Standardne rezervoare s ravnim platformama za bev i fcevs koriste termoplastične i termoset kompozite sa kosturnom konstrukcijom koja pruža 25% više H2 Storage. #hydrogen #trends
Nakon saradnje sa BMW-om pokazao je kubični tenk mogao pružiti veću volumetrijsku efikasnost od više malih cilindara, Tehnički univerzitet u Minhenu krenuo je u projekt za razvoj kompozitne strukture i skalabilnog proizvodnog procesa za serijsku proizvodnju. Kredit za slike: Tu Dresden (vrh) lijevo), Tehnički univerzitet u Minhenu, odsjek za ugljikove kompozicije (LCC)
Električna vozila za gorivo (FCEVS) Pokreće hidrogen nulte emisije (H2) pružaju dodatna sredstva za postizanje nula ciljeva zaštite okoliša. Putnički automobil za gorivo sa motorom H2 može se napuniti za 5-7 minuta i ima raspon od 500 km, ali je trenutno skuplje zbog niske količine proizvodnje. Jedan od načina za smanjenje troškova je korištenje standardne platforme za BEV i FCEV modele. Ovo trenutno nije moguće jer tipa 4 cilindrični rezervoari koji se koriste za spremanje komprimiranog H2 plina (CGH2) na 700 bara u FCEV-ovima nisu prikladni za podloge za baterije koji su bili pažljivo dizajnirani za električna vozila. Međutim, posude pod pritiskom u obliku jastuka i kockica mogu se uklopiti u ovaj ravni pakirani prostor.
Patent US5577630A za "kompozitni sukladni brod", prijava koju je podnio Thiokol Corp. 1995. (lijevo) i pravokutnog tlačnog posuda patentiran od BMW-a u 2009. godini (desno).
Odeljenje za ugljični kompoziti (LCC) tehničkog univerziteta u Minhenu (Tum, Minhen, Nemačka) uključen je u dva projekta za razvoj ovog koncepta. Prvi je polimers4hidrogen (p4h), na čelu sa Leoben polimernom kompetencijom (PCCL, Leoben, Austrija). LCC radni paket vodi kolega Elizabeth Glace.
Drugi projekat je ekološko i razvojno okruženje za demonstraciju i razvoj (HYDDEN), gdje LCC vodi istraživač Christian Jaeger. Obje imaju za cilj stvoriti veliku demonstraciju proizvodnog procesa za izradu odgovarajućeg CGH2 rezervoara pomoću kompoziti karbonskih vlakana.
Postoji ograničena volumetrijska efikasnost kada su cilindri malih promjera instalirani u ravnim ćelijama baterije (lijevo) i kubnim tlačnim posudama od čeličnih obloga i čeličnih obloga i vanjske školjke od karbonskih vlakana (desno). Izvor slike: Slike 3 i 6 su iz "numeričkog dizajnerskog pristupa za tip pritiska tipa II sa unutrašnjim zateznim nogama" RUF i Zaremba i sur.
P4H je izmišljao eksperimentalni rezervoar za kocke koji koristi termoplastični okvir sa kompozitnim zateznim trakama / nosačem umotanim u epoksidu ojačane ugljičnom vlaknom. Hydden će koristiti sličan dizajn, ali koristit će automatsko sloj vlakna (AFP) za proizvodnju svih termoplastičnih skladišta kompozita.
Iz patentne aplikacije Thiokol Corp. do "kompozitnog sukladnog vrhova" 1995. godine u njemački patent DE19749950C2 1997. godine, komprimirani plinski žili "mogu imati bilo kakvu geometrijsku konfiguraciju", ali posebno ravne i nepravilne oblike, u šupljini povezanoj sa podrškom za školjke . Korišteni su elementi tako da mogu izdržati silu širenja plina.
