A BEV-ekhez és FCEV-ekhez készült szabványos lapos platformos tartályok hőre lágyuló és hőre keményedő kompozitokat használnak, amelyek vázszerkezete 25%-kal több H2-tárolást biztosít. #hidrogén #trendek
Miután a BMW-vel való együttműködés kimutatta, hogy egy köbös tartály nagyobb térfogati hatékonyságot biztosít, mint a több kis henger, a Müncheni Műszaki Egyetem egy kompozit szerkezet és egy méretezhető gyártási folyamat kifejlesztésére kezdett a sorozatgyártáshoz. Kép jóváírása: TU Dresden (balra fent), Müncheni Műszaki Egyetem, Carbon Composites (LCC) tanszék
A nulla kibocsátású (H2) hidrogénnel hajtott üzemanyagcellás elektromos járművek (FCEV) további eszközöket kínálnak a nulla környezetvédelmi cél eléréséhez. Egy H2-es motorral szerelt üzemanyagcellás személyautó 5-7 perc alatt megtölthető, hatótávolsága 500 km, de jelenleg az alacsony gyártási mennyiségek miatt drágább. A költségek csökkentésének egyik módja egy szabványos platform használata a BEV és FCEV modellekhez. Ez jelenleg nem lehetséges, mert a sűrített H2-gáz (CGH2) 700 bar nyomású FCEV-ekben történő tárolására használt 4-es típusú hengeres tartályok nem alkalmasak az elektromos járművekhez gondosan megtervezett alváz akkumulátorrekeszekhez. Ebbe a lapos csomagolótérbe azonban párnák és kocka formájú nyomástartó edények is elférnek.
US5577630A szabadalom a „Composite Conformal Pressure Vessel”-re, a Thiokol Corp. által 1995-ben benyújtott bejelentés (balra), valamint a BMW által 2009-ben szabadalmaztatott négyszögletes nyomástartó edényre (jobbra).
A Müncheni Műszaki Egyetem (TUM, München, Németország) Carbon Composites (LCC) Tanszéke két projektben vesz részt ennek a koncepciónak a kidolgozására. Az első a Polymers4Hydrogen (P4H), amelyet a Leoben Polymer Competence Center (PCCL, Leoben, Ausztria) vezet. Az LCC munkacsomagot Elizabeth Glace munkatárs vezeti.
A második projekt a Hidrogén Demonstrációs és Fejlesztési Környezet (HyDDen), ahol az LCC-t Christian Jaeger kutató vezeti. Mindkettő célja a gyártási folyamat nagyszabású bemutatója egy megfelelő CGH2 tartály szénszálas kompozitok felhasználásával történő előállításához.
A térfogati hatékonyság korlátozott, ha kis átmérőjű hengereket szerelnek be lapos akkumulátorcellákba (balra) és 2-es típusú köbös nyomástartó edénybe, amely acél bélésekből és szénszál/epoxi kompozit külső héjból (jobbra) készül. Képforrás: A 3. és 6. ábra Ruf és Zaremba és munkatársai „Numerical Design Approach for II.
A P4H egy kísérleti kockatartályt készített, amely hőre lágyuló keretet használ, szénszál-erősítésű epoxiba csomagolt kompozit feszítőhevederekkel/rudakkal. A HyDDen hasonló kialakítást fog használni, de automatikus szálelrendezést (AFP) használ az összes hőre lágyuló kompozit tartály gyártásához.
A Thiokol Corp. által a „Composite Conformal Pressure Vessel”-hez 1995-ben benyújtott szabadalmi bejelentéstől a DE19749950C2 számú német szabadalomig (1997-ben) a sűrített gáztartályok „bármilyen geometriai konfigurációval rendelkezhetnek”, de különösen lapos és szabálytalan alakúak, a héjtartóhoz csatlakoztatott üregben. . elemeket úgy használnak, hogy azok ellenálljanak a gáz tágulási erejének.
A Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) 2006-os tanulmánya három megközelítést ír le: egy filamentáris tekercses konform nyomástartó edényt, egy mikrorácsos nyomástartó edényt, amely belső ortorombikus rácsszerkezetet tartalmaz (2 cm-es vagy kisebb sejtek), amelyet vékony falú H2-tartály vesz körül, és egy replikátortartály, amely egy belső szerkezetből áll, amely összeragasztott kis részekből (pl. hatszögletű műanyag gyűrűkből) és vékony külső héj összetételéből áll. A duplikált tartályok a legalkalmasabbak nagyobb tartályokhoz, ahol a hagyományos módszerek alkalmazása nehéz lehet.
