Les réservoirs à plate-forme plate standard pour les véhicules électriques à batterie et les véhicules à pile à combustible utilisent des composites thermoplastiques et thermodurcissables avec une construction squelettique qui offre 25 % de stockage d'H2 en plus. #hydrogène #tendances
Après qu'une collaboration avec BMW a démontré qu'un réservoir cubique pouvait offrir un rendement volumétrique supérieur à celui de plusieurs petits cylindres, l'Université technique de Munich s'est lancée dans un projet visant à développer une structure composite et un procédé de fabrication évolutif pour la production en série. Crédit photo : TU Dresden (en haut à gauche), Université technique de Munich, Département des composites de carbone (LCC).
Les véhicules électriques à pile à combustible (VEPC) alimentés à l'hydrogène zéro émission (H2) offrent des moyens supplémentaires pour atteindre les objectifs environnementaux zéro. Une voiture particulière à pile à combustible équipée d'un moteur H2 peut être ravitaillée en 5 à 7 minutes et dispose d'une autonomie de 500 km, mais son prix est actuellement plus élevé en raison de faibles volumes de production. Une solution pour réduire les coûts consiste à utiliser une plateforme standard pour les modèles BEV et FCEV. Cela n'est actuellement pas possible, car les réservoirs cylindriques de type 4 utilisés pour stocker le gaz H2 comprimé (CGH2) à 700 bars dans les VEPC ne sont pas adaptés aux compartiments de batterie sous-carrosserie, spécialement conçus pour les véhicules électriques. Cependant, des réservoirs sous pression sous forme de coussins et de cubes peuvent s'intégrer dans cet espace plat.
Brevet US5577630A pour « Composite Conformal Pressure Vessel », demande déposée par Thiokol Corp. en 1995 (à gauche) et le récipient sous pression rectangulaire breveté par BMW en 2009 (à droite).
Le Département des composites de carbone (LCC) de l'Université technique de Munich (TUM, Munich, Allemagne) participe à deux projets visant à développer ce concept. Le premier, Polymers4Hydrogen (P4H), est dirigé par le Centre de compétences en polymères de Leoben (PCCL, Leoben, Autriche). Le groupe de travail du LCC est dirigé par Elizabeth Glace, membre du Fellowship.
Le deuxième projet est l'environnement de démonstration et de développement de l'hydrogène (HyDDen), dirigé par le chercheur Christian Jaeger. Ces deux projets visent à réaliser une démonstration à grande échelle du procédé de fabrication d'un réservoir CGH2 adapté à l'utilisation de composites en fibre de carbone.
Français L'efficacité volumétrique est limitée lorsque des cylindres de petit diamètre sont installés dans des cellules de batterie plates (à gauche) et des récipients sous pression cubiques de type 2 constitués de chemises en acier et d'une coque extérieure en composite fibre de carbone/époxy (à droite). Source de l'image : Les figures 3 et 6 sont tirées de « Approche de conception numérique pour récipient sous pression de type II avec jambes de tension internes » par Ruf et Zaremba et al.
P4H a fabriqué un réservoir cubique expérimental utilisant un cadre thermoplastique avec des sangles de tension/entretoises composites enveloppées d'époxy renforcé de fibres de carbone. HyDDen utilisera une conception similaire, mais utilisera la technique de stratification automatique des fibres (AFP) pour la fabrication de tous les réservoirs en composite thermoplastique.
Depuis une demande de brevet de Thiokol Corp. pour « Composite Conformal Pressure Vessel » en 1995 jusqu'au brevet allemand DE19749950C2 en 1997, les récipients à gaz comprimé « peuvent avoir n'importe quelle configuration géométrique », mais en particulier des formes plates et irrégulières, dans une cavité reliée au support de la coque. Des éléments sont utilisés pour qu'ils puissent résister à la force de dilatation du gaz.
