האוניברסיטה הטכנית של מינכן מפתחת מיכלים קוביים קונפורמיים באמצעות חומרים מרוכבים של סיבי פחמן להגדלת אחסון המימן | עולם החומרים המרוכבים

מיכלי פלטפורמה שטוחים סטנדרטיים עבור BEVs ו-FCEVs משתמשים בחומרים תרמופלסטיים ותרמוסיטים עם מבנה שלד המספק 25% יותר אחסון H2. #מימן #טרנדים
לאחר שיתוף פעולה עם BMW הראה שמיכל מעוקב יכול לספק יעילות נפחית גבוהה יותר ממספר צילינדרים קטנים, האוניברסיטה הטכנית של מינכן החלה בפרויקט לפיתוח מבנה מורכב ותהליך ייצור ניתן להרחבה לייצור סדרתי. קרדיט תמונה: TU דרזדן (למעלה) משמאל), האוניברסיטה הטכנית של מינכן, המחלקה לחומרי פחמן מרוכבים (LCC)
כלי רכב חשמליים של תאי דלק (FCEVs) המונעים על ידי מימן אפס פליטה (H2) מספקים אמצעים נוספים להשגת אפס יעדים סביבתיים. מכונית נוסעים עם תא דלק עם מנוע H2 ניתנת למילוי תוך 5-7 דקות ובעלת טווח של 500 ק"מ, אך כיום היא יקרה יותר בשל היקפי ייצור נמוכים. אחת הדרכים להפחית עלויות היא להשתמש בפלטפורמה סטנדרטית עבור דגמי BEV ו-FCEV. זה לא אפשרי כרגע מכיוון שהמכלים הגליליים מסוג 4 המשמשים לאחסון גז H2 דחוס (CGH2) ב-700 בר ב-FCEVs אינם מתאימים לתאי הסוללה התחתונים שתוכננו בקפידה עבור כלי רכב חשמליים. עם זאת, כלי לחץ בצורת כריות וקוביות יכולים להיכנס לחלל האריזה השטוח הזה.
פטנט US5577630A עבור "כלי לחץ קונפורמיים מורכבים", בקשה שהוגשה על ידי Thiokol Corp. בשנת 1995 (משמאל) ומכל הלחץ המלבני רשם פטנט על ידי BMW בשנת 2009 (מימין).
המחלקה לחומרי פחמן מרוכבים (LCC) של האוניברסיטה הטכנית של מינכן (TUM, מינכן, גרמניה) מעורבת בשני פרויקטים לפיתוח רעיון זה. הראשון הוא Polymers4Hydrogen (P4H), בהובלת מרכז היכולות של Leoben Polymer (PCCL, Leoben, אוסטריה). את חבילת העבודה של LCC מוביל עמית אליזבת גלייס.
הפרויקט השני הוא סביבת הדגמה ופיתוח מימן (HyDDen), שבה מוביל החוקר כריסטיאן ייגר את LCC. שניהם שואפים ליצור הדגמה בקנה מידה גדול של תהליך הייצור להכנת מיכל CGH2 מתאים באמצעות חומרים מרוכבים של סיבי פחמן.
ישנה יעילות נפח מוגבלת כאשר צילינדרים בקוטר קטן מותקנים בתאי סוללה שטוחים (משמאל) ומכלי לחץ מעוקבים מסוג 2 העשויים ספינות פלדה ומקליפה חיצונית מרוכבת סיבי פחמן/אפוקסי (מימין). מקור תמונה: איורים 3 ו-6 הם מתוך "גישת עיצוב נומרי עבור כלי תיבת לחץ מסוג II עם רגלי מתח פנימיות" מאת Ruf ו-Zaremba et al.
P4H ייצרה מיכל קובייה ניסיוני המשתמש במסגרת תרמופלסטית עם רצועות מתח מרוכבות/תמוכות עטופים באפוקסי מחוזק בסיבי פחמן. HyDDen תשתמש בעיצוב דומה, אך תשתמש בהנחת סיבים אוטומטית (AFP) לייצור כל המיכלים המרוכבים התרמופלסטיים.
החל מבקשת פטנט של Thiokol Corp. ל-"Composite Conformal Pressure Vessel" ב-1995 ועד לפטנט הגרמני DE19749950C2 ב-1997, לכלי גז דחוס "ייתכן שתהיה כל תצורה גיאומטרית", אך במיוחד צורות שטוחות ולא סדירות, בחלל המחובר לתמיכת המעטפת. . אלמנטים משמשים כך שהם יכולים לעמוד בכוח ההתפשטות של הגז.