A Volkswagen által 2009-ben benyújtott DE102009057170A számú szabadalom egy járműre szerelt nyomástartó edényt ír le, amely nagy tömeghatékonyságot biztosít, miközben javítja a helykihasználást. A téglalap alakú tartályok feszítőcsatlakozókat használnak két téglalap alakú ellentétes fal között, és a sarkok lekerekítettek.
A fenti és más fogalmakat Gleiss idézi Gleiss és munkatársai „Process Development for Cubic Pressure Vessels with Stretch Bars” című tanulmányában. az ECCM20-on (2022. június 26-30., Lausanne, Svájc). Ebben a cikkben egy Michael Roof és Sven Zaremba által publikált TUM-tanulmányra hivatkozik, amely megállapította, hogy a négyszögletes oldalakat összekötő feszítőrudakkal ellátott köbös nyomástartó edény hatékonyabb, mint több kis henger, amelyek egy lemerült akkumulátor helyére illeszkednek, és körülbelül 25 % több. tárolóhely.
Gleiss szerint a nagyszámú kisméretű 4-es típusú palack lapos házba történő beépítésével az a probléma, hogy „a hengerek közötti térfogat nagymértékben lecsökken, és a rendszernek nagyon nagy a H2 gázáteresztő felülete is. Összességében a rendszer kisebb tárolókapacitást biztosít, mint a köbös tégelyek.”
Vannak azonban más problémák is a tartály köbös kialakításával. „Nyilvánvalóan a sűrített gáz miatt ellensúlyozni kell a lapos falakra ható hajlító erőket” – mondta Gleiss. „Ehhez megerősített szerkezetre van szükség, amely belülről csatlakozik a tartály falaihoz. De ezt nehéz megtenni a kompozitokkal.”
Glace és csapata megerősítő feszítőrudakat próbált beépíteni a nyomástartó edénybe oly módon, hogy az alkalmas legyen az izzószál tekercselésének folyamatára. "Ez fontos a nagy mennyiségű gyártáshoz" - magyarázza -, és lehetővé teszi számunkra, hogy megtervezzük a konténer falainak tekercselési mintáját, hogy optimalizáljuk a szálak orientációját a zónában lévő minden egyes terheléshez.
Négy lépés egy próba köbös kompozit tartály elkészítéséhez a P4H projekthez. Kép jóváírása: „Keressel ellátott köbös nyomástartó edények gyártási folyamatának fejlesztése”, Müncheni Műszaki Egyetem, Polymers4Hydrogen projekt, ECCM20, 2022. június.
A láncon belüli megvalósítás érdekében a csapat egy új koncepciót dolgozott ki, amely négy fő lépésből áll, amint az fent látható. A lépcsőkön feketével látható feszítőrudak egy előre gyártott vázszerkezet, amelyet a MAI Skelett projektből vett módszerekkel készítettek. Ehhez a projekthez a BMW szélvédőkeret „vázat” fejlesztett ki négy szálerősítésű pultrúziós rúd felhasználásával, amelyeket azután műanyag keretté formáltak.
Egy kísérleti köbös tartály kerete. Hatszögletű vázmetszetek 3D nyomtatása a TUM által megerősítetlen PLA filamenttel (fent), CF/PA6 pultrúziós rudak behelyezésével feszítőmerevítőként (középen), majd az izzószál körbetekerésével a merevítők köré (alul). A kép forrása: Müncheni Műszaki Egyetem LCC.
"Az ötlet az, hogy egy köbös tartály keretét moduláris szerkezetként építheti meg" - mondta Glace. „Ezeket a modulokat azután egy formázószerszámba helyezik, a feszítőrudakat a keretmodulokba, majd a MAI Skelett módszerét alkalmazzák a rugóstagok körül, hogy integrálják őket a vázrészekkel.” tömeggyártási módszer, amely olyan szerkezetet eredményez, amelyet tüskeként vagy magként használnak a tárolótartály kompozit héjának beburkolásához.
