Tangki platform rata standard untuk BEV dan FCEV menggunakan komposit termoplastik dan termoset dengan binaan rangka yang menyediakan 25% lebih storan H2. #hidrogen #trend
Selepas kerjasama dengan BMW menunjukkan bahawa tangki padu boleh memberikan kecekapan isipadu yang lebih tinggi daripada berbilang silinder kecil, Universiti Teknikal Munich memulakan projek untuk membangunkan struktur komposit dan proses pembuatan berskala untuk pengeluaran bersiri. Kredit imej: TU Dresden (atas) kiri), Universiti Teknikal Munich, Jabatan Komposit Karbon (LCC)
Kenderaan elektrik sel bahan api (FCEV) yang dikuasakan oleh hidrogen pelepasan sifar (H2) menyediakan cara tambahan untuk mencapai sasaran alam sekitar sifar. Kereta penumpang sel bahan api dengan enjin H2 boleh diisi dalam 5-7 minit dan mempunyai jarak 500 km, tetapi pada masa ini lebih mahal kerana volum pengeluaran yang rendah. Satu cara untuk mengurangkan kos ialah menggunakan platform standard untuk model BEV dan FCEV. Ini tidak boleh dilakukan pada masa ini kerana tangki silinder Jenis 4 yang digunakan untuk menyimpan gas H2 termampat (CGH2) pada 700 bar dalam FCEV tidak sesuai untuk petak bateri bahagian bawah badan yang telah direka bentuk dengan teliti untuk kenderaan elektrik. Walau bagaimanapun, bekas tekanan dalam bentuk bantal dan kiub boleh dimuatkan ke dalam ruang pembungkusan rata ini.
Paten US5577630A untuk "Versel Tekanan Konform Komposit", permohonan yang difailkan oleh Thiokol Corp. pada tahun 1995 (kiri) dan bekas tekanan segi empat tepat yang dipatenkan oleh BMW pada tahun 2009 (kanan).
Jabatan Komposit Karbon (LCC) Universiti Teknikal Munich (TUM, Munich, Jerman) terlibat dalam dua projek untuk membangunkan konsep ini. Yang pertama ialah Polymers4Hydrogen (P4H), yang diketuai oleh Pusat Kecekapan Polimer Leoben (PCCL, Leoben, Austria). Pakej kerja LCC diketuai oleh Fellow Elizabeth Glace.
Projek kedua ialah Persekitaran Demonstrasi dan Pembangunan Hidrogen (HyDDen), di mana LCC diketuai oleh Penyelidik Christian Jaeger. Kedua-duanya bertujuan untuk mencipta demonstrasi berskala besar bagi proses pembuatan untuk membuat tangki CGH2 yang sesuai menggunakan komposit gentian karbon.
Terdapat kecekapan isipadu terhad apabila silinder berdiameter kecil dipasang dalam sel bateri rata (kiri) dan bekas tekanan jenis 2 kubik yang diperbuat daripada pelapik keluli dan kulit luar komposit gentian karbon/epoksi (kanan). Sumber Imej: Rajah 3 dan 6 adalah daripada "Pendekatan Reka Bentuk Berangka untuk Kapal Kotak Tekanan Jenis II dengan Kaki Ketegangan Dalaman" oleh Ruf dan Zaremba et al.
P4H telah mencipta tangki kiub eksperimen yang menggunakan bingkai termoplastik dengan tali ketegangan komposit/tupang yang dibalut dengan epoksi bertetulang gentian karbon. HyDDen akan menggunakan reka bentuk yang serupa, tetapi akan menggunakan susun atur gentian automatik (AFP) untuk mengeluarkan semua tangki komposit termoplastik.
Daripada permohonan paten oleh Thiokol Corp. kepada “Composite Conformal Pressure Vessel” pada tahun 1995 kepada Paten Jerman DE19749950C2 pada tahun 1997, kapal gas termampat “mungkin mempunyai sebarang konfigurasi geometri”, tetapi terutamanya bentuk rata dan tidak sekata, dalam rongga yang disambungkan kepada sokongan cangkerang . unsur digunakan supaya ia dapat menahan daya pengembangan gas.
