Els dipòsits de plataforma plana estàndard per a BEV i FCEV utilitzen compostos termoplàstics i termoset amb una construcció d’esquelet que proporciona un 25% més d’emmagatzematge H2. #hidrogen #trends
Després que una col·laboració amb BMW demostrés que un dipòsit cúbic podria oferir una eficiència volumètrica més elevada que diversos cilindres petits, la Universitat Tècnica de Munic es va iniciar en un projecte per desenvolupar una estructura composta i un procés de fabricació escalable per a la producció en sèrie. Crèdit d’imatge: Tu Dresden (superior) a l’esquerra), Universitat Tècnica de Munic, Departament de Composites de Carbon (LCC)
Els vehicles elèctrics de piles de combustible (FCEVs) alimentats per hidrogen d’emissió zero (H2) proporcionen mitjans addicionals per assolir objectius ambientals zero. Un cotxe de passatgers de pila de combustible amb motor H2 es pot omplir en 5-7 minuts i té un rang de 500 km, però actualment és més car a causa dels baixos volums de producció. Una forma de reduir costos és utilitzar una plataforma estàndard per a models BEV i FCEV. Actualment, això no és possible perquè els dipòsits cilíndriques de tipus 4 utilitzats per emmagatzemar gas H2 comprimit (CGH2) a 700 bar a FCEVs no són adequats per als compartiments de bateries subterrànies que han estat dissenyats amb cura per a vehicles elèctrics. Tot i això, els vaixells de pressió en forma de coixins i cubs poden encaixar en aquest espai d’embalatge pla.
Patent US5577630A per a "Vaixell de pressió conformal compost", sol·licitud presentada per Thiokol Corp el 1995 (a l'esquerra) i el vaixell de pressió rectangular patentat per BMW el 2009 (dreta).
El Departament de Compostes de Carbon (LCC) de la Universitat Tècnica de Munic (Tum, Munic, Alemanya) està involucrat en dos projectes per desenvolupar aquest concepte. El primer és Polymers4hidrogen (P4H), dirigit pel Leoben Polymer Competence Center (PCCL, Leoben, Àustria). El paquet de treball LCC està dirigit per la companya Elizabeth Glace.
El segon projecte és l’entorn de demostració i desenvolupament d’hidrogen (Hydden), on el LCC està dirigit per l’investigador Christian Jaeger. Ambdues tenen com a objectiu crear una demostració a gran escala del procés de fabricació per fabricar un dipòsit CGH2 adequat mitjançant compostos de fibra de carboni.
Hi ha una eficiència volumètrica limitada quan s’instal·len cilindres de petit diàmetre en cèl·lules planes de bateries (esquerra) i vasos de pressió de tipus 2 cúbics fets de revestiments d’acer i una fibra de carboni/closca externa composta (dreta). Font de la imatge: Les figures 3 i 6 provenen de “enfocament de disseny numèric per al vaixell de caixa de pressió tipus II amb potes de tensió interna” de RUF i Zaremba et al.
P4H ha fabricat un dipòsit de cubs experimental que utilitza un marc termoplàstic amb corretges/puntes de tensió compostes embolicades en epoxi reforçat per fibra de carboni. Hydden utilitzarà un disseny similar, però utilitzarà la disposició automàtica de fibra (AFP) per fabricar tots els dipòsits compostos termoplàstics.
Des d’una sol·licitud de patent de Thiokol Corp. fins a “Vaixell de pressió conformal compost” el 1995 a la patent alemanya de19749950C2 El 1997, els vaixells de gas comprimits “poden tenir qualsevol configuració geomètrica”, però especialment formes planes i irregulars, en una cavitat connectada al suport de la closca . S'utilitzen elements perquè puguin suportar la força d'expansió del gas.