A TUM a tartályvázat kocka alakú „párnaként” tervezte, szilárd oldalakkal, lekerekített sarkokkal és hatszögletű mintával a tetején és az alján, amelyen keresztül kötőket lehet behelyezni és rögzíteni. Ezeknek az állványoknak a furatait is 3D-ben nyomtatták. „A kezdeti kísérleti tartályunkhoz 3D-s hatszögletű keretszakaszokat nyomtattunk politejsav (PLA, bioalapú hőre lágyuló műanyag) felhasználásával, mert ez egyszerű és olcsó volt” – mondta Glace.
A csapat 68 pultrudált szénszál erősítésű poliamid 6 (PA6) rudat vásárolt az SGL Carbontól (Meitingen, Németország) kötözőként való használatra. „A koncepció teszteléséhez nem öntöttünk” – mondja Gleiss –, hanem egyszerűen távtartókat helyeztünk egy 3D-nyomtatott méhsejt alakú magkeretbe, és epoxi ragasztóval ragasztottuk. Ez aztán egy tüskét biztosít a tartály feltekeréséhez." Megjegyzi, hogy bár ezek a rudak viszonylag könnyen tekerhetők, vannak jelentős problémák, amelyeket később ismertetünk.
„Az első szakaszban az volt a célunk, hogy bemutassuk a tervezés gyárthatóságát, és azonosítsuk a gyártási koncepcióban felmerülő problémákat” – magyarázta Gleiss. „Tehát a feszítőrudak kinyúlnak a vázszerkezet külső felületéből, és ehhez a maghoz rögzítjük a szénszálakat nedves száltekerccsel. Ezt követően a harmadik lépésben minden kötőrúd fejét meghajlítjuk. hőre lágyuló, ezért csak hővel alakítjuk át a fejet úgy, hogy az ellaposodjon és az első csomagolórétegbe rögzüljön. Ezután ismét becsomagoljuk a szerkezetet úgy, hogy a lapos tolófej geometriailag be legyen zárva a tartályba. laminált a falakon.
Távtartó sapka tekercseléshez. A TUM műanyag kupakokat használ a feszítőrudak végein, hogy megakadályozza a szálak összegabalyodását az izzószál tekercselése során. A kép forrása: Müncheni Műszaki Egyetem LCC.
Glace megismételte, hogy ez az első tank a koncepció bizonyítéka volt. „A 3D nyomtatás és a ragasztó használata csak a kezdeti tesztelésre szolgált, és ötletet adott néhány problémánkról, amelyekkel találkoztunk. Például a tekercselés során a szálakat megfogták a feszítőrudak végei, ami száltörést, szálkárosodást okoz, és ennek ellensúlyozására csökkenti a szálak mennyiségét. gyártási segédanyagként néhány műanyag kupakot használtunk, amelyeket az első tekercselési lépés előtt az oszlopokra helyeztünk. Aztán, amikor a belső laminátumok elkészültek, ezeket a védőkupakokat eltávolítottuk, és az utolsó tekercselés előtt átformáztuk a rudak végeit.
A csapat különféle rekonstrukciós forgatókönyvekkel kísérletezett. „Akik körülnéznek, azok dolgoznak a legjobban” – mondja Grace. „A prototípus-készítési szakaszban egy módosított hegesztőeszközt is alkalmaztunk a hő alkalmazására és a kötőrúdvégek átalakítására. A tömeggyártási koncepcióban egyetlen nagyobb szerszám áll rendelkezésére, amely a támasztékok összes végét egyidejűleg belső laminátummá tudja formálni. . ”
A vonórúdfejek átformálva. A TUM különböző koncepciókkal kísérletezett, és módosította a hegesztési varratokat, hogy a kompozit kötőelemek végeit igazítsa a tartályfal laminátumhoz való rögzítéshez. Kép jóváírása: „Keressel ellátott köbös nyomástartó edények gyártási folyamatának fejlesztése”, Müncheni Műszaki Egyetem, Polymers4Hydrogen projekt, ECCM20, 2022. június.
Így a laminátum az első tekercselési lépés után kikeményedik, az oszlopokat átformálják, a TUM befejezi a szálak második feltekercselését, majd a külső tartályfal laminátumot másodszor is kikeményedik. Kérjük, vegye figyelembe, hogy ez egy 5-ös típusú tartály kialakítása, ami azt jelenti, hogy nincs műanyag bélés gázzáróként. Tekintse meg a vitát az alábbi Következő lépések részben.