Makalah Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) 2006 menerangkan tiga pendekatan: bekas tekanan konformal luka filamen, bekas tekanan mikrolattice yang mengandungi struktur kekisi ortorombik dalaman (sel kecil 2 cm atau kurang), dikelilingi oleh bekas H2 berdinding nipis, dan bekas replikator, yang terdiri daripada struktur dalaman yang terdiri daripada bahagian kecil terpaku (cth, gelang plastik heksagon) dan komposisi kulit kulit luar yang nipis. Bekas pendua paling sesuai untuk bekas yang lebih besar di mana kaedah tradisional mungkin sukar digunakan.
Paten DE102009057170A yang difailkan oleh Volkswagen pada 2009 menerangkan kapal tekanan yang dipasang pada kenderaan yang akan memberikan kecekapan berat yang tinggi sambil meningkatkan penggunaan ruang. Tangki segi empat tepat menggunakan penyambung ketegangan antara dua dinding bertentangan segi empat tepat, dan sudutnya dibulatkan.
Konsep di atas dan lain-lain dipetik oleh Gleiss dalam karya "Pembangunan Proses untuk Kapal Tekanan Kubik dengan Bar Regangan" oleh Gleiss et al. di ECCM20 (26-30 Jun 2022, Lausanne, Switzerland). Dalam artikel ini, dia memetik kajian TUM yang diterbitkan oleh Michael Roof dan Sven Zaremba, yang mendapati bahawa bekas tekanan padu dengan tupang tegangan yang menghubungkan sisi segi empat tepat adalah lebih cekap daripada beberapa silinder kecil yang sesuai dengan ruang bateri rata, menyediakan kira-kira 25 % lagi. ruang simpanan.
Menurut Gleiss, masalah dengan memasang sejumlah besar silinder jenis kecil 4 dalam bekas rata ialah "isipadu antara silinder sangat berkurangan dan sistem juga mempunyai permukaan resapan gas H2 yang sangat besar. Secara keseluruhannya, sistem ini menyediakan kapasiti penyimpanan yang kurang daripada balang padu.”
Walau bagaimanapun, terdapat masalah lain dengan reka bentuk padu tangki. "Jelas sekali, kerana gas termampat, anda perlu mengatasi daya lentur pada dinding rata," kata Gleiss. “Untuk ini, anda memerlukan struktur bertetulang yang bersambung secara dalaman ke dinding tangki. Tetapi itu sukar dilakukan dengan komposit.”
Glace dan pasukannya cuba memasukkan bar ketegangan pengukuhan ke dalam bekas tekanan dengan cara yang sesuai untuk proses penggulungan filamen. "Ini penting untuk pengeluaran volum tinggi," jelasnya, "dan juga membolehkan kami mereka bentuk corak penggulungan dinding kontena untuk mengoptimumkan orientasi gentian untuk setiap beban dalam zon."
Empat langkah untuk membuat tangki komposit padu percubaan untuk projek P4H. Kredit imej: "Pembangunan proses pengeluaran untuk bekas tekanan padu dengan pendakap", Universiti Teknikal Munich, projek Polymers4Hydrogen, ECCM20, Jun 2022.
Untuk mencapai dalam rantaian, pasukan telah membangunkan konsep baharu yang terdiri daripada empat langkah utama, seperti yang ditunjukkan di atas. Topang tegangan, ditunjukkan dalam warna hitam pada tangga, adalah struktur rangka pasang siap yang direka menggunakan kaedah yang diambil daripada projek MAI Skelett. Untuk projek ini, BMW membangunkan "rangka kerja" bingkai cermin depan menggunakan empat batang pultrusion bertetulang gentian, yang kemudiannya dibentuk menjadi bingkai plastik.
Rangka tangki padu eksperimen. Bahagian rangka heksagon 3D yang dicetak oleh TUM menggunakan filamen PLA tidak bertetulang (atas), memasukkan rod pultrusion CF/PA6 sebagai pendakap tegangan (tengah) dan kemudian membalut filamen di sekeliling pendakap (bawah). Kredit imej: Universiti Teknikal Munich LCC.
"Ideanya ialah anda boleh membina bingkai tangki padu sebagai struktur modular," kata Glace. "Modul ini kemudiannya diletakkan dalam alat pengacuan, tupang tegangan diletakkan dalam modul bingkai, dan kemudian kaedah MAI Skelett digunakan di sekeliling tupang untuk menyepadukannya dengan bahagian bingkai." kaedah pengeluaran besar-besaran, menghasilkan struktur yang kemudiannya digunakan sebagai mandrel atau teras untuk membungkus shell komposit tangki simpanan.
