Standard fladplatformtanke til BEV'er og FCEV'er bruger termoplastiske og termohærdende kompositter med en skeletkonstruktion, der giver 25% mere H2-opbevaring. #hydrogen #trends
Efter et samarbejde med BMW viste, at en kubik tank kunne levere højere volumetrisk effektivitet end flere små cylindre, begyndte det tekniske universitet i München et projekt til at udvikle en sammensat struktur og en skalerbar fremstillingsproces til seriel produktion. Billedkredit: Tu Dresden (øverst) venstre), Technical University of München, Institut for Carbon Composites (LCC)
Brændselscelleelektriske køretøjer (FCEV'er) drevet af nul-emission (H2) brint giver yderligere midler til at nå nul miljømål. En brændselscellepassagerbil med en H2-motor kan udfyldes 5-7 minutter og har en rækkevidde på 500 km, men er i øjeblikket dyrere på grund af lave produktionsmængder. En måde at reducere omkostningerne på er at bruge en standardplatform til BEV- og FCEV -modeller. Dette er i øjeblikket ikke muligt, fordi den type 4 cylindriske tanke, der bruges til at opbevare komprimeret H2 -gas (CGH2) ved 700 bar i FCEV'er, ikke er egnede til underbodebatterirummet, der er omhyggeligt designet til elektriske køretøjer. Imidlertid kan trykfartøjer i form af puder og terninger passe ind i dette flade emballageplads.
Patent US5577630A for “Composite Conform Presht -fartøj”, anvendt af Thiokol Corp. i 1995 (til venstre) og det rektangulære trykbeholder, der er patenteret af BMW i 2009 (til højre).
Department of Carbon Composites (LCC) fra det tekniske universitet i München (Tum, München, Tyskland) er involveret i to projekter for at udvikle dette koncept. Den første er polymerer4hydrogen (P4H), ledet af Leoben Polymer Competence Center (PCCL, Leoben, Østrig). LCC -arbejdspakken ledes af kollega Elizabeth Glace.
Det andet projekt er brintdemonstrations- og udviklingsmiljøet (Hydden), hvor LCC ledes af forsker Christian Jaeger. Begge sigter mod at skabe en storstilet demonstration af fremstillingsprocessen til fremstilling af en passende CGH2-tank ved hjælp af carbonfiberkompositter.
Der er begrænset volumetrisk effektivitet, når cylindre med små diameter er installeret i flade batterikeller (til venstre) og kubiske type 2 -trykfartøjer lavet af stålforinger og en carbonfiber/epoxy -komposit ydre skal (til højre). Billedkilde: Figur 3 og 6 er fra “Numerisk designtilgang til type II -trykboksefartøj med interne spændingsben” af RUF og Zaremba et al.
P4H har fremstillet en eksperimentel terningstank, der bruger en termoplastisk ramme med sammensatte spændingsstropper/stivere indpakket i kulfiberforstærket epoxy. Hydden bruger et lignende design, men bruger Automatic Fiber Layup (AFP) til at fremstille alle termoplastiske sammensatte tanke.
Fra en patentansøgning fra Thiokol Corp. til “Composite Conformal Pressure Fessel” i 1995 til tysk patent DE19749950C2 I 1997 kan komprimerede gasfartøjer "have enhver geometrisk konfiguration", men især flade og uregelmæssige former i en hulrum, der er forbundet til shell -understøttelsen. Elementer bruges, så de kan modstå kraften for udvidelse af gassen.
A 2006 Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) paper describes three approaches: a filament wound conformal pressure vessel, a microlattice pressure vessel containing an internal orthorhombic lattice structure (small cells of 2 cm or less), surrounded by a thin-walled H2 container, and a replicator container, consisting of an internal structure consisting of glued small parts (eg, hexagonal plastic ringe) og en sammensætning af tynd ydre skalhud. Duplikatcontainere er bedst egnet til større containere, hvor traditionelle metoder kan være vanskelige at anvende.
Patent DE102009057170A, der er indgivet af Volkswagen i 2009, beskriver et køretøjsmonteret trykbeholder, der vil give høj vægteffektivitet, mens der forbedres pladsudnyttelse af rummet. Rektangulære tanke bruger spændingsstik mellem to rektangulære modsatte vægge, og hjørnerne er afrundede.
Ovenstående og andre koncepter citeres af Gleiss i papiret "Procesudvikling for kubiske trykfartøjer med strækbarer" af Gleiss et al. på ECCM20 (26.-30 juni 2022, Lausanne, Schweiz). I denne artikel citerer hun en TUM -undersøgelse udgivet af Michael Roof og Sven Zaremba, som fandt, at et kubiktryksbeholder med spændingsstivere, der forbinder rektangulære sider, er mere effektiv end flere små cylindre, der passer ind i et fladt batteri, der giver ca. 25% mere. Opbevaringsplads.
