Стандартните резервоари с плоска платформа за BEV и FCEV използват термопластични и термореактивни композити със скелетна конструкция, която осигурява 25% повече съхранение на H2. #водородни #тенденции
След като сътрудничество с BMW показа, че кубичен резервоар може да осигури по-висока обемна ефективност от множество малки цилиндри, Техническият университет в Мюнхен започна проект за разработване на композитна структура и мащабируем производствен процес за серийно производство. Кредит на изображението: TU Dresden (горе) вляво), Технически университет в Мюнхен, Катедра по въглеродни композити (LCC)
Електрическите превозни средства с горивни клетки (FCEV), задвижвани от водород с нулеви емисии (H2), осигуряват допълнителни средства за постигане на нулеви екологични цели. Лек автомобил с горивни клетки и двигател H2 може да се зареди за 5-7 минути и има пробег от 500 км, но в момента е по-скъп поради ниските производствени обеми. Един от начините за намаляване на разходите е използването на стандартна платформа за моделите BEV и FCEV. Понастоящем това не е възможно, тъй като цилиндричните резервоари тип 4, използвани за съхранение на сгъстен H2 газ (CGH2) при 700 бара в FCEV, не са подходящи за отделенията за батерии в долната част на автомобила, които са внимателно проектирани за електрически превозни средства. Съдовете под налягане под формата на възглавници и кубчета обаче могат да се поберат в това плоско опаковъчно пространство.
Патент US5577630A за „Композитен конформен съд под налягане“, заявка, подадена от Thiokol Corp. през 1995 г. (вляво) и правоъгълен съд под налягане, патентован от BMW през 2009 г. (вдясно).
Катедрата по въглеродни композити (LCC) на Техническия университет в Мюнхен (TUM, Мюнхен, Германия) участва в два проекта за разработване на тази концепция. Първият е Polymers4Hydrogen (P4H), ръководен от Leoben Polymer Competence Center (PCCL, Leoben, Австрия). Работният пакет на LCC се ръководи от Елизабет Глейс.
Вторият проект е Hydrogen Demonstration and Development Environment (HyDDen), където LCC се ръководи от изследователя Christian Jaeger. И двете имат за цел да създадат широкомащабна демонстрация на производствения процес за направата на подходящ резервоар CGH2 с помощта на композитни материали от въглеродни влакна.
Има ограничена обемна ефективност, когато цилиндри с малък диаметър са монтирани в плоски батерийни клетки (вляво) и кубични съдове под налягане от тип 2, направени от стоманени обвивки и външна обвивка от въглеродни влакна/епоксиден композит (вдясно). Източник на изображението: Фигури 3 и 6 са от „Подход за числен дизайн за съд тип II с кутия под налягане с крака за вътрешно напрежение“ от Ruf и Zaremba et al.
P4H изработи експериментален кубичен резервоар, който използва термопластична рамка с композитни опъващи ремъци/подпори, обвити в подсилена с въглеродни влакна епоксидна смола. HyDDen ще използва подобен дизайн, но ще използва автоматично подреждане на влакна (AFP) за производството на всички термопластични композитни резервоари.
От заявка за патент от Thiokol Corp. за „Композитен конформен съд под налягане“ през 1995 г. до германски патент DE19749950C2 през 1997 г., съдовете за сгъстен газ „могат да имат всякаква геометрична конфигурация“, но особено плоски и неправилни форми, в кухина, свързана с опората на корпуса . елементи се използват така, че да могат да издържат на силата на разширяване на газа.
Документ на Националната лаборатория на Лорънс Ливърмор (LLNL) от 2006 г. описва три подхода: конформен съд под налягане с навита нишка, съд под налягане с микрорешетка, съдържащ вътрешна орторомбична решетъчна структура (малки клетки от 2 cm или по-малко), заобиколен от тънкостенен H2 контейнер, и репликаторен контейнер, състоящ се от вътрешна структура, състояща се от залепени малки части (напр. шестоъгълни пластмасови пръстени) и състав от тънка външна обвивка. Дублиращите се контейнери са най-подходящи за по-големи контейнери, където традиционните методи може да са трудни за прилагане.
Патентът DE102009057170A, подаден от Volkswagen през 2009 г., описва монтиран на автомобила съд под налягане, който ще осигури висока ефективност на теглото, като същевременно подобрява използването на пространството. Правоъгълните резервоари използват съединители за напрежение между две правоъгълни противоположни стени, а ъглите са заоблени.