TUM mereka bentuk rangka tangki sebagai "kusyen" padu dengan sisi pepejal, bucu bulat dan corak heksagon di bahagian atas dan bawah di mana ikatan boleh dimasukkan dan dipasang. Lubang untuk rak ini juga dicetak 3D. "Untuk tangki percubaan awal kami, kami mencetak bahagian bingkai heksagon 3D menggunakan asid polilaktik [PLA, termoplastik berasaskan bio] kerana ia mudah dan murah," kata Glace.
Pasukan itu membeli 68 batang gentian karbon bertetulang poliamida 6 (PA6) daripada SGL Carbon (Meitingen, Jerman) untuk digunakan sebagai pengikat. "Untuk menguji konsep, kami tidak melakukan apa-apa pengacuan," kata Gleiss, "tetapi hanya memasukkan spacer ke dalam bingkai teras sarang lebah bercetak 3D dan melekatkannya dengan gam epoksi. Ini kemudian menyediakan mandrel untuk menggulung tangki." Beliau menyatakan bahawa walaupun joran ini agak mudah digulung, terdapat beberapa masalah penting yang akan diterangkan kemudian.
"Pada peringkat pertama, matlamat kami adalah untuk menunjukkan kebolehkilangan reka bentuk dan mengenal pasti masalah dalam konsep pengeluaran," jelas Gleiss. “Jadi tupang tegangan terkeluar dari permukaan luar struktur rangka, dan kami memasang gentian karbon pada teras ini menggunakan belitan filamen basah. Selepas itu, dalam langkah ketiga, kami membengkokkan kepala setiap batang pengikat. termoplastik, jadi kami hanya menggunakan haba untuk membentuk semula kepala supaya ia rata dan terkunci ke dalam lapisan pertama pembalut. Kami kemudian meneruskan untuk membungkus struktur sekali lagi supaya kepala tujahan rata tertutup secara geometri di dalam tangki. lamina di dinding.
Cap spacer untuk penggulungan. TUM menggunakan penutup plastik pada hujung rod penegang untuk mengelakkan gentian daripada kusut semasa penggulungan filamen. Kredit imej: Universiti Teknikal Munich LCC.
Glace mengulangi bahawa kereta kebal pertama ini adalah bukti konsep. "Penggunaan percetakan 3D dan gam hanya untuk ujian awal dan memberi kami gambaran tentang beberapa masalah yang kami hadapi. Sebagai contoh, semasa penggulungan, filamen telah ditangkap oleh hujung rod ketegangan, menyebabkan pecah gentian, kerosakan gentian, dan mengurangkan jumlah gentian untuk mengatasinya. kami menggunakan beberapa penutup plastik sebagai alat bantu pembuatan yang diletakkan pada tiang sebelum langkah penggulungan pertama. Kemudian, apabila lamina dalaman dibuat, kami menanggalkan penutup pelindung ini dan membentuk semula hujung tiang sebelum pembalut terakhir."
Pasukan itu bereksperimen dengan pelbagai senario pembinaan semula. “Mereka yang melihat sekeliling bekerja dengan terbaik,” kata Grace. “Selain itu, semasa fasa prototaip, kami menggunakan alat kimpalan yang diubah suai untuk menggunakan haba dan membentuk semula hujung rod pengikat. Dalam konsep pengeluaran besar-besaran, anda akan mempunyai satu alat yang lebih besar yang boleh membentuk dan membentuk semua hujung tupang menjadi lamina kemasan dalaman pada masa yang sama. . ”
Kepala bar draf dibentuk semula. TUM bereksperimen dengan konsep yang berbeza dan mengubah suai kimpalan untuk menyelaraskan hujung pengikat komposit untuk dipasang pada lamina dinding tangki. Kredit imej: "Pembangunan proses pengeluaran untuk bekas tekanan padu dengan pendakap", Universiti Teknikal Munich, projek Polymers4Hydrogen, ECCM20, Jun 2022.
Oleh itu, lamina disembuhkan selepas langkah penggulungan pertama, tiang dibentuk semula, TUM melengkapkan penggulungan kedua filamen, dan kemudian lamina dinding tangki luar disembuhkan untuk kali kedua. Sila ambil perhatian bahawa ini adalah reka bentuk tangki jenis 5, yang bermaksud ia tidak mempunyai pelapik plastik sebagai penghalang gas. Lihat perbincangan dalam bahagian Langkah Seterusnya di bawah.
