Štandardné nádrže s plochou platformou pre BEV a FCEV používajú termoplastické a termosetové kompozity s konštrukciou kostry, ktorá poskytuje o 25% viac úložného priestoru H2. #Hydrogen #Trends
Po spolupráci s BMW ukázalo, že kubická nádrž môže priniesť vyššiu objemovú účinnosť ako viacero malých valcov, technická univerzita v Mníchove sa pustila do projektu na vývoj zloženej štruktúry a škálovateľného výrobného procesu pre sériovú výrobu. Obrazový kredit: TU Drážďany (hore) vľavo), Technická univerzita v Mníchove, Katedra uhlíkových kompozitov (LCC)
Elektrické vozidlá s palivovými článkami (FCEV) poháňané vodíkom s nulovým emisiou (H2) poskytujú ďalšie prostriedky na dosiahnutie nulových environmentálnych cieľov. Osobné vozidlo s palivovými článkami s motorom H2 môže byť vyplnené do 5-7 minút a má rozsah 500 km, ale v súčasnosti je drahší v dôsledku nízkych výrobných objemov. Jedným zo spôsobov, ako znížiť náklady, je použitie štandardnej platformy pre modely BEV a FCEV. To v súčasnosti nie je možné, pretože valcové nádrže typu 4 používané na skladovanie komprimovaného plynu H2 (CGH2) pri 700 baroch vo FCEV nie sú vhodné pre priehradky na batérie s podbinmi, ktoré boli starostlivo navrhnuté pre elektrické vozidlá. Tlakové nádoby vo forme vankúšov a kociek sa však zmestia do tohto plochého obalového priestoru.
Patent US5577630A pre „kompozitné konformné tlakové nádoby“, aplikácia podaná spoločnosťou Thiokol Corp. v roku 1995 (vľavo) a obdĺžnikové tlakové nádoby patentované spoločnosťou BMW v roku 2009 (vpravo).
Katedra uhlíkových kompozitov (LCC) Technickej univerzity v Mníchove (Tum, Mníchov, Nemecko) sa podieľa na dvoch projektoch na rozvoj tohto konceptu. Prvým je polymers4hydrogén (P4H), vedený Leobenským polymérnym kompetenčným centrom (PCCL, Leoben, Rakúsko). Pracovný balík LCC vedie kolegovia Elizabeth Glace.
Druhým projektom je demonštrácia a vývojové prostredie vodíka (Hydden), kde LCC vedie výskumný pracovník Christian Jaeger. Cieľom obaja je vytvoriť rozsiahlu demonštráciu výrobného procesu na výrobu vhodnej nádrže CGH2 pomocou kompozitov z uhlíkových vlákien.
Ak sú valce s malými priemermi inštalované v plochých batériových bunkách (vľavo) a tlakových nádobách typu 2, z oceľových vložiek a uhlíkových vlákien/epoxidového kompozitného vonkajšieho plášťa (vpravo) je obmedzená objemová účinnosť, keď sú valce s malými priemermi inštalované v platkových batériách (vľavo). Zdroj obrázka: Obrázky 3 a 6 pochádzajú z „Numerického návrhu prístupu pre nádobu typu II s vnútorným napätím“ RUF a Zaremba et al.
P4H vyrobil experimentálnu kockovú nádrž, ktorá používa termoplastický rám s kompozitnými napätými popruhmi/vzpery zabalenými do epoxidu zosilneného uhlíkovými vláknami. Hydden použije podobný dizajn, ale na výrobu všetkých termoplastických kompozitných nádrží použije automatické rozloženie vlákien (AFP).
Od patentovej aplikácie spoločnosti Thiokol Corp. po „zložené konformné tlakové plavidlo“ v roku 1995 po nemecký patent DE19749950c2 v roku 1997, komprimované plynové plavidlá „môžu mať nejakú geometrickú konfiguráciu“, ale najmä ploché a nepravidelné tvary, v dutine spojenej s podporou škrupiny. Prvky sa používajú, aby vydržali silu rozširovania plynu.
Príspevok Lawrence Livermore Livermore Livermore Livermore Laboratory (LLNL) opisuje tri prístupy: Vlákno Rana Konformná tlaková nádoba, mikrolattice tlaková nádoba obsahujúca vnútornú ortorombickú štruktúru mriežky (malé bunky s 2 cm alebo menej), obklopená tenkraným kontajnerom a kontajnerom replika krúžky) a zloženie tenkej kože vonkajšej škrupiny. Duplikáty kontajnerov sú najvhodnejšie pre väčšie nádoby, kde môžu byť ťažké uplatniť tradičné metódy.
Patent DE102009057170A podaný spoločnosťou Volkswagen v roku 2009 opisuje tlakové nádoby namontované na vozidle, ktoré poskytne vysokú hmotnosť účinnosť pri zlepšovaní využitia priestoru. Obdĺžnikové nádrže používajú napínacie konektory medzi dvoma pravouhlými opačnými stenami a rohy sú zaoblené.
