Standard tanker med flat plattform for BEV-er og FCEV-er bruker termoplastiske og herdede kompositter med en skjelettkonstruksjon som gir 25 % mer H2-lagring. #hydrogen #trender
Etter at et samarbeid med BMW viste at en kubikktank kunne levere høyere volumetrisk effektivitet enn flere små sylindre, tok det tekniske universitetet i München i gang et prosjekt for å utvikle en komposittstruktur og en skalerbar produksjonsprosess for serieproduksjon. Bildekreditt: TU Dresden (øverst) til venstre), Technical University of München, Department of Carbon Composites (LCC)
Elbiler med brenselceller (FCEV) drevet av nullutslippshydrogen (H2) gir ytterligere midler for å nå null miljømål. En brenselcellepersonbil med H2-motor kan fylles på 5-7 minutter og har en rekkevidde på 500 km, men er i dag dyrere på grunn av lave produksjonsvolumer. En måte å redusere kostnadene på er å bruke en standardplattform for BEV- og FCEV-modeller. Dette er foreløpig ikke mulig fordi de sylindriske type 4-tankene som brukes til å lagre komprimert H2-gass (CGH2) ved 700 bar i FCEV-er, ikke er egnet for undervognsbatterirommene som er nøye designet for elektriske kjøretøy. Trykkbeholdere i form av puter og kuber kan imidlertid passe inn i dette flate emballasjerommet.
Patent US5577630A for "Composite Conformal Pressure Vessel", søknad innlevert av Thiokol Corp. i 1995 (til venstre) og den rektangulære trykkbeholderen patentert av BMW i 2009 (høyre).
Institutt for karbonkompositter (LCC) ved det tekniske universitetet i München (TUM, München, Tyskland) er involvert i to prosjekter for å utvikle dette konseptet. Den første er Polymers4Hydrogen (P4H), ledet av Leoben Polymer Competence Center (PCCL, Leoben, Østerrike). LCC-arbeidspakken ledes av Fellow Elizabeth Glace.
Det andre prosjektet er Hydrogen Demonstration and Development Environment (HyDDen), hvor LCC ledes av forsker Christian Jaeger. Begge har som mål å lage en storskala demonstrasjon av produksjonsprosessen for å lage en passende CGH2-tank ved bruk av karbonfiberkompositter.
Det er begrenset volumetrisk effektivitet når sylindre med liten diameter er installert i flate battericeller (venstre) og kubiske type 2 trykkbeholdere laget av stålforinger og et ytre skall av karbonfiber/epoksy (til høyre). Bildekilde: Figur 3 og 6 er fra "Numerical Design Approach for Type II Pressure Box Vessel with Internal Tension Legs" av Ruf og Zaremba et al.
P4H har laget en eksperimentell kubetank som bruker en termoplastisk ramme med komposittstrekkbånd/stag pakket inn i karbonfiberforsterket epoksy. HyDDen vil bruke et lignende design, men vil bruke automatisk fiberopplegg (AFP) for å produsere alle termoplastiske kompositttanker.
Fra en patentsøknad fra Thiokol Corp. til "Composite Conformal Pressure Vessel" i 1995 til tysk patent DE19749950C2 i 1997, kan komprimerte gassbeholdere "ha en hvilken som helst geometrisk konfigurasjon", men spesielt flate og uregelmessige former, i et hulrom koblet til skallstøtten . elementer brukes slik at de tåler gassens ekspansjonskraft.
Et papir fra Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) fra 2006 beskriver tre tilnærminger: en filamentviklet konform trykkbeholder, en mikrogittertrykkbeholder som inneholder en intern ortorhombisk gitterstruktur (små celler på 2 cm eller mindre), omgitt av en tynnvegget H2-beholder, og en replikatorbeholder, bestående av en indre struktur bestående av limte små deler (f.eks. sekskantede plastringer) og en sammensetning av tynn ytre skallhud. Duplikatbeholdere egner seg best for større beholdere der tradisjonelle metoder kan være vanskelige å bruke.
Patent DE102009057170A innlevert av Volkswagen i 2009 beskriver en kjøretøymontert trykkbeholder som vil gi høy vekteffektivitet og samtidig forbedre plassutnyttelsen. Rektangulære tanker bruker spenningskoblinger mellom to rektangulære motsatte vegger, og hjørnene er avrundede.
Ovennevnte og andre konsepter er sitert av Gleiss i papiret "Process Development for Cubic Pressure Vessels with Stretch Bars" av Gleiss et al. på ECCM20 (26.–30. juni 2022, Lausanne, Sveits). I denne artikkelen siterer hun en TUM-studie publisert av Michael Roof og Sven Zaremba, som fant at en kubisk trykkbeholder med strekkstag som forbinder rektangulære sider er mer effektiv enn flere små sylindre som passer inn i rommet til et flatt batteri, og gir ca. % mer. lagringsplass.
