تقوم جامعة ميونيخ التقنية بتطوير خزانات مكعبة امتثالية باستخدام مركبات ألياف الكربون لزيادة تخزين الهيدروجين | عالم المركبات

تستخدم الخزانات القياسية ذات المنصة المسطحة للمركبات الكهربائية التي تعمل بالبطارية ومركبات FCEV مركبات لدنة حرارية ومركّبة بالحرارة مع بنية هيكلية توفر تخزينًا أكبر بنسبة 25% للهيدروجين. #اتجاهات #الهيدروجين
بعد أن أظهر التعاون مع BMW أن الخزان المكعب يمكن أن يوفر كفاءة حجمية أعلى من الأسطوانات الصغيرة المتعددة، شرعت الجامعة التقنية في ميونيخ في مشروع لتطوير هيكل مركب وعملية تصنيع قابلة للتطوير للإنتاج التسلسلي. مصدر الصورة: TU Dresden (أعلى اليسار)، جامعة ميونخ التقنية، قسم مركبات الكربون (LCC)
توفر السيارات الكهربائية التي تعمل بخلايا الوقود (FCEVs) والتي تعمل بالهيدروجين الخالي من الانبعاثات (H2) وسائل إضافية لتحقيق أهداف بيئية صفرية. يمكن ملء سيارة الركاب التي تعمل بخلايا الوقود بمحرك H2 في 5-7 دقائق ويصل مداها إلى 500 كيلومتر، ولكنها حاليًا أكثر تكلفة بسبب انخفاض حجم الإنتاج. تتمثل إحدى طرق تقليل التكاليف في استخدام منصة قياسية لنماذج BEV وFCEV. وهذا غير ممكن حاليًا لأن الخزانات الأسطوانية من النوع 4 المستخدمة لتخزين غاز H2 المضغوط (CGH2) عند ضغط 700 بار في مركبات FCEV ليست مناسبة لمقصورات البطاريات الموجودة أسفل الهيكل والتي تم تصميمها بعناية للسيارات الكهربائية. ومع ذلك، يمكن أن تتناسب أوعية الضغط على شكل وسائد ومكعبات مع مساحة التغليف المسطحة هذه.
براءة الاختراع US5577630A لـ "وعاء الضغط المطابق المركب"، الطلب الذي قدمته شركة Thiokol Corp. في عام 1995 (يسار) ووعاء الضغط المستطيل الحاصل على براءة اختراع من قبل BMW في عام 2009 (يمين).
ويشارك قسم مركبات الكربون (LCC) في جامعة ميونيخ التقنية (TUM، ميونيخ، ألمانيا) في مشروعين لتطوير هذا المفهوم. الأول هو Polymers4Hydrogen (P4H)، بقيادة مركز ليوبين لكفاءة البوليمرات (PCCL، ليوبين، النمسا). تتولى الزميلة إليزابيث جلايس قيادة حزمة عمل LCC.
المشروع الثاني هو عرض الهيدروجين وبيئة التطوير (HyDDen)، حيث يقود LCC الباحث كريستيان جايجر. ويهدف كلاهما إلى إنشاء عرض توضيحي واسع النطاق لعملية التصنيع لصنع خزان CGH2 مناسب باستخدام مركبات ألياف الكربون.
هناك كفاءة حجمية محدودة عند تركيب أسطوانات ذات قطر صغير في خلايا بطارية مسطحة (يسار) وأوعية ضغط مكعبة من النوع 2 مصنوعة من بطانات فولاذية وغطاء خارجي مركب من ألياف الكربون/الإيبوكسي (يمين). مصدر الصورة: الشكلان 3 و6 مأخوذان من "نهج التصميم العددي لأوعية صندوق الضغط من النوع الثاني ذات أرجل الشد الداخلية" بقلم Ruf and Zaremba et al.
قامت شركة P4H بتصنيع خزان مكعب تجريبي يستخدم إطارًا من البلاستيك الحراري مع أشرطة/دعامات شد مركبة ملفوفة في إيبوكسي مقوى بألياف الكربون. ستستخدم شركة HyDDen تصميمًا مشابهًا، ولكنها ستستخدم طبقة الألياف الأوتوماتيكية (AFP) لتصنيع جميع الخزانات المركبة من البلاستيك الحراري.
