Standardni spremnici s ravnom platformom za BEV i FCEV koriste termoplastične i duroplastične kompozite sa skeletnom konstrukcijom koja omogućuje 25% više skladištenja H2. #vodik #trendovi
Nakon što je suradnja s BMW-om pokazala da kubni spremnik može postići veću volumetrijsku učinkovitost od više malih cilindara, Tehničko sveučilište u Münchenu započelo je projekt razvoja kompozitne strukture i skalabilnog proizvodnog procesa za serijsku proizvodnju. Izvor slike: TU Dresden (gore) lijevo), Tehničko sveučilište u Münchenu, Odjel za ugljične kompozite (LCC)
Električna vozila na gorivne ćelije (FCEV) pogonjena vodikom s nultom emisijom (H2) pružaju dodatna sredstva za postizanje ciljeva zaštite okoliša bez emisija. Osobni automobil na gorivne ćelije s H2 motorom može se napuniti za 5-7 minuta i ima domet od 500 km, ali je trenutno skuplji zbog malih količina proizvodnje. Jedan od načina smanjenja troškova je korištenje standardne platforme za modele BEV i FCEV. To trenutno nije moguće jer cilindrični spremnici tipa 4 koji se koriste za pohranu komprimiranog plina H2 (CGH2) pod tlakom od 700 bara u FCEV vozilima nisu prikladni za odjeljke baterija ispod karoserije koji su pažljivo dizajnirani za električna vozila. Međutim, tlačne posude u obliku jastuka i kocki mogu stati u ovaj ravni prostor za pakiranje.
Patent US5577630A za „Kompozitnu konformnu tlačnu posudu“, prijavu podnijela tvrtka Thiokol Corp. 1995. (lijevo) i pravokutna tlačna posuda koju je patentirao BMW 2009. (desno).
Odjel za ugljične kompozite (LCC) Tehničkog sveučilišta u Münchenu (TUM, München, Njemačka) uključen je u dva projekta za razvoj ovog koncepta. Prvi je Polymers4Hydrogen (P4H), koji vodi Centar za kompetencije polimera Leoben (PCCL, Leoben, Austrija). Radni paket LCC-a vodi suradnica Elizabeth Glace.
Drugi projekt je Vodikovo demonstracijsko i razvojno okruženje (HyDDen), gdje LCC vodi istraživač Christian Jaeger. Oba imaju za cilj stvaranje demonstracije proizvodnog procesa velikih razmjera za izradu prikladnog spremnika CGH2 korištenjem kompozita od karbonskih vlakana.
Postoji ograničena volumetrijska učinkovitost kada su cilindri malog promjera ugrađeni u ravne baterijske ćelije (lijevo) i kubne tlačne posude tipa 2 izrađene od čeličnih obloga i vanjske ljuske od kompozita od ugljičnih vlakana/epoksida (desno). Izvor slike: Slike 3 i 6 su iz knjige „Numerički pristup projektiranju tlačne posude tipa II s unutarnjim zateznim nogama“ autora Rufa i Zarembe i suradnika.
P4H je izradio eksperimentalni spremnik u obliku kocke koji koristi termoplastični okvir s kompozitnim zateznim trakama/podupiračima omotanim epoksidnom smolom ojačanom ugljičnim vlaknima. HyDDen će koristiti sličan dizajn, ali će za proizvodnju svih termoplastičnih kompozitnih spremnika koristiti automatsko slaganje vlakana (AFP).
Od patentne prijave tvrtke Thiokol Corp. za „Kompozitnu konformnu tlačnu posudu“ iz 1995. do njemačkog patenta DE19749950C2 iz 1997., posude za komprimirani plin „mogu imati bilo koju geometrijsku konfiguraciju“, ali posebno ravne i nepravilne oblike, u šupljini spojenoj s nosačem ljuske. Elementi se koriste tako da mogu izdržati silu širenja plina.
