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 #trends
Ar ôl i gydweithrediad â BMW ddangos y gallai tanc ciwbig ddarparu effeithlonrwydd cyfeintiol uwch na silindrau bach lluosog, cychwynnodd Prifysgol Dechnegol Munich ar brosiect i ddatblygu strwythur cyfansawdd a phroses weithgynhyrchu graddadwy ar gyfer cynhyrchu cyfresol. Credyd Delwedd: Tu Dresden (brig) Chwith), Prifysgol Dechnegol Munich, Adran Cyfansoddion Carbon (LCC)
Mae cerbydau trydan celloedd tanwydd (FCEVs) wedi'u pweru gan hydrogen allyriadau sero (H2) yn darparu dulliau ychwanegol i gyflawni targedau amgylcheddol sero. Gellir llenwi car teithwyr celloedd tanwydd gydag injan H2 mewn 5-7 munud ac mae ganddo ystod o 500 km, ond ar hyn o bryd mae'n ddrytach oherwydd cyfeintiau cynhyrchu isel. Un ffordd o leihau costau yw defnyddio platfform 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 y compartmentau batri Underbody sydd wedi'u cynllunio'n ofalus ar gyfer cerbydau trydan. Fodd bynnag, gall llongau pwysau ar ffurf gobenyddion a chiwbiau ffitio i'r gofod pecynnu gwastad hwn.
Patent US5577630A ar gyfer “llong pwysau cydffurfiol cyfansawdd”, cymhwysiad a ffeiliwyd gan Thiokol Corp. ym 1995 (chwith) a'r llong pwysau hirsgwar wedi'i patentio gan BMW yn 2009 (dde).
Mae Adran Cyfansoddion Carbon (LCC) Prifysgol Dechnegol Munich (Tum, Munich, yr Almaen) yn cymryd rhan mewn dau brosiect i ddatblygu'r cysyniad hwn. Y cyntaf yw Polymers4hydrogen (P4H), dan arweiniad Canolfan Cymhwysedd Polymer Leoben (PCCL, Leoben, Awstria). Mae pecyn gwaith LCC yn cael ei arwain gan ei gyd -Elizabeth Glace.
Yr ail brosiect yw'r Amgylchedd Arddangos a Datblygu Hydrogen (Hydredd), 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 fydd silindrau diamedr bach yn cael eu gosod mewn celloedd batri gwastad (chwith) a llongau pwysau ciwbig math 2 wedi'u gwneud o leininau dur a chragen allanol gyfansawdd ffibr carbon/epocsi (dde). Ffynhonnell Delwedd: Mae Ffigurau 3 a 6 yn dod o “ddull dylunio rhifiadol ar gyfer llong blwch pwysau math II gyda choesau tensiwn mewnol” gan RUF a Zaremba et al.
Mae P4H wedi ffugio tanc ciwb arbrofol sy'n defnyddio ffrâm thermoplastig gyda strapiau tensiwn cyfansawdd/rhodfeydd wedi'u lapio mewn epocsi wedi'i atgyfnerthu â ffibr carbon. Bydd Hydrend yn defnyddio dyluniad tebyg, ond bydd yn defnyddio gosod ffibr awtomatig (AFP) i gynhyrchu pob tanc cyfansawdd thermoplastig.
O gais patent gan Thiokol Corp. i “Llong Pwysau Cydffurfiol Cyfansawdd” ym 1995 i batent yr Almaen DE19749950C2 ym 1997, gall llongau nwy cywasgedig “fod ag unrhyw gyfluniad geometrig”, ond yn arbennig o siapiau gwastad ac afreolaidd, mewn ceudod sy'n gysylltiedig â'r gragen sy'n gysylltiedig â'r gragen . Defnyddir elfennau fel y gallant wrthsefyll grym ehangu'r nwy.