من طلب براءة اختراع قدمته شركة Thiokol إلى "وعاء الضغط المطابقة المركب" في عام 1995 إلى براءة الاختراع الألمانية DE19749950C2 في عام 1997، قد يكون لأوعية الغاز المضغوط "أي تكوين هندسي"، ولكن بشكل خاص الأشكال المسطحة وغير المنتظمة، في تجويف متصل بدعامة الغلاف . يتم استخدام العناصر بحيث يمكنها تحمل قوة تمدد الغاز.
تصف ورقة بحثية أجراها مختبر لورنس ليفرمور الوطني (LLNL) عام 2006 ثلاثة أساليب: وعاء ضغط مطابق للجرح الخيطي، وعاء ضغط شبكي دقيق يحتوي على بنية شبكية داخلية لتقويم العظام (خلايا صغيرة بحجم 2 سم أو أقل)، محاطة بحاوية H2 رقيقة الجدران، وحاوية النسخ المتماثل، التي تتكون من هيكل داخلي يتكون من أجزاء صغيرة ملتصقة (على سبيل المثال، حلقات بلاستيكية سداسية) وتركيبة من جلد الغلاف الخارجي الرقيق. تعتبر الحاويات المكررة مناسبة بشكل أفضل للحاويات الأكبر حجمًا حيث قد يكون من الصعب تطبيق الطرق التقليدية.
تصف براءة الاختراع DE102009057170A التي قدمتها شركة فولكس فاجن في عام 2009 وعاء ضغط مثبت على السيارة والذي سيوفر كفاءة عالية في الوزن مع تحسين استخدام المساحة. تستخدم الخزانات المستطيلة موصلات شد بين جدارين متقابلين مستطيلين، وتكون الزوايا مستديرة.
تم الاستشهاد بالمفاهيم المذكورة أعلاه والمفاهيم الأخرى بواسطة Gleiss في ورقة بعنوان "تطوير العمليات لأوعية الضغط المكعبة ذات قضبان التمدد" التي كتبها Gleiss et al. في ECCM20 (26-30 يونيو 2022، لوزان، سويسرا). تستشهد في هذه المقالة بدراسة TUM التي نشرها مايكل روف وسفين زاريمبا، والتي وجدت أن وعاء الضغط المكعب المزود بدعامات شد تربط الجوانب المستطيلة أكثر كفاءة من عدة أسطوانات صغيرة تتلاءم مع مساحة بطارية مسطحة، مما يوفر ما يقرب من 25 ٪ أكثر. مساحة تخزين.
وفقًا لجليز، فإن مشكلة تركيب عدد كبير من الأسطوانات الصغيرة من النوع 4 في علبة مسطحة هي أن "الحجم بين الأسطوانات ينخفض ​​بشكل كبير كما أن النظام يحتوي أيضًا على سطح كبير جدًا لتخلل غاز H2. بشكل عام، يوفر النظام سعة تخزينية أقل من الجرار المكعبة.
ومع ذلك، هناك مشاكل أخرى تتعلق بتصميم الخزان المكعب. وقال جليس: "من الواضح أنه بسبب الغاز المضغوط، تحتاج إلى مواجهة قوى الانحناء على الجدران المسطحة". "ولهذا تحتاج إلى هيكل معزز يتصل داخليًا بجدران الخزان. ولكن من الصعب القيام بذلك مع المواد المركبة.
حاولت غلايس وفريقها دمج قضبان شد معززة في وعاء الضغط بطريقة مناسبة لعملية لف الخيوط. وتوضح قائلة: "هذا أمر مهم بالنسبة للإنتاج بكميات كبيرة، كما يسمح لنا بتصميم نمط اللف لجدران الحاوية لتحسين توجيه الألياف لكل حمولة في المنطقة."
