DE102011013570A1

DE102011013570A1 - Gastemperaturmoderation innerhalb eines Druckgasbehälters mittels Wärmetauscher

Info

Publication number: DE102011013570A1
Application number: DE102011013570A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Müller; Holger Winkelmann
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2010-03-17
Filing date: 2011-03-10
Publication date: 2011-11-03
Also published as: CN102195054B; CN102195054A; US20110226782A1

Abstract

Es ist ein Druckbehälter zum Speichern von Brennstoffzellenreaktanden offenbart. Der Druckbehälter umfasst eine innere Schale, die aus einem formbaren Material gebildet ist und einen Hohlraum darin bildet, und eine äußere Schale, die um die innere Schale herum gebildet ist. Ein Wärmeübertragungselement ist innerhalb des Behälterhohlraumes angeordnet. Das Wärmeübertragungselement ist mit einer geeigneten äußeren thermischen Masse außerhalb des Druckbehälters thermisch gekoppelt, um die Wirkung thermischer Energie auf dem Behälter zu minimieren. Das Wärmeübertragungselement kann eine metallische Struktur innerhalb des Hohlraumes sein oder kann innerhalb der inneren Schale auf einer inneren Schalenfläche integriert sein. Die äußere thermische Masse kann ferner mit entweder einem aktiven oder einem passiven äußeren thermischen Handhabungssystem thermisch gekoppelt sein, um die Temperatur des Fluids innerhalb des Behälters zu steuern.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft allgemein ein Druckgasgefäß und im Spezielleren ein Druckgasgefäß zum Speichern von Wasserstoffgas in einem Fahrzeug für eine Brennstoffzelle, wobei das Gefäß eine innere Wärmeaustauschstruktur umfasst, um Temperaturschwankungen zu verhindern, während das Gefäß mit Druckgas gefüllt wird und während Druckgas aus denn Gefäß entnommen wird.
Hintergrund der Erfindung
Wasserstoff ist eine sehr attraktive Brennstoffquelle, da er sauber ist und verwendet werden kann, um effizient Elektrizität in einer Brennstoffzelle zu produzieren. Die Automobilindustrie wendet beträchtliche Mittel für die Entwicklung von Wasserstoffbrennstoffzellen als eine Leistungsquelle für Fahrzeuge auf. Solche Fahrzeuge würden effizienter sein und weniger Emissionen erzeugen als Fahrzeuge, die Verbrennungsmotoren verwenden.
Eine Wasserstoff Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die eine Anode und eine Kathode mit einem Elektrolyten dazwischen umfasst. Die Anode empfängt Wasserstoffgas und die Kathode empfängt Sauerstoff. Das Wasserstoffgas wird in der Anode ionisiert, um freie Wasserstoffionen und Elektronen zu erzeugen. Die Wasserstoffionen gelangen durch den Elektrolyt hindurch zu der Kathode und reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode, um Wasser als ein Nebenprodukt zu erzeugen. Die Elektronen von der Anode können nicht durch den Elektrolyt hindurch gelangen und werden durch einen Verbraucher hindurch geleitet, um Arbeit zu leisten, bevor sie zu der Kathode geschickt werden. Die Arbeit dient dazu, das Fahrzeug oder Systeme in dem Fahrzeug zu betreiben. Es werden viele Brennstoffzellen in einem Stapel kombiniert, um ausreichend Leistung zum Antreiben eines Kraftfahrzeuges zu erzeugen.
Eine Brennstoffzelle kann einen Prozessor umfassen, der einen flüssigen Brennstoff wie z. B. Alkohole (Methanol oder Ethanol), Kohlenwasserstoffe (Benzin) und/oder Gemische davon wie z. B. Mischungen aus Ethanol/Methanol und Benzin in Wasserstoffgas für die Brennstoffzelle umwandelt. Solche flüssigen Brennstoffe sind problemlos im Fahrzeug zu speichern. Es gibt ferner eine flächendeckende Infrastruktur zur Versorgung mit flüssigen Brennstoffen. Auch gasförmige Kohlenwasserstoffe wie z. B. Methan, Propan, Erdgas, Flüssiggas usw. sind sowohl für Fahrzeug- als auch Nicht-Fahrzeug-Brennstoffzellenanwendungen geeignete Brennstoffe. Auf dem technischen Gebiet sind verschiedene Prozessoren zum Umwandeln des flüssigen Brennstoffs in für die Brennstoffzelle geeigneten gasförmigen Wasserstoff bekannt.
