دانشگاه فنی مونیخ تانک های مکعب کنفورمی را با استفاده از کامپوزیت های فیبر کربن برای افزایش ذخیره هیدروژن ایجاد می کند | دنیای کامپوزیت ها

مخازن استاندارد مسطح برای BEV و FCEV از کامپوزیت های ترموپلاستیک و ترموت با ساخت اسکلت استفاده می کنند که 25 ٪ ذخیره H2 بیشتر را فراهم می کند. #هیدروژن #
پس از همکاری با BMW نشان داد که یک مخزن مکعب می تواند راندمان حجمی بالاتری نسبت به چندین سیلندر کوچک ارائه دهد ، دانشگاه فنی مونیخ برای توسعه یک ساختار کامپوزیت و یک فرآیند تولید مقیاس پذیر برای تولید سریال ، یک پروژه را آغاز کرد. اعتبار تصویر: تو درسدن (بالا) سمت چپ) ، دانشگاه فنی مونیخ ، گروه کامپوزیت های کربن (LCC)
وسایل نقلیه الکتریکی سلول سوخت (FCEV) که از هیدروژن با انتشار صفر (H2) بهره می برند ، وسایل اضافی را برای دستیابی به اهداف محیطی صفر فراهم می کند. یک ماشین مسافری سلول سوخت با موتور H2 می تواند در 5-7 دقیقه پر شود و دارای 500 کیلومتر است ، اما در حال حاضر به دلیل حجم کم تولید گران تر است. یکی از راه های کاهش هزینه ها استفاده از یک بستر استاندارد برای مدل های BEV و FCEV است. این در حال حاضر امکان پذیر نیست زیرا مخازن استوانه ای نوع 4 که برای ذخیره گاز H2 فشرده شده (CGH2) در 700 بار در FCEV استفاده می شود ، برای محفظه های باتری زیربنایی که با دقت برای وسایل نقلیه برقی طراحی شده اند مناسب نیست. با این حال ، عروق فشار به شکل بالش و مکعب می توانند در این فضای بسته بندی مسطح قرار بگیرند.
حق ثبت اختراع US5577630A برای "کشتی فشار کنفورماسیون کامپوزیت" ، برنامه ثبت شده توسط Thiokol Corp. در سال 1995 (سمت چپ) و کشتی فشار مستطیل شکل ثبت شده توسط BMW در سال 2009 (سمت راست).
گروه کامپوزیت های کربن (LCC) دانشگاه فنی مونیخ (TUM ، مونیخ ، آلمان) برای توسعه این مفهوم در دو پروژه شرکت دارد. مورد اول Polymers4hydrogen (P4H) است که توسط مرکز صلاحیت پلیمر Leoben (PCCL ، Leoben ، اتریش) به رهبری است. بسته کاری LCC توسط همکار الیزابت گلاس هدایت می شود.
پروژه دوم ، محیط تظاهرات و توسعه هیدروژن (HYDDEN) است ، جایی که LCC توسط محقق کریستین جاگر هدایت می شود. هر دو هدف ایجاد یک نمایش در مقیاس بزرگ از فرآیند تولید برای ساخت مخزن CGH2 مناسب با استفاده از کامپوزیت های فیبر کربن است.
بازده حجمی محدودی وجود دارد که سیلندرهای قطر کوچک در سلولهای باتری مسطح (سمت چپ) و عروق تحت فشار نوع 2 مکعب ساخته شده از آسترهای فولادی و یک پوسته بیرونی کامپوزیت فیبر/اپوکسی کربن (سمت راست) نصب می شوند. منبع تصویر: شکل 3 و 6 از "رویکرد طراحی عددی برای کشتی فشار نوع II با پاهای تنش داخلی" توسط روف و زرمبا و همکاران است.
P4H یک مخزن مکعب آزمایشی ساخته شده است که از یک قاب ترموپلاستیک با تسمه های تنشی کامپوزیت/استروت های پیچیده شده در اپوکسی تقویت شده با فیبر کربن استفاده می کند. Hydden از یک طرح مشابه استفاده می کند ، اما از Fiber Automatic Fiber (AFP) برای ساخت کلیه مخازن کامپوزیت ترموپلاستیک استفاده خواهد کرد.
