[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft einen Druckbehälter für ein Gas, insbesondere
für gasförmigen Wasserstoff, mit einer Innenlage und einer die Innenlage umgebenden
Außenlage, wobei die Innen- und Außenlage aus verschiedenen Metalllegierungen sind
und die Innenlage eine höhere Beständigkeit gegenüber dem genannten Gas hat als die
Außenlage und die Außenlage eine höhere mechanische Zugfestigkeit hat als die Innenlage.
[0002] Um den Energiegehalt von gasförmigen Energieträgern, insbesondere von Wasserstoff
oder Erdgas, zu erhöhen, werden diese für Transport- und Lagerungszwecke entweder
komprimiert und in Druckbehältern unter einem maximalen Druck von 300 bar bis 700
bar gespeichert oder auf Tieftemperatur abgekühlt und dabei zu einem Kryofluid zumindest
teilverflüssigt und in temperaturisolierten Behältern unter einer Temperatur von z.B.
-161 °C bei verflüssigtem Erdgas oder sogar -252 °C bei verflüssigtem Wasserstoff
gespeichert. Diese mit hoher Energiedichte gespeicherten Energieträger können dann
beispielsweise zum Betrieb von im wesentlichen herkömmlichen Verbrennungskraftmaschinen
oder Brennstoffzellen der Fahrzeuge genutzt werden. Behälter solcher Art sind auch
zum Speichern anderer Gase, z.B. Helium, Stickstoff etc., einsetzbar, die nicht als
Energieträger dienen.
[0003] Der extrem hohe Druck erfordert eine besonders hohe mechanische Festigkeit, insbesondere
Zugfestigkeit, des Druckbehälters, weshalb dieser meist aus hochfesten Glasfaser-
oder Kohlefaserverbundstoffen gefertigt ist. Um ein Diffundieren insbesondere von
Wasserstoff durch den Verbundstoff hindurch zu verhindern oder zumindest zu reduzieren,
erhält dieser im Allgemeinen eine zusätzliche wasserstoffdichte Innenbeschichtung.
Solche - insbesondere innenbeschichtete - Faserverbund-Druckbehälter sind aufwändig
in der Herstellung und gerade für eine Serienfertigung in hohen Stückzahlen ungeeignet.
[0004] In Serienfertigung einfacher und kostengünstiger herstellbar wären Metallbehälter,
insbesondere Stahlbehälter. Allerdings weisen nur wenige Metalle bzw. Metalllegierungen
ausreichende Zugfestigkeit auf. Insbesondere Wasserstoff versprödet überdies viele
Metalle und Metalllegierungen, sodass sich z.B. Risse bilden und die (Zug-)Festigkeit
wesentlich reduziert. Solche Metalle und Metalllegierungen sind folglich nicht beständig
gegenüber dem genannten Gas, insbesondere Wasserstoff. Oft ist auch die Diffusionsdichte
dieser Metalle und Metalllegierungen gerade gegenüber Wasserstoff gering.
[0005] Aus
JP 2018/083391 A ist bekannt, einen Behälter aus Stahl oder einer Aluminiumlegierung zur Erhöhung
seiner Beständigkeit gegen Wasserstoff mit einer Innenbeschichtung aus Polyethylen
oder Polypropylen zu versehen. Aus Gründen mechanischer Festigkeit wird der Behälter
zusätzlich mit einem Kohlefaserverbundstoff ummantelt. Die Herstellung ist damit besonders
aufwändig.
[0006] In
DE 10 2017 204 240 A1 wird vorgeschlagen, einen monolithischen Behälter aus einem niedrigfesten Stahl mit
metastabiler, austenitischer Gefügestruktur, welcher gegen Versprödung und Diffusion
weitgehend beständig ist, derart nachzuhärten, dass sich in einer äußeren Schicht
eine hochfeste martensitische Gefügestruktur bildet, welche die erforderliche Zugfestigkeit
aufweisen soll. Allerdings ist dieser aufwändige Herstellungsprozess schlecht kontrollierbar:
Bereits geringste Inhomogenitäten des Behälters oder Abweichungen im Prozess führen
zu ungleichmäßigen Schichtdicken der inneren und äußeren Schicht; überdies bildet
sich eine zwischenliegende Übergangsschicht unkontrollierbarer Dicke mit undefinierten
Eigenschaften. Infolgedessen ist der Behälter lokal wesentlich weniger wasserstoffbeständig
und/oder zugfest. Um daraus resultierenden Sicherheitsrisiken zu begegnen, sind größere
Wandstärken des Druckbehälters erforderlich, was ihn voluminöser, kostspieliger und
wesentlich schwerer macht.
