Rezervoarele standard cu platformă plată pentru BEV și FCEV utilizează compozite termoplastice și termosecuri cu o construcție schelet care oferă cu 25% mai mult stocare de H2. #hidrogen #tendințe
După ce o colaborare cu BMW a arătat că un rezervor cubic ar putea oferi o eficiență volumetrică mai mare decât mai mulți cilindri mici, Universitatea Tehnică din München s-a angajat într-un proiect de dezvoltare a unei structuri compozite și a unui proces de fabricație scalabil pentru producția de serie. Credit imagine: TU Dresda (sus) stânga), Universitatea Tehnică din München, Departamentul de Compozite de Carbon (LCC)
Vehiculele electrice cu celule de combustibil (FCEV) alimentate cu hidrogen cu emisii zero (H2) oferă mijloace suplimentare pentru atingerea obiectivelor de mediu zero. O mașină de pasageri cu pile de combustie cu motor H2 poate fi umplută în 5-7 minute și are o autonomie de 500 km, dar este în prezent mai scumpă din cauza volumelor reduse de producție. O modalitate de a reduce costurile este utilizarea unei platforme standard pentru modelele BEV și FCEV. În prezent, acest lucru nu este posibil deoarece rezervoarele cilindrice de tip 4 utilizate pentru stocarea gazului H2 comprimat (CGH2) la 700 bar în FCEV nu sunt potrivite pentru compartimentele bateriei de sub caroserie care au fost proiectate cu atenție pentru vehiculele electrice. Cu toate acestea, vasele sub presiune sub formă de perne și cuburi pot încăpea în acest spațiu plat de ambalare.
Patent US5577630A pentru „Composite Conformal Pressure Vessel”, cerere depusă de Thiokol Corp. în 1995 (stânga) și recipientul sub presiune dreptunghiular brevetat de BMW în 2009 (dreapta).
Departamentul de Compozite de Carbon (LCC) al Universității Tehnice din München (TUM, München, Germania) este implicat în două proiecte pentru a dezvolta acest concept. Primul este Polymers4Hydrogen (P4H), condus de Leoben Polymer Competence Center (PCCL, Leoben, Austria). Pachetul de lucru LCC este condus de Fellow Elizabeth Glace.
Al doilea proiect este Hydrogen Demonstration and Development Environment (HyDDen), unde LCC este condus de cercetătorul Christian Jaeger. Ambele își propun să creeze o demonstrație la scară largă a procesului de fabricație pentru realizarea unui rezervor CGH2 adecvat folosind compozite din fibră de carbon.
Există o eficiență volumetrică limitată atunci când cilindri cu diametru mic sunt instalați în celule de baterie plate (stânga) și recipiente sub presiune cubice de tip 2 realizate din căptușeli de oțel și o carcasă exterioară din fibră de carbon/compozit epoxidic (dreapta). Sursa imaginii: Figurile 3 și 6 sunt din „Abordarea de proiectare numerică pentru recipient cu cutie de presiune de tip II cu picioare de tensiune internă” de Ruf și Zaremba și colab.
P4H a fabricat un rezervor cub experimental care folosește un cadru termoplastic cu curele de tensiune compozite/stuturi învelite în epoxid ranforsat cu fibră de carbon. HyDDen va folosi un design similar, dar va folosi stratul automat de fibre (AFP) pentru a fabrica toate rezervoarele din compozit termoplastic.
De la o cerere de brevet de către Thiokol Corp. la „Recipient de presiune conform compozit” în 1995 până la brevetul german DE19749950C2 în 1997, vasele cu gaz comprimat „pot avea orice configurație geometrică”, dar mai ales forme plate și neregulate, într-o cavitate conectată la suportul carcasei. . elementele sunt folosite astfel încât să poată rezista forței de dilatare a gazului.
