Os tanques de plataforma plana padrão para BEVs e FCEVs usam compósitos termoplásticos e termofixos com uma construção em esqueleto que fornece 25% mais armazenamento de H2. #hidrogênio #tendências
Depois de uma colaboração com a BMW ter demonstrado que um depósito cúbico poderia proporcionar maior eficiência volumétrica do que vários cilindros pequenos, a Universidade Técnica de Munique embarcou num projeto para desenvolver uma estrutura composta e um processo de fabrico escalável para produção em série. Crédito da imagem: TU Dresden (acima) à esquerda), Universidade Técnica de Munique, Departamento de Compósitos de Carbono (LCC)
Os veículos elétricos de célula de combustível (FCEVs) movidos a hidrogénio com emissão zero (H2) fornecem meios adicionais para atingir metas ambientais zero. Um carro de passageiros com célula de combustível com motor H2 pode ser abastecido em 5 a 7 minutos e tem autonomia de 500 km, mas atualmente é mais caro devido aos baixos volumes de produção. Uma forma de reduzir custos é utilizar uma plataforma padrão para modelos BEV e FCEV. Atualmente, isso não é possível porque os tanques cilíndricos Tipo 4 usados para armazenar gás H2 comprimido (CGH2) a 700 bar em FCEVs não são adequados para os compartimentos de bateria inferiores que foram cuidadosamente projetados para veículos elétricos. No entanto, recipientes de pressão na forma de almofadas e cubos podem caber neste espaço de embalagem plano.
Patente US5577630A para “Vaso de pressão conformado composto”, pedido depositado pela Thiokol Corp. em 1995 (esquerda) e o vaso de pressão retangular patenteado pela BMW em 2009 (direita).
O Departamento de Compósitos de Carbono (LCC) da Universidade Técnica de Munique (TUM, Munique, Alemanha) está envolvido em dois projetos para desenvolver este conceito. O primeiro é Polymers4Hydrogen (P4H), liderado pelo Leoben Polymer Competence Center (PCCL, Leoben, Áustria). O pacote de trabalho do LCC é liderado pela Fellow 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 pretendem criar uma demonstração em larga escala do processo de fabricação para fazer um tanque CGH2 adequado usando compósitos de fibra de carbono.
A eficiência volumétrica é limitada quando cilindros de pequeno diâmetro são instalados em células de bateria planas (esquerda) e vasos de pressão cúbicos tipo 2 feitos de revestimentos de aço e um revestimento externo de fibra de carbono/composto epóxi (direita). Fonte da imagem: As Figuras 3 e 6 são de “Abordagem de Projeto Numérico para Vaso de Caixa de Pressão Tipo II com Pernas de Tensão Interna” por Ruf e Zaremba et al.
A P4H fabricou um tanque cubo experimental que utiliza uma estrutura termoplástica com tiras/suportes de tensão compostos envoltos em epóxi reforçado com fibra de carbono. A HyDDen usará um projeto semelhante, mas usará a disposição automática de fibras (AFP) para fabricar todos os tanques compostos termoplásticos.
De um pedido de patente da Thiokol Corp. para “Vaso de pressão conformado composto” em 1995 até a patente alemã DE19749950C2 em 1997, os vasos de gás comprimido “podem ter qualquer configuração geométrica”, mas especialmente formas planas e irregulares, em uma cavidade conectada ao suporte do invólucro . elementos são utilizados para que possam suportar a força de expansão do gás.
Um artigo de 2006 do Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) descreve três abordagens: um vaso de pressão conformado enrolado em filamento, um vaso de pressão microrrede contendo uma estrutura de rede ortorrômbica interna (pequenas células de 2 cm ou menos), cercada por um recipiente H2 de parede fina, e um recipiente replicador, constituído por uma estrutura interna constituída por pequenas peças coladas (por exemplo, anéis de plástico hexagonais) e uma composição de fina camada externa. Recipientes duplicados são mais adequados para recipientes maiores, onde os métodos tradicionais podem ser difíceis de aplicar.
