Les réservoirs standard de plate-forme plate pour les BEV et les FCEV utilisent des composites thermoplastiques et thermodurcissables avec une construction squelette qui fournit 25% de stockage H2 en plus. #hydrogène #Trends
Après une collaboration avec BMW a montré qu'un réservoir cube pouvait offrir une efficacité volumétrique plus élevée que plusieurs petits cylindres, l'Université technique de Munich s'est lancée dans un projet de développement d'une structure composite et d'un processus de fabrication évolutif pour la production en série. Crédit d'image: Tu Dresde (en haut) à gauche), Université technique de Munich, Département des composites de carbone (LCC)
Les véhicules électriques à pile à combustible (FCEV) alimentés par l'hydrogène à émission zéro (H2) fournissent des moyens supplémentaires pour atteindre zéro des cibles environnementales. Une voiture de tourisme à pile à combustible avec un moteur H2 peut être remplie de 5 à 7 minutes et dispose d'une portée de 500 km, mais est actuellement plus chère en raison de volumes de production faibles. Une façon de réduire les coûts consiste à utiliser une plate-forme standard pour les modèles BEV et FCEV. Ce n'est actuellement pas possible car les réservoirs cylindriques de type 4 utilisés pour stocker le gaz H2 comprimé (CGH2) à 700 bar dans les FCEV ne conviennent pas aux compartiments de batterie à sous-couss qui ont été soigneusement conçus pour les véhicules électriques. Cependant, les récipients sous pression sous forme d'oreillers et de cubes peuvent s'intégrer dans cet espace d'emballage plat.
Patent US5577630A pour «navire de pression conforme composite», demande déposée par Thiokol Corp. en 1995 (à gauche) et le vaisseau de 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 Polymers4hydrogène (P4H), dirigé par le Leoben Polymer Competence Center (PCCL, Leoben, Autriche). Le forfait de travail du LCC est dirigé par sa collègue 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 pour fabriquer un réservoir CGH2 approprié à l'aide de composites en fibre de carbone.
Il y a une efficacité volumétrique limitée lorsque des cylindres de petit diamètre sont installés dans des cellules de batterie plate (à gauche) et des récipients de pression de type 2 cubiques en revêtements en acier et une coque externe composite en fibre de carbone / époxy (à droite). Source de l'image: Les figures 3 et 6 proviennent de «l'approche de conception numérique pour le récipient de boîte de pression de type II avec des pattes de tension internes» de RUF et Zaremba et al.
P4H a fabriqué un réservoir de cube expérimental qui utilise un cadre thermoplastique avec des sangles / entretoises de tension composites enveloppées dans un époxy renforcé de fibre de carbone. Hydden utilisera une conception similaire, mais utilisera la mise en fibre automatique (AFP) pour fabriquer tous les réservoirs composites thermoplastiques.
De une demande de brevet par Thiokol Corp. à «Navire de pression conforme composite» en 1995 à l'allemand Patent DE19749950C2 En 1997, les vaisseaux à gaz comprimés «peuvent avoir une configuration géométrique», mais en particulier les formes plates et irrégulières, dans une cavité liée à la prise . Des éléments sont utilisés afin qu'ils puissent résister à la force d'expansion du gaz.
Un article de 2006 Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) décrit trois approches: un récipient de pression conforme de la plaie filamentaire, un récipient de pression en microlattre contenant une structure de réseau orthorhombique interne (petites cellules de 2 cm ou moins), entourée d'un récipient H2 à parois minces, à paroi mince, de 2 cm ou moins), entourée d'un récipient H2 à paroi mince, à paroi mince, de 2 cm ou moins), entouré d'un récipient H2 à paroi mince, à paroi mince, et un récipient de réplicateur, composé d'une structure interne composée de petites pièces collées (par exemple, en plastique hexagonal Anneaux) et une composition de la peau de coquille extérieure fine. Les conteneurs en double sont les mieux adaptés aux grands conteneurs où les méthodes traditionnelles peuvent être difficiles à appliquer.
