AT528153B1 - H2-Hochdruckbehälter - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Behälter (10) zur Speicherung von Wasserstoff mit einem Druck von mehr als 700 bar umfassend einen Mantel (1) der ein Speichervolumen (3) umgibt, wobei durch den Mantel (1) der vom Wasserstoff im Speichervolumen (3) ausgeübte Druck und die Spannungen aufnehmbar ist, wobei der Behälter (10) eine Innenlage (2) umfasst, die das Speichervolumen (3) gasdicht vom Mantel (1) abtrennt, sodass ein direkter Kontakt des Wasserstoffs mit dem Werkstoff des Mantels (1) verhindert wird, wobei die Innenlage (2) form- und/oder kraftschlüssig am Mantel (1) anliegt und wobei der Behälter (10) einen Anschluss (5) zum Befüllen und Entleeren des Speichervolumens (3) aufweist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Mantel (1) aus einem hochfesten Metall besteht und die Innenlage (2) aus einem gegenüber Wasserstoff, insbesondere Wasserstoffversprödung, beständigem Metall besteht.

Description

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Behälter zur Speicherung von Wasserstoff gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie einen Hochdruckspeicher für Wasserstoff gemäß Patentanspruch 7.

[0002] Wasserstoff ist derzeit von steigender Bedeutung in der Speicherung und der Bereitstellung von Energie sowohl in der Industrie als auch im privaten Bereich. Flüssiggas-Anwendungen von Wasserstoff erfordern Temperaturen unter der kritischen Temperatur, welche bei Wasserstoff -239,96°C beträgt, was mit einem großem Kühlaufwand verbunden ist, um diese Temperatur zu erreichen. Wasserstoff kann jedoch in Hochdruckbehältern bei Umgebungstemperaturen relativ energieeffizient gespeichert werden, wobei hierzu aber hohe Drücke nötig sind.

[0003] Neben der Speicherung unter Hochdruck sind auch neue Herausforderungen an das Equipment im Umgang mit Wasserstoff selbst gestellt. So müssen Komponenten, die mit Wasserstoff in direkten Kontakt sind, z.B. Verdichter-Aggregate, Rohrleitungen, Ventile, Dichtringe und Anschlüsse, an die Anforderungen des Wasserstoffes angepasst werden. So ist beispielweise die Werkstoffauswahl bzw. die Auswahl von wasserstoffverträglichen Werkstoffen begrenzt und die Komponenten müssen an diese angepasst und neukonzipiert werden. Zur Speicherung von Wasserstoff sind Bereiche um 1000 bar und darüber besonders interessant, da in diesen Druckbereichen relativ wirtschaftliche Mengen an Wasserstoff, d.h. 50 kg und mehr bei Umgebungstemperatur, pro Kubikmeter Behältervolumen, stationär gespeichert werden kann. Ein Druck von 1500 bar ergibt bei 15°C knapp sogar etwa 60-65 kg H2 pro m* Speichervolumen, im Vergleich zu 40 kg Hz: bei 700 bar.

[0004] Übliche aus dem Stand der Technik bekannte Speichervarianten von Wasserstoff decken sich auch mit den Speicherformen von anderen Gasen. Bekannt sind unterschiedliche Formen von Wasserstoff: z.B. verdichteter gasförmiger Wasserstoff (CGH2; bei 350 Bar und 15°C), flüssiger Wasserstoff (LH2; bei 1 Bar und -253°C), kryogen-verdichteter Wasserstoff (CcH2 bei 300 bar und -253°C) und fester Wasserstoff unter einer Temperatur von -259,2°C. Letzteren findet man aufgrund der aufwändigen Handhabung vermehrt in feiner skalierten Anwendungsformaten wie z.B. in der Forschung.

[0005] Für Hochdruckanwendungen unter korrosiven bzw. materialschädigenden flüssigen und gasförmigen Medien werden im Stand der Technik neben ferritisch/martensitischen Stählen meist rostfreie austenitische Stähle, Duplex- und Superduplex-Legierungen oder Nickelbasislegierungen verwendet. Da die mechanischen und physikalischen Eigenschaften dieser genannten Materialien sehr unterschiedlich sind, werden sie gezielt, ihren Eigenschaften entsprechend, für unterschiedliche Komponenten eingesetzt. So kommen aktuell für Flansche, Rohrleitungen und Ventilgehäuse im Mitteldrucksegment beispielsweise austenitische rostfreie Stähle und bei höheren Drücken Duplex-Legierungen zum Einsatz. Für Dichtungen finden rostfreie martensitische Stähle und Nickelbasislegierungen Verwendung.