Rad Nacionalnog laboratorija Lawrence Livermore (LLNL) iz 2006. opisuje tri pristupa: konformnu tlačnu posudu namotanu od niti, mikrorešetkastu tlačnu posudu koja sadrži unutarnju ortorombičnu rešetkastu strukturu (male ćelije od 2 cm ili manje), okruženu tankostijenim spremnikom H2, i spremnik replikatora koji se sastoji od unutarnje strukture koja se sastoji od zalijepljenih malih dijelova (npr. heksagonalnih plastičnih prstenova) i sastava tanke vanjske ljuske. Duplicirani spremnici najprikladniji su za veće spremnike gdje tradicionalne metode mogu biti teško primijeniti.
Patent DE102009057170A koji je Volkswagen podnio 2009. godine opisuje tlačnu posudu montiranu na vozilo koja će osigurati visoku učinkovitost težine uz poboljšanje iskorištenosti prostora. Pravokutni spremnici koriste zatezne konektore između dva pravokutna suprotna zida, a kutovi su zaobljeni.
Gore navedene i druge koncepte Gleiss navodi u radu „Razvoj procesa za kubne tlačne posude s rastezljivim šipkama“ autora Gleiss i suradnika na ECCM20 (26.-30. lipnja 2022., Lausanne, Švicarska). U ovom članku citira TUM studiju koju su objavili Michael Roof i Sven Zaremba, a koja je otkrila da je kubna tlačna posuda s zateznim podupiračima koji spajaju pravokutne stranice učinkovitija od nekoliko malih cilindara koji stanu u prostor ravne baterije, pružajući približno 25% više prostora za pohranu.
Prema Gleissu, problem s ugradnjom velikog broja malih cilindara tipa 4 u ravno kućište je taj što je „volumen između cilindara znatno smanjen, a sustav također ima vrlo veliku površinu za propusnost plina H2. Sveukupno, sustav pruža manji kapacitet skladištenja od kubičnih staklenki.“
Međutim, postoje i drugi problemi s kubičnim dizajnom spremnika. „Očito je da zbog komprimiranog plina morate neutralizirati sile savijanja na ravnim stijenkama“, rekao je Gleiss. „Za to vam je potrebna ojačana struktura koja se iznutra spaja sa stijenkama spremnika. Ali to je teško učiniti s kompozitima.“
Glace i njezin tim pokušali su u tlačnu posudu ugraditi armaturne šipke za zatezanje na način koji bi bio prikladan za proces namotavanja filamenta. „To je važno za proizvodnju velikih količina“, objašnjava, „a također nam omogućuje da dizajniramo uzorak namotavanja stijenki posude kako bismo optimizirali orijentaciju vlakana za svako opterećenje u zoni.“
Četiri koraka za izradu probnog kubnog kompozitnog spremnika za projekt P4H. Izvor slike: „Razvoj proizvodnog procesa za kubne tlačne posude s podupiračem“, Tehničko sveučilište u Münchenu, projekt Polymers4Hydrogen, ECCM20, lipanj 2022.
Kako bi se postigla vezanost uz lanac, tim je razvio novi koncept koji se sastoji od četiri glavna koraka, kao što je prikazano gore. Zatezne potpornje, prikazane crnom bojom na stepenicama, su prefabrikovana okvirna konstrukcija izrađena metodama preuzetim iz projekta MAI Skelett. Za ovaj projekt, BMW je razvio „okvir“ okvira vjetrobranskog stakla koristeći četiri vlaknima ojačane pultruzijske šipke, koje su zatim oblikovane u plastični okvir.
Okvir eksperimentalnog kubičnog spremnika. Šesterokutni skeletni dijelovi 3D printani TUM-om korištenjem neojačanog PLA filamenta (gore), umetanjem CF/PA6 pultruzijskih šipki kao zateznih učvršćenja (sredina), a zatim omotavanjem filamenta oko učvršćenja (dolje). Izvor slike: Tehničko sveučilište u Münchenu LCC.
„Ideja je da okvir kubnog spremnika možete izgraditi kao modularnu strukturu“, rekao je Glace. „Ovi moduli se zatim stavljaju u alat za oblikovanje, zatezne potpornje se postavljaju u module okvira, a zatim se MAI Skelettova metoda koristi oko potpornja kako bi se integrirale s dijelovima okvira.“ metoda masovne proizvodnje, što rezultira strukturom koja se zatim koristi kao trn ili jezgra za omotavanje kompozitne ljuske spremnika.
