Standard flaach Plattformtanken fir BEVs an FCEVs benotzen thermoplastesch a thermoset Kompositmaterialien mat enger Skelettkonstruktioun, déi 25% méi H2-Späicherung bitt. #wasserstoff #trends
Nodeems eng Zesummenaarbecht mat BMW gewisen huet, datt e Kubiktank eng méi héich volumetresch Effizienz liwwere kann ewéi verschidde kleng Zylinder, huet d'Technesch Universitéit München e Projet gestart fir eng Kompositstruktur an e skalierbare Fabrikatiounsprozess fir d'Serienproduktioun z'entwéckelen. Bildkredit: TU Dresden (uewen) lénks), Technesch Universitéit München, Departement fir Kuelestoffkompositen (LCC)
Brennstoffzellen-Elektroautoen (FCEVs), déi mat Null-Emissiouns (H2) Waasserstoff ugedriwwe ginn, bidden zousätzlech Mëttelen fir Null-Ëmweltziler z'erreechen. E Brennstoffzellen-Persounenauto mat engem H2-Motor kann a 5-7 Minutten gefëllt ginn an huet eng Reechwäit vu 500 km, ass awer de Moment méi deier wéinst de gerénge Produktiounsvolumen. Eng Méiglechkeet fir Käschten ze reduzéieren ass d'Benotzung vun enger Standardplattform fir BEV- an FCEV-Modeller. Dëst ass de Moment net méiglech, well déi zylindresch Panzer vum Typ 4, déi fir d'Späichere vu kompriméiertem H2-Gas (CGH2) bei 700 bar an FCEVs benotzt ginn, net fir d'Batteriefächer ënnert dem Auto gëeegent sinn, déi suergfälteg fir Elektroautoen entwéckelt goufen. Drockbehälter a Form vu Këssen a Wierfele kënnen awer an dëse flaache Verpackungsraum passen.
Patent US5577630A fir "Composite Conformal Pressure Vessel", eng Umeldung vun der Thiokol Corp. am Joer 1995 (lénks) an de rechteckege Drockbehälter, dee vu BMW am Joer 2009 patentéiert gouf (riets).
D'Departement fir Kuelestoffkompositen (LCC) vun der Technescher Universitéit München (TUM, München, Däitschland) ass un zwee Projeten bedeelegt fir dëst Konzept z'entwéckelen. Dat éischt ass Polymers4Hydrogen (P4H), geleet vum Leoben Polymer Competence Center (PCCL, Leoben, Éisträich). Den LCC-Aarbechtspaket gëtt vun der Fellowin Elizabeth Glace geleet.
Dat zweet Projet ass den Hydrogen Demonstration and Development Environment (HyDDen), wou LCC vum Fuerscher Christian Jaeger geleet gëtt. Béid Projeten zielen drop of, eng grouss Demonstratioun vum Fabrikatiounsprozess fir d'Herstellung vun engem passenden CGH2-Tank mat Kuelefaser-Kompositmaterialien ze kreéieren.
Et gëtt eng limitéiert volumetresch Effizienz, wann Zylinder mat klengem Duerchmiesser a flaache Batteriezellen (lénks) a kubesch Typ-2-Drockbehälter aus Stolbeschichtungen an enger äusserer Schuel aus Kuelefaser/Epoxy-Komposit (riets) installéiert ginn. Bildquell: D'Figuren 3 an 6 stamen aus "Numerical Design Approach for Type II Pressure Box Vessel with Internal Tension Legs" vum Ruf a Zaremba et al.
P4H huet en experimentellen Kubustank fabrizéiert, deen e thermoplastesche Frame mat Spannbänner/Stützen aus Kompositmaterial benotzt, déi a Kuelefaserverstäerkten Epoxyharz gewéckelt sinn. HyDDen wäert en ähnlechen Design benotzen, awer automatesch Faseropstellung (AFP) fir d'Fabrikatioun vun all thermoplastesche Komposittanken.
