Standarta plakanās platformas tvertnēs BEV un FCEV izmanto termoplastiskus un termoreaktīvus kompozītmateriālus ar karkasa konstrukciju, kas nodrošina par 25% vairāk H2 uzglabāšanu. #ūdeņradis #tendences
Pēc tam, kad sadarbība ar BMW parādīja, ka kubiskā tvertne var nodrošināt lielāku tilpuma efektivitāti nekā vairāki mazi cilindri, Minhenes Tehniskā universitāte uzsāka projektu, lai izstrādātu kompozītmateriālu struktūru un mērogojamu ražošanas procesu sērijveida ražošanai. Attēla kredīts: TU Drēzdene (augšējā kreisajā pusē), Minhenes Tehniskā universitāte, Oglekļa kompozītmateriālu nodaļa (LCC)
Kurināmā elementu elektriskie transportlīdzekļi (FCEV), ko darbina nulles emisijas (H2) ūdeņradis, nodrošina papildu līdzekļus nulles vides mērķu sasniegšanai. Degvielas elementu vieglo automašīnu ar H2 dzinēju var uzpildīt 5-7 minūtēs, un tā nobraukums ir 500 km, taču šobrīd tas ir dārgāks zemo ražošanas apjomu dēļ. Viens no izmaksu samazināšanas veidiem ir standarta platformas izmantošana BEV un FCEV modeļiem. Pašlaik tas nav iespējams, jo 4. tipa cilindriskās tvertnes, ko izmanto saspiestas H2 gāzes (CGH2) uzglabāšanai 700 bāru spiedienā FCEV, nav piemērotas akumulatoru nodalījumiem, kas ir rūpīgi izstrādāti elektriskajiem transportlīdzekļiem. Tomēr spiedtvertnes spilvenu un kubu veidā var ievietot šajā plakanajā iepakojuma telpā.
Patents US5577630A par “Composite Conformal Pressure Vessel”, Thiokol Corp. pieteikumu 1995. gadā (pa kreisi) un taisnstūra spiedtvertni, ko BMW patentēja 2009. gadā (pa labi).
Minhenes Tehniskās universitātes (TUM, Minhene, Vācija) Oglekļa kompozītmateriālu nodaļa (LCC) ir iesaistīta divos šīs koncepcijas izstrādes projektos. Pirmais ir Polymers4Hydrogen (P4H), ko vada Leoben Polymer Competence Center (PCCL, Leoben, Austrija). LCC darba paketi vada biedre Elizabete Gleisa.
Otrs projekts ir Ūdeņraža demonstrēšanas un attīstības vide (HyDDen), kurā LCC vada pētnieks Kristians Jēgers. Abu mērķis ir izveidot liela mēroga ražošanas procesa demonstrāciju piemērotas CGH2 tvertnes izgatavošanai, izmantojot oglekļa šķiedras kompozītmateriālus.
Tilpuma efektivitāte ir ierobežota, ja maza diametra baloni ir uzstādīti plakanos akumulatora elementos (pa kreisi) un kubiskajās 2. tipa spiedtvertnēs, kas izgatavotas no tērauda starplikām un oglekļa šķiedras/epoksīda kompozītmateriāla ārējā apvalka (pa labi). Attēla avots: 3. un 6. attēls ir no Ruf un Zaremba et al. “Ciparu dizaina pieeja II tipa spiediena kārbas tvertnei ar iekšējām spriegošanas kājām”.
P4H ir izgatavojis eksperimentālu kubu tvertni, kurā tiek izmantots termoplastisks rāmis ar kompozītmateriālu spriegošanas siksnām/statēm, kas ietītas ar oglekļa šķiedru pastiprinātu epoksīdu. HyDDen izmantos līdzīgu dizainu, taču izmantos automātisko šķiedru izkārtojumu (AFP), lai ražotu visas termoplastisko kompozītmateriālu tvertnes.
