DE102011011031B4 - Druckbehälter mit keramifizierendem Polymer zwecks verbesserter Wärmebeständigkeit - Google Patents

Druckbehälter mit keramifizierendem Polymer zwecks verbesserter Wärmebeständigkeit Download PDF

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Abstract

Behälter (310), welcher umfasst: einen Innenmantel (312), der aus einem formbaren Material gebildet ist und einen Hohlraum darin ausbildet; einen Zwischenmantel (314), der über dem Innenmantel (312) ausgebildet ist; und einen Außenmantel (316), der über dem Zwischenmantel (314) ausgebildet ist, wobei der Außenmantel (316) mit einem keramifizierenden Material (322) imprägniert ist.

Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung betrifft einen Behälter und im Spezielleren einen Druckbehälter mit einem hohlen Innenmantel, der aus einem formbaren Material gebildet ist, einem Zwischenmantel, der über dem Innenmantel ausgebildet ist, und einem Außenmantel, der über dem Zwischenmantel ausgebildet ist, wobei der Außenmantel mit einem keramifizierenden Material imprägniert ist, das so ausgelegt ist, dass es bei Einwirken von Wärmeenergie eine Keramikschicht um den Außenmantel herum ausbildet.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Als Energiequelle für Elektrofahrzeuge und andere Anwendungen sind Brennstoffzellen vorgeschlagen worden. Bei Brennstoffzellen mit Protonenaustauschmembran (PEM) wird Wasserstoff als Brennstoff einer Anode der Brennstoffzelle zugeführt und wird Sauerstoff als Oxidationsmittel einer Kathode der Brennstoffzelle zugeführt. Eine Mehrzahl von Brennstoffzellen wird zu einem Brennstoffzellenstapel aufeinandergestapelt, um ein Brennstoffzellensystem zu bilden. Brennstoff und Oxidationsmittel werden typischerweise in druckbeaufschlagten Hohlbehältern wie beispielsweise Brennstofftanks gespeichert, die an einem Fahrgestell des Fahrzeugs angeordnet sind.
  • Ein typischer druckbeaufschlagter Behälter 10 ist in 1a, 1b und 2 veranschaulicht. Der Behälter 10 umfasst drei Mäntel: einen Innenmantel 12, einen Zwischenmantel 14, der über dem Innenmantel 12 ausgebildet ist, und einen Außenmantel 16, der über dem Zwischenmantel 14 ausgebildet ist. Der Innenmantel 12 ist typischerweise aus einem Polymermaterial wie beispielsweise aus Polyethylen, PET, Ethylen-Vinylalkohol oder einem Ethylen-Vinylacetat-Terpolymer gebildet. Der Innenmantel 12 kann auch aus einem beliebigen formbaren Material, wie beispielsweise einem Metall, einem Glas und dergleichen, gebildet sein. Der Zwischenmantel 14 ist typischerweise durch ein Faserwickelverfahren aus einer Kohlenstofffaser bzw. einem Kohlenstofffaser-Verbundmaterial gebildet und verleiht dem Behälter 10 Strukturfestigkeit. Der Außenmantel 16 ist typischerweise aus einer um den Zwischenmantel 14 herumgewickelten Glasfaser gebildet. Der Außenmantel 16 ist typischerweise mit Epoxidkleber oder einem anderen geeigneten Kleber imprägniert, um eine Verklebung des Außenmantels 16 mit dem Zwischenmantel 14 zu vereinfachen.
  • Der Innenmantel 12 des Behälters 10 ist typischerweise über einem äußeren Abschnitt oder an einem inneren Abschnitt eines Abschlusses ausgebildet, welche die Fluidströmungsverbindung mit einem Inneren des Behälters 10 erleichtert. In 1a ist der Abschluss ein metallischer runder Vorsprung 18. Der metallische runde Vorsprung 18 steht mit einem Ventil 20 in Verbindung, doch der metallische runde Vorsprung 18 kann auch mit jedem beliebigen Mittel zur Fluidströmungsverbindung (nicht gezeigt) mit anderen Behältereinrichtungen, wie beispielsweise einer Druckentlastungsvorrichtung, einer Düse, einer Leitung und dergleichen, in Verbindung stehen.
