Standardni rezervoarji z ravno platformo za BEV in FCEV uporabljajo termoplastične in duroplastne kompozite z okvirno konstrukcijo, ki zagotavlja 25 % več shranjevanja H2. #vodikovi #trendi
Potem ko je sodelovanje z BMW pokazalo, da lahko kubični rezervoar zagotovi večjo volumetrično učinkovitost kot več majhnih jeklenk, se je Tehnična univerza v Münchnu lotila projekta za razvoj kompozitne strukture in razširljivega proizvodnega procesa za serijsko proizvodnjo. Avtor slike: TU Dresden (zgoraj) levo), Tehnična univerza v Münchnu, Oddelek za ogljikove kompozite (LCC)
Električna vozila na gorivne celice (FCEV), ki jih poganja vodik brez emisij (H2), zagotavljajo dodatna sredstva za doseganje ničelnih okoljskih ciljev. Osebni avtomobil na gorivne celice z motorjem H2 je mogoče napolniti v 5-7 minutah in ima doseg 500 km, vendar je trenutno dražji zaradi nizkih količin 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 barih v vozilih FCEV, niso primerni za predelke za baterije pod karoserijo, ki so bili skrbno zasnovani za električna vozila. Lahko pa se v ta ploščati embalažni prostor prilegajo tlačne posode v obliki blazinic in kock.
Patent US5577630A za »Composite Conformal Pressure Vessel«, vlogo, ki jo je vložil Thiokol Corp. leta 1995 (levo) in pravokotno tlačno posodo, ki jo je patentiral BMW 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 Competence Center (PCCL, Leoben, Avstrija). Delovni paket LCC vodi sodelavka Elizabeth Glace.
Drugi projekt je Hydrogen Demonstration and Development Environment (HyDDen), kjer LCC vodi raziskovalec Christian Jaeger. Cilj obeh je ustvariti obsežno predstavitev proizvodnega procesa za izdelavo primernega rezervoarja CGH2 z uporabo kompozitov iz ogljikovih vlaken.
Volumetrična učinkovitost je omejena, če so valji majhnega premera nameščeni v ploščate baterijske celice (levo) in kubične tlačne posode tipa 2 iz jeklenih oblog in zunanjega ovoja iz kompozita ogljikovih vlaken/epoksi (desno). Vir slike: Sliki 3 in 6 sta iz »Pristopa numeričnega načrtovanja za tlačno posodo tipa II z notranjimi napetostnimi nogami« avtorjev Ruf in Zaremba et al.
P4H je izdelal eksperimentalni kockasti rezervoar, ki uporablja termoplastični okvir s kompozitnimi napenjalnimi trakovi/oporniki, oviti v epoksi, ojačan z ogljikovimi vlakni. HyDDen bo uporabil podobno zasnovo, vendar bo uporabil samodejno polaganje vlaken (AFP) za izdelavo vseh termoplastičnih kompozitnih rezervoarjev.
Od patentne prijave podjetja Thiokol Corp. za "Composite Conformal Pressure Vessel" leta 1995 do nemškega patenta DE19749950C2 leta 1997 imajo posode za stisnjen plin "lahko kakršno koli geometrijsko konfiguracijo", predvsem pa ravne in nepravilne oblike, v votlini, povezani s podporo lupine. . elementi se uporabljajo tako, da lahko prenesejo silo raztezanja plina.
Članek Nacionalnega laboratorija Lawrence Livermore (LLNL) iz leta 2006 opisuje tri pristope: konformno tlačno posodo, navito z nitjo, tlačno posodo z mikromrežo, ki vsebuje notranjo ortorombično mrežno strukturo (majhne celice 2 cm ali manj), obdano s tankostensko posodo H2, in vsebnik replikatorja, sestavljen iz notranje strukture, sestavljene iz zlepljenih majhnih delov (npr. šesterokotnih plastičnih obročev) in sestave tanke zunanje lupine. Podvojene posode so najprimernejše za večje posode, kjer je tradicionalne metode težko uporabiti.
