Standard-Flachplattformtanks für BEVs und FCEVs verwenden thermoplastische und duroplastische Verbundwerkstoffe mit einer Skelettkonstruktion, die 25 % mehr H2-Speicherkapazität bietet. #Wasserstoff #Trends
Nachdem eine Zusammenarbeit mit BMW gezeigt hatte, dass ein kubischer Tank einen höheren volumetrischen Wirkungsgrad als mehrere kleine Zylinder erzielen kann, startete die Technische Universität München ein Projekt zur Entwicklung einer Verbundstruktur und eines skalierbaren Herstellungsprozesses für die Serienproduktion. Bildnachweis: TU Dresden (oben links), Technische Universität München, Lehrstuhl für Carbon Composites (LCC)
Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge (FCEVs), die mit emissionsfreiem Wasserstoff (H2) betrieben werden, bieten eine zusätzliche Möglichkeit, die Null-Umweltziele zu erreichen. Ein Brennstoffzellen-Pkw mit H2-Motor kann in 5–7 Minuten betankt werden und hat eine Reichweite von 500 km, ist derzeit aber aufgrund geringer Produktionsmengen teurer. Eine Möglichkeit zur Kostensenkung besteht in der Verwendung einer Standardplattform für BEV- und FCEV-Modelle. Dies ist derzeit nicht möglich, da die zylindrischen Tanks vom Typ 4, die zur Speicherung von komprimiertem H2-Gas (CGH2) bei 700 bar in FCEVs verwendet werden, nicht für die sorgfältig für Elektrofahrzeuge entwickelten Batteriefächer im Unterbodenbereich geeignet sind. Druckbehälter in Kissen- und Würfelform passen jedoch in diesen flachen Bauraum.
Patent US5577630A für „Composite Conformal Pressure Vessel“, Anmeldung der Thiokol Corp. im Jahr 1995 (links) und der rechteckige Druckbehälter, der 2009 von BMW patentiert wurde (rechts).
Der Lehrstuhl für Carbon Composites (LCC) der Technischen Universität München (TUM, München, Deutschland) ist an zwei Projekten zur Entwicklung dieses Konzepts beteiligt. Das erste ist Polymers4Hydrogen (P4H) unter der Leitung des Leoben Polymer Competence Center (PCCL, Leoben, Österreich). Das LCC-Arbeitspaket wird von Fellow Elizabeth Glace geleitet.
Das zweite Projekt ist die Hydrogen Demonstration and Development Environment (HyDDen), bei der LCC von Forscher Christian Jaeger geleitet wird. Beide zielen darauf ab, den Herstellungsprozess eines geeigneten CGH2-Tanks aus Kohlefaserverbundwerkstoffen in großem Maßstab zu demonstrieren.
Der volumetrische Wirkungsgrad ist begrenzt, wenn Zylinder mit kleinem Durchmesser in flachen Batteriezellen (links) und kubischen Druckbehältern des Typs 2 mit Stahlauskleidungen und einer Außenhülle aus Kohlefaser-/Epoxid-Verbundwerkstoff (rechts) eingebaut werden. Bildquelle: Abbildungen 3 und 6 stammen aus „Numerical Design Approach for Type II Pressure Box Vessel with Internal Tension Legs“ von Ruf und Zaremba et al.
P4H hat einen experimentellen Würfeltank hergestellt, der einen thermoplastischen Rahmen mit Verbundspanngurten/-streben verwendet, die mit kohlenstofffaserverstärktem Epoxidharz ummantelt sind. HyDDen wird ein ähnliches Design verwenden, jedoch zur Herstellung aller thermoplastischen Verbundtanks das automatische Faserlaminat (AFP) verwenden.
Von einer Patentanmeldung der Thiokol Corp. zum Thema „Composite Conformal Pressure Vessel“ im Jahr 1995 bis zum deutschen Patent DE19749950C2 im Jahr 1997 können Druckgasbehälter „jede geometrische Konfiguration haben“, insbesondere aber flache und unregelmäßige Formen, in einem Hohlraum, der mit der Schalenstütze verbunden ist. Es werden Elemente verwendet, damit sie der Ausdehnungskraft des Gases standhalten können.
In einer Veröffentlichung des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) aus dem Jahr 2006 werden drei Ansätze beschrieben: ein konformer Druckbehälter mit Filamentwicklung, ein Mikrogitter-Druckbehälter mit einer inneren orthorhombischen Gitterstruktur (kleine Zellen von 2 cm oder weniger), umgeben von einem dünnwandigen H2-Behälter, und ein Replikatorbehälter, bestehend aus einer inneren Struktur aus geklebten Kleinteilen (z. B. sechseckigen Kunststoffringen) und einer Zusammensetzung aus dünner Außenhaut. Duplikatbehälter eignen sich am besten für größere Behälter, bei denen herkömmliche Methoden schwierig anzuwenden sein können.
