BEV 및 FCEV용 표준 평면 플랫폼 탱크는 25% 더 많은 H2 저장 공간을 제공하는 뼈대 구조의 열가소성 및 열경화성 복합재를 사용합니다. #수소 #트렌드
BMW와의 협력을 통해 입방형 탱크가 여러 개의 소형 실린더보다 더 높은 체적 효율성을 제공할 수 있음을 보여준 후 뮌헨 기술 대학은 연속 생산을 위한 복합 구조 및 확장 가능한 제조 프로세스를 개발하는 프로젝트에 착수했습니다. 이미지 출처: TU Dresden(상단 왼쪽), 뮌헨 공과대학교, 탄소 복합재학과(LCC)
배출가스 제로(H2) 수소로 구동되는 연료전지 전기자동차(FCEV)는 제로 환경 목표를 달성하기 위한 추가 수단을 제공합니다. H2 엔진을 장착한 연료전지 승용차는 5~7분 만에 주유가 가능하고 주행거리가 500km지만 현재 생산량이 적어 가격이 더 비싸다. 비용을 절감하는 한 가지 방법은 BEV 및 FCEV 모델에 표준 플랫폼을 사용하는 것입니다. FCEV에서 압축 H2 가스(CGH2)를 700bar로 저장하는 데 사용되는 Type 4 원통형 탱크는 전기 자동차용으로 세심하게 설계된 차체 하부 배터리 수납칸에 적합하지 않기 때문에 현재로서는 불가능합니다. 그러나 베개와 큐브 형태의 압력 용기는 이 평평한 포장 공간에 들어갈 수 있습니다.
"복합 형상 적응형 압력 용기"에 대한 특허 US5577630A, Thiokol Corp.가 1995년에 출원(왼쪽)하고 2009년에 BMW가 특허를 받은 직사각형 압력 용기(오른쪽).
뮌헨 기술 대학(TUM, 독일 뮌헨)의 탄소 복합재학과(LCC)는 이 개념을 개발하기 위한 두 가지 프로젝트에 참여하고 있습니다. 첫 번째는 Leoben Polymer Competence Center(PCCL, Leoben, Austria)가 주도하는 Polymers4Hydrogen(P4H)입니다. LCC 작업 패키지는 Elizabeth Glace 펠로우가 주도합니다.
두 번째 프로젝트는 Christian Jaeger 연구원이 LCC를 이끄는 수소 실증 및 개발 환경(HyDDen)입니다. 두 회사 모두 탄소 섬유 복합재를 사용하여 적합한 CGH2 탱크를 만들기 위한 제조 공정을 대규모로 시연하는 것을 목표로 하고 있습니다.
평평한 배터리 셀(왼쪽)과 강철 라이너와 탄소 섬유/에폭시 복합 외부 쉘로 만들어진 입방체 유형 2 압력 용기(오른쪽)에 작은 직경의 실린더를 설치하면 부피 효율성이 제한됩니다. 이미지 출처: 그림 3과 6은 Ruf와 Zaremba 등의 "내부 장력 다리가 있는 유형 II 압력 상자 용기에 대한 수치 설계 접근 방식"에서 가져온 것입니다.
P4H는 탄소 섬유 강화 에폭시로 감싼 복합 장력 스트랩/스트럿이 있는 열가소성 프레임을 사용하는 실험적인 큐브 탱크를 제작했습니다. HyDDen은 유사한 설계를 사용하지만 자동 섬유 적층(AFP)을 사용하여 모든 열가소성 복합재 탱크를 제조할 예정입니다.
Thiokol Corp.의 특허 출원부터 1995년 "복합 형상 등각 압력 용기", 1997년 독일 특허 DE19749950C2에 이르기까지 압축 가스 용기는 쉘 지지대에 연결된 공동에서 "모든 기하학적 구성을 가질 수 있지만" 특히 평평하고 불규칙한 모양을 가질 수 있습니다. . 가스의 팽창력을 견딜 수 있도록 요소가 사용됩니다.
2006년 LLNL(Lawrence Livermore National Laboratory) 논문에서는 세 가지 접근 방식을 설명합니다. 필라멘트로 감긴 등각 압력 용기, 얇은 벽으로 둘러싸인 H2 용기로 둘러싸인 내부 사방정계 격자 구조(2cm 이하의 작은 셀)를 포함하는 미세 격자 압력 용기, 접착된 작은 부품(예: 육각형 플라스틱 링)으로 구성된 내부 구조와 얇은 외부 껍질 스킨으로 구성된 복제기 컨테이너를 포함합니다. 중복 컨테이너는 기존 방법을 적용하기 어려울 수 있는 대형 컨테이너에 가장 적합합니다.