Alternativ kann Wasserstoffgas getrennt von dem Fahrzeug verarbeitet und in Füllstationen und dergleichen gespeichert werden. Das Wasserstoffgas wird von der Füllstation in Drucktanks oder -gefäße in dem Fahrzeug überführt, um das gewünschte Wasserstoffgas nach Bedarf an die Brennstoffzelle zu liefern. Typische Drücke innerhalb des Druckwasserstoffgasgefäßes für Brennstoffzellenanwendungen liegen im Bereich von 200 bar–700 bar (2900–10150 psi).
Wegen der hohen beteiligten Drücke ist es wünschenswert, dass Speichergefäße für Druckgase mechanische Stabilität und Integrität aufweisen. Es ist auch wünschenswert, Wasserstoffgasgefäße an Fahrzeugen leichtgewichtig herzustellen, um die Gewichtsanforderungen des Fahrzeuges nicht wesentlich zu beeinflussen, oder um das Leistungsvermögen zu verbessern oder für beide Zwecke. Der derzeitige Trend in der Industrie geht dahin, Typ-4-Druckgastanks zum Speichern von Druckwasserstoffgas in dem Fahrzeug zu verwenden. Ein Typ-4-Tank umfasst eine äußere strukturelle Lage, die aus einem synthetischen Material wie z. B. einer Glasfaser- oder einer Kohlefaserumhüllung hergestellt ist, und eine innere Kunststoffauskleidung. Die äußere Lage stellt die strukturelle Integrität des Tanks für den darin eingeschlossenen Druck bereit, während die Kunststoffauskleidung einen gasundurchlässigen Behälter zum Abdichten des Gases darin bereitstellt. Typischerweise wird zuerst die Kunststoffauskleidung mittels eines Formverfahrens gebildet, wonach die Faserumhüllung um die Auskleidung herum gebildet und daran angeklebt wird.
1 zeigt einen Druckgasbehälter 10, der derzeit in der Industrie in Erwägung gezogen wird, um Druckwasserstoffgas für Brennstoffzellen in einem Fahrzeug zu speichern. Der Behälter 10 weist eine zylindrische Form auf, um die erwünschte strukturelle Integrität vorzusehen, und umfasst eine äußere strukturelle Wand 12 und eine innere Auskleidung 14, die eine Gefäßkammer 16 darin definieren. Die äußere Wand 12 ist typischerweise aus einer geeigneten faserartigen verbundenen synthetischen Umhüllung wie z. B. einer präzisionsgewickelten Glas- oder Kohlefaserumhüllung hergestellt und weist eine ausreichende Dicke auf, um die gewünschte mechanische Festigkeit zum Druckeinschluss bereitzustellen. Die Auskleidung 14 ist typischerweise aus einem geeigneten polymeren Material hoher Dichte wie z. B. Polyethylen, PET, Ethylenvinylalkohol oder einem Ethylenvinylacetat-Terpolymer hergestellt, um einen im Wesentlichen wasserstoffundurchlässigen Einschlussbehälter innerhalb des Behälters 10 vorzusehen. Die Dicke der Auskleidung 14 beträgt allgemein etwa 5 mm. Somit stellt die Kombination aus der äußeren Wand 12 und der Auskleidung 14 die/den gewünscht/en strukturelle Integrität, Druckeinschluss und Gasdichtigkeit in einer leichtgewichtigen und kosteneffizienten Weise bereit.