TUM je dizajnirao okvir spremnika kao kubični "jastuk" s punim stranicama, zaobljenim kutovima i šesterokutnim uzorkom na vrhu i dnu kroz koji se mogu umetnuti i pričvrstiti vezice. Rupe za ove nosače također su isprintane 3D-om. „Za naš početni eksperimentalni spremnik, 3D-om smo isprintali šesterokutne dijelove okvira koristeći polilaktičnu kiselinu [PLA, bio-termoplastika] jer je to bilo jednostavno i jeftino“, rekao je Glace.
Tim je od tvrtke SGL Carbon (Meitingen, Njemačka) kupio 68 pultrudiranih šipki od poliamida 6 (PA6) ojačanog ugljičnim vlaknima za upotrebu kao vezice. „Kako bismo testirali koncept, nismo napravili nikakvo oblikovanje“, kaže Gleiss, „već smo jednostavno umetnuli odstojnike u 3D printani okvir saćaste jezgre i zalijepili ih epoksidnim ljepilom. To zatim osigurava trn za namatanje spremnika.“ Napominje da iako se ove šipke relativno lako namataju, postoje neki značajni problemi koji će biti opisani kasnije.
„U prvoj fazi, naš je cilj bio pokazati proizvodnost dizajna i identificirati probleme u konceptu proizvodnje“, objasnio je Gleiss. „Dakle, zatezne potpornje strše s vanjske površine skeletne strukture, a mi pričvršćujemo karbonska vlakna na ovu jezgru pomoću mokrog namotavanja niti. Nakon toga, u trećem koraku, savijamo glavu svake spone. termoplastika, tako da samo koristimo toplinu za preoblikovanje glave tako da se spljošti i učvrsti u prvi sloj omota. Zatim ponovno nastavljamo s omotavanjem strukture tako da je ravna potisna glava geometrijski zatvorena unutar spremnika. laminat na stijenkama.“
Odstojnik za namatanje. TUM koristi plastične kapice na krajevima zateznih šipki kako bi spriječio zapetljavanje vlakana tijekom namatanja filamenta. Izvor slike: Tehničko sveučilište u Münchenu LCC.
Glace je ponovio da je ovaj prvi spremnik bio dokaz koncepta. „Korištenje 3D ispisa i ljepila bilo je samo za početno testiranje i dalo nam je ideju o nekim problemima s kojima smo se susreli. Na primjer, tijekom namatanja, niti su se hvatale za krajeve zateznih šipki, uzrokujući lom vlakana, oštećenje vlakana i smanjenje količine vlakana kako bismo to suzbili. Koristili smo nekoliko plastičnih čepova kao pomoć u proizvodnji koji su postavljeni na stupove prije prvog koraka namatanja. Zatim, kada su unutarnji laminati izrađeni, uklonili smo te zaštitne čepove i preoblikovali krajeve stupova prije konačnog omatanja.“
Tim je eksperimentirao s raznim scenarijima rekonstrukcije. „Oni koji se dobro upoznaju rade najbolje“, kaže Grace. „Također, tijekom faze izrade prototipa koristili smo modificirani alat za zavarivanje kako bismo primijenili toplinu i preoblikovali krajeve spona. U konceptu masovne proizvodnje imali biste jedan veći alat koji može istovremeno oblikovati i oblikovati sve krajeve podupirača u laminat za unutarnju završnu obradu...“
Preoblikovanje glava vučnih ruda. TUM je eksperimentirao s različitim konceptima i modificirao zavare kako bi poravnao krajeve kompozitnih veza za pričvršćivanje na laminat stijenke spremnika. Izvor slike: „Razvoj proizvodnog procesa za kubične tlačne posude s podupiračem“, Tehničko sveučilište u Münchenu, projekt Polymers4Hydrogen, ECCM20, lipanj 2022.
Dakle, laminat se stvrdnjava nakon prvog koraka namotavanja, stupovi se preoblikuju, TUM dovršava drugo namotavanje niti, a zatim se laminat vanjske stijenke spremnika stvrdnjava drugi put. Imajte na umu da je ovo dizajn spremnika tipa 5, što znači da nema plastičnu oblogu kao plinsku barijeru. Pogledajte raspravu u odjeljku Sljedeći koraci u nastavku.
