전기차(BEV)와 수소연료전지차(FCEV)에 사용되는 표준 평면형 수소탱크는 열가소성 및 열경화성 복합재료를 사용하며, 골격 구조를 통해 수소 저장 용량을 25% 더 늘립니다. #수소 #트렌드
BMW와의 협력을 통해 정육면체 형태의 연료 탱크가 여러 개의 작은 원통형 탱크보다 부피당 효율이 더 높다는 사실이 입증된 후, 뮌헨 공과대학교는 복합 구조 및 양산 가능한 제조 공정을 개발하는 프로젝트에 착수했습니다. (이미지 출처: 드레스덴 공과대학교(상단, 왼쪽), 뮌헨 공과대학교 탄소 복합재학과(LCC))
수소(H2)를 연료로 사용하는 연료전지 전기차(FCEV)는 탄소 배출 제로 목표 달성을 위한 추가적인 수단을 제공합니다. 수소 엔진을 탑재한 연료전지 승용차는 5~7분 만에 연료를 충전할 수 있고 500km의 주행 거리를 제공하지만, 현재 생산량이 적어 가격이 비쌉니다. 비용 절감의 한 가지 방법은 전기차(BEV)와 연료전지차(FCEV) 모델에 표준 플랫폼을 사용하는 것입니다. 하지만 현재로서는 연료전지차에 700bar의 압축 수소 가스(CGH2)를 저장하는 데 사용되는 4형 원통형 탱크가 전기차에 맞춰 정밀하게 설계된 차체 하부 배터리 공간에 적합하지 않아 이러한 표준 플랫폼 사용이 어렵습니다. 그러나 베개 모양이나 정육면체 모양의 압력 용기는 이러한 평평한 공간에 설치할 수 있습니다.
1995년 Thiokol Corp.에서 출원한 "복합 성형 압력 용기"에 대한 미국 특허 US5577630A(왼쪽)와 2009년 BMW에서 특허를 받은 직사각형 압력 용기(오른쪽).
뮌헨 공과대학교(TUM, 독일 뮌헨) 탄소 복합재학과(LCC)는 이 개념을 개발하기 위한 두 가지 프로젝트에 참여하고 있습니다. 첫 번째는 레오벤 고분자 역량 센터(PCCL, 오스트리아 레오벤)가 주도하는 Polymers4Hydrogen(P4H) 프로젝트입니다. LCC 연구팀의 업무는 엘리자베스 글레이스 연구원이 이끌고 있습니다.
두 번째 프로젝트는 LCC의 크리스티안 예거 연구원이 이끄는 수소 실증 및 개발 환경(HyDDen)입니다. 두 프로젝트 모두 탄소 섬유 복합재를 사용하여 적합한 CGH2 탱크를 제작하는 제조 공정을 대규모로 실증하는 것을 목표로 합니다.
직경이 작은 원통을 평면 배터리 셀(왼쪽)과 강철 내피 및 탄소 섬유/에폭시 복합재 외피로 제작된 정육면체형 2형 압력 용기(오른쪽)에 설치할 경우 체적 효율이 제한적입니다. 이미지 출처: 그림 3과 6은 Ruf와 Zaremba 등이 저술한 "내부 장력 지지대가 있는 2형 압력 상자 용기의 수치 설계 접근법"에서 발췌했습니다.
P4H는 탄소 섬유 강화 에폭시로 감싼 복합재 인장 스트랩/스트럿이 있는 열가소성 프레임을 사용하는 실험용 큐브 탱크를 제작했습니다. HyDDen은 유사한 설계를 사용하지만, 모든 열가소성 복합재 탱크를 자동 섬유 적층(AFP) 방식으로 제작할 예정입니다.
1995년 Thiokol Corp.의 "복합 성형 압력 용기" 특허 출원부터 1997년 독일 특허 DE19749950C2에 이르기까지, 압축 가스 용기는 "어떤 기하학적 형상이라도 가질 수 있지만", 특히 쉘 지지대에 연결된 공동 내부에는 평평하고 불규칙한 형상의 요소들이 사용되어 가스의 팽창력을 견딜 수 있도록 설계되었습니다.
2006년 로렌스 리버모어 국립 연구소(LLNL) 논문에서는 세 가지 접근 방식을 설명합니다. 첫째, 필라멘트 와인딩 방식의 적합 압력 용기, 둘째, 내부에 직교 격자 구조(2cm 이하의 작은 셀)를 포함하고 얇은 벽의 H2 용기로 둘러싸인 미세 격자 압력 용기, 셋째, 접착된 작은 부품(예: 육각형 플라스틱 링)으로 구성된 내부 구조와 얇은 외부 껍질로 이루어진 복제 용기입니다. 복제 용기는 기존 방법을 적용하기 어려운 대형 용기에 가장 적합합니다.
