I serbatoi a piattaforma piane standard per BEV e FCEV utilizzano compositi termoplastici e termoset con una costruzione di scheletri che fornisce il 25% in più di stoccaggio H2. #HyDrogen #Trends
Dopo una collaborazione con BMW ha mostrato che un serbatoio cubico poteva fornire una maggiore efficienza volumetrica rispetto a più piccoli cilindri, l'Università tecnica di Monaco ha intrapreso un progetto per sviluppare una struttura composita e un processo di produzione scalabile per la produzione seriale. Credito immagine: Tu Dresda (in alto a sinistra), Università tecnica di Monaco, Dipartimento di Carbon Composites (LCC)
I veicoli elettrici a celle a combustibile (FCEV) alimentate dall'idrogeno a emissione zero (H2) forniscono ulteriori mezzi per raggiungere obiettivi ambientali zero. Un'auto passeggeri a celle a combustibile con un motore H2 può essere riempita in 5-7 minuti e ha una gamma di 500 km, ma è attualmente più costosa a causa dei bassi volumi di produzione. Un modo per ridurre i costi è utilizzare una piattaforma standard per i modelli BEV e FCEV. Ciò non è attualmente possibile perché i serbatoi cilindrici di tipo 4 utilizzati per conservare il gas H2 compresso (CGH2) a 700 bar in FCEV non sono adatti per i compartimenti della batteria sottoscocca che sono stati attentamente progettati per i veicoli elettrici. Tuttavia, i vasi a pressione sotto forma di cuscini e cubi possono adattarsi a questo spazio di imballaggio piatto.
Brevetto US5577630A per "vaso di pressione conforme composito", domanda presentata da Thiokol Corp. nel 1995 (a sinistra) e il vaso di pressione rettangolare brevettato dalla BMW nel 2009 (a destra).
Il Dipartimento di Carbon Composites (LCC) dell'Università tecnica di Monaco (TUM, Monaco, Germania) è coinvolto in due progetti per sviluppare questo concetto. Il primo è Polymers4idrogeno (P4H), guidato dal Centro di competenza polimerica Leoben (PCCL, Leoben, Austria). Il pacchetto di lavoro LCC è guidato da Fellow Elizabeth Glace.
Il secondo progetto è l'ambiente di dimostrazione e sviluppo dell'idrogeno (Hydden), in cui LCC è guidato dal ricercatore Christian Jaeger. Entrambi mirano a creare una dimostrazione su larga scala del processo di produzione per creare un serbatoio CGH2 adatto utilizzando compositi in fibra di carbonio.
Vi è un'efficienza volumetrica limitata quando i cilindri di piccolo diametro sono installati in celle a batteria piatta (a sinistra) e vasi di pressione di tipo 2 cubici realizzati con fodere in acciaio e un guscio esterno in fibra di carbonio/composito epossidico (a destra). Fonte dell'immagine: le figure 3 e 6 provengono da "Approccio al design numerico per il vaso di scatola di pressione di tipo II con gambe di tensione interna" di RUF e Zaremba et al.
P4H ha fabbricato un serbatoio di cubo sperimentale che utilizza una cornice termoplastica con cinghie/montanti di tensione compositi avvolti in epossidico rinforzato in fibra di carbonio. Hydden utilizzerà un design simile, ma utilizzerà il layup in fibra automatica (AFP) per produrre tutti i serbatoi compositi termoplastici.
Da un'applicazione di brevetto di Thiokol Corp. alla "nave a pressione conforme composita" nel 1995 al brevetto tedesco DE19749950C2 nel 1997, le navi a gas compresse "possono avere una configurazione geometrica", ma in particolare le forme piane e irregolari, in una cavità collegata al supporto del guscio. Gli elementi vengono utilizzati in modo che possano resistere alla forza di espansione del gas.