  • Um die Auswirkungen von Wärmeenergie auf den Innenmantel bzw. die Innenmäntel von typischen Behältern zu minimieren, ist ein Metallmantel um den Außenmantel des Behälters herum ausgebildet. Die Ausbildung solcher Metallmäntel ist arbeitsintensiv, erhöht das Gewicht und maximiert gleichermaßen die Montagekosten und die Materialkosten des Behälters.
  • Es wäre wünschenswert, einen Druck-Hohlbehälter zu entwickeln, der so angepasst ist, dass dadurch die Auswirkung von Wärmeenergie auf den Behälter minimiert wird und dabei gleichzeitig auch die Montage- und Materialkosten desselben minimiert werden.
  • KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Entsprechend der vorliegenden Erfindung und übereinstimmend mit dieser ist ein Druck-Hohlbehälter entwickelt worden, der so angepasst ist, dass dadurch die Auswirkung von Wärmeenergie auf den Behälter minimiert werden und dabei gleichzeitig die Montage- und Materialkosten desselben minimiert werden.
  • In einer Ausführungsform umfasst ein Behälter einen Innenmantel, der aus einem formbaren Material gebildet ist und einen Hohlraum darin ausbildet; einen Zwischenmantel, der über dem Innenmantel ausgebildet ist; und einen Außenmantel, der über dem Zwischenmantel ausgebildet ist, wobei der Außenmantel mit einem keramifizierenden Material imprägniert ist.
  • In einer anderen Ausführungsform umfasst ein Behälter einen Innenmantel, der aus einem formbaren Material gebildet ist und einen Hohlraum darin ausbildet; einen aus einer Kohlenstofffaser gebildeten Zwischenmantel, der über dem Innenmantel ausgebildet ist; und einen aus einer Glasfaser gebildeten Außenmantel, der mit einem keramifizierenden Material imprägniert ist, wobei das keramifizierende Material so angepasst ist, dass es bei Einwirken einer Wärmeenergie eine Keramikschicht um den Außenmantel herum ausbildet.
  • In einer anderen Ausführungsform umfasst ein Behälter einen hohlen Innenmantel, der aus einem formbaren Material gebildet ist und einen Hohlraum darin ausbildet; einen ersten Mantel; einen zweiten Mantel, der zwischen dem ersten Mantel und dem Außenmantel ausgebildet ist; und einen Keramikmantel, der über dem ersten Mantel ausgebildet ist und in diesen eindringt, wobei der Keramikmantel aus einem keramifizierenden Material gebildet ist, mit dem das Material des ersten Mantels imprägniert ist, wobei das keramifizierende Material bei Einwirken einer Wärmeenergie den Keramikmantel ausbildet.
  • BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die oben erwähnten, sowie auch weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich für den Fachmann auf einfache Weise aus der folgenden detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform im Lichte der beigefügten Zeichnungen, in denen:
  • 1a eine Perspektivansicht eines teilweise im Schnitt dargestellten, nach dem Stand der Technik bekannten Behälters ist;
  • 1b eine vergrößerte, fragmentarische Querschnittsansicht des Behälters gemäß der Hervorhebung durch Kreis B in 1a ist;
  • 2 eine im Querschnitt dargestellte Seitenaufrissansicht des Behälters aus 1a ist;
  • 3 eine im Querschnitt dargestellte Seitenaufrissansicht eines Behälters gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist; und
  • 4 eine im Querschnitt dargestellte Seitenaufrissansicht des Behälters aus 3 nach dem Einwirken von Wärmeenergie ist.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
  • Die folgende detaillierte Beschreibung und die beigefügten Zeichnungen beschreiben und veranschaulichen verschiedene, beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung. Die Beschreibung und die Zeichnungen sollen es dem Fachmann ermöglichen, die Erfindung zu realisieren und zu verwenden und es soll dadurch der Umfang der Erfindung keineswegs in irgendeiner Art beschränkt werden. In Bezug auf die offenbarten Verfahren haben die vorgestellten Schritte Beispielcharakter und somit ist die Reihenfolge der Schritte nicht notwendig oder von entscheidender Bedeutung.