از یک برنامه ثبت اختراع توسط Thiokol Corp. گرفته تا "کشتی فشار کنفورماسیون کامپوزیت" در سال 1995 تا ثبت اختراع آلمانی DE19749950C2 در سال 1997 ، کشتی های گاز فشرده شده "ممکن است پیکربندی هندسی داشته باشند" ، اما به ویژه اشکال مسطح و نامنظم ، در یک حفره متصل به پشتیبانی پوسته بشر از عناصر استفاده می شود تا بتوانند در برابر نیروی گسترش گاز مقاومت کنند.
مقاله آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور در سال 2006 (LLNL) سه رویکرد را شرح می دهد: یک کشتی فشار همبستگی زخمی رشته ، یک رگ فشار میکرولات که حاوی یک ساختار شبکه داخلی ارتوربیک داخلی (سلولهای کوچک 2 سانتی متر یا کمتر) است که توسط یک کانتینر H2 با دیواره نازک احاطه شده است. و یک ظرف تکرار کننده ، متشکل از یک ساختار داخلی متشکل از قطعات کوچک چسبانده (به عنوان مثال ، حلقه های پلاستیکی شش ضلعی) و ترکیبی از پوست پوسته بیرونی نازک. ظروف تکراری برای ظروف بزرگتر که در آن روش های سنتی ممکن است دشوار باشد ، مناسب هستند.
ثبت اختراع DE102009057170A که توسط فولکس واگن در سال 2009 ثبت شده است ، یک کشتی تحت فشار با وسیله نقلیه را توصیف می کند که ضمن بهبود استفاده از فضا ، راندمان وزن بالایی را فراهم می کند. مخازن مستطیل شکل از اتصالات تنش بین دو دیواره مخالف مستطیل استفاده می کنند و گوشه ها گرد هستند.
مفاهیم فوق و سایر مفاهیم توسط Gleiss در مقاله "توسعه فرآیند برای کشتی های فشار مکعب با میله های کشش" توسط Gleiss و همکاران ذکر شده است. در ECCM20 (26-30 ژوئن ، 2022 ، لوزان ، سوئیس). در این مقاله ، وی به یک مطالعه TUM منتشر شده توسط مایکل روف و سون زارمبا اشاره می کند ، که نشان داد یک کشتی فشار مکعب با بندهای تنشی که به طرف های مستطیل متصل می شود ، نسبت به چندین سیلندر کوچک که در فضای یک باتری مسطح قرار دارند ، کارآمدتر است. ٪ بیشتر فضای ذخیره سازی
به گفته گلیس ، مشکل نصب تعداد زیادی از سیلندرهای کوچک نوع 4 در یک مورد مسطح این است که "حجم بین سیلندرها به شدت کاهش می یابد و سیستم همچنین دارای سطح نفوذ گاز H2 بسیار بزرگ است. به طور کلی ، این سیستم ظرفیت ذخیره کمتری نسبت به کوزه های مکعب فراهم می کند. "
با این حال ، مشکلات دیگری در مورد طراحی مکعب مخزن وجود دارد. گلیس گفت: "بدیهی است که به دلیل گاز فشرده شده ، شما باید نیروهای خمشی را روی دیوارهای مسطح خنثی کنید." "برای این کار ، شما به یک ساختار تقویت شده نیاز دارید که در داخل به دیوارهای مخزن متصل شود. اما این کار با کامپوزیت ها کار سختی است. "
گلاس و تیمش سعی کردند میله های تنش تقویت کننده را در کشتی فشار وارد کنند به گونه ای که برای فرآیند سیم پیچ رشته مناسب باشد. او توضیح می دهد: "این برای تولید با حجم بالا مهم است ،" و همچنین به ما اجازه می دهد تا الگوی سیم پیچ دیوارهای کانتینر را طراحی کنیم تا جهت گیری فیبر را برای هر بار در منطقه بهینه کنیم. "
چهار مرحله برای ساخت مخزن کامپوزیت مکعب آزمایشی برای پروژه P4H. اعتبار تصویر: "توسعه یک فرآیند تولید برای کشتی های فشار مکعب با بریس" ، دانشگاه فنی مونیخ ، پروژه Polymers4Hydrogen ، ECCM20 ، ژوئن 2022.
