Rezervuarët standardë me platformë të sheshtë për BEV dhe FCEV përdorin përbërje termoplastike dhe termoset me një strukturë skeleti që siguron 25% më shumë ruajtje H2. #hidrogjen #trendet
Pasi një bashkëpunim me BMW tregoi se një rezervuar kub mund të jepte efikasitet më të lartë vëllimor sesa cilindra të shumtë të vegjël, Universiteti Teknik i Mynihut filloi një projekt për të zhvilluar një strukturë të përbërë dhe një proces prodhimi të shkallëzuar për prodhimin serik. Kredia e imazhit: TU Dresden (lart) majtas), Universiteti Teknik i Mynihut, Departamenti i Kompoziteve të Karbonit (LCC)
Automjetet elektrike me qeliza karburanti (FCEV) të fuqizuara nga hidrogjeni me emetim zero (H2) ofrojnë mjete shtesë për të arritur objektivat mjedisore zero. Një makinë pasagjerësh me qeliza karburanti me një motor H2 mund të mbushet në 5-7 minuta dhe ka një distancë prej 500 km, por aktualisht është më e shtrenjtë për shkak të vëllimeve të ulëta të prodhimit. Një mënyrë për të ulur kostot është përdorimi i një platforme standarde për modelet BEV dhe FCEV. Kjo aktualisht nuk është e mundur sepse rezervuarët cilindrikë të tipit 4 që përdoren për të ruajtur gazin e ngjeshur H2 (CGH2) në 700 bar në FCEV nuk janë të përshtatshëm për ndarjet e baterive në pjesën e poshtme të trupit që janë projektuar me kujdes për automjetet elektrike. Sidoqoftë, enët nën presion në formën e jastëkëve dhe kubeve mund të futen në këtë hapësirë të sheshtë paketimi.
Patenta US5577630A për "Enë me presion të përbëra konformale", aplikim i paraqitur nga Thiokol Corp. në 1995 (majtas) dhe enë nën presion drejtkëndëshe e patentuar nga BMW në 2009 (djathtas).
Departamenti i Kompoziteve të Karbonit (LCC) i Universitetit Teknik të Mynihut (TUM, Mynih, Gjermani) është i përfshirë në dy projekte për zhvillimin e këtij koncepti. E para është Polymers4Hydrogen (P4H), e udhëhequr nga Qendra e Kompetencës së Polymerit Leoben (PCCL, Leoben, Austri). Paketa e punës LCC udhëhiqet nga Fellow Elizabeth Glace.
Projekti i dytë është Mjedisi i Demonstrimit dhe Zhvillimit të Hidrogjenit (HyDDen), ku LCC drejtohet nga studiuesi Christian Jaeger. Të dy synojnë të krijojnë një demonstrim në shkallë të gjerë të procesit të prodhimit për të bërë një rezervuar të përshtatshëm CGH2 duke përdorur kompozita të fibrave të karbonit.
Ekziston një efikasitet vëllimor i kufizuar kur cilindra me diametër të vogël instalohen në qeliza të sheshta të baterisë (majtas) dhe në enë presioni të tipit 2 kub të bëra me veshje çeliku dhe një guaskë të jashtme të përbërë nga fibër karboni/epoksi (djathtas). Burimi i imazhit: Figura 3 dhe 6 janë nga "Qasja e projektimit numerik për anijen kuti presioni të tipit II me këmbë të brendshme tensioni" nga Ruf dhe Zaremba et al.
P4H ka fabrikuar një rezervuar eksperimental kub që përdor një kornizë termoplastike me rripa/shtylla tensioni të mbështjellë me epoksi të përforcuar me fibër karboni. HyDDen do të përdorë një dizajn të ngjashëm, por do të përdorë vendosjen automatike të fibrave (AFP) për të prodhuar të gjithë rezervuarët e përbërë termoplastikë.