أربع خطوات لصنع خزان مركب مكعب تجريبي لمشروع P4H. حقوق الصورة: "تطوير عملية إنتاج لأوعية الضغط المكعبة ذات الدعامات"، جامعة ميونخ التقنية، مشروع Polymers4Hydrogen، ECCM20، يونيو 2022.
لتحقيق ذلك على السلسلة، قام الفريق بتطوير مفهوم جديد يتكون من أربع خطوات رئيسية، كما هو موضح أعلاه. إن دعامات الشد، الموضحة باللون الأسود على الدرجات، عبارة عن هيكل إطار مسبق الصنع تم تصنيعه باستخدام أساليب مأخوذة من مشروع MAI Skelett. بالنسبة لهذا المشروع، قامت BMW بتطوير "إطار" إطار الزجاج الأمامي باستخدام أربعة قضبان pultrusion معززة بالألياف، والتي تم تشكيلها بعد ذلك في إطار بلاستيكي.
إطار خزان مكعب تجريبي. أقسام هيكلية سداسية ثلاثية الأبعاد مطبوعة بواسطة TUM باستخدام خيوط PLA غير المقواة (أعلى)، وإدخال قضبان بولتروسيون CF / PA6 كأقواس شد (وسط) ثم لف الخيوط حول الأقواس (أسفل). حقوق الصورة: جامعة ميونيخ التقنية LCC.
وقال غلاس: "الفكرة هي أنه يمكنك بناء إطار خزان مكعب كهيكل معياري". "يتم بعد ذلك وضع هذه الوحدات في أداة التشكيل، ويتم وضع دعامات الشد في وحدات الإطار، ومن ثم يتم استخدام طريقة MAI Skelett حول الدعامات لدمجها مع أجزاء الإطار." طريقة الإنتاج الضخم، مما يؤدي إلى إنشاء هيكل يتم استخدامه بعد ذلك كمغزل أو قلب لتغليف الغلاف المركب لخزان التخزين.
صممت TUM إطار الخزان على شكل "وسادة" مكعبة ذات جوانب صلبة وزوايا مستديرة ونمط سداسي في الأعلى والأسفل يمكن من خلاله إدخال الروابط وإرفاقها. تمت طباعة فتحات هذه الرفوف أيضًا بتقنية ثلاثية الأبعاد. قال جلاس: "بالنسبة لخزاننا التجريبي الأولي، قمنا بطباعة مقاطع إطار سداسية ثلاثية الأبعاد باستخدام حمض البوليلاكتيك [PLA، وهو لدن حراري حيوي] لأنه كان سهلًا ورخيصًا".
قام الفريق بشراء 68 قضيبًا من مادة البولي أميد 6 (PA6) المقواة بألياف الكربون من شركة SGL Carbon (Meitingen، ألمانيا) لاستخدامها كربطات عنق. يقول جليس: "لاختبار المفهوم، لم نقم بأي قولبة، ولكننا ببساطة أدخلنا فواصل في إطار أساسي على شكل قرص عسل مطبوع ثلاثي الأبعاد وألصقناها بالغراء الإيبوكسي. وهذا يوفر بعد ذلك شياقًا لتعبئة الخزان. وتشير إلى أنه على الرغم من سهولة لف هذه القضبان نسبيًا، إلا أن هناك بعض المشكلات المهمة التي سيتم وصفها لاحقًا.
وأوضح غليس: "في المرحلة الأولى، كان هدفنا هو إظهار قابلية التصميم للتصنيع وتحديد المشاكل في مفهوم الإنتاج". "وهكذا تبرز دعامات الشد من السطح الخارجي للهيكل العظمي، ونقوم بربط ألياف الكربون بهذا اللب باستخدام لف خيوط مبللة. بعد ذلك، في الخطوة الثالثة، نقوم بثني رأس كل قضيب ربط. لدن بالحرارة، لذلك نستخدم الحرارة فقط لإعادة تشكيل الرأس بحيث يصبح مسطحًا ويثبت في الطبقة الأولى من التغليف. ننتقل بعد ذلك إلى تغليف الهيكل مرة أخرى بحيث يتم وضع رأس الدفع المسطح بشكل هندسي داخل الخزان. صفح على الجدران.