Nacionalni laboratorijski papir od 2006. godine (LLNL) opisuje tri pristupa: filezna plovila sa konformom u ranu, posuda za podlogu mikrofalizacije koja sadrži unutrašnju ortorhombičnu resultu (male ćelije 2 cm ili manje), okružena tankim posudom H2, i kontejner replikatora, koji se sastoji od unutarnje strukture koja se sastoji od lijepljenih malih dijelova (npr. šesterokutni plastični prstenovi) i a Sastav tankog kože vanjske školjke. Duplikatni kontejneri su najprikladniji za veće kontejnere u kojima se tradicionalne metode mogu teško primijeniti.
Patent DE102009057170A koji je podnio Volkswagen u 2009. godini opisuje plovilo pod pritiskom u vozilu koji će pružiti veliku efikasnost u težini prilikom poboljšanja iskorištavanja prostora. Pravokutni rezervoari koriste zatezne konektore između dva pravokutna suprotna zida, a uglovi su zaokruženi.
Gore navedeni i drugi pojmovi navode Gleiss u papiru "Razvoj procesa za kubne ploče pod pritiskom s rastezanim šipkama" Gleiss i sur. Na ECCM20 (26. do 30. juna 2022., Lozana, Švicarska). U ovom članku navodi tum studij koji je objavio Michael Krov i Sven Zaremba, što je ustanovljeno da je živahnu posudu sa napetostima koji spajaju pravokutne strane efikasnije od nekoliko malih cilindara koji se uklapaju u prostor ravne baterije, pružajući otprilike 25 % Više. prostor za odlaganje.
Prema Gleissu, problem sa instaliranjem velikog broja malih cilindara tipa u ravnom slučaju je taj što je "jačinu između cilindara u velikoj mjeri smanjen i sustav ima i vrlo veliku površinu za propuštanje plina H2. Sve u svemu, sistem pruža manje kapaciteta skladištenja od kubnih tegla. "
Međutim, postoje i drugi problemi sa kubnim dizajnom tenkova. "Očigledno, zbog komprimiranog plina, morate suzbiti sile savijanja na ravnim zidovima", rekao je Gleiss. "Za ovo vam je potrebna ojačana struktura koja interno povezuje na zidove tenka. Ali to je teško sa kompozitima. "
Glece i njen tim pokušali su uključiti jačanje zateznih bara u posudu pod pritiskom na način koji bi bio pogodan za proces namotavanja filamenta. "Ovo je važno za proizvodnju velike količine", objašnjava, ", a takođe nam omogućava da dizajniramo uzorak namotaja zidova kontejnera da optimiziramo orijentaciju vlakana za svako opterećenje u zoni."
Četiri koraka za postizanje probnog kubnog kompozitnog spremnika za projekt P4H. Kredit za slike: "Razvoj proizvodnog procesa za kubne podloge sa Braceom", Tehnički univerzitet u Minhenu, Polimers4hidrogen projekat, ECCM20, 2022. juna.
Da bi se postigao lanac, tim je razvio novi koncept koji se sastoji od četiri glavna koraka, kao što je prikazano gore. Napetosti, prikazani u crnoj boji na koracima, su montažna struktura okvira izrađena metodama preuzetih iz projekta MAI Skelettt. Za ovaj projekt BMW je razvio okvir vjetrobranskog stakla "okvir" pomoću četiri šipke pultruziranja od vlakana, koji su zatim oblikovani u plastični okvir.
Okvir eksperimentalnog kubnog rezervoara. Šesterokutni skeletni dijelovi 3D ispisani Tum koristeći neobrađenu ploču plata (vrh), umetnuvši CF / PA6 šipke pultruziranja kao zatezanja (sredina), a zatim omotavanje niti oko grudnjaka (dno). Kredit za slike: Tehnički univerzitet u Minhenu LCC.
"Ideja je da možete izgraditi okvir kubnog rezervoara kao modularne strukture", reče Glace. "Ovi moduli se zatim postavljaju u alat za oblikovanje, napetosti se postavljaju u okvirni moduli, a zatim se metoda Mai Skeletta koristi oko nosača za integriranje dijelova okvira." Metoda masovne proizvodnje, što rezultira strukturom koja se zatim koristi kao mandrel ili jezgra za omotavanje skladišta skladištem kompozitne ljuske.