Mae papur Labordy Cenedlaethol Lawrence Livermore yn 2006 (LLNL) yn disgrifio tri dull: llong pwysau cydffurfiol clwyfau ffilament, llong pwysau microlattice sy'n cynnwys strwythur dellt orthorhombig mewnol (celloedd bach 2 cm neu lai), wedi'i amgylchynu gan gynwysydd h2 â wal denau, wedi'i amgylchynu gan gyfryngwr h2 tenau, a chynhwysydd efelychydd, sy'n cynnwys strwythur mewnol sy'n cynnwys rhannau bach wedi'u gludo (ee, modrwyau plastig hecsagonol) a chyfansoddiad o groen cregyn allanol tenau. Mae cynwysyddion dyblyg yn fwyaf addas ar gyfer cynwysyddion mwy lle gallai fod yn anodd cymhwyso dulliau traddodiadol.
Mae Patent DE102009057170A a ffeiliwyd gan Volkswagen yn 2009 yn disgrifio llong bwysau wedi'i gosod ar gerbydau a fydd yn darparu effeithlonrwydd pwysau uchel wrth wella'r defnydd o ofod. Mae tanciau petryal yn defnyddio cysylltwyr tensiwn rhwng dwy wal gyferbyn petryal, ac mae'r corneli wedi'u talgrynnu.
Mae Gleiss yn dyfynnu'r uchod a chysyniadau eraill yn y papur “Datblygu prosesau ar gyfer llongau pwysau ciwbig gyda bariau ymestyn” gan Gleiss et al. yn ECCM20 (Mehefin 26-30, 2022, Lausanne, y Swistir). Yn yr erthygl hon, mae hi'n dyfynnu astudiaeth TUM a gyhoeddwyd gan Michael Roof a Sven Zaremba, a ganfu fod llong pwysedd ciwbig gyda rhodfeydd 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 bach math 4 mewn achos gwastad yw bod “y gyfrol rhwng y silindrau yn cael ei lleihau’n fawr ac mae gan y system hefyd arwyneb athreiddiad nwy H2 mawr iawn. At ei gilydd, 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 llong bwysau 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 wneud y gorau o gyfeiriadedd ffibr ar gyfer pob llwyth yn y parth.”
Pedwar cam i wneud tanc cyfansawdd ciwbig treial ar gyfer y prosiect P4H. Credyd delwedd: “Datblygu proses gynhyrchu ar gyfer llongau pwysau ciwbig gyda brace”, Prifysgol Dechnegol Munich, Prosiect Polymerau4hydrogen, ECCM20, Mehefin 2022.
Er mwyn cyflawni ar y gadwyn, mae'r tîm wedi datblygu cysyniad newydd sy'n cynnwys pedwar prif gam, fel y dangosir uchod. Mae'r rhodenni 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 pedwar gwialen pultrusion a atgyfnerthwyd â ffibr, a gafodd eu mowldio i mewn i ffrâm blastig.
Ffrâm tanc ciwbig arbrofol. Adrannau ysgerbydol hecsagonol 3D wedi'u hargraffu gan TUM gan ddefnyddio ffilament PLA heb ei orfodi (brig), 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 rhoddir y modiwlau hyn mewn teclyn mowldio, rhoddir y rhodfeydd tensiwn yn y modiwlau ffrâm, ac yna defnyddir dull Mai Skelett o amgylch y rhodfeydd i'w hintegreiddio â'r rhannau ffrâm.” Dull cynhyrchu màs, gan arwain at strwythur a ddefnyddir wedyn fel mandrel neu graidd i lapio'r gragen gyfansawdd tanc storio.
Dyluniodd Tum ffrâm y tanc fel “clustog” giwbig gydag ochrau solet, corneli crwn a phatrwm hecsagonol ar y brig a'r gwaelod y gellir mewnosod ac atodi cysylltiadau drwyddynt. Roedd y tyllau ar gyfer y rheseli hyn hefyd wedi'u hargraffu 3D. “Ar gyfer ein tanc arbrofol cychwynnol, fe wnaethon ni 3D argraffu adrannau ffrâm hecsagonol gan ddefnyddio asid polylactig [PLA, thermoplastig bio-seiliedig] oherwydd ei fod yn hawdd ac yn rhad,” meddai Glace.
