BEV 및 FCEV 용 표준 플랫 플랫폼 탱크는 25% 더 많은 H2 스토리지를 제공하는 골격 구조와 함께 열가소성 및 서모 세트 복합재를 사용합니다. #Hydrogen #trends
BMW와의 협력에 따르면 입방 탱크가 여러 소형 실린더보다 더 높은 체적 효율성을 제공 할 수 있음을 보여 주었을 때, 뮌헨의 기술 대학은 복합 구조와 직렬 생산을위한 확장 가능한 제조 공정을 개발하기위한 프로젝트를 시작했습니다. 이미지 크레디트 : Tu Dresden (왼쪽), 뮌헨 기술 대학교, 탄소 복합부 (LCC)
제로 방출 (H2)에 의해 구동되는 연료 전지 전기 자동차 (FCEV)는 환경 목표를 달성하기위한 추가 수단을 제공합니다. H2 엔진이 장착 된 연료 전지 승용차는 5-7 분 안에 채울 수 있으며 500km의 범위를 가지고 있지만 현재는 낮은 생산량으로 인해 더 비쌉니다. 비용을 줄이는 한 가지 방법은 BEV 및 FCEV 모델에 표준 플랫폼을 사용하는 것입니다. FCEV의 700 bar에 압축 된 H2 가스 (CGH2)를 저장하는 데 사용되는 타입 4 원통형 탱크는 전기 자동차 용으로 신중하게 설계된 언더 바디 배터리 실에 적합하지 않기 때문에 현재는 불가능합니다. 그러나 베개와 큐브 형태의 압력 용기는이 평평한 포장 공간에 들어갈 수 있습니다.
"복합 컨 포멀 압력 용기"에 대한 US5577630a, 1995 년 Thiokol Corp. (왼쪽) 및 2009 년 BMW가 특허받은 직사각형 압력 용기 (오른쪽).
뮌헨의 기술 대학 (Tum, Munich, Germany)의 탄소 복합부 (LCC)는이 개념을 개발하기위한 두 가지 프로젝트에 참여하고 있습니다. 첫 번째는 Leoben 중합체 역량 센터 (PCCL, 오스트리아 Leoben)가 이끄는 Polymers4hydrogen (P4H)입니다. LCC 작업 패키지는 동료 Elizabeth Glace가 주도합니다.
두 번째 프로젝트는 LCC가 Christian Jaeger에 의해 주도하는 수소 데모 및 개발 환경 (Hydden)입니다. 둘 다 탄소 섬유 복합재를 사용하여 적절한 CGH2 탱크를 만들기위한 제조 공정의 대규모 데모를 만드는 것을 목표로합니다.
작은 직경 실린더가 평평한 배터리 셀 (왼쪽)에 설치되고 강철 라이너와 탄소 섬유/에폭시 복합 외부 쉘 (오른쪽)으로 제작 된 입방 유형 2 압력 용기에 설치 될 때 부피 효율이 제한되어 있습니다. 이미지 출처 : 그림 3과 6은 RUF와 Zaremba et al.
P4H는 탄소 섬유 강화 에폭시에 싸인 복합 장력 스트랩/스트럿이있는 열가소성 프레임을 사용하는 실험 큐브 탱크를 제조 하였다. Hydden은 유사한 설계를 사용하지만 AFP (Automatic Fiber Layup)를 사용하여 모든 열가소성 복합 탱크를 제조합니다.
1995 년 Thiokol Corp.의 특허 출원에서 1995 년 독일 특허 DE19749950C2에 이르기까지 1997 년에 "복합 적정 압력 용기"에 이르기까지 압축 가스 혈관은“기하학적 구성을 가질 수있다”, 특히 쉘 지지대에 연결된 평평하고 불규칙한 형태를 가질 수 있습니다. . 요소는 가스의 팽창 힘을 견딜 수 있도록 사용됩니다.
