Standardni spremnici s ravnom platformom za BEV i FCEV koriste termoplastične i duroplastične kompozite s kosturnom konstrukcijom koja omogućuje 25% više skladištenja H2. #vodik #trendovi
Nakon što je suradnja s BMW-om pokazala da kubični spremnik može pružiti veću volumetrijsku učinkovitost od višestrukih malih cilindara, Tehničko sveučilište u Münchenu krenulo je s projektom razvoja kompozitne strukture i skalabilnog proizvodnog procesa za serijsku proizvodnju. Autor slike: TU Dresden (gore) lijevo), Tehničko sveučilište u Münchenu, Zavod za ugljične kompozite (LCC)
Električna vozila s gorivim ćelijama (FCEV) pokretana vodikom s nultom emisijom (H2) pružaju dodatna sredstva za postizanje nultih ekoloških ciljeva. Osobni automobil na gorive 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 BEV i FCEV modele. To trenutačno nije moguće jer cilindrični spremnici tipa 4 koji se koriste za pohranjivanje komprimiranog plina H2 (CGH2) na 700 bara u FCEV-ima nisu prikladni za odjeljke za baterije u podvozju koji su pažljivo dizajnirani za električna vozila. No, u ovaj ravni prostor pakiranja mogu stati posude pod pritiskom u obliku jastuka i kocki.
Patent US5577630A za “Composite Conformal Pressure Vessel”, prijavu koju je podnio Thiokol Corp. 1995. (lijevo) i pravokutnu tlačnu posudu 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), kojeg vodi Leoben Polymer Competence Center (PCCL, Leoben, Austrija). LCC radni paket vodi suradnica Elizabeth Glace.
Drugi projekt je Hydrogen Demonstration and Development Environment (HyDDen), gdje LCC vodi istraživač Christian Jaeger. Oba imaju za cilj stvoriti široku demonstraciju proizvodnog procesa za izradu prikladnog CGH2 spremnika korištenjem kompozita od karbonskih vlakana.
Postoji ograničena volumetrijska učinkovitost kada su cilindri malog promjera instalirani u ravnim baterijskim ćelijama (lijevo) i kubičnim tlačnim posudama tipa 2 izrađenim od čeličnih obloga i kompozitnog vanjskog omotača od karbonskih vlakana/epoksida (desno). Izvor slike: Slike 3 i 6 su iz "Pristupa numeričkom dizajnu za posudu s tlačnom kutijom tipa II s unutarnjim zateznim nogama" autora Ruf i Zaremba et al.
P4H je proizveo eksperimentalni kockasti spremnik koji koristi termoplastični okvir s kompozitnim zateznim trakama/podupiračima omotanim epoksidom ojačanim ugljičnim vlaknima. HyDDen će koristiti sličan dizajn, ali će koristiti automatsko postavljanje vlakana (AFP) za proizvodnju svih spremnika od termoplastičnih kompozita.
Od patentne prijave tvrtke Thiokol Corp. za “Composite Conformal Pressure Vessel” 1995. do njemačkog patenta DE19749950C2 1997. godine, posude za stlačeni plin “mogu imati bilo koju geometrijsku konfiguraciju”, ali posebno ravne i nepravilne oblike, u šupljini povezanoj s nosačem školjke . 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 filamentom, mikrorešetkastu tlačnu posudu koja sadrži unutarnju ortorombsku rešetkastu strukturu (male ćelije od 2 cm ili manje), okruženu H2 spremnikom tankih stijenki, i spremnik replikatora, koji se sastoji od unutarnje strukture koja se sastoji od zalijepljenih malih dijelova (npr. šesterokutnih plastičnih prstenova) i sastava tanke vanjske ovojnice. Dvostruki spremnici najprikladniji su za veće spremnike u kojima je teško primijeniti tradicionalne metode.
Patent DE102009057170A koji je podnio Volkswagen 2009. opisuje tlačnu posudu postavljenu na vozilo koja će osigurati visoku učinkovitost težine uz poboljšanje iskorištenosti prostora. Pravokutni spremnici koriste zatezne spojnice između dvije pravokutne suprotne stijenke, a kutovi su zaobljeni.
Gore navedene i druge koncepte navodi Gleiss u radu "Razvoj procesa za kubične tlačne posude s rastezljivim šipkama" autora Gleiss et al. na ECCM20 (26.-30. lipnja 2022., Lausanne, Švicarska). U ovom članku ona citira studiju TUM-a koju su objavili Michael Roof i Sven Zaremba, a koja je otkrila da je kubična tlačna posuda sa zateznim podupiračima koji povezuju pravokutne stranice učinkovitija od nekoliko malih cilindara koji stanu u prostor ravne baterije, pružajući otprilike 25 % više. skladišni prostor.