O lucrare din 2006 a Laboratorului Național Lawrence Livermore (LLNL) descrie trei abordări: un vas sub presiune conform cu înfăşurare cu filament, un vas sub presiune cu microrețea care conține o structură internă de rețea ortorombică (celule mici de 2 cm sau mai puțin), înconjurat de un recipient H2 cu pereți subțiri, și un container replicator, constând dintr-o structură internă constând din piese mici lipite (de exemplu, inele de plastic hexagonale) și o compoziție de înveliș subțire exterioară. Containerele duplicat sunt cele mai potrivite pentru containerele mai mari, unde metodele tradiționale pot fi dificil de aplicat.
Brevetul DE102009057170A depus de Volkswagen în 2009 descrie un vas sub presiune montat pe vehicul, care va oferi o eficiență ridicată a greutății, îmbunătățind în același timp utilizarea spațiului. Rezervoarele dreptunghiulare folosesc conectori de tensiune între doi pereți dreptunghiulari opuși, iar colțurile sunt rotunjite.
Cele de mai sus și alte concepte sunt citate de Gleiss în lucrarea „Process Development for Cubic Pressure Vessels with Stretch Bars” de Gleiss et al. la ECCM20 (26-30 iunie 2022, Lausanne, Elveția). În acest articol, ea citează un studiu TUM publicat de Michael Roof și Sven Zaremba, care a constatat că un vas sub presiune cubic cu bare de tensiune care leagă laturile dreptunghiulare este mai eficient decât câțiva cilindri mici care se potrivesc în spațiul unei baterii descărcate, oferind aproximativ 25 de cilindri. % Mai mult. spatiu de depozitare.
Potrivit lui Gleiss, problema instalării unui număr mare de butelii mici de tip 4 într-o carcasă plată este că „volumul dintre cilindri este mult redus și sistemul are și o suprafață foarte mare de pătrundere a gazului H2. În general, sistemul oferă o capacitate de stocare mai mică decât borcanele cubice.”
Cu toate acestea, există și alte probleme cu designul cubic al rezervorului. „Evident, din cauza gazului comprimat, trebuie să contracarați forțele de îndoire pe pereții plati”, a spus Gleiss. „Pentru aceasta, aveți nevoie de o structură întărită care să se conecteze în interior la pereții rezervorului. Dar asta e greu de făcut cu compozitele.”
Glace și echipa ei au încercat să încorporeze bare de întărire în vasul sub presiune într-un mod care să fie potrivit pentru procesul de înfășurare a filamentului. „Acest lucru este important pentru producția de mare volum”, explică ea, „și, de asemenea, ne permite să proiectăm modelul de înfășurare al pereților containerului pentru a optimiza orientarea fibrelor pentru fiecare încărcătură din zonă.”
Patru pași pentru a realiza un rezervor compozit cubic de probă pentru proiectul P4H. Credit imagine: „Dezvoltarea unui proces de producție pentru recipiente cu presiune cubică cu bretele”, Universitatea Tehnică din München, proiect Polymers4Hydrogen, ECCM20, iunie 2022.
Pentru a realiza în lanț, echipa a dezvoltat un nou concept constând din patru pași principali, așa cum se arată mai sus. Structurile de tensionare, prezentate cu negru pe trepte, sunt o structură de cadru prefabricată fabricată folosind metode preluate din proiectul MAI Skelett. Pentru acest proiect, BMW a dezvoltat un „cadru” pentru cadru de parbriz folosind patru tije de pultruziune armate cu fibre, care au fost apoi turnate într-un cadru de plastic.
Cadrul unui rezervor cubic experimental. Secțiuni scheletice hexagonale imprimate 3D de TUM folosind filament PLA neîntărit (sus), inserând tije de pultruziune CF/PA6 ca bretele de tensionare (mijloc) și apoi înfășurând filamentul în jurul bretelelor (de jos). Credit imagine: Universitatea Tehnică din München LCC.
„Ideea este că puteți construi cadrul unui rezervor cubic ca o structură modulară”, a spus Glace. „Aceste module sunt apoi plasate într-o unealtă de turnare, barele de tensionare sunt plasate în modulele cadru, iar apoi metoda MAI Skelett este utilizată în jurul suporturilor pentru a le integra cu piesele cadrului.” metoda de producție în masă, rezultând o structură care este apoi folosită ca dorn sau miez pentru a înveli carcasa compozită a rezervorului de stocare.
