Venjulegir flatpallar tankar fyrir BEV og FCEVs nota hitaþjálu og hitastilltu samsett efni með beinagrind sem veitir 25% meiri H2 geymslu. #vetni #straumar
Eftir að samstarf við BMW sýndi fram á að rúmtankur gæti skilað meiri rúmmálsnýtni en margir litlir strokkar, fór Tækniháskólinn í München í verkefni til að þróa samsetta uppbyggingu og stigstærð framleiðsluferli fyrir raðframleiðslu. Myndinneign: TU Dresden (efst) til vinstri), Tækniháskólinn í Munchen, Department of Carbon Composites (LCC)
Eldsneytisafrumur rafknúin farartæki (FCEVs) knúin vetni án losunar (H2) veita frekari leiðir til að ná núllum umhverfismarkmiðum. Eldsneytisafala fólksbíll með H2 vél er hægt að fylla á 5-7 mínútum og drægni hans er 500 km, en er dýrari eins og er vegna lítillar framleiðslumagns. Ein leið til að draga úr kostnaði er að nota staðlaðan vettvang fyrir BEV og FCEV módel. Þetta er ekki mögulegt eins og er vegna þess að sívalningsgeymar af gerð 4 sem notaðir eru til að geyma þjappað H2 gas (CGH2) við 700 bör í FCEV-bílum henta ekki fyrir rafhlöðuhólf undir bílnum sem hafa verið vandlega hönnuð fyrir rafbíla. Hins vegar geta þrýstihylki í formi púða og teninga passað inn í þetta flata umbúðarými.
Einkaleyfi US5577630A fyrir „Composite Conformal Pressure Vessel“, umsókn lögð inn af Thiokol Corp. árið 1995 (vinstri) og rétthyrnd þrýstihylki sem BMW fékk einkaleyfi árið 2009 (hægri).
Deild kolefnissamsetninga (LCC) við Tækniháskólann í München (TUM, München, Þýskalandi) tekur þátt í tveimur verkefnum til að þróa þessa hugmynd. Sú fyrsta er Polymers4Hydrogen (P4H), undir forystu Leoben Polymer Competence Center (PCCL, Leoben, Austurríki). LCC vinnupakkinn er undir forystu félaga Elizabeth Glace.
Annað verkefnið er Hydrogen Demonstration and Development Environment (HyDDen), þar sem LCC er undir forystu vísindamannsins Christian Jaeger. Báðir miða að því að búa til stórfellda sýningu á framleiðsluferlinu til að búa til viðeigandi CGH2 tank með koltrefjasamsetningum.
Það er takmörkuð rúmmálsnýting þegar hólkar með litlum þvermál eru settir upp í flötum rafhlöðufrumum (vinstri) og kúbískum þrýstihylkum af gerð 2 úr stálfóðri og koltrefjum/epoxý samsettri ytri skel (hægri). Myndheimild: Myndir 3 og 6 eru frá „Numerical Design Approach for Type II Pressure Box Vessel with Internal Tension Legs“ eftir Ruf og Zaremba o.fl.
P4H hefur framleitt tilraunakennatank sem notar hitaþjála ramma með samsettum spennuböndum/stöfum vafin inn í koltrefjastyrkt epoxý. HyDDen mun nota svipaða hönnun, en mun nota sjálfvirka trefjauppsetningu (AFP) til að framleiða alla hitaþjálu samsetta tanka.
Frá einkaleyfisumsókn Thiokol Corp. til "Composite Conformal Pressure Vessel" árið 1995 til þýska einkaleyfisins DE19749950C2 árið 1997, geta þjappað gashylki "hafið hvaða rúmfræðilega uppsetningu sem er", en sérstaklega flatt og óreglulegt form, í holrúmi sem er tengt við skeljarstuðninginn. . þættir eru notaðir þannig að þeir þola þenslukraft gassins.
Ritgerð frá Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) frá 2006 lýsir þremur aðferðum: þráðsári í samræmi við þrýstihylki, þrýstihylki með örgrindum sem inniheldur innri orthorhombíska grindarbyggingu (smáfrumur 2 cm eða minna), umkringt þunnveggja H2 íláti, og afritunarílát, sem samanstendur af innri uppbyggingu sem samanstendur af límdum litlum hlutum (td sexhyrndum plasthringjum) og samsetningu af þunnri ytri skelhúð. Tvítekin ílát henta best fyrir stærri ílát þar sem hefðbundnar aðferðir geta verið erfiðar í notkun.
