Standardní nádrže s plochým platformy pro BEV a FCEV používají termoplastické a termosetové kompozity s kosterovou konstrukcí, která poskytuje o 25% více skladování H2. #hydrogen #trends
Po spolupráci s BMW ukázala, že kubická nádrž může poskytnout vyšší objemovou účinnost než několik malých válců, technická univerzita v Mnichově se pustila do projektu na vývoj složené struktury a škálovatelné výrobní proces pro sériovou výrobu. Obrázek: Tu Dresden (nahoře) vlevo), Technická univerzita v Mnichově, Katedra uhlíkových kompozitů (LCC)
Elektrická vozidla palivových článků (FCEV) poháněná vodíkem s nulovou emisí (H2) poskytují další prostředky k dosažení nulových environmentálních cílů. Cestovní vozidlo s palivovým článkem s motorem H2 lze vyplnit za 5-7 minut a má rozsah 500 km, ale v současné době je kvůli nízkým objemu výroby dražší. Jedním ze způsobů, jak snížit náklady, je použití standardní platformy pro modely BEV a FCEV. V současné době to není možné, protože válcové nádrže typu 4 používané k ukládání komprimovaného plynu H2 (CGH2) při 700 baru ve FCEV nejsou vhodné pro kompartmenty baterií podvozku, které byly pečlivě navrženy pro elektrická vozidla. Tlakové nádoby ve formě polštářů a kostk se však mohou hodit do tohoto plochého balicího prostoru.
Patent US5577630A pro „Composite Conformal Pressell Plamesel“, aplikace podaná společností Thiokol Corp. v roce 1995 (vlevo) a pravoúhlá tlaková loď patentovaná společností BMW v roce 2009 (vpravo).
Oddělení uhlíkových kompozitů (LCC) Technické univerzity v Mnichově (Tum, Mnichov, Německo) je zapojeno do dvou projektů na rozvoj tohoto konceptu. Prvním je polymers4hydrogen (P4H), vedený střediskem kompetencí Leoben Polymer (PCCL, Leoben, Rakousko). Pracovní balíček LCC je veden kolegou Elizabeth Glace.
Druhým projektem je demonstrační a vývojové prostředí vodíku (Hydden), kde LCC vede výzkumný pracovník Christian Jaeger. Cílem oba se snaží vytvořit rozsáhlou demonstraci výrobního procesu pro výrobu vhodné nádrže CGH2 pomocí kompozitů z uhlíkových vláken.
Existuje omezená objemová účinnost, když jsou válce s malým průměrem instalovány v plochých bateriových článcích (vlevo) a tlakové nádoby na kubické typy vyrobené z ocelových vložků a vnějšího skořepiny z uhlíkových vláken/epoxidu (vpravo). Zdroj obrazu: Obrázky 3 a 6 jsou z „Numerického přístupu k návrhu pro nádobu tlakového boxu typu II s vnitřními napínacími nohama“ od RUF a Zaremba et al.
P4H vyrobila experimentální krychle, která používá termoplastický rám s kompozitními napínacími popruhy/vzpěrami zabalenými do epoxidu vyztužené z uhlíkových vláken. Hydden bude používat podobný design, ale k výrobě všech termoplastických kompozitních nádrží použije automatické rozložení vláken (AFP).
Od patentové žádosti společnosti Thiokol Corp. po „kompozitní konformní tlakové nádobu“ v roce 1995 až po německý patent DE19749950c2 V roce 1997 mohou mít komprimované plynové plavidla „jakoukoli geometrickou konfiguraci“, ale zejména ploché a nepravidelné tvary, v dutině připojené ke shellu podpory . Prvky se používají tak, aby vydržely sílu expanze plynu.