TUM a proiectat cadrul rezervorului ca o „pernă” cubică cu laturi solide, colțuri rotunjite și un model hexagonal în partea de sus și de jos prin care pot fi introduse și atașate legăturile. Orificiile pentru aceste rafturi au fost, de asemenea, imprimate 3D. „Pentru rezervorul nostru experimental inițial, am imprimat 3D secțiuni de cadru hexagonal folosind acid polilactic [PLA, un termoplastic pe bază de bio], deoarece a fost ușor și ieftin”, a spus Glace.
Echipa a achiziționat 68 de tije din poliamidă 6 (PA6) armată cu fibră de carbon pultrusată de la SGL Carbon (Meitingen, Germania) pentru a fi folosite ca legături. „Pentru a testa conceptul, nu am făcut nicio turnare”, spune Gleiss, „ci pur și simplu am introdus distanțiere într-un cadru de miez tip fagure imprimat 3D și i-am lipit cu lipici epoxidic. Aceasta oferă apoi un dorn pentru înfășurarea rezervorului.” Ea notează că, deși aceste lansete sunt relativ ușor de înfășurat, există câteva probleme semnificative care vor fi descrise mai târziu.
„La prima etapă, scopul nostru a fost să demonstrăm fabricabilitatea designului și să identificăm problemele în conceptul de producție”, a explicat Gleiss. „Așadar, suporturile de tensiune ies din suprafața exterioară a structurii scheletice și atașăm fibrele de carbon la acest miez folosind înfășurarea filamentului umed. După aceea, în a treia etapă, îndoim capul fiecărui tirant. termoplastic, așa că folosim căldura doar pentru a remodela capul, astfel încât să se aplatizeze și să se blocheze în primul strat de ambalaj. Apoi procedăm la înfășurarea structurii din nou, astfel încât capul plat de împingere să fie închis geometric în rezervor. laminat pe pereti.
Capac distanțier pentru înfășurare. TUM folosește capace de plastic la capetele tijelor de tensionare pentru a preveni încurcarea fibrelor în timpul înfășurării filamentului. Credit imagine: Universitatea Tehnică din München LCC.
Glace a reiterat că acest prim tanc a fost o dovadă a conceptului. „Folosirea imprimării 3D și a lipiciului a fost doar pentru testarea inițială și ne-a dat o idee despre câteva dintre problemele pe care le-am întâlnit. De exemplu, în timpul înfășurării, filamentele au fost prinse de capetele tijelor de tensiune, provocând ruperea fibrelor, deteriorarea fibrelor și reducerea cantității de fibre pentru a contracara acest lucru. am folosit câteva capace din plastic ca ajutoare de fabricație care au fost plasate pe stâlpi înainte de prima etapă de înfășurare. Apoi, când au fost realizate laminatele interne, am îndepărtat aceste capace de protecție și am remodelat capetele stâlpilor înainte de împachetarea finală.”
Echipa a experimentat diverse scenarii de reconstrucție. „Cei care se uită în jur lucrează cel mai bine”, spune Grace. „De asemenea, în timpul fazei de prototipare, am folosit un instrument de sudură modificat pentru a aplica căldură și a remodela capetele tirantului. Într-un concept de producție în masă, ați avea o unealtă mai mare care poate modela și forma toate capetele barelor într-un laminat de finisaj interior în același timp. . ”
Capetele barelor de remorcare remodelate. TUM a experimentat diferite concepte și a modificat sudurile pentru a alinia capetele legăturilor compozite pentru atașarea la laminatul peretelui rezervorului. Credit imagine: „Dezvoltarea unui proces de producție pentru recipiente cu presiune cubică cu bretele”, Universitatea Tehnică din München, proiect Polymers4Hydrogen, ECCM20, iunie 2022.
Astfel, laminatul este întărit după prima etapă de înfășurare, stâlpii sunt remodelați, TUM completează a doua înfășurare a filamentelor și apoi laminatul exterior al peretelui rezervorului este întărit a doua oară. Vă rugăm să rețineți că acesta este un design de rezervor de tip 5, ceea ce înseamnă că nu are o căptușeală din plastic ca barieră de gaz. Consultați discuția din secțiunea Următorii pași de mai jos.