Das 2009 von Volkswagen angemeldete Patent DE102009057170A beschreibt einen fahrzeugmontierten Druckbehälter, der ein hohes Gewichtseffizienz bei gleichzeitig verbesserter Raumausnutzung bietet. Rechteckige Tanks verwenden Zugverbinder zwischen zwei rechteckigen, gegenüberliegenden Wänden und die Ecken sind abgerundet.
Die oben genannten und weitere Konzepte werden von Gleiss in ihrem Artikel „Process Development for Cubic Pressure Vessels with Stretch Bars“ von Gleiss et al. auf der ECCM20 (26.-30. Juni 2022, Lausanne, Schweiz) zitiert. In diesem Artikel zitiert sie eine von Michael Roof und Sven Zaremba veröffentlichte TUM-Studie, die ergab, dass ein kubischer Druckbehälter mit Zugstreben, die rechteckige Seiten verbinden, effizienter ist als mehrere kleine Zylinder, die in den Raum einer flachen Batterie passen, und etwa 25 % mehr Stauraum bietet.
Das Problem bei der Installation einer großen Anzahl kleiner Typ-4-Flaschen in einem flachen Gehäuse besteht laut Gleiss darin, dass „das Volumen zwischen den Flaschen stark reduziert wird und das System zudem eine sehr große H2-Gaspermeationsoberfläche aufweist. Insgesamt bietet das System weniger Speicherkapazität als kubische Behälter.“
Allerdings gibt es noch weitere Probleme mit der kubischen Bauweise des Tanks. „Wegen des Druckgases muss man den Biegekräften auf die flachen Wände entgegenwirken“, so Gleiss. „Dafür braucht man eine verstärkte Struktur, die innen mit den Tankwänden verbunden ist. Mit Verbundwerkstoffen ist das jedoch schwierig.“
Glace und ihr Team versuchten, verstärkende Zugstäbe so in den Druckbehälter zu integrieren, dass sie für das Filamentwickelverfahren geeignet waren. „Das ist wichtig für die Großserienproduktion“, erklärt sie, „und ermöglicht es uns außerdem, das Wickelmuster der Behälterwände so zu gestalten, dass die Faserausrichtung für jede Belastung in der Zone optimiert wird.“
Vier Schritte zur Herstellung eines kubischen Verbundtanks für das P4H-Projekt. Bildnachweis: „Entwicklung eines Produktionsprozesses für kubische Druckbehälter mit Verstrebung“, Technische Universität München, Projekt Polymers4Hydrogen, ECCM20, Juni 2022.
Um On-Chain zu erreichen, entwickelte das Team ein neues Konzept mit vier Hauptschritten, wie oben dargestellt. Die Zugstreben, die auf den Schritten schwarz dargestellt sind, sind eine vorgefertigte Rahmenstruktur, die mit Methoden aus dem MAI Skelett-Projekt hergestellt wurde. Für dieses Projekt entwickelte BMW ein Windschutzscheibenrahmen-„Gerüst“ aus vier faserverstärkten Pultrusionsstäben, die anschließend in einen Kunststoffrahmen eingegossen wurden.
Der Rahmen eines experimentellen kubischen Tanks. Sechseckige Skelettabschnitte, 3D-gedruckt von der TUM mit unverstärktem PLA-Filament (oben), eingesetzten CF/PA6-Pultrusionsstäben als Zugstreben (Mitte) und anschließendem Umwickeln der Streben mit Filament (unten). Bildnachweis: Technische Universität München LCC.
„Die Idee ist, den Rahmen eines kubischen Tanks als modulare Struktur zu bauen“, sagte Glace. „Diese Module werden dann in ein Formwerkzeug gelegt, die Zugstreben werden in die Rahmenmodule eingesetzt und dann wird die Methode von MAI Skelett um die Streben herum angewendet, um sie mit den Rahmenteilen zu integrieren.“ Dieses Massenproduktionsverfahren führt zu einer Struktur, die dann als Dorn oder Kern zum Umhüllen der Verbundhülle des Lagertanks verwendet wird.
