Мюнхенский технический университет разрабатывает конформные кубические резервуары с использованием композитов из углеродного волокна для увеличения хранения водорода | мир композитов

В стандартных резервуарах с плоской платформой для BEV и FCEV используются термопластичные и термореактивные композиты, а каркасная конструкция обеспечивает на 25 % больше хранения H2. #водород #тренды
После того, как сотрудничество с BMW показало, что кубический резервуар может обеспечить более высокий объемный КПД, чем несколько небольших цилиндров, Мюнхенский технический университет приступил к проекту по разработке композитной конструкции и масштабируемого производственного процесса для серийного производства. Изображение предоставлено: Технический университет Дрездена (вверху слева), Мюнхенский технический университет, факультет углеродных композитов (LCC)
Электромобили на топливных элементах (FCEV), работающие на водороде с нулевым уровнем выбросов (H2), предоставляют дополнительные средства для достижения нулевых экологических целей. Легковой автомобиль на топливных элементах с двигателем H2 заправляется за 5-7 минут и имеет запас хода 500 км, но в настоящее время он дороже из-за низких объемов производства. Одним из способов снижения затрат является использование стандартной платформы для моделей BEV и FCEV. В настоящее время это невозможно, поскольку цилиндрические баки типа 4, используемые для хранения сжатого газа H2 (CGH2) под давлением 700 бар в FCEV, не подходят для аккумуляторных отсеков под кузовом, которые были тщательно спроектированы для электромобилей. Однако в это плоское упаковочное пространство могут поместиться сосуды под давлением в форме подушек и кубиков.
Патент US5577630A на «Композитный конформный сосуд под давлением», заявка, поданная Thiokol Corp. в 1995 году (слева), и прямоугольный сосуд под давлением, запатентованный BMW в 2009 году (справа).
Кафедра углеродных композитов (LCC) Мюнхенского технического университета (TUM, Мюнхен, Германия) участвует в двух проектах по разработке этой концепции. Первым является Polymers4Hydrogen (P4H), возглавляемый Центром компетенции Леобена по полимерам (PCCL, Леобен, Австрия). Рабочим комплексом LCC руководит научный сотрудник Элизабет Глейс.
Второй проект — это «Среда демонстрации и разработки водорода» (HyDDen), где LCC возглавляет исследователь Кристиан Джагер. Оба проекта направлены на крупномасштабную демонстрацию производственного процесса изготовления подходящего резервуара CGH2 с использованием композитов из углеродного волокна.
Объемный КПД ограничен, когда цилиндры малого диаметра установлены в плоских аккумуляторных элементах (слева) и сосудах под давлением кубического типа 2, изготовленных из стальных гильз и внешней оболочки из композитного углеродного волокна и эпоксидной смолы (справа). Источник изображения: рисунки 3 и 6 взяты из «Подхода к численному проектированию сосуда под давлением типа II с опорами внутреннего натяжения», авторами Руфом и Зарембой и др.
Компания P4H изготовила экспериментальный кубический резервуар, в котором используется термопластичный каркас с композитными натяжными ремнями/стойками, обернутыми эпоксидной смолой, армированной углеродным волокном. HyDDen будет использовать аналогичную конструкцию, но для производства всех резервуаров из термопластичных композитов будет использоваться автоматическая укладка волокон (AFP).
От патентной заявки Thiokol Corp. на «Композитный конформный сосуд под давлением» в 1995 году до немецкого патента DE19749950C2 в 1997 году сосуды для сжатого газа «могут иметь любую геометрическую конфигурацию», но особенно плоскую и неправильную форму, в полости, соединенной с опорой корпуса. . элементы используются так, чтобы они могли противостоять силе расширения газа.
В документе Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса (LLNL) 2006 года описаны три подхода: конформный сосуд высокого давления с намоткой из нити, сосуд высокого давления с микрорешеткой, содержащий внутреннюю структуру ромбической решетки (маленькие ячейки размером 2 см или меньше), окруженный тонкостенным контейнером с H2, и контейнер-репликатор, состоящий из внутренней конструкции, состоящей из склеенных мелких деталей (например, шестиугольных пластиковых колец) и композиции тонкой внешней оболочки. Дублирующиеся контейнеры лучше всего подходят для более крупных контейнеров, где традиционные методы могут быть трудно применить.
В патенте DE102009057170A, поданном Volkswagen в 2009 году, описан сосуд высокого давления, устанавливаемый на автомобиле, который обеспечит высокую эффективность веса и одновременно улучшит использование пространства. В прямоугольных резервуарах используются натяжные соединители между двумя прямоугольными противоположными стенками, а углы закруглены.