„Am tăiat prima demonstrație în secțiuni transversale și am cartografiat zona conectată”, a spus Glace. „Un prim-plan arată că am avut unele probleme de calitate cu laminatul, cu capetele lonjeroanelor care nu stăteau plat pe laminatul interior.”
Rezolvarea problemelor cu golurile dintre laminatul pereților interiori și exteriori ai rezervorului. Capul de tirant modificat creează un spațiu între prima și a doua tură a rezervorului experimental. Credit imagine: Universitatea Tehnică din München LCC.
Acest rezervor inițial de 450 x 290 x 80 mm a fost finalizat vara trecută. „De atunci am făcut multe progrese, dar încă mai avem un decalaj între laminatul interior și exterior”, a spus Glace. „Așa că am încercat să umplem acele goluri cu o rășină curată, cu vâscozitate ridicată. Acest lucru îmbunătățește de fapt legătura dintre știfturi și laminat, ceea ce crește foarte mult stresul mecanic.”
Echipa a continuat să dezvolte designul și procesul rezervorului, inclusiv soluții pentru modelul de înfășurare dorit. „Părțile laterale ale rezervorului de testare nu erau complet ondulate, deoarece a fost dificil pentru această geometrie să creeze o cale întortocheată”, a explicat Glace. „Unghiul nostru inițial de înfășurare a fost de 75°, dar știam că sunt necesare mai multe circuite pentru a face față sarcinii din acest vas sub presiune. Căutăm în continuare o soluție la această problemă, dar nu este ușor cu software-ul aflat în prezent pe piață. Poate deveni un proiect de continuare.
„Am demonstrat fezabilitatea acestui concept de producție”, spune Gleiss, „dar trebuie să lucrăm în continuare pentru a îmbunătăți legătura dintre laminat și a remodela tiranții. „Testări externe pe o mașină de testare. Scoateți distanțierele din laminat și testați sarcinile mecanice pe care acele îmbinări le pot rezista.”
Această parte a proiectului Polymers4Hydrogen va fi finalizată la sfârșitul anului 2023, moment în care Gleis speră să finalizeze al doilea rezervor demonstrativ. În mod interesant, modelele de astăzi folosesc termoplastice armate îngrijite în cadru și compozite termorigide în pereții rezervorului. Va fi folosită această abordare hibridă în rezervorul demonstrativ final? — Da, spuse Grace. „Partenerii noștri din proiectul Polymers4Hydrogen dezvoltă rășini epoxidice și alte materiale compozite cu matrice cu proprietăți mai bune de barieră la hidrogen.” Ea enumeră doi parteneri care lucrează la această lucrare, PCCL și Universitatea din Tampere (Tampere, Finlanda).
De asemenea, Gleiss și echipa ei au făcut schimb de informații și au discutat idei cu Jaeger cu privire la cel de-al doilea proiect HyDDen din rezervorul compozit conform LCC.
„Vom produce un vas sub presiune compozit conform pentru drone de cercetare”, spune Jaeger. „Aceasta este o colaborare între cele două departamente ale Departamentului Aerospațial și Geodezic al TUM – LCC și Departamentul de Tehnologie a Elicopterelor (HT). Proiectul va fi finalizat până la sfârșitul anului 2024 și în prezent terminăm vasul sub presiune. un design care este mai mult o abordare aerospațială și auto. După această etapă inițială a conceptului, următorul pas este de a realiza modelarea structurală detaliată și de a prezice performanța barierei structurii peretelui.”
„Întreaga idee este de a dezvolta o dronă de explorare cu un sistem hibrid de propulsie cu celulă de combustibil și baterie”, a continuat el. Acesta va folosi bateria în timpul sarcinilor de mare putere (adică decolare și aterizare) și apoi comută la celula de combustie în timpul deplasării cu sarcină ușoară. „Echipa HT avea deja o dronă de cercetare și a reproiectat grupul de propulsie pentru a utiliza atât baterii, cât și celule de combustibil”, a spus Yeager. „Au achiziționat și un rezervor CGH2 pentru a testa această transmisie.”