Nga një aplikim për patentë nga Thiokol Corp. te "Enë e Përbërë Konformale Presioni" në 1995 te Patenta Gjermane DE19749950C2 në 1997, enët me gaz të kompresuar "mund të kenë ndonjë konfigurim gjeometrik", por veçanërisht forma të sheshta dhe të parregullta, në një zgavër të lidhur me . elementet përdoren në mënyrë që të përballojnë forcën e zgjerimit të gazit.
Një punim i Laboratorit Kombëtar të Lawrence Livermore (LLNL) i vitit 2006 përshkruan tre qasje: një enë presioni konformale me plagë me filament, një enë presioni me mikrogrulë që përmban një strukturë të brendshme rrjetë ortohombike (qeliza të vogla prej 2 cm ose më pak), e rrethuar nga një enë H2 me mure të hollë, dhe një kontejner replikator, i përbërë nga një strukturë e brendshme e përbërë nga pjesë të vogla të ngjitura (p.sh. unaza plastike gjashtëkëndore) dhe një përbërje e lëkurës së jashtme të hollë. Kontejnerët dublikatë janë më të përshtatshmet për kontejnerë më të mëdhenj ku metodat tradicionale mund të jenë të vështira për t'u zbatuar.
Patenta DE102009057170A e paraqitur nga Volkswagen në vitin 2009 përshkruan një enë nën presion të montuar në automjet që do të sigurojë efikasitet të lartë në peshë duke përmirësuar përdorimin e hapësirës. Rezervuarët drejtkëndëshe përdorin lidhës tensioni midis dy mureve të kundërta drejtkëndëshe, dhe qoshet janë të rrumbullakosura.
Konceptet e mësipërme dhe të tjera janë cituar nga Gleiss në punimin "Process Development for Cubic Presion Enssels with Stretch Bars" nga Gleiss et al. në ECCM20 (26-30 qershor 2022, Lozanë, Zvicër). Në këtë artikull, ajo citon një studim TUM të botuar nga Michael Roof dhe Sven Zaremba, i cili zbuloi se një enë kubike me presion me shirita tensioni që lidhin anët drejtkëndore është më efikase se disa cilindra të vegjël që përshtaten në hapësirën e një baterie të sheshtë, duke siguruar afërsisht 25 % më shumë. hapësirë magazinimi.
Sipas Gleiss, problemi me instalimin e një numri të madh cilindrash të tipit 4 të vegjël në një kasë të sheshtë është se “vëllimi midis cilindrave është reduktuar shumë dhe sistemi gjithashtu ka një sipërfaqe shumë të madhe të përshkimit të gazit H2. Në përgjithësi, sistemi ofron më pak kapacitet ruajtjeje sesa kavanozët kub.”
Megjithatë, ka probleme të tjera me dizajnin kub të rezervuarit. "Natyrisht, për shkak të gazit të ngjeshur, ju duhet të kundërshtoni forcat e përkuljes në muret e sheshta," tha Gleiss. “Për këtë ju nevojitet një strukturë e përforcuar që lidhet nga brenda me muret e rezervuarit. Por kjo është e vështirë të bëhet me përbërjet.”
Glace dhe ekipi i saj u përpoqën të inkorporonin shufra tensioni përforcues në enën nën presion në një mënyrë që do të ishte e përshtatshme për procesin e mbështjelljes së filamentit. "Kjo është e rëndësishme për prodhimin me volum të lartë," shpjegon ajo, "dhe gjithashtu na lejon të dizajnojmë modelin e dredha-dredha të mureve të kontejnerëve për të optimizuar orientimin e fibrave për çdo ngarkesë në zonë."
Katër hapa për të bërë një rezervuar provë kub të përbërë për projektin P4H. Kredia e imazhit: "Zhvillimi i një procesi prodhimi për enët me presion kub me mbajtëse", Universiteti Teknik i Mynihut, projekti Polymers4Hydrogen, ECCM20, Qershor 2022.
