Стандартные плоские платформенные резервуары для BEV и FCEV используют термопластичные и термостные композиты с конструкцией скелета, которая обеспечивает на 25% больше H2. #hydrogen #trends
После того, как сотрудничество с BMW показало, что кубический резервуар может обеспечить более высокую объемную эффективность, чем несколько небольших цилиндров, Технический университет Мюнхена начал проект по разработке композитной структуры и масштабируемого производственного процесса для серийного производства. Изображение предоставлено: Ту Дрезден (вверху) слева), Технический университет Мюнхена, Департамент углеродных композитов (LCC)
Электромобили с топливными элементами (FCEV), работающие на водороде с нулевым уровнем выбросов (H2), обеспечивают дополнительные средства для достижения нулевых экологических целей. Пассажирский автомобиль с топливным элементом с двигателем H2 может быть заполнен за 5-7 минут и имеет диапазон 500 км, но в настоящее время более дорогостоящий из-за низких объемов производства. Одним из способов снижения затрат является использование стандартной платформы для моделей BEV и FCEV. В настоящее время это невозможно, потому что цилиндрические резервуары типа 4, используемые для хранения сжатого газа H2 (CGH2) при 700 бар в FCEV, не подходят для батарейных отсеков для флеза, которые были тщательно разработаны для электромобилей. Тем не менее, сосуды под давлением в виде подушек и кубиков могут вписаться в это плоское пространство упаковки.
Патент US5577630A для «композитного конформного сосуда давления», заявление Thiokol Corp. в 1995 году (слева) и прямоугольное сосуд давления, запатентованное BMW в 2009 году (справа).
Департамент углеродных композитов (LCC) Технического университета Мюнхена (ТУМ, Мюнхен, Германия) участвует в двух проектах для разработки этой концепции. Первым является Polymers4hydrogen (P4H), возглавляемый Центром компетенции Leoben Polymer (PCCL, Leoben, Austria). Рабочий пакет LCC возглавляет коллега Элизабет Глейс.
Второй проект - это среда демонстрации и развития водорода (Hydden), где LCC возглавляет исследователь Кристиан Jaeger. Оба направлены на создание крупномасштабной демонстрации производственного процесса для создания подходящего резервуара CGH2 с использованием композитов из углеродного волокна.
Существует ограниченная объемная эффективность, когда цилиндры малого диаметра установлены в плоских батарейных ячечах (слева) и кубических сосудах давления 2 из стальных вкладышей и углеродного волокна/эпоксидного композитного оболочки (справа). Источник изображения: Рисунки 3 и 6 взяты из «Подход численного проектирования для сосуда давления II типа с внутренними ногами натяжения» от Ruf и Zaremba et al.
P4H имеет изготовление экспериментального кубического резервуара, в котором используется термопластичная рама с композитными натяжными ремнями/стойками, обернутыми в эпоксидную смолу, усиленную углеродным волокном. Hydden будет использовать аналогичную конструкцию, но будет использовать автоматическое укладку волокна (AFP) для изготовления всех термопластичных композитных резервуаров.
От патентного заявления Thiokol Corp. до «композитного конформного сосуда давления» в 1995 году до немецкого патентного патента DE19749950C2 в 1997 году сжатые газовые сосуды «могут иметь какую -либо геометрическую конфигурацию», но особенно плоские и нерегулярные формы, в полости, связанной с поддержкой оболочки. Элементы используются так, чтобы они могли противостоять силе расширения газа.
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 rings) и композиция тонкой внешней кожи оболочки. Дублирующие контейнеры лучше всего подходят для более крупных контейнеров, где можно применять традиционные методы.
Патент DE102009057170A, поданный Volkswagen в 2009 году, описывает суда, установленное на транспортном средстве, которые обеспечат высокую эффективность веса при повышении использования пространства. Прямоугольные резервуары используют разъемы натяжения между двумя прямоугольными противоположными стенами, а углы округлены.