2006 LAWRENCE LIVERMORE National Laboratory (LLNL) 논문은 세 가지 접근법을 설명합니다. 필라멘트 상처 컨 포멀 압력 용기, 얇은 차량 H2 컨테이너로 둘러싸인 내부 오후 정열 격자 구조 (2cm 이하의 작은 세포)를 함유하는 미세 율적 압력 용기. 그리고 접착 된 작은 부품 (예 : 육각형 플라스틱 링)으로 구성된 내부 구조로 구성된 복제기 용기 및 얇은 외부 껍질 피부의 구성. 복제 용기는 전통적인 방법을 적용하기 어려운 대형 컨테이너에 가장 적합합니다.
2009 년 폭스 바겐에서 제출 한 특허 DE102009057170A는 공간 활용을 개선하면서 높은 중량 효율을 제공 할 차량 장착 압력 용기에 대해 설명합니다. 직사각형 탱크는 두 개의 직사각형 반대쪽 벽 사이에 장력 커넥터를 사용하고 모서리가 둥글게됩니다.
Gleiss et al.의 위와 다른 개념은“스트레치 바가있는 입방 압력 용기를위한 프로세스 개발”에서 Gleiss에 의해 인용됩니다. ECCM20 (2022 년 6 월 26-30 일, 스위스 로잔)에서. 이 기사에서, 그녀는 Michael Roof와 Sven Zaremba가 발표 한 Tum 연구를 인용합니다.이 기사는 직사각형 측면을 연결하는 장력 스트럿이있는 입방 압력 용기가 평평한 배터리의 공간에 맞는 여러 개의 작은 실린더보다 더 효율적이라는 것을 발견했습니다. % 더. 저장 공간.
Gleiss에 따르면, 평평한 경우에 많은 작은 유형 4 실린더를 설치하는 데 문제가있는 것은“실린더 사이의 부피가 크게 줄어들고 시스템은 또한 매우 큰 H2 가스 침투 표면을 갖는다는 것입니다. 전반적 으로이 시스템은 입방 병보다 저장 용량이 적습니다.”
그러나 탱크의 입방 설계에는 다른 문제가 있습니다. Gleiss는“압축 가스로 인해 평평한 벽의 굽힘 힘을 대응해야합니다. “이를 위해서는 탱크 벽에 내부적으로 연결되는 강화 구조가 필요합니다. 그러나 그것은 합성물과 관련이 있습니다.”
Glace와 그녀의 팀은 필라멘트 권선 과정에 적합한 방식으로 강화 장력 막대를 압력 용기에 통합하려고했습니다. 그녀는“이것은 대량 생산에 중요합니다. 또한 컨테이너 벽의 와인딩 패턴을 설계하여 영역의 각 부하에 대한 광섬유 방향을 최적화 할 수 있습니다.”라고 설명합니다.
P4H 프로젝트를위한 시험 입방 복합 탱크를 만드는 4 단계. 이미지 크레디트 :“버팀대가있는 입방압 용기의 생산 공정 개발”, 뮌헨 기술 대학교, Polymers4hydrogen Project, ECCM20, 2022 년 6 월.
온쇄를 달성하기 위해 팀은 위에 표시된 것처럼 네 가지 주요 단계로 구성된 새로운 개념을 개발했습니다. 단계에서 검은 색으로 표시된 인장 스트럿은 Mai Skelett 프로젝트에서 가져온 방법을 사용하여 제작 된 조립식 프레임 구조입니다. 이 프로젝트를 위해 BMW는 4 개의 섬유 강화 강 통로 막대를 사용하여 앞 유리 프레임 "프레임 워크"를 개발 한 다음 플라스틱 프레임으로 성형했습니다.
실험 입방 탱크의 프레임. 육각형 골격 섹션 3D 강력한 PLA 필라멘트 (상단)를 사용하여 TUM에 의해 인쇄되고, CF/PA6 펄 트러 션 막대를 장력 버팀대 (중간)로 삽입 한 다음 브라스 주위 (하단) 주위에 필라멘트를 감습니다. 이미지 크레디트 : 뮌헨 기술 대학 LCC.
Glace는“아이디어는 입방 탱크의 프레임을 모듈 식 구조로 만들 수 있다는 것입니다. "이러한 모듈은 성형 도구에 배치되고, 장력 스트럿은 프레임 모듈에 배치 된 다음, Mai Skelett의 방법은 스트럿 주변에서 프레임 부품과 통합하는 데 사용됩니다." 대량 생산 방법으로 저장 탱크 복합 쉘을 감싸기 위해 맨드 릴 또는 코어로 사용되는 구조를 초래합니다.