Der Behälter 10 umfasst einen Adapter oder Anschluss 18, der die Einlass- und Auslassöffnungen für das darin eingeschlossene Wasserstoffgas vorsieht. Der Adapter 18 ist typischerweise eine Stahlstruktur, die die verschiedenen Ventile, Druckregler, Rohrleitungsverbinder, Überschussströmungsbegrenzer und dergleichen beherbergt, welche das Füllen des Behälters 10 mit dem Druckwasserstoffgas zulassen und das Austragen des Druckgases aus dem Behälter 10 bei oder nahe bei Umgebungsdruck oder bei einem gewünschten Druck zulassen, um es zu der Brennstoffzelle zu schicken. Der Adapter 18 ist typischerweise aus Stahl hergestellt, um die gewünschte Struktur zum Speichern des Druckwasserstoffgases vorzusehen. Der Adapter 18 kann aus einem/r beliebigen mit Wasserstoff kompatiblen Metall oder Metalllegierung gebildet sein, das/die für die Druckniveaus innerhalb des Behälters 10 geeignet ist. Es wird ein geeigneter Kleber, Dichtungsring oder dergleichen (nicht gezeigt) verwendet, um die Auskleidung 14 an dem Adapter 18 in einer gasdichten Weise abzudichten und den Adapter 18 an der äußeren Wand 12 zu fixieren.
Während eines Behälterfüllprozesses strömt ein Füllgas 20 von einem Ende 22 des Behälters 10 zu einem gegenüberliegenden Ende 24 des Behälters 10 in den Behälter 10 hinein und wird zu eingeschlossenem Gas 26. Wenn der Füllprozess fortschreitet, erhöht sich der Druck in dem Behälter 10. Es ist wünschenswert, dass die Temperatur des Füllgases 20 nahe bei Umgebungstemperatur (300 K, 27°C) liegt und bei einem geeigneten Druck liegt, um den Behälter 10 innerhalb weniger Minuten (weniger als drei Minuten) zu füllen. Allerdings bewirkt die Komprimierung infolge der thermodynamischen Eigenschaften des Füllgases 20 und des eingeschlossenen Gases 26, dass das eingeschlossene Gas 26 in Reaktion darauf, dass das Füllgas 20 darin unter Druck eingeleitet wird, erwärmt wird. Infolgedessen steigt die Temperatur des eingeschlossenen Gases 26 innerhalb des Behälters 10 an, da keine wesentliche Wärmeübertragung von dem Gas in den Behälter hinein und weiter in die Umgebung während des Füllprozesses vorhanden ist. Das Verhältnis zwischen erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur während eines Füll (d. h. Betankungs)-Prozesses ist in 2 links von der Strichlinie 30 veranschaulicht.
Das Erwärmen des eingeschlossenen Gases 26 innerhalb des Behälters 10 verursacht einen unerwünschten Temperaturanstieg innerhalb der Kunststoffauskleidung 14, der das Gasabdichtungsvermögen der Auskleidung 14 beeinflussen kann. Es ist daher erforderlich, die Temperatur des eingeschlossenen Gases 26 innerhalb des Behälters 10, während der Behälter 10 gefüllt wird, und danach zu steuern. Tatsächlich ist für Verbundbehälter mit Kunststoffauskleidungen die Gastemperatur innerhalb des Behälters ein einschränkender Faktor für die Betankungszeit. Es ist nicht unüblich, dass das Betanken auf Grund der Gastemperatur in dem Behälter verlangsamt oder unterbrochen werden muss. Dies kann selbst dann der Fall sein, wenn das Füllgas 20 an der Füllstation vorgekühlt wird.
Das Entfernen von Gas aus dem Behälter 10 hat das gegenteilige Problem zur Folge, wie in 2 rechts von der Strichlinie 30 veranschaulicht. Beispielsweise während eines Betriebs der Brennstoffzelle, wenn Gas aus dem Druckbehälter bezogen wird, verringert sich die Temperatur innerhalb des Behälters deutlich. Wenn nichts unternommen wird, könnte die Temperatur unter eine minimale erwünschte Betriebstemperatur des Behältermaterials oder benachbarter Komponenten fallen. Bekannte Techniken, um eine zu niedrige Temperatur innerhalb des Behälters zu verhindern, umfassen Heizeinrichtungen, die auf den Behälter 10 oder auf den Adapter 18 angewendet werden, oder Strömungsreduktionen des entnommenen Gases. Heizeinrichtungen verbrauchen von der Brennstoffzelle produzierte Energie, die andernfalls verwendet werden würde, um das Fahrzeug zu betreiben. Strömungsreduktionen des entnommenen Gases haben die Wirkung, die von der Brennstoffzelle abgegebene Leistung zu begrenzen, und beeinflussen dadurch den Betrieb des Fahrzeuges.