Patent DE102009057170A, ki ga je Volkswagen vložil leta 2009, opisuje tlačno posodo, nameščeno na vozilu, ki bo zagotavljala visoko težo in hkrati izboljšala izrabo prostora. Pravokotni rezervoarji uporabljajo natezne spojnike med dvema pravokotnima nasprotnima stenama, vogali pa so zaobljeni.
Zgornje in druge koncepte navaja Gleiss v prispevku »Razvoj procesa za kubične tlačne posode z raztegljivimi drogovi« Gleiss et al. na ECCM20 (26.-30. junij 2022, Lausanne, 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 napenjalnimi oporniki, ki povezujejo pravokotne stranice, učinkovitejša od več majhnih jeklenk, ki se prilegajo v prostor ploščate baterije, in zagotavljajo približno 25 % več. prostor za shranjevanje.
Po besedah Gleissa je težava pri namestitvi velikega števila majhnih jeklenk tipa 4 v ravno ohišje v tem, da se »prostornina med jeklenkami zelo zmanjša, sistem pa ima tudi zelo veliko površino prepustnosti plina H2. Na splošno sistem zagotavlja manjšo zmogljivost shranjevanja kot kubični kozarci.«
Vendar pa obstajajo druge težave s kubično zasnovo rezervoarja. "Očitno je, da morate zaradi stisnjenega plina preprečiti upogibne sile na ravnih stenah," je dejal Gleiss. »Za to potrebujete ojačano strukturo, ki se notranje povezuje s stenami rezervoarja. Toda to je težko storiti s kompoziti.
Glace in njena ekipa sta poskušala v tlačno posodo vključiti ojačitvene natezne palice na način, ki bi bil primeren za postopek navijanja filamentov. "To je pomembno za velikoserijsko proizvodnjo," pojasnjuje, "in nam tudi omogoča, da oblikujemo vzorec navijanja sten posode, da optimiziramo orientacijo vlaken za vsako obremenitev v coni."
Štirje koraki za izdelavo poskusnega kubičnega kompozitnega rezervoarja za projekt P4H. Avtorstvo slike: »Razvoj proizvodnega procesa za kubične tlačne posode z oporo«, Tehnična univerza v Münchnu, projekt Polymers4Hydrogen, ECCM20, junij 2022.
Za dosego on-chain je ekipa razvila nov koncept, sestavljen iz štirih glavnih korakov, kot je prikazano zgoraj. Napenjalni oporniki, prikazani v črni barvi na stopnicah, so montažna okvirna konstrukcija, izdelana z uporabo metod, vzetih iz projekta MAI Skelett. Za ta projekt je BMW razvil "okvir" okvirja vetrobranskega stekla z uporabo štirih pultruzijskih palic, ojačanih z vlakni, ki so bile nato oblikovane v plastični okvir.
Okvir eksperimentalnega kubičnega rezervoarja. Šestkotni skeletni odseki, ki jih je 3D natisnil TUM z uporabo neojačanega filamenta PLA (zgoraj), z vstavljanjem pultruzijskih palic CF/PA6 kot nateznih opornikov (na sredini) in nato ovijanjem filamenta okoli opornikov (spodaj). Avtor slike: Tehnična univerza München LCC.
"Ideja je, da lahko zgradite okvir kubičnega rezervoarja kot modularno strukturo," je dejal Glace. "Ti moduli so nato nameščeni v orodje za oblikovanje, napenjalne opornice so nameščene v module okvirja, nato pa se okoli opornikov uporabi metoda MAI Skelett, da se jih integrira z deli okvirja." metoda masovne proizvodnje, kar ima za posledico strukturo, ki se nato uporabi kot trn ali jedro za ovijanje kompozitne lupine skladiščnega rezervoarja.