برای دستیابی به زنجیره ای ، این تیم همانطور که در بالا نشان داده شده است ، مفهوم جدیدی متشکل از چهار مرحله اصلی را تهیه کرده است. بندهای تنشی ، که به رنگ سیاه در مراحل نشان داده شده است ، یک ساختار فریم پیش ساخته با استفاده از روش های گرفته شده از پروژه Mai Skelett ساخته شده است. برای این پروژه ، BMW با استفاده از چهار میله قرقره ای با فیبر تقویت شده ، که سپس در یک قاب پلاستیکی ساخته شده بود ، یک قاب شیشه ای "چارچوب" شیشه ای را ایجاد کرد.
قاب یک مخزن مکعب آزمایشی. بخش های اسکلتی شش ضلعی 3D چاپ شده توسط TUM با استفاده از رشته PLA تقویت نشده (بالا) ، قرار دادن میله های پالرژن CF/PA6 به عنوان پرانتز تنش (وسط) و سپس بسته بندی رشته ها در اطراف بریس ها (پایین). اعتبار تصویر: دانشگاه فنی مونیخ LCC.
گلاس گفت: "ایده این است که شما می توانید قاب مخزن مکعب را به عنوان یک ساختار مدولار بسازید." "این ماژول ها سپس در یک ابزار قالب بندی قرار می گیرند ، بندهای تنشی در ماژول های قاب قرار می گیرند ، و سپس از روش مای اسکلت در اطراف بندها استفاده می شود تا آنها را با قطعات قاب ادغام کند." روش تولید انبوه ، در نتیجه ساختاری که به عنوان یک ماندل یا هسته برای بسته بندی پوسته کامپوزیت مخزن ذخیره سازی استفاده می شود.
TUM قاب مخزن را به عنوان "کوسن" مکعب با طرف های جامد ، گوشه های گرد و یک الگوی شش ضلعی در بالا و پایین که از طریق آن می توان پیوندها را می توان درج و وصل کرد ، طراحی کرد. سوراخ های این قفسه ها نیز چاپ شده سه بعدی بودند. گلاس گفت: "برای مخزن آزمایشی اولیه ما ، ما بخش های قاب شش ضلعی چاپ شده را با استفاده از اسید پلیلاکتیک [PLA ، یک ترموپلاستیک مبتنی بر زیستی] چاپ می کنیم زیرا آسان و ارزان بود."
این تیم 68 میله پلی آمید تقویت شده با فیبر کربن پلی پلی آمید 6 (PA6) را از SGL Carbon (Meitingen ، آلمان) خریداری کرد. گلیس می گوید: "برای آزمایش مفهوم ، ما هیچ قالب بندی را انجام ندادیم ، اما به سادگی فاصله ها را در یک قاب هسته لانه زنبوری چاپی سه بعدی قرار داده و آنها را با چسب اپوکسی چسباند. سپس این یک ماندل برای سیم پیچ مخزن فراهم می کند. " وی خاطرنشان می کند که اگرچه این میله ها نسبتاً آسان برای باد هستند ، اما مشکلات قابل توجهی وجود دارد که بعداً توضیح داده می شود.
گلیس توضیح داد: "در مرحله اول ، هدف ما نشان دادن تولید طراحی و شناسایی مشکلات در مفهوم تولید بود." "بنابراین تنش از سطح بیرونی ساختار اسکلتی بیرون زده می شود و ما با استفاده از سیم پیچ رشته مرطوب ، الیاف کربن را به این هسته وصل می کنیم. پس از آن ، در مرحله سوم ، سر هر میله کراوات را خم می کنیم. ترموپلاستیک ، بنابراین ما فقط از گرما برای تغییر شکل سر استفاده می کنیم تا آن را صاف کند و به لایه اول بسته بندی قفل شود. سپس ما دوباره ساختار را می پیچیم تا سر رانش مسطح از نظر هندسی در مخزن محصور شود. لمینت روی دیوارها.
