BEV- ja FCEV-ajoneuvojen vakiotasoisissa säiliöissä käytetään termoplastisia ja kertamuovikomposiitteja, joiden runkorakenne tarjoaa 25 % enemmän H2-varastoa. #vety #trendit
Kun yhteistyö BMW:n kanssa osoitti, että kuutiosäiliö voisi tuottaa suuremman tilavuushyötysuhteen kuin useat pienet sylinterit, Münchenin teknillinen yliopisto aloitti hankkeen kehittää komposiittirakenne ja skaalautuva valmistusprosessi sarjatuotantoon. Kuvan luotto: TU Dresden (ylhäällä) vasemmalla), Münchenin teknillinen yliopisto, hiilikomposiittien laitos (LCC)
Nollapäästöisellä (H2) vedyllä toimivat polttokennosähköajoneuvot (FCEV) tarjoavat lisäkeinoja ympäristötavoitteiden saavuttamiseen. H2-moottorilla varustettu polttokennohenkilöauto täytetään 5-7 minuutissa ja sen toimintasäde on 500 km, mutta se on tällä hetkellä kalliimpi alhaisten tuotantomäärien vuoksi. Yksi tapa vähentää kustannuksia on käyttää vakioalustaa BEV- ja FCEV-malleille. Tämä ei ole tällä hetkellä mahdollista, koska tyypin 4 sylinterimäiset säiliöt, joita käytetään paineistetun H2-kaasun (CGH2) varastoimiseen 700 baarin paineessa FCEV-autoissa, eivät sovellu pohjan akkutiloihin, jotka on suunniteltu huolellisesti sähköajoneuvoja varten. Tähän tasaiseen pakkaustilaan mahtuvat kuitenkin paineastiat tyynyjen ja kuutioiden muodossa.
Patentti US5577630A koskien “Composite Conformal Pressure Vessel”, Thiokol Corp.:n vuonna 1995 jättämä hakemus (vasemmalla) ja BMW:n vuonna 2009 patentoima suorakulmainen paineastia (oikealla).
Münchenin teknisen yliopiston (TUM, München, Saksa) hiilikomposiittien laitos (LCC) on mukana kahdessa hankkeessa tämän konseptin kehittämiseksi. Ensimmäinen on Polymers4Hydrogen (P4H), jota johtaa Leoben Polymer Competence Center (PCCL, Leoben, Itävalta). LCC-työpakettia johtaa Fellow Elizabeth Glace.
Toinen hanke on Hydrogen Demonstration and Development Environment (HyDDen), jossa LCC:tä johtaa tutkija Christian Jaeger. Molempien tavoitteena on luoda laajamittainen demonstraatio valmistusprosessista sopivan CGH2-säiliön valmistamiseksi hiilikuitukomposiitteista.
Tilavuustehokkuus on rajallinen, kun halkaisijaltaan pieni sylinterit asennetaan litteisiin akkukennoihin (vasemmalla) ja kuutiotyyppisiin tyypin 2 paineastioihin, jotka on valmistettu teräsvuorista ja hiilikuitu/epoksikomposiittiulkokuoresta (oikealla). Kuvan lähde: Kuvat 3 ja 6 ovat Rufin ja Zaremba et al.:n "Numerical Design Approach for Type II Pressure Box Vessel with Internal Tension Jals" (Sisäisillä jännitysjaloilla) julkaisusta.
P4H on valmistanut kokeellisen kuutiosäiliön, joka käyttää termoplastista kehystä, jossa on komposiittikiristyshihnat/tuet, jotka on kääritty hiilikuituvahvisteiseen epoksiin. HyDDen käyttää samanlaista suunnittelua, mutta käyttää automaattista kuitujakoa (AFP) kaikkien termoplastisten komposiittisäiliöiden valmistukseen.
Thiokol Corp.:n patenttihakemuksesta "Composite Conformal Pressure Vessel":lle vuonna 1995 ja saksalaiseen patenttiin DE19749950C2 vuonna 1997, painekaasusäiliöillä "voi olla mikä tahansa geometrinen konfiguraatio", mutta erityisesti litteät ja epäsäännölliset muodot, ontelossa, joka on yhdistetty vaipan tukeen. . elementtejä käytetään siten, että ne kestävät kaasun laajenemisvoiman.