Горните и други концепции са цитирани от Gleiss в статията „Разработване на процес за кубични съдове под налягане с разтегливи пръти“ от Gleiss et al. на ECCM20 (26-30 юни 2022 г., Лозана, Швейцария). В тази статия тя цитира проучване на TUM, публикувано от Майкъл Роуф и Свен Заремба, което установи, че кубичен съд под налягане с опъващи подпори, свързващи правоъгълни страни, е по-ефективен от няколко малки цилиндъра, които се побират в пространството на плоска батерия, осигурявайки приблизително 25 % повече. място за съхранение.
Според Gleiss, проблемът с инсталирането на голям брой малки цилиндри от тип 4 в плосък корпус е, че „обемът между цилиндрите е значително намален и системата също има много голяма повърхност на пропускане на H2 газ. Като цяло системата осигурява по-малък капацитет за съхранение от кубичните буркани.“
Има обаче и други проблеми с кубичния дизайн на резервоара. „Очевидно е, че поради сгъстения газ трябва да противодействате на силите на огъване върху плоските стени“, каза Глайс. „За целта се нуждаете от подсилена конструкция, която се свързва вътрешно със стените на резервоара. Но това е трудно да се направи с композити.
Глейс и нейният екип се опитаха да включат армировъчни пръти за напрежение в съда под налягане по начин, който би бил подходящ за процеса на навиване на нишките. „Това е важно за производство в големи обеми“, обяснява тя, „и също ни позволява да проектираме модела на навиване на стените на контейнера, за да оптимизираме ориентацията на влакната за всеки товар в зоната.“
Четири стъпки за създаване на пробен кубичен композитен резервоар за проекта P4H. Кредит за изображение: „Разработване на производствен процес за кубични съдове под налягане със скоби“, Технически университет в Мюнхен, проект Polymers4Hydrogen, ECCM20, юни 2022 г.
За постигане на веригата, екипът е разработил нова концепция, състояща се от четири основни стъпки, както е показано по-горе. Подпорите за опъване, показани в черно на стъпалата, са сглобяема рамкова конструкция, произведена с помощта на методи, взети от проекта MAI Skelett. За този проект BMW разработи „рамка“ на рамката на предното стъкло, използвайки четири подсилени с влакна пултрузионни пръти, които след това бяха формовани в пластмасова рамка.
Рамката на експериментален кубичен резервоар. Шестоъгълни скелетни секции, 3D отпечатани от TUM с помощта на неусилена PLA нишка (отгоре), вмъкване на CF/PA6 пултрузионни пръти като опънати скоби (в средата) и след това увиване на нишката около скобите (отдолу). Кредит на изображението: Технически университет в Мюнхен LCC.
„Идеята е, че можете да изградите рамката на кубичен резервоар като модулна структура“, каза Глейс. „След това тези модули се поставят в инструмент за формоване, опъващите подпори се поставят в модулите на рамката и след това методът на MAI Skelett се използва около подпорите, за да се интегрират с частите на рамката.“ метод на масово производство, което води до структура, която след това се използва като дорник или сърцевина за обвиване на композитната обвивка на резервоара за съхранение.
TUM проектира рамката на резервоара като кубична „възглавница“ с плътни страни, заоблени ъгли и шестоъгълна шарка отгоре и отдолу, през която могат да се поставят и закрепват връзки. Дупките за тези стелажи също бяха 3D отпечатани. „За нашия първоначален експериментален резервоар ние отпечатахме 3D секции с шестоъгълна рамка, използвайки полимлечна киселина [PLA, термопласт на био основа], защото беше лесно и евтино“, каза Глейс.
Екипът закупи 68 пръчки от полиамид 6 (PA6), подсилени с въглеродни влакна, от SGL Carbon (Meitingen, Германия) за използване като връзки. „За да тестваме концепцията, ние не направихме никакво формоване“, казва Глайс, „а просто вмъкнахме дистанционни елементи в 3D отпечатана рамка с пчелна пита и ги залепихме с епоксидно лепило. След това това осигурява дорник за навиване на резервоара. Тя отбелязва, че въпреки че тези пръчки са относително лесни за навиване, има някои значителни проблеми, които ще бъдат описани по-късно.
„На първия етап нашата цел беше да демонстрираме технологичността на дизайна и да идентифицираме проблемите в производствената концепция“, обясни Глайс. „Така че опънните подпори стърчат от външната повърхност на скелетната структура и ние прикрепяме въглеродните влакна към тази сърцевина, използвайки мокро навиване на нишка. След това, в третата стъпка, ние огъваме главата на всеки свързващ прът. термопластични, така че ние просто използваме топлина, за да преоформим главата, така че да се сплеска и да се заключи в първия слой на опаковката. След това продължаваме да обвиваме структурата отново, така че плоската тласкаща глава да бъде геометрично затворена в резервоара. ламинат по стените.