Un article de 2006 du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) décrit trois approches : un récipient sous pression conforme à enroulement filamentaire, un récipient sous pression à micro-réseau contenant une structure interne en treillis orthorhombique (petites cellules de 2 cm ou moins), entourée d'un récipient H2 à paroi mince, et un récipient réplicateur, constitué d'une structure interne composée de petites pièces collées (par exemple, des anneaux hexagonaux en plastique) et d'une fine enveloppe extérieure. Les récipients dupliqués sont particulièrement adaptés aux grands récipients où les méthodes traditionnelles peuvent être difficiles à appliquer.
Le brevet DE102009057170A, déposé par Volkswagen en 2009, décrit un réservoir sous pression embarqué offrant une grande efficacité pondérale tout en optimisant l'espace. Les réservoirs rectangulaires utilisent des connecteurs de tension entre deux parois rectangulaires opposées, et leurs angles sont arrondis.
Les concepts ci-dessus et d'autres sont cités par Gleiss dans l'article « Développement de procédés pour récipients à pression cubiques avec barres extensibles » de Gleiss et al. présenté à l'ECCM20 (26-30 juin 2022, Lausanne, Suisse). Dans cet article, elle cite une étude de la TUM publiée par Michael Roof et Sven Zaremba, qui a révélé qu'un récipient à pression cubique avec des entretoises de tension reliant des côtés rectangulaires est plus efficace que plusieurs petits cylindres qui tiennent dans l'espace d'une batterie plate, offrant environ 25 % d'espace de stockage supplémentaire.
Selon Gleiss, le problème de l'installation d'un grand nombre de petites bouteilles de type 4 dans un boîtier plat est que « le volume entre les bouteilles est considérablement réduit et le système présente également une très grande surface de perméation du gaz H2. Globalement, le système offre une capacité de stockage inférieure à celle des bocaux cubiques. »
Cependant, la conception cubique du réservoir présente d'autres problèmes. « Évidemment, à cause du gaz comprimé, il faut contrer les forces de flexion sur les parois planes », explique Gleiss. « Pour cela, il faut une structure renforcée qui se connecte intérieurement aux parois du réservoir. Or, c'est difficile à réaliser avec des matériaux composites. »
Glace et son équipe ont tenté d'intégrer des barres de tension de renforcement dans le récipient sous pression, de manière à ce qu'elles soient adaptées au procédé d'enroulement filamentaire. « Cela est important pour la production en grande série », explique-t-elle, « et nous permet également de concevoir le motif d'enroulement des parois du récipient afin d'optimiser l'orientation des fibres pour chaque charge dans la zone. »
Quatre étapes pour la fabrication d'un réservoir composite cubique d'essai pour le projet P4H. Crédit image : « Développement d'un procédé de production pour réservoirs sous pression cubiques avec renfort », Université technique de Munich, projet Polymers4Hydrogen, ECCM20, juin 2022.
Pour atteindre cet objectif, l'équipe a développé un nouveau concept composé de quatre étapes principales, comme illustré ci-dessus. Les entretoises de tension, représentées en noir sur les étapes, constituent une structure de cadre préfabriquée fabriquée selon des méthodes issues du projet MAI Skelett. Pour ce projet, BMW a développé une structure de pare-brise utilisant quatre tiges de pultrusion renforcées de fibres, qui ont ensuite été moulées en un cadre en plastique.
Structure d'un réservoir cubique expérimental. Sections squelettiques hexagonales imprimées en 3D par la TUM à l'aide de filament PLA non renforcé (en haut), de tiges de pultrusion CF/PA6 insérées comme supports de tension (au milieu), puis d'un enroulement du filament autour de ces supports (en bas). Crédit image : Université technique de Munich (LCC).