No Thiokol Corp. patenta pieteikuma “Composite Conformal Pressure Vessel” 1995. gadā līdz Vācijas patentam DE19749950C2 1997. gadā, saspiestās gāzes tvertnēm “var būt jebkura ģeometriskā konfigurācija”, bet jo īpaši plakanas un neregulāras formas, dobumā, kas savienots ar korpusa balstu. . elementi tiek izmantoti tā, lai tie varētu izturēt gāzes izplešanās spēku.
2006. gada Lorensa Livermora Nacionālās laboratorijas (LLNL) dokumentā ir aprakstītas trīs pieejas: konformāls spiedtvertne ar pavedienu, mikrorežģa spiedtvertne, kurā ir iekšēja ortorombiska režģa struktūra (mazas šūnas, kuru garums nepārsniedz 2 cm), ko ieskauj plānsienu H2 trauks, un replikatora konteiners, kas sastāv no iekšējās struktūras, kas sastāv no salīmētām mazām detaļām (piemēram, sešstūra plastmasas gredzeniem) un plānas ārējā apvalka apvalka. Dublēti konteineri ir vislabāk piemēroti lielākiem konteineriem, kur tradicionālās metodes var būt grūti pielietot.
Patentā DE102009057170A, ko Volkswagen iesniedza 2009. gadā, ir aprakstīta transportlīdzeklī uzstādīta spiedtvertne, kas nodrošinās augstu svara efektivitāti, vienlaikus uzlabojot telpas izmantošanu. Taisnstūra tvertnēs tiek izmantoti spriegojuma savienotāji starp divām taisnstūrveida pretējām sienām, un stūri ir noapaļoti.
Iepriekš minētos un citus jēdzienus ir citējis Gleiss rakstā “Process Development for Cubic Pressure Vessels with Stretch Bars”, ko sagatavojis Gleiss et al. ECCM20 (26.-30.06.2022., Lozanna, Šveice). Šajā rakstā viņa citē Michael Roof un Sven Zaremba publicēto TUM pētījumu, kurā konstatēts, ka kubiskā spiediena tvertne ar spriegošanas statņiem, kas savieno taisnstūra malas, ir efektīvāka nekā vairāki mazi cilindri, kas iekļaujas tukša akumulatora telpā, nodrošinot aptuveni 25 % vairāk. uzglabāšanas vieta.
Pēc Gleisa teiktā, problēma, uzstādot lielu skaitu mazu 4. tipa balonu plakanā korpusā, ir tāda, ka “tilpums starp baloniem ir ievērojami samazināts un sistēmai ir arī ļoti liela H2 gāzes caurlaidības virsma. Kopumā sistēma nodrošina mazāku uzglabāšanas ietilpību nekā kubiskās burkas.
Tomēr ir arī citas problēmas ar tvertnes kubisko dizainu. "Acīmredzot saspiestās gāzes dēļ jums ir jānovērš lieces spēki uz plakanajām sienām," sacīja Gleiss. "Šim nolūkam jums ir nepieciešama pastiprināta konstrukcija, kas iekšēji savienojas ar tvertnes sienām. Bet to ir grūti izdarīt ar kompozītmateriāliem.
Glace un viņas komanda mēģināja spiedtvertnē iestrādāt pastiprinošos spriegošanas stieņus tā, lai tas būtu piemērots kvēldiega tinuma procesam. "Tas ir svarīgi liela apjoma ražošanai," viņa skaidro, "un arī ļauj mums izstrādāt konteinera sienu tinumu modeli, lai optimizētu šķiedras orientāciju katrai slodzei zonā."
Četri soļi, lai izveidotu izmēģinājuma kubisko kompozītmateriālu tvertni P4H projektam. Attēla kredīts: “Ražošanas procesa izstrāde kubiskām spiedtvertnēm ar stiprinājumu”, Minhenes Tehniskā universitāte, Polymers4Hydrogen projekts, ECCM20, 2022. gada jūnijs.
