Standardni rezervoarji za ravno platformo za BEV in FCEV uporabljajo termoplastične in termosetne kompozite s konstrukcijo skeleta, ki zagotavlja 25% več shranjevanja H2. #Hydrogen #rends
Po sodelovanju z BMW je pokazal, da bi kubični rezervoar lahko zagotovil večjo volumetrično učinkovitost kot več majhnih jeklenk, se je tehnična univerza v Münchnu lotila projekta za razvoj sestavljene strukture in razširljivega proizvodnega procesa za serijsko proizvodnjo. Kredit za sliko: Tu Dresden (zgoraj), Tehnična univerza v Münchnu, Oddelek za ogljikove kompozite (LCC)
Električna vozila z gorivnimi celicami (FCEV), ki jih poganja vodik z ničelno emisijo (H2), zagotavljajo dodatna sredstva za doseganje ničelnih okoljskih ciljev. Potniški avtomobil z gorivno celico z motorjem H2 lahko napolnite v 5-7 minutah in ima razpon 500 km, trenutno pa je dražji zaradi nizke količine proizvodnje. Eden od načinov za zmanjšanje stroškov je uporaba standardne platforme za modele BEV in FCEV. To trenutno ni mogoče, ker cilindrični rezervoarji tipa 4, ki se uporabljajo za shranjevanje stisnjenega plina H2 (CGH2) pri 700 baru v FCEV, niso primerni za predelke podvozja, ki so bili skrbno zasnovani za električna vozila. Vendar pa se lahko tlačna posoda v obliki blazin in kock prilegajo v ta ploščat embalažni prostor.
Patent US5577630A Za „kompozitno konformno tlačno posodo“, aplikacijo, ki jo je leta 1995 vložil Thiokol Corp. in pravokotno tlačno posodo, ki jo je BMW patentiral leta 2009 (desno).
Oddelek za ogljikove kompozite (LCC) tehnične univerze v Münchnu (Tum, München, Nemčija) je vključen v dva projekta za razvoj tega koncepta. Prvi je Polymers4Hydrogen (P4H), ki ga vodi Leoben Polymer Crewececy Center (PCCL, Leoben, Avstrija). Delovni paket LCC vodi kolega Elizabeth Glace.
Drugi projekt je okolje za demonstracijo in razvoj vodika (Hydden), kjer LCC vodi raziskovalec Christian Jaeger. Oba si prizadevata ustvariti obsežen prikaz proizvodnega procesa za izdelavo primernega rezervoarja CGH2 z uporabo kompozitov iz ogljikovih vlaken.
Obstaja omejena volumetrična učinkovitost, kadar so cilindri majhnega premera nameščeni v ravnih baterijskih celicah (levo) in kubičnih tlačnih posodah tipa 2 iz jeklenih oblog in zunanje lupine iz ogljikovih vlaken/epoksi sestavljenih (desno). Vir slike: Slike 3 in 6 sta iz "Numeričnega oblikovalskega pristopa za žilo za tlačno škatlo tipa II z notranjimi napenjalnimi nogami" RUF in Zaremba et al.
P4H je izdelal eksperimentalni rezervoar za kocke, ki uporablja termoplastični okvir s sestavljenimi napenjalnimi trakovi/oporniki, ovitimi v epoksid, ojačano z ogljikovimi vlakni. Hydden bo uporabil podobno zasnovo, vendar bo za izdelavo vseh termoplastičnih kompozitnih rezervoarjev uporabil samodejno postavitev vlaken (AFP).
Od patentne prijave Thiokol Corp. do "sestavljene konformne tlačne posode" leta 1995 do nemškega patenta DE19749950C2 leta 1997 imajo kompresirane plinske posode "lahko kakršno koli geometrijsko konfiguracijo", predvsem pa ravne in nepravilne oblike, v votlini, povezani s podporo lupin . Elementi se uporabljajo tako, da lahko prenesejo silo širitve plina.
