Standert flat-platfoarm tanks foar BEVs en FCEVs brûke thermoplastic en thermoset composites mei in skelet konstruksje dat jout 25% mear H2 opslach. #wetterstof #trends
Nei in gearwurking mei BMW liet sjen dat in kubike tank in hegere volumetryske effisjinsje koe leverje as meardere lytse silinders, begon de Technyske Universiteit fan München in projekt om in gearstalde struktuer te ûntwikkeljen en in skalberber produksjeproses foar seriële produksje. Ofbyldingskredyt: TU Dresden (boppe) lofts), Technyske Universiteit fan München, Department of Carbon Composites (LCC)
Fuel cell elektryske auto's (FCEV's) oandreaun troch nul-emisje (H2) wetterstof leverje ekstra middels om nul miljeudoelen te berikken. In brânselselpersoansauto mei in H2-motor kin yn 5-7 minuten ynfolle wurde en hat in berik fan 500 km, mar is op it stuit djoerder troch lege produksjevoluminten. Ien manier om kosten te ferminderjen is in standert platfoarm te brûken foar BEV- en FCEV-modellen. Dit is op it stuit net mooglik, om't de Type 4 silindryske tanks dy't brûkt wurde om komprimearre H2-gas (CGH2) op 700 bar yn FCEV's op te slaan, net geskikt binne foar de underbody-batterijfakken dy't soarchfâldich ûntworpen binne foar elektryske auto's. Drukfetten yn 'e foarm fan kessens en kubussen kinne lykwols passe yn dizze platte ferpakkingsromte.
Patent US5577630A foar "Composite Conformal Pressure Vessel", oanfraach yntsjinne troch Thiokol Corp. yn 1995 (lofts) en de rjochthoekige druk tank patintearre troch BMW yn 2009 (rjochts).
De ôfdieling Carbon Composites (LCC) fan 'e Technyske Universiteit fan München (TUM, München, Dútslân) is belutsen by twa projekten om dit konsept te ûntwikkeljen. De earste is Polymers4Hydrogen (P4H), ûnder lieding fan it Leoben Polymer Competence Center (PCCL, Leoben, Eastenryk). It LCC-wurkpakket wurdt laat troch Fellow Elizabeth Glace.
It twadde projekt is de Hydrogen Demonstration and Development Environment (HyDDen), dêr't LCC wurdt laat troch ûndersiker Christian Jaeger. Beide binne fan doel om in grutskalige demonstraasje te meitsjen fan it fabrikaazjeproses foar it meitsjen fan in geskikte CGH2-tank mei help fan koalstoffaserkompositen.
Der is beheind volumetric effisjinsje as lytse diameter silinders wurde ynstallearre yn platte batterij sellen (lofts) en kubike type 2 druk skippen makke fan stielen liners en in koalstoffaser / epoksy gearstalde bûtenste shell (rjochts). Ofbyldingsboarne: Figuren 3 en 6 binne fan "Numerike Design Approach for Type II Pressure Box Vessel with Internal Tension Legs" troch Ruf en Zaremba et al.
P4H hat fabrisearre in eksperimintele kubus tank dy't brûkt in thermoplastic frame mei gearstalde spanning riemen / struts ferpakt yn koalstoffaser fersterke epoksy. HyDDen sil in ferlykber ûntwerp brûke, mar sil automatyske fiber layup (AFP) brûke om alle thermoplastyske gearstalde tanks te meitsjen.
Fan in oktroaioanfraach fan Thiokol Corp. nei "Composite Conformal Pressure Vessel" yn 1995 oant Dútske patint DE19749950C2 yn 1997, komprimearre gasfetten "kinne elke geometryske konfiguraasje hawwe", mar benammen flakke en ûnregelmjittige foarmen, yn in holte ferbûn mei de shell-stipe . eleminten wurde brûkt sadat se kinne wjerstean de krêft fan útwreiding fan it gas.
In papier fan Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) fan 2006 beskriuwt trije oanpakken: in konforme drukfat mei filamentwûnen, in mikrolattice-drukfat mei in ynterne orthorhombyske roosterstruktuer (lytse sellen fan 2 sm of minder), omjûn troch in tinne muorre H2-kontener, en in replicator container, besteande út in ynterne struktuer besteande út gelijmd lytse dielen (bgl, hexagonal plastic ringen) en in gearstalling fan tinne bûtenste shell skin. Dûbele konteners binne it bêste geskikt foar gruttere konteners wêr't tradisjonele metoaden miskien lestich kinne wurde tapast.
