Neuartige Diffusionsbarrieren für linerlose H2-Drucktanks mit innovativer Gestalt
An Möglichkeiten zur effizienten Wasserstoffspeicherung arbeiten Ingenieure am KVB Institut für Konstruktion und Verbundbauweisen schon seit einigen Jahren – aktuell an einem linerlosen CFK-Druckbehälter (Typ V). Im Rahmen eines Forschungsvorhabens verfolgen sie dieses Ziel durch eine innovative Behältergestalt in Verbindung mit neuartigen Beschichtungsansätzen weiter.
Während für die Wasserstoffspeicherung in CFK-Druckbehältern bislang vorrangig Behälter der Typen III (Metallliner) und IV (Kunststoffliner) zum Einsatz kamen, wird im KVB inzwischen mit Hochdruck am linerlosen CFK-Druckbehälter (Typ V) gearbeitet. Zwei außergewöhnliche Ansätze – bezüglich der Behälterform und in Sachen Beschichtung – heben diese Forschung nun auf ein neues Level.
Innovative Form und Innenleben
Die im Rahmen des Vorhabens entwickelten Wasserstoff-Druckbehälter weisen zunächst keine klassische, zylindrische Behältergeometrie auf. Sie sind vielmehr der geometrischen Ei-Form nachempfunden.
Dies bringt einige Vorteile, etwa im Hinblick auf den Einsatz als Retro-Fit im Kleinflugzeug. So ist bei stehendem Einbau die Schwerpunktlage besser und zudem der Spannungsverlauf über der gesamten Behälterkontur stetiger. Der Behälteraufbau ist dabei dreigeteilt: Im Inneren befindet sich eine lasttragende Laminatstruktur, die gleichzeitig als Ablagehilfe für das äußere Traglaminat dient, welches im Automated-Fiber-Placement-Prozess (AFP) hergestellt wird. Dazwischen ist neben einer metallischen Diffusionsbarriere-Schicht zusätzlich ein Structural-Health-Monitoring-System (SHM-System) angeordnet. Beides wird durch die direkte Integration in das Laminat effizient vor äußeren Einflüssen geschützt.
Abb. 1: Mikroskopieaufnahme der galvanische Kupferbeschichtung
Galvanisch applizierte Diffusionsbarrieren
Im Rahmen des Projektes machten sich die Fachleute auch die um mehrere Größenordnungen bessere Barrierewirkung von Metallen gegenüber Kunststoffen zunutze. So zeigten Permeationsuntersuchungen bereits deutlich, dass metallische Schichten von wenigen Mikrometern (10 – 50 μm) ausreichen, um die gängigen Anforderungen an die Wasserstoff-Leckrate zu erfüllen.
Kupfer als Material der Wahl
Deshalb wurden unterschiedliche Möglichkeiten zur Applikation derartiger Metallschichten untersucht. Galvanisch applizierte Kupferschichten zeigten eine besonders gute Barrierewirkung für den oben genannten Anwendungsfall. Ebenso konnte anhand der durchgeführten Gitterschnitte eine hervorragende Anhaftung am Laminat für diese Form der Beschichtung nachgewiesen werden.
Die Herausforderung für den Galvanisierungsprozess bestand im Wesentlichen darin, eine ausreichend leitfähige Oberfläche über der gesamten inneren CFK-Tragstruktur zu erzeugen. Denn nur dann ist das Abscheiden von Kupfer auf dem im Elektrolytbad rotierenden eiförmigen Bauteil überhaupt erst möglich.
Anhand von Parameterstudien wurden an Coupon-Proben zudem die am besten geeigneten Beschichtungsparameter (etwa Wirkdauer, angelegte Spannung etc.) identifiziert. Schliffbilder der Proben zeigten ein hervorragendes Beschichtungsresultat und Schichtdicken von ca. 25 μm (Abb. 1).
Permeationsuntersuchungen an den eierförmigen Drucktanks (Abb. 2) stehen bislang noch aus und werden im ersten Quartal dieses Jahres am KVB-eigenen Permeationsprüfstand durchgeführt. Die bisherigen Untersuchungen sind in
jedem Fall sehr vielversprechend.
Abb. 2: Galvanisch kupferbeschichtete innere Tragstruktur des neuartigen linerlosen Druckbehälters
Kontakt:
KVB Institut für Konstruktion und Verbundbauweisen gGmbH, Großweitzschen
Dipl.-Ing. Christoph Albani,
Leiter Forschung & Entwicklung
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