Mae tanciau platfform gwastad safonol ar gyfer BEVs a FCEVs yn defnyddio cyfansoddion thermoplastig a thermoset gydag adeiladwaith sgerbwd sy'n darparu 25% yn fwy o storfa H2. #hydrogen #tueddiadau
Ar ôl i gydweithrediad â BMW ddangos y gallai tanc ciwbig sicrhau effeithlonrwydd cyfeintiol uwch na silindrau bach lluosog, cychwynnodd Prifysgol Dechnegol Munich ar brosiect i ddatblygu strwythur cyfansawdd a phroses gweithgynhyrchu graddadwy ar gyfer cynhyrchu cyfresol. Credyd delwedd: TU Dresden (uchaf) chwith), Prifysgol Dechnegol Munich, Adran Cyfansoddion Carbon (LCC)
Mae cerbydau trydan celloedd tanwydd (FCEVs) sy'n cael eu pweru gan hydrogen sero allyriadau (H2) yn darparu dulliau ychwanegol o gyrraedd targedau amgylcheddol sero. Gellir llenwi car teithwyr cell tanwydd gydag injan H2 mewn 5-7 munud ac mae ganddo ystod o 500 km, ond ar hyn o bryd mae'n ddrutach oherwydd cyfeintiau cynhyrchu isel. Un ffordd o leihau costau yw defnyddio llwyfan safonol ar gyfer modelau BEV a FCEV. Nid yw hyn yn bosibl ar hyn o bryd oherwydd nid yw'r tanciau silindrog Math 4 a ddefnyddir i storio nwy H2 cywasgedig (CGH2) ar 700 bar mewn FCEVs yn addas ar gyfer yr adrannau batri dan gorff sydd wedi'u cynllunio'n ofalus ar gyfer cerbydau trydan. Fodd bynnag, gall llestri pwysau ar ffurf gobenyddion a chiwbiau ffitio i'r gofod pecynnu gwastad hwn.
Patent US5577630A ar gyfer “Llong Pwysau Cydffurfiol Cyfansawdd”, cais a ffeiliwyd gan Thiokol Corp. ym 1995 (chwith) a'r llestr pwysedd hirsgwar a batentiwyd gan BMW yn 2009 (dde).
Mae Adran Cyfansoddion Carbon (LCC) Prifysgol Dechnegol Munich (TUM, Munich, yr Almaen) yn ymwneud â dau brosiect i ddatblygu'r cysyniad hwn. Y cyntaf yw Polymers4Hydrogen (P4H), dan arweiniad Canolfan Cymhwysedd Polymer Leoben (PCCL, Leoben, Awstria). Arweinir pecyn gwaith yr LCC gan y Cymrawd Elizabeth Glace.
Yr ail brosiect yw'r Amgylchedd Arddangos a Datblygu Hydrogen (HyDDen), lle mae LCC yn cael ei arwain gan yr Ymchwilydd Christian Jaeger. Nod y ddau yw creu arddangosiad ar raddfa fawr o'r broses weithgynhyrchu ar gyfer gwneud tanc CGH2 addas gan ddefnyddio cyfansoddion ffibr carbon.
Mae effeithlonrwydd cyfeintiol cyfyngedig pan osodir silindrau diamedr bach mewn celloedd batri fflat (chwith) a llestri pwysedd ciwbig math 2 wedi'u gwneud o leinin dur a chragen allanol cyfansawdd ffibr carbon / epocsi (dde). Ffynhonnell Delwedd: Daw Ffigurau 3 a 6 o “Dull Dylunio Rhifiadol ar gyfer Llestr Blwch Pwysedd Math II gyda Choesau Tensiwn Mewnol” gan Ruf a Zaremba et al.
Mae P4H wedi gwneud tanc ciwb arbrofol sy'n defnyddio ffrâm thermoplastig gyda strapiau / stratiau tensiwn cyfansawdd wedi'u lapio mewn epocsi wedi'i atgyfnerthu â ffibr carbon. Bydd HydDen yn defnyddio dyluniad tebyg, ond bydd yn defnyddio gosodiad ffibr awtomatig (AFP) i gynhyrchu pob tanc cyfansawdd thermoplastig.