Nacionalni laboratorij Lawrence Livermore iz leta 2006 (LLNL) opisuje tri pristope: filamentna konformna tlačna posoda, tlačna posoda za mikropolatko, ki vsebuje notranjo ortorhombično rešetko (majhne celice 2 cm ali manj), obkrožene s tankosti H2 vsebnik, H2, ki je bila tankostana H2,? in posoda za replikator, sestavljena iz notranje strukture, sestavljene iz zalepljenih majhnih delov (npr. Šesterokotni plastični obroči) in a Sestava tanke zunanje lupine. Podvojene zabojnike so najbolj primerne za večje zabojnike, kjer je tradicionalne metode težko uporabiti.
Patent DE102009057170A, ki ga je leta 2009 vložil Volkswagen, opisuje tlačno plovilo, nameščeno na vozilu, ki bo zagotovilo visoko učinkovitost teže, hkrati pa izboljšal uporabo prostora. Pravokotni rezervoarji uporabljajo napenjalne konektorje med dvema pravokotnima nasprotnima stenama, vogali pa so zaobljeni.
Zgornje in druge koncepte navaja Gleiss v prispevku "Razvoj procesov za kubične tlačne žile z raztegljivimi palicami" Gleiss in sod. na ECCM20 (26. in 30. junij 2022, Losanne, Švica). V tem članku navaja študijo TUM, ki sta jo objavila Michael Roof in Sven Zaremba, ki je ugotovila, da je kubična tlačna posoda z napetostnimi oporniki, ki povezujejo pravokotne strani % več. Skladiščenje prostora.
Po mnenju Gleissa je težava z namestitvijo velikega števila majhnih cilindrov tipa 4 v ravnem ohišju ta, da se "prostornina med jeklenkami močno zmanjša, sistem pa ima tudi zelo veliko površino prepustnosti plina H2. Na splošno sistem zagotavlja manj zmogljivosti za shranjevanje kot kubični kozarci. "
Vendar pa obstajajo tudi druge težave s kubičnim dizajnom rezervoarja. "Očitno morate zaradi stisnjenega plina preprečiti upogibne sile na ravnih stenah," je dejal Gleiss. "Za to potrebujete armirano strukturo, ki se notranje poveže s stenami rezervoarja. Toda to je težko storiti s kompoziti. "
Glace in njena ekipa sta poskušala v tlačno posodo vključiti ojačitvene napetostne palice na način, ki bi bil primeren za postopek navijanja filamentov. "To je pomembno za proizvodnjo velikega obsega," pojasnjuje, "in nam omogoča tudi, da oblikujemo vzorec navijanja sten posode za optimizacijo orientacije vlaken za vsako obremenitev v coni."
Štirje koraki za izdelavo poskusnega kubičnega sestavljenega rezervoarja za projekt P4H. Kredit za sliko: „Razvoj proizvodnega procesa za kubične tlačne posode z zapestnico“, Tehnična univerza v Münchnu, projekt Polymers4Hydrogen, ECCM20, junij 2022.
Za dosego verige je ekipa razvila nov koncept, sestavljen iz štirih glavnih korakov, kot je prikazano zgoraj. Napetostne opornice, prikazane v črni barvi na stopnicah, so montažna struktura okvirja, izdelana z uporabo metod, odvzetih iz projekta Mai Skelett. Za ta projekt je BMW razvil okvir vetrobranskega okvira "Okvir" z uporabo štirih vlaknin, ojačenih z vlakninami, ki so bile nato oblikovane v plastični okvir.
Okvir eksperimentalnega kubičnega rezervoarja. Šesterokotni skeletni odseki 3d, natisnjeni s tum z neurejenimi PLA nitkami (zgoraj), vstavijo pultrizivne palice CF/PA6 kot napetostne naramnice (sredina) in nato ovijejo nitko okoli naramnic (spodaj). Kredit za sliko: Tehnična univerza v Münchnu LCC.
"Ideja je, da lahko okvir kubičnega rezervoarja sestavite kot modularno strukturo," je dejal Glace. "Ti moduli so nato nameščeni v orodju za oblikovanje, napetostne opornice so nameščene v okvirne module, nato pa se metoda Mai Skelett uporablja okoli opornic, da jih integrira z deli okvirja." Metoda množične proizvodnje, kar ima za posledico strukturo, ki se nato uporabi kot mandrel ali jedro za zavijanje skladiščne kompozitne lupine.