[0007] Die
DE 10 2021 122 024 A1 beschreibt einen ähnlichen Behälter aus zwei Lagen verschiedener, miteinander porenfrei
metallurgisch verbundener Stähle bzw. Stahllegierungen, wozu die beiden Lagen entweder
miteinander rohrgezogen oder pressgeschweißt werden. Dadurch sind die gewünschten
Behältereigenschaften gut kontrollierbar zu erzielen. Allerdings ist eine entsprechende
Verformbarkeit beider Lagen erforderlich, was die Auswahl an Stählen bzw. Stahllegierungen
einschränkt und/oder äußerst aufwändige Verbindungs- und Umformprozesse der beiden
Lagen erfordert. Ferner schwächt sowohl der Verbindungs- als auch der Umformprozess
die Festigkeit der Außenlage. Auch lassen sich die beiden Lagen aufgrund ihrer metallurgischen
Verbindung später nicht mehr auf einfache Weise sortenrein voneinander trennen.
[0008] Die Erfindung setzt sich zum Ziel, einen Druckbehälter für ein Gas zu schaffen, welcher
auch in Serienfertigung einfach und kostengünstig herstellbar ist und dabei vorgegebene
Eigenschaften kontrolliert erzielen lässt.
[0009] Dieses Ziel wird mit einem Druckbehälter der einleitend genannten Art erreicht, der
sich erfindungsgemäß dadurch auszeichnet, dass seine Innenlage durch einen Innenbehälter
und seine Außenlage durch einen vom Innenbehälter separat gefertigten Außenbehälter
gebildet sind, in welchen der Innenbehälter eingeführt ist, wobei der Innenbehälter,
ohne eine metallurgische Verbindung mit dem Außenbehälter einzugehen, am Außenbehälter
anliegt.
[0010] Sowohl der Innen- wie der Außenbehälter können dabei völlig unabhängig voneinander
entsprechend den Anforderungen an ihre jeweiligen Eigenschaften wie Form, Masse, Festigkeit
und/oder Versprödungsresistenz bzw. Beständigkeit gegenüber dem Gas etc. hergestellt
und erst hinterher zum Druckbehälter zusammengefügt werden. Der Druckbehälter bzw.
Innen- und Außenbehälter kann/können so für sehr verschiedene Anwendungen, z.B. unterschiedliche
Gase, Volumina, Drücke etc. jeweils optimiert werden, wobei die Gefügestruktur beider
Behälter beim Zusammenfügen nicht beeinträchtigt wird, sodass die vorgegebenen Eigenschaften
des Behälters kontrolliert erzielt werden können. Durch das Anliegen des Innenbehälters
am Außenbehälter ist sichergestellt, dass der Außenbehälter die auf den Innenbehälter
wirkenden Druckkräfte aufnimmt. Wird der Druckbehälter nicht mehr benötigt, können
Innen- und Außenbehälter einfach getrennt und kostengünstig separat rezykliert werden.
[0011] In einer vorteilhaften Variante hat der Innenbehälter eine höhere Diffusionsdichte
gegenüber dem genannten Gas als der Außenbehälter. Infolgedessen diffundieren die
wenigen durch den Innenbehälter diffundierenden Gasteilchen rascher durch den Außenbehälter,
sodass ein Ansammeln von Gas zwischen Innen- und Außenbehälter effektiv verhindert
wird.
