Standardní nádrže s plochou platformou pro BEV a FCEV používají termoplastické a termosetové kompozity s konstrukcí skeletu, která poskytuje o 25 % více H2. #vodík #trendy
Poté, co spolupráce s BMW ukázala, že krychlová nádrž může zajistit vyšší objemovou účinnost než několik malých válců, pustila se Technická univerzita v Mnichově do projektu vývoje kompozitní struktury a škálovatelného výrobního procesu pro sériovou výrobu. Obrazový kredit: TU Dresden (nahoře) vlevo), Technická univerzita v Mnichově, Katedra uhlíkových kompozitů (LCC)
Elektrická vozidla s palivovými články (FCEV) poháněná vodíkem s nulovými emisemi (H2) poskytují další prostředky k dosažení nulových environmentálních cílů. Osobní automobil na palivové články s motorem H2 lze naplnit za 5-7 minut a má dojezd 500 km, ale v současnosti je dražší kvůli nízkým objemům výroby. 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 pro skladování stlačeného plynu H2 (CGH2) při 700 barech v FCEV nejsou vhodné pro bateriové prostory pod karoserií, které byly pečlivě navrženy pro elektrická vozidla. Do tohoto plochého obalového prostoru se však vejdou tlakové nádoby v podobě polštářů a kostek.
Patent US5577630A pro „Composite Conformal Pressure Vessel“, přihláška podaná společností Thiokol Corp. v roce 1995 (vlevo) a obdélníková tlaková nádoba patentovaná společností BMW v roce 2009 (vpravo).
Katedra uhlíkových kompozitů (LCC) Technické univerzity v Mnichově (TUM, Mnichov, Německo) je zapojena do dvou projektů rozvoje tohoto konceptu. První je Polymers4Hydrogen (P4H), vedený Leoben Polymer Competence Center (PCCL, Leoben, Rakousko). Pracovní balíček LCC vede kolegyně Elizabeth Glace.
Druhým projektem je vodíkové demonstrační a vývojové prostředí (HyDDen), kde LCC vede výzkumník Christian Jaeger. Oba mají za cíl vytvořit rozsáhlou ukázku výrobního procesu pro výrobu vhodné nádrže CGH2 pomocí kompozitů z uhlíkových vláken.
Objemová účinnost je omezená, když jsou válce o malém průměru instalovány v plochých bateriových článcích (vlevo) a tlakových nádobách krychlového typu 2 vyrobených z ocelových vložek a vnějšího pláště z uhlíkových vláken/epoxidu (vpravo). Zdroj obrázku: Obrázky 3 a 6 jsou z „Numerical Design Approach for Type II Pressure Box Vessel with Internal Tension Legs“ od Rufa a Zaremby et al.
Společnost P4H vyrobila experimentální krychlovou nádrž, která používá termoplastický rám s kompozitními napínacími popruhy/vzpěrami zabalenými do epoxidu vyztuženého uhlíkovými vlákny. HyDDen bude používat podobný design, ale k výrobě všech nádrží z termoplastických kompozitů bude používat automatické pokládání vláken (AFP).
Od patentové přihlášky Thiokol Corp. na „Composite Conformal Pressure Vessel“ v roce 1995 až po německý patent DE19749950C2 v roce 1997 mohou mít nádoby na stlačený plyn „libovolnou geometrickou konfiguraci“, ale zejména ploché a nepravidelné tvary v dutině spojené s podpěrou pláště. . prvky se používají tak, aby odolávaly síle expanze plynu.
Dokument Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) z roku 2006 popisuje tři přístupy: konformní tlakovou nádobu s navinutým vláknem, tlakovou nádobu s mikromřížkou obsahující vnitřní ortorombickou mřížkovou strukturu (malé buňky o velikosti 2 cm nebo méně), obklopenou tenkostěnnou nádobou H2, a nádobu replikátoru, sestávající z vnitřní struktury sestávající z lepených malých částí (např. šestihranných plastových kroužků) a kompozice tenkého vnějšího pláště. Duplicitní nádoby jsou nejvhodnější pro větší nádoby, kde může být obtížné použít tradiční metody.
Patent DE102009057170A podaný společností Volkswagen v roce 2009 popisuje tlakovou nádobu namontovanou ve vozidle, která poskytne vysokou hmotnostní účinnost a zároveň zlepší využití prostoru. Obdélníkové nádrže používají napínací spojky mezi dvěma obdélníkovými protilehlými stěnami a rohy jsou zaoblené.
Výše uvedené a další koncepty jsou citovány Gleissem v článku „Vývoj procesů pro kubické tlakové nádoby s napínacími tyčemi“ od Gleiss et al. v ECCM20 (26.–30. června 2022, Lausanne, Švýcarsko). V tomto článku cituje studii TUM publikovanou Michaelem Roofem a Svenem Zarembou, která zjistila, že krychlová tlaková nádoba s napínacími vzpěrami spojujícími pravoúhlé strany je účinnější než několik malých válců, které se vejdou do prostoru ploché baterie a poskytují přibližně 25 % více. úložný prostor.
