Standardni rezervoari sa ravnim platformama za BEV i FCEV koriste termoplastične i termoreaktivne kompozite sa skeletnom konstrukcijom koja obezbeđuje 25% više skladištenja H2. #vodonik #trendovi
Nakon što je saradnja sa BMW-om pokazala da kubični rezervoar može da pruži veću zapreminsku efikasnost od više malih cilindara, Tehnički univerzitet u Minhenu je započeo projekat razvoja kompozitne strukture i skalabilnog proizvodnog procesa za serijsku proizvodnju. Kredit slike: TU Dresden (gore) lijevo), Tehnički univerzitet u Minhenu, Odsjek za ugljične kompozite (LCC)
Električna vozila sa gorivnim ćelijama (FCEV) koja se napajaju vodonikom sa nultom emisijom (H2) pružaju dodatna sredstva za postizanje nultih ekoloških ciljeva. Putnički automobil na gorive ćelije sa motorom H2 može se napuniti za 5-7 minuta i ima domet od 500 km, ali je trenutno skuplji zbog malog obima proizvodnje. Jedan od načina za smanjenje troškova je korištenje standardne platforme za BEV i FCEV modele. Ovo trenutno nije moguće jer cilindrični rezervoari tipa 4 koji se koriste za skladištenje komprimovanog H2 gasa (CGH2) na 700 bara u FCEV vozilima nisu prikladni za odeljke za baterije u podvozju koji su pažljivo dizajnirani za električna vozila. Međutim, posude pod pritiskom u obliku jastuka i kocki mogu stati u ovaj ravni prostor za pakovanje.
Patent US5577630A za „Kompozitnu konformnu posudu pod pritiskom“, prijavu koju je podnela Thiokol Corp. 1995. (levo) i pravougaonu posudu pod pritiskom koju je patentirao BMW 2009. (desno).
Odsjek za karbonske kompozite (LCC) Tehničkog univerziteta u Minhenu (TUM, Minhen, Njemačka) uključen je u dva projekta za razvoj ovog koncepta. Prvi je Polymers4Hydrogen (P4H), koji vodi Leoben Polymer Competence Center (PCCL, Leoben, Austrija). LCC radni paket vodi koleginica Elizabeth Glace.
Drugi projekat je Demonstracijsko i razvojno okruženje vodonika (HyDDen), gdje LCC vodi istraživač Christian Jaeger. Obje imaju za cilj stvaranje velike demonstracije proizvodnog procesa za izradu odgovarajućeg rezervoara CGH2 koristeći kompozite od karbonskih vlakana.
Ograničena je volumetrijska efikasnost kada su cilindri malog promjera ugrađeni u ravne baterije (lijevo) i kubične posude pod pritiskom tipa 2 napravljene od čeličnih obloga i vanjskog omotača od karbonskih vlakana/epoksidnog kompozita (desno). Izvor slike: Slike 3 i 6 su iz „Pristupa numeričkog dizajna za posudu pod pritiskom tipa II sa unutrašnjim zateznim nogama“ autora Rufa i Zaremba et al.
P4H je proizveo eksperimentalni kockasti rezervoar koji koristi termoplastični okvir sa kompozitnim zateznim trakama/opornicama umotanim u epoksid ojačan karbonskim vlaknima. HyDDen će koristiti sličan dizajn, ali će koristiti automatsko polaganje vlakana (AFP) za proizvodnju svih termoplastičnih kompozitnih spremnika.
Od patentne prijave od strane Thiokol Corp. do “Composite Conformal Pressure Vessel” 1995. do njemačkog patenta DE19749950C2 iz 1997. godine, posude za komprimirani plin “mogu imati bilo koju geometrijsku konfiguraciju”, ali posebno ravne i nepravilne oblike, u šupljini spojenoj s nosačem školjke . elementi se koriste tako da mogu izdržati silu širenja plina.