[0012] Besonders günstig ist, wenn der Außenbehälter martensitisch ist. Martensitische Metalllegierungen
zeichnen sich durch hohe Festigkeit, insbesondere Zugfestigkeit, aus und lassen sich
erforderlichenfalls zumindest geringfügig umformen.
[0013] Eine Vielzahl an Metalllegierungen kommt jeweils für den Innen- und den Außenbehälter
in Frage. Viele davon sind flexibel zum Druckbehälter kombinierbar, da keine metallurgische
Verbindung zwischen Innen- und Außenbehälter erforderlich ist. In einer bevorzugten
Ausführungsform ist der Innenbehälter aus 34CrMo4-Stahl und der Außenbehälter aus
35MnB5-Stahl. 34CrMo4-Stahl zeichnet sich durch seine günstigen mechanischen Festigkeitswerte
bei hoher Beständigkeit gegenüber Wasserstoff, insbesondere Resistenz gegen Versprödung,
aus. 35MnB5-Stahl hat bei guter Verarbeitbarkeit eine hohe (Zug-)Festigkeit.
[0014] Zur einfachen Herstellung und universellen Einsetzbarkeit ist günstig, wenn der Innenbehälter
die Form eines langgestreckten Hohlzylinders mit kreiszylindrischem Mantel und kalottenförmigen
Endkappen hat. Ein solcher Innenbehälter kann z.B. dadurch gebildet werden, dass die
Endkappen an die Enden eines kreiszylindrischen Rohrs geschweißt oder die Rohrenden
zur Kalottenform umgeformt werden. Jede Größe, auch jedes Verhältnis zwischen Länge
und Durchmesser des Innenbehälters ist dadurch flexibel herstellbar.
[0015] Vorteilhaft ist ferner, wenn die Wandstärke des Innenbehälters im Bereich der Endkappen
größer ist als im Bereich des Zylindermantels. Dies bewirkt eine Verstärkung der Endkappen.
[0016] Der Außenbehälter ist zumindest in seinem Inneren an die Form des Innenbehälters
angepasst, um dessen Anliegen sicherzustellen. Günstig ist, wenn der Außenbehälter
die Form eines langgestreckten Hohlzylinders mit kreiszylindrischem Mantel und zur
Anlage an den Endkappen des Innenbehälters verjüngten, offenen Enden hat. Auch der
Außenbehälter ist auf diese Weise einfach herstellbar und der Innenbehälter kann einfach
axial in den Außenbehälter eingeführt werden, indem zumindest eines der offenen Enden
erst nach dem Einführen des Innenbehälters verjüngt wird. Insbesondere im Zusammenspiel
mit der vergrößerten Wandstärke des Innenbehälters im Bereich seiner Endkappen, kann
diese Verjüngung auch nur gering ausfallen, wodurch die Herstellung des Druckbehälters
besonders einfach ist. Die langgestreckte Form erleichtert die Unterbringung des Druckbehälters
z.B. in einem Fahrzeug und/oder seine Stapelbarkeit bei Lagerung und Transport.
[0017] Zwar kann der Druckbehälter seine Zufuhr- bzw. Entnahmeöffnung an beliebiger Stelle
haben, bevorzugt jedoch hat zumindest eine der Endkappen eine zentrale Öffnung für
die Zufuhr und/oder Entnahme des genannten Gases. Der Hohlzylindermantel sowohl des
Innen- als auch des Außenbehälters ist somit jeweils nicht durchbrochen. Dabei benötigt
der Außenbehälter in diesem Fall dank seiner offenen Enden keine zusätzliche Öffnung,
sodass seine strukturelle Festigkeit nicht geschwächt wird.
[0018] Um Gewicht und Material zu sparen, hat bevorzugt der Zylindermantel des Innenbehälters
geringere Wandstärke als der Zylindermantel des Außenbehälters, bevorzugt weniger
als die Hälfte, besonders bevorzugt zwei Fünftel der Wandstärke des Zylindermantels
des Außenbehälters.