TUM je zasnoval okvir rezervoarja kot kubično "blazino" s trdnimi stranicami, zaobljenimi vogali in šesterokotnim vzorcem na vrhu in dnu, skozi katerega je mogoče vstaviti in pritrditi vezi. Luknje za te stojala so bile tudi 3D natisnjene. »Za naš začetni poskusni rezervoar smo 3D-natisnili heksagonalne odseke okvirja z uporabo polimlečne kisline [PLA, termoplasta na biološki osnovi], ker je bilo enostavno in poceni,« je dejal Glace.
Ekipa je od SGL Carbon (Meitingen, Nemčija) kupila 68 palic iz poliamida 6 (PA6), ojačanih s pultrudiranimi ogljikovimi vlakni, za uporabo kot vezice. »Da bi preizkusili koncept, nismo naredili nobenega oblikovanja,« pravi Gleiss, »temveč smo preprosto vstavili distančnike v 3D-natisnjen okvir satja in jih prilepili z epoksi lepilom. To nato zagotovi trn za navijanje rezervoarja." Ugotavlja, da čeprav je te palice relativno enostavno naviti, obstaja nekaj pomembnih težav, ki bodo opisane kasneje.
"Na prvi stopnji je bil naš cilj pokazati izdelovalnost zasnove in prepoznati težave v proizvodnem konceptu," je pojasnil Gleiss. »Napenjalne opornice torej štrlijo iz zunanje površine skeletne strukture, karbonska vlakna pa pritrdimo na to jedro z mokrim navijanjem filamenta. Nato v tretjem koraku upognemo glavo vsake vezne palice. termoplastičen, zato le uporabimo toploto za preoblikovanje glave, tako da se splošči in zaklene v prvo plast ovoja. Nato ponovno ovijemo strukturo, tako da je ravna potisna glava geometrijsko zaprta v rezervoarju. laminat na stenah.
Distančna kapica za navijanje. TUM uporablja plastične pokrovčke na koncih napenjalnih palic, da prepreči zapletanje vlaken med navijanjem filamenta. Avtor slike: Tehnična univerza München LCC.
Glace je ponovil, da je bil ta prvi tank dokaz koncepta. »Uporaba 3D-tiskanja in lepila je bila samo za začetno testiranje in nam je dala idejo o nekaterih težavah, s katerimi smo se srečali. Med navijanjem so na primer filamente ujeli konci napenjalnih palic, kar je povzročilo zlom vlaken, poškodbe vlaken in zmanjšanje količine vlaken, da bi se temu izognili. kot pomoč pri izdelavi smo uporabili nekaj plastičnih pokrovčkov, ki smo jih namestili na drogove pred prvim korakom navijanja. Potem, ko so bili izdelani notranji laminati, smo te zaščitne pokrovčke odstranili in preoblikovali konce drogov pred končnim ovijanjem.«
Ekipa je eksperimentirala z različnimi scenariji rekonstrukcije. »Najbolje delajo tisti, ki gledajo okoli sebe,« pravi Grace. »Prav tako smo med fazo izdelave prototipa uporabili spremenjeno varilno orodje za dovajanje toplote in preoblikovanje koncev jarmov. V konceptu množične proizvodnje bi imeli eno večje orodje, ki lahko oblikuje in oblikuje vse konce opornikov v laminat za notranjo obdelavo hkrati. . ”
Vlečne glave preoblikovane. TUM je eksperimentiral z različnimi koncepti in spremenil zvare za poravnavo koncev kompozitnih vezi za pritrditev na laminat stene rezervoarja. Avtorstvo slike: »Razvoj proizvodnega procesa za kubične tlačne posode z oporo«, Tehnična univerza v Münchnu, projekt Polymers4Hydrogen, ECCM20, junij 2022.
Tako se laminat strdi po prvem koraku navijanja, stebrički se preoblikujejo, TUM zaključi drugo navijanje filamentov, nato pa se laminat zunanje stene posode drugič strdi. Upoštevajte, da gre za zasnovo rezervoarja tipa 5, kar pomeni, da nima plastične obloge kot plinske ovire. Oglejte si razpravo v razdelku Naslednji koraki spodaj.
