Les réservoirs à plate-forme standard pour BEV et FCEV utilisent des composites thermoplastiques et thermodurcissables avec une construction squelette qui permet un stockage de H2 en plus de 25 %. #hydrogène #tendances
Après qu'une collaboration avec BMW ait montré qu'un réservoir cubique pouvait offrir une efficacité volumétrique supérieure à celle de plusieurs petits cylindres, l'Université technique de Munich s'est lancée dans un projet visant à développer une structure composite et un processus de fabrication évolutif pour la production en série. Crédit image : TU Dresden (en haut) à gauche), Université technique de Munich, Département des composites de carbone (LCC)
Les véhicules électriques à pile à combustible (FCEV) alimentés par de l’hydrogène à zéro émission (H2) fournissent des moyens supplémentaires pour atteindre les objectifs environnementaux zéro. Une voiture particulière à pile à combustible équipée d'un moteur H2 peut être remplie en 5 à 7 minutes et a une autonomie de 500 km, mais elle est actuellement plus chère en raison des faibles volumes de production. Une façon de réduire les coûts consiste à utiliser une plate-forme standard pour les modèles BEV et FCEV. Ceci 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 FCEV ne sont pas adaptés aux compartiments de batterie sous caisse soigneusement conçus pour les véhicules électriques. Cependant, des récipients sous pression sous forme d'oreillers et de cubes peuvent s'insérer dans cet espace d'emballage 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) est impliqué dans deux projets pour développer ce concept. Le premier est Polymers4Hydrogen (P4H), dirigé par le Leoben Polymer Competence Center (PCCL, Leoben, Autriche). Le module de travail du LCC est dirigé par la boursière Elizabeth Glace.
Le deuxième projet est l’environnement de démonstration et de développement de l’hydrogène (HyDDen), où le LCC est dirigé par le chercheur Christian Jaeger. Les deux visent à créer une démonstration à grande échelle du processus de fabrication permettant de fabriquer un réservoir CGH2 approprié à l’aide de composites en fibre de carbone.
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 revêtements en acier et d'une coque extérieure en composite fibre de carbone/époxy (à droite). Source de l'image : Les figures 3 et 6 proviennent de « Approche de conception numérique pour les navires à caisson sous pression de type II avec jambes de tension internes » de Ruf et Zaremba et al.
P4H a fabriqué un réservoir cubique expérimental qui utilise un cadre thermoplastique avec des sangles/entretoises de tension composites enveloppées dans de l'époxy renforcé de fibres de carbone. HyDDen utilisera une conception similaire, mais utilisera le superposition automatique de fibres (AFP) pour fabriquer tous les réservoirs composites thermoplastiques.
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 surtout des formes plates et irrégulières, dans une cavité reliée au support de coque. . les éléments sont utilisés de manière à pouvoir résister à la force de dilatation du gaz.
Un article du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) de 2006 décrit trois approches : un récipient sous pression conforme à enroulement filamentaire, un récipient sous pression à micro-réseau contenant une structure de réseau orthorhombique interne (petites cellules de 2 cm ou moins), entourée d'un récipient H2 à paroi mince, et un conteneur de réplicateur, constitué d'une structure interne constituée de petites pièces collées (par exemple, des anneaux en plastique hexagonaux) et d'une composition de fine peau de coque externe. Les conteneurs en double conviennent mieux aux conteneurs plus grands où les méthodes traditionnelles peuvent être difficiles à appliquer.
Le brevet DE102009057170A déposé par Volkswagen en 2009 décrit un récipient sous pression monté sur véhicule qui offrira un rendement pondéral élevé tout en améliorant l'utilisation de l'espace. Les réservoirs rectangulaires utilisent des connecteurs de tension entre deux parois rectangulaires opposées et les coins sont arrondis.
Les concepts ci-dessus et d'autres sont cités par Gleiss dans l'article « Process Development for Cubic Pressure Vessels with Stretch Bars » de Gleiss et al. à ECCM20 (26-30 juin 2022, Lausanne, Suisse). Dans cet article, elle cite une étude TUM publiée par Michael Roof et Sven Zaremba, qui a révélé qu'un récipient sous pression cubique avec des entretoises de tension reliant des côtés rectangulaires est plus efficace que plusieurs petits cylindres qui s'insèrent dans l'espace d'une batterie plate, fournissant environ 25 % plus. espace de stockage.