Вышеупомянутые и другие концепции цитируются Гляйссом в статье «Разработка процесса для кубических сосудов под давлением с растяжками», написанной Гляйссом и др. на ECCM20 (26–30 июня 2022 г., Лозанна, Швейцария). В этой статье она цитирует исследование TUM, опубликованное Майклом Руфом и Свеном Зарембой, которое показало, что сосуд под давлением кубической формы с натяжными стойками, соединяющими прямоугольные стороны, более эффективен, чем несколько небольших цилиндров, которые помещаются в пространство плоской батареи, обеспечивая примерно 25 % более. место для хранения.
По словам Гляйсса, проблема установки большого количества небольших баллонов типа 4 в плоский корпус состоит в том, что «объем между баллонами сильно уменьшается, а также система имеет очень большую поверхность газопроницаемости H2. В целом система обеспечивает меньшую емкость хранения, чем кубические банки».
Однако есть и другие проблемы кубической конструкции танка. «Очевидно, что из-за сжатого газа необходимо противодействовать изгибающим силам на плоских стенках», — сказал Гляйсс. «Для этого вам нужна усиленная конструкция, которая изнутри соединяется со стенками резервуара. Но это сложно сделать с композитами».
Глейс и ее команда попытались включить в сосуд под давлением армирующие натяжные стержни таким образом, чтобы это подходило для процесса намотки накаливания. «Это важно для крупносерийного производства, — объясняет она, — а также позволяет нам спроектировать схему намотки стенок контейнера, чтобы оптимизировать ориентацию волокон для каждой загрузки в зоне».
Четыре шага для изготовления пробного кубического композитного резервуара для проекта P4H. Изображение предоставлено: «Разработка процесса производства сосудов под давлением кубической формы с распоркой», Мюнхенский технический университет, проект Polymers4Hydrogen, ECCM20, июнь 2022 г.
Для достижения on-chain команда разработала новую концепцию, состоящую из четырех основных этапов, как показано выше. Натяжные стойки, показанные на ступенях черным цветом, представляют собой сборную рамную конструкцию, изготовленную с использованием методов, заимствованных из проекта MAI Skelett. Для этого проекта BMW разработала «каркас» рамы лобового стекла с использованием четырех армированных волокном пултрузионных стержней, которые затем были отлиты в пластиковую рамку.
Каркас экспериментального кубического резервуара. Шестиугольные скелетные секции, напечатанные на 3D-принтере TUM с использованием неармированной нити PLA (вверху), с вставкой пултрузионных стержней CF/PA6 в качестве натяжных скоб (в центре), а затем обертывание нити вокруг скоб (внизу). Изображение предоставлено: Технический университет Мюнхена LCC.
«Идея состоит в том, что вы можете построить каркас кубического резервуара как модульную конструкцию», — сказал Глейс. «Затем эти модули помещаются в формовочный инструмент, натяжные стойки помещаются в модули рамы, а затем метод MAI Skelett используется вокруг стоек, чтобы объединить их с частями рамы». метод массового производства, в результате которого получается конструкция, которая затем используется в качестве оправки или сердечника для обертывания композитной оболочки резервуара для хранения.
ТУМ спроектировал каркас резервуара в виде кубической «подушки» со сплошными сторонами, закругленными углами и шестиугольным узором сверху и снизу, через который можно вставлять и прикреплять стяжки. Отверстия для этих стоек также были напечатаны на 3D-принтере. «Для нашего первого экспериментального резервуара мы напечатали шестиугольные секции рамы на 3D-принтере с использованием полимолочной кислоты [PLA, термопластика на биологической основе], потому что это было легко и дешево», — сказал Глейс.
Команда приобрела 68 стержней из пултрудированного углеродного волокна, армированного полиамидом 6 (PA6), у SGL Carbon (Майтинген, Германия) для использования в качестве связей. «Чтобы проверить концепцию, мы не делали никакой формовки, — говорит Гляйсс, — а просто вставили проставки в напечатанный на 3D-принтере сотовый каркас и приклеили их эпоксидным клеем. Таким образом, получается оправка для намотки резервуара». Она отмечает, что, хотя эти удилища относительно легко наматывать, есть некоторые существенные проблемы, которые будут описаны позже.
«На первом этапе нашей целью было продемонстрировать технологичность конструкции и выявить проблемы в концепции производства», — пояснил Гляйсс. «Итак, натяжные стойки выступают из внешней поверхности скелетной конструкции, и мы прикрепляем углеродные волокна к этому сердечнику с помощью мокрой накальной намотки. После этого на третьем этапе загибаем головку каждой рулевой тяги. термопластик, поэтому мы просто используем тепло, чтобы изменить форму головы, чтобы она стала плоской и зафиксировалась в первом слое упаковки. Затем мы снова обматываем конструкцию так, чтобы плоская упорная головка геометрически заключалась внутри резервуара. на стенах ламинат.
