Tangki platform rata standard untuk BEV dan FCEV menggunakan komposit termoplastik dan termoset dengan pembinaan rangka yang menyediakan penyimpanan 25% lebih H2. #hydrogen #trends
Selepas kerjasama dengan BMW menunjukkan bahawa tangki padu dapat memberikan kecekapan volumetrik yang lebih tinggi daripada beberapa 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 bakar (FCEV) yang dikuasakan oleh hidrogen sifar-pelepasan (H2) menyediakan cara tambahan untuk mencapai sasaran alam sekitar sifar. Sebuah kereta penumpang sel bahan bakar dengan enjin H2 boleh diisi dalam 5-7 minit dan mempunyai jarak 500 km, tetapi kini lebih mahal kerana jumlah pengeluaran yang rendah. Salah satu cara untuk mengurangkan kos adalah menggunakan platform standard untuk model BEV dan FCEV. Ini tidak mungkin kerana tangki silinder jenis 4 yang digunakan untuk menyimpan gas H2 termampat (CGH2) pada 700 bar di FCEV tidak sesuai untuk petak bateri underbody yang telah direka dengan teliti untuk kenderaan elektrik. Walau bagaimanapun, kapal tekanan dalam bentuk bantal dan kiub boleh dimuatkan ke dalam ruang pembungkusan rata ini.
Paten US5577630A untuk "Kapal Tekanan Conformal Composite", permohonan yang difailkan oleh Thiokol Corp pada tahun 1995 (kiri) dan kapal 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 polimer4hydrogen (P4H), yang diketuai oleh Pusat Kompetensi Polimer Leoben (PCCL, Leoben, Austria). Pakej kerja LCC diketuai oleh rakan Elizabeth Glace.
Projek kedua ialah Demonstrasi dan Pembangunan Hidrogen (Hydden), di mana LCC diketuai oleh penyelidik Christian Jaeger. Kedua-duanya bertujuan untuk mewujudkan demonstrasi besar-besaran proses pembuatan untuk membuat tangki CGH2 yang sesuai menggunakan komposit serat karbon.
Terdapat kecekapan volumetrik yang terhad apabila silinder diameter kecil dipasang dalam sel -sel bateri rata (kiri) dan padu jenis 2 kapal tekanan yang diperbuat daripada liner keluli dan serat karbon/epoksi komposit luar (kanan). Sumber Imej: Angka 3 dan 6 adalah dari "Pendekatan Reka Bentuk Berangka untuk Kapal Kotak Tekanan Jenis II dengan Kaki Ketegangan Dalaman" oleh RUF dan Zaremba et al.
P4H telah membuat tangki kiub eksperimen yang menggunakan bingkai termoplastik dengan tali ketegangan komposit/struts yang dibungkus dalam epoksi bertetulang serat karbon. Hydden akan menggunakan reka bentuk yang sama, tetapi akan menggunakan layup serat automatik (AFP) untuk mengeluarkan semua tangki komposit termoplastik.
Dari permohonan paten oleh Thiokol Corp ke "Kapal Tekanan Konformal Komposit" pada tahun 1995 kepada paten Jerman DE19749950C2 pada tahun 1997, kapal gas termampat "mungkin mempunyai konfigurasi geometri", tetapi terutama bentuk rata dan tidak teratur, dalam rongga yang berkaitan dengan sokongan shell . Unsur -unsur digunakan supaya mereka dapat menahan kekuatan pengembangan gas.
Kertas Makmal Kebangsaan Lawrence Livermore 2006 (LLNL) menerangkan tiga pendekatan: luka filamen Kapal tekanan konformal, kapal tekanan mikrolat yang mengandungi struktur kisi ortorhombik dalaman (sel kecil 2 cm atau kurang), dikelilingi oleh bekas H2 yang berdinding nipis, dan bekas replikator, yang terdiri daripada struktur dalaman yang terdiri daripada bahagian kecil terpaku (misalnya, plastik heksagonal cincin) dan komposisi kulit shell luar nipis. Bekas pendua paling sesuai untuk bekas yang lebih besar di mana kaedah tradisional mungkin sukar untuk digunakan.