Un document de Laboratori Nacional de Lawrence Livermore (LLNL) del 2006 descriu tres enfocaments: un recipient de pressió conformal de ferides de filament, un recipient de pressió de microlattes que conté una estructura de gelosia ortorhombica interna (cèl·lules petites de 2 cm o menys), envoltat d’un contenidor de parets primes H2, i un contenidor del replicador, format per una estructura interna formada per parts petites enganxades (per exemple, anells de plàstic hexagonal) i Una composició de pell de closca externa fina. Els contenidors duplicats són els més adequats per a contenidors més grans on els mètodes tradicionals poden ser difícils d’aplicar.
La patent de102009057170a presentada per Volkswagen el 2009 descriu un vaixell a pressió muntat en vehicles que proporcionarà una alta eficiència de pes mentre millori la utilització de l’espai. Els dipòsits rectangulars utilitzen connectors de tensió entre dues parets rectangulars oposades i les cantonades són arrodonides.
Els anteriors i altres conceptes són citats per Gleiss en el document “Desenvolupament de processos per a vaixells de pressió cúbica amb barres d’estiraments” de Gleiss et al. a ECCM20 (26-30 de juny de 2022, Lausana, Suïssa). En aquest article, cita un estudi TUM publicat per Michael Roof i Sven Zaremba, que va trobar que un recipient de pressió cúbica amb puntes de tensió que connecta els costats rectangulars és més eficient que diversos cilindres petits que s’ajusten a l’espai d’una bateria plana, proporcionant aproximadament 25 anys % més. espai d'emmagatzematge.
Segons Gleiss, el problema amb la instal·lació d’un gran nombre de cilindres petits de tipus 4 en un cas pla és que “el volum entre els cilindres es redueix molt i el sistema també té una superfície de permeabilitat de gas H2 molt gran. En general, el sistema proporciona menys capacitat d’emmagatzematge que les gerres cúbiques ”.
Tot i això, hi ha altres problemes amb el disseny cúbic del tanc. "Evidentment, a causa del gas comprimit, heu de contrarestar les forces de flexió a les parets planes", va dir Gleiss. “Per això, necessiteu una estructura reforçada que es connecti internament a les parets del dipòsit. Però això és difícil de fer amb els compostos. "
Glace i el seu equip van intentar incorporar les barres de tensió reforçant al vaixell de pressió de manera adequada per al procés de bobinatge del filament. "Això és important per a la producció de gran volum", explica, "i també ens permet dissenyar el patró de bobinatge de les parets del contenidor per optimitzar l'orientació de la fibra per a cada càrrega de la zona."
Quatre passos per fer un dipòsit compost cúbic de prova per al projecte P4H. Crèdit d’imatges: “Desenvolupament d’un procés de producció per a vaixells de pressió cúbica amb suport”, Universitat Tècnica de Munic, Projecte Polymers4Hidrogen, ECCM20, juny de 2022.
Per aconseguir la cadena, l’equip ha desenvolupat un nou concepte format per quatre passos principals, com es mostra més amunt. Les puntes de tensió, que es mostren en negre als passos, són una estructura de fotogrames prefabricada fabricada mitjançant mètodes extrets del projecte Mai Skelett. Per a aquest projecte, BMW va desenvolupar un marc de parabrisa amb quatre barres de pultrusió reforçades per fibra, que després es van modelar en un marc de plàstic.
El marc d’un dipòsit cúbic experimental. Seccions esquelètiques hexagonals 3D impreses per TUM mitjançant un filament PLA no reforçat (superior), inserint barres de pultrusió CF/PA6 com a claus de tensió (mig) i després embolicant el filament al voltant de les mènsules (inferior). Crèdit d’imatge: Universitat Tècnica de Munic LCC.
"La idea és que podeu construir el marc d'un dipòsit cúbic com a estructura modular", va dir Glace. "Aquests mòduls es col·loquen en una eina de modelat, les puntes de tensió es col·loquen als mòduls del marc i, a continuació, el mètode de Mai Skelett s'utilitza al voltant dels puntes per integrar -los amb les parts del marc." Mètode de producció massiva, donant lloc a una estructura que s'utilitza com a mandril o nucli per embolicar la closca composta del dipòsit d'emmagatzematge.