O gais patent gan Thiokol Corp. i “Llong Pwysedd Cydymffurfio Cyfansawdd” ym 1995 i Patent Almaeneg DE19749950C2 ym 1997, efallai y bydd gan lestri nwy cywasgedig “unrhyw ffurfwedd geometrig”, ond yn enwedig siapiau gwastad ac afreolaidd, mewn ceudod sy'n gysylltiedig â'r gefnogaeth cragen. . defnyddir elfennau fel y gallant wrthsefyll grym ehangu'r nwy.
Mae papur Labordy Cenedlaethol Lawrence Livermore (LLNL) yn 2006 yn disgrifio tri dull: llestr pwysedd cydffurfiol clwyf ffilament, llestr pwysedd microlattice sy'n cynnwys strwythur dellt orthorhombig mewnol (celloedd bach o 2 cm neu lai), wedi'i amgylchynu gan gynhwysydd H2 â waliau tenau, a chynhwysydd replicator, sy'n cynnwys strwythur mewnol sy'n cynnwys rhannau bach wedi'u gludo (ee, modrwyau plastig hecsagonol) a chyfansoddiad o groen cragen allanol tenau. Mae cynwysyddion dyblyg yn fwyaf addas ar gyfer cynwysyddion mwy lle gallai fod yn anodd defnyddio dulliau traddodiadol.
Mae patent DE102009057170A a ffeiliwyd gan Volkswagen yn 2009 yn disgrifio llestr pwysedd wedi'i osod ar gerbyd a fydd yn darparu effeithlonrwydd pwysau uchel wrth wella'r defnydd o ofod. Mae tanciau hirsgwar yn defnyddio cysylltwyr tensiwn rhwng dwy wal gyferbyn hirsgwar, ac mae'r corneli wedi'u talgrynnu.
Dyfynnir yr uchod a chysyniadau eraill gan Gleiss yn y papur “Datblygu Proses ar gyfer Llestri Pwysedd Ciwbig gyda Bariau Ymestyn” gan Gleiss et al. yn ECCM20 (Mehefin 26-30, 2022, Lausanne, y Swistir). Yn yr erthygl hon, mae'n dyfynnu astudiaeth TUM a gyhoeddwyd gan Michael Roof a Sven Zaremba, a ganfu fod llestr pwysedd ciwbig gyda llinynnau tensiwn yn cysylltu ochrau hirsgwar yn fwy effeithlon na sawl silindr bach sy'n ffitio i mewn i ofod batri gwastad, gan ddarparu tua 25 % mwy. lle storio.
Yn ôl Gleiss, y broblem gyda gosod nifer fawr o silindrau math 4 bach mewn cas fflat yw bod “y cyfaint rhwng y silindrau yn cael ei leihau'n fawr ac mae gan y system hefyd arwyneb treiddiad nwy H2 mawr iawn. Ar y cyfan, mae’r system yn darparu llai o gapasiti storio na jariau ciwbig.”
Fodd bynnag, mae problemau eraill gyda dyluniad ciwbig y tanc. “Yn amlwg, oherwydd y nwy cywasgedig, mae angen i chi wrthweithio’r grymoedd plygu ar y waliau gwastad,” meddai Gleiss. “Ar gyfer hyn, mae angen strwythur wedi'i atgyfnerthu arnoch sy'n cysylltu'n fewnol â waliau'r tanc. Ond mae hynny'n anodd ei wneud â chyfansoddion. ”
Ceisiodd Glace a'i thîm ymgorffori bariau tensiwn atgyfnerthu yn y llestr pwysedd mewn ffordd a fyddai'n addas ar gyfer y broses weindio ffilament. “Mae hyn yn bwysig ar gyfer cynhyrchu cyfaint uchel,” eglura, “ac mae hefyd yn caniatáu inni ddylunio patrwm troellog waliau’r cynhwysydd i optimeiddio cyfeiriadedd ffibr ar gyfer pob llwyth yn y parth.”
Pedwar cam i wneud tanc cyfansawdd ciwbig prawf ar gyfer y prosiect P4H. Credyd delwedd: “Datblygu proses gynhyrchu ar gyfer llestri gwasgedd ciwbig gyda brace”, Prifysgol Dechnegol Munich, prosiect Polymers4Hydrogen, ECCM20, Mehefin 2022.
