I serbatoi standard a piattaforma piatta per BEV e FCEV utilizzano compositi termoplastici e termoindurenti con una struttura a scheletro che fornisce il 25% in più di stoccaggio di H2. #tendenze #idrogeno
Dopo che una collaborazione con BMW ha dimostrato che un serbatoio cubico può offrire un'efficienza volumetrica maggiore rispetto a più piccoli cilindri, l'Università Tecnica di Monaco ha avviato un progetto per sviluppare una struttura composita e un processo di produzione scalabile per la produzione in serie. Credito immagine: TU Dresden (in alto) a sinistra), Università Tecnica di Monaco, Dipartimento di compositi di carbonio (LCC)
I veicoli elettrici a celle a combustibile (FCEV) alimentati da idrogeno a emissioni zero (H2) forniscono ulteriori mezzi per raggiungere obiettivi ambientali zero. Un'autovettura a celle a combustibile con motore H2 può essere riempita in 5-7 minuti e ha un'autonomia di 500 km, ma attualmente è 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 attualmente non è possibile perché i serbatoi cilindrici di Tipo 4 utilizzati per immagazzinare il gas H2 compresso (CGH2) a 700 bar nei FCEV non sono adatti per i vani batteria sottoscocca appositamente progettati per i veicoli elettrici. Tuttavia, i contenitori a pressione sotto forma di cuscini e cubi possono adattarsi a questo spazio di imballaggio piatto.
Brevetto US5577630A per “Composite Conformal Pressure Vessel”, domanda depositata da Thiokol Corp. nel 1995 (a sinistra) e recipiente a pressione rettangolare brevettato da BMW nel 2009 (a destra).
Il Dipartimento di compositi di carbonio (LCC) dell'Università Tecnica di Monaco (TUM, Monaco di Baviera, Germania) è coinvolto in due progetti per sviluppare questo concetto. Il primo è Polymers4Hydrogen (P4H), guidato dal Leoben Polymer Competence Center (PCCL, Leoben, Austria). Il pacchetto di lavoro LCC è guidato dalla Fellow Elizabeth Glace.
Il secondo progetto è l'ambiente di dimostrazione e sviluppo dell'idrogeno (HyDDen), dove LCC è guidato dal ricercatore Christian Jaeger. Entrambi mirano a creare una dimostrazione su larga scala del processo di produzione per realizzare un serbatoio CGH2 adatto utilizzando compositi in fibra di carbonio.
L'efficienza volumetrica è limitata quando cilindri di piccolo diametro sono installati in celle di batteria piatte (a sinistra) e recipienti a pressione cubici di tipo 2 costituiti da rivestimenti in acciaio e un guscio esterno in composito di fibra di carbonio/epossidico (a destra). Fonte immagine: le figure 3 e 6 provengono da "Approccio di progettazione numerica per recipienti a scatola a pressione di tipo II con gambe di tensione interne" di Ruf e Zaremba et al.
P4H ha fabbricato un serbatoio cubico sperimentale che utilizza un telaio termoplastico con cinghie/montanti di tensione compositi avvolti in resina epossidica rinforzata con fibra di carbonio. HyDDen utilizzerà un design simile, ma utilizzerà la stratificazione automatica delle fibre (AFP) per produrre tutti i serbatoi in composito termoplastico.
Dalla domanda di brevetto di Thiokol Corp. al “Composite Conformal Pressure Vessel” del 1995 fino al brevetto tedesco DE19749950C2 del 1997, i recipienti per gas compresso “possono avere qualsiasi configurazione geometrica”, ma soprattutto forme piatte 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 articolo del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) del 2006 descrive tre approcci: un recipiente a pressione conforme con filamento avvolto, un recipiente a pressione a microreticolo contenente una struttura reticolare ortorombica interna (piccole cellule di 2 cm o meno), circondato da un contenitore di H2 a pareti sottili, e un contenitore replicatore, costituito da una struttura interna costituita da piccole parti incollate (ad esempio, anelli di plastica esagonali) e da una composizione di sottile rivestimento esterno. I contenitori duplicati sono più adatti per contenitori più grandi in cui i metodi tradizionali possono essere difficili da applicare.
Il brevetto DE102009057170A depositato da Volkswagen nel 2009 descrive un recipiente a pressione montato su un veicolo che fornirà un'elevata efficienza in termini di peso migliorando allo stesso tempo l'utilizzo dello spazio. I serbatoi rettangolari utilizzano connettori di tensione tra due pareti rettangolari opposte e gli angoli sono arrotondati.