TUM va dissenyar el marc del dipòsit com un "coixí" cúbic amb els costats sòlids, les cantonades arrodonides i un patró hexagonal a la part superior i inferior a través del qual es poden inserir i enganxar lligams. Els forats d'aquests bastidors també es van imprimir en 3D. "Per al nostre tanc experimental inicial, hem imprès en 3D seccions de fotogrames hexagonals mitjançant àcid polilàctic [PLA, un termoplàstic basat en bio] perquè era fàcil i barat", va dir Glace.
L’equip va comprar 68 barres de poliamida 68 (PA6) de fibra reforçada de fibra de carboni de SGL (Meitingen, Alemanya) per utilitzar -les com a lligams. "Per provar el concepte, no vam fer cap modelat", diu Gleiss, "però simplement va inserir espaciadors en un marc de nucli de bresca imprès en 3D i els va enganxar amb cola epoxi. A continuació, proporciona un mandril per a la bobinada del dipòsit. " Assenyala que, tot i que aquestes varetes són relativament fàcils de vent, hi ha alguns problemes significatius que es descriuen més endavant.
"A la primera etapa, el nostre objectiu era demostrar la fabricació del disseny i identificar problemes en el concepte de producció", va explicar Gleiss. "De manera que les puntes de tensió sobresurten de la superfície exterior de l'estructura esquelètica, i adjuntem les fibres de carboni a aquest nucli mitjançant un bobinatge de filament humit. Després d'això, al tercer pas, doblem el cap de cada canya. Termoplàstic, de manera que només utilitzem la calor per remodelar el cap de manera que s’aplanqui i es tanqui a la primera capa d’embolcall. A continuació, tornem a embolicar l'estructura de manera que el cap d'empenta pla es tanca geomètricament dins del dipòsit. laminat a les parets.
Captació espacial per bobinar. TUM utilitza taps de plàstic als extrems de les barres de tensió per evitar que les fibres s’enredin durant l’enrotllament del filament. Crèdit d’imatge: Universitat Tècnica de Munic LCC.
Glace va reiterar que aquest primer tanc era una prova de concepte. "L'ús d'impressió 3D i cola només va ser per a les proves inicials i ens va donar una idea d'alguns dels problemes que vam trobar. Per exemple, durant l’enrotllament, els filaments van ser atrapats pels extrems de les barres de tensió, provocant trencament de fibra, danys de fibra i reduint la quantitat de fibra per contrarestar -ho. Hem utilitzat uns quants taps de plàstic com a ajudes de fabricació que es van col·locar sobre els pols abans del primer pas de bobinatge. Aleshores, quan es van fer els laminats interns, vam eliminar aquests taps de protecció i vam remodelar els extrems dels pals abans de l’embolcall final. "
L’equip va experimentar amb diversos escenaris de reconstrucció. "Els que miren al voltant treballen millor", diu Grace. “A més, durant la fase de prototipat, es va utilitzar una eina de soldadura modificada per aplicar calor i remodelar els extrems de la barra. En un concepte de producció massiva, tindríeu una eina més gran que pot donar forma i formar tots els extrems dels puntes en un laminat d'acabat interior alhora. . ,
Els caps de dibuix remodelats. TUM va experimentar amb diferents conceptes i va modificar les soldadures per alinear els extrems dels lligams compostos per unir -se al laminat de la paret del dipòsit. Crèdit d’imatges: “Desenvolupament d’un procés de producció per a vaixells de pressió cúbica amb suport”, Universitat Tècnica de Munic, Projecte Polymers4Hidrogen, ECCM20, juny de 2022.