Paten DE102009057170A yang difailkan oleh Volkswagen pada tahun 2009 menggambarkan kapal tekanan yang dipasang kenderaan yang akan memberikan kecekapan berat badan yang tinggi sambil meningkatkan penggunaan ruang. Tangki segi empat tepat menggunakan penyambung ketegangan antara dua dinding bertentangan segi empat tepat, dan sudutnya dibulatkan.
Konsep -konsep di atas dan lain -lain dikutip oleh Gleiss dalam kertas "Pembangunan proses untuk kapal tekanan padu dengan bar regangan" oleh Gleiss et al. di ECCM20 (26-30 Jun, 2022, Lausanne, Switzerland). Dalam artikel ini, beliau memetik kajian TUM yang diterbitkan oleh Michael Roof dan Sven Zaremba, yang mendapati bahawa kapal tekanan kubik dengan ketegangan struts yang menghubungkan sisi segi empat tepat lebih efisien daripada beberapa silinder kecil yang sesuai dengan ruang bateri rata, yang menyediakan kira -kira 25 % LEBIH. ruang simpanan.
Menurut Gleiss, masalah dengan memasang sejumlah besar silinder jenis 4 kecil dalam kes rata ialah "jumlah antara silinder sangat berkurangan dan sistem juga mempunyai permukaan permeasi gas 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 di dinding rata," kata Gleiss. "Untuk ini, anda memerlukan struktur bertetulang yang menghubungkan secara dalaman ke dinding tangki. Tetapi itu sukar dilakukan dengan komposit. "
Glace dan pasukannya cuba menggabungkan bar ketegangan yang mengukuhkan ke dalam kapal tekanan dengan cara yang sesuai untuk proses penggulungan filamen. "Ini penting untuk pengeluaran volum tinggi," jelasnya, "dan juga membolehkan kita merancang corak penggulungan dinding kontena untuk mengoptimumkan orientasi serat untuk setiap beban di zon."
Empat langkah untuk membuat tangki komposit padu percubaan untuk projek P4H. Kredit Imej: "Pembangunan Proses Pengeluaran untuk Kapal Tekanan Kumpulan dengan Brace", Universiti Teknikal Munich, Projek Polimer4hydrogen, ECCM20, Jun 2022.
Untuk mencapai rantaian, pasukan telah membangunkan konsep baru yang terdiri daripada empat langkah utama, seperti yang ditunjukkan di atas. Struts ketegangan, yang ditunjukkan dalam warna hitam pada langkah -langkah, adalah struktur bingkai pasang siap yang dibuat menggunakan kaedah yang diambil dari projek Mai Skelett. Untuk projek ini, BMW membangunkan bingkai cermin depan "kerangka" menggunakan empat batang pultrusion bertetulang serat, yang kemudiannya dibentuk ke dalam bingkai plastik.
Bingkai tangki padu eksperimen. Seksyen rangka heksagon 3D dicetak oleh TUM menggunakan filamen PLA yang tidak diperkuatkan (atas), memasukkan batang pultrusi CF/PA6 sebagai pendakap ketegangan (tengah) dan kemudian membungkus filamen di sekitar pendakap (bawah). Kredit Imej: Universiti Teknikal Munich LCC.
"Ideanya ialah anda boleh membina bingkai tangki padu sebagai struktur modular," kata Glace. "Modul -modul ini kemudiannya diletakkan dalam alat pencetakan, struts ketegangan diletakkan dalam modul bingkai, dan kemudian kaedah Mai Skelett digunakan di sekitar struts untuk mengintegrasikannya dengan bahagian bingkai." Kaedah pengeluaran besar -besaran, menghasilkan struktur yang kemudiannya digunakan sebagai mandrel atau teras untuk membungkus shell komposit tangki simpanan.
