دانشگاه فنی مونیخ مخازن مکعبی منسجم را با استفاده از کامپوزیت های فیبر کربنی برای افزایش ذخیره هیدروژن توسعه می دهد | دنیای کامپوزیت ها

مخازن استاندارد سکوی تخت برای BEV و FCEV از کامپوزیت های ترموپلاستیک و ترموست با ساختار اسکلتی استفاده می کنند که 25 درصد ذخیره سازی H2 بیشتری را فراهم می کند. #هیدروژن #روندها
پس از همکاری با BMW نشان داد که یک مخزن مکعبی می تواند راندمان حجمی بالاتری نسبت به چندین سیلندر کوچک ارائه دهد، دانشگاه فنی مونیخ پروژه ای را برای توسعه یک ساختار ترکیبی و یک فرآیند تولید مقیاس پذیر برای تولید سریال آغاز کرد. اعتبار تصویر: TU Dresden (بالا) سمت چپ)، دانشگاه فنی مونیخ، گروه کامپوزیت های کربن (LCC)
وسایل نقلیه الکتریکی سلول سوختی (FCEVs) که از هیدروژن با انتشار صفر (H2) نیرو می گیرند، ابزار اضافی برای دستیابی به اهداف زیست محیطی صفر فراهم می کنند. یک خودروی سواری پیل سوختی با موتور H2 را می توان در 5-7 دقیقه پر کرد و 500 کیلومتر برد دارد، اما در حال حاضر به دلیل حجم کم تولید گران تر است. یکی از راه های کاهش هزینه ها استفاده از یک پلت فرم 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 (CGH2) در 700 بار در FCEV ها استفاده می شوند، برای محفظه های باتری زیر بدنه که با دقت برای خودروهای الکتریکی طراحی شده اند، مناسب نیستند. با این حال، مخازن تحت فشار به شکل بالش و مکعب می توانند در این فضای بسته بندی مسطح قرار بگیرند.
ثبت اختراع US5577630A برای "مخزن فشار منسجم مرکب"، درخواست ثبت شده توسط Thiokol Corp. در سال 1995 (سمت چپ) و مخزن تحت فشار مستطیلی که توسط BMW در سال 2009 (سمت راست) ثبت شده است.
دپارتمان کامپوزیت های کربن (LCC) دانشگاه فنی مونیخ (TUM، مونیخ، آلمان) در دو پروژه برای توسعه این مفهوم مشارکت دارد. اولین مورد Polymers4Hydrogen (P4H) است که توسط مرکز صلاحیت پلیمر Leoben (PCCL، Leoben، اتریش) هدایت می شود. بسته کاری LCC توسط همکار الیزابت گلیس رهبری می شود.
پروژه دوم محیط نمایش و توسعه هیدروژن (HyDDen) است که LCC توسط محقق کریستین جیگر رهبری می شود. هدف هر دو ایجاد نمایشی در مقیاس بزرگ از فرآیند تولید برای ساخت مخزن CGH2 مناسب با استفاده از کامپوزیت های فیبر کربن است.
هنگامی که سیلندرهای با قطر کوچک در سلول های باتری تخت (سمت چپ) و مخازن فشار مکعبی نوع 2 ساخته شده از آسترهای فولادی و پوسته بیرونی کامپوزیت فیبر کربن/اپوکسی (سمت راست) نصب می شوند، بازده حجمی محدودی وجود دارد. منبع تصویر: شکل‌های 3 و 6 از «رویکرد طراحی عددی برای مخزن فشاری نوع II با پایه‌های کششی داخلی» توسط Ruf و Zaremba و همکاران است.
P4H یک مخزن مکعبی آزمایشی ساخته است که از یک قاب ترموپلاستیک با تسمه‌های کششی کامپوزیت پیچیده شده در اپوکسی تقویت‌شده با فیبر کربن استفاده می‌کند. HyDDen از طراحی مشابهی استفاده خواهد کرد، اما از چیدمان فیبر خودکار (AFP) برای تولید تمام مخازن کامپوزیت گرمانرم استفاده خواهد کرد.