Die TUM entwarf den Tankrahmen als kubisches „Kissen“ mit festen Seiten, abgerundeten Ecken und einem sechseckigen Muster an Ober- und Unterseite, durch das Bänder eingeführt und befestigt werden können. Die Löcher für diese Gestelle wurden ebenfalls 3D-gedruckt. „Für unseren ersten Versuchstank haben wir sechseckige Rahmenabschnitte aus Polymilchsäure (PLA, ein biobasierter Thermoplast) 3D-gedruckt, weil es einfach und günstig war“, sagte Glace.
Das Team kaufte 68 pultrudierte, kohlenstofffaserverstärkte Polyamid 6 (PA6)-Stäbe von SGL Carbon (Meitingen, Deutschland) zur Verwendung als Verbindungselemente. „Um das Konzept zu testen, haben wir keine Formteile verwendet“, erklärt Gleiss, „sondern lediglich Abstandshalter in einen 3D-gedruckten Wabenkernrahmen eingesetzt und mit Epoxidkleber verklebt. Dadurch entsteht ein Dorn zum Aufwickeln des Tanks.“ Sie weist darauf hin, dass sich diese Stäbe zwar relativ einfach aufwickeln lassen, es aber einige erhebliche Probleme gibt, die später beschrieben werden.
„Im ersten Schritt wollten wir die Herstellbarkeit des Designs demonstrieren und Probleme im Produktionskonzept identifizieren“, erklärte Gleiss. „Die Zugstreben ragen aus der Außenfläche der Skelettstruktur heraus, und wir befestigen die Kohlenstofffasern mittels Nasswickelverfahren an diesem Kern. Anschließend, im dritten Schritt, biegen wir den Kopf jeder Zugstange. Thermoplastisch formen wir den Kopf einfach durch Hitze um, sodass er flach wird und in der ersten Wickelschicht einrastet. Anschließend wickeln wir die Struktur erneut, sodass der flache Druckkopf geometrisch im Tank eingeschlossen ist. Laminat an den Wänden.
Abstandskappe zum Wickeln. Die TUM verwendet Kunststoffkappen an den Enden der Zugstäbe, um ein Verheddern der Fasern beim Filamentwickeln zu verhindern. Bildnachweis: Technische Universität München LCC.
Glace betonte erneut, dass dieser erste Tank ein Proof of Concept war. „Der Einsatz von 3D-Druck und Klebstoff diente lediglich ersten Tests und gab uns einen Einblick in einige der aufgetretenen Probleme. Beispielsweise verfingen sich die Filamente beim Wickeln an den Enden der Zugstangen, was zu Faserbrüchen und Faserschäden führte und eine Reduzierung der Fasermenge zur Folge hatte. Als Fertigungshilfen verwendeten wir einige Kunststoffkappen, die vor dem ersten Wickelschritt auf die Stangen gesetzt wurden. Als dann die inneren Laminate hergestellt waren, entfernten wir diese Schutzkappen und formten die Enden der Stangen vor dem endgültigen Wickeln neu.“
Das Team experimentierte mit verschiedenen Rekonstruktionsszenarien. „Wer sich umschaut, arbeitet am besten“, sagt Grace. „Außerdem verwendeten wir während der Prototypenphase ein modifiziertes Schweißwerkzeug, um die Spurstangenköpfe zu erhitzen und umzuformen. Bei einem Konzept für die Massenproduktion hätte man ein größeres Werkzeug, mit dem man alle Strebenenden gleichzeitig zu einem Laminat für die Innenausstattung formen könnte.“
Deichselköpfe neu geformt. Die TUM experimentierte mit verschiedenen Konzepten und modifizierte die Schweißnähte, um die Enden der Verbundanker für die Befestigung am Tankwandlaminat auszurichten. Bildnachweis: „Entwicklung eines Produktionsprozesses für kubische Druckbehälter mit Verstrebung“, Technische Universität München, Projekt Polymers4Hydrogen, ECCM20, Juni 2022.
Das Laminat wird nach dem ersten Wickelschritt ausgehärtet, die Pfosten werden neu geformt, die TUM schließt die zweite Wicklung der Filamente ab und anschließend wird das äußere Tankwandlaminat ein zweites Mal ausgehärtet. Bitte beachten Sie, dass es sich um ein Tankdesign vom Typ 5 handelt, d. h. es verfügt über keine Kunststoffauskleidung als Gasbarriere. Weitere Informationen finden Sie im Abschnitt „Nächste Schritte“ weiter unten.