Tum merancang bingkai tangki sebagai "kusyen" padu dengan sisi pepejal, sudut bulat dan corak heksagon di bahagian atas dan bawah yang mana ikatan boleh dimasukkan dan dilampirkan. Lubang -lubang untuk rak ini juga dicetak 3D. "Untuk tangki eksperimen awal kami, kami 3D mencetak bahagian bingkai heksagon menggunakan asid polylactic [PLA, termoplastik berasaskan bio] kerana ia mudah dan murah," kata Glace.
Pasukan ini membeli 68 rod poliamida bertetulang serat karbon 6 (PA6) dari SGL Carbon (Meitingen, Jerman) untuk digunakan sebagai ikatan. "Untuk menguji konsep itu, kami tidak melakukan apa -apa pencetakan," kata Gleiss, "tetapi hanya memasukkan spacer ke dalam bingkai teras sarang lebah 3D dan melekatkannya dengan gam epoksi. Ini kemudian menyediakan mandrel untuk penggulungan tangki. " Dia menyatakan bahawa walaupun rod ini agak mudah untuk angin, terdapat beberapa masalah penting yang akan diterangkan kemudian.
"Pada peringkat pertama, matlamat kami adalah untuk menunjukkan pembuatan reka bentuk dan mengenal pasti masalah dalam konsep pengeluaran," jelas Gleiss. "Jadi ketegangan struts menonjol dari permukaan luar struktur rangka, dan kami melampirkan serat karbon ke teras ini menggunakan penggulungan filamen basah. Selepas itu, dalam langkah ketiga, kami membengkokkan kepala setiap batang tali leher. Thermoplastic, jadi kami hanya menggunakan haba untuk membentuk semula kepala supaya ia meratakan dan mengunci ke lapisan pertama pembungkus. Kami kemudian meneruskan untuk membungkus struktur sekali lagi supaya kepala teras rata disertakan secara geometri dalam tangki. Laminate di dinding.
Cap spacer untuk penggulungan. Tum menggunakan topi plastik di hujung batang ketegangan untuk menghalang serat dari kusut semasa penggulungan filamen. Kredit Imej: Universiti Teknikal Munich LCC.
Glace mengulangi bahawa tangki pertama ini adalah bukti konsep. "Penggunaan percetakan 3D dan gam hanya untuk ujian awal dan memberi kami idea tentang beberapa masalah yang kami hadapi. Sebagai contoh, semasa penggulungan, filamen ditangkap oleh hujung rod ketegangan, menyebabkan kerosakan serat, kerosakan serat, dan mengurangkan jumlah serat untuk mengatasinya. Kami menggunakan beberapa topi plastik sebagai alat bantu pembuatan yang diletakkan di tiang sebelum langkah berliku pertama.
Pasukan ini bereksperimen dengan pelbagai senario pembinaan semula. "Mereka yang melihat sekeliling bekerja yang terbaik," kata Grace. "Juga, semasa fasa prototaip, kami menggunakan alat kimpalan yang diubah suai untuk memohon haba dan membentuk semula rod tie. Dalam konsep pengeluaran besar -besaran, anda akan mempunyai satu alat yang lebih besar yang boleh membentuk dan membentuk semua hujung struts ke dalam lamina kemasan dalaman pada masa yang sama. . "
Ketua -kepala Drawbar diubahsuai. Tum bereksperimen dengan konsep yang berbeza dan mengubahsuai kimpalan untuk menyelaraskan hujung ikatan komposit untuk melampirkan ke lamina dinding tangki. Kredit Imej: "Pembangunan Proses Pengeluaran untuk Kapal Tekanan Kumpulan dengan Brace", Universiti Teknikal Munich, Projek Polimer4hydrogen, ECCM20, Jun 2022.