Patent DE102009057170A yntsjinne troch Volkswagen yn 2009 beskriuwt in auto-fêstmakke druk tank dat sil soargje hege gewicht effisjinsje wylst ferbetterjen romte benutten. Rjochthoekige tanks brûke spanning Anschlüsse tusken twa rjochthoekige tsjinoerstelde muorren, en de hoeken binne ôfrûne.
De boppesteande en oare begripen wurde oanhelle troch Gleiss yn it papier "Prosesûntwikkeling foar kubike drukfetten mei stretchbalken" troch Gleiss et al. op ECCM20 (26-30 juny 2022, Lausanne, Switserlân). Yn dit artikel neamt se in TUM-stúdzje publisearre troch Michael Roof en Sven Zaremba, dy't fûn dat in kubike drukfet mei spanningsstrutsen dy't rjochthoekige kanten ferbine effisjinter is as ferskate lytse silinders dy't passe yn 'e romte fan in platte batterij, wêrtroch sawat 25 % mear. opslachromte.
Neffens Gleiss, it probleem mei it ynstallearjen fan in grut oantal lytse type 4 silinders yn in platte koffer is dat "it folume tusken de silinders is sterk fermindere en it systeem hat ek in hiel grut H2 gas permeation oerflak. Oer it algemien biedt it systeem minder opslachkapasiteit dan kubike potten.
D'r binne lykwols oare problemen mei it kubike ûntwerp fan 'e tank. "Fansels moatte jo fanwege it komprimearre gas de bûgekrêften op 'e platte muorren tsjingean," sei Gleiss. "Dêrfoar hawwe jo in fersterke struktuer nedich dy't yntern oanslút op 'e muorren fan' e tank. Mar dat is dreech mei kompositen.”
Glace en har team besochten fersterkende spanningbalken yn it drukfet op te nimmen op in manier dy't geskikt wêze soe foar it filamentwikkelingsproses. "Dit is wichtich foar produksje mei hege folume," ferklearret se, "en lit ús ek it slingerpatroan fan 'e kontenermuorren ûntwerpe om de fiberoriïntaasje foar elke lading yn' e sône te optimalisearjen."
Fjouwer stappen om in proefkubike gearstalde tank te meitsjen foar it P4H-projekt. Ofbyldingskredyt: "Untwikkeling fan in produksjeproses foar kubike drukfetten mei beugel", Technyske Universiteit fan München, Polymers4Hydrogen-projekt, ECCM20, juny 2022.
Om on-chain te berikken, hat it team in nij konsept ûntwikkele besteande út fjouwer haadstappen, lykas hjirboppe toand. De spanning struts, werjûn yn swart op 'e stappen, binne in prefabricearre frame struktuer fabrisearre mei metoaden nommen út de MAI Skelett projekt. Foar dit projekt, BMW ûntwikkele in windshield frame "framework" mei help fan fjouwer fiber-fersterke pultrusion roeden, dy't waarden dan getten yn in plestik frame.
It frame fan in eksperimintele kubike tank. Hexagonal skeletal seksjes 3D printe troch TUM mei help fan unreinforced PLA filament (top), ynfoegje CF / PA6 pultrusion roeden as spanning beugels (midden) en dan wrapping de gloeitried om 'e beugels (ûnder). Ofbyldingskredyt: Technyske Universiteit fan München LCC.
"It idee is dat jo it frame fan in kubike tank bouwe kinne as in modulêre struktuer," sei Glace. "Dizze modules wurde dan pleatst yn in moulding ark, de spanning struts wurde pleatst yn de frame modules, en dan MAI Skelett syn metoade wurdt brûkt om de struts te yntegrearjen se mei de frame dielen." massa produksje metoade, resultearret yn in struktuer dy't dan wurdt brûkt as mandrel of kearn te wrap de opslach tank gearstalde shell.