Prema Gleissu, problem s ugradnjom velikog broja malih cilindara tipa 4 u ravno kućište je u tome što je “volumen između cilindara uvelike smanjen, a sustav također ima vrlo veliku površinu propuštanja H2 plina. Sve u svemu, sustav pruža manji kapacitet skladištenja od kubičnih staklenki.”
Međutim, postoje i drugi problemi s kubičnim dizajnom tenka. "Očito, zbog komprimiranog plina morate se suprotstaviti silama savijanja na ravnim stijenkama", rekao je Gleiss. “Za ovo vam je potrebna ojačana struktura koja se iznutra povezuje sa stijenkama spremnika. Ali to je teško učiniti s kompozitima.”
Glace i njezin tim pokušali su ugraditi zatezne šipke za armiranje u tlačnu posudu na način koji bi bio prikladan za proces namotavanja niti. "Ovo je važno za proizvodnju velike količine", objašnjava ona, "a također nam omogućuje da dizajniramo uzorak namotavanja stijenki spremnika kako bismo optimizirali orijentaciju vlakana za svaki teret u zoni."
Četiri koraka za izradu probnog kubičnog kompozitnog spremnika za projekt P4H. Kredit za sliku: “Razvoj proizvodnog procesa za kubične tlačne posude s uporištem”, Tehničko sveučilište u Münchenu, projekt Polymers4Hydrogen, ECCM20, lipanj 2022.
Kako bi postigao on-chain, tim je razvio novi koncept koji se sastoji od četiri glavna koraka, kao što je prikazano gore. Zatezni podupirači, prikazani crnom bojom na stepenicama, montažna su struktura okvira izrađena pomoću metoda preuzetih iz projekta MAI Skelett. Za ovaj projekt, BMW je razvio "okvir" okvira vjetrobranskog stakla koristeći četiri pultruzijske šipke ojačane vlaknima, koje su zatim oblikovane u plastični okvir.
Okvir eksperimentalnog kubičnog spremnika. Šesterokutne skeletne presjeke koje je 3D ispisao TUM upotrebom nepojačanog PLA filamenta (gore), umetanjem CF/PA6 pultruzijskih šipki kao zateznih spona (u sredini) i zatim omatanja filamenta oko spona (dolje). Autor slike: Tehničko sveučilište u Münchenu LCC.
"Ideja je da možete izgraditi okvir kubičnog spremnika kao modularnu strukturu", rekao je Glace. "Ti moduli se zatim stavljaju u alat za oblikovanje, zatezne potpornje se postavljaju u module okvira, a zatim se koristi MAI Skelettova metoda oko podupirača kako bi se integrirali s dijelovima okvira." metoda masovne proizvodnje, što rezultira strukturom koja se zatim koristi kao trn ili jezgra za omotavanje kompozitnog omotača spremnika.
TUM je dizajnirao okvir spremnika kao kubični "jastuk" s čvrstim stranama, zaobljenim kutovima i šesterokutnim uzorkom na vrhu i dnu kroz koji se mogu umetnuti i pričvrstiti vezice. Rupe za ove police također su isprintane 3D. "Za naš početni eksperimentalni spremnik, 3D smo ispisali šesterokutne dijelove okvira koristeći polilaktičnu kiselinu [PLA, bio-baziranu termoplastiku] jer je bilo jednostavno i jeftino", rekao je Glace.
Tim je kupio 68 šipki ojačanih pultrudiranim ugljičnim vlaknima od poliamida 6 (PA6) od SGL Carbon (Meitingen, Njemačka) za upotrebu kao vezice. “Kako bismo testirali koncept, nismo radili nikakvo oblikovanje,” kaže Gleiss, “već smo jednostavno umetnuli odstojnike u 3D tiskani okvir saćaste jezgre i zalijepili ih epoksidnim ljepilom. To onda daje trn za namatanje spremnika.” Ona napominje da, iako je ove štapove relativno lako namotati, postoje neki značajni problemi koji će biti opisani kasnije.
“U prvoj fazi, naš cilj je bio pokazati proizvodnost dizajna i identificirati probleme u konceptu proizvodnje,” objasnio je Gleiss. “Dakle, zatezni podupirači strše s vanjske površine skeletne strukture, a mi pričvršćujemo ugljična vlakna na ovu jezgru pomoću mokrog namotavanja niti. Nakon toga, u trećem koraku, savijamo glavu svake spone. termoplastični, tako da samo koristimo toplinu za preoblikovanje glave tako da se spljošti i učvrsti u prvom sloju omota. Zatim nastavljamo ponovno omotati strukturu tako da ravna potisna glava bude geometrijski zatvorena unutar spremnika. laminat na zidovima.