  • In 3 und 4 ist ein Druck-Hohlbehälter 310 mit einem Innenmantel 312, einem Zwischenmantel 314 und einem Außenmantel 316 veranschaulicht. Ähnlich dem in 1a, 1b und 2 veranschaulichten Behälter 10, ist der Behälter 310 von im Wesentlichen zylindrischer Gestalt und dafür angepasst, ein Druckfluid (nicht gezeigt) zu fassen. Es versteht sich, dass der Behälter 310 jede gewünschte Form aufweisen kann und dass der Behälter 310 je nach Wunsch zusätzliche Schichten, wie beispielsweise eine Sperrschicht, eine Folienschicht, eine poröse Permeationsschicht und dergleichen umfassen kann, ähnlich jenen, die in den gemeinschaftlich besessenen U.S.-Patentanmeldungen US 2009/0057319 A1 und US 2009/0152278 A1 offenbart sind.
  • Bei dem Druckfluid kann es sich um jedes beliebige Fluid, wie beispielsweise Wasserstoffgas und Sauerstoffgas, eine Flüssigkeit und um beides, eine Flüssigkeit und ein Gas, handeln.
  • Bei dem Innenmantel 312 des Behälters 310 handelt es sich um ein Hohlgefäß, das dafür angepasst ist, das Druckfluid zu speichern. Wie hier gezeigt, ist der Innenmantel 312 aus einer Schicht aus Polymermaterial gebildet, der Innenmantel 312 kann jedoch je nach Wunsch auch aus einer Mehrzahl von Schichten gebildet sein. Der Innenmantel 312 kann durch Blasformen, Extrusionsblasen, Rotationsformen oder jedes andere, geeignete Verfahren gebildet werden. In der gezeigten Ausführungsform weist der Innenmantel 312 eine im Wesentlichen zylindrische Gestalt auf. Der Innenmantel 312 kann jedoch, je nach Wunsch, jede beliebige Gestalt aufweisen. Wie bei dem Behälter 10 kann ein erstes Ende (nicht gezeigt) des Innenmantels 312 zumindest einen Abschnitt eines runden Vorsprungs (nicht gezeigt) aufnehmen. Der Innenmantel 312 kann aus einem Kunststoff, wie beispielsweise Polyethylen, PET, Ethylen-Vinylalkohol oder einem Ethylen-Vinylacetat-Terpolymer gebildet sein. Der Innenmantel 312 kann auch aus anderen formbaren Materialien, wie beispielsweise einem Metall, einem Glas und dergleichen, gebildet sein.
  • Der Zwischenmantel 314 des Behälters 310 ist an dem Innenmantel 312 zwischen dem Innenmantel 312 und dem Außenmantel 316 angeordnet. Der Zwischenmantel 314 weist eine im Wesentlichen zylindrische Gestalt auf. Wie hier gezeigt, grenzt der Zwischenmantel 314 im Wesentlichen an den Innenmantel 312. Der Zwischenmantel 314 kann auch aus einem beliebigen, formbaren Material, wie beispielsweise einem Metall und einem Kunststoff, gebildet sein, oder der Zwischenmantel 314 kann durch ein Faserwickelverfahren gebildet sein. Falls der Zwischenmantel 314 durch ein Faserwickelverfahren gebildet ist, kann der Zwischenmantel 314 beispielsweise aus einer Kohlenstofffaser, einer Glasfaser, einer Verbundfaser, einer Faser mit Kunstharzbeschichtung und dergleichen gebildet sein. Es versteht sich, dass das zur Bildung des Zwischenmantels 314 verwendete Material basierend auf dem verwendeten Verfahren der Befestigung des Zwischenmantels 314 an dem Innenmantel 312, dem Verwendungszweck des Behälters 310 und den Eigenschaften des in dem Behälter 310 aufzubewahrenden Fluids ausgewählt wird.