کلاه فضا برای سیم پیچ. TUM از کلاه های پلاستیکی در انتهای میله های تنش استفاده می کند تا از لکه دار شدن الیاف در هنگام سیم پیچ رشته جلوگیری شود. اعتبار تصویر: دانشگاه فنی مونیخ LCC.
گلاس مجدداً تأکید کرد که این مخزن اول اثبات مفهوم است. وی گفت: "استفاده از چاپ و چسب سه بعدی فقط برای آزمایش های اولیه بود و به ما ایده ای از برخی از مشکلاتی که با آنها رسیدگی کردیم ، می داد. به عنوان مثال ، در حین سیم پیچ ، رشته ها با انتهای میله های تنش گرفتار شدند و باعث شکستگی فیبر ، آسیب فیبر و کاهش مقدار فیبر برای مقابله با این امر شدند. ما از چند کلاه پلاستیکی به عنوان کمک های تولیدی که قبل از اولین مرحله سیم پیچ در قطب ها قرار داده شده بود استفاده کردیم. پس از ساخت لمینت های داخلی ، ما این کلاه های محافظ را برداشتیم و انتهای قطب ها را قبل از بسته بندی نهایی تغییر شکل دادیم. "
این تیم با سناریوهای مختلف بازسازی آزمایش کرد. گریس می گوید: "کسانی که به اطراف کار می کنند بهترین کار را می کنند." "همچنین ، در مرحله نمونه سازی ، ما از یک ابزار جوشکاری اصلاح شده برای استفاده از گرما و تغییر شکل مجدد میله کراوات استفاده کردیم. در یک مفهوم تولید انبوه ، شما یک ابزار بزرگتر خواهید داشت که می تواند تمام انتهای بندها را در یک لمینت داخلی به طور همزمان شکل دهد و شکل دهد. بشر "
سرهای نوار تغییر شکل یافته است. TUM با مفاهیم مختلف آزمایش کرد و جوش ها را اصلاح کرد تا انتهای پیوندهای کامپوزیت را برای اتصال به لمینت دیواره مخزن تراز کند. اعتبار تصویر: "توسعه یک فرآیند تولید برای کشتی های فشار مکعب با بریس" ، دانشگاه فنی مونیخ ، پروژه Polymers4Hydrogen ، ECCM20 ، ژوئن 2022.
بنابراین ، لمینت پس از اولین مرحله سیم پیچ درمان می شود ، پست ها تغییر شکل می شوند ، TUM سیم پیچ دوم رشته ها را تکمیل می کند ، و سپس لمینت دیواره مخزن بیرونی بار دوم درمان می شود. لطفاً توجه داشته باشید که این یک طراحی مخزن Type 5 است ، به این معنی که یک آستر پلاستیکی به عنوان سد گاز ندارد. بحث را در بخش بعدی مراحل زیر مشاهده کنید.
گلاس گفت: "ما اولین نسخه ی نمایشی را به مقطع مقطع برش دادیم و منطقه متصل را نقشه برداری کردیم." "یک کلوزآپ نشان می دهد که ما با لمینت مشکلات با کیفیت داشتیم ، در حالی که سرهای بند بر روی لمینت داخلی قرار نمی گیرند."
حل مشکلات با شکاف بین لمینت دیواره های داخلی و بیرونی مخزن. سر میله کراوات اصلاح شده شکاف بین چرخش های اول و دوم مخزن آزمایش ایجاد می کند. اعتبار تصویر: دانشگاه فنی مونیخ LCC.
این مخزن اولیه 450 x 290 x 80mm تابستان گذشته به پایان رسید. گلاس گفت: "ما از آن زمان پیشرفت زیادی داشته ایم ، اما هنوز بین لمینت داخلی و بیرونی فاصله داریم." "بنابراین ما سعی کردیم آن شکاف ها را با رزین ویسکوزیته تمیز و زیاد پر کنیم. این در واقع ارتباط بین گل میخ ها و لمینت را بهبود می بخشد ، که استرس مکانیکی را تا حد زیادی افزایش می دهد. "
این تیم همچنان به توسعه طراحی و فرآیند مخزن ، از جمله راه حل هایی برای الگوی سیم پیچ مورد نظر ادامه داد. گلاس توضیح داد: "طرفین مخزن آزمایش کاملاً پیچیده نشده بودند زیرا ایجاد این هندسه برای ایجاد یک مسیر سیم پیچ دشوار بود." "زاویه سیم پیچ اولیه ما 75 درجه بود ، اما می دانستیم که برای تحقق بار در این کشتی فشار ، مدارهای مختلفی لازم است. ما هنوز به دنبال راه حلی برای این مشکل هستیم ، اما با نرم افزاری که در حال حاضر در بازار است ، کار ساده ای نیست. این ممکن است به یک پروژه پیگیری تبدیل شود.
