Analyse der Wasserstoffpermeation an Faserverbundlaminaten unter Berücksichtigung von Schädigung

Kurzfassung

Die Luftfahrtindustrie steht vor der Herausforderung, nachhaltige und effiziente Energiequellen zu integrieren, wobei Wasserstoff eine vielversprechende Option darstellt. Seine mobile Speicherung in Flugzeugen erfordert jedoch innovative Ansätze, insbesondere hinsichtlich der Sicherheitsanforderungen und der Materialauswahl. Hierbei spielen kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) eine entscheidende Rolle, da sie nicht nur leicht und stabil sind, sondern auch das Potenzial bieten, die Speichereffizienz von Wasserstoff zu verbessern. Eine wesentliche Herausforderung bei der Verwendung von CFK-Materialien in der Wasserstoffspeicherung liegt in der Gewährleistung der Dichtheit der Speichertanks. Insbesondere bei Typ V-Kryotanks ohne Liner ist dies von besonderer Relevanz. Die Fähigkeit, die Permeationsdichtheit von Faserverbundlaminaten zu bewerten und sicherzustellen, ist daher eine wichtige Voraussetzung für die Konstruktion dieser Tanks und trägt wesentlich zur Realisierung von Leichtbaukonzepten in der Wasserstoffspeicherung bei. Das Hauptanliegen dieser Arbeit ist die Berechnung der Wasserstoffpermeation in Finite-Elemente-Modellen zu ermöglichen, indem effektive Leitfähigkeitskoeffizienten verwendet werden. Der Fokus dieser Untersuchung richtet sich auf die Analyse, wie sich durch Belastungen verursachte Schädigungen im Material auf die Diffusionsrate im Laminat auswirken. Um dieses Ziel zu erreichen, wurde ein Post-Process im Anschluss an eine Schädigungsanalyse zur Untersuchung der Wasserstoffpermeation angewendet. Dabei wurden spezifische Daten für das Post-Processing, insbesondere Schädigungsvariablen, aus den Simulationsergebnissen extrahiert. Diese Daten, erlangt durch die Finite-Elemente-Methode, wurden dann mit implementierten analytischen Gleichungen zur Bestimmung der Diffusionsrate verwendet. Die Anwendbarkeit des Postprocessing-Ansatzes wurde durch die Untersuchung von zwei Testfällen evaluiert, wobei ein CFK-Plattenmodell und ein CFK-Tank als Beispiele dienten. Die Überprüfung der erzielten Ergebnisse für das CFK-Plattenmodell erfolgte durch den Vergleich mit experimentellen Daten, was die Zuverlässigkeit der Methode bestätigte. Für den CFK-Tank ist der Wasserstoffverlust durch Permeation im Vergleich zu der gespeicherten Gesamtmasse nicht relevant. Jedoch ist der Diffusionsverlust ausreichend hoch das den Kryotank umgebene Isolationsvakuum zu beeinträchtigen. Daher wird für zukünftige Forschungsarbeiten ein Vergleich mit experimentell ermittelten Diffusionsraten notwendig sein, um den Post-Processing-Ansatz angemessen zu beurteilen.