جامعة ميونيخ التقنية تطور الخزانات المكعبة المطابقة باستخدام مركبات ألياف الكربون لزيادة تخزين الهيدروجين | عالم المركبات

تستخدم خزانات المنصات المسطحة القياسية لـ BEVS و FCEVs المركبات بالحرارة والحرارة مع بناء هيكل عظمي يوفر تخزينًا أكثر بنسبة 25 ٪ من H2. #هيدروجين #Trends
بعد تعاون مع BMW أن الخزان المكعب يمكن أن يوفر كفاءة حجمية أعلى من أسطوانات صغيرة متعددة ، شرعت جامعة ميونيخ الفنية في مشروع لتطوير بنية مركبة وعملية تصنيع قابلة للتطوير للإنتاج التسلسلي. الصورة الائتمان: Tu Dresden (Top) يسار) ، جامعة ميونيخ التقنية ، قسم مركبات الكربون (LCC)
توفر السيارات الكهربائية لخلايا الوقود (FCEVS) التي تعمل بواسطة هيدروجين انبعاثات الصفر (H2) وسائل إضافية لتحقيق أهداف بيئية صفرية. يمكن ملء سيارة ركاب خلايا الوقود التي تحتوي على محرك H2 في 5-7 دقائق ولديها نطاق 500 كم ، ولكنها حاليًا أكثر تكلفة بسبب انخفاض حجم الإنتاج. تتمثل إحدى طرق تقليل التكاليف في استخدام منصة قياسية لنماذج BEV و FCEV. هذا غير ممكن حاليًا لأن الخزانات الأسطوانية من النوع 4 المستخدمة لتخزين غاز H2 المضغوط (CGH2) في 700 بار في FCEVs ليست مناسبة لمقصورات البطارية السفلية التي تم تصميمها بعناية للسيارات الكهربائية. ومع ذلك ، يمكن أن تتناسب أوعية الضغط في شكل وسائد ومكعبات في مساحة التغليف المسطحة هذه.
براءات الاختراع US5577630A لـ "وعاء الضغط المطابق المركب" ، التطبيق الذي قدمته شركة Thiokol Corp.
تشارك قسم مركبات الكربون (LCC) في جامعة ميونيخ التقنية (TUM ، ميونيخ ، ألمانيا) في مشروعين لتطوير هذا المفهوم. الأول هو polymers4hydrogen (P4H) ، بقيادة مركز كفاءة بوليمر Leoben (PCCL ، Leoben ، Austria). يقود حزمة العمل LCC زميلة إليزابيث غلاس.
المشروع الثاني هو بيئة مظاهرة الهيدروجين والتنمية (Hydden) ، حيث يقود LCC الباحث كريستيان جايجر. يهدف كلاهما إلى إنشاء عرض واسع النطاق لعملية التصنيع لصنع خزان CGH2 مناسب باستخدام مركبات ألياف الكربون.
هناك كفاءة حجمية محدودة عندما يتم تثبيت أسطوانات قطر صغيرة في خلايا بطارية مسطحة (يسار) وأوعية ضغط من النوع 2 المكعب المصنوع من بطانات الصلب وقشرة ألياف كربون/إيبوكسي مركبة (يمين). مصدر الصورة: الشكلين 3 و 6 من "نهج التصميم العددي لسفينة مربع الضغط من النوع الثاني مع أرجل التوتر الداخلي" بقلم RUF و Zaremba et al.
قام P4H بتصنيع خزان مكعب تجريبي يستخدم إطارًا للبلاستيك الحراري مع أشرطة/دعامات شد مركبة ملفوفة في الايبوكسي المقوى بألياف الكربون. ستستخدم Hydden تصميمًا مشابهًا ، ولكنه سيستخدم رمية الألياف التلقائية (AFP) لتصنيع جميع الخزانات المركبة بالحرارة.