Ifølge Gleiss er problemet med at installere et stort antal små type 4 -cylindre i en flad sag, at ”volumenet mellem cylindrene reduceres kraftigt, og systemet har også en meget stor H2 -gaspermeationsoverflade. Generelt leverer systemet mindre opbevaringskapacitet end kubiske krukker. ”
Der er dog andre problemer med tankens kubiske design. ”Det er klart, på grund af den komprimerede gas, skal du modvirke bøjningskræfterne på de flade vægge,” sagde Gleiss. ”Til dette har du brug for en forstærket struktur, der internt forbinder med tankenes vægge. Men det er svært at gøre med kompositter. ”
Glace og hendes team forsøgte at inkorporere forstærkning af spændingsstænger i trykbeholderen på en måde, der ville være egnet til glødetråden. "Dette er vigtigt for produktion med høj volumen," forklarer hun, "og giver os også mulighed for at designe viklingsmønsteret på containervæggene for at optimere fiberorientering for hver belastning i zonen."
Fire trin til at foretage en prøve kubisk sammensat tank til P4H -projektet. Billedkredit: ”Udvikling af en produktionsproces for kubiske trykfartøjer med stag”, Technical University of München, Polymers4Hydrogen Project, ECCM20, juni 2022.
For at opnå on-chain har teamet udviklet et nyt koncept bestående af fire hovedtrin, som vist ovenfor. Spændingsstiverne, der er vist i sort på trinnene, er en præfabrikeret rammestruktur, der er fremstillet ved hjælp af metoder taget fra Mai Skelett -projektet. Til dette projekt udviklede BMW en forrude-ramme "ramme" ved hjælp af fire fiberforstærkede pultrusionsstænger, som derefter blev støbt til en plastramme.
Rammen for en eksperimentel kubik tank. Hexagonal skeletafsnit 3D trykt af tum ved anvendelse af uforstærket pla -filament (øverst), indsættelse af CF/PA6 -pultrusionsstænger som spændingsstol (midt) og derefter indpakning af glødetråden omkring seler (bund). Billedkredit: Teknisk University of München LCC.
”Ideen er, at du kan bygge rammen på en kubik tank som en modulær struktur,” sagde Glace. "Disse moduler placeres derefter i et støbningsværktøj, spændingsstiverne placeres i rammemodulerne, og derefter bruges Mai Skeletts metode omkring stivere til at integrere dem med rammedele." Masseproduktionsmetode, hvilket resulterer i en struktur, der derefter bruges som en dorn eller kerne til at indpakke opbevaringstankkompositskal.
Tum designede tankrammen som en kubisk "pude" med faste sider, afrundede hjørner og et hexagonalt mønster på toppen og bunden, gennem hvilket bånd kan indsættes og fastgøres. Hullerne til disse stativer var også 3D -trykt. ”For vores indledende eksperimentelle tank, vi 3D trykte hexagonale rammesektioner ved hjælp af polylaktinsyre [PLA, en biobaseret termoplastisk], fordi det var let og billigt,” sagde Glace.
Holdet købte 68 pultruded carbonfiberforstærket polyamid 6 (PA6) stænger fra SGL Carbon (Meiten, Tyskland) til brug som bånd. ”For at teste konceptet foretog vi ikke nogen støbning,” siger Gleiss, ”men indsatte simpelthen afstandsstykker i en 3D -trykt honningkamerramme og limede dem med epoxyglim. Dette giver derefter en dorn til at vikle tanken. ” Hun bemærker, at selv om disse stænger er relativt lette at vinde, er der nogle væsentlige problemer, der vil blive beskrevet senere.
”På den første fase var vores mål at demonstrere fremstilling af design og identificere problemer i produktionskonceptet,” forklarede Gleiss. ”Så spændingen stiver stikker ud fra den ydre overflade af skeletstrukturen, og vi fastgør carbonfibrene til denne kerne ved hjælp af vikling af vådt filament. Derefter i det tredje trin bøjer vi hovedet på hver slipsstang. Termoplastisk, så vi bruger bare varme til at omforme hovedet, så det flater og låser sig ind i det første indpakningslag. Vi fortsætter derefter med at pakke strukturen igen, så det flade trykhoved er geometrisk lukket i tanken. Laminat på væggene.
Afstandshætte til vikling. Tum bruger plasthætter på enderne af spændingsstængerne for at forhindre fibrene i at sammenfiltrere under glødetrin. Billedkredit: Teknisk University of München LCC.
