Standardni spremnici s ravnim platformama za BEV-ove i FCEV-a koriste termoplastične i termoset kompozite s konstrukcijom kostura koja osigurava 25% više H2 skladištenja. #Hydrogen #Trends
Nakon suradnje s BMW -om pokazalo je da kubični spremnik može pružiti veću volumetrijsku učinkovitost od više malih cilindara, Tehničko sveučilište u Münchenu krenulo je u projekt za razvoj složene strukture i skalabilnog proizvodnog procesa za serijsku proizvodnju. Slika kredita: Tu Dresden (vrh) lijevo), Tehničko sveučilište u Münchenu, Odjel za ugljične kompozite (LCC)
Električna vozila za gorivne ćelije (FCEV) pokretana vodikom nultog emisije (H2) pružaju dodatna sredstva za postizanje nula ciljeva okoliša. Putnički automobil gorivnih ćelija s H2 motorom može se napuniti za 5-7 minuta i ima raspon od 500 km, ali trenutno je skuplji zbog niskih količina proizvodnje. Jedan od načina za smanjenje troškova je korištenje standardne platforme za BEV i FCEV modele. To trenutno nije moguće jer cilindrični spremnici tipa 4 koji se koriste za skladištenje komprimiranog H2 plina (CGH2) na 700 bara u FCEV -ovima nisu prikladni za odjeljke za podloge koji su pažljivo dizajnirani za električna vozila. Međutim, tlačne posude u obliku jastuka i kockica mogu se uklopiti u ovaj ravni prostor za pakiranje.
Patent US5577630A za „kompozitnu posudu konformnog tlaka“, primjenu koju je podnio Thiokol Corp. 1995. (lijevo) i plovilo za pravokutni tlak koji je BMW patentirao 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), a predvodi Centar za kompetenciju Leoben polimera (PCCL, Leoben, Austrija). Radni paket LCC vodi kolegica Elizabeth Glace.
Drugi projekt je okruženje demonstracije i razvoja vodika (Hydden), gdje LCC vodi istraživač Christian Jaeger. Oboje imaju za cilj stvoriti veliku demonstraciju procesa proizvodnje za izradu odgovarajućeg CGH2 spremnika pomoću kompozita od karbonskih vlakana.
Postoji ograničena volumetrijska učinkovitost kada su cilindri malog promjera instalirani u ravne ćelije baterije (lijevo) i kubične posude tipa 2 izrađene od čeličnih obloga i vanjske školjke od karbonskih vlakana/epoksidnog kompozita (desno). Izvor slike: Slike 3 i 6 potječu od "Numeričkog dizajna za posudu s tlakom tipa II s nogama unutarnjih napetosti" Ruf i Zaremba i sur.
P4H je izradio eksperimentalni spremnik kocke koji koristi termoplastični okvir s kompozitnim napetosti/nosačima omotanim u epoksid ojačan ugljičnim vlaknima. Hydden će upotrijebiti sličan dizajn, ali će koristiti automatsko postavljanje vlakana (AFP) za izradu svih termoplastičnih kompozitnih spremnika.
Od patentne primjene Thiokol Corp. do „Kompozitne posude za konformnog tlaka“ 1995. do njemačkog patenta DE19749950C2 1997. godine, komprimirane plinske posude „mogu imati bilo kakvu geometrijsku konfiguraciju“, ali posebno ravne i nepravilne oblike, u šupljini povezanoj s nosačem školjke . Elementi se koriste tako da mogu izdržati silu širenja plina.
Papinj Nacionalnog laboratorija Lawrence Livermore (LLNL) opisuje tri pristupa: posuda za sukobnu tlaku od filamenta, posuda za tlak mikrolattice koja sadrži unutarnju ortorombičnu strukturu rešetke (male stanice od 2 cm ili manje), okružene tanko-oblikovanom H2 spremnika, i spremnik replikatora, koji se sastoji od unutarnje strukture koja se sastoji od zalijepljenih malih dijelova (npr. šesterokutna plastika prstenovi) i sastav tanke kože vanjske školjke. Duplikatni spremnici najbolje su prikladni za veće spremnike u kojima se može teško primijeniti tradicionalne metode.