„Wir haben die erste Demo in Querschnitte geschnitten und den verbundenen Bereich kartiert“, sagte Glace. „Eine Nahaufnahme zeigt, dass wir einige Qualitätsprobleme mit dem Laminat hatten, da die Strebenköpfe nicht flach auf dem Innenlaminat lagen.“
Lösung von Problemen mit Lücken zwischen dem Laminat der Innen- und Außenwände des Tanks. Der modifizierte Spurstangenkopf erzeugt einen Spalt zwischen der ersten und zweiten Windung des Versuchstanks. Bildnachweis: Technische Universität München LCC.
Dieser erste Tank mit den Abmessungen 450 x 290 x 80 mm wurde letzten Sommer fertiggestellt. „Wir haben seitdem große Fortschritte gemacht, aber es besteht immer noch eine Lücke zwischen Innen- und Außenlaminat“, sagte Glace. „Deshalb haben wir versucht, diese Lücken mit einem sauberen, hochviskosen Harz zu füllen. Dadurch wird die Verbindung zwischen den Bolzen und dem Laminat verbessert, was die mechanische Belastung deutlich erhöht.“
Das Team entwickelte das Tankdesign und den Prozess weiter, einschließlich Lösungen für das gewünschte Wickelmuster. „Die Seiten des Testtanks waren nicht vollständig gewellt, da sich mit dieser Geometrie nur schwer ein gewundener Pfad erzeugen ließ“, erklärte Glace. „Unser anfänglicher Wickelwinkel betrug 75°, aber wir wussten, dass mehrere Kreisläufe erforderlich waren, um die Belastung in diesem Druckbehälter zu bewältigen. Wir suchen noch nach einer Lösung für dieses Problem, aber mit der derzeit auf dem Markt befindlichen Software ist dies nicht einfach. Möglicherweise wird es ein Folgeprojekt.“
„Wir haben die Machbarkeit dieses Produktionskonzepts nachgewiesen“, so Gleiss, „aber wir müssen noch weiter daran arbeiten, die Verbindung zwischen den Laminaten zu verbessern und die Zuganker neu zu formen.“ „Externe Prüfung auf einer Prüfmaschine. Dabei werden die Abstandshalter aus dem Laminat gezogen und die mechanischen Belastungen geprüft, denen diese Verbindungen standhalten.“
Dieser Teil des Polymers4Hydrogen-Projekts wird Ende 2023 abgeschlossen sein. Gleis hofft, bis dahin den zweiten Demonstrationstank fertigzustellen. Interessanterweise verwenden heutige Konstruktionen reine verstärkte Thermoplaste im Rahmen und duroplastische Verbundwerkstoffe in den Tankwänden. Wird dieser Hybridansatz auch im endgültigen Demonstrationstank zum Einsatz kommen? „Ja“, sagte Grace. „Unsere Partner im Polymers4Hydrogen-Projekt entwickeln Epoxidharze und andere Verbundmatrixmaterialien mit besseren Wasserstoffbarriereeigenschaften.“ Sie nennt zwei Partner, die an dieser Arbeit arbeiten: PCCL und die Universität Tampere (Tampere, Finnland).
Gleiss und ihr Team tauschten außerdem Informationen und Ideen mit Jaeger zum zweiten HyDDen-Projekt des LCC-konformen Verbundtanks aus.
„Wir werden einen konformen Verbunddruckbehälter für Forschungsdrohnen herstellen“, sagt Jaeger. „Dies ist eine Zusammenarbeit zwischen den beiden Fakultäten für Luft- und Raumfahrt und Geodäsie der TUM – LCC und der Fakultät für Hubschraubertechnologie (HT). Das Projekt wird bis Ende 2024 abgeschlossen sein, und wir arbeiten derzeit an der Fertigstellung des Druckbehälters. Das Design ist eher auf die Luft- und Raumfahrt und den Automobilbau ausgerichtet. Nach dieser ersten Konzeptphase besteht der nächste Schritt darin, eine detaillierte Strukturmodellierung durchzuführen und die Barriereleistung der Wandstruktur vorherzusagen.“
„Die Grundidee besteht darin, eine Forschungsdrohne mit einem Hybridantrieb aus Brennstoffzelle und Batterie zu entwickeln“, fuhr er fort. Bei hoher Belastung (z. B. Start und Landung) soll die Batterie genutzt werden, bei geringer Belastung soll auf die Brennstoffzelle umgeschaltet werden. „Das HT-Team verfügte bereits über eine Forschungsdrohne und hat den Antriebsstrang so umgestaltet, dass er sowohl Batterien als auch Brennstoffzellen nutzt“, sagte Yeager. „Zusätzlich wurde ein CGH2-Tank angeschafft, um das Getriebe zu testen.“
„Mein Team hatte die Aufgabe, einen passenden Drucktank-Prototyp zu bauen, allerdings nicht wegen der Verpackungsprobleme, die ein zylindrischer Tank mit sich bringen würde“, erklärt er. „Ein flacherer Tank bietet weniger Windwiderstand. Dadurch erzielt man bessere Flugleistungen.“ Tankmaße ca. 830 x 350 x 173 mm.