Un documento del 2006 Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) descrive tre approcci: una ferita di filamento recipiente a pressione conforme, un recipiente a pressione microlattice contenente un contenuto di reticolo ortoromico interno (piccoli cm o meno), circondato da un contenitore H2 a parete sottile e un contenitore replicatore, costituito da una struttura interno che consiste in sexi, heg, heG, heg, heg, circondati da piccole dimensioni) circondati da una plastica in plastica). e una composizione di sottile pelle di guscio esterno. I contenitori duplicati sono più adatti per contenitori più grandi in cui i metodi tradizionali possono essere difficili da applicare.
Il brevetto DE102009057170A archiviato da Volkswagen nel 2009 descrive un recipiente a pressione montato sul veicolo che fornirà un'elevata efficienza di peso migliorando al contempo l'utilizzo dello spazio. I serbatoi rettangolari usano connettori di tensione tra due pareti opposte rettangolari e gli angoli sono arrotondati.
I concetti di cui sopra e altri sono citati da Gleiss nel documento "Sviluppo del processo per vasi a pressione cubica con barre di elastiche" di Gleiss et al. a ECCM20 (26-30 giugno 2022, Lausanne, Svizzera). In questo articolo, cita uno studio TUM pubblicato da Michael Roof e Sven Zaremba, che ha scoperto che un recipiente cubico a pressione con montanti di tensione che collega i lati rettangolari è più efficiente di diversi piccoli cilindri che si adattano allo spazio di una batteria piatta, fornendo circa il 25% in più. spazio di archiviazione.
Secondo Gleiss, il problema con l'installazione di un gran numero di piccoli cilindri di tipo 4 in una custodia piatta è che “il volume tra i cilindri è notevolmente ridotto e il sistema ha anche una superficie di permeazione del gas H2 molto grande. Nel complesso, il sistema fornisce meno capacità di archiviazione rispetto ai barattoli cubici. "
Tuttavia, ci sono altri problemi con il design cubico del serbatoio. "Ovviamente, a causa del gas compresso, è necessario contrastare le forze di flessione sulle pareti piatte", ha detto Gleiss. “Per questo, hai bisogno di una struttura rinforzata che si collega internamente alle pareti del serbatoio. Ma è difficile a che fare con i compositi. "
Glace e il suo team hanno cercato di incorporare le barre di tensione di rinforzo nella nave a pressione in un modo che sarebbe adatto al processo di avvolgimento del filamento. "Questo è importante per la produzione ad alto volume", spiega, "e ci consente anche di progettare il modello di avvolgimento delle pareti del contenitore per ottimizzare l'orientamento delle fibre per ogni carico nella zona".
Quattro passaggi per realizzare un serbatoio composito cubico di prova per il progetto P4H. Credito d'immagine: "Sviluppo di un processo di produzione per i vasi a pressione cubica con turno", Università tecnica di Monaco, Progetto Polymers4HyDrogen, ECCM20, giugno 2022.
Per raggiungere la catena, il team ha sviluppato un nuovo concetto composto da quattro passaggi principali, come mostrato sopra. I montanti di tensione, mostrati in nero sui gradini, sono una struttura di cornice prefabbricata fabbricata utilizzando metodi prelevati dal progetto Mai Skelett. Per questo progetto, la BMW ha sviluppato un "framework" del telaio del parabrezza utilizzando quattro aste di pultrusione rinforzate con fibre, che sono state quindi modellate in un telaio di plastica.
La cornice di un serbatoio cubico sperimentale. Sezioni scheletriche esagonali 3D stampate da TUM usando il filamento PLA non rinforzato (in alto), inserendo barre di poltrusione CF/PA6 come parentesi graffe (al centro) e quindi avvolgendo il filamento attorno alle parentesi graffe (in basso). Credito di immagine: Università tecnica di Monaco LCC.