Vun enger Patentumeldung vun der Thiokol Corp. op "Composite Conformal Pressure Vessel" am Joer 1995 bis zum däitsche Patent DE19749950C2 am Joer 1997, kënnen Drockgasbehälter "all geometresch Konfiguratioun" hunn, awer besonnesch flaach an onregelméisseg Formen, an enger Kavitéit, déi mat der Schuelträger verbonnen ass. Elementer ginn benotzt, fir datt se der Expansiounskraaft vum Gas standhale kënnen.
Eng Publikatioun vum Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) aus dem Joer 2006 beschreift dräi Approchen: e konforme Drockbehälter mat Filamentgewécklung, e Mikrogitter-Drockbehälter mat enger interner orthorhombescher Gitterstruktur (kleng Zellen vun 2 cm oder manner), ëmgi vun engem dënnwandege H2-Behälter, an e Replikatorbehälter, deen aus enger interner Struktur besteet, déi aus gepechte klenge Deeler (z. B. hexagonale Plastikréng) an enger Zesummesetzung aus dënner baussenzeger Schuelhaut besteet. Duplikatbehälter si am beschte fir méi grouss Behälter geegent, wou traditionell Methode schwéier anzuwenden kënne sinn.
De Patent DE102009057170A, deen 2009 vu Volkswagen agereecht gouf, beschreift en Drockbehälter, deen um Gefier montéiert ass a gläichzäiteg eng héich Gewiichtseffizienz garantéiert an d'Plaznutzung verbessert. Rechteckeg Panzer benotzen Spannverbinder tëscht zwou rechteckege géigeniwwerleiende Maueren, an d'Ecker si gerundet.
Déi uewe genannten an aner Konzepter gi vun der Gleiss an der Publikatioun "Process Development for Cubic Pressure Vessels with Stretch Bars" vum Gleiss et al. um ECCM20 (26.-30. Juni 2022, Lausanne, Schwäiz) zitéiert. An dësem Artikel zitéiert si eng TUM-Studie, déi vum Michael Roof a Sven Zaremba publizéiert gouf, an där festgestallt gouf, datt e kubesche Drockbehälter mat Spannstützen, déi rechteckeg Säite verbannen, méi effizient ass wéi e puer kleng Zylinder, déi an de Raum vun enger eideler Batterie passen, wat ongeféier 25% méi Stauraum bitt.
Laut dem Gleiss ass de Problem mat der Installatioun vun enger grousser Zuel vu klenge Typ-4-Zylinder an engem flaache Gehäuse, datt "de Volumen tëscht de Zylinder staark reduzéiert gëtt an de System och eng ganz grouss H2-Gas-Permeatiounsfläch huet. Am Allgemengen bitt de System manner Späicherkapazitéit wéi Kubikbehälter."
Wéi och ëmmer, et gëtt aner Problemer mam kubesche Design vum Tank. „Natierlech muss een, wéinst dem kompriméierte Gas, d'Biekräfte vun de flaache Maueren entgéintwierken“, sot de Gleiss. „Dofir brauch een eng verstäerkt Struktur, déi intern mat de Maueren vum Tank verbonnen ass. Mee dat ass schwéier mat Kompositmaterialien ze maachen.“
D'Glace an hir Equipe hunn probéiert, Verstäerkungsspannstangen an den Drockbehälter anzebauen, sou datt se fir de Filamentwicklungsprozess gëeegent wier. „Dëst ass wichteg fir d'Produktioun a grousse Volumen“, erkläert si, „an erlaabt eis och, d'Wicklungsmuster vun de Behälterwänn ze gestalten, fir d'Faserorientéierung fir all Laascht an der Zon ze optimiséieren.“
Véier Schrëtt fir e kubesche Komposittank fir de P4H-Projet ze bauen. Bildkredit: "Entwécklung vun engem Produktiounsprozess fir kubesch Drockbehälter mat Verstäerkung", Technesch Universitéit München, Polymers4Hydrogen Projet, ECCM20, Juni 2022.