Rad iz Nacionalne laboratorije Lawrence Livermore (LLNL) iz 2006. opisuje tri pristupa: konformna posuda pod pritiskom namotana filamentom, posuda pod pritiskom sa mikrorešetkama koja sadrži unutrašnju ortorombičnu rešetkastu strukturu (male ćelije od 2 cm ili manje), okružena tankoslojnom H2 posudom, i kontejner replikatora, koji se sastoji od unutrašnje strukture koja se sastoji od zalijepljenih malih dijelova (npr. heksagonalni plastični prstenovi) i sastava od tanke vanjske opne. Duplikati kontejnera su najprikladniji za veće kontejnere gdje tradicionalne metode mogu biti teške za primjenu.
Patent DE102009057170A koji je podnio Volkswagen 2009. godine opisuje posudu pod tlakom montiranu na vozilo koja će pružiti veliku efikasnost težine uz poboljšanje korištenja prostora. Pravokutni rezervoari koriste zatezne spojnice između dva pravokutna suprotna zida, a uglovi su zaobljeni.
Gore navedeni i drugi koncepti citirani su od strane Gleissa u radu “Razvoj procesa za kubne posude pod pritiskom sa rastezljivim šipkama” Gleiss et al. na ECCM20 (26-30. jun 2022, Lozana, Švajcarska). U ovom članku ona citira TUM studiju koju su objavili Michael Roof i Sven Zaremba, a koja je otkrila da je kubična posuda pod pritiskom sa zateznim podupiračima koji povezuju pravokutne stranice efikasnija od nekoliko malih cilindara koji se uklapaju u prostor prazne baterije, osiguravajući otprilike 25 % više. skladišni prostor.
Prema Gleissu, problem sa ugradnjom velikog broja malih cilindara tipa 4 u ravno kućište je taj što je „volumen između cilindara jako smanjen, a sistem takođe ima veoma veliku površinu propuštanja gasa H2. Sve u svemu, sistem pruža manji kapacitet skladištenja od kubičnih tegli.”
Međutim, postoje i drugi problemi s kubičnim dizajnom tenka. „Očigledno, zbog komprimovanog gasa, morate da se suprotstavite silama savijanja na ravnim zidovima“, rekao je Gleiss. „Za ovo vam je potrebna ojačana struktura koja se iznutra povezuje sa zidovima rezervoara. Ali to je teško učiniti s kompozitima.”
Glace i njen tim pokušali su da ugrade zatezne šipke za ojačanje u posudu pod pritiskom na način koji bi bio prikladan za proces namotavanja filamenta. „Ovo je važno za proizvodnju velikog obima“, objašnjava ona, „i takođe nam omogućava da dizajniramo uzorak namotaja zidova kontejnera kako bismo optimizirali orijentaciju vlakana za svako opterećenje u zoni.“
Četiri koraka za izradu probnog kubičnog kompozitnog rezervoara za P4H projekat. Kredit za sliku: „Razvoj proizvodnog procesa za kubične posude pod pritiskom sa nosačem“, Tehnički univerzitet u Minhenu, projekat Polymers4Hydrogen, ECCM20, jun 2022.
Kako bi postigao on-chain, tim je razvio novi koncept koji se sastoji od četiri glavna koraka, kao što je prikazano gore. Zatezni podupirači, prikazani crnom bojom na stepenicama, su montažna konstrukcija okvira izrađena korištenjem metoda preuzetih iz projekta MAI Skelett. Za ovaj projekat, BMW je razvio okvir vjetrobranskog stakla koristeći četiri pultruzione šipke ojačane vlaknima, koje su potom oblikovane u plastični okvir.
Okvir eksperimentalnog kubičnog rezervoara. Heksagonalni skeletni delovi 3D štampani od strane TUM-a korišćenjem neojačanog PLA filamenta (gore), umetanjem CF/PA6 pultruzionih šipki kao zateznih stezača (sredina) i zatim omotavanjem filamenta oko nosača (dole). Kredit za sliku: Tehnički univerzitet u Minhenu LCC.
„Ideja je da možete izgraditi okvir kubičnog rezervoara kao modularnu strukturu“, rekao je Glace. „Ovi moduli se zatim postavljaju u alat za oblikovanje, zatezni podupirači se postavljaju u module okvira, a zatim se metoda MAI Skelett-a koristi oko podupirača kako bi se integrirali s dijelovima okvira.” metoda masovne proizvodnje, što rezultira strukturom koja se zatim koristi kao trn ili jezgro za omotavanje kompozitnog omotača spremnika.