Le brevet DE102009057170A déposé par Volkswagen en 2009 décrit un récipient de pression monté sur un véhicule qui fournira une efficacité de poids élevée 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 «Développement de processus pour les vaisseaux de pression cubique avec des barres d'étirement» de Gleiss et al. à l'ECCM20 (26-30 juin 2022, Lausanne, Suisse). Dans cet article, elle cite une étude TUM publiée par Michael Roof et Sven Zaremba, qui ont constaté qu'un récipient à pression cubique avec des entretoises de tension reliant les côtés rectangulaires est plus efficace que plusieurs petits cylindres qui s'inscrivent dans l'espace d'une batterie plate, en fournissant environ 25 % plus. espace de stockage.
Selon Gleiss, le problème de l'installation d'un grand nombre de petits cylindres de type 4 dans un cas plat est que «le volume entre les cylindres est considérablement réduit et que le système a également une très grande surface de perméation de gaz H2. Dans l'ensemble, le système offre moins de capacité de stockage que les bocaux cubes. »
Cependant, il y a d'autres problèmes avec la conception cubique du réservoir. "De toute évidence, en raison du gaz comprimé, vous devez contrer les forces de flexion sur les murs plats", a déclaré Gleiss. «Pour cela, vous avez besoin d'une structure renforcée qui se connecte en interne aux murs du réservoir. Mais c'est difficile à faire avec les composites. »
Glace et son équipe ont tenté d'incorporer des barres de tension de renforcement dans le récipient sous pression d'une manière qui conviendrait au processus d'enroulement du filament. «Ceci est important pour la production à haut volume», explique-t-elle, «et nous permet également de concevoir le motif d'enroulement des murs des conteneurs pour optimiser l'orientation des fibres pour chaque charge dans la zone.»
Quatre étapes pour faire un réservoir composite cube d'essai pour le projet P4H. Crédit d'image: «Développement d'un processus de production pour les navires de pression cubique avec accolade», Université technique de Munich, Polymers4hydrogen Project, ECCM20, juin 2022.
Pour atteindre la chaîne, 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 étapes, sont une structure de trame préfabriquée fabriquée à l'aide de méthodes tirées du projet MAI SKELTT. Pour ce projet, BMW a développé un «cadre» de cadre de pare-brise à l'aide de quatre tiges de pultrusion renforcée par fibre, qui ont ensuite été moulées dans un cadre en plastique.
Le cadre d'un réservoir cube expérimental. Les sections squelettiques hexagonales 3D imprimées par TUM en utilisant un filament PLA non renforcé (en haut), insérant des tiges de pultrusion CF / PA6 comme accolades de tension (au milieu) puis enveloppant le filament autour des accolades (en bas). Crédit d'image: Université technique de Munich LCC.
"L'idée est que vous pouvez construire le cadre d'un réservoir cube comme structure modulaire", a déclaré Glace. "Ces modules sont ensuite placés dans un outil de moulage, les entretoises de tension sont placées dans les modules de cadre, puis la méthode de Mai Skelett est utilisée autour des entretoises pour les intégrer avec les parties du cadre." Méthode de production de masse, résultant en 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 les liens peuvent être insérés et attachés. Les trous pour ces racks étaient également imprimés en 3D. "Pour notre réservoir expérimental initial, nous avons imprimé en 3D des sections de cadre hexagonal en 3D utilisant de l'acide polylactique [PLA, un thermoplastique bio-basé] car il était facile et bon marché", a déclaré Glace.
L'équipe a acheté 68 tiges de polyamide 68 en fibre de carbone à putrude 6 (PA6) de SGL Carbon (Meitingen, Allemagne) pour être utilisé comme liens. «Pour tester le concept, nous n'avons pas fait de moulage», explique Gleiss, «mais simplement inséré des entretoises dans un cadre central en nid d'abeilles imprimé en 3D et les a collés avec de la colle époxy. Cela fournit alors un mandrin pour enrouler le réservoir. » Elle note que bien que ces tiges soient relativement faciles à enrouler, il y a des problèmes importants qui seront décrits plus tard.
«Au premier stade, notre objectif était de démontrer la fabrication de la conception et d'identifier les problèmes dans le concept de production», a expliqué Gleiss. «Ainsi, les forsions de tension dépassent de la surface externe de la structure squelettique, et nous fixons les fibres de carbone à ce noyau en utilisant l'enroulement du filament humide. Après cela, dans la troisième étape, nous plions la tête de chaque tige de cravate. Thermoplastique, nous utilisons donc simplement de la chaleur pour remodeler la tête afin qu'elle s'aplatit et se verrouille dans la première couche d'emballage. Nous procédons ensuite à envelopper la structure afin que la tête de poussée plate soit enfermée géométrique dans le réservoir. stratifié sur les murs.