Lai panāktu ķēdes darbību, komanda ir izstrādājusi jaunu koncepciju, kas sastāv no četriem galvenajiem soļiem, kā parādīts iepriekš. Spriegošanas statņi, kas parādīti melnā krāsā uz pakāpieniem, ir saliekama rāmja konstrukcija, kas izgatavota, izmantojot metodes, kas ņemtas no MAI Skelett projekta. Šim projektam BMW izstrādāja vējstikla rāmja “karkasu”, izmantojot četrus ar šķiedru pastiprinātus pultrūzijas stieņus, kas pēc tam tika veidoti plastmasas rāmī.
Eksperimentālās kubiskās tvertnes rāmis. Sešstūra skeleta sekcijas 3D izdrukā TUM, izmantojot nepastiprinātu PLA kvēldiegu (augšpusē), ievietojot CF/PA6 pultrūzijas stieņus kā spriegošanas stieņus (vidū) un pēc tam aptinot kvēldiegu ap lencēm (apakšā). Attēla kredīts: Minhenes Tehniskās universitātes LCC.
"Ideja ir tāda, ka jūs varat izveidot kubiskās tvertnes rāmi kā moduļu struktūru," sacīja Glace. "Pēc tam šie moduļi tiek ievietoti formēšanas rīkā, spriegošanas statņi tiek ievietoti rāmja moduļos, un pēc tam ap statņiem tiek izmantota MAI Skelett metode, lai tos integrētu ar rāmja daļām." masveida ražošanas metode, kā rezultātā tiek iegūta struktūra, ko pēc tam izmanto kā serdi vai serdi, lai ietītu uzglabāšanas tvertnes kompozītmateriālu apvalku.
TUM izstrādāja tvertnes rāmi kā kubisku “spilvenu” ar cietām malām, noapaļotiem stūriem un sešstūra rakstu augšā un apakšā, caur kuru var ievietot un piestiprināt saites. Šo plauktu caurumi tika izdrukāti arī 3D formātā. "Mūsu sākotnējai eksperimentālajai tvertnei mēs 3D izdrukājām sešstūra rāmja sekcijas, izmantojot polipienskābi [PLA, bioloģiski ražotu termoplastu], jo tas bija vienkārši un lēti," sacīja Gleiss.
Komanda iegādājās 68 pultrudētas oglekļa šķiedras pastiprinātas poliamīda 6 (PA6) stieņus no SGL Carbon (Meitingena, Vācija), lai tos izmantotu kā saites. "Lai pārbaudītu koncepciju, mēs neveicām nekādu formēšanu," saka Gleiss, "bet vienkārši ievietojām starplikas 3D drukātā šūnveida serdes rāmī un pielīmējām tos ar epoksīda līmi. Pēc tam tas nodrošina cilindru tvertnes uztīšanai. Viņa atzīmē, ka, lai gan šīs makšķeres ir salīdzinoši viegli uztītas, ir dažas būtiskas problēmas, kas tiks aprakstītas vēlāk.
"Pirmajā posmā mūsu mērķis bija demonstrēt dizaina izgatavojamību un identificēt problēmas ražošanas koncepcijā," skaidroja Gleiss. "Tātad spriegojuma statņi izvirzās no skeleta struktūras ārējās virsmas, un mēs pievienojam oglekļa šķiedras šai serdei, izmantojot mitru kvēldiega tinumu. Pēc tam trešajā solī mēs noliecam katra stieņa galvu. termoplastiska, tāpēc mēs tikai izmantojam siltumu, lai pārveidotu galvu tā, lai tā saplacinātu un nofiksētos pirmajā iesaiņojuma slānī. Pēc tam mēs atkal turpinām ietīt konstrukciju tā, lai plakanā vilces galva būtu ģeometriski iekļauta tvertnē. lamināts uz sienām.