TUM je dizajnirao okvir rezervoara kao kubični „jastuk“ sa čvrstim stranama, zaobljenim uglovima i heksagonalnim uzorkom na vrhu i dnu kroz koji se mogu umetnuti i pričvrstiti vezice. Rupe za ove police su takođe 3D štampane. „Za naš početni eksperimentalni rezervoar, 3D štampali smo heksagonalne delove okvira koristeći polimlečnu kiselinu [PLA, termoplast na biološkoj bazi] jer je to bilo lako i jeftino“, rekao je Glace.
Tim je kupio 68 štapova od poliamida 6 (PA6) ojačanih karbonskim vlaknima od SGL Carbon (Meitingen, Njemačka) za upotrebu kao vezice. „Da bismo testirali koncept, nismo radili nikakvo oblikovanje“, kaže Gleiss, „već smo jednostavno umetnuli odstojnike u 3D štampani okvir sa saćem i zalijepili ih epoksidnim ljepilom. Ovo onda daje trn za namotavanje rezervoara.” Ona napominje da iako se ovi štapovi relativno lako namotaju, postoje neki značajni problemi koji će biti opisani kasnije.
„U prvoj fazi, naš cilj je bio da demonstriramo proizvodnost dizajna i identifikujemo probleme u konceptu proizvodnje“, objasnio je Gleiss. „Dakle, zatezni podupirači vire iz vanjske površine skeletne strukture, a mi pričvršćujemo karbonska vlakna na ovo jezgro pomoću namotaja mokrih niti. Nakon toga, u trećem koraku, savijamo glavu svake spone. termoplastična, tako da samo koristimo toplinu da preoblikujemo glavu tako da se spljošti i zakoči u prvi sloj omota. Zatim nastavljamo da ponovo omotamo strukturu tako da je ravna potisna glava geometrijski zatvorena unutar rezervoara. laminat na zidovima.
Odstojnik za namotavanje. TUM koristi plastične kape na krajevima zateznih šipki kako bi spriječio zaplitanje vlakana tokom namotavanja filamenta. Kredit za sliku: Tehnički univerzitet u Minhenu LCC.
Glace je ponovio da je ovaj prvi tenk bio dokaz koncepta. “Upotreba 3D štampe i ljepila bila je samo za početno testiranje i dala nam je ideju o nekoliko problema na koje smo naišli. Na primjer, tokom namotavanja, filamenti su se uhvatili za krajeve zateznih šipki, uzrokujući lomljenje vlakana, oštećenje vlakana i smanjenje količine vlakana da se tome suprotstavi. koristili smo nekoliko plastičnih čepova kao proizvodnih pomagala koji su postavljeni na stupove prije prvog koraka namotavanja. Zatim, kada su napravljeni unutrašnji laminati, uklonili smo ove zaštitne kapice i preoblikovali krajeve stupova prije konačnog omotanja.”
Tim je eksperimentirao s različitim scenarijima rekonstrukcije. „Oni koji gledaju oko sebe najbolje rade“, kaže Grace. „Također, tokom faze izrade prototipa, koristili smo modifikovani alat za zavarivanje da primenimo toplotu i preoblikujemo krajeve anglijske šipke. U konceptu masovne proizvodnje, imali biste jedan veći alat koji može oblikovati i oblikovati sve krajeve podupirača u unutrašnji završni laminat u isto vrijeme. . ”
Glave vučne trake su preoblikovane. TUM je eksperimentirao s različitim konceptima i modificirao zavare kako bi poravnao krajeve kompozitnih vezica za pričvršćivanje na laminat na zidu rezervoara. Kredit za sliku: „Razvoj proizvodnog procesa za kubične posude pod pritiskom sa nosačem“, Tehnički univerzitet u Minhenu, projekat Polymers4Hydrogen, ECCM20, jun 2022.
Tako se laminat stvrdnjava nakon prvog koraka namotavanja, stupovi se preoblikuju, TUM završava drugo namotavanje filamenata, a zatim se laminat vanjskog zida spremnika očvršćava drugi put. Imajte na umu da je ovo dizajn rezervoara tipa 5, što znači da nema plastičnu oblogu kao gasnu barijeru. Pogledajte raspravu u odjeljku Sljedeći koraci u nastavku.