2009년 폭스바겐이 출원한 특허 DE102009057170A는 차량에 장착되는 압력 용기에 대해 설명하고 있는데, 이 용기는 공간 활용도를 높이면서 높은 중량 효율을 제공합니다. 직사각형 탱크는 마주 보는 두 직사각형 벽 사이에 인장 연결 장치를 사용하고 모서리는 둥글게 처리되어 있습니다.
위에서 언급한 개념들을 비롯한 여러 개념들은 Gleiss 등이 ECCM20(2022년 6월 26~30일, 스위스 로잔)에서 발표한 논문 "스트레치 바를 이용한 정육면체 압력 용기의 공정 개발"에서 Gleiss가 인용한 내용입니다. 이 논문에서 Gleiss는 Michael Roof와 Sven Zaremba가 발표한 TUM 연구를 인용하는데, 이 연구에 따르면 직사각형 측면을 연결하는 인장 스트럿이 있는 정육면체 압력 용기가 평면 배터리 공간에 맞는 여러 개의 작은 원통형 용기보다 효율적이며 약 25% 더 많은 저장 공간을 제공하는 것으로 나타났습니다.
글라이스에 따르면, 작은 4형 실린더를 평평한 케이스에 다량 설치하는 문제점은 "실린더 사이의 공간이 크게 줄어들고 시스템의 수소 가스 투과 표면적이 매우 커진다는 것"입니다. "결국, 이 시스템은 정육면체 용기보다 저장 용량이 적습니다."
하지만 탱크의 정육면체 디자인에는 다른 문제점이 있습니다. 글라이스는 "압축 가스 때문에 평평한 벽면에 작용하는 굽힘력을 상쇄해야 합니다."라고 말했습니다. "이를 위해서는 탱크 벽면에 내부적으로 연결되는 강화 구조가 필요합니다. 하지만 복합재료로는 이러한 구조를 구현하기 어렵습니다."
글레이스와 그녀의 팀은 필라멘트 와인딩 공정에 적합한 방식으로 압력 용기에 보강 인장봉을 통합하려고 시도했습니다. 그녀는 "이는 대량 생산에 중요하며, 또한 용기 벽의 와인딩 패턴을 설계하여 해당 구역의 각 적재물에 대한 섬유 배향을 최적화할 수 있게 해줍니다."라고 설명합니다.
P4H 프로젝트용 시험용 정육면체 복합재 탱크 제작 4단계. 이미지 출처: "브레이스가 있는 정육면체 압력 용기 생산 공정 개발", 뮌헨 공과대학교, Polymers4Hydrogen 프로젝트, ECCM20, 2022년 6월.
온체인 구현을 위해 팀은 위 그림과 같이 네 가지 주요 단계로 구성된 새로운 개념을 개발했습니다. 단계에 검은색으로 표시된 인장 스트럿은 MAI 스켈레트 프로젝트에서 가져온 방법을 사용하여 제작된 사전 제작 프레임 구조입니다. 이 프로젝트에서 BMW는 섬유 강화 압출 성형봉 4개를 사용하여 앞유리 프레임 "프레임워크"를 개발한 후 이를 플라스틱 프레임으로 성형했습니다.
실험용 정육면체 수조의 프레임. 상단은 뮌헨공과대학교(TUM)에서 비강화 PLA 필라멘트를 사용하여 3D 프린팅한 육각형 골격 구조이며, 중간 부분은 CF/PA6 풀트루전 로드를 인장 보강재로 삽입한 후 필라멘트를 보강재 주위로 감쌌습니다(하단). 이미지 제공: 뮌헨공과대학교 LCC.
글레이스는 "핵심 아이디어는 정육면체 탱크의 프레임을 모듈식 구조로 제작하는 것입니다."라고 설명했습니다. "이러한 모듈들을 성형틀에 넣고, 프레임 모듈에 인장 버팀대를 배치한 다음, MAI 스켈렛의 방식을 사용하여 버팀대 주변에 통합함으로써 프레임 부품과 결합합니다." 이 대량 생산 방식을 통해 만들어진 구조물은 저장 탱크 복합재 외피를 감싸는 맨드릴 또는 코어 역할을 합니다.