Vuoden 2006 Lawrence Livermore National Laboratoryn (LLNL) paperissa kuvataan kolme lähestymistapaa: filamenttikierretty konforminen paineastia, mikrohilainen paineastia, joka sisältää sisäisen ortorombisen hilarakenteen (pienet solut 2 cm tai vähemmän), jota ympäröi ohutseinäinen H2-säiliö, ja replikaattorisäiliö, joka koostuu sisärakenteesta, joka koostuu liimatuista pienistä osista (esim. kuusikulmaisista muovirenkaista) ja ohuen ulkokuoren koostumuksesta. Kaksoissäiliöt sopivat parhaiten suurempiin säiliöihin, joissa perinteisiä menetelmiä voi olla vaikea soveltaa.
Volkswagenin vuonna 2009 jättämä patentti DE102009057170A kuvaa ajoneuvoon asennettavaa paineastiaa, joka tarjoaa korkean painotehokkuuden ja parantaa samalla tilankäyttöä. Suorakulmaisissa säiliöissä käytetään jännitysliittimiä kahden suorakaiteen muotoisen vastakkaisen seinän välillä, ja kulmat on pyöristetty.
Gleiss lainaa yllä olevia ja muita käsitteitä Gleissin et al.:n julkaisussa "Process Development for Cubic Pressure Vessels with Stretch Bars". ECCM20:ssa (26.-30. kesäkuuta 2022, Lausanne, Sveitsi). Tässä artikkelissa hän lainaa Michael Roofin ja Sven Zaremban julkaisemaa TUM-tutkimusta, jossa todettiin, että kuutiomainen paineastia, jossa on suorakaiteen muotoisia sivuja yhdistävä vetotuki, on tehokkaampi kuin useat pienet sylinterit, jotka mahtuvat tyhjentyneen akun tilaan ja tarjoavat noin 25 % enemmän. säilytystilaa.
Gleissin mukaan ongelmana, kun asennetaan suuri määrä pieniä tyypin 4 sylintereitä litteään koteloon, on se, että "sylintereiden välinen tilavuus pienenee huomattavasti ja järjestelmässä on myös erittäin suuri H2-kaasun läpäisypinta. Kaiken kaikkiaan järjestelmä tarjoaa vähemmän säilytyskapasiteettia kuin kuutiopurkit."
Säiliön kuutiorakenteessa on kuitenkin muita ongelmia. "Ilmeisesti paineistetun kaasun takia sinun on vastustettava tasaisten seinien taivutusvoimia", Gleiss sanoi. ”Tätä varten tarvitset vahvistetun rakenteen, joka liitetään sisäisesti säiliön seiniin. Mutta se on vaikea tehdä komposiittien kanssa."
Glace ja hänen tiiminsä yrittivät sisällyttää paineastiaan vahvistavia kiristystankoja tavalla, joka sopisi filamentin käämitysprosessiin. "Tämä on tärkeää suuren volyymin tuotannossa", hän selittää, "ja antaa meille myös mahdollisuuden suunnitella säiliön seinien käämityskuvioita optimoidaksemme kuidun suuntauksen kunkin vyöhykkeen kuorman osalta."
Neljä vaihetta koekuution komposiittisäiliön tekemiseksi P4H-projektiin. Kuvan luotto: "Tuotantoprosessin kehittäminen kuutioisille paineastioille, joissa on tuki", Münchenin teknillinen yliopisto, Polymers4Hydrogen-projekti, ECCM20, kesäkuu 2022.
Ketjun saavuttamiseksi tiimi on kehittänyt uuden konseptin, joka koostuu neljästä päävaiheesta, kuten yllä on esitetty. Portaissa mustalla näkyvät kiristystuet ovat esivalmistettua runkorakennetta, joka on valmistettu MAI Skelett -projektin menetelmillä. Tätä projektia varten BMW kehitti tuulilasin rungon "rungon" käyttämällä neljää kuituvahvistettua pultruusiotankoa, jotka sitten valettiin muovikehykseksi.
Kokeellisen kuutiosäiliön runko. Kuusikulmaiset rungon osat 3D-tulostettu TUM:lla käyttämällä vahvistamatonta PLA-filamenttia (ylhäällä), asettamalla CF/PA6-pultruusiotangot kiristystuiksi (keskellä) ja käärimällä filamentin tukien ympärille (alhaalla). Kuvan luotto: Münchenin teknillinen yliopisto LCC.
"Ajatuksena on, että voit rakentaa kuutiosäiliön rungon modulaarisena rakenteena", Glace sanoi. "Nämä moduulit sijoitetaan sitten muovaustyökaluun, kiristystuet sijoitetaan runkomoduuleihin ja sitten MAI Skelettin menetelmää käytetään tukien ympärille integroimaan ne runko-osiin." massatuotantomenetelmä, jonka tuloksena saadaan rakenne, jota sitten käytetään karana tai ytimenä varastosäiliön komposiittikuoren käärimiseen.