A patente DE102009057170A depositada pela Volkswagen em 2009 descreve um vaso de pressão montado em veículo que proporcionará alta eficiência de peso e, ao mesmo tempo, melhorará 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 “Process Development for Cubic Pressure Vessels with Stretch Bars” de Gleiss et al. no ECCM20 (26 a 30 de junho de 2022, Lausanne, Suíça). Neste artigo, ela cita um estudo da TUM publicado por Michael Roof e Sven Zaremba, que descobriu que um vaso de pressão cúbico com suportes de tensão conectando lados retangulares é mais eficiente do que vários pequenos cilindros que cabem no espaço de uma bateria descarregada, fornecendo aproximadamente 25 % mais. espaço de armazenamento.
Segundo Gleiss, o problema de instalar um grande número de pequenos cilindros tipo 4 em uma caixa plana 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 geral, o sistema oferece menos capacidade de armazenamento do que os potes cúbicos.”
No entanto, existem outros problemas com o desenho cúbico do tanque. “Obviamente, por causa do gás comprimido, é necessário neutralizar as forças de flexão nas paredes planas”, disse Gleiss. “Para isso, é necessária uma estrutura reforçada que se conecte internamente às paredes do tanque. Mas isso é difícil de fazer com compósitos.”
Glace e sua equipe tentaram incorporar barras de tensão de reforço no recipiente de pressão de uma forma que fosse 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 sinuoso das paredes do contêiner para otimizar a orientação das fibras para cada carga na zona”.
Quatro etapas para fazer um tanque composto cúbico experimental para o projeto P4H. Crédito da imagem: “Desenvolvimento de um processo de produção para vasos de pressão cúbicos com cinta”, Universidade Técnica de Munique, projeto Polymers4Hydrogen, ECCM20, junho de 2022.
Para chegar à rede, a equipe desenvolveu um novo conceito composto por quatro etapas principais, conforme mostrado acima. As escoras tensoras, mostradas em preto nos degraus, são uma estrutura pré-fabricada fabricada usando métodos retirados do projeto MAI Skelett. Para este projeto, a BMW desenvolveu uma “estrutura” de moldura de pára-brisa usando quatro hastes de pultrusão reforçadas com fibra, que foram então moldadas em uma moldura de plástico.
A estrutura de um tanque cúbico experimental. Seções esqueléticas hexagonais impressas em 3D pela TUM usando filamento PLA não reforçado (parte superior), inserindo hastes de pultrusão CF/PA6 como suportes de tensão (meio) e, em seguida, enrolando o filamento em torno dos suportes (parte inferior). Crédito da imagem: Universidade Técnica de Munique LCC.
“A ideia 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, as escoras de tensão são colocadas nos módulos da estrutura e, em seguida, o método MAI Skelett é usado ao redor das escoras para integrá-las às peças da estrutura.” método de produção em massa, resultando em uma estrutura que é então usada como mandril ou núcleo para envolver o invólucro compósito do tanque de armazenamento.
A 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 da qual as amarras podem ser inseridas e fixadas. Os furos para esses racks também foram impressos em 3D. “Para nosso tanque experimental inicial, imprimimos seções de estrutura hexagonal em 3D usando ácido polilático [PLA, um termoplástico de base biológica] porque era fácil e barato”, disse Glace.
A equipe comprou 68 hastes pultrudadas de poliamida 6 (PA6) reforçadas com fibra de carbono da SGL Carbon (Meitingen, Alemanha) para uso como amarrações. “Para testar o conceito, não fizemos nenhuma moldagem”, diz Gleiss, “mas simplesmente inserimos espaçadores em uma estrutura central em favo de mel impressa em 3D e os colamos com cola epóxi. Isso então fornece um mandril para enrolar o tanque.” Ela observa que embora essas varas sejam relativamente fáceis de enrolar, existem alguns problemas significativos que serão descritos mais tarde.
“Na primeira etapa, nosso objetivo era demonstrar a capacidade de fabricação do projeto e identificar problemas no conceito de produção”, explicou Gleiss. “Assim, os suportes de tensão se projetam da superfície externa da estrutura esquelética e prendemos as fibras de carbono a esse núcleo usando enrolamento de filamento úmido. Depois disso, na terceira etapa, dobramos a cabeça de cada tirante. termoplástico, então usamos apenas calor para remodelar a cabeça para que ela fique achatada e prenda na primeira camada do invólucro. Em seguida, procedemos ao enrolamento da estrutura novamente para que a cabeça de impulso plana fique geometricamente encerrada dentro do tanque. laminado nas paredes.