Podle Gleisse je problém s instalací velkého počtu malých lahví typu 4 v ploché skříni v tom, že „objem mezi válci je značně zmenšen a systém má také velmi velkou plochu prostupu plynu H2. Celkově systém poskytuje menší skladovací kapacitu než krychlové sklenice.“
Existují však další problémy s krychlovým designem nádrže. "Je zřejmé, že kvůli stlačenému plynu musíte působit proti ohybovým silám na plochých stěnách," řekl Gleiss. „K tomu potřebujete zesílenou konstrukci, která se vnitřně připojuje ke stěnám nádrže. Ale to se s kompozity těžko dělá.“
Glace a její tým se pokusili začlenit výztužné napínací tyče do tlakové nádoby způsobem, který by byl vhodný pro proces navíjení vlákna. "To je důležité pro velkoobjemovou výrobu," vysvětluje, "a také nám to umožňuje navrhnout vzor navíjení stěn kontejneru pro optimalizaci orientace vláken pro každou zátěž v zóně."
Čtyři kroky k vytvoření zkušební krychlové kompozitní nádrže pro projekt P4H. Obrazový kredit: „Vývoj výrobního procesu pro krychlové tlakové nádoby s výztuhou“, Technická univerzita v Mnichově, projekt Polymers4Hydrogen, ECCM20, červen 2022.
Pro dosažení on-chain tým vyvinul nový koncept sestávající ze čtyř hlavních kroků, jak je uvedeno výše. Tažné vzpěry, zobrazené černě na schodech, jsou prefabrikovanou rámovou konstrukcí vyrobenou pomocí metod převzatých z projektu MAI Skelett. Pro tento projekt BMW vyvinulo „rámeček“ rámu čelního skla pomocí čtyř vlákny vyztužených pultruzních tyčí, které byly poté vytvarovány do plastového rámu.
Rám experimentální krychlové nádrže. Šestiúhelníkové skeletální řezy 3D vytištěné společností TUM s použitím nevyztuženého vlákna PLA (nahoře), vložením tyčí pultruze CF/PA6 jako napínacích výztuh (uprostřed) a poté omotáním vlákna kolem výztuh (dole). Obrazový 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 lisovacího nástroje, napínací vzpěry jsou umístěny do modulů rámu a poté je použita metoda MAI Skelett kolem vzpěr k jejich integraci s částmi rámu." způsob hromadné výroby, jehož výsledkem je struktura, která se pak používá jako trn nebo jádro k obalení kompozitního pláště skladovací nádrže.
TUM navrhl rám nádrže jako krychlový „polštář“ s pevnými stranami, zaoblenými rohy a šestiúhelníkovým vzorem na horní a spodní straně, přes který lze zasunout a připevnit spojky. Otvory pro tyto stojany byly také vytištěny 3D. „Pro naši počáteční experimentální nádrž jsme 3D tiskli šestiúhelníkové části rámu pomocí kyseliny polymléčné [PLA, termoplast na biologické bázi], protože to bylo snadné a levné,“ řekl Glace.
Tým zakoupil 68 tyčí z polyamidu 6 (PA6) vyztužených uhlíkovými vlákny od společnosti SGL Carbon (Meitingen, Německo) pro použití jako úvazy. „Abychom tento koncept otestovali, nedělali jsme žádné lisování,“ říká Gleiss, „ale jednoduše vložili distanční vložky do 3D tištěného voštinového jádra a přilepili je epoxidovým lepidlem. To pak poskytuje trn pro navíjení nádrže.“ Poznamenává, že ačkoli se tyto pruty dají relativně snadno navíjet, existují některé významné problémy, které budou popsány později.
„V první fázi bylo naším cílem demonstrovat vyrobitelnost designu a identifikovat problémy ve výrobní koncepci,“ vysvětlil Gleiss. „Takže napínací vzpěry vyčnívají z vnějšího povrchu skeletové struktury a uhlíková vlákna připojujeme k tomuto jádru pomocí navíjení vlhkého vlákna. Poté ve třetím kroku ohneme hlavu každého táhla. termoplast, takže jen pomocí tepla přetvarujeme hlavu tak, aby se zploštila a zaklapla do první vrstvy obalu. Poté přistoupíme k opětovnému zabalení konstrukce tak, aby plochá přítlačná hlava byla geometricky uzavřena uvnitř nádrže. laminát na stěnách.
Distanční uzávěr pro navíjení. TUM používá plastové krytky na koncích napínacích tyčí, aby se zabránilo zamotání vláken během navíjení vlákna. Obrazový kredit: Technická univerzita v Mnichově LCC.
