Technische Universiteit van München ontwikkelt conforme kubieke tanks met behulp van koolstofvezelcomposieten om de waterstofopslag te vergroten | de wereld van composieten

Standaard plat-platformtanks voor BEV's en FCEV's maken gebruik van thermoplastische en thermohardende composieten met een skeletconstructie die 25% meer H2-opslag biedt. #waterstof #trends
Nadat uit een samenwerking met BMW bleek dat een kubusvormige tank een hogere volumetrische efficiëntie kon leveren dan meerdere kleine cilinders, begon de Technische Universiteit van München aan een project om een ​​composietstructuur en een schaalbaar productieproces voor serieproductie te ontwikkelen. Beeldcredits: TU Dresden (linksboven), Technische Universiteit München, Afdeling Koolstofcomposieten (LCC)
Elektrische voertuigen met brandstofcellen (FCEV’s) die worden aangedreven door waterstof met nulemissie (H2) bieden aanvullende middelen om de milieudoelstellingen van nul te bereiken. Een brandstofcelpersonenauto met H2-motor kan in 5-7 minuten worden gevuld en heeft een actieradius van 500 km, maar is momenteel duurder vanwege de lage productievolumes. Eén manier om de kosten te verlagen is het gebruik van een standaardplatform voor BEV- en FCEV-modellen. Dit is momenteel niet mogelijk omdat de cilindrische tanks van type 4 die worden gebruikt om gecomprimeerd H2-gas (CGH2) bij 700 bar in FCEV's op te slaan, niet geschikt zijn voor de batterijcompartimenten aan de onderkant die zorgvuldig zijn ontworpen voor elektrische voertuigen. In deze platte verpakkingsruimte passen echter wel drukvaten in de vorm van kussens en kubussen.
Patent US5577630A voor “Composite Conformal Pressure Vessel”, aanvraag ingediend door Thiokol Corp. in 1995 (links) en het rechthoekige drukvat gepatenteerd door BMW in 2009 (rechts).
De afdeling 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 Competence Center (PCCL, Leoben, Oostenrijk). Het LCC-werkpakket wordt geleid door Fellow Elizabeth Glace.
Het tweede project is de Hydrogen Demonstration and Development Environment (HyDDen), waar LCC wordt geleid door onderzoeker Christian Jaeger. Beide hebben tot doel een grootschalige demonstratie te maken van het productieproces 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 kubusvormige drukvaten van type 2 gemaakt van stalen voeringen en een buitenschaal van koolstofvezel/epoxycomposiet (rechts). Afbeeldingsbron: Figuren 3 en 6 zijn afkomstig uit “Numerical Design Approach for Type II Pressure Box Vessel with Internal Tension Legs” door Ruf en Zaremba et al.
P4H heeft een experimentele kubustank vervaardigd die gebruik maakt van een thermoplastisch frame met composiet spanbanden/steunen omwikkeld met met koolstofvezel versterkte epoxy. HyDDen zal een soortgelijk ontwerp gebruiken, maar zal automatische vezellay-up (AFP) gebruiken om alle thermoplastische composiettanks te vervaardigen.
Van een patentaanvraag door Thiokol Corp. op “Composite Conformal Pressure Vessel” in 1995 tot het Duitse patent DE19749950C2 in 1997, kunnen gecomprimeerde gasvaten “elke geometrische configuratie hebben”, maar vooral platte en onregelmatige vormen, in een holte die is verbonden met de schaalsteun . elementen worden zo gebruikt dat ze de uitzettingskracht van het gas kunnen weerstaan.
Een artikel van het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) uit 2006 beschrijft drie benaderingen: een met filamenten gewikkeld conformaal drukvat, een drukvat met microrooster dat een interne orthorhombische roosterstructuur bevat (kleine cellen van 2 cm of minder), omgeven door een dunwandige H2-container, en een replicatorcontainer, bestaande uit een interne structuur bestaande uit aan elkaar gelijmde kleine onderdelen (bijvoorbeeld zeshoekige plastic ringen) en een samenstelling van een dunne buitenste schil. Dubbele containers zijn het meest geschikt voor grotere containers waarbij traditionele methoden moeilijk toe te passen zijn.