מאמר של המעבדה הלאומית של לורנס ליברמור (LLNL) משנת 2006 מתאר שלוש גישות: מיכל לחץ קונפורמי פצע נימה, כלי לחץ מיקרו-סריג המכיל מבנה סריג אורתורומבי פנימי (תאים קטנים של 2 ס"מ או פחות), מוקף במיכל H2 דק דופן, ומיכל משכפל, המורכב ממבנה פנימי המורכב מחלקים קטנים מודבקים (למשל, טבעות פלסטיק משושות) והרכב של עור מעטפת חיצוני דק. מיכלים כפולים מתאימים ביותר למיכלים גדולים יותר שבהם שיטות מסורתיות עשויות להיות קשות ליישום.
פטנט DE102009057170A שהוגש על ידי פולקסווגן בשנת 2009 מתאר מיכל לחץ מותקן ברכב אשר יספק יעילות משקל גבוהה תוך שיפור ניצול החלל. מיכלים מלבניים משתמשים במחברי מתח בין שני קירות מנוגדים מלבניים, והפינות מעוגלות.
המושגים לעיל ואחרים מצוטט על ידי Gleiss במאמר "Process Development for Cubic Pressure Vesels with Stretch Bars" מאת Gleiss et al. ב-ECCM20 (26-30 ביוני 2022, לוזאן, שוויץ). במאמר זה היא מצטטת מחקר TUM שפורסם על ידי מייקל רוף וסוון זרמבה, שמצא כי מיכל לחץ מעוקב עם תמוכות מתח המחברים צדדים מלבניים יעיל יותר ממספר צילינדרים קטנים המתאימים לחלל של סוללה שטוחה, ומספק כ-25 % יותר. שטח אחסון.
לדברי גלייס, הבעיה בהתקנת מספר רב של צילינדרים קטנים מסוג 4 במארז שטוח היא ש"הנפח בין הצילינדרים מצטמצם מאוד ולמערכת יש גם משטח חדירת גז H2 גדול מאוד. בסך הכל, המערכת מספקת פחות קיבולת אחסון מאשר צנצנות מעוקבות".
עם זאת, ישנן בעיות נוספות בעיצוב המעוקב של המיכל. "ברור שבגלל הגז הדחוס, אתה צריך לנטרל את כוחות הכיפוף על הקירות השטוחים", אמר גלייס. "בשביל זה צריך מבנה מחוזק שמתחבר מבפנים לקירות המיכל. אבל זה קשה לעשות עם חומרים מרוכבים."
גלייס והצוות שלה ניסו לשלב מוטות מתח חיזוק בכלי הלחץ באופן שיתאים לתהליך סיפוף נימה. "זה חשוב לייצור בנפח גבוה", היא מסבירה, "וגם מאפשר לנו לתכנן את תבנית הפיתול של קירות המכולה כדי לייעל את כיוון הסיבים עבור כל עומס באזור."
ארבעה שלבים להכנת מיכל מרוכב מעוקב לניסיון עבור פרויקט P4H. קרדיט תמונה: "פיתוח תהליך ייצור לכלי לחץ מעוקבים עם סד", האוניברסיטה הטכנית של מינכן, פרויקט Polymers4Hydrogen, ECCM20, יוני 2022.
כדי להגיע לרשת, הצוות פיתח קונספט חדש המורכב מארבעה שלבים עיקריים, כפי שמוצג לעיל. תמוכות המתח, המוצגות בשחור על המדרגות, הן מבנה מסגרת טרומי המיוצר בשיטות שנלקחו מפרויקט MAI Skelett. עבור פרויקט זה, BMW פיתחה "מסגרת" של שמשה קדמית באמצעות ארבעה מוטות פולטרוס מחוזקים בסיבים, אשר נוצקו לאחר מכן למסגרת פלסטיק.
מסגרת של מיכל מעוקב ניסיוני. חלקי שלד משושה מודפסים בתלת-ממד על ידי TUM באמצעות נימה PLA לא מחוזק (עליון), הכנסת מוטות CF/PA6 כפלטות מתח (באמצע) ולאחר מכן כריכת נימה סביב הפלטה (תחתית). קרדיט תמונה: האוניברסיטה הטכנית של מינכן LCC.
"הרעיון הוא שאתה יכול לבנות את המסגרת של מיכל מעוקב כמבנה מודולרי", אמר גלייס. "המודולים האלה ממוקמים לאחר מכן בכלי דפוס, תמוכות המתח ממוקמות במודולי המסגרת, ולאחר מכן נעשה שימוש בשיטה של ​​MAI Skelett סביב התמוכות כדי לשלב אותם עם חלקי המסגרת." שיטת ייצור המוני, וכתוצאה מכך מבנה המשמש לאחר מכן כציר או ליבה כדי לעטוף את המעטפת המרוכבת של מיכל האחסון.