Fir On-Chain-Konzept z'erreechen, huet d'Team en neit Konzept entwéckelt, dat aus véier Haaptstufen besteet, wéi uewe gewisen. D'Spannstützen, déi schwaarz op de Stufen duergestallt sinn, sinn eng prefabrizéiert Rahmenstruktur, déi mat Methoden aus dem MAI Skelett-Projet hiergestallt gouf. Fir dëse Projet huet BMW e Wandschutzrahmen-"Rahmen" entwéckelt, deen aus véier faserverstäerkte Pultrusiounsstangen besteet, déi dann zu engem Plastikrahmen gegoss goufen.
De Kader vun engem experimentellen Kubiktank. Sechseckeg Skelettsektiounen, déi vun der TUM mat onverstäerktem PLA-Filament (uewen) 3D-gedréckt goufen, wouduerch CF/PA6 Pultrusiounsstangen als Spannverstäerkungen (Mëtt) agesat goufen an d'Filament ëm d'Verstäerkungen gewéckelt gouf (ënnen). Bildkredit: Technesch Universitéit München LCC.
„D'Iddi ass, datt een de Kader vun engem Kubiktank als modular Struktur ka bauen“, sot de Glace. „Dës Moduler ginn dann an e Sprëtzgussinstrument placéiert, d'Spannstäben ginn an d'Kadermoduler placéiert, an dann gëtt d'MAI Skelett-Method ronderëm d'Stäben benotzt, fir se mat de Kaderdeeler z'integréieren.“ Masseproduktiounsmethod, wat zu enger Struktur féiert, déi dann als Dorn oder Kär benotzt gëtt, fir d'Komposithüll vum Späichertank anzewéckelen.
TUM huet de Tankrahmen als kubesch "Këssen" mat massive Säiten, ofgerundeten Ecker an engem hexagonale Muster uewen an ënnen entworf, duerch dat Bänner agefouert a befestegt kënne ginn. D'Lächer fir dës Rahmen goufen och 3D-gedréckt. "Fir eisen éischten experimentellen Tank hu mir hexagonal Rahmensektiounen mat Polymëllechsäure [PLA, engem biobaséierten Thermoplast] 3D-gedréckt, well et einfach a bëlleg war", sot de Glace.
D'Team huet 68 mat Kuelefaser verstäerkt Polyamid 6 (PA6) Staangen vun SGL Carbon (Meitingen, Däitschland) kaaft, fir se als Bindungen ze benotzen. „Fir de Konzept ze testen, hu mir keng Formen duerchgefouert“, seet d'Gleiss, „mä einfach Distanzhalter an e 3D-gedréckte Wabenkärrahmen agebaut a se mat Epoxyklebstoff gepecht. Dëst liwwert dann e Dorn fir den Tank opzewéckelen.“ Si bemierkt, datt dës Staangen zwar relativ einfach opzewéckelen sinn, awer et e puer bedeitend Problemer gëtt, déi spéider beschriwwe ginn.
„An der éischter Etapp war eist Zil, d'Herstellungsfäegkeet vum Design ze demonstréieren a Problemer am Produktiounskonzept z'identifizéieren“, erkläert de Gleiss. „Also stiechen d'Spannstützen aus der äusserer Uewerfläch vun der Skelettstruktur eraus, an da befestege mir d'Kuelefaseren mat Hëllef vun naasse Filamentwicklungen un dëse Kär. Duerno, am drëtte Schrëtt, béie mir de Kapp vun all Spurstang. Thermoplast, also benotze mir just Hëtzt fir de Kapp nei ze formen, sou datt en ofplatt an an déi éischt Schicht vun der Wéckelung festgehalen gëtt. Mir wéckelen dann d'Struktur erëm, sou datt de flaache Stousskapp geometresch am Tank agespaart ass. Laminat op de Maueren.“
Distanzkapp fir d'Wicklung. TUM benotzt Plastikkappen un den Enden vun de Spannstangen, fir ze verhënneren, datt d'Faseren sech beim Filamentwicklungen vernetzt hunn. Bildkredit: Technesch Universitéit München LCC.