TUM suunnitteli säiliön rungon kuutiomaiseksi "tyynyksi", jossa on kiinteät sivut, pyöristetyt kulmat ja kuusikulmainen kuvio ylä- ja alaosassa, jonka läpi siteitä voidaan työntää ja kiinnittää. Myös näiden telineiden reiät tulostettiin 3D-tulostuksessa. "Alkuperäiseen kokeelliseen säiliöön 3D-tulostimme kuusikulmaisia runko-osia polymaitohapolla [PLA, biopohjainen kestomuovi], koska se oli helppoa ja halpaa", Glace sanoi.
Tiimi osti SGL Carbonilta (Meitingen, Saksa) 68 pultrudoitua hiilikuituvahvisteista polyamidi 6 (PA6) -tankoa käytettäväksi siteinä. "Konseptin testaamiseksi emme tehneet muovausta", Gleiss sanoo, "vaan vain asetimme välikappaleita 3D-tulostettuun hunajakennorunkoon ja liimasimme ne epoksiliimalla. Tämä tarjoaa sitten karan säiliön kelaamiseen." Hän huomauttaa, että vaikka nämä vavat ovat suhteellisen helppoja kelata, niissä on joitain merkittäviä ongelmia, jotka kuvataan myöhemmin.
"Ensimmäisessä vaiheessa tavoitteenamme oli osoittaa suunnittelun valmistettavuus ja tunnistaa tuotantokonseptin ongelmat", Gleiss selitti. ”Joten kiristystuet työntyvät esiin runkorakenteen ulkopinnasta, ja kiinnitämme hiilikuidut tähän ytimeen märällä filamenttikäämityksellä. Sen jälkeen kolmannessa vaiheessa taivutamme jokaisen raidetangon pään. kestomuovi, joten käytämme vain lämpöä pään muotoilemiseen niin, että se tasoittuu ja lukittuu ensimmäiseen käärekerrokseen. Jatkamme sitten rakenteen käärimistä uudelleen niin, että litteä työntöpää on geometrisesti suljettu säiliön sisään. laminaatti seinissä.
Välikorkki käämitystä varten. TUM käyttää kiristystankojen päissä muovisuojuksia estämään kuituja sotkeutumasta filamentin käämityksen aikana. Kuvan luotto: Münchenin teknillinen yliopisto LCC.
Glace toisti, että tämä ensimmäinen säiliö oli todiste konseptista. ”3D-tulostuksen ja liiman käyttö oli vain alkutestausta ja antoi meille käsityksen muutamista kohtaamistamme ongelmista. Esimerkiksi käämityksen aikana filamentit tarttuivat kiristystankojen päihin, mikä aiheutti kuidun katkeamista, kuituvaurioita ja pienensi kuitumäärää tämän torjumiseksi. Käytimme valmistuksen apuvälineinä muutamia muovisuojuksia, jotka asetettiin pylväisiin ennen ensimmäistä käärintävaihetta. Sitten, kun sisälaminaatit tehtiin, poistimme nämä suojahatut ja muotoilimme pylväiden päät uudelleen ennen lopullista käärintämistä.
Ryhmä kokeili erilaisia jälleenrakennusskenaarioita. "Ne, jotka katsovat ympärilleen, toimivat parhaiten", Grace sanoo. ”Lisäksi prototyyppivaiheessa käytimme modifioitua hitsaustyökalua lämmön kohdistamiseen ja raidetangon päiden muotoilemiseen. Massatuotantokonseptissa sinulla olisi yksi isompi työkalu, joka voi muotoilla ja muotoilla tukien kaikki päät sisätilojen laminaatiksi samanaikaisesti. . ”
Vetoaisan päät uusittu. TUM kokeili erilaisia konsepteja ja muokkasi hitsejä kohdistaakseen komposiittisiteiden päät säiliön seinämän laminaattiin kiinnittämistä varten. Kuvan luotto: "Tuotantoprosessin kehittäminen kuutioisille paineastioille, joissa on tuki", Münchenin teknillinen yliopisto, Polymers4Hydrogen-projekti, ECCM20, kesäkuu 2022.
Siten laminaatti kovetetaan ensimmäisen käämitysvaiheen jälkeen, pylväät muotoillaan uudelleen, TUM suorittaa filamenttien toisen käämityksen ja sitten säiliön ulkoseinämän laminaatti kovetetaan toisen kerran. Huomaa, että tämä on tyypin 5 säiliörakenne, mikä tarkoittaa, että siinä ei ole muovista vuorausta kaasusulkuna. Katso keskustelu alla olevasta Seuraavat vaiheet -osiosta.