از یک درخواست ثبت اختراع توسط Thiokol Corp. گرفته تا "معرفی مخزن فشار منطبق" در سال 1995 تا ثبت اختراع آلمانی DE19749950C2 در سال 1997، مخازن گاز فشرده "ممکن است هر گونه پیکربندی هندسی داشته باشند"، اما به ویژه اشکال مسطح و نامنظم، در یک حفره متصل به حفره. . عناصر به گونه ای استفاده می شوند که بتوانند نیروی انبساط گاز را تحمل کنند.
مقاله آزمایشگاه ملی لاورنس لیورمور (LLNL) در سال 2006 سه رویکرد را توصیف می‌کند: یک مخزن فشار منسجم با زخم، یک مخزن فشار ریزشبکه حاوی ساختار شبکه‌ای ارتورومبیک داخلی (سلول‌های کوچک 2 سانتی‌متر یا کمتر)، که توسط یک ظرف H2 با دیواره نازک احاطه شده است. و یک محفظه شبیه ساز، متشکل از ساختار داخلی متشکل از قطعات کوچک چسبانده شده (به عنوان مثال، حلقه های پلاستیکی شش ضلعی) و ترکیبی از پوسته نازک بیرونی. ظروف تکراری برای ظروف بزرگتر که در آن روش های سنتی ممکن است دشوار باشد، بهترین مناسب هستند.
ثبت اختراع DE102009057170A که توسط فولکس واگن در سال 2009 ثبت شد، یک مخزن تحت فشار سوار بر خودرو را توصیف می کند که بازدهی وزن بالایی را در عین بهبود استفاده از فضا ارائه می دهد. مخازن مستطیلی از اتصال دهنده های کششی بین دو دیوار مستطیلی متقابل استفاده می کنند و گوشه ها گرد هستند.
مفاهیم فوق و سایر مفاهیم توسط گلیس در مقاله "توسعه فرآیند برای مخازن تحت فشار مکعبی با میله های کششی" توسط گلیس و همکاران ذکر شده است. در ECCM20 (26-30 ژوئن 2022، لوزان، سوئیس). در این مقاله، او به مطالعه TUM منتشر شده توسط مایکل روف و سون زارمبا اشاره می‌کند که نشان می‌دهد یک مخزن فشار مکعبی با پایه‌های کششی که اضلاع مستطیلی شکل را به هم متصل می‌کند، کارآمدتر از چندین سیلندر کوچک است که در فضای یک باتری تخت قرار می‌گیرند و تقریباً 25 باتری را فراهم می‌کنند. % بیشتر فضای ذخیره سازی
به گفته گلیس، مشکل نصب تعداد زیادی سیلندر کوچک نوع 4 در یک محفظه 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 سازی کمتری را نسبت به شیشه های مکعبی فراهم می کند.
با این حال، مشکلات دیگری در طراحی مکعبی تانک وجود دارد. گلیس گفت: بدیهی است که به دلیل گاز فشرده، باید با نیروهای خمشی روی دیوارهای صاف مقابله کنید. برای این کار، به یک ساختار تقویت شده نیاز دارید که به صورت داخلی به دیواره های مخزن متصل شود. اما انجام این کار با کامپوزیت ها سخت است.»
گلیس و تیمش سعی کردند میلگردهای کششی تقویت‌کننده را به گونه‌ای که برای فرآیند سیم پیچی رشته مناسب باشد، در مخزن فشار وارد کنند. او توضیح می‌دهد: «این برای تولید با حجم بالا مهم است، و همچنین به ما امکان می‌دهد الگوی سیم پیچ دیواره‌های کانتینر را برای بهینه‌سازی جهت الیاف برای هر بار در منطقه طراحی کنیم.»
چهار مرحله برای ساخت مخزن کامپوزیت مکعبی آزمایشی برای پروژه P4H. اعتبار تصویر: "توسعه فرآیند تولید برای مخازن تحت فشار مکعبی با مهاربند"، دانشگاه فنی مونیخ، پروژه پلیمر 4 هیدروژن، ECCM20، ژوئن 2022.