[0006] Hochbeanspruchte Ventilspindeln und Ventilsitze werden häufig aus martensitischen, ausscheidungsgehärteten rostfreien Stählen gefertigt und zusätzlich beschichtet. Die erforderlichen physikalischen und mechanischen Eigenschaften werden durch Optimierungen und gezielte Einstellung von Wärmebehandlung, Kaltverfestigung und Umformprozesse, z.B. Schmieden, Walzen, etc., erreicht. In Bezug auf Wasserstoff dürfen keine ferritisch/martensitischen Gefügebestandteile im Werkstoff vorhanden sein, dadurch scheiden die Werkstoffgruppen der Duplexstähle und Vergütungsstähle bei Anwendung mit Wasserstoff aus.

[0007] Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche Konzepte zur Speicherung von Wasserstoff bekannt. Meist werden hierzu Kunststoffbehälter verwendet die unterschiedliche aufbauten aufweisen. So ist aus der DE10 2012 002 996 A1 ein Behälter aus einem formbaren Material bekannt, der eine innere und eine äußere Schale aufweist, wobei der Behälter Epoxidharz, Kunststoff, Metall oder Glas umfasst.

[0008] Weiters ist aus der WO2021130098A1 ein Verfahren zur Herstellung einer Komponente

zur Speicherung oder Verteilung von Druckgas mit einem Kernwerkstoff aufweisend Aluminium oder eine Aluminiumlegierung bekannt. Der Kernwerkstoff ist druckgasseitig mit einer duktilen Aluminiumlegierung und/oder Reinaluminium beschichtet.

[0009] Aus der EP 3 862 619 A1 ist ein Wasserstoffdruckbehälter offenbart, der in der Lage ist, ein wasserstoffinduziertes Reißen eines Zylinders zu verhindern. In einem Wasserstoffdruckbehälter gemäß einer Ausführungsform ist zwischen einem Innengewindeteil eines Zylinders, in das der Deckel eingeschraubt ist, und einem Harzdichtungselement ein Spaltteil vorgesehen, in dem eine innere Umfangsfläche eines Zylinders von einer äußeren Umfangsfläche eines Deckels beabstandet ist. Der Zylinder weist ein erstes Durchgangsloch zum Ablassen von Gas in dem Spaltteil in ein Entlastungsrohr und ein zweites Durchgangsloch zum Einleiten von sauerstoffhaltigem Gas in das darin ausgebildete Spaltteil auf.

[0010] Die CN 217030786 U offenbart einen Behälter zur Speicherung von Wasserstoff mit einem Druck von mehr als 700 bar, umfassend einen Mantel, der ein Speichervolumen umgibt, wobei durch den Mantel der vom Wasserstoff im Speichervolumen ausgeübte Druck und die Spannungen aufnehmbar ist, wobei der Behälter eine Innenlage umfasst, die das Speichervolumen gasdicht vom Mantel abtrennt, sodass ein direkter Kontakt des Wasserstoffs mit dem Werkstoff des Mantels verhindert wird, wobei die Innenlage am Mantel anliegt und der Behälter einen Anschluss zum Befüllen und Entleeren des Speichervolumens aufweist. Der Mantel besteht aus einem hochfesten Metall, und die Innenlage besteht aus einem gegenüber Wasserstoff, insbesondere Wasserstoffversprödung, beständigem Metall.

[0011] Die CN 218954603 U betrifft einen Behälter zur Speicherung von Wasserstoff umfassend einen Mantel, der ein Speichervolumen umgibt. Der Behälter weist einen Anschluss zum Befüllen und Entleeren des Speichervolumens auf. Der Mantel besteht aus einem hochfesten Metall, und die Innenlage besteht aus einem gegenüber Wasserstoff, insbesondere Wasserstoffversprödung, beständigem Metall.

[0012] Die Druckschrift WO 2013083161 A1 zeigt einen Hochdruckspeicher für verdichtetes Erdgas umfassend eine Anzahl von Behältern, die seriell und/oder parallel miteinander verbunden und zu einem Bündel zusammengefasst sind.

[0013] Im aktuell aufkommenden Markt der Wasserstofftankstellen kann durch höhere Druckstufen mehr an Quantität lokal gespeichert und dadurch die Intervalle der Befüllung deutlich verlängert werden. Wasserstoffbetankungssysteme sind im Stand der Technik oft in drei Druckstufen konzipiert, nämlich Nieder-, Mittel- und Hochdruckbank mit einem Mindestdruck von 300-350 bar in der Niederdruckbank, um einen Fülldruck von 300 bar für Betankungen von Automobilen zu gewährleisten. Busse und LKWs benötigen jedoch 700 bar. Da zukünftige Betankungskonzepte zu noch höheren Drücken tendieren, wird es in Zukunft erforderlich sein, auch Hochdruckbänke entsprechend der höheren Drücke auszulegen, zu produzieren und vor allem durch noch höhere Druckspeichereinheiten zu speisen. Aktuell sind Hochdruckspeicher für Wasserstoff bis 750 bzw. max. 1000 bar am Markt zu finden, in Typ I-IV-Varianten. Deren Befüllung erfolgt über Anschlüsse, die knapp an oder unter DN 20 mm sind. Daraus ergeben sich derzeit Befüllzeiten, die für Großspeicher einige Stunden betragen können. Die Konzepte bei dementsprechend großen Speichersystemen mit hohen Kapazitäten laufen über eine Austauschbarkeit der befüllten Speichersysteme, z.B. bei Schiffsspeichern ist dies derzeit üblich, dass im Hafen der leere gegen einen zuvor abgefüllten vollen Speicher getauscht wird, da die Befüllung direkt im Hafen und die daraus resultierende Liegezeit des Schiffs zu lange dauern würde.