„Prvi demo smo izrezali na presjeke i mapirali povezano područje“, rekao je Glace. „Krupni plan pokazuje da smo imali nekih problema s kvalitetom laminata, jer glave podupirača nisu ravno ležale na unutarnjem laminatu.“
Rješavanje problema s razmacima između laminata unutarnjih i vanjskih stijenki spremnika. Modificirana glava spone stvara razmak između prvog i drugog zavoja eksperimentalnog spremnika. Izvor slike: Tehničko sveučilište u Münchenu LCC.
Ovaj početni spremnik dimenzija 450 x 290 x 80 mm dovršen je prošlog ljeta. „Od tada smo puno napredovali, ali još uvijek imamo prazninu između unutarnjeg i vanjskog laminata“, rekao je Glace. „Stoga smo pokušali popuniti te praznine čistom, visokoviskoznom smolom. To zapravo poboljšava vezu između nosača i laminata, što uvelike povećava mehaničko naprezanje.“
Tim je nastavio razvijati dizajn i proces spremnika, uključujući rješenja za željeni uzorak namotavanja. „Stranice testnog spremnika nisu bile potpuno uvijene jer je za ovu geometriju bilo teško stvoriti putanju namotavanja“, objasnio je Glace. „Naš početni kut namotavanja bio je 75°, ali znali smo da je potrebno više krugova kako bi se zadovoljilo opterećenje u ovoj tlačnoj posudi. Još uvijek tražimo rješenje za ovaj problem, ali to nije lako s trenutno dostupnim softverom na tržištu. To bi moglo postati sljedeći projekt.“
„Dokazali smo izvedivost ovog proizvodnog koncepta“, kaže Gleiss, „ali moramo dalje raditi na poboljšanju veze između laminata i preoblikovanju spona. Vanjsko ispitivanje na ispitnom stroju. Izvlačite odstojnike iz laminata i testirate mehanička opterećenja koja ti spojevi mogu izdržati.“
Ovaj dio projekta Polymers4Hydrogen bit će dovršen krajem 2023., do kada se Gleis nada dovršiti i drugi demonstracijski spremnik. Zanimljivo je da današnji dizajni koriste čiste ojačane termoplastike u okviru i termoreaktivne kompozite u stijenkama spremnika. Hoće li se ovaj hibridni pristup koristiti u konačnom demonstracijskom spremniku? „Da“, rekla je Grace. „Naši partneri u projektu Polymers4Hydrogen razvijaju epoksidne smole i druge kompozitne matrične materijale s boljim svojstvima vodikove barijere.“ Navodi dva partnera koji rade na ovom radu, PCCL i Sveučilište u Tampereu (Tampere, Finska).
Gleiss i njezin tim također su razmijenili informacije i raspravljali o idejama s Jaegerom o drugom HyDDen projektu iz LCC konformnog kompozitnog spremnika.
„Proizvodit ćemo konformnu kompozitnu tlačnu posudu za istraživačke dronove“, kaže Jaeger. „Ovo je suradnja između dva odjela, Odjela za zrakoplovstvo i geodeziju Sveučilišta u Michiganu (TUM – LCC) i Odjela za helikoptersku tehnologiju (HT). Projekt će biti dovršen do kraja 2024. godine, a trenutno dovršavamo tlačnu posudu. Dizajn je više zrakoplovni i automobilski pristup. Nakon ove početne faze koncepta, sljedeći korak je detaljno strukturno modeliranje i predviđanje barijerne performanse zidne konstrukcije.“
„Cijela ideja je razviti istraživački dron s hibridnim pogonskim sustavom na gorivne ćelije i baterije“, nastavio je. Koristit će bateriju tijekom velikih opterećenja (tj. polijetanja i slijetanja), a zatim će se prebaciti na gorivne ćelije tijekom krstarenja s malim opterećenjem. „HT tim već je imao istraživački dron i redizajnirao je pogonski sklop kako bi koristio i baterije i gorivne ćelije“, rekao je Yeager. „Također su kupili spremnik CGH2 za testiranje ovog mjenjača.“
„Moj tim je dobio zadatak izraditi prototip tlačnog spremnika koji bi odgovarao, ali ne zbog problema s pakiranjem koje bi cilindrični spremnik stvorio“, objašnjava. „Plosnatiji spremnik ne nudi toliki otpor vjetru. Dakle, dobivate bolje performanse leta.“ Dimenzije spremnika približno 830 x 350 x 173 mm.