De Glace huet widderholl, datt dësen éischten Tank e Beweis vum Konzept wier. „D'Benotzung vum 3D-Dréck a Klebstoff war nëmme fir den éischten Test a gouf eis eng Iddi vun e puer vun de Problemer, op déi mir gestouss sinn. Zum Beispill, beim Wéckelen, goufen d'Filamenter un den Enden vun de Spannstangen hänke bliwwen, wat zu Faserbroch a Faserschued gefouert huet an d'Quantitéit u Faseren reduzéiert huet, fir dësem entgéintzewierken. Mir hunn e puer Plastikkappen als Fabrikatiounshëllefen benotzt, déi virum éischte Wéckelschratt op d'Stäip placéiert goufen. Duerno, wéi déi intern Laminater hiergestallt waren, hu mir dës Schutzkappen ewechgeholl an d'Ennen vun de Stäip nei geformt, ier se endgülteg gewéckelt goufen.“
D'Team huet mat verschiddene Rekonstruktiounsszenarien experimentéiert. „Déi, déi sech ëmkucken, funktionéieren am beschten“, seet d'Grace. „Ausserdeem hu mir wärend der Prototypphase e modifizéiert Schweessinstrument benotzt fir Hëtzt unzewenden an d'Spurstangenden nei ze formen. An engem Masseproduktiounskonzept hätt een eent méi grousst Instrument, dat all d'Enn vun de Strümp gläichzäiteg zu engem Laminat fir den Innenfinish forme kann.“
Zuchkäpp goufen nei geformt. D'TUM huet mat verschiddene Konzepter experimentéiert an d'Schweißnähten ugepasst, fir d'Ennen vun de Kompositbänner fir d'Befestigung un d'Tankwandlaminat auszeriichten. Bildkredit: "Entwécklung vun engem Produktiounsprozess fir kubesch Drockbehälter mat Versteifung", Technesch Universitéit München, Polymers4Hydrogen Projet, ECCM20, Juni 2022.
Sou gëtt de Laminat nom éischte Wickelschratt ausgehärtet, d'Pfosten ginn nei geformt, den TUM fäerdeg déi zweet Wickelung vun de Filamenter, an dann gëtt de Laminat vun der baussenzeger Tankwand en zweete Kéier ausgehärtet. W.e.g. notéiert datt dëst en Tankdesign vum Typ 5 ass, dat heescht datt en keng Plastikausschichtung als Gasbarriär huet. Kuckt d'Diskussioun an der Sektioun "Nächst Schrëtt" hei drënner.
„Mir hunn déi éischt Demo a Querschnëtter geschnidden an de verbonne Beräich kartéiert“, sot de Glace. „Eng Nahaufnahme weist, datt mir e puer Qualitéitsproblemer mam Laminat haten, well d'Stützenkäpp net flaach um bannenzege Laminat louchen.“
Léisung vu Problemer mat Lächer tëscht dem Laminat vun der bannenzeger an baussenzeger Mauer vum Tank. De modifizéierte Spurstangkapp erstellt eng Lück tëscht der éischter an zweeter Wendung vum experimentellen Tank. Bildkredit: Technesch Universitéit München LCC.