[0014] Platzeinsparung durch höhere Drücke pro Volumen und dadurch höhere Speicherkapazität wie auch kürzere Befüllzeiten sind die Richtung, in die die Entwicklung gehen soll, um Wasserstoff als Energiespeicher attraktiver zu gestalten. Damit steht aber in direktem Zusammenhang die adäquate Auslegung von Kompressor-Kühlereinheiten, um ein Überhitzen des Systems zu unterbinden. Da Wasserstofftankstellen derzeit gewöhnlich mit Drücken von 300-700 bar arbeiten, sind in diesen Konzepten auch Befüllungszyklen betrachtet, die zufolge der Speicherkapazität und der Nachfrage kürzer oder länger ausfallen.

[0015] Nachteil der aus dem Stand der Technik bekannten Behälter ist es also, dass diese Gasdrücke bis ca. 700 bar erlauben, was sowohl im Hinblick von Temperaturen als auch Speicherfähigkeit ungenügend für wachsenden Bedarf sind. Anderseits weisen im Stand der Technik bekannte Behälter, die höhere Drücke erlauben, einen komplexen Aufbau auf und erlauben meist nur wenige Lade- und Entladezyklen, bevor diese wieder ausgetaucht werden müssen.

[0016] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher Behälter für Wasserstoff bereitzustellen, die es erlauben Wasserstoff mit hohen Drücken zu speichern und dabei einen einfachen Aufbau aufweisen.

[0017] Diese Aufgabe wird bei einem Behälter der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen gelöst.

Im Gegensatz zu den kleineren Druckspeicherbehältern im Mitteldruckbereich, die im Stand der Technik z.B. in Fahrzeugen eingesetzt werden und aus CFK-verstärkter Ummantelung mit Polymer-Innenschichten bestehen, ermöglicht die vorliegende Erfindung stationäre Behälter und Wasserstoffspeicher sowie Anlagen für industrielle Speicherung sowie für Wasserstoff-Tankstellen zur Betankung von Fahrzeugen ab. Mit den erfindungsgemäßen Merkmalen eines zweiteiligen metallischen Behälters aus einem Mantel aus hochfestem Vergütungsstahl und wasserstoffundurchlässiger Innenlage aus Aluminium bzw. Austenit, kann die Korrosionsbeständigkeit erhöht und die Anzahl der Befüllungszyklen deutlich gesteigert werden. Dies entspricht der Klasse Typ | für metallische Druckbehälter. In der vorliegenden Erfindung fungiert der hochfeste und wasserstoffsensiblere Mantel als Träger der mechanischen Spannungen, während die Innenlage aus Aluminium bzw. Austenit mit hoher Wasserstoffundurchlässigkeit den Mantel vor Wasserstoffversprödung schützt.

[0018] Die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Druckbehälters bzw. Behälters erlaubt es mit Wasserstoff bei Drücken von 1500 bar und mehr befüllt zu werden. Die kritischste Komponente des Druckbehälters ist der Mantel aus hochfestem Metall wie Vergütungsstahl. Dessen Herstellung erfolgt auf dem Weg der Warmumformung, im Gegensatz zu im Stand der Technik hergestellten Hochdruckrohren, die gebohrt werden. Durch die Warmumformung und nachgeschaltete Vergütungswärmebehandlung werden die mechanischen Kennwerte optimiert, um sowohl den Rohstoffeinsatz geringer zu halten und auch Gewicht einzusparen. Der Vorteil der erfindungsgemäßen Behälter liegt dabei in der Möglichkeit der spanlosen Fertigung sowie der optimierten Gefügestruktur, die im beispielsweisen Fall des geschmiedeten Teils, deutlich feiner und homogener ausgeprägt ist und höhere mechanische Kennwerte erreicht.

[0019] Als Mantel wird im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung die gesamte Hülle bzw. Umhüllung des Speichervolumens bzw. der Innenlage verstanden. Der Begriff Mantel wird als über den Begriff des rein geometrischen Mantels eines Zylinders hinaus definiert. So sind in der vorliegenden Erfindung bei vorteilhaften Ausbildungen des Behälters auch der Deckel und Boden vom Begriff Mantel umfasst.