Capeur d'espaceur pour l'enroulement. TUM utilise des bouchons en plastique aux extrémités des tiges de tension pour empêcher les fibres de s'emmêler pendant l'enroulement du filament. Crédit d'image: Université technique de Munich LCC.
Glace a réitéré que ce premier réservoir était une preuve de concept. «L'utilisation de l'impression 3D et de la colle était uniquement pour les tests initiaux et nous a donné une idée de quelques-uns des problèmes que nous avons rencontrés. Par exemple, pendant l'enroulement, les filaments ont été capturés par les extrémités des tiges de tension, provoquant une rupture de fibres, des dommages aux fibres et en réduisant la quantité de fibres pour le contrer. Nous avons utilisé quelques capuchons en plastique comme aides de fabrication qui ont été placées sur les pôles 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 pôles avant l'emballage final. "
L'équipe a expérimenté divers scénarios de reconstruction. «Ceux qui regardent autour de lui travaillent le mieux», explique Grace. «De plus, pendant la phase de prototypage, nous avons utilisé un outil de soudage modifié pour appliquer la chaleur et remodeler les extrémités du tir. Dans un concept de production de masse, vous auriez un outil plus grand qui peut façonner et former toutes les extrémités des entretoises en un stratifié de finition intérieure en même temps. . "
Les têtes de barre de draw sont remodelées. Tum a expérimenté différents concepts et a modifié les soudures pour aligner les extrémités des liens composites pour se fixer au stratifié de la paroi du réservoir. Crédit d'image: «Développement d'un processus de production pour les navires de pression cubique avec accolade», Université technique de Munich, Polymers4hydrogen Project, ECCM20, juin 2022.
Ainsi, le stratifié est durci après la première étape d'enroulement, les poteaux sont remodelés, le tum complète le deuxième enroulement des filaments, puis le stratifié de la paroi du réservoir externe est durci une deuxième fois. Veuillez noter qu'il s'agit d'une conception de réservoir de type 5, ce qui signifie qu'il n'a pas de doublure en plastique comme barrière de gaz. Voir la discussion dans la section des étapes suivantes ci-dessous.
"Nous avons coupé la première démo en sections 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 jambe de force ne se posant pas à plat sur le stratifié intérieur."
Résoudre les problèmes avec les lacunes entre le stratifié des parois intérieures et extérieures du réservoir. La tête de tige de cravate modifiée crée un écart entre les premier et deuxième virages du réservoir expérimental. Crédit d'image: Université technique de Munich LCC.
Ce réservoir initial de 450 x 290 x 80 mm a été achevé l'été dernier. "Nous avons fait beaucoup de progrès depuis lors, mais nous avons toujours un écart entre le stratifié intérieur et extérieur", a déclaré Glace. «Nous avons donc essayé de combler ces lacunes avec une résine à viscosité propre et élevée. Cela améliore en fait la connexion entre les goujons et le stratifié, ce qui augmente considérablement la contrainte mécanique. »
L'équipe a continué à développer la conception et le processus des réservoirs, y compris des solutions pour le motif de bobinage souhaité. "Les côtés du réservoir d'essai n'étaient pas complètement recourbés car il était difficile pour cette géométrie de créer un chemin d'enroulement", 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 recherchons toujours une solution à ce problème, mais ce n'est pas facile avec le logiciel actuellement sur le marché. Cela peut devenir un projet de suivi.