« L'idée est de construire le cadre d'un réservoir cubique comme une structure modulaire », explique Glace. « Ces modules sont ensuite placés dans un outil de moulage, les entretoises de tension sont placées dans les modules du cadre, puis la méthode de MAI Skelett est utilisée autour des entretoises pour les intégrer aux pièces du cadre. » Cette méthode de production en série permet d'obtenir une structure qui sert ensuite de mandrin ou de noyau pour envelopper la coque composite du réservoir de stockage.
La TUM a conçu le cadre du réservoir comme un « coussin » cubique aux parois pleines, aux angles arrondis et à un motif hexagonal en haut et en bas permettant l'insertion et la fixation des attaches. Les trous pour ces supports ont également été imprimés en 3D. « Pour notre premier réservoir expérimental, nous avons imprimé en 3D des sections de cadre hexagonales en utilisant de l'acide polylactique [PLA, un thermoplastique biosourcé], car c'était simple et économique », explique Glace.
L'équipe a acheté 68 tiges pultrudées en polyamide 6 (PA6) renforcé de fibres de carbone auprès de SGL Carbon (Meitingen, Allemagne) pour servir de tirants. « Pour tester le concept, nous n'avons procédé à aucun moulage », explique Gleiss, « mais avons simplement inséré des entretoises dans un cadre en nid d'abeille imprimé en 3D et les avons collées avec de la colle époxy. Cela permet d'obtenir un mandrin pour l'enroulement du réservoir. » Elle souligne que, bien que ces tiges soient relativement faciles à enrouler, elles présentent des problèmes importants qui seront décrits plus loin.
« Dans un premier temps, notre objectif était de démontrer la fabricabilité de la conception et d'identifier les problèmes liés à la production », explique Gleiss. « Les tirants dépassent de la surface extérieure de la structure squelettique, et nous fixons les fibres de carbone à ce noyau par enroulement filamentaire humide. Ensuite, lors de la troisième étape, nous plions la tête de chaque tirant. Le thermoplastique est utilisé pour remodeler la tête à la chaleur afin qu'elle s'aplatisse et se fixe dans la première couche d'enveloppement. Nous procédons ensuite à un nouvel enveloppement de la structure afin que la tête de poussée plate soit géométriquement enfermée dans le réservoir. Le stratifié sur les parois est appliqué. »
Bouchon d'espacement pour l'enroulement. La TUM utilise des bouchons en plastique aux extrémités des tiges de tension pour éviter l'emmêlement des fibres lors de l'enroulement filamentaire. Crédit image : Université technique de Munich (LCC).
Glace a rappelé que ce premier réservoir était une preuve de concept. « L'utilisation de l'impression 3D et de la colle n'était qu'un test initial et nous a donné un aperçu de quelques-uns des problèmes rencontrés. Par exemple, lors de l'enroulement, les filaments étaient coincés par les extrémités des tiges de tension, provoquant la rupture et l'endommagement des fibres, réduisant ainsi la quantité de fibres. Pour pallier ce problème, nous avons utilisé quelques capuchons en plastique comme aides à la fabrication, placés sur les pôles avant la première étape d'enroulement. Ensuite, une fois les laminés internes réalisés, nous avons retiré ces capuchons de protection et remodelé les extrémités des pôles avant l'enroulement final. »
L'équipe a expérimenté différents scénarios de reconstruction. « Ceux qui étudient attentivement les pièces sont les plus performants », explique Grace. « De plus, pendant la phase de prototypage, nous avons utilisé un outil de soudage modifié pour appliquer de la chaleur et remodeler les embouts de biellette. Dans un concept de production en série, un outil plus grand permettrait de façonner simultanément toutes les extrémités des jambes de force en un stratifié de finition intérieure. »
Têtes de timon remodelées. La TUM a expérimenté différents concepts et modifié les soudures pour aligner les extrémités des attaches composites et les fixer au stratifié de la paroi du réservoir. Crédit image : « Développement d'un procédé de production pour récipients sous pression cubiques avec entretoise », Université technique de Munich, projet Polymers4Hydrogen, ECCM20, juin 2022.