Besonders vorteilhafte Ausführungsformen des Behälters werden durch die Merkmale der abhängigen Ansprüche näher definiert:

[0020] So ist vorteilhaft vorgesehen, dass der Mantel aus mehreren Teilen besteht, die miteinander oder ineinander verschraubbar oder verbindbar ausgebildet sind. Durch den modularen Aufbau können die einzelnen Teile des Behälters einfach gefertigt werden und dann in der Endfertigung zu dem Behälter verbunden werden.

[0021] Bevorzugt besteht dabei der Mantel aus einem im Wesentlichen zylindrischen Mittelteil, einem Boden und einem Deckel, wobei der Mittelteil an beiden Enden offen ausgebildet ist und wobei der Deckel und der Boden jeweils in eines der offenen Enden des Mantels einsetzbar und mit dem Mantel, insbesondere lösbar, bevorzugt über Gewinde, verbunden sind. So können auch beispielsweise einzelne Teile, wie der Deckel oder der Boden mit unterschiedlich großen oder langen Mittelteilen kombiniert werden, und so Behälter mit unterschiedlichen Speichervolumina bei gleichen Deckeln oder Böden hergestellt werden.

[0022] Vorteilhaft kann vorgesehen sein, dass der Mantel, insbesondere der Deckel, eine koni-

sche Ausnehmung aufweist, wobei die konische Ausnehmung in Richtung der Außenseite des Mantels einen sich verjüngenden Verlauf aufweist, wobei der Behälter einen Stopfen umfasst, der in dem Mantel angeordnet ist, wobei der Stopfen gegengleich zur konischen Ausnehmung ausgebildet und in dieser derart eingelegt ist, sodass der Stopfen mittels des Drucks im Speichervolumen in die konische Ausnehmung eindrückbar oder andrückbar ist und wobei der Anschluss in dem Stopfen angeordnet oder ausgebildet ist.

[0023] Um einen Form- und Reibschluss und eine ideale Passform der Innenlage an den Mantel vorteilhaft zu erreichen, kann vorgesehen sein, dass die Innenlage durch Innenhochdruckumformung an den Mantel gefügt ist, wobei insbesondere mittels im Zuge eines Autofrettageprozesses eine Eigenspannung in der Innenlage und/oder dem Mantel durch die Innenhochdruckumformung aufgebracht ist.

[0024] Um Fehler oder Risse in der Innenlage rechtzeitig zu erkennen, kann vorgesehen sein, dass im Mantel, insbesondere im Deckel, eine Schnüffelbohrung zur Detektion von Leckagen der Innenlage angeordnet ist.

[0025] In einer bevorzugten Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass der Mantel aus einer Stahllegierung, insbesondere aus einem Vergütungsstahl, bevorzugt aus der Stahllegierung 1.6580 oder 1.6952, besteht und die Innenlage, und insbesondere der Stopfen, aus einer Aluminiumlegierung oder Stahllegierung, insbesondere aus einem austenitischen Stahl, bevorzugt aus der Gruppe der Stahllegierungen 1.44xx, besonders bevorzugt 1.4404 oder 1.4571 oder 1.4301 oder 1.4435, besteht. Die angegeben Werkstoffnummern beziehen sich stets auf die in der Norm EN 10027-2 angegeben Werkstoffe.

[0026] Um Wasserstoff möglichst einfach in dem Behälter speichern zu können, kann vorgesehen sein, dass der Mantel, insbesondere in der Wandstäke, derart ausgebildet ist einem Druck im Speichervolumen von bis zu 1500 barstandzuhalten. Durch die Möglichkeit Wasserstoff bei hohen Drücken zu speichern muss dieser vorteilhaft nicht extra gekühlt werden, um in flüssiger Form im Behälter vorzuliegen. So steigt mit dem Druck weiters auch das speicherbare Gewicht des Wasserstoffs.

[0027] Vorteilhaft kann vorgesehen sein, dass der Mantel und die Innenlage derart ausgebildet ist Temperaturschwankungen von -40°C bis 230°C standzuhalten. Insbesondere bei der Befüllung des Behälters und der Lagerung können derart eine einfache Handhabung erreicht werden, ohne dass der Behälter zusätzlich gekühlt oder erwärmt werden muss oder für den Werkstoff ungünstige Temperaturen erreicht werden.

[0028] Ein weiterer Aspekt der Erfindung sieht vor, einen effizienten Speicher für Wasserstoff bereitzustellen. Erfindungsgemäß wird dies bei einem Hochdruckspeicher für Wasserstoff umfassend eine Anzahl von Behältern die serielle und/oder parallel miteinander verbunden und zu einem Bündel zusammengefasst sind erreicht, indem die Behälter als erfindungsgemäße Behälter ausgebildet sind.

[0029] Weitere Vorteile und Ausgestaltungen in der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.