Es wäre wünschenswerte, einen hohlen Druckbehälter zu entwickeln, der geeignet ist, die Wirkung thermischer Energie auf dem Behälter zu minimieren, indem eine Wärmeübertragung zwischen dem Füllgas und der äußeren Umgebung vorgesehen wird, wobei gleichzeitig auch die Montage- und Materialkosten desselben minimiert sind.
Zusammenfassung der Erfindung
In Übereinstimmung mit und gemäß der vorliegenden Erfindung wurde überraschenderweise ein hohler Druckbehälter entdeckt, der geeignet ist, die Wirkung thermischer Energie auf den Behälter zu minimieren, wobei gleichzeitig auch die Montage- und Materialkosten desselben minimiert sind.
In einer Ausführungsform umfasst ein Behälter eine innere Schale, die aus einem formbaren Material gebildet ist und einen Hohlraum darin bildet; eine äußere Schale, die über der inneren Schale gebildet ist; und ein Wärmeübertragungselement, das innerhalb des Behälters integriert ist, wobei das Wärmeübertragungselement thermisch mit der Umgebung gekoppelt ist, um die Wirkung thermischer Energie auf dem Behälter zu minimieren. Das Wärmeübertragungselement kann eine Metallblechstruktur innerhalb des Hohlraumes sein oder kann innerhalb der inneren Schale auf einer inneren Schalenfläche integriert sein. Das Wärmeübertragungselement kann mit einer geeigneten äußeren thermischen Masse thermisch gekoppelt sein, um die Temperatur eines Füllgases zu steuern.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst ein Behälter eine innere Schale, die aus einem formbaren Material gebildet ist und einen Hohlraum darin bildet; eine äußere Schale, die über der inneren Schale gebildet ist; und ein Wärmeübertragungselement, das innerhalb des Behälters integriert ist, wobei das Wärmeübertragungselement mit der Umgebung thermisch gekoppelt ist, um die Wirkung thermischer Energie auf dem Behälter zu minimieren. Das Wärmeübertragungselement kann eine Metallblechstruktur innerhalb des Hohlraumes sein oder kann innerhalb der inneren Schale auf einer inneren Schalenfläche integriert sein. Das Wärmeübertragungselement ist mit einem aktiven äußeren thermischen System thermisch gekoppelt, um die Temperatur eines Füllgases zu steuern.
Beschreibung der Zeichnungen
Die oben stehenden sowie weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden für Fachleute aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform bei Betrachtung im Licht der beiliegenden Zeichnungen ohne weiteres verständlich, in denen:
1 eine schematische Querschnitts-Aufriss-Ansicht eines Druckbehälters, wie auf dem technischen Gebiet bekannt, ist;
2 eine graphische Darstellung der Beziehung des Drucks und der Temperatur eines Füllgases gegen die Zeit während eines typischen Betankungs/Füllprozesses und eines typischen Entnahme/Fahrprozesses ist;
3 eine schematische Querschnitts-Aufriss-Ansicht eines Behälters gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist; und
4 eine schematische Querschnitts-Aufriss-Ansicht eines Behälters gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Die nachfolgende detaillierte Beschreibung und die beiliegenden Zeichnungen beschreiben und veranschaulichen verschiedene beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung. Die Beschreibung und die Zeichnungen dienen dazu, es einem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung herzustellen und zu verwenden, und sollen den Schutzumfang der Erfindung in keiner Weise einschränken. In Bezug auf die offenbarten Verfahren sind die dargestellten Schritte beispielhaft und somit ist die Reihenfolge der Schritte nicht notwendig oder kritisch.