„Echipa mea a fost însărcinată să construiască un prototip de rezervor sub presiune care să se potrivească, dar nu din cauza problemelor de ambalare pe care le-ar crea un rezervor cilindric”, explică el. „Un rezervor mai plat nu oferă atât de multă rezistență la vânt. Astfel, veți obține performanțe de zbor mai bune.” Dimensiuni rezervor aprox. 830 x 350 x 173 mm.
Rezervor complet termoplastic conform AFP. Pentru proiectul HyDDen, echipa LCC de la TUM a explorat inițial o abordare similară cu cea utilizată de Glace (mai sus), dar apoi a trecut la o abordare folosind o combinație de mai multe module structurale, care au fost apoi suprautilizate folosind AFP (mai jos). Credit imagine: Universitatea Tehnică din München LCC.
„O idee este similară cu abordarea lui Elisabeth [Gleiss]”, spune Yager, „de a aplica bretele de tensiune pe peretele vasului pentru a compensa forțele mari de îndoire. Cu toate acestea, în loc să folosim un proces de înfășurare pentru a face rezervorul, folosim AFP. Prin urmare, ne-am gândit să creăm o secțiune separată a vasului sub presiune, în care rafturile sunt deja integrate. Această abordare mi-a permis să combin mai multe dintre aceste module integrate și apoi să aplic un capac pentru a sigila totul înainte de înfășurarea finală AFP.”
„Încercăm să finalizăm un astfel de concept”, a continuat el, „și de asemenea să începem testarea selecției materialelor, ceea ce este foarte important pentru a asigura rezistența necesară la pătrunderea gazului H2. Pentru aceasta, folosim în principal materiale termoplastice și lucrăm la diferite modalități în care materialul va afecta acest comportament de permeare și procesare în mașina AFP. Este important să înțelegeți dacă tratamentul va avea efect și dacă este necesară o post-procesare. De asemenea, vrem să știm dacă stivele diferite vor afecta pătrunderea hidrogenului prin vasul sub presiune.”
Rezervorul va fi realizat în întregime din termoplastic, iar benzile vor fi furnizate de Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Germania). „Vom folosi materialele lor PPS [sulfură de polifenilen], PEEK [polieter cetonă] și LM PAEK [poliarilcetonă cu topire scăzută]”, a spus Yager. „Se fac apoi comparații pentru a vedea care dintre ele este cea mai bună pentru protecția la penetrare și pentru a produce piese cu performanțe mai bune.” El speră să finalizeze testele, modelarea structurală și de proces și primele demonstrații în anul următor.
Lucrarea de cercetare a fost realizată în cadrul modulului COMET „Polymers4Hydrogen” (ID 21647053) în cadrul programului COMET al Ministerului Federal pentru Schimbări Climatice, Mediu, Energie, Mobilitate, Inovare și Tehnologie și Ministerul Federal pentru Tehnologie Digitală și Economie. . Autorii le mulțumesc partenerilor participanți Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL, Austria), Montanuniversitaet Leoben (Facultatea de Inginerie și Știință a Polimerilor, Departamentul de Chimie a Materialelor polimerice, Departamentul de Știința Materialelor și Testare a polimerilor), Universitatea din Tampere (Facultatea de Inginerie materiale). ) Science), Peak Technology și Faurecia au contribuit la acest lucru de cercetare. COMET-Modul este finanțat de guvernul Austriei și de guvernul statului Stiria.
Foile pre-armate pentru structuri portante conțin fibre continue – nu numai din sticlă, ci și din carbon și aramidă.
Există multe moduri de a face piese compozite. Prin urmare, alegerea metodei pentru o anumită piesă va depinde de material, de designul piesei și de utilizarea finală sau aplicația. Iată un ghid de selecție.
Shocker Composites și R&M International dezvoltă un lanț de aprovizionare cu fibre de carbon reciclate care oferă zero sacrificare, costuri mai mici decât fibra virgină și, în cele din urmă, va oferi lungimi care se apropie de fibrele continue în proprietățile structurale.
Ora postării: 15-03-2023