"Prvi demo smo razrezali na preseke in preslikali povezano območje," je dejal Glace. "Približni posnetek kaže, da smo imeli nekaj težav s kakovostjo laminata, saj glave opornikov niso ležale ravno na notranjem laminatu."
Reševanje težav z režami med laminatom notranje in zunanje stene rezervoarja. Spremenjena glava ojnice ustvari vrzel med prvim in drugim zavojem poskusnega rezervoarja. Avtor slike: Tehnična univerza München LCC.
Ta začetni rezervoar 450 x 290 x 80 mm je bil dokončan lansko poletje. "Od takrat smo zelo napredovali, vendar imamo še vedno vrzel med notranjim in zunanjim laminatom," je dejal Glace. »Zato smo te vrzeli poskušali zapolniti s čisto smolo z visoko viskoznostjo. To dejansko izboljša povezavo med čepi in laminatom, kar močno poveča mehansko obremenitev.«
Ekipa je nadaljevala z razvojem zasnove rezervoarja in postopka, vključno z rešitvami za želeni vzorec navijanja. "Strani testnega rezervoarja niso bile popolnoma zavite, ker je ta geometrija težko ustvarila vijugasto pot," je pojasnil Glace. »Naš začetni kot navitja je bil 75°, vendar smo vedeli, da je potrebnih več tokokrogov, da se doseže 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 proizvodnega koncepta,« pravi Gleiss, »vendar moramo delati še naprej, da bi izboljšali povezavo med laminatom in preoblikovali vezne drogove. »Zunanje testiranje na testnem stroju. Izvlečete distančnike iz laminata in preizkusite mehanske obremenitve, ki jih ti spoji prenesejo.”
Ta del projekta Polymers4Hydrogen bo zaključen konec leta 2023, do takrat pa Gleis upa, da bo dokončal drugi demonstracijski rezervoar. Zanimivo je, da današnji dizajni uporabljajo čiste ojačane termoplaste v okvirju in duroplastne kompozite v stenah rezervoarja. Ali bo ta hibridni pristop uporabljen v končnem demonstracijskem rezervoarju? "Da," je rekla Grace. "Naši partnerji v projektu Polymers4Hydrogen razvijajo epoksidne smole in druge kompozitne matrične materiale z boljšimi lastnostmi vodikove pregrade." Navaja dva partnerja, ki delata na tem delu, PCCL in Univerzo v Tampereju (Tampere, Finska).
Gleiss in njena ekipa sta izmenjali informacije in razpravljali o zamislih z Jaegerjem o drugem projektu HyDDen iz konformnega kompozitnega rezervoarja LCC.
"Proizvajali bomo konformno kompozitno tlačno posodo za raziskovalne drone," pravi Jaeger. »Gre za sodelovanje med oddelkoma Letalsko-geodetskega oddelka TUM – LCC in Oddelka za helikoptersko tehniko (HT). Projekt bo zaključen do konca leta 2024, trenutno pa zaključujemo tlačno posodo. dizajn, ki je bolj vesoljski in avtomobilski pristop. Po tej začetni stopnji koncepta je naslednji korak izvedba podrobnega strukturnega modeliranja in predvidevanje učinkovitosti pregrade stenske strukture.
"Celotna ideja je razviti raziskovalni dron s hibridnim pogonskim sistemom na gorivne celice in baterije," je nadaljeval. Med velikimi obremenitvami (tj. pri vzletu in pristanku) bo uporabljal baterijo, nato pa med križarjenjem z majhno obremenitvijo preklopil na gorivne celice. "Ekipa HT je že imela raziskovalni dron in je preoblikovala pogonski sklop za uporabo baterij in gorivnih celic," je dejal Yeager. "Za testiranje tega menjalnika so kupili tudi rezervoar CGH2."
»Moja ekipa je bila zadolžena za izdelavo prototipa tlačne posode, ki bi ustrezala, vendar ne zaradi težav z embalažo, ki bi jih povzročil cilindrični rezervoar,« pojasnjuje. »Bolj raven rezervoar ne ponuja toliko odpornosti proti vetru. Tako dobite boljše zmogljivosti letenja.« Dimenzije rezervoarja pribl. 830 x 350 x 173 mm.
