Rezervoarele standard cu platformă plat pentru BEV-uri și FCEV-uri folosesc compozite termoplastice și termoset cu o construcție de schelet care oferă 25% mai mult depozitare H2. #hydrogen #trends
După ce o colaborare cu BMW a arătat că un rezervor cubic ar putea furniza o eficiență volumetrică mai mare decât mai mulți cilindri mici, Universitatea Tehnică din Munchen s -a angajat într -un proiect pentru a dezvolta o structură compusă și un proces de fabricație scalabil pentru producția de serie. Credit de imagine: Tu Dresda (sus) stânga), Universitatea Tehnică din Munchen, Departamentul Compozitelor de Carbon (LCC)
Vehiculele electrice cu celule de combustibil (FCEV) alimentate de hidrogenul cu emisii zero (H2) oferă mijloace suplimentare pentru a atinge zero ținte de mediu. O mașină de pasageri cu celule de combustibil cu un motor H2 poate fi umplută în 5-7 minute și are o autonomie de 500 km, dar în prezent este mai scumpă din cauza volumelor de producție scăzute. O modalitate de a reduce costurile este de a utiliza o platformă standard pentru modelele BEV și FCEV. În prezent, acest lucru nu este posibil, deoarece rezervoarele cilindrice de tip 4 utilizate pentru stocarea gazelor H2 comprimate (CGH2) la 700 de bar în FCEV -uri nu sunt potrivite pentru compartimentele bateriei de subal Cu toate acestea, vasele sub presiune sub formă de perne și cuburi se pot încadra în acest spațiu plat de ambalare.
Brevetul US5577630A pentru „Nava presiune conformală compusă”, cererea depusă de Thiokol Corp. în 1995 (stânga) și vasul presiunii dreptunghiulare brevetate de BMW în 2009 (dreapta).
Departamentul de Compoziții de Carbon (LCC) al Universității Tehnice din Munchen (TUM, Munchen, Germania) este implicat în două proiecte pentru a dezvolta acest concept. Primul este Polymers4Hidrogen (P4H), condus de Centrul de competență Polymer Polymer (PCCL, Leoben, Austria). Pachetul de lucru LCC este condus de colegul Elizabeth Glace.
Al doilea proiect este mediul de demonstrație și dezvoltare a hidrogenului (Hydden), unde LCC este condus de cercetătorul Christian Jaeger. Ambele urmăresc 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 sunt instalate cilindri cu diametru mic în celulele bateriei plate (stânga) și vase cubice de tip 2 presiune din oțel și o coajă exterioară compozită din fibră de carbon/epoxidică (dreapta). Sursa imaginii: Figurile 3 și 6 provin din „Abordarea numerică a proiectării pentru vasul cutiei de presiune de tip II cu picioarele de tensiune internă” de RUF și Zaremba și colab.
P4H a fabricat un rezervor experimental de cub care folosește un cadru termoplastic cu curele/structuri de tensiune compozite învelite în epoxidic armat cu fibră de carbon. Hydden va folosi un design similar, dar va folosi amenajarea automată a fibrelor (AFP) pentru a fabrica toate rezervoarele compozite termoplastice.
De la o cerere de brevet de către Thiokol Corp. până la „Nava presiune conformală compusă” în 1995 până la brevetul german De19749950c2 În 1997, vasele de gaz comprimate „pot avea orice configurație geometrică”, dar mai ales forme plate și neregulate, într -o cavitate conectate la suportul de coajă de coajă . Elementele sunt utilizate astfel încât să poată rezista forței de expansiune a gazului.
O lucrare din 2006 Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) descrie trei abordări: o vase sub presiune conformă cu filament, un vas de presiune microlatice care conține o structură internă de zăbrele ortohombice (celule mici de 2 cm sau mai puțin), înconjurat de un container H2 cu perete subțire, și un recipient de replicator, format dintr -o structură internă formată din părți mici lipite (de exemplu, plastic hexagonal inele) și o compoziție de piele subțire exterioară. Containerele duplicate sunt cele mai potrivite pentru containerele mai mari, unde metodele tradiționale pot fi dificil de aplicat.
Brevetul DE102009057170A depus de Volkswagen în 2009 descrie o navă sub presiune montată în vehicul care va oferi o eficiență în greutate ridicată, îmbunătățind în același timp utilizarea spațiului. Rezervoarele dreptunghiulare folosesc conectori de tensiune între doi pereți dreptunghiulare opuse, iar colțurile sunt rotunjite.