TUM ûntwurp it tankframe as in kubysk "kussen" mei fêste kanten, rûne hoeken en in hexagonaal patroan oan 'e boppe- en ûnderkant dêr't bannen kinne wurde ynfoege en befestige. De gatten foar dizze rekken waarden ek 3D printe. "Foar ús earste eksperimintele tank hawwe wy 3D hexagonale frame-seksjes printe mei polylactic acid [PLA, in bio-basearre thermoplastic], om't it maklik en goedkeap wie," sei Glace.
It team kocht 68 pultruded koalstoffaser fersterke polyamide 6 (PA6) stangen fan SGL Carbon (Meitingen, Dútslân) foar gebrûk as bannen. "Om it konsept te testen, hawwe wy gjin foarmjen dien," seit Gleiss, "mar gewoan spacers ynfoege yn in 3D-printe honingraatkearnframe en lijm se mei epoksylym. Dit soarget dan foar in mandrel foar it wikkeljen fan de tank. Se merkt op dat hoewol dizze roeden relatyf maklik te wyn binne, binne d'r inkele wichtige problemen dy't letter beskreaun wurde.
"Op it earste poadium wie ús doel om de manufacturability fan it ûntwerp te demonstrearjen en problemen te identifisearjen yn it produksjekonsept," ferklearre Gleiss. "Sa stekke de spanningsstrutsen út it bûtenste oerflak fan 'e skeletale struktuer, en wy hechtsje de koalstoffezels oan dizze kearn mei wiete filamentwinding. Dêrnei, yn 'e tredde stap, bûge wy de kop fan elke tie rod. thermoplastic, dus wy brûke gewoan waarmte foar in reshape de holle sadat it flattens en slút yn de earste laach fan wrapping. Wy geane dan fierder om de struktuer wer te wrapjen sadat de platte driuwkop geometrysk yn 'e tank is. laminaat op 'e muorren.
Spacer cap foar winding. TUM brûkt plestik kappen op 'e úteinen fan' e spanning roeden om foar te kommen dat de fezels út tangling ûnder filament winding. Ofbyldingskredyt: Technyske Universiteit fan München LCC.
Glace werhelle dat dizze earste tank in proof of concept wie. "It gebrûk fan 3D-printsjen en lijm wie allinich foar earste testen en joech ús in idee fan in pear fan 'e problemen dy't wy tsjinkamen. Bygelyks, by it wikkeljen waarden de filaminten troch de úteinen fan 'e spanningsstangen fongen, wêrtroch't fiberbreuk, glêstriedskea feroarsake en de hoemannichte glêstried om dit tsjin te gean. wy brûkten in pear plestik kappen as produksjehelpmiddels dy't op 'e peallen pleatst waarden foar de earste wikkelstap. Doe't de ynterne laminaten makke waarden, hawwe wy dizze beskermjende kappen fuorthelle en de einen fan' e peallen opnij foarme foardat de lêste ynpakke.
It team eksperimintearre mei ferskate rekonstruksje-senario's. "Dejingen dy't om har hinne sjogge, wurkje it bêste," seit Grace. "Yn 'e prototypingfaze brûkten wy ek in wizige welding-ark om waarmte oan te bringen en de ein fan' e trekstangen opnij te foarmjen. Yn in massa produksje konsept, do soe hawwe ien grutter ark dat kin foarmje en foarmje alle úteinen fan de struts yn in ynterieur finish laminaat tagelyk. . ”
Drawbar koppen omfoarme. TUM eksperimintearre mei ferskate konsepten en feroare de welds om de úteinen fan 'e gearstalde bannen út te rjochtsjen foar hechting oan it laminaat fan' e tankmuorre. Ofbyldingskredyt: "Untwikkeling fan in produksjeproses foar kubike drukfetten mei beugel", Technyske Universiteit fan München, Polymers4Hydrogen-projekt, ECCM20, juny 2022.
Sa wurdt it laminaat genêzen nei de earste wikkelingstap, de posten wurde omfoarme, de TUM foltôget de twadde wikkeling fan 'e filaminten, en dan wurdt it bûtenste tankmuorrelaminaat in twadde kear genêzen. Tink derom dat dit in tankûntwerp fan type 5 is, wat betsjut dat it gjin plestik liner hat as gasbarriêre. Sjoch de diskusje yn 'e folgjende stappen hjirûnder.