Selon Gleiss, le problème lié à l’installation d’un grand nombre de petits cylindres de type 4 dans un boîtier plat est que « le volume entre les cylindres est considérablement réduit et le système présente également une très grande surface de perméation du gaz H2. Dans l’ensemble, le système offre une capacité de stockage inférieure à celle des bocaux cubes.
Cependant, la conception cubique du réservoir pose d’autres problèmes. "Évidemment, en raison du gaz comprimé, il faut contrecarrer les forces de flexion sur les parois plates", explique Gleiss. « Pour cela, il faut une structure renforcée qui se connecte intérieurement aux parois du réservoir. Mais c'est difficile à faire avec les composites.
Glace et son équipe ont essayé d'incorporer des barres de tension de renforcement dans le récipient sous pression d'une manière adaptée au processus d'enroulement filamentaire. "C'est important pour la production en grand volume", explique-t-elle, "et nous permet également de concevoir le modèle d'enroulement des parois du conteneur afin d'optimiser l'orientation des fibres pour chaque charge dans la zone."
Quatre étapes pour réaliser un réservoir composite cubique d'essai pour le projet P4H. Crédit image : « Développement d'un processus de production pour les récipients à pression cubiques avec renfort », Université technique de Munich, projet Polymers4Hydrogen, ECCM20, juin 2022.
Pour y parvenir, l'équipe a développé un nouveau concept composé de quatre étapes principales, comme indiqué ci-dessus. Les entretoises de tension, représentées en noir sur les marches, sont une structure de cadre préfabriquée fabriquée selon les méthodes tirées du projet MAI Skelett. Pour ce projet, BMW a développé un « cadre » de cadre de pare-brise utilisant quatre tiges de pultrusion renforcées de fibres, qui ont ensuite été moulées dans un cadre en plastique.
Le cadre d'un réservoir cubique expérimental. Sections squelettiques hexagonales imprimées en 3D par TUM à l'aide d'un filament PLA non renforcé (en haut), en insérant des tiges de pultrusion CF/PA6 comme renforts de tension (au milieu), puis en enroulant le filament autour des renforts (en bas). Crédit image : Université technique de Munich LCC.
"L'idée est que vous pouvez construire le cadre d'un réservoir cubique comme une structure modulaire", a déclaré 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." méthode de production en série, aboutissant à une structure qui est ensuite utilisée comme mandrin ou noyau pour envelopper la coque composite du réservoir de stockage.
TUM a conçu le cadre du réservoir comme un « coussin » cubique avec des côtés solides, des coins arrondis et un motif hexagonal en haut et en bas à travers lequel des attaches peuvent être insérées et fixées. Les trous de ces racks 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 d'origine biologique] parce que c'était facile et bon marché", a déclaré Glace.
L'équipe a acheté 68 tiges en polyamide 6 (PA6) renforcé de fibres de carbone pultrudées auprès de SGL Carbon (Meitingen, Allemagne) pour les utiliser comme attaches. « Pour tester le concept, nous n'avons effectué 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 fournit alors un mandrin pour enrouler le réservoir. Elle note que même si ces cannes sont relativement faciles à enrouler, elles présentent certains 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 dans le concept de production", a expliqué Gleiss. « Ainsi, les entretoises de tension dépassent de la surface extérieure de la structure squelettique, et nous attachons les fibres de carbone à ce noyau à l’aide d’un enroulement filamentaire humide. Après cela, dans la troisième étape, nous plions la tête de chaque tirant. thermoplastique, nous utilisons donc simplement la chaleur pour remodeler la tête afin qu'elle s'aplatisse et se verrouille dans la première couche d'emballage. On procède ensuite à l'enveloppement à nouveau de la structure afin que la tête de poussée plate soit géométriquement enfermée à l'intérieur du réservoir. stratifié sur les murs.
Capuchon d'espacement pour le remontage. TUM utilise des capuchons en plastique aux extrémités des tiges de tension pour empêcher les fibres de s'emmêler lors de l'enroulement du filament. Crédit image : Université technique de Munich LCC.
