Standard-Plattentanks für BEVs und FCEVs verwenden thermoplastische und thermosetische Verbundwerkstoffe mit einer Skelettkonstruktion, die 25% mehr H2-Speicher bietet. #Hydrogen #Trends
Nach einer Zusammenarbeit mit BMW zeigte, dass ein Kubikpanzer eine höhere volumetrische Effizienz als mehrere kleine Zylinder liefern könnte, die Technische Universität München hat ein Projekt zur Entwicklung einer Verbundstruktur und eines skalierbaren Herstellungsprozesses für die serielle Produktion eingeleitet. Bildnachweis: Tu Dresden (oben) links), Technische Universität München, Abteilung für Carbon -Kompositen (LCC)
Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge (FCEVs), die mit Null-Emissions-Wasserstoff (H2) angetrieben werden, bieten zusätzliche Mittel zur Erreichung von Null-Umgebungszielen. Ein Kraftstoffzellen-Pkw mit einem H2-Motor kann in 5-7 Minuten gefüllt werden und verfügt über eine Reichweite von 500 km, ist jedoch aufgrund der geringen Produktionsvolumina derzeit teurer. Eine Möglichkeit, die Kosten zu senken, besteht darin, eine Standardplattform für BEV- und FCEV -Modelle zu verwenden. Dies ist derzeit nicht möglich, da die Zylindertanks vom Typ 4 zum Speichern von komprimiertem H2 -Gas (CGH2) bei 700 bar in FCEVs nicht für die Unterboden -Batterieabteilungen geeignet sind, die sorgfältig für Elektrofahrzeuge konzipiert wurden. Druckbehälter in Form von Kissen und Würfeln können jedoch in diesen flachen Verpackungsraum passen.
Patent US5577630A für „Verbundkonforme Druckbehälter“, Anwendung von Thiokol Corp. im Jahr 1995 (links) und das von BMW im Jahr 2009 (rechts) patentierte rechteckige Druckbehälter.
Das Ministerium für Kohlenstoffverbundstoffe (LCC) der Technischen Universität München (Tum, München, Deutschland) ist an zwei Projekten beteiligt, um dieses Konzept zu entwickeln. Das erste ist Polymers4hydrogen (P4H), angeführt vom Leoben Polymer Competence Center (PCCL, Leben, Österreich). Das LCC -Arbeitspaket wird von Elizabeth Glace geleitet.
Das zweite Projekt ist die Wasserstoffdemonstrations- und Entwicklungsumgebung (Hydden), in der LCC vom Forscher Christian Jaeger geleitet wird. Beide wollen eine große Demonstration des Herstellungsprozesses für einen geeigneten CGH2-Tank unter Verwendung von Kohlefaserverbundwerkstoffen erstellen.
Es gibt eine begrenzte volumetrische Effizienz, wenn Zylinder mit kleinem Durchmesser in flachen Batteriezellen (links) und Kubik -2 -Druckgefäße aus Stahlauskleidungen und einer Kohlefaser/Epoxid -Außenhülle (rechts) installiert sind. Bildquelle: Die Abbildungen 3 und 6 stammen aus dem „numerischen Entwurfsansatz für Typ -II -Druckboxgefäß mit internen Spannungsbeinen“ von RUF und Zaremba et al.
P4H hat einen experimentellen Würfelpanzer hergestellt, der einen thermoplastischen Rahmen mit zusammengesetzten Spannungsgurten/Streben verwendet, die in kohlenstofffaserverstärkte Epoxidhöhe verpackt sind. Hydden verwendet ein ähnliches Design, verwendet jedoch automatische Faser -Layup (AFP), um alle thermoplastischen Verbundtanks herzustellen.
Von einer Patentanwendung von Thiokol Corp. bis hin zu „Verbundkonformen Druckbehälter“ im Jahr 1995 bis hin zum deutschen Patent DE19749950C2 im Jahr 1997 können komprimierte Gasgefäße „möglicherweise über eine geometrische Konfiguration verfügen“, aber insbesondere flache und unregelmäßige Formen in einer Höhle, die mit dem Schalenunterstützung verbunden ist. Elemente werden verwendet, damit sie der Expansionskraft des Gases standhalten können.