Vyššie uvedené a ďalšie koncepty citujú Gleiss v papieri „Vývoj procesu pre kubické tlakové cievy s napínacími tyčami“ od Gleiss et al. na ECCM (26.-30. júna 2022, Lausanne, Švajčiarsko). V tomto článku cituje štúdiu TUM, ktorú uverejnili Michael Roof a Sven Zaremba, ktorá zistila, že kubická tlaková nádoba s napínacími vzperami spájajúcimi obdĺžnikové strany je účinnejšia ako niekoľko malých valcov, ktoré sa zmestia do priestoru plochej batérie, čo poskytuje približne o 25% viac. úložný priestor.
Podľa Gleissa je problém s inštaláciou veľkého počtu malých valcov typu 4 v plochom prípade, že „objem medzi valcami sa výrazne znižuje a systém má tiež veľmi veľký povrch presadzovania plynu H2.
Existujú však ďalšie problémy s kubickým dizajnom nádrže. "Je zrejmé, že kvôli komprimovanému plynu musíte pôsobiť proti ohybovým silám na plochých stenách," uviedol Gleiss. "Preto potrebujete zosilnenú štruktúru, ktorá sa interne spája so stenami nádrže. To je však ťažké s kompozitmi."
Glace a jej tím sa pokúsili začleniť posilňovacie napínacie tyče do tlakovej nádoby spôsobom, ktorý by bol vhodný pre proces vinutia vlákna. „Je to dôležité pre výrobu s vysokou objemom,“ vysvetľuje, „a tiež nám umožňuje navrhnúť vinutie vzorcov stien nádob, aby sa optimalizovala orientácia vlákien pre každé zaťaženie v zóne.“
Štyri kroky na vytvorenie skúšobnej kubickej kompozitnej nádrže pre projekt P4H. Image Credit: „Vývoj výrobného procesu pre kubické tlakové plavidlá s Brace“, Technická univerzita v Mníchove, projekt Polymers4hydrogen, ECCM20, jún 2022.
Na dosiahnutie reťazca tím vyvinul nový koncept pozostávajúci zo štyroch hlavných krokov, ako je uvedené vyššie. Napäté vzpery, znázornené čiernym na schodoch, sú prefabrikovanou štruktúrou rámcov vyrobenou pomocou metód prevzatých z projektu Mai Skelett. Pre tento projekt spoločnosť BMW vyvinula rámec čelného skla „rámca“ pomocou štyroch pultrusových tyčí vystužených vláknami, ktoré sa potom formovali do plastového rámu.
Rám experimentálnej kubickej nádrže. Hexagonálne kostrové sekcie 3D vytlačené pomocou TUM s použitím nereintovaného vlákna PLA (hore), vkladajú tyče CF/PA6 pultrúzne ako napínacie rovnátka (stredné) a potom ovinie vlákno okolo rovnátvica (dole). Obrazový kredit: Technická univerzita v Mníchove LCC.
"Ide o to, že môžete zostaviť rám kubickej nádrže ako modulárnu štruktúru," uviedol Glace. "Tieto moduly sa potom umiestnia do formovacieho nástroja, napínacie vzpery sa umiestnia do rámcových modulov a potom sa Mai Skelettova metóda používa okolo vzperov na ich integráciu s rámcovými časťami." Metóda hromadnej výroby, ktorá vedie k štruktúre, ktorá sa potom používa ako tŕň alebo jadro na zabalenie skladovacej nádrže kompozitu.
TUM navrhol rám nádrže ako kubický „vankúš“ s pevnými stranami, zaoblenými rohmi a šesťuholníkom na hornej a spodnej časti, cez ktorý je možné vložiť a pripevniť väzby. Otvory pre tieto stojany boli tiež 3D vytlačené. "Pre našu počiatočnú experimentálnu nádrž sme 3D vytlačili šesťuholníkové rezy rámcov pomocou kyseliny polylaktickej [PLA, termoplast na báze bio, pretože to bolo ľahké a lacné," uviedol Glace.
Tím kúpil 68 pultrudovaných tyčí polyamidu 6 (PA6) zo SGL Carbon (Meitingen, Nemecko) na použitie ako väzby. „Na testovanie koncepcie sme neurobili žiadne formovanie,“ hovorí Gleiss, „ale jednoducho vložili rozpery do 3D vytlačeného vošného jadra a prilepili ich epoxidovým lepidlom. Poznamenáva, že hoci sa tieto prúty relatívne ľahko vŕtajú, existujú niektoré významné problémy, ktoré budú opísané neskôr.