Patent DE102009057170A, ingediend door Volkswagen in 2009, beschrijft een op een voertuig gemonteerd drukvat dat een hoge gewichtsefficiëntie zal bieden en tegelijkertijd het ruimtegebruik zal verbeteren. Rechthoekige tanks gebruiken spanningsconnectoren tussen twee rechthoekige tegenoverliggende 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. bij ECCM20 (26-30 juni 2022, Lausanne, Zwitserland). In dit artikel citeert ze een TUM-studie gepubliceerd door Michael Roof en Sven Zaremba, waaruit bleek dat een kubusvormig drukvat met spansteunen die rechthoekige zijden verbinden efficiënter is dan verschillende kleine cilinders die in de ruimte van een lege batterij passen, wat ongeveer 25 cilinders oplevert. % meer. opslagruimte.
Het probleem bij het plaatsen van een groot aantal kleine type 4-cilinders in een platte kast is volgens Gleiss dat “het volume tussen de cilinders sterk wordt verkleind en dat het systeem bovendien een zeer groot H2-gaspermeatieoppervlak heeft. Over het geheel genomen biedt het systeem minder opslagcapaciteit dan kubieke potten.”
Er zijn echter nog andere problemen met het kubusvormige ontwerp van de tank. "Het is duidelijk dat je vanwege het gecomprimeerde gas de buigkrachten op de vlakke wanden moet tegengaan", zei Gleiss. “Hiervoor heb je een versterkte structuur nodig die intern aansluit op de wanden van de tank. Maar met composieten is dat lastig.”
Glace en haar team probeerden versterkende spanstaven in het drukvat te verwerken op een manier die geschikt zou zijn voor het filamentwikkelproces. “Dit is belangrijk voor de productie van grote volumes”, legt ze uit, “en stelt ons ook in staat het kronkelende patroon van de containerwanden te ontwerpen om de vezeloriëntatie voor elke lading in de zone te optimaliseren.”
Vier stappen om een ​​kubusvormige proeftank van composiet te maken voor het P4H-project. Beeldcredits: “Ontwikkeling van een productieproces voor kubieke drukvaten met beugel”, Technische Universiteit München, Polymers4Hydrogen-project, ECCM20, juni 2022.
Om on-chain te realiseren heeft het team een ​​nieuw concept ontwikkeld dat bestaat uit vier hoofdstappen, zoals hierboven weergegeven. De trekstangen, in het zwart weergegeven op de treden, zijn een geprefabriceerde frameconstructie die is vervaardigd met behulp van methoden uit het MAI Skelett-project. Voor dit project ontwikkelde BMW een “framework” voor het voorruitframe met behulp van vier vezelversterkte pultrusiestaven, die vervolgens tot een plastic frame werden gegoten.
Het frame van een experimentele kubieke tank. Zeshoekige skeletdelen 3D-geprint door TUM met behulp van niet-versterkt PLA-filament (boven), waarbij CF/PA6-pultrusiestaven worden ingevoegd als spanbeugels (midden) en vervolgens het filament rond de beugels wordt gewikkeld (onder). Afbeelding tegoed: Technische Universiteit van München LCC.
"Het idee is dat je het frame van een kubusvormige tank als een modulaire structuur kunt bouwen", aldus Glace. “Deze modules worden vervolgens in een vormgereedschap geplaatst, de spansteunen worden in de framemodules geplaatst en vervolgens wordt de methode van MAI Skelett rond de stutten gebruikt om ze te integreren met de framedelen.” massaproductiemethode, resulterend in een structuur die vervolgens wordt gebruikt als een doorn of kern om de composietmantel van de opslagtank te omwikkelen.