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 rings) und eine Zusammensetzung dünner Außenhülle. Doppelte Behälter eignen sich am besten für größere Behälter, bei denen herkömmliche Methoden schwierig zu bewerben sind.
Patent DE102009057170A, eingereicht von Volkswagen 2009, beschreibt ein mit Fahrzeug montiertes Druckbehälter, das eine hohe Effizienz mit hohem Gewicht bietet und gleichzeitig die Raumnutzung verbessert. Rechteckige Tanks verwenden Spannungsverbinder zwischen zwei rechteckigen gegenüberliegenden Wänden, und die Ecken werden abgerundet.
Die obigen und anderen Konzepte werden von Gleiss in der Arbeit „Prozessentwicklung für Kubikdruckbehälter mit Stretchbädern“ von Gleiss et al. bei ECCM20 (26. bis 30. Juni 2022, Lausanne, Schweiz). In diesem Artikel zitiert sie eine von Michael Roof und Sven Zaremba veröffentlichte Tum -Studie, in der festgestellt wurde, dass ein kubisches Druckbehälter mit Spannungsstreben, die rechteckige Seiten verbinden, effizienter ist als mehrere kleine Zylinder, die in den Raum einer flachen Batterie passen und ungefähr 25% mehr bieten. Stauraum.
Laut Gleiss ist das Problem bei der Installation einer großen Anzahl kleiner Typ 4 -Zylinder in einem flachen Fall: „Das Volumen zwischen den Zylindern wird stark reduziert und das System hat auch eine sehr große H2 -Gaspermeationsoberfläche. Insgesamt bietet das System weniger Lagerkapazität als Kubikgläser.“
Es gibt jedoch andere Probleme mit dem Kubikdesign des Tanks. "Natürlich müssen Sie wegen des Druckgass den Biegekräften an den flachen Wänden entgegenwirken", sagte Gleiss. "Dafür benötigen Sie eine verstärkte Struktur, die sich intern mit den Wänden des Tanks verbindet.
Glace und ihr Team versuchten, die Verstärkung von Spannungsstäben in das Druckbehälter auf eine Weise zu integrieren, die für den Filamentwicklungsprozess geeignet wäre. "Dies ist wichtig für die Produktion mit hoher Volumen", erklärt sie, "und ermöglicht es uns auch, das Wickelmuster der Behälterwände zu entwerfen, um die Faserorientierung für jede Last in der Zone zu optimieren."
Vier Schritte zur Erstellung eines Probe -Kubik -Verbundtanks für das P4H -Projekt. Bildnachweis: „Entwicklung eines Produktionsprozesses für Kubikdruckbehälter mit Klammer“, Technische Universität München, Polymers4Hydrogen -Projekt, ECCM20, Juni 2022.
Um die Kette zu erreichen, hat das Team ein neues Konzept entwickelt, das aus vier Hauptschritten besteht, wie oben gezeigt. Die in den Schritten schwarz gezeigten Spannungsstreben sind eine vorgefertigte Rahmenstruktur, die unter Verwendung von Methoden aus dem Mai Skelett -Projekt hergestellt wurde. Für dieses Projekt entwickelte BMW einen Windschutzscheibenrahmen „Framework“ unter Verwendung von vier faserverstärkten Pulstusionsstäben, die dann in einen Kunststoffrahmen geformt wurden.
Der Rahmen eines experimentellen Kubikpanzers. Hexagonale Skelettabschnitte 3D, gedruckt mit Tum unter Verwendung eines unverstärkten PLA -Filaments (oben), das Einfügen von CF/PA6 -Pulstusionsstäben als Spannungsspangen (Mitte) und dann das Filament um die Klammern (unten) umwickeln. Bildnachweis: Technische Universität München LCC.