Així, el laminat es cura després del primer pas de bobinatge, els pals es remodela, el TUM completa el segon bobinatge dels filaments i, a continuació, el laminat de la paret del dipòsit exterior es cura per segona vegada. Tingueu en compte que es tracta d’un disseny de tanc tipus 5, cosa que significa que no té un revestiment de plàstic com a barrera de gas. Consulteu la discussió a la secció següent passos a continuació.
"Hem tallat la primera demostració en seccions transversals i vam assenyalar la zona connectada", va dir Glace. "Un primer pla demostra que teníem alguns problemes de qualitat amb el laminat, amb els caps de puntal que no es posen plats al laminat interior."
Resolució de problemes amb llacunes entre el laminat de les parets interiors i exteriors del dipòsit. El capçal modificat de la barra de corbata crea un buit entre el primer i el segon gir del tanc experimental. Crèdit d’imatge: Universitat Tècnica de Munic LCC.
Aquest tanc inicial de 450 x 290 x 80 mm es va completar l’estiu passat. "Hem avançat molt des de llavors, però encara tenim un buit entre interiors i laminats exteriors", va dir Glace. "Així que vam intentar omplir aquests buits amb una resina neta i d'alta viscositat. Això millora en realitat la connexió entre els espatlles i el laminat, cosa que augmenta molt la tensió mecànica. "
L’equip va continuar desenvolupant el disseny i el procés de tancs, incloses solucions per al patró de bobinatge desitjat. "Els costats del dipòsit de prova no estaven completament arrossegats perquè era difícil per a aquesta geometria crear un camí sinuós", va explicar Glace. "El nostre angle inicial de bobinatge era de 75 °, però sabíem que calia múltiples circuits per complir la càrrega en aquest recipient de pressió. Encara estem buscant una solució a aquest problema, però no és fàcil amb el programari que hi ha actualment al mercat. Pot convertir-se en un projecte de seguiment.
"Hem demostrat la viabilitat d'aquest concepte de producció", afirma Gleiss, "però hem de treballar més enllà per millorar la connexió entre el laminat i remodelar les barres de corbata. “Proves externes en una màquina de prova. Tireu els espaciadors del laminat i poseu a prova les càrregues mecàniques que poden suportar aquestes juntes. "
Aquesta part del projecte Polymers4hidrogen es completarà a finals de 2023, moment en què Gleis espera completar el segon dipòsit de demostració. Curiosament, els dissenys utilitzen avui termoplàstics reforçats en el marc i els compostos termoset a les parets del dipòsit. S’utilitzarà aquest enfocament híbrid al tanc de demostració final? "Sí", va dir Grace. "Els nostres socis del projecte Polymers4hidrogen estan desenvolupant resines epoxi i altres materials de matriu composta amb millors propietats de barrera d'hidrogen." Enumera dos socis que treballen en aquest treball, PCCL i la Universitat de Tampere (Tampere, Finlàndia).
Gleiss i el seu equip també van intercanviar informació i van discutir idees amb Jaeger al segon projecte Hydden del tanc compost compost de LCC.
"Produirem un vaixell de pressió compost conformal per a drons de recerca", afirma Jaeger. “Es tracta d’una col·laboració entre els dos departaments del Departament Aeroespacial i Geodetic de TUM - LCC i el Departament de Tecnologia de l’helicòpter (HT). El projecte es completarà a finals de 2024 i actualment estem completant el vaixell de pressió. Un disseny més que un enfocament aeroespacial i automobilístic. Després d'aquesta etapa de concepte inicial, el següent pas és realitzar un modelat estructural detallat i predir el rendiment de la barrera de l'estructura de la paret. "
"Tota la idea és desenvolupar un drone exploratori amb un sistema de pila de combustible i bateries híbrids", va continuar. Utilitzarà la bateria durant les càrregues d’alta potència (és a dir, enlairament i aterratge) i després canviarà a la pila de combustible durant el creuer de càrrega lleugera. "L'equip HT ja tenia un drone de recerca i va redissenyar el propulsor per utilitzar les bateries i les piles de combustible", va dir Yeager. "També van comprar un dipòsit CGH2 per provar aquesta transmissió."
