Standaard vlakke brandstoftanks voor elektrische voertuigen (BEV's) en brandstofcelvoertuigen (FCEV's) maken gebruik van thermoplastische en thermohardende composieten met een skeletconstructie die 25% meer waterstofopslag mogelijk maakt. #waterstof #trends
Nadat een samenwerking met BMW had aangetoond dat een kubieke tank een hogere volumetrische efficiëntie kon leveren dan meerdere kleine cilinders, startte de Technische Universiteit München een project om een composietstructuur en een schaalbaar productieproces voor serieproductie te ontwikkelen. Afbeelding: TU Dresden (linksboven), Technische Universiteit München, Afdeling Koolstofcomposieten (LCC)
Elektrische voertuigen met brandstofcellen (FCEV's) die worden aangedreven door emissievrije waterstof (H2) bieden extra mogelijkheden om de milieudoelstellingen te behalen. Een personenauto met brandstofcel en waterstofmotor kan in 5-7 minuten worden volgetankt en heeft een actieradius van 500 km, maar is momenteel duurder vanwege de lage productieaantallen. Een manier om de kosten te drukken is het gebruik van een standaardplatform voor zowel volledig elektrische (BEV) als FCEV-modellen. Dit is momenteel niet mogelijk, omdat de cilindrische tanks van type 4 die worden gebruikt om gecomprimeerd waterstofgas (CGH2) onder een druk van 700 bar op te slaan in FCEV's, niet geschikt zijn voor de speciaal voor elektrische voertuigen ontworpen accuvakken onder de carrosserie. Drukvaten in de vorm van kussens en kubussen passen echter wel in deze vlakke verpakkingsruimte.
Octrooi US5577630A voor een "composiet conform drukvat", aanvraag ingediend door Thiokol Corp. in 1995 (links) en het rechthoekige drukvat gepatenteerd door BMW in 2009 (rechts).
De afdeling Koolstofcomposieten (LCC) van de Technische Universiteit München (TUM, München, Duitsland) is betrokken bij twee projecten om dit concept verder te ontwikkelen. Het eerste project is Polymers4Hydrogen (P4H), onder leiding van het Leoben Polymer Competence Center (PCCL, Leoben, Oostenrijk). Het LCC-werkpakket wordt geleid door onderzoeker Elizabeth Glace.
Het tweede project is de Hydrogen Demonstration and Development Environment (HyDDen), waar LCC onder leiding staat van onderzoeker Christian Jaeger. Beide projecten hebben als doel een grootschalige demonstratie te creëren van het productieproces voor het maken van een geschikte CGH2-tank met behulp van koolstofvezelcomposieten.
De volumetrische efficiëntie is beperkt wanneer cilinders met een kleine diameter worden geïnstalleerd in platte batterijcellen (links) en kubieke drukvaten van type 2, gemaakt van stalen binnenwanden en een buitenmantel van koolstofvezel/epoxycomposiet (rechts). Bron afbeelding: Figuren 3 en 6 zijn afkomstig uit "Numerical Design Approach for Type II Pressure Box Vessel with Internal Tension Legs" van Ruf en Zaremba et al.
P4H heeft een experimentele kubusvormige tank ontwikkeld met een thermoplastisch frame en composiet spanbanden/steunen omwikkeld met koolstofvezelversterkte epoxy. HyDDen zal een vergelijkbaar ontwerp gebruiken, maar zal gebruikmaken van automatische vezellay-up (AFP) voor de productie van alle thermoplastische composiettanks.
Van een octrooiaanvraag van Thiokol Corp. voor een "composiet conform drukvat" in 1995 tot het Duitse octrooi DE19749950C2 in 1997, kunnen drukvaten voor gas "elke geometrische configuratie" hebben, maar vooral vlakke en onregelmatige vormen, waarbij in een holte die verbonden is met de mantel, elementen worden gebruikt die bestand zijn tegen de uitzettingskracht van het gas.
Een artikel uit 2006 van het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) beschrijft drie benaderingen: een met filamenten gewikkeld, conform drukvat, een microlattice-drukvat met een interne orthorhombische roosterstructuur (kleine cellen van 2 cm of minder), omgeven door een dunwandige H2-container, en een replicatorcontainer, bestaande uit een interne structuur van gelijmde kleine onderdelen (bijvoorbeeld zeshoekige plastic ringen) en een samenstelling van een dunne buitenschaal. Replicatorcontainers zijn het meest geschikt voor grotere containers waar traditionele methoden moeilijk toepasbaar zijn.