Tum je okvir rezervoarja zasnoval kot kubično "blazino" s trdnimi stranicami, zaobljenimi vogali in šesterokotnim vzorcem na vrhu in na dnu, skozi katerega je mogoče vstaviti in pritrditi vezi. Luknje za te stojala so bile tudi 3D natisnjene. "Za naš začetni eksperimentalni rezervoar smo 3D natisnili šesterokotne odseke okvirja z uporabo polilaktične kisline [PLA, bio-termoplastike na biološki osnovi], ker je bilo enostavno in poceni," je dejal Glace.
Ekipa je kupila 68 pultrudiranih palic, ojačanih s poliamidom 6 (PA6) iz SGL ogljika (Meitingen, Nemčija), za uporabo kot vezi. "Da bi preizkusili koncept, nismo naredili nobenega oblikovanja," pravi Gleiss, "vendar je preprosto vstavil distančnike v 3D -tiskani okvir satja in jih prilepil z epoksidnim lepilom. To nato zagotovi platen za navijanje rezervoarja. " Opozarja, da čeprav je te palice razmeroma enostavno navijati, obstaja nekaj pomembnih težav, ki jih bomo opisali pozneje.
"Na prvi stopnji je bil naš cilj pokazati proizvodnjo zasnove in prepoznati težave v konceptu proizvodnje," je pojasnil Gleiss. "Tako napetostne opornice štrlijo z zunanje površine skeletne strukture in na to jedro pritrdimo ogljikova vlakna z navijanjem mokrega nitka. Po tem v tretjem koraku upognemo glavo vsake palice. Termoplastika, zato samo s toploto preoblikujemo glavo, tako da se splošči in zaklene v prvo plast zavijanja. Nato spet zavijemo konstrukcijo, tako da je ploščata glava potiska geometrijsko zaprta znotraj rezervoarja. laminat na stenah.
Distančni pokrov za navijanje. Tum uporablja plastične pokrovčke na koncih napenjalnih palic, da prepreči, da bi se vlakna med navijinim nitjem zapletla. Kredit za sliko: Tehnična univerza v Münchnu LCC.
Glace je ponovil, da je bil ta prvi rezervoar dokaz koncepta. »Uporaba 3D -tiskanja in lepila je bila samo za začetno testiranje in nam je dala predstavo o nekaj težavah, ki smo jih srečali. Na primer, med navijanjem so filamente ujeli konci napenjalnih palic, kar je povzročilo lomljenje vlaken, poškodbe vlaken in zmanjšanje količine vlaken za preprečevanje tega. Nekaj plastičnih pokrovčkov smo uporabili kot proizvodne pripomočke, ki so bili nameščeni na drogovih pred prvim korakom navitja. Potem smo, ko so bili izdelani notranji laminati, odstranili te zaščitne kapice in pred končnim zavitkom preoblikovali konce polov. "
Ekipa je eksperimentirala z različnimi scenariji obnove. "Tisti, ki najbolje gledajo na delo," pravi Grace. "Tudi med fazo prototipov smo uporabili spremenjeno varilno orodje za nanašanje toplote in preoblikovanje koncev kravate. V konceptu množične proizvodnje bi imeli eno večje orodje, ki lahko hkrati oblikuje in oblikuje vse konce opornic v notranje končni laminat. . "
Preoblikovane glave vlečne palice. Tum je eksperimentiral z različnimi koncepti in spremenil zvare, da bi poravnal konce sestavljenih vezi za pritrditev na laminat stene rezervoarja. Kredit za sliko: „Razvoj proizvodnega procesa za kubične tlačne posode z zapestnico“, Tehnična univerza v Münchnu, projekt Polymers4Hydrogen, ECCM20, junij 2022.
Tako je laminat ozdravljen po prvem koraku navitja, prestave so pretvorjene, tum zaključi drugo navijanje nitk, nato pa se drugič ozdravi zunanji stenski laminat. Upoštevajte, da je to zasnova rezervoarja tipa 5, kar pomeni, da nima plastične obloge kot plinske ovire. Oglejte si razpravo v spodnjem razdelku o naslednjih korakih.