Dësen éischten Tank vun 450 x 290 x 80 mm gouf leschte Summer fäerdeg gestallt. „Mir hunn zënterhier vill Fortschrëtter gemaach, awer mir hunn nach ëmmer eng Lück tëscht dem bannenzegen an dem baussenzege Laminat“, sot de Glace. „Also hu mir probéiert, dës Lücken mat engem propperen, héichviskosen Harz ze fëllen. Dëst verbessert tatsächlech d'Verbindung tëscht de Balken an dem Laminat, wat de mechanesche Stress staark erhéicht.“
D'Team huet weider den Design an de Prozess vum Tank entwéckelt, inklusiv Léisunge fir dat gewënschte Wicklungsmuster. „D'Säite vum Testtank waren net komplett gebéit, well et fir dës Geometrie schwéier war, e Wicklungswee ze kreéieren“, erkläert de Glace. „Eise urspréngleche Wicklungswénkel war 75°, awer mir woussten, datt verschidde Circuite gebraucht goufen, fir d'Laascht an dësem Drockbehälter ze gerecht ze ginn. Mir sichen nach ëmmer no enger Léisung fir dëst Problem, awer et ass net einfach mat der Software, déi de Moment um Maart ass. Et kéint e Follow-up-Projet ginn.“
„Mir hunn d'Machbarkeet vun dësem Produktiounskonzept bewisen“, seet de Gleiss, „awer mir mussen weider schaffen, fir d'Verbindung tëscht dem Laminat ze verbesseren an d'Spurstangen nei ze formen. Extern Tester op enger Testmaschinn. Dir zitt d'Distanzstécker aus dem Laminat eraus an testt déi mechanesch Belaaschtungen, deenen dës Gelenker aushale kënnen.“
Dësen Deel vum Polymers4Hydrogen-Projet gëtt Enn 2023 ofgeschloss, bis zu deem Zäitpunkt hofft d'Gleis, den zweeten Demonstratiounstank fäerdeg ze stellen. Interessanterweis benotzen d'Designen haut propper verstäerkt Thermoplasten am Frame an Thermohärtungskompositen an den Tankwänn. Gëtt dësen Hybrid-Usaz am leschte Demonstratiounstank benotzt? „Jo“, sot d'Grace. „Eis Partner am Polymers4Hydrogen-Projet entwéckelen Epoxyharzer an aner Kompositmatrixmaterialien mat bessere Waasserstoffbarrière-Eegeschafte.“ Si nennt zwéi Partner, déi un dëser Aarbecht schaffen, PCCL an d'Universitéit vun Tampere (Tampere, Finnland).
D'Gleiss an hiert Team hunn och Informatiounen ausgetosch an Iddien mam Jaeger iwwer dat zweet HyDDen-Projet vum LCC-konforme Komposittank diskutéiert.
„Mir wäerten en konformen Drockbehälter aus Kompositmaterial fir Fuerschungsdrohnen produzéieren“, seet de Jaeger. „Dëst ass eng Zesummenaarbecht tëscht den zwou Departementer vum Departement fir Loft- a Raumfaart a Geodesie vun der TUM – LCC an dem Departement fir Helikoptertechnologie (HT). De Projet wäert bis Enn 2024 ofgeschloss sinn a mir sinn amgaang den Drockbehälter fäerdeg ze stellen. En Design, deen éischter en Approche aus der Loft- a Raumfaart an der Automobilindustrie ass. No dëser éischter Konzeptphase ass den nächste Schrëtt eng detailléiert strukturell Modelléierung duerchzeféieren an d'Barrièreleistung vun der Wandstruktur virauszesoen.“
„Déi ganz Iddi ass, eng Exploratiounsdron mat engem Hybrid-Brennstoffzell- an Batterie-Undriffssystem z'entwéckelen“, huet hien weidergefouert. Si wäert d'Batterie bei héijen Leeschtungsbelaaschtungen (dh Start a Landung) benotzen an dann bei liichter Laascht op d'Brennstoffzell wiesselen. „Den HT-Team hat schonn eng Fuerschungsdron an huet den Undriff nei entworf, fir souwuel Batterien ewéi och Brennstoffzellen ze benotzen“, sot de Yeager. „Si hunn och en CGH2-Tank kaaft, fir dës Transmissioun ze testen.“
„Mäin Team krut d'Aufgab, e Prototyp vun engem Drocktank ze bauen, deen och géif passen, awer net wéinst de Verpackungsproblemer, déi en zylindreschen Tank géif verursaachen“, erkläert hien. „En flaache Tank bitt net sou vill Wandwiderstand. Sou kritt een eng besser Fluchleistung.“ Dimensiounen vum Tank ongeféier 830 x 350 x 173 mm.
Vollstänneg thermoplastesch AFP-konform Tank. Fir den HyDDen-Projet huet den LCC-Team vun der TUM ufanks eng ähnlech Approche wéi déi vum Glace (uewen) exploréiert, awer duerno op eng Approche mat enger Kombinatioun vu verschiddene Strukturmoduler ëmgestallt, déi dann iwwerdriwwe mat AFP (ënnen) benotzt goufen. Bildkredit: Technesch Universitéit München LCC.