Patent DE102009057170A koju je Volkswagen podnio 2009. godine opisuje posudu s pritiskom na vozilu koja će osigurati veliku učinkovitost težine uz poboljšanje iskorištavanja prostora. Pravokutni spremnici koriste napetosti između dva pravokutna suprotna zida, a uglovi su zaobljeni.
Gore navedeni i drugi pojmovi Gleiss navode u radu "Razvoj procesa za kubični pritisak posuda s rastezljivim trakama" Gleiss i sur. na ECCM20 (26.-30. lipnja 2022., Lausanne, Švicarska). U ovom članku navodi studiju TUM -a koju su objavili Michael Roof i Sven Zaremba, koji je otkrio da je kubični tlačni posuda s napetosti koja povezuje pravokutne strane efikasnije od nekoliko malih cilindara koji se uklapaju u prostor ravne baterije, pružajući oko 25 % više. prostor za odlaganje.
Prema Gleissu, problem s ugradnjom velikog broja malih cilindara tipa 4 u ravnom slučaju je taj što je „volumen između cilindara uvelike smanjen, a sustav također ima vrlo veliku površinu propusnosti plina H2. Općenito, sustav pruža manje kapaciteta za pohranu od kubičnih staklenki. "
Međutim, postoje i drugi problemi s kubičnim dizajnom tenka. "Očito, zbog komprimiranog plina, morate suzbiti sile savijanja na ravnim zidovima", rekao je Gleiss. "Za to vam je potrebna ojačana struktura koja se interno povezuje sa zidovima spremnika. Ali to je teško učiniti s kompozitima. "
Glace i njezin tim pokušali su uključiti pojačane napetosti u plovilo za pritisak na način koji bi bio prikladan za proces namotavanja niti. "Ovo je važno za proizvodnju velikog količine", objašnjava ona, "i također nam omogućava da dizajniramo uzorak namotavanja zidova kontejnera kako bismo optimizirali orijentaciju vlakana za svako opterećenje u zoni."
Četiri koraka za izradu kubičnog kompozitnog spremnika za projekt P4H. Kreditna slika: „Razvoj proizvodnog procesa posuda za kubični pritisak s Braceom“, Tehničko sveučilište u Münchenu, Polimers4Hydrogen Project, ECCM20, lipanj 2022.
Da bi postigao lanca, tim je razvio novi koncept koji se sastoji od četiri glavna koraka, kao što je prikazano gore. Napetosti, prikazane crnom na koracima, montažna su struktura okvira izrađena metodama preuzetim iz projekta Mai Skelett. Za ovaj projekt BMW je razvio "okvir" okvira vjetrobranskog stakla koristeći četiri pultrusijske šipke ojačane vlaknima, koje su zatim oblikovane u plastični okvir.
Okvir eksperimentalnog kubičnog spremnika. Šesterokutni skeletni dijelovi 3D ispisani Tum -om koristeći neraspoređeni PLA filament (gornji dio), umećući CF/PA6 pultruzijske šipke kao zatezne nosače (srednje), a zatim omotavanje filamenta oko nosača (dno). Kreditna slika: Tehničko sveučilište u Münchenu LCC.
"Ideja je da okvir kubičnog spremnika možete izgraditi kao modularnu strukturu", rekao je Glace. "Ovi se moduli zatim stavljaju u alat za oblikovanje, napetosti se stavljaju u module okvira, a zatim se metoda Mai Skeletta koristi oko nosača kako bi ih integrirala s dijelovima okvira." Metoda masovne proizvodnje, što rezultira strukturom koja se zatim koristi kao mandat ili jezgra za omotavanje kompozitne školjke spremnika.
