Standaard plat platformtanks voor BEV's en FCEV's gebruiken thermoplastische en thermohardende composieten met een skeletconstructie die 25% meer H2-opslag biedt. #hydrogen #trends
Na een samenwerking met BMW toonde aan dat een kubische tank een hogere volumetrische efficiëntie zou kunnen leveren dan meerdere kleine cilinders, begon de technische Universiteit van München aan een project om een composietstructuur te ontwikkelen en een schaalbaar productieproces voor seriële productie. Afbeeldingskrediet: Tu Dresden (boven) links), Technische Universiteit van München, Afdeling Carbon Composites (LCC)
Brandstofcel elektrische voertuigen (FCEV's) aangedreven door nulemissie (H2) waterstof bieden extra middelen om nul milieudoelen te bereiken. Een door de brandstofcel personenauto met een H2-motor kan in 5-7 minuten worden gevuld en heeft een bereik van 500 km, maar is momenteel duurder vanwege lage productievolumes. Een manier om de kosten te verlagen, is door een standaardplatform te gebruiken voor BEV- en FCEV -modellen. Dit is momenteel niet mogelijk omdat de type 4 cilindrische tanks die worden gebruikt om gecomprimeerd H2 -gas (CGH2) op 700 bar in FCEV's op te slaan, niet geschikt zijn voor de batterijcompartimenten van Underbody die zorgvuldig zijn ontworpen voor elektrische voertuigen. Drukvaten in de vorm van kussens en blokjes kunnen echter in deze platte verpakkingsruimte passen.
Patent US5577630A voor "Samengesteld conforme drukvat", aanvraag ingediend door Thiokol Corp. in 1995 (links) en het rechthoekige drukvat gepatenteerd door BMW in 2009 (rechts).
Het Department of Carbon Composites (LCC) van de Technische Universiteit van München (Tum, München, Duitsland) is betrokken bij twee projecten om dit concept te ontwikkelen. De eerste is polymers4hydrogen (P4H), geleid door het Leoben Polymer Competention Center (PCCL, Leoben, Oostenrijk). Het LCC -werkpakket wordt geleid door collega Elizabeth Glace.
Het tweede project is de waterstofdemonstratie- en ontwikkelingsomgeving (HYDDEN), waarbij LCC wordt geleid door onderzoeker Christian Jaeger. Beide zijn bedoeld om een grootschalige demonstratie van het productieproces te creëren voor het maken van een geschikte CGH2-tank met behulp van koolstofvezelcomposieten.
Er is een beperkte volumetrische efficiëntie wanneer cilinders met een kleine diameter worden geïnstalleerd in platte batterijcellen (links) en kubieke type 2 drukvaten gemaakt van stalen voeringen en een koolstofvezel/epoxy -composiet buitenste schaal (rechts). Afbeeldingsbron: Figuren 3 en 6 zijn afkomstig van "Numerieke ontwerpbenadering voor type II -drukboxvat met interne spanningspoten" door RUF en Zaremba et al.
P4H heeft een experimentele kubustank gefabriceerd die een thermoplastisch frame gebruikt met composietspanningsbanden/stutten gewikkeld in koolstofvezelversterkte epoxy. Hydden zal een soortgelijk ontwerp gebruiken, maar gebruikt automatische vezellayup (AFP) om alle thermoplastische composiettanks te produceren.
Van een patentaanvraag door Thiokol Corp. tot "samengestelde conforme drukvaartuig" in 1995 tot Duits Patent DE19749950C2 In 1997, gecomprimeerde gasvaten "kunnen een geometrische configuratie hebben", maar vooral platte en onregelmatige vormen, in een holte verbonden met de schelpdierondersteuning . Elementen worden zo gebruikt dat ze de expansiekracht van het gas kunnen weerstaan.