Het patent DE102009057170A, ingediend door Volkswagen in 2009, beschrijft een op een voertuig gemonteerd drukvat dat een hoge gewichtsefficiëntie biedt en tegelijkertijd de ruimte optimaal benut. Rechthoekige tanks maken gebruik van trekverbindingen tussen twee tegenover elkaar liggende rechthoekige wanden, en de hoeken zijn afgerond.
Bovenstaande en andere concepten worden door Gleiss aangehaald in het artikel "Process Development for Cubic Pressure Vessels with Stretch Bars" van Gleiss et al., gepresenteerd op ECCM20 (26-30 juni 2022, Lausanne, Zwitserland). In dit artikel citeert ze een onderzoek van de Technische Universiteit München (TUM) van Michael Roof en Sven Zaremba, waaruit bleek dat een kubusvormig drukvat met trekstangen die de rechthoekige zijden verbinden efficiënter is dan meerdere kleine cilinders die in de ruimte van een platte batterij passen, en dat het ongeveer 25% meer opslagruimte biedt.
Volgens Gleiss is het probleem met het plaatsen van een groot aantal kleine type 4-cilinders in een platte behuizing dat "het volume tussen de cilinders sterk wordt verminderd en het systeem ook een zeer groot oppervlak heeft voor de doorlaatbaarheid van H2-gas. Al met al biedt het systeem een kleinere opslagcapaciteit dan kubieke flessen."
Er zijn echter nog andere problemen met het kubusvormige ontwerp van de tank. "Vanwege het gecomprimeerde gas moet je natuurlijk de buigkrachten op de vlakke wanden tegengaan", aldus Gleiss. "Hiervoor heb je een versterkte structuur nodig die intern met de wanden van de tank is verbonden. Maar dat is lastig te realiseren met composietmaterialen."
Glace en haar team probeerden verstevigende trekstangen in het drukvat te integreren op een manier die geschikt zou zijn voor het filamentwikkelproces. "Dit is belangrijk voor productie op grote schaal", legt ze uit, "en stelt ons ook in staat om het wikkelpatroon van de containerwanden zo te ontwerpen dat de vezeloriëntatie voor elke lading in de zone wordt geoptimaliseerd."
Vier stappen voor het maken van een proefmodel van een kubusvormige composiettank voor het P4H-project. Afbeelding: “Ontwikkeling van een productieproces voor kubusvormige drukvaten met versteviging”, Technische Universiteit München, Polymers4Hydrogen-project, ECCM20, juni 2022.
Om dit te bereiken, heeft het team een nieuw concept ontwikkeld dat bestaat uit vier hoofdstappen, zoals hierboven weergegeven. De trekstangen, in zwart weergegeven op de stappen, zijn een geprefabriceerde frameconstructie die is vervaardigd met behulp van methoden die zijn overgenomen van het MAI Skelett-project. Voor dit project ontwikkelde BMW een voorruitframe met behulp van vier vezelversterkte pultrusiestaven, die vervolgens tot een kunststof frame werden gevormd.
Het frame van een experimentele kubusvormige tank. Hexagonale skeletdelen 3D-geprint door de TUM met onversterkt PLA-filament (boven), waarbij CF/PA6-pultrusiestaven als trekstangen worden ingebracht (midden) en vervolgens het filament om de stangen wordt gewikkeld (onder). Afbeelding: Technische Universiteit München LCC.
"Het idee is dat je het frame van een kubusvormige tank kunt bouwen als een modulaire structuur," aldus Glace. "Deze modules worden vervolgens in een vormmal geplaatst, de trekstangen worden in de framemodules aangebracht en vervolgens wordt de methode van MAI Skelett gebruikt om de stangen te integreren met de frameonderdelen." Dit resulteert in een structuur die vervolgens als mal of kern wordt gebruikt om de composietwand van de opslagtank te omhullen.