Conceptele de mai sus și alte concepte sunt citate de Gleiss în lucrarea „Dezvoltarea procesului pentru vase cubice cu bare de întindere” de Gleiss și colab. 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 de presiune cubică cu tensiuni de tensiune care conectează părțile dreptunghiulare este mai eficient decât mai mulți cilindri mici care se încadrează în spațiul unei baterii plate, oferind aproximativ 25 % Mai mult. spațiu de depozitare.
Potrivit lui Gleiss, problema cu instalarea unui număr mare de cilindri de tip 4 mici într -un caz plat este că „volumul dintre cilindri este mult redus, iar sistemul are, de asemenea, o suprafață foarte mare de permeare 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 de pe pereții plate”, a spus Gleiss. „Pentru aceasta, aveți nevoie de o structură consolidată care să se conecteze intern la pereții rezervorului. Dar asta este greu de făcut cu compozitele. ”
Glace și echipa ei au încercat să încorporeze consolidarea barelor de tensiune în vasul sub presiune într -un mod care ar fi potrivit pentru procesul de înfășurare a filamentelor. „Acest lucru este important pentru producția cu volum mare”, explică ea, „și ne permite, de asemenea, să proiectăm modelul de înfășurare a pereților containerului pentru a optimiza orientarea fibrelor pentru fiecare sarcină din zonă.”
Patru pași pentru a face un rezervor compus cubic de încercare pentru proiectul P4H. Credit de imagine: „Dezvoltarea unui proces de producție pentru nave cubice cu cuburi cu BRACE”, Universitatea Tehnică din Munchen, Polymers4Hydrogen Project, ECCM20, iunie 2022.
Pentru a realiza pe lanț, echipa a dezvoltat un nou concept format din patru etape principale, așa cum se arată mai sus. Struturile de tensiune, prezentate în negru pe trepte, sunt o structură de cadru prefabricată fabricată folosind metode prelevate din proiectul mai Skelett. Pentru acest proiect, BMW a dezvoltat un cadru de parbriz „cadru” folosind patru tije de pultruziune consolidate cu fibre, care au fost apoi modelate într-un cadru din plastic.
Cadrul unui rezervor cubic experimental. Secțiuni scheletice hexagonale 3D tipărite de TUM folosind filament PLA nereforțat (sus), introducând tije de pultruziune CF/PA6 ca bretele de tensiune (mijloc) și apoi înfășurarea filamentului în jurul bretelelor (partea inferioară). Credit de imagine: Universitatea Tehnică din Munchen LCC.
„Ideea este că puteți construi cadrul unui rezervor cubic ca structură modulară”, a spus Glace. „Aceste module sunt apoi plasate într -un instrument de modelare, baghetele de tensiune sunt plasate în modulele de cadru, iar apoi metoda Mai Skelett este folosită în jurul structurilor pentru a le integra cu părțile cadrului.” Metoda de producție în masă, rezultând o structură care este apoi utilizată ca mandrel sau miez pentru a înfășura cochilia compozită a rezervorului de stocare.
Tum a proiectat rama 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. Găurile pentru aceste rafturi au fost, de asemenea, tipărite 3D. „Pentru rezervorul nostru experimental inițial, am fost secțiuni de cadru hexagonale tipărite 3D 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 de poliamidă 6 (PA6) din fibră de carbon Pultrud (PA6) de la SGL Carbon (Meitingen, Germania) pentru a fi utilizate ca legături. „Pentru a testa conceptul, nu am făcut nicio modelare”, spune Gleiss, „ci pur și simplu a introdus distanțiere într -un cadru de nucleu de fagure tipărit 3D și le -a lipit cu lipici epoxidic. Aceasta oferă apoi un mandrel pentru înfășurarea rezervorului. ” Ea observă că, deși aceste tije sunt relativ ușor de vânt, există unele probleme semnificative care vor fi descrise mai târziu.
„La prima etapă, obiectivul nostru a fost să demonstrăm producătorul proiectării și să identificăm problemele în conceptul de producție”, a explicat Gleiss. „Așadar, tensiunile de tensiune ies din suprafața exterioară a structurii scheletului și atașăm fibrele de carbon la acest miez folosind înfășurarea cu filament umed. După aceea, în al treilea pas, îndoiți capul fiecărei tije de legătură. Termoplastic, așa că folosim doar căldură pentru a modela capul, astfel încât să se aplatizeze și să se blocheze în primul strat de ambalare. Apoi continuăm să înfășurați din nou structura, astfel încât capul de tracțiune plat să fie închis geometric în rezervor. laminat pe pereți.