"L'idea è che puoi costruire il telaio di un serbatoio cubico come struttura modulare", ha detto Glace. "Questi moduli vengono quindi posizionati in uno strumento di modanatura, i montanti di tensione vengono posizionati nei moduli del telaio, quindi il metodo di Mai Skelett viene utilizzato attorno ai montanti per integrarli con le parti del telaio." Metodo di produzione di massa, risultante in una struttura che viene quindi utilizzata come mandrino o core per avvolgere il guscio composito del serbatoio di stoccaggio.
TUM ha progettato il telaio del serbatoio come un "cuscino" cubico con lati solidi, angoli arrotondati e un motivo esagonale nella parte superiore e inferiore attraverso il quale i legami possono essere inseriti e attaccati. Anche i fori per questi rack sono stati stampati in 3D. "Per il nostro serbatoio sperimentale iniziale, abbiamo stampato sezioni di cornice esagonale in 3D usando acido polilattico [PLA, un termoplastico a base biologica] perché era facile ed economico", ha detto Glace.
Il team ha acquistato 68 aste di poliammide 6 (PA6) rinforzate in fibra di carbonio poltrude da SGL Carbon (Meitingen, Germania) per l'uso come legami. "Per testare il concetto, non abbiamo fatto nessuno modanatura", afferma Gleiss, "ma ha semplicemente inserito distanziatori in una cornice core a nido d'ape stampata in 3D e li ha incollati con colla epossidica. Questo fornisce quindi un mandrino per avvolgere il serbatoio. " Nota che sebbene queste aste siano relativamente facili da avvertire, ci sono alcuni problemi significativi che verranno descritti in seguito.
"Nella prima fase, il nostro obiettivo era dimostrare la produzione della progettazione e identificare i problemi nel concetto di produzione", ha spiegato Gleiss. “Quindi i montanti di tensione sporgono dalla superficie esterna della struttura scheletrica e fissiamo le fibre di carbonio a questo nucleo usando l'avvolgimento del filamento umido. Dopodiché, nel terzo passo, piegiamo la testa di ogni tiro. Thermoplastic, quindi usiamo solo il calore per rimodellare la testa in modo che si appiattisca e si blocchi nel primo strato di avvolgimento. Procediamo quindi di avvolgere di nuovo la struttura in modo che la testa di spinta piatta sia geometricamente racchiusa all'interno del serbatoio. laminato sulle pareti.
Cappello distanziale per l'avvolgimento. TUM utilizza tappi di plastica alle estremità delle aste di tensione per impedire alle fibre di groviglio durante l'avvolgimento del filamento. Credito di immagine: Università tecnica di Monaco LCC.
Glace ha ribadito che questo primo serbatoio era una prova del concetto. “L'uso della stampa e della colla 3D era solo per i test iniziali e ci ha dato un'idea di alcuni dei problemi che abbiamo incontrato. Ad esempio, durante l'avvolgimento, i filamenti sono stati catturati dalle estremità delle aste di tensione, causando rottura delle fibre, danni alle fibre e riducendo la quantità di fibre per contrastare questo. Abbiamo usato alcuni tappi di plastica come ausili di produzione che sono stati posizionati sui poli prima del primo passo di avvolgimento. Quindi, quando sono stati realizzati i laminati interni, abbiamo rimosso questi tappi protettivi e rimodellato le estremità dei poli prima della confezione finale. "
Il team ha sperimentato vari scenari di ricostruzione. "Coloro che si guardano intorno lavorano al meglio", afferma Grace. “Inoltre, durante la fase di prototipazione, abbiamo utilizzato uno strumento di saldatura modificato per applicare il calore e rimodellare le estremità del tie. In un concetto di produzione di massa, avresti uno strumento più grande che può modellare e formare tutte le estremità dei montanti in un laminato di finitura interna contemporaneamente. . "
Teste di barbari rimodellati. TUM ha sperimentato concetti diversi e ha modificato le saldature per allineare le estremità dei legami compositi per l'attacco al laminato della parete del serbatoio. Credito d'immagine: "Sviluppo di un processo di produzione per i vasi a pressione cubica con turno", Università tecnica di Monaco, Progetto Polymers4HyDrogen, ECCM20, giugno 2022.