TUM ontwierp het frame van de tank als een kubusvormig "kussen" met massieve zijkanten, afgeronde hoeken en een zeshoekig patroon aan de boven- en onderkant waar bevestigingspunten doorheen kunnen worden gestoken. De gaten voor deze bevestigingspunten werden ook 3D-geprint. "Voor onze eerste experimentele tank hebben we zeshoekige framedelen 3D-geprint met poly melkzuur [PLA, een biobased thermoplast] omdat dat gemakkelijk en goedkoop was", aldus Glace.
Het team kocht 68 gepultrudeerde koolstofvezelversterkte polyamide 6 (PA6) staven van SGL Carbon (Meitingen, Duitsland) om als verbindingsstukken te gebruiken. "Om het concept te testen, hebben we geen mallen gemaakt", zegt Gleiss, "maar simpelweg afstandhouders in een 3D-geprint honingraatvormig frame geplaatst en deze met epoxy lijm vastgelijmd. Dit dient vervolgens als mal voor het wikkelen van de tank." Ze merkt op dat hoewel deze staven relatief gemakkelijk te wikkelen zijn, er enkele belangrijke problemen zijn die later zullen worden beschreven.
“In de eerste fase was ons doel om de produceerbaarheid van het ontwerp aan te tonen en problemen in het productieconcept te identificeren”, legde Gleiss uit. “De trekstangen steken dus uit het buitenoppervlak van de skeletstructuur en we bevestigen de koolstofvezels aan deze kern met behulp van nat filamentwikkelen. Daarna, in de derde stap, buigen we de kop van elke trekstang. Omdat het thermoplastisch materiaal is, gebruiken we alleen warmte om de kop te vervormen, zodat deze plat wordt en zich vastzet in de eerste wikkellaag. Vervolgens wikkelen we de structuur opnieuw, zodat de platte drukkop geometrisch ingesloten is in de tank. We gebruiken laminaat op de wanden.”
Afstandskapje voor het wikkelen. De Technische Universiteit München (TUM) gebruikt plastic kapjes op de uiteinden van de spanstangen om te voorkomen dat de vezels in de knoop raken tijdens het filamentwikkelen. Afbeelding: Technische Universiteit München LCC.
Glace herhaalde dat deze eerste tank een proof of concept was. “Het gebruik van 3D-printen en lijm was alleen voor de eerste tests en gaf ons een idee van een aantal problemen die we tegenkwamen. Tijdens het wikkelen bleven de filamenten bijvoorbeeld haken aan de uiteinden van de spanstangen, wat leidde tot vezelbreuk, vezelbeschadiging en een verminderde hoeveelheid vezels om dit te compenseren. We gebruikten een paar plastic dopjes als hulpmiddel bij de productie, die we op de stangen plaatsten vóór de eerste wikkelstap. Toen de interne laminaten klaar waren, verwijderden we deze beschermkapjes en gaven we de uiteinden van de stangen een nieuwe vorm voordat we ze definitief wikkelden.”
Het team experimenteerde met verschillende reconstructiescenario's. "Degenen die goed om zich heen kijken, werken het beste", zegt Grace. "Tijdens de prototypefase gebruikten we ook een aangepast lasapparaat om warmte toe te passen en de uiteinden van de stuurstangen te vervormen. In een massaproductieconcept zou je één groter apparaat hebben dat alle uiteinden van de stuurstangen tegelijkertijd kan vormen en in een laminaat voor de binnenafwerking kan integreren."
De trekstangkoppen zijn opnieuw vormgegeven. De Technische Universiteit München (TUM) experimenteerde met verschillende concepten en paste de lasnaden aan om de uiteinden van de composietverbindingen uit te lijnen voor bevestiging aan het laminaat van de tankwand. Afbeelding: “Development of a production process for cubic pressure vessels with brace”, Technische Universiteit München, Polymers4Hydrogen project, ECCM20, juni 2022.
Het laminaat wordt dus uitgehard na de eerste wikkelstap, de staanders worden opnieuw gevormd, de TUM voltooit de tweede wikkeling van de filamenten en vervolgens wordt het laminaat van de buitenwand van de tank een tweede keer uitgehard. Houd er rekening mee dat dit een tankontwerp van type 5 is, wat betekent dat er geen plastic binnenbekleding als gasbarrière aanwezig is. Zie de toelichting in het gedeelte 'Volgende stappen' hieronder.