Een Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) -papier uit 2006 beschrijft drie benaderingen: een filamentwond conforme drukvat, een microlattice drukvat dat een interne orthorhombische roosterstructuur bevat (kleine cellen van 2 cm of minder), omringd door een dunwandige H2-container, en een replicatorcontainer, bestaande uit een interne structuur bestaande uit gelijmde kleine onderdelen (bijv. Hexagonale plastic ringen) en Een samenstelling van dunne buitenhuidhuid. Dubbele containers zijn het meest geschikt voor grotere containers waar traditionele methoden moeilijk toe te passen zijn.
Patent DE102009057170A ingediend door Volkswagen in 2009 beschrijft een op voertuig gemonteerd drukvat dat een hoge efficiëntie zal bieden en tegelijkertijd de ruimtegebruik verbetert. Rechthoekige tanks gebruiken spanningsconnectoren tussen twee rechthoekige tegenovergestelde wanden en de hoeken zijn afgerond.
Bovenstaande en andere concepten worden aangehaald door Gleiss in de paper "Procesontwikkeling voor kubieke drukvaten met stretchbalken" door Gleiss et al. op ECCM20 (26-30, 2022, Lausanne, Zwitserland). In dit artikel citeert ze een tum -studie gepubliceerd door Michael Roof en Sven Zaremba, die ontdekten dat een kubisch drukvat met spanningsstruts die rechthoekige zijden verbinden, efficiënter is dan verschillende kleine cilinders die in de ruimte van een platte batterij passen, die ongeveer 25 leveren, % meer. opslagruimte.
Volgens Gleiss is het probleem met het installeren van een groot aantal kleine type 4 cilinders in een platte zaak dat “het volume tussen de cilinders sterk wordt verminderd en het systeem ook een zeer groot H2 -gaspermeatieoppervlak heeft. Over het algemeen biedt het systeem minder opslagcapaciteit dan kubieke potten. ”
Er zijn echter andere problemen met het kubieke ontwerp van de tank. "Het is duidelijk dat je vanwege het gecomprimeerde gas de buigkrachten op de platte muren tegengaat," zei Gleiss. “Hiervoor heb je een versterkte structuur nodig die intern verbindt met de muren van de tank. Maar dat is moeilijk te maken met composieten. "
Glace en haar team probeerden versterkende spanningsstaven in het drukvat op te nemen op een manier die geschikt zou zijn voor het gloeidraadsproces. "Dit is belangrijk voor de productie van een groot volume," legt ze uit, "en stelt ons ook in staat om het wikkelingspatroon van de containerwanden te ontwerpen om vezeloriëntatie voor elke belasting in de zone te optimaliseren."
Vier stappen om een proefkubieke composiettank te maken voor het P4H -project. Beeldkrediet: "Ontwikkeling van een productieproces voor kubieke drukvaten met brace", Technical University of München, Polymers4Hydrogen Project, ECCM20, juni 2022.
Om on-chain te bereiken, heeft het team een nieuw concept ontwikkeld dat bestaat uit vier hoofdstappen, zoals hierboven weergegeven. De spanningsstoten, in het zwart getoond op de stappen, zijn een geprefabriceerde framestructuur die is gefabriceerd met behulp van methoden die zijn genomen uit het Mai Skelett -project. Voor dit project ontwikkelde BMW een "framework" van de voorruitframe met behulp van vier vezelversterkte pultrusiestaven, die vervolgens in een plastic frame werden gevormd.
Het frame van een experimentele kubische tank. Zeshoekige skeletsecties 3D gedrukt door TUM met behulp van niet -versterkte PLA -filament (boven), CF/PA6 Pultrusion -staven invoegen als spanningsbeugels (midden) en vervolgens het filament rond de beugels (onder) wikkelen. Afbeelding krediet: Technische Universiteit van München LCC.
"Het idee is dat je het frame van een kubieke tank kunt bouwen als een modulaire structuur," zei Glace. "Deze modules worden vervolgens in een vormgereedschap geplaatst, de spanningsstruts worden in de framemodules geplaatst en vervolgens wordt de methode van Mai Skelett gebruikt rond de stutten om ze te integreren met de frame -onderdelen." Massaproductiemethode, wat resulteert in een structuur die vervolgens wordt gebruikt als een doorn of kern om de composietschaal van de opslagtank te verpakken.