Starplikas vāciņš tinumam. TUM izmanto plastmasas vāciņus spriegošanas stieņu galos, lai novērstu šķiedru sapīšanu kvēldiega tīšanas laikā. Attēla kredīts: Minhenes Tehniskās universitātes LCC.
Glace atkārtoti uzsvēra, ka šī pirmā tvertne bija koncepcijas pierādījums. "3D drukas un līmes izmantošana bija paredzēta tikai sākotnējai pārbaudei, un tā sniedza mums priekšstatu par dažām problēmām, ar kurām mēs saskārāmies. Piemēram, tīšanas laikā pavedieni tika aizķerti aiz spriegošanas stieņu galiem, izraisot šķiedras pārrāvumus, šķiedru bojājumus un samazinot šķiedru daudzumu, lai to novērstu. Mēs izmantojām dažus plastmasas vāciņus kā ražošanas palīglīdzekļus, kas tika novietoti uz stabiem pirms pirmā uztīšanas. Pēc tam, kad tika izgatavoti iekšējie lamināti, mēs noņēmām šos aizsargvāciņus un pārveidojām stabu galus pirms galīgās ietīšanas.
Komanda eksperimentēja ar dažādiem rekonstrukcijas scenārijiem. "Tie, kas skatās apkārt, strādā vislabāk," saka Greisa. “Tāpat prototipu izstrādes posmā mēs izmantojām modificētu metināšanas rīku, lai pielietotu siltumu un pārveidotu stieņa galus. Masveida ražošanas koncepcijā jums būtu viens lielāks instruments, kas vienlaikus var veidot un veidot visus statņu galus iekšējā apdares laminātā. . ”
Jūgstieņu galviņas pārveidotas. TUM eksperimentēja ar dažādām koncepcijām un pārveidoja metināšanas šuves, lai saskaņotu kompozītmateriālu saišu galus, lai piestiprinātu pie tvertnes sienas lamināta. Attēla kredīts: “Ražošanas procesa izstrāde kubiskām spiedtvertnēm ar stiprinājumu”, Minhenes Tehniskā universitāte, Polymers4Hydrogen projekts, ECCM20, 2022. gada jūnijs.
Tādējādi lamināts tiek sacietēts pēc pirmā tinuma posma, stabi tiek pārveidoti, TUM pabeidz otro pavedienu tinumu, un pēc tam tvertnes ārējās sienas lamināts tiek sacietēts otro reizi. Lūdzu, ņemiet vērā, ka šī ir 5. tipa tvertnes konstrukcija, kas nozīmē, ka tai nav plastmasas čaulas kā gāzes barjeras. Skatiet diskusiju tālāk sadaļā Nākamās darbības.
"Mēs sagriezām pirmo demonstrāciju šķērsgriezumos un kartējām savienoto apgabalu," sacīja Glace. "Tuvplāns parāda, ka mums bija dažas kvalitātes problēmas ar laminātu, jo statņu galviņas neatklājās uz iekšējā lamināta."
Problēmu risināšana ar spraugām starp tvertnes iekšējās un ārējās sienas laminātu. Modificētā stieņa galva rada atstarpi starp eksperimentālās tvertnes pirmo un otro apgriezienu. Attēla kredīts: Minhenes Tehniskās universitātes LCC.
Šī sākotnējā 450 x 290 x 80 mm tvertne tika pabeigta pagājušajā vasarā. "Kopš tā laika mēs esam panākuši lielu progresu, taču mums joprojām ir plaisa starp iekšējo un ārējo laminātu," sacīja Glace. "Tāpēc mēs centāmies aizpildīt šīs nepilnības ar tīriem, augstas viskozitātes sveķiem. Tas faktiski uzlabo savienojumu starp tapām un laminātu, kas ievērojami palielina mehānisko spriegumu.