Проставочный колпачок для намотки. ТУМ использует пластиковые колпачки на концах натяжных стержней, чтобы предотвратить спутывание волокон во время намотки нити. Изображение предоставлено: Технический университет Мюнхена LCC.
Глейс повторил, что этот первый танк стал подтверждением концепции. «Использование 3D-печати и клея было только для первоначального тестирования и дало нам представление о некоторых проблемах, с которыми мы столкнулись. Например, во время намотки нити захватывались концами натяжных стержней, что приводило к обрыву волокна, повреждению волокна и уменьшению количества волокна, чтобы противодействовать этому. в качестве вспомогательных средств мы использовали несколько пластиковых колпачков, которые надевали на полюса перед первым этапом намотки. Затем, когда были изготовлены внутренние ламинаты, мы удалили эти защитные колпачки и изменили форму концов полюсов перед окончательной обмоткой».
Команда экспериментировала с различными сценариями реконструкции. «Те, кто смотрит по сторонам, работают лучше всех», — говорит Грейс. «Кроме того, на этапе создания прототипа мы использовали модифицированный сварочный инструмент для нагревания и изменения формы концов рулевой тяги. В концепции массового производства у вас будет один более крупный инструмент, который может одновременно формовать все концы стоек в ламинат для внутренней отделки. . »
Изменена форма головок дышла. Компания TUM экспериментировала с различными концепциями и модифицировала сварные швы, чтобы выровнять концы композитных стяжек для крепления к ламинату стенки резервуара. Изображение предоставлено: «Разработка процесса производства сосудов под давлением кубической формы с распоркой», Мюнхенский технический университет, проект Polymers4Hydrogen, ECCM20, июнь 2022 г.
Таким образом, ламинат отверждается после первого этапа намотки, стойки меняют форму, TUM завершает вторую намотку нитей, а затем ламинат внешней стенки резервуара отверждается второй раз. Обратите внимание, что это конструкция резервуара типа 5, что означает, что он не имеет пластикового вкладыша в качестве газового барьера. См. обсуждение в разделе «Дальнейшие шаги» ниже.
«Мы разрезали первую демонстрацию на поперечные сечения и нанесли на карту связанную область», — сказал Глейс. «Крупный план показывает, что у нас были некоторые проблемы с качеством ламината: головки стоек не ровно прилегали к ламинату внутри».
Решение проблем с зазорами между ламинатом внутренней и внешней стенок резервуара. Модифицированная головка рулевой тяги создает зазор между первым и вторым витками экспериментального бака. Изображение предоставлено: Технический университет Мюнхена LCC.
Этот первоначальный резервуар размерами 450 x 290 x 80 мм был построен прошлым летом. «С тех пор мы добились большого прогресса, но у нас все еще существует разрыв между внутренним и наружным ламинатом», — сказал Глейс. «Поэтому мы попытались заполнить эти пробелы чистой смолой высокой вязкости. Это фактически улучшает соединение между стойками и ламинатом, что значительно увеличивает механическое напряжение».
Команда продолжила разработку конструкции и технологического процесса резервуара, включая решения для желаемой схемы намотки. «Бока испытательного резервуара не были полностью скручены, потому что при такой геометрии было трудно создать извилистую дорожку», — объяснил Глейс. «Наш первоначальный угол намотки составлял 75°, но мы знали, что для удовлетворения нагрузки в этом сосуде под давлением потребуется несколько контуров. Мы все еще ищем решение этой проблемы, но с имеющимся на рынке программным обеспечением это непросто. Возможно, это станет следующим проектом.
«Мы продемонстрировали осуществимость этой производственной концепции, — говорит Гляйсс, — но нам нужно работать дальше, чтобы улучшить соединение между ламинатом и изменить форму рулевых тяг. «Внешнее тестирование на испытательной машине. Вы вытаскиваете проставки из ламината и проверяете механические нагрузки, которые могут выдержать эти соединения».
Эта часть проекта Polymers4Hydrogen будет завершена в конце 2023 года, и к этому времени Гляйс надеется завершить строительство второго демонстрационного резервуара. Интересно, что сегодня в конструкциях используются аккуратные армированные термопласты в каркасе и термореактивные композиты в стенках резервуара. Будет ли этот гибридный подход использоваться в окончательном демонстрационном танке? — Да, — сказала Грейс. «Наши партнеры по проекту Polymers4Hydrogen разрабатывают эпоксидные смолы и другие композитные матричные материалы с лучшими водородобарьерными свойствами». Она перечисляет двух партнеров, работающих над этой работой: PCCL и Университет Тампере (Тампере, Финляндия).
Гляйсс и ее команда также обменялись информацией и обсудили с Джагером идеи по второму проекту HyDDen, основанному на конформном композитном резервуаре LCC.