"We hebben de eerste demo in dwarsdoorsneden verdeeld en het verbonden gebied in kaart gebracht", aldus Glace. "Een close-up laat zien dat er wat kwaliteitsproblemen waren met het laminaat, waarbij de kopstukken van de steunbalken niet vlak op het binnenste laminaat lagen."
Het oplossen van problemen met spleten tussen de laminaten van de binnen- en buitenwand van de tank. De aangepaste trekstangkop creëert een spleet tussen de eerste en tweede winding van de experimentele tank. Afbeelding: Technische Universiteit München LCC.
Deze eerste tank van 450 x 290 x 80 mm werd afgelopen zomer voltooid. "We hebben sindsdien veel vooruitgang geboekt, maar er is nog steeds een opening tussen het laminaat aan de binnen- en buitenkant", aldus Glace. "Daarom hebben we geprobeerd die openingen op te vullen met een schone hars met een hoge viscositeit. Dit verbetert de verbinding tussen de staanders en het laminaat, waardoor de mechanische belasting aanzienlijk toeneemt."
Het team bleef het tankontwerp en -proces verder ontwikkelen, inclusief oplossingen voor het gewenste wikkelpatroon. "De zijkanten van de testtank waren niet volledig opgerold, omdat het met deze geometrie moeilijk was om een wikkelpad te creëren", legde Glace uit. "Onze initiële wikkelhoek was 75°, maar we wisten dat er meerdere circuits nodig waren om de belasting in dit drukvat aan te kunnen. We zoeken nog steeds naar een oplossing voor dit probleem, maar dat is niet eenvoudig met de software die momenteel op de markt is. Het zou een vervolgproject kunnen worden."
"We hebben de haalbaarheid van dit productieconcept aangetoond," zegt Gleiss, "maar we moeten nog verder werken aan het verbeteren van de verbinding tussen het laminaat en het hervormen van de trekstangen. Externe tests op een testmachine. Je trekt de afstandhouders uit het laminaat en test de mechanische belastingen die die verbindingen kunnen weerstaan."
Dit deel van het Polymers4Hydrogen-project zal eind 2023 worden afgerond. Tegen die tijd hoopt Gleis de tweede demonstratietank te hebben voltooid. Interessant is dat er tegenwoordig gebruik wordt gemaakt van versterkte thermoplasten in het frame en thermohardende composieten in de tankwanden. Zal deze hybride aanpak ook in de uiteindelijke demonstratietank worden toegepast? "Ja," antwoordde Grace. "Onze partners in het Polymers4Hydrogen-project ontwikkelen epoxyharsen en andere composietmatrixmaterialen met betere waterstofbarrière-eigenschappen." Ze noemt twee partners die aan dit project werken: PCCL en de Universiteit van Tampere (Tampere, Finland).
Gleiss en haar team wisselden ook informatie uit en bespraken ideeën met Jaeger over het tweede HyDDen-project, dat voortvloeide uit de LCC-conforme composiettank.
“We gaan een conform composiet drukvat produceren voor onderzoeksdrones”, zegt Jaeger. “Dit is een samenwerking tussen de twee afdelingen van de Technische Universiteit München (TUM) – LCC en de afdeling Helikoptertechnologie (HT). Het project zal eind 2024 afgerond zijn en we werken momenteel aan het drukvat, met een ontwerp dat meer aansluit bij de lucht- en ruimtevaart- en automobielindustrie. Na deze eerste conceptfase is de volgende stap het uitvoeren van gedetailleerde structurele modellering en het voorspellen van de barrièrewerking van de wandconstructie.”
"Het hele idee is om een verkenningsdrone te ontwikkelen met een hybride aandrijfsysteem op brandstofcellen en batterijen," vervolgde hij. De drone zal de batterij gebruiken bij hoge vermogensbelastingen (bijvoorbeeld bij opstijgen en landen) en vervolgens overschakelen op de brandstofcel tijdens het vliegen met een lagere belasting. "Het HT-team had al een onderzoeksdrone en heeft de aandrijflijn opnieuw ontworpen om zowel batterijen als brandstofcellen te gebruiken," zei Yeager. "Ze hebben ook een CGH2-tank aangeschaft om deze transmissie te testen."