Příspěvek Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) z roku 2006 popisuje tři přístupy: vlákno rána konformní tlaková nádoba, tlaková nádoba na mikrolatce obsahující vnitřní pravomocnou strukturu mřížky (malé buňky 2 cm nebo méně), obklopené tenkostěnnou nádobou H2, obklopenou tenkostěnnou kontejnerem H2 H2, obklopenou tenkostěnnou kontejnerem H2 H2. a kontejner replikátoru, sestávající z vnitřní struktury sestávající z přilepených malých částí (např. Hexagonální plastové prsteny) a Složení pokožky tenkého vnějšího skořepiny. Duplicitní kontejnery jsou nejvhodnější pro větší kontejnery, kde může být obtížné použít tradiční metody.
Patent DE102009057170A podaný Volkswagen v roce 2009 popisuje tlakovou nádobu namontovanou na vozidlo, které poskytne vysokou účinnost hmotnosti a zároveň zlepšuje využití prostoru. Obdélníkové nádrže používají konektory napětí mezi dvěma obdélníkovými protilehlými stěnami a rohy jsou zaoblené.
Výše uvedené a další koncepty jsou citovány Gleiss v článku „Vývoj procesu pro krychlové tlakové nádoby s natahovacími tyčemi“ od Gleiss et al. v ECCM20 (26.-30. června 2022, Lausanne, Švýcarsko). V tomto článku cituje studii TUM publikované Michaelem Roofem a Sven Zaremba, která zjistila, že kubická tlaková nádoba s napětí spojující obdélníkové strany je účinnější než několik malých válců, které zapadají do prostoru ploché baterie, a poskytují přibližně 25 přibližně 25 % více. úložný prostor.
Podle Gleiss je problém s instalací velkého počtu malých válců typu 4 v plochém pouzdře, že „objem mezi válci je výrazně snížen a systém má také velmi velký povrch pro permeaci plynu H2. Celkově systém poskytuje méně skladovací kapacity než krychlové nádoby. “
Existují však i další problémy s krychlovým designem tanku. "Je zřejmé, že kvůli stlačenému plynu musíte čelit ohýbacím silám na plochých stěnách," řekl Gleiss. "K tomu potřebujete zesílenou strukturu, která se interně spojuje se stěnami nádrže." Ale to je těžké dělat s kompozity. “
Glace a její tým se pokusili začlenit zesílené napínací tyče do tlakové nádoby způsobem, který by byl vhodný pro proces vinutí vlákna. "To je důležité pro produkci s vysokým objemem," vysvětluje, "a také nám umožňuje navrhnout vinutí kontejnerových stěn pro optimalizaci orientace vláken pro každé zatížení v zóně."
Čtyři kroky k vytvoření kompozitního nádrže pro projekt P4H. Obrázek kreditu: „Vývoj výrobního procesu pro krychlové tlakové plavidla s ortézou“, Technical University of Mnichov, Polymers4hydrogen Project, ECCM20, červen 2022.
Pro dosažení on-řetězec vyvinul tým nový koncept sestávající ze čtyř hlavních kroků, jak je uvedeno výše. Napětí vzpěry, zobrazené černě na schodech, jsou prefabrikovaná rámová struktura vyrobená pomocí metod převzatých z projektu Mai Skelett. Pro tento projekt vyvinul BMW „rámec“ rámu čelního skla za použití čtyř pultruzních tyčí vyztužených vlákny, které byly poté formovány do plastového rámu.
Rám experimentální krychlové nádrže. Hexagonální kosterní řezy 3D vytištěné Tum pomocí nevyztuženého vlákna PLA (horní), vkládající pultruzní tyče CF/PA6 jako napínací rovnátka (uprostřed) a poté zabalení vlákna kolem rovnátka (dole). Obrázek kredit: Technická univerzita v Mnichově LCC.
"Myšlenka je, že můžete postavit rám krychlové nádrže jako modulární strukturu," řekl Glace. "Tyto moduly jsou poté umístěny do formovacího nástroje, napínací vzpěry jsou umístěny do rámových modulů a poté se kolem vzpěr použije metoda Mai Skeletta k jejich integraci s rámcovými částmi." Metoda hmotnostní výroby, která má za následek strukturu, která se potom používá jako trn nebo jádro k zabalení kompozitní skořepiny skladovací nádrže.