Вышеупомянутые и другие концепции цитируются Gleiss в статье «Разработка процесса для кубических сосудов давления с растяжениями» Gleiss et al. в ECCM20 (26-30 июня 2022 года, Лозанна, Швейцария). В этой статье она цитирует исследование TUM, опубликованное Майклом Рурова и Свена Зарембы, которое обнаружило, что кубический сосуд с давлением с натяжными стойками, соединяющими прямоугольные стороны, более эффективен, чем несколько небольших цилиндров, которые вписываются в пространство плоской батареи, обеспечивая примерно на 25% больше. место для хранения.
По словам Глейсса, проблема с установкой большого количества цилиндров малого типа 4 в плоском случае заключается в том, что «объем между цилиндрами значительно уменьшается, и система также имеет очень большую поверхность проникновения газа H2. В целом, система обеспечивает меньшую емкость для хранения, чем кубические банки».
Тем не менее, есть и другие проблемы с кубическим дизайном танка. «Очевидно, что из -за сжатого газа вам необходимо противодействовать изгибающим силам на плоских стенах», - сказал Глейсс. «Для этого вам нужна усиленная структура, которая внутри соединяется с стенами танка. Но это трудно сделать с композитами».
Глейс и ее команда пытались включить усиливающие натяжные стержни в сосуд давления таким образом, чтобы это было бы подходящим для процесса обмотки накаливания. «Это важно для масштабного производства,-объясняет она,-а также позволяет нам разрабатывать паттерн обмотки стен контейнера для оптимизации ориентации волокна для каждой нагрузки в зоне».
Четыре шага, чтобы сделать пробный кубический композитный бак для проекта P4H. Кредит изображения: «Разработка производственного процесса для кубических судов давления с скобкой», Технический университет Мюнхена, Polymers4hydrogen Project, ECCM20, июнь 2022 года.
Чтобы достичь цепь, команда разработала новую концепцию, состоящую из четырех основных шагов, как показано выше. Натяжные стойки, показанные в черном на ступеньках, представляют собой сборную структуру рамы, изготовленную с использованием методов, взятых из проекта Mai Skelett. Для этого проекта BMW разработал раму лобового стекла «рамки» с использованием четырех пультрузированных стержней с волокнами, которые затем были отлиты в пластиковую раму.
Рама экспериментального кубического танка. Гексагональные скелетные секции 3D напечатаны TUM с использованием неармированного нити PLA (вверху), вставки пультрузированных стержней CF/PA6 в качестве натяжных брекетов (в середине), а затем обертывая нить вокруг скобки (внизу). ИЗОБРАЖЕНИЕ: Технический университет Мюнхена LCC.
«Идея состоит в том, что вы можете построить раму кубического резервуара в качестве модульной структуры», - сказал Глейс. «Эти модули затем помещаются в формовочный инструмент, стойки натяжения помещаются в рамные модули, а затем метод Май Скелетт используется вокруг стойки для интеграции их с частями рамы». Метод массового производства, в результате которого приводит к структуре, которая затем используется в качестве оправки или ядра для обертывания композитной оболочки резервуара для хранения.
TUM разработал рамку бака в виде кубической «подушки» с твердыми сторонами, округленными углами и гексагональным рисунком сверху и снизу, через которые можно вставить и прикрепить галстуки. Отверстия для этих стойков также были 3D -печатными. «Для нашего первоначального экспериментального резервуара мы с 3D-печатными шестиугольными рамами с использованием полилактуальной кислоты [PLA, термопластика на основе биоа на основе биоа на основе биоизоля], потому что это было просто и дешево»,-сказал Глейс.
Команда приобрела 68 пультрудированных углеродных волокно -армированных полиамидных 6 (PA6) стержней у SGL Carbon (Meitingen, Германия) для использования в качестве связей. «Чтобы проверить концепцию, мы не делали литью, - говорит Глейсс, - но просто вставил проставки в 3D -печатную каркасную раму ядра и приклеил их с помощью эпоксидного клея. Она отмечает, что, хотя эти стержни относительно просты в ветре, есть некоторые существенные проблемы, которые будут описаны позже.
«На первом этапе наша цель состояла в том, чтобы продемонстрировать производительность проектирования и выявить проблемы в концепции производства», - пояснил Глейсс. «Таким образом, стойки натяжения выступают от внешней поверхности скелетной структуры, и мы прикрепляем углеродные волокна к этому сердечнику, используя обмотку мокрой нити. После этого на третьем этапе мы сгибаем головку каждого повязки. Термопластика, поэтому мы просто используем тепло, чтобы изменить головку, так что она сжимается и блокируется в первый слой. Ламинат на стенах.
