BEVおよびFCEV用の標準的なフラットプラットフォームタンクは、25％のH2ストレージを提供するスケルトン構造を備えた熱可塑性および熱硬化性コンポジットを使用します。 #hydrogen #trends
BMWとのコラボレーションにより、立方タンクが複数の小さなシリンダーよりも高い体積効率を提供できることが示された後、ミュンヘン工科大学は、複合構造と連続生産のためのスケーラブルな製造プロセスを開発するプロジェクトに着手しました。画像クレジット：Tu Dresden（Top）左）、ミュンヘン工科大学、炭素複合局（LCC）
燃料電池電気自動車（FCEV）ゼロ排出（H2）水素を搭載した水素は、環境ターゲットをゼロにするための追加手段を提供します。 H2エンジンを備えた燃料電池の乗用車は5〜7分で満たすことができ、範囲は500 kmですが、現在、生産量が少ないためより高価です。コストを削減する1つの方法は、BEVモデルとFCEVモデルに標準プラットフォームを使用することです。これは現在、FCEVの700 barに圧縮H2ガス（CGH2）を保存するために使用されるタイプ4の円筒形のタンクが、電気自動車用に慎重に設計されたアンダーボディバッテリーコンパートメントに適していないためです。ただし、枕と立方体の形の圧力容器は、この平らな包装スペースに収まります。
「複合コンフォーマル圧力容器」の特許US5577630A、1995年にThiokol Corp.が提出したアプリケーション（左）、および2009年にBMWが特許を取得した長方圧力容器（右）。
ミュンヘン工科大学（ドイツ、ミュンヘン、TUM）の炭素複合局（LCC）は、この概念を開発するための2つのプロジェクトに関与しています。 1つ目は、レーベンポリマー能力センター（PCCL、レーベン、オーストリア）が率いるPolymers4hydrogen（P4H）です。 LCCワークパッケージは、仲間のエリザベスグレースが率いています。
2番目のプロジェクトは、LCCが研究者クリスチャンイェーガーが主導する水素の実証環境（ハイデン）です。どちらも、炭素繊維複合材料を使用して適切なCGH2タンクを作成するための製造プロセスの大規模なデモを作成することを目指しています。
スチールライナーとカーボンファイバー/エポキシ複合外シェル（右）で作られた平らなバッテリーセル（左）および立方2型圧力容器に小さな直径シリンダーが設置されている場合、体積効率は限られています。画像ソース：図3と6は、RufとZaremba et al。による「タイプII圧力ボックス容器の容器の数値設計アプローチ」からのものです。
P4Hは、炭素繊維強化エポキシに包まれた複合張力ストラップ/ストラットを備えた熱可塑性フレームを使用する実験キューブタンクを製造しました。 Hyddenは同様の設計を使用しますが、自動ファイバーレイアップ（AFP）を使用して、すべての熱可塑性複合タンクを製造します。
Thiokol Corp.による特許出願から、1995年の「複合コンフォーマル圧力容器」まで、1997年のドイツの特許DE19749950C2まで、圧縮ガス容器は「幾何学的な構成を持つ可能性がありますが、特に平らで不規則な形状が、シェルに接続された空洞でサポートされています。 。要素は、ガスの膨張の力に耐えることができるように使用されます。
2006 Lawrence Livermore National Laboratory（LLNL）論文は、3つのアプローチについて説明しています。フィラメント創傷コンフォーマル圧力容器、内部矯正格子構造（2 cm以下の小さなセル）を含む微小列圧力容器、薄壁のH2容器に囲まれた、そして、接着された小さな部分（例えば、六角形のプラスチックリング）で構成される内部構造で構成されるレプリケーター容器と薄い外側の殻の皮の組成。複製容器は、従来の方法を適用するのが難しい場合がある大きな容器に最適です。
2009年にフォルクスワーゲンによって提出された特許DE102009057170Aは、スペースの利用を改善しながら高い体重効率を提供する車両に取り付けられた圧力容器について説明しています。長方形のタンクは、2つの長方形の反対側の壁の間に張力コネクタを使用し、角は丸くなっています。