„Az első bemutatót keresztmetszetekre vágtuk, és feltérképeztük a kapcsolódó területet” – mondta Glace. „A közeli felvétel azt mutatja, hogy minőségi problémáink voltak a laminátummal, mivel a rugóstagok nem feküdtek a belső laminátumon.”
Problémák megoldása a tartály belső és külső falának laminátuma közötti hézagokkal. A módosított kötőrúdfej rést hoz létre a kísérleti tartály első és második menete között. A kép forrása: Müncheni Műszaki Egyetem LCC.
Ez a kezdeti 450 x 290 x 80 mm-es tartály tavaly nyáron készült el. „Azóta sokat fejlődtünk, de még mindig van szakadék a belső és a külső laminátum között” – mondta Glace. „Igyekeztünk tiszta, nagy viszkozitású gyantával kitölteni ezeket a hézagokat. Ez tulajdonképpen javítja a csapok és a laminátum közötti kapcsolatot, ami nagymértékben növeli a mechanikai igénybevételt.”
A csapat folytatta a tartály kialakításának és folyamatának fejlesztését, beleértve a kívánt tekercselési mintára vonatkozó megoldásokat is. "A teszttartály oldalai nem voltak teljesen felgöndörödve, mert ez a geometria nehéz volt kanyargós pályát létrehozni" - magyarázta Glace. „A kezdeti tekercselési szögünk 75° volt, de tudtuk, hogy ennek a nyomástartó edénynek a terheléséhez több áramkörre van szükség. Továbbra is keressük a megoldást erre a problémára, de ez nem egyszerű a jelenleg piacon lévő szoftverrel. Ez egy nyomon követési projekt lehet.
„Bebizonyítottuk ennek a gyártási koncepciónak a megvalósíthatóságát – mondja Gleiss –, de tovább kell dolgoznunk a laminátum közötti kapcsolat javításán és a kötőrudak átformálásán. „Külső tesztelés tesztgépen. Ki kell húzni a távtartókat a laminátumból, és tesztelni kell a mechanikai terhelést, amelyet ezek az illesztések ellenállnak.
A Polymers4Hydrogen projekt ezen része 2023 végén fejeződik be, addigra a Gleis reméli, hogy elkészül a második bemutató tartály. Érdekes módon a mai tervekben a keretben szépen megerősített hőre lágyuló műanyagokat, a tartály falaiban pedig hőre keményedő kompozitokat használnak. Használják ezt a hibrid megközelítést a végső bemutató tankban? – Igen – mondta Grace. "Partnereink a Polymers4Hydrogen projektben epoxigyantákat és más, jobb hidrogénzáró tulajdonságokkal rendelkező kompozit mátrixanyagokat fejlesztenek." Két partnert sorol fel a munkán, a PCCL-t és a Tamperei Egyetemet (Tampere, Finnország).
Gleiss és csapata emellett információkat cserélt és ötleteket vitattak meg Jaegerrel az LCC konform kompozit tartályból származó második HyDDen projektről.
„Konformális kompozit nyomástartó edényt fogunk gyártani kutató drónokhoz” – mondja Jaeger. „Ez a TUM Repülési és Geodéziai Tanszék – LCC – két osztálya és a Helikoptertechnológiai Tanszék (HT) együttműködése. A projekt 2024 végére fejeződik be, jelenleg a nyomástartó edény befejezését végezzük. egy olyan kialakítás, amely inkább repülőgép- és autóipari megközelítés. A kezdeti koncepció után a következő lépés a részletes szerkezeti modellezés és a falszerkezet gátteljesítményének előrejelzése.”
„Az egész ötlet egy kísérleti drón kifejlesztése hibrid üzemanyagcellás és akkumulátoros meghajtási rendszerrel” – folytatta. Nagy teljesítményű terhelések (pl. fel- és leszállás) során használja az akkumulátort, majd enyhe terhelés esetén átvált az üzemanyagcellára. "A HT-csapatnak már volt egy kutató drónja, és újratervezték a hajtásláncot, hogy akkumulátorokat és üzemanyagcellákat is használjon" - mondta Yeager. "Vettek egy CGH2-es tankot is, hogy teszteljék ezt a sebességváltót."
„Csapatom feladata volt egy olyan nyomástartó tartály prototípus megépítése, amely illeszkedik, de nem a hengeres tartály által okozott csomagolási problémák miatt” – magyarázza. „Egy laposabb tartály nem biztosít akkora szélellenállást. Így jobb repülési teljesítményt érhet el.” A tartály méretei kb. 830 x 350 x 173 mm.