Për të arritur në zinxhir, ekipi ka zhvilluar një koncept të ri të përbërë nga katër hapa kryesorë, siç tregohet më sipër. Shiritat e tensionit, të paraqitura në të zezë në shkallët, janë një strukturë kornizë e parafabrikuar e fabrikuar duke përdorur metoda të marra nga projekti MAI Skelett. Për këtë projekt, BMW zhvilloi një "kornizë" të kornizës së xhamit të përparmë duke përdorur katër shufra pultrusioni të përforcuar me fibra, të cilat më pas u formuan në një kornizë plastike.
Korniza e një rezervuari kub eksperimental. Seksione skeletore gjashtëkëndore të printuara 3D nga TUM duke përdorur filament PLA të pa përforcuar (lart), duke futur shufra pultrusioni CF/PA6 si mbajtëse tensioni (në mes) dhe më pas duke e mbështjellë filamentin rreth mbajtëseve (poshtë). Kredia e imazhit: Universiteti Teknik i Mynihut LCC.
"Ideja është që ju mund të ndërtoni kornizën e një rezervuari kub si një strukturë modulare," tha Glace. "Këto module vendosen më pas në një vegël formimi, shiritat e tensionit vendosen në modulet e kornizës dhe më pas metoda e MAI Skelett përdoret rreth shiritave për t'i integruar ato me pjesët e kornizës." metodë e prodhimit masiv, duke rezultuar në një strukturë që përdoret më pas si një mandrelë ose bërthamë për të mbështjellë guaskën e përbërë të rezervuarit të magazinimit.
TUM e projektoi kornizën e rezervuarit si një "jastëk" kub me anë të forta, qoshe të rrumbullakosura dhe një model gjashtëkëndor në pjesën e sipërme dhe të poshtme përmes të cilit mund të futen dhe ngjiten lidhjet. Vrimat për këto rafte u printuan gjithashtu 3D. "Për rezervuarin tonë fillestar eksperimental, ne printuam 3D seksione të kornizës gjashtëkëndore duke përdorur acid polilaktik [PLA, një termoplastik me bazë bio] sepse ishte i lehtë dhe i lirë," tha Glace.
Ekipi bleu 68 shufra poliamide 6 (PA6) të përforcuara me fibra karboni të përforcuar nga SGL Carbon (Meitingen, Gjermani) për t'u përdorur si lidhëse. "Për të testuar konceptin, ne nuk bëmë asnjë formim," thotë Gleiss, "por thjesht futëm ndarës në një kornizë bërthamore me huall mjalti të printuar 3D dhe i ngjitëm me ngjitës epoksi. Kjo më pas siguron një mandrelë për mbështjelljen e rezervuarit. Ajo vëren se megjithëse këto shufra janë relativisht të lehta për t'u mbështjellë, ka disa probleme të rëndësishme që do të përshkruhen më vonë.
“Në fazën e parë, qëllimi ynë ishte të demonstronim aftësinë prodhuese të dizajnit dhe të identifikonim problemet në konceptin e prodhimit,” shpjegoi Gleiss. "Kështu që shiritat e tensionit dalin nga sipërfaqja e jashtme e strukturës skeletore dhe ne i bashkojmë fibrat e karbonit në këtë bërthamë duke përdorur mbështjellje të lagësht filamenti. Pas kësaj, në hapin e tretë, ne përkulim kokën e secilës shufër lidhëse. termoplastike, kështu që ne thjesht përdorim nxehtësinë për të riformuar kokën në mënyrë që ajo të rrafshohet dhe të bllokohet në shtresën e parë të mbështjelljes. Më pas vazhdojmë të mbështjellim strukturën përsëri në mënyrë që koka e sheshtë e shtytjes të jetë e mbyllur gjeometrikisht brenda rezervuarit. laminat në mure.
Kapak ndarës për dredha-dredha. TUM përdor kapakë plastikë në skajet e shufrave të tensionit për të parandaluar që fibrat të ngatërrohen gjatë mbështjelljes së filamentit. Kredia e imazhit: Universiteti Teknik i Mynihut LCC.