من طلب براءة اختراع من قبل شركة Thiokol Corp. إلى "وعاء الضغط المطابق المركب" في عام 1995 إلى براءة الاختراع الألمانية DE1974950C2 في عام 1997 ، قد يكون لأوعية الغاز المضغوطة "أي تكوين هندسي" ، ولكن بشكل خاص الأشكال المسطحة وغير المنتظمة ، في تجويف متصل بدعم القشرة الدعم " . يتم استخدام العناصر حتى يتمكنوا من تحمل قوة توسيع الغاز.
تصف ورقة لورانس ليفرمور الوطنية (LLNL) عام 2006 ثلاثة أساليب: وعاء الضغط المطابق لجروح خيوط ، وعاء ضغط ميكرولاتيس يحتوي على بنية شعرية تقويم العظام الداخلية (خلايا صغيرة من 2 سم أو أقل) ، محاطة بحاوية H2 رقيقة ، ، وحاوية النسخ المتماثل ، تتكون من بنية داخلية تتكون من أجزاء صغيرة ملتصقة (على سبيل المثال ، بلاستيك سداسي حلقات) وتكوين جلد قذيفة خارجي رفيع. تعد الحاويات المكررة الأنسب للحاويات الكبيرة حيث قد يكون من الصعب تطبيق الطرق التقليدية.
تصف براءات الاختراع DE102009057170A المقدمة من فولكس واجن في عام 2009 وعاء ضغط مثبت على السيارة والذي سيوفر كفاءة عالية في الوزن مع تحسين استخدام المساحة. تستخدم الخزانات المستطيلة موصلات التوتر بين جدران معاكسة مستطيلة ، ويتم تقريب الزوايا.
تم ذكر Gleiss أعلاه والمفاهيم الأخرى في الورقة "تطوير العملية لأوعية الضغط المكعب مع أشرطة تمتد" بواسطة Gleiss et al. في ECCM20 (26-30 يونيو 2022 ، لوزان ، سويسرا). في هذه المقالة ، تستشهد بدراسة TUM التي نشرتها Michael Rower و Sven Zaremba ، والتي وجدت أن وعاء الضغط المكعب مع دعامات التوتر التي تربط الجوانب المستطيلة أكثر كفاءة من العديد من الأسطوانات الصغيرة التي تتناسب مع مساحة بطارية مسطحة ، مما يوفر حوالي 25 ٪ أكثر. مساحة التخزين.
وفقًا لـ Gleiss ، فإن المشكلة في تثبيت عدد كبير من الأسطوانات الصغيرة 4 من النوع 4 في حالة مسطحة هي أن "الحجم بين الأسطوانات قد انخفض إلى حد كبير وأن النظام يحتوي أيضًا على سطح كبير من الغاز H2. بشكل عام ، يوفر النظام سعة تخزين أقل من الجرار المكعبة. "
ومع ذلك ، هناك مشاكل أخرى في تصميم الخزان المكعب. "من الواضح ، بسبب الغاز المضغوط ، تحتاج إلى مواجهة قوى الانحناء على الجدران المسطحة" ، قال Gleiss. "لهذا الغرض ، تحتاج إلى بنية معززة تتصل داخليًا بجدران الخزان. لكن هذا أمر صعب مع المركبات ".
حاولت Glace وفريقها دمج قضبان التوتر المعززة في وعاء الضغط بطريقة مناسبة لعملية لف الشعيرة. وتوضح: "هذا مهم للإنتاج ذو الحجم الكبير ، كما تسمح لنا أيضًا بتصميم نمط اللف لجدران الحاويات لتحسين اتجاه الألياف لكل حمولة في المنطقة."
أربع خطوات لصنع خزان مركب مكعب تجريبي لمشروع P4H. الصورة الائتمان: "تطوير عملية إنتاج لأوعية الضغط المكعب مع Brace" ، جامعة ميونيخ التقنية ، Polymers4hydrogen Project ، ECCM20 ، يونيو 2022.