Le stratifié est polymérisé après le premier enroulement, les tiges sont reformées, le TUM effectue le second enroulement des filaments, puis le stratifié de la paroi extérieure du réservoir est polymérisé une seconde fois. Veuillez noter qu'il s'agit d'un réservoir de type 5, ce qui signifie qu'il ne comporte pas de revêtement plastique comme barrière aux gaz. Voir la section « Étapes suivantes » ci-dessous.
« Nous avons découpé la première maquette en sections transversales et cartographié la zone connectée », explique Glace. « Un gros plan montre que nous avons rencontré des problèmes de qualité avec le stratifié, les têtes de jambe de force n'étant pas bien à plat sur le stratifié intérieur. »
Résolution des problèmes d'espaces entre le stratifié des parois intérieure et extérieure du réservoir. La tête de tirant modifiée crée un espace entre la première et la deuxième spire du réservoir expérimental. Crédit image : Université technique de Munich (LCC).
Ce premier réservoir de 450 x 290 x 80 mm a été achevé l'été dernier. « Nous avons beaucoup progressé depuis, mais il reste encore un écart entre le stratifié intérieur et le stratifié extérieur », a déclaré Glace. « Nous avons donc essayé de combler ces écarts avec une résine propre à haute viscosité. Cela améliore la liaison entre les goujons et le stratifié, ce qui augmente considérablement les contraintes mécaniques. »
L'équipe a continué à développer la conception et le procédé du réservoir, notamment en recherchant des solutions pour le motif d'enroulement souhaité. « Les parois du réservoir d'essai n'étaient pas entièrement courbées, car cette géométrie rendait difficile la création d'un chemin d'enroulement », explique Glace. « Notre angle d'enroulement initial était de 75°, mais nous savions que plusieurs circuits étaient nécessaires pour supporter la charge dans ce réservoir sous pression. Nous cherchons toujours une solution à ce problème, mais ce n'est pas simple avec les logiciels actuellement disponibles sur le marché. Cela pourrait faire l'objet d'un projet complémentaire. »
« Nous avons démontré la faisabilité de ce concept de production », explique Gleiss, « mais nous devons poursuivre nos efforts pour améliorer la liaison entre le stratifié et remodeler les tirants. Des essais externes sont réalisés sur une machine d'essai. On retire les entretoises du stratifié et on teste les charges mécaniques que ces assemblages peuvent supporter. »
Cette partie du projet Polymers4Hydrogen sera achevée fin 2023, date à laquelle Gleis espère terminer le deuxième réservoir de démonstration. Il est intéressant de noter que les conceptions actuelles utilisent des thermoplastiques renforcés purs pour le cadre et des composites thermodurcissables pour les parois du réservoir. Cette approche hybride sera-t-elle utilisée dans le réservoir de démonstration final ? « Oui », a répondu Grace. « Nos partenaires du projet Polymers4Hydrogen développent des résines époxy et d’autres matériaux composites matriciels offrant de meilleures propriétés de barrière à l’hydrogène. » Elle cite deux partenaires travaillant sur ce projet : le PCCL et l’Université de Tampere (Tampere, Finlande).
Gleiss et son équipe ont également échangé des informations et discuté d'idées avec Jaeger sur le deuxième projet HyDDen du réservoir composite conforme LCC.
