Nichtmetallischer Druckgasbehälter

B e s c h r e i b u n g

Die vorliegende Erfindung betrifft einen nichtmetallischen Druckgasbehälter für ein unter Druck stehendes Gas, insbesondere zur Verwendung als Gaskraftstofftank eines Kraftfahrzeugs.

Heutzutage werden zum Betreiben von Kraftfahrzeugen zunehmend alternative Antriebe beziehungsweise Kraftstoffe eingesetzt. So werden zum Antrieb von gasbe- triebenen Kraftfahrzeugen so genannte Flüssiggase, wie Autogas (LPG = Liquified Petroleum Gas), und Erdgas (CNG = Compressed N_atural Gas) eingesetzt. Während (flüssiges) LPG in speziellen Gaskraftstofftanks bei einem Druck von ca. 8 bar im Kraftfahrzeug mitgeführt werden kann, ist es zur Speicherung einer größeren Menge an CNG erforderlich, den Kraftstoff im Gastank unter einem hohen Druck, beispielsweise 200-300 bar, zu verdichten. Hierzu werden gewöhnlich metallische Druckgasbehälter eingesetzt, die in der Bodengruppe oder im Kofferraum verankert sind.

Zunehmend wird auch Wasserstoff zum Antrieb von Kraftfahrzeugen in Betracht gezogen. Hierbei kann Wasserstoff einerseits als Energiespeicher für den Betrieb von Brennstoffzellen zur Erzeugung elektrischer Energie für den Antrieb eines Elektromotors dienen oder andererseits zur direkten Verbrennung in der Brennkraftmaschine verwendet werden. Um eine größere Menge Wasserstoff im Kraftfahrzeug mitführen zu können, ist eine Speicherung desselben bei einem

sehr hohen Gasdruck in der Größenordnung von 700-800 bar, beispielsweise 750 bar, erforderlich. Da für derart hohe Gasdrücke metallische Druckgasbehälter nicht mehr geeignet sind, werden gewöhnlich nicht-metallische Druckgasbehälter aus Verbundwerkstoffen, insbesondere Carbon-faserverstärkter Kunststoff, eingesetzt.

Für den Einsatz in Kraftfahrzeugen müssen die Druckgasbehälter bestimmten sicherheitsrelevanten Anfor- derungen genügen. So weisen die Druckgasbehälter im Allgemeinen ein Sicherheitsdruckventil auf, das zur Vermeidung eines überdruckbedingten Berstens ein überdruckventil und/oder eine thermische Sicherungseinrichtung, gewöhnlich einer Schmelzsicherung, aufweist, durch welche im Falle eines überhitzungsbedingten überdrucks im Gaskraftstoffbehälter der Gaskraftstoff kontrolliert abgeblasen werden kann .

Bei Druckgasbehältern aus nicht-metallischen Verbundwerkstoffen, wie sie inbesondere für Wasserstoff eingesetzt werden, ist aber die Wärmeleitfähigkeit der Druckgasbehälterwand sehr schlecht, was zu einem gravierenden Sicherheitsproblem führen kann, da für den Fall, dass die Druckgasbehälterwand entfernt von der thermischen Sicherungseinrichtung lokal stark erwärmt wird, etwa bei einem Fahrzeugbrand, die thermische Sicherungseinrichtung aufgrund der schlechten Wärmeleitfähigkeit des nichtmetallischen Verbundwerkstoffs nicht auslösen kann. Eine lokale Erwärmung der Druckgasbehälterwand kann dann jedoch zu einer lokalen Schwächung des Druckgasbehälters führen, in deren Folge die Druckgasbehälterwand schließlich durchbrennen kann. Schlimmstenfalls kann der Druckgasbehälter sogar bersten.

Demgegenüber besteht die Aufgabe der vorliegenden

Erfindung darin, einen nichtmetallischen Druckgasbehälter zur Verfügung zu stellen, mit dem die mit einer lokalen

Erwärmung der Druckgasbehälterwand einher gehenden Sicherheitsprobleme vermieden werden können.

Diese Aufgabe wird nach dem Vorschlag der Erfindung durch einen nichtmetallischen Druckgasbehälter mit den

Merkmalen des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind durch die Merkmale der Unteransprüche angegeben.