"Prvo demo presekamo na preseke in preslikali povezano območje," je dejal Glace. "Od blizu kaže, da smo imeli nekaj kakovostnih težav z laminatom, pri čemer so glave opornice na notranjosti laminata niso ležale."
Reševanje težav z vrzeli med laminatom notranje in zunanje stene rezervoarja. Spremenjena glava kravate palice ustvari vrzel med prvim in drugim zavojem eksperimentalnega rezervoarja. Kredit za sliko: Tehnična univerza v Münchnu LCC.
Ta začetni rezervoar 450 x 290 x 80 mm je bil dokončan lani poleti. "Od takrat smo dosegli veliko napredka, vendar imamo še vedno vrzel med notranjim in zunanjim laminatom," je dejal Glace. "Tako smo poskušali te vrzeli napolniti s čisto, visoko viskoznostjo. To dejansko izboljša povezavo med čepki in laminatom, kar močno poveča mehanski stres. "
Ekipa je še naprej razvijala oblikovanje in postopek rezervoarja, vključno z rešitvami za želeni vzorec navijanja. "Strani testnega rezervoarja niso bile popolnoma zvite, ker je bilo za to geometrijo težko ustvariti vijugasto pot," je pojasnil Glace. "Naš začetni kot navitja je bil 75 °, vendar smo vedeli, da je potrebno več vezij, da bi dosegli obremenitev v tej tlačni posodi. Še vedno iščemo rešitev za to težavo, vendar s programsko opremo, ki je trenutno na trgu, ni enostavno. Lahko postane nadaljnji projekt.
"Dokazali smo izvedljivost tega koncepta proizvodnje," pravi Gleiss, "vendar moramo še naprej prizadevati za izboljšanje povezave med laminatom in preoblikovati kravate palice. »Zunanje testiranje na preskusnem stroju. Izvlečete distančnike iz laminata in preizkusite mehanske obremenitve, ki jih lahko zdržijo ti sklepi. "
Ta del projekta Polymers4Hydrogen bo končan konec leta 2023, do takrat pa Gleis upa, da bo dokončal drugi demonstracijski rezervoar. Zanimivo je, da danes modeli uporabljajo lepo ojačano termoplastiko v okvirju in termosetskih kompozitih v stenah rezervoarja. Se bo ta hibridni pristop uporabil v končnem demonstracijskem rezervoarju? "Da," je rekla Grace. "Naši partnerji v projektu Polymers4Hydrogen razvijajo epoksidne smole in druge sestavljene matrične materiale z boljšimi lastnostmi vodikove pregrade." Navaja dva partnerja, ki delata na tem delu, PCCL in Univerza v Tampereju (Tampere, Finska).
Gleiss in njena ekipa sta prav tako izmenjala informacije in z Jaegerjem razpravljala o idejah o drugem projektu Hydden iz konformnega kompozitnega rezervoarja LCC.
"Za raziskovalne drone bomo izdelali konformno kompozitno tlačno posodo," pravi Jaeger. "To je sodelovanje med obema oddelkoma vesoljskega in geodetskega oddelka za Tum - LCC in oddelkom za helikoptersko tehnologijo (HT). Projekt bo končan do konca leta 2024 in trenutno zaključujemo tlačno plovilo. zasnova, ki je bolj vesoljski in avtomobilski pristop. Po tej začetni konceptni fazi je naslednji korak izvedba podrobnega strukturnega modeliranja in napovedovanje pregradne zmogljivosti stenske strukture. "
"Celotna ideja je razviti raziskovalno dron s hibridnim sistemom gorivne celice in baterijskega pogona," je nadaljeval. Uporabljala bo baterijo med velikimi obremenitvami (tj. Vzleči se in pristajanja) in nato med križarjenjem po lahki obremenitvi preklopila na gorivno celico. "Ekipa HT je že imela raziskovalni dron in je preoblikovala pogonski sklop, da bi uporabljala tako baterije kot gorivne celice," je dejal Yeager. "Za testiranje tega prenosa so kupili tudi rezervoar CGH2."
