Innovative Faserverbundwerkstoffe für Wasserstoffdruckbehälter in mobilen Anwendungen

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Eduard Kessler

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Das Ziel der Reduktion von Emissionen und Kohlendioxid aus Verbrennungskraftmaschinen im Straßenverkehr führt zur Entwicklung verschiedener alternativer Antriebskonzepte. Neben sog. Hybridantrieben und batterieelektrischen Fahrzeugen setzen Fahrzeughersteller längerfristig zunehmend auf Brennstoffzellenantriebe mit komprimiertem Wasserstoff als Energieträger. Mobile Wasserstoff-Speichersysteme spielen dabei eine zentrale Rolle für die Leistungsfähigkeit und Kosten von Brennstoffzellen-Fahrzeugen. Moderne Druckbehälter in Leichtbauweise vom Typ 4 bestehen aus einem Kunststoffliner, welcher als Gasbarriere und Wickelkern für den weiteren Aufbau dient, metallischen Anschlussstücken, und einer lastaufnehmenden Faser-Kunststoff-Verbund-Umwicklung. In der vorliegenden Arbeit werden Verbundwerkstoffe mit verschiedenen Verstärkungsfasern und Matrices charakterisiert und verglichen. Als besonders vielversprechend stellen sich sogenannte Hybridfaser-Verbunde heraus, wodurch die vorteilhaften Eigenschaften verschiedener Fasern miteinander kombiniert werden können. Die auf Probekörperebene gesammelten Erkenntnisse werden auf den Druckbehälter übertragen. Es werden Druckbehälter mit verschiedenen Faserkombinationen ausgelegt und in der Simulation berechnet, anschließend nassgewickelt und mittels verschiedener Testverfahren untersucht. Im Ergebnis zeigen mit Basalt- und Kohlenstofffasern hybrid verstärkte Druckbehälter deutlich niedrigere Herstellkosten bei gleichzeitig deutlich erhöhter Beständigkeit gegenüber Feuerbelastung im Vergleich zu üblichen rein kohlenstofffaserverstärkten Druckbehältern. Außerdem werden weitergehende FEM-Simulationen gezeigt, um ein ganzheitliches Verständnis für den Aufbau von Druckbehältern zu entwickeln sowie zukünftige Forschungsfelder aufzuzeigen.