[0030] Die Erfindung ist im Folgenden anhand von besonders vorteilhaften aber nicht einschränkend zu verstehenden Ausführungsbeispiel in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beispielhaft beschrieben:

[0031] Figur 1 zeigt eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Behälters in einer Schnittansicht,

[0032] Figur 2 zeigt den Behälter gemäß Figur 1 in einer Draufsicht und

[0033] Figur 3 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wassersstoffspeichers in isometrischer Ansicht.

[0034] In Figur 1 ist eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Behälters 10 in einer Schnittansicht dargestellt. Die Schnittachse ist dabei durch die Mitte des Behälters 10 geführt und

zeigt einen Querschnitt des Behälters 10. Der Behälter 10 umfasst einen Mantel 1 der ein Speichervolumen 3 umgibt, in dem Wasserstoff unter Druck gespeichert werden kann. Der durch den Wasserstoff im Speichervolumen 3 ausgeübte Druck, wird durch den Mantel 1 aufgenommen und derart die Stabilität des Behälters 10 hergestellt. Durch den Mantel 1 wird also der Druck und die Spannungen des in den Speichervolumen 3 komprimierten Wasserstoffes aufgenommen und verhindert das Bersten des Behälters 10. Zwischen dem Speichervolumen 3 und den Mantel 1 des Behälters 10 ist eine Innenlage 2 angeordnet. Die Innenlage 2 ist vollflächig in der Innenseite des Mantels 1 angeordnet und trennt derart das Speichervolumen 3 von dem Material des Mantels 1. Durch die Innenlage 2 wird der Mantel 1 vom Speichervolumen 3 bzw. dem darin befindlichen Wasserstoff gasdicht abgetrennt, sodass eine Berührung des Wasserstoffes mit dem Werkstoff des Mantels 1 unterbunden wird. Die Innenlage 2 liegt dabei formschlüssig am Mantel 1 an, wodurch der auf die Innenlage 2 ausgeübte Druck bzw. die Spannungen vom Mantel 1 aufgenommen werden und diese die Stabilität des Behälters 10 bewirkt.

[0035] Der Mantel 1 besteht aus einem hochfesten Metall, das die Kräfte, die durch den im Speichervorlumen 3 gelagerten Wasserstoffes aufnimmt. Der Mantel 1 besteht erfindungsgemäß dabei aus einer Stahllegierung, insbesondere aus einem hochfesten Vergütungsstahl, beispielsweise der Stahllegierung 1.6580 oder 1.6952. Diese Stahllegierungen sind besonders hochfest und eignen sich für die Herstellung des Mantels 1 besonders gut, da diese hohe Festigkeiten bei einfachen Herstellungsmöglichkeiten, beispielsweise durch Warmumformung, ermöglichen. Durch eine nachgeschaltete Vergütungswärmebehandlung können die mechanischen Kennwerte optional optimiert werden, sodass der Behälter 10 bzw. Mantel 1 des Behälters 10 durch spanlose Fertigung sowie einer optimierten Gefügestruktur, die im Fall beispielsweise von geschmiedeten Teilen deutlich feiner und homogener ausgeprägt ist und daher höhere mechanische Kennwerte erreicht.

[0036] Der Behälter 10 weist weiter einen Anschluss 5 auf. Durch den Anschluss 5 ist das Speichervolumen 3 mit dem äußeren bzw. der Umgebung des Behälters 10 verbunden, bzw. wird der Befüllungskanal 51 des Behälters 10, durch die das Speichervolumen 3 mit dem Wasserstoff befüllt wird, durch den Anschluss 5 verschlossen. Uber den Anschluss 5 und den Befüllungskanal 51 wird Wasserstoff dem Speichervolumen 3 zugeführt oder aus diesem entnommen. Der Anschluss 5 kann dabei unterschiedliche, an die Größe des Speichervolumens 3 angepasste, Dimensionen aufweisen. So sind beispielsweise im Stand der Technik unterschiedliche Anschlüsse 5 und Größen der Anschlüsse 5 z.B. mit %4 Zoll, bekannt.

[0037] Der Werkstoff der Innenlage 2 besteht aus einem gegenüber Wasserstoff beständigen Metall, sodass dieser durch den Kontakt mit Wasserstoff keine Wasserstoffversprödung erfährt. Besonders geeignete Werkstoffe für die Innenlage 2 sind beispielsweise Aluminiumlegierungen oder hochlegierte Stähle. Besonders bevorzugt für die Innenlage 2 sind austenitische Stähle. Besonders geeignet aus der Gruppe der austenitischen Stähle hat sich bei der Erfindung zu Grunde liegenden Versuchen die Gruppe der Stahllegierungen 1.44xx erwiesen und weiters zum Beispiel die Stahllegierung 1.4404 oder 1.4571 oder 1.4301 oder 1.4435. Austenitische Stähle weisen für die Ausbildung der Innenlage 2 besonders gute Wasserstoffbeständigkeit auf und sind gleichzeitig auch gut umformbar.