上記およびその他の概念は、Gleiss et al。による「ストレッチバーを備えた立方圧力容器のプロセス開発」という論文でグリスによって引用されています。 ECCM20（2022年6月26〜30日、スイス、ローザンヌ）。この記事では、マイケル・ルーフとスヴェン・ザレンバが発行したTUM研究を引用しています。これは、長方形の側面をつなぐ張力支柱を持つ立方圧力容器が、平らなバッテリーの空間に収まるいくつかの小さなシリンダーよりも効率的であり、約25を提供することを発見しました。 ％ もっと。ストレージスペース。
Gleissによると、フラットケースに多数の小さなタイプ4シリンダーを設置することの問題は、「シリンダー間の体積が大幅に減少し、システムには非常に大きなH2ガス透過表面もあります。全体として、このシステムは立方瓶よりも少ないストレージ容量を提供します。」
ただし、タンクの立方体設計には他にも問題があります。 「明らかに、圧縮ガスのため、平らな壁の曲げ力に対抗する必要があります」とグライスは言いました。 「このためには、タンクの壁に内部的に接続する強化構造が必要です。しかし、それは複合材料でやるのが難しいです。」
グレースと彼女のチームは、フィラメントの巻線プロセスに適した方法で、圧力容器に張力張力バーを取り入れようとしました。 「これは大量の生産にとって重要です」と彼女は説明します。「また、コンテナ壁の巻きパターンを設計して、ゾーン内の各負荷の繊維向けの向きを最適化することもできます。」
P4Hプロジェクトの試行立方複合タンクを作成するための4つのステップ。画像クレジット：「ブレース付きの立方圧力船の生産プロセスの開発」、ミュンヘン工科大学、Polymers4Hydrogen Project、ECCM20、2022年6月。
オンチェーンを達成するために、チームは上記のように、4つの主要なステップで構成される新しい概念を開発しました。階段に黒で示されている張力ストラットは、MAI Skelettプロジェクトから取得した方法を使用して製造されたプレハブフレーム構造です。このプロジェクトでは、BMWは、4つの繊維強化されたプルトリューションロッドを使用してフロントガラスフレーム「フレームワーク」を開発しました。これは、プラスチックフレームに成形されました。
実験的な立方タンクのフレーム。非強化PLAフィラメント（上）を使用してTUMによって印刷された六角形の骨格セクション3D、CF/PA6の胸郭ロッドを張力装具（中央）として挿入し、その後、ブレースの周りにフィラメントを包みます（下）。画像クレジット：ミュンヘン大学LCC工科大学。
「アイデアは、モジュール構造として立方タンクのフレームを構築できるということです」とグレースは言いました。 「これらのモジュールは成形ツールに配置され、張力ストラットはフレームモジュールに配置され、マイスケレットの方法がストラットの周りに使用され、フレームパーツと統合されます。」大量生産方法は、貯蔵タンクの複合シェルを包むためにマンドレルまたはコアとして使用される構造をもたらします。
Tumは、タンクフレームを、固体の側面、丸い角、および上部と下部に六角形のパターンを備えた立方体の「クッション」として設計し、その間にはつながりを挿入して取り付けることができます。これらのラックの穴も3D印刷されていました。 「最初の実験タンクでは、ポリラトン酸[PLA、バイオベースの熱可塑性]を使用して六角形フレームセクションを3D印刷しました。
チームは、絆として使用するために、SGL炭素（Meitingen、ドイツ）から68個のpultrued炭素繊維強化ポリアミド6（PA6）ロッドを購入しました。 「コンセプトをテストするために、成形は何もしませんでした」とGleiss氏は言います。これにより、タンクを巻くためのマンドレルが提供されます。」彼女は、これらのロッドは比較的簡単に風を吹くことができますが、後で説明するいくつかの重大な問題があると指摘しています。
「最初の段階では、私たちの目標は、設計の製造可能性を実証し、生産概念の問題を特定することでした」とグライスは説明しました。 「したがって、張力は骨格構造の外面から突き出ており、湿ったフィラメント巻線を使用してこのコアに炭素繊維を取り付けます。その後、3番目のステップでは、各タイロッドの頭を曲げます。熱可塑性砕屑性なので、Heatを使用して頭を再構築して、折りたたみ式の層に閉じ込めてロックするようにします。次に、平らなスラストヘッドがタンク内に幾何学的に囲まれるように、構造を再度包みます。壁にラミネートします。
曲がりくねったスペーサーキャップ。 Tumは、張力ロッドの端にあるプラスチックキャップを使用して、フィラメントの巻線中に繊維がもつれないようにします。画像クレジット：ミュンヘン大学LCC工科大学。