لتحقيق السلسلة ، طور الفريق مفهومًا جديدًا يتكون من أربع خطوات رئيسية ، كما هو موضح أعلاه. دعامات التوتر ، الموضحة باللون الأسود على الخطوات ، هي بنية إطار مسبقة الصنع ملفقة باستخدام طرق مأخوذة من مشروع MAI Skelett. لهذا المشروع ، طورت BMW إطار الزجاج الأمامي "إطار عمل" باستخدام أربعة قضبان pultrusion المقوى بالألياف ، والتي تم تصبغها بعد ذلك إلى إطار بلاستيكي.
إطار خزان مكعب تجريبي. أقسام هيكلية سداسية ثلاثية الأبعاد مطبوعة بواسطة TUM باستخدام خيوط PLA غير المعروفة (TOP) ، وإدخال قضبان CF/PA6 Pultrusion كقواس توتر (منتصف) ثم لف الشعيرة حول الأقواس (أسفل). الصورة الائتمان: جامعة ميونيخ LCC.
وقال غلاس: "الفكرة هي أنه يمكنك بناء إطار الخزان المكعب كهيكل معياري". "يتم وضع هذه الوحدات النمطية بعد ذلك في أداة صب ، يتم وضع دعامات التوتر في وحدات الإطار ، ثم يتم استخدام طريقة Mai Skelett حول الدعامات لدمجها مع أجزاء الإطار." طريقة الإنتاج الضخم ، مما يؤدي إلى هيكل يتم استخدامه بعد ذلك كطاقة أو جوهر لالتفاف قذيفة خزان التخزين.
صمم TUM إطار الخزان باعتباره "وسادة" مكعبًا مع جوانب صلبة ، زوايا مستديرة ونمط سداسي في الأعلى والسفلي يمكن من خلاله إدراج العلاقات وربطها. كما تم طباعة الثقوب لهذه الرفوف ثلاثية الأبعاد. "بالنسبة لخزاننا التجريبي الأولي ، قمنا بإطار إطار سداسي ثلاثي الأبعاد باستخدام حمض بولييلاكتيك [PLA ، وهو لدن بالحرارة قائم على الحيوية] لأنه كان سهلاً ورخيصًا" ، قال غلاس.
اشترى الفريق 68 من قضبان بولي أميد 6 (PA6) من ألياف الكربون من الكربون من SGL (Meitingen ، ألمانيا) لاستخدامها كعلاقات. يقول Gleiss: "لاختبار هذا المفهوم ، لم نفعل أي صب" ، لكنهم ببساطة أدخلوا الفواصل في إطار العسل الأساسي المطبوع ثلاثية الأبعاد وتلصقها بغراء الإيبوكسي. هذا يوفر بعد ذلك مغزلًا لإلقاء الخزان ". وتشير إلى أنه على الرغم من أن هذه القضبان سهلة للرياح نسبيًا ، إلا أن هناك بعض المشكلات المهمة التي سيتم وصفها لاحقًا.
"في المرحلة الأولى ، كان هدفنا هو إظهار قابلية التصميم للتصميم وتحديد المشكلات في مفهوم الإنتاج" ، أوضح غليس. "لذا ، تبرز دعامات التوتر من السطح الخارجي للهيكل العظمي ، ونرفع ألياف الكربون إلى هذا النواة باستخدام لف الشعيرة الرطبة. بعد ذلك ، في الخطوة الثالثة ، ننحني رأس كل قضيب ربطة عنق. لاعب بالحرارة ، لذلك نحن فقط نستخدم الحرارة لإعادة تشكيل الرأس بحيث يتساقط ويغلق في الطبقة الأولى من التفاف. ثم ننتقل إلى لف الهيكل مرة أخرى بحيث يتم إرفاق رأس الدفع المسطح هندسيًا داخل الخزان. صفح على الجدران.
غطاء فاصل للف. يستخدم Tum قبعات بلاستيكية على نهايات قضبان التوتر لمنع الألياف من التشابك أثناء لف الشعيرة. الصورة الائتمان: جامعة ميونيخ LCC.
