W standardowych zbiornikach płaskoplatformowych do pojazdów BEV i FCEV zastosowano kompozyty termoplastyczne i termoutwardzalne o konstrukcji szkieletowej, która zapewnia o 25% więcej magazynowania H2. #wodór #trendy
Po tym, jak współpraca z BMW wykazała, że sześcienny zbiornik może zapewnić wyższą wydajność objętościową niż wiele małych cylindrów, Politechnika Monachium rozpoczęła projekt mający na celu opracowanie struktury kompozytowej i skalowalnego procesu produkcyjnego do produkcji seryjnej. Źródło zdjęcia: TU Dresden (na górze) po lewej), Uniwersytet Techniczny w Monachium, Katedra Kompozytów Węglowych (LCC)
Pojazdy elektryczne zasilane ogniwami paliwowymi (FCEV) zasilane wodorem o zerowej emisji (H2) zapewniają dodatkowe środki umożliwiające osiągnięcie zerowych celów środowiskowych. Samochód osobowy na ogniwa paliwowe z silnikiem H2 można napełnić w 5-7 minut i ma zasięg 500 km, ale obecnie jest droższy ze względu na małe wolumeny produkcji. Jednym ze sposobów obniżenia kosztów jest zastosowanie standardowej platformy dla modeli BEV i FCEV. Obecnie nie jest to możliwe, ponieważ cylindryczne zbiorniki typu 4 używane do przechowywania sprężonego gazu H2 (CGH2) pod ciśnieniem 700 barów w pojazdach FCEV nie nadają się do przechowywania akumulatorów w podwoziu, które zostały starannie zaprojektowane dla pojazdów elektrycznych. Jednak w tej płaskiej przestrzeni opakowania zmieszczą się zbiorniki ciśnieniowe w postaci poduszek i kostek.
Patent US5577630A na „Kompozytowy zbiornik ciśnieniowy o konforemnym kształcie”, wniosek złożony przez Thiokol Corp. w 1995 r. (po lewej) oraz prostokątny zbiornik ciśnieniowy opatentowany przez BMW w 2009 r. (po prawej).
Katedra Kompozytów Węglowych (LCC) Politechniki Monachium (TUM, Monachium, Niemcy) bierze udział w dwóch projektach mających na celu opracowanie tej koncepcji. Pierwszym z nich jest Polymers4Hydrogen (P4H), prowadzony przez Centrum Kompetencyjne Leoben Polymer (PCCL, Leoben, Austria). Pakietem roboczym LCC kieruje Fellow Elizabeth Glace.
Drugi projekt to środowisko demonstracyjne i rozwojowe wodorowe (HyDDen), którym LCC kieruje badacz Christian Jaeger. Obydwa mają na celu demonstrację na dużą skalę procesu produkcyjnego odpowiedniego zbiornika CGH2 przy użyciu kompozytów z włókna węglowego.
Wydajność objętościowa jest ograniczona, gdy cylindry o małej średnicy są instalowane w płaskich ogniwach akumulatorowych (po lewej) i sześciennych zbiornikach ciśnieniowych typu 2 wykonanych ze stalowych wykładzin i zewnętrznej powłoki z kompozytu włókna węglowego/epoksydu (po prawej). Źródło obrazu: Rysunki 3 i 6 pochodzą z „Podejścia projektowania numerycznego dla zbiornika ciśnieniowego typu II z odgałęzieniami naprężanymi wewnętrznymi” autorstwa Rufa i Zaremby i in.
Firma P4H wyprodukowała eksperymentalny zbiornik w kształcie kostki, w którym zastosowano termoplastyczną ramę z kompozytowymi paskami/rozpórkami napinającymi owiniętymi żywicą epoksydową wzmocnioną włóknem węglowym. HyDDen zastosuje podobną konstrukcję, ale do produkcji wszystkich zbiorników z kompozytów termoplastycznych zastosuje automatyczne układanie włókien (AFP).
Od zgłoszenia patentowego złożonego przez Thiokol Corp. do „Kompozytowego zbiornika ciśnieniowego” z 1995 r. do niemieckiego patentu DE19749950C2 z 1997 r., zbiorniki na sprężony gaz „mogą mieć dowolną konfigurację geometryczną”, ale zwłaszcza kształty płaskie i nieregularne, we wnęce połączonej ze wspornikiem płaszcza . elementy są stosowane tak, aby mogły wytrzymać siłę rozprężania gazu.
