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Dokumentenidentifikation DE102006019014A1 25.10.2007
Titel Speichermodul für komprimierte fluidische Kraftstoffe
Anmelder Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V., 80686 München, DE
Erfinder Wiel, Martin, Dipl.-Ing., 01324 Dresden, DE;
Breitkopf, Matthias, Dipl.-Ing., 01187 Dresden, DE
DE-Anmeldedatum 20.04.2006
DE-Aktenzeichen 102006019014
Offenlegungstag 25.10.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 25.10.2007
IPC-Hauptklasse B60K 15/07(2006.01)A, F, I, 20060710, B, H, DE
IPC-Nebenklasse B60K 15/073(2006.01)A, L, I, 20060710, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft Speichermodule für komprimierte fluidische Kraftstoffe, die an Fahrzeugen, insbesondere an den verschiedensten Straßenfahrzeugen eingesetzt werden können. Die gespeicherten fluidischen Kraftstoffe sind dabei bevorzugt sehr hoch komprimiert. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die Speicherung von komprimierten fluidischen Kraftstoffen besser an die Anforderungen beim mobilen Einsatz in Fahrzeugen anzupassen. Bei erfindungsgemäßen Speichermodulen ist komprimierter, bevorzugt hoch komprimierter fluidischer Kraftstoff innerhalb eines Hohlraums temporär gespeichert. Über mindestens einen Anschluss kann er mit Kraftstoff gefüllt und geleert werden. Das Speichermodul ist dabei als tragendes Element einer Fahrzeugkarosserie (selbsttragende Bauweise ohne Rahmen) oder einer Rahmenstruktur eines Fahrzeugs ausgebildet und mit weiteren tragenden Elementen des jeweiligen Fahrzeugs verbunden.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft Speichermodule für komprimierte fluidische Kraftstoffe, die an Fahrzeugen, insbesondere an den verschiedensten Straßenfahrzeugen eingesetzt werden können. Die gespeicherten fluidischen Kraftstoffe sind dabei bevorzugt sehr hoch komprimiert, wie dies bei gasförmigen Kraftstoffen, wegen der gegenüber flüssigen Kraftstoffen reduzierten Energiedichte gewünscht ist.

Bei Fahrzeugen deren Antrieb mittels Brennstoffzellen, Hybridantrieben oder Fahrzeugen, bei denen für den Antrieb Wasserstoff oder ein anderes Gas in Verbrennungskraftmaschinen, eingesetzt wird, kann die Erfindung besonders vorteilhaft eingesetzt werden.

Solche Kraftstoffspeicher, in denen komprimiertes Gas in flüssiger Phase oder in Metallhydridspeicherelementen enthalten ist, werden bisher als separate Bauteile an Fahrzeugen montiert. Dabei erfolgt die Anbringung an mehr oder weniger störenden Orten, die das nutzbare Volumen möglichst nicht über die Maßen reduziert. Hierbei müssen jedoch Kompromisse eingegangen werden, da auch Sicherheitsaspekte Berücksichtigung finden sollen.

Solche Druckbehälter aus Verbundwerkstoffen, in im Wesentlichen rotationssymmetrischer Ausbildung, sind aus DE 43 00 484 C1 bekannt. Die Druckbehälter verfügen dabei zumindest bereichsweise über eine Versteifungsstruktur, um deren Eigenmasse zu reduzieren.

Eine Vorrichtung zur Stabilisierung oder Versteifung von Hohlkörpern oder Tragelementen ist aus DE 196 38 891 A1 bekannt. Diese sollen mit einem Medium, wie z.B. Helium, das leichter als Luft ist, gefüllt sein.

Aus DE 102 17 247 A1 ist ein Drucktank zur Aufnahme eines unter Druck stehenden Fluids mit einer Mehrzahl von Aufnahmekammern bekannt. Dadurch sollen die Stabilität und die Volumeneffektivität erhöht werden. Es wird darin vorgeschlagen Zuganker in Zwischenräumen vorzusehen.