Vollständig thermoplastischer AFP-konformer Tank. Für das HyDDen-Projekt untersuchte das LCC-Team der TUM zunächst einen ähnlichen Ansatz wie Glace (oben), wechselte dann aber zu einem Ansatz mit einer Kombination mehrerer Strukturmodule, die dann mit AFP überstrapaziert wurden (unten). Bildnachweis: LCC der Technischen Universität München.
„Eine Idee ähnelt dem Ansatz von Elisabeth [Gleiss]“, sagt Yager, „das Anbringen von Zugstreben an der Behälterwand, um die hohen Biegekräfte auszugleichen. Allerdings verwenden wir statt eines Wickelverfahrens AFP zur Herstellung des Tanks. Daher dachten wir darüber nach, einen separaten Abschnitt des Druckbehälters zu schaffen, in den die Gestelle bereits integriert sind. Dieser Ansatz ermöglichte es mir, mehrere dieser integrierten Module zu kombinieren und dann eine Endkappe anzubringen, um alles vor der endgültigen AFP-Wicklung abzudichten.“
„Wir arbeiten an der Fertigstellung eines solchen Konzepts“, fuhr er fort, „und beginnen auch mit der Materialauswahl, die für die Gewährleistung der erforderlichen Beständigkeit gegen das Eindringen von Wasserstoffgas von entscheidender Bedeutung ist. Wir verwenden hauptsächlich thermoplastische Materialien und untersuchen, wie sich das Material auf das Permeationsverhalten und die Verarbeitung in der AFP-Maschine auswirkt. Es ist wichtig zu verstehen, ob die Behandlung einen Effekt hat und ob eine Nachbearbeitung erforderlich ist. Wir möchten auch wissen, ob unterschiedliche Stapel die Wasserstoffpermeation durch den Druckbehälter beeinflussen.“
Der Tank wird vollständig aus Thermoplast gefertigt, die Streifen kommen von der Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Deutschland). „Wir verwenden deren Materialien PPS (Polyphenylensulfid), PEEK (Polyetherketon) und LM PAEK (niedrigschmelzendes Polyarylketon),“ so Yager. „Anschließend vergleichen wir, welches Material den besten Durchdringungsschutz bietet und leistungsstärkere Teile produziert.“ Er hofft, die Tests, die Struktur- und Prozessmodellierung sowie die ersten Demonstrationen im nächsten Jahr abschließen zu können.
Die Forschungsarbeit wurde im Rahmen des COMET-Moduls „Polymers4Hydrogen“ (ID 21647053) im Rahmen des COMET-Programms des Bundesministeriums für Klimaschutz, Umwelt, Energie, Mobilität, Innovation und Technologie sowie des Bundesministeriums für Digitalisierung und Wirtschaftsstandort durchgeführt. Die Autoren danken den beteiligten Partnern Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL, Österreich), Montanuniversität Leoben (Fakultät für Kunststofftechnik und -wissenschaften, Department für Chemie der Polymermaterialien, Department für Materialwissenschaft und Polymerprüfung), Universität Tampere (Fakultät für Werkstofftechnik), Peak Technology und Faurecia, die zu dieser Forschungsarbeit beigetragen haben. Das COMET-Modul wird vom österreichischen Bund und dem Land Steiermark gefördert.
Vorverstärkte Platten für tragende Strukturen enthalten Endlosfasern – nicht nur aus Glas, sondern auch aus Carbon und Aramid.
Es gibt viele Möglichkeiten, Verbundteile herzustellen. Die Wahl des Verfahrens für ein bestimmtes Teil hängt daher vom Material, der Konstruktion des Teils und der Endverwendung bzw. Anwendung ab. Hier finden Sie eine Auswahlhilfe.
Shocker Composites und R&M International entwickeln eine Lieferkette für recycelte Kohlefasern, die keine Schlachtung erfordert, geringere Kosten als Frischfasern verursacht und letztendlich Längen bieten wird, die in ihren strukturellen Eigenschaften an Endlosfasern heranreichen.
Veröffentlichungszeit: 15. März 2023