"Kami memotong demo pertama kepada bahagian silang dan memetakan kawasan yang disambungkan," kata Glace. "Rancangan dekat menunjukkan bahawa kami mempunyai beberapa masalah kualiti dengan lamina, dengan kepala tupang tidak terletak rata pada lamina dalaman."
Menyelesaikan masalah dengan jurang antara lamina dinding dalam dan luar tangki. Kepala batang pengikat yang diubah suai mencipta jurang antara pusingan pertama dan kedua tangki eksperimen. Kredit imej: Universiti Teknikal Munich LCC.
Tangki awal 450 x 290 x 80mm ini telah siap pada musim panas lalu. "Kami telah membuat banyak kemajuan sejak itu, tetapi kami masih mempunyai jurang antara lamina dalaman dan luaran," kata Glace. "Jadi kami cuba mengisi jurang itu dengan resin kelikatan yang bersih dan tinggi. Ini sebenarnya meningkatkan hubungan antara stud dan lamina, yang meningkatkan tekanan mekanikal.
Pasukan itu terus membangunkan reka bentuk dan proses tangki, termasuk penyelesaian untuk corak penggulungan yang diingini. "Sisi tangki ujian tidak bergulung sepenuhnya kerana geometri ini sukar untuk mencipta laluan berliku," jelas Glace. “Sudut penggulungan awal kami ialah 75°, tetapi kami tahu bahawa berbilang litar diperlukan untuk memenuhi beban dalam bekas tekanan ini. Kami masih mencari penyelesaian untuk masalah ini, tetapi ia tidak mudah dengan perisian yang sedang berada di pasaran. Ia mungkin menjadi projek susulan.
"Kami telah menunjukkan kebolehlaksanaan konsep pengeluaran ini," kata Gleiss, "tetapi kami perlu berusaha lebih jauh untuk menambah baik sambungan antara lamina dan membentuk semula batang pengikat. “Ujian luaran pada mesin ujian. Anda tarik spacer keluar dari lamina dan uji beban mekanikal yang boleh ditahan oleh sendi tersebut.”
Bahagian projek Polymers4Hydrogen ini akan disiapkan pada penghujung 2023, di mana Gleis berharap untuk menyiapkan tangki demonstrasi kedua. Menariknya, reka bentuk hari ini menggunakan termoplastik bertetulang kemas dalam bingkai dan komposit termoset di dinding tangki. Adakah pendekatan hibrid ini akan digunakan dalam tangki demonstrasi terakhir? "Ya," kata Grace. "Rakan kongsi kami dalam projek Polymers4Hydrogen sedang membangunkan resin epoksi dan bahan matriks komposit lain dengan sifat penghalang hidrogen yang lebih baik." Dia menyenaraikan dua rakan kongsi yang mengerjakan kerja ini, PCCL dan Universiti Tampere (Tampere, Finland).
Gleiss dan pasukannya juga bertukar maklumat dan membincangkan idea dengan Jaeger mengenai projek HyDDen kedua dari tangki komposit konformal LCC.
"Kami akan menghasilkan kapal tekanan komposit konformal untuk dron penyelidikan," kata Jaeger. “Ini adalah kerjasama antara dua jabatan Jabatan Aeroangkasa dan Geodetik TUM – LCC dan Jabatan Teknologi Helikopter (HT). Projek ini akan siap pada penghujung 2024 dan kami sedang menyiapkan kapal tekanan. reka bentuk yang lebih kepada pendekatan aeroangkasa dan automotif. Selepas peringkat konsep awal ini, langkah seterusnya ialah melakukan pemodelan struktur terperinci dan meramalkan prestasi halangan struktur dinding.
"Idea keseluruhannya adalah untuk membangunkan drone penerokaan dengan sel bahan api hibrid dan sistem pendorong bateri," sambungnya. Ia akan menggunakan bateri semasa beban kuasa tinggi (iaitu berlepas dan mendarat) dan kemudian bertukar kepada sel bahan api semasa pelayaran beban ringan. "Pasukan HT sudah mempunyai dron penyelidikan dan mereka bentuk semula rangkaian kuasa untuk menggunakan kedua-dua bateri dan sel bahan api," kata Yeager. "Mereka juga membeli tangki CGH2 untuk menguji transmisi ini."