TUM은 탱크 프레임을 측면은 단단하고 모서리는 둥글며 위아래에 육각형 패턴이 있는 정육면체 형태의 "쿠션"으로 설계했습니다. 이 육각형 패턴을 통해 고정용 끈을 삽입하고 고정할 수 있습니다. 이러한 끈을 고정하는 구멍 또한 3D 프린팅으로 제작되었습니다. 글레이스는 "초기 실험용 탱크의 경우, 폴리락트산(PLA, 바이오 기반 열가소성 수지)을 사용하여 육각형 프레임 부분을 3D 프린팅했는데, 쉽고 저렴했기 때문입니다."라고 말했습니다.
연구팀은 SGL Carbon(독일 마이팅겐)에서 압출 성형된 탄소 섬유 강화 폴리아미드 6(PA6) 막대 68개를 구입하여 타이로 사용했습니다. 글라이스는 "개념을 테스트하기 위해 성형 공정을 거치지 않고 3D 프린팅된 벌집형 코어 프레임에 스페이서를 삽입하고 에폭시 접착제로 붙였습니다. 이렇게 하면 탱크를 감는 데 사용할 맨드릴이 만들어집니다."라고 설명했습니다. 그녀는 이 막대를 감는 것이 비교적 쉽지만, 나중에 설명할 몇 가지 중요한 문제점이 있다고 덧붙였습니다.
“첫 번째 단계에서 우리의 목표는 설계의 제조 가능성을 입증하고 생산 개념의 문제점을 파악하는 것이었습니다.”라고 글라이스는 설명했습니다. “그래서 인장 지지대는 골격 구조의 외표면에서 돌출되어 있으며, 습식 필라멘트 와인딩을 사용하여 탄소 섬유를 이 코어에 부착합니다. 그 후 세 번째 단계에서는 각 타이 로드의 헤드를 구부립니다. 열가소성 수지이기 때문에 열을 가하여 헤드 모양을 변형시켜 평평하게 만들고 첫 번째 래핑 층에 고정합니다. 그런 다음 구조물을 다시 래핑하여 평평한 추력 헤드가 탱크 벽면의 라미네이트 내부에 기하학적으로 완전히 밀착되도록 합니다.”
권선용 스페이서 캡. 뮌헨공과대학교(TUM)는 필라멘트 권선 중 섬유가 엉키는 것을 방지하기 위해 장력 조절봉 끝에 플라스틱 캡을 사용합니다. 이미지 제공: 뮌헨공과대학교 LCC.
글레이스는 이 첫 번째 탱크가 개념 증명용이었다고 재차 강조했습니다. "3D 프린팅과 접착제 사용은 초기 테스트 목적으로만 사용되었으며, 이를 통해 몇 가지 문제점을 파악할 수 있었습니다. 예를 들어, 권선 과정에서 필라멘트가 장력봉 끝부분에 걸려 섬유가 끊어지거나 손상되는 문제가 발생했고, 이로 인해 섬유 사용량이 줄어들었습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 첫 번째 권선 단계 전에 기둥에 플라스틱 캡을 씌우는 방식을 사용했습니다. 그런 다음 내부 라미네이트를 제작할 때 이 보호 캡을 제거하고 최종 권선 전에 기둥 끝부분을 다시 다듬었습니다."
팀은 다양한 재건 시나리오를 실험했습니다. 그레이스는 "주변을 살펴보는 것이 가장 효과적입니다."라고 말합니다. "또한, 시제품 제작 단계에서는 개조된 용접 도구를 사용하여 열을 가하고 타이로드 끝부분의 모양을 변형했습니다. 대량 생산 방식에서는 하나의 더 큰 도구를 사용하여 모든 스트럿 끝부분을 동시에 내부 마감 라미네이트로 성형할 수 있을 것입니다."
견인봉 머리 부분이 재설계되었습니다. 뮌헨공과대학교(TUM)는 다양한 개념을 실험하고 용접 부위를 수정하여 복합재 연결재 끝단이 탱크 벽 라미네이트에 부착될 수 있도록 정렬했습니다. 이미지 출처: "브레이스가 있는 정육면체 압력 용기 생산 공정 개발", 뮌헨공과대학교, Polymers4Hydrogen 프로젝트, ECCM20, 2022년 6월.
따라서, 첫 번째 권선 단계 후 라미네이트가 경화되고, 기둥이 재성형되며, TUM이 필라멘트의 두 번째 권선을 완료한 다음, 외부 탱크 벽 라미네이트가 두 번째로 경화됩니다. 이는 가스 차단막 역할을 하는 플라스틱 라이너가 없는 5형 탱크 설계임을 유의하십시오. 아래 "다음 단계" 섹션의 설명을 참조하십시오.