Glace a réitéré que ce premier char était une preuve de concept. « L’utilisation de l’impression 3D et de la colle n’était que pour des tests initiaux et nous a donné une idée de quelques-uns des problèmes que nous avons rencontrés. Par exemple, lors du bobinage, les filaments étaient coincés par les extrémités des tiges de tension, provoquant la rupture des fibres, leur endommagement et réduisant la quantité de fibre pour contrer cela. nous avons utilisé quelques capuchons en plastique comme aide à la fabrication qui ont été placés sur les poteaux avant la première étape d'enroulement. Ensuite, lorsque les stratifiés internes ont été fabriqués, nous avons retiré ces capuchons de protection et remodelé les extrémités des poteaux avant l'emballage final.
L'équipe a expérimenté différents scénarios de reconstruction. «Ceux qui regardent autour d'eux travaillent le mieux», déclare Grace. « De plus, pendant la phase de prototypage, nous avons utilisé un outil de soudage modifié pour appliquer de la chaleur et remodeler les extrémités des tirants. Dans un concept de production de masse, vous auriez un outil plus grand qui peut façonner et former simultanément toutes les extrémités des entretoises en un stratifié de finition intérieure. . »
Têtes de timon remodelées. TUM a expérimenté différents concepts et modifié les soudures pour aligner les extrémités des attaches composites à fixer au stratifié de la paroi du réservoir. Crédit image : « Développement d'un processus de production pour les récipients à pression cubiques avec renfort », Université technique de Munich, projet Polymers4Hydrogen, ECCM20, juin 2022.
Ainsi, le stratifié est durci après la première étape d'enroulement, les poteaux sont remodelés, le TUM achève le deuxième enroulement des filaments, puis le stratifié de la paroi externe du réservoir est durci une seconde fois. Veuillez noter qu'il s'agit d'un réservoir de type 5, ce qui signifie qu'il n'a pas de revêtement en plastique comme barrière contre les gaz. Voir la discussion dans la section Étapes suivantes ci-dessous.
"Nous avons découpé la première démo en coupes transversales et cartographié la zone connectée", a déclaré Glace. "Un gros plan montre que nous avons eu des problèmes de qualité avec le stratifié, les têtes de support ne reposant pas à plat sur le stratifié intérieur."
Résoudre les problèmes d'espaces entre le stratifié des parois intérieure et extérieure du réservoir. La tête de tirant modifiée crée un espace entre le premier et le deuxième tour 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 fait beaucoup de progrès depuis, mais il reste encore un écart entre les stratifiés intérieurs et extérieurs », a déclaré Glace. « Nous avons donc essayé de combler ces lacunes avec une résine propre et à haute viscosité. Cela améliore effectivement la connexion entre les plots et le stratifié, ce qui augmente considérablement les contraintes mécaniques.
L'équipe a continué à développer la conception et le processus du réservoir, y compris des solutions pour le modèle d'enroulement souhaité. "Les côtés du réservoir d'essai n'étaient pas complètement courbés car il était difficile pour cette géométrie de créer un chemin sinueux", a expliqué Glace. « Notre angle d'enroulement initial était de 75°, mais nous savions que plusieurs circuits étaient nécessaires pour répondre à la charge dans ce récipient sous pression. Nous cherchons toujours une solution à ce problème, mais ce n'est pas facile avec les logiciels actuellement disponibles sur le marché. Cela pourrait devenir un projet de suivi.
« Nous avons démontré la faisabilité de ce concept de production », explique Gleiss, « mais nous devons travailler davantage pour améliorer la connexion entre les stratifiés et remodeler les tirants. « Tests externes sur une machine de test. Vous retirez les entretoises du stratifié et testez les charges mécaniques que ces joints peuvent supporter.
Cette partie du projet Polymers4Hydrogen sera achevée fin 2023, date à laquelle Gleis espère achever le deuxième réservoir de démonstration. Il est intéressant de noter que les conceptions actuelles utilisent des thermoplastiques renforcés dans le cadre et des composites thermodurcis dans les parois du réservoir. Cette approche hybride sera-t-elle utilisée dans le char de démonstration final ? "Oui," dit Grace. «Nos partenaires du projet Polymers4Hydrogen développent des résines époxy et d'autres matériaux à matrice composite dotés de meilleures propriétés de barrière contre l'hydrogène.» Elle cite deux partenaires travaillant sur ce travail, PCCL et l'Université de Tampere (Tampere, Finlande).