„V prvej fáze bolo naším cieľom preukázať výrobnú dizajn a identifikovať problémy v koncepcii výroby,“ vysvetlil Gleiss. „Napäté vzpery vyčnievajú z vonkajšieho povrchu kostrovej štruktúry a pripevňujeme uhlíkové vlákna k tomuto jadru pomocou vinutia mokrého vlákna, v treťom kroku, v treťom kroku, ohýbame hlavu každej kravaty. laminát na stenách.
Čiapka rozpery na vinutie. TUM používa plastové uzávery na koncoch napínacích tyčí, aby sa zabránilo zamotaniu vlákien počas vinutia vlákna. Obrazový kredit: Technická univerzita v Mníchove LCC.
Glace zopakoval, že tento prvý tank bol dôkazom koncepcie. „Použitie 3D tlače a lepidla bolo iba na počiatočné testovanie a poskytlo nám predstavu o niekoľkých problémoch, ktoré sme sa stretli, napríklad pri vinutí, vlákna boli zachytené koncami napínacích prútov, čo spôsobilo rozbitie vlákien, poškodenie vlákien a zníženie množstva vlákniny, ktoré sa nachádzajú. Boli vyrobené, odstránili sme tieto ochranné čiapky a pred konečným zabalením sme pretvorili konce stĺpov. “
Tím experimentoval s rôznymi scenármi rekonštrukcie. „Tí, ktorí sa rozhliadajú, pracujú najlepšie,“ hovorí Grace. „Počas fázy prototypov sme použili modifikovaný zvárací nástroj na nanášanie koncovky kravaty a v koncepcii hromadnej výroby by ste mali v rovnakom čase tvarovať a tvoriť všetky konce vzperov.
Hlavy červov sa pretvorili. TUM experimentoval s rôznymi koncepciami a upravil zvary, aby zarovnali konce kompozitných väzieb na pripevnenie laminátu steny nádrže. Image Credit: „Vývoj výrobného procesu pre kubické tlakové plavidlá s Brace“, Technická univerzita v Mníchove, projekt Polymers4hydrogen, ECCM20, jún 2022.
Laminát sa teda vylieči po prvom vinutí, stĺpiky sú pretvorené, TUM dokončí druhé vinutie vlákien a potom je vonkajšia vrstvová stena vyliečená druhýkrát. Upozorňujeme, že ide o dizajn nádrže typu 5, čo znamená, že nemá plastovú vložku ako plynovú bariéru. Pozri diskusiu v nasledujúcej časti krokov nižšie.
"Rozrezali sme prvé demo na prierezy a zmapovali sme pripojenú oblasť," uviedol Glace. "Detailný záber ukazuje, že sme mali nejaké kvalitné problémy s laminátom, pričom vzpery hlavy sa neliečili na laminát interiéru."
Riešenie problémov s medzerami medzi laminátom vnútornej a vonkajšej steny nádrže. Modifikovaná hlava kravaty vytvára medzeru medzi prvými a druhými zákrutami experimentálnej nádrže. Obrazový kredit: Technická univerzita v Mníchove LCC.
Tento počiatočný tank 450 x 290 x 80 mm bol dokončený minulý rok v lete. "Odvtedy sme dosiahli veľa pokroku, ale stále máme medzeru medzi vnútorným a vonkajším laminátom," uviedol Glace. "Pokúsili sme sa tieto medzery vyplniť čistou, vysokou viskozitou.
Tím pokračoval vo vývoji návrhu a procesu nádrže vrátane riešení pre požadovaný vzor vinutia. "Strany testovacej nádrže neboli úplne stočené, pretože pre túto geometriu bolo ťažké vytvoriť vinutie cesty," vysvetlil Glace. „Náš počiatočný uhol vinutia bol 75 °, ale vedeli sme, že na splnenie záťaže v tejto tlakovej nádobe sú potrebné viacero obvodov, ale so softvérom v súčasnosti na trhu nie je ľahké.
„Preukázali sme uskutočniteľnosť tohto výrobného konceptu,“ hovorí Gleiss, „ale musíme pracovať ďalej, aby sme zlepšili spojenie medzi laminátom a pretvorili kravaty„ externé testovanie na testovacom stroji. Vytiahnete rozpery z laminátu a otestujete mechanické zaťaženie, ktoré tieto kĺby vydržia. “
Táto časť projektu Polymers4hydrogen bude dokončená na konci roku 2023, do ktorého času Gleis dúfa, že dokončí druhú demonštračnú nádrž. Je zaujímavé, že vzory dnes používajú elegantné zosilnené termoplasty v rámci a termosetové kompozity v stenách nádrže. Bude sa tento hybridný prístup použiť v konečnej demonštračnej nádrži? "Áno," povedala Grace. „Naši partneri v projekte Polymers4Hydrogen vyvíjajú epoxidové živice a ďalšie materiály z kompozitnej matrice s lepšími vlastnosťami vodíkovej bariéry.“ Uvádza dvoch partnerov pracujúcich na tejto práci, PCCL a University of Tampere (Tampere, Fínsko).