Keine dieser Lösungen geht auf konstruktive Erfordernisse beim Fahrzeugbau und den mobilen Einsatz ein.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung die Speicherung von komprimierten fluidischen Kraftstoffen besser an die Anforderungen beim mobilen Einsatz in Fahrzeugen anzupassen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit Speichermodulen, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweisen, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in den untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werden.

Bei erfindungsgemäßen Speichermodulen ist komprimierter, bevorzugt hoch komprimierter fluidischer Kraftstoff innerhalb eines Hohlraums temporär gespeichert. Über mindestens einen Anschluss kann er mit Kraftstoff gefüllt und geleert werden. Das Speichermodul ist dabei als tragendes Element einer Fahrzeugkarosserie (selbsttragende Bauweise ohne Rahmen) oder einer Rahmenstruktur eines Fahrzeugs ausgebildet und mit weiteren tragenden Elementen des jeweiligen Fahrzeugs verbunden.

Vorteilhaft kann es in Verbundbauweise mit mindestens zwei unterschiedlichen Werkstoffen hergestellt werden. So kann ein bevorzugt metallischer Druckbehälter oder ein geeigneter Kunststoffbehälter den Kraftstoff aufnehmen, der außen mit einem faserverstärktem Polymer beschichtet oder von einer solchen Umhüllung umschlossen oder umgeben ist.

Dabei besteht die Möglichkeit einer gezielten Ausrichtung der jeweiligen Fasern, unter Berücksichtigung der erforderlichen Festigkeit im jeweiligen Bereich eines Speichermoduls, die den lokalen Belastungen Rechnung tragen kann.

Im faserverstärkten Polymer können dann Verbindungs- und/oder Befestigungselemente eingebettet sein, so dass große Volumina und Flächen zur Aufnahme und Übertragung von Kräften oder Momenten zu Verfügung stehen. Dadurch kann unter anderem auch die jeweilige Flächenpressung reduziert werden.

Es können aber auch an oder in Druckbehältern Verstärkungs- sowie Verbindungsprofilelemente angeordnet sein. Verstärkungsprofilelemente können in kritischen Bereichen zur Erhöhung der lokalen Festigkeit angebracht oder ausgebildet sein. Verbindungsprofilelemente können für eine Verbindung mit weiteren Speichermodulen oder auch anderen tragenden Elementen einer Fahrzeugkarosserie oder eines Fahrzeugrahmens genutzt werden. Auch bei diesen Elementen kann durch geeignete Gestaltung und Dimensionierung die Einleitung von Kräften und Momenten vorteilhaft beeinflusst werden, so dass die Gefahr einer Beschädigung von Speichermodulen bei höheren wirkenden Kräften und Momenten reduziert und außerdem die tragenden Eigenschaften am Fahrzeug eines Speichermoduls verbessert werden können.

Verstärkungs-, Befestigungs-, Verbindungsprofilelemente oder auch Verbindungselemente können dabei vorteilhaft in einem flächigen Kontakt mit dem Druckbehälter stehen. Dabei kann auch ihre Kontur an die Außen und/oder Innenkontur des Druckbehälters angepasst sein.

An einem Fahrzeug können auch mehrere Speichermodule vorhanden sein, so dass das mitführbare Kraftstoffvolumen vergrößert werden kann. Diese können über ihre Anschlüsse dann wieder miteinander verbunden sein. Dadurch kann eine gleichmäßige Befüllung oder Entleerung erreicht werden. Dies führt dazu, dass beispielsweise eine Verschiebung des Fahrzeugschwerpunktes, die die fahrdynamischen Eigenschaften erheblich verändern würde, vermieden werden kann. Dies trifft insbesondere auf symmetrische Anordnungen mehrerer Speichermodule an einem Fahrzeug zu. Dabei können Speichermodule symmetrisch zur Fahrzeuglängsachse und/oder Querachse angeordnet sein. Sie sollten dann auch möglichst in zumindest annähernd gleichen Abständen zur jeweiligen Achse angeordnet sein.