TUM עיצבה את מסגרת המיכל כ"כרית" מעוקבת עם דפנות מוצקות, פינות מעוגלות ודוגמה משושה בחלק העליון והתחתון שדרכו ניתן להכניס ולחבר קשרים. גם החורים עבור מתלים אלה הודפסו בתלת מימד. "עבור מיכל הניסוי הראשוני שלנו, הדפסנו בתלת מימד חלקי מסגרת משושה באמצעות חומצה פולילקטית [PLA, תרמופלסטי מבוסס ביו] כי זה היה קל וזול", אמר גלייס.
הצוות רכש 68 מוטות מחוזקים בסיבי פחמן מחוזקים בפוליאמיד 6 (PA6) מ-SGL Carbon (Meitingen, גרמניה) לשימוש כקשרים. "כדי לבדוק את הרעיון, לא ביצענו שום דפוס", אומר גלייס, "אלא פשוט הכנסנו מרווחים למסגרת ליבת חלת דבש מודפסת בתלת מימד והדבקנו אותם בדבק אפוקסי. לאחר מכן זה מספק ציר לסיפוף המיכל." היא מציינת שלמרות שהמוטות הללו קלים יחסית לליפול, יש כמה בעיות משמעותיות שיתוארו בהמשך.
"בשלב הראשון, המטרה שלנו הייתה להדגים את יכולת הייצור של העיצוב ולזהות בעיות בקונספט הייצור", הסביר גלייס. "אז תמוכות המתח בולטות מהמשטח החיצוני של מבנה השלד, ואנחנו מחברים את סיבי הפחמן לליבה הזו באמצעות פיתול נימה רטובה. לאחר מכן, בשלב השלישי, אנו מכופפים את ראשו של כל מוט קשר. תרמופלסטי, אז אנחנו פשוט משתמשים בחום כדי לעצב מחדש את הראש כך שהוא ישטוח וננעל בשכבת העטיפה הראשונה. לאחר מכן אנו ממשיכים לעטוף את המבנה שוב כך שראש הדחף השטוח יהיה סגור גיאומטרית בתוך המיכל. למינציה על הקירות.
מכסה מרווח לליפוף. TUM משתמש במכסי פלסטיק בקצוות של מוטות המתח כדי למנוע מהסיבים להסתבך במהלך סיפוף נימה. קרדיט תמונה: האוניברסיטה הטכנית של מינכן LCC.
גלייס חזר והדגיש שהטנק הראשון הזה היה הוכחה לקונספט. "השימוש בהדפסת תלת מימד ודבק היה רק ​​לבדיקה ראשונית ונתן לנו מושג על כמה מהבעיות שנתקלנו בהן. לדוגמה, במהלך הליפוף, החוטים נתפסו בקצות מוטות המתח, מה שגרם לשבירת סיבים, נזק לסיבים והפחתת כמות הסיבים כדי להתמודד עם זה. השתמשנו בכמה מכסי פלסטיק כעזרי ייצור שהונחו על המוטות לפני שלב הפיתול הראשון. לאחר מכן, כאשר יוצרו הלמינטים הפנימיים, הסרנו את מכסי המגן הללו ועיצבנו מחדש את קצוות המוטות לפני העטיפה הסופית".
הצוות התנסה בתרחישי שחזור שונים. "אלה שמסתכלים סביב עובדים הכי טוב", אומרת גרייס. "כמו כן, במהלך שלב האב-טיפוס, השתמשנו בכלי ריתוך שונה כדי להחיל חום ולעצב מחדש את קצוות המוטות. בקונספט של ייצור המוני, יהיה לך כלי אחד גדול יותר שיכול לעצב וליצור את כל הקצוות של התמוכות לכדי למינציה בגימור פנימי בו-זמנית. . ”
ראשי מושך עוצבו מחדש. TUM התנסה עם מושגים שונים ושינתה את הריתוכים כדי ליישר את הקצוות של הקשרים המרוכבים לחיבור לרבד של קיר המיכל. קרדיט תמונה: "פיתוח תהליך ייצור לכלי לחץ מעוקבים עם סד", האוניברסיטה הטכנית של מינכן, פרויקט Polymers4Hydrogen, ECCM20, יוני 2022.