3 veranschaulicht einen hohlen Druckbehälter 110 mit einer äußeren strukturellen Wand 112 und einer inneren Auskleidung 114, die eine Behälterkammer 116 darin definieren. Wie der Behälter 10 von 1, weist der Behälter 110 eine im Wesentlichen zylindrische Form auf und ist geeignet, ein mit Druck beaufschlagtes Fluid 126 aufzunehmen. Es ist einzusehen, dass der Behälter 110 je nach Wunsch eine beliebige Form aufweisen kann und der Behälter 110 je nach Wunsch zusätzliche Schichten wie z. B. eine Sperrschicht, eine Folienschicht, eine poröse Permeationsschicht und dergleichen ähnlich jenen umfassen kann, die in der gemeinsamen US-Patentanmeldung Serien-Nr. 11/847 007 und US-Patentanmeldung Serien-Nr. 11/956 863 offenbart sind, die hiermit beide durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit hierin aufgenommen sind. Das mit Druck beaufschlagte Fluid 126 kann beispielsweise ein beliebiges Fluid wie z. B. Wasserstoffgas und Sauerstoffgas, eine Flüssigkeit und sowohl eine Flüssigkeit als auch ein Gas sein.
Die innere Auskleidung 114 des Behälters 110 ist ein hohles Gefäß, das geeignet ist, das mit Druck beaufschlagte Fluid 126 zu speichern. Wie gezeigt, ist die innere Auskleidung 114 aus einer Schicht Polymermaterial gebildet, wobei die innere Auskleidung 114 jedoch nach Wunsch aus mehreren Schichten gebildet sein kann. Die innere Auskleidung 114 kann mittels Blasformen, Extrusionsblasformen, Rotationsformen oder eines anderen geeigneten Verfahrens hergestellt sein. In der gezeigten Ausführungsform weist die innere Auskleidung 114 eine im Wesentlichen zylindrische Form auf. Allerdings kann die innere Auskleidung 114 je nach Wunsch eine beliebige Form aufweisen. Die innere Auskleidung 114 kann aus einem Kunststoff wie z. B. Polyethylen, PET, Ethylenvinylalkohol oder einem Ethylenvinylacetat-Terpolymer gebildet sein. Die innere Auskleidung 114 kann auch aus anderen formbaren Materialien wie z. B. einem Metall, einem Glas und dergleichen gebildet sein, die gewählt sind, um ein Entweichen oder Diffundieren des mit Druck beaufschlagten Fluids 126 zu minimieren.
Die äußere strukturelle Wand 112 des Behälters 110 ist auf der inneren Auskleidung 114 angeordnet. Die äußere strukturelle Wand 112 weist eine im Wesentlichen zylindrische Form auf und liegt im Wesentlichen an der inneren Auskleidung 114 an, um eine strukturelle Stütze für den Behälter 110 bereitzustellen, um zuzulassen, dass der Behälter 110 hohen Drücken standhält. Die äußere strukturelle Wand 112 kann beispielsweise aus einem beliebigen formbaren Material wie z. B. einem Metall und Kunststoff gebildet sein oder die äußere strukturelle Wand 112 kann mithilfe eines Präzisionswickelprozesses oder eines anderen Prozesses gebildet sein. Wenn die äußere strukturelle Wand 112 mithilfe eines Präzisionswickelprozesses gebildet ist, kann die äußere strukturelle Wand 112 z. B. aus einer Kohlefaser, einer Glasfaser, einer Verbundfaser, einer Faser mit einer Harzbeschichtung und dergleichen gebildet sein. Es ist einzusehen, dass das Material, das verwendet wird, um die äußere strukturelle Wand 112 zu bilden, auf der Basis des Prozesses, der verwendet wird, um die äußere strukturelle Wand 112 an der inneren Auskleidung 114 zu befestigen, der Verwendung des Behälters 110 und der Eigenschaften des Fluids, das in dem Behälter 110 gespeichert werden soll, gewählt sein kann.
Wie der Behälter 10 von 1 umfasst der Behälter 110 einen Adapter 118, der an einem ersten Ende 122 des Behälters angebracht ist, welches die Einlass- und Auslassöffnung für das darin eingeschlossene mit Druck beaufschlagte Fluid 126 bereitstellt. Wie zuvor angemerkt, ist der Adapter 118 typischerweise eine Stahlstruktur, welche die verschiedenen Ventile, Druckregler, Rohrleitungsverbinder, Zugangsströmungsbegrenzer etc. beherbergt, die das Füllen des Behälters 110 mit dem Füllgas 120, das zum mit Druck beaufschlagten Fluid 126 wird, zulassen und das Austragen des mit Duck beaufschlagten Fluids 126 bei oder nahe bei Umgebungsdruck oder einem beliebigen gewünschten Druck aus dem Behälter 110 zulassen, um es zu der Brennstoffzelle zu schicken. Es wird ein geeigneter Kleber, Dichtungsring oder dergleichen (nicht gezeigt) verwendet, um die innere Auskleidung 114 an dem Adapter 118 in einer gasdichten Weise abzudichten, wie auf dem technischen Gebiet bekannt. Ebenso wird ein herkömmliches Mittel verwendet, um den Adapter 118 an der äußeren strukturellen Wand 112 des hohlen Behälters 110 zu fixieren.