"Leikkasimme ensimmäisen demon poikkileikkauksiksi ja kartoitimme yhdistetyn alueen", Glace sanoi. "Lähikuva osoittaa, että meillä oli laatuongelmia laminaatin kanssa, koska tukipäät eivät olleet tasaisesti sisälaminaatin päällä."
Säiliön sisä- ja ulkoseinien laminaatin välisten rakojen ratkaiseminen. Modifioitu raidetangon pää luo raon koesäiliön ensimmäisen ja toisen kierroksen väliin. Kuvan luotto: Münchenin teknillinen yliopisto LCC.
Tämä alkuperäinen 450 x 290 x 80 mm säiliö valmistui viime kesänä. "Olemme edistyneet paljon sen jälkeen, mutta meillä on edelleen kuilu sisä- ja ulkolaminaatin välillä", Glace sanoi. ”Yritimme siis täyttää nämä aukot puhtaalla, korkeaviskositeettisella hartsilla. Tämä itse asiassa parantaa nastojen ja laminaatin välistä yhteyttä, mikä lisää huomattavasti mekaanista rasitusta.
Tiimi jatkoi säiliön suunnittelun ja prosessin kehittämistä, mukaan lukien ratkaisut haluttuun käämityskuvioon. "Testisäiliön sivut eivät olleet täysin käpristyneet, koska tämän geometrian oli vaikea luoda käämitysreittiä", Glace selitti. ”Alkuperäinen käämityskulmamme oli 75°, mutta tiesimme, että paineastian kuormitukseen tarvitaan useita piirejä. Etsimme edelleen ratkaisua tähän ongelmaan, mutta se ei ole helppoa tällä hetkellä markkinoilla olevilla ohjelmistoilla. Siitä voi tulla jatkoprojekti.
"Olemme osoittaneet tämän tuotantokonseptin toteutettavuuden", Gleiss sanoo, "mutta meidän on työskenneltävä edelleen parantaaksemme laminaatin välistä yhteyttä ja muotoillaksemme uudelleen raidetangot. "Ulkoinen testaus testauskoneella. Vedät välilevyt ulos laminaatista ja testaat mekaanisia kuormituksia, joita nämä liitokset kestävät.
Tämä Polymers4Hydrogen-projektin osa valmistuu vuoden 2023 lopussa, jolloin Gleis toivoo saavansa valmiiksi toisen esittelytankin. Mielenkiintoista on, että nykyisissä malleissa käytetään siistiä vahvistettua kestomuovia rungossa ja lämpökovettuvia komposiitteja säiliön seinissä. Käytetäänkö tätä hybridilähestymistapaa lopullisessa esittelysäiliössä? "Kyllä", Grace sanoi. "Yhteistyömme Polymers4Hydrogen-projektissa kehittävät epoksihartseja ja muita komposiittimatriisimateriaaleja, joilla on paremmat vetysulkuominaisuudet." Hän listaa kaksi tässä työssä työskentelevää yhteistyökumppania, PCCL ja Tampereen yliopisto (Tampere, Suomi).
Gleiss ja hänen tiiminsä vaihtoivat myös tietoa ja keskustelivat ideoista Jaegerin kanssa toisesta HyDDen-projektista LCC:n mukaisesta komposiittisäiliöstä.
"Tuotamme mukautetun komposiittipaineastian tutkimusdroneille", Jaeger sanoo. "Tämä on yhteistyö TUM:n ilmailu- ja geodeettisen osaston – LCC:n ja helikopteritekniikan laitoksen (HT) välillä. Projekti valmistuu vuoden 2024 loppuun mennessä ja parhaillaan viimeistelemme paineastiaa. suunnittelu, joka on enemmän ilmailu- ja autoteollisuuden lähestymistapaa. Tämän alkukonseptivaiheen jälkeen seuraava askel on suorittaa yksityiskohtainen rakennemallinnus ja ennustaa seinärakenteen esteen suorituskyky.
"Koko idea on kehittää tutkiva drone, jossa on hybridipolttokenno ja akkukäyttöjärjestelmä", hän jatkoi. Se käyttää akkua suuritehoisten kuormien aikana (eli lentoonlähdön ja laskun aikana) ja vaihtaa sitten polttokennolle kevyen kuorman risteilyn aikana. "HT-tiimillä oli jo tutkimusdroni ja se suunnitteli uudelleen voimansiirron käyttämään sekä akkuja että polttokennoja", Yeager sanoi. "He ostivat myös CGH2-säiliön testatakseen tätä voimansiirtoa."