TUM ontwierp het tankframe als een kubusvormig “kussen” met massieve zijkanten, afgeronde hoeken en een zeshoekig patroon aan de boven- en onderkant waardoorheen banden kunnen worden gestoken en bevestigd. Ook de gaten voor deze rekken zijn 3D-geprint. “Voor onze eerste experimentele tank hebben we zeshoekige framedelen in 3D geprint met behulp van polymelkzuur [PLA, een biogebaseerd thermoplastisch materiaal] omdat het gemakkelijk en goedkoop was”, aldus Glace.
Het team kocht 68 gepultrudeerde, met koolstofvezel versterkte polyamide 6 (PA6) staven van SGL Carbon (Meitingen, Duitsland) voor gebruik als stropdassen. “Om het concept te testen, hebben we geen gietwerk gedaan”, zegt Gleiss, “maar eenvoudigweg afstandhouders in een 3D-geprint honingraatkernframe geplaatst en deze met epoxylijm vastgelijmd. Dit levert dan een doorn op voor het opwinden van de tank.” Ze merkt op dat, hoewel deze hengels relatief eenvoudig op te winden zijn, er enkele aanzienlijke problemen zijn die later zullen worden beschreven.
“In de eerste fase was het ons doel om de maakbaarheid van het ontwerp aan te tonen en problemen in het productieconcept te identificeren”, legt Gleiss uit. “Dus de spanningssteunen steken uit het buitenoppervlak van de skeletstructuur en we bevestigen de koolstofvezels aan deze kern met behulp van natte filamentwikkeling. Daarna buigen we in de derde stap de kop van elke trekstang. thermoplastisch, dus we gebruiken alleen warmte om de kop opnieuw vorm te geven, zodat deze plat wordt en vastzit in de eerste laag verpakking. Vervolgens gaan we verder met het opnieuw omwikkelen van de constructie, zodat de platte drukkop geometrisch in de tank wordt ingesloten. laminaat op de muren.
Afstandskapje voor opwikkelen. TUM gebruikt plastic doppen aan de uiteinden van de trekstangen om te voorkomen dat de vezels in de war raken tijdens het opwinden van filamenten. Afbeelding tegoed: 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 de eerste tests en gaf ons een idee van enkele van de problemen die we tegenkwamen. Tijdens het wikkelen werden de filamenten bijvoorbeeld gevangen door de uiteinden van de trekstangen, waardoor vezelbreuk en vezelbeschadiging ontstond en de hoeveelheid vezels werd verminderd om dit tegen te gaan. We gebruikten een paar plastic doppen als productiehulpmiddel, die vóór de eerste wikkelstap op de palen werden geplaatst. Toen de interne laminaten waren gemaakt, verwijderden we deze beschermkappen en gaven we de uiteinden van de palen een nieuwe vorm voordat we ze definitief wikkelden.”
Het team experimenteerde met verschillende reconstructiescenario's. “Degenen die om zich heen kijken, werken het beste”, zegt Grace. “Tijdens de prototypefase hebben we ook een aangepast lasgereedschap gebruikt om warmte toe te passen en de spoorstangeinden opnieuw vorm te geven. In een massaproductieconcept zou je één groter stuk gereedschap hebben dat alle uiteinden van de stutten tegelijkertijd kan vormen en omvormen tot een binnenafwerkingslaminaat. . ”
Disselkoppen opnieuw vormgegeven. TUM experimenteerde met verschillende concepten en paste de lasnaden aan om de uiteinden van de composietverbindingen op één lijn te brengen voor bevestiging aan het tankwandlaminaat. Beeldcredits: “Ontwikkeling van een productieproces voor kubieke drukvaten met beugel”, Technische Universiteit München, Polymers4Hydrogen-project, ECCM20, juni 2022.