Tampa espaçadora para enrolamento. A TUM utiliza tampas plásticas nas extremidades das hastes tensoras para evitar que as fibras se enrosquem durante o enrolamento do filamento. Crédito da imagem: Universidade Técnica de Munique LCC.
Glace reiterou que este primeiro tanque foi uma prova de conceito. “O uso de impressão 3D e cola serviu apenas para testes iniciais e nos deu uma ideia de alguns dos problemas que encontramos. Por exemplo, durante o enrolamento, os filamentos ficaram presos nas extremidades das hastes de tensão, causando quebra da fibra, danos à fibra e reduzindo a quantidade de fibra para combater isso. usamos algumas tampas plásticas como auxiliares de fabricação que foram colocadas nos postes antes da primeira etapa de enrolamento. Depois, quando os laminados internos foram feitos, removemos essas tampas protetoras e remodelamos as extremidades dos postes antes do embrulho final.”
A equipe experimentou vários cenários de reconstrução. “Aqueles que olham em volta trabalham melhor”, diz Grace. “Além disso, durante a fase de prototipagem, usamos uma ferramenta de soldagem modificada para aplicar calor e remodelar as extremidades dos tirantes. Em um conceito de produção em massa, você teria uma ferramenta maior que pode moldar e transformar todas as extremidades dos suportes em um laminado de acabamento interno ao mesmo tempo. . ”
Cabeças da barra de tração remodeladas. A TUM experimentou diferentes conceitos e modificou as soldas para alinhar as extremidades das amarrações compostas para fixação ao laminado da parede do tanque. Crédito da imagem: “Desenvolvimento de um processo de produção para vasos de pressão cúbicos com cinta”, Universidade Técnica de Munique, projeto Polymers4Hydrogen, ECCM20, junho de 2022.
Assim, o laminado é curado após a primeira etapa de enrolamento, os postes são remodelados, o TUM completa o segundo enrolamento dos filamentos e então o laminado da parede externa do tanque é curado uma segunda vez. Observe que este é um projeto de tanque tipo 5, o que significa que não possui um revestimento de plástico como barreira de gás. Veja a discussão na seção Próximas 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 dos suportes não assentadas no laminado interno.”
Resolvendo problemas de vãos entre o laminado das paredes interna e externa do tanque. A cabeça do tirante modificada cria uma lacuna entre a primeira e a segunda voltas do tanque experimental. Crédito da imagem: Universidade Técnica de Munique LCC.
Este tanque inicial de 450 x 290 x 80 mm foi concluído no verão passado. “Fizemos muito progresso desde então, mas ainda temos uma lacuna entre o laminado interno e externo”, disse Glace. “Então tentamos preencher essas lacunas com uma resina limpa e de alta viscosidade. Na verdade, isso melhora a conexão entre os pinos e o laminado, o que aumenta muito o estresse mecânico.”
A equipe continuou a desenvolver o projeto e o processo do tanque, incluindo soluções para o padrão de enrolamento desejado. “As laterais do tanque de teste não estavam totalmente curvadas porque era difícil para esta geometria criar um caminho sinuoso”, explicou Glace. “Nosso ângulo de enrolamento inicial era de 75°, mas sabíamos que seriam necessários vários circuitos para atender à carga neste vaso de pressão. Ainda procuramos uma solução para este problema, mas não é fácil com os softwares que existem atualmente no mercado. Pode se tornar um projeto de acompanhamento.
“Demonstramos a viabilidade deste conceito de produção”, diz Gleiss, “mas precisamos trabalhar mais para melhorar a ligação entre o laminado e remodelar os tirantes. “Testes externos em uma máquina de testes. Você retira os espaçadores do laminado e testa as cargas mecânicas que essas juntas podem suportar.”