Pertanto, il laminato viene curato dopo il primo passo di avvolgimento, i pali vengono rimodellati, il tum completa la seconda avvolgimento dei filamenti e quindi il laminato della parete del serbatoio esterno viene curato una seconda volta. Si prega di notare che si tratta di un design del serbatoio di tipo 5, il che significa che non ha una fodera di plastica come barriera a gas. Vedere la discussione nella sezione Passaggi successivi seguenti.
"Abbiamo tagliato la prima demo in sezioni trasversali e mappato l'area connessa", ha detto Glace. "Un primo piano dimostra che abbiamo avuto alcuni problemi di qualità con il laminato, con le teste del montante che non si mettono piatte sul laminato interno."
Risolvere i problemi con gli spazi tra il laminato delle pareti interne ed esterne del serbatoio. La testa di tie rod modificata crea uno spazio tra il primo e il secondo giro del serbatoio sperimentale. Credito di immagine: Università tecnica di Monaco LCC.
Questo serbatoio iniziale 450 x 290 x 80 mm è stato completato la scorsa estate. "Da allora abbiamo fatto molti progressi, ma abbiamo ancora uno spazio tra laminato interno ed esterno", ha detto Glace. “Quindi abbiamo cercato di colmare quegli lacune con una resina pulita e ad alta viscosità. Ciò in realtà migliora la connessione tra i borchie e il laminato, il che aumenta notevolmente lo stress meccanico. "
Il team ha continuato a sviluppare la progettazione e il processo del serbatoio, comprese le soluzioni per il modello di avvolgimento desiderato. "I lati del serbatoio di prova non erano completamente arricciati perché era difficile per questa geometria creare un percorso di avvolgimento", ha spiegato Glace. “Il nostro angolo di avvolgimento iniziale era di 75 °, ma sapevamo che erano necessari più circuiti per soddisfare il carico in questo recipiente a pressione. Stiamo ancora cercando una soluzione a questo problema, ma non è facile con il software attualmente sul mercato. Potrebbe diventare un progetto di follow-up.
"Abbiamo dimostrato la fattibilità di questo concetto di produzione", afferma Gleiss, "ma dobbiamo lavorare ulteriormente per migliorare la connessione tra il laminato e rimodellare i tiraggi. “Test esterni su una macchina di prova. Tiri fuori i distanziali dal laminato e testare i carichi meccanici che quei giunti possono resistere. "
Questa parte del progetto Polymers4Idrogeno sarà completata alla fine del 2023, quando Gleis spera di completare il secondo serbatoio dimostrativo. È interessante notare che i disegni oggi utilizzano termoplastici rinforzati puliti nei compositi del telaio e del termo -termoia nelle pareti del serbatoio. Questo approccio ibrido verrà utilizzato nel serbatoio dimostrativo finale? "Sì", disse Grace. "I nostri partner nel progetto Polymers4Idrogeno stanno sviluppando resine epossidiche e altri materiali a matrice composita con migliori proprietà della barriera idrogeno." Elenca due partner che lavorano su questo lavoro, PCCL e l'Università di Tampere (Tampere, Finlandia).
Gleiss e il suo team hanno anche scambiato informazioni e discusso di idee con Jaeger sul secondo progetto Hydden dal serbatoio composito conforme LCC.
"Produrremo un recipiente di pressione composito conforme per i droni di ricerca", afferma Jaeger. “Questa è una collaborazione tra i due dipartimenti del dipartimento aerospaziale e geodetico di TUM - LCC e il Dipartimento di Tecnologia degli elicotteri (HT). Il progetto sarà completato entro la fine del 2024 e stiamo attualmente completando la nave a pressione. Un design che è più un approccio aerospaziale e automobilistico. Dopo questa fase iniziale del concetto, il passo successivo è eseguire una modellazione strutturale dettagliata e prevedere le prestazioni della barriera della struttura murale. "
"L'idea è quella di sviluppare un drone esplorativo con una cella a combustibile ibrida e un sistema di propulsione della batteria", ha continuato. Utilizzerà la batteria durante carichi ad alta potenza (cioè decollo e atterraggio) e quindi passerà alla cella a combustibile durante la crociera del carico leggero. "Il team HT aveva già un drone di ricerca e ha riprogettato il propulsore per utilizzare sia le batterie che le celle a combustibile", ha detto Yeager. "Hanno anche acquistato un serbatoio CGH2 per testare questa trasmissione."