I concetti sopra e altri sono citati da Gleiss nel documento “Process Development for Cubic Pressure Vessels with Stretch Bars” di Gleiss et al. all'ECCM20 (26-30 giugno 2022, Losanna, Svizzera). In questo articolo, cita uno studio TUM pubblicato da Michael Roof e Sven Zaremba, che ha scoperto che un recipiente a pressione cubico con puntoni di tensione che collegano i lati rettangolari è più efficiente di diversi piccoli cilindri che si adattano allo spazio di una batteria scarica, fornendo circa 25 % Di più. spazio di archiviazione.
Secondo Gleiss, il problema con l'installazione di un gran numero di piccole bombole di tipo 4 in un case piatto è che “il volume tra le bombole è notevolmente ridotto e il sistema ha anche una superficie di permeazione del gas H2 molto ampia. Nel complesso, il sistema offre una capacità di stoccaggio inferiore 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 è necessaria una struttura rinforzata che si colleghi internamente alle pareti del serbatoio. Ma questo è difficile da fare con i compositi”.
Glace e il suo team hanno cercato di incorporare barre di tensione di rinforzo nel recipiente a pressione in un modo che fosse adatto al processo di avvolgimento del filamento. “Ciò è importante per la produzione di volumi elevati”, spiega, “e ci consente anche di progettare lo schema di avvolgimento delle pareti del contenitore per ottimizzare l’orientamento delle fibre per ciascun carico nella zona”.
Quattro passaggi per realizzare un serbatoio cubico in composito di prova per il progetto P4H. Credito immagine: “Sviluppo di un processo di produzione per recipienti a pressione cubici con rinforzo”, Università tecnica di Monaco, progetto Polymers4Hydrogen, ECCM20, giugno 2022.
Per raggiungere l'on-chain, il team ha sviluppato un nuovo concetto composto da quattro passaggi principali, come mostrato sopra. I puntoni di tensione, mostrati in nero sui gradini, sono una struttura a telaio prefabbricato fabbricata utilizzando metodi presi dal progetto MAI Skelett. Per questo progetto, BMW ha sviluppato una “struttura” del telaio del parabrezza utilizzando quattro aste di pultrusione rinforzate con fibre, che sono state poi modellate in un telaio di plastica.
Il telaio di un serbatoio cubico sperimentale. Sezioni scheletriche esagonali stampate in 3D da TUM utilizzando filamento PLA non rinforzato (in alto), inserendo aste di pultrusione CF/PA6 come supporti di tensione (al centro) e quindi avvolgendo il filamento attorno ai supporti (in basso). Credito immagine: Università Tecnica di Monaco LCC.
"L'idea è che si possa costruire il telaio di un serbatoio cubico come una struttura modulare", ha detto Glace. "Questi moduli vengono quindi posizionati in uno strumento di stampaggio, i puntoni di tensione vengono posizionati nei moduli del telaio, quindi il metodo di MAI Skelett viene utilizzato attorno ai puntoni per integrarli con le parti del telaio." metodo di produzione di massa, che dà come risultato una struttura che viene poi utilizzata come mandrino o anima 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 sulla parte superiore e inferiore attraverso il quale è possibile inserire e fissare le fascette. Anche i fori per questi rack sono stati stampati in 3D. “Per il nostro serbatoio sperimentale iniziale, abbiamo stampato in 3D sezioni di telaio esagonali utilizzando acido polilattico [PLA, un materiale termoplastico a base biologica] perché era facile ed economico”, ha affermato Glace.
Il team ha acquistato 68 aste pultruse in poliammide 6 (PA6) rinforzate con fibra di carbonio da SGL Carbon (Meitingen, Germania) da utilizzare come tiranti. “Per testare il concetto, non abbiamo effettuato alcuno stampaggio”, afferma Gleiss, “ma abbiamo semplicemente inserito i distanziatori in un telaio con nucleo a nido d'ape stampato in 3D e incollati con colla epossidica. Questo fornisce quindi un mandrino per avvolgere il serbatoio. Nota che, sebbene queste canne siano relativamente facili da caricare, ci sono alcuni problemi significativi che verranno descritti più avanti.
"Nella prima fase, il nostro obiettivo era dimostrare la producibilità del progetto e identificare i problemi nel concetto di produzione", ha spiegato Gleiss. “Quindi i montanti di tensione sporgono dalla superficie esterna della struttura scheletrica e noi fissiamo le fibre di carbonio a questo nucleo utilizzando l’avvolgimento di filamenti a umido. Dopodiché, nel terzo passaggio, pieghiamo la testa di ciascun tirante. termoplastico, quindi usiamo semplicemente il calore per rimodellare la testa in modo che si appiattisca e si blocchi nel primo strato di avvolgimento. Si procede quindi ad avvolgere nuovamente la struttura in modo che la testa piana di spinta risulti geometricamente racchiusa all'interno della vasca. laminato sulle pareti.