Esta parte do projeto Polymers4Hydrogen será concluída no final de 2023, quando Gleis espera concluir o segundo tanque de demonstração. Curiosamente, os projetos atuais usam termoplásticos reforçados na estrutura e compósitos termofixos nas paredes do tanque. Esta abordagem híbrida será usada no tanque de demonstração final? “Sim”, disse Grace. “Nossos parceiros no projeto Polymers4Hydrogen estão desenvolvendo resinas epóxi e outros materiais de matriz composta com melhores propriedades de barreira ao hidrogênio.” Ela lista dois parceiros que trabalham neste trabalho, o PCCL e a Universidade de Tampere (Tampere, Finlândia).
Gleiss e sua equipe também trocaram informações e discutiram ideias com Jaeger sobre o segundo projeto HyDDen do tanque composto conformal LCC.
“Estaremos produzindo um recipiente de pressão composto conformado para drones de pesquisa”, diz Jaeger. “Esta é uma colaboração entre os dois departamentos do Departamento Aeroespacial e Geodésico da TUM – LCC e o Departamento de Tecnologia de Helicópteros (HT). O projeto será concluído até o final de 2024 e atualmente estamos concluindo o vaso de pressão. um design que é mais uma abordagem aeroespacial e automotiva. Após esta fase inicial de conceito, o próximo passo é realizar a modelagem estrutural detalhada e prever o desempenho da barreira da estrutura da parede.”
“A ideia é desenvolver um drone exploratório com célula de combustível híbrida e sistema de propulsão por bateria”, continuou ele. Ele usará a bateria durante cargas de alta potência (ou seja, decolagem e pouso) e depois mudará para a célula de combustível durante cruzeiros com 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 foi encarregada de construir um protótipo de tanque de pressão que servisse, 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. Assim você obtém melhor desempenho de voo.” Dimensões do tanque aprox. 830x350x173mm.
Tanque totalmente termoplástico compatível com AFP. Para o projeto HyDDen, a equipe LCC da 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 então usados em demasia usando AFP (abaixo). Crédito da imagem: Universidade Técnica de Munique LCC.
“Uma ideia é semelhante à abordagem de Elisabeth [Gleiss]”, diz Yager, “de aplicar suportes de tensão à parede do vaso para compensar as elevadas forças de flexão. Porém, em vez de usar um processo de enrolamento para fazer o tanque, usamos AFP. Por isso, pensamos em criar uma seção separada do vaso de pressão, na qual os racks já estão integrados. Essa abordagem me permitiu combinar vários desses módulos integrados e depois aplicar uma tampa para selar tudo antes do enrolamento AFP final.”
“Estamos a tentar finalizar esse conceito”, continuou, “e também começar a testar a seleção dos materiais, o que é muito importante para garantir a resistência necessária à penetração do gás H2. Para isso, usamos principalmente materiais termoplásticos e estamos trabalhando em como o material afetará esse comportamento de permeação e processamento na máquina AFP. É importante entender se o tratamento terá efeito e se é necessário algum pós-processamento. Também queremos saber se diferentes pilhas afetarão a permeação do hidrogênio 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 PPS [sulfeto de polifenileno], PEEK [poliéter cetona] e LM PAEK [poliaril cetona de baixo ponto de fusão]”, disse Yager. “São então feitas comparações para ver qual é o melhor para proteção contra penetração e produção de peças com melhor desempenho.” Ele espera concluir os testes, a modelagem estrutural e de processos e as primeiras demonstrações no próximo ano.
O trabalho de investigação foi realizado no âmbito do módulo COMET “Polymers4Hydrogen” (ID 21647053) no âmbito do programa COMET do Ministério Federal das Alterações Climáticas, Ambiente, Energia, Mobilidade, Inovação e Tecnologia e do Ministério Federal da Tecnologia Digital e Economia. . Os autores agradecem aos parceiros participantes Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL, Áustria), Montanuniversitaet Leoben (Faculdade de Engenharia e Ciência de Polímeros, Departamento de Química de Materiais Poliméricos, Departamento de Ciência de Materiais e Testes de Polímeros), Universidade de Tampere (Faculdade de Engenharia Materiais). ) 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 Estíria.
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Horário da postagem: 15 de março de 2023