غطاء فاصل لللف. تستخدم TUM أغطية بلاستيكية على أطراف قضبان الشد لمنع تشابك الألياف أثناء لف الخيوط. حقوق الصورة: جامعة ميونيخ التقنية LCC.
وأكد جلايس أن هذه الدبابة الأولى كانت دليلاً على المفهوم. "إن استخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد والغراء كان فقط للاختبار الأولي وأعطانا فكرة عن عدد قليل من المشكلات التي واجهناها. على سبيل المثال، أثناء اللف، تعلق الخيوط بأطراف قضبان الشد، مما يتسبب في كسر الألياف وتلف الألياف وتقليل كمية الألياف لمواجهة ذلك. "لقد استخدمنا بعض الأغطية البلاستيكية كأدوات مساعدة في التصنيع والتي تم وضعها على الأعمدة قبل خطوة اللف الأولى. وبعد ذلك، عندما تم تصنيع الشرائح الداخلية، قمنا بإزالة هذه الأغطية الواقية وأعدنا تشكيل أطراف الأعمدة قبل التغليف النهائي."
جرب الفريق سيناريوهات إعادة الإعمار المختلفة. تقول جريس: "أولئك الذين ينظرون حولهم يعملون بشكل أفضل". "أيضًا، خلال مرحلة النماذج الأولية، استخدمنا أداة لحام معدلة لتطبيق الحرارة وإعادة تشكيل أطراف قضيب الربط. في مفهوم الإنتاج الضخم، سيكون لديك أداة واحدة أكبر يمكنها تشكيل وتشكيل جميع أطراف الدعامات إلى طبقة نهائية داخلية في نفس الوقت. . "
إعادة تشكيل رؤوس قضيب الجر. جربت TUM مفاهيم مختلفة وعدلت اللحامات لمحاذاة أطراف الروابط المركبة لربطها بصفائح جدار الخزان. حقوق الصورة: "تطوير عملية إنتاج لأوعية الضغط المكعبة ذات الدعامات"، جامعة ميونخ التقنية، مشروع Polymers4Hydrogen، ECCM20، يونيو 2022.
وبالتالي، يتم معالجة الصفائح بعد خطوة اللف الأولى، ويتم إعادة تشكيل الأعمدة، وتكمل TUM اللف الثاني للخيوط، ومن ثم يتم معالجة صفائح جدار الخزان الخارجي مرة ثانية. يرجى ملاحظة أن هذا تصميم الخزان من النوع 5، مما يعني أنه لا يحتوي على بطانة بلاستيكية كحاجز للغاز. راجع المناقشة في قسم الخطوات التالية أدناه.
قال غلايس: "لقد قمنا بتقطيع العرض التوضيحي الأول إلى مقاطع عرضية ورسمنا خريطة للمنطقة المتصلة". "تظهر لقطة مقربة أننا واجهنا بعض المشكلات المتعلقة بالجودة مع الصفائح، حيث لم تكن رؤوس الدعامات مستوية على الصفائح الداخلية."
حل مشاكل الفجوات بين صفائح الجدران الداخلية والخارجية للخزان. يخلق رأس قضيب التعادل المعدل فجوة بين الدورتين الأولى والثانية للخزان التجريبي. حقوق الصورة: جامعة ميونيخ التقنية LCC.
تم الانتهاء من هذا الخزان الأولي بأبعاد 450 × 290 × 80 ملم في الصيف الماضي. وقال غلاس: "لقد أحرزنا الكثير من التقدم منذ ذلك الحين، ولكن لا تزال لدينا فجوة بين الصفائح الداخلية والخارجية". "لذلك حاولنا ملء تلك الفجوات بمادة راتنجية نظيفة وعالية اللزوجة. وهذا في الواقع يحسن الاتصال بين المسامير والصفائح، مما يزيد بشكل كبير من الضغط الميكانيكي.