"Moja ekipa je bila zadolžena za izgradnjo prototipa tlačnega rezervoarja, ki bi ustrezal, vendar ne zaradi težav z embalažo, ki bi jih ustvaril cilindrični rezervoar," pojasnjuje. "Laskavi rezervoar ne ponuja toliko vetra. Torej dobite boljše delovanje leta. " Dimenzije rezervoarjev približno. 830 x 350 x 173 mm.
Popolnoma termoplastični rezervoar za AFP. Za projekt Hydden je ekipa LCC pri Tum sprva raziskala podoben pristop kot tisti, ki ga je uporabljala Glace (zgoraj), vendar se je nato premaknila na pristop s kombinacijo več strukturnih modulov, ki so bili nato pretirano porabljeni z uporabo AFP (spodaj). Kredit za sliko: Tehnična univerza v Münchnu LCC.
"Ena ideja je podobna Elisabeth [Gleissovem] pristopu," pravi Yager, "da na steno posode uporabi napetostne naramnice, da nadomestijo sile z visokim upogibanjem. Vendar pa namesto, da za izdelavo rezervoarja uporabimo postopek navijanja, uporabljamo AFP. Zato smo razmišljali o ustvarjanju ločenega odseka tlačne posode, v katerem so stojala že integrirana. Ta pristop mi je omogočil, da kombiniram več teh integriranih modulov in nato uporabim končni pokrovček, da zaprem vse pred končnim navijanjem AFP. "
"Trudimo se dokončati takšen koncept," je nadaljeval, "in tudi začeli preizkušati izbiro materialov, kar je zelo pomembno za zagotovitev potrebne odpornosti na prodor plina H2. Za to večinoma uporabljamo termoplastične materiale in delamo na različnih, kako bo material vplival na to vedenje in obdelavo v stroju AFP. Pomembno je razumeti, ali bo zdravljenje imelo učinek in če je potrebno kakršno koli post-obdelavo. Prav tako želimo vedeti, ali bodo različni skladi vplivali na prepustnost vodika skozi tlačno posodo. "
Rezervoar bo v celoti izdelan iz termoplastike, trakove pa bo dobavil Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Nemčija). "Uporabljali bomo njihove PPS [polifenilen sulfid], pokukali [polieter keton] in LM paek [nizko taljenje poliarilnega ketona]," je dejal Yager. "Nato se primerjajo, da bi videli, katera je najboljša za zaščito prodora in ustvarjanje delov z boljšimi zmogljivostmi." Upa, da bo v naslednjem letu dokončal testiranje, strukturno in procesno modeliranje ter prve demonstracije.
Raziskovalno delo je bilo izvedeno v modulu Comet "Polymers4Hydrogen" (ID 21647053) v okviru programa COMET Zveznega ministrstva za podnebne spremembe, okolje, energijo, mobilnost, inovacije in tehnologijo ter zvezno ministrstvo za digitalno tehnologijo in ekonomijo. . Avtorji se zahvaljujejo sodelujočim partnerskim centrom za kompetenco Polymer Leoben GmbH (PCCL, Avstrija), Montanuniversaet Leoben (Fakulteta za polimerne inženirske in znanosti, Oddelek za kemijo polimernih materialov, Oddelek za znanost o materialih in testiranje polimerov), Univerza v Tampereju Materiali). ) Znanost), vrhunska tehnologija in Faurecia sta prispevala k temu raziskovalnemu delu. Comet-Modul financirata vlada Avstrije in vlada države Šta.
Vnaprej ojačani listi za strukture, ki nosijo obremenitev, vsebujejo neprekinjena vlakna-ne samo iz stekla, ampak tudi iz ogljika in aramide.
Obstaja veliko načinov za izdelavo sestavljenih delov. Zato bo izbira metode za določen del odvisna od materiala, zasnove dela in končne uporabe ali uporabe. Tu je izbirni vodnik.
Shocker Composites in R&M International razvijata reciklirano oskrbovalno verigo ogljikovih vlaken, ki zagotavlja ničelno zakol, nižje stroške kot deviška vlakna in bodo sčasoma ponudili dolžine, ki se v konstrukcijskih lastnostih približajo neprekinjenim vlakninam.
Čas objave: MAR-15-2023