グレースは、この最初のタンクが概念の証拠であると繰り返しました。 「3D印刷と接着剤の使用は、最初のテストのためだけであり、私たちが遭遇したいくつかの問題のアイデアを与えてくれました。たとえば、曲がりくねっている間、フィラメントは張力棒の端に捕まえられ、繊維の破損、繊維の損傷を引き起こし、これに対抗するための繊維の量を減らしました。最初の曲がりくねったステップの前に極に配置された製造補助補助剤としていくつかのプラスチックキャップを使用しました。その後、内部ラミネートが作られたら、これらの保護キャップを取り外し、最終ラッピングの前に極の端を再形成しました。」
チームは、さまざまな再構成シナリオを実験しました。 「周りを見回す人は最高の仕事をします」とグレースは言います。 「また、プロトタイピングフェーズ中に、修正溶接ツールを使用して熱を適用し、タイロッドの端を再構築しました。大量生産コンセプトでは、ストラットのすべての端を形成して、同時にインテリア仕上げのラミネートに形成できる大きなツールが1つあります。 。 」
ドローバーヘッドが再形成されました。 TUMはさまざまな概念を実験し、溶接を変更して、タンク壁ラミネートに付着するための複合タイの端を整列させました。画像クレジット：「ブレース付きの立方圧力船の生産プロセスの開発」、ミュンヘン工科大学、Polymers4Hydrogen Project、ECCM20、2022年6月。
したがって、ラミネートは最初の曲がりくねったステップの後に硬化し、ポストが再形成され、TUMがフィラメントの2番目の巻線を完成させ、次に外側のタンク壁ラミネートが2回目に硬化します。これはタイプ5のタンク設計であることに注意してください。つまり、ガスバリアとしてプラスチックライナーがないことを意味します。以下の次のステップセクションの説明を参照してください。
「最初のデモを断面にカットし、接続された領域をマッピングしました」とグレースは言いました。 「クローズアップは、ラミネートにいくつかの質の高い問題があり、ストラットヘッドが内部のラミネートに平らになっていないことを示しています。」
タンクの内壁と外壁のラミネート間のギャップの問題を解決します。修正されたタイロッドヘッドは、実験タンクの1回目と2回目のターンの間にギャップを作成します。画像クレジット：ミュンヘン大学LCC工科大学。
この最初の450 x 290 x 80mmタンクは昨年の夏に完成しました。 「それ以来、私たちは多くの進歩を遂げてきましたが、内部と外部のラミネートの間にはまだギャップがあります」とグレースは言いました。 「それで、私たちはそれらのギャップをきれいで高い粘度樹脂で満たそうとしました。これにより、実際にスタッドとラミネートの間の接続が改善され、機械的な応力が大幅に増加します。」
チームは、目的の巻線パターンのソリューションを含む、タンクの設計とプロセスの開発を続けました。 「このジオメトリが曲がりくねった経路を作成するのが困難だったため、テストタンクの側面は完全にカールしていませんでした」とグレスは説明しました。 「私たちの最初の巻線角は75°でしたが、この圧力容器の負荷を満たすために複数の回路が必要であることがわかりました。私たちはまだこの問題の解決策を探していますが、現在市場に出回っているソフトウェアでは簡単ではありません。フォローアッププロジェクトになる可能性があります。
「この制作コンセプトの実現可能性を実証しました」とグライスは言います。 「テストマシンでの外部テスト。スペーサーをラミネートから引き出し、それらのジョイントが耐えることができる機械的荷重をテストします。」
Polymers4hydrogenプロジェクトのこの部分は、2023年の終わりに完了し、その時までにGleisは2番目のデモンテーションタンクを完成させたいと考えています。興味深いことに、今日のデザインは、フレームにきちんと補強された熱可塑性物質を使用し、タンク壁には熱セット複合材料を使用しています。このハイブリッドアプローチは、最終的なデモンテーションタンクで使用されますか？ 「はい」とグレースは言った。 「Polymers4Hydrogen Projectの当社のパートナーは、エポキシ樹脂およびより良い水素バリア特性を備えたその他の複合マトリックス材料を開発しています。」彼女は、この作業に取り組んでいる2つのパートナー、PCCLとタンペレ大学（フィンランドのタンペレ）をリストしています。
