TWI: 1000 bar Wasserstoff

Der 2009 in Betrieb genommene 1000 bar Wasserstoff-Prüfstand ist im Prinzip eine Zugprüfmaschine in einem Druckbehälter. Außer der hier gezeigten Zugprobe mit 5 mm Durchmesser, können damit nahezu alle Untersuchungen durchgeführt werden, die mit einer servo-hydraulischen Prüfmaschine durchgeführt werden können: Unter anderem sind unterschiedliche Größen von Zugproben, gekerbte Zugproben, Fließbruchmechanik-Proben (elastisch-plastische Bruchmechanik, EPBM), Bruchzähigkeitsbiegeproben (Single Edge Notched Bend Tests) möglich.

Die Proben werden mit einem Gas unter hohem Druck umgeben, z.B. reinem oder verunreinigtem Wasserstoff oder anderen Gasgemischen. Der Kraftmessring (Lantern Ring) liegt im Belastungspfad und kann als interne Kraftmesszelle über eingebaute Dehnungsmessstreifen die Belastung messen. Die zu untersuchenden Muster werden mit Aluminium-Ringsegmenten umgeben, um das Gasvolumen zu minimieren.

Es gibt alle erforderlichen Sicherheitseinrichtungen sowohl im Gebäude als auch in der Regeleinrichtung, um die sichere Arbeit in Wasserstoffumgebung zu gewährleisten.
Dieser Prüfstand ist in Europa einzigartig, zumindest bezüglich der großen Bandbreite von Untersuchungsmöglichkeiten, die er bietet. Darüber hinaus gab es am TWI schon seit mehreren Jahren Prüfstände bei geringerem Wasserstoffdruck.

Viele Werkstoffe werden, wenn sie mit Wasserstoff in Berührung kommen, nicht vom Wasserstoff beeinträchtigt, d.h. sie verspröden nicht. Wenn der Werkstoff aber in der Wasserstoffumgebung einer Zugbelastung ausgesetzt wird, kann der Wasserstoff die durch die Zugbelastung entstehenden frischen, offenen Oberflächen angreifen, in den Werkstoff eindringen und ihn möglicherweise verspröden.

Daher ist es wichtig, Werkstoffe unter hohem Wasserstoffdruck zu untersuchen, um deren Materialeigenschaften besser zu verstehen. Das ist besonders für rostfreien Edelstahl erforderlich, der oft in Hochdruck-Wasserstoffumgebung eingesetzt wird. Bei niedrigen Temperaturen, d.h. bei -50°C, zeigt dieser maximale Versprödung. Wenn ein frischer Anriss erzeugt wird, wird die Materialoberfläche dort nicht von Oxiden geschützt, wie man sie auf einem normalem, nicht druckbelastetem Material erwarten würde. Dadurch können sich die H₂-Moleküle an der Oberfläche anlagern, wo sie in H-Atome aufgespalten werden, die in das Metall diffundieren.

Außerdem gibt es einen Prüfstand, der schon mehrere Jahre erfolgreich eingesetzt wurde. Beim Bau und Betrieb dieses Prüfstands wurden bei einem Druck bis 500 bar bereits wertvolle Erfahrungen gesammelt. Der alte Prüfstand konnte in einem Temperaturbereich von Umgebungstemperatur bis etwa 100°C betrieben werden. Der neue Prüfstand ist für Temperaturen von -50°C bis 100°C bei Drücken bis 1000 bar ausgelegt, aber lässt sich möglicherweise auch außerhalb dieses Temperaturbereichs sicher betreiben.

Die Motivation für diese Untersuchungen unter Wasserstoffatmosphäre kommt aus dem Automobilbau. Wer mit einem Brennstoffzellen-Fahrzeug fahren möchte, muss genügend Wasserstoff mit sich führen, um bis zum nächsten Tanken die üblichen Entfernungen zurücklegen zu können. Dabei wird der Wasserstoff in einem Druckbehälter, vermutlich im hinteren Bereich des Fahrzeuges mit voraussichtlich 700 bar Druck mit sich mitgeführt. Die Tankstellen werden sogar mit etwas höherem Druck betrieben werden müssen voraussichtlich etwa 875 bar.

Sicherheit ist das oberste Gebot beim Umgang mit Wasserstoff. Entzündliche Gasgemische müssen vermieden werden. Die Luft muss vom Wasserstoff ferngehalten werden. Daher wird der Prüfstand zunächst mehrmals mit Stickstoff gespült. Das gewährleistet sowohl die Sicherheit als auch die Reinheit der Prüfgasatmosphäre.
Der Prüfstand ist gegen Fehlbedienung abgesichert, z.B. kann sie nicht mit Gas beaufschlagt werden, solange die Kappe noch nicht abgesenkt und die Verriegelungsstifte vollkommen eingerastet wurden. Die drucksicheren Türen müssen geschlossen sein und alle Sicherheitsvorkehrungen müssen getroffen sein, bevor die Untersuchung beginnt.

TWI arbeitet unter anderem mit Automobilbau-Unternehmen aus Europa und Japan, die die Mechanismen von Versprödung unter Hochdruck-Wasserstoffumgebung verstehen wollen und will gerne für jeden arbeiten, der am Verstehen dieser Mechanismen interessiert ist.

Für Unternehmen in Süddeutschland, Österreich und der Schweiz stellt AluStir auf Anfrage gerne weitere Informationen zum Thema mechanisches Prüfen in Hochdruck-Wasserstoffumgebung zur Verfügung. Bitte kontaktieren Sie uns per Telefon (+49 6024 636 0123) oder E-Mail (stephan.kallee@alustir.com).