Standard flat-plattformtanker for BEV-er og FCEV-er bruker termoplastiske og termosettkompositter med en skjelettkonstruksjon som gir 25% mer H2-lagring. #hydrogen #trender
Etter et samarbeid med BMW viste at en kubikk tank kunne levere høyere volumetrisk effektivitet enn flere små sylindere, tok det tekniske universitetet i München inn i et prosjekt for å utvikle en sammensatt struktur og en skalerbar produksjonsprosess for seriell produksjon. Bildekreditt: Tu Dresden (øverst) til venstre), Technical University of München, Department of Carbon Composites (LCC)
Elektriske kjøretøyer med brenselcelle (FCEVs) drevet av nullutslipp (H2) hydrogen gir ytterligere midler for å oppnå null miljømål. En passasjerbil med brenselcelle med en H2-motor kan fylles ut i 5-7 minutter og har en rekkevidde på 500 km, men er for tiden dyrere på grunn av lave produksjonsvolum. En måte å redusere kostnadene på er å bruke en standard plattform for BEV- og FCEV -modeller. Dette er foreløpig ikke mulig fordi sylindriske tanker av type 4 som brukes til å lagre komprimert H2 -gass (CGH2) ved 700 bar i FCEV -er, ikke er egnet for underkroppsrommet som er nøye designet for elektriske kjøretøyer. Imidlertid kan trykkbeholdere i form av puter og terninger passe inn i dette flate emballasjeområdet.
Patent US5577630A for “Composite Conformal Pressure Vessel”, søknad inngitt av Thiokol Corp. i 1995 (til venstre) og det rektangulære trykkfartøyet patentert av BMW i 2009 (til høyre).
Department of Carbon Composites (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 stipendiat Elizabeth Glace.
Det andre prosjektet er Hydrogen Demonstration and Development Environment (HYDDEN), der LCC ledes av forsker Christian Jaeger. Begge tar sikte på å skape en storstilt demonstrasjon av produksjonsprosessen for å lage en passende CGH2-tank ved bruk av karbonfiberkompositter.
Det er begrenset volumetrisk effektivitet når sylindere med liten diameter er installert i flate batterisceller (til venstre) og kubikk type 2 trykkbeholdere laget av stålforinger og et karbonfiber/epoksy kompositt ytre skall (til høyre). Bildekilde: Figur 3 og 6 er fra “Numerisk designtilnærming for Type II -trykkboksfartøy med indre spenningsben” av RUF og Zaremba et al.
P4H har fremstilt en eksperimentell kubetank som bruker en termoplastisk ramme med komposittspenningsstropper/stag pakket inn i karbonfiberforsterket epoksy. Hydden vil bruke en lignende design, men vil bruke automatisk fiberoppsett (AFP) for å produsere alle termoplastiske kompositttanker.
Fra en patentsøknad fra Thiokol Corp. til “Composite Conformal Pressure Fartøy” i 1995 til tysk patent DE19749950C2 i 1997, kan komprimerte gassfartøyer “ha noen geometrisk konfigurasjon”, men spesielt flate og uregelmessige former, i en hulrom koblet til skallet Support Support . Elementer brukes slik at de tåler kraft av utvidelse av gassen.
Et 2006 Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) -papir beskriver tre tilnærminger: et glødetrykt konformt trykkfartøy, et mikrolattet trykkbeholder som inneholder en indre ortorhombisk gitterstruktur (små celler på 2 cm eller mindre), omgitt av en tynn-muret H2-beholder, og en replikatorbeholder, bestående av en indre struktur bestående av limte små deler (f.eks. sekskantet plast ringer) og en sammensetning av tynn ytre skallhud. Dupliserte containere er best egnet for større containere der tradisjonelle metoder kan være vanskelige å påføre.
Patent DE102009057170A arkivert av Volkswagen i 2009 beskriver et kjøretøymontert trykkfartøy som vil gi høy vekt effektivitet mens du forbedrer romutnyttelsen. Rektangulære tanker bruker spenningskontakter mellom to rektangulære motsatte vegger, og hjørnene er avrundet.
Ovennevnte og andre konsepter er sitert av Gleiss i papiret "Prosessutvikling for kubikktrykkskar med strekkstenger" av Gleiss et al. på ECCM20 (26. til 30. juni 2022, Lausanne, Sveits). I denne artikkelen siterer hun en Tum -studie publisert av Michael Roof og Sven Zaremba, som fant at et kubikk trykkbeholder med spennstag som forbinder rektangulære sider er mer effektivt enn flere små sylindere som passer inn i et flatt batteri, og gir omtrent 25 % mer. lagringsplass.