Tum je dizajnirao okvir rezervoara kao kubični "jastuk" sa čvrstim stranama, zaobljenim uglovima i šesterokutnom uzorkom na vrhu i dnu kroz koje se veze mogu umetnuti i priključiti. Rupe za ove regale takođe su bile 3D štampane. "Za naš početni eksperimentalni rezervoar, mi je 3D štampani šesterokutni okvir koristeći polilaktičku kiselinu [PLA, bio-baziran termoplastični] jer je bilo lako i jeftino", reče Glace.
Tim je kupio 68 poliamid od poriginalnog od ugljičnog vlakana 6 (PA6) iz SGL Carbona (Meitiningen, Njemačka) za upotrebu kao veze. "Da bismo testirali koncept, nismo radili nikakvu kalupu", kaže Gleiss, ", ali jednostavno je ubacio odstojke u 3D štampani okvir za jezgru i zalijepio ih epoksidnim ljepilom. Ovo tada pruža mandrelu za navijanje rezervoara. " Napominje da iako su ti šipke relativno lako vjetrom, postoje neki značajni problemi koji će biti opisani kasnije.
"U prvoj fazi naš je cilj bio da pokažemo proizvodbilnost dizajna i identificira probleme u konceptu proizvodnje", objasnio je Gleiss. "Dakle, napetosti su stršeli sa vanjske površine skeletne strukture, a ugljični vlakna pričvršćujemo na ovu jezgru pomoću mokrim niti namotavanjem filamenata. Nakon toga, u trećem koraku savijamo glavu svake šipke. Termoplastična, pa samo koristimo toplinu za preoblikovanje glave tako da se postavlja i zaključava u prvom sloju zamotavanja. Zatim nastavimo da se strukturu ponovo zamotam tako da je glava ravnog potiska geometrijski zatvorena unutar rezervoara. laminat na zidovima.
Izveštajna kapa za navijanje. Tum koristi plastične poklopce na krajevima zateznih šipki kako bi se spriječilo da vlakna od zapetljanja tijekom namotaja filamenata. Kredit za slike: Tehnički univerzitet u Minhenu LCC.
Glace je ponovio da je ovaj prvi tenk bio dokaz koncepta. "Upotreba 3D štampanja i ljepila bila je samo za početno testiranje i dao nam je ideju o nekoliko problema s kojima smo se susreli. Na primjer, tijekom namotavanja, filamenti su uhvatili krajevi zatezanih šipki, uzrokujući lomljivi od vlakana, oštećenja vlakana i smanjujući količinu vlakana da bi se to umanjilo. Koristili smo nekoliko plastičnih kapica kao proizvodna pomagala koja su postavljena na polovima prije prvog namotaja, kada su napravljeni unutarnji laminati, uklonili smo te zaštitne kape i preoblikuli krajeve stubova prije konačnog omotavanja. "
Tim je eksperimentirao sa različitim scenarijima obnove. "Oni koji gledaju oko sebe najbolje", kaže Grace. "Takođe, tokom faze prototipiranja koristili smo modificirani alat za zavarivanje za nanošenje topline i preoblikovanje kravata kravata. U konceptu masovnog proizvodnje imali biste jedan veći alat koji može oblikovati i formirati sve krajeve nosača u unutrašnjost u isto vrijeme u unutrašnjost ravnoj laminatu. . "
Glave na vuču su preoblikovale. Tum je eksperimentirao s različitim konceptima i modificirao zavare da bi poravnali krajeve kompozitnih veza za pričvršćivanje na zidni laminat rezervoara. Kredit za slike: "Razvoj proizvodnog procesa za kubne podloge sa Braceom", Tehnički univerzitet u Minhenu, Polimers4hidrogen projekat, ECCM20, 2022. juna.
Dakle, laminat se izliječi nakon prvog koraka namotaja, postovi se preusmjeravaju, TUM upotpunjava drugo namotavanje filamenata, a potom se po drugi put izliječen. Imajte na umu da je ovo dizajn rezervoara tipa 5, što znači da nema plastičnu oblogu kao plinsku barijeru. Pogledajte diskusiju u sljedećem presjeku koraka u nastavku.