"Wy snijden de earste demo yn dwerstrochsneed en mappen it ferbûn gebiet," sei Glace. "In close-up lit sjen dat wy wat kwaliteitsproblemen hiene mei it laminaat, mei de strutkoppen net plat op it ynterieurlaminaat leinen."
Problemen oplosse mei gatten tusken it laminaat fan 'e binnen- en bûtenmuorren fan' e tank. De wizige tie rod kop makket in gat tusken de earste en twadde bochten fan de eksperimintele tank. Ofbyldingskredyt: Technyske Universiteit fan München LCC.
Dizze initial 450 x 290 x 80mm tank waard ôfrûne simmer foltôge. "Wy hawwe sûnt doe in protte foarútgong makke, mar wy hawwe noch in gat tusken ynterieur- en eksterieurlaminaat," sei Glace. "Dat wy besochten dy gatten op te foljen mei in skjinne hars mei hege viskositeit. Dit ferbetteret eins de ferbining tusken de studs en it laminaat, wat de meganyske spanning sterk fergruttet.
It team gie troch mei it ûntwikkeljen fan it tankûntwerp en it proses, ynklusyf oplossingen foar it winske slingerpatroan. "De kanten fan 'e testtank wiene net folslein krul, om't it lestich wie foar dizze mjitkunde om in kronkeljende paad te meitsjen," ferklearre Glace. "Us inisjele slingerhoek wie 75 °, mar wy wisten dat meardere sirkwy nedich wiene om de lading yn dit drukfet te foldwaan. Wy binne noch op syk nei in oplossing foar dit probleem, mar it is net maklik mei de software op it stuit op 'e merk. It kin in ferfolchprojekt wurde.
"Wy hawwe de helberens fan dit produksjekonsept oantoand," seit Gleiss, "mar wy moatte fierder wurkje om de ferbining tusken it laminaat te ferbetterjen en de trekstangen opnij te foarmjen. "Eksterne testen op in testmasine. Jo lûke de spacers út it laminaat en testje de meganyske loads dy't dy gewrichten ferneare kinne."
Dit diel fan it projekt Polymers4Hydrogen sil ein 2023 klear wêze, op hokker tiid hopet Gleis de twadde demonstraasjetank te foltôgjen. Opfallend is dat ûntwerpen hjoeddedei kreas fersterke thermoplastyk brûke yn it frame en thermoset kompositen yn 'e tankmuorren. Sil dizze hybride oanpak brûkt wurde yn 'e definitive demonstraasjetank? "Ja," sei Grace. "Us partners yn it Polymers4Hydrogen-projekt ûntwikkelje epoksyharsen en oare gearstalde matrixmaterialen mei bettere wetterstofbarriêre-eigenskippen." Se listet twa partners dy't oan dit wurk wurkje, PCCL en de Universiteit fan Tampere (Tampere, Finlân).
Gleiss en har team wikselen ek ynformaasje út en besprutsen ideeën mei Jaeger oer it twadde HyDDen-projekt fan 'e LCC-konformele gearstalde tank.
"Wy sille in konforme gearstalde drukfet produsearje foar ûndersyksdrones," seit Jaeger. "Dit is in gearwurking tusken de twa ôfdielingen fan 'e Aerospace en Geodetyske ôfdieling fan TUM - LCC en de ôfdieling Helicopter Technology (HT). It projekt sil ein 2024 klear wêze en wy binne op it stuit oan it foltôgjen fan it drukvat. in ûntwerp dat mear in loft- en auto-oanpak is. Nei dizze earste konseptfaze is de folgjende stap om detaillearre strukturele modellering út te fieren en de barriêreprestaasjes fan 'e muorrestruktuer te foarsizzen.
"It hiele idee is om in ferkennende drone te ûntwikkeljen mei in hybride brânstofsel en batterij oandriuwingsysteem," gie hy troch. It sil de batterij brûke by loads mei hege krêft (dws opstigen en lâning) en dan oerskeakelje nei de brânstofsel by it krúsjen fan lichte lading. "It HT-team hie al in ûndersyksdrone en redesigned de powertrain om sawol batterijen as brânsellen te brûken," sei Yeager. "Se kochten ek in CGH2-tank om dizze oerdracht te testen."