Ein Wärmeübertragungselement 130 ist innerhalb des hohlen Behälters 110 und im Spezielleren innerhalb der inneren Auskleidung 114 und innerhalb der Behälterkammer 116 angeordnet. Das in 3 gezeigte Wärmeübertragungselement 130 ist als eine metallische Struktur innerhalb des/der Behälterhohlraumes oder -kammer 116 gezeigt. Das Wärmeübertragungselement 130 kann eine zentrale Stütze 132 und eine Vielzahl von Rippen oder Armen 134 umfassen, die mit der zentralen Stütze 132 integral verbunden oder thermisch verbunden sind. Die zentrale Stütze 132 ist mit dem Adapter 118 an einem ersten Ende 136 der zentralen Stütze thermisch verbunden. In einer Ausführungsform ist ein zweites Ende 138 der zentralen Stütze mit einem zweiten Adapter oder Anschluss 140 thermisch verbunden, der innerhalb eines zweiten Endes 124 des Behälters eingebettet ist. Die Rippen 134 stehen von der zentralen Stütze 132 innerhalb der Behälterkammer 116 nach außen vor. Die Rippen 134 sind derart dimensioniert und konstruiert, dass sie sich innerhalb des Behälterhohlraumes 116 ausreichend weit erstrecken, um eine gewünschte thermische Wechselwirkung mit dem mit Druck beaufschlagten Fluid 126 vorzusehen. Die Rippen 134 können auch mit der inneren Fläche 128 der inneren Auskleidung 114 in Kontakt stehen. In einer Ausführungsform ist zumindest ein Abschnitt 158 der Rippen 134 auf der inneren Fläche 128 der inneren Auskleidung 114 gebildet.
Sowohl der Adapter 118 als auch der Anschluss 140 können auf Grund der thermischen Masse des Adapters 118 wie auch des Anschlusses 140 als Kühlkörper wirken. Darüber hinaus kann/können der Adapter 118 und/oder der Anschluss 140 mit Wärmeaustauschstrukturen 142 bzw. 144 thermisch gekoppelt sein. Die Wärmeaustauschstrukturen 142, 144 können zusätzliche thermische Massen 146 bzw. 148 wie z. B. Ventilblöcke, die verwendet werden, um die Entnahme von Gasen aus dem Behälter 110 zu steuern, oder dergleichen umfassen. Die thermischen Massen 146, 148 können aktiv oder passiv gekühlt sein und jegliche Wärme, die durch die thermische Massen 146, 148 entfernt wird, kann gespeichert werden oder kann verwendet werden, um die Temperatur anderer Bereiche des Gasentnahmesystems zu steuern und dadurch die Effizienz der Konstruktion zu erhöhen. Als ein nicht einschränkendes Beispiel kann Wärme, die innerhalb der thermischen Massen 146, 148 während eines Betankungsvorganges, wenn die Temperatur des mit Druck beaufschlagten Fluids 126 ansteigt, entnommen und gespeichert wird, verwendet werden, um das Gas 120 zu erwärmen, wenn es aus dem Behälter 110 während des Betriebs der Brennstoffzelle entnommen wird, oder kann verwendet werden, um die Temperatur des mit Druck beaufschlagten Fluids selbst während der Entnahme des Gases 120 aus dem Behälter 110 zu erhöhen.