An erfindungsgemäßen Speichermodulen sollten vorteilhaft auch eine Isolationsschicht oder Isolationselemente mit dämmender Wirkung vorhanden sein. Diese können beispielsweise zwischen Druckbehälter und faserverstärktem Polymer auf dem und/oder innerhalb des faserverstärkten Polymers angeordnet sein. So kann eine Wärme- und auch Schalldämmung erreicht werden. Erstgenannter Effekt wirkt sich bei hoch komprimierten verflüssigten Gasen als Kraftstoff vorteilhaft aus.

Ein Innendruck des Druckbehälters von mindestens 10 bar wirkt sich ebenfalls für eine Festigkeitserhöhung von erfindungsgemäßen Speichermodulen vorteilhaft aus.

Für die Gestaltung und in Grenzen auch für die Dimensionierung besteht ein Spielraum, so dass eine Anpassung an die fahrzeugspezifischen Erfordernisse vorhanden ist. So können die äußere und innere Geometrie und/oder Kontur entsprechend gewählt werden. Es können unsymmetrische und/oder nicht rotationssymmetrische Gestaltungen eines gesamten Speichermoduls oder auch nur in Bereichen eines Speichermoduls gewählt werden.

Durch eine Anpassung lokal differenzierter Wandstärken, beispielsweise von Druckbehälter und/oder faserverstärktem Polymer, kann ebenfalls Einfluss auf die jeweils erforderliche Festigkeit genommen werden.

Die Anordnung erfindungsgemäßer Speichermodule an einem Fahrzeug kann in Bereichen erfolgen, die üblicherweise bisher einer solchen Nutzung verschlossen waren. Dies können Trenn-, Seitenwände, der Dach- und/oder Bodenbereich eines Fahrzeugs sein. Dabei kann auch das Gefährdungspotential bei Unfällen durch geeignete Orte der Anbringung reduziert werden.

Mit der Erfindung kann eine verbesserte Raumausnutzung und eine Gesamtfahrzeugmassereduzierung erreicht werden. Dies ist durch die Integration in die tragende Fahrzeugstruktur möglich. Gegenüber herkömmlichen Kraftstoffspeichern für komprimierte Kraftstoffe kann auf zusätzliche, die Festigkeit von Kraftstoffspeichern erhöhende Elemente, zu deren Versteifung, verzichtet werden.

Es ist keine zusätzliche Montage erforderlich. Außerdem kann eine Anbringung außerhalb des eigentlichen Karosseriebereiches, beispielsweise auf einem Dach oder unterhalb eines Fahrzeuges, vermieden werden.

So können zumindest auch die Herstellungskosten von Fahrzeugen günstig beeinflusst werden.

Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.

Dabei zeigen:

1 in schematischer Form einen Schnitt durch ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Speichermoduls und

2 ein Niederflurfahrzeug mit im Dachbereich angeordneten Speichermodulen.

In 1 sind zwei miteinander verbundene Speichermodule, als tragende Elemente eines Fahrzeugs dargestellt. Dabei ist jeweils ein hohler Druckbehälter 1 aus Aluminium vorgesehen, der außen mit faserverstärktem Polymer 2 beschichtet ist. An der in der Darstellung vorderen und hinteren Stirnseite eines Speichermoduls sind unten Befestigungselemente 4 vorhanden, die flächig mit entsprechend angepasster Oberflächenkontur an die Gestaltung des Druckbehälters 1 angepasst sind. Mit den Befestigungselementen 4 können Speichermodule miteinander aber auch mit anderen tragenden Elementen eines Fahrzeugs verbunden werden.