Дистанционна капачка за навиване. TUM използва пластмасови капачки в краищата на опъващите пръти, за да предотврати заплитането на влакната по време на навиване на нишката. Кредит на изображението: Технически университет в Мюнхен LCC.
Глейс повтори, че този първи танк е доказателство за концепцията. „Използването на 3D печат и лепило беше само за първоначално тестване и ни даде представа за някои от проблемите, които срещнахме. Например, по време на намотаване нишките бяха захванати от краищата на опъващите пръти, причинявайки счупване на влакното, повреда на влакното и намаляване на количеството влакно, за да се противодейства на това. използвахме няколко пластмасови капачки като производствени помощни средства, които бяха поставени върху стълбовете преди първата стъпка на навиване. След това, когато вътрешните ламинати бяха направени, премахнахме тези защитни капачки и променихме краищата на стълбовете преди окончателното опаковане.“
Екипът експериментира с различни сценарии за реконструкция. „Онези, които се оглеждат, работят най-добре“, казва Грейс. „Освен това, по време на фазата на прототипиране, ние използвахме модифициран заваръчен инструмент, за да приложим топлина и да променим формата на краищата на напречната щанга. В една концепция за масово производство ще имате един по-голям инструмент, който може да оформя и формира всички краища на подпорите в ламинат за вътрешно покритие едновременно. . ”
Преформатирани глави на теглич. TUM експериментира с различни концепции и модифицира заваръчните шевове, за да подравни краищата на композитните връзки за закрепване към ламината на стената на резервоара. Кредит за изображение: „Разработване на производствен процес за кубични съдове под налягане със скоби“, Технически университет в Мюнхен, проект Polymers4Hydrogen, ECCM20, юни 2022 г.
Така ламинатът се втвърдява след първата стъпка на навиване, стълбовете се преформатират, TUM завършва второто навиване на нишките и след това ламинатът на външната стена на резервоара се втвърдява втори път. Моля, имайте предвид, че това е дизайн на резервоар тип 5, което означава, че няма пластмасова облицовка като газова бариера. Вижте дискусията в секцията „Следващи стъпки“ по-долу.
„Нарязахме първата демонстрация на напречни сечения и картографирахме свързаната област“, каза Глейс. „Близък план показва, че имахме някои проблеми с качеството на ламината, като главите на опорите не лежат плоски върху вътрешния ламинат.“
Решаване на проблеми с пролуките между ламината на вътрешната и външната стена на резервоара. Модифицираната глава на напречната щанга създава празнина между първия и втория оборот на експерименталния резервоар. Кредит на изображението: Технически университет в Мюнхен LCC.
Този първоначален резервоар с размери 450 x 290 x 80 мм беше завършен миналото лято. „Постигнахме голям напредък оттогава, но все още имаме разлика между вътрешния и външния ламинат“, каза Глейс. „Затова се опитахме да запълним тези празнини с чиста смола с висок вискозитет. 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 навиване. „Страните на тестовия резервоар не бяха напълно извити, защото беше трудно за тази геометрия да създаде криволичеща пътека“, обясни Глейс. „Първоначалният ни ъгъл на навиване беше 75°, но знаехме, че са необходими множество вериги, за да се отговори на товара в този съд под налягане. Все още търсим решение на този проблем, но не е лесно със софтуера, който в момента е на пазара. Може да се превърне в последващ проект.
„Демонстрирахме осъществимостта на тази производствена концепция“, казва Глайс, „но трябва да работим допълнително, за да подобрим връзката между ламината и да променим формата на свързващите пръти. „Външно тестване на тестова машина. Изваждате дистанционните елементи от ламината и тествате механичните натоварвания, които тези съединения могат да издържат.“
Тази част от проекта Polymers4Hydrogen ще бъде завършена в края на 2023 г., до което време Gleis се надява да завърши втория демонстрационен резервоар. Интересното е, че дизайните днес използват спретнати подсилени термопласти в рамката и термореактивни композити в стените на резервоара. Ще бъде ли използван този хибриден подход в последния демонстрационен танк? — 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 на Тампере (Тампере, Финландия).
Gleiss и нейният екип също обмениха информация и обсъдиха идеи с Jaeger за втория проект HyDDen от LCC конформен композитен резервоар.