Er mwyn cyflawni ar-gadwyn, mae'r tîm wedi datblygu cysyniad newydd sy'n cynnwys pedwar prif gam, fel y dangosir uchod. Mae'r haenau tensiwn, a ddangosir mewn du ar y grisiau, yn strwythur ffrâm parod a luniwyd gan ddefnyddio dulliau a gymerwyd o brosiect MAI Skelett. Ar gyfer y prosiect hwn, datblygodd BMW “fframwaith” ffrâm windshield gan ddefnyddio pedair gwialen pultrusion wedi'i hatgyfnerthu â ffibr, a gafodd eu mowldio wedyn yn ffrâm blastig.
Ffrâm tanc ciwbig arbrofol. Adrannau ysgerbydol hecsagonol 3D wedi'u hargraffu gan TUM gan ddefnyddio ffilament PLA heb ei atgyfnerthu (top), gan fewnosod gwiail pultrusion CF/PA6 fel braces tensiwn (canol) ac yna lapio'r ffilament o amgylch y braces (gwaelod). Credyd delwedd: Prifysgol Dechnegol Munich LCC.
“Y syniad yw y gallwch chi adeiladu ffrâm tanc ciwbig fel strwythur modiwlaidd,” meddai Glace. “Yna gosodir y modiwlau hyn mewn teclyn mowldio, gosodir y llinynnau tensiwn yn y modiwlau ffrâm, ac yna mae dull MAI Skelett yn cael ei ddefnyddio o amgylch y stytiau i'w hintegreiddio â'r rhannau ffrâm.” dull cynhyrchu màs, gan arwain at strwythur a ddefnyddir wedyn fel mandrel neu graidd i lapio cragen cyfansawdd y tanc storio.
Dyluniodd TUM ffrâm y tanc fel “clustog” ciwbig gydag ochrau solet, corneli crwn a phatrwm hecsagonol ar y brig a'r gwaelod y gellir gosod a gosod clymau drwyddynt. Roedd y tyllau ar gyfer y raciau hyn hefyd wedi'u hargraffu 3D. “Ar gyfer ein tanc arbrofol cychwynnol, fe wnaethon ni argraffu adrannau ffrâm hecsagonol 3D gan ddefnyddio asid polylactig [PLA, thermoplastig bio-seiliedig] oherwydd ei fod yn hawdd ac yn rhad,” meddai Glace.
Prynodd y tîm 68 o wialen polyamid 6 (PA6) wedi'u hatgyfnerthu â ffibr carbon pultruded gan SGL Carbon (Meitingen, yr Almaen) i'w defnyddio fel clymau. “I brofi’r cysyniad, ni wnaethom unrhyw fowldio,” meddai Gleiss, “ond yn syml, gosod bylchau mewn ffrâm graidd crwybr printiedig 3D a’u gludo â glud epocsi. Mae hyn wedyn yn darparu mandrel ar gyfer weindio’r tanc.” Mae'n nodi, er bod y gwiail hyn yn gymharol hawdd i'w gwyntyllu, mae rhai problemau sylweddol a fydd yn cael eu disgrifio'n ddiweddarach.
“Ar y cam cyntaf, ein nod oedd dangos y gellir gweithgynhyrchu’r dyluniad a nodi problemau yn y cysyniad cynhyrchu,” esboniodd Gleiss. “Felly mae'r haenau tensiwn yn ymwthio allan o wyneb allanol y strwythur ysgerbydol, ac rydyn ni'n cysylltu'r ffibrau carbon i'r craidd hwn gan ddefnyddio weindio ffilament gwlyb. Ar ôl hynny, yn y trydydd cam, rydym yn plygu pen pob gwialen clymu. thermoplastig, felly rydyn ni'n defnyddio gwres i ail-lunio'r pen fel ei fod yn fflatio ac yn cloi i mewn i'r haen lapio gyntaf. Yna rydym yn symud ymlaen i lapio'r strwythur eto fel bod y pen gwthiad gwastad wedi'i amgáu'n geometregol o fewn y tanc. lamineiddio ar y waliau.
Cap gofodwr ar gyfer weindio. Mae TUM yn defnyddio capiau plastig ar bennau'r gwiail tensiwn i atal y ffibrau rhag tanio yn ystod dirwyn ffilament. Credyd delwedd: Prifysgol Dechnegol Munich LCC.