Oleh itu, lamina disembuhkan selepas langkah penggulungan pertama, jawatan -jawatan itu dibentuk semula, tum melengkapkan penggulungan kedua filamen, dan kemudian lamina dinding tangki luar sembuh 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 di bahagian langkah seterusnya di bawah.
"Kami memotong demo pertama ke bahagian silang dan memetakan kawasan yang bersambung," kata Glace. "Penutupan menunjukkan bahawa kami mempunyai beberapa masalah yang berkualiti dengan lamina, dengan kepala strut tidak meletakkan rata di lamina dalaman."
Menyelesaikan masalah dengan jurang antara lamina dinding dalaman dan luar tangki. Kepala rod tie yang diubahsuai membuat jurang antara giliran 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 kancing dan lamina, yang sangat meningkatkan tekanan mekanikal. "
Pasukan ini terus membangunkan reka bentuk dan proses tangki, termasuk penyelesaian untuk corak penggulungan yang dikehendaki. "Sisi tangki ujian tidak sepenuhnya bergulung kerana sukar bagi geometri ini untuk mewujudkan jalan penggulungan," jelas Glace. "Sudut penggulungan awal kami adalah 75 °, tetapi kami tahu bahawa pelbagai litar diperlukan untuk memenuhi beban di dalam kapal tekanan ini. Kami masih mencari penyelesaian untuk masalah ini, tetapi tidak mudah dengan perisian yang kini berada di pasaran. Ia mungkin menjadi projek susulan.
"Kami telah menunjukkan kebolehlaksanaan konsep pengeluaran ini," kata Gleiss, "tetapi kita perlu bekerja lebih jauh untuk meningkatkan hubungan antara lamina dan membentuk semula rod ikat. "Ujian luaran pada mesin ujian. Anda menarik spacers keluar dari lamina dan menguji beban mekanikal yang dapat ditahan oleh sendi -sendi. "
Bahagian projek polimer4hydrogen ini akan disiapkan pada akhir tahun 2023, yang mana Gleis berharap dapat menyelesaikan tangki demonstrasi kedua. Menariknya, reka bentuk hari ini menggunakan termoplastik bertetulang kemas dalam komposit bingkai dan termoset di dinding tangki. Adakah pendekatan hibrid ini akan digunakan dalam tangki demonstrasi akhir? "Ya," kata Grace. "Rakan kongsi kami dalam projek polimer4hydrogen sedang membangunkan resin epoksi dan bahan matriks komposit lain dengan sifat penghalang hidrogen yang lebih baik." Beliau menyenaraikan dua rakan kongsi yang bekerja pada kerja ini, PCCL dan University of Tampere (Tampere, Finland).
Gleiss dan pasukannya juga bertukar maklumat dan membincangkan idea dengan Jaeger pada projek Hydden kedua dari tangki komposit konformal LCC.
"Kami akan menghasilkan kapal tekanan komposit konformal untuk drone penyelidikan," kata Jaeger. "Ini adalah kerjasama antara kedua -dua jabatan Jabatan Aeroangkasa dan Geodetik Tum - LCC dan Jabatan Teknologi Helikopter (HT). Projek ini akan disiapkan menjelang akhir tahun 2024 dan kami sedang melengkapkan kapal tekanan. Reka bentuk yang lebih daripada pendekatan aeroangkasa dan automotif. Selepas peringkat konsep awal ini, langkah seterusnya adalah untuk melakukan pemodelan struktur terperinci dan meramalkan prestasi penghalang struktur dinding. "
"Seluruh idea adalah untuk membangunkan drone penerokaan dengan sel bahan bakar hibrid dan sistem pendorong bateri," katanya. Ia akan menggunakan bateri semasa beban kuasa tinggi (iaitu berlepas dan pendaratan) dan kemudian beralih ke sel bahan bakar semasa pelayaran beban cahaya. "Pasukan HT sudah mempunyai drone penyelidikan dan mendesain semula powertrain untuk menggunakan kedua -dua bateri dan sel bahan bakar," kata Yeager. "Mereka juga membeli tangki CGH2 untuk menguji penghantaran ini."