Einkaleyfi DE102009057170A, lagt inn af Volkswagen árið 2009, lýsir þrýstihylki á ökutæki sem mun veita mikla þyngdarnýtingu en bæta plássnýtingu. Rétthyrndir tankar nota spennatengi á milli tveggja rétthyrndra gagnstæðra veggja og hornin eru ávöl.
Ofangreind og önnur hugtök er vitnað í af Gleiss í greininni „Process Development for Cubic Pressure Vessels with Stretch Bars“ eftir Gleiss o.fl. á ECCM20 (26.-30. júní 2022, Lausanne, Sviss). Í þessari grein vitnar hún í TUM rannsókn sem gefin var út af Michael Roof og Sven Zaremba, sem komst að því að kúbít þrýstihylki með spennustöngum sem tengja rétthyrndar hliðar er skilvirkara en nokkrir litlir strokkar sem passa inn í rými flatrar rafhlöðu, sem gefur um það bil 25 % meira. geymslupláss.
Að sögn Gleiss er vandamálið við að setja upp fjölda lítilla týpu 4 strokka í flötu hólfinu að „rúmmálið á milli kútanna minnkar mikið og kerfið hefur einnig mjög stórt H2 gas gegndræpi yfirborðs. Á heildina litið veitir kerfið minna geymslurými en kúbikkrukkur.“
Hins vegar eru önnur vandamál með kúbikhönnun tanksins. "Augljóslega, vegna þjappaðs gass, þarftu að vinna gegn beygjukrafti á flötum veggjum," sagði Gleiss. „Til þess þarftu styrkt burðarvirki sem tengist að innan við veggi tanksins. En það er erfitt að gera með samsett efni.“
Glace og teymi hennar reyndu að setja styrktarspennustangir inn í þrýstihylkið á þann hátt sem hentaði fyrir þráðavindaferlinu. „Þetta er mikilvægt fyrir framleiðslu í miklu magni,“ útskýrir hún, „og gerir okkur einnig kleift að hanna vindamynstur gámavegganna til að hámarka stefnu trefja fyrir hverja hleðslu á svæðinu.
Fjögur skref til að búa til prufukubískan samsettan tank fyrir P4H verkefnið. Myndinneign: „Þróun framleiðsluferlis fyrir kúbikþrýstihylki með spelku“, Tækniháskólinn í Munchen, Polymers4Hydrogen verkefnið, ECCM20, júní 2022.
Til að ná á keðju hefur teymið þróað nýtt hugtak sem samanstendur af fjórum meginþrepum, eins og sýnt er hér að ofan. Spennustangirnar, sem sýndar eru með svörtu á þrepunum, eru forsmíðað rammabygging sem framleidd er með aðferðum úr MAI Skelett verkefninu. Fyrir þetta verkefni þróaði BMW „grind“ framrúðu með fjórum trefjastyrktum stöngum sem voru síðan mótaðar í plastgrind.
Rammi tilraunakúbikstanks. Sexhyrndir beinagrindarhlutar 3D prentaðir af TUM með því að nota óstyrktan PLA þráð (efst), setja CF/PA6 pultrusion stangir í sem spennuspelkur (miðja) og síðan vefja þráðnum utan um spelkur (neðst). Myndinneign: Tækniháskólinn í Munchen LCC.
"Hugmyndin er sú að þú getur byggt ramma teningstanks sem mátbyggingu," sagði Glace. „Þessar einingar eru síðan settar í mótunarverkfæri, spennustífurnar eru settar í rammaeiningarnar og síðan er aðferð MAI Skeletts notuð utan um stífurnar til að samþætta þær við rammahlutana.“ fjöldaframleiðsluaðferð, sem leiðir til uppbyggingar sem síðan er notað sem dorn eða kjarni til að vefja samsettu skelina á geymslutankinum.