Ailadroddodd Glace fod y tanc cyntaf hwn yn brawf o gysyniad. “Dim ond ar gyfer profion cychwynnol oedd y defnydd o argraffu 3D a glud a rhoddodd syniad i ni o rai o’r problemau y daethom ar eu traws. Er enghraifft, yn ystod dirwyn i ben, cafodd y ffilamentau eu dal gan bennau'r gwiail tensiwn, gan achosi torri ffibr, difrod ffibr, a lleihau faint o ffibr i wrthsefyll hyn. fe wnaethom ddefnyddio ychydig o gapiau plastig fel cymhorthion gweithgynhyrchu a osodwyd ar y polion cyn y cam troellog cyntaf. Yna, pan wnaed y laminiadau mewnol, gwnaethom dynnu'r capiau amddiffynnol hyn ac ail-lunio pennau'r polion cyn eu lapio'n derfynol.”
Arbrofodd y tîm gyda gwahanol senarios ail-greu. “Mae'r rhai sy'n edrych o gwmpas yn gweithio orau,” meddai Grace. “Hefyd, yn ystod y cyfnod prototeipio, fe wnaethom ddefnyddio teclyn weldio wedi'i addasu i gymhwyso gwres ac ail-lunio pennau'r gwialen clymu. Mewn cysyniad cynhyrchu màs, byddai gennych un offeryn mwy a all siapio a ffurfio holl ben yr haenau yn laminiad gorffeniad mewnol ar yr un pryd. . ”
Pennau drawbar wedi'u hail-siapio. Arbrofodd TUM gyda gwahanol gysyniadau ac addasodd y welds i alinio pennau'r cysylltiadau cyfansawdd ar gyfer eu cysylltu â laminiad wal y tanc. Credyd delwedd: “Datblygu proses gynhyrchu ar gyfer llestri gwasgedd ciwbig gyda brace”, Prifysgol Dechnegol Munich, prosiect Polymers4Hydrogen, ECCM20, Mehefin 2022.
Felly, caiff y laminiad ei wella ar ôl y cam troellog cyntaf, caiff y pyst eu hail-lunio, mae'r TUM yn cwblhau ail ddirwyn y ffilamentau, ac yna caiff laminiad wal y tanc allanol ei wella yr eildro. Sylwch mai dyluniad tanc math 5 yw hwn, sy'n golygu nad oes ganddo leinin plastig fel rhwystr nwy. Gweler y drafodaeth yn yr adran Camau Nesaf isod.
“Fe wnaethon ni dorri’r demo cyntaf yn drawstoriadau a mapio’r ardal gysylltiedig,” meddai Glace. “Mae golwg agos yn dangos bod gennym ni rai problemau ansawdd gyda’r laminiad, gyda’r pennau strut ddim yn gorwedd yn fflat ar y laminiad mewnol.”
Datrys problemau gyda bylchau rhwng lamineiddio waliau mewnol ac allanol y tanc. Mae'r pen gwialen clymu wedi'i addasu yn creu bwlch rhwng troad cyntaf ac ail dro'r tanc arbrofol. Credyd delwedd: Prifysgol Dechnegol Munich LCC.
Cwblhawyd y tanc 450 x 290 x 80mm cychwynnol hwn yr haf diwethaf. “Rydyn ni wedi gwneud llawer o gynnydd ers hynny, ond mae gennym ni fwlch o hyd rhwng lamineiddio mewnol ac allanol,” meddai Glace. “Felly fe wnaethon ni geisio llenwi'r bylchau hynny â resin glân, gludedd uchel. Mae hyn mewn gwirionedd yn gwella'r cysylltiad rhwng y stydiau a'r laminiad, sy'n cynyddu'r straen mecanyddol yn fawr.”
Parhaodd y tîm i ddatblygu cynllun a phroses y tanc, gan gynnwys atebion ar gyfer y patrwm dirwyn i ben. “Nid oedd ochrau’r tanc prawf wedi’u cyrlio’n llwyr oherwydd ei bod yn anodd i’r geometreg hon greu llwybr troellog,” esboniodd Glace. “Ein ongl weindio gychwynnol oedd 75 °, ond roeddem yn gwybod bod angen cylchedau lluosog i gwrdd â'r llwyth yn y llestr pwysedd hwn. Rydym yn dal i chwilio am ateb i'r broblem hon, ond nid yw'n hawdd gyda'r meddalwedd sydd ar y farchnad ar hyn o bryd. Gall ddod yn brosiect dilynol.