I følge Gleiss er problemet med å installere et stort antall små type 4 -sylindere i en flat sak at “volumet mellom sylindrene er sterkt redusert og systemet har også en veldig stor H2 -gassgjennomtrengningsoverflate. Totalt sett gir systemet mindre lagringskapasitet enn kubikkkrukker. ”
Imidlertid er det andre problemer med tankens kubiske design. "Det er klart, 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 veggene i tanken. Men det er vanskelig å gjøre med kompositter. ”
Glace og teamet hennes prøvde å innlemme forsterkning av spenningsstenger i trykkfartøyet på en måte som ville være egnet for filamentviklingsprosessen. "Dette er viktig for produksjon med høyt volum," forklarer hun, "og lar oss også designe viklingsmønsteret til beholderveggene for å optimalisere fiberorientering for hver belastning i sonen."
Fire trinn for å lage en prøvekubisk sammensatt tank for P4H -prosjektet. Bildekreditt: “Utvikling av en produksjonsprosess for kubikktrykkskip med stag”, Technical University of München, Polymers4Hydrogen Project, ECCM20, juni 2022.
For å oppnå på-kjeden har teamet utviklet et nytt konsept bestående av fire hovedtrinn, som vist ovenfor. Spenningsstagene, vist i svart på trinnene, er en prefabrikkert rammestruktur fremstilt ved hjelp av metoder hentet fra Mai Skelett -prosjektet. For dette prosjektet utviklet BMW en frontrute-ramme "rammeverk" ved bruk av fire fiberforsterkede pultrusjonsstenger, som deretter ble støpt til en plastramme.
Rammen til en eksperimentell kubikktank. Heksagonale skjelettseksjoner 3D trykt av Tum ved bruk av Uforsterket PLA -filament (øverst), satte inn CF/PA6 -pultrusjonsstenger som spenningsstiver (midten) og deretter pakke glødetråden rundt selene (nederst). Bildekreditt: Technical University of München LCC.
"Tanken er at du kan bygge rammen til en kubikktank som en modulær struktur," sa Glace. "Disse modulene blir deretter plassert i et støpingsverktøy, spenningsstagene blir plassert i rammemodulene, og deretter brukes Mai Skeletts metode rundt stagene for å integrere dem med rammedelene." Masseproduksjonsmetode, noe som resulterer i en struktur som deretter brukes som en dorn eller kjerne for å pakke inn lagringstankens sammensatte skall.
Tum designet tankrammen som en kubikk "pute" med solide sider, avrundede hjørner og et sekskantet mønster på toppen og bunnen som bånd kan settes inn og festes gjennom. Hullene for disse stativene var også 3D -trykt. "For vår opprinnelige eksperimentelle tank, trykte vi 3D-sekskantede rammeseksjoner ved bruk av polylaktsyre [PLA, en biobasert termoplast] fordi det var enkelt og billig," sa Glace.
Teamet kjøpte 68 pultrering av karbonfiberarmert polyamid 6 (PA6) stenger fra SGL -karbon (Meitingen, Tyskland) for bruk som bånd. "For å teste konseptet, gjorde vi ingen støping," sier Gleiss, "men bare satte inn avstandsstykker i en 3D -trykt honningkake -kjerneramme og limte dem med epoksylim. Dette gir da en dorn for å vikle tanken. ” Hun bemerker at selv om disse stengene er relativt enkle å vikle, er det noen betydelige problemer som vil bli beskrevet senere.
"På det første stadiet var målet vårt å demonstrere produserbarheten til designen og identifisere problemer i produksjonskonseptet," forklarte Gleiss. “Så spenningen stikker ut av den ytre overflaten av skjelettstrukturen, og vi fester karbonfibrene til denne kjernen ved å bruke vikling av våt filament. Etter det, i det tredje trinnet, bøyer vi hodet på hver slipsstang. Termoplastisk, så vi bare bruker varme for å omforme hodet slik at det flater og låser seg inn i det første laget av innpakning. Vi fortsetter deretter med å pakke inn strukturen igjen slik at det flate skyvhodet er geometrisk innelukket i tanken. Laminat på veggene.
Spacer cap for vikling. Tum bruker plasthetter på endene av spennstengene for å forhindre at fibrene sammenfiltret under glødetur. Bildekreditt: Technical University of München LCC.
Glace gjentok at denne første tanken var et bevis på konsept. “Bruken av 3D -utskrift og lim var bare for innledende testing og ga oss en ide om noen få av problemene vi møtte. For eksempel under vikling ble filamentene fanget av endene av spenningsstengene, noe som forårsaket fiberbrudd, fiberskader og reduserte mengden fiber for å motvirke dette. Vi brukte noen få plasthetter som produksjonshjelpemidler som ble plassert på stolpene før det første svingete trinnet. Da, da de indre laminatene ble laget, fjernet vi disse beskyttelseshettene og omformet endene av stolpene før den endelige innpakningen. ”
Teamet eksperimenterte med forskjellige rekonstruksjonsscenarier. "De som ser rundt fungerer best," sier Grace. “I prototypingfasen brukte vi også et modifisert sveiseverktøy for å påføre varme og omforme bindestangenene. I et masseproduksjonskonsept vil du ha ett større verktøy som kan forme og danne alle endene på stagene til et interiørfinish -laminat samtidig. . ”
Drawbar -hoder omformet. Tum eksperimenterte med forskjellige konsepter og modifiserte sveisene for å justere endene av de sammensatte båndene for festing til tankveggslaminatet. Bildekreditt: “Utvikling av en produksjonsprosess for kubikktrykkskip med stag”, Technical University of München, Polymers4Hydrogen Project, ECCM20, juni 2022.
Dermed blir laminatet herdet etter det første svingete trinnet, stolpene blir omformet, tummen fullfører den andre viklingen av filamentene, og deretter blir den ytre tankveggslaminatet herdet en gang til. Vær oppmerksom på at dette er en type 5 tankdesign, noe som betyr at den ikke har en plastforing som en gassbarriere. Se diskusjonen i delen neste trinn nedenfor.
"Vi kuttet den første demoen i tverrsnitt og kartla det tilkoblede området," sa Glace. "Et nærbilde viser at vi hadde noen kvalitetsproblemer med laminatet, med staghodene som ikke lå flate på det indre laminatet."
Løse problemer med hull mellom laminatet til de indre og ytterveggene i tanken. Det modifiserte slipsstanghodet skaper et gap mellom den første og andre sving av eksperimentell tanken. Bildekreditt: Technical University of München LCC.
Denne første 450 x 290 x 80mm -tanken ble fullført i fjor sommer. "Vi har gjort mye fremgang siden den gang, men vi har fortsatt et gap mellom interiør og utvendig laminat," sa Glace. ”Så vi prøvde å fylle disse hullene med en ren, høy viskositetsharpiks. Dette forbedrer faktisk forbindelsen mellom piggene og laminatet, noe som øker det mekaniske stresset i stor grad. ”
Teamet fortsatte å utvikle tankdesign og prosess, inkludert løsninger for ønsket viklingsmønster. "Sidene av testtanken var ikke helt krøllete fordi det var vanskelig for denne geometrien å skape en svingete bane," forklarte Glace. ”Den første viklingsvinkelen vår var 75 °, men vi visste at det var nødvendig med flere kretsløp for å oppfylle belastningen i dette trykkfartøyet. Vi leter fortsatt etter en løsning på dette problemet, men det er ikke lett med programvaren som for tiden er på markedet. Det kan bli et oppfølgingsprosjekt.
"Vi har vist muligheten for dette produksjonskonseptet," sier Gleiss, "men vi må jobbe videre for å forbedre forbindelsen mellom laminatet og omforme slipsstengene. “Ekstern testing på en testmaskin. Du trekker avstandsstykkene ut av laminatet og tester de mekaniske belastningene som disse leddene tåler. ”
Denne delen av Polymers4hydrogen -prosjektet vil bli fullført i slutten av 2023, da Gleis håper å fullføre den andre demonstrasjonstanken. Interessant nok bruker design i dag pene armert termoplast i rammen og termosettkompositter i tankveggene. Vil denne hybridtilnærmingen bli brukt i den endelige demonstrasjonstanken? "Ja," sa Grace. "Våre partnere i Polymers4hydrogen -prosjektet utvikler epoksyharpikser og andre komposittmatriksmaterialer med bedre hydrogenbarriereegenskaper." Hun lister opp to partnere som jobber med dette arbeidet, PCCL og University of Tamperere (Tammer, Finland).
Gleiss og teamet hennes utvekslet også informasjon og diskuterte ideer med Jaeger om det andre Hydden -prosjektet fra LCC Conformal Composite Tank.
"Vi vil produsere et konformt sammensatt trykkfartøy for forskningsdroner," sier Jaeger. “Dette er et samarbeid mellom de to avdelingene for Aerospace and Geodetic Department of Tum - LCC og Department of Helicopter Technology (HT). Prosjektet vil være fullført innen utgangen av 2024, og vi fullfører for tiden trykkfartøyet. et design som er mer en luftfart og bilindustri. 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 et hybrid brenselcelle- og batteriets fremdriftssystem," fortsatte han. Den vil bruke batteriet under høye strømbelastninger (dvs. start og landing) og deretter bytte til brenselcellen under lysbelastning. "HT -teamet hadde allerede en forskningsdrone og redesignet drivlinjen for å bruke både batterier og brenselceller," sa Yeager. "De kjøpte også en CGH2 -tank for å teste denne overføringen."
"Teamet mitt fikk i oppgave å bygge en prototype for trykkanlegg som ville passe, men ikke på grunn av emballasjespørsmålene som en sylindrisk tank ville skape," forklarer han. “En flatere tank tilbyr ikke så mye vindmotstand. Så du får bedre flyytelse. ” Tankdimensjoner ca. 830 x 350 x 173 mm.
Fullt termoplastisk AFP -kompatibel tank. For Hydden -prosjektet undersøkte LCC -teamet ved Tum opprinnelig en lignende tilnærming som den som ble brukt av Glace (over), men flyttet deretter til en tilnærming ved bruk av en kombinasjon av flere strukturelle moduler, som deretter ble overforbruk ved bruk av AFP (nedenfor). Bildekreditt: Technical University of München LCC.
"En idé ligner Elisabeth [Gleiss] tilnærming," sier Yager, "for å påføre spenningsstiver på fartøyveggen for å kompensere for de høye bøyekreftene. I stedet for å bruke en svingete prosess for å lage tanken, bruker vi imidlertid AFP. Derfor tenkte vi på å lage en egen del av trykkfartøyet, der stativene allerede er integrert. Denne tilnærmingen tillot meg å kombinere flere av disse integrerte modulene og deretter bruke en slutthette for å forsegle alt før den endelige AFP -viklingen. ”
"Vi prøver å fullføre et slikt konsept," fortsatte han, "og begynte også å teste utvalget av materialer, noe som er veldig viktig for å sikre den nødvendige motstanden mot H2 -gassinntrenging. For dette bruker vi hovedsakelig termoplastiske materialer og jobber med forskjellige hvordan materialet vil påvirke denne gjennomsyringsatferden og behandlingen i AFP -maskinen. Det er viktig å forstå om behandlingen vil ha en effekt og om noen etterbehandling er nødvendig. Vi vil også vite om forskjellige stabler vil påvirke hydrogengjennomtrengning gjennom trykkbeholderen. ”
Tanken vil være helt laget av termoplast og stripene vil bli levert av Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Tyskland). "Vi vil bruke deres PPS [polyfenylensulfid], Peek [polyeter keton] og LM Paek [lavt smeltende polyarylketon] -materialer," sa Yager. "Det blir deretter gjort sammenligninger for å se hvilken som er best for penetrasjonsbeskyttelse og produsere deler med bedre ytelse." Han håper å fullføre testing, strukturell og prosessmodellering og første demonstrasjoner i løpet av det neste året.
Forskningsarbeidet ble utført i kometmodulen "Polymers4Hydrogen" (ID 21647053) innen 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 deltagende partnerne Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL, Østerrike), Montanuniversitaet Leoben (Fakultet for polymerteknikk og vitenskap, Institutt for kjemi for polymermaterialer, Institutt for materialvitenskap og polymertesting), University of Tampere (fakultet for ingeniørvitenskapelig vitenskap og polymertesting). Materialer). ) Science), Peak Technology og Faurecia bidro til dette forskningsarbeidet. Comet-Modul er finansiert av regjeringen i Østerrike og regjeringen i Styria.
Forhåndsforsterkede ark for bærende strukturer inneholder kontinuerlige fibre-ikke bare fra glass, men også fra karbon og aramid.
Det er mange måter å lage sammensatte deler på. Derfor vil valg av metode for en bestemt del avhenge av materialet, utformingen av delen og sluttbruk eller anvendelse. Her er en utvelgelsesguide.
Shocker Composites og R&M International utvikler en resirkulert karbonfiberforsyningskjede som gir null slakting, lavere kostnader enn jomfrufiber og vil til slutt tilby lengder som nærmer seg kontinuerlig fiber i strukturelle egenskaper.
Post Time: Mar-15-2023