TUM hannaði tankgrindina sem teninglaga „púða“ með gegnheilum hliðum, ávölum hornum og sexhyrndu mynstri að ofan og neðan sem hægt er að stinga og festa bönd í gegnum. Götin fyrir þessar rekki voru einnig þrívíddarprentaðar. „Fyrir upphaflega tilraunatankinn okkar prentuðum við sexhyrndar rammahluta með því að nota fjölmjólkursýru [PLA, lífrænt hitauppstreymi] vegna þess að það var auðvelt og ódýrt,“ sagði Glace.
Liðið keypti 68 koltrefjastyrktar pólýamíð 6 (PA6) stangir frá SGL Carbon (Meitingen, Þýskalandi) til að nota sem bindi. „Til að prófa hugmyndina gerðum við ekki neina mótun,“ segir Gleiss, „heldur settum bara millistykki í þrívíddarprentaða honeycomb kjarnagrind og límdum þau með epoxýlími. Þetta gefur síðan dorn til að vinda tankinn.“ Hún tekur fram að þótt tiltölulega auðvelt sé að vinda þessar stangir þá eru nokkur veruleg vandamál sem verður lýst síðar.
„Á fyrsta stigi var markmið okkar að sýna fram á framleiðsluhæfni hönnunarinnar og greina vandamál í framleiðsluhugmyndinni,“ útskýrði Gleiss. „Þannig að spennustangirnar standa út úr ytra yfirborði beinagrindarinnar og við festum koltrefjarnar við þennan kjarna með því að nota blauta þráðavinda. Eftir það, í þriðja skrefi, beygjum við höfuðið á hverri bindastöng. hitaplast, þannig að við notum bara hita til að endurmóta hausinn þannig að hann flettist út og læsist í fyrsta lag af umbúðum. Við höldum síðan áfram að vefja uppbygginguna aftur þannig að flata þrýstihausinn sé rúmfræðilega lokaður inni í tankinum. lagskipt á veggjum.
Spacer loki fyrir vinda. TUM notar plasthettur á endum spennustanganna til að koma í veg fyrir að trefjar flækist við þráðavindingu. Myndinneign: Tækniháskólinn í Munchen LCC.
Glace ítrekaði að þessi fyrsti tankur væri sönnun fyrir hugmyndinni. „Notkun þrívíddarprentunar og líms var aðeins til fyrstu prófunar og gaf okkur hugmynd um nokkur vandamál sem við lentum í. Til dæmis, við vafning, voru þráðarnir gripnir af endum spennustanganna, sem olli trefjabrotum, trefjaskemmdum og minnkaði magn trefja til að vinna gegn þessu. við notuðum nokkrar plasthettur sem framleiðsluhjálp sem voru settar á staurana fyrir fyrsta vindaþrepið. Síðan, þegar innri lagskipt var búið til, fjarlægðum við þessar hlífðarhettur og endurmótuðum endana á stöngunum áður en endanleg umbúðir voru teknar.
Teymið gerði tilraunir með ýmsar uppbyggingarsviðsmyndir. „Þeir sem líta í kringum sig vinna best,“ segir Grace. „Einnig, meðan á frumgerðinni stóð, notuðum við breytt suðuverkfæri til að beita hita og endurmóta tengistangarendana. Í fjöldaframleiðsluhugmynd værirðu með eitt stærra verkfæri sem getur mótað og myndað alla enda stanganna í lagskiptum innanhúss á sama tíma. . ”
Dráttarhausar endurmótaðir. TUM gerði tilraunir með mismunandi hugtök og breytti suðunum til að samræma endana á samsettu böndunum til að festa við geymivegginn. Myndinneign: „Þróun framleiðsluferlis fyrir kúbikþrýstihylki með spelku“, Tækniháskólinn í Munchen, Polymers4Hydrogen verkefnið, ECCM20, júní 2022.
Þannig er lagskiptið hert eftir fyrsta vindaþrepið, stafirnir eru endurmótaðir, TUM klárar seinni vindinguna á þráðunum og síðan er ytri tankvegglagskiptið hert í annað sinn. Vinsamlegast athugaðu að þetta er tankhönnun af tegund 5, sem þýðir að hann er ekki með plastfóðringu sem gasvörn. Sjá umfjöllun í kaflanum Næstu skref hér að neðan.