Prynodd y tîm 68 o wiail polyamid 6 (PA6) wedi'u hatgyfnerthu â ffibr carbon pultruded o SGL Carbon (Meingenen, yr Almaen) i'w defnyddio fel cysylltiadau. “I brofi’r cysyniad, ni wnaethom unrhyw fowldio,” meddai Gleiss, “ond yn syml mewnosododd ofodwyr mewn ffrâm graidd diliau 3D printiedig a’u gludo â glud epocsi. Yna mae hyn yn darparu mandrel ar gyfer dirwyn y tanc. ” Mae hi'n nodi, er bod y gwiail hyn yn gymharol hawdd i'w gwyntio, mae yna rai problemau sylweddol a fydd yn cael eu disgrifio yn nes ymlaen.
“Ar y cam cyntaf, ein nod oedd dangos gweithgynhyrchedd y dyluniad a nodi problemau yn y cysyniad cynhyrchu,” esboniodd Gleiss. “Felly mae'r rhodenni tensiwn yn ymwthio allan o wyneb allanol y strwythur ysgerbydol, ac rydyn ni'n atodi'r ffibrau carbon i'r craidd hwn gan ddefnyddio weindio ffilament gwlyb. Ar ôl hynny, yn y trydydd cam, rydyn ni'n plygu pen pob gwialen glymu. Thermoplastig, felly rydyn ni'n defnyddio gwres i ail -lunio'r pen fel ei fod yn gwastatáu ac yn cloi i'r haen gyntaf o lapio. Yna awn ymlaen i lapio'r strwythur eto fel bod pen y byrdwn gwastad wedi'i amgáu'n geometregol o fewn y tanc. lamineiddio ar y waliau.
Cap spacer ar gyfer troelli. Mae Tum yn defnyddio capiau plastig ar bennau'r gwiail tensiwn i atal y ffibrau rhag tanglo 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 yr oedd y defnydd o argraffu a glud 3D a rhoddodd syniad inni o ychydig o’r problemau y daethom ar eu traws. Er enghraifft, yn ystod y troelli, cafodd y ffilamentau eu dal gan bennau'r gwiail tensiwn, gan achosi toriad ffibr, difrod ffibr, a lleihau faint o ffibr i wrthsefyll hyn. Fe ddefnyddion ni ychydig o gapiau plastig fel cymhorthion gweithgynhyrchu a osodwyd ar y polion cyn y cam troellog cyntaf. Yna, pan wnaed y laminiadau mewnol, gwnaethom gael gwared ar y capiau amddiffynnol hyn ac ail -lunio pennau'r polion cyn lapio'r terfynol. ”
Arbrofodd y tîm gyda gwahanol senarios ailadeiladu. “Y rhai sy’n edrych o gwmpas yn gweithio orau,” meddai Grace. “Hefyd, yn ystod y cyfnod prototeipio, gwnaethom ddefnyddio teclyn weldio wedi'i addasu i gymhwyso gwres ac ail -lunio pennau'r gwialen glymu. Mewn cysyniad cynhyrchu màs, byddai gennych un teclyn mwy a all siapio a ffurfio holl bennau'r rhodfeydd i mewn i lamineiddio gorffeniad mewnol ar yr un pryd. . "
Ail -luniodd pennau bar tynnu. Arbrofodd TUM â gwahanol gysyniadau ac addasu'r welds i alinio pennau'r cysylltiadau cyfansawdd ar gyfer eu cysylltu â lamineiddio wal y tanc. Credyd delwedd: “Datblygu proses gynhyrchu ar gyfer llongau pwysau ciwbig gyda brace”, Prifysgol Dechnegol Munich, Prosiect Polymerau4hydrogen, ECCM20, Mehefin 2022.
Felly, mae'r lamineiddio'n cael ei wella ar ôl y cam troellog cyntaf, mae'r pyst yn cael eu hail -lunio, mae'r tum yn cwblhau ail weindiad y ffilamentau, ac yna mae lamineiddio wal y tanc allanol yn cael ei wella yr eildro. Sylwch mai dyluniad tanc math 5 yw hwn, sy'n golygu nad oes ganddo leinin blastig fel rhwystr nwy. Gweler y drafodaeth yn yr adran camau nesaf isod.