Glace përsëriti se ky tank i parë ishte një provë e konceptit. “Përdorimi i printimit 3D dhe ngjitësit ishte vetëm për testimin fillestar dhe na dha një ide për disa nga problemet që hasëm. Për shembull, gjatë dredha-dredha, fijet u kapën nga skajet e shufrave të tensionit, duke shkaktuar thyerje të fibrave, dëmtime të fibrave dhe duke zvogëluar sasinë e fibrës për ta kundërshtuar këtë. ne përdorëm disa kapak plastikë si mjete ndihmëse të prodhimit që u vendosën në shtylla përpara hapit të parë të mbështjelljes. Më pas, kur u bënë laminatet e brendshme, i hoqëm këto kapele mbrojtëse dhe riformuam skajet e shtyllave përpara mbështjelljes përfundimtare.”
Ekipi eksperimentoi me skenarë të ndryshëm rindërtimi. "Ata që shikojnë përreth punojnë më mirë," thotë Grace. “Gjithashtu, gjatë fazës së prototipit, ne përdorëm një mjet saldimi të modifikuar për të aplikuar nxehtësi dhe për të riformuar skajet e shufrës lidhëse. Në një koncept prodhimi masiv, do të kishit një mjet më të madh që mund të formësojë dhe formojë të gjitha skajet e shiritave në një petëzuar përfundimi të brendshëm në të njëjtën kohë. . ”
Kokat e shiritit të riformësuar. TUM eksperimentoi me koncepte të ndryshme dhe modifikoi saldimet për të rreshtuar skajet e lidhjeve të përbëra për t'u ngjitur në laminatin e murit të rezervuarit. Kredia e imazhit: "Zhvillimi i një procesi prodhimi për enët me presion kub me mbajtëse", Universiteti Teknik i Mynihut, projekti Polymers4Hydrogen, ECCM20, Qershor 2022.
Kështu, petëzimi shërohet pas hapit të parë të mbështjelljes, shtyllat riformohen, TUM përfundon mbështjelljen e dytë të filamenteve dhe më pas petëzimi i murit të jashtëm të rezervuarit shërohet për herë të dytë. Ju lutemi vini re se ky është një dizajn i rezervuarit të tipit 5, që do të thotë se nuk ka një shtresë plastike si pengesë gazi. Shihni diskutimin në seksionin Hapat e ardhshëm më poshtë.
"Ne premë demonstrimin e parë në seksione tërthore dhe hartuam zonën e lidhur," tha Glace. "Një nga afër tregon se ne kishim disa probleme me cilësinë me petëzimin, me kokat e shtyllave që nuk ishin shtrirë në petëzimin e brendshëm."
Zgjidhja e problemeve me boshllëqet midis petëzimit të mureve të brendshme dhe të jashtme të rezervuarit. Koka e modifikuar e shufrës lidhëse krijon një hendek midis kthesave të para dhe të dyta të rezervuarit eksperimental. Kredia e imazhit: Universiteti Teknik i Mynihut LCC.
Ky rezervuar fillestar 450 x 290 x 80 mm u përfundua verën e kaluar. "Ne kemi bërë shumë përparim që atëherë, por kemi ende një hendek midis laminatit të brendshëm dhe të jashtëm," tha Glace. "Kështu që ne u përpoqëm t'i mbushnim ato boshllëqe me një rrëshirë të pastër dhe me viskozitet të lartë. Kjo në fakt përmirëson lidhjen midis stufave dhe petëzimit, gjë që rrit shumë stresin mekanik.”
Ekipi vazhdoi të zhvillonte dizajnin dhe procesin e rezervuarit, duke përfshirë zgjidhjet për modelin e dëshiruar të dredha-dredha. "Anët e rezervuarit të provës nuk ishin të përdredhura plotësisht sepse ishte e vështirë për këtë gjeometri të krijonte një shteg dredha-dredha," shpjegoi Glace. “Këndi ynë fillestar i mbështjelljes ishte 75°, por ne e dinim se nevojiteshin qarqe të shumta për të përmbushur ngarkesën në këtë enë nën presion. Ne jemi ende në kërkim të një zgjidhjeje për këtë problem, por nuk është e lehtë me softuerin aktualisht në treg. Mund të bëhet një projekt pasues.