Odstojna kapica za namatanje. TUM koristi plastične kapice na krajevima zateznih šipki kako bi se spriječilo petljanje vlakana tijekom namotavanja filamenta. Autor slike: Tehničko sveučilište u Münchenu LCC.
Glace je ponovio da je ovaj prvi tenk bio dokaz koncepta. “Upotreba 3D ispisa i ljepila bila je samo za početno testiranje i dala nam je ideju o nekoliko problema na koje smo naišli. Na primjer, tijekom namotavanja, filamenti su bili zahvaćeni krajevima zateznih šipki, uzrokujući lomljenje vlakana, oštećenje vlakana i smanjenje količine vlakana kako bi se to spriječilo. upotrijebili smo nekoliko plastičnih čepova kao pomoćnih sredstava u proizvodnji koji su postavljeni na stupove prije prvog koraka namotavanja. Zatim, kada su unutarnji laminati napravljeni, uklonili smo te zaštitne kape i preoblikovali krajeve stupova prije konačnog omatanja.”
Tim je eksperimentirao s različitim scenarijima rekonstrukcije. “Najbolje rade oni koji gledaju oko sebe”, kaže Grace. “Također, tijekom faze izrade prototipa koristili smo modificirani alat za zavarivanje za primjenu topline i preoblikovanje krajeva spone. U konceptu masovne proizvodnje, imali biste jedan veći alat koji može oblikovati i oblikovati sve krajeve podupirača u unutarnji završni laminat u isto vrijeme. . ”
Glave vučne rude preoblikovale. TUM je eksperimentirao s različitim konceptima i modificirao zavare kako bi poravnao krajeve kompozitnih spona za pričvršćivanje na laminat stijenke spremnika. Kredit za sliku: “Razvoj proizvodnog procesa za kubične tlačne posude s uporištem”, Tehničko sveučilište u Münchenu, projekt Polymers4Hydrogen, ECCM20, lipanj 2022.
Dakle, laminat se stvrdnjava nakon prvog koraka namotavanja, stupovi se preoblikuju, TUM dovršava drugo namotavanje filamenata, a zatim se laminat vanjske stijenke spremnika stvrdnjava drugi put. Imajte na umu da je ovo dizajn spremnika tipa 5, što znači da nema plastični omotač kao plinsku barijeru. Pogledajte raspravu u odjeljku Sljedeći koraci u nastavku.
"Prvi demo izrezali smo na presjeke i mapirali povezano područje", rekao je Glace. "Krupni plan pokazuje da smo imali nekih problema s kvalitetom laminata, jer glave podupirača nisu ležale ravno na unutarnjem laminatu."
Rješavanje problema s prazninama između laminata unutarnje i vanjske stijenke spremnika. Modificirana glava spone stvara razmak između prvog i drugog zavoja eksperimentalnog spremnika. Autor slike: Tehničko sveučilište u Münchenu LCC.
Ovaj početni tenk dimenzija 450 x 290 x 80 mm dovršen je prošlog ljeta. "Od tada smo puno napredovali, ali još uvijek imamo jaz između unutarnjeg i vanjskog laminata", rekao je Glace. „Pa smo pokušali popuniti te praznine čistom smolom visoke viskoznosti. Ovo zapravo poboljšava vezu između klinova i laminata, što uvelike povećava mehanički stres.”
Tim je nastavio razvijati dizajn spremnika i proces, uključujući rješenja za željeni uzorak namotaja. "Bočne strane ispitnog spremnika nisu bile potpuno zakrivljene jer je ovoj geometriji bilo teško stvoriti vijugavu putanju", objasnio je Glace. „Naš početni kut namotaja bio je 75°, ali smo znali da je potrebno više strujnih krugova kako bi se zadovoljilo opterećenje u ovoj tlačnoj posudi. Još uvijek tražimo rješenje za ovaj problem, ali nije lako sa softverom koji je trenutno na tržištu. To može postati nastavak projekta.
“Pokazali smo izvedivost ovog proizvodnog koncepta,” kaže Gleiss, “ali moramo dalje raditi na poboljšanju veze između laminata i preoblikovanju spona. “Vanjsko testiranje 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 da će dovršiti drugi demonstracijski spremnik. Zanimljivo, dizajni danas koriste urednu ojačanu termoplastiku u okviru i duroplaste u stjenkama spremnika. Hoće li se ovaj hibridni pristup koristiti u konačnom demonstracijskom tenku? "Da", rekla je Grace. "Naši partneri u projektu Polymers4Hydrogen razvijaju epoksidne smole i druge kompozitne matrične materijale s boljim svojstvima zaštite od vodika." Ona navodi dva partnera koji rade na ovom poslu, PCCL i Sveučilište Tampere (Tampere, Finska).
