand des Wasserstoffdrucktanks (1) lasttragend sind wobei gesamtheitlich mehrere Barriere-Faserverbundschalen, die jeweils eine lasttragende Faserverbundschale und eine Wasserstoff-Barriereschicht aufweisen, übereinander nach dem Zwiebelschalenprinzip angeordnet sind, wobei einerseits innen- und/oder außenseitig die Barriereschicht (9) eine PTFE-Beschichtung oder andere H2-Barrieresubstanzbeschichtung besitzt und andererseits die Harzmatrix mit H2-Barrierepartikeln in Form von Graphenpartikel oder -blättchen besetzt ist.

Inventors

• Felix Dunger
• Tobias Hoyer
• Thomas Leschik
• Jon Andri Jörg

Assignees

• Connova Deutschland GmbH

Dates

Publication Date

20260507

Application Date

20210218

Claims (3)

1. Wasserstoffdrucktank (1) zum Speichern von Wasserstoff, zur Verwendung in einem Fahrzeug, wobei der Wasserstoffdrucktank (1) im Betrieb unter Hochdruck steht, wobei der Wasserstoffdrucktank(1) eine Hülle (2) besitzt, die aus mehreren sich überdeckenden Lagen (3) aufgebaut ist, wobei eine äußere Lage (5) in Harz eingebettete Faser (7) aufweist, und eine innere Lage (6) als Barriereschicht (9) ausgebildet ist, wobei mehrere sich zwiebelschalenartig überdeckende äußere Lagen (5) mit in Harz eingebetteten Fasern (8) vorhanden sind, deren Fasern (8) so abgelegt / eingebracht / ausgerichtet sind, dass sie im befüllten Zustand des Wasserstoffdrucktanks (1) lasttragend sind wobei gesamtheitlich mehrere Barriere-Faserverbundschalen, die jeweils eine lasttragende Faserverbundschale und eine Wasserstoff-Barriereschicht aufweisen, übereinander nach dem Zwiebelschalenprinzip angeordnet sind, wobei einerseits innen- und/oder außenseitig die Barriereschicht (9) eine PTFE-Beschichtung oder andere H2-Barrieresubstanzbeschichtung besitzt und andererseits die Harzmatrix mit H2-Barrierepartikeln in Form von Graphenpartikel oder -blättchen besetzt ist.
2. Wasserstoffdrucktank (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , dass die Fasern (8) in einem Wickel-Ablege-, Web- oder Flechtverfahren und einer Harzmatrix eingebracht sind.
3. Wasserstoffdrucktank (1) nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet , dass die Fasern (8) so angebracht sind, dass sie auch im unbefüllten Zustand des Wasserstoffdrucktanks (1) lasttragend sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wasserstoffdrucktank zum Speichern von Wasserstoff zur Verwendung in einem Fahrzeug, wie einem Landfahrzeug, etwa einem Pkw, einem Lkw oder einem anderen Nutzfahrzeug, oder einem Luftfahrzeug, etwa einem Flugzeug oder einem Hubschrauber, wobei der Wasserstoffdrucktank unter Hochdruck, d. h. mehr als 500 kPa steht, wobei der Tank eine Hülle besitzt, die aus mehreren sich überdeckenden Lagen aufgebaut ist, wobei ferner eine äußere Lage in Harz eingebettete Fasern, etwa aus Carbon, Glas oder Aramid, aufweist, wobei die Fasern als / zu Fäden kombiniert sind und eine relativ dazu gesehen innere Lage / Schicht als H2-durchganghemmende oder verhindernde Barriere ausgebildet ist. Mehrere sich zwiebelschalenartig überdeckende äußere Lagen / Schichten sind mit in Harz eingebetteten Fasern vorhanden, deren Fasern so abgelegt / eingebracht sind, dass sie im befüllten Zustand des H2-Tanks (alle / überwiegend, zu mehr als 75%) lasttragend sind. Stand der Technik sind Typ 4 CFK-Wasserstoffdrucktanks mit PTFE-Inlinern, die beispielsweise in Wickeltechnik hergestellt werden. Solche Wasserstoffdrucktanks sind jedoch zu schwer und zu teuer. Üblicherweise wird eine 4 cm starke Wanddicke aus Faserverbundwerkstoff, bspw. CFK eingesetzt. Dabei sind nur 10 % lasttragende Fasern enthalten. Die Materialeffizienz ist