"Tiimini tehtävänä oli rakentaa painesäiliön prototyyppi, joka sopisi, mutta ei sylinterimäisen säiliön aiheuttamien pakkausongelmien vuoksi", hän selittää. ”Liisempi säiliö ei tarjoa yhtä paljon tuulenvastusta. Joten saat paremman lentosuorituskyvyn." Säiliön mitat n. 830 x 350 x 173 mm.
Täysin termoplastinen AFP-yhteensopiva säiliö. HyDDen-projektia varten TUM:n LCC-tiimi tutki alun perin samanlaista lähestymistapaa kuin Glacen (yllä) käyttämä lähestymistapa, mutta siirtyi sitten lähestymistapaan, jossa käytettiin useiden rakennemoduulien yhdistelmää, joita sitten käytettiin liikaa AFP:n avulla (alla). Kuvan luotto: Münchenin teknillinen yliopisto LCC.
"Yksi idea on samanlainen kuin Elisabethin [Gleissin] lähestymistapa", Yager sanoo, "kiinnittää verisuonen seinämiin suuria taivutusvoimia kompensoimaan. Käytämme kuitenkin AFP:tä sen sijaan, että käyttäisimme käämitysprosessia säiliön valmistamiseen. Siksi ajattelimme luoda paineastiaan erillisen osan, johon telineet on jo integroitu. Tämä lähestymistapa antoi minulle mahdollisuuden yhdistää useita näistä integroiduista moduuleista ja laittaa sitten päätykannen tiivistämään kaiken ennen lopullista AFP-käämitystä.
"Yritämme viimeistellä tällaista konseptia", hän jatkoi, "ja myös alkaa testata materiaalien valintaa, mikä on erittäin tärkeää tarvittavan H2-kaasun tunkeutumiskestävyyden varmistamiseksi. Tätä varten käytämme pääasiassa kestomuovimateriaaleja ja tutkimme erilaisia, kuinka materiaali vaikuttaa tähän läpäisykäyttäytymiseen ja käsittelyyn AFP-koneessa. On tärkeää ymmärtää, onko hoidolla vaikutusta ja tarvitaanko jälkikäsittelyä. Haluamme myös tietää, vaikuttavatko erilaiset pinot vedyn läpäisyyn paineastian läpi."
Säiliö valmistetaan kokonaan kestomuovista ja nauhat toimittaa Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Saksa). "Käytämme heidän PPS- [polyfenyleenisulfidi]-, PEEK- [polyeetteriketoni]- ja LM PAEK [alhaalla sulava polyaryyliketoni] -materiaaleja", Yager sanoi. "Sitten vertailuja tehdään sen selvittämiseksi, mikä on paras tunkeutumissuojaukseen ja parempien osien tuottamiseen." Hän toivoo saavansa testauksen, rakenne- ja prosessimallinnuksen ja ensimmäiset demonstraatiot päätökseen ensi vuoden aikana.
Tutkimustyö tehtiin COMET-moduulissa "Polymers4Hydrogen" (ID 21647053) liittovaltion ilmastonmuutos-, ympäristö-, energia-, liikkuvuus-, innovaatio- ja teknologiaministeriön ja liittovaltion digitaaliteknologia- ja talousministeriön COMET-ohjelman puitteissa. . Kirjoittajat kiittävät osallistuvia kumppaneita Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL, Itävalta), Montanuniversitaet Leoben (polymeeritekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta, polymeerimateriaalien kemian laitos, materiaalitieteen ja polymeeritestauksen laitos), Tampereen yliopisto (tekninen tiedekunta) materiaalit). ) Science), Peak Technology ja Faurecia osallistuivat tähän tutkimustyöhön. COMET-Modulia rahoittavat Itävallan hallitus ja Steiermarkin osavaltion hallitus.
Kantavien rakenteiden esivahvistetut levyt sisältävät jatkuvia kuituja – ei vain lasista, vaan myös hiilestä ja aramidista.
On monia tapoja tehdä komposiittiosia. Siksi tietyn osan menetelmän valinta riippuu materiaalista, osan suunnittelusta ja loppukäytöstä tai sovelluksesta. Tässä on valintaopas.
Shocker Composites ja R&M International kehittävät kierrätettyjen hiilikuitujen toimitusketjua, joka ei aiheuta tuhoa, alhaisemmat kustannukset kuin ensikuitu ja tarjoaa lopulta pituuksia, jotka lähestyvät rakenteellisesti jatkuvaa kuitua.
Postitusaika: 15.3.2023