TUM은 탱크 프레임을 단단한 측면, 둥근 모서리 및 상단과 하단의 육각형 패턴을 가진 입방 "쿠션"으로 설계하여 타이를 삽입하고 부착 할 수 있습니다. 이 랙의 구멍도 3D 인쇄되었습니다. Glace는“초기 실험 탱크의 경우 폴리 락트 산 [바이오 기반 열가소성 인 PLA]를 사용하여 3D 인쇄 된 육각형 프레임 섹션을 3D 인쇄했습니다.
이 팀은 SGL 탄소 (Meitingen, Germany)에서 68 개의 pultruded Carbon Fiber 강화 폴리 아미드 6 (PA6) 막대를 구매하여 유대로 사용했습니다. Gleiss는“개념을 테스트하기 위해 성형을하지 않았지만 스페이서를 3D 인쇄 벌집 코어 프레임에 삽입하여 에폭시 접착제로 붙였습니다. 그런 다음 탱크를 감을 수있는 맨드 릴을 제공합니다.” 그녀는이 막대가 바람이 비교적 쉽게 바람을 피우지 만 나중에 설명 할 중요한 문제가 있다고 지적합니다.
Gleiss는“첫 번째 단계에서 우리의 목표는 설계의 제조 가능성을 보여주고 생산 개념의 문제를 식별하는 것이 었습니다. “따라서 긴장 스트럿은 골격 구조의 외부 표면에서 튀어 나와 습식 필라멘트 권선을 사용하여 탄소 섬유를이 코어에 부착합니다. 그 후, 세 번째 단계에서, 우리는 각 타이로드의 머리를 구부립니다. 열가소성, 따라서 우리는 열을 사용하여 머리를 재구성하여 랩핑의 첫 번째 층에 구분되도록 머리를 재구성합니다. 그런 다음 플랫 스러스트 헤드가 탱크 내에서 기하학적으로 둘러싸여 있도록 구조물을 다시 감습니다. 벽에 라미네이트.
와인딩을위한 스페이서 캡. TUM은 장력 막대 끝에 플라스틱 캡을 사용하여 필라멘트 권선 중에 섬유가 엉키지 않도록합니다. 이미지 크레디트 : 뮌헨 기술 대학 LCC.
Glace는이 첫 번째 탱크가 개념 증명이라고 반복했습니다. “3D 프린팅 및 접착제 사용은 초기 테스트를위한 것이 었으며 우리가 직면 한 몇 가지 문제에 대한 아이디어를 제공했습니다. 예를 들어, 와인딩 중에, 필라멘트는 장력 막대의 끝에 잡히고 섬유 파손, 섬유 손상을 유발하고이를 대응하기 위해 섬유의 양을 줄였습니다. 우리는 첫 번째 와인딩 단계 전에 극에 놓인 제조 보조제로 몇 가지 플라스틱 캡을 사용했으며, 내부 라미네이트가 만들어 졌을 때이 보호 캡을 제거하고 최종 포장 전에 극의 끝을 재구성했습니다.”
팀은 다양한 재구성 시나리오를 실험했습니다. Grace는“주변을 둘러 보는 사람들은 최선을 다합니다. “또한 프로토 타이핑 단계에서 수정 된 용접 도구를 사용하여 열을 적용하고 타이로드 엔드를 재구성했습니다. 대량 생산 개념에서는 스트럿의 모든 끝을 동시에 내부 마감 라미네이트로 형성하고 형성 할 수있는 더 큰 도구가 있습니다. . '
Drawbar 헤드가 재구성되었습니다. TUM은 다른 개념을 실험하고 용접을 수정하여 탱크 벽 라미네이트에 부착하기위한 복합 타이의 끝을 정렬했습니다. 이미지 크레디트 :“버팀대가있는 입방압 용기의 생산 공정 개발”, 뮌헨 기술 대학교, Polymers4hydrogen Project, ECCM20, 2022 년 6 월.