Tappo distanziale per l'avvolgimento. TUM utilizza cappucci in plastica sulle estremità dei tiranti per evitare che le fibre si aggroviglino durante l'avvolgimento del filamento. Credito immagine: Università Tecnica di Monaco LCC.
Glace ha ribadito che questo primo carro armato era una prova di concetto. “L’uso della stampa 3D e della colla è stato solo per i test iniziali e ci ha dato un’idea di alcuni dei problemi che abbiamo riscontrato. Ad esempio, durante l'avvolgimento, i filamenti sono rimasti impigliati nelle estremità dei tiranti, causando la rottura e il danneggiamento delle fibre e riducendo la quantità di fibre per contrastare questo fenomeno. abbiamo utilizzato come ausili di produzione alcuni cappucci di plastica che sono stati posizionati sui pali prima della prima fase di avvolgimento. Poi, una volta realizzati i laminati interni, abbiamo rimosso questi cappucci protettivi e rimodellato le estremità dei pali prima del confezionamento finale.
Il team ha sperimentato vari scenari di ricostruzione. “Chi si guarda intorno lavora meglio”, dice Grace. “Inoltre, durante la fase di prototipazione, abbiamo utilizzato uno strumento di saldatura modificato per applicare calore e rimodellare le estremità dei tiranti. In un concetto di produzione di massa, avresti uno strumento più grande in grado di modellare e formare contemporaneamente tutte le estremità dei montanti in un laminato di finitura interna. . "
Teste dei timoni rimodellate. TUM ha sperimentato concetti diversi e ha modificato le saldature per allineare le estremità dei tiranti compositi per il fissaggio al laminato della parete del serbatoio. Credito immagine: “Sviluppo di un processo di produzione per recipienti a pressione cubici con rinforzo”, Università tecnica di Monaco, progetto Polymers4Hydrogen, ECCM20, giugno 2022.
Pertanto, il laminato viene indurito dopo la prima fase di avvolgimento, i montanti vengono rimodellati, il TUM completa il secondo avvolgimento dei filamenti e quindi il laminato della parete esterna del serbatoio viene indurito una seconda volta. Si prega di notare che questo è un design del serbatoio di tipo 5, il che significa che non ha un rivestimento in plastica come barriera al gas. Consulta la discussione nella sezione Passaggi successivi di seguito.
"Abbiamo tagliato la prima demo in sezioni trasversali e mappato l'area connessa", ha detto Glace. "Un primo piano mostra che abbiamo avuto alcuni problemi di qualità con il laminato, con le teste dei montanti che non erano piatte sul laminato interno."
Risolvere i problemi con gli spazi tra il laminato delle pareti interne ed esterne del serbatoio. La testa del tirante modificata crea uno spazio tra la prima e la seconda spira della vasca sperimentale. Credito immagine: Università Tecnica di Monaco LCC.
Questo serbatoio iniziale da 450 x 290 x 80 mm è stato completato l'estate scorsa. "Da allora abbiamo fatto molti progressi, ma c'è ancora un divario tra il laminato interno ed esterno", ha affermato Glace. “Così abbiamo provato a colmare queste lacune con una resina pulita e ad alta viscosità. Ciò migliora effettivamente la connessione tra i perni e il laminato, aumentando 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 tortuoso", 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 i software attualmente sul mercato. Potrebbe diventare un progetto successivo.
“Abbiamo dimostrato la fattibilità di questo concetto produttivo”, spiega Gleiss, “ma dobbiamo lavorare ulteriormente per migliorare la connessione tra il laminato e rimodellare i tiranti. “Test esterni su una macchina di prova. Si estraggono i distanziatori dal laminato e si testano i carichi meccanici che tali giunti possono sopportare.
Questa parte del progetto Polymers4Hydrogen sarà completata alla fine del 2023, entro la quale Gleis spera di completare il secondo serbatoio dimostrativo. È interessante notare che i progetti odierni utilizzano materiali termoplastici rinforzati nel telaio e compositi termoindurenti nelle pareti del serbatoio. Questo approccio ibrido verrà utilizzato nella vasca dimostrativa finale? "Sì", disse Grace. “I nostri partner nel progetto Polymers4Hydrogen stanno sviluppando resine epossidiche e altri materiali a matrice composita con migliori proprietà di barriera all’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 idee con Jaeger sul secondo progetto HyDDen del serbatoio composito conforme LCC.