Teljesen hőre lágyuló AFP-kompatibilis tartály. A HyDDen projekt esetében a TUM LCC csapata kezdetben a Glace által használthoz hasonló megközelítést vizsgált meg (fent), de aztán több szerkezeti modul kombinációját alkalmazó megközelítésre tért át, amelyeket aztán túlzottan használtak az AFP segítségével (lent). A kép forrása: Müncheni Műszaki Egyetem LCC.
„Az egyik ötlet hasonló Elisabeth [Gleiss] megközelítéséhez – mondja Yager –, hogy feszítőmerevítőket helyezzenek el az érfalon, hogy kompenzálják a nagy hajlító erőket. Azonban ahelyett, hogy egy tekercselési eljárást használnánk a tartály elkészítéséhez, AFP-t használunk. Ezért arra gondoltunk, hogy a nyomástartó edénynek külön szakaszt hozunk létre, amelybe az állványok már be vannak építve. Ez a megközelítés lehetővé tette számomra, hogy több ilyen integrált modult kombináljak, majd egy végsapkát alkalmazzak, hogy mindent lezárjak az utolsó AFP tekercs előtt.”
„Igyekszünk egy ilyen koncepciót véglegesíteni – folytatta –, és megkezdjük az anyagok kiválasztásának tesztelését is, ami nagyon fontos a H2 gáz behatolásával szembeni szükséges ellenállás biztosításához. Ehhez elsősorban hőre lágyuló anyagokat használunk, és azon dolgozunk, hogy az anyag hogyan befolyásolja ezt a permeációs viselkedést és feldolgozást az AFP gépben. Fontos megérteni, hogy a kezelésnek lesz-e hatása, és szükség van-e bármilyen utókezelésre. Azt is tudni szeretnénk, hogy a különböző kötegek befolyásolják-e a hidrogén átjutását a nyomástartó edényen keresztül.”
A tartály teljes egészében hőre lágyuló műanyagból készül, a szalagokat a Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Németország) szállítja majd. "Az ő PPS [polifenilén-szulfid], PEEK [poliéter-keton] és LM PAEK [alacsony olvadáspontú poliaril-keton] anyagaikat fogjuk használni" - mondta Yager. „Ezután összehasonlításra kerül sor, hogy kiderüljön, melyik a legjobb a behatolás elleni védelemhez és a jobb teljesítményű alkatrészek előállításához.” Reméli, hogy a következő évben befejezik a tesztelést, a szerkezeti és folyamatmodellezést, valamint az első demonstrációkat.
A kutatási munkát a COMET „Polymers4Hydrogen” (ID 21647053) modulon belül végezték a Szövetségi Éghajlatváltozási, Környezetvédelmi, Energiaügyi, Mobilitási, Innovációs és Technológiai Minisztérium és a Szövetségi Digitális Technológiai és Gazdasági Minisztérium COMET programján belül. . A szerzők köszönetet mondanak a résztvevő partnereknek: Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL, Ausztria), Montanuniversitaet Leoben (Polymer Mérnöki és Tudományos Kar, Polimer Anyagok Kémiai Tanszéke, Anyagtudományi és Polimervizsgálati Tanszék), Tamperei Egyetem (Műszaki Kar) Anyagok). ) Science), a Peak Technology és a Faurecia járult hozzá ehhez a kutatómunkához. A COMET-Modul-t Ausztria kormánya és Stájerország kormánya finanszírozza.
A teherhordó szerkezetek előre megerősített lemezei folytonos szálakat tartalmaznak – nemcsak üvegből, hanem szénből és aramidból is.
Sokféleképpen lehet kompozit alkatrészeket készíteni. Ezért egy adott alkatrészre vonatkozó módszer kiválasztása az anyagtól, az alkatrész kialakításától és a végfelhasználástól vagy alkalmazástól függ. Itt van egy kiválasztási útmutató.
A Shocker Composites és az R&M International olyan újrahasznosított szénszálas ellátási láncot fejleszt ki, amely zéró vágást, alacsonyabb költséget biztosít, mint az első szál, és végül olyan hosszúságot kínál, amely szerkezeti tulajdonságaiban megközelíti a folytonos szálakat.
Feladás időpontja: 2023. március 15