Gleiss a jej tím si tiež vymenili informácie a diskutovali o nápadoch s Jaegerom o druhom projekte Hydden z LCC Conformal Composite Tank.
"Budeme produkovať konformné zložené tlakové nádoby pre výskumné bezpilotné lietadlá," hovorí Jaeger. „Je to spolupráca medzi dvoma oddeleniami leteckého a geodetického oddelenia TUM - LCC a technológia helikoptéry (HT) bude dokončená do konca roku 2024 a v súčasnosti dokončujeme tlakové plavidlo, ktoré je v rámci konštrukcie.
„Celá myšlienka je vyvinúť prieskumný robot s hybridným palivovým článkom a systémom pohonu batérie,“ pokračoval. Bude používať batériu počas vysokých napájaných zaťažení (tj vzlet a pristátie) a potom sa počas plavby ľahkého zaťaženia prepne na palivový článok. "Tím HT už mal výskumný robot a prepracoval hnaciu sústavu na používanie batérií aj palivových článkov," uviedol Yeager. "Kúpili tiež nádrž CGH2 na testovanie tohto prenosu."
"Môj tím bol poverený vybudovaním prototypu tlakovej nádrže, ktorý by sa zmestil, ale nie kvôli problémom s balením, ktoré by vytvoril valcový tank," vysvetľuje. "Lístnejší tank neponúka toľko odporu vetra. Takže získate lepší výkon letu." Rozmery nádrže cca. 830 x 350 x 173 mm.
Plne termoplastická nádrž na vyhovujúce AFP. Pokiaľ ide o projekt Hydden, tím LCC v TUM spočiatku skúmal podobný prístup, aký používa Glace (vyššie), ale potom sa presunul k prístupu pomocou kombinácie niekoľkých štrukturálnych modulov, ktoré sa potom nadmerne používali pomocou AFP (dole). Obrazový kredit: Technická univerzita v Mníchove LCC.
„Jedna myšlienka je podobná prístupu Elisabeth [Gleiss],“ hovorí Yager, „na to, aby sme použili napätie, aby sme mohli kompenzovať vysoké ohybové sily. Posledné vinutie AFP. “
„Snažíme sa dokončiť takúto koncepciu,“ pokračoval, „a tiež začne testovať výber materiálov, čo je veľmi dôležité na zabezpečenie potrebnej odolnosti proti prenikaniu plynu H2, ktoré je dôležité, aby sme v stroji AFP mohli pochopiť, ak bude mať vplyv na rôzne Prenikanie tlakovou nádobou. “
Tank bude úplne vyrobený z termoplastických a prúžky dodá Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Nemecko). "Budeme používať ich materiály PPS [polyfenylénsulfid], Peek [Polyether ketón] a LM Paek [nízko topiaci sa polyaryl ketón]," uviedol Yager. "Potom sa porovnávajú, aby sa zistilo, ktorý z nich je najlepší na ochranu penetrácie a výrobu dielov s lepším výkonom." Dúfa, že v budúcom roku dokončí testovanie, štrukturálne a procesné modelovanie a prvé demonštrácie.
Výskumná práca sa vykonala v rámci kométkového modulu „Polymers4Hydrogen“ (ID 21647053) v rámci programu COMET federálneho ministerstva pre zmenu klímy, životné prostredie, energetiku, mobilitu, inovácie a technológie a federálne ministerstvo digitálnych technológií a ekonómie. . Autori ďakujú zúčastneným centrom polymérových kompetencií Poltners Leoben GmbH (PCCL, Rakúsko), Montaniversitaet Leoben (Fakulta polymérneho inžinierstva a vedy, Katedra chémie polymérnych materiálov, Katedra materiálov vied a testovania polyméru), University of Tampere (Fakulta inžinierskych materiálov). ) Science), Peak Technology a Faurecia prispeli k tejto výskumnej práci. Comet-Modul je financovaný vládou Rakúska a vláda štátu STYRIA.
Vopred vyradené listy pre štruktúry nesúce zaťaženie obsahujú kontinuálne vlákna-nielen zo skla, ale aj z uhlíka a aramid.
Existuje mnoho spôsobov, ako vyrobiť kompozitné diely. Preto výber metódy pre konkrétnu časť bude závisieť od materiálu, konštrukcie časti a konečného použitia alebo aplikácie. Tu je sprievodca výberom.
Shocker Composites a R&M International vyvíjajú recyklovaný dodávateľský reťazec z uhlíkových vlákien, ktorý poskytuje nulové zabíjanie, nižšie náklady ako panenské vlákno a nakoniec ponúknu dĺžky, ktoré priblížia kontinuálne vlákniny v štrukturálnych vlastnostiach.
Čas príspevku: mar-15-2023