Während Betankungsbetrieben (d. h. innerhalb des links von der Strichlinie 30 in 2 gezeigten Regimes), wenn das Fluid 120 dem hohlen Behälter 110 zugegeben wird, steigen sowohl der Druck 32 als auch die Temperatur 34 des mit Druck beaufschlagten Fluids 126 innerhalb des Behälters an. Die während des Füllprozesses produzierte Wärme strömt durch das Wärmeübertragungselement 130 hindurch und wird von den Rippen 134 zu der zentralen Stütze 132 und von dort sowohl in den Adapter 118 als auch den Anschluss 140 geleitet. Infolgedessen wird Wärme aus dem mit Druck beaufschlagten Fluid 126 entzogen und aus dem Behälter 110 hinaus geleitet, um dadurch die Temperatur innerhalb des Behälters 110 zu steuern. Wenn die thermische Masse des Adapters 118 und des Anschlusses 140 ausreichend groß sind, kann die Temperatur innerhalb des Behälters 110 ohne einen weiteren Kühlkörper unter dem gewünschten Punkt gehalten werden. Alternativ könnte eine geeignete Wärmeableitungsstruktur wie z. B. die thermischen Massen 146, 148 z. B. über äußere Rippen 160 oder über einen Kühler (nicht gezeigt) oder dergleichen die Wärme speichern oder die Wärme z. B. an die Umgebung übertragen.
Während Perioden einer Fluidentnahme aus dem Behälter 110 (d. h. innerhalb des rechts von der Strichlinie 30 in 2 gezeigten Regimes), wenn das Fluid 120 aus dem hohlen Behälter 110 entnommen wird, sinken der Druck 32' und die Temperatur 34' des mit Druck beaufschlagten eingeschlossenen Fluids 126 innerhalb des Behälters ab. In diesem Betriebsregime wird äußere Wärme von den thermischen Massen 146, 148 durch den Adapter 118 bzw. den Anschluss 140 hindurch geleitet und wird weiter in das erste und das zweite Ende 136 bzw. 138 der zentralen Stütze 132 hinein geleitet, wo sie weiter in die Rippen 134 hinein geleitet werden kann, um die Erwärmung des mit Druck beaufschlagten Fluids 126 innerhalb des Behälters 110 zu unterstützen. Es wird daher Wärme von außerhalb des Behälters 110 der Behälterkammer 116 verfügbar gemacht, um die Betriebstemperatur des mit Druck beaufschlagten Fluids 126 über einer beliebigen gewünschten minimalen Betriebstemperatur des Behälters 110 zu halten. Wie zuvor angeführt, können die thermischen Massen 146, 148 passiv oder aktiv erwärmt und gekühlt sein. Passive thermische Massen 146, 148 können die Form einer großen metallischen Masse annehmen und können Rippen 160 oder eine andere gewünschte passive Wärme abstrahlende Struktur umfassen.
Unter Bezugnahme auf 4 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung, die ein aktives thermisches Handhabungssystem umfasst, beschrieben. Der Einfachheit halber weisen gleiche Strukturen von 3 die gleichen Bezugsziffern auf und sind mit einem Strich(')-Symbol bezeichnet.
In der Ausführungsform, die in 4 gezeigt ist, können der Adapter 118' und der Anschluss 140' Durchgänge 150 bzw. 152 umfassen, um zuzulassen, dass ein Wärmeaustauschfluid 154 durch den Adapter 118' und den Anschluss 140' hindurch strömt. Die Durchgänge 150, 152 und somit der Adapter 118' und der Anschluss 140' sind mit thermischen Massen 146', 148' thermisch gekoppelt, um zuzulassen, dass Wärme aus der Behälterkammer 116' gespeichert oder auf die Umgebung übertragen wird. Vorzügliche Ergebnisse wurden erhalten, wenn die Durchgänge 150, 152 mit dem Klimatisierungssystem eines Kraftfahrzeuges gekoppelt sind, das durch die Brennstoffzelle betrieben ist. Somit kann das Wärmeübertragungselement 130' durch das Heizungs- und Klimatisierungssystem des Kraftfahrzeuges erwärmt oder abgekühlt werden. Alternativ kann das Wärmeaustauschfluid 154 ein Fluid sein, das eine Phasenänderung erfährt, wenn es entweder erwärmt oder abgekühlt wird. Solch ein die Phase änderndes Fluid kann ferner Wärme von dem Adapter 118' und dem Anschluss 140' zu den thermischen Massen 146', 148' und von dort zu einer äußeren Wärmeaustauschstruktur 142', 144' wie z. B. Rippen 160', einem Kühler (nicht gezeigt) oder dergleichen leiten. Auf diese Weise kann das Wärmeübertragungselement 130' innerhalb des Behälters 110' je nach Wunsch mit einem beliebigen äußeren Wärmetauscher thermisch gekoppelt sein.