برای دستیابی به زنجیره، این تیم یک مفهوم جدید متشکل از چهار مرحله اصلی، همانطور که در بالا نشان داده شده است، توسعه داده است. پایه های کششی که به رنگ مشکی روی پله ها نشان داده شده اند، یک ساختار قاب پیش ساخته هستند که با استفاده از روش های برگرفته از پروژه MAI Skelett ساخته شده اند. برای این پروژه، BMW یک چارچوب قاب شیشه جلو را با استفاده از چهار میله پالتروژن تقویت شده با الیاف، که سپس به یک قاب پلاستیکی قالب‌گیری کردند، توسعه داد.
قاب یک مخزن مکعبی آزمایشی. مقاطع اسکلتی شش ضلعی که توسط TUM با استفاده از فیلامنت PLA تقویت نشده (بالا)، قرار دادن میله‌های pultrusion CF/PA6 به عنوان مهاربندهای کششی (وسط) و سپس پیچاندن رشته در اطراف مهاربندها (پایین) چاپ شده است. اعتبار تصویر: دانشگاه فنی مونیخ LCC.
گلیس گفت: "ایده این است که شما می توانید قاب یک مخزن مکعبی را به عنوان یک ساختار مدولار بسازید." این ماژول‌ها سپس در یک ابزار قالب‌گیری قرار می‌گیرند، پایه‌های کششی در ماژول‌های قاب قرار می‌گیرند و سپس از روش MAI Skelett در اطراف پایه‌ها برای ادغام آن‌ها با قطعات قاب استفاده می‌شود. روش تولید انبوه، منجر به ساختاری می شود که سپس به عنوان سنبه یا هسته برای پیچیده کردن پوسته کامپوزیت مخزن ذخیره سازی استفاده می شود.
TUM قاب مخزن را به عنوان یک "کوسن" مکعبی با اضلاع جامد، گوشه های گرد و یک الگوی شش ضلعی در بالا و پایین طراحی کرد که می توان از طریق آن گره ها را وارد کرد و وصل کرد. سوراخ های این قفسه ها نیز پرینت سه بعدی شدند. گلیس گفت: "برای مخزن آزمایشی اولیه خود، ما بخش های قاب شش ضلعی را با استفاده از پلی لاکتیک اسید [PLA، یک ترموپلاستیک مبتنی بر زیستی] چاپ کردیم زیرا آسان و ارزان بود."
این تیم 68 میله پلی آمید 6 (PA6) تقویت شده با فیبر کربن pultruded را از SGL Carbon (Meitingen، آلمان) برای استفاده به عنوان بند خریداری کرد. گلیس می‌گوید: «برای آزمایش این مفهوم، ما هیچ قالب‌گیری انجام ندادیم، بلکه به سادگی فاصله‌دهنده‌ها را در یک قاب هسته لانه زنبوری چاپ‌شده سه‌بعدی قرار دادیم و آنها را با چسب اپوکسی چسباندیم. سپس یک سنبه برای پیچیدن مخزن فراهم می کند. او خاطرنشان می کند که اگرچه باد کردن این میله ها نسبتا آسان است، اما مشکلات مهمی وجود دارد که بعدا توضیح داده خواهد شد.
گلیس توضیح داد: "در مرحله اول، هدف ما نشان دادن قابلیت ساخت طراحی و شناسایی مشکلات در مفهوم تولید بود." بنابراین پایه های کششی از سطح بیرونی ساختار اسکلتی بیرون زده و الیاف کربن را با استفاده از سیم پیچ رشته ای مرطوب به این هسته متصل می کنیم. پس از آن در مرحله سوم سر هر میله بند را خم می کنیم. ترموپلاستیک، بنابراین ما فقط از گرما برای تغییر شکل سر استفاده می کنیم تا صاف شود و در اولین لایه بسته بندی قفل شود. سپس مجدداً ساختار را پیچیده می کنیم تا سر رانش صاف از نظر هندسی در داخل مخزن محصور شود. لمینت روی دیوارها
کلاه اسپیسر برای سیم پیچ. TUM از کلاهک های پلاستیکی در انتهای میله های کششی استفاده می کند تا از گره خوردن الیاف در طول سیم پیچی رشته جلوگیری کند. اعتبار تصویر: دانشگاه فنی مونیخ LCC.