Potpuno termoplastični spremnik sukladan s AFP-om. Za projekt HyDDen, LCC tim na TUM-u isprva je istraživao sličan pristup onome koji je koristio Glace (gore), ali je zatim prešao na pristup koji koristi kombinaciju nekoliko strukturnih modula, koji su potom prekomjerno korišteni korištenjem AFP-a (dolje). Izvor slike: Tehničko sveučilište u Münchenu LCC.
„Jedna ideja slična je pristupu Elisabeth [Gleiss]“, kaže Yager, „da se na stijenku posude primijene zatezne učvršćenja kako bi se kompenzirale visoke sile savijanja. Međutim, umjesto korištenja postupka namotavanja za izradu spremnika, koristimo AFP. Stoga smo razmišljali o stvaranju zasebnog dijela tlačne posude, u koji su stalci već integrirani. Ovaj pristup omogućio mi je da kombiniram nekoliko ovih integriranih modula, a zatim primijenim završni poklopac kako bih sve zabrtvio prije završnog AFP namotavanja.“
„Pokušavamo finalizirati takav koncept“, nastavio je, „i također započeti testiranje odabira materijala, što je vrlo važno kako bi se osigurala potrebna otpornost na prodiranje plina H2. Za to uglavnom koristimo termoplastične materijale i radimo na raznim načinima na koje će materijal utjecati na ovo ponašanje permeacije i obradu u AFP stroju. Važno je razumjeti hoće li obrada imati učinka i je li potrebna naknadna obrada. Također želimo znati hoće li različiti slojevi utjecati na permeaciju vodika kroz tlačnu posudu.“
Spremnik će biti u potpunosti izrađen od termoplastike, a trake će isporučiti Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Njemačka). „Koristit ćemo njihove materijale PPS [polifenilen sulfid], PEEK [polieter keton] i LM PAEK [poliaril keton niskog tališta]“, rekao je Yager. „Zatim se provode usporedbe kako bi se vidjelo koji je najbolji za zaštitu od prodiranja i proizvodnju dijelova s boljim performansama.“ Nada se da će dovršiti testiranje, strukturno i procesno modeliranje te prve demonstracije unutar sljedeće godine.
Istraživački rad proveden je u okviru COMET modula „Polymers4Hydrogen“ (ID 21647053) u sklopu COMET programa Saveznog ministarstva za klimatske promjene, okoliš, energiju, mobilnost, inovacije i tehnologiju te Saveznog ministarstva za digitalnu tehnologiju i gospodarstvo. Autori zahvaljuju partnerima koji su sudjelovali: Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL, Austrija), Montanuniversitaet Leoben (Fakultet za polimerno inženjerstvo i znanost, Odjel za kemiju polimernih materijala, Odjel za znanost o materijalima i ispitivanje polimera), Sveučilište u Tampereu (Fakultet za inženjerske materijale), Peak Technology i Faurecia koji su doprinijeli ovom istraživačkom radu. COMET-Modul financiraju vlada Austrije i vlada pokrajine Štajerske.
Predarmirane ploče za nosive konstrukcije sadrže kontinuirana vlakna - ne samo od stakla, već i od ugljika i aramida.
Postoji mnogo načina za izradu kompozitnih dijelova. Stoga će izbor metode za određeni dio ovisiti o materijalu, dizajnu dijela i krajnjoj upotrebi ili primjeni. Ovdje je vodič za odabir.
Shocker Composites i R&M International razvijaju lanac opskrbe recikliranim karbonskim vlaknima koji osigurava nultu stopu klanja, niže troškove od djevičanskih vlakana i s vremenom će ponuditi duljine koje se po strukturnim svojstvima približavaju kontinuiranim vlaknima.
Vrijeme objave: 15. ožujka 2023.