2009년 폭스바겐(Volkswagen)이 제출한 특허 DE102009057170A는 공간 활용도를 향상시키면서 높은 중량 효율성을 제공하는 차량 탑재 압력 용기를 설명합니다. 직사각형 탱크는 두 개의 직사각형 반대쪽 벽 사이에 장력 커넥터를 사용하며 모서리는 둥글게 처리되어 있습니다.
위와 다른 개념은 Gleiss 등이 쓴 "스트레치 바가 있는 입방형 압력 용기의 공정 개발" 논문에서 Gleiss가 인용했습니다. ECCM20(2022년 6월 26~30일, 스위스 로잔) 이 기사에서 그녀는 Michael Roof와 Sven Zaremba가 발표한 TUM 연구를 인용합니다. 이 연구에서는 직사각형 측면을 연결하는 인장 스트럿이 있는 입방형 압력 용기가 평평한 배터리 공간에 맞는 여러 개의 작은 실린더보다 더 효율적이라는 사실을 발견했습니다. % 더. 저장 공간.
Gleiss에 따르면, 평평한 케이스에 다수의 소형 4형 실린더를 설치할 때의 문제점은 “실린더 사이의 부피가 크게 줄어들고 시스템의 H2 가스 투과 표면도 매우 크다는 것입니다. 전반적으로 이 시스템은 입방형 병보다 저장 용량이 적습니다.”
그러나 탱크의 입방체 디자인에는 다른 문제가 있습니다. “분명히 압축 가스 때문에 평평한 벽에 가해지는 굽힘력에 대응해야 합니다.”라고 Gleiss는 말했습니다. “이를 위해서는 내부적으로 탱크 벽에 연결되는 강화된 구조가 필요합니다. 하지만 복합재료로는 그런 일이 어렵습니다.”
Glace와 그녀의 팀은 필라멘트 와인딩 공정에 적합한 방식으로 강화 장력 막대를 압력 용기에 통합하려고 했습니다. "이것은 대량 생산에 중요합니다. 또한 컨테이너 벽의 와인딩 패턴을 설계하여 구역의 각 하중에 대한 섬유 방향을 최적화할 수 있습니다."라고 그녀는 설명합니다.
P4H 프로젝트를 위한 시험용 입방체 복합 탱크를 만드는 4단계. 이미지 제공: "버팀대가 있는 입방형 압력 용기의 생산 공정 개발", 뮌헨 기술 대학, Polymers4Hydrogen 프로젝트, ECCM20, 2022년 6월.
온체인을 달성하기 위해 팀은 위와 같이 4가지 주요 단계로 구성된 새로운 개념을 개발했습니다. 계단에 검정색으로 표시된 인장 스트럿은 MAI Skelett 프로젝트에서 가져온 방법을 사용하여 제작된 조립식 프레임 구조입니다. 이 프로젝트를 위해 BMW는 4개의 섬유 강화 인발 막대를 사용하여 앞유리 프레임 "프레임워크"를 개발한 후 플라스틱 프레임으로 성형했습니다.
실험적인 큐빅 탱크의 프레임. 강화되지 않은 PLA 필라멘트(상단)를 사용하여 TUM에서 3D 프린팅한 육각형 골격 섹션(상단), CF/PA6 인발 막대를 장력 버팀대로 삽입(가운데)한 다음 필라멘트를 버팀대 주위에 감싼 것(하단). 이미지 크레디트: 뮌헨 공과대학 LCC.
"아이디어는 입방형 탱크의 프레임을 모듈식 구조로 구축할 수 있다는 것입니다."라고 Glace는 말했습니다. "그런 다음 이러한 모듈을 성형 도구에 배치하고 인장 스트럿을 프레임 모듈에 배치한 다음 MAI Skelett의 방법을 스트럿 주위에 사용하여 프레임 부품과 통합합니다." 대량 생산 방법으로 저장 탱크 복합 쉘을 감싸기 위한 맨드릴 또는 코어로 사용되는 구조가 만들어졌습니다.
TUM은 탱크 프레임을 견고한 측면, 둥근 모서리 및 타이를 삽입하고 부착할 수 있는 상단과 하단의 육각형 패턴을 갖춘 입방체 "쿠션"으로 설계했습니다. 이 랙의 구멍도 3D 프린팅되었습니다. Glace는 "초기 실험 탱크의 경우 폴리락트산(바이오 기반 열가소성 물질인 PLA)을 사용하여 육각형 프레임 섹션을 3D 프린팅했습니다. 그 이유는 그것이 쉽고 저렴했기 때문입니다."라고 Glace는 말했습니다.