گلیس می گوید: "ما امکان سنجی این مفهوم تولید را نشان داده ایم ، اما ما باید برای بهبود ارتباط بین لمینت و تغییر شکل میله های کراوات بیشتر تلاش کنیم. "آزمایش خارجی در دستگاه تست. فاصله ها را از لمینت بیرون می کشید و بارهای مکانیکی را که آن اتصالات می توانند در برابر آن مقاومت کنند ، آزمایش می کنید. "
این بخش از پروژه Polymers4Hydrogen در پایان سال 2023 به پایان می رسد ، که در آن زمان گلیس امیدوار است مخزن تظاهرات دوم را تکمیل کند. جالب اینجاست که طراحی ها امروزه از ترموپلاستیک تقویت شده مرتب در کامپوزیت های قاب و ترموست در دیواره های مخزن استفاده می کنند. آیا این رویکرد ترکیبی در مخزن تظاهرات نهایی استفاده خواهد شد؟ گریس گفت: "بله". "شرکای ما در پروژه Polymers4Hydrogen در حال توسعه رزین های اپوکسی و سایر مواد ماتریس کامپوزیت با خاصیت سد هیدروژن بهتر هستند." او دو شریک کار در این کار ، PCCL و دانشگاه تامپره (تامپره ، فنلاند) را لیست می کند.
گلیس و تیمش همچنین اطلاعاتی را رد و بدل کردند و با Jaeger در مورد پروژه دوم هیددن از مخزن کامپوزیت Conformal LCC بحث کردند.
جاگر می گوید: "ما یک کشتی فشار کامپوزیت کنفورماسی برای هواپیماهای بدون سرنشین تحقیقاتی تولید خواهیم کرد." وی گفت: "این همکاری بین دو بخش هوافضا و گروه ژئودزیک TUM - LCC و گروه فناوری هلیکوپتر (HT) است. این پروژه تا پایان سال 2024 به اتمام می رسد و ما در حال تکمیل کشتی فشار هستیم. طرحی که بیشتر از یک هوافضا و رویکرد خودرو است. پس از این مرحله مفهوم اولیه ، مرحله بعدی انجام مدل سازی ساختاری دقیق و پیش بینی عملکرد سد ساختار دیوار است. "
وی ادامه داد: "تمام ایده این است که یک هواپیمای بدون سرنشین اکتشافی با سلول سوخت ترکیبی و پیشرانه باتری ایجاد کنید." این باتری را در حین بارهای پر انرژی (یعنی برخاستن و فرود) از باتری استفاده می کند و سپس در هنگام مسافرت با بار سبک به سلول سوخت تغییر می یابد. یگر گفت: "تیم HT قبلاً یک هواپیمای بدون سرنشین تحقیق کرده و پیشرانه را مجدداً طراحی کرده است تا از باتری ها و سلول های سوخت استفاده کند." "آنها همچنین یک مخزن CGH2 را برای آزمایش این انتقال خریداری کردند."
وی توضیح می دهد: "تیم من وظیفه ساخت نمونه اولیه مخزن فشار را بر عهده داشت که متناسب باشد ، اما نه به دلیل مشکلات بسته بندی که یک مخزن استوانه ای ایجاد می کند." "یک مخزن مسطح به همان اندازه مقاومت باد را ارائه نمی دهد. بنابراین عملکرد پرواز بهتری کسب می کنید. " ابعاد مخزن تقریباً. 830 x 350 x 173 میلی متر.