Glace zopakoval, 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 navíjení byla vlákna zachycena konci napínacích vzpěr, což způsobilo přetržení vlákna, poškození vlákna a snížení množství vlákna, aby se tomu zabránilo. jako pomůcku při výrobě jsme použili několik plastových krytek, které byly umístěny na tyče před prvním krokem navíjení. Poté, když byly vyrobeny vnitřní lamináty, jsme tyto ochranné krytky odstranili a před konečným zabalením přetvarovali konce tyčí.“
Tým experimentoval s různými scénáři rekonstrukce. „Ti, kteří se rozhlížejí kolem, pracují nejlépe,“ říká Grace. „Během fáze prototypování jsme také použili upravený svařovací nástroj k aplikaci tepla a přetvoření konců spojovacích tyčí. V konceptu hromadné výroby byste měli jeden větší nástroj, který dokáže tvarovat a formovat všechny konce vzpěr do vnitřního laminátu současně. . “
Hlavy ojí předělané. TUM experimentoval s různými koncepcemi a upravil sváry tak, aby zarovnaly konce kompozitních spojek pro připevnění k laminátové stěně nádrže. Obrazový kredit: „Vývoj výrobního procesu pro krychlové tlakové nádoby s výztuhou“, Technická univerzita v Mnichově, projekt Polymers4Hydrogen, ECCM20, červen 2022.
Laminát je tedy vytvrzen po prvním kroku navíjení, sloupky jsou přetvarovány, TUM dokončí druhé navíjení vláken a potom se laminát vnější stěny nádrže vytvrdí podruhé. Vezměte prosím na vědomí, že se jedná o konstrukci nádrže typu 5, což znamená, že nemá plastovou vložku jako plynovou bariéru. Podívejte se na diskusi v části Další kroky níže.
"První demo jsme rozřezali na průřezy a zmapovali připojenou oblast," řekl Glace. "Pohled zblízka ukazuje, že jsme měli nějaké problémy s kvalitou laminátu, protože hlavy vzpěr neležely na vnitřním laminátu."
Řešení problémů s mezerami mezi laminátem vnitřní a vnější stěny nádrže. Upravená hlava spojovací tyče vytváří mezeru mezi prvním a druhým závitem experimentální nádrže. Obrazový kredit: Technická univerzita v Mnichově LCC.
Tato původní nádrž o rozměrech 450 x 290 x 80 mm byla dokončena loni v létě. "Od té doby jsme udělali velký pokrok, ale stále máme mezeru mezi vnitřním a vnějším laminátem," řekl Glace. "Takže jsme se pokusili vyplnit tyto mezery čistou pryskyřicí s vysokou viskozitou." To ve skutečnosti zlepšuje spojení mezi kolíky a laminátem, což značně zvyšuje mechanické namáhání.“
Tým pokračoval ve vývoji konstrukce nádrže a procesu, včetně řešení pro požadovaný vzor vinutí. „Strany testovací nádrže nebyly zcela zvlněné, protože pro tuto geometrii bylo obtížné vytvořit klikatou dráhu,“ vysvětlil Glace. „Náš počáteční úhel vinutí byl 75°, ale věděli jsme, že k pokrytí zátěže v této tlakové nádobě je potřeba více okruhů. Stále hledáme řešení tohoto problému, ale se softwarem, který je aktuálně na trhu, to není jednoduché. Může se stát navazujícím projektem.
„Prokázali jsme proveditelnost tohoto výrobního konceptu,“ říká Gleiss, „ale musíme dále pracovat na zlepšení spojení mezi laminátem a přetvoření spojovacích tyčí. „Externí testování na testovacím stroji. Vytáhnete distanční vložky z laminátu a otestujete mechanické zatížení, které tyto spoje vydrží.“
Tato část projektu Polymers4Hydrogen bude dokončena na konci roku 2023, do té doby Gleis doufá, že dokončí druhou demonstrační nádrž. Zajímavé je, že konstrukce dnes používají čisté vyztužené termoplasty v rámu a termosetové kompozity ve stěnách nádrže. Bude tento hybridní přístup použit ve finálním demonstračním tanku? "Ano," řekla Grace. "Naši partneři v projektu Polymers4Hydrogen vyvíjejí epoxidové pryskyřice a další kompozitní matricové materiály s lepšími vlastnostmi vodíkové bariéry." Uvádí dva partnery pracující na této práci, PCCL a University of Tampere (Tampere, Finsko).
Gleiss a její tým si také vyměňovali informace a diskutovali s Jaegerem o nápadech ohledně druhého projektu HyDDen z konformního kompozitního tanku LCC.