Capace de distanțare pentru înfășurare. TUM folosește capace de plastic pe capetele tijelor de tensiune pentru a împiedica fibrele să se încurce în timpul înfășurării filamentului. Credit de imagine: Universitatea Tehnică din Munchen LCC.
Glace a reiterat că acest prim rezervor a fost o dovadă a conceptului. „Utilizarea imprimării 3D și a lipiciului a fost doar pentru testarea inițială și ne -a oferit o idee despre câteva dintre problemele pe care le -am întâmpinat. De exemplu, în timpul înfășurării, filamentele au fost prinse de capetele tijelor de tensiune, provocând ruperea fibrelor, deteriorarea fibrelor și reducând cantitatea de fibre pentru a contracara acest lucru. Am folosit câteva capace de plastic ca ajutoare de fabricație care au fost așezate pe stâlpi înainte de primul pas de înfășurare. Atunci când s -au făcut laminatele interne, am eliminat aceste capace de protecție și am remodelat capetele polilor înainte de înfășurarea finală. ”
Echipa a experimentat cu diverse scenarii de reconstrucție. „Cei care privesc cel mai bine lucrează în jur”, spune Grace. „De asemenea, în timpul fazei de prototipare, am folosit un instrument de sudare modificat pentru a aplica căldura și a remodela capetele tijei de legătură. Într -un concept de producție în masă, ai avea un instrument mai mare care poate modela și forma toate capetele șuruburilor într -un laminat de finisaj interior în același timp. . "
Capetele de tracțiune reduse. TUM a experimentat cu diferite concepte și a modificat sudurile pentru a alinia capetele legăturilor compuse pentru atașarea la laminatul peretelui rezervorului. Credit de imagine: „Dezvoltarea unui proces de producție pentru nave cubice cu cuburi cu BRACE”, Universitatea Tehnică din Munchen, Polymers4Hydrogen Project, ECCM20, iunie 2022.
Astfel, laminatul este vindecat după prima etapă de înfășurare, stâlpii sunt redimensionate, tumul completează a doua înfășurare a filamentelor, iar apoi laminatul de perete al rezervorului exterior este vindecat 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 următoare de mai jos.
„Am tăiat prima demo 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 de structură care nu se așază pe laminatul interior.”
Rezolvarea problemelor cu goluri între laminatul pereților interiori și exteriori ai rezervorului. Capul de tijă modificat creează un decalaj între prima și a doua rotație a rezervorului experimental. Credit de imagine: Universitatea Tehnică din Munchen LCC.
Acest rezervor inițial de 450 x 290 x 80 mm a fost finalizat vara trecută. „De atunci am făcut multe progrese, dar mai avem un decalaj între laminatul interior și exterior”, a spus Glace. „Așa că am încercat să umplem aceste goluri cu o rășină curată și cu vâscozitate ridicată. Acest lucru îmbunătățește de fapt conexiunea dintre știfturi și laminare, ceea ce crește foarte mult stresul mecanic. ”
Echipa a continuat să dezvolte proiectarea și procesul rezervorului, inclusiv soluții pentru modelul dorit de înfășurare. „Părțile laterale ale rezervorului de testare nu au fost complet ondulate, deoarece a fost dificil pentru această geometrie să creeze o cale șerpuită”, a explicat Glace. „Unghiul nostru inițial de înfășurare a fost de 75 °, dar știam că sunt necesare mai multe circuite pentru a îndeplini sarcina din această vas sub presiune. Încă căutăm o soluție la această problemă, dar nu este ușor cu software -ul în prezent pe piață. Poate deveni un proiect de urmărire.
„Am demonstrat fezabilitatea acestui concept de producție”, spune Gleiss, „dar trebuie să lucrăm mai departe pentru a îmbunătăți conexiunea dintre laminare și a remodela tijele de legătură. „Testare externă pe o mașină de testare. Trageți distanțierele din laminat și testați sarcinile mecanice pe care aceste îmbinări le pot rezista. ”
Această parte a proiectului Polymers4Hidrogen va fi finalizată la sfârșitul anului 2023, până în care Gleis speră să completeze al doilea rezervor de demonstrație. Interesant este că proiectele folosesc astăzi termoplastice armate îngrijite în cadrul și compozitele termoset din pereții rezervorului. Această abordare hibridă va fi utilizată în rezervorul demonstrativ final? - Da, a spus Grace. „Partenerii noștri din proiectul Polymers4Hydrogen dezvoltă rășini epoxidice și alte materiale matriceale compuse cu proprietăți mai bune de barieră de hidrogen.” Ea listează 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 despre idei cu Jaeger cu privire la cel de -al doilea proiect Hydden din rezervorul compus conformat LCC.