Tum navrhl nádrž jako kubický „polštář“ s pevnými stranami, zaoblenými rohy a šestiúhelníkovým vzorem nahoře a dole, skrz který lze vložit a připojit vazby. Otvory pro tyto stojany byly také 3D vytištěny. "Pro naši počáteční experimentální nádrž jsme 3D vytištěli hexagonální rámové sekce pomocí kyseliny polylaktické [PLA, biopoplastickou na bázi bio), protože to bylo snadné a levné," řekl Glace.
Tým zakoupil polyamid 6 (PA6) z uhlíku 68 pultruded z uhlíkových polyamidů z SGL (Meitingen, Německo) pro použití jako vazby. „Abychom tento koncept testovali, nedělali jsme žádné formování,“ říká Gleiss, „ale jednoduše vložili rozpěrky do 3D tištěného voštinového jádra a přilepili je epoxidovým lepidlem. To pak poskytuje mandrel pro vinutí nádrže. “ Poznamenává, že ačkoli jsou tyto pruty relativně snadné navinout, existují některé významné problémy, které budou popsány později.
"V první fázi bylo naším cílem prokázat výrobní návrh a identifikovat problémy s produkční koncepcí," vysvětlil Gleiss. "Napínací vzpěry tedy vyčnívají z vnějšího povrchu kosterní struktury a uhlík přikládáme k tomuto jádru pomocí vinutí mokrého vlákna." Poté, ve třetím kroku, ohýbáme hlavu každé vázací tyče. Termoplastická, takže pouze používáme teplo k přetvoření hlavy tak, aby se zploštila a zamkla do první vrstvy balení. Poté pokračujeme znovu zabalit strukturu tak, aby plochá tahová hlava byla geometricky uzavřena do nádrže. laminát na stěnách.
Spacer CAP pro vinutí. TUM používá plastové uzávěry na koncích napínacích tyčí, aby se zabránilo zamotání vláken během vinutí vlákna. Obrázek kredit: Technická univerzita v Mnichově LCC.
Glace zopakovala, že tento první tank byl důkazem konceptu. „Použití 3D tisku a lepidla bylo pouze pro počáteční testování a poskytlo nám představu o několika problémech, se kterými jsme se setkali. Například během vinutí byla vlákna chycena koncemi napěťových tyčí, což způsobilo zlomení vláken, poškození vlákna a snížení množství vlákna, aby se tomuto čelila. Použili jsme několik plastových uzávěrů jako výrobní pomůcky, které byly umístěny na pólech před prvním krokem navíjení. Poté, když byly provedeny vnitřní lamináty, odstranili jsme tyto ochranné čepice a před konečným obal jsme přetvořili konce pólů. “
Tým experimentoval s různými scénáři rekonstrukce. "Ti, kteří se rozhlížejí kolem, pracují nejlépe," říká Grace. „Během fáze prototypování jsme také použili modifikovaný svařovací nástroj k nanesení tepla a přetvoření konců vázacích tyče. V konceptu hromadné výroby byste měli jeden větší nástroj, který dokáže tvarovat a vytvořit všechny konce vzpěr do vnitřního laminátu současně. . “
Hlavy drawbar se přetvořily. Tum experimentoval s různými koncepty a upravil svary tak, aby zarovnal konce kompozitních vazeb pro připojení k laminátu nádrže. Obrázek kreditu: „Vývoj výrobního procesu pro krychlové tlakové plavidla s ortézou“, Technical University of Mnichov, Polymers4hydrogen Project, ECCM20, červen 2022.
Laminát je tedy vyléčen po prvním kroku navíjení, sloupky jsou přetvořeny, Tum dokončí druhé vinutí vlákna a poté je laminát vnější stěny nádrže podruhé vyléčen. Upozorňujeme, že se jedná o design nádrže typu 5, což znamená, že jako plynová bariéra nemá plastovou vložku. Podívejte se na diskusi v následující části níže.