[0019] Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in den beigeschlossenen Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:
Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Druckbehälter für ein Gas in einer Perspektivansicht
von schräg oben;
Fig. 2 den Druckbehälter von Fig. 1 in einem perspektivischen Längsschnitt;
Fig. 3 einen Endabschnitt des Druckbehälters von Fig. 1 in einem Längsschnitt; und
Fig. 4 den Druckbehälter von Fig. 1 im Querschnitt.
[0020] Die Fig. 1 bis 4 zeigen einen Druckbehälter 1 zur Aufnahme eines Gases 2, z.B. Wasserstoff,
Erdgas, Helium, Stickstoff etc., in seinem Inneren. Derartige Druckbehälter 1 werden
unter anderem zum Transportieren und Lagern des Gases 2 eingesetzt. Sie können auch
in mobilen Anwendungen - z.B. als Fahrzeugtank zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine
oder Brennstoffzelle in einem Fahrzeug - genutzt werden, in welchem Fall das Gas,
z.B. Wasserstoff oder Erdgas, als Fahrzeugkraftstoff, d.h. als Energieträger für das
Fahrzeug, dient. Der Druckbehälter 1 hält dabei je nach Anwendung und Ausführungsform
einem maximalen Innendruck von bis zu 300 bar oder sogar bis zu 600 oder 700 bar stand.
Überdies ist der Druckbehälter 1 gegenüber dem aufgenommenen Gas 2 möglichst beständig.
Insbesondere Wasserstoff versprödet bei Kontakt - und umso mehr, wenn er eindiffundiert
- viele Metalle und Metalllegierungen, wodurch es unter anderem zu unerwünschter,
oft gefährlicher Rissbildung kommt.
[0021] Um die gewünschte Druckfestigkeit und Beständigkeit zu erzielen, hat der Druckbehälter
1 einen Innenbehälter 3, welcher eine Innenlage des Druckbehälters 1 bildet, und einen
Außenbehälter 4, der eine die Innenlage vollständig oder weitgehend umgebende Außenlage
des Druckbehälters 1 bildet. Der Innen- und der Außenbehälter 3, 4 sind aus verschiedenen
Metalllegierungen, wobei der Innenbehälter 3 eine höhere Beständigkeit und, um nicht
übermäßig Gas 2 zu verlieren, optional auch eine höhere Diffusionsdichte gegenüber
dem Gas 2 hat als der Außenbehälter 4 und der Außenbehälter 4 eine höhere mechanische
Zugfestigkeit hat als der Innenbehälter 3. Der Innenbehälter 3 und der Außenbehälter
4 sind voneinander separat gefertigt und der Innenbehälter 3 darauf in den Außenbehälter
4 eingeführt, wodurch der Außenbehälter 4 den Innenbehälter 3 vollständig oder weitgehend
umgibt. Dabei liegt der Innenbehälter 3 mit seiner Außenseite 3' an der Innenseite
4' (Fig. 4) des Außenbehälters 4 an, ohne eine metallurgische Verbindung mit dem Außenbehälter
4 einzugehen. Dadurch können Innen- und Außenbehälter 3, 4 auch ohne größeren Aufwand
voneinander getrennt werden, z.B. um sie nach der Nutzungsdauer des Druckbehälters
1 separat rezyklieren zu können.
[0022] Im Sinne der vorliegenden Beschreibung und Patentansprüche ist unter einer metallurgischen
Verbindung zwischen Innen- und Außenbehälter 3, 4 eine flächige, zumindest weitgehend
porenfreie Verbindung zu verstehen, welche sich über den Großteil der aneinander anliegenden
Außen- bzw. Innenseiten 3', 4' des Innen- bzw. Außenbehälters 3, 4 erstreckt.
[0023] Innen- und Außenbehälter 3, 4 können nicht nur aus verschiedenen Metalllegierungen
sondern insbesondere aus Metalllegierungen verschiedener Metalle sein und haben optional
zusätzlich unterschiedliche Gefügestruktur. Beispielsweise kann der Außenbehälter
4 gehärtet sein, insbesondere aus gehärtetem Stahl, und dabei eine martensitische
Gefügestruktur aufweisen. Der Innenbehälter 3 hat optional eine austenitische Gefügestruktur.