„Vom produce o navă sub presiune compusă conformală pentru drone de cercetare”, spune Jaeger. „Aceasta este o colaborare între cele două departamente ale Departamentului Aerospațial și Geodetic al TUM - LCC și Departamentul de Tehnologie pentru elicopter (HT). Proiectul va fi finalizat până la sfârșitul anului 2024 și finalizăm în prezent nava sub presiune. un design care este mai mult o abordare aerospațială și auto. După această etapă conceptuală inițială, următorul pas este realizarea modelării structurale detaliate și a prezice performanța barierei a structurii peretelui. ”
„Întreaga idee este de a dezvolta o dronă exploratorie cu un sistem de propulsie de celule de combustibil hibrid și de propulsie a bateriei”, a continuat el. Acesta va folosi bateria în timpul sarcinilor de mare putere (adică decolare și aterizare) și apoi va trece la celula de combustibil în timpul croazierei de încărcare ușoară. "Echipa HT a avut deja un drone de cercetare și a reproiectat motorul pentru a folosi atât bateriile, cât și celulele de combustibil", a spus Yeager. „De asemenea, au achiziționat un rezervor CGH2 pentru a testa această transmisie.”
„Echipa mea a fost însărcinată să construiască un prototip de rezervor de 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 la fel de multă rezistență la vânt. Deci obțineți o performanță mai bună a zborului. ” Dimensiunile rezervorului 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 folosită de Glace (de 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 de imagine: Universitatea Tehnică din Munchen LCC.
„O idee este similară cu abordarea lui Elisabeth [Gleiss]”, spune Yager, „pentru a aplica bretele de tensiune pe peretele navei pentru a compensa forțele de îndoire ridicate. 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 navei 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 de capăt pentru a sigila totul înainte de înfășurarea finală a AFP. ”
„Încercăm să finalizăm un astfel de concept”, a continuat el, „și începem, de asemenea, să testăm selecția de materiale, ceea ce este foarte important pentru a asigura rezistența necesară la penetrarea gazelor H2. Pentru aceasta, folosim în principal materiale termoplastice și lucrăm la diverse modul în care materialul va afecta acest comportament și procesare de permeabilitate în mașina AFP. Este important să înțelegem dacă tratamentul va avea un efect și dacă este necesară post-procesare. De asemenea, dorim să știm dacă diferite stive vor afecta permeația hidrogenului prin vasul de presiune. ”
Rezervorul va fi realizat în întregime din termoplastic, iar benzile vor fi furnizate de Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Germania). „Vom folosi PPS -ul lor [polifenilen sulfură], Peek [polieter cetonă] și LM Paek [materiale cu polararyl cu topire scăzută], a spus Yager. „Apoi, sunt făcute comparații pentru a vedea care este cea mai bună pentru protecția penetrării și producerea pieselor cu performanțe mai bune.” El speră să finalizeze testarea, modelarea structurală și de proces și primele demonstrații în anul următor.
Lucrările de cercetare au fost realizate în modul 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 mulțumesc partenerilor participanți Centrul de competență polimerică Leoben GmbH (PCCL, Austria), Montanuniversitat Leoben (Facultatea de Inginerie și Știință a Polimerilor, Departamentul de Chimie al Materialelor Polimerice, Departamentul de Știință a Materialelor și Testarea Polymer), Universitatea din Tampere (Facultatea de Inginerie a Ingineriei Materiale). ) Știință), Tehnologia de vârf și Faurecia au contribuit la această lucrare de cercetare. Cometa-Modul este finanțat de Guvernul Austriei și de Guvernul Statului Styria.
Foile pre-consolidate pentru structurile purtătoare de încărcare conțin fibre continue-nu numai din sticlă, ci și din carbon și aramidă.
Există multe modalități de a face piese compuse. Prin urmare, alegerea metodei pentru o anumită parte va depinde de material, de proiectarea piesei și de utilizarea sau aplicația finală. Iată un ghid de selecție.
Compozițiile Shocker și R&M International dezvoltă un lanț de aprovizionare cu fibre de carbon reciclat, care asigură un sacrificare zero, costuri mai mici decât fibra virgină și va oferi în cele din urmă lungimi care se apropie de fibra continuă în proprietățile structurale.
Timpul post: martie-15-2023