"Die Idee ist, dass Sie den Rahmen eines Kubikpanzers als modulare Struktur bauen können", sagte Glace. "Diese Module werden dann in ein Formwerkzeug platziert, die Spannungsstreben werden in die Rahmenmodule platziert, und dann wird die Methode von Mai Skelett um die Streben verwendet, um sie in die Rahmenteile zu integrieren." Massenproduktionsmethode, was zu einer Struktur führt, die dann als Dorn oder Kern verwendet wird, um die Lagertank -Verbundschale zu wickeln.
Tum entwarf den Tankrahmen als kubisches „Kissen“ mit festen Seiten, abgerundeten Ecken und einem sechseckigen Muster oben und unten, durch das Krawatten eingeführt und angebracht werden können. Die Löcher für diese Racks wurden ebenfalls 3D gedruckt. "Für unseren ersten experimentellen Tank haben wir 3D-druckte hexagonale Rahmenabschnitte mit Polyltsäure [PLA, einer biologischen Thermoplastik], weil sie einfach und billig war", sagte Glace.
Das Team kaufte 68 pulstrodierte Kohlefaserverstärkte Polyamid 6 (PA6) Stangen von SGL Carbon (Meitingen, Deutschland) als Krawatten. "Um das Konzept zu testen, haben wir keine Form gemacht", sagt Gleiss, "aber einfach in einen 3D -gedruckten Wabenkernrahmen eingeführt und sie mit Epoxidkleber geklebt. Dies liefert dann einen Dorn zum Wickeln des Tanks." Sie merkt an, dass diese Stäbe zwar relativ leicht zu wickeln sind, es einige erhebliche Probleme gibt, die später beschrieben werden.
„In der ersten Phase war es unser Ziel, die Herstellbarkeit des Designs zu demonstrieren und Probleme im Produktionskonzept zu identifizieren“, erklärte Gleiss. „Also ragen die Spannungsstreben aus der äußeren Oberfläche der Skelettstruktur hervor, und wir befestigen die Kohlenstofffasern mithilfe der Wicklung des nassen Filaments an diesem Kern. Danach biegen wir im dritten Schritt den Kopf jeder Spurstange. Thermoplastische Thermoplastik. Wir verwenden also nur Wärme, um die Struktur zu den Struktur zu den Struktur zu richten. Laminat an den Wänden.
Abstandshalterkappe zum Wickeln. Tum verwendet Plastikkappen an den Enden der Spannungsstäbe, um zu verhindern, dass die Fasern während der Filamentwicklung verheddern. Bildnachweis: Technische Universität München LCC.
Glace wiederholte, dass dieser erste Panzer ein Beweis für das Konzept war. „Die Verwendung von 3D -Druck und Klebstoff war nur für die ersten Tests und gab uns eine Vorstellung von einigen der Probleme, die wir während des Wickelns begegnen. Wir haben diese Schutzkappen entfernt und die Enden der Pole vor dem endgültigen Verpackung umgestaltet. “
Das Team experimentierte mit verschiedenen Rekonstruktionsszenarien. "Diejenigen, die sich umsehen, arbeiten am besten", sagt Grace. „Während der Prototyping -Phase verwendeten wir ein modifiziertes Schweißwerkzeug, um Wärme anzuwenden und die Sperrstabenden zu formen. In einem Massenproduktionskonzept haben Sie ein größeres Werkzeug, das gleichzeitig alle Enden der Streben zu einem Laminat in einem inneren Finish formen und bilden kann.“
Drawbar -Köpfe umgeformt. Tum experimentierte mit unterschiedlichen Konzepten und modifizierte die Schweißnähte, um die Enden der Verbundbindungen zum Anbringen am Tankwandlaminat auszurichten. Bildnachweis: „Entwicklung eines Produktionsprozesses für Kubikdruckbehälter mit Klammer“, Technische Universität München, Polymers4Hydrogen -Projekt, ECCM20, Juni 2022.