"Presekli smo prvi demo u presjeke i preslikali povezano područje", reče Glace. "Izbliza pokazuje da smo imali nekih problema sa laminatom, sa glavama od nosača ne postavljaju ravno na unutrašnjem laminatu."
Rješavanje problema s prazninama između laminata unutarnjih i vanjskih zidova tenka. Modifikovana glava za kravata kreira jaz između prvog i drugog okretaja eksperimentalnog cisterna. Kredit za slike: Tehnički univerzitet u Minhenu LCC.
Ovaj početni rezervoar 450 x 290 x 80 mm završen je prošlog ljeta. "Od tada smo napravili puno napretka, ali još uvijek imamo jaz između unutrašnjosti i vanjskog laminata", reče Glace. "Dakle, pokušali smo ispuniti te praznine čistom smolom visoke viskoznosti. To zapravo poboljšava vezu između klinova i laminata, što uvelike povećava mehanički stres. "
Tim je nastavio razvijati dizajn i proces tenka, uključujući rješenja za željeni uzorak namotaja. "Bočne strane testnog rezervoara nisu bile u potpunosti uvijene jer je bilo teško za ovu geometriju stvoriti namotajnu stazu", objasnio je glasa. "Naš početni ugao namotaja bio je 75 °, ali znali smo da su potrebni višestruki krugovi da bi se teret ispunio u ovom posudu pod pritiskom. Još uvijek tražimo rješenje ovog problema, ali nije lako s softverom trenutno na tržištu. To može postati sljedeći projekat.
"Pokazali smo izvodljivost ovog koncepta proizvodnje", kaže Gleiss, "Ali moramo dalje raditi na poboljšanju veze između laminata i preoblikovanja šipki. "Vanjsko testiranje na testiranju. Izvadite odstojke iz laminata i testirate mehanička opterećenja koja se ti spojevi mogu izdržati. "
Ovaj dio projekta polimers4hidrogena bit će završen na kraju 2023. godine, na koje se Gleis nada da će dovršiti drugi demonstracijski rezervoar. Zanimljivo je da dizajni danas koriste uredno ojačane termoplastike u okviru i termoset kompozitima u zidovima rezervoara. Hoće li se ovaj hibridni pristup koristiti u završnom prikazu konzerviranja? "Da", reče Grace. "Naši partneri u polimer4hidrogenom projektu razvijaju epoksidne smole i druge kompozitne matrične materijale sa boljim svojstvima vodika." Navodi dva partnera koja rade na ovom radu, PCCL i Univerzitetu u Tampere (Tampere, Finska).
Gleiss i njen tim također su razmijenili informacije i razgovarali o idejama sa Jaegerom na drugom hiddenom projektu iz Concormal Composite Consete.
"Izradit ćemo konformnu kompozitnu plovilu pod pritiskom za istraživačke dronove", kaže Jaeger. "Ovo je saradnja između dva odeljenja zrakoplovnog i geodetskog odjela TUM - LCC-a i Odjel za helikoptersku tehnologiju (HT). Projekt će biti završen do kraja 2024. godine i trenutno dovršavamo plovilo pritiska. Dizajn koji je više zrakoplovskog i automobilskog pristupa. Nakon ove početne faze koncepta, sljedeći korak je izvršavanje detaljnog strukturnog modeliranja i predvidjeti učinak barijere zidne strukture. "
"Cijela ideja je razviti istraživačko drono sa hibridnim sustavom pogonskog goriva i pogona baterije", nastavio je. Koristit će bateriju tijekom velike opterećenja napajanja (tj. Tašino i slijetanje), a zatim prebacite u gorivnu ćeliju tokom krstarenja laganim opterećenjem. "HT tim već je imao istraživačke dronu i redizajnirao pogonski pogon da koristi i baterije i gorivne ćelije", rekao je Yeager. "Kupili su i CGH2 rezervoar za testiranje ovog prenosa."