TUM je okvir spremnika dizajnirao kao kubični "jastuk" s čvrstim stranama, zaobljenim uglovima i šesterokutnim uzorkom na vrhu i dnu kroz koji se mogu umetnuti i pričvrstiti veze. Rupe za ove stalke također su ispisane 3D. "Za naš početni eksperimentalni spremnik, 3D smo ispisali šesterokutne dijelove okvira koristeći polilaktičnu kiselinu [PLA, termoplastiku utemeljenu na biološkoj biološci, jer je bio jednostavan i jeftin", rekao je Glace.
Tim je kupio 68 pultrudiranih poliamida od ugljičnih vlakana od poliamida 6 (PA6) od SGL Carbon (Meitingen, Njemačka) za upotrebu kao veze. "Da bismo testirali koncept, nismo napravili nikakvo oblikovanje", kaže Gleiss, "ali jednostavno umetnuli razmake u 3D ispisani jezgrani okvir saća i zalijepili ih epoksidnim ljepilom. To tada osigurava mandat za namotavanje spremnika. " Ona napominje da, iako je ove šipke relativno lako za vjetrove, postoje neki značajni problemi koji će biti opisani kasnije.
"U prvoj fazi nam je cilj bio pokazati proizvođavost dizajna i identificirati probleme u konceptu proizvodnje", objasnio je Gleiss. "Tako da se napetosti strše s vanjske površine skeletne strukture, a na ovu jezgru pričvršćujemo ugljična vlakna pomoću namota mokrog filamenta. Nakon toga, u trećem koraku savijamo glavu svake šipke. Termoplastično, tako da samo koristimo toplinu za preoblikovanje glave tako da se spljošti i zaključa u prvi sloj omotavanja. Zatim nastavljamo s omotavanjem strukture tako da je ravna potisna glava geometrijski zatvorena unutar spremnika. Laminate na zidovima.
Kapica razmaka za vijuganje. Tum koristi plastične poklopce na krajevima napetosti kako bi se spriječilo da se vlakna zapetljaju tijekom namotavanja niti. Kreditna slika: Tehničko sveučilište u Münchenu LCC.
Glace je ponovio da je ovaj prvi tenk dokaz koncepta. „Upotreba 3D ispisa i ljepila bila je samo za početno testiranje i dala nam je ideju o nekoliko problema s kojima smo se susreli. Na primjer, tijekom namotavanja, vlakna su uhvaćena krajevima napetosti, uzrokujući lom vlakana, oštećenja vlakana i smanjenje količine vlakana da se suprotstave. Koristili smo nekoliko plastičnih poklopca kao proizvodna pomagala koja su postavljena na stupove prije prvog koraka namotanja. Tada, kad su napravljeni unutarnji laminati, uklonili smo ove zaštitne poklopce i preoblikovali krajeve stupova prije konačnog omotavanja. "
Tim je eksperimentirao s različitim scenarijima obnove. "Oni koji najbolje gledaju oko sebe", kaže Grace. „Također, tijekom faze prototipa koristili smo modificirani alat za zavarivanje za primjenu topline i preoblikovanje krajeva šipke. U konceptu masovne proizvodnje imali biste jedan veći alat koji može oblikovati i oblikovati sve krajeve nosača u istodobno laminat unutarnjeg završetka. . ”
Glave za vuču preoblikovane. Tum je eksperimentirao s različitim konceptima i modificirao zavare kako bi uskladio krajeve kompozitnih krajeva za pričvršćivanje na laminat zida spremnika. Kreditna slika: „Razvoj proizvodnog procesa posuda za kubični pritisak s Braceom“, Tehničko sveučilište u Münchenu, Polimers4Hydrogen Project, ECCM20, lipanj 2022.
Dakle, laminat se izliječi nakon prvog koraka namota, stubovi se mijenjaju, TUM dovršava drugo namotavanje niti, a zatim se vanjski laminat zida spremnika izliječi drugi put. Imajte na umu da je ovo dizajn spremnika tipa 5, što znači da nema plastičnu oblogu kao plinska barijera. Pogledajte raspravu u sljedećem dijelu koraka u nastavku.