팀은 타이로 사용하기 위해 SGL Carbon(독일 마이팅겐)에서 인발 성형 탄소 섬유 강화 폴리아미드 6(PA6) 막대 68개를 구입했습니다. "개념을 테스트하기 위해 우리는 어떤 몰딩도 하지 않았습니다"라고 Gleiss는 말합니다. "단지 3D 프린팅된 벌집형 코어 프레임에 스페이서를 삽입하고 에폭시 접착제로 접착했습니다. 그러면 탱크를 감는 데 필요한 맨드릴이 제공됩니다.” 그녀는 이러한 로드가 상대적으로 감기기 쉽지만 나중에 설명할 몇 가지 중요한 문제가 있다고 지적합니다.
“첫 번째 단계에서 우리의 목표는 설계의 제조 가능성을 입증하고 생산 개념의 문제를 식별하는 것이었습니다.”라고 Gleiss는 설명했습니다. “그래서 인장 스트럿이 골격 구조의 외부 표면에서 돌출되어 있으며, 습식 필라멘트 와인딩을 사용하여 탄소 섬유를 이 코어에 부착합니다. 그 후 세 번째 단계에서는 각 타이로드의 머리 부분을 구부립니다. 열가소성이므로 열을 사용하여 머리 모양을 변경하여 머리가 평평해지고 포장의 첫 번째 층에 고정되도록 합니다. 그런 다음 평평한 추력 헤드가 탱크 내에 기하학적으로 둘러싸이도록 구조를 다시 포장하는 작업을 진행합니다. 벽에 라미네이트.
와인딩용 스페이서 캡. TUM은 필라멘트 와인딩 중에 섬유가 엉키는 것을 방지하기 위해 텐션 로드 끝 부분에 플라스틱 캡을 사용합니다. 이미지 크레디트: 뮌헨 공과대학 LCC.
Glace는 이 첫 번째 전차가 개념 증명이었다고 반복했습니다. “3D 프린팅과 접착제의 사용은 초기 테스트에만 사용되었으며 우리가 직면한 몇 가지 문제에 대한 아이디어를 제공했습니다. 예를 들어, 권취시 필라멘트가 텐션로드의 끝부분에 걸려 섬유의 파손, 섬유의 손상이 발생하고 이에 대응하여 섬유의 양이 감소하는 현상이 있었습니다. 우리는 첫 번째 와인딩 단계 전에 폴에 배치된 제조 보조제로 몇 개의 플라스틱 캡을 사용했습니다. 그런 다음 내부 라미네이트가 만들어질 때 최종 포장 전에 이러한 보호 캡을 제거하고 폴 끝의 모양을 변경했습니다.”
팀은 다양한 재구성 시나리오를 실험했습니다. Grace는 “주변을 둘러보는 사람이 일을 가장 잘합니다.”라고 말합니다. “또한 프로토타입 제작 단계에서 수정된 용접 도구를 사용하여 열을 가하고 타이 로드 끝의 모양을 변경했습니다. 대량 생산 개념에서는 버팀대의 모든 끝을 동시에 내부 마감 라미네이트로 형성하고 형성할 수 있는 하나의 더 큰 도구가 있습니다. . ”
드로우바 헤드의 모양이 변경되었습니다. TUM은 다양한 개념을 실험하고 용접을 수정하여 탱크 벽 라미네이트에 부착하기 위한 복합 타이의 끝을 정렬했습니다. 이미지 제공: "버팀대가 있는 입방형 압력 용기의 생산 공정 개발", 뮌헨 기술 대학, Polymers4Hydrogen 프로젝트, ECCM20, 2022년 6월.
따라서, 라미네이트는 첫 번째 권취 단계 후에 경화되고 포스트는 재성형되며 TUM은 필라멘트의 두 번째 권취를 완료한 다음 외부 탱크 벽 라미네이트가 두 번째로 경화됩니다. 이는 유형 5 탱크 설계이므로 가스 장벽으로 플라스틱 라이너가 없음을 의미합니다. 아래 다음 단계 섹션의 토론을 참조하세요.