"První demo jsme nakrájeli na průřezy a zmapovali připojenou oblast," řekl Glace. "Detail ukazuje, že jsme měli nějaké kvalitní problémy s laminátem, přičemž vzpěry se na vnitřní laminát nepoložily."
Řešení problémů s mezerami mezi laminátem vnitřní a vnější stěny nádrže. Modifikovaná hlava vázacích tyče vytváří mezeru mezi prvním a druhým zatáčkám experimentálního nádrže. Obrázek kredit: Technická univerzita v Mnichově LCC.
Tento počáteční nádrž 450 x 290 x 80 mm byl dokončen loni v létě. "Od té doby jsme dosáhli velkého pokroku, ale stále máme mezeru mezi interiérem a vnějším laminátem," řekl Glace. "Snažili jsme se tedy tyto mezery vyplnit čistou, vysokou viskozitní pryskyřicí." To ve skutečnosti zlepšuje spojení mezi čepy a laminátem, což výrazně zvyšuje mechanické napětí. “
Tým pokračoval ve vývoji designu a procesu tanku, včetně řešení pro požadovaný vinutí. "Strany zkušební nádrže nebyly plně stočené, protože pro tuto geometrii bylo obtížné vytvořit cestu navíjení," vysvětlil Glace. "Náš počáteční úhel vinutí byl 75 °, ale věděli jsme, že k splnění zatížení v této tlakové nádobě je zapotřebí více obvodů." Stále hledáme řešení tohoto problému, ale není to snadné se softwarem, který je v současné době na trhu. Může se stát následným projektem.
„Prokázali jsme proveditelnost tohoto konceptu produkce,“ říká Gleiss, „musíme však dále pracovat, abychom zlepšili spojení mezi laminátem a přetvořili kravata. „Externí testování na testovacím stroji. Vytáhnete rozpěrky z laminátu a otestujete mechanické zatížení, které tyto klouby vydrží. “
Tato část projektu Polymers4hydrogen bude dokončena na konci roku 2023, do té doby Gleis doufá, že dokončí druhý demonstrační nádrž. Zajímavé je, že návrhy dnes používají úhledné termoplastiky v rámečku a termosetové kompozity ve stěnách nádrže. Bude tento hybridní přístup použit v závěrečné demonstrační nádrži? "Ano," řekla Grace. "Naši partneři v projektu Polymers4hydrogen vyvíjejí epoxidové pryskyřice a další kompozitní maticové materiály s lepšími vlastnostmi bariéry vodíku." Na této práci uvádí dva partnery, kteří pracují, PCCL a University of Tampere (Tampere, Finsko).
Gleiss a její tým si také vyměnili informace a diskutovali o nápadech s Jaegerem na druhém Hyddenově projektu z konformního kompozitního tanku LCC.
"Pro výzkumné drony budeme produkovat konformní kompozitní tlakovou nádobu," říká Jaeger. „Jedná se o spolupráci mezi dvěma odděleními Aerospace a Geodetic Department of Tum - LCC a Department of Helicopter Technology (HT). Projekt bude dokončen do konce roku 2024 a v současné době dokončujeme tlakovou nádobu. Design, který je více leteckým a automobilovým přístupem. Po této počáteční fázi konceptu je dalším krokem provést podrobné strukturální modelování a předpovídat bariérový výkon struktury stěny. “
"Celá myšlenka je vyvinout průzkumný dron s hybridním palivovým článkem a pohonným systémem baterie," pokračoval. Během vysokého výkonu (tj. Vzlekání a přistání) použije baterii a poté během plavby zatížení světla přepíná na palivový článek. "Tým HT již měl výzkumný dron a přepracoval hnací ústrojí k používání baterií i palivových článků," řekl Yeager. "Zakoupili také nádrž CGH2 k testování tohoto přenosu."