Gleiss i njezin tim također su razmijenili informacije i razgovarali 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 Zrakoplovno-geodetskog odjela TUM-a – LCC i Zavoda za helikoptersku tehniku (HT). Projekt će biti gotov do kraja 2024. godine, a trenutno dovršavamo tlačnu posudu. dizajn koji je više svemirski i automobilski pristup. Nakon ove početne faze koncepta, sljedeći korak je izvođenje detaljnog strukturnog modeliranja i predviđanje performansi barijere zidne strukture.”
“Cijela je ideja razviti istraživačku bespilotnu letjelicu s hibridnim pogonskim sustavom na gorive ćelije i baterije”, nastavio je. Koristit će bateriju tijekom velikih opterećenja (tj. polijetanja i slijetanja), a zatim će se prebaciti na gorivu ćeliju tijekom krstarenja s malim opterećenjem. “Tim HT-a već je imao istraživačku bespilotnu letjelicu i redizajnirao je pogonski sklop da koristi i baterije i gorive ćelije”, rekao je Yeager. "Također su kupili spremnik CGH2 za testiranje ovog prijenosa."
"Moj je tim dobio zadatak izraditi prototip tlačnog spremnika koji bi odgovarao, ali ne zbog problema s pakiranjem koje bi stvorio cilindrični spremnik", objašnjava. “Njiviji spremnik ne pruža toliki otpor vjetru. Tako dobivate bolje performanse leta.” Dimenzije spremnika cca. 830 x 350 x 173 mm.
Potpuno termoplastični AFP sukladan spremnik. 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 zatim pretjerano korišteni pomoću AFP-a (ispod). Autor slike: Tehničko sveučilište u Münchenu LCC.
“Jedna je ideja slična pristupu Elisabeth [Gleiss],” kaže Yager, “da se na stijenku posude primijene zatezne spone kako bi se kompenzirale velike sile savijanja. Međutim, umjesto korištenja postupka namotavanja za izradu spremnika, koristimo AFP. Stoga smo razmišljali o stvaranju zasebnog dijela tlačne posude u koji su već integrirani nosači. Ovaj pristup mi je omogućio da kombiniram nekoliko ovih integriranih modula i zatim primijenim završnu kapu kako bih sve zatvorio prije konačnog AFP namotaja.”
“Pokušavamo finalizirati takav koncept,” nastavio je, “i također započeti testiranje odabira materijala, što je vrlo važno kako bi se osigurala potrebna otpornost na prodor plina H2. Za to uglavnom koristimo termoplastične materijale i radimo na različitim načinima na koje će materijal utjecati na ovo ponašanje prodiranja i obradu u AFP stroju. Važno je razumjeti hoće li tretman imati učinka i je li potrebna naknadna obrada. Također želimo znati hoće li različiti dimnjaci utjecati na propuštanje vodika kroz tlačnu posudu.”
Spremnik će biti u potpunosti izrađen od termoplasta, 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 niske temperature taljenja]", rekao je Yager. "Zatim se rade usporedbe kako bi se vidjelo koji je najbolji za zaštitu od prodora i proizvodnju dijelova s boljim performansama." Nada se da će dovršiti testiranje, strukturno i procesno modeliranje i prve demonstracije tijekom sljedeće godine.
Istraživački rad je proveden u okviru COMET modula “Polymers4Hydrogen” (ID 21647053) u okviru COMET programa Federalnog ministarstva za klimatske promjene, okoliš, energiju, mobilnost, inovacije i tehnologiju i Federalnog ministarstva za digitalnu tehnologiju i ekonomiju. . Autori zahvaljuju sudjelujućim partnerima Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL, Austrija), Montanuniversitaet Leoben (Fakultet polimernog inženjerstva i znanosti, Odjel za kemiju polimernih materijala, Odjel za znanost o materijalima i ispitivanje polimera), Sveučilište u Tampereu (Tehnički fakultet Materijali). ) Science), Peak Technology i Faurecia pridonijeli su ovom istraživačkom radu. COMET-Modul financiraju vlada Austrije i vlada pokrajine Štajerske.
Prethodno ojačane ploče za nosive konstrukcije sadrže kontinuirana vlakna – ne samo od stakla, već i od karbona 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 opskrbni lanac od recikliranih ugljičnih vlakana koji osigurava nulto klanja, nižu cijenu od djevičanskih vlakana i na kraju će ponuditi duljine koje se približavaju kontinuiranim vlaknima u strukturnim svojstvima.
Vrijeme objave: 15. ožujka 2023