Somit wird das Laminat nach dem ersten Wickelschritt geheilt, die Pfosten werden umgeformt, der Tum vervollständigt die zweite Wickel der Filamente und dann wird das Außentankwandlaminat ein zweites Mal geheilt. Bitte beachten Sie, dass dies ein Tankdesign vom Typ 5 ist, was bedeutet, dass es keinen Plastikliner als Gasbarriere hat. Siehe die Diskussion im Abschnitt Weiter unten.
"Wir haben die erste Demo in Querschnitte geschnitten und den angeschlossenen Bereich abgebildet", sagte Glace. "Eine Nahaufnahme zeigt, dass wir einige Qualitätsprobleme mit dem Laminat hatten, wobei die Strebeköpfe nicht flach auf dem Innenlaminat liegen."
Probleme mit Lücken zwischen dem Laminat der inneren und der Außenwände des Panzers lösen. Der modifizierte Spurstabkopf erzeugt eine Lücke zwischen der ersten und zweiten Kurven des Versuchstanks. Bildnachweis: Technische Universität München LCC.
Dieser erste 450 x 290 x 80 mm Tank wurde im letzten Sommer abgeschlossen. "Wir haben seitdem viele Fortschritte gemacht, aber wir haben immer noch eine Lücke zwischen Innen- und Außenlaminat", sagte Glace. "Also haben wir versucht, diese Lücken mit einem sauberen, hohen Viskositätsharz zu füllen. Dies verbessert tatsächlich die Verbindung zwischen den Stufen und dem Laminat, was die mechanische Spannung erheblich erhöht."
Das Team entwickelte weiterhin das Tankdesign und -prozess, einschließlich Lösungen für das gewünschte Wickelmuster. "Die Seiten des Testtanks waren nicht vollständig zusammengerollt, da es für diese Geometrie schwierig war, einen Wicklungsweg zu schaffen", erklärte Glace. „Unser anfänglicher Wickelwinkel betrug 75 °, aber wir wussten, dass mehrere Schaltkreise die Last in diesem Druckbehälter benötigen.
„Wir haben die Machbarkeit dieses Produktionskonzepts demonstriert“, sagt Gleiss, „aber wir müssen weiter arbeiten, um den Zusammenhang zwischen dem Laminat zu verbessern und die Konkurrenzstangen neu zu formen.“ Externe Tests auf einer Testmaschine. Sie ziehen die Abstandshalter aus dem Laminat und testen die mechanischen Lasten, denen diese Gelenke standhalten können. “
Dieser Teil des Polymers4hydrogen -Projekts wird Ende 2023 abgeschlossen sein. Interessanterweise verwenden Designs heute ordentliche verstärkte Thermoplastik im Rahmen- und Thermoset -Kompositen in den Tankwänden. Wird dieser hybride Ansatz im endgültigen Demonstrationstank verwendet? "Ja", sagte Grace. „Unsere Partner im Polymers4hydrogen -Projekt entwickeln Epoxidharze und andere Verbundmatrixmaterialien mit besseren Eigenschaften der Wasserstoffbarriere.“ Sie listet zwei Partner auf, die an dieser Arbeit arbeiten, PCCL und die University of Tampere (Tampere, Finnland).
Gleiss und ihr Team tauschten auch Informationen aus und diskutierten Ideen mit Jaeger über das zweite Hydden -Projekt des konformen Verbundtanks von LCC.
„Wir werden ein konformales Verbunddruckgefäß für Forschungsdrohnen produzieren“, sagt Jaeger. "Dies ist eine Zusammenarbeit zwischen den beiden Abteilungen der Luft- und Raumfahrt und der geodätischen Abteilung von Tum - LCC und der Abteilung für Hubschraubertechnik (HT).
"Die ganze Idee ist, eine explorative Drohne mit einem Hybrid -Brennstoffzellen- und Batterieantriebssystem zu entwickeln", fuhr er fort. Es wird die Batterie bei hohen Leistungslasten (dh Start und Landung) verwendet und dann während der Lichtlastkreuzfahrt zur Brennstoffzelle wechselt. "Das HT -Team hatte bereits eine Forschungsdrohne und hat den Antriebsstrang neu gestaltet, um sowohl Batterien als auch Brennstoffzellen zu verwenden", sagte Yeager. "Sie haben auch einen CGH2 -Tank gekauft, um dieses Getriebe zu testen."