따라서, 첫 번째 와인딩 단계 후에 라미네이트가 경화되고, 포스트가 재 형성되고, Tum은 필라멘트의 두 번째 권선을 완료 한 다음, 외부 탱크 벽 라미네이트가 두 번째로 경화된다. 이것은 타입 5 탱크 설계이므로 가스 장벽으로 플라스틱 라이너가 없음을 의미합니다. 아래의 다음 단계 섹션에서 토론을 참조하십시오.
Glace는“첫 번째 데모를 단면으로 자르고 연결된 영역을 매핑했습니다. "클로즈업은 우리가 라미네이트와의 품질 문제가 있음을 보여줍니다.
탱크의 내부 벽과 외벽의 라미네이트 사이의 틈새 문제 해결. 수정 된 타이로드 헤드는 실험 탱크의 첫 번째 턴과 두 번째 회전 사이의 간격을 만듭니다. 이미지 크레디트 : 뮌헨 기술 대학 LCC.
이 초기 450 x 290 x 80mm 탱크는 지난 여름에 완성되었습니다. Glace는“우리는 그 이후로 많은 진전을 보였지만 여전히 내부와 외부 라미네이트 사이의 간격이 있습니다. “그래서 우리는 깨끗하고 높은 점도 수지로 그 간격을 채우려 고 노력했습니다. 이것은 실제로 스터드와 라미네이트 사이의 연결을 향상시켜 기계적 응력을 크게 증가시킵니다.”
팀은 원하는 와인딩 패턴에 대한 솔루션을 포함하여 탱크 설계 및 프로세스를 계속 개발했습니다. Glace는“테스트 탱크의 측면은이 지오메트리가 와인딩 경로를 만들기가 어렵 기 때문에 완전히 말리지 않았습니다. “초기 와인딩 각도는 75 ° 였지만이 압력 용기의 하중을 충족시키기 위해 여러 회로가 필요하다는 것을 알았습니다. 우리는 여전히이 문제에 대한 해결책을 찾고 있지만 현재 시장에 나와있는 소프트웨어는 쉽지 않습니다. 후속 프로젝트가 될 수 있습니다.
Gleiss는“우리는이 생산 개념의 타당성을 보여 주었지만 라미네이트와 타이로드를 재구성하는 것 사이의 연결을 개선하기 위해 더 노력해야합니다. “테스트 머신의 외부 테스트. 스페이서를 라미네이트에서 꺼내어 관절이 견딜 수있는 기계적 하중을 테스트합니다.”
Polymers4hydrogen Project 의이 부분은 2023 년 말에 완료 될 예정이며,이 시점까지 Gleis는 두 번째 데모 탱크를 완성하기를 희망합니다. 흥미롭게도, 오늘날 설계는 프레임에 깔끔한 강화 열가소성을 사용하고 탱크 벽의 열경 집합 복합재를 사용합니다. 이 하이브리드 접근법은 최종 데모 탱크에서 사용됩니까? 그레이스가 말했다. "Polymers4hydrogen Project의 파트너는 수소 장벽 특성이 우수한 에폭시 수지 및 기타 복합 매트릭스 재료를 개발하고 있습니다." 그녀는이 작업을 수행하는 두 파트너 인 PCCL과 University of Tampere (Tampere, Finland)를 나열합니다.
Gleiss와 그녀의 팀은 또한 LCC Compormal Composite Tank의 두 번째 하이드 덴 프로젝트에서 정보를 교환하고 Jaeger와 아이디어를 논의했습니다.
Jaeger는“우리는 연구 드론을위한 적합성 복합 압력 용기를 생산할 것입니다. “이것은 항공 우주의 두 부서와 TUM - LCC의 지정부와 헬리콥터 기술 부서 (HT) 사이의 협력입니다. 이 프로젝트는 2024 년 말까지 완료 될 예정이며 현재 압력 용기를 완성하고 있습니다. 항공 우주 및 자동차 접근 방식에 더 많은 디자인. 이 초기 개념 단계 후에, 다음 단계는 상세한 구조 모델링을 수행하고 벽 구조의 장벽 성능을 예측하는 것입니다.”