گلیس تکرار کرد که این اولین تانک اثبات مفهوم بود. استفاده از پرینت سه بعدی و چسب فقط برای آزمایش اولیه بود و به ما ایده ای از چند مشکلی که با آن برخورد کردیم داد. به عنوان مثال، در طول سیم پیچی، رشته ها توسط انتهای میله های کششی گیر کرده و باعث شکستن الیاف، آسیب فیبر و کاهش مقدار الیاف برای مقابله با این موضوع می شود. ما از چند درپوش پلاستیکی به عنوان کمک ساخت استفاده کردیم که قبل از اولین مرحله سیم پیچی روی قطب ها قرار داده شد. سپس وقتی لمینت های داخلی ساخته شد، این کلاهک های محافظ را برداشتیم و انتهای قطب ها را قبل از بسته بندی نهایی تغییر شکل دادیم.
این تیم سناریوهای بازسازی مختلفی را آزمایش کرد. گریس می گوید: «کسانی که به اطراف نگاه می کنند بهترین کار را انجام می دهند. همچنین، در مرحله نمونه‌سازی، از یک ابزار جوش اصلاح‌شده برای اعمال گرما و تغییر شکل انتهای میله‌های اتصال استفاده کردیم. در یک مفهوم تولید انبوه، شما یک ابزار بزرگتر خواهید داشت که می تواند تمام انتهای پایه ها را به طور همزمان به یک لمینت داخلی تبدیل کند. . ”
سرهای میله کشی تغییر شکل دادند. TUM مفاهیم مختلفی را آزمایش کرد و جوش ها را اصلاح کرد تا انتهای اتصالات کامپوزیت برای اتصال به لمینت دیواره مخزن تراز شود. اعتبار تصویر: "توسعه فرآیند تولید برای مخازن تحت فشار مکعبی با مهاربند"، دانشگاه فنی مونیخ، پروژه پلیمر 4 هیدروژن، ECCM20، ژوئن 2022.
بنابراین، ورقه ورقه پس از اولین مرحله سیم پیچی پخت می شود، پست ها تغییر شکل می دهند، TUM سیم پیچ دوم رشته ها را تکمیل می کند و سپس لمینت دیواره مخزن خارجی برای بار دوم پخت می شود. لطفا توجه داشته باشید که این طرح مخزن نوع 5 است، به این معنی که پوشش پلاستیکی به عنوان مانع گاز ندارد. بحث را در بخش مراحل بعدی در زیر ببینید.
گلیس گفت: «ما اولین نسخه آزمایشی را به مقاطع عرضی برش دادیم و منطقه متصل را ترسیم کردیم. "یک نمای نزدیک نشان می دهد که ما مشکلات کیفی با لمینت داشتیم، با اینکه سرهای استارت روی لمینت داخلی صاف نبودند."
حل مشکلات شکاف بین لمینت دیواره های داخلی و خارجی مخزن. سر میله کراوات اصلاح شده یک شکاف بین چرخش اول و دوم مخزن آزمایشی ایجاد می کند. اعتبار تصویر: دانشگاه فنی مونیخ LCC.
این مخزن اولیه 450 x 290 x 80 mm تابستان گذشته تکمیل شد. گلیس گفت: «از آن زمان پیشرفت زیادی داشته ایم، اما هنوز بین لمینت داخلی و خارجی فاصله داریم. بنابراین ما سعی کردیم این شکاف ها را با یک رزین تمیز و ویسکوزیته بالا پر کنیم. این در واقع اتصال بین ناودانی و ورقه ورقه را بهبود می بخشد که استرس مکانیکی را تا حد زیادی افزایش می دهد.
