Thumbnail Image

Charakterisierung von Glas-Polymer Verbundmaterialien für die Hochdruckspeicherung von Wasserstoff

Prewitz, Marc

This thesis investigates glass capillaries and structures consisting of borosilicate glass (Simax) for high pressure hydrogen storage. The finite element method (FEM) is used for the mechanical analyses and the design optimization. The necessary characteristic values for the material descriptions are determined by experimental tests. The strength, the shear strength of the interface glass/adhesives, the coefficient of hydrogen permeation, the time-temperature behavior and the upper temperature limit are in particular important for this topic. The strength of the glass is highly dependent on the surface quality. Therefore it is important to draw capillaries and coated this in one step. The influence of the coating on the glass strength will be tested with burst pressure tests. The polymers were used in the thesis are characterized by push-out tests, dynamic mechanical analyses (DMA) and permeation tests. Aditionally, a viscoelastic material model will be determined from the DMA test. This model is used for the time-temperature depending simulation. Under consideration of the experimental results and and based on the simulations it is possible to create an optimized storage design. Furthermore, we gain knowledge about the application limits.
In der vorliegenden Arbeit werden Glaskapillaren und Strukturen aus Borosilikatglas (Simax) für die Hochdruckspeicherung von Wasserstoff betrachtet. Um die mechanischen Belastungen zu analysieren und anschließend ein optimiertes Speicherdesign abzuleiten, findet die Finite Element Methode (FEM) Einsatz. Die notwendigen Materialkennwerte werden zuvor experimentell ermittelt. Dazu gehören die Festigkeit, die Schubfestigkeit der Grenzfläche Klebung/Glas, der Wasserstoffpermeationskoeffizient, das Temperatur-Zeit-abhängige Verhalten, sowie die obere Temperatureinsatzgrenze. Die Glasfestigkeit ist stark abhängig von der Oberflächengüte. Daher werden in dieser Arbeit Kapillaren selber gezogen und beschichtet. Der Einfluss auf die Festigkeit wird mit Hilfe von Berstversuchen untersucht. Die eingesetzten Polymere werden zusätzlich mit dem Push-out Versuch, der dynamisch mechanischen Analyse und der Permeationsmessung charakterisiert. Darüber hinaus wird aus den DMA Versuchen ein viskoelastisches Materialmodell abgeleitet, womit der Temperatur- und Zeiteinfluss auf die mechanische Belastung simuliert wird. Unter Beachtung der experimentell gewonnenen Erkenntnisse, sowie der durchgeführten Simulation ist es möglich, ein optimiertes Speicherdesign zu erstellen und Aussagen über die Einsatzgrenzen zu treffen.