Пространство крышка для обмотки. TUM использует пластиковые крышки на концах натяжных стержней, чтобы предотвратить запутанные волокна во время обмотки нити. ИЗОБРАЖЕНИЕ: Технический университет Мюнхена LCC.
Глейс повторил, что этот первый танк был доказательством концепции. «Использование 3D -печать и клея было только для первоначального тестирования и дало нам представление о некоторых проблемах, с которыми мы столкнулись. Сделано, мы удалили эти защитные колпачки и изменили концы полюсов перед окончательной упаковкой ».
Команда экспериментировала с различными сценариями реконструкции. «Те, кто оглядывается вокруг, работают лучше всего», - говорит Грейс. «Кроме того, на этапе прототипирования мы использовали модифицированный свартельный инструмент для применения тепла и изменить концы сцепления.
Резумия головы изменились. TUM экспериментировал с различными понятиями и модифицировал сварные швы, чтобы выровнять концы композитных связей для прикрепления к ламинату стенки бака. Кредит изображения: «Разработка производственного процесса для кубических судов давления с скобкой», Технический университет Мюнхена, Polymers4hydrogen Project, ECCM20, июнь 2022 года.
Таким образом, ламинат вылечивается после первого этапа обмотки, столбы изменяются, TUM завершает вторую обмотку филаментов, а затем ламинат наружной стенки бака вылечивается во второй раз. Обратите внимание, что это конструкция бака типа 5, что означает, что он не имеет пластикового лайнера в качестве газового барьера. Смотрите обсуждение в разделе «Следующие шаги» ниже.
«Мы разрезали первую демонстрацию в поперечные сечения и нанесли на карту подключенную область», - сказал Глейс. «Крупный план показывает, что у нас были некоторые проблемы с качеством с ламинатом, причем головки стойки не лежали на внутреннем ламинате».
Решение проблем с зазорами между ламинатом внутренних и внешних стен резервуара. Модифицированная головка сцепления создает зазор между первым и вторым поворотами экспериментального бака. ИЗОБРАЖЕНИЕ: Технический университет Мюнхена LCC.
Этот начальный бак 450 x 290 x 80 мм был завершен прошлым летом. «С тех пор мы добились большого прогресса, но у нас все еще есть разрыв между внутренним и внешним ламинатом», - сказал Глейс. «Таким образом, мы попытались заполнить эти пробелы чистой, высокой смолой вязкости.
Команда продолжала разрабатывать дизайн и процесс бака, включая решения для желаемой модели обмотки. «Стороны испытательного резервуара не были полностью скручены, потому что этой геометрии было трудно создать обмотку», - объяснил Глейс. «Наш первоначальный угол обмотки составил 75 °, но мы знали, что для выполнения нагрузки в этом сосуде давления необходимо несколько цепей, но мы все еще ищем решение этой проблемы.
«Мы продемонстрировали осуществимость этой концепции производства, - говорит Глейсс, - но нам нужно дальше работать над улучшением связи между ламинатом и изменением завязки.« Внешнее тестирование на тестировании. Вы вытаскиваете проставки из ламината и проверяете механические нагрузки, которые эти суставы могут противостоять ».
Эта часть проекта Polymers4Hydrogen будет завершена в конце 2023 года, в то время как Глейс надеется завершить второй демонстрационный резервуар. Интересно, что в проектах сегодня используются аккуратные армированные термопластики в рамках и терморетсковых композитах в стенках бака. Будет ли этот гибридный подход использоваться в конечном демонстрационном резервуаре? «Да», сказала Грейс. «Наши партнеры в проекте Polymers4Hydrogen разрабатывают эпоксидные смолы и другие материалы композитной матрицы с лучшими свойствами водородных барьеров». Она перечисляет двух партнеров, работающих над этой работой, PCCL и Университетом Тампер (Тампер, Финляндия).
Глейсс и ее команда также обменивались информацией и обсудили идеи с Jaeger на втором проекте Hydden из Confortmal Composite Tank LCC.