"Moj tim je bio zadužen sa izgradnjom prototipa spremnika pod pritiskom koji bi odgovarao, ali ne zbog problema sa ambalaže da bi cilindrični rezervoar stvorio", objašnjava on. "Ravni spremnik ne nudi onoliko otpornosti na vjetar. Dakle, vi dobijate bolji nastup leta. " Dimenzije rezervoara cca. 830 x 350 x 173 mm.
Potpuno termoplastičan spremnik za usklađivanje AFP-a. Za HYDDEN projekt, LCC tim na TUM-u u početku istraživao je sličan pristup onome koji se koristili od glace (gore), ali zatim se premjestio u pristup pomoću kombinacije nekoliko konstrukcijskih modula, koji su zatim prekriveni pomoću AFP-a (dolje). Kredit za slike: Tehnički univerzitet u Minhenu LCC.
"Jedna ideja je slična Elisabeth-ovom [Gleissovom] pristupu", kaže Yager, "da nanesete zapet za napetost u zid plovila da nadoknadi visoke sile savijanja. Međutim, umjesto da koristite postupak namotavanja za izradu rezervoara, koristimo AFP. Stoga smo razmišljali o stvaranju zasebnog dijela tlačnog posude u kojem su regali već integrirani. Ovaj pristup mi je omogućio da kombiniram nekoliko ovih integriranih modula, a zatim nanesite krajnju kapu za brtvljenje svega prije završnog namotaja AFP-a. "
"Pokušavamo dovršiti takav koncept", nastavio je, ", a također počinje testirati izbor materijala, što je vrlo važno za osiguranje potrebne otpornosti na prodor plina H2. Za to uglavnom koristimo termoplastične materijale i radimo na raznim načinom na koji će materijal utjecati na ovo ponašanje propusnosti i obradu u AFP mašini. Važno je shvatiti da li će liječenje imati efekat i ako je potrebna bilo koja post obrada. Također želimo znati da li će različite hrpe utjecati na prožimanje vodonika kroz plovilo pritiska. "
Tenk će biti u potpunosti izrađen od termoplastike, a trake će isporučiti Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Njemačka). "Koristit ćemo njihov PPS [polifenilen sulfid], Peek [polieter ketone] i LM Paek [nisko topljenje polliaryl ketone] materijali", rekao je Yager. "Potom se uspoređuju da bi se vidjelo koje je najbolje za prodor zaštitu i stvaranje dijelova sa boljim performansama." Nada se da će dovršiti testiranje, strukturnu i procesnu modeliranje i prve demonstracije u naredne godine.
Istraživački rad izveden je u okviru Komet modula "Polymer4hhidrogen" (ID 21647053) u okviru Komet Federalnog ministarstva za klimatske promjene, okoliš, energiju, mobilnost, inovacije i tehnologiju i federalno ministarstvo za digitalnu tehnologiju i ekonomiju. . Autori Zahvaljuje partnerima za sudjelovanje polimernom kompetentnom centru Leoben GmbH (PCCL, Austrija), Montanuniversioneet Leoben (Fakultet polimernog inženjerstva i nauke, Odjel za hemiju polimernih materijala, Odjel za testiranje polimera), Univerzitet u Tampere Materijali). ) Nauka), vrhunska tehnologija i Faurecia doprineli su ovom istraživačkom radu. Komet-modul finansira Vlada Austrije i Vlada države Štajerska.
Pred-ojačani listovi za nosive konstrukcije sadrže kontinuirana vlakna - ne samo od stakla, već i iz ugljika i aramida.
Postoji mnogo načina za sklapanje kompozitnih dijelova. Stoga će izbor metode za određeni dio ovisiti o materijalu, dizajnu dijela i krajnju upotrebu ili primjeni. Evo vodiča za izbor.
Škokantni kompoziti i R & M International razvijaju reciklirani lanac snabdevanja ugljičnim vlaknima koji pruža nultu klanje, niže troškove od djevičanskog vlakana i na kraju će ponuditi dužine koje pristupaju kontinuiranim vlaknima u strukturnim svojstvima.
Vrijeme objavljivanja: Mar-15-2023