Glace는 "우리는 첫 번째 데모를 횡단면으로 나누고 연결된 영역을 매핑했습니다."라고 말했습니다. "클로즈업 결과, 스트럿 헤드가 내부 라미네이트에 평평하게 놓이지 않아 라미네이트에 품질 문제가 있는 것으로 나타났습니다."
탱크 내벽과 외벽의 라미네이트 사이의 틈 문제를 해결합니다. 수정된 타이로드 헤드는 실험용 탱크의 첫 번째 회전과 두 번째 회전 사이에 간격을 만듭니다. 이미지 크레디트: 뮌헨 공과대학 LCC.
이 초기 450 x 290 x 80mm 탱크는 지난 여름에 완성되었습니다. “그 이후로 우리는 많은 진전을 이루었지만 여전히 내부와 외부 라미네이트 사이에 격차가 있습니다.”라고 Glace는 말했습니다. “그래서 우리는 깨끗하고 점도가 높은 수지로 그 틈을 메우려고 노력했습니다. 이는 실제로 스터드와 라미네이트 사이의 연결을 향상시켜 기계적 응력을 크게 증가시킵니다.”
팀은 원하는 와인딩 패턴에 대한 솔루션을 포함하여 탱크 설계 및 프로세스를 계속 개발했습니다. Glace는 “이 기하학적 구조로 인해 구불구불한 경로를 생성하기가 어려웠기 때문에 테스트 탱크의 측면이 완전히 말리지 않았습니다.”라고 설명했습니다. “초기 권선 각도는 75°였지만 이 압력 용기의 부하를 충족하려면 여러 회로가 필요하다는 것을 알고 있었습니다. 우리는 이 문제에 대한 해결책을 계속 찾고 있지만 현재 시중에 나와 있는 소프트웨어로는 쉽지 않습니다. 후속 프로젝트가 될 수도 있습니다.
Gleiss는 “우리는 이 생산 개념의 타당성을 입증했습니다. 그러나 라미네이트 사이의 연결을 개선하고 타이 로드의 모양을 변경하기 위해 추가 작업이 필요합니다. “시험기에서 외부 테스트를 합니다. 라미네이트에서 스페이서를 당겨서 해당 조인트가 견딜 수 있는 기계적 부하를 테스트합니다.”
Polymers4Hydrogen 프로젝트의 이 부분은 2023년 말에 완료될 예정이며, 이때까지 Gleis는 두 번째 시범 탱크를 완성할 수 있기를 희망합니다. 흥미롭게도 오늘날 설계에서는 프레임에 깔끔한 강화 열가소성 수지를 사용하고 탱크 벽에는 열경화성 복합재를 사용합니다. 이 하이브리드 접근 방식이 최종 데모 탱크에 사용될 예정입니까? “그렇습니다.” 그레이스가 말했습니다. "Polymers4Hydrogen 프로젝트의 파트너는 더 나은 수소 차단 특성을 갖춘 에폭시 수지 및 기타 복합 매트릭스 재료를 개발하고 있습니다." 그녀는 이 작업에 참여하는 두 파트너, 즉 PCCL과 탐페레 대학교(핀란드 탐페레)를 나열합니다.
Gleiss와 그녀의 팀은 또한 LCC 컨포멀 복합재 탱크의 두 번째 HyDDen 프로젝트에 관해 Jaeger와 정보를 교환하고 아이디어를 논의했습니다.
“우리는 연구용 드론을 위한 등각 복합재 압력 용기를 생산할 것입니다.”라고 Jaeger는 말합니다. “이것은 TUM 항공우주 및 측지학과 LCC와 헬리콥터 기술학과(HT)의 두 부서 간의 협력입니다. 해당 프로젝트는 2024년 말까지 완료될 예정이며, 현재 압력용기를 완성하고 있습니다. 항공우주 및 자동차 접근 방식에 더 가까운 디자인입니다. 이 초기 개념 단계 이후의 다음 단계는 상세한 구조 모델링을 수행하고 벽 구조의 장벽 성능을 예측하는 것입니다.”
"전체 아이디어는 하이브리드 연료전지와 배터리 추진 시스템을 갖춘 탐사용 드론을 개발하는 것입니다."라고 그는 계속 말했습니다. 높은 전력 부하(예: 이륙 및 착륙) 중에는 배터리를 사용하고 가벼운 부하 순항 중에는 연료 전지로 전환합니다. "HT 팀은 이미 연구용 드론을 보유하고 있으며 배터리와 연료 전지를 모두 사용하도록 파워트레인을 재설계했습니다."라고 Yeager는 말했습니다. "그들은 또한 이 변속기를 테스트하기 위해 CGH2 탱크를 구입했습니다."