Erfindungsgemäß ist ein nichtmetallischer Druckgasbehälter, insbesondere zur Speicherung von Gaskraftstoff eines mit Gaskraftstoff antreibbaren Kraftfahrzeugs gezeigt, welcher mit einer thermischen Sicherungseinrichtung, beispielsweise einer thermischen Schmelzsicherung versehen ist, welche oberhalb einer wählbaren ersten Schwellentemperatur, beispielsweise 110 ⁰ C, ein Abblasen des im Druckfluidbehälter gespeicherten Druckgases bewirkt. Derartige thermische Sicherungseinrichtungen, wie Berstscheiben oder Schmelzsicherungen sind wohlbekannt und werden in Druckgasbehältern von beispielsweise mit Wasserstoff oder CNG antreibbaren Kraftfahrzeugen heutzutage regelmäßig eingesetzt, so dass sich eine nähere Erläuterung hier erübrigt.

Der erfindungsgemäße Druckgasbehälter zeichnet sich in wesentlicher Weise dadurch aus, dass in Kontakt mit der Wand des Druckgasbehälters ein hoch-wärmeleitfähiges Wärmeübertragungsmittel angeordnet ist, das über ein thermisches Schaltelement, beispielsweise einen Bimetallschalter, wärmeleitend mit der thermischen Siche- rungseinrichtung verbindbar ist. Das Wärmeübertragungsmittel dient zur übertragung thermischer Energie von entfernten Umgebungsbereichen der Behälterwand zur thermischen Sicherungseinrichtung. Das Wärmeübertragungsmittel ist über das thermische Schaltelement wärmeleitend mit der thermischen Sicherungseinrichtung verbindbar, wobei das thermische Schaltelement geeignet ausgebildet ist, oberhalb einer wählbaren zweiten Schwellentemperatur, welche niedriger oder gleich zur ersten Schwellentemperatur ist,

eine wärmeleitende Verbindung zwischen dem Wärmeübertragungsmittel und der thermischen Sicherungseinrichtung herzustellen, während es unterhalb der zweiten Schwellentemperatur die wärmeleitende Verbindung zwischen dem Wärmeübertragungsmittel und der thermischen Sicherungseinrichtung unterbricht. Insofern kann das thermische Schaltelement zwischen zwei Schaltstellungen thermisch geschaltet werden: eine geschlossene Schalterstellung oberhalb oder bei der wählbaren zweiten Schwellentemperatur, in der es eine wärmeleitende Verbindung zwischen dem

Wärmeübertragungsmittel und der thermischen Sicherungseinrichtung herstellt, und eine offene Schalterstellung unterhalb der zweiten Schwellentemperatur, in der diese wärmeleitende Verbindung zwischen dem Wärmeübertragungs- mittel und der thermischen Sicherungseinrichtung unterbrochen ist.

Damit das Wärmeübertragungsmittel thermische Energie an die thermische Sicherungseinrichtung übertragen kann, ist es hoch-wärmeleitfähig, worunter im Sinne vorliegender Erfindung eine jedenfalls so hohe Wärmeleitfähigkeit zu verstehen ist, dass bei einer lokalen Erwärmung der Druckgasbehälterwand die thermische Sicherungseinrichtung im Rahmen einer wählbaren Sicherungsspezifikation auslösen kann, d. h. so rasch auslösen kann, dass eine sicherheitsrelevante Schädigung beziehungsweise Beeinträchtigung der Behälterwand nicht zu befürchten ist. Die geforderte hohe Wärmeleitfähigkeit kann zu diesem Zweck insbesondere der Wärmeleitfähigkeit eines metallischen Materials entsprechen. Insbesondere kann das Wärmeübertragungsmittel zu diesem Zweck aus einem metallischen Material gefertigt sein.

In dem erfindungsgemäßen nichtmetallischen Druckgasbehälter kann somit vorteilhaft erreicht werden, dass bei einer lokalen Erwärmung der Druckgasbehälterwand, welche entfernt von der thermischen Sicherungseinrichtung

erfolgt, thermische Energie durch das Wärmeübertragungsmittel an die thermische Sicherungseinrichtung geleitet wird, so dass die thermische Sicherungseinrichtung auslösen kann, noch bevor eine sicherheitsrelevante Beeinträchtigung der Druckgasbehälterwandung zu befürchten ist. Zudem wird in vorteilhafter Weise für den Fall, dass lediglich die thermische Sicherungseinrichtung lokal erwärmt wird, durch das (offene) thermische Schaltelement vermieden, dass das Wärmeübertragungsmittel als "Wärmesenke" wirkt, welches thermische Energie von der thermischen Sicherungseinrichtung ableitet und somit ein rechtzeitiges Auslösen der thermischen Sicherungseinrichtung hindert beziehungsweise verzögert .