Ifølge Gleiss er problemet med å installere et stort antall små type 4-sylindere i en flat kasse at «volumet mellom sylindrene er sterkt redusert og systemet har også en veldig stor H2-gassgjennomtrengningsflate. Totalt sett gir systemet mindre lagringskapasitet enn kubikkglass.»
Det er imidlertid andre problemer med tankens kubiske design. "Selvfølgelig, på grunn av den komprimerte gassen, må du motvirke bøyekreftene på de flate veggene," sa Gleiss. "For dette trenger du en forsterket struktur som kobles internt til tankens vegger. Men det er vanskelig å gjøre med kompositter.»
Glace og teamet hennes prøvde å innlemme forsterkende strekkstenger i trykkbeholderen på en måte som ville være egnet for filamentviklingsprosessen. "Dette er viktig for høyvolumsproduksjon," forklarer hun, "og lar oss også designe viklingsmønsteret til beholderveggene for å optimalisere fiberorienteringen for hver last i sonen."
Fire trinn for å lage en prøvekubisk kompositttank for P4H-prosjektet. Bildekreditt: "Utvikling av en produksjonsprosess for kubiske trykkbeholdere med avstiver", Technical University of München, Polymers4Hydrogen-prosjektet, ECCM20, juni 2022.
For å oppnå on-chain har teamet utviklet et nytt konsept som består av fire hovedtrinn, som vist ovenfor. Strekkstiverne, vist i svart på trinnene, er en prefabrikkert rammekonstruksjon laget ved hjelp av metoder hentet fra MAI Skelett-prosjektet. For dette prosjektet utviklet BMW en frontruteramme med fire fiberforsterkede pultruderingsstenger, som deretter ble støpt inn i en plastramme.
Rammen til en eksperimentell kubikktank. Sekskantede skjelettseksjoner 3D-printet av TUM ved bruk av uforsterket PLA-filament (øverst), innsetting av CF/PA6-pultrusionsstenger som strekkavstivere (midten) og deretter vikle filamentet rundt avstiverene (nederst). Bildekreditt: Technical University of München LCC.
"Ideen er at du kan bygge rammen til en kubikktank som en modulær struktur," sa Glace. "Disse modulene plasseres deretter i et støpeverktøy, strekkstiverne plasseres i rammemodulene, og deretter brukes MAI Skeletts metode rundt stiverne for å integrere dem med rammedelene." masseproduksjonsmetode, noe som resulterer i en struktur som deretter brukes som en dor eller kjerne for å pakke inn lagertankens komposittskal.
TUM designet tankrammen som en kubisk "pute" med solide sider, avrundede hjørner og et sekskantet mønster på toppen og bunnen som bånd kan settes inn og festes gjennom. Hullene til disse stativene ble også 3D-printet. "For den første eksperimentelle tanken vår 3D-printet vi sekskantede rammeseksjoner ved hjelp av polymelkesyre [PLA, en biobasert termoplast] fordi det var enkelt og billig," sa Glace.
Teamet kjøpte 68 pultruderte karbonfiberforsterkede polyamid 6 (PA6) stenger fra SGL Carbon (Meitingen, Tyskland) for bruk som bånd. "For å teste konseptet støpte vi ikke noen form," sier Gleiss, "men satte ganske enkelt inn avstandsstykker i en 3D-trykt bikakekjerneramme og limte dem med epoksylim. Dette gir da en dor for å vikle tanken." Hun bemerker at selv om disse stengene er relativt lette å vikle, er det noen betydelige problemer som vil bli beskrevet senere.
"I den første fasen var målet vårt å demonstrere produksjonsevnen til designet og identifisere problemer i produksjonskonseptet," forklarte Gleiss. "Så strekkstiverne stikker ut fra den ytre overflaten av skjelettstrukturen, og vi fester karbonfibrene til denne kjernen ved hjelp av våt filamentvikling. Etter det, i det tredje trinnet, bøyer vi hodet på hver strekkstang. termoplast, så vi bruker bare varme til å omforme hodet slik at det flater ut og låser seg inn i det første laget med innpakning. Vi fortsetter deretter med å pakke strukturen igjen slik at det flate skyvehodet er geometrisk innelukket i tanken. laminat på veggene.
Avstandshette for vikling. TUM bruker plasthetter på endene av strekkstengene for å hindre at fibrene floker seg sammen under filamentvikling. Bildekreditt: Technical University of München LCC.
Glace gjentok at denne første tanken var et proof of concept. "Bruken av 3D-printing og lim var kun for innledende testing og ga oss en ide om noen av problemene vi møtte. For eksempel, under vikling, ble filamentene fanget av endene av strekkstengene, noe som forårsaket fiberbrudd, fiberskade og reduserte mengden fiber for å motvirke dette. vi brukte noen plasthetter som produksjonshjelpemidler som ble plassert på stolpene før det første viklingstrinnet. Så, da de innvendige laminatene ble laget, fjernet vi disse beskyttelseshettene og omformet endene av stengene før den endelige innpakningen.»
Teamet eksperimenterte med ulike rekonstruksjonsscenarier. "De som ser seg rundt jobber best," sier Grace. "I løpet av prototypingfasen brukte vi også et modifisert sveiseverktøy for å påføre varme og omforme strekkstangendene. I et masseproduksjonskonsept vil du ha ett større verktøy som kan forme og forme alle endene av stiverne til et innvendig finishlaminat på samme tid. . ”
Trekkhoder omformet. TUM eksperimenterte med forskjellige konsepter og modifiserte sveisene for å justere endene av komposittbåndene for festing til tankvegglaminatet. Bildekreditt: "Utvikling av en produksjonsprosess for kubiske trykkbeholdere med avstiver", Technical University of München, Polymers4Hydrogen-prosjektet, ECCM20, juni 2022.
Således herdes laminatet etter det første viklingstrinnet, stolpene omformes, TUM fullfører den andre viklingen av filamentene, og deretter herdes det ytre tankvegglaminatet en gang til. Vær oppmerksom på at dette er en type 5 tankdesign, noe som betyr at den ikke har en plastforing som gassbarriere. Se diskusjonen i avsnittet Neste trinn nedenfor.
"Vi kuttet den første demoen i tverrsnitt og kartla det tilknyttede området," sa Glace. "Et nærbilde viser at vi hadde noen kvalitetsproblemer med laminatet, med støttehodene som ikke lå flatt på det indre laminatet."
Løse problemer med hull mellom laminatet til tankens indre og ytre vegger. Det modifiserte staghodet skaper et gap mellom den første og andre omdreiningen av forsøkstanken. Bildekreditt: Technical University of München LCC.
Denne innledende tanken på 450 x 290 x 80 mm ble ferdigstilt i fjor sommer. "Vi har gjort store fremskritt siden den gang, men vi har fortsatt et gap mellom innvendig og utvendig laminat," sa Glace. "Så vi prøvde å fylle disse hullene med en ren harpiks med høy viskositet. Dette forbedrer faktisk forbindelsen mellom tappene og laminatet, noe som øker den mekaniske påkjenningen betraktelig."
Teamet fortsatte å utvikle tankdesign og prosess, inkludert løsninger for ønsket viklingsmønster. "Sidene på testtanken var ikke helt krøllet fordi det var vanskelig for denne geometrien å lage en svingete bane," forklarte Glace. "Vår innledende viklingsvinkel var 75°, men vi visste at det var behov for flere kretser for å møte belastningen i denne trykkbeholderen. Vi leter fortsatt etter en løsning på dette problemet, men det er ikke lett med programvaren på markedet. Det kan bli et oppfølgingsprosjekt.
"Vi har demonstrert gjennomførbarheten av dette produksjonskonseptet," sier Gleiss, "men vi må jobbe videre for å forbedre forbindelsen mellom laminatet og omforme strekkstengene. "Ekstern testing på en testmaskin. Du trekker avstandsstykkene ut av laminatet og tester de mekaniske belastningene som disse skjøtene tåler."
Denne delen av Polymers4Hydrogen-prosjektet vil bli ferdigstilt i slutten av 2023, da håper Gleis å fullføre den andre demonstrasjonstanken. Interessant nok bruker design i dag pen forsterket termoplast i rammen og herdede kompositter i tankveggene. Vil denne hybride tilnærmingen bli brukt i den endelige demonstrasjonstanken? "Ja," sa Grace. "Våre partnere i Polymers4Hydrogen-prosjektet utvikler epoksyharpikser og andre komposittmatrisematerialer med bedre hydrogenbarriereegenskaper." Hun lister opp to partnere som jobber med dette arbeidet, PCCL og University of Tampere (Tampere, Finland).
Gleiss og teamet hennes utvekslet også informasjon og diskuterte ideer med Jaeger om det andre HyDDen-prosjektet fra LCC-konforme kompositttanken.
"Vi skal produsere en konform kompositttrykkbeholder for forskningsdroner," sier Jaeger. "Dette er et samarbeid mellom de to avdelingene til romfarts- og geodetisk avdeling ved TUM – LCC og avdelingen for helikopterteknologi (HT). Prosjektet skal ferdigstilles innen utgangen av 2024 og vi er i ferd med å ferdigstille trykkbeholderen. et design som er mer en romfarts- og biltilnærming. Etter dette innledende konseptstadiet er neste trinn å utføre detaljert strukturell modellering og forutsi barriereytelsen til veggstrukturen."
"Hele ideen er å utvikle en utforskende drone med en hybrid brenselcelle og batteridrivsystem," fortsatte han. Den vil bruke batteriet under høye kraftbelastninger (dvs. start og landing) og deretter bytte til brenselcellen under cruise med lett last. "HT-teamet hadde allerede en forskningsdrone og redesignet drivverket for å bruke både batterier og brenselceller," sa Yeager. "De kjøpte også en CGH2-tank for å teste denne girkassen."
"Teamet mitt fikk i oppgave å bygge en trykktankprototype som passet, men ikke på grunn av emballasjeproblemene som en sylindrisk tank ville skape," forklarer han. «En flatere tank gir ikke så mye vindmotstand. Så du får bedre flyytelse.» Tankdimensjoner ca. 830 x 350 x 173 mm.
Helt termoplastisk AFP-kompatibel tank. For HyDDen-prosjektet utforsket LCC-teamet ved TUM i utgangspunktet en lignende tilnærming som den som ble brukt av Glace (over), men gikk deretter over til en tilnærming med en kombinasjon av flere strukturelle moduler, som deretter ble overbrukt ved hjelp av AFP (nedenfor). Bildekreditt: Technical University of München LCC.
"En idé ligner på Elisabeth [Gleiss] tilnærming," sier Yager, "for å påføre spennavstivere på karveggen for å kompensere for de høye bøyekreftene. Men i stedet for å bruke en viklingsprosess for å lage tanken, bruker vi AFP. Derfor tenkte vi på å lage en egen del av trykkbeholderen, der stativene allerede er integrert. Denne tilnærmingen tillot meg å kombinere flere av disse integrerte modulene og deretter bruke en endehette for å forsegle alt før den endelige AFP-viklingen."
"Vi prøver å fullføre et slikt konsept," fortsatte han, "og også begynne å teste utvalget av materialer, noe som er veldig viktig for å sikre den nødvendige motstanden mot H2-gasspenetrering. Til dette bruker vi hovedsakelig termoplastiske materialer og jobber med ulike hvordan materialet vil påvirke denne gjennomtrengningsatferden og behandlingen i AFP-maskinen. Det er viktig å forstå om behandlingen vil ha effekt og om det er nødvendig med etterbehandling. Vi ønsker også å vite om ulike stabler vil påvirke hydrogengjennomtrengning gjennom trykkbeholderen.»
Tanken vil i sin helhet være laget av termoplast og stripene vil bli levert av Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Tyskland). "Vi vil bruke deres PPS [polyfenylensulfid], PEEK [polyeterketon] og LM PAEK [lavtsmeltende polyarylketon] materialer," sa Yager. "Sammenligninger blir deretter gjort for å se hvilken som er best for penetrasjonsbeskyttelse og produsere deler med bedre ytelse." Han håper å fullføre testing, struktur- og prosessmodellering og første demonstrasjoner innen neste år.
Forskningsarbeidet ble utført innenfor COMET-modulen “Polymers4Hydrogen” (ID 21647053) innenfor COMET-programmet til det føderale departementet for klimaendringer, miljø, energi, mobilitet, innovasjon og teknologi og det føderale departementet for digital teknologi og økonomi. . Forfatterne takker de deltakende partnerne Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL, Østerrike), Montanuniversitaet Leoben (Fakultet for polymerteknikk og naturvitenskap, Institutt for kjemi for polymermaterialer, Institutt for materialvitenskap og polymertesting), Universitetet i Tammerfors (ingeniørfakultetet) Materialer). ) Science), Peak Technology og Faurecia bidro til dette forskningsarbeidet. COMET-Modul er finansiert av regjeringen i Østerrike og regjeringen i delstaten Steiermark.
Forforsterkede plater for bærende konstruksjoner inneholder kontinuerlige fibre – ikke bare fra glass, men også fra karbon og aramid.
Det er mange måter å lage komposittdeler på. Derfor vil valg av metode for en bestemt del avhenge av materialet, utformingen av delen og sluttbruken eller anvendelsen. Her er en utvalgsguide.
Shocker Composites og R&M International utvikler en forsyningskjede av resirkulert karbonfiber som gir null slakting, lavere kostnader enn virgin fiber og vil etter hvert tilby lengder som nærmer seg kontinuerlig fiber i strukturelle egenskaper.
Innleggstid: 15. mars 2023