לפיכך, הלמינציה מתרפאת לאחר שלב הפיתול הראשון, העמודים מעוצבים מחדש, ה-TUM משלים את הפיתול השני של החוטים, ולאחר מכן הלמינציה של דופן המיכל החיצונית מתרפאת בפעם השנייה. שימו לב שזהו עיצוב מיכל מסוג 5, כלומר אין לו ריפוד פלסטיק כמחסום גז. ראה את הדיון בסעיף השלבים הבאים למטה.
"חתכנו את ההדגמה הראשונה לחתכי רוחב ומיפינו את האזור המחובר", אמר גלייס. "צילום תקריב מראה שהיו לנו כמה בעיות איכות עם הלמינציה, כאשר ראשי התמיכה לא מונחים שטוחים על הלמינציה הפנימית."
פתרון בעיות עם פערים בין לרבד של הקירות הפנימיים והחיצוניים של המיכל. ראש מוט הקשר המותאם יוצר פער בין הסיבוב הראשון והשני של מיכל הניסוי. קרדיט תמונה: האוניברסיטה הטכנית של מינכן LCC.
מיכל ראשוני זה בגודל 450 x 290 x 80 מ"מ הושלם בקיץ שעבר. "עשינו התקדמות רבה מאז, אבל עדיין יש לנו פער בין הלמינציה הפנימית והחיצונית", אמר גלייס. "אז ניסינו למלא את הפערים האלה עם שרף נקי עם צמיגות גבוהה. זה למעשה משפר את החיבור בין החתיכים לרבד, מה שמגביר מאוד את הלחץ המכני".
הצוות המשיך בפיתוח תכנון ותהליך הטנק, כולל פתרונות לתבנית הפיתול הרצויה. "דפנות מיכל הבדיקה לא היו מסולסלות לחלוטין כי לגיאומטריה הזו היה קשה ליצור נתיב מפותל", הסביר גלייס. "זווית הפיתול הראשונית שלנו הייתה 75°, אבל ידענו שיש צורך במספר מעגלים כדי לעמוד בעומס במיכל הלחץ הזה. אנחנו עדיין מחפשים פתרון לבעיה הזו, אבל זה לא קל עם התוכנה הקיימת כיום בשוק. זה עשוי להפוך לפרויקט המשך.
"הוכחנו את ההיתכנות של קונספט הייצור הזה", אומר גלייס, "אבל אנחנו צריכים להמשיך לעבוד כדי לשפר את החיבור בין הלמינציה ולעצב מחדש את מוטות הקשירה. "בדיקה חיצונית במכונת בדיקה. אתה מושך את המרווחים מהלמינציה ובודק את העומסים המכניים שהחיבורים האלה יכולים לעמוד בהם".
חלק זה של פרויקט Polymers4Hydrogen יסתיים בסוף 2023, עד אז מקווה גלייס להשלים את מיכל ההדגמה השני. מעניין, עיצובים כיום משתמשים בתרמופלסטיות מחוזקות מסודרות במסגרת ובתרמוסטים מרוכבים בקירות המיכל. האם הגישה ההיברידית הזו תשמש במיכל ההדגמה הסופי? "כן," אמרה גרייס. "השותפים שלנו בפרויקט Polymers4Hydrogen מפתחים שרפי אפוקסי וחומרי מטריקס מרוכבים אחרים עם תכונות מחסום מימן טובות יותר." היא מונה שני שותפים שעובדים על עבודה זו, PCCL ואוניברסיטת טמפרה (טמפרה, פינלנד).
גלייס והצוות שלה גם החליפו מידע ודנו ברעיונות עם ייגר על פרויקט HyDDen השני מהמיכל המרוכב הקונפורמי של LCC.
"אנחנו נייצר מכל לחץ מרוכב קונפורמי עבור מל"טים מחקריים", אומר ייגר. "זהו שיתוף פעולה בין שתי המחלקות של המחלקה האווירית והגיאודטית של TUM – LCC והמחלקה לטכנולוגיית מסוקים (HT). הפרויקט יסתיים עד סוף 2024 ובימים אלה אנו משלימים את כלי הלחץ. עיצוב שהוא יותר גישה של תעופה וחלל ורכב. לאחר שלב הרעיון הראשוני הזה, השלב הבא הוא לבצע מידול מבני מפורט ולחזות את ביצועי המחסום של מבנה הקיר".
"כל הרעיון הוא לפתח מזל"ט חקר עם תא דלק היברידי ומערכת הנעה של סוללות", המשיך. הוא ישתמש בסוללה בזמן עומסי כוח גבוהים (כלומר המראה ונחיתה) ולאחר מכן יעבור לתא הדלק במהלך שיוט עומס קל. "לצוות ה-HT כבר היה מזל"ט מחקר ותכנן מחדש את מערכת ההנעה כך שישתמש גם בסוללות וגם בתאי דלק", אמר ייגר. "הם גם רכשו מיכל CGH2 כדי לבדוק את התמסורת הזו."