[0038] In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Behälters 10 ist der Mantel 1, wie in Figur 1 dargestellt, aus mehreren Einzelteilen aufgebaut. So weist der Behälter 10 bevorzugt einen zylindrischen Mittelteil 11 auf, der die zylindrische Wandung des Mantels 1 bildet. Am oberen Ende des Mantels 1 bzw. des zylindrischen Mittelteils 11 ist ein Deckel 13 angeordnet. Auf dem, dem Deckel 13 gegenüberliegenden, Ende des zylindrischen Mittelteils 11 ist im Bereich des Bodens des Mantels 1 bzw. des Behälters 10 ein Boden 12 angeordnet. Der Mittelteil 11 weist jeweils an dessen Enden Gewinde auf über die der Boden 12 bzw. der Deckel 13 in den zylindrischen Mittelteil 11 eingeschraubt sind. Der Mittelteil 11, der Boden 12 und der Deckel 13 bilden also den Mantel 1 des Behälters 10, der die Stabilität des Behälters 10 bewerkstelligt.

[0039] Alternativ zu der in der Figur 1 dargestellten Ausführungsform, können der Boden 12 und der Deckel 13 auch über andere bevorzugt lösbare Verbindungen mit dem Mittelteil 11 verbunden

sein. So können diese beispielsweise bei verschweißbaren Werkstoffen mit dem Mittelteil 11 verschweißt sein, oder beispielsweise über Pressverbindungen oder andere aus dem Stand der Technik bekannte Verbindungsvarianten mit dem Mittelteil 11 verbunden sein.

[0040] Die in der Figur 1 dargestellte Ausführungsform des Behälters 10 bzw. des Mantels 1 bestehend aus dem Mittelteil 11, dem Deckel 13 und dem Boden 12 erlaubtes eine einfache Fertigung des Behälters 10 zu ermöglichen, die gleichzeitig in großer Stückzahl und variablen Dimensionen ausgeführt werden kann. So kann beispielsweise die Länge des Mittelteils 11 einfach an die geforderte Speichermenge von Wasserstoff angepasst werden, in dem dieser beispielsweise bei höherem gefordertem Speichervolumen länger ausgebildet wird und trotzdem noch derselbe Deckel 13 und Boden 12 verwendet werden kann.

[0041] Die Innenlage 2 ist an den Innenumfang des Mantels 1 angelegt, sodass der Mantel 1 sämtlichen, von dem im Speichervolumen 3 verdichteten Wasserstoff, auf die Innenlage 2 ausgeübten Kräfte aufnimmt. Die Innenlage 2 wird bei der Herstellung des Behälters 10 in den Innenraum des Mantels 1 eingebracht und so dann durch Innnenhochdruckumformung an den Mantel 1 angefügt bzw. an diesen angepasst. So wirkt der Mantel 1 als Gesenk für die Innenlage 2. Im Fall der Ausführungsform der Figur 1 wird also zuerst der Mantel 1 teilweise hergestellt, indem der Mittelteil 11 mit dem Boden 12 verbunden wird, sodann die Innenlage 2 in das Innere des teilweise vorgefertigten Mantels 1 eingebracht wird. Anschließend wird sodann der Deckel 13 in das Mittelteil 11 eingefügt und mit diesem verbunden bzw. verschraubt, sodass die Innenlage 2 im inneren des Mantels 1 angeordnet ist und das Speichervolumen 3 bildet. Anschließend wird sodann das durch die Innenlage 2 und den Mantel 1 gebildete Speichervolumen 3 unter Druck gesetzt und die Innenlage 2 verformt. Durch den Druck im Speichervolumen 3 wird die Innenanlage 2 an den Mantel 1 angedrückt und dabei derart umgeformt, dass die Innenlage 2 vollflächig auf dem Mantel 1 aufliegt. Durch die Druckbeaufschlagung des Speichervolumens 3 wird die Innenlage 2 einer Autofrettage unterzogen, was zu einer Steigerung der Belastbarkeit durch gezielte Induktion von Druckeigenspannungen führt.

[0042] Optional kann auch der Mantel 1 durch die gezielte Aufbringung eines Innendrucks im Speichervolumen 3 bzw. einer Innnenhochdruckumformung einer Autofrettage unterzogen werden. Durch die Autofrettage können gezielte Eigenspannungen im Mantel 1 und/oder der Innenlage 2 erzeugt werden. Durch die gezielt induzierten Eigenspannungen wird die Festigkeit bei der Belastung, durch den im Speichervolumen 3 gespeicherten Wasserstoff, erhöht.