“Fe wnaethon ni dorri’r demo cyntaf yn groestoriadau a mapio’r ardal gysylltiedig,” meddai Glace. “Mae agos yn dangos bod gennym ni rai problemau o safon gyda’r lamineiddio, gyda’r pennau strut ddim yn gosod yn fflat ar y lamineiddio mewnol.”
Datrys problemau gyda bylchau rhwng lamineiddio waliau mewnol ac allanol y tanc. Mae'r pen gwialen tei wedi'i addasu yn creu bwlch rhwng troadau cyntaf ac ail y tanc arbrofol. Credyd Delwedd: Prifysgol Dechnegol Munich LCC.
Cwblhawyd y tanc cychwynnol 450 x 290 x 80mm hwn yr haf diwethaf. “Rydyn ni wedi gwneud llawer o gynnydd ers hynny, ond mae gennym ni fwlch o hyd rhwng lamineiddio mewnol a allanol,” meddai Glace. “Felly fe wnaethon ni geisio llenwi’r bylchau hynny â resin gludedd glân, uchel. Mae hyn mewn gwirionedd yn gwella'r cysylltiad rhwng y stydiau a'r lamineiddio, sy'n cynyddu'r straen mecanyddol yn fawr. ”
Parhaodd y tîm i ddatblygu dyluniad a phroses y tanc, gan gynnwys atebion ar gyfer y patrwm troellog a ddymunir. “Nid oedd ochrau’r tanc prawf wedi’u cyrlio’n llawn 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 llong bwysau hon. Rydym yn dal i chwilio am ateb i'r broblem hon, ond nid yw'n hawdd gyda'r feddalwedd sydd ar y farchnad ar hyn o bryd. Gall ddod yn brosiect dilynol.
“Rydyn ni wedi dangos ymarferoldeb y cysyniad cynhyrchu hwn,” meddai Gleiss, “ond mae angen i ni weithio ymhellach i wella’r cysylltiad rhwng y lamineiddio ac ail -lunio’r gwiail tei. “Profi allanol ar beiriant profi. Rydych chi'n tynnu'r gofodwyr allan o'r lamineiddio ac yn profi'r llwythi mecanyddol y gall y cymalau hynny eu gwrthsefyll. ”
Bydd y rhan hon o'r prosiect Polymers4hydrogen wedi'i gwblhau ar ddiwedd 2023, ac erbyn hynny mae Gleis yn gobeithio cwblhau'r ail danc arddangos. Yn ddiddorol, mae dyluniadau heddiw yn defnyddio thermoplastigion taclus wedi'u hatgyfnerthu 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 sydd â gwell eiddo rhwystr hydrogen.” Mae hi'n rhestru dau bartner sy'n gweithio ar y gwaith hwn, PCCL a Phrifysgol Tampere (Tampere, y Ffindir).
Fe wnaeth Gleiss a'i thîm hefyd gyfnewid gwybodaeth a thrafod syniadau gyda Jaeger ar yr ail brosiect hydden o danc cyfansawdd cydffurfiol yr LCC.
“Byddwn yn cynhyrchu llong pwysau cyfansawdd cydffurfiol 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 ar hyn o bryd rydym yn cwblhau'r llong bwysau. 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. ”
“Yr holl syniad yw datblygu drôn archwiliadol gyda chell tanwydd hybrid a system gyriant batri,” parhaodd. Bydd yn defnyddio'r batri yn ystod llwythi pŵer uchel (hy takeoff a glanio) ac yna'n newid i'r gell danwydd yn ystod mordeithio llwyth golau. “Roedd gan y tîm HT drôn ymchwil eisoes ac ailgynlluniodd y powertrain i ddefnyddio batris a chelloedd tanwydd,” meddai Yeager. “Fe wnaethant 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,” esboniodd. “Nid yw tanc mwy gwastad yn cynnig cymaint o wrthwynebiad gwynt. Felly rydych chi'n cael perfformiad hedfan gwell. ” Dimensiynau tanc oddeutu. 830 x 350 x 173 mm.
