V. Nagaraj, J.P. Hüppauff, T. Pfaff, N. Motsch-Eichmann, J. Hausmann

Moderne Leichtbau-Tanks zur Speicherung von Wasserstoff werden heute schon in Faserverbundbauweise hergestellt (Typ 4-Behälter). Dabei übernehmen ein Liner (Kunststoff oder Metall) die weitgehende H2-Permeationsdichtigkeit und die Faserarmierung (meist Kohlenstofffaser, die im Wickelverfahren aufgebracht wird) die mechanischen Lasten. Durch die Herstellung im Wickelverfahren ergeben sich allerdings hinsichtlich der Geometrie deutliche Einschränkungen. Zum einen kann ein solcher zylindrischer Typ 4-Behälter nicht beliebig klein im Durchmesser werden, da die Fasern am Dombereich des Druckbehälters über eine Wendezone geführt werden müssen, um metallische Lasteinleitungselemente (Bossteile) in die Bauweise zu integrieren und eine ausreichende Tragfähigkeit in axialer Richtung sicherzustellen. Zum anderen müssen solche gewickelten Typ 4-Behälter durch den überwickelten Dombereich geschlossen hergestellt werden, eine nachträgliche Zugänglichkeit zum Innenraum (z.B. zur Wartung oder Systemintegration) kann nicht realisiert werden. Ebenso ist es nicht möglich im Wickelverfahren Fasern rein in axialer Richtung auf dem Behälter zu platzieren, es muss zwingend ein Wickelwinkel eingehalten werden, um die Wendezone im Dombereich realisieren zu können. Wäre es möglich in einem wirtschaftlichen Verfahren sehr schlanke und lange Leichtbau-Tanks herzustellen, die neben den Umfangslagen rein axiale Lagen enthielten, könnten diese zusätzlich als tragende Struktur im Flugzeug verwendet werden, da deren strukturelle Tragfähigkeit im zylindrischen Bereich nicht vollständig ausgenutzt wird. Denkbar ist z.B. die Nutzung der CFK-Tanks als Verstärkungsprofile im Rumpf oder als Holme im Flügel, insbesondere bei Multi-Spar-Bauweisen. Ein weiterer Nachteil gängiger Typ 4-Behälter ist die Notwendigkeit der Herstellung eines Liners, der schon vor dem Wickelprozess die Geometrie des Druckbehälters hat. Nachträgliche geometrische Änderungen (Länge, Durchmesser) der Bauweise bedingen immer die Herstellung eines neuen Liners Es wird ein Konzept für eine neuartige Bauweise eines Tanks vorgestellt, der diese Nachteile überwindet. In umfangreichen numerischen Simulationen konnte gezeigt werden, dass die neuartige Bauweise durch ihren Aufbau mit rein axialen und in Umfangsrichtung aufgebrachten Fasern maximale Leichtbaugüte besitzt und ebenso sehr dünn hergestellt werden kann. Die Ausleitung der Last aus den axialen Lagen im zylindrischen Bereich des Druckbehälters erfolgt lagenweise mit Hilfe der am IVW patentierten "IVW-Krafteinleitung". So werden die metallischen Dombereiche, die sowohl geschlossen als auch geöffnet sein können, lastgerecht integriert. Als Liner fungiert ein in der Länge und im Durchmesser flexibles Metall- oder Kunststoffrohr, das bei Änderungen der Tankgeometrie leicht ersetzt werden kann. Da der Lasteinleitungsbereich für die Menge an axialen Fasern dimensionierend ist, ist im zylindrischen Bereich des Behälters das Potenzial von ca. 40 % zur zusätzlichen Nutzung als strukturelles Bauteil vorhanden. Erste Demonstratoren wurden händisch gefertigt und zeigen im Rahmen von Strukturtests die Eignung als Druckbehälter auf.

Modern lightweight hydrogen storage tanks are already being manufactured using fiber-reinforced composite construction (Type 4 tanks). In this construction, a liner (plastic or metal) provides the high degree of H2 permeation tightness, while the fiber reinforcement (usually carbon fiber applied via a winding process) bears the mechanical loads. However, the winding process imposes significant limitations on the geometry. Firstly, such a cylindrical Type 4 tank cannot be manufactured with arbitrarily small diameters, as the fibers must be guided over a turning zone at the dome area of ??the pressure vessel to integrate metallic load introduction elements (boss components) into the structure and ensure sufficient axial load-bearing capacity. Secondly, these wound Type 4 tanks must be manufactured with the dome area completely closed; subsequent access to the interior (e.g., for maintenance or system integration) is not possible. Similarly, it is not possible to place fibers purely axially on the container using the winding process; a specific winding angle must be maintained to create the turning zone in the dome area. If it were possible to produce very slim and long lightweight tanks using an economical process, containing purely axial layers in addition to the circumferential layers, these could also be used as load-bearing structures in aircraft, since their structural load-bearing capacity in the cylindrical area is not fully utilized. For example, the use of CFRP tanks as reinforcing profiles in the fuselage or as spars in the wing is conceivable, especially in multi-spar designs. Another disadvantage of conventional Type 4 containers is the need to manufacture a liner that already has the geometry of the pressure vessel before the winding process. Subsequent geometric changes (length, diameter) to the design always necessitate the production of a new liner. A concept for a novel tank design that overcomes these disadvantages is presented. Extensive numerical simulations have demonstrated that the novel design, with its purely axial and circumferentially applied fibers, offers maximum lightweight performance and can be manufactured with extremely thin profiles. The load is transferred layer by layer from the axial layers in the cylindrical section of the pressure vessel using the "IVW force introduction" system patented by the IVW (Institute for Water and Wastewater). This allows the metallic dome sections, which can be either closed or open, to be integrated according to the load. A metal or plastic tube, flexible in length and diameter, serves as the liner and can be easily replaced if the tank geometry changes. Since the load introduction area is dimensioned according to the quantity of axial fibers, approximately 40% of the cylindrical section of the vessel offers potential for additional use as a structural component. Initial demonstrators have been hand-built and are demonstrating their suitability as pressure vessels in structural tests.

Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress 2022, Dresden

Deutsche Gesellschaft für Luft- und Raumfahrt - Lilienthal-Oberth e.V., Bonn, 2022

Conference Paper

deutsch

21,0 x 29,7 cm, 6 Seiten

urn:nbn:de:101:1-2022112514595833138250

10.25967/570091

Liquid Hydrogen Storage, Faser-Kunststoff-Verbund (FKV)

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Nagaraj, V.; Hüppauff, J.P.; et al. (2022): Neuartige strukturintegrierte Wasserstoffspeicher für Luftfahrtanwendungen. Deutsche Gesellschaft für Luft- und Raumfahrt - Lilienthal-Oberth e.V.. (Text). https://doi.org/10.25967/570091. urn:nbn:de:101:1-2022112514595833138250.

25.11.2022