Komanda turpināja izstrādāt tvertnes dizainu un procesu, tostarp risinājumus vēlamajam tinuma modelim. "Pārbaudes tvertnes malas nebija pilnībā izlocītas, jo šai ģeometrijai bija grūti izveidot līkumainu ceļu," skaidroja Glace. “Mūsu sākotnējais tinuma leņķis bija 75°, taču mēs zinājām, ka ir vajadzīgas vairākas ķēdes, lai nodrošinātu slodzi šajā spiedtvertnē. Mēs joprojām meklējam risinājumu šai problēmai, taču ar pašlaik tirgū pieejamo programmatūru tas nav viegli. Tas var kļūt par turpinājuma projektu.
"Mēs esam pierādījuši šīs ražošanas koncepcijas iespējamību," saka Gleiss, "taču mums ir jāstrādā tālāk, lai uzlabotu savienojumu starp laminātu un pārveidotu stieņus. “Ārējā testēšana uz testēšanas iekārtas. Jūs izvelciet starplikas no lamināta un pārbaudiet mehāniskās slodzes, ko šie savienojumi var izturēt.
Šī Polymers4Hydrogen projekta daļa tiks pabeigta 2023. gada beigās, līdz tam laikam Gleis cer pabeigt otro demonstrācijas tvertni. Interesanti, ka mūsdienās dizainparaugiem tiek izmantota glīta pastiprināta termoplastika rāmī un termoreaktīvi kompozītmateriāli tvertnes sienās. Vai šī hibrīda pieeja tiks izmantota pēdējā demonstrācijas tvertnē? "Jā," Greisa teica. "Mūsu partneri Polymers4Hydrogen projektā izstrādā epoksīdsveķus un citus kompozītmateriālus ar labākām ūdeņraža barjeras īpašībām." Viņa uzskaita divus partnerus, kas strādā pie šī darba, PCCL un Tamperes Universitāti (Tampere, Somija).
Gleiss un viņas komanda arī apmainījās ar informāciju un apsprieda idejas ar Jēgeru par otro HyDDen projektu no LCC konformālās kompozītmateriāla tvertnes.
"Mēs ražosim konformālu kompozītmateriālu spiedtvertni pētniecības droniem," saka Jēgers. “Šī ir sadarbība starp abām TUM Aviācijas un ģeodēziskās nodaļas nodaļām – LCC un Helikopteru tehnoloģiju departamentu (HT). Projekts tiks pabeigts līdz 2024. gada beigām, un šobrīd mēs pabeidzam spiedtvertni. dizains, kas vairāk ir kosmosa un automobiļu pieeja. Pēc šīs sākotnējās koncepcijas stadijas nākamais solis ir veikt detalizētu konstrukciju modelēšanu un paredzēt sienas konstrukcijas barjeras veiktspēju.
"Visa ideja ir izstrādāt izpētes dronu ar hibrīda degvielas šūnu un akumulatora piedziņas sistēmu," viņš turpināja. Tas izmantos akumulatoru lielas jaudas slodzes laikā (ti, pacelšanās un nosēšanās laikā) un pēc tam pārslēgsies uz degvielas elementu, braucot ar nelielu slodzi. "HT komandai jau bija izpētes drons, un tā pārveidoja spēka piedziņu, lai izmantotu gan akumulatorus, gan degvielas elementus," sacīja Jēgers. "Viņi arī iegādājās CGH2 tvertni, lai pārbaudītu šo transmisiju."
"Manai komandai tika uzdots izveidot spiedientvertnes prototipu, kas būtu piemērots, bet ne iepakojuma problēmu dēļ, ko radītu cilindriskā tvertne," viņš skaidro. “Plakanāka tvertne nepiedāvā tik lielu vēja pretestību. Tātad jūs iegūstat labākus lidojumu rezultātus. Tvertnes izmēri apm. 830 x 350 x 173 mm.
Pilnībā termoplastiska AFP saderīga tvertne. HyDDen projektam LCC komanda TUM sākotnēji izpētīja līdzīgu pieeju tai, ko izmantoja Glace (iepriekš), bet pēc tam pārgāja uz pieeju, izmantojot vairāku strukturālo moduļu kombināciju, kas pēc tam tika pārmērīgi izmantota, izmantojot AFP (zemāk). Attēla kredīts: Minhenes Tehniskās universitātes LCC.