كرر غلاس أن هذا الخزان الأول كان دليلًا على المفهوم. "كان استخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد والغراء فقط للاختبار الأولي وأعطانا فكرة عن عدد قليل من المشكلات التي واجهناها. على سبيل المثال ، أثناء اللف ، تم القبض على الشعيرات بواسطة نهايات قضبان التوتر ، مما تسبب في كسر الألياف ، وتلف الألياف ، وتقليل كمية الألياف لمواجهة ذلك. استخدمنا بعض القبعات البلاستيكية كمساعدات تصنيع تم وضعها على الأعمدة قبل الخطوة الأولى المتعرجة. ثم ، عندما تم صنع laminates الداخلية ، أزلنا هذه القبعات الواقية وأعدت تشكيل نهايات الأعمدة قبل التغليف النهائي. "
جرب الفريق سيناريوهات إعادة الإعمار المختلفة. يقول غريس: "أولئك الذين ينظرون حولهم يعملون بشكل أفضل". "أيضًا ، خلال مرحلة النماذج الأولية ، استخدمنا أداة لحام معدلة لتطبيق الحرارة وإعادة تشكيل نهايات قضيب التعادل. في مفهوم الإنتاج الضخم ، سيكون لديك أداة واحدة أكبر يمكن أن تشكل وتشكيل جميع نهايات الدعامات إلى صفح النهاية الداخلية في نفس الوقت. . "
رؤساء الشرير معاد تشكيلها. جرب TUM مفاهيم مختلفة وقام بتعديل اللحامات لمحاذاة نهايات العلاقات المركبة لربط صفح جدار الخزان. الصورة الائتمان: "تطوير عملية إنتاج لأوعية الضغط المكعب مع Brace" ، جامعة ميونيخ التقنية ، Polymers4hydrogen Project ، ECCM20 ، يونيو 2022.
وهكذا ، يتم علاج الصفح بعد الخطوة المتعرجة الأولى ، ويتم إعادة تشكيل المنشورات ، ويكمل TUM اللف الثاني للخيوط ، ثم يتم علاج جدار الخزان الخارجي للمرة الثانية. يرجى ملاحظة أن هذا هو تصميم الخزان من النوع 5 ، مما يعني أنه لا يحتوي على بطانة بلاستيكية كحاجز للغاز. راجع المناقشة في القسم الخطوات التالية أدناه.
"لقد قطعنا العرض الأول إلى أقسام عرضية وقمنا بتعيين المنطقة المتصلة" ، قال غلاس. "يوضح أحد المقربين أن لدينا بعض المشكلات الجودة مع الصفح ، مع عدم وضع رؤوس الدعامة مسطحة على الصفح الداخلي."
حل المشكلات مع الفجوات بين صفح الجدران الداخلية والخارجية للخزان. يخلق رأس قضيب التعادل المعدل فجوة بين المنعطفات الأولى والثانية للخزان التجريبي. الصورة الائتمان: جامعة ميونيخ LCC.
تم الانتهاء من هذا الخزان الأولي 450 × 290 × 80 مم في الصيف الماضي. وقال غلاس: "لقد حققنا الكثير من التقدم منذ ذلك الحين ، لكن لا يزال لدينا فجوة بين التصفيح الداخلي والخارجي". "لذلك حاولنا ملء هذه الثغرات براتنجات نظيفة وعالية اللزوجة. هذا في الواقع يحسن العلاقة بين الأزرار والصفح ، مما يزيد بشكل كبير من الإجهاد الميكانيكي. "
واصل الفريق تطوير تصميم الخزانات وعملياته ، بما في ذلك حلول لنمط اللف المطلوب. "لم تكن جوانب خزان الاختبار ممتلئين تمامًا لأنه كان من الصعب على هذه الهندسة إنشاء مسار متعرج" ، أوضح غلاس. "كانت زاوية اللف الأولية لدينا 75 درجة ، لكننا عرفنا أن هناك حاجة إلى دوائر متعددة لتلبية الحمل في وعاء الضغط هذه. ما زلنا نبحث عن حل لهذه المشكلة ، لكن ليس من السهل مع البرنامج الموجود حاليًا في السوق. قد يصبح مشروع متابعة.