"Izrezali smo prvi demo na presjeke i preslikali povezano područje", rekao je Glace. "Izbliza pokazuje da smo imali neke kvalitetne probleme s laminatom, a glave nosača ne postavljaju ravno na unutarnji laminat."
Rješavanje problema s prazninama između laminata unutarnjih i vanjskih zidova spremnika. Izmijenjena glava šipke stvara jaz između prvog i drugog zavoja eksperimentalnog spremnika. Kreditna slika: Tehničko sveučilište u Münchenu LCC.
Ovaj početni spremnik od 450 x 290 x 80 mm završen je prošlog ljeta. "Od tada smo postigli veliki napredak, ali još uvijek imamo jaz između unutrašnjosti i vanjskog laminata", rekao je Glace. "Tako smo pokušali napuniti te praznine čistom smolom visoke viskoznosti. To zapravo poboljšava vezu između klinova i laminata, što uvelike povećava mehanički stres. "
Tim je nastavio razvijati dizajn i proces spremnika, uključujući rješenja za željeni uzorak namota. "Strane testnog spremnika nisu bile u potpunosti uvijene jer je ovoj geometriji bilo teško stvoriti stazu za namotavanje", objasnio je Glace. "Naš početni kut namota bio je 75 °, ali znali smo da je potrebno više krugova kako bi se ispunilo opterećenje u ovom tlačnom posudi. Još uvijek tražimo rješenje ovog problema, ali nije lako s softverom koji je trenutno na tržištu. To može postati praćenje projekta.
„Pokazali smo izvedivost ovog proizvodnog koncepta,“ kaže Gleiss, „ali moramo dalje raditi na poboljšanju veze između laminata i preoblikovanja šipki. „Vanjska ispitivanja na stroju za testiranje. Izvlačite odstojnike iz laminata i testirate mehanička opterećenja koja ti spojevi mogu izdržati. "
Ovaj dio projekta Polymers4Hydrogen bit će završen krajem 2023. godine, do kojeg vremena Gleis se nada da će završiti drugi demonstracijski spremnik. Zanimljivo je da dizajni danas koriste urednu ojačanu termoplastiku u okviru i termoset kompozitima u zidovima 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 ostale kompozitne matrične materijale s boljim svojstvima vodikove barijere." Navodi dva partnera koji rade na ovom radu, PCCL -u i Sveučilištu Tampere (Tampere, Finska).
Gleiss i njezin tim također su razmijenili informacije i razgovarali o idejama s Jaegerom o drugom Hydden projektu iz LCC Conformation Composite Tank.
"Izradit ćemo konformnu posudu za kompozitni pritisak za istraživačke bespilotne letjelice", kaže Jaeger. „Ovo je suradnja između dva odjela zrakoplovstva i geodetskog odjela za TUM - LCC i Odjela za tehnologiju helikoptera (HT). Projekt će biti dovršen do kraja 2024. godine i trenutno ispunjavamo plovilo za pritisak. Dizajn koji je više zrakoplovni i automobilski pristup. Nakon ove početne faze koncepta, sljedeći je korak izvođenje detaljnog strukturnog modeliranja i predviđanje performansi barijere konstrukcije zida. "
"Cijela je ideja razviti istraživački bespilotni letjelica s hibridnim pogonskim gorivnim ćelijama i pogonskim sustavom baterije", nastavio je. Koristit će bateriju tijekom velike napajanja (tj. Polijetanje i slijetanje), a zatim prebaciti na gorivnu ćeliju tijekom krstarenja laganim opterećenjem. "HT tim već je imao istraživačkog drona i redizajnirao je pogonski sklop za korištenje i baterija i gorivnih ćelija", rekao je Yeager. "Također su kupili CGH2 spremnik za testiranje ovog mjenjača."