Het laminaat wordt dus uitgehard na de eerste wikkelstap, de palen worden opnieuw gevormd, de TUM voltooit de tweede wikkeling van de filamenten en vervolgens wordt het buitenste tankwandlaminaat een tweede keer uitgehard. Houd er rekening mee dat dit een type 5-tankontwerp is, wat betekent dat deze geen plastic voering als gasbarrière heeft. Zie de discussie in het gedeelte Volgende stappen hieronder.
"We hebben de eerste demo in dwarsdoorsneden geknipt en het aangesloten gebied in kaart gebracht", aldus Glace. “Een close-up laat zien dat we wat kwaliteitsproblemen hadden met het laminaat, waarbij de veerpootkoppen niet plat op het binnenlaminaat lagen.”
Problemen oplossen met openingen tussen het laminaat van de binnen- en buitenwanden van de tank. De gemodificeerde trekstangkop creëert een opening tussen de eerste en tweede winding van de experimentele tank. Afbeelding tegoed: Technische Universiteit van 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 kloof tussen laminaat voor binnen en buiten”, aldus Glace. “Dus probeerden we die gaten op te vullen met een schone hars met een hoge viscositeit. Hierdoor wordt juist de verbinding tussen de noppen en het laminaat verbeterd, waardoor de mechanische belasting sterk toeneemt.”
Het team bleef het tankontwerp en -proces ontwikkelen, inclusief oplossingen voor het gewenste wikkelpatroon. "De zijkanten van de testtank waren niet volledig gekruld omdat het voor deze geometrie moeilijk was om een ​​kronkelend pad te creëren", legt Glace uit. “Onze aanvankelijke wikkelhoek was 75°, maar we wisten dat er meerdere circuits nodig waren om de belasting in dit drukvat op te vangen. We zijn nog steeds op zoek naar een oplossing voor dit probleem, maar dat is niet eenvoudig met de software die momenteel op de markt is. Mogelijk wordt het een vervolgproject.
“We hebben de haalbaarheid van dit productieconcept aangetoond”, zegt Gleiss, “maar we moeten verder werken om de verbinding tussen het laminaat te verbeteren en de trekstangen opnieuw vorm te geven. “Extern testen 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 voltooien. Interessant is dat ontwerpen tegenwoordig gebruik maken van versterkte thermoplastische materialen in het frame en thermohardende composieten in de tankwanden. Zal deze hybride aanpak worden gebruikt in de laatste demonstratietank? ‘Ja,’ zei Grace. “Onze partners in het Polymers4Hydrogen-project ontwikkelen epoxyharsen en andere composietmatrixmaterialen met betere waterstofbarrière-eigenschappen.” Ze noemt 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-conforme composiettank.
“We gaan een conformaal composietdrukvat produceren voor onderzoeksdrones”, zegt Jaeger. “Dit is een samenwerking tussen de twee afdelingen van de Lucht- en Ruimtevaart- en Geodetische Afdeling van TUM – LCC en de Afdeling Helikoptertechnologie (HT). Eind 2024 wordt het project opgeleverd en momenteel zijn we het drukvat aan het afbouwen. een ontwerp dat meer een ruimtevaart- en automobielbenadering is. Na deze eerste conceptfase is de volgende stap het uitvoeren van gedetailleerde structurele modellering en het voorspellen van de barrièreprestaties van de muurconstructie.”
“Het hele idee is om een ​​verkennende drone te ontwikkelen met een hybride brandstofcel- en batterijaandrijfsysteem”, vervolgde hij. Het zal de batterij gebruiken tijdens hoge vermogensbelastingen (dwz opstijgen en landen) en vervolgens overschakelen naar de brandstofcel tijdens cruises met lichte belasting. “Het HT-team had al een onderzoeksdrone en heeft de aandrijflijn opnieuw ontworpen om zowel batterijen als brandstofcellen te gebruiken”, aldus Yeager. “Ze hebben ook een CGH2-tank aangeschaft om deze transmissie te testen.”
“Mijn team kreeg de opdracht 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. Je krijgt dus betere vliegprestaties.” Afmetingen tank ca. 830 x 350 x 173 mm.
Volledig thermoplastische AFP-conforme tank. Voor het HyDDen-project onderzocht het LCC-team van TUM aanvankelijk een aanpak die vergelijkbaar was met die van Glace (hierboven), maar stapte vervolgens over op een aanpak met een combinatie van verschillende structurele modules, die vervolgens te veel werden gebruikt met behulp van AFP (hieronder). Afbeelding tegoed: Technische Universiteit van München LCC.
“Eén idee is vergelijkbaar met de aanpak van Elisabeth [Gleiss],” zegt Yager, “om spanbeugels op de vaatwand 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 hebben we erover nagedacht om een ​​apart gedeelte van het drukvat te maken, waarin de rekken al zijn geïntegreerd. Dankzij deze aanpak kon ik verschillende van deze geïntegreerde modules combineren en vervolgens een eindkap aanbrengen om alles af te dichten vóór de laatste AFP-wikkeling.”
“We proberen een dergelijk concept af te ronden,” vervolgde hij, “en ook te beginnen met het testen van de materiaalkeuze, wat erg belangrijk is om de noodzakelijke weerstand tegen de penetratie van H2-gas te garanderen. Hiervoor gebruiken we voornamelijk thermoplastische materialen en werken we aan verschillende manieren waarop het materiaal dit permeatiegedrag en de verwerking in de AFP-machine zal beïnvloeden. Het is belangrijk om te begrijpen of de behandeling effect zal hebben en of er nabewerking nodig is. We willen ook weten of verschillende stapels de waterstofpermeatie door het drukvat zullen beïnvloeden.”
De tank zal geheel van thermoplastisch materiaal worden vervaardigd en de strips zullen worden geleverd door Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Duitsland). “We zullen hun PPS [polyfenyleensulfide], PEEK [polyetherketon] en LM PAEK [laagsmeltende polyarylketon] materialen gebruiken,” zei Yager. “Vervolgens worden er vergelijkingen gemaakt om te zien welke het beste is voor bescherming tegen doordringing en het produceren van onderdelen met betere prestaties.” Hij hoopt het testen, structurele en procesmodellering en de eerste demonstraties binnen een jaar af te ronden.
Het onderzoekswerk werd uitgevoerd binnen de COMET-module “Polymers4Hydrogen” (ID 21647053) binnen het COMET-programma van het federale ministerie van Klimaatverandering, Milieu, Energie, Mobiliteit, Innovatie en Technologie en het federale ministerie van Digitale Technologie en Economie. . De auteurs bedanken de deelnemende partners Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL, Oostenrijk), Montanuniversitaet Leoben (Faculteit Polymer Engineering and Science, Department of Chemistry of Polymer Materials, Department of Materials Science and Polymer Testing), Universiteit van Tampere (Faculteit Ingenieurswetenschappen Materialen). ) Science), Peak Technology en Faurecia hebben bijgedragen aan dit onderzoekswerk. COMET-Modul wordt gefinancierd door de regering van Oostenrijk en de regering van de deelstaat Stiermarken.
Voorversterkte platen voor draagconstructies bevatten doorlopende vezels – niet alleen uit glas, maar ook uit koolstof en aramide.
Er zijn veel manieren om composietonderdelen te maken. Daarom zal de keuze van de methode voor een bepaald onderdeel afhangen van het materiaal, het ontwerp van het onderdeel en het eindgebruik of de eindtoepassing. Hier vindt u een selectiegids.
Shocker Composites en R&M International ontwikkelen een toeleveringsketen van gerecyclede koolstofvezels die geen slachting oplevert, lagere kosten dan nieuwe vezels en uiteindelijk lengtes zal bieden die qua structurele eigenschappen de continue vezel benaderen.


Posttijd: 15 maart 2023