eher schlecht. Auch ist ein Crash-Schutz nur schlecht realisierbar. Selbst die 4 cm dicke CFK-Wandstärke ist nicht hinreichend. Noch dazu ist sie nicht effizient und teuer. Ferner ist kein Thermalschutz enthalten. Gattungsgemäße Drucktanks sind außerdem aus der DE 10 2015 016 699 A1, der DE 10 2015 203 535 A1, der DE 10 2016 225 194 A1, der DE 20 2015 105 815 U1, der US 2018 / 0 356 037 A1 der DE 10 2014 016 023 B3, der US 2020 / 0 384 719 A1 und der US 2013 / 0 313 266 A1 bekannt, genauso wie aus US 8 074 826 B2, DE 10 2010 033 623 A1, US 2004 /0 149 759 A1, EP 2 668 019 B1, CN 1 02 332 590 A, US 2018 / 0 100 047 A1 und DE 10 2005 037 636 A1. Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung diese Nachteile abzustellen oder wenigstens zu mildern. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Es wird somit ein Drucktank aus mehreren Materialschichten mit unterschiedlichen Funktionen gestellt, die schichtweise angepasste Materialsysteme einsetzen. Insbesondere wird ein üblicherweise 5 bis 10 mm dicker PTFE-Inliner durch eine dünne lasttragende Faserverbundschale (GFK) ersetzt, die jeweils mit H2-Barriereschichten innen versehen ist und/oder schichtweise / lagenweise bzw. einfach innen oder außen beplankt ist. Es sind mehrere solcher Barriere-Faserverbundschalen übereinander angeordnet. Dem Zwiebelschalenprinzip wird gefolgt, wobei dabei eine Gesamtstärke oder Einzelstärke von 1 bis 3 mm wünschenswert ist. Die Nutzung eines Faserverbund-Inliners als integrierten Wickelkern für den Wickelprozess des eigentlichen CFK-Drucktanks ist zielführend. Dabei hat sich in der Fertigung besonders ein Wickelprozess bewährt. Insbesondere wird ein Heißwickelprozess von ca. 80 bis 120° Prozesstemperatur eingesetzt, der zu einer Minimierung von Porosität in der Harzmatrix dank optimierter Fasertränkung mit niederviskosem Harz führt. Ein kreuzungsarmes Wickelmuster wird realisiert, wodurch ein extrem dichtes Faserlaminat erzeugt wird. Im Spezialfall ist die Kugelgeometrie wünschenswert, gerade im Vergleich zu einem Hohlzylinder oder Zylinder erweist sich diese Geometrie im Lastfall als überlegen. Gerade im Flugeinsatz, nämlich bei Luftfahrzeugen, zeigen sich hier die Vorteile intensiv. Als Option sei auf ein Wickeln ohne integrierten Faserverbund-Inliner hingewiesen. Als Kerntechnologie hat sich die Verwendung eines Salzkerns, beschichtet mit einer H2-Barrierefolie bewährt. Der Salzkern wird dann nach dem Prozess ausgelöst und die Barriereschicht verbleibt im Tank. Das Einbringen von Strukturschaumschichten, bspw. aus Polymethacrylimid zur thermischen Isolation und im Außenbereich als Crash-Absorber ist vorteilhaft und folgt dem Zwiebelschalenprinzip beispielsweise. Die äußere Schale kann durch die Verwendung von thermoplastischen Fasern für einen Crash-Impact optimiert werden. Eine Sensorik zur Tanküberwachung, bspw. mittels Dehnmessstreifen, die eingewickelt werden, hat sich dabei auch bewährt. Anwendungen als High Performance H2-Druckspeicher mit besserem Gewicht / Volumen-Kostenfaktor, bspw. in Zusammenhang mit einem Brennstoffzellenantrieb, bspw. bei Flugzeugen, Minihelikoptern oder Raumfahrzeugen ist angedacht. Das Ziel einer 50 % Gewichts- und Kostenreduktion relativ zum heutigen Typ 4 Wasserstoffdrucktank lässt sich erreichen. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beansprucht und werden nachfolgend näher erläutert. So ist es von Vorteil, wenn die Fasern in einem (maschinellen) Wickel-, Ablege-, Web- oder Flechtverfahren in einer Harzmatrix eingebracht sind. Eine automatische und dadurch kostengünstige und reproduzierbare Fertigung ist dadurch darstellbar.