يقول جليس: "لقد أظهرنا جدوى مفهوم الإنتاج هذا ، لكننا نحتاج إلى العمل بشكل أكبر لتحسين العلاقة بين صفح وتبديل قضبان التعادل. "الاختبار الخارجي على آلة الاختبار. يمكنك سحب الفواصل من الصفائح واختبار الأحمال الميكانيكية التي يمكن لهذه المفاصل تحملها. "
سيتم الانتهاء من هذا الجزء من مشروع Polymers4Hydrogen في نهاية عام 2023 ، ويأمل Gleis من خلاله إكمال خزان العرض الثاني. ومن المثير للاهتمام ، أن التصميمات اليوم تستخدم البلاستيك الحراري المقوى الأنيق في الإطار ومركبات الحرارة في جدران الخزان. هل سيتم استخدام هذا النهج الهجين في خزان العرض النهائي؟ "نعم" ، قالت غريس. "يقوم شركائنا في مشروع Polymers4Hydrogen بتطوير راتنجات الإيبوكسي ومواد مصفوفة مركبة أخرى ذات خصائص حاجز هيدروجين أفضل." وتسرد شريكين يعملون في هذا العمل ، PCCL وجامعة تامبيري (تامبيري ، فنلندا).
تبادل غليس وفريقها أيضًا المعلومات وناقشوا الأفكار مع Jaeger في مشروع Hydden الثاني من الخزان المركب المطابق LCC.
يقول جايجر: "سننتج وعاء ضغط مركب مطابق للطائرات بدون طيار". "هذا تعاون بين قسمي الإداريين في Aerospace و Geodetic of Tum - LCC وقسم تكنولوجيا المروحية (HT). سيتم الانتهاء من المشروع بحلول نهاية عام 2024 ، ونحن نكمل حاليًا وعاء الضغط. تصميم أكثر من الطيران والسيارات نهج. بعد هذه المرحلة الأولية للمفهوم ، تتمثل الخطوة التالية في تنفيذ النمذجة الهيكلية التفصيلية والتنبؤ بأداء الحاجز لهيكل الجدار. "
"الفكرة كلها هي تطوير طائرة بدون طيار استكشافية مع خلية الوقود الهجينة ونظام دفع البطارية". سيستخدم البطارية أثناء الأحمال عالية الطاقة (أي الإقلاع والهبوط) ثم قم بالتبديل إلى خلية الوقود أثناء الإبحار في الحمل الخفيف. وقال ييغر: "كان لدى فريق HT بالفعل طائرة بدون طيار بحث وأعاد تصميم مجموعة القوة لاستخدام كل من البطاريات وخلايا الوقود". "لقد اشتروا أيضًا خزان CGH2 لاختبار هذا الإرسال."
ويوضح قائلاً: "تم تكليف فريقي ببناء نموذج أولي لخزان الضغط الذي يناسب ، ولكن ليس بسبب مشكلات التغليف التي قد يخلقها خزان أسطواني". "خزان تملق لا يوفر الكثير من مقاومة الرياح. لذلك تحصل على أداء أفضل في الرحلة. " أبعاد الخزان تقريبا. 830 × 350 × 173 مم.
دبابة متوافقة مع لدغة حرارة AFP. بالنسبة لمشروع Hydden ، استكشف فريق LCC في TUM في البداية مقاربة مماثلة لتلك المستخدمة بواسطة Glace (أعلاه) ، ولكن بعد ذلك انتقل إلى نهج باستخدام مجموعة من عدة وحدات هيكلية ، والتي تم الإفراط في استخدامها باستخدام AFP (أدناه). الصورة الائتمان: جامعة ميونيخ LCC.