Glace gentog, at denne første tank var et bevis på konceptet. ”Brugen af 3D -udskrivning og lim var kun til første test og gav os en idé om et par af de problemer, vi stødte på. Under vikling blev filamenterne for eksempel fanget af enderne af spændingsstængerne, hvilket forårsagede fiberbrud, fiberskader og reducerede mængden af fiber for at imødegå dette. Vi brugte et par plastikhætter som produktionshjælpemidler, der blev anbragt på polerne før det første snoede trin. Derefter, da de interne laminater blev fremstillet, fjernede vi disse beskyttelseshætter og omformede enderne af polerne før endelig indpakning. ”
Holdet eksperimenterede med forskellige genopbygningsscenarier. ”De, der kigger omkring arbejde bedst,” siger Grace. ”I løbet af prototypefasen brugte vi også et modificeret svejseværktøj til at påføre varme og omforme bindestangens ender. I et masseproduktionskoncept ville du have et større værktøj, der kan forme og danne alle enderne af stivere til et indvendigt finish på samme tid. . "
Trækstangshoveder omformet. Tum eksperimenterede med forskellige koncepter og ændrede svejsninger for at justere enderne af de sammensatte bånd til fastgørelse til tankvæggen. Billedkredit: ”Udvikling af en produktionsproces for kubiske trykfartøjer med stag”, Technical University of München, Polymers4Hydrogen Project, ECCM20, juni 2022.
Således hærdes laminatet efter det første snoede trin, stolperne omformes, tummen afslutter den anden vikling af filamenterne, og derefter hærdes den ydre tankvæglaminat en anden gang. Bemærk, at dette er et Type 5 -tankdesign, hvilket betyder, at det ikke har en plastforing som en gasbarriere. Se diskussionen i afsnittet næste trin nedenfor.
”Vi skar den første demo i tværsnit og kortlagde det tilsluttede område,” sagde Glace. ”En nærbillede viser, at vi havde nogle kvalitetsproblemer med laminatet, med stiverhovederne, der ikke lægger fladt på det indre laminat.”
Løsning af problemer med mellemrum mellem laminatet på de indre og ydre vægge i tanken. Det modificerede bindestanghoved skaber et mellemrum mellem den første og den anden sving af den eksperimentelle tank. Billedkredit: Teknisk University of München LCC.
Denne første 450 x 290 x 80 mm tank blev afsluttet sidste sommer. ”Vi har gjort en masse fremskridt siden da, men vi har stadig et kløft mellem indvendig og udvendig laminat,” sagde Glace. ”Så vi forsøgte at udfylde disse huller med en ren, høj viskositet harpiks. Dette forbedrer faktisk forbindelsen mellem studs og laminat, hvilket i høj grad øger den mekaniske stress. ”
Holdet fortsatte med at udvikle tankdesign og -processen, inklusive løsninger til det ønskede viklingsmønster. ”Siderne af testtanken var ikke fuldt krøllet, fordi det var vanskeligt for denne geometri at skabe en snoede sti,” forklarede Glace. ”Vores oprindelige viklingsvinkel var 75 °, men vi vidste, at der var behov for flere kredsløb for at imødekomme belastningen i dette trykfartøj. Vi leder stadig efter en løsning på dette problem, men det er ikke let med den software, der i øjeblikket er på markedet. Det kan blive et opfølgningsprojekt.
”Vi har demonstreret gennemførligheden af dette produktionskoncept,” siger Gleiss, ”men vi er nødt til at arbejde yderligere for at forbedre forbindelsen mellem laminatet og omforme bindestængerne. “Ekstern test på en testmaskine. Du trækker afstandsstykkerne ud af laminatet og tester de mekaniske belastninger, som disse led kan modstå. ”
Denne del af Polymers4Hydrogen -projektet afsluttes i slutningen af 2023, hvorpå Gleis håber at afslutte den anden demonstrationstank. Interessant nok bruger design i dag pæne forstærket termoplastik i rammen og termohærdet kompositter i tankvæggene. Vil denne hybrid -tilgang blive brugt i den endelige demonstrationstank? ”Ja,” sagde Grace. "Vores partnere i Polymers4Hydrogen -projektet udvikler epoxyharpikser og andre sammensatte matrixmaterialer med bedre brintbarriereegenskaber." Hun lister to partnere, der arbejder på dette arbejde, PCCL og University of Tampere (Tampere, Finland).
Gleiss og hendes team udvekslede også oplysninger og diskuterede ideer med Jaeger om det andet HyDden -projekt fra LCC Conform Composite Tank.