„Við klipptum fyrstu kynninguna í þversnið og kortlögðum tengda svæðið,“ sagði Glace. „Nærmynd sýnir að við áttum í gæðavandamálum með lagskiptinn, þar sem stuðhausarnir lágu ekki flatir á innra lagskiptinni.
Að leysa vandamál með bil á milli lagskipta innri og ytri veggja tanksins. Breyttur bindistangarhaus skapar bil á milli fyrstu og annarrar snúnings tilraunatanksins. Myndinneign: Tækniháskólinn í Munchen LCC.
Þessi upphaflega 450 x 290 x 80 mm tankur var fullgerður síðasta sumar. "Við höfum tekið miklum framförum síðan þá, en við höfum enn bil á milli innra og ytra lagskipta," sagði Glace. „Þannig að við reyndum að fylla þau eyður með hreinu, hárseigju plastefni. Þetta bætir í raun tenginguna milli naglana og lagskiptsins, sem eykur vélrænt álag til muna.“
Teymið hélt áfram að þróa tankhönnunina og ferlið, þar á meðal lausnir fyrir æskilegt vindamynstur. „Hliðar prófunartanksins voru ekki að fullu krullaðar vegna þess að það var erfitt fyrir þessa rúmfræði að búa til hlykkjóttan stíg,“ útskýrði Glace. „Upphafsvindhornið okkar var 75°, en við vissum að það þyrfti margar hringrásir til að mæta álaginu í þessu þrýstihylki. Við erum enn að leita að lausn á þessu vandamáli, en það er ekki auðvelt með hugbúnaðinn sem nú er á markaðnum. Það gæti orðið framhaldsverkefni.
„Við höfum sýnt fram á hagkvæmni þessarar framleiðsluhugmyndar,“ segir Gleiss, „en við þurfum að vinna frekar að því að bæta tenginguna á milli lagskiptsins og endurmóta tengistangirnar. „Ytri prófun á prófunarvél. Þú dregur millistykkin úr lagskiptum og prófar vélræna álagið sem þessir samskeyti þola.“
Þessum hluta Polymers4Hydrogen verkefnisins verður lokið í lok árs 2023, en þá vonast Gleis til að klára seinni sýningartankinn. Athyglisvert er að hönnun í dag notar snyrtilegt styrkt hitaplast í grindinni og hitastillt samsett efni í tankveggjum. Verður þessi blendingsaðferð notuð í lokasýningartankinum? „Já,“ sagði Grace. „Samstarfsaðilar okkar í Polymers4Hydrogen verkefninu eru að þróa epoxýplastefni og önnur samsett fylkisefni með betri vetnishindranir. Hún telur upp tvo samstarfsaðila sem vinna að þessu verki, PCCL og háskólann í Tampere (Tampere, Finnlandi).
Gleiss og teymi hennar skiptust einnig á upplýsingum og ræddu hugmyndir við Jaeger um annað HyDDen verkefnið úr LCC samsettu samsettu tankinum.
„Við munum framleiða samsett þrýstihylki fyrir rannsóknardróna,“ segir Jaeger. „Þetta er samstarf tveggja deilda flug- og jarðvísindadeildar TUM – LCC og þyrlutæknideildar (HT). Verkinu verður lokið í árslok 2024 og nú erum við að klára þrýstihylkið. hönnun sem er meira flug- og bílanálgun. Eftir þetta upphaflega hugmyndastig er næsta skref að framkvæma nákvæma burðarvirkjalíkön og spá fyrir um hindrunarframmistöðu veggbyggingarinnar.
„Hugmyndin í heild sinni er að þróa könnunardróna með hybrid efnarafala og rafhlöðu knúningskerfi,“ hélt hann áfram. Það mun nota rafhlöðuna við mikið aflálag (þ.e. flugtak og lendingu) og skipta síðan yfir í efnarafalinn í ferð með léttum álagi. „HT-teymið var þegar með rannsóknardróna og endurhannaði aflrásina til að nota bæði rafhlöður og efnarafal,“ sagði Yeager. „Þeir keyptu líka CGH2 tank til að prófa þessa sendingu.