„Budeme vyrábět konformní kompozitní tlakovou nádobu pro výzkumné drony,“ říká Jaeger. „Jde o spolupráci mezi dvěma odděleními Leteckého a geodetického oddělení TUM – LCC a Ústavem vrtulníkové techniky (HT). Projekt bude dokončen do konce roku 2024 a v současné době dokončujeme tlakovou nádobu. design, který je spíše leteckým a automobilovým přístupem. Po této počáteční koncepční fázi je dalším krokem provedení podrobného strukturálního modelování a předpovídání bariérového chování konstrukce stěny.
„Celá myšlenka je vyvinout průzkumný dron s hybridním palivovým článkem a bateriovým pohonným systémem,“ pokračoval. Bude používat baterii při vysokém energetickém zatížení (tj. při vzletu a přistání) a poté se přepne na palivový článek během plavby s lehkým zatížením. „Tým HT již měl výzkumný dron a přepracoval pohonné ústrojí tak, aby využívalo jak baterie, tak palivové články,“ řekl Yeager. "Zakoupili také tank CGH2, aby otestovali tuto převodovku."
„Můj tým měl za úkol postavit prototyp tlakové nádoby, který by se hodil, ale ne kvůli problémům s balením, které by válcová nádrž způsobila,“ vysvětluje. „Plochší nádrž nenabízí tak velký odpor větru. Získáte tak lepší letový výkon.“ Rozměry nádrže cca. 830 x 350 x 173 mm.
Plně termoplastická nádrž vyhovující AFP. U projektu HyDDen tým LCC v TUM zpočátku prozkoumal podobný přístup, jaký používá Glace (výše), ale poté přešel na přístup využívající kombinaci několika strukturálních modulů, které byly následně nadměrně používány pomocí AFP (níže). Obrazový kredit: Technická univerzita v Mnichově LCC.
„Jeden nápad je podobný přístupu Elisabeth [Gleissové],“ říká Yager, „aplikovat tahové výztuhy na stěnu cévy, aby se kompenzovaly vysoké ohybové síly. Avšak místo použití procesu navíjení k výrobě nádrže používáme AFP. Proto jsme uvažovali o vytvoření samostatné sekce tlakové nádoby, ve které jsou již regály integrovány. Tento přístup mi umožnil zkombinovat několik těchto integrovaných modulů a poté použít koncový uzávěr pro utěsnění všeho před konečným vinutím AFP.
„Snažíme se dokončit takový koncept,“ pokračoval, „a také začít testovat výběr materiálů, což je velmi důležité pro zajištění potřebné odolnosti proti průniku plynu H2. K tomu používáme hlavně termoplastické materiály a pracujeme na různých způsobech, jak materiál ovlivní toto permeační chování a zpracování v AFP stroji. Je důležité pochopit, zda bude mít léčba účinek a zda je nutné nějaké následné zpracování. Chceme také vědět, zda různé komíny ovlivní prostup vodíku tlakovou nádobou.
Nádrž bude celá vyrobena z termoplastu a pásy dodá společnost Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Německo). „Budeme používat jejich materiály PPS [polyfenylensulfid], PEEK [polyetherketon] a LM PAEK [nízkotavící polyarylketon],“ řekl Yager. "Poté se porovnává, která z nich je nejlepší pro ochranu proti průniku a výrobu dílů s lepším výkonem." Doufá, že během příštího roku dokončí testování, strukturální a procesní modelování a první demonstrace.
Výzkumné práce byly prováděny v rámci modulu COMET „Polymers4Hydrogen“ (ID 21647053) v rámci programu COMET Spolkového ministerstva pro změnu klimatu, životního prostředí, energetiky, mobility, inovací a technologií a Spolkového ministerstva pro digitální technologie a ekonomiku. . Autoři děkují zúčastněným partnerům Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL, Rakousko), Montanuniversitaet Leoben (Fakulta inženýrství a vědy polymerů, Katedra chemie polymerních materiálů, Katedra materiálových věd a testování polymerů), Univerzita v Tampere (Fakulta inženýrství materiály). ) Science), Peak Technology a Faurecia přispěly k této výzkumné práci. COMET-Modul je financován vládou Rakouska a vládou spolkové země Štýrsko.
Předem vyztužené plechy pro nosné konstrukce obsahují souvislá vlákna – nejen ze skla, ale také z uhlíku a aramidu.
Existuje mnoho způsobů, jak vyrobit kompozitní díly. Proto bude výběr metody pro konkrétní součást záviset na materiálu, konstrukci součásti a konečném použití nebo aplikaci. Zde je průvodce výběrem.
Shocker Composites a R&M International vyvíjejí dodavatelský řetězec recyklovaných uhlíkových vláken, který poskytuje nulovou porážku, nižší náklady než primární vlákno a nakonec nabídne délky, které se svými strukturálními vlastnostmi přibližují vláknům.
Čas odeslání: 15. března 2023