  • Der Außenmantel 316 des Behälters 310 ist über zumindest einem Abschnitt des Zwischenmantels 314 angeordnet. Der Außenmantel 316 weist eine im Wesentlichen zylindrische Gestalt auf. Wie in 3 und 4 gezeigt, grenzt der Außenmantel 316 im Wesentlichen an den Zwischenmantel 314. Der Außenmantel 316 ist aus Glasfaser gebildet, die mittels eines Faserwickelverfahrens mit einem keramifizierenden Material 322 imprägniert oder sonst wie beschichtet ist. Wegen des keramifizierenden Materials 322 hat der Außenmantel 316 eine größere Dicke als der Glasfaser-Außenmantel eines typischen Gefäßes, wie beispielsweise der Außenmantel 16 des Behälters 10. Der Außenmantel 316 ist ebenfalls mit einem Epoxid imprägniert, um ein Verkleben des Außenmantels 316 mit dem Zwischenmantel 314 zu vereinfachen. Es versteht sich, dass der Außenmantel 316 aus einer Kohlenstofffaser, einer Glasfaser, einer Verbundfaser, einer Faser mit Kunstharzbeschichtung und jedem beliebigen anderen Material, das fasergewickelt werden kann, gebildet sein kann. Zusätzliches keramifizierendes Material 322 kann durch ein Sprühverfahren, ein Beschichtungsverfahren, ein Tauchverfahren und jedes beliebige andere Verfahren, das dafür ausgelegt ist, den Leerraum zwischen den Fasern des Außenmantels 316 mit dem keramifizierenden Material 322 zu befüllen, auf eine Oberfläche des Außenmantels 316 aufgebracht werden.
  • Bei dem keramifizierenden Material 322 handelt es sich um eine Mischung umfassend eine Matrix, zumindest ein feuerfestes Mineral und ein Flussmittel. Das keramifizierende Material 322 kann selektiv auch ein Funktionsadditiv umfassen. In der in 3 gezeigten Ausführungsform handelt es sich bei der Matrix um ein Polymermaterial, wie beispielsweise einen Polyester, einen Acrylnitrilsäureester, ein Vinylchlorid, ein Polyolefin, ein Polyamid, um Derivate der vorgenannten Stoffe, Mischungen der vorgenannten Stoffe und Copolymere der vorgenannten Stoffe. Bei der Matrix kann es sich auch um einen Kautschuk, wie beispielsweise einen Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM-Kautschuk), handeln. Bei dem feuerfesten Mineral kann es sich um ein keramikbildendes Vorprodukt bzw. eine Keramik, wie beispielsweise ein Silikatmineral, handeln. Das Silikatmineral kann ein Ton oder ein Talk sein. Das Flussmittel kann jedes beliebige Material sein, das dazu verwendet wird, den Schmelzpunkt des feuerfesten Materials zu senken. Bei dem Flussmaterial kann es sich um Blei, Bor, Soda, Kalium, Lithium, Calcium, Magnesium, Barium, Zink, Strontium und Mischungen aus jedem beliebigen der vorgenannten Stoffe, wie beispielsweise Bleibisilikat, handeln. Das Flussmittel kann auch ein Feldspat wie beispielsweise ein Kalifeldspat und ein Sodafeldspat sein. Das Funktionsadditiv kann ein Flammverzögerungsmittel bzw. ein Rauchgasunterdrücker bzw. ein Schaumbildner bzw. ein Farbstoff bzw. eine Kombination aus den vorgenannten Stoffen sein.