"Viena ideja ir līdzīga Elizabetes [Gleisas] pieejai," saka Jagers, "pielikt spriegošanas stiprinājumus asinsvada sienai, lai kompensētu lielos lieces spēkus. Tomēr tā vietā, lai tvertnes izgatavošanai izmantotu uztīšanas procesu, mēs izmantojam AFP. Tāpēc domājām izveidot atsevišķu spiedtvertnes sekciju, kurā jau ir integrēti statīvi. Šī pieeja ļāva man apvienot vairākus no šiem integrētajiem moduļiem un pēc tam uzlikt gala vāciņu, lai visu noblīvētu pirms galīgā AFP tinuma.
"Mēs cenšamies pabeigt šādu koncepciju," viņš turpināja, "un arī sākam pārbaudīt materiālu izvēli, kas ir ļoti svarīgi, lai nodrošinātu nepieciešamo H2 gāzes iekļūšanas izturību. Šim nolūkam mēs galvenokārt izmantojam termoplastiskus materiālus un strādājam pie tā, kā materiāls ietekmēs šo caurlaidību un apstrādi AFP mašīnā. Ir svarīgi saprast, vai ārstēšanai būs ietekme un vai ir nepieciešama pēcapstrāde. Mēs arī vēlamies zināt, vai dažādi skursteņi ietekmēs ūdeņraža caurlaidību spiedtvertnē.
Tvertne būs pilnībā izgatavota no termoplastmasas, un sloksnes piegādās Teijin Carbon Europe GmbH (Vupertāle, Vācija). "Mēs izmantosim viņu PPS [polifenilēna sulfīda], PEEK [poliētera ketona] un LM PAEK [zemas kušanas poliarilketona] materiālus," sacīja Jagers. "Pēc tam tiek veikti salīdzinājumi, lai noskaidrotu, kurš no tiem ir vislabākais aizsardzībai pret iespiešanos un detaļu ar labāku veiktspēju." Viņš cer pabeigt testēšanu, strukturālo un procesu modelēšanu un pirmās demonstrācijas nākamā gada laikā.
Pētījums tika veikts COMET modulī “Polymers4Hydrogen” (ID 21647053) Federālās klimata pārmaiņu, vides, enerģētikas, mobilitātes, inovāciju un tehnoloģiju ministrijas un Federālās digitālo tehnoloģiju un ekonomikas ministrijas COMET programmas ietvaros. . Autori pateicas partneriem Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL, Austrija), Montanuniversitaet Leoben (Polimēru inženierijas un zinātnes fakultāte, Polimēru materiālu ķīmijas katedra, Materiālzinātnes un polimēru testēšanas katedra), Tamperes Universitāte (Inženierzinātņu fakultāte) Materiāli). ) Zinātne), Peak Technology un Faurecia sniedza ieguldījumu šajā pētniecības darbā. COMET-Modul finansē Austrijas valdība un Štīrijas štata valdība.
Iepriekš pastiprinātās loksnes nesošajām konstrukcijām satur vienlaidu šķiedras – ne tikai no stikla, bet arī no oglekļa un aramīda.
Ir daudz veidu, kā izgatavot saliktas detaļas. Tāpēc metodes izvēle konkrētai daļai būs atkarīga no materiāla, detaļas dizaina un gala lietojuma vai pielietojuma. Šeit ir atlases ceļvedis.
Shocker Composites un R&M International izstrādā pārstrādātu oglekļa šķiedru piegādes ķēdi, kas nodrošina nulles izkaušanu, zemākas izmaksas nekā neapstrādāta šķiedra un galu galā piedāvās tādus garumus, kas strukturālo īpašību ziņā tuvojas nepārtrauktai šķiedrai.
Izlikšanas laiks: 15.03.2023