Tum ontwierp het tankframe als een kubieke "kussen" met vaste zijden, afgeronde hoeken en een zeshoekig patroon op de boven- en onderkant waardoor banden kunnen worden ingebracht en bevestigd. De gaten voor deze rekken werden ook 3D gedrukt. "Voor onze initiële experimentele tank, we 3D-geprinte zeshoekige framesecties met polylactinezuur [PLA, een op bio gebaseerde thermoplastic] omdat het gemakkelijk en goedkoop was," zei Glace.
Het team kocht 68 pultrudeed koolstofvezelversterkte polyamide 6 (PA6) staven van SGL -koolstof (Meiten, Duitsland) voor gebruik als banden. "Om het concept te testen, hebben we geen gieten gedaan", zegt Gleiss, "maar eenvoudig spacers in een 3D -geprinte honingraatkerframe geplaatst en ze met epoxylijm gelijmd. Dit biedt vervolgens een doorn voor het wikkelen van de tank. ” Ze merkt op dat hoewel deze staven relatief eenvoudig te winden zijn, er enkele belangrijke problemen zijn die later zullen worden beschreven.
"In de eerste fase was ons doel om de productie van het ontwerp aan te tonen en problemen in het productieconcept te identificeren," verklaarde Gleiss. “Dus de spanningstrueren steken uit het buitenoppervlak van de skeletstructuur en we bevestigen de koolstofvezels aan deze kern met behulp van natte gloeidraadwikkeling. Daarna buigen we in de derde stap de kop van elke trekstang. Thermoplastisch, dus we gebruiken gewoon warmte om de kop te hervormen zodat deze plat en vergrendelt in de eerste laag wikkelen. Vervolgens gaan we de structuur opnieuw in, zodat de platte stuwkop geometrisch is ingesloten in de tank. laminaat op de muren.
Spacer Cap voor wikkeling. TUM gebruikt plastic doppen aan de uiteinden van de spanningsstaven om te voorkomen dat de vezels tijdens de wikkeling in de gloeidraad klinken. Afbeelding krediet: Technische Universiteit van München LCC.
Glace herhaalde dat deze eerste tank een proof of concept was. “Het gebruik van 3D -printen en lijm was alleen voor eerste testen en gaf ons een idee van enkele van de problemen die we tegenkwamen. Tijdens de wikkeling werden de filamenten bijvoorbeeld gevangen door de uiteinden van de spanningsstaven, waardoor vezelbreuk, vezelschade veroorzaakte en de hoeveelheid vezels vermindert om dit tegen te gaan. We gebruikten een paar plastic doppen als productiehulpmiddelen die vóór de eerste kronkelende stap op de palen werden geplaatst. Toen de interne laminaten werden gemaakt, verwijderden we deze beschermende doppen en hervormden we de uiteinden van de polen vóór de laatste inpak. ”
Het team experimenteerde met verschillende reconstructiescenario's. "Degenen die rondkijken werken het beste", zegt Grace. “Ook hebben we tijdens de prototypefase een gemodificeerd lasgereedschap gebruikt om warmte aan te brengen en de uiteinden van de trekstang te hervormen. In een massaproductieconcept zou je een groter hulpmiddel hebben dat alle uiteinden van de stutten tegelijkertijd in een binnenafwerkingslaminaat kan vormen en vormen. . ”
Drawbar Heads hervormd. TUM experimenteerde met verschillende concepten en heeft de lassen gemodificeerd om de uiteinden van de samengestelde banden uit te lijnen voor het hechten aan het tankwandlaminaat. Beeldkrediet: "Ontwikkeling van een productieproces voor kubieke drukvaten met brace", Technical University of München, Polymers4Hydrogen Project, ECCM20, juni 2022.