"Ne kemi demonstruar realizueshmërinë e këtij koncepti prodhimi," thotë Gleiss, "por ne duhet të punojmë më tej për të përmirësuar lidhjen midis petëzimit dhe riformësimin e shufrave lidhëse. “Testimi i jashtëm në një makinë testuese. Ju i tërhiqni ndarësit nga petëzimi dhe provoni ngarkesat mekanike që ato nyje mund të përballojnë.”
Kjo pjesë e projektit Polymers4Hydrogen do të përfundojë në fund të vitit 2023, kohë në të cilën Gleis shpreson të përfundojë rezervuarin e dytë demonstrues. Është interesante që dizajnet sot përdorin termoplastikë të përforcuar të rregullt në kornizë dhe përbërje termoset në muret e rezervuarit. A do të përdoret kjo qasje hibride në rezervuarin përfundimtar të demonstrimit? "Po," tha Grace. “Partnerët tanë në projektin Polymers4Hydrogen po zhvillojnë rrëshira epoksi dhe materiale të tjera matrice të përbërë me veti më të mira penguese hidrogjeni.” Ajo liston dy partnerë që punojnë në këtë punë, PCCL dhe Universitetin e Tampere (Tampere, Finlandë).
Gleiss dhe ekipi i saj gjithashtu shkëmbyen informacion dhe diskutuan ide me Jaeger mbi projektin e dytë HyDDen nga rezervuari i përbërë konformal LCC.
"Ne do të prodhojmë një enë presioni konform të përbërë për dronët kërkimorë," thotë Jaeger. “Ky është një bashkëpunim ndërmjet dy departamenteve të Departamentit të Hapësirës Ajrore dhe Gjeodezisë të TUM – LCC dhe Departamentit të Teknologjisë së Helikopterëve (HT). Projekti do të përfundojë në fund të vitit 2024 dhe aktualisht jemi duke përfunduar enën nën presion. një dizajn që është më shumë një qasje e hapësirës ajrore dhe automobilistike. Pas kësaj faze fillestare të konceptit, hapi tjetër është kryerja e modelimit të detajuar strukturor dhe parashikimi i performancës së pengesës së strukturës së murit.
“E gjithë ideja është të zhvillohet një dron eksplorues me një qelizë karburanti hibrid dhe një sistem shtytës baterie,” vazhdoi ai. Ai do të përdorë baterinë gjatë ngarkesave me fuqi të lartë (p.sh. ngritje dhe ulje) dhe më pas do të kalojë në qelizën e karburantit gjatë lundrimit me ngarkesë të lehtë. “Ekipi HT kishte tashmë një dron kërkimor dhe ridizajnoi grupin e fuqisë për të përdorur bateritë dhe qelizat e karburantit”, tha Yeager. "Ata blenë gjithashtu një rezervuar CGH2 për të testuar këtë transmetim."
“Ekipi im kishte për detyrë të ndërtonte një prototip të rezervuarit nën presion që do të përshtatej, por jo për shkak të problemeve të paketimit që do të krijonte një rezervuar cilindrik,” shpjegon ai. “Një rezervuar më i sheshtë nuk ofron aq shumë rezistencë ndaj erës. Kështu që ju keni performancë më të mirë të fluturimit.” Dimensionet e rezervuarit përafërsisht. 830 x 350 x 173 mm.
Rezervuari plotësisht termoplastik në përputhje me AFP. Për projektin HyDDen, ekipi LCC në TUM fillimisht eksploroi një qasje të ngjashme me atë të përdorur nga Glace (më lart), por më pas kaloi në një qasje duke përdorur një kombinim të disa moduleve strukturore, të cilat më pas u tejpërdorën duke përdorur AFP (më poshtë). Kredia e imazhit: Universiteti Teknik i Mynihut LCC.