[0043] In einer bevorzugten optionalen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Behälters 10 weißt dieser eine konische Ausnehmung 14 auf. Die konische Ausnehmung 14 ist beispielsweise wie in Figur 1 dargestellt im Deckel 13 oder an anderen Orten des Mantels 1 angeordnet. Die konische Ausnehmung 14 weist dabei eine in Richtung der Außenseite des Mantels 1, also in Richtung der Umgebung des Behälters 10, sich verjüngenden Verlauf auf, wodurch also der Innendurchmesser des Konus bzw. der Ausnehmung 14 im Bereich des Speichervolumens 3 gröBer ist als an der Außenseite des Mantels 1 bzw. des Behälters 10. In der konischen Ausnehmung 14 ist ein Stopfen 6 eingelegt, der gegengleich zur konischen Ausnehmung 14 ausgebildet ist. Der Stopfen 6 weist also für den Konus eine gleiche Steigung auf, sodass dieser vollflächig in der Ausnehmung 14 anliegt. Durch den Innendruck des im Speichervolumen 3 anliegenden Gases bzw. Wasserstoffes wird also der Stopfen 6 in Richtung der Außenseite des Mantels 1 gedrückt und dadurch in die Ausnehmung 14 gepresst bzw. angedrückt.

[0044] Im Stopfen 6 kann, wie in Figur 1 und 2 dargestellt, bevorzugt der Anschluss 5 ausgebildet sein. Der Werkstoff des Stopfens 6 weißt dabei einen ähnlichen oder gleichen Werkstoff wie die Innenlage 2 auf, der gegenüber Wasserstoff beständig ist und eine Reaktion zwischen dem Material des Stopfens 6 mit dem Wasserstoff verhindert. Der Stopfen 6 ermöglicht es also den Innenbereich des Behälters 10, also das Speichervolumen 3, mit der Umgebung zu verbinden und dabei gleichzeitig zu verhindern, dass Wasserstoff den Werkstoff des Mantels 1 bzw. den, Werkstoff des in Figur 1 dargestellten Deckels 13, berührt. So ist durch die Ausbildung des Stopfens 6 des Mantels 1 als auch der Innenlage 2 ein einfacher Aufbau des Behälters 10 bereitgestellt, mit dem Wasserstoff unter hohem Druck gespeichert werden kann, wobei die Kräfte, die durch den

Druck des Wasserstoffes im inneren des Speichervolumens 3 erzeugt werden, durch den Mantel 1 einfach aufgenommen werden können und gleichzeitig Wasserstoff nur mit Werkstoffen in Berührung gerät, die gegenüber Wasserstoff beständig bzw. auf diese Wasserstoff keine negativen Auswirkungen hat.

[0045] Um Wasserstoff mit einer hohen Dichte und gleichzeitig bei nahezu Raumtemperatur im Behälter 10 einfach speichern zu können, ist der Mantel 1 bzw. der Mittelteil 11 der Deckel 13 und der Boden 12 derart in ihrer Wandstärke und Struktur ausgebildet, dass diese einen Druck von bis zu 1500 und darüber hinaus im Speichervolumen 3 aufnehmen können.

[0046] Um den Behälter 10 universal einsetzen zu können, ist das Material des Mantels 1 als auch der Innenlage 2 so ausgebildet und in der Wandstärke und Vergütung ausgebildet, dass dieser mit Wasserstoff in unterschiedlichen Temperaturen befüllt werden kann und auch Temperaturschwankungen bei der Befüllung und Entnahme von Wasserstoff aushält. Hierzu kann dieser insbesondere Temperaturschwankungen von -40 °C bis 230 °C standhalten.

[0047] Wie eingangs erwähnt ist im Stand der Technik die Speicherung von Wasserstoff insbesondere in großen Mengen mit großer Verfügbarkeit ein Problem. Hierzu wird erfindungsgemäß ein Wasserstoffspeicher 100 bereitgestellt, dessen bevorzugte Ausführungsform in Figur 3 dargestellt ist. Der Wasserstoffspeicher 100 umfasst eine Anzahl von Behältern 10, bei dieser Ausführungsform zehn Behälter 10, die über eine Halterung 101 zu einem gemeinsamen Wasserstoffspeicher 100 verbunden sind. Die Behälter 10 bzw. deren Anschlüsse 5 können beispielsweise über ein Rohrsystem seriell bzw. parallel miteinander verbunden sein. Weiters ist optional möglich, dass ein Teil der Behälter 10 seriell und diese wiederum parallel zu anderen Behältern 10 in dem Wasserstoffspeicher 100 angeordnet sind. So wird beispielsweise ermöglicht, dass die Behälter 10 parallel bzw. seriell, hintereinander mit Wasserstoff befüllt werden können und derart ein großes Speichervolumen 3 gemeinsam zur Verfügung stellen oder wie in Falle von paralleler Anordnung von Behältern 10 diese im selben Zeitpunkt eine größere Menge Wasserstoff über den jeweilen Anschluss 5 abgeben können. Die Behälter 10, die im Wasserstoffspeicher 100 zusammengefasst bzw. verbunden sind, sind dabei wie ein erfindungsgemäßer Behälter 10 ausgebildet. Die Behälter 10 weisen also jeweils einen Mantel 1 auf, der gegenüber dem Speichervolumen durch eine Innenlage 2 gasdicht isoliert ist.