글레이스는 "첫 번째 시제품을 단면으로 잘라 연결된 영역을 매핑했습니다."라고 말했습니다. "자세히 보면 라미네이트에 품질 문제가 있었는데, 지지대 머리가 내부 라미네이트에 평평하게 놓이지 않았습니다."
탱크 내벽과 외벽의 적층판 사이의 틈 문제를 해결했습니다. 수정된 타이로드 헤드는 실험용 탱크의 첫 번째 회전부와 두 번째 회전부 사이에 틈을 만듭니다. 이미지 제공: 뮌헨 공과대학교 LCC.
이 초기형 450 x 290 x 80mm 탱크는 지난 여름에 완성되었습니다. 글레이스는 "그 이후로 많은 진전을 이루었지만, 여전히 내부와 외부 라미네이트 사이에 틈이 남아 있습니다."라고 말했습니다. "그래서 우리는 깨끗하고 점도가 높은 수지로 그 틈을 메우려고 했습니다. 이렇게 하면 스터드와 라미네이트 사이의 접착력이 향상되어 기계적 강도가 크게 증가합니다."
팀은 원하는 권선 패턴을 위한 솔루션을 포함하여 탱크 설계 및 공정 개발을 계속했습니다. 글레이스는 "시험 탱크 측면이 완전히 말려 올라가지 않은 이유는 이러한 형상으로는 권선 경로를 만들기가 어려웠기 때문입니다."라고 설명했습니다. "초기 권선 각도는 75°였지만, 이 압력 용기의 부하를 충족하려면 여러 회로가 필요하다는 것을 알았습니다. 이 문제에 대한 해결책을 여전히 찾고 있지만, 현재 시판되는 소프트웨어로는 쉽지 않습니다. 이는 후속 프로젝트가 될 수도 있습니다."
글라이스는 "이 생산 개념의 실현 가능성을 입증했지만, 라미네이트 간의 연결을 개선하고 타이 로드의 형상을 재설계하기 위해 추가적인 노력이 필요합니다."라고 말했습니다. "시험 장비를 이용한 외부 테스트를 통해 라미네이트에서 스페이서를 빼내고 접합부가 견딜 수 있는 기계적 하중을 측정할 것입니다."
Polymers4Hydrogen 프로젝트의 이 부분은 2023년 말에 완료될 예정이며, 글레이스 연구소는 그때까지 두 번째 실증 탱크를 완성할 수 있기를 희망합니다. 흥미롭게도 현재 설계에서는 프레임에는 순수 강화 열가소성 수지를, 탱크 벽에는 열경화성 복합재를 사용합니다. 최종 실증 탱크에도 이러한 하이브리드 방식이 사용될까요? 그레이스 연구소장은 "네"라고 답했습니다. "Polymers4Hydrogen 프로젝트의 파트너들은 수소 차단성이 더 우수한 에폭시 수지와 기타 복합 매트릭스 재료를 개발하고 있습니다." 그녀는 이 연구에 참여하는 두 파트너로 PCCL과 핀란드 탐페레 대학교를 언급했습니다.
글라이스와 그녀의 팀은 LCC 등각 복합재 탱크를 사용한 두 번째 HyDDen 프로젝트에 대해 예거와 정보를 교환하고 아이디어를 논의했습니다.
"저희는 연구용 드론에 사용할 수 있는 형상 적합형 복합재 압력 용기를 제작할 예정입니다."라고 예거 교수는 말합니다. "이 프로젝트는 뮌헨공과대학교(TUM) 항공우주 및 측지학과(LCC)와 헬리콥터 기술학과(HT)의 협력으로 진행됩니다. 2024년 말까지 완료될 예정이며, 현재 압력 용기 설계를 마무리하고 있습니다. 설계는 항공우주 및 자동차 분야에서 사용되는 접근 방식을 채택하고 있습니다. 초기 개념 설계 단계를 거친 후에는 상세한 구조 모델링을 수행하고 벽 구조의 차단 성능을 예측하는 작업을 진행할 것입니다."
"핵심 아이디어는 하이브리드 연료 전지 및 배터리 추진 시스템을 갖춘 탐사 드론을 개발하는 것입니다."라고 그는 말을 이었다. 이 드론은 고부하 시(예: 이착륙 시)에는 배터리를 사용하고, 저부하 순항 시에는 연료 전지로 전환한다. "HT 팀은 이미 연구용 드론을 보유하고 있었고, 이를 재설계하여 배터리와 연료 전지를 모두 사용할 수 있도록 동력 전달 장치를 개선했습니다."라고 예거는 말했다. "또한 이 변속기를 테스트하기 위해 CGH2 탱크도 구입했습니다."