  • Bei der Verwendung ist der Behälter 310 mit einem Fahrzeug mit Brennstoffzellenanbetrieb gekoppelt. Es versteht sich, dass der Behälter 310 auch mit einem Fahrzeug mit beliebigem Antrieb gekoppelt sein kann. Befindet sich der Behälter 310 unter gewöhnlichen Betriebsbedingungen und auf Umgebungstemperaturen, so ist der Behälter 310 wie weiter oben beschrieben. Wirkt jedoch eine Wärmeenergie mit einer Temperatur von ungefähr 150 Grad Celsius bis ungefähr 300 Grad Celsius auf den Behälter 310 ein, so kommt es zu einem Abbau der Polymermatrix. Während die Polymermatrix abgebaut wird und wenn eine Wärmeenergie von ungefähr 300 Grad Celsius und [engl.: ”and”] ungefähr 1000 Grad Celsius auf den Behälter 310 einwirkt, tritt das feuerfeste Mineral in eine flüssige Phase ein und bildet im Zuge eines als Keramisierung bezeichneten Prozesses einen in 4 gezeigten, porösen Keramikmantel 324. Bei der Keramisierung erfolgt eine Verklebung oder Verschmelzung der Partikel des feuerfesten Minerals in der flüssigen Phase sowie ein Reaktionssintern der Partikel des feuerfesten Minerals. Das feuerfeste Mineral ist dabei so gewählt, dass die gebildete Keramik bei Einwirken einer Wärmeenergie mit einer Temperatur von ungefähr 750 Grad Celsius und ungefähr 1000 Grad Celsius keiner Schrumpfung unterworfen wird. Der Schmelzpunkt des feuerfesten Minerals wird durch das Flussmaterial herabgesetzt, um die Ausbildung des Keramikmantels 324 zu erleichtern. Das Flussmaterial und das feuerfeste Mineral sowie deren jeweils verwendete Mengenverhältnisse werden basierend auf deren jeweiligen Eigenschaften dergestalt ausgewählt, dass gewährleistet ist, dass das feuerfeste Material in der flüssigen Phase eine gewünschte Viskosität aufweist und bei Einwirken einer Wärmeenergie von ungefähr 300 Grad Celsius und [engl.: ”and”] ungefähr 1000 Grad Celsius nicht aus dem Hohlraum in dem Außenmantel 316 abfließt. Infolge des Einwirkens von Wärmeenergie auf den Behälter 310 erfolgt gleichermaßen die Ausbildung des Keramikmantels um den Außenmantel 316 herum und das Eindringen des Keramikmantels 324 in den Außenmantel 316. Der Keramikmantel 324 ist so angepasst, dass er ein Einwirken von Wärmeenergie auf den Zwischenmantel 314 und den Innenmantel 312 des Behälters 310 minimiert.

Claims (10)

  1. Behälter (310), welcher umfasst: einen Innenmantel (312), der aus einem formbaren Material gebildet ist und einen Hohlraum darin ausbildet; einen Zwischenmantel (314), der über dem Innenmantel (312) ausgebildet ist; und einen Außenmantel (316), der über dem Zwischenmantel (314) ausgebildet ist, wobei der Außenmantel (316) mit einem keramifizierenden Material (322) imprägniert ist.
  2. Behälter nach Anspruch 1, wobei das keramifizierende Material (322) so angepasst ist, dass es bei Einwirken einer Wärmeenergie eine Keramikschicht um den Außenmantel (316) herum ausbildet.
  3. Behälter nach Anspruch 1, wobei die Keramikschicht in den Außenmantel (316) eindringt.
  4. Behälter nach Anspruch 1, wobei das keramifizierende Material (322) ein Polymer, zumindest ein feuerfestes Mineral und ein Flussmittel umfasst.
  5. Behälter nach Anspruch 4, wobei das keramifizierende Material (322) weiterhin ein Funktionsadditiv umfasst.
  6. Behälter nach Anspruch 5, wobei es sich bei dem Funktionsadditiv um ein Flammverzögerungsmittel bzw. einen Rauchgasunterdrücker bzw. einen Schaumbildner bzw. einen Farbstoff bzw. eine Kombination aus den vorgenannten Stoffen handelt.
  7. Behälter nach Anspruch 4, wobei es sich bei dem Polymer um einen Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk und/oder einen Polyester und/oder einen Acrylnitrilsäureester und/oder ein Vinylchlorid und/oder ein Polyolefin und/oder ein Polyamid und/oder um Derivate der vorgenannten Stoffe und/oder Mischungen der vorgenannten Stoffe und/oder Copolymere der vorgenannten Stoffe handelt.
  8. Behälter nach Anspruch 4, wobei es sich bei dem feuerfesten Mineral um ein keramikbildendes Vorprodukt bzw. eine Keramik handelt.
  9. Behälter nach Anspruch 4, wobei es sich bei dem feuerfesten Mineral um ein Silikatmineral handelt.
  10. Behälter nach Anspruch 4, wobei das Flussmaterial Blei bzw. Bor bzw. Soda bzw. Kalium bzw. Lithium bzw. Calcium bzw. Magnesium bzw. Barium bzw. Zink bzw. Strontium bzw. einen Feldspat umfasst.
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