واصل الفريق تطوير تصميم الخزان والعملية، بما في ذلك إيجاد حلول لنمط التعبئة المطلوب. وأوضح غلاس: "لم تكن جوانب خزان الاختبار ملتوية بالكامل لأنه كان من الصعب على هذه الهندسة إنشاء مسار متعرج". "كانت زاوية لفنا الأولية 75 درجة، ولكننا كنا نعلم أن هناك حاجة إلى دوائر متعددة لتلبية الحمل في وعاء الضغط هذا. ما زلنا نبحث عن حل لهذه المشكلة، لكن الأمر ليس سهلاً مع البرامج الموجودة حاليًا في السوق. قد يصبح مشروع متابعة.
يقول جليس: "لقد أثبتنا جدوى مفهوم الإنتاج هذا، ولكننا بحاجة إلى المزيد من العمل لتحسين الاتصال بين الصفائح وإعادة تشكيل قضبان الربط. “الاختبار الخارجي على آلة الاختبار. تقوم بسحب الفواصل من الصفائح وتختبر الأحمال الميكانيكية التي يمكن أن تتحملها تلك المفاصل.
سيتم الانتهاء من هذا الجزء من مشروع Polymers4Hydrogen في نهاية عام 2023، وفي ذلك الوقت يأمل Gleis في إكمال الخزان التجريبي الثاني. ومن المثير للاهتمام أن التصميمات اليوم تستخدم اللدائن الحرارية المعززة الأنيقة في الإطار والمواد المركبة بالحرارة في جدران الخزان. هل سيتم استخدام هذا النهج الهجين في الدبابة التجريبية النهائية؟ "نعم"، قالت جريس. "يقوم شركاؤنا في مشروع Polymers4Hydrogen بتطوير راتنجات الإيبوكسي وغيرها من المواد المركبة ذات خصائص أفضل لحاجز الهيدروجين." وقد أدرجت شريكين يعملان في هذا العمل، PCCL وجامعة تامبيري (تامبيري، فنلندا).
قامت Gleiss وفريقها أيضًا بتبادل المعلومات ومناقشة الأفكار مع Jaeger حول مشروع HyDDen الثاني من الخزان المركب المطابق LCC.
يقول جايجر: "سنقوم بإنتاج وعاء ضغط مركب مطابق للطائرات البحثية بدون طيار". "هذا تعاون بين قسمي قسم الطيران والجيوديسيا في TUM – LCC وقسم تكنولوجيا طائرات الهليكوبتر (HT). سيتم الانتهاء من المشروع بنهاية عام 2024 ونعمل حاليًا على استكمال وعاء الضغط. التصميم الذي هو أكثر من نهج الفضاء والسيارات. وبعد هذه المرحلة الأولية من المفهوم، فإن الخطوة التالية هي إجراء النمذجة الهيكلية التفصيلية والتنبؤ بأداء الحاجز لهيكل الجدار.
وتابع: "الفكرة بأكملها هي تطوير طائرة استكشافية بدون طيار مزودة بخلية وقود هجينة ونظام دفع بالبطارية". سوف يستخدم البطارية أثناء أحمال الطاقة العالية (أي الإقلاع والهبوط) ثم يتحول إلى خلية الوقود أثناء رحلة التحميل الخفيف. وقال ييغر: "كان لدى فريق HT بالفعل طائرة بحثية بدون طيار وأعاد تصميم مجموعة الحركة لاستخدام البطاريات وخلايا الوقود". "لقد قاموا أيضًا بشراء خزان CGH2 لاختبار ناقل الحركة هذا."
ويشرح قائلاً: "لقد تم تكليف فريقي ببناء نموذج أولي لخزان ضغط يكون مناسبًا، ولكن ليس بسبب مشاكل التغليف التي قد يخلقها الخزان الأسطواني". "لا يوفر الخزان المسطح قدرًا كبيرًا من مقاومة الرياح. لذلك تحصل على أداء أفضل للطيران. أبعاد الخزان تقريبًا. 830 × 350 × 173 ملم.
خزان متوافق تمامًا مع اللدائن الحرارية AFP. بالنسبة لمشروع HyDDen، استكشف فريق LCC في TUM في البداية نهجًا مشابهًا لذلك الذي استخدمه Glace (أعلاه)، ولكنه انتقل بعد ذلك إلى نهج يستخدم مجموعة من الوحدات الهيكلية المتعددة، والتي تم بعد ذلك الإفراط في استخدامها باستخدام AFP (أدناه). حقوق الصورة: جامعة ميونيخ التقنية LCC.