“Rydym wedi dangos dichonoldeb y cysyniad cynhyrchu hwn,” meddai Gleiss, “ond mae angen i ni weithio ymhellach i wella'r cysylltiad rhwng y laminiad ac ail-lunio'r rhodenni clymu. “Profion allanol ar beiriant profi. Rydych chi'n tynnu'r gwahanwyr allan o'r laminiad ac yn profi'r llwythi mecanyddol y gall yr uniadau hynny eu gwrthsefyll."
Bydd y rhan hon o brosiect Polymers4Hydrogen wedi'i chwblhau ar ddiwedd 2023, ac erbyn hynny mae Gleis yn gobeithio cwblhau'r ail danc arddangos. Yn ddiddorol, mae dyluniadau heddiw yn defnyddio thermoplastig wedi'i atgyfnerthu'n daclus yn y ffrâm a chyfansoddion thermoset yn waliau'r tanc. A fydd y dull hybrid hwn yn cael ei ddefnyddio yn y tanc arddangos terfynol? “Ie,” meddai Grace. “Mae ein partneriaid yn y prosiect Polymers4Hydrogen yn datblygu resinau epocsi a deunyddiau matrics cyfansawdd eraill gyda gwell priodweddau rhwystr hydrogen.” Mae hi'n rhestru dau bartner sy'n gweithio ar y gwaith hwn, PCCL a Phrifysgol Tampere (Tampere, y Ffindir).
Bu Gleiss a'i thîm hefyd yn cyfnewid gwybodaeth ac yn trafod syniadau gyda Jaeger ar yr ail brosiect HydDen o danc cyfansawdd cydymffurfio LCC.
“Byddwn yn cynhyrchu llestr pwysedd cyfansawdd cydymffurfiol ar gyfer dronau ymchwil,” meddai Jaeger. “Mae hwn yn gydweithrediad rhwng dwy adran Adran Awyrofod a Geodetig TUM - LCC a’r Adran Technoleg Hofrennydd (HT). Bydd y prosiect wedi'i gwblhau erbyn diwedd 2024 ac rydym ar hyn o bryd yn cwblhau'r llestr pwysedd. dyluniad sy'n fwy o ddull awyrofod a modurol. Ar ôl y cam cysyniad cychwynnol hwn, y cam nesaf yw perfformio modelu strwythurol manwl a rhagweld perfformiad rhwystr strwythur y wal.”
“Y syniad cyfan yw datblygu drôn archwiliadol gyda chell tanwydd hybrid a system gyrru batri,” parhaodd. Bydd yn defnyddio'r batri yn ystod llwythi pŵer uchel (hy esgyn a glanio) ac yna'n newid i'r gell danwydd yn ystod mordeithio llwyth ysgafn. “Roedd gan y tîm HT ddrôn ymchwil eisoes ac ailgynllunio’r trên pŵer i ddefnyddio batris a chelloedd tanwydd,” meddai Yeager. “Fe wnaethon nhw hefyd brynu tanc CGH2 i brofi’r trosglwyddiad hwn.”
“Cafodd fy nhîm y dasg o adeiladu prototeip tanc pwysau a fyddai’n ffitio, ond nid oherwydd y materion pecynnu y byddai tanc silindrog yn eu creu,” eglura. “Nid yw tanc mwy gwastad yn cynnig cymaint o ymwrthedd gwynt. Felly rydych chi'n cael gwell perfformiad hedfan. ” Dimensiynau tanc tua. 830 x 350 x 173 mm.
Tanc cwbl thermoplastig sy'n cydymffurfio â AFP. Ar gyfer y prosiect HydDen, archwiliodd tîm LCC TUM ddull tebyg i'r un a ddefnyddiwyd gan Glace (uchod) i ddechrau, ond symudodd wedyn i ddull sy'n defnyddio cyfuniad o nifer o fodiwlau strwythurol, a gafodd eu gorddefnyddio wedyn gan ddefnyddio AFP (isod). Credyd delwedd: Prifysgol Dechnegol Munich LCC.
