Standardowe zbiorniki z płaskimi platformami dla BEV i FCEV wykorzystują kompozyty termoplastyczne i termoset z konstrukcją szkieletu, która zapewnia o 25% więcej przechowywania H2. #hydrogen #trends
Po współpracy z BMW wykazał, że zbiornik sześcienny może zapewnić wyższą wydajność wolumetryczną niż wiele małych cylindrów, techniczny uniwersytet w Monachium rozpoczął projekt opracowania struktury kompozytowej i skalowalnego procesu produkcyjnego do produkcji seryjnej. Kredyt obrazu: Tu Dreźnia (TOP) po lewej), Technical University of Monachium, Department of Carbon Composites (LCC)
Pojazdy elektryczne ogniw paliwowych (FCEVS) zasilane przez wodór zero emisji (H2) zapewnia dodatkowe środki do osiągnięcia zerowych celów środowiskowych. Samochód pasażerski z ogniwami paliwowymi z silnikiem H2 można wypełnić w 5-7 minut i ma zasięg 500 km, ale obecnie jest droższy ze względu na niskie objętości produkcyjne. Jednym ze sposobów zmniejszenia kosztów jest użycie standardowej platformy dla modeli BEV i FCEV. Obecnie nie jest to możliwe, ponieważ cylindryczne zbiorniki typu 4 używane do przechowywania sprężonego gazu H2 (CGH2) przy 700 barach w FCEVS nie są odpowiednie dla komorów baterii podwodnej, które zostały starannie zaprojektowane do pojazdów elektrycznych. Jednak naczynia ciśnieniowe w postaci poduszek i kostek mogą zmieścić się w tej płaskiej przestrzeni opakowaniowej.
Patent US5577630A dla „kompozytowego naczynia ciśnienia konformalnego”, zastosowanie złożone przez Thiokol Corp. w 1995 r. (Po lewej) i prostokątne naczynie ciśnieniowe opatentowane przez BMW w 2009 r. (Po prawej).
Departament kompozytów węglowych (LCC) Uniwersytetu Technicznego Monachium (Tum, Monachium, Niemcy) jest zaangażowany w dwa projekty w celu opracowania tej koncepcji. Pierwszym z nich to polimers4hydrogen (P4H), prowadzony przez Centrum Kompetencji Polimerów Leoben (PCCL, Leoben, Austria). Pakiet roboczy LCC jest prowadzony przez Elizabeth Glace.
Drugim projektem jest środowisko demonstracji i rozwoju wodoru (Hydden), w którym LCC jest prowadzony przez badacza Christiana Jaegera. Oba mają na celu stworzenie dużej skali demonstracji procesu produkcyjnego tworzenia odpowiedniego zbiornika CGH2 za pomocą kompozytów z włókna węglowego.
Istnieje ograniczona wydajność objętościowa, gdy cylindry małej średnicy są instalowane w płaskich ogniwach akumulatorowych (po lewej) i naczyniach ciśnieniowych typu sześciennego wykonanego ze stalowych wkładek i zewnętrznej powłoki z włókna węglowego/epoksydowego (po prawej). Źródło obrazu: Ryciny 3 i 6 pochodzą z „Numerical Design Incess do naczynia pudełka ciśnieniowego typu II z wewnętrznymi nogami napięcia” RUF i Zaremba i in.
P4H wytworzył eksperymentalny zbiornik kostki, który wykorzystuje termoplastyczną ramę z kompozytowymi paskami/rozpórkami owiniętymi epoksydą wzmocnioną włóknem węglowym. Hydden użyje podobnej konstrukcji, ale wykorzysta automatyczne układanie światłowodów (AFP) do produkcji wszystkich termoplastycznych zbiorników kompozytowych.
Od zastosowania patentowego przez Thiokol Corp. do „kompozytowego naczynia ciśnieniowego konformalnego” w 1995 r., Do niemieckiego patentu DE19749950C2 w 1997 r., Sprężone naczynia gazowe „mogą mieć dowolną konfigurację geometryczną”, ale szczególnie płaskie i nieregularne kształty, w wnęce związane . Elementy są używane, aby mogły wytrzymać siłę ekspansji gazu.
Artykuł Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) opisuje trzy podejścia: naczynie ciśnieniowe konformacyjnego rany włóknistej, naczynie ciśnieniowe mikrolattyce zawierające wewnętrzną strukturę sieci ortorhombowej (małe komórki o 2 cm lub mniej), otoczone cienkowatkowym pojemnikiem H2, oraz pojemnik replikatorowy, składający się z wewnętrznej struktury składającej się z przyklejonych małych części (np. Heksagonalny plastik Pierścienie) i skład cienkiej zewnętrznej skóry skorupy. Duplikat pojemników najlepiej nadają się do większych pojemników, w których tradycyjne metody mogą być trudne do zastosowania.
Patent DE102009057170A złożony przez Volkswagen w 2009 r. Opisuje naczynie ciśnieniowe zamontowane na pojazd, który zapewni wysoką wydajność masy przy jednoczesnym ulepszaniu wykorzystania przestrzeni. Prostokątne zbiorniki wykorzystują złącza napięcia między dwoma prostokątnymi przeciwnymi ścianami, a narożniki są zaokrąglone.
Powyższe i inne koncepcje są cytowane przez Gleiss w artykule „Rozwój procesu dla naczyń ciśnienia sześciennego z rozciągającymi prętami” Gleiss i in. w ECCM20 (26-30 czerwca 2022 r., Lozanna, Szwajcaria). W tym artykule przytacza badanie TUM opublikowane przez Michaela Roofa i Svena Zaremba, które wykazało, że naczynie ciśnieniowe sześcienne z rozpórkami łączącymi prostokątne strony jest bardziej wydajne niż kilka małych cylindrów, które pasują do przestrzeni płaskiej baterii, zapewniając około 25 25 % więcej. miejsce do przechowywania.
Według Gleiss problem z instalacją dużej liczby małych cylindrów typu 4 w płaskim przypadku polega na tym, że „objętość między cylindrami jest znacznie zmniejszona, a system ma również bardzo dużą powierzchnię przenikania gazu H2. Ogólnie system zapewnia mniejszą pojemność magazynową niż słoiki sześcienne. ”
Istnieją jednak inne problemy z sześciennym projektem czołgu. „Oczywiście z powodu sprężonego gazu musisz przeciwdziałać siłom zginającym na płaskich ścianach” - powiedział Gleiss. „W tym celu potrzebujesz wzmocnionej konstrukcji, która łączy się wewnętrznie ze ścianami zbiornika. Ale trudno to zrobić z kompozytami. ”
Glace i jej zespół próbowali włączyć do naczynia ciśnieniowego wzmacniające pręty wzmacniające w sposób odpowiedni do procesu uzwojenia włókien. „Jest to ważne dla produkcji o dużej objętości”, wyjaśnia, „a także pozwala nam zaprojektować wzór uzwojenia ścian pojemnika w celu zoptymalizowania orientacji włókien dla każdego obciążenia w strefie”.
Cztery kroki, aby zrobić próbny zbiornik kompozytowy dla projektu P4H. Kredyt obrazu: „Opracowanie procesu produkcyjnego dla naczyń ciśnieniowych sześciennych z bramacją”, Technical University of Monachium, Polymers4hydrogen Project, ECCM20, czerwiec 2022.
Aby osiągnąć łańcuch, zespół opracował nową koncepcję składającą się z czterech głównych kroków, jak pokazano powyżej. Rozpięcia napięcia, pokazane na czarno na etapach, są prefabrykowaną strukturą ramki wytwarzanej metodami pobranymi z projektu MAI Skelett. W tym projekcie BMW opracowało „ramę” ramy przedniej, przy użyciu czterech wzmocnionych włóknami prętami pultruzionymi, które następnie uformowano w plastikową ramę.
Rama eksperymentalnego zbiornika sześciennego. Sześciokąta szkieletowa sekcja 3D wydrukowana przez TUM za pomocą nieskrępowanego włókna PLA (góra), wkładając pręty pultrującego CF/PA6 jako szelki napięcia (środkowe), a następnie owijanie włókien wokół aparatu ortodontycznego (dolnego). Kredyt obrazu: Technical University of Monachium LCC.
„Chodzi o to, że możesz zbudować ramę zbiornika sześciennego jako modułową strukturę” - powiedział Glace. „Moduły te są następnie umieszczane w narzędziu do formowania, rozpórki napięcia są umieszczane w modułach ramy, a następnie metoda Mai Skelett jest stosowana wokół rozpórki, aby zintegrować je z częściami ramy.” Metoda produkcji masowej, powodująca strukturę, która jest następnie stosowana jako trzpień lub rdzeń do owinięcia kompozytowej powłoki zbiornika magazynowego.
Tum zaprojektował ramę zbiornika jako sześcienną „poduszkę” z solidnymi bokami, zaokrąglonymi narożnikami i sześciokątnym wzorem na górze i na dole, przez które wiązania można wstawić i przymocować. Otwory tych stojaków były również wydrukowane 3D. „W naszym początkowym zbiorniku eksperymentalnym wydrukowaliśmy w 3D sześciokątne odcinki ramy przy użyciu kwasu polilaktycznego [PLA, bio-termoplastyczne], ponieważ był łatwy i tani”, powiedział Glace.
Zespół kupił 68 prętów wzmocnionych włóknem węglowym 6 (PA6) z węgla SGL (Meitingen, Niemcy) do stosowania jako więzi. „Aby przetestować tę koncepcję, nie wykonaliśmy żadnego formowania”, mówi Gleiss, „ale po prostu włożyliśmy przekładki do drukowanej ramy o strukturze plastra miodu i przykleiliśmy je epoksydą. To następnie stanowi trzpień do uzwojenia zbiornika. ” Zauważa, że chociaż te pręty są stosunkowo łatwe do wiatru, istnieją pewne istotne problemy, które zostaną opisane później.
„Na pierwszym etapie naszym celem było wykazanie produkcji projektu i identyfikacja problemów w koncepcji produkcji”, wyjaśnił Gleiss. „Tak więc rozpórki napięcia wystają z zewnętrznej powierzchni struktury szkieletowej i przymocujemy włókna węglowe do tego rdzenia za pomocą uzwojenia mokrego włókna. Następnie, w trzecim kroku, zginamy głowę każdego pręta. Termoplastyczne, więc po prostu używamy ciepła, aby przekształcić głowę, aby spłaszczyła się i blokowała w pierwszej warstwie owijania. Następnie ponownie owijamy konstrukcję, aby płaska głowica pchnięcia była geometrycznie zamknięta w zbiorniku. laminat na ścianach.
Czapka dystansowa do uzwojenia. Tum używa plastikowych czapek na końcach prętów napięcia, aby zapobiec zaplątaniu się włókien podczas uzwojenia włókien. Kredyt obrazu: Technical University of Monachium LCC.
Glace powtórzył, że ten pierwszy czołg był dowodem koncepcji. „Zastosowanie drukowania 3D i kleju było tylko do wstępnych testów i dało nam wyobrażenie o kilku problemach, które napotkaliśmy. Na przykład podczas uzwojenia włókna zostały złapane przez końce prętów napięcia, powodując pękanie włókien, uszkodzenie błonnika i zmniejszając ilość włókna, aby przeciwdziałać temu. Zastosowaliśmy kilka plastikowych czapek jako pomoce produkcyjne, które zostały umieszczone na słupach przed pierwszym krokiem do uzwojenia. Następnie, gdy wykonano wewnętrzne laminaty, usunęliśmy te ochronne czapki i przekształciliśmy końce biegunów przed końcowym opakowaniem. ”
Zespół eksperymentował z różnymi scenariuszami rekonstrukcji. „Ci, którzy rozglądają się wokół, pracują najlepiej” - mówi Grace. „Ponadto, podczas fazy prototypowania, użyliśmy zmodyfikowanego narzędzia spawania do zastosowania ciepła i przekształcenia końców prętów. W koncepcji masowej produkcji miałbyś jedno większe narzędzie, które może jednocześnie kształtować i tworzyć wszystkie końce rozpórków w laminat wykończenia wewnętrznego. . "
Drawarowe głowy przekształciły się. Tum eksperymentował z różnymi pojęciami i zmodyfikował spoiny, aby wyrównać końce powiązań kompozytowych do przymocowania do laminatu ściany zbiornika. Kredyt obrazu: „Opracowanie procesu produkcyjnego dla naczyń ciśnieniowych sześciennych z bramacją”, Technical University of Monachium, Polymers4hydrogen Project, ECCM20, czerwiec 2022.
W ten sposób laminat jest utwardzany po pierwszym etapie uzwojenia, słupki są przekształcane, tum uzupełnia drugie uzwojenie włókien, a następnie laminat ściany zbiornika zewnętrznego jest utwardzany po raz drugi. Należy pamiętać, że jest to projekt zbiornika typu 5, co oznacza, że nie ma plastikowej wkładki jako bariery gazowej. Zobacz dyskusję w następnej sekcji poniżej.
„Przekroczyliśmy pierwsze demo na przekrojowe odcinki i zmapowaliśmy połączony obszar” - powiedział Glace. „Zbliżenie pokazuje, że mieliśmy pewne problemy z laminatem, a głowice rozpórki nie leżały płasko na laminatu wewnętrznym”.
Rozwiązywanie problemów z lukami między laminatem wewnętrznych i zewnętrznych ścian zbiornika. Zmodyfikowana głowica pręta krawata tworzy lukę między pierwszym a drugim zakrętem zbiornika eksperymentalnego. Kredyt obrazu: Technical University of Monachium LCC.
Ten początkowy zbiornik 450 x 290 x 80 mm został ukończony zeszłego lata. „Od tego czasu poczyniliśmy wiele postępów, ale nadal mamy lukę między laminatem wnętrza i zewnętrznym” - powiedział Glace. „Próbowaliśmy więc wypełnić te luki czystą, wysokową żywicą. To faktycznie poprawia połączenie między kołkami a laminatem, co znacznie zwiększa naprężenie mechaniczne. ”
Zespół kontynuował opracowywanie projektowania i procesu zbiornika, w tym rozwiązania dla pożądanego wzoru uzwojenia. „Boki zbiornika testowego nie były w pełni zwinięte, ponieważ tej geometrii trudno było stworzyć krętą ścieżkę” - wyjaśnił Glace. „Nasz początkowy kąt uzwojenia wynosił 75 °, ale wiedzieliśmy, że potrzebne było wiele obwodów, aby spełnić obciążenie tego naczynia ciśnieniowego. Nadal szukamy rozwiązania tego problemu, ale nie jest to łatwe w przypadku oprogramowania obecnie na rynku. Może stać się projektem uzupełniającym.
„Wykazaliśmy wykonalność tej koncepcji produkcyjnej”, mówi Gleiss, „ale musimy dalej pracować, aby poprawić związek między laminatem i przekształcić pręty. „Testy zewnętrzne na komputerze testującym. Wyciągasz przekładki z laminatu i testujesz obciążenia mechaniczne, które te połączenia mogą wytrzymać. ”
Ta część projektu Polymers4hydrogen zostanie zakończona pod koniec 2023 r., Kiedy to Gleis ma nadzieję ukończyć drugi zbiornik demonstracyjny. Co ciekawe, projekty używają dziś schludnych wzmocnionych termoplastów w kompozytach ramowych i termosetowych w ścianach zbiornika. Czy to podejście hybrydowe zostanie zastosowane w końcowym zbiorniku demonstracyjnym? „Tak”, powiedziała Grace. „Nasi partnerzy w projekcie polimers4hydrogen opracowują żywice epoksydowe i inne materiały macierzy kompozytowe o lepszych właściwościach bariery wodorowej”. Wymienia dwóch partnerów pracujących nad tą pracą, PCCL i University of Tampere (Tampere, Finlandia).
Gleiss i jej zespół również wymienili informacje i omawiali pomysły z Jaegerem na temat drugiego projektu Hydden z kompozytowego zbiornika LCC.
„Będziemy wytwarzać kompozytowy naczynie ciśnieniowe dla dronów badawczych”, mówi Jaeger. „Jest to współpraca między dwoma działami lotniczej i geodezyjnej Departamentu Tum - LCC i Departamentem Technologii Helikopterów (HT). Projekt zostanie zakończony do końca 2024 r., A obecnie kończymy naczynie ciśnieniowe. Projekt, który jest raczej podejściem lotniczym i motoryzacyjnym. Po tym początkowym etapie koncepcji następnym krokiem jest wykonanie szczegółowego modelowania strukturalnego i przewidywanie wydajności barierowej struktury ściany. ”
„Cały pomysł polega na opracowaniu drona eksploracyjnego z hybrydowym systemem napędu paliwowego i baterii” - kontynuował. Użyje akumulatora podczas dużych obciążeń (tj. Start i lądowanie), a następnie przełączy się do ogniwa paliwowego podczas lekkiego przelotu. „Zespół HT miał już drona badawczego i przeprojektował układ napędowy do korzystania zarówno z akumulatorów, jak i ogniw paliwowych” - powiedział Yeager. „Kupili również zbiornik CGH2, aby przetestować tę skrzynię biegów”.
„Mój zespół miał za zadanie zbudować prototyp zbiornika ciśnieniowego, który pasowałby, ale nie z powodu problemów opakowania, które stworzyłby cylindryczny zbiornik” - wyjaśnia. „Pochłonięty zbiornik nie oferuje tak dużego odporności na wiatr. Więc uzyskasz lepszą wydajność lotu ”. Wymiary zbiornika ok. 830 x 350 x 173 mm.
W pełni zbiornik zgodny z termoplastycznym AFP. W przypadku projektu Hydden zespół LCC w TUM początkowo zbadał podobne podejście do stosowanego przez GLACE (powyżej), ale następnie przeniósł się do podejścia przy użyciu kombinacji kilku modułów strukturalnych, które następnie wykorzystano za pomocą AFP (poniżej). Kredyt obrazu: Technical University of Monachium LCC.
„Jeden pomysł jest podobny do podejścia Elisabeth [Gleiss]”, mówi Yager, „aby zastosować szelki napięcia do ściany naczynia, aby zrekompensować siły o wysokim zginaniu. Jednak zamiast używać procesu uzwojenia do wykonania zbiornika, używamy AFP. Dlatego pomyśleliśmy o utworzeniu oddzielnego odcinka naczynia ciśnieniowego, w którym stojaki są już zintegrowane. Takie podejście pozwoliło mi połączyć kilka z tych zintegrowanych modułów, a następnie nałożyć czapkę końcową, aby uszczelnić wszystko przed końcowym uzwojeniem AFP. ”
„Staramy się sfinalizować taką koncepcję”, kontynuował, „a także rozpocząć testowanie wyboru materiałów, co jest bardzo ważne, aby zapewnić niezbędny odporność na penetrację gazu H2. W tym celu używamy głównie materiałów termoplastycznych i pracujemy nad różnymi, w jaki sposób materiał wpłynie na zachowanie i przetwarzanie przetwarzania w maszynie AFP. Ważne jest, aby zrozumieć, czy leczenie będzie miało efekt i czy wymagane jest jakiekolwiek przetwarzanie. Chcemy również wiedzieć, czy różne stosy wpłyną na przenikanie wodoru przez naczynie ciśnieniowe. ”
Zbiornik będzie całkowicie wykonany z termoplastycznych, a paski będą dostarczane przez Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Niemcy). „Będziemy używać ich PPS [siarczek polifenylenowy], PEEK [polieter keton] i materiały LM Paek [niskie topnienie wieloosobowe]” - powiedział Yager. „Następnie dokonuje się porównań, aby zobaczyć, który z nich jest najlepszy do ochrony penetracji i produkcji części o lepszej wydajności”. Ma nadzieję zakończyć modelowanie testów, strukturalne i procesowe oraz pierwsze demonstracje w ciągu następnego roku.
Prace badawcze przeprowadzono w module kometowym „Polimers4hydrogen” (ID 21647053) w ramach programu Federalnego Ministerstwa Klimatu, Środowiska, Energii, Mobilności, Innowacji i Technologii Federalnej Ministerstwa Technologii i Ekonomii Cyfrowej. . Autorzy dziękują partnerom Partners Centerence Centence Leoben GmbH (PCCL, Austria), Montanuniversitaet Leoben (Wydział Inżynierii Polimerowej, Departament Chemii Materiałów Polimerowych, Department of Material Science and Polymer Testing), University of Tampere (Wydział Inżynierii (Wydział inżynierii inżynierii (Wydział inżynierii inżynierii Przybory). ) Science), Peak Technology i Faurecia przyczyniły się do tych prac badawczych. Comet-Modul jest finansowany przez rząd Austrii i rząd stanu Styrii.
Wstępnie wzmocnione arkusze dla struktur obciążenia zawierają ciągłe włókna-nie tylko ze szkła, ale także z węgla i aramidy.
Istnieje wiele sposobów tworzenia części kompozytowych. Dlatego wybór metody dla określonej części będzie zależeć od materiału, konstrukcji części oraz zastosowania końcowego lub zastosowania. Oto przewodnik wyboru.
Shocker Composites i R&M International opracowują łańcuch dostaw z włókna węglowego z recyklingu, który zapewnia zerową rzeź, niższy koszt niż włókno dziewicze i ostatecznie oferuje długości, które zbliżają się do włókna ciągłego w właściwościach strukturalnych.
Czas po: 15-2023