In einer möglichen Ausführungsform ist der Innenbehälter 3 aus 34CrMo4-Stahl und der
Außenbehälter 4 aus 35MnB5-Stahl.
[0024] In der dargestellten Ausführungsform hat der Innenbehälter 3 die Form eines langestreckten
Hohlzylinders mit einem um eine zentrale Achse A konzentrischen kreiszylindrischen
Mantel 5 und zwei kalottenförmigen Endkappen 6. Der Außenbehälter 4 hat eine dazu
komplementäre Form eines langgestreckten Hohlzylinders, der ebenfalls einen kreiszylindrischen
Mantel 7 und im dargestellten Beispiel offene Enden 8 hat, welche zur Anlage an zumindest
einem Teil der Endkappen 6 des Innenbehälters 3 verjüngt sind.
[0025] "Langgestreckt" ist ein Körper, wenn seine Längserstreckung in einer Raumrichtung
(hier: entlang der Achse A) größer ist als seine Quererstreckung in die beiden orthogonalen
Raumrichtungen (hier: in Radialrichtung).
[0026] Es versteht sich, dass der Druckbehälter 1 auch andere Form haben kann, z.B. Kugelform,
Ellipsoidform etc. Ferner kann der Außenbehälter 4 den Innenbehälter 3 alternativ
vollständig umschließen und der Innenbehälter 3 somit rundum mit seiner Außenseite
3' an der Innenseite 4' des Außenbehälters 4 anliegen, z.B. indem die Enden 8 des
Außenbehälters 4 geschlossen sind oder Innen- und Außenbehälter 3, 4 jeweils vollständige
Kugel- oder Ellipsoidform haben.
[0027] Im dargestellten Beispiel wird zum Herstellen des Druckbehälters 1 der Innenbehälter
3 entlang der Achse A in den separat gefertigten Außenbehälter 4 eingeführt. In diesem
Schritt ist zumindest eines der Enden 8 des Außenbehälters 4 noch nicht verjüngt,
sondern wird erst nach dem Einführen des Innenbehälters 3 z.B. durch Kaltverformen
verjüngt. Alternativ kann das verjüngte Ende 8 des Außenbehälters 4 nach dem Einführen
des Innenbehälters 3 z.B. dadurch hergestellt werden, dass ein sich verjüngender Ring
an das zumindest eine nicht-verjüngte Ende des Mantels 7 des Außenbehälters 4 geschweißt
wird. In einer weiteren Alternative wird der Außenbehälter 4 zwei- oder mehrteilig,
insbesondere in Form zweier Halbschalen, vorgefertigt, worauf die zwei oder mehr Teile
unter Aufnahme des Innenbehälters 3 in ihrem Inneren zusammengefügt - z.B. geschweißt
- werden.
[0028] Gemäß den Fig. 3 und 4 ist optional die Wandstärke W
i,E des Innenbehälters 3 im Bereich seiner Endkappen 6 größer als seine Wandstärke W
i,Z im Bereich des Zylindermantels 5, damit der Druckbehälter 1 auch, wenn der Außenbehälter
4 offene Enden 8 hat, ausreichende Festigkeit aufweist. D.h. umgekehrt, dass die Wandstärke
W
i,Z im Bereich des Zylindermantels 5 des Innenbehälters 3, wo der Innenbehälter 3 im
Wesentlichen als gegenüber dem Gas 2 beständigere - und gegebenenfalls diffusionsdichtere
- Innenlage dient, wesentlich geringer sein kann, als die Wandstärke W
i,E im Bereich der Endkappen 6, was Material und Gewicht einsparen lässt.