“Mae un syniad yn debyg i ddull Elisabeth [Gleiss],” meddai Yager, “i osod braces tensiwn ar wal y llestr i wneud iawn am y grymoedd plygu uchel. Fodd bynnag, yn lle defnyddio proses weindio i wneud y tanc, rydym yn defnyddio AFP. Felly, buom yn meddwl am greu rhan ar wahân o'r llestr pwysedd, lle mae'r raciau eisoes wedi'u hintegreiddio. Galluogodd y dull hwn i mi gyfuno nifer o’r modiwlau integredig hyn ac yna gosod cap terfyn i selio popeth cyn dirwyn yr AFP terfynol.”
“Rydym yn ceisio cwblhau cysyniad o’r fath,” parhaodd, “a hefyd dechrau profi’r dewis o ddeunyddiau, sy’n bwysig iawn i sicrhau’r ymwrthedd angenrheidiol i dreiddiad nwy H2. Ar gyfer hyn, rydym yn bennaf yn defnyddio deunyddiau thermoplastig ac yn gweithio ar amrywiol sut y bydd y deunydd yn effeithio ar yr ymddygiad treiddiad hwn a phrosesu yn y peiriant AFP. Mae'n bwysig deall a fydd y driniaeth yn cael effaith ac a oes angen unrhyw ôl-brosesu. Rydyn ni hefyd eisiau gwybod a fydd gwahanol staciau yn effeithio ar dreiddiad hydrogen trwy'r llestr pwysedd.”
Bydd y tanc wedi'i wneud yn gyfan gwbl o thermoplastig a bydd y stribedi'n cael eu cyflenwi gan Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, yr Almaen). “Byddwn yn defnyddio eu deunyddiau PPS [polyphenylene sulfide], PEEK [polyether ketone] a LM PAEK [ceton polyaryl toddi isel],” meddai Yager. “Yna gwneir cymariaethau i weld pa un sydd orau ar gyfer amddiffyn treiddiad a chynhyrchu rhannau â pherfformiad gwell.” Mae'n gobeithio cwblhau profion, modelu strwythurol a phroses ac arddangosiadau cyntaf o fewn y flwyddyn nesaf.
Cyflawnwyd y gwaith ymchwil o fewn y modiwl COMET “Polymers4Hydrogen” (ID 21647053) o fewn rhaglen COMET y Weinyddiaeth Ffederal ar gyfer Newid Hinsawdd, yr Amgylchedd, Ynni, Symudedd, Arloesedd a Thechnoleg a’r Weinyddiaeth Ffederal ar gyfer Technoleg Ddigidol ac Economeg. . Mae'r awduron yn diolch i'r partneriaid sy'n cymryd rhan Canolfan Cymhwysedd Polymer Leoben GmbH (PCCL, Awstria), Montanuniversitaet Leoben (Cyfadran Peirianneg a Gwyddoniaeth Polymer, Adran Cemeg Deunyddiau Polymer, Adran Gwyddor Deunyddiau a Phrofi Polymer), Prifysgol Tampere (Cyfadran Peirianneg Deunyddiau). ) Gwyddoniaeth), Peak Technology a Faurecia a gyfrannodd at y gwaith ymchwil hwn. Ariennir COMET-Modul gan lywodraeth Awstria a llywodraeth talaith Styria.
Mae dalennau wedi'u hatgyfnerthu ymlaen llaw ar gyfer strwythurau cynnal llwyth yn cynnwys ffibrau parhaus - nid yn unig o wydr, ond hefyd o garbon ac aramid.
Mae yna lawer o ffyrdd i wneud rhannau cyfansawdd. Felly, bydd y dewis o ddull ar gyfer rhan benodol yn dibynnu ar y deunydd, dyluniad y rhan, a'r defnydd terfynol neu'r cais. Dyma ganllaw dewis.
Mae Shocker Composites ac R&M International yn datblygu cadwyn gyflenwi ffibr carbon wedi'i ailgylchu sy'n darparu dim lladd, cost is na ffibr crai ac yn y pen draw bydd yn cynnig hyd sy'n agosáu at ffibr parhaus mewn eiddo strwythurol.
Amser post: Maw-15-2023