Letzteres können beispielsweise Hohlprofile 3 einer Fahrzeugwand sein. Es können aber auch Verbindungshohlprofile 5 sein. Mit denen auch die Verbindung zweier Speichermodule, wie in 1 gezeigt, möglich ist. Mit den Hohlprofilen 3 und Verbindungshohlprofilen 5 kann die Integration in die tragende Struktur von Fahrzeugen und an die jeweiligen lokalen Gegebenheiten erreicht werden.

Mit 2 soll auch verdeutlicht werden, wie mit der Erfindung das Verhältnis Nutzvolumen/Fahrzeugvolumen verbessert werden kann. Hier ist ein Niederflurfahrzeug für den Öffentlichen Nahverkehr gezeigt, bei dem im Dachbereich insgesamt zwölf Speichermodule vorgesehen sind. Diese sind in zwei Reihen parallel zur Fahrzeuglängsachse angeordnet. Sie können, wie im allgemeinen Teil der Beschreibung angesprochen, über Verbindungsleitungen miteinander verbunden sein.

Die Einleitung von Kräften und Momenten kann ausgehend von den Seitenwänden eines Fahrzeugs über Hohlprofile erfolgen. Solche Hohlprofile 3 oder Verbindungshohlprofile 5 können analog oder ähnlich, wie die in 1 gezeigten, ausgebildet und mit Speichermodulen verbunden sein.


Anspruch[de]
Speichermodul für komprimierte fluidische Kraftstoffe, bei dem innerhalb eines Hohlraumes komprimierter Kraftstoff temporär speicherbar ist und über mindestens einen Anschluss mit Kraftstoff befällt und geleert werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichermodul ein tragendes Element einer Fahrzeugkarosserie oder einer Rahmenstruktur eines Fahrzeuges bildet und mit weiteren tragenden Elementen eines Fahrzeugs verbunden ist. Speichermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Speichermodul in Verbundbauweise mit mindestens zwei Werkstoffen hergestellt ist. Speichermodul nach Anspruch 1 oder 2, dass mindestens ein Hohlraum zur Speicherung von komprimiertem Kraftstoff mit einem Druckbehälter (1), der mit einem faserverstärkten Polymer (2) beschichtet ist, gebildet ist. Speichermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Verbindungs- und/oder Befestigungselemente (4) im faserverstärkten Polymer eingebettet sind. Speichermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an und/oder in einem Druckbehälter (1) Verstärkungs- und/oder Verbindungsprofilelemente (5) angeordnet sind. Speichermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Verstärkungs-, Verbindungsprofilelemente (5), Verbindungs- und/oder Befestigungselemente (4) in einem flächigen Kontakt mit dem Druckbehälter (1) stehen. Speichermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontur von Verstärkungs-, Verbindungsprofilelemente (5), Verbindungs- und/oder Befestigungselemente (4) an die Außen und/oder Innenkontur des Druckbehälters (1) angepasst ist. Speichermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einem Fahrzeug mehrere Speichermodule vorhanden sind. Speichermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Anschlüsse mehrerer Speichermodule miteinander verbunden sind. Speichermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Speichermodule symmetrisch in Bezug zur Längs- und/oder Querachse eines Fahrzeugs angeordnet sind. Speichermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Druckbehälter (1), zwischen Druckbehälter (1) und faserverstärktem Polymer (2) auf dem und/oder innerhalb des faserverstärkten Polymers (2) eine Isolationsschicht oder Isolationselemente angeordnet ist/sind. Speichermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es in mindestens Trenn-, Seitenwand im Boden- und/oder Dachbereich eines Fahrzeugs angeordnet ist. Speichermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Innendruck im Druckbehälter (1) von mindestens 10 bar eingehalten ist. Speichermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass seine äußere und/oder innere Geometrie/Kontur zumindest bereichsweise unsymmetrisch und/oder nicht rotationssymmetrisch ausgebildet ist. Speichermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Druckbehälter (1) und/oder faserverstärktes Polymer (2) bereichsweise variierende Wandstärken aufweist/weisen.






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