„Ние ще произвеждаме конформен композитен съд под налягане за изследователски дронове“, казва Джегер. „Това е сътрудничество между двата отдела на Аерокосмическия и геодезически отдел на TUM – LCC и Департамента по хеликоптерни технологии (HT). Проектът ще бъде завършен до края на 2024 г. и в момента завършваме съда под налягане. дизайн, който е по-скоро космически и автомобилен подход. След този първоначален концептуален етап, следващата стъпка е да се извърши подробно структурно моделиране и да се предвиди бариерното представяне на структурата на стената.
„Цялата идея е да се разработи изследователски дрон с хибридна горивна клетка и система за задвижване от батерии“, продължи той. Той ще използва батерията по време на високи мощностни натоварвания (т.е. излитане и кацане) и след това ще превключи към горивна клетка по време на круиз с леко натоварване. „Екипът на HT вече имаше изследователски дрон и преработи задвижването, за да използва както батерии, така и горивни клетки“, каза Йегър. „Те също закупиха резервоар CGH2, за да тестват тази трансмисия.“
„Моят екип получи задачата да изгради прототип на резервоар под налягане, който да пасне, но не заради проблемите с опаковката, които би създал един цилиндричен резервоар“, обяснява той. „По-плоският резервоар не предлага толкова голяма устойчивост на вятър. Така че получавате по-добри полетни характеристики.“ Размери на резервоара прибл. 830 x 350 x 173 мм.
Напълно термопластичен AFP съвместим резервоар. За проекта HyDDen екипът на LCC в TUM първоначално проучи подход, подобен на този, използван от Glace (по-горе), но след това премина към подход, използващ комбинация от няколко структурни модула, които след това бяха прекомерно използвани с помощта на AFP (по-долу). Кредит на изображението: Технически университет в Мюнхен LCC.
„Една идея е подобна на подхода на Elisabeth [на Gleiss],” казва Yager, „да се приложат скоби за напрежение към стената на съда, за да се компенсират големите сили на огъване. Въпреки това, вместо да използваме процес на навиване, за да направим резервоара, ние използваме AFP. Затова помислихме да създадем отделна секция на съда под налягане, в която стелажите вече са интегрирани. Този подход ми позволи да комбинирам няколко от тези интегрирани модули и след това да приложа крайна капачка, за да запечатам всичко преди окончателното навиване на AFP.“
„Опитваме се да финализираме такава концепция“, продължи той, „и също така да започнем да тестваме подбора на материали, което е много важно, за да осигурим необходимата устойчивост на проникване на H2 газ. За това ние използваме основно термопластични материали и работим по различни начини, по които материалът ще повлияе на това поведение на проникване и обработка в AFP машината. Важно е да се разбере дали лечението ще има ефект и дали е необходима последваща обработка. Също така искаме да знаем дали различните стекове ще повлияят на проникването на водород през съда под налягане.
Резервоарът ще бъде изцяло изработен от термопласт, а лентите ще бъдат доставени от Teijin Carbon Europe GmbH (Вупертал, Германия). „Ние ще използваме техните материали PPS [полифенилен сулфид], PEEK [полиетер кетон] и LM PAEK [полиарил кетон с ниска температура на топене]“, каза Ягер. „След това се правят сравнения, за да се види кой е най-добрият за защита срещу проникване и производство на части с по-добра производителност.“ Той се надява да завърши тестването, структурното и процесното моделиране и първите демонстрации през следващата година.
Изследователската работа е извършена в рамките на 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 цифрови технологии и икономика. . Авторите благодарят на участващите партньори Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL, Австрия), Montanuniversitaet Leoben (Факултет по полимерно инженерство и наука, Катедра по химия на полимерните материали, Катедра по материалознание и тестване на полимери), Университет на Тампере (Инженерен факултет Материали). ) Science), Peak Technology и Faurecia допринесоха за тази изследователска работа. COMET-Modul се финансира от правителството на Австрия и правителството на провинция Щирия.
Предварително армираните листове за носещи конструкции съдържат непрекъснати влакна – не само от стъкло, но и от карбон и арамид.
Има много начини за създаване на композитни части. Следователно изборът на метод за определена част ще зависи от материала, дизайна на частта и крайната употреба или приложение. Ето ръководство за избор.
Shocker Composites и R&M International разработват верига за доставки на рециклирани въглеродни влакна, която осигурява нулево клане, по-ниска цена от необработените влакна и в крайна сметка ще предложи дължини, които се доближават до непрекъснатите влакна по структурни свойства.
Време на публикуване: 15 март 2023 г