این تیم به توسعه طراحی و فرآیند مخزن، از جمله راه حل هایی برای الگوی سیم پیچ مورد نظر ادامه داد. گلیس توضیح داد: "دو طرف مخزن آزمایشی به طور کامل خمیده نشده بود، زیرا ایجاد یک مسیر پیچ در پیچ برای این هندسه دشوار بود." زاویه سیم پیچ اولیه ما 75 درجه بود، اما می دانستیم که مدارهای متعددی برای پاسخگویی به بار در این مخزن فشار لازم است. ما همچنان به دنبال راه حلی برای این مشکل هستیم، اما با نرم افزارهای موجود در بازار کار آسانی نیست. ممکن است به یک پروژه پیگیری تبدیل شود.
گلیس می‌گوید: «ما امکان‌پذیری این مفهوم تولید را نشان داده‌ایم، اما باید برای بهبود اتصال بین لمینت و تغییر شکل میله‌های اتصال بیشتر تلاش کنیم. "تست خارجی بر روی دستگاه تست. اسپیسرها را از ورقه ورقه بیرون می آورید و بارهای مکانیکی را که آن اتصالات می توانند تحمل کنند، آزمایش می کنید.
این بخش از پروژه Polymers4Hydrogen در پایان سال 2023 تکمیل خواهد شد و تا آن زمان گلیس امیدوار است که دومین مخزن نمایشی را تکمیل کند. جالب اینجاست که امروزه در طراحی ها از ترموپلاستیک های تقویت شده منظم در قاب و از کامپوزیت های ترموست در دیواره های مخزن استفاده می شود. آیا این رویکرد هیبریدی در تانک نمایشی نهایی استفاده خواهد شد؟ گریس گفت: بله. شرکای ما در پروژه Polymers4Hydrogen در حال توسعه رزین های اپوکسی و سایر مواد ماتریس کامپوزیت با خواص سد هیدروژنی بهتر هستند. او دو شریک را که روی این کار کار می کنند، PCCL و دانشگاه تامپره (تامپر، فنلاند) فهرست می کند.
گلیس و تیمش همچنین در مورد دومین پروژه HyDDen از مخزن کامپوزیتی LCC با جیگر درباره ایده‌های خود تبادل نظر کردند.
جیگر می‌گوید: «ما یک مخزن تحت فشار ترکیبی منسجم برای پهپادهای تحقیقاتی تولید خواهیم کرد. این یک همکاری بین دو بخش هوافضا و بخش ژئودتیک TUM - LCC و دپارتمان فناوری هلیکوپتر (HT) است. این پروژه تا پایان سال 2024 تکمیل می شود و در حال حاضر در حال تکمیل مخزن تحت فشار هستیم. طراحی که بیشتر یک رویکرد هوافضا و خودرو است. پس از این مرحله مفهومی اولیه، گام بعدی انجام مدل‌سازی دقیق سازه و پیش‌بینی عملکرد مانع سازه دیوار است.
وی ادامه داد: «کل ایده توسعه یک پهپاد اکتشافی با پیل سوختی هیبریدی و سیستم رانش باتری است.» این باتری در هنگام بارهای با قدرت زیاد (یعنی برخاستن و فرود آمدن) استفاده می‌کند و سپس در حین بار سبک به پیل سوختی سوئیچ می‌کند. یگر گفت: «تیم HT قبلاً یک پهپاد تحقیقاتی داشت و سیستم انتقال نیرو را برای استفاده از باتری‌ها و سلول‌های سوختی دوباره طراحی کرد. آنها همچنین یک مخزن CGH2 برای آزمایش این انتقال خریداری کردند.
او توضیح می دهد: «تیم من وظیفه ساخت یک نمونه اولیه مخزن تحت فشار را داشت که مناسب باشد، اما نه به دلیل مشکلات بسته بندی که یک مخزن استوانه ای ایجاد می کند. یک مخزن صاف تر مقاومت زیادی در برابر باد ندارد. بنابراین عملکرد پرواز بهتری خواهید داشت.» ابعاد مخزن تقریبا 830 x 350 x 173 میلی‌متر.
مخزن کاملاً ترموپلاستیک سازگار با AFP. برای پروژه HyDDen، تیم LCC در TUM در ابتدا رویکردی مشابه با رویکرد Glace مورد استفاده قرار داد (بالا)، اما سپس به رویکردی با استفاده از ترکیبی از چندین ماژول ساختاری منتقل شد که سپس با استفاده از AFP (در زیر) بیش از حد مورد استفاده قرار گرفتند. اعتبار تصویر: دانشگاه فنی مونیخ LCC.