يقول ياجر: "إحدى الأفكار تشبه نهج إليزابيث [غليس] ، لتطبيق أقواس التوتر على جدار الوعاء للتعويض عن قوى الانحناء العالية. ومع ذلك ، بدلاً من استخدام عملية متعرج لصنع الخزان ، نستخدم AFP. لذلك ، فكرنا في إنشاء قسم منفصل من وعاء الضغط ، حيث يتم دمج الرفوف بالفعل. سمح لي هذا النهج بالجمع بين العديد من هذه الوحدات المتكاملة ثم تطبيق غطاء نهائي لإغلاق كل شيء قبل لف أطلس فربي النهائي. "
وتابع: "نحاول وضع اللمسات الأخيرة على مثل هذا المفهوم" ، ونبدأ أيضًا في اختبار اختيار المواد ، وهو أمر مهم للغاية لضمان المقاومة اللازمة لاختراق غاز H2. لهذا ، نستخدم المواد المرنة الحرارية بشكل أساسي ونعمل على كيفية تأثير المادة على سلوك التخلل هذا ومعالجته في آلة AFP. من المهم أن نفهم ما إذا كان العلاج سيكون له تأثير وإذا كان هناك حاجة إلى أي ما بعد المعالجة. نريد أيضًا أن نعرف ما إذا كانت المداخن المختلفة ستؤثر على تغلغل الهيدروجين من خلال وعاء الضغط. "
سيتم تصنيع الخزان بالكامل من البلاستيك الحراري وسيتم توفير الشرائط بواسطة Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal ، ألمانيا). "سوف نستخدم PPS [كبريتيد البوليفينيلين] ، و PEEK [polyether ketone] و LM PAEK [انصهار ذوبان البوليارييل كيتون]" ، قال ياجر. "يتم إجراء مقارنات بعد ذلك لمعرفة أي واحد هو الأفضل لحماية الاختراق وإنتاج الأجزاء ذات الأداء الأفضل." إنه يأمل في إكمال الاختبار والنمذجة الهيكلية والعملية والمظاهرات الأولى خلال العام المقبل.
تم تنفيذ العمل البحثي داخل وحدة المذنب "Polymers4Hydrogen" (ID 21647053) ضمن برنامج المذنب التلقائي في وزارة التغير المناخي ، والبيئة ، والطاقة ، والتنقل ، والابتكار ، والوزارة الفيدرالية للتكنولوجيا الرقمية والاقتصاد. . يشكر المؤلفون مركز شركاء البوليمر المشاركين لوبن GMBH (PCCL ، النمسا) ، Montanuniversitaet Leoben (كلية هندسة البوليمرات والعلوم ، قسم كيمياء مواد البوليمر ، قسم علوم المواد واختبار البوليمر) ، جامعة تامبيري (عويل الهندسة للهندسة مواد). ) ساهمت العلوم) ، وذروة تكنولوجيا وفوريسيا في هذا العمل البحثي. يتم تمويل المذنب-مودول من قبل حكومة النمسا وحكومة ولاية ستيريا.
تحتوي الأوراق المسبقة قبل التعزيز للهياكل الحاملة للحمل على ألياف مستمرة-ليس فقط من الزجاج ، ولكن أيضًا من الكربون والأراميد.
هناك العديد من الطرق لصنع أجزاء مركبة. لذلك ، يعتمد اختيار طريقة لجزء معين على المادة وتصميم الجزء والاستخدام النهائي أو التطبيق. هنا دليل اختيار.
تقوم شركة Shocker Composites و R&M International بتطوير سلسلة إمداد ألياف الكربون المعاد تدويرها والتي توفر صفراً للذبح ، وتكلفة أقل من الألياف البكر ، وستقدم في النهاية أطوالًا تقترب من الألياف المستمرة في الخصائص الهيكلية.