Während bestimmte repräsentative Ausführungsformen und Details gezeigt wurden, um die Erfindung zu veranschaulichen, wird für Fachleute offensichtlich sein, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der Offenlegung abzuweichen, der in den nachfolgenden beigefügten Ansprüchen weiter beschrieben ist.

Claims

Behälter, der umfasst: eine innere Schale, die einen Hohlraum darin bildet; eine äußere Schale, die über der inneren Schale gebildet ist; und ein Wärmeübertragungselement, das innerhalb des Hohlraumes angeordnet ist, um eine thermische Verbindung zwischen dem Hohlraum und dem Äußeren des Hohlraumes vorzusehen, wobei das Wärmeübertragungselement geeignet ist, eine Wirkung thermischer Energie auf dem Behälter zu minimieren.
Behälter nach Anspruch 1, wobei das Wärmeübertragungselement mit einer Wärmeaustauschstruktur außerhalb der äußeren Schale thermisch gekoppelt ist, um eine Temperatur in dem Hohlraum zu steuern.
Behälter nach Anspruch 1, wobei das Wärmeübertragungselement eine Metallblechstruktur ist, die innerhalb des Hohlraumes angeordnet ist.
Behälter nach Anspruch 3, wobei das Wärmeübertragungselement ferner umfasst; eine zentrale Stütze; und zumindest eine Rippe, die mit der zentralen Stütze thermisch gekoppelt ist und sich von dieser im Wesentlichen nach außen weg erstreckt.
Behälter nach Anspruch 4, wobei die zumindest eine Rippe mit zumindest einem Abschnitt einer inneren Fläche der inneren Schale in Kontakt steht.
Behälter nach Anspruch 5, welcher ferner umfasst: einen ersten Adapter, der eine erste thermische Masse an einem ersten Ende des Behälters aufweist, wobei der erste Adapter zumindest mit einer von der inneren Schale und der äußeren Schale abdichtend in Eingriff steht und sich dadurch erstreckt; und einen zweiten Adapter, der eine zweite thermische Masse an einem zweiten Ende des Behälters aufweist, wobei der zweite Adapter zumindest mit einer von der inneren Schalte und der äußeren Schale abdichtend in Eingriff steht und sich dadurch erstreckt; wobei die zentrale Stütze mit dem ersten Adapter und dem zweiten Adapter thermisch gekoppelt ist.
Behälter nach Anspruch 6, wobei zumindest eine von der ersten und der zweiten thermischen Masse mit einer äußeren Wärmeaustauschstruktur thermisch gekoppelt ist, um die Temperatur in dem Hohlraum zu steuern.
Behälter nach Anspruch 1, welcher ferner umfasst: einen ersten Adapter, der eine erste thermischen Masse aufweist, die an einem ersten Ende des Behälters angeordnet ist, wobei der erste Adapter zumindest mit einer von der inneren Schale und der äußeren Schale abdichtend in Eingriff steht und sich dadurch erstreckt; und einen zweiten Adapter, der eine zweite thermische Masse aufweist, die an einem zweiten Ende des Behälters angeordnet ist, wobei der zweite Adapter zumindest mit einer von der inneren Schale und der äußeren Schale abdichtend in Eingriff steht und sich dadurch erstreckt; wobei die zentrale Stütze mit dem ersten Adapter und dem zweiten Adapter thermisch gekoppelt ist.
Behälter nach Anspruch 8, wobei zumindest einer von dem ersten Adapter und dem zweiten Adapter mit einer Wärmeaustauschstruktur thermisch gekoppelt ist.
Behälter nach Anspruch 8, wobei einer von dem ersten Adapter und dem zweiten Adapter ferner einen darin gebildeten internen Durchgang umfasst, um ein Wärmeaustauschfluid aufzunehmen, wobei das Fluid in thermischer Verbindung mit einer Wärmeaustauschstruktur steht.