"Myn team krige de opdracht om in prototype fan in druktank te bouwen dat soe passe, mar net fanwegen de ferpakkingsproblemen dy't in silindryske tank soe meitsje," ferklearret er. “In plattere tank biedt net safolle wynresistinsje. Sa krije jo bettere flechtprestaasjes.” Tank ôfmjittings ca. 830 x 350 x 173 mm.
Folslein thermoplastyske AFP-kompatibele tank. Foar it HyDDen-projekt ûndersocht it LCC-team by TUM yn earste ynstânsje in ferlykbere oanpak as dy fan Glace (boppe), mar ferhuze doe nei in oanpak mei in kombinaasje fan ferskate strukturele modules, dy't doe tefolle brûkt waarden mei AFP (hjirûnder). Ofbyldingskredyt: Technyske Universiteit fan München LCC.
"Ien idee is fergelykber mei de oanpak fan Elisabeth [Gleiss]," seit Yager, "om spanningsbeugels oan te passen oan 'e muorre fan it skip om te kompensearjen foar de hege bûgkrêften. Yn stee fan it brûken fan in kronkeljende proses om de tank te meitsjen, brûke wy AFP. Dêrom hawwe wy tochten oer it meitsjen fan in aparte seksje fan 'e druktank, wêryn't de rekken al yntegreare binne. Dizze oanpak stelde my ta om ferskate fan dizze yntegreare modules te kombinearjen en dan in einkap oan te passen om alles te segeljen foardat de definitive AFP-winding.
"Wy besykje sa'n konsept te finalisearjen," ferfolge hy, "en begjinne ek de seleksje fan materialen te testen, wat tige wichtich is om de nedige wjerstân tsjin H2-gaspenetraasje te garandearjen. Hjirfoar brûke wy benammen thermoplastyske materialen en wurkje wy oan ferskate hoe't it materiaal dit permeaasjegedrach en ferwurking yn 'e AFP-masine sil beynfloedzje. It is wichtich om te begripen as de behanneling in effekt sil hawwe en as in post-ferwurking nedich is. Wy wolle ek witte oft ferskate stapels de wetterstofpermeaasje troch it drukfet beynfloedzje.
De tank wurdt folslein makke fan thermoplastysk en de strips wurde levere troch Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Dútslân). "Wy sille har PPS [polyphenylene sulfide], PEEK [polyether ketone] en LM PAEK [low melting polyaryl ketone] materialen brûke," sei Yager. "Dan wurde fergelikingen makke om te sjen hokker it bêste is foar penetraasjebeskerming en it produsearjen fan dielen mei bettere prestaasjes." Hy hopet it testen, struktureel en prosesmodellearjen en earste demonstraasjes binnen it kommende jier te foltôgjen.
It ûndersykswurk waard útfierd binnen de COMET-module "Polymers4Hydrogen" (ID 21647053) binnen it COMET-programma fan it federale ministearje foar klimaatferoaring, miljeu, enerzjy, mobiliteit, ynnovaasje en technology en it federale ministearje foar digitale technology en ekonomy. . De auteurs tankje de dielnimmende partners Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL, Eastenryk), Montanuniversitaet Leoben (Fakulteit fan Polymer Engineering en Wittenskip, ôfdieling Skiekunde fan Polymer Materialen, ôfdieling Materialen Wittenskip en Polymer Testing), Universiteit fan Tampere (Fakulteit fan Yngenieur) Materiaal). ) Wittenskip), Peak Technology en Faurecia droegen by oan dit ûndersykswurk. COMET-Modul wurdt finansierd troch it regear fan Eastenryk en it regear fan 'e steat Stiermarken.
Pre-fersterke blêden foar load-bearing struktueren befetsje trochgeande fezels - net allinnich fan glês, mar ek fan koalstof en aramide.
D'r binne in protte manieren om gearstalde dielen te meitsjen. Dêrom sil de kar fan metoade foar in bepaald diel ôfhingje fan it materiaal, it ûntwerp fan it diel, en it eingebrûk as tapassing. Hjir is in seleksje gids.
Shocker Composites en R&M International ûntwikkelje in recycled koalstoffaser supply chain dy't nul slacht leveret, legere kosten dan virgin fiber en sil úteinlik lingten oanbiede dy't trochgeande fiber benaderje yn strukturele eigenskippen.
Post tiid: Mar-15-2023