"Il mio team ha avuto il compito di costruire un prototipo di serbatoio a pressione che si adattava, ma non a causa dei problemi di imballaggio che un serbatoio cilindrico avrebbe creato", spiega. “Un serbatoio più piatto non offre tanta resistenza al vento. Quindi ottieni prestazioni di volo migliori. " Dimensioni del serbatoio ca. 830 x 350 x 173 mm.
Serbatoio conforme AFP completamente termoplastico. Per il progetto Hydden, il team LCC di TUM ha inizialmente esplorato un approccio simile a quello utilizzato da Glace (sopra), ma poi è passato a un approccio usando una combinazione di diversi moduli strutturali, che sono stati quindi abusati usando AFP (sotto). Credito di immagine: Università tecnica di Monaco LCC.
"Un'idea è simile all'approccio di Elisabeth [Gleiss]", afferma Yager, "applicare le parentesi di tensione al muro della nave per compensare le forze di flessione elevate. Tuttavia, invece di utilizzare un processo di avvolgimento per realizzare il serbatoio, utilizziamo AFP. Pertanto, abbiamo pensato di creare una sezione separata della nave a pressione, in cui i rack sono già integrati. Questo approccio mi ha permesso di combinare molti di questi moduli integrati e quindi applicare un cappuccio finale per sigillare tutto prima dell'avvolgimento finale AFP. "
"Stiamo cercando di finalizzare un tale concetto", ha continuato, "e anche iniziare a testare la selezione di materiali, il che è molto importante per garantire la necessaria resistenza alla penetrazione del gas H2. Per questo, utilizziamo principalmente materiali termoplastici e stiamo lavorando a vari come il materiale influenzerà questo comportamento di permeazione e l'elaborazione nella macchina AFP. È importante capire se il trattamento avrà un effetto e se è necessario un post-elaborazione. Vogliamo anche sapere se diverse pile influenzerà la permeazione dell'idrogeno attraverso il recipiente di pressione. "
Il serbatoio sarà interamente fatto di termoplastico e le strisce saranno fornite da Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Germania). "Useremo i loro materiali PPS [polifenilene solfuro], sbirciati [polietere chetone] e lm paek [poliaril chetonica a bassa fusione]", ha detto Yager. "Vengono quindi fatti confronti per vedere quale è la migliore per la protezione della penetrazione e la produzione di parti con prestazioni migliori." Spera di completare i test, la modellizzazione strutturale e di processo e le prime dimostrazioni entro l'anno successivo.
Il lavoro di ricerca è stato svolto all'interno del modulo cometa "Polymers4idrogeno" (ID 21647053) all'interno del programma cometa del Ministero federale per i cambiamenti climatici, l'ambiente, l'energia, la mobilità, l'innovazione e la tecnologia e il Ministero federale per la tecnologia digitale e l'economia. . Gli autori ringraziano il Centro di competenza Polymer Partners Partners Leoben GmbH (PCCL, Austria), Montanuniversitaet Leoben (Facoltà di Polymer Engineering and Science, Dipartimento di Chimica dei materiali polimerici, Dipartimento di Scienze dei Materiali e Test dei polimeri), Università di Tampere (Facoltà di Ingegneria Materiali). ) Scienza), la tecnologia di picco e Faurecia hanno contribuito a questo lavoro di ricerca. Comet-Modul è finanziata dal governo austriaco e dal governo dello Stato della Stiria.
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Post Time: mar-15-2023