„Teymið mitt var falið að smíða frumgerð þrýstitanks sem myndi passa, en ekki vegna umbúðavandamála sem sívalur tankur myndi búa til,“ útskýrir hann. „Flattari tankur býður ekki upp á eins mikla vindþol. Svo þú færð betri flugafköst.“ Tankmál ca. 830 x 350 x 173 mm.
Fullkomlega hitaþjálu AFP-samhæfður tankur. Fyrir HyDDen verkefnið kannaði LCC teymið hjá TUM upphaflega svipaða nálgun og Glace notaði (hér að ofan), en fór síðan yfir í nálgun þar sem notaðar voru sambland af nokkrum byggingareiningum, sem síðan voru ofnotaðar með AFP (fyrir neðan). Myndinneign: Tækniháskólinn í Munchen LCC.
„Ein hugmynd er svipuð aðferð Elisabeth [Gleiss],“ segir Yager, „að beita spennuspelkum á æðavegginn til að vega upp á móti miklum beygjukraftum. Hins vegar, í stað þess að nota vindaferli til að búa til tankinn, notum við AFP. Þess vegna hugsuðum við um að búa til sérstakan hluta þrýstihylkisins, þar sem rekkarnir eru þegar samþættir. Þessi nálgun gerði mér kleift að sameina nokkrar af þessum samþættu einingum og setja síðan endalok til að innsigla allt fyrir loka AFP-vinduna.“
„Við erum að reyna að ganga frá slíkri hugmynd,“ hélt hann áfram, „og byrja líka að prófa val á efnum, sem er mjög mikilvægt til að tryggja nauðsynlega mótstöðu gegn inngöngu H2 gass. Til þess notum við aðallega hitaþjálu efni og erum að vinna að ýmsu hvernig efnið mun hafa áhrif á þessa gegndræpihegðun og vinnslu í AFP vélinni. Mikilvægt er að skilja hvort meðferðin muni hafa áhrif og hvort þörf sé á eftirvinnslu. Við viljum líka vita hvort mismunandi staflar muni hafa áhrif á vetnisgegndræpi í gegnum þrýstihylkið.“
Tankurinn verður að öllu leyti úr hitaplasti og ræmurnar verða útvegaðar af Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Þýskalandi). „Við munum nota PPS [pólýfenýlen súlfíð], PEEK [pólýeter ketón] og LM PAEK [lít bráðnandi pólýarýl ketón] efni,“ sagði Yager. „Síðan er gerður samanburður til að sjá hver er bestur fyrir skarpskyggnivörn og framleiða hluti með betri afköstum. Hann vonast til að ljúka prófunum, burðarvirkis- og ferlilíkönum og fyrstu sýningum á næsta ári.
Rannsóknarvinnan var unnin innan COMET einingarinnar „Polymers4Hydrogen“ (ID 21647053) innan COMET áætlunarinnar í sambandsráðuneytinu fyrir loftslagsbreytingar, umhverfi, orku, hreyfanleika, nýsköpun og tækni og alríkisráðuneytið fyrir stafræna tækni og hagfræði. . Höfundarnir þakka samstarfsaðilunum Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL, Austurríki), Montanuniversitaet Leoben (Deild of Polymer Engineering and Science, Department of Chemistry of Polymer Materials, Department of Materials Science and Polymer Testing), University of Tampere (Deild of Polymer Materials) Efni). ) Science), Peak Technology og Faurecia lögðu sitt af mörkum til þessarar rannsóknarvinnu. COMET-Modul er styrkt af ríkisstjórn Austurríkis og ríkisstjórn Styria.
Forstyrktar plötur fyrir burðarvirki innihalda samfelldar trefjar – ekki aðeins úr gleri heldur einnig úr kolefni og aramíði.
Það eru margar leiðir til að búa til samsetta hluta. Þess vegna mun val á aðferð fyrir tiltekinn hluta ráðast af efninu, hönnun hlutans og lokanotkun eða notkun. Hér er valleiðbeiningar.
Shocker Composites og R&M International eru að þróa endurunna koltrefja aðfangakeðju sem veitir enga slátrun, lægri kostnað en ónýt trefjar og mun að lokum bjóða upp á lengdir sem nálgast samfelldar trefjar í byggingareiginleikum.
Pósttími: 15. mars 2023