“Prvi demo smo izrezali na poprečne presjeke i mapirali povezano područje,” rekao je Glace. „Krupni plan pokazuje da smo imali problema s kvalitetom laminata, s tim da glave podupirača nisu ležale ravno na unutrašnjem laminatu.”
Rješavanje problema s prazninama između laminata unutrašnjih i vanjskih zidova spremnika. Modificirana glava spojnice stvara razmak između prvog i drugog zavoja eksperimentalnog spremnika. Kredit za sliku: Tehnički univerzitet u Minhenu LCC.
Ovaj početni tenk dimenzija 450 x 290 x 80 mm završen je prošlog ljeta. „Od tada smo mnogo napredovali, ali još uvek imamo jaz između unutrašnjeg i spoljašnjeg laminata,“ rekao je Glace. „Zato smo pokušali da popunimo te praznine čistom smolom visokog viskoziteta. Ovo zapravo poboljšava vezu između klinova i laminata, što uvelike povećava mehaničko naprezanje.”
Tim je nastavio razvijati dizajn i proces spremnika, uključujući rješenja za željeni uzorak namotaja. „Bočne strane testnog rezervoara nisu bile potpuno uvijene jer je ovoj geometriji bilo teško da napravi krivudavu putanju“, objasnio je Glace. “Naš početni ugao namotaja bio je 75°, ali smo znali da je potrebno više krugova da bi se zadovoljilo opterećenje u ovoj posudi pod pritiskom. Još uvijek tražimo rješenje za ovaj problem, ali to nije lako sa softverom koji je trenutno na tržištu. To može postati nastavak projekta.
“Pokazali smo izvodljivost ovog proizvodnog koncepta,” kaže Gleiss, “ali moramo dalje raditi na poboljšanju veze između laminata i preoblikovanju spona. “Spoljno testiranje na mašini za testiranje. Izvlačite odstojnike iz laminata i testirate mehanička opterećenja koja ti spojevi mogu izdržati.”
Ovaj dio projekta Polymers4Hydrogen bit će završen krajem 2023. godine, do kada se Gleis nada da će završiti drugi probni rezervoar. Zanimljivo je da dizajni danas koriste uredne ojačane termoplastike u okviru i termoreaktivne kompozite u zidovima rezervoara. Hoće li se ovaj hibridni pristup koristiti u konačnom demonstracijskom tenk-u? "Da", rekla je Grace. “Naši partneri u projektu Polymers4Hydrogen razvijaju epoksidne smole i druge kompozitne matrične materijale s boljim svojstvima vodonične barijere.” Ona navodi dva partnera koji rade na ovom poslu, PCCL i Univerzitet u Tampereu (Tampere, Finska).
Gleiss i njen tim također su razmijenili informacije i razgovarali o idejama sa Jaegerom o drugom HyDDen projektu iz LCC konformnog kompozitnog rezervoara.
„Proizvodit ćemo konformnu kompozitnu posudu pod pritiskom za istraživačke bespilotne letjelice“, kaže Jaeger. “Ovo je saradnja između dva odjela Vazdušno-geodetske službe TUM – LCC i Odsjeka za helikoptersku tehnologiju (HT). Projekat će biti završen do kraja 2024. godine i trenutno dovršavamo posudu pod pritiskom. dizajn koji je više avio i automobilski pristup. Nakon ove početne faze koncepta, sljedeći korak je izvođenje detaljnog strukturalnog modeliranja i predviđanje performansi barijere zidne strukture.”
„Cela ideja je da se razvije istraživački dron sa hibridnim pogonskim sistemom na gorive ćelije i baterije“, nastavio je. Koristit će bateriju tokom velikih opterećenja (tj. polijetanja i slijetanja), a zatim će se prebaciti na gorivnu ćeliju tokom krstarenja s malim opterećenjem. “HT tim je već imao istraživački dron i redizajnirao je pogonski sklop kako bi koristio i baterije i gorivne ćelije,” rekao je Yeager. „Takođe su kupili rezervoar CGH2 kako bi testirali ovaj prijenos.”