یاگر می‌گوید: «یک ایده شبیه رویکرد الیزابت [گلیس] برای اعمال مهاربندهای کششی به دیواره رگ برای جبران نیروهای خمشی زیاد است. با این حال، به جای استفاده از فرآیند سیم پیچی برای ساخت مخزن، از AFP استفاده می کنیم. بنابراین، ما در مورد ایجاد یک بخش جداگانه از مخزن تحت فشار فکر کردیم که در آن قفسه ها قبلاً یکپارچه شده اند. این رویکرد به من اجازه داد تا چندین مورد از این ماژول‌های یکپارچه را ترکیب کنم و سپس یک کلاهک انتهایی برای مهر و موم کردن همه چیز قبل از سیم‌پیچ نهایی AFP اعمال کنم.
وی ادامه داد: در تلاش هستیم تا چنین مفهومی را نهایی کنیم و همچنین آزمایش انتخاب مواد را آغاز کنیم که برای اطمینان از مقاومت لازم در برابر نفوذ گاز H2 بسیار مهم است. برای این کار، ما عمدتاً از مواد ترموپلاستیک استفاده می کنیم و در حال کار روی نحوه تأثیرگذاری مواد بر رفتار نفوذ و پردازش در دستگاه AFP هستیم. مهم است که بدانیم آیا درمان تأثیری خواهد داشت یا خیر و آیا نیاز به پس پردازش است یا خیر. ما همچنین می خواهیم بدانیم که آیا پشته های مختلف بر نفوذ هیدروژن از طریق مخزن تحت فشار تأثیر می گذارد یا خیر.
مخزن به طور کامل از ترموپلاستیک ساخته خواهد شد و نوارها توسط Teijin Carbon Europe GmbH (وپرتال، آلمان) تامین خواهد شد. یاگر گفت: «ما از مواد PPS [پلی‌فنیلن سولفید]، PEEK [پلی‌اتر کتون] و LM PAEK [کتون پلی‌آریل کم ذوب] آنها استفاده خواهیم کرد. سپس مقایسه می‌شود تا ببینیم کدام یک برای محافظت در برابر نفوذ و تولید قطعات با عملکرد بهتر بهترین است. او امیدوار است که آزمایشات، مدل سازی ساختاری و فرآیندی و اولین نمایش ها را در سال آینده تکمیل کند.
کار تحقیقاتی در ماژول COMET "Polymers4Hydrogen" (ID 21647053) در برنامه COMET وزارت فدرال تغییر آب و هوا، محیط زیست، انرژی، تحرک، نوآوری و فناوری و وزارت فدرال فناوری دیجیتال و اقتصاد انجام شد. . نویسندگان از شرکای شرکت کننده Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL، اتریش)، Montanuniversitaet Leoben (دانشکده مهندسی و علوم پلیمر، گروه شیمی مواد پلیمری، گروه علوم مواد و تست پلیمر)، دانشگاه تامپره (دانشکده مهندسی) تشکر می کنند. مواد). ) Science)، Peak Technology و Faurecia به این کار تحقیقاتی کمک کردند. COMET-Modul توسط دولت اتریش و دولت ایالت اشتایر تامین می شود.
ورق های از پیش تقویت شده برای سازه های باربر حاوی الیاف پیوسته هستند - نه تنها از شیشه، بلکه از کربن و آرامید.
روش های زیادی برای ساخت قطعات کامپوزیتی وجود دارد. بنابراین، انتخاب روش برای یک قطعه خاص به مواد، طراحی قطعه و استفاده نهایی یا کاربرد بستگی دارد. در اینجا راهنمای انتخاب است.
Shocker Composites و R&M International در حال توسعه یک زنجیره تامین فیبر کربن بازیافتی هستند که کشتار صفر و هزینه کمتری نسبت به الیاف بکر را فراهم می کند و در نهایت طول هایی را ارائه می دهد که به فیبر پیوسته در خواص ساختاری نزدیک می شود.