«Nous avons démontré la faisabilité de ce concept de production», explique Gleiss, «mais nous devons travailler davantage pour améliorer le lien entre le stratifié et remodeler les tirages. «Test externe sur une machine à test. Vous retirez les espaceurs du stratifié et testez les charges mécaniques que ces joints peuvent résister. »
Cette partie du projet Polymers4hydrogène sera achevée à la fin de 2023, date à laquelle Gleis espère terminer le deuxième réservoir de démonstration. Fait intéressant, les conceptions utilisent aujourd'hui les thermoplastiques renforcés soignés dans les composites de cadre et de thermodoste dans les murs du réservoir. Cette approche hybride sera-t-elle utilisée dans le réservoir de démonstration final? "Oui," dit Grace. «Nos partenaires du projet Polymers4hydrogènes développent des résines époxy et d'autres matériaux à matrice composite avec de meilleures propriétés de barrière d'hydrogène.» Elle répertorie 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», explique Jaeger. «Il s'agit d'une collaboration entre les deux départements du département aérospatial et géodésique de la TUM - LCC et du Département de technologie d'hélicoptère (HT). Le projet sera achevé d'ici la fin de 2024 et nous terminons actuellement le récipient sous pression. Un design qui est plus une approche aérospatiale et automobile. Après cette étape du concept initial, l'étape suivante consiste à effectuer une modélisation structurelle détaillée et à prédire les performances de la barrière de la structure du mur. »
"L'idée est de développer un drone exploratoire avec un système hybride de pile à combustible et de propulsion de batterie", a-t-il poursuivi. Il utilisera la batterie pendant les charges élevées (c.-à-d. Le décollage et l'atterrissage), puis passera à la pile à combustible pendant la croisière à charge légère. "L'équipe HT avait déjà un drone de recherche et a repensé le groupe motopropulseur pour utiliser les batteries et les piles à combustible", a déclaré Yeager. «Ils ont également acheté un réservoir CGH2 pour tester cette transmission.»
«Mon équipe a été chargée de construire un prototype de réservoir de 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 donc de meilleures performances de vol. Dimensions du réservoir env. 830 x 350 x 173 mm.
Réservoir conforme à l'AFP entièrement thermoplastique. Pour le projet Hydden, l'équipe LCC de TUM a initialement exploré une approche similaire à celle utilisée par Glace (ci-dessus), mais s'est ensuite déplacée vers une approche en utilisant une combinaison de plusieurs modules structurels, qui ont ensuite été surutilisés en utilisant AFP (ci-dessous). Crédit d'image: Université technique de Munich LCC.
«Une idée est similaire à l'approche d'Elisabeth [Gleiss]», dit Yager, «pour appliquer des accolades de tension au mur du navire pour compenser les forces de flexion élevées. Cependant, au lieu d'utiliser un processus d'enroulement pour fabriquer le réservoir, nous utilisons AFP. Par conséquent, nous avons pensé à créer une section distincte du récipient de pression, dans lequel les racks sont déjà intégrés. Cette approche m'a permis de combiner plusieurs de ces modules intégrés, puis d'appliquer un capuchon d'extrémité pour tout sceller avant l'enroulement AFP final. »
«Nous essayons de finaliser un tel concept», a-t-il poursuivi, «et commencer à tester la sélection de matériaux, ce qui est très important pour assurer la résistance nécessaire à la pénétration du gaz H2. Pour cela, nous utilisons principalement des matériaux thermoplastiques et travaillons sur diverses comment le matériau affectera ce comportement et le traitement de la perméation 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 piles affecteront la perméation de l'hydrogène à travers le récipient de pression. »
Le réservoir sera entièrement en thermoplastique et les bandes seront fournies par Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Allemagne). "Nous utiliserons leurs matériaux PPS [polyphénylène sulfure], PEEK [Polyether Ketone] et LM Paek [Low Melting Polyaryl Ketone]", a déclaré Yager. "Des comparaisons sont ensuite faites pour voir laquelle est la meilleure pour la protection de la pénétration et la production de pièces avec de meilleures performances." Il espère terminer les tests, la modélisation structurelle et de processus et les premières démonstrations au cours de la prochaine année.
Les travaux de recherche ont été réalisés dans le module COMET «Polymers4hydrogen» (ID 21647053) dans le programme de comète 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 de la technologie numérique et de l'économie. . Les auteurs remercient les partenaires participants Polymer Compentence Center Leoben GmbH (PCCL, Autriche), Montanuniversitaet Leoben (Faculté de génie polymère et de sciences, Département de chimie des matériaux de polymère, Département des sciences et tests polymères), Université de Tampere (Faculty of Engineering Matering Matériels). ) Science), la technologie de pointe et la Faurecia ont contribué à ce travail de recherche. La comète-modul est financée par le gouvernement d'Autriche et le gouvernement de l'État de Styrie.
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