Aldus wordt het laminaat uitgehard na de eerste kronkelende stap, de palen worden hervormd, de tum completeert de tweede wikkeling van de filamenten en vervolgens wordt het laminaat van de buitenste tankwand een tweede keer genezen. Houd er rekening mee dat dit een Type 5 -tankontwerp is, wat betekent dat het geen plastic voering heeft als gasbarrière. Zie de discussie in de onderstaande sectie volgende stappen.
"We hebben de eerste demo in dwarsdoorsneden gesneden en het verbonden gebied in kaart gebracht," zei Glace. "Een close-up laat zien dat we wat kwaliteitsproblemen hadden met het laminaat, waarbij de stutkoppen niet plat op het interieurlaminaat liggen."
Problemen oplossen met openingen tussen het laminaat van de binnen- en buitenmuren van de tank. De gemodificeerde trekstangkop creëert een opening tussen de eerste en tweede beurten van de experimentele tank. Afbeelding krediet: Technische Universiteit van München LCC.
Deze eerste tank van 450 x 290 x 80 mm werd afgelopen zomer voltooid. "Sindsdien hebben we veel vooruitgang geboekt, maar we hebben nog steeds een kloof tussen interieur- en buitenlaminaat," zei Glace. “Dus we probeerden die gaten te vullen met een schone hars met hoge viscositeit. Dit verbetert eigenlijk het verband tussen de noppen en het laminaat, wat de mechanische stress aanzienlijk verhoogt. ”
Het team bleef het tankontwerp en -proces ontwikkelen, inclusief oplossingen voor het gewenste wikkelingspatroon. "De zijkanten van de testtank waren niet volledig gekruld omdat het voor deze geometrie moeilijk was om een kronkelend pad te creëren," legde Glace uit. “Onze aanvankelijke wikkelhoek was 75 °, maar we wisten dat meerdere circuits nodig waren om de belasting in dit drukvat te ontmoeten. We zijn nog steeds op zoek naar een oplossing voor dit probleem, maar het is niet eenvoudig met de software die momenteel op de markt is. Het kan een vervolgproject worden.
"We hebben de haalbaarheid van dit productieconcept aangetoond", zegt Gleiss, "maar we moeten verder werken om het verband tussen het laminaat te verbeteren en de tie -staven te hervormen. “Externe testen op een testmachine. U trekt de afstandhouders uit het laminaat en test de mechanische belastingen die die gewrichten kunnen weerstaan. ”
Dit deel van het Polymers4hydrogen -project zal eind 2023 worden voltooid, op die tijd hoopt Gleis de tweede demonstratietank te voltooien. Interessant is dat ontwerpen tegenwoordig netjes versterkte thermoplastics gebruiken in het frame en thermohardende composieten in de tankwanden. Zal deze hybride benadering worden gebruikt in de uiteindelijke demonstratietank? "Ja," zei Grace. "Onze partners in het Polymers4hydrogen -project ontwikkelen epoxyharsen en andere samengestelde matrixmaterialen met betere waterstofbarrière -eigenschappen." Ze vermeldt twee partners die aan dit werk 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 van de LCC Conformal Composite Tank.
"We zullen een conform composiet drukvat produceren voor onderzoeksdrones," zegt Jaeger. “Dit is een samenwerking tussen de twee afdelingen van de Aerospace and Geodetic Department of Tum - LCC en de Department of Helicopter Technology (HT). Het project zal eind 2024 worden voltooid en we zijn momenteel het drukvat voltooid. een ontwerp dat meer een ruimtevaart- en automobielbenadering is. Na deze eerste conceptfase is de volgende stap om gedetailleerde structurele modellering uit te voeren en de barrièreprestaties van de wandstructuur te voorspellen. ”
"Het hele idee is om een verkennende drone te ontwikkelen met een hybride brandstofcel- en batterijstuwingssysteem," ging hij verder. Het zal de batterij gebruiken tijdens hoge vermogensbelastingen (dwz start en landing) en schakelt vervolgens over naar de brandstofcel tijdens het cruisen van de lichtbelasting. "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 gekocht om deze transmissie te testen."