"저희 팀은 원통형 탱크처럼 포장 문제가 생기지 않도록, 크기에 맞는 압력 탱크 프로토타입을 제작하는 임무를 맡았습니다."라고 그는 설명합니다. "납작한 탱크는 공기 저항이 적어 비행 성능이 향상됩니다." 탱크 크기는 약 830 x 350 x 173mm입니다.
완전 열가소성 AFP 규격 준수 탱크. HyDDen 프로젝트를 위해 뮌헨 공과대학교(TUM) LCC 팀은 처음에는 Glace(위)에서 사용한 것과 유사한 접근 방식을 검토했지만, 이후 여러 구조 모듈을 조합하여 AFP를 과도하게 사용하는 방식(아래)으로 전환했습니다. 이미지 제공: 뮌헨 공과대학교 LCC.
"엘리자베트 글라이스의 접근 방식과 유사한 아이디어가 하나 있습니다."라고 예거는 말합니다. "높은 굽힘력을 상쇄하기 위해 용기 벽에 인장 브레이스를 적용하는 것이죠. 하지만 탱크를 제작할 때 권선 공정을 사용하는 대신 AFP(자동 섬유 성형) 방식을 사용합니다. 따라서 랙이 이미 통합된 압력 용기의 별도 섹션을 만드는 것을 고려했습니다. 이 접근 방식을 통해 여러 개의 통합 모듈을 결합한 다음 최종 AFP 권선 전에 모든 것을 밀봉하기 위해 엔드 캡을 적용할 수 있었습니다."
그는 이어서 “우리는 그러한 개념을 구체화하고 있으며, 수소 가스 침투에 필요한 저항성을 확보하는 데 매우 중요한 재료 선정 테스트도 시작하고 있습니다. 이를 위해 주로 열가소성 재료를 사용하고 있으며, 재료가 수소 투과 거동과 AFP 장비에서의 가공에 어떤 영향을 미칠지 다양한 측면에서 연구하고 있습니다. 처리가 효과가 있는지, 후처리가 필요한지 파악하는 것이 중요합니다. 또한, 다양한 적층 구조가 압력 용기를 통한 수소 투과에 어떤 영향을 미치는지도 알아보고자 합니다.”라고 말했습니다.
탱크는 전체가 열가소성 수지로 제작될 예정이며, 스트립은 테이진 카본 유럽 GmbH(독일 부퍼탈 소재)에서 공급받을 것입니다. 예거는 "우리는 테이진의 PPS(폴리페닐렌 설파이드), PEEK(폴리에테르 케톤), LM PAEK(저융점 폴리아릴 케톤) 소재를 사용할 것입니다."라고 말했습니다. "그런 다음 어떤 소재가 관통 방지에 가장 적합하고 성능이 더 좋은 부품을 생산하는지 비교 분석할 것입니다." 그는 내년 안에 테스트, 구조 및 공정 모델링, 그리고 첫 번째 시연을 완료할 수 있기를 희망합니다.
본 연구는 오스트리아 연방 기후변화·환경·에너지·이동성·혁신·기술부와 연방 디지털 기술·경제부의 COMET 프로그램 내 "Polymers4Hydrogen"(ID 21647053) 모듈에서 수행되었습니다. 저자들은 본 연구에 참여해 주신 Polymer Competence Center Leoben GmbH(PCCL, 오스트리아), Montanuniversitaet Leoben(고분자공학 및 과학부, 고분자 재료 화학과, 재료 과학 및 고분자 시험학과), University of Tampere(재료공학부), Peak Technology 및 Faurecia에 감사를 표합니다. COMET 모듈은 오스트리아 정부와 슈타이어마르크 주 정부의 지원을 받았습니다.
하중 지지 구조물용 사전 보강 시트는 유리 섬유뿐만 아니라 탄소 섬유 및 아라미드 섬유와 같은 연속 섬유를 포함합니다.
복합 재료를 이용한 부품 제작 방법은 매우 다양합니다. 따라서 특정 부품에 적합한 제작 방법은 재료, 부품 설계, 최종 용도 또는 적용 분야에 따라 달라집니다. 다음은 제작 방법 선택 가이드입니다.
Shocker Composites와 R&M International은 동물을 도축하지 않고, 천연 섬유보다 저렴하며, 궁극적으로 구조적 특성 면에서 연속 섬유에 가까운 길이의 재활용 탄소 섬유를 제공하는 공급망을 개발하고 있습니다.
게시 시간: 2023년 3월 15일