“저희 팀은 꼭 맞는 압력 탱크 프로토타입을 제작하는 임무를 맡았지만 원통형 탱크에서 발생하는 포장 문제 때문에 그런 일은 없었습니다.”라고 그는 설명합니다. “더 평평한 탱크는 바람에 대한 저항을 많이 제공하지 않습니다. 그래서 더 나은 비행 성능을 얻을 수 있습니다.” 탱크 크기 약. 830x350x173mm.
완전 열가소성 AFP 규격 탱크. HyDDen 프로젝트의 경우 TUM의 LCC 팀은 처음에 Glace(위)에서 사용한 것과 유사한 접근 방식을 탐색했지만 이후 AFP(아래)를 사용하여 과도하게 사용된 여러 구조 모듈의 조합을 사용하는 접근 방식으로 전환했습니다. 이미지 크레디트: 뮌헨 공과대학 LCC.
Yager는 “한 가지 아이디어는 Elisabeth [Gleiss]의 접근 방식과 유사합니다. 높은 굽힘 힘을 보상하기 위해 혈관 벽에 장력 버팀대를 적용하는 것입니다. 그러나 와인딩 공정을 사용하여 탱크를 만드는 대신 AFP를 사용합니다. 따라서 우리는 랙이 이미 통합되어 있는 압력 용기의 별도 섹션을 만드는 방법을 고려했습니다. 이 접근 방식을 통해 여러 통합 모듈을 결합한 다음 엔드 캡을 적용하여 최종 AFP 와인딩 전에 모든 것을 밀봉할 수 있었습니다.”
“우리는 이러한 개념을 완성하려고 노력하고 있습니다. 또한 H2 가스 침투에 필요한 저항을 보장하는 데 매우 중요한 재료 선택 테스트를 시작합니다. 이를 위해 우리는 주로 열가소성 재료를 사용하고 재료가 AFP 기계에서 이러한 투과 거동 및 처리에 어떻게 영향을 미치는지에 대해 다양한 연구를 진행하고 있습니다. 치료가 효과가 있는지, 후처리가 필요한지 이해하는 것이 중요합니다. 우리는 또한 서로 다른 스택이 압력 용기를 통한 수소 투과에 영향을 미치는지 알고 싶습니다.”
탱크 전체는 열가소성 수지로 만들어지며 스트립은 Teijin Carbon Europe GmbH(독일 부퍼탈)에서 공급됩니다. Yager는 “우리는 PPS(폴리페닐렌 설파이드), PEEK(폴리에테르 케톤) 및 LM PAEK(저융점 폴리아릴 케톤) 재료를 사용할 것입니다.”라고 말했습니다. "그런 다음 어느 것이 침투 보호에 가장 적합한지 비교하고 더 나은 성능을 가진 부품을 생산합니다." 그는 내년 내에 테스트, 구조 및 프로세스 모델링과 첫 번째 시연을 완료하기를 희망합니다.
연구 작업은 연방 기후 변화, 환경, 에너지, 이동성, 혁신 및 기술부와 연방 디지털 기술 경제부의 COMET 프로그램 내의 COMET 모듈 "Polymers4Hydrogen"(ID 21647053) 내에서 수행되었습니다. . 저자는 참여 파트너인 Polymer Competence Center Leoben GmbH(오스트리아 PCCL), Montanuniversitaet Leoben(고분자 공학 및 과학 학부, 고분자 재료 화학과, 재료 과학 및 고분자 테스트학과), University of Tampere(공학부)에게 감사드립니다. 재료). ) Science), Peak Technology 및 Faurecia가 이 연구 작업에 기여했습니다. COMET-Modul은 오스트리아 정부와 스티리아 주 정부의 자금 지원을 받습니다.
하중 지지 구조용 사전 강화 시트에는 유리뿐만 아니라 탄소 및 아라미드에서도 연속 섬유가 포함되어 있습니다.
복합 부품을 만드는 방법에는 여러 가지가 있습니다. 따라서 특정 부품에 대한 방법 선택은 재료, 부품 설계, 최종 용도 또는 용도에 따라 달라집니다. 선택 가이드는 다음과 같습니다.
Shocker Composites와 R&M International은 도살이 전혀 없고 순수 섬유보다 비용이 저렴하며 결국 구조적 특성에서 연속 섬유에 접근하는 길이를 제공하는 재활용 탄소 섬유 공급망을 개발하고 있습니다.
게시 시간: 2023년 3월 15일