مخزن کاملاً ترموپلاستیک AFP. برای پروژه Hydden ، تیم LCC در TUM در ابتدا رویکرد مشابهی را با استفاده از گلاس (در بالا) مورد استفاده قرار داد ، اما سپس با استفاده از ترکیبی از چندین ماژول ساختاری ، که سپس با استفاده از AFP (در زیر) مورد استفاده قرار گرفتند ، به یک رویکرد منتقل شد. اعتبار تصویر: دانشگاه فنی مونیخ LCC.
یاگر می گوید: "یک ایده شبیه به رویکرد الیزابت [گلیس] است." با این حال ، به جای استفاده از فرآیند سیم پیچ برای ساخت مخزن ، از AFP استفاده می کنیم. بنابراین ، ما در مورد ایجاد یک بخش جداگانه از کشتی فشار ، که در آن قفسه ها از قبل یکپارچه شده اند ، فکر کردیم. این رویکرد به من اجازه داد تا چندین مورد از این ماژول های یکپارچه را با هم ترکیب کنم و سپس یک کلاه انتهایی را برای مهر و موم همه چیز قبل از سیم پیچ نهایی AFP استفاده کنم. "
وی ادامه داد: "ما در حال تلاش برای نهایی کردن چنین مفهومی هستیم." برای این کار ، ما عمدتاً از مواد ترموپلاستیک استفاده می کنیم و در حال کار بر روی انواع مختلفی هستیم که چگونه این ماده بر این رفتار و پردازش نفوذ در دستگاه AFP تأثیر می گذارد. درک این نکته مهم است که آیا درمان تأثیر خواهد گذاشت و آیا نیاز به پردازش پس از آن وجود دارد یا خیر. ما همچنین می خواهیم بدانیم که آیا پشته های مختلف از طریق رگ فشار بر نفوذ هیدروژن تأثیر می گذارد یا خیر. "
این مخزن کاملاً از ترموپلاستیک ساخته می شود و نوارها توسط Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal ، آلمان) تهیه می شود. یاگر گفت: "ما از مواد PPS [پلی فنیلن سولفید] ، Peek [پلی اتر] و LM Paek [مواد پلی آریلیل ذوب کم] استفاده خواهیم کرد." "سپس مقایسه هایی انجام می شود تا ببینیم کدام یک برای محافظت از نفوذ و تولید قطعات با عملکرد بهتر است." وی امیدوار است که در سال آینده آزمایش ، مدل سازی ساختاری و فرآیند و اولین تظاهرات را انجام دهد.
کار تحقیق در ماژول دنباله دار "Polymers4Hydrogen" (ID 21647053) در برنامه دنباله دار وزارت فدرال برای تغییرات آب و هوا ، محیط ، انرژی ، تحرک ، نوآوری و فناوری و وزارت فدرال برای فناوری و اقتصاد دیجیتال انجام شد. بشر نویسندگان از مرکز صلاحیت پلیمر شرکای شرکت کننده Leoben GmbH (PCCL ، اتریش) ، Montanuniversitaet Leoben (دانشکده مهندسی و علوم پلیمر ، گروه شیمی مواد پلیمری ، گروه علوم مواد و آزمایش پلیمر) ، دانشگاه تامپره تشکر می کنند ( مواد). ) علوم) ، اوج فناوری و فورسی در این کار تحقیقاتی نقش داشته است. Comet-Modul توسط دولت اتریش و دولت ایالت استیریا تأمین می شود.
ورق های از قبل تقویت شده برای سازه های تحمل بار حاوی الیاف مداوم هستند-نه تنها از شیشه ، بلکه از کربن و آرامید.
روش های زیادی برای ساخت قطعات کامپوزیت وجود دارد. بنابراین ، انتخاب روش برای یک قسمت خاص به مواد ، طراحی قسمت و استفاده یا کاربرد نهایی بستگی دارد. در اینجا یک راهنمای انتخاب وجود دارد.
کامپوزیت های شوکر و R&M International در حال توسعه یک زنجیره تأمین فیبر کربن بازیافت شده هستند که کشتار صفر ، هزینه کمتری نسبت به فیبر باکره را فراهم می کند و در نهایت طول هایی را ارائه می دهد که به فیبر مداوم در خواص ساختاری نزدیک می شوند.