„Moj tim je imao zadatak da napravi prototip rezervoara pod pritiskom koji bi odgovarao, ali ne zbog problema sa pakovanjem koje bi stvorio cilindrični rezervoar“, objašnjava on. „Plašniji rezervoar ne nudi toliki otpor vetru. Tako ćete dobiti bolje performanse leta.” Dimenzije rezervoara cca. 830 x 350 x 173 mm.
Potpuno termoplastični rezervoar usklađen sa AFP. Za HyDDen projekat, LCC tim u TUM-u je u početku istraživao sličan pristup onom koji je koristio Glace (gore), ali je potom prešao na pristup koji koristi kombinaciju nekoliko strukturalnih modula, koji su zatim prekomjerno korišteni koristeći AFP (dolje). Kredit za sliku: Tehnički univerzitet u Minhenu LCC.
“Jedna ideja je slična Elisabeth [Gleissovom] pristupu,” kaže Yager, “da se na zid posude postavi zatezna zateza kako bi se kompenzirale velike sile savijanja. Međutim, umjesto da koristimo proces namotavanja za izradu rezervoara, koristimo AFP. Stoga smo razmišljali o stvaranju posebnog dijela posude pod pritiskom, u koji su već ugrađeni regali. Ovaj pristup mi je omogućio da kombinujem nekoliko ovih integrisanih modula, a zatim stavim završni poklopac da zapečatim sve pre konačnog AFP namotaja.”
„Pokušavamo da finaliziramo takav koncept“, nastavio je, „i da počnemo s testiranjem odabira materijala, što je vrlo važno kako bi se osigurala potrebna otpornost na prodiranje plina H2. Za to uglavnom koristimo termoplastične materijale i radimo na različitim načinima na koji će materijal uticati na ovo ponašanje propusnosti i obradu u AFP mašini. Važno je razumjeti da li će tretman imati efekta i da li je potrebna bilo kakva naknadna obrada. Također želimo znati hoće li različiti slojevi utjecati na propusnost vodonika kroz posudu pod pritiskom.”
Rezervoar će u potpunosti biti izrađen od termoplasta, a trake će isporučiti Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Njemačka). „Koristit ćemo njihove PPS [polifenilen sulfid], PEEK [polieter keton] i LM PAEK [poliaril keton niskog taljenja], rekao je Yager. „Tada se vrše poređenja kako bi se vidjelo koji je najbolji za zaštitu od prodiranja i proizvodnju dijelova s boljim performansama." Nada se da će u narednoj godini završiti testiranje, strukturno i procesno modeliranje i prve demonstracije.
Istraživački rad je obavljen u okviru COMET modula “Polymers4Hydrogen” (ID 21647053) u okviru COMET programa Federalnog ministarstva za klimatske promjene, okoliš, energetiku, mobilnost, inovacije i tehnologiju i Federalnog ministarstva za digitalnu tehnologiju i ekonomiju. . Autori se zahvaljuju partnerima Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL, Austrija), Montanuniversitaet Leoben (Fakultet polimernog inženjerstva i nauke, Katedra za hemiju polimernih materijala, Katedra za nauku o materijalima i ispitivanje polimera), Univerzitet u Tampereu (Tehnički fakultet materijali). ) Science), Peak Technology i Faurecia doprinijeli su ovom istraživačkom radu. COMET-Modul financiraju vlada Austrije i vlada države Štajerske.
Prethodno ojačani limovi za nosive konstrukcije sadrže kontinuirana vlakna – ne samo od stakla, već i od ugljika i aramida.
Postoji mnogo načina za izradu kompozitnih dijelova. Stoga će izbor metode za određeni dio ovisiti o materijalu, dizajnu dijela i krajnjoj upotrebi ili primjeni. Evo vodiča za odabir.
Shocker Composites i R&M International razvijaju lanac opskrbe recikliranim karbonskim vlaknima koji osiguravaju nultu smrtnost, nižu cijenu od djevičanskih vlakana i na kraju će ponuditi dužine koje se približavaju kontinuiranim vlaknima u strukturnim svojstvima.
Vrijeme objave: Mar-15-2023