"Můj tým byl pověřen budováním prototypu tlakové nádrže, který by se vešel, ale ne kvůli problémům s balením, které by vytvořil válcový nádrž," vysvětluje. "Litter nádrž nenabízí tolik odporu větru." Takže získáte lepší výkon letu. “ Rozměry nádrže cca. 830 x 350 x 173 mm.
Plně termoplastická nádrž kompatibilní s AFP. Pro projekt Hydden tým LCC v TUM zpočátku prozkoumal podobný přístup k tomu, který používal GLACE (výše), ale poté se přesunul k přístupu pomocí kombinace několika strukturálních modulů, které byly poté nadužívány pomocí AFP (níže). Obrázek kredit: Technická univerzita v Mnichově LCC.
"Jedna myšlenka je podobná přístupu Elisabeth [Gleiss]," říká Yager, "aplikovat napínací rovnátka na stěnu plavidla, aby kompenzoval vysoce ohybové síly." Místo použití procesu vinutí k výrobě nádrže však používáme AFP. Proto jsme přemýšleli o vytvoření samostatné části tlakové nádoby, ve které jsou stojany již integrovány. Tento přístup mi umožnil kombinovat několik z těchto integrovaných modulů a poté aplikovat koncový čepice, aby se vše před konečným vinutím AFP utěsnilo. “
„Snažíme se takový koncept dokončit,“ pokračoval, „a také začít testovat výběr materiálů, což je velmi důležité pro zajištění nezbytného odporu vůči penetraci plynu H2. Za tímto účelem používáme hlavně termoplastické materiály a pracujeme na různých, jak materiál ovlivní toto chování a zpracování ve stroji AFP. Je důležité pochopit, zda léčba bude mít účinek a pokud je vyžadováno nějaké následné zpracování. Chceme také vědět, zda různé hromádky ovlivní pronikání vodíku prostřednictvím tlakové nádoby. “
Nádrž bude zcela vyrobena z termoplastického a proužky budou dodány Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Německo). "Budeme používat jejich PPS [polyfenylensulfid], peek [polyether keton] a LM paek [s nízkým tavením polyaryl ketone]," řekl Yager. "Srovnání se pak vytvoří, aby bylo možné zjistit, která z nich je nejlepší pro ochranu penetrace a produkci dílů s lepším výkonem." Doufá, že dokončí testování, strukturální a procesní modelování a první demonstrace v příštím roce.
Výzkumné práce byly prováděny v modulu komety „Polymers4hydrogen“ (ID 21647053) v rámci programu komety federálního ministerstva pro změnu klimatu, životního prostředí, energie, mobility, inovace a technologie a federální ministerstvo pro digitální technologii a ekonomiku. . Autoři děkují zúčastněným partnerům polymerní kompetenční centrum Leoben GmbH (PCCL, Rakousko), Montanuniversitaet Leoben (fakulta polymerního inženýrství a vědy, Katedra chemie polymerních materiálů, Katedra materiálových věd a testování polymeru), University of Tampere (fakulta inženýrství Materiály). ), Špičková technologie a Faurecia přispěly k této výzkumné práci. Comet-modul je financován vládou Rakouska a vládou státu Styrrie.
Předběžné listy pro struktury nesoucí zatížení obsahují kontinuální vlákna-nejen ze skla, ale také ze uhlíku a aramidu.
Existuje mnoho způsobů, jak vyrobit kompozitní části. Výběr metody pro konkrétní část proto bude záviset na materiálu, návrhu části a konečném použití nebo aplikaci. Zde je průvodce výběrem.
Kompozity Shocker a R&M International vyvíjejí recyklovaný dodavatelský řetězec z uhlíkových vláken, který poskytuje nulové zabíjení, nižší náklady než panenské vlákno a nakonec nabídne délky, které se přibližují nepřetržitým vláknem ve strukturálních vlastnostech.
Čas příspěvku: Mar-15-2023