"Moj je tim bio zadužen za izgradnju prototipa spremnika za tlake koji bi se uklopio, ali ne zbog problema s pakiranjem koje bi stvorio cilindrični tenk", objašnjava. "Rasni spremnik ne nudi toliko otpora vjetra. Dakle, postižete bolje performanse leta. " Dimenzije spremnika cca. 830 x 350 x 173 mm.
Potpuno termoplastični spremnik AFP u skladu s AFP -om. Za Hydden projekt, tim LCC -a u TUM -u u početku je istraživao sličan pristup onom koji je koristio Glace (gore), ali je zatim prešao na pristup koristeći kombinaciju nekoliko strukturnih modula, koji su se zatim pretjerali pomoću AFP -a (dolje). Kreditna slika: Tehničko sveučilište u Münchenu LCC.
"Jedna je ideja slična Elisabeth [Gleissovom] pristupu", kaže Yager, "primijeniti napetosti na zid plovila kako bi nadoknadili visoke sile savijanja. Međutim, umjesto da koristimo postupak namotavanja za izradu spremnika, koristimo AFP. Stoga smo razmišljali o stvaranju zasebnog dijela posude za pritisak, u kojem su stalci već integrirani. Ovaj mi je pristup omogućio da kombiniram nekoliko ovih integriranih modula, a zatim nanesem krajnji poklopac kako bih zapečatio sve prije konačnog navijanja AFP -a. "
"Pokušavamo dovršiti takav koncept", nastavio je, "a također započinje testiranje odabira materijala, što je vrlo važno kako bi se osigurao potreban otpor prodora plina H2. Za to uglavnom koristimo termoplastične materijale i radimo na različitim kako će materijal utjecati na ovo propusno ponašanje i obradu u AFP stroju. Važno je razumjeti hoće li liječenje imati učinak i ako je potrebna bilo kakva naknadna obrada. Također želimo znati hoće li različite hrpe utjecati na propusnost vodika kroz tlačnu posudu. "
Spremnik će biti u potpunosti izrađen od termoplastike, a trake će ih isporučiti Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Njemačka). "Koristit ćemo njihove PPS [polifenilen sulfid], zaviriti [polieter keton] i LM Paek [nisko topljenje poliaril keton] materijala", rekao je Yager. "Zatim se naprave usporedbe kako bi se vidjelo koji je najbolji za zaštitu od penetracije i proizvodnju dijelova s boljim performansama." Nada se da će u sljedećoj godini završiti testiranje, strukturno i procesno modeliranje i prve demonstracije.
Istraživački rad proveden je u modulu kometa „Polymers4Hydrogen“ (ID 21647053) unutar programa Comet Federalnog ministarstva za klimatske promjene, okoliš, energiju, mobilnost, inovacije i tehnologiju te Federalno ministarstvo za digitalnu tehnologiju i ekonomiju. . Autori se zahvaljuju centru za kompetenciju polimera koji sudjeluju u partnerima Leoben GmbH (PCCL, Austrija), Montanuniversitaet Leoben (Fakultet za polimerno inženjerstvo i znanost, Odjel za kemiju polimernih materijala, Odjel za znanost o materijalima i testiranje polimera), Sveučilište u Tampereu (Fakultet za inženjerstvo (Fakultet Materijali). ) Znanost), vrhunska tehnologija i Faurecia pridonijeli su ovom istraživačkom radu. Comet-Modul financira vlada Austrije i vlada države Styria.
Prethodno ojačani listovi za opterećene strukture sadrže kontinuirana vlakna-ne samo iz stakla, već i iz ugljika i aramide.
Postoji mnogo načina za izradu složenih dijelova. Stoga će izbor metode za određeni dio ovisiti o materijalu, dizajnu dijela i krajnjoj uporabi ili primjeni. Evo vodiča za odabir.
Shocker Composites i R&M International razvijaju lanac opskrbe recikliranim karbonskim vlaknima koji pruža nula klanja, niže troškove od djevičanskog vlakana i na kraju će ponuditi duljine koje se približavaju kontinuiranim vlaknima u strukturnim svojstvima.
Post Vrijeme: ožujak-15-2023