«Мы будем производить конформный композитный сосуд высокого давления для исследовательских дронов», — говорит Джагер. «Это сотрудничество между двумя отделами аэрокосмического и геодезического факультета ТУМ – LCC и факультетом вертолетных технологий (HT). Проект будет завершен к концу 2024 года, и в настоящее время мы завершаем строительство сосуда высокого давления. дизайн, который больше похож на аэрокосмический и автомобильный подход. После этой начальной стадии разработки следующим шагом будет выполнение детального структурного моделирования и прогнозирование барьерных характеристик стеновой конструкции».
«Вся идея состоит в том, чтобы разработать исследовательский дрон с гибридным топливным элементом и аккумуляторной двигательной установкой», — продолжил он. Он будет использовать батарею во время высоких нагрузок (т. е. взлета и посадки), а затем переключится на топливный элемент во время полета с небольшой нагрузкой. «Команда HT уже имела исследовательский дрон и перепроектировала трансмиссию, чтобы использовать как батареи, так и топливные элементы», — сказал Йегер. «Они также приобрели танк CGH2 для проверки этой трансмиссии».
«Моей команде было поручено создать прототип резервуара под давлением, который бы подходил, но не из-за проблем с упаковкой, которые могут возникнуть при использовании цилиндрического резервуара», — объясняет он. «Более плоский резервуар не обеспечивает такого сопротивления ветру. Так вы получите лучшие летные характеристики». Размеры бака ок. 830 х 350 х 173 мм.
Полностью термопластичный резервуар, соответствующий требованиям AFP. Для проекта HyDDen команда LCC в TUM первоначально исследовала подход, аналогичный тому, который использовал Glace (вверху), но затем перешла к подходу, использующему комбинацию нескольких структурных модулей, которые затем были чрезмерно использованы с использованием AFP (ниже). Изображение предоставлено: Технический университет Мюнхена LCC.
«Одна из идей похожа на подход Элизабет [Гляйсс], — говорит Ягер, — применять натяжные скобы к стенке сосуда, чтобы компенсировать высокие изгибающие силы. Однако вместо того, чтобы использовать процесс намотки для изготовления резервуара, мы используем AFP. Поэтому мы задумались о создании отдельной секции сосуда под давлением, в которую уже интегрированы стойки. Такой подход позволил мне объединить несколько таких интегрированных модулей, а затем применить торцевую крышку, чтобы герметизировать все перед окончательной намоткой AFP».
«Мы пытаемся доработать такую ​​концепцию, — продолжил он, — а также начать тестирование подбора материалов, что очень важно для обеспечения необходимой устойчивости к проникновению газа H2. Для этого мы в основном используем термопластические материалы и работаем над тем, как материал повлияет на характеристики проникновения и обработку в машине AFP. Важно понять, даст ли лечение эффект и потребуется ли какая-либо постобработка. Мы также хотим знать, повлияют ли различные трубы на проникновение водорода через сосуд высокого давления».
Резервуар будет полностью изготовлен из термопластика, а полоски поставит компания Teijin Carbon Europe GmbH (Вупперталь, Германия). «Мы будем использовать их материалы PPS (полифениленсульфид), PEEK (полиэфиркетон) и LM PAEK (полиарилкетон с низкой температурой плавления)», — сказал Ягер. «Затем проводится сравнение, чтобы определить, какой из них лучше всего подходит для защиты от проникновения и производства деталей с лучшими характеристиками». Он надеется завершить испытания, структурное и технологическое моделирование, а также провести первые демонстрации в течение следующего года.
Исследовательская работа проводилась в рамках модуля COMET «Polymers4Hydrogen» (ID 21647053) в рамках программы COMET Федерального министерства по изменению климата, окружающей среды, энергетики, мобильности, инноваций и технологий и Федерального министерства цифровых технологий и экономики. . Авторы выражают благодарность участвующим партнерам: Полимерному центру компетенции Leoben GmbH (PCCL, Австрия), Montanuniversitaet Leoben (факультет полимерной инженерии и науки, кафедра химии полимерных материалов, кафедра материаловедения и испытаний полимеров), Университету Тампере (инженерный факультет). Материалы). ) Science), Peak Technology и Faurecia внесли свой вклад в эту исследовательскую работу. COMET-Modul финансируется правительством Австрии и правительством земли Штирия.
Предварительно армированные листы для несущих конструкций содержат непрерывные волокна – не только из стекла, но также из углерода и арамида.
Существует множество способов изготовления составных деталей. Следовательно, выбор метода для конкретной детали будет зависеть от материала, конструкции детали и конечного использования или применения. Вот руководство по выбору.
Shocker Composites и R&M International разрабатывают цепочку поставок переработанного углеродного волокна, которая обеспечивает нулевой убой, более низкую стоимость, чем первичное волокно, и в конечном итоге будет предлагать длины, которые по структурным свойствам приближаются к непрерывному волокну.


Время публикации: 15 марта 2023 г.