يقول ياجر: "إحدى الأفكار مشابهة لنهج إليزابيث [جلايس]، المتمثل في تطبيق أقواس شد على جدار الوعاء للتعويض عن قوى الانحناء العالية. ومع ذلك، بدلاً من استخدام عملية اللف لصنع الخزان، نستخدم AFP. لذلك، فكرنا في إنشاء قسم منفصل من وعاء الضغط، حيث تم دمج الرفوف بالفعل. لقد سمح لي هذا النهج بدمج العديد من هذه الوحدات المتكاملة ثم وضع غطاء نهائي لإغلاق كل شيء قبل اللف النهائي لـ AFP.
وتابع: «نحن نحاول وضع اللمسات الأخيرة على هذا المفهوم، وكذلك البدء في اختبار اختيار المواد، وهو أمر مهم للغاية لضمان المقاومة اللازمة لاختراق غاز الهيدروجين. ولهذا السبب، نستخدم بشكل أساسي المواد البلاستيكية الحرارية ونعمل على دراسة كيفية تأثير المادة على سلوك التخلل والمعالجة في آلة AFP. من المهم أن نفهم ما إذا كان العلاج سيكون له تأثير وما إذا كان هناك حاجة إلى أي معالجة لاحقة. نريد أيضًا معرفة ما إذا كانت المداخن المختلفة ستؤثر على تخلل الهيدروجين عبر وعاء الضغط.
سيتم تصنيع الخزان بالكامل من البلاستيك الحراري وسيتم توفير الشرائط من قبل شركة Teijin Carbon Europe GmbH (فوبرتال، ألمانيا). وقال ياجر: "سوف نستخدم مواد PPS [كبريتيد البوليفينيلين]، وPEEK [بولي إيثر كيتون]، وLM PAEK [كيتون بولي أريل منخفض الذوبان]". "ثم يتم إجراء المقارنات لمعرفة أيهما أفضل للحماية من الاختراق وإنتاج أجزاء ذات أداء أفضل." ويأمل في إكمال الاختبار والنمذجة الهيكلية والعملية والعروض التوضيحية الأولى خلال العام المقبل.
تم تنفيذ العمل البحثي ضمن وحدة COMET "Polymers4Hydrogen" (ID 21647053) ضمن برنامج COMET التابع للوزارة الفيدرالية لتغير المناخ والبيئة والطاقة والتنقل والابتكار والتكنولوجيا والوزارة الفيدرالية للتكنولوجيا الرقمية والاقتصاد. . يشكر المؤلفون الشركاء المشاركين مركز كفاءة البوليمر Leoben GmbH (PCCL، النمسا)، Montanuniversitaet Leoben (كلية هندسة وعلوم البوليمرات، قسم كيمياء المواد البوليمرية، قسم علوم المواد واختبار البوليمرات)، جامعة تامبيري (كلية الهندسة). مواد). ) العلوم) وساهمت شركة Peak Technology وFaurecia في هذا العمل البحثي. يتم تمويل COMET-Modul من قبل حكومة النمسا وحكومة ولاية ستيريا.
تحتوي الألواح المسلحة مسبقًا للهياكل الحاملة على ألياف مستمرة - ليس فقط من الزجاج، ولكن أيضًا من الكربون والأراميد.
هناك طرق عديدة لصنع الأجزاء المركبة. ولذلك، فإن اختيار الطريقة لجزء معين سيعتمد على المادة، وتصميم الجزء، والاستخدام النهائي أو التطبيق. هنا دليل الاختيار.
تعمل شركة Shocker Composites وشركة R&M International على تطوير سلسلة توريد من ألياف الكربون المعاد تدويرها والتي توفر صفرًا من الذبح، وبتكلفة أقل من الألياف البكر، وستوفر في النهاية أطوالًا تقترب من الألياف المستمرة في الخصائص الهيكلية.