”Vi vil producere et konform sammensat trykbeholder til forskningsdroner,” siger Jaeger. ”Dette er et samarbejde mellem de to afdelinger i Aerospace og Geodetic Department of Tum - LCC og Department of Helicopter Technology (HT). Projektet afsluttes ved udgangen af 2024, og vi afslutter i øjeblikket trykbeholderen. Et design, der er mere en rumfarts- og biltilgang. Efter dette indledende konceptfase er det næste trin at udføre detaljeret strukturel modellering og forudsige barriereydelsen for vægstrukturen. ”
”Hele ideen er at udvikle en sonderende drone med en hybrid brændselscelle- og batteri -fremdrivningssystem,” fortsatte han. Det vil bruge batteriet under højeffektbelastninger (dvs. start og landing) og derefter skifte til brændselscellen under let belastningskørsel. ”HT -teamet havde allerede en forskningsdrone og redesignede drivlinjen til at bruge både batterier og brændselsceller,” sagde Yeager. ”De købte også en CGH2 -tank for at teste denne transmission.”
”Mit team fik til opgave at opbygge en tryktankprototype, der ville passe, men ikke på grund af de emballageproblemer, som en cylindrisk tank ville skabe,” forklarer han. ”En fladere tank tilbyder ikke så meget vindmodstand. Så du får bedre flyvepræstation. ” Tankdimensioner ca. 830 x 350 x 173 mm.
Fuldt termoplastisk AFP -kompatibel tank. For HyDden -projektet udforskede LCC -teamet hos TUM oprindeligt en lignende tilgang til den, der blev brugt af GLACE (ovenfor), men flyttede derefter til en tilgang ved hjælp af en kombination af flere strukturelle moduler, som derefter blev overforbrugt under anvendelse af AFP (nedenfor). Billedkredit: Teknisk University of München LCC.
”En idé ligner Elisabeth [Gleiss's] tilgang,” siger Yager, ”at anvende spændingsstiver på fartøjsvæggen for at kompensere for de høje bøjningskræfter. I stedet for at bruge en viklingsproces til at fremstille tanken, bruger vi imidlertid AFP. Derfor tænkte vi på at oprette et separat afsnit af trykbeholderen, hvor stativerne allerede er integreret. Denne tilgang gjorde det muligt for mig at kombinere flere af disse integrerede moduler og derefter anvende en slutkappe for at forsegle alt inden den endelige AFP -vikling. ”
”Vi forsøger at afslutte et sådant koncept,” fortsatte han, ”og begyndte også at teste udvælgelsen af materialer, hvilket er meget vigtigt for at sikre den nødvendige modstand mod H2 -gasindtrængning. Til dette bruger vi hovedsageligt termoplastiske materialer og arbejder på forskellige, hvordan materialet vil påvirke denne permeationsadfærd og behandling i AFP -maskinen. Det er vigtigt at forstå, om behandlingen vil have en effekt, og om der kræves efter behandling. Vi vil også vide, om forskellige stabler vil påvirke brint permeation gennem trykbeholderen. ”
Tanken vil være helt lavet af termoplastisk, og strimlerne leveres af Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Tyskland). ”Vi vil bruge deres PPS [polyphenylensulfid], peek [Polyether Ketone] og LM Paek [lavt smeltende polyarylketon] materialer,” sagde Yager. "Sammenligninger foretages derefter for at se, hvilken der er bedst til penetrationsbeskyttelse og produktion af dele med bedre ydelse." Han håber at gennemføre test, strukturel og procesmodellering og første demonstrationer inden for det næste år.
Forskningsarbejdet blev udført inden for kometmodulet “Polymers4hydrogen” (ID 21647053) inden for COMET -programmet for det føderale ministerium for klimaændringer, miljø, energi, mobilitet, innovation og teknologi og det føderale ministerium for digital teknologi og økonomi. . Forfatterne takker de deltagende partnere Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL, Østrig), Montanuniversitaet Leoben (Fakultet for Polymer Engineering and Science, Department of Chemistry of Polymer Materials, Department of Materials Science and Polymer Testing), University of Tampere (FACULTY of Engineering Materials). ) Videnskab), Peak Technology and Faurecia bidrog til dette forskningsarbejde. Comet-Modul finansieres af Østrigs regering og regeringen i staten Styria.
Forforstærkede ark til bærende strukturer indeholder kontinuerlige fibre-ikke kun fra glas, men også fra carbon og aramid.
Der er mange måder at fremstille sammensatte dele på. Derfor afhænger valget af metode til en bestemt del af materialet, design af delen og slutbrug eller anvendelse. Her er en udvælgelsesguide.
Shocker Composites og R & M International udvikler en genanvendt forsyningskæde med kulfiber, der giver nul slagtning, lavere omkostninger end jomfrufiber og vil til sidst tilbyde længder, der nærmer sig kontinuerlig fiber i strukturelle egenskaber.
Posttid: Mar-15-2023