جامعة ميونخ التقنية تطور خزانات مكعبة متطابقة باستخدام مركبات ألياف الكربون لزيادة تخزين الهيدروجين | عالم المواد المركبة

تستخدم خزانات الهيدروجين القياسية ذات المنصة المسطحة للسيارات الكهربائية التي تعمل بالبطاريات والسيارات الكهربائية التي تعمل بخلايا الوقود مركبات من اللدائن الحرارية واللدائن المتصلبة حرارياً مع هيكل داعم يوفر سعة تخزين للهيدروجين أكبر بنسبة 25%. #هيدروجين #اتجاهات
بعد أن أظهر تعاون مع شركة BMW أن الخزان المكعب الشكل يمكن أن يحقق كفاءة حجمية أعلى من عدة أسطوانات صغيرة، شرعت جامعة ميونخ التقنية في مشروع لتطوير هيكل مركب وعملية تصنيع قابلة للتطوير للإنتاج التسلسلي. (مصدر الصورة: جامعة دريسدن التقنية (أعلى اليسار)، جامعة ميونخ التقنية، قسم مركبات الكربون (LCC))
توفر المركبات الكهربائية التي تعمل بخلايا الوقود (FCEVs) والتي تعمل بالهيدروجين (H2) عديم الانبعاثات، وسيلة إضافية لتحقيق أهداف خفض الانبعاثات البيئية. يمكن تعبئة سيارة ركاب تعمل بخلايا الوقود ومزودة بمحرك هيدروجيني في غضون 5-7 دقائق، ويبلغ مداها 500 كيلومتر، إلا أنها أغلى ثمناً حالياً بسبب انخفاض حجم الإنتاج. يتمثل أحد الحلول لخفض التكاليف في استخدام منصة موحدة لطرازات المركبات الكهربائية التي تعمل بالبطاريات (BEV) والمركبات الكهربائية التي تعمل بخلايا الوقود. هذا غير ممكن حالياً لأن الخزانات الأسطوانية من النوع 4 المستخدمة لتخزين غاز الهيدروجين المضغوط (CGH2) عند ضغط 700 بار في المركبات الكهربائية التي تعمل بخلايا الوقود لا تتناسب مع حجرات البطاريات الموجودة أسفل هيكل السيارة، والتي صُممت خصيصاً للمركبات الكهربائية. مع ذلك، يمكن تركيب أوعية الضغط على شكل وسائد أو مكعبات في هذه المساحة المسطحة.
براءة الاختراع US5577630A لـ "وعاء الضغط المركب المطابق"، طلب مقدم من شركة Thiokol Corp. في عام 1995 (يسار) ووعاء الضغط المستطيل الحاصل على براءة اختراع من BMW في عام 2009 (يمين).
يشارك قسم مركبات الكربون (LCC) في جامعة ميونخ التقنية (TUM، ميونخ، ألمانيا) في مشروعين لتطوير هذا المفهوم. الأول هو مشروع Polymers4Hydrogen (P4H)، بقيادة مركز ليوبن للكفاءة في مجال البوليمرات (PCCL، ليوبن، النمسا). وتتولى الباحثة إليزابيث جلاس قيادة حزمة العمل الخاصة بمركز LCC.
المشروع الثاني هو بيئة عرض وتطوير الهيدروجين (HyDDen)، حيث يقود شركة LCC الباحث كريستيان ياغر. ويهدف كلا المشروعين إلى إنشاء نموذج تجريبي واسع النطاق لعملية تصنيع خزان CGH2 مناسب باستخدام مركبات ألياف الكربون.
تكون الكفاءة الحجمية محدودة عند تركيب أسطوانات صغيرة القطر في خلايا بطاريات مسطحة (يسار) وأوعية ضغط مكعبة من النوع الثاني مصنوعة من بطانات فولاذية وغلاف خارجي من مركب ألياف الكربون/الإيبوكسي (يمين). مصدر الصورة: الشكلان 3 و6 مأخوذان من بحث "نهج التصميم العددي لوعاء ضغط صندوقي من النوع الثاني بأرجل شد داخلية" لروف وزاريمبا وآخرون.
قامت شركة P4H بتصنيع خزان مكعب تجريبي يستخدم إطارًا من البلاستيك الحراري مع أحزمة/دعامات شد مركبة مغلفة بالإيبوكسي المقوى بألياف الكربون. ستستخدم شركة HyDDen تصميمًا مشابهًا، ولكنها ستعتمد على تقنية التشكيل الآلي للألياف (AFP) لتصنيع جميع خزانات البلاستيك الحراري المركب.
بدءًا من طلب براءة اختراع قدمته شركة ثيوكول عام 1995 بعنوان "وعاء ضغط مركب متوافق"، وصولًا إلى براءة الاختراع الألمانية DE19749950C2 عام 1997، يمكن أن تتخذ أوعية الغاز المضغوط أي شكل هندسي، ولكن بشكل خاص الأشكال المسطحة وغير المنتظمة، في تجويف متصل بدعامة الغلاف. وتُستخدم عناصر داعمة لتمكينها من تحمل قوة تمدد الغاز.
تصف ورقة بحثية صادرة عن مختبر لورانس ليفرمور الوطني (LLNL) عام 2006 ثلاثة مناهج: وعاء ضغط مطابق ملفوف بخيوط، ووعاء ضغط ذو بنية شبكية دقيقة يحتوي على بنية شبكية معينية قائمة داخلية (خلايا صغيرة بحجم 2 سم أو أقل)، محاطة بحاوية رقيقة الجدران مملوءة بالهيدروجين، وحاوية نسخ تتكون من بنية داخلية تتألف من أجزاء صغيرة ملصقة (مثل حلقات بلاستيكية سداسية) وغلاف خارجي رقيق. تُعد الحاويات المكررة الأنسب للحاويات الأكبر حجمًا حيث قد يصعب تطبيق الطرق التقليدية.
يصف براءة الاختراع DE102009057170A، التي قدمتها شركة فولكس فاجن عام 2009، وعاء ضغط يُركّب على المركبة، يتميز بكفاءة عالية في الوزن مع تحسين استغلال المساحة. تستخدم الخزانات المستطيلة وصلات شد بين جدارين مستطيلين متقابلين، وزواياها مستديرة.
أشارت غليس إلى المفاهيم المذكورة أعلاه وغيرها في ورقة بحثية بعنوان "تطوير عمليات تصنيع أوعية الضغط المكعبة المزودة بقضبان شد" قدمتها مع زملاء لها في مؤتمر ECCM20 (26-30 يونيو 2022، لوزان، سويسرا). وفي هذه الورقة، استشهدت غليس بدراسة أجرتها جامعة ميونخ التقنية (TUM) ونشرها مايكل روف وسفين زاريمبا، والتي خلصت إلى أن وعاء الضغط المكعب المزود بدعامات شد تربط جوانبه المستطيلة أكثر كفاءة من عدة أسطوانات صغيرة تشغل حيز بطارية مسطحة، مما يوفر مساحة تخزين أكبر بنسبة 25% تقريبًا.
بحسب غليس، تكمن مشكلة تركيب عدد كبير من أسطوانات النوع 4 الصغيرة في علبة مسطحة في أن "الحجم بين الأسطوانات يقل بشكل كبير، كما أن النظام يتميز بسطح نفاذية غاز الهيدروجين كبير جدًا. وبشكل عام، يوفر النظام سعة تخزين أقل من البرطمانات المكعبة".
مع ذلك، توجد مشاكل أخرى في تصميم الخزان المكعب. يقول غليس: "من الواضح أنه بسبب الغاز المضغوط، يجب مقاومة قوى الانحناء على الجدران المسطحة. ولتحقيق ذلك، نحتاج إلى هيكل مُدعّم يتصل داخليًا بجدران الخزان. لكن هذا صعب باستخدام المواد المركبة."
حاولت غلاس وفريقها دمج قضبان تقوية الشد في وعاء الضغط بطريقة مناسبة لعملية لف الخيوط. وتوضح قائلة: "هذا مهم للإنتاج بكميات كبيرة، كما أنه يسمح لنا بتصميم نمط لف جدران الحاوية لتحسين توجيه الألياف لكل حمولة في المنطقة".
أربع خطوات لصنع خزان مركب مكعب تجريبي لمشروع P4H. مصدر الصورة: "تطوير عملية إنتاج لأوعية ضغط مكعبة مزودة بدعامة"، جامعة ميونخ التقنية، مشروع Polymers4Hydrogen، المؤتمر الأوروبي للكيمياء والتصنيع 2020، يونيو 2022.
لتحقيق التكامل مع سلسلة التوريد، طوّر الفريق مفهومًا جديدًا يتألف من أربع خطوات رئيسية، كما هو موضح أعلاه. دعامات الشد، الموضحة باللون الأسود على الخطوات، عبارة عن هيكل إطاري مُسبق الصنع، تم تصنيعه باستخدام أساليب مستوحاة من مشروع MAI Skelett. في هذا المشروع، طوّرت BMW "إطارًا" للزجاج الأمامي باستخدام أربعة قضبان سحب مُقوّاة بالألياف، والتي تم تشكيلها لاحقًا في إطار بلاستيكي.
هيكل خزان مكعب تجريبي. مقاطع هيكلية سداسية مطبوعة بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد بواسطة جامعة ميونخ التقنية باستخدام خيوط PLA غير مقواة (أعلى)، مع إدخال قضبان سحب CF/PA6 كدعامات شد (وسط)، ثم لف الخيوط حول الدعامات (أسفل). مصدر الصورة: جامعة ميونخ التقنية.
قال جلاس: "الفكرة هي أنه يمكنك بناء هيكل خزان مكعب كهيكل معياري. ثم توضع هذه الوحدات في قالب، وتوضع دعامات الشد في وحدات الهيكل، ثم تُستخدم طريقة MAI Skelett حول الدعامات لدمجها مع أجزاء الهيكل." طريقة إنتاج ضخمة، ينتج عنها هيكل يُستخدم بعد ذلك كقالب أو قلب لتغليف الغلاف المركب لخزان التخزين.
صممت جامعة ميونخ التقنية (TUM) هيكل الخزان على شكل "وسادة" مكعبة ذات جوانب صلبة وزوايا مستديرة ونمط سداسي في الأعلى والأسفل، حيث يمكن إدخال الأربطة وتثبيتها. كما طُبعت فتحات هذه الأربطة بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد. وقال جلاس: "بالنسبة لخزاننا التجريبي الأولي، طبعنا أقسام الإطار السداسية بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد باستخدام حمض البوليلاكتيك (PLA، وهو بلاستيك حراري حيوي) لأنه كان سهلاً وغير مكلف".
اشترى الفريق 68 قضيبًا من البولي أميد 6 (PA6) المقوى بألياف الكربون بتقنية السحب من شركة SGL Carbon (ميتينجن، ألمانيا) لاستخدامها كوصلات. تقول غليس: "لاختبار الفكرة، لم نقم بأي عملية صب، بل أدخلنا فواصل في إطار ذي قلب على شكل قرص عسل مطبوع بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد، ولصقناها بغراء الإيبوكسي. وهذا يوفر مغزلًا للفّ الخزان". وتشير إلى أنه على الرغم من سهولة لفّ هذه القضبان نسبيًا، إلا أن هناك بعض المشكلات الهامة التي سيتم شرحها لاحقًا.
أوضح غليس قائلاً: "في المرحلة الأولى، كان هدفنا إثبات إمكانية تصنيع التصميم وتحديد المشكلات في مفهوم الإنتاج. لذلك، تبرز دعامات الشد من السطح الخارجي للهيكل العظمي، ونقوم بتثبيت ألياف الكربون على هذا القلب باستخدام لف الخيوط الرطبة. بعد ذلك، في الخطوة الثالثة، نقوم بثني رأس كل قضيب ربط. نستخدم مادة لدن بالحرارة لإعادة تشكيل الرأس بحيث يصبح مسطحًا ويثبت في الطبقة الأولى من الغلاف. ثم نواصل لف الهيكل مرة أخرى بحيث يكون رأس الدفع المسطح محاطًا هندسيًا داخل الخزان.
غطاء فاصل للّف. تستخدم جامعة ميونخ التقنية أغطية بلاستيكية على أطراف قضبان الشد لمنع تشابك الألياف أثناء لفّ الخيوط. مصدر الصورة: جامعة ميونخ التقنية المحدودة.
أكد غلاس مجدداً أن هذا الخزان الأول كان بمثابة إثبات للمفهوم. "كان استخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد والغراء مقتصراً على الاختبارات الأولية، وقد أعطانا فكرة عن بعض المشاكل التي واجهناها. على سبيل المثال، أثناء عملية اللف، كانت الخيوط تعلق بأطراف قضبان الشد، مما تسبب في انقطاع الألياف وتلفها، ولتقليل كمية الألياف المستخدمة، استخدمنا بعض الأغطية البلاستيكية كأدوات مساعدة في التصنيع، ووضعناها على الأعمدة قبل خطوة اللف الأولى. ثم، بعد تصنيع الصفائح الداخلية، أزلنا هذه الأغطية الواقية وأعدنا تشكيل أطراف الأعمدة قبل اللف النهائي."
أجرى الفريق تجارب على سيناريوهات إعادة بناء مختلفة. تقول غريس: "أفضل من يعمل هو من يُمعن النظر حوله". وتضيف: "أيضًا، خلال مرحلة تصميم النموذج الأولي، استخدمنا أداة لحام مُعدّلة لتطبيق الحرارة وإعادة تشكيل أطراف قضبان التوجيه. في مفهوم الإنتاج الضخم، ستكون هناك أداة واحدة أكبر حجمًا قادرة على تشكيل جميع أطراف الدعامات ودمجها في طبقة تشطيب داخلية في آن واحد".
أُعيد تشكيل رؤوس قضبان السحب. أجرت جامعة ميونخ التقنية تجارب على مفاهيم مختلفة، وعدّلت اللحامات لمحاذاة نهايات الروابط المركبة لتثبيتها على صفائح جدار الخزان. مصدر الصورة: "تطوير عملية إنتاج لأوعية الضغط المكعبة ذات الدعامة"، جامعة ميونخ التقنية، مشروع Polymers4Hydrogen، المؤتمر الأوروبي للكيمياء والتصنيع 2020، يونيو 2022.
وبالتالي، تُعالَج الرقائق بعد خطوة اللف الأولى، ثم يُعاد تشكيل الأعمدة، وتُكمل آلة TUM اللف الثاني للخيوط، ثم تُعالَج رقائق جدار الخزان الخارجي مرة ثانية. يُرجى ملاحظة أن هذا تصميم خزان من النوع 5، مما يعني أنه لا يحتوي على بطانة بلاستيكية كحاجز للغاز. راجع المناقشة في قسم الخطوات التالية أدناه.
قال جلاس: "قمنا بتقطيع النموذج الأولي إلى مقاطع عرضية ورسمنا خريطة للمنطقة المتصلة. تُظهر صورة مقربة وجود بعض المشاكل المتعلقة بجودة الطبقة الرقائقية، حيث لم تكن رؤوس الدعامات مستوية على الطبقة الرقائقية الداخلية."
حل مشكلة الفجوات بين طبقات الجدران الداخلية والخارجية للخزان. يُحدث رأس قضيب الربط المُعدَّل فجوةً بين اللفة الأولى والثانية للخزان التجريبي. مصدر الصورة: جامعة ميونخ التقنية المحدودة.
تم الانتهاء من بناء هذا الخزان الأولي بأبعاد 450 × 290 × 80 مم الصيف الماضي. وقال جلاس: "لقد أحرزنا تقدماً كبيراً منذ ذلك الحين، لكن لا تزال هناك فجوة بين الطبقة الداخلية والطبقة الخارجية. لذا حاولنا ملء هذه الفجوات براتنج نظيف عالي اللزوجة. وهذا في الواقع يُحسّن الاتصال بين الدعامات والطبقة، مما يزيد بشكل كبير من الإجهاد الميكانيكي."
واصل الفريق تطوير تصميم الخزان وعملية تصنيعه، بما في ذلك إيجاد حلول لنمط اللف المطلوب. وأوضح غلاس قائلاً: "لم تكن جوانب خزان الاختبار ملفوفة بالكامل لأن هذا الشكل الهندسي كان من الصعب معه إنشاء مسار لف. كانت زاوية اللف الأولية 75 درجة، لكننا كنا نعلم أننا بحاجة إلى دوائر متعددة لتلبية الحمل في وعاء الضغط هذا. ما زلنا نبحث عن حل لهذه المشكلة، لكن الأمر ليس سهلاً باستخدام البرامج المتوفرة حاليًا في السوق. قد يصبح هذا مشروعًا لاحقًا."
يقول غليس: "لقد أثبتنا جدوى هذا المفهوم الإنتاجي، لكننا بحاجة إلى مزيد من العمل لتحسين الترابط بين الصفائح وإعادة تشكيل قضبان الربط. يتم ذلك من خلال اختبار خارجي على جهاز اختبار، حيث تُسحب الفواصل من الصفائح ويُختبر مدى تحمل هذه الوصلات للأحمال الميكانيكية."
سيُنجز هذا الجزء من مشروع "بوليمرات من أجل الهيدروجين" بنهاية عام ٢٠٢٣، ويأمل غليس حينها في إتمام بناء خزان العرض التجريبي الثاني. ومن المثير للاهتمام أن التصاميم الحالية تستخدم مواد بلاستيكية حرارية مقواة نقية في الهيكل، ومواد مركبة متصلبة حراريًا في جدران الخزان. فهل سيُستخدم هذا النهج الهجين في خزان العرض التجريبي النهائي؟ أجابت غريس: "نعم، شركاؤنا في مشروع "بوليمرات من أجل الهيدروجين" يعملون على تطوير راتنجات الإيبوكسي ومواد أخرى ذات مصفوفة مركبة تتميز بخصائص أفضل في منع تسرب الهيدروجين". وذكرت غريس اسميْن من الشركاء العاملين في هذا المشروع، وهما شركة PCCL وجامعة تامبيري (تامبيري، فنلندا).
كما تبادلت غليس وفريقها المعلومات وناقشوا الأفكار مع جاغر بشأن مشروع HyDDen الثاني من خزان LCC المركب المطابق.
يقول جايجر: "سنقوم بإنتاج وعاء ضغط مركب متوافق مع شكل الطائرة المسيّرة البحثية. هذا المشروع ثمرة تعاون بين قسمي هندسة الطيران والفضاء والجيوديسيا في جامعة ميونخ التقنية - قسم تكنولوجيا الطائرات المروحية (HT). سيُنجز المشروع بحلول نهاية عام 2024، ونحن نعمل حاليًا على إكمال تصميم وعاء الضغط، وهو تصميم يتبنى نهجًا مشابهًا لنهج صناعة الطيران والفضاء والسيارات. بعد هذه المرحلة المفاهيمية الأولية، تتمثل الخطوة التالية في إجراء نمذجة هيكلية مفصلة والتنبؤ بأداء الحاجز لهيكل الجدار."
وتابع قائلاً: "الفكرة الأساسية هي تطوير طائرة مسيّرة استكشافية بنظام دفع هجين يجمع بين خلايا الوقود والبطاريات". ستستخدم الطائرة البطارية أثناء الأحمال العالية (مثل الإقلاع والهبوط)، ثم تتحول إلى خلايا الوقود أثناء الطيران الخفيف. وأضاف ييغر: "كان لدى فريق HT بالفعل طائرة مسيّرة بحثية، وقاموا بإعادة تصميم نظام الدفع فيها ليعمل بالبطاريات وخلايا الوقود معًا. كما اشتروا خزان وقود CGH2 لاختبار هذا النظام".
يوضح قائلاً: "كُلِّف فريقي ببناء نموذج أولي لخزان ضغط يتناسب مع المساحة المتاحة، ليس بسبب مشاكل التغليف التي قد يُسببها الخزان الأسطواني، بل لأن الخزان المسطح يُقلل من مقاومة الرياح، مما يُحسّن أداء الطيران". أبعاد الخزان التقريبية: 830 × 350 × 173 مم.
خزان مصنوع بالكامل من البلاستيك الحراري المتوافق مع معايير AFP. في مشروع HyDDen، استكشف فريق LCC في جامعة ميونخ التقنية في البداية نهجًا مشابهًا للنهج الذي استخدمته شركة Glace (أعلاه)، ثم انتقل إلى نهج يستخدم مزيجًا من عدة وحدات هيكلية، والتي تم الإفراط في استخدامها لاحقًا باستخدام AFP (أدناه). مصدر الصورة: جامعة ميونخ التقنية LCC.
يقول ياغر: "إحدى الأفكار مشابهة لنهج إليزابيث [غليس]، وهي تطبيق دعامات شد على جدار الوعاء لتعويض قوى الانحناء العالية. ولكن بدلاً من استخدام عملية اللف لصنع الخزان، نستخدم تقنية AFP. لذلك، فكرنا في إنشاء قسم منفصل من وعاء الضغط، حيث تكون الرفوف مدمجة مسبقاً. وقد سمح لي هذا النهج بدمج العديد من هذه الوحدات المدمجة، ثم تطبيق غطاء طرفي لإحكام إغلاق كل شيء قبل عملية اللف النهائية بتقنية AFP."
وتابع قائلاً: "نسعى جاهدين لوضع اللمسات الأخيرة على هذا المفهوم، ونبدأ أيضاً باختبار اختيار المواد، وهو أمر بالغ الأهمية لضمان المقاومة اللازمة لاختراق غاز الهيدروجين. ولتحقيق ذلك، نستخدم بشكل أساسي مواد لدن بالحرارة، ونعمل على دراسة تأثير هذه المواد على سلوك النفاذية وعملية المعالجة في جهاز AFP. من المهم فهم ما إذا كانت المعالجة ستؤثر على النفاذية، وما إذا كانت هناك حاجة إلى أي معالجة لاحقة. كما نرغب في معرفة ما إذا كانت أنواع الرقائق المختلفة ستؤثر على نفاذية الهيدروجين عبر وعاء الضغط."
سيُصنع الخزان بالكامل من مادة لدائن حرارية، وستُورّد الشرائح من شركة تيجين كاربون يوروب المحدودة (فوبرتال، ألمانيا). وقال ياجر: "سنستخدم موادهم من نوع PPS (كبريتيد البولي فينيلين)، وPEEK (بولي إيثر كيتون)، وLM PAEK (بولي أريل كيتون منخفض الانصهار). ثم تُجرى مقارنات لتحديد أيها الأفضل من حيث الحماية من الاختراق وإنتاج أجزاء ذات أداء أفضل". ويأمل ياجر في إتمام الاختبارات، ونمذجة الهيكل والعمليات، والعروض التوضيحية الأولى خلال العام المقبل.
أُجري هذا البحث ضمن وحدة "بوليمرات من أجل الهيدروجين" (رقم التعريف 21647053) التابعة لبرنامج COMET، والممول من الوزارة الاتحادية للتغير المناخي والبيئة والطاقة والتنقل والابتكار والتكنولوجيا، والوزارة الاتحادية للتكنولوجيا الرقمية والاقتصاد. يتقدم الباحثون بالشكر للشركاء المشاركين: مركز كفاءة البوليمرات ليوبن (PCCL، النمسا)، وجامعة مونتان ليوبن (كلية هندسة وعلوم البوليمرات، قسم كيمياء مواد البوليمرات، قسم علوم المواد واختبار البوليمرات)، وجامعة تامبيري (كلية هندسة المواد)، وشركة بيك تكنولوجي، وشركة فوريسيا، الذين ساهموا في هذا البحث. يُذكر أن وحدة COMET ممولة من حكومة النمسا وحكومة ولاية ستيريا.
تحتوي الألواح المقواة مسبقًا للهياكل الحاملة للأحمال على ألياف متصلة - ليس فقط من الزجاج، ولكن أيضًا من الكربون والأراميد.
توجد طرق عديدة لتصنيع الأجزاء المركبة. لذا، يعتمد اختيار الطريقة المناسبة لجزء معين على المادة المستخدمة، وتصميم الجزء، والاستخدام النهائي أو التطبيق. إليك دليلًا للاختيار.
تعمل شركتا Shocker Composites و R&M International على تطوير سلسلة توريد لألياف الكربون المعاد تدويرها توفر صفر ذبح، وتكلفة أقل من الألياف البكر، وستوفر في النهاية أطوالاً تقترب من الألياف المستمرة في الخصائص الهيكلية.