"Pasukan saya ditugaskan untuk membina prototaip tangki tekanan yang sesuai, tetapi bukan kerana isu pembungkusan yang akan dibuat oleh tangki silinder," jelasnya. “Tangki yang lebih rata tidak menawarkan rintangan angin yang banyak. Jadi anda mendapat prestasi penerbangan yang lebih baik.” Dimensi tangki lebih kurang. 830 x 350 x 173 mm.
Tangki mematuhi AFP termoplastik sepenuhnya. Untuk projek HyDDen, pasukan LCC di TUM pada mulanya meneroka pendekatan yang serupa dengan yang digunakan oleh Glace (di atas), tetapi kemudian beralih kepada pendekatan menggunakan gabungan beberapa modul struktur, yang kemudiannya digunakan secara berlebihan menggunakan AFP (di bawah). Kredit imej: Universiti Teknikal Munich LCC.
"Satu idea adalah serupa dengan pendekatan Elisabeth [Gleiss]," kata Yager, "untuk menggunakan pendakap ketegangan pada dinding kapal untuk mengimbangi daya lentur yang tinggi. Walau bagaimanapun, daripada menggunakan proses penggulungan untuk membuat tangki, kami menggunakan AFP. Oleh itu, kami berfikir tentang membuat bahagian berasingan kapal tekanan, di mana rak sudah disepadukan. Pendekatan ini membolehkan saya menggabungkan beberapa modul bersepadu ini dan kemudian menggunakan penutup hujung untuk menutup segala-galanya sebelum penggulungan akhir AFP."
"Kami cuba memuktamadkan konsep sedemikian," sambungnya, "dan juga mula menguji pemilihan bahan, yang sangat penting untuk memastikan rintangan yang diperlukan terhadap penembusan gas H2. Untuk ini, kami menggunakan bahan termoplastik terutamanya dan sedang mengusahakan pelbagai cara bahan tersebut akan mempengaruhi tingkah laku dan pemprosesan resapan ini dalam mesin AFP. Adalah penting untuk memahami sama ada rawatan itu akan memberi kesan dan jika sebarang pasca pemprosesan diperlukan. Kami juga ingin tahu sama ada tindanan yang berbeza akan menjejaskan resapan hidrogen melalui bekas tekanan."
Tangki sepenuhnya akan diperbuat daripada termoplastik dan jalur akan dibekalkan oleh Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Jerman). "Kami akan menggunakan bahan PPS [polyphenylene sulfide], PEEK [polieter keton] dan LM PAEK [poliaril keton cair rendah] mereka," kata Yager. “Perbandingan kemudian dibuat untuk melihat mana yang terbaik untuk perlindungan penembusan dan menghasilkan bahagian dengan prestasi yang lebih baik.” Beliau berharap dapat menyelesaikan ujian, pemodelan struktur dan proses serta demonstrasi pertama dalam tahun hadapan.
Kerja penyelidikan telah dijalankan dalam modul COMET "Polymers4Hydrogen" (ID 21647053) dalam program COMET Kementerian Persekutuan bagi Perubahan Iklim, Alam Sekitar, Tenaga, Mobiliti, Inovasi dan Teknologi dan Kementerian Persekutuan bagi Teknologi Digital dan Ekonomi. . Penulis mengucapkan terima kasih kepada rakan kongsi Pusat Kompetensi Polimer Leoben GmbH (PCCL, Austria), Montanuniversitaet Leoben (Fakulti Kejuruteraan dan Sains Polimer, Jabatan Kimia Bahan Polimer, Jabatan Sains Bahan dan Ujian Polimer), Universiti Tampere (Fakulti Kejuruteraan Bahan). ) Sains), Teknologi Puncak dan Faurecia menyumbang kepada kerja penyelidikan ini. COMET-Modul dibiayai oleh kerajaan Austria dan kerajaan negeri Styria.
Lembaran pra-tetulang untuk struktur menanggung beban mengandungi gentian berterusan - bukan sahaja dari kaca, tetapi juga dari karbon dan aramid.
Terdapat banyak cara untuk membuat bahagian komposit. Oleh itu, pilihan kaedah untuk bahagian tertentu akan bergantung pada bahan, reka bentuk bahagian, dan penggunaan akhir atau aplikasi. Berikut adalah panduan pemilihan.
Shocker Composites dan R&M International sedang membangunkan rantaian bekalan gentian karbon kitar semula yang menyediakan sifar penyembelihan, kos lebih rendah daripada gentian dara dan akhirnya akan menawarkan panjang yang mendekati gentian berterusan dalam sifat struktur.
Masa siaran: Mac-15-2023