"Mijn team kreeg de opdracht om een prototype van een druktank te bouwen dat zou passen, maar niet vanwege de verpakkingsproblemen die een cilindrische tank zou veroorzaken", legt hij uit. “Een plattere tank biedt niet zoveel windweerstand. Dus je krijgt betere vluchtprestaties. " Tankafmetingen ca. 830 x 350 x 173 mm.
Volledig thermoplastische AFP -conforme tank. Voor het Hydden -project onderzocht het LCC -team van Tum aanvankelijk een vergelijkbare benadering als die gebruikt door Glace (hierboven), maar ging vervolgens naar een aanpak met behulp van een combinatie van verschillende structurele modules, die vervolgens overmatig werden gebruikt met behulp van AFP (hieronder). Afbeelding krediet: Technische Universiteit van München LCC.
"Eén idee is vergelijkbaar met de benadering van Elisabeth [Gleiss]," zegt Yager, "om spanningsbeugels toe te passen op de schipwand om de hoge buigkrachten te compenseren. In plaats van een wikkelingsproces te gebruiken om de tank te maken, gebruiken we AFP echter. Daarom hebben we erover gedacht om een apart gedeelte van het drukvat te maken, waarin de rekken al zijn geïntegreerd. Met deze benadering kon ik verschillende van deze geïntegreerde modules combineren en vervolgens een eindkap aan te brengen om alles af te sluiten vóór de laatste AFP -wikkeling. ”
"We proberen een dergelijk concept af te ronden," vervolgde hij, "en ook beginnen met het testen van de selectie van materialen, wat erg belangrijk is om de noodzakelijke weerstand tegen H2 -gaspenetratie te waarborgen. Hiervoor gebruiken we voornamelijk thermoplastische materialen en werken we aan verschillende hoe het materiaal dit permeatiegedrag en -verwerking in de AFP -machine zal beïnvloeden. Het is belangrijk om te begrijpen of de behandeling een effect zal hebben en of er nabewerking vereist is. We willen ook weten of verschillende stapels de waterstofpermeatie door het drukvat beïnvloeden. ”
De tank zal volledig van thermoplast zijn en de strips worden geleverd door Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Duitsland). "We zullen hun PPS [polyfenyleensulfide], Peek [polyether keton] en LM Paek [lage smeltende polyaryl -keton] materialen gebruiken," zei Yager. "Vergelijkingen worden vervolgens gemaakt om te zien welke het beste is voor penetratiebescherming en het produceren van onderdelen met betere prestaties." Hij hoopt het testen, structurele en procesmodellering en eerste demonstraties binnen het volgende jaar te voltooien.
Het onderzoekswerk werd uitgevoerd in de COMET -module "Polymers4Hydrogen" (ID 21647053) binnen het COMET -programma van het Federal Ministry for Climate Change, The Milieu, Energie, Mobiliteit, Innovatie en Technologie en het federale ministerie voor Digital Technology and Economics. . De auteurs bedanken de deelnemende partners Polymer Competention Center Leoben GmbH (PCCL, Oostenrijk), MontanUiversitaet Leoben (Faculteit Polymer Engineering and Science, Department of Chemistry of Polymer Materials, Department of Materials Science and Polymer Testing), University of Tampere (Faculty of Engineer Materialen). ) Wetenschap), Peak Technology en Faurecia hebben bijgedragen aan dit onderzoekswerk. Comet-Modul wordt gefinancierd door de regering van Oostenrijk en de regering van de staat Styria.
Pre-versterkte vellen voor dragende structuren bevatten continue vezels-niet alleen van glas, maar ook van koolstof en aramide.
Er zijn veel manieren om samengestelde onderdelen te maken. Daarom hangt de keuze van de methode voor een bepaald deel af van het materiaal, het ontwerp van het onderdeel en het eindgebruik of de toepassing. Hier is een selectiegids.
Shocker Composites en R&M International ontwikkelen een gerecyclede koolstofvezel supply chain die nul slacht, lagere kosten dan maagdelijke vezels en zullen uiteindelijk lengtes bieden die continue vezels naderen in structurele eigenschappen.
Posttijd: maart 15-2023