Gleiss et son équipe ont également échangé des informations et discuté des idées avec Jaeger sur le deuxième projet HyDDen du réservoir composite conforme LCC.
«Nous produirons un récipient sous pression composite conforme pour les drones de recherche», déclare Jaeger. « Il s'agit d'une collaboration entre les deux départements du Département aérospatial et géodésique du TUM – LCC et le Département de technologie des hélicoptères (HT). Le projet sera achevé d'ici la fin de 2024 et nous terminons actuellement la cuve sous pression. un design qui relève davantage d’une approche aérospatiale et automobile. Après cette étape de conception initiale, l’étape suivante consiste à réaliser une modélisation structurelle détaillée et à prédire les performances de barrière de la structure du mur.
"L'idée est de développer un drone d'exploration doté d'un système de propulsion hybride à pile à combustible et à batterie", a-t-il poursuivi. Il utilisera la batterie lors de charges de puissance élevée (c'est-à-dire le décollage et l'atterrissage), puis passera à la pile à combustible lors de croisières à charge légère. "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 déclaré Yeager. "Ils ont également acheté un réservoir CGH2 pour tester cette transmission."
« Mon équipe avait pour tâche de construire un prototype de réservoir sous pression qui conviendrait, mais pas à cause des problèmes d'emballage qu'un réservoir cylindrique créerait », explique-t-il. « Un réservoir plus plat n'offre pas autant de résistance au vent. Vous obtenez ainsi de meilleures performances de vol. Dimensions du réservoir env. 830x350x173mm.
Réservoir entièrement thermoplastique conforme AFP. Pour le projet HyDDen, l'équipe LCC de TUM a d'abord exploré une approche similaire à celle utilisée par Glace (ci-dessus), mais est ensuite passée à une approche utilisant une combinaison de plusieurs modules structurels, qui ont ensuite été surutilisés avec l'AFP (ci-dessous). Crédit image : Université technique de Munich LCC.
« Une idée est similaire à l'approche d'Elisabeth [Gleiss] », explique Yager, « consistant à appliquer des renforts de tension sur la paroi du vaisseau pour compenser les forces de flexion élevées. Cependant, au lieu d'utiliser un procédé de bobinage pour fabriquer le réservoir, nous utilisons de l'AFP. C'est pourquoi nous avons pensé à créer une section séparée du récipient sous pression, dans laquelle les racks sont déjà intégrés. Cette approche m'a permis de combiner plusieurs de ces modules intégrés, puis d'appliquer un embout pour sceller le tout avant le bobinage final de l'AFP.
«Nous essayons de finaliser un tel concept», a-t-il poursuivi, «et également de commencer à tester le choix des matériaux, ce qui est très important pour garantir la résistance nécessaire à la pénétration du gaz H2. Pour cela, nous utilisons principalement des matériaux thermoplastiques et travaillons sur la manière dont le matériau affectera ce comportement de perméation et son traitement dans la machine AFP. Il est important de comprendre si le traitement aura un effet et si un post-traitement est nécessaire. Nous voulons également savoir si différentes cheminées affecteront la perméation de l’hydrogène à travers le récipient sous pression.
Le réservoir sera entièrement réalisé en thermoplastique et les bandes seront fournies par Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Allemagne). "Nous utiliserons leurs matériaux PPS [polyphénylène sulfure], PEEK [polyéther cétone] et LM PAEK [polyaryl cétone à faible point de fusion]", a déclaré Yager. « Des comparaisons sont ensuite effectuées pour déterminer laquelle est la meilleure en termes de protection contre la pénétration et de production de pièces plus performantes. » Il espère terminer les tests, la modélisation structurelle et de processus ainsi que les premières démonstrations au cours de l'année prochaine.
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 du Numérique 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 de polymères), Université de Tampere (Faculté d'ingénierie Matériels). ) Science), Peak Technology et Faurecia ont contribué à ces travaux de recherche. COMET-Modul est financé par le gouvernement autrichien et le gouvernement du Land de Styrie.
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Heure de publication : 15 mars 2023