«Мы будем производить конформный сосуд составного давления для исследовательских беспилотников», - говорит Джегер. «Это сотрудничество между двумя отделами аэрокосмического и геодезического отделения TUM - LCC и Департамента технологии вертолета (HT).
«Вся идея состоит в том, чтобы разработать исследовательский беспилотник с гибридным топливным элементом и двигательной системой аккумулятора», - продолжил он. Он будет использовать аккумулятор во время высоких нагрузок (то есть взлета и посадка), а затем переключается на топливный элемент во время круиза с легкой нагрузкой. «У команды HT уже был исследовательский беспилотник и переработала трансмиссию, чтобы использовать как батареи, так и топливные элементы», - сказал Йегер. «Они также приобрели резервуар CGH2 для проверки этой передачи».
«Моей команде было поручено создать прототип бака давления, который подходит, но не из -за проблем с упаковкой, которые создаст цилиндрический резервуар», - объясняет он. «Бесстойкий резервуар не оказывает столько же сопротивления ветра. Так что вы получаете лучшие результаты полета». Размеры бака ок. 830 x 350 x 173 мм.
Полностью термопластичный AFP -соответствующий резервуар. Для проекта Hydden команда LCC в TUM первоначально исследовала аналогичный подход, который использовался Glace (выше), но затем перешла к подходу, используя комбинацию нескольких структурных модулей, которые затем использовались с использованием AFP (ниже). ИЗОБРАЖЕНИЕ: Технический университет Мюнхена LCC.
«Одна идея аналогична подходу Элизабет [Глейсса], - говорит Ягер, - для применения натяжных скобков на стену сосуда для компенсации сил с высоким изгибом. Однако вместо того, чтобы использовать процесс обмотки для создания резервуара, мы используем AFP. Поэтому мы думали о создании отдельного секции суда давления, в котором настолько не интегрированы, и тогда они не интегрированы. AFP обмотка ».
«Мы пытаемся завершить такую концепцию,-продолжил он,-и также начинает тестировать выбор материалов, что очень важно для обеспечения необходимой устойчивости к проникновению газа H2, мы в основном используем термопластичные материалы и работают над различным, как материал будет влиять на этот поведение и обработку в AFP. судно давления ».
Танк будет полностью изготовлен из термопластики, а полоски будут поставляться Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Германия). «Мы будем использовать их PPS [полифениленсульфид], Peek [Polyether Ketone] и LM Paek [низкий плавильный полиарил -кетон]», - сказал Ягер. «Затем сравниваются, чтобы увидеть, какой из них лучше всего подходит для защиты от проникновения и производства деталей с лучшей производительностью». Он надеется завершить тестирование, структурное моделирование и моделирование процессов и первые демонстрации в течение следующего года.
Исследовательская работа была проведена в модуле COMET «Polymers4Hydrogen» (ID 21647053) в рамках программы COMET Федерального министерства изменения климата, окружающей среды, энергии, мобильности, инноваций и технологий и Федерального министерства цифровых технологий и экономики. Полем Авторы благодарят участвующим партнерам, Центр компетенции полимерной компетенции Leoben GmbH (PCCL, Австрия), Монтануниверсит -Леобен (факультет полимерного инженерии и науки, Департамент химии полимерных материалов, Департамент материаловых наук и тестирования полимеров), Университет Тампер (факультет инженерных материалов). ) Наука), пиковые технологии и Faurecia внесли свой вклад в эту исследовательскую работу. Comet-Modul финансируется правительством Австрии и правительством штата Стирия.
Предоштательные листы для несущих конструкций содержат непрерывные волокна-не только из стекла, но и из углерода и арамида.
Есть много способов сделать составные части. Следовательно, выбор метода для конкретной части будет зависеть от материала, конструкции детали и конечного использования или применения. Вот руководство по выбору.
Shocker Composites и R & M International разрабатывают переработанную цепочку поставок углеродного волокна, которая обеспечивает нулевую бойню, более низкую стоимость, чем девственное волокно, и в конечном итоге предлагает длины, которые приближаются к непрерывной клетчатке в структурных свойствах.
Пост времени: марта 15-2023