W artykule Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) z 2006 r. opisano trzy podejścia: konformalny zbiornik ciśnieniowy z nawiniętym włóknem, zbiornik ciśnieniowy z mikrosiatki zawierający wewnętrzną rombową strukturę kratową (małe komórki o średnicy 2 cm lub mniej), otoczony cienkościennym pojemnikiem H2, oraz pojemnik replikatora, składający się z wewnętrznej struktury składającej się z sklejonych małych części (np. sześciokątnych plastikowych pierścieni) i cienkiej powłoki zewnętrznej. Podwójne pojemniki najlepiej nadają się do większych pojemników, w których zastosowanie tradycyjnych metod może być trudne.
Patent DE102009057170A złożony przez Volkswagena w 2009 roku opisuje zbiornik ciśnieniowy montowany w pojeździe, który zapewni wysoką wydajność wagową, jednocześnie poprawiając wykorzystanie przestrzeni. W zbiornikach prostokątnych zastosowano łączniki napinające pomiędzy dwiema prostokątnymi przeciwległymi ścianami, a narożniki są zaokrąglone.
Powyższe i inne koncepcje przytacza Gleiss w artykule „Process Development for Cubic Pressure Vessels with Stretch Bars” autorstwa Gleissa i in. w ECCM20 (26-30 czerwca 2022, Lozanna, Szwajcaria). W tym artykule przytacza badanie TUM opublikowane przez Michaela Roofa i Svena Zarembę, które wykazało, że sześcienny zbiornik ciśnieniowy z rozpórkami napinającymi łączącymi prostokątne boki jest bardziej wydajny niż kilka małych cylindrów mieszczących się w przestrzeni płaskiej baterii, zapewniając około 25 % więcej. miejsce do przechowywania.
Według Gleissa problem związany z instalacją dużej liczby małych butli typu 4 w płaskiej obudowie polega na tym, że „objętość pomiędzy cylindrami jest znacznie zmniejszona, a system ma również bardzo dużą powierzchnię przenikania gazu H2. Ogólnie rzecz biorąc, system zapewnia mniejszą pojemność niż sześcienne słoiki.”
Istnieją jednak inne problemy związane z sześcienną konstrukcją zbiornika. „Oczywiście, ze względu na sprężony gaz, należy przeciwdziałać siłom zginającym działającym na płaskie ściany” – powiedział Gleiss. „W tym celu potrzebna jest wzmocniona konstrukcja, która łączy się wewnętrznie ze ścianami zbiornika. Trudno to jednak osiągnąć w przypadku kompozytów”.
Glace i jej zespół próbowali włączyć wzmacniające pręty naprężające do zbiornika ciśnieniowego w sposób odpowiedni dla procesu nawijania włókna. „Jest to ważne w przypadku produkcji na dużą skalę” – wyjaśnia, „a także pozwala nam zaprojektować wzór nawinięcia ścian pojemnika, aby zoptymalizować orientację włókien dla każdego ładunku w strefie”.
Cztery kroki do wykonania próbnego sześciennego zbiornika kompozytowego dla projektu P4H. Źródło zdjęcia: „Opracowanie procesu produkcyjnego sześciennych zbiorników ciśnieniowych ze wspornikiem”, Uniwersytet Techniczny w Monachium, projekt Polymers4Hydrogen, ECCM20, czerwiec 2022 r.
Aby osiągnąć sukces w łańcuchu, zespół opracował nową koncepcję składającą się z czterech głównych kroków, jak pokazano powyżej. Rozpórki napinające, pokazane na stopniach w kolorze czarnym, to prefabrykowana konstrukcja ramowa, wykonana metodami zaczerpniętymi z projektu MAI Skelett. Na potrzeby tego projektu BMW opracowało „szkielet” ramy przedniej szyby, wykorzystując cztery pręty pultruzyjne wzmocnione włóknem, które następnie uformowano w plastikową ramę.
Rama eksperymentalnego zbiornika sześciennego. Sześciokątne sekcje szkieletu wydrukowane w 3D przez TUM przy użyciu niewzmocnionego włókna PLA (na górze), wkładając pręty pultruzyjne CF/PA6 jako szelki napinające (w środku), a następnie owijając włókno wokół szelek (na dole). Źródło zdjęcia: Uniwersytet Techniczny w Monachium LCC.
„Pomysł jest taki, że ramę sześciennego zbiornika można zbudować w formie konstrukcji modułowej” – powiedział Glace. „Moduły te są następnie umieszczane w narzędziu do formowania, rozpórki napinające umieszczane są w modułach ramy, a następnie wokół rozpórek stosuje się metodę MAI Skelett, aby zintegrować je z częściami ramy”. metodą produkcji masowej, w wyniku której powstaje konstrukcja, która jest następnie wykorzystywana jako trzpień lub rdzeń do owijania kompozytowej powłoki zbiornika.
TUM zaprojektował ramę zbiornika jako sześcienną „poduszkę” z solidnymi bokami, zaokrąglonymi narożnikami i sześciokątnym wzorem na górze i na dole, przez który można wkładać i mocować opaski. Otwory na te stojaki również zostały wydrukowane w 3D. „W przypadku naszego pierwszego eksperymentalnego zbiornika wydrukowaliśmy w 3D sześciokątne sekcje ramy przy użyciu kwasu polimlekowego [PLA, bioplastiku termoplastycznego], ponieważ było to łatwe i tanie” – powiedział Glace.
Zespół zakupił 68 prętów z poliamidu 6 (PA6) wzmocnionego pultrudowanym włóknem węglowym od firmy SGL Carbon (Meitingen, Niemcy) do wykorzystania jako krawaty. „Aby przetestować tę koncepcję, nie wykonaliśmy żadnego formowania” – mówi Gleiss – „ale po prostu włożyliśmy przekładki do wydrukowanej w 3D ramy o strukturze plastra miodu i przykleiliśmy je klejem epoksydowym. Stanowi to następnie trzpień do nawijania zbiornika.” Zauważa, że chociaż wędziska te stosunkowo łatwo się nawijają, pojawiają się pewne istotne problemy, które zostaną opisane później.
„Na pierwszym etapie naszym celem było wykazanie wykonalności projektu i identyfikacja problemów w koncepcji produkcji” – wyjaśnił Gleiss. „Tak więc rozpórki napinające wystają z zewnętrznej powierzchni konstrukcji szkieletowej, a do tego rdzenia mocujemy włókna węglowe za pomocą mokrego uzwojenia włókien. Następnie w trzecim kroku wyginamy główkę każdego drążka kierowniczego. termoplastyczny, dlatego po prostu za pomocą ciepła zmieniamy kształt główki tak, aby spłaszczyła się i zablokowała w pierwszej warstwie opakowania. Następnie przystępujemy do ponownego owijania konstrukcji tak, aby płaska głowica oporowa została geometrycznie zamknięta w zbiorniku. laminat na ścianach.
Nasadka dystansowa do nawijania. TUM stosuje plastikowe nakładki na końcach prętów napinających, aby zapobiec splątaniu włókien podczas nawijania. Źródło zdjęcia: Uniwersytet Techniczny w Monachium LCC.
Glace powtórzył, że ten pierwszy czołg był dowodem słuszności koncepcji. „Wykorzystanie druku 3D i kleju miało jedynie charakter wstępnych testów i dało nam wyobrażenie o kilku problemach, które napotkaliśmy. Na przykład podczas nawijania włókna zostały złapane przez końce prętów naprężających, powodując pękanie i uszkodzenie włókien oraz zmniejszając ilość włókien, aby temu przeciwdziałać. jako pomoce produkcyjne użyliśmy kilku plastikowych nasadek, które umieściliśmy na słupach przed pierwszym etapem nawijania. Następnie, gdy wykonano wewnętrzne laminaty, usunęliśmy te nakładki ochronne i zmieniliśmy kształt końcówek słupów przed ostatecznym owinięciem”.
Zespół eksperymentował z różnymi scenariuszami rekonstrukcji. „Najlepiej pracują ci, którzy się rozglądają” – mówi Grace. „Ponadto w fazie prototypowania wykorzystaliśmy zmodyfikowane narzędzie spawalnicze do podgrzania i zmiany kształtu końcówek drążków kierowniczych. W koncepcji produkcji masowej istniałoby jedno większe narzędzie, które może jednocześnie kształtować i formować wszystkie końce rozpórek w laminat do wykończenia wnętrz. . ”
Zmieniono kształt główek dyszla. Firma TUM eksperymentowała z różnymi koncepcjami i modyfikowała spoiny, aby dopasować końce łączników kompozytowych do mocowania do laminatu ściany zbiornika. Źródło zdjęcia: „Opracowanie procesu produkcyjnego sześciennych zbiorników ciśnieniowych ze wspornikiem”, Uniwersytet Techniczny w Monachium, projekt Polymers4Hydrogen, ECCM20, czerwiec 2022 r.
W ten sposób laminat jest utwardzany po pierwszym etapie nawijania, zmieniany jest kształt słupków, TUM kończy drugie nawijanie włókien, a następnie laminat zewnętrznej ściany zbiornika jest utwardzany po raz drugi. Należy pamiętać, że jest to zbiornik typu 5, co oznacza, że nie posiada on plastikowej wykładziny stanowiącej barierę gazową. Zobacz dyskusję w sekcji Następne kroki poniżej.
„Pocięliśmy pierwsze demo na przekroje i zmapowaliśmy połączony obszar” – powiedział Glace. „Zbliżenie pokazuje, że mieliśmy pewne problemy z jakością laminatu, ponieważ główki rozpórek nie leżały płasko na laminacie wewnętrznym”.
Rozwiązywanie problemów ze szczelinami pomiędzy laminatem wewnętrznej i zewnętrznej ściany zbiornika. Zmodyfikowana głowica drążka kierowniczego tworzy szczelinę pomiędzy pierwszym i drugim zwojem zbiornika doświadczalnego. Źródło zdjęcia: Uniwersytet Techniczny w Monachium LCC.
Pierwszy zbiornik o wymiarach 450 x 290 x 80 mm został ukończony latem ubiegłego roku. „Od tego czasu poczyniliśmy duże postępy, ale nadal istnieje przepaść pomiędzy laminatami wewnętrznymi i zewnętrznymi” – stwierdził Glace. „Dlatego próbowaliśmy wypełnić te luki czystą żywicą o wysokiej lepkości. To faktycznie poprawia połączenie pomiędzy kołkami a laminatem, co znacznie zwiększa naprężenia mechaniczne.”
Zespół w dalszym ciągu rozwijał projekt i proces zbiornika, w tym rozwiązania dotyczące pożądanego wzoru uzwojenia. „Boki zbiornika testowego nie były całkowicie zawinięte, ponieważ przy tej geometrii trudno było stworzyć krętą ścieżkę” – wyjaśnił Glace. „Nasz początkowy kąt uzwojenia wynosił 75°, ale wiedzieliśmy, że aby wytrzymać obciążenie tego zbiornika ciśnieniowego, potrzebnych jest wiele obwodów. Wciąż szukamy rozwiązania tego problemu, jednak przy oprogramowaniu obecnie dostępnym na rynku nie jest to łatwe. Być może będzie to projekt kontynuacyjny.
„Wykazaliśmy wykonalność tej koncepcji produkcji” – mówi Gleiss – „ale musimy dalej pracować, aby poprawić połączenie między laminatem i zmienić kształt drążków kierowniczych. „Testy zewnętrzne na maszynie testującej. Wyciągasz przekładki z laminatu i sprawdzasz obciążenia mechaniczne, jakie te połączenia mogą wytrzymać.
Ta część projektu Polymers4Hydrogen zostanie ukończona pod koniec 2023 r., kiedy to Gleis ma nadzieję ukończyć drugi zbiornik demonstracyjny. Co ciekawe, współczesne konstrukcje wykorzystują starannie wzmocnione tworzywa termoplastyczne w ramie i termoutwardzalne kompozyty w ściankach zbiornika. Czy to podejście hybrydowe zostanie zastosowane w ostatecznym zbiorniku demonstracyjnym? – Tak – powiedziała Grace. „Nasi partnerzy w projekcie Polymers4Hydrogen opracowują żywice epoksydowe i inne kompozytowe materiały matrycowe o lepszych właściwościach bariery wodorowej”. Wymienia dwóch partnerów pracujących nad tą pracą, PCCL i Uniwersytet w Tampere (Tampere, Finlandia).
Gleiss i jej zespół również wymienili informacje i omówili z Jaegerem pomysły dotyczące drugiego projektu HyDDen dotyczącego konforemnego zbiornika kompozytowego LCC.
„Będziemy produkować konforemny kompozytowy zbiornik ciśnieniowy do dronów badawczych” – mówi Jaeger. „To efekt współpracy dwóch wydziałów Wydziału Lotnictwa i Geodezji TUM – LCC oraz Wydziału Technologii Helikopterów (HT). Projekt zakończy się do końca 2024 roku, obecnie kończymy budowę zbiornika ciśnieniowego. projekt, który jest bardziej podejściem lotniczym i motoryzacyjnym. Po tym wstępnym etapie koncepcji następnym krokiem jest wykonanie szczegółowego modelowania strukturalnego i przewidywanie właściwości barierowych konstrukcji ściany.
„Cały pomysł polega na opracowaniu drona badawczego z hybrydowym ogniwem paliwowym i akumulatorowym układem napędowym” – kontynuował. Będzie korzystał z akumulatora podczas lotów o dużej mocy (tj. startu i lądowania), a następnie przełączy się na ogniwo paliwowe podczas lotu z lekkim obciążeniem. „Zespół HT miał już drona badawczego i przeprojektował układ napędowy tak, aby wykorzystywał zarówno akumulatory, jak i ogniwa paliwowe” – powiedział Yeager. „Kupili także zbiornik CGH2, aby przetestować tę przekładnię”.
„Mój zespół otrzymał zadanie zbudowania prototypu zbiornika ciśnieniowego, który pasowałby, ale nie ze względu na problemy z opakowaniem, jakie powodowałby zbiornik cylindryczny” – wyjaśnia. „Bardziej płaski zbiornik nie zapewnia tak dużego oporu wiatru. Dzięki temu uzyskasz lepszą wydajność lotu.” Wymiary zbiornika ok. 830 x 350 x 173 mm.
W pełni termoplastyczny zbiornik zgodny z AFP. W przypadku projektu HyDDen zespół LCC w TUM początkowo badał podejście podobne do tego zastosowanego przez Glace (powyżej), ale następnie przeszedł do podejścia wykorzystującego kombinację kilku modułów strukturalnych, które następnie były nadużywane przy użyciu AFP (poniżej). Źródło zdjęcia: Uniwersytet Techniczny w Monachium LCC.
„Jeden pomysł jest podobny do podejścia Elisabeth [Gleiss]” – mówi Yager – „aby zastosować klamry napinające do ściany naczynia, aby skompensować duże siły zginające. Jednak zamiast stosować proces nawijania do wykonania zbiornika, używamy AFP. Dlatego pomyśleliśmy o stworzeniu osobnej części zbiornika ciśnieniowego, w której zintegrowane są już regały. Takie podejście pozwoliło mi połączyć kilka zintegrowanych modułów, a następnie zastosować zaślepkę, aby uszczelnić wszystko przed ostatecznym uzwojeniem AFP.
„Próbujemy sfinalizować taką koncepcję” – kontynuował – „a także rozpoczynamy testy doboru materiałów, co jest bardzo ważne, aby zapewnić niezbędną odporność na przenikanie gazu H2. W tym celu używamy głównie materiałów termoplastycznych i pracujemy nad różnymi wpływami materiału na zachowanie przenikania i przetwarzanie w maszynie AFP. Ważne jest, aby zrozumieć, czy leczenie przyniesie skutek i czy wymagana jest jakakolwiek obróbka końcowa. Chcemy także wiedzieć, czy różne stosy będą miały wpływ na przenikanie wodoru przez zbiornik ciśnieniowy”.
Zbiornik będzie w całości wykonany z tworzywa termoplastycznego, a listwy dostarczy firma Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Niemcy). „Będziemy używać ich materiałów PPS [siarczek polifenylenu], PEEK [keton polieterowy] i LM PAEK [niskotopliwy keton poliarylowy]” – powiedział Yager. „Następnie dokonuje się porównań, aby zobaczyć, który z nich jest najlepszy pod względem ochrony przed penetracją i wytwarzania części o lepszych parametrach”. Ma nadzieję zakończyć testy, modelowanie strukturalne i procesowe oraz pierwsze demonstracje w ciągu przyszłego roku.
Prace badawcze prowadzono w ramach modułu COMET „Polymers4Hydrogen” (ID 21647053) w ramach programu COMET Federalnego Ministerstwa ds. Zmian Klimatu, Środowiska, Energii, Mobilności, Innowacji i Technologii oraz Federalnego Ministerstwa Technologii Cyfrowej i Gospodarki. . Autorzy dziękują uczestniczącym partnerom Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL, Austria), Montanuniversitaet Leoben (Wydział Inżynierii i Nauki o Polimerach, Wydział Chemii Materiałów Polimerowych, Wydział Inżynierii Materiałowej i Testowania Polimerów), University of Tampere (Wydział Inżynierii Przybory). ) Science), Peak Technology i Faurecia wniosły wkład w te prace badawcze. COMET-Modul jest finansowany przez rząd Austrii i rząd kraju związkowego Styria.
Płyty wstępnie zbrojone na konstrukcje nośne zawierają włókna ciągłe – nie tylko ze szkła, ale także z węgla i aramidu.
Istnieje wiele sposobów wytwarzania części kompozytowych. Dlatego wybór metody dla konkretnej części będzie zależał od materiału, projektu części i końcowego zastosowania. Oto przewodnik po wyborze.
Shocker Composites i R&M International opracowują łańcuch dostaw włókien węglowych pochodzących z recyklingu, który zapewnia zerowy ubój, niższe koszty w porównaniu z włóknem pierwotnym i ostatecznie będzie oferować długości zbliżone właściwościami strukturalnymi do włókien ciągłych.
Czas publikacji: 15 marca 2023 r