"El meu equip va tenir l'encàrrec de construir un prototip de pressió que s'adapti, però no a causa dels problemes d'envasos que crearia un dipòsit cilíndric", explica. "Un dipòsit més planer no ofereix tanta resistència al vent. Així aconseguiu un millor rendiment del vol. " Dimensions del tanc aprox. 830 x 350 x 173 mm.
Dipòsit complicat per AFP completament termoplàstic. Per al projecte Hydden, l’equip de LCC de TUM va explorar inicialment un enfocament similar al que va utilitzar Glace (a dalt), però després es va traslladar a un enfocament mitjançant una combinació de diversos mòduls estructurals, que després es van utilitzar amb AFP (per sota). Crèdit d’imatge: Universitat Tècnica de Munic LCC.
"Una idea és similar a l'enfocament d'Elisabeth [Gleiss]", diu Yager, "per aplicar claus de tensió al mur del vaixell per compensar les forces de flexió altes. Tanmateix, en lloc d’utilitzar un procés de bobinatge per fer el dipòsit, utilitzem AFP. Per tant, hem pensat en crear una secció separada del vaixell de pressió, en què els bastidors ja estan integrats. Aquest enfocament em va permetre combinar diversos d'aquests mòduls integrats i, a continuació, aplicar una tapa final per segellar -ho tot abans del bobinat AFP final. "
"Estem intentant finalitzar aquest concepte", va continuar, "i també començar a provar la selecció de materials, que és molt important per assegurar la resistència necessària a la penetració de gas H2. Per a això, utilitzem principalment materials termoplàstics i estem treballant en diversos com afectarà el material a aquest comportament i processament de permeabilitat a la màquina AFP. És important comprendre si el tractament tindrà un efecte i si es requereix algun post-processament. També volem saber si diferents piles afectaran la permeació d’hidrogen a través del recipient de pressió ”.
El dipòsit estarà completament format per termoplàstic i les tires seran subministrades per Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Alemanya). "Utilitzarem els seus materials PPS [sulfur de polifenilè], Peek [Polyether Ketona] i LM PAEK [Polyaril Ketona de fusió baixa", va dir Yager. "A continuació, es fan comparacions per veure quina és la millor per a la protecció de la penetració i la producció de peces amb un millor rendiment." Espera completar les proves, el modelatge estructural i de processos i les primeres demostracions durant el proper any.
Els treballs de recerca es van dur a terme dins del mòdul COMET “Polymers4hidrogen” (ID 21647053) dins del programa Cometa del Ministeri Federal de Canvi Climàtic, Medi Ambient, Energia, Mobilitat, Innovació i Tecnologia i el Ministeri Federal de Tecnologia Digital i Economia. . Els autors agraeixen al Centre de competències de Polymer Polymer Polymer Leoben GmbH (PCCL, Àustria), Montanuniversitaet Leoben (Facultat de Polímer Enginyeria i Ciències, Departament de Química de Materials de Polímer, Departament de Materials i proves de Polímer), Universitat de Tamperere (facultat d'enginyeria Materials). ) Science), Peak Technology i Faurecia van contribuir a aquest treball de recerca. Comet-Modul està finançat pel govern d’Àustria i el govern de l’estat de Styria.
Les làmines pre-reforçades per a estructures de càrrega de càrrega contenen fibres contínues, no només de vidre, sinó també de carboni i aramid.
Hi ha moltes maneres de fer parts compostes. Per tant, l’elecció del mètode per a una part determinada dependrà del material, del disseny de la part i de l’ús o de l’aplicació final. Aquí teniu una guia de selecció.
Els compostos Shocker i R&M International estan desenvolupant una cadena de subministrament de fibra de carboni reciclat que proporciona una matança zero, un cost inferior a la fibra verge i eventualment oferirà longituds que s’apropen a la fibra contínua en les propietats estructurals.
Posada a la hora: 15 de març-2023