Das Wärmeübertragungsmittel kann der Außenfläche und/oder der Innenfläche der Druckgasbehälterwand anliegen. Grundsätzlich kann das Wärmeübertragungsmittel beispielsweise als eine flächige, beispielsweise platten- förmige Struktur, oder eine gitterförmige, beispielsweise netzgitterförmige oder stabgitterförmige Struktur, ausgebildet sein. Hierbei kann das Wärmeübertragungsmittel die Druckgasbehälterwand vollständig oder lediglich teilweise bedecken, wobei hierbei lediglich sichergestellt werden muss, dass das Wärmeübertragungsmittel die Druckgasbe- hälterwand so "lückenlos" bedeckt, dass die thermische

Sicherungseinrichtung bei einer lokalen Erwärmung an jeder Stelle der Druckgasbehälterwand auslösen kann.

Die Erfindung erstreckt sich ferner auf ein Kraftfahrzeug, das mit wenigstens einem wie oben beschriebenen Druckgasbehälter ausgerüstet ist.

Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei Bezug auf die beigefügten Zeichnungen genommen wird. Gleiche beziehungsweise gleichwirkende Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung des Aufbaus eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Druckgasbehälters, beispielsweise eines Gas- kraftstoffbehälters eines Kraftfahrzeugs;

Fig. 2 eine schematische Schnittdarstellung des Aufbaus eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Druckgasbehälters, beispielsweise eines Gaskraftstoffbehälters eines Kraftfahrzeugs;

Fig. 3 eine schematische Schnittdarstellung des Druckgasbehälters von Fig. 1 mit einer lokalen Erwärmung der Druckgasbehälterwand;

Fig. 4 eine schematische Schnittdarstellung des Druckgasbehälters von Fig. 1 mit einer lokalen Erwärmung der thermischen Sicherungseinrichtung.

Zunächst wird Bezug auf Fig. 1 genommen, worin eine schematische Darstellung des Aufbaus eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Druckgasbehälters, beispielsweise eines Gaskraftstoffbehälters eines Kraft- fahrzeugs, gezeigt ist. Demnach umfasst ein beispielsweise zylindrischer Druckgasbehälter, welcher insgesamt mit der Bezugszahl 1 bezeichnet ist, eine Druckgasbehälterwand 2 und ein Sicherheitsdruckventil 3, in dem in an sich bekannter Weise eine thermische Sicherungseinrichtung 8, bei- spielsweise eine Schmelzsicherung integriert ist, durch welche oberhalb einer wählbaren Auslösetemperatur, beispielsweise HO ⁰ C, kontrolliert Druckgas abgeblasen werden kann .

Innerhalb des Druckgasbehälters 1, in Kontakt mit der Innenfläche der Druckgasbehälterwand 2, ist ein hoch-wärmeleitfähiges Wärmeübertragungsmittel 4 aus einem metallischen Material angeordnet. Das Wärmeübertragungs-

mittel 4 weist eine Gitterstabstruktur mit einer Mehrzahl länglicher Gitterstäbe auf, welche sich in Fig. 1 von links nach rechts erstrecken, und mit Zwischenabständen vollumfänglich auf der Innenfläche der zylindrischen Druck- gasbehälterwand angeordnet sind.

Das Wärmeübertragurigsmittel 4 beziehungsweise die Gitterstabstruktur ist mit einem Bimetallschalter 5 (wärmeleitend) verbunden und kann über den Bimetallschalter 5, an welchen durch das Wärmeübertragungsmittel thermische Energie übertragen werden kann, mit der thermischen Sicherungseinrichtung 8 des Sicherheitsdruckventils 3 wärmeleitend verbunden werden. Die thermische Sicherungseinrichtung 8 ist zu diesem Zweck mit einem hoch-wärmeleitfähigen, beispielsweise metallischen Anschlussstück 6 versehen, welches in Kontakt mit dem Bimetallschalter 5 gebracht werden kann. Das Wärmeübertragungsmittel 4 ist aus einem metallischen Material, beispielsweise Kupfer, gefertigt und weist demnach die hohe Wärmeleitfähigkeit eines metallischen Materials auf.