„Eng Iddi ass ähnlech wéi déi vun der Elisabeth [Gleiss]“, seet de Yager, „Spannstäbchen op d'Behälterwand unzewenden, fir déi héich Biegkräfte auszegläichen. Amplaz den Tank mat engem Wicklungsprozess ze bauen, benotze mir awer AFP. Dofir hu mir drun geduecht, eng separat Sektioun vum Drockbehälter ze kreéieren, an där d'Stänn scho integréiert sinn. Dësen Usaz huet et mir erlaabt, e puer vun dësen integréierte Moduler ze kombinéieren an dann eng Endkapp unzewenden, fir alles ofzedichten, ier déi lescht AFP-Wicklung gemaach gëtt.“
„Mir probéieren esou e Konzept ze finaliséieren“, huet hien weidergefouert, „an och d'Auswiel vun de Materialien ze testen, wat ganz wichteg ass fir déi néideg Resistenz géint H2-Gaspenetratioun ze garantéieren. Dofir benotze mir haaptsächlech thermoplastesch Materialien a schaffen drun, wéi d'Material dëst Permeatiounsverhalen an d'Veraarbechtung an der AFP-Maschinn beaflosst. Et ass wichteg ze verstoen, ob d'Behandlung en Effekt huet a ob eng Noveraarbechtung néideg ass. Mir wëlle och wëssen, ob verschidde Stapel d'Waasserstoffpermeatioun duerch den Drockbehälter beaflossen.“
Den Tank gëtt komplett aus Thermoplast gemaach an d'Sträife ginn vun der Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Däitschland) geliwwert. „Mir wäerten hir PPS [Polyphenylensulfid], PEEK [Polyetherketon] an LM PAEK [Low Melting Polyarylketon] Materialien benotzen“, sot de Yager. „Et ginn dann Vergläicher gemaach fir ze kucken, wéi ee Material am beschte fir Duerchdringungsschutz a fir d'Produktioun vun Deeler mat besserer Leeschtung ass.“ Hie hofft, Tester, Struktur- a Prozessmodelléierung an éischt Demonstratiounen am nächste Joer ofzeschléissen.
D'Fuerschungsaarbecht gouf am Kader vum COMET-Modul "Polymers4Hydrogen" (ID 21647053) am Kader vum COMET-Programm vum Bundesministère fir Klimawandel, Ëmwelt, Energie, Mobilitéit, Innovatioun an Technologie a vum Bundesministère fir Digital Technologie a Wirtschaft duerchgefouert. D'Auteure soen de Partner Merci: Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL, Éisträich), Montanuniversitaet Leoben (Fakultéit fir Polymeringenieurwesen a Wëssenschaften, Departement fir Chimie vu Polymermaterialien, Departement fir Materialwëssenschaft a Polymerprüfung), Universitéit Tampere (Fakultéit fir Materialingenieurwesen), Peak Technology a Faurecia, déi zu dëser Fuerschungsaarbecht bäigedroen hunn. De COMET-Modul gëtt vun der Regierung vun Éisträich an der Regierung vum Bundesland Steiermark finanzéiert.
Virverstäerkt Placken fir droend Strukturen enthalen kontinuéierlech Faseren – net nëmmen aus Glas, mä och aus Kuelestoff an Aramid.
Et gi vill Méiglechkeeten fir Kompositdeeler ze maachen. Dofir hänkt d'Wiel vun der Method fir en Deel vum Material, dem Design vum Deel an der Endbenotzung oder Uwendung of. Hei ass eng Auswielguide.
Shocker Composites an R&M International entwéckelen eng Liwwerkette fir recycléiert Kuelefaser, déi keng Schluechtung erméiglecht, méi niddreg Käschte wéi nei Faser bitt a schliisslech Längt ubitt, déi a punkto struktureller Eegeschafte bal kontinuéierlech Faseren erreechen.
Zäitpunkt vun der Verëffentlechung: 15. Mäerz 2023