“Produrremo un recipiente a pressione composito conforme per i droni di ricerca”, afferma Jaeger. “Si tratta di una collaborazione tra i due dipartimenti del Dipartimento Aerospaziale e Geodetico della TUM – LCC e il Dipartimento di Tecnologia degli Elicotteri (HT). Il progetto sarà completato entro la fine del 2024 e attualmente stiamo completando il recipiente a pressione. un design che è più un approccio aerospaziale e automobilistico. Dopo questa fase concettuale iniziale, il passo successivo è eseguire una modellazione strutturale dettagliata e prevedere le prestazioni di barriera della struttura del muro”.
“L’idea è quella di sviluppare un drone esplorativo con un sistema ibrido di propulsione a celle a combustibile e batteria”, ha continuato. Utilizzerà la batteria durante i carichi ad alta potenza (vale a dire decollo e atterraggio) e poi passerà alla cella a combustibile durante la navigazione con carico leggero. "Il team HT aveva già un drone di ricerca e ha riprogettato il gruppo propulsore per utilizzare sia batterie che celle a combustibile", ha affermato Yeager. "Hanno anche acquistato un serbatoio CGH2 per testare questa trasmissione."
"Il mio team è stato incaricato di costruire un prototipo di serbatoio a pressione che si adattasse, ma non a causa dei problemi di imballaggio che un serbatoio cilindrico avrebbe creato", spiega. “Un serbatoio più piatto non offre la stessa resistenza al vento. In questo modo ottieni prestazioni di volo migliori.” Dimensioni del serbatoio ca. 830 x 350 x 173 mm.
Serbatoio completamente termoplastico conforme AFP. 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 che utilizzava una combinazione di diversi moduli strutturali, che sono stati poi abusati utilizzando AFP (sotto). Credito immagine: Università Tecnica di Monaco LCC.
“Un'idea è simile all'approccio di Elisabeth [Gleiss]”, spiega Yager, “di applicare tiranti alla parete del vaso per compensare le elevate forze di flessione. Tuttavia, invece di utilizzare un processo di avvolgimento per realizzare il serbatoio, utilizziamo l'AFP. Per questo motivo abbiamo pensato di creare una sezione separata del recipiente a pressione, nella quale i rack sono già integrati. Questo approccio mi ha permesso di combinare diversi di questi moduli integrati e quindi applicare un cappuccio terminale per sigillare il tutto prima dell’avvolgimento AFP finale”.
“Stiamo cercando di finalizzare questo concetto”, ha continuato, “e anche di iniziare a testare la selezione dei materiali, che è molto importante per garantire la necessaria resistenza alla penetrazione del gas H2. Per questo utilizziamo principalmente materiali termoplastici e stiamo lavorando su vari modi in cui il materiale influenzerà questo comportamento di permeazione e lavorazione nella macchina AFP. È importante capire se il trattamento avrà effetto e se è necessaria qualche post-lavorazione. Vogliamo anche sapere se diversi stack influenzeranno la permeazione dell’idrogeno attraverso il recipiente a pressione”.
Il serbatoio sarà interamente realizzato in materiale termoplastico e le strisce saranno fornite da Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Germania). "Utilizzeremo i loro materiali PPS [polifenilene solfuro], PEEK [polietere chetone] e LM PAEK [poliaril chetone a basso punto di fusione]", ha affermato Yager. “Vengono poi effettuati dei confronti per vedere quale sia il migliore per la protezione dalla penetrazione e per produrre parti con prestazioni migliori”. Spera di completare i test, la modellazione strutturale e di processo e le prime dimostrazioni entro il prossimo anno.
Il lavoro di ricerca è stato svolto nell’ambito del modulo COMET “Polymers4Hydrogen” (ID 21647053) nell’ambito del programma COMET 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 i partner partecipanti Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL, Austria), Montanuniversitaet Leoben (Facoltà di Ingegneria e Scienza dei Polimeri, Dipartimento di Chimica dei Materiali Polimerici, Dipartimento di Scienza dei Materiali e Test sui Polimeri), Università di Tampere (Facoltà di Ingegneria Materiali). ) Science), Peak Technology e Faurecia hanno contribuito a questo lavoro di ricerca. COMET-Modul è finanziato dal governo austriaco e dal governo dello stato della Stiria.
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Orario di pubblicazione: 15 marzo 2023