„Mein Team wurde beauftragt, einen Drucktankprototyp aufzubauen, der passen würde, aber nicht wegen der Verpackungsprobleme, die ein zylindrischer Tank schaffen würde“, erklärt er. "Ein flacher Tank bietet nicht so viel Windwiderstand. Tankabmessungen ca. 830 x 350 x 173 mm.
Voller thermoplastischer AFP -konform. Für das Hydden -Projekt untersuchte das LCC -Team von Tumor zunächst einen ähnlichen Ansatz wie von Glace (oben), wechselte jedoch dann zu einem Ansatz unter Verwendung einer Kombination mehrerer Strukturmodule, die dann mit AFP (unten) überbeansprucht wurden. Bildnachweis: Technische Universität München LCC.
"Eine Idee ist dem Ansatz von Elisabeth [Gleiss]", sagt Yager, „die Verschlusses für die endgültige Verschließung zu verwenden, um den Tank zu erstellen, um den Tank zu erstellen, um die Tanks zu erzeugen, um einen separaten Abschnitt zu erzeugen. AFP -Wicklung. “
„Wir versuchen, ein solches Konzept zu fördern“, fuhr er fort, „die Auswahl der Materialien zu testen, was sehr wichtig ist, um die notwendige Resistenz gegen H2-Gasdurchdringung zu gewährleisten. Permeation durch das Druckbehälter. “
Der Panzer wird ausschließlich aus thermoplastisch bestehen und die Streifen werden von Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Deutschland) geliefert. "Wir werden ihre PPS [Polyphenylen -Sulfid], Peek [Polyether Keton] und LM Paek (niedrig schmelzende Polyarylketon] -Materialien verwenden", sagte Yager. "Vergleiche werden dann durchgeführt, um zu sehen, welches für den Penetrationsschutz und die Herstellung von Teilen mit besserer Leistung am besten geeignet ist." Er hofft, Tests, Struktur- und Prozessmodellierung sowie erste Demonstrationen innerhalb des nächsten Jahres abzuschließen.
Die Forschungsarbeiten wurden im Comet -Modul „Polymers4hydrogen“ (ID 21647053) im Comet -Programm des Bundesministeriums für Klimawandel, Umwelt, Energie, Mobilität, Innovation und Technologie sowie des Bundesministeriums für digitale Technologie und Wirtschaft durchgeführt. . Die Autoren danken den teilnehmenden Partnern Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL, Österreich), Montanuniversitaet Leben (Fakultät für Polymertechnik und Wissenschaft, Abteilung für Chemie für Polymermaterialien, Abteilung für Materialwissenschaft und Polymerprüfung), Universität Tampere (Fakultät für Ingenieurwesen). ) Wissenschaft), Spitzentechnologie und Faurecia haben zu dieser Forschungsarbeit beigetragen. Comet-Modul wird von der Regierung von Österreich und der Regierung des Bundesstaates Styria finanziert.
Vorverstärkte Blätter für tragende Strukturen enthalten kontinuierliche Fasern-nicht nur aus Glas, sondern auch aus Kohlenstoff und Aramide.
Es gibt viele Möglichkeiten, zusammengesetzte Teile herzustellen. Daher hängt die Auswahl der Methode für einen bestimmten Teil vom Material, der Gestaltung des Teils und der Endverwendung oder Anwendung ab. Hier ist eine Auswahlanleitung.
Shockerverbundwerkstoffe und R & M International entwickeln eine recycelte Kohlefaser -Lieferkette, die keine Schlachtung, geringere Kosten als Virgin -Faser liefert und letztendlich Längen bietet, die sich kontinuierliche Faser in strukturellen Eigenschaften nähern.
Postzeit: März-2023