Der Bimetallschalter 5, welcher einen metallischen Verbundwerkstoff aus zwei verschiedenen Metallen mit unterschiedlichen thermischen Längenausdehnungskoeffizienten enthält, schaltet thermisch zwischen zwei verschiedenen

Schalterstellungen: einer ersten offenen Schalterstellung, in der der Bimetallschalter keine wärmeleitende Verbindung zum Anschlusstück 6 beziehungsweise zur thermischen Sicherungseinrichtung hat und eine zweite geschlossene Schalterstellung, in der der Bimetallschalter eine wärmeleitende Verbindung zum Anschlusstück 6 beziehungsweise zur thermischen Sicherungseinrichtung 8 hat. Der Bimetallschalter 5 ist so eingerichtet, dass er oberhalb einer wählbaren Schwellentemperatur, die unterhalb der Auslö- setemperatur der thermischen Sicherungseinrichtung liegt oder dieser gleich ist, in seine geschlossene Schalterstellung übergeht, in der er eine wärmeleitende Verbindung zwischen dem Wärmeübertragungsmittel 4 und der thermischen

Sicherungseinrichtung 8 herstellt, während er unterhalb der Schwellentemperatur in seine offene Schalterstellung ü- bergeht, in der diese wärmeleitende Verbindung unterbrochen ist .

In Fig. 1 ist eine Situation dargestellt, in der sich der Bimetallschalter 5 in seiner offenen Schalterstellung befindet, so dass die durch den Bimetallschalter 5 vermittelte wärmeleitende Verbindung zwischen dem Wärme- übertragungsmittel 4 und der thermischen Sicherungseinrichtung 8 unterbrochen ist. Dies entspricht einem "Normalzustand" des Bimetallschalters 5 bei Raumtemperatur.

Es wird nun Bezug auf Fig. 2 genommen, worin eine schematische Darstellung des Aufbaus eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Druckgasbehälters, beispielsweise eines Gaskraftstoffbehälters eines Kraftfahrzeugs, gezeigt ist. Um unnötige Wiederholungen zu vermeiden, werden lediglich die Unterschiede zur Ausfüh- rungsform von Fig. 1 beschrieben und erläutert und ansonsten wird auf die oben zu Fig. 1 gemachten Ausführungen Bezug genommen .

In der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Druckgasbehälters ist das Wärmeübertragungsmittel 4 außerhalb der Druckgasbehälterwand 2 in Kontakt mit der Außenfläche der Druckgasbehälterwand angeordnet. Vorteilhaft kann hierdurch bei einer lokalen Erwärmung der Druckgasbehälterwand 2, bezogen auf die Ausführungsform von Fig. 1, ein schnelleres Schalten des Bimetallschalters 5 beziehungsweise Auslösen der thermischen Sicherungseinrichtung 8 erreicht werden.

Es wird nun Bezug auf die Fig. 3 und 4 genommen, worin anhand der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Druckgasbehälters dessen Funktion erläutert wird.

Fig. 3 zeigt eine Situation, bei der, ausgehend von einem offenen Bimetallschalter 5, die Druckgasbehälterwand 2 durch eine lokale Wärmequelle 7, symbolisiert durch eine Flamme, lokal erwärmt wird. Durch den Wechselpfeil soll angedeutet werden, dass die Wärmequelle 7 im Bereich der Druckgasbehälterwand 2 angreift. Eine solche Situation kann beispielsweise bei einem Fahrzeugbrand auftreten. Nun wird durch das Wärmeübertragungsmittel 4 thermische Energie zum Bimetallschalter 5 geleitet, welcher von seiner offenen Schalterstellung in seine geschlossene Schalterstellung übergeht, in der er eine wärmeleitende Verbindung zwischen dem Wärmeübertragungsmittel 4 und der thermischen Sicherungseinrichtung 8 herstellt, so dass die thermische Sicherungseinrichtung auslösen und ein kontrolliertes Ab- blasen von Gas aus dem Druckgasbehälter 1 bewirkt werden kann .

Demgegenüber zeigt Fig. 4 eine Situation, bei der lediglich das Sicherheitsdruckventil 3 beziehungsweise die thermische Sicherungseinrichtung 8 durch eine lokale

Wärmequelle 7 lokal erwärmt wird. Der Bimetallschalter 5 wird durch die lokale Wärmequelle 7 nicht erwärmt und befindet sich in seiner offenen Schalterstellung. Insofern ist das Sicherheitsdruckventil 3 beziehungsweise das Anschlussstück 6 nicht mit dem Bimetallschalter 5 in Kontakt und thermische Energie kann nicht an das Wärmeübertragungsmittel 4 abgeleitet werden, so dass das Wärmeübertragungsmittel 4 nicht als eine Wärmesenke wirkt, welche ein frühzeitiges Auslösen der thermischen Sicherungseinrichtung des Sicherheits- druckventils 3 hindert oder verzögert.

Bezugszeichenliste

1 Druckgasbehälter

2 Druckgasbehälterwand 3 Sicherheitsdruckventil

4 Wärmeübertragungsmittel

5 Bimetallschalter β Ansatzstück

7 lokale Wärmequelle 8 thermische Sicherungseinrichtung