« Nous allons produire un réservoir sous pression composite conforme pour les drones de recherche », explique Jaeger. « Il s'agit d'une collaboration entre les départements d'aérospatiale et de géodésie de la TUM (LCC) et de technologie des hélicoptères (HT). Le projet sera achevé d'ici fin 2024 et nous finalisons actuellement le réservoir sous pression, une conception qui s'inscrit davantage dans une approche aérospatiale et automobile. Après cette phase de conception initiale, l'étape suivante consiste à réaliser une modélisation structurelle détaillée et à prédire les performances de la paroi en tant que barrière. »
« L'idée est de développer un drone exploratoire doté d'un système de propulsion hybride à pile à combustible et batterie », a-t-il poursuivi. Il utilisera la batterie lors des fortes sollicitations (décollage et atterrissage), puis basculera sur la pile à combustible lors des phases de croisière à faible charge. « L'équipe HT disposait déjà d'un drone de recherche et a repensé le groupe motopropulseur pour utiliser à la fois des batteries et des piles à combustible », a expliqué Yeager. « Ils ont également fait l'acquisition d'un réservoir CGH2 pour tester cette transmission. »
« Mon équipe avait pour mission de construire un prototype de réservoir sous pression adapté, mais pas à cause des problèmes d'emballage qu'engendrerait un réservoir cylindrique », explique-t-il. « Un réservoir plus plat offre moins de résistance au vent. On obtient donc de meilleures performances de vol. » Dimensions du réservoir : environ 830 x 350 x 173 mm.
Réservoir entièrement thermoplastique conforme à l'AFP. Pour le projet HyDDen, l'équipe LCC de la TUM a initialement exploré une approche similaire à celle utilisée par Glace (ci-dessus), puis a opté pour une approche combinant plusieurs modules structurels, qui ont ensuite été surexploités grâce à l'AFP (ci-dessous). Crédit image : Université technique de Munich LCC.
« Une idée similaire à celle d'Elisabeth [Gleiss] », explique Yager, « consiste à appliquer des entretoises de tension sur la paroi de la cuve pour compenser les forces de flexion élevées. Cependant, au lieu d'utiliser un procédé d'enroulement pour fabriquer la cuve, nous utilisons de l'AFP. Nous avons donc envisagé de créer une section distincte de la cuve sous pression, dans laquelle les racks seraient déjà intégrés. Cette approche m'a permis de combiner plusieurs de ces modules intégrés, puis d'appliquer un bouchon pour sceller l'ensemble avant l'enroulement final de l'AFP. »
« Nous essayons de finaliser un tel concept », a-t-il poursuivi, « et commençons également à tester la sélection des matériaux, essentielle pour garantir la résistance nécessaire à la pénétration de l'hydrogène gazeux. Pour cela, nous utilisons principalement des matériaux thermoplastiques et étudions l'impact de ces matériaux sur la perméation et le traitement dans la machine AFP. Il est important de comprendre si le traitement aura un effet et si un post-traitement est nécessaire. Nous souhaitons également savoir si différentes cheminées affecteront la perméation de l'hydrogène à travers la cuve sous pression. »
Le réservoir sera entièrement fabriqué en thermoplastique et les bandes seront fournies par Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Allemagne). « Nous utiliserons leurs matériaux PPS [polysulfure de phénylène], PEEK [polyéther cétone] et LM PAEK [polyaryl cétone à bas point de fusion] », a expliqué Yager. « Des comparaisons seront ensuite effectuées afin de déterminer lequel offre la meilleure protection contre la pénétration et permet de produire des pièces plus performantes. » Il espère terminer les tests, la modélisation structurelle et des procédés, ainsi que les premières démonstrations d'ici un an.
Français Les travaux de recherche ont été réalisés dans le cadre du module COMET « Polymers4Hydrogen » (ID 21647053) du programme COMET du ministère fédéral du Changement climatique, de l'Environnement, de l'Énergie, de la Mobilité, de l'Innovation et de la Technologie et du ministère fédéral des Technologies numériques et de l'Économie. . Les auteurs remercient les partenaires participants Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL, Autriche), Montanuniversitaet Leoben (Faculté d'ingénierie et de science des polymères, Département de chimie des matériaux polymères, Département de science des matériaux et d'essais des polymères), Université de Tampere (Faculté d'ingénierie des matériaux). ) Science), Peak Technology et Faurecia ont contribué à ces travaux de recherche. Le module COMET est financé par le gouvernement autrichien et le gouvernement du Land de Styrie.
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Date de publication : 15 mars 2023