"על הצוות שלי הוטל לבנות אב טיפוס של מיכל לחץ שיתאים, אבל לא בגלל בעיות האריזה שמיכל גלילי יוצר", הוא מסביר. "טנק שטוח יותר אינו מציע כל כך התנגדות רוח. אז אתה מקבל ביצועי טיסה טובים יותר." מידות מיכל כ. 830 x 350 x 173 מ"מ.
מיכל תרמופלסטי לחלוטין תואם AFP. עבור פרויקט HyDDen, צוות LCC ב-TUM בחן תחילה גישה דומה לזו שבה השתמש Glace (למעלה), אך לאחר מכן עבר לגישה המשתמשת בשילוב של מספר מודולים מבניים, אשר לאחר מכן נעשה בהם שימוש יתר באמצעות AFP (להלן). קרדיט תמונה: האוניברסיטה הטכנית של מינכן LCC.
"רעיון אחד דומה לגישה של אליזבת [גלייס]", אומר יאגר, "להפעיל פלטות מתח על דופן הכלי כדי לפצות על כוחות הכיפוף הגבוהים. עם זאת, במקום להשתמש בתהליך סלילה לייצור הטנק, אנו משתמשים ב-AFP. לכן, חשבנו על יצירת קטע נפרד מכלי הלחץ, שבו המתלים כבר משולבים. גישה זו אפשרה לי לשלב כמה מהמודולים המשולבים הללו ולאחר מכן להחיל מכסה קצה כדי לאטום הכל לפני הפיתול האחרון של AFP."
"אנחנו מנסים לסיים קונספט כזה", המשיך, "וגם להתחיל לבדוק את בחירת החומרים, וזה חשוב מאוד כדי להבטיח את העמידות הדרושה לחדירת גז H2. לשם כך, אנו משתמשים בעיקר בחומרים תרמופלסטיים ועובדים על איך החומר ישפיע על התנהגות החדירה והעיבוד הזה במכונת ה-AFP. חשוב להבין האם הטיפול ישפיע והאם נדרש עיבוד אחר. אנחנו גם רוצים לדעת אם ערימות שונות ישפיעו על חדירת מימן דרך מיכל הלחץ".
המיכל יהיה עשוי כולו תרמופלסטי והרצועות יסופקו על ידי Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, גרמניה). "אנחנו נשתמש בחומרי PPS [פוליפנילן גופרתי], PEEK [קטון פוליאתר] ו-LM PAEK [קטון פוליאריל נמס]", אמר יגר. "לאחר מכן נעשות השוואות כדי לראות איזה מהם הוא הטוב ביותר להגנה על חדירה ולייצור חלקים עם ביצועים טובים יותר." הוא מקווה להשלים בדיקות, מודלים מבניים ותהליכים והדגמות ראשונות במהלך השנה הבאה.
עבודת המחקר בוצעה במסגרת מודול COMET "Polymers4Hydrogen" (מזהה 21647053) במסגרת תוכנית COMET של המשרד הפדרלי לשינויי אקלים, סביבה, אנרגיה, ניידות, חדשנות וטכנולוגיה והמשרד הפדרלי לטכנולוגיה וכלכלה דיגיטלית. . המחברים מודים לשותפים המשתתפים Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL, אוסטריה), Montanuniversitaet Leoben (הפקולטה להנדסה ומדעים פולימרים, המחלקה לכימיה של חומרים פולימרים, המחלקה למדעי החומרים ובדיקות פולימרים), אוניברסיטת טמפרה (הפקולטה להנדסה) חומרים). ) מדע), Peak Technology ו-Faurecia תרמו לעבודת המחקר הזו. COMET-Modul ממומן על ידי ממשלת אוסטריה וממשלת מדינת שטיריה.
יריעות מחוזקות מראש למבנים נושאי עומס מכילים סיבים רציפים - לא רק מזכוכית, אלא גם מפחמן וארמיד.
ישנן דרכים רבות ליצור חלקים מרוכבים. לכן, בחירת השיטה לחלק מסוים תהיה תלויה בחומר, בעיצוב החלק ובשימוש הסופי או היישום. הנה מדריך לבחירה.
Shocker Composites ו-R&M International מפתחות שרשרת אספקה ​​של סיבי פחמן ממוחזרים המספקת שחיטה אפסית, עלות נמוכה יותר מסיבים בתולים ובסופו של דבר תציע אורכים שמתקרבים לסיבים רציפים במאפיינים מבניים.