Tanc AFP cwbl thermoplastig. Ar gyfer y Prosiect Hydredd, archwiliodd tîm LCC yn TUM agwedd debyg i'r un a ddefnyddiwyd gan Glace (uchod), ond yna symudodd i ddull gan ddefnyddio cyfuniad o sawl modiwl strwythurol, a orddefnyddio wedyn gan ddefnyddio AFP (isod). Credyd Delwedd: Prifysgol Dechnegol Munich LCC.
“Mae un syniad yn debyg i ddull Elisabeth [Gleiss],” meddai Yager, “i gymhwyso braces tensiwn i wal y llong i wneud iawn am y lluoedd plygu uchel. Fodd bynnag, yn lle defnyddio proses weindio i wneud y tanc, rydym yn defnyddio AFP. Felly, gwnaethom feddwl am greu rhan ar wahân o'r llong bwysau, lle mae'r rheseli eisoes wedi'u hintegreiddio. Caniataodd y dull hwn imi gyfuno sawl un o'r modiwlau integredig hyn ac yna defnyddio cap diwedd i selio popeth cyn i'r AFP olaf weindio. ”
“Rydym yn ceisio cwblhau cysyniad o’r fath,” parhaodd, “a hefyd dechrau profi dewis deunyddiau, sy’n bwysig iawn i sicrhau’r gwrthwynebiad angenrheidiol i dreiddiad nwy H2. Ar gyfer hyn, rydym yn defnyddio deunyddiau thermoplastig yn bennaf ac yn gweithio ar amrywiol sut y bydd y deunydd yn effeithio ar yr ymddygiad treiddio hwn a'r prosesu yn y peiriant AFP. Mae'n bwysig deall a fydd y driniaeth yn cael effaith ac os oes angen unrhyw ôl-brosesu. Rydym hefyd eisiau gwybod a fydd gwahanol bentyrrau yn effeithio ar dreiddiad hydrogen trwy'r llong bwysau. ”
Bydd y tanc wedi'i wneud yn llwyr o thermoplastig a bydd y stribedi yn cael eu cyflenwi gan Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, yr Almaen). “Byddwn yn defnyddio eu deunyddiau PPS [polyphenylene sylffid], 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 gyda pherfformiad gwell.” Mae'n gobeithio cwblhau profion, modelu strwythurol a phroses ac arddangosiadau cyntaf o fewn y flwyddyn nesaf.
Gwnaed y gwaith ymchwil o fewn y modiwl comed “Polymers4hydrogen” (ID 21647053) o fewn rhaglen gomed y Weinyddiaeth Ffederal ar gyfer Newid Hinsawdd, yr amgylchedd, ynni, symudedd, arloesedd a thechnoleg a'r Weinyddiaeth Ffederal dros Dechnoleg Ddigidol ac Economeg. . Mae'r awduron yn diolch i Ganolfan Cymhwysedd Polymer y Partneriaid sy'n cymryd rhan Leoben GmbH (PCCL, Awstria), Montanuniversitaet Leoben (Cyfadran Peirianneg Polymer a Gwyddoniaeth, Adran Cemeg Deunyddiau Polymer, yr Adran Gwyddoniaeth Deunyddiau a Phrofi Polymer), Prifysgol Tampere (Cyfadran Peirianneg Deunyddiau). ) Gwyddoniaeth), cyfrannodd technoleg brig a Faurecia at y gwaith ymchwil hwn. Ariennir Comet-Modul gan Lywodraeth Awstria a Llywodraeth Talaith Styria.
Mae cynfasau wedi'u atgyfnerthu ymlaen llaw ar gyfer strwythurau sy'n dwyn 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 cymhwysiad. Dyma ganllaw dethol.
Mae Shocker Composites a R&M International yn datblygu cadwyn gyflenwi ffibr carbon wedi'i hailgylchu sy'n darparu lladd sero, cost is na ffibr gwyryf ac yn y pen draw bydd yn cynnig hyd sy'n agosáu at ffibr parhaus mewn priodweddau strwythurol.
Amser Post: Mawrth-15-2023