"Mijn team kreeg de opdracht een prototype van een drukvat te bouwen dat zou passen, maar niet vanwege de inbouwproblemen die een cilindrisch vat zou opleveren", legt hij uit. "Een platter vat biedt minder luchtweerstand. Daardoor krijg je betere vliegprestaties." Afmetingen van het vat: circa 830 x 350 x 173 mm.
Volledig thermoplastische tank die voldoet aan de AFP-normen. Voor het HyDDen-project onderzocht het LCC-team van de Technische Universiteit München (TUM) aanvankelijk een vergelijkbare aanpak als die van Glace (zie boven), maar stapte vervolgens over op een aanpak met een combinatie van verschillende structurele modules, die vervolgens werden overbelast met AFP (zie onder). Afbeelding: Technische Universiteit München LCC.
"Eén idee is vergelijkbaar met de aanpak van Elisabeth [Gleiss]," zegt Yager, "om trekstangen aan de vatwand aan te brengen om de hoge buigkrachten te compenseren. In plaats van een wikkelproces te gebruiken om de tank te maken, gebruiken we echter AFP. Daarom bedachten we een apart gedeelte van het drukvat waarin de rekken al geïntegreerd zijn. Deze aanpak stelde me in staat om verschillende van deze geïntegreerde modules te combineren en vervolgens een eindkap aan te brengen om alles af te dichten vóór de uiteindelijke AFP-wikkeling."
"We proberen een dergelijk concept af te ronden," vervolgde hij, "en we beginnen ook met het testen van de materiaalkeuze, wat erg belangrijk is om de noodzakelijke weerstand tegen waterstofgaspenetratie te garanderen. Hiervoor gebruiken we voornamelijk thermoplastische materialen en onderzoeken we hoe het materiaal dit permeatiegedrag en de verwerking in de AFP-machine beïnvloedt. Het is belangrijk om te begrijpen of de behandeling effect heeft en of er nabewerking nodig is. We willen ook weten of verschillende stapels de waterstofpermeatie door het drukvat beïnvloeden."
De tank zal volledig van thermoplastisch materiaal zijn en de strips worden geleverd door Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Duitsland). "We zullen hun PPS [polyfenyleensulfide], PEEK [polyetherketon] en LM PAEK [laagsmeltend polyarylketon] materialen gebruiken", aldus Yager. "Vervolgens worden vergelijkingen gemaakt om te zien welke het beste bescherming biedt tegen penetratie en om onderdelen met betere prestaties te produceren." Hij hoopt de tests, structurele en procesmodellering en eerste demonstraties binnen het komende jaar af te ronden.
Het onderzoek werd uitgevoerd in het kader van de COMET-module “Polymers4Hydrogen” (ID 21647053) van het COMET-programma van het Federale Ministerie voor Klimaatverandering, Milieu, Energie, Mobiliteit, Innovatie en Technologie en het Federale Ministerie voor Digitale Technologie en Economie. De auteurs bedanken de deelnemende partners Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL, Oostenrijk), Montanuniversität Leoben (Faculteit Polymere Techniek en Wetenschap, Afdeling Chemie van Polymere Materialen, Afdeling Materiaalwetenschappen en Polymere Testen), Universiteit van Tampere (Faculteit Technische Materialen), Peak Technology en Faurecia voor hun bijdrage aan dit onderzoek. De COMET-module wordt gefinancierd door de Oostenrijkse overheid en de overheid van de deelstaat Stiermarken.
Voorversterkte platen voor dragende constructies bevatten doorlopende vezels – niet alleen van glas, maar ook van koolstof en aramide.
Er zijn veel manieren om composietonderdelen te maken. De keuze van de methode voor een specifiek onderdeel hangt daarom af van het materiaal, het ontwerp van het onderdeel en het uiteindelijke gebruik of de toepassing. Hier volgt een selectiegids.
Shocker Composites en R&M International ontwikkelen een toeleveringsketen voor gerecyclede koolstofvezels die geen slachtingen vereist, lagere kosten met zich meebrengt dan nieuwe vezels en uiteindelijk vezels zal opleveren met structurele eigenschappen die vergelijkbaar zijn met die van een doorlopende vezel.
Geplaatst op: 15 maart 2023