"Pasukan saya ditugaskan untuk membina prototaip tangki tekanan yang sesuai, tetapi bukan kerana isu pembungkusan yang akan dicipta oleh tangki silinder," jelasnya. "Sebuah tangki yang rata tidak menawarkan rintangan angin sebanyak. Jadi anda mendapat prestasi penerbangan yang lebih baik. " Dimensi tangki lebih kurang. 830 x 350 x 173 mm.
Tangki patuh AFP sepenuhnya termoplastik. Untuk Projek Hydden, pasukan LCC di TUM pada mulanya meneroka pendekatan yang sama dengan yang digunakan oleh Glace (di atas), tetapi kemudian berpindah ke pendekatan menggunakan gabungan beberapa modul struktur, yang kemudiannya digunakan terlalu banyak menggunakan AFP (di bawah). Kredit Imej: Universiti Teknikal Munich LCC.
"Satu idea adalah serupa dengan pendekatan Elisabeth [Gleiss]," kata Yager, "untuk memohon pendakap ketegangan ke dinding kapal untuk mengimbangi pasukan lenturan yang tinggi. Walau bagaimanapun, bukannya menggunakan proses penggulungan untuk membuat tangki, kami menggunakan AFP. Oleh itu, kami berfikir tentang mewujudkan bahagian berasingan kapal tekanan, di mana rak telah diintegrasikan. Pendekatan ini membolehkan saya menggabungkan beberapa modul bersepadu ini dan kemudian memohon topi akhir untuk menutup segala -galanya sebelum penggulungan AFP terakhir. "
"Kami cuba memuktamadkan konsep sedemikian," katanya, "dan juga mula menguji pemilihan bahan, yang sangat penting untuk memastikan ketahanan yang diperlukan terhadap penembusan gas H2. Untuk ini, kami terutamanya menggunakan bahan termoplastik dan bekerja pada pelbagai bagaimana bahan itu akan mempengaruhi tingkah laku dan pemprosesan ini dalam mesin AFP. Adalah penting untuk memahami jika rawatan akan memberi kesan dan jika ada pemprosesan pasca diperlukan. Kami juga ingin tahu sama ada susunan yang berbeza akan menjejaskan permeasi hidrogen melalui kapal tekanan. "
Tangki ini akan dibuat sepenuhnya daripada termoplastik dan jalur akan dibekalkan oleh Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Jerman). "Kami akan menggunakan PPS [polyphenylene sulfide] mereka, mengintip [polyether ketone] dan LM PAEK [bahan polyaryl ketone] yang rendah," 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 dan demonstrasi pertama dalam tahun depan.
Kerja penyelidikan dijalankan dalam modul komet "Polymers4hydrogen" (ID 21647053) dalam program komet Kementerian Persekutuan untuk Perubahan Iklim, Alam Sekitar, Tenaga, Mobiliti, Inovasi dan Teknologi dan Kementerian Persekutuan untuk teknologi dan ekonomi digital. . Penulis mengucapkan terima kasih kepada Pusat Kompetensi Polimer Polimer yang mengambil bahagian Leoben GmbH (PCCL, Austria), Montanuniversitaet Leoben (Fakulti Kejuruteraan dan Sains Polimer, Jabatan Kimia Bahan Polimer, Jabatan Sains Bahan dan 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-diperkuatkan untuk struktur galas beban mengandungi serat 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 bergantung kepada bahan, reka bentuk bahagian, dan penggunaan akhir atau aplikasi. Berikut adalah panduan pemilihan.
Komposit Shocker dan R & M International sedang membangunkan rantaian bekalan serat karbon kitar semula yang menyediakan penyembelihan sifar, kos yang lebih rendah daripada serat dara dan akhirnya akan menawarkan panjang yang mendekati serat berterusan dalam sifat struktur.
Masa Post: Mar-15-2023