Tangki platform datar standar pikeun BEV sareng FCEV nganggo komposit termoplastik sareng thermoset kalayan konstruksi rangka anu nyayogikeun 25% langkung seueur panyimpenan H2. #hidrogen #trend
Saatos kolaborasi sareng BMW nunjukkeun yén tank kubik tiasa nganteurkeun efisiensi volumetrik anu langkung luhur tibatan sababaraha silinder leutik, Universitas Téknis Munich ngamimitian proyék pikeun ngembangkeun struktur komposit sareng prosés manufaktur anu tiasa skala pikeun produksi serial. Kiridit gambar: TU Dresden (luhureun) kénca), Universitas Téknis Munich, Departemen Komposit Karbon (LCC)
Kendaraan listrik sél suluh (FCEVs) anu didamel ku hidrogén nol-émisi (H2) nyayogikeun sarana tambahan pikeun ngahontal target lingkungan nol. Mobil panumpang sél bahan bakar sareng mesin H2 tiasa dieusi dina 5-7 menit sareng jarak 500 km, tapi ayeuna langkung mahal kusabab volume produksina rendah. Salah sahiji cara pikeun ngirangan biaya nyaéta ngagunakeun platform standar pikeun modél BEV sareng FCEV. Ieu ayeuna teu mungkin sabab Type 4 cylindrical tank dipaké pikeun nyimpen gas H2 dikomprés (CGH2) dina 700 bar di FCEVs teu cocog pikeun kompartemen batré underbody nu geus dirancang taliti pikeun kandaraan listrik. Nanging, pembuluh tekanan dina bentuk bantal sareng kubus tiasa pas kana rohangan bungkusan datar ieu.
Patén US5577630A pikeun "Composite Conformal Pressure Vessel", aplikasi anu diajukeun ku Thiokol Corp. di 1995 (kénca) sareng wadah tekanan rectangular anu dipaténkeun ku BMW di 2009 (katuhu).
Departemen Komposit Karbon (LCC) Universitas Téknis Munich (TUM, Munich, Jérman) kalibet dina dua proyék pikeun ngembangkeun konsép ieu. