Os tanques padrão de plataforma plana para BEVs e FCEVs usam compósitos termoplásticos e termofônicos com uma construção de esqueleto que fornece 25% mais de armazenamento H2. #Hydrogen #Trends
Após uma colaboração com a BMW, mostrou que um tanque cúbico poderia proporcionar maior eficiência volumétrica do que vários pequenos cilindros, a Universidade Técnica de Munique embarcou em um projeto para desenvolver uma estrutura composta e um processo de fabricação escalável para produção em série. Crédito da imagem: Tu Dresden (em cima) à esquerda), Universidade Técnica de Munique, Departamento de Compósitos de Carbono (LCC)
Os veículos elétricos de células de combustível (FCEVs) alimentados por hidrogênio em emissão zero (H2) fornecem meios adicionais para atingir zero metas ambientais. Um carro de passageiro de células de combustível com um motor H2 pode ser preenchido em 5-7 minutos e possui um alcance de 500 km, mas atualmente é mais caro devido a baixos volumes de produção. Uma maneira de reduzir custos é usar uma plataforma padrão para modelos BEV e FCEV. Atualmente, isso não é possível porque os tanques cilíndricos do Tipo 4 usados para armazenar gás H2 comprimido (CGH2) a 700 bar nos FCEVs não são adequados para os compartimentos da bateria subterrâneos que foram cuidadosamente projetados para veículos elétricos. No entanto, os vasos de pressão na forma de travesseiros e cubos podem se encaixar nesse espaço de embalagem plana.
Patente US5577630A Para “vaso de pressão conformal composto”, aplicação arquivada pela Thiokol Corp. em 1995 (esquerda) e o vaso de pressão retangular patenteado pela BMW em 2009 (à direita).
O Departamento de Compósitos de Carbono (LCC) da Universidade Técnica de Munique (Tum, Munique, Alemanha) está envolvida em dois projetos para desenvolver esse conceito. O primeiro é o Polymers4 -hidrogênio (P4H), liderado pelo Leoben Polymer Competence Center (PCCL, Leoben, Áustria). O pacote de trabalho da LCC é liderado pelo colega Elizabeth Glace.
O segundo projeto é o ambiente de demonstração e desenvolvimento de hidrogênio (Hydden), onde o LCC é liderado pelo pesquisador Christian Jaeger. Ambos visam criar uma demonstração em larga escala do processo de fabricação para criar um tanque CGH2 adequado usando compósitos de fibra de carbono.
Há eficiência volumétrica limitada quando os cilindros de pequeno diâmetro são instalados em células de bateria plana (esquerda) e vasos de pressão de tipo 2 cúbicos feitos de revestimentos de aço e uma concha externa composta de fibra de carbono/epóxi (direita). Fonte da imagem: As Figuras 3 e 6 são da “Abordagem de projeto numérico para o vaso da caixa de pressão do tipo II com pernas de tensão interna” de RUF e Zaremba et al.
O P4H fabricou um tanque de cubo experimental que utiliza uma estrutura termoplástica com tiras de tensão composta/suportes envoltos em epóxi reforçado com fibra de carbono. A Hydden usará um design semelhante, mas usará a Layup de fibra automática (AFP) para fabricar todos os tanques compostos termoplásticos.
De uma aplicação de patente da Thiokol Corp. a "vaso de pressão conformal composto" em 1995 à patente alemã de19749950c2 em 1997, os vasos de gás compactados "podem ter qualquer configuração geométrica", mas especialmente formas irregulares e irregulares, em uma cavidade ligada ao apoio da concha. Os elementos são usados para que possam suportar a força da expansão do gás.
A 2006 Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) paper describes three approaches: a filament wound conformal pressure vessel, a microlattice pressure vessel containing an internal orthorhombic lattice structure (small cells of 2 cm or less), surrounded by a thin-walled H2 container, and a replicator container, consisting of an internal structure consisting of glued small parts (eg, hexagonal plastic anéis) e uma composição da pele fina de casca externa. Os contêineres duplicados são mais adequados para recipientes maiores, onde podem ser difíceis de aplicar métodos tradicionais.
Patente DE102009057170A arquivado pela Volkswagen em 2009 descreve um vaso de pressão montado no veículo que fornecerá alta eficiência de peso ao melhorar a utilização do espaço. Os tanques retangulares usam conectores de tensão entre duas paredes retangulares opostas, e os cantos são arredondados.
Os conceitos acima e outros são citados por Gleiss no artigo “Desenvolvimento do processo para vasos de pressão cúbicos com barras de alongamento” de Gleiss et al. em ECCM20 (26 a 30 de junho de 2022, Lausanne, Suíça). Neste artigo, ela cita um estudo de tum publicado por Michael Roof e Sven Zaremba, que descobriu que um vaso de pressão cúbico com suportes de tensão que conecta lados retangulares é mais eficiente do que vários pequenos cilindros que se encaixam no espaço de uma bateria plana, fornecendo aproximadamente 25% a mais. espaço de armazenamento.
De acordo com o GLEISS, o problema de instalar um grande número de cilindros pequenos tipo 4 em um caso plano é que “o volume entre os cilindros é bastante reduzido e o sistema também possui uma superfície de permeação de gás H2 muito grande.
No entanto, existem outros problemas com o design cúbico do tanque. "Obviamente, devido ao gás comprimido, você precisa neutralizar as forças de flexão nas paredes planas", disse Gleiss. "Para isso, você precisa de uma estrutura reforçada que se conecte internamente às paredes do tanque.
Glace e sua equipe tentaram incorporar barras de tensão de reforço no vaso de pressão de uma maneira que seria adequada para o processo de enrolamento do filamento. "Isso é importante para a produção de alto volume", explica ela, "e também nos permite projetar o padrão de enrolamento das paredes do contêiner para otimizar a orientação da fibra para cada carga na zona".
Quatro etapas para fazer um tanque composto cúbico de teste para o projeto P4H. Crédito da imagem: “Desenvolvimento de um processo de produção para embarcações de pressão cúbica com suporte”, Universidade Técnica de Munique, Projeto Polímeros4 -Hidrogênio, ECCM20, junho de 2022.
Para alcançar na cadeia, a equipe desenvolveu um novo conceito que consiste em quatro etapas principais, como mostrado acima. Os suportes de tensão, mostrados em preto nas etapas, são uma estrutura de quadros pré -fabricada fabricada usando métodos retirados do projeto Mai Skelett. Para este projeto, a BMW desenvolveu uma “estrutura” da estrutura do para-brisa usando quatro hastes de pultrusão reforçadas com fibra, que foram moldadas em uma estrutura de plástico.
A estrutura de um tanque cúbico experimental. Seções esqueléticas hexagonais 3D Impresso por tum usando filamento de PLA não reforçado (em cima), inserindo hastes de pultrusão CF/PA6 como aparelho de tensão (meio) e envolvendo o filamento ao redor dos aparelhos (inferior). Crédito da imagem: Universidade Técnica de Munique LCC.
"A idéia é que você possa construir a estrutura de um tanque cúbico como uma estrutura modular", disse Glace. "Esses módulos são então colocados em uma ferramenta de moldagem, os suportes de tensão são colocados nos módulos de quadros e, em seguida, o método de Mai Skelett é usado em torno dos struts para integrá -los às partes da estrutura". Método de produção em massa, resultando em uma estrutura que é usada como um mandril ou núcleo para embrulhar a concha composta do tanque de armazenamento.
Tum projetou a estrutura do tanque como uma “almofada” cúbica com lados sólidos, cantos arredondados e um padrão hexagonal na parte superior e inferior através dos quais os laços podem ser inseridos e presos. Os orifícios para esses racks também foram impressos em 3D. "Para o nosso tanque experimental inicial, seções de estrutura hexagonal impressas em 3D usando ácido polilático [PLA, um termoplástico de base biológica] porque era fácil e barato", disse Glace.
A equipe comprou 68 hastes de poliamida reforçada com fibra de carbono pultrudadas 6 (PA6) da SGL Carbon (Meitingen, Alemanha) para uso como laços. “Para testar o conceito, não fizemos nenhuma moldagem”, diz Gleiss, “mas simplesmente inseriu espaçadores em uma moldura de favo de mel impressa em 3D e os colou com cola epóxi. Ela observa que, embora essas hastes sejam relativamente fáceis de vento, existem alguns problemas significativos que serão descritos posteriormente.
"Na primeira etapa, nosso objetivo era demonstrar a fabricação do design e identificar problemas no conceito de produção", explicou Gleiss. “Assim, as suportes de tensão se projetam da superfície externa da estrutura esquelética, e prendemos as fibras de carbono a esse núcleo usando o enrolamento do filamento úmido. tanque.
Tampa do espaçador para enrolamento. O TUM usa tampas de plástico nas extremidades das hastes de tensão para impedir que as fibras emaranhem durante o enrolamento do filamento. Crédito da imagem: Universidade Técnica de Munique LCC.
Glace reiterou que esse primeiro tanque era uma prova de conceito. “O uso de impressão e cola 3D foi apenas para testes iniciais e nos deu uma idéia de alguns dos problemas que encontramos. Feito, removemos essas tampas de proteção e reformulamos as extremidades dos pólos antes de embalagem final. ”
A equipe experimentou vários cenários de reconstrução. "Aqueles que olham ao redor funcionam melhor", diz Grace. “Além disso, durante a fase de prototipagem, usamos uma ferramenta de soldagem modificada para aplicar o calor e remodelar as extremidades da haste.
Cabeças de barra de tração remodeladas. Tum experimentou conceitos diferentes e modificou as soldas para alinhar as extremidades dos laços compostos para se apegar ao laminado da parede do tanque. Crédito da imagem: “Desenvolvimento de um processo de produção para embarcações de pressão cúbica com suporte”, Universidade Técnica de Munique, Projeto Polímeros4 -Hidrogênio, ECCM20, junho de 2022.
Assim, o laminado é curado após a primeira etapa do enrolamento, os postes são reformulados, o tum completa o segundo enrolamento dos filamentos e, em seguida, o laminado da parede do tanque externo é curado pela segunda vez. Observe que este é um design do tanque tipo 5, o que significa que ele não possui um revestimento de plástico como uma barreira a gás. Veja a discussão na próxima seção de etapas abaixo.
"Cortamos a primeira demonstração em seções transversais e mapeamos a área conectada", disse Glace. "Um close-up mostra que tivemos alguns problemas de qualidade com o laminado, com as cabeças do suporte não deitadas no laminado interior".
Resolvendo problemas com lacunas entre o laminado das paredes internas e externas do tanque. A cabeça da haste do tize modificada cria uma lacuna entre o primeiro e o segundo turnos do tanque experimental. Crédito da imagem: Universidade Técnica de Munique LCC.
Este tanque inicial de 450 x 290 x 80mm foi concluído no verão passado. "Fizemos muito progresso desde então, mas ainda temos uma lacuna entre laminado interior e externo", disse Glace. "Então, tentamos preencher essas lacunas com uma resina de alta viscosidade limpa.
A equipe continuou a desenvolver o design e o processo de tanques, incluindo soluções para o padrão de enrolamento desejado. "Os lados do tanque de teste não estavam totalmente enrolados porque era difícil para essa geometria criar um caminho de enrolamento", explicou Glace. “Nosso ângulo de enrolamento inicial foi de 75 °, mas sabíamos que vários circuitos eram necessários para atender à carga nesse vaso de pressão.
“Demonstramos a viabilidade desse conceito de produção”, diz Gleiss, “mas precisamos trabalhar ainda mais para melhorar a conexão entre o laminado e remodelar os tizetas. Você puxa os espaçadores para fora do laminado e testar as cargas mecânicas que essas articulações podem suportar. ”
Esta parte do projeto Polymers4 -hidrogênio será concluída no final de 2023, quando Gleis espera concluir o segundo tanque de demonstração. Curiosamente, os projetos hoje usam termoplásticos reforçados e arrumados nos compósitos de quadros e termoforme nas paredes do tanque. Essa abordagem híbrida será usada no tanque de demonstração final? "Sim", disse Grace. "Nossos parceiros no projeto Polymers4 -hidrogênio estão desenvolvendo resinas epóxi e outros materiais da matriz composta com melhores propriedades de barreira de hidrogênio". Ela lista dois parceiros trabalhando neste trabalho, PCCL e da Universidade de Tampere (Tampere, Finlândia).
Gleiss e sua equipe também trocaram informações e discutiram idéias com Jaeger no segundo projeto Hydden do tanque composto conforme LCC.
"Estaremos produzindo um vaso de pressão composto conforme para os drones de pesquisa", diz Jaeger. “Esta é uma colaboração entre os dois departamentos do departamento aeroespacial e geodésico de TUM - LCC e o Departamento de Tecnologia de Helicóptero (HT).
"Toda a idéia é desenvolver um drone exploratório com uma célula de combustível híbrida e um sistema de propulsão de bateria", continuou ele. Ele usará a bateria durante cargas de alta potência (por exemplo, decolagem e pouso) e depois muda para a célula de combustível durante o cruzeiro de carga leve. "A equipe HT já tinha um drone de pesquisa e redesenhou o trem de força para usar baterias e células de combustível", disse Yeager. "Eles também compraram um tanque CGH2 para testar esta transmissão".
"Minha equipe teve a tarefa de criar um protótipo de tanque de pressão que se encaixaria, mas não por causa dos problemas de embalagem que um tanque cilíndrico criaria", explica ele. "Um tanque mais plano não oferece tanta resistência ao vento. Dimensões do tanque aprox. 830 x 350 x 173 mm.
Tanque compatível com AFP totalmente termoplásico. Para o projeto Hydden, a equipe do LCC no TUM explorou inicialmente uma abordagem semelhante à usada por Glace (acima), mas depois mudou para uma abordagem usando uma combinação de vários módulos estruturais, que foram usados em excesso usando AFP (abaixo). Crédito da imagem: Universidade Técnica de Munique LCC.
“Uma idéia é semelhante à abordagem de Elisabeth [Gleiss]”, diz Yager, “aplicar aparelhos de tensão à parede da embarcação para compensar as forças de curta duração. o enrolamento final da AFP. ”
“Estamos tentando finalizar esse conceito”, continuou ele, e também começam a testar a seleção de materiais, o que é muito importante para garantir a resistência necessária à penetração de gás H2. Permeação através do vaso de pressão. ”
O tanque será inteiramente feito de termoplástico e as tiras serão fornecidas pela Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Alemanha). "Usaremos seus materiais de PPS [polifenileno -sulfeto], Peek [poliéter cetona] e LM Paek [baixo derretimento de polyaril cetona]", disse Yager. "As comparações são feitas para ver qual é a melhor para proteção de penetração e produção de peças com melhor desempenho". Ele espera concluir testes, modelagem estrutural e de processos e primeiras demonstrações no próximo ano.
O trabalho de pesquisa foi realizado no módulo Comet “Polymers4 -hidrogênio” (ID 21647053) dentro do programa COMET do Ministério Federal para Mudanças Climáticas, Meio Ambiente, Energia, Mobilidade, Inovação e Tecnologia e Ministério Federal de Tecnologia Digital e Economia. . Os autores agradecem aos parceiros participantes do Centro de Competência de Polímeros Leoben GmbH (PCCL, Áustria), Montanuniversitaet Leoben (Faculdade de Engenharia de Polímeros e Ciência, Departamento de Química de Materiais Polímeros, Materiais de Ciência de Materiais e Testes de Polímeros), Universidade de Tampere (Faculty of Engineering Materials). ) Science), Peak Technology e Faurecia contribuíram para este trabalho de pesquisa. O Comet-Modul é financiado pelo governo da Áustria e pelo governo do Estado da Styria.
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Hora de postagem: mar-15-2023