Gleissと彼女のチームは、LCC Conpormal Composite Tankの2番目のHyddenプロジェクトでJaegerと情報を交換し、Jaegerと話し合いました。
「私たちは、研究ドローンのためのコンフォーマル複合圧力容器を生産します」とジェガーは言います。 「これは、航空宇宙局と測地測定部門の2つの部門 - LCCとヘリコプター技術局（HT）のコラボレーションです。このプロジェクトは2024年末までに完了し、現在圧力容器を完了しています。航空宇宙と自動車のアプローチのようなデザイン。この最初の概念段階の後、次のステップは、詳細な構造モデリングを実行し、壁構造の障壁性能を予測することです。」
「全体のアイデアは、ハイブリッド燃料電池とバッテリー推進システムを備えた探索的ドローンを開発することです」と彼は続けました。高出力荷重中にバッテリーを使用して（つまり、離陸と着陸）、光荷重のクルージング中に燃料電池に切り替えます。 「HTチームにはすでに研究ドローンがあり、バッテリーと燃料電池の両方を使用するためにパワートレインを再設計しました」とYeager氏は言います。 「彼らはまた、このトランスミッションをテストするためにCGH2タンクを購入しました。」
「私のチームは、適合する圧力タンクのプロトタイプの構築を任されていましたが、円筒形のタンクが作成するパッケージングの問題のためではありません」と彼は説明します。 「フラットなタンクはそれほど風の抵抗を提供しません。だから、あなたはより良いフライトパフォーマンスを得る。」タンク寸法約830 x 350 x 173 mm。
完全な熱可塑性AFP準拠タンク。 Hyddenプロジェクトの場合、TUMのLCCチームは最初にGlaceが使用したアプローチ（上記）と同様のアプローチを調査しましたが、その後、いくつかの構造モジュールの組み合わせを使用してアプローチに移動しました。画像クレジット：ミュンヘン大学LCC工科大学。
「1つのアイデアは、エリザベス[グリスの]アプローチに似ています」とYager氏は言います。ただし、タンクを作るために巻線プロセスを使用する代わりに、AFPを使用します。したがって、ラックが既に統合されている圧力容器の別のセクションを作成することを考えました。このアプローチにより、これらの統合モジュールのいくつかを組み合わせてから、最終的なAFP巻線の前にすべてを密封するエンドキャップを適用することができました。」
「私たちはそのような概念を完成させようとしています」と彼は続けました。「また、H2ガスの浸透に対する必要な抵抗を確保するために非常に重要な材料の選択のテストを開始します。このために、私たちは主に熱可塑性材料を使用し、AFPマシンのこの透過挙動と処理に材料がどのように影響するかにさまざまな作業を行っています。治療が効果があるかどうか、そして後処理が必要かどうかを理解することが重要です。また、異なるスタックが圧力容器を介して水素透過に影響を与えるかどうかを知りたいと考えています。」
タンクは完全に熱可塑性で作られ、ストリップはテイジンカーボンヨーロッパGmbH（ドイツ、Wuppertal）によって供給されます。 「私たちは彼らのPPS [ポリフェニレン硫化物]、ピーク[ポリエーテルケトン]、およびLM Paek [低溶融ポリアリールケトン]材料を使用します」とYager氏は言います。 「次に、比較が行われ、パフォーマンスが向上した浸透保護と生産部品に最適なものを確認します。」彼は、翌年以内にテスト、構造およびプロセスのモデリング、および最初のデモンストレーションを完了したいと考えています。
この研究作業は、気候変動、環境、エネルギー、モビリティ、イノベーション、技術、デジタル技術と経済学連邦省の連邦省の彗星プログラム内で、彗星モジュール「Polymers4hydrogen」（ID 21647053）内で実施されました。 。著者は、参加パートナーのポリマーコンピテンスセンターであるレーベンGmbH（オーストリア、PCCL）、モンタヌユニバーシートレーベン（ポリマー工学および科学学部、ポリマー材料化学科、材料科学およびポリマー試験学科）に感謝します。材料）。 ）科学）、ピークテクノロジー、ファウレシアがこの研究作業に貢献しました。コメットモドゥルは、オーストリア政府とスティリア州政府によって資金提供されています。
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投稿時間：Mar-15-2023