"전체 아이디어는 하이브리드 연료 전지와 배터리 추진 시스템으로 탐색 적 드론을 개발하는 것입니다." 고전력 하중 (예 : 이륙 및 착륙) 중에 배터리를 사용한 다음 광 하중 순항에서 연료 전지로 전환합니다. "HT 팀은 이미 연구 드론을 가지고 있었고 배터리와 연료 전지를 모두 사용하기 위해 파워 트레인을 재 설계했습니다."라고 Yeager는 말했습니다. "그들은 또한이 전송을 테스트하기 위해 CGH2 탱크를 구입했습니다."
“우리 팀은 제고 탱크가 생성 할 포장 문제로 인해 적합한 압력 탱크 프로토 타입을 구축하는 임무를 맡았습니다.”라고 그는 설명합니다. “더 평평한 탱크는 풍력이 많은 것을 제공하지 않습니다. 그래서 당신은 더 나은 비행 성능을 얻을 수 있습니다.” 탱크 치수 약. 830 x 350 x 173 mm.
완전 열가소성 AFP 호환 탱크. Hydden Project의 경우 TUM의 LCC 팀은 처음에 Glace (위)에서 사용하는 것과 유사한 접근 방식을 탐색했지만, 여러 구조 모듈의 조합을 사용하여 접근 방식으로 이동 한 다음 AFP를 사용하여 과도하게 사용했습니다 (아래). 이미지 크레디트 : 뮌헨 기술 대학 LCC.
Yager는“한 가지 아이디어는 Elisabeth [Gleiss의] 접근 방식과 유사합니다. 그러나 탱크를 만들기 위해 와인딩 프로세스를 사용하는 대신 AFP를 사용합니다. 따라서 우리는 랙이 이미 통합 된 압력 용기의 별도 섹션을 만드는 것에 대해 생각했습니다. 이 접근법을 사용하면 이러한 통합 모듈 중 몇 가지를 결합한 다음 최종 AFP 와인딩 전에 모든 것을 밀봉하기 위해 엔드 캡을 적용 할 수있었습니다.”
“우리는 그러한 개념을 마무리하려고 노력하고 있습니다. 또한 재료 선택을 테스트하기 시작하여 H2 가스 침투에 필요한 저항을 보장하는 데 매우 중요합니다. 이를 위해, 우리는 주로 열가소성 재료를 사용하며 재료가 AFP 기계 에서이 투과 동작 및 처리에 어떤 영향을 미치는지 다양한 작업을 수행하고 있습니다. 치료에 영향을 미치는 지 이해하고 사후 처리가 필요한지 이해하는 것이 중요합니다. 또한 다른 스택이 압력 용기를 통한 수소 침투에 영향을 미칠지 알고 싶습니다.”
탱크는 전적으로 열가소성으로 만들어지며 스트립은 Teijin Carbon Europe Gmbh (Wuppertal, Germany)에 의해 공급됩니다. Yager는“우리는 그들의 PPS [폴리 페닐 렌 황화물], 엿보기 [폴리 에테르 케톤] 및 LM PAEK [저용 폴리 아릴 케톤] 재료를 사용할 것”이라고 말했다. "그런 다음 침투 보호 및 더 나은 성능으로 부품을 생산하는 데 가장 적합한 것이 무엇인지 확인하기 위해 비교됩니다." 그는 내년 내에 테스트, 구조 및 프로세스 모델링 및 첫 시연을 완료하기를 희망합니다.
연구 작업은 기후 변화, 환경, 에너지, 이동성, 혁신 및 기술 및 디지털 기술 및 경제를위한 연방부의 혜성 프로그램 내에서 혜성 모듈“Polymers4hydrogen”(ID 21647053) 내에서 수행되었습니다. . 저자는 참여 파트너 중합체 역량 센터 Leoben Gmbh (오스트리아 PCCL), Montanuniversitaet Leoben (폴리머 공학 및 과학 교수, 중합체 재료 화학과, 재료 과학 및 중합체 테스트 부), Tampere 대학교 (Engineering of Engineering) 재료). ) 과학), 피크 기술과 파우 레시아는이 연구 작업에 기여했습니다. Comet-Modul은 오스트리아 정부와 스티리아 정부가 자금을 지원합니다.
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