"Një ide është e ngjashme me qasjen e Elisabeth [Gleiss]," thotë Yager, "për të aplikuar mbajtëse tensioni në murin e anijes për të kompensuar forcat e larta të përkuljes. Megjithatë, në vend që të përdorim një proces dredha-dredha për të bërë rezervuarin, ne përdorim AFP. Prandaj, ne menduam të krijonim një seksion të veçantë të enës nën presion, në të cilën raftet tashmë janë integruar. Kjo qasje më lejoi të kombinoja disa nga këto module të integruara dhe më pas të aplikoja një kapak fundor për të vulosur gjithçka përpara mbështjelljes përfundimtare të AFP-së.
“Ne po përpiqemi të finalizojmë një koncept të tillë”, vazhdoi ai, “dhe gjithashtu të fillojmë testimin e përzgjedhjes së materialeve, gjë që është shumë e rëndësishme për të siguruar rezistencën e nevojshme ndaj depërtimit të gazit H2. Për këtë, ne përdorim kryesisht materiale termoplastike dhe po punojmë në mënyra të ndryshme se si materiali do të ndikojë në sjelljen dhe përpunimin e depërtimit në makinën AFP. Është e rëndësishme të kuptohet nëse trajtimi do të ketë efekt dhe nëse kërkohet ndonjë pas-përpunim. Ne gjithashtu duam të dimë nëse pirgje të ndryshme do të ndikojnë në depërtimin e hidrogjenit përmes enës nën presion."
Rezervuari do të jetë tërësisht prej termoplastik dhe shiritat do të furnizohen nga Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Gjermani). “Ne do të përdorim materialet e tyre PPS [sulfidi polifenileni], PEEK [keton polieter] dhe LM PAEK [keton poliaril me shkrirje të ulët],” tha Yager. "Krahasimet bëhen më pas për të parë se cila është më e mira për mbrojtjen nga depërtimi dhe prodhimin e pjesëve me performancë më të mirë." Ai shpreson të përfundojë testimin, modelimin strukturor dhe procesor dhe demonstrimet e para brenda vitit të ardhshëm.
Puna kërkimore u krye në kuadër të modulit COMET "Polymers4Hydrogen" (ID 21647053) në kuadër të programit COMET të Ministrisë Federale për Ndryshimet Klimatike, Mjedisit, Energjisë, Lëvizshmërisë, Inovacionit dhe Teknologjisë dhe Ministrisë Federale për Teknologjinë Dixhitale dhe Ekonominë. . Autorët falënderojnë partnerët pjesëmarrës Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL, Austri), Montanuniversitaet Leoben (Fakulteti i Inxhinierisë dhe Shkencës së Polimerëve, Departamenti i Kimisë së Materialeve Polimer, Departamenti i Shkencës së Materialeve dhe Testimit të Polimerëve), Universiteti i Tampere (Fakulteti i Inxhinierisë Materialet). ) Science), Peak Technology dhe Faurecia kontribuan në këtë punë kërkimore. COMET-Modul financohet nga qeveria e Austrisë dhe qeveria e shtetit të Styria.
Fletët e para-përforcuar për strukturat mbajtëse përmbajnë fibra të vazhdueshme - jo vetëm nga qelqi, por edhe nga karboni dhe aramidi.
Ka shumë mënyra për të bërë pjesë të përbëra. Prandaj, zgjedhja e metodës për një pjesë të caktuar do të varet nga materiali, dizajni i pjesës dhe përdorimi ose aplikimi përfundimtar. Këtu është një udhëzues përzgjedhjeje.
Shocker Composites dhe R&M International po zhvillojnë një zinxhir furnizimi me fibër karboni të ricikluar që siguron therje zero, kosto më të ulët se fibra e virgjër dhe përfundimisht do të ofrojë gjatësi që i afrohen fibrave të vazhdueshme në vetitë strukturore.
Koha e postimit: Mar-15-2023