[0048] Wie in der bevorzugten Ausführungsform in Figur 1 und 2 dargestellt, kann der Behälter 10 bzw. dessen Mantel 1 eine sogenannte Schnüffelbohrung 7 aufweisen. Die Schnüffelbohrung 7 verbindet dabei die Umgebung des Mantels 1 bzw. des Behälters 10 mit der Außenseite der Innenlage 2. Durch die Schnüffelbohrung 7 kann eine etwaige Leckage der Innenlage 2 detektiert werden, da aus der Innenlage 2 austretender Wasserstoff über die Schnüffelbohrung 7 in die Umgebung des Behälters 10 gelangt und dort einfach detektiert werden kann. Die Schnüffelbohrung 7 kann dabei wie beispielhaft in Figur 1 und 2 dargestellt im Deckel 13 angeordnet sein, da dieser besonders einfach zugänglich ist.

Claims (7)

Patentansprüche

1. Behälter (10) zur Speicherung von Wasserstoff mit einem Druck von mehr als 700 bar umfassend einen Mantel (1) der ein Speichervolumen (3) umgibt, wobei durch den Mantel (1) der vom Wasserstoff im Speichervolumen (3) ausgeübte Druck und die Spannungen aufnehmbar ist, wobei der Behälter (10) eine Innenlage (2) umfasst, die das Speichervolumen (3) gasdicht vom Mantel (1) abtrennt, sodass ein direkter Kontakt des Wasserstoffs mit dem Werkstoff des Mantels (1) verhindert ist, wobei die Innenlage (2) form- und/oder kraftschlüssig am Mantel (1) anliegt und wobei der Behälter (10) einen Anschluss (5) zum Befüllen und Entleeren des Speichervolumens (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel (1) aus aus einem Vergütungsstahl besteht und die Innenlage (2) aus einem gegenüber Wasserstoff, insbesondere Wasserstoffversprödung, beständigem Metall besteht, und dass der Mantel (1) aus mehreren Teilen besteht, die miteinander oder ineinander verschraubbar oder verbindbar ausgebildet sind und dass der Mantel (1) aus einem im Wesentlichen zylindrischen Mittelteil (11), einem Boden (12) und einem Deckel (13) besteht, wobei der Mittelteil (11) an beiden Enden offen ausgebildet ist und wobei der Deckel (13) und der Boden (12) jeweils in eines der offenen Enden des Mantels (1) einsetzbar und mit dem Mantel lösbar, bevorzugt über Gewinde, verbunden sind.

2. Behälter (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel (1), insbesondere der Deckel (13), eine konische Ausnehmung (14) aufweist, wobei die konische Ausnehmung (14) in Richtung der Außenseite des Mantels (1) einen sich verjüngenden Verlauf aufweist,

- wobei der Behälter (10) einen Stopfen (6) umfasst, der im Mantel (1) angeordnet ist, wobei der Stopfen (6) gegengleich zur konischen Ausnehmung (14) ausgebildet und in dieser derart eingelegt ist, sodass der Stopfen (6) mittels des Drucks im Speichervolumen (3) in die konische Ausnehmung (14) eindrückbar oder andrückbar ist und

- wobei der Anschluss (5) im Stopfen (6) angeordnet oder ausgebildet ist.

3. Behälter (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenlage (2) durch Innenhochdruckumformung an den Mantel (1) gefügt ist, wobei insbesondere mittels im Zuge eines Autofrettageprozesses eine Eigenspannung in der Innenlage (2) und/oder dem Mantel (1) durch die Innenhochdruckumformung aufgebracht ist.

4. Behälter (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Mantel (1), insbesondere im Deckel (13), eine Schnüffelbohrung (7) zur Detektion von Leckagen der Innenlage (2) angeordnet ist.

5. Behälter (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel (1) ausder Stahllegierung 1.6580 oder 1.6952, besteht.

6. Behälter (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenlage (2), und insbesondere der Stopfen (6), aus einer Aluminiumlegierung oder Stahllegierung, insbesondere aus einem austenitischen Stahl, bevorzugt aus der Gruppe der Stahllegierungen 1.44xx, besonders bevorzugt 1.4404 oder 1.4571 oder 1.4301 oder 1.4435, besteht.

7. Hochdruckspeicher (100) für Wasserstoff umfassend eine Anzahl von Behältern (10), die seriell und/oder parallel miteinander verbunden und zu einem Bündel zusammengefasst sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Behälter (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 ausgebildet sind.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen