Стандартните резервоари с плоска платформа за BEV и FCEV използват термопластични и терморезирани композити със скелетна конструкция, която осигурява 25% повече H2 съхранение. #hydrogen #Trends
След сътрудничество с BMW показа, че кубичен резервоар може да осигури по -висока обемна ефективност от множество малки цилиндри, техническият университет в Мюнхен предприе проект за разработване на композитна структура и мащабируем производствен процес за серийно производство. Кредит за изображение: Tu Dresden (Top) вляво), Технически университет в Мюнхен, Катедра по въглеродни композити (LCC)
Електрическите превозни средства с горивни клетки (FCEV), захранвани от нулеви емисии (H2) водород, осигуряват допълнителни средства за постигане на нулеви цели за околната среда. Пътният автомобил с горивни клетки с H2 двигател може да бъде запълнен за 5-7 минути и има обхват от 500 км, но в момента е по-скъп поради ниския обем на производство. Един от начините за намаляване на разходите е използването на стандартна платформа за модели BEV и FCEV. Понастоящем това не е възможно, тъй като цилиндричните резервоари тип 4, използвани за съхраняване на компресиран H2 газ (CGH2) на 700 бара във FCEV, не са подходящи за отделенията за батерии под тялото, които са внимателно проектирани за електрически превозни средства. Въпреки това, съдовете под налягане под формата на възглавници и кубчета могат да се поберат в това плоско пространство за опаковане.
Patent US5577630A за „Композитен конформен съд под налягане“, заявление, подадено от Thiokol Corp. през 1995 г. (вляво) и съда на правоъгълния под налягане, патентован от BMW през 2009 г. (вдясно).
Катедрата за въглеродни композити (LCC) на Техническия университет в Мюнхен (TUM, Мюнхен, Германия) участва в два проекта за разработване на тази концепция. Първият е Polymers4Hydrogen (P4H), воден от Центъра за компетентност на полимер Leoben (PCCL, Leoben, Австрия). Работният пакет LCC се ръководи от колегата Елизабет Глес.
Вторият проект е среда за демонстрация и развитие на водорода (HYDDEN), където LCC се ръководи от изследователя Кристиан Джегер. И двете имат за цел да създадат мащабна демонстрация на производствения процес за извършване на подходящ резервоар CGH2 с помощта на композити от въглеродни влакна.
Има ограничена обемна ефективност, когато цилиндрите с малък диаметър са инсталирани в клетки на плоски батерия (вляво) и кубични съдове за под налягане тип 2, изработени от стоманени облицовки и въглеродни влакна/епоксидна композитна външна обвивка (вдясно). Източник на изображението: Фигури 3 и 6 са от „числен дизайн подход за съд за налягане от тип II с крака с вътрешно напрежение“ от RUF и Zaremba et al.
P4H е изработил експериментален резервоар за куб, който използва термопластична рамка с композитни каишки за напрежение/подпори, увити в подсилена с въглеродни влакна епоксидна епоксида. Hydden ще използва подобен дизайн, но ще използва автоматично разположение на влакната (AFP), за да произвежда всички термопластични композитни резервоари.
От заявка за патент от Thiokol Corp. до „Композитен конформен съд под налягане“ през 1995 г. до немски патент DE19749950C2 през 1997 г., компресираните газови съдове „могат да имат някаква геометрична конфигурация“, но особено плоски и неправилни форми, в кухина, свързана с черупката под опора . Използват се елементи, така че те да издържат на силата на разширяване на газа.
A 2006 Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) paper describes three approaches: a filament wound conformal pressure vessel, a microlattice pressure vessel containing an internal orthorhombic lattice structure (small cells of 2 cm or less), surrounded by a thin-walled H2 container, и контейнер за репликатор, състоящ се от вътрешна структура, състояща се от залепени малки части (напр. шестоъгълна пластмаса пръстени) и състав от тънка външна кожа. Дублиращите се контейнери са най -подходящи за по -големи контейнери, където традиционните методи могат да бъдат трудни за прилагане.
Patent DE102009057170A, подаден от Volkswagen през 2009 г., описва монтиран на превозно средство съд под налягане, който ще осигури висока ефективност на теглото, като същевременно подобри използването на пространството. Правоъгълните резервоари използват напрежение конектори между две правоъгълни противоположни стени, а ъглите са заоблени.
Горните и други концепции са цитирани от Gleiss в документа „Разработване на процеси за кубични съдове под налягане с стрии“ от Gleiss et al. в ECCM20 (26-30 юни, 2022 г., Лозана, Швейцария). В тази статия тя цитира проучване на TUM, публикувано от Майкъл Покрив и Свен Заремба, което установи, че кубичен съд под налягане с напрежение на напрежение, свързващи правоъгълни страни, е по -ефективен от няколко малки цилиндъра, които се вписват в пространството на плоска батерия, осигурявайки приблизително 25 % повече. място за съхранение.
Според Gleiss проблемът с инсталирането на голям брой малки цилиндри тип 4 в плосък случай е, че „обемът между цилиндрите е значително намален и системата също има много голяма повърхност за проникване на газ H2. Като цяло системата осигурява по -малък капацитет за съхранение от кубическите буркани. "
Има обаче и други проблеми с кубичния дизайн на резервоара. „Очевидно, поради сгъстения газ, трябва да противодействате на силите за огъване по плоските стени“, каза Глейс. „За това се нуждаете от подсилена структура, която се свързва вътрешно със стените на резервоара. Но това е трудно да се направи с композитите. "
Glace и нейният екип се опитаха да включат подсилващите барове за напрежение в съда под налягане по начин, който би бил подходящ за процеса на намотка на нишки. „Това е важно за производството на голям обем“, обяснява тя, „и също ни позволява да проектираме модела на намотка на стените на контейнерите, за да оптимизираме ориентацията на влакната за всяко натоварване в зоната.“
Четири стъпки за направата на пробен кубичен композитен резервоар за проекта P4H. Кредит за изображение: „Разработване на производствен процес на кубични съдове под налягане с гривна“, Технически университет в Мюнхен, Polymers4Hydrogen Project, ECCM20, юни 2022 г.
За да постигне верига, екипът е разработил нова концепция, състояща се от четири основни стъпки, както е показано по-горе. Струните на напрежението, показани в черно на стъпките, са сглобяема структура на рамката, изработена с помощта на методи, взети от проекта MAI Skelett. За този проект BMW разработи „рамка“ на рамката на предното стъкло, използвайки четири пултрузионни пръти, подсилени с влакна, които след това бяха оформени в пластмасова рамка.
Рамката на експериментален кубичен резервоар. Шестоъгълни скелетни секции 3D, отпечатани от TUM, използвайки незавършена PLA нишка (отгоре), вмъкване на CF/PA6 пултрузионни пръти като скоби за напрежение (средата) и след това увиване на нишката около скобите (отдолу). Кредит за изображение: Технически университет в Мюнхен LCC.
„Идеята е, че можете да изградите рамката на кубичен резервоар като модулна структура“, каза Глас. „След това тези модули се поставят в инструмент за формоване, подпорите на напрежението се поставят в рамковите модули и след това методът на Mai Skelett се използва около подпорите, за да ги интегрира с части от рамката.“ Метод на масово производство, което води до структура, която след това се използва като дорник или сърцевина за увиване на композитната обвивка на резервоара за съхранение.
TUM проектира рамката на резервоара като кубична „възглавница“ с твърди страни, заоблени ъгли и шестоъгълна шарка отгоре и отдолу, през която връзките могат да бъдат поставени и прикрепени. Дупките за тези стелажи също бяха 3D отпечатани. „За първоначалния ни експериментален резервоар ние 3D отпечатахме шестоъгълни рамкови секции, използвайки полилактична киселина [PLA, био-базирана термопластична], защото беше лесна и евтина“, каза Глас.
Екипът закупи 68 Pultruded Bound Fiber Polyamide 6 (PA6) от SGL Carbon (Meitingen, Германия) за използване като връзки. „За да тестваме концепцията, ние не направихме никакво формоване - казва Глейс,„ но просто вмъкнахме дистанционери в 3D отпечатана основна рамка с пчелна пита и ги залепихме с епоксидно лепило. След това осигурява дорник за намотка на резервоара. " Тя отбелязва, че въпреки че тези пръти са сравнително лесни за навиване, има някои значителни проблеми, които ще бъдат описани по -късно.
„На първия етап нашата цел беше да демонстрираме производството на дизайна и да идентифицираме проблемите в производствената концепция“, обясни Глейс. „Значи иморите на напрежението стърчат от външната повърхност на скелетната структура и ние прикрепяме въглеродните влакна към това ядро, използвайки мокра намотка. След това, в третата стъпка, ние огъваме главата на всяка пръчка за вратовръзка. Термопластичен, така че просто използваме топлина, за да прекрои главата, така че тя да се изравнява и да се заключи в първия слой на опаковане. След това продължаваме да увиваме структурата отново, така че плоската тяга глава да бъде геометрично затворена в резервоара. Ламиниран по стените.
Капачка на разстояние за навиване. TUM използва пластмасови капачки на краищата на напрежението, за да предотврати заплитането на влакната по време на намотката на нишките. Кредит за изображение: Технически университет в Мюнхен LCC.
Glace повтори, че този първи резервоар е доказателство за концепция. „Използването на 3D печат и лепило беше само за първоначално тестване и ни даде представа за няколко от проблемите, които срещнахме. Например, по време на намотката, нишките са уловени от краищата на напрежението, причинявайки счупване на влакната, увреждане на влакната и намаляване на количеството на влакната, за да се противопостави на това. Използвахме няколко пластмасови капачки като производствени помощни средства, които бяха поставени на полюсите преди първата стъпка на намотката. Тогава, когато бяха направени вътрешните ламинати, ние извадихме тези защитни капачки и прекроихме краищата на полюсите преди окончателното опаковане. "
Екипът експериментира с различни сценарии за реконструкция. „Тези, които се оглеждат, работят най -добре“, казва Грейс. „Освен това, по време на фазата на прототипиране, използвахме модифициран инструмент за заваряване, за да приложим топлина и да прекроите краищата на връзката. В концепцията за масово производство ще имате един по -голям инструмент, който може да оформя и образува всички краища на подпорите в ламинат за вътрешен завършек едновременно. . ”
Главите на тегленето се преобразуват. TUM експериментира с различни концепции и модифицира заварките, за да подравнява краищата на композитните връзки за прикрепване към ламината на стената на резервоара. Кредит за изображение: „Разработване на производствен процес на кубични съдове под налягане с гривна“, Технически университет в Мюнхен, Polymers4Hydrogen Project, ECCM20, юни 2022 г.
По този начин, ламинатът се излекува след първия етап на намотка, стълбовете са променени, туморът завършва втората намотка на нишките и след това ламинатът на стената на външния резервоар се излекува втори път. Моля, обърнете внимание, че това е дизайн на резервоара тип 5, което означава, че няма пластмасова облицовка като газова бариера. Вижте дискусията в раздел „Следващи стъпки“ по -долу.
„Ние изрязахме първата демонстрация на напречни сечения и картографирахме свързаната зона“, каза Глес. „Отблизо показва, че имахме някои проблеми с качеството с ламината, като главите на подпорите не полагат плоски върху вътрешния ламинат.“
Решаване на проблеми с пропуски между ламината на вътрешната и външната стена на резервоара. Модифицираната глава на връзката на върха създава пролука между първия и втория завой на експерименталния резервоар. Кредит за изображение: Технически университет в Мюнхен LCC.
Този първоначален резервоар с 450 х 290 х 80 мм беше завършен миналото лято. „Оттогава постигнахме голям напредък, но все още имаме разлика между интериор и външен ламинат“, каза Глас. „Затова се опитахме да запълним тези пропуски с чиста, висока вискозитета. Това всъщност подобрява връзката между шиповете и ламината, което значително увеличава механичното напрежение. "
Екипът продължи да разработва дизайна и процеса на резервоара, включително решения за желания модел на намотка. „Страните на тестовия резервоар не бяха напълно извити, защото беше трудно тази геометрия да създаде криволичещ път“, обясни Глас. „Първоначалният ни ъгъл на намотка беше 75 °, но знаехме, че са необходими множество вериги, за да се постигне натоварването в този съд под налягане. Все още търсим решение на този проблем, но не е лесно със софтуера в момента на пазара. Може да се превърне в последващ проект.
„Ние демонстрирахме осъществимостта на тази производствена концепция, казва Глейс,„ но трябва да работим допълнително, за да подобрим връзката между ламината и да промените вратовръзките. „Външно тестване на машина за тестване. Издърпвате дистанционерите от ламината и тествате механичните натоварвания, които тези стави могат да издържат. "
Тази част от проекта Polymers4Hydrogen ще бъде завършена в края на 2023 г., като по това време Глейс се надява да завърши втория демонстрационен резервоар. Интересното е, че дизайните днес използват кокетна подсилена термопластика в рамката и композитите на термореазолите в стените на резервоара. Ще се използва ли този хибриден подход в окончателния резервоар за демонстрация? - Да - каза Грейс. „Нашите партньори в проекта Polymers4Hydrogen разработват епоксидни смоли и други композитни матрични материали с по -добри свойства на водородна бариера.“ Тя изброява двама партньори, работещи по тази работа, PCCL и Университета в Тампере (Тампере, Финландия).
Глейс и нейният екип също размениха информация и обсъдиха идеи с Jaeger във втория проект на Hydden от конформалния композитен резервоар на LCC.
„Ще произвеждаме конформален композитен съд под налягане за изследователски дронове“, казва Йегер. „Това е сътрудничество между двата отдела на аерокосмическия и геодезическия отдел на TUM - LCC и катедрата по хеликоптер технология (HT). Проектът ще приключи до края на 2024 г. и в момента завършваме кораба под налягане. Дизайн, който е по -скоро аерокосмически и автомобилен подход. След този първоначален концептуален етап, следващата стъпка е да се извърши подробно структурно моделиране и да се предскаже бариерната ефективност на структурата на стената. "
„Цялата идея е да се разработи изследователски дрон с хибридна горивна клетка и система за задвижване на батерията“, продължи той. Той ще използва батерията по време на високи натоварвания (т.е. излитане и кацане) и след това ще премине към горивната клетка по време на круиз с лек товар. „Екипът на HT вече имаше изследователски дрон и преработи силовия агрегат, за да използва както батерии, така и горивни клетки“, каза Йегер. „Те също закупиха резервоар CGH2, за да тестват тази трансмисия.“
„Моят екип беше натоварен със задачата да изгради прототип на резервоара под налягане, който да се побере, но не поради проблемите с опаковките, които ще създаде цилиндричен резервоар“, обяснява той. „По -плосък резервоар не предлага толкова устойчивост на вятъра. Така че получавате по -добри резултати от полета. " Размери на резервоара прибл. 830 x 350 x 173 mm.
Напълно съвместим с термопластичен AFP резервоар. За проекта Hydden, екипът на LCC в TUM първоначално проучи подобен подход към този, използван от Glace (по -горе), но след това премина към подход, използвайки комбинация от няколко структурни модула, които след това се използват прекалено с AFP (по -долу). Кредит за изображение: Технически университет в Мюнхен LCC.
„Една идея е подобна на подхода на Елизабет [Глейс], казва Ягер,„ да прилагат напрежението към стената на съда, за да компенсират високите сили за огъване. Въпреки това, вместо да използваме на навиване процес за изработка на резервоара, използваме AFP. Затова помислихме да създадем отделен участък от съда под налягане, в който стелажите вече са интегрирани. Този подход ми позволи да комбинирам няколко от тези интегрирани модули и след това да приложа крайната капачка, за да запечатам всичко преди крайната намотка на AFP. "
„Опитваме се да финализираме подобна концепция - продължи той,„ и също така да започнем да тестваме избора на материали, което е много важно, за да се гарантира необходимата устойчивост на проникването на газ H2. За това ние използваме основно термопластични материали и работим върху различни как материалът ще повлияе на това поведение и обработка на проникване в AFP машината. Важно е да се разбере дали лечението ще има ефект и дали е необходима някаква след обработка. Също така искаме да знаем дали различните стекове ще повлияят на водородния проникване през съда под налягане. “
Резервоарът ще бъде изцяло от термопластично и лентите ще бъдат доставени от Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Германия). „Ще използваме техния PPS [полифенилен сулфид], Peek [полиетер кетон] и LM Paek [ниско топене на полирил кетон]“, каза Ягер. „След това се правят сравнения, за да се види кой е най -подходящ за защита от проникване и производство на части с по -добри показатели.“ Той се надява да завърши тестване, структурно и процесно моделиране и първите демонстрации в рамките на следващата година.
Изследователската работа е извършена в модула Comet „Polymers4Hydrogen“ (ID 21647053) в рамките на програмата Comet на Федералното министерство за изменението на климата, околната среда, енергията, мобилността, иновациите и технологиите и Федералното министерство за цифровите технологии и икономиката. . Авторите благодарят на участващите партньори Център за компетентна компетентност Leoben GmbH (PCCL, Австрия), Montanuniversitaet Leoben (Факултет по полимерна инженеринг и наука, Катедра по химия на полимерните материали, Катедра по материали и полимерни тестове), Университет на Тампере (Факултет по инженерство Материали). ) Science), Peak Technology и Faurecia допринесоха за тази изследователска работа. Комет-Модул се финансира от правителството на Австрия и правителството на щата Стирия.
Предварително подсилените листове за структури, носещи товари, съдържат непрекъснати влакна-не само от стъкло, но и от въглерод и арамид.
Има много начини да направите композитни части. Следователно изборът на метод за определена част ще зависи от материала, дизайна на частта и крайното използване или приложение. Ето ръководство за избор.
Шокерните композити и R&M International разработват рециклирана верига за доставки на въглеродни влакна, която осигурява нулева клане, по -ниска цена от девствените влакна и в крайна сметка ще предлага дължини, които се приближават до непрекъснати фибри в структурните свойства.
Време за публикация: Mar-15-2023