Popolnoma termoplastična posoda, skladna z AFP. Za projekt HyDDen je ekipa LCC pri TUM sprva raziskovala podoben pristop, kot ga je uporabil Glace (zgoraj), nato pa se je premaknila na pristop, ki uporablja kombinacijo več strukturnih modulov, ki so bili nato preveč uporabljeni z uporabo AFP (spodaj). Avtor slike: Tehnična univerza München LCC.
»Ena od idej je podobna pristopu Elisabeth [Gleiss],« pravi Yager, »da se na steno posode uporabijo natezne spone, da se kompenzirajo velike upogibne sile. Vendar pa namesto uporabe postopka navijanja za izdelavo rezervoarja uporabljamo AFP. Zato smo razmišljali o izdelavi ločenega dela tlačne posode, v katerega so regali že integrirani. Ta pristop mi je omogočil, da sem združil več teh integriranih modulov in nato uporabil končni pokrov, da sem vse zaprl pred končnim navijanjem AFP.«
»Poskušamo dokončati takšen koncept,« je nadaljeval, »in tudi začeti s preizkušanjem izbire materialov, kar je zelo pomembno za zagotovitev potrebne odpornosti proti prodoru plina H2. Za to uporabljamo predvsem termoplastične materiale in delamo na različnih načinih, kako bo material vplival na to prepustnost in obdelavo v stroju AFP. Pomembno je razumeti, ali bo zdravljenje imelo učinek in ali je potrebna naknadna obdelava. Prav tako želimo vedeti, ali bodo različni skladi vplivali na prepustnost vodika skozi tlačno posodo.
Rezervoar bo v celoti izdelan iz termoplasta, trakove pa bo dobavil Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Nemčija). "Uporabljali bomo njihove materiale PPS [polifenilen sulfid], PEEK [polieter keton] in LM PAEK [poliaril keton z nizkim tališčem]," je dejal Yager. "Nato se naredijo primerjave, da se ugotovi, kateri je najboljši za zaščito pred predrtjem in proizvodnjo delov z boljšim delovanjem." Upa, da bo v naslednjem letu dokončal testiranje, strukturno in procesno modeliranje ter prve predstavitve.
Raziskovalno delo je potekalo v okviru modula COMET “Polymers4Hydrogen” (ID 21647053) v okviru programa COMET Zveznega ministrstva za podnebne spremembe, okolje, energijo, mobilnost, inovacije in tehnologijo ter Zveznega ministrstva za digitalno tehnologijo in ekonomijo. . Avtorji se zahvaljujejo sodelujočim partnerjem Polymer Competence Centre Leoben GmbH (PCCL, Avstrija), Montanuniversitaet Leoben (Fakulteta za polimerno inženirstvo in znanost, Oddelek za kemijo polimernih materialov, Oddelek za znanost o materialih in testiranje polimerov), Univerza v Tampereju (Fakulteta za inženirstvo) Materiali). ) Science), Peak Technology in Faurecia so prispevali k temu raziskovalnemu delu. COMET-Modul financirata vlada Avstrije in vlada dežele Štajerske.
Predarmirane plošče za nosilne konstrukcije vsebujejo kontinuirana vlakna – ne samo iz stekla, ampak tudi iz ogljika in aramida.
Obstaja veliko načinov za izdelavo kompozitnih delov. Zato bo izbira metode za določen del odvisna od materiala, zasnove dela in končne uporabe ali uporabe. Tukaj je vodnik za izbiro.
Shocker Composites in R&M International razvijata dobavno verigo recikliranih ogljikovih vlaken, ki zagotavlja ničelno zakol, nižjo ceno kot neobdelana vlakna in bo sčasoma ponudila dolžine, ki se pri strukturnih lastnostih približajo neprekinjenim vlaknom.
Čas objave: 15. marca 2023