[0029] Im dargestellten Beispiel hat der Zylindermantel 5 des Innenbehälters 3 eine geringere
Wandstärke W
i,Z als der Zylindermantel 7 des Außenbehälters 4, z.B. weniger als die Hälfte, insbesondere
etwa zwei Fünftel oder weniger, der Wandstärke W
a,Z Außenbehälters 4 im Bereich seines Zylindermantels 7. Beispielsweise kann bei einem
Druckbehälter 1 mit einem üblichen Außendurchmesser D von 136 mm die Wandstärke W
i,Z des Zylindermantels 5 des Innenbehälters 3 etwa 2 mm und die Wandstärke W
a,Z des Außenbehälters 4 im Bereich seines Zylindermantels 7 etwa 5 mm sein. Mit zunehmendem
Außendurchmesser D des Druckbehälters 1 würde dann zumindest die Wandstärke W
a,Z des Außenbehälters 4 im Bereich seines Zylindermantels 7 etwa proportional mit dem
Außendurchmesser D steigen.
[0030] Der Druckbehälter 1 hat zumindest eine (hier: zwei) Öffnung/en 9 für die Zufuhr und/oder
Entnahme des Gases 2. Diese Öffnung/en 9 kann/können an jeder beliebigen Stelle des
Druckbehälters 1 liegen; im dargestellten Beispiel hat zumindest eine (hier: beide)
der Endkappen eine zentrale Öffnung 9 für die Zufuhr bzw. Entnahme des Gases 2. Da
die Öffnungen 9 im dargestellten Beispiel zentral in den Endkappen 6 des Innenbehälters
3 angeordnet sind, und der Außenbehälter 4 an dieser Stelle offene Enden 8 hat, entfällt
ein zusätzlicher Durchbruch des Außenbehälters 4 für die Öffnungen 9. Optional können
die Öffnungen 9 wie dargestellt jeweils mit einem Anschlussstutzen für ein Ventil,
ein Rohr, einen Schlauch od.dgl. versehen sein.
[0031] Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt, sondern
umfasst alle Varianten, Modifikationen und deren Kombination, die in den Rahmen der
angeschlossenen Ansprüche fallen.
1. Druckbehälter für ein Gas (2), insbesondere für gasförmigen Wasserstoff, mit einer
Innenlage und einer die Innenlage umgebenden Außenlage, wobei die Innen- und Außenlage
aus verschiedenen Metalllegierungen sind und die Innenlage eine höhere Beständigkeit
gegenüber dem genannten Gas (2) hat als die Außenlage und die Außenlage eine höhere
mechanische Zugfestigkeit hat als die Innenlage, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenlage durch einen Innenbehälter (3) und die Außenlage durch einen vom Innenbehälter
(3) separat gefertigten Außenbehälter (4) gebildet sind, in welchen der Innenbehälter
(3) eingeführt ist, wobei der Innenbehälter (3), ohne eine metallurgische Verbindung
mit dem Außenbehälter (4) einzugehen, am Außenbehälter (4) anliegt.
2. Druckbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenbehälter (3) eine höhere Diffusionsdichte gegenüber dem genannten Gas (2)
hat als der Außenbehälter (4).
3. Druckbehälter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenbehälter (4) martensitisch ist.
4. Druckbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenbehälter (3) aus 34CrMo4-Stahl und der Außenbehälter (4) aus 35MnB5-Stahl
ist.
5. Druckbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenbehälter (3) die Form eines langgestreckten Hohlzylinders mit kreiszylindrischem
Mantel (5) und kalottenförmigen Endkappen (6) hat.
6. Druckbehälter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke (Wi,E) des Innenbehälters (3) im Bereich der Endkappen (6) größer ist als im Bereich des
Zylindermantels (5).
7. Druckbehälter nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenbehälter (4) die Form eines langgestreckten Hohlzylinders mit kreiszylindrischem
Mantel (7) und zur Anlage an den Endkappen (6) des Innenbehälters (3) verjüngten,
offenen Enden (8) hat.
8. Druckbehälter nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Endkappen (6) eine zentrale Öffnung (9) für die Zufuhr und/oder
Entnahme des genannten Gases (2) hat.
9. Druckbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylindermantel (5) des Innenbehälters (3) geringere Wandstärke (Wi,Z) hat als der Zylindermantel (7) des Außenbehälters (4), bevorzugt weniger als die
Hälfte der Wandstärke (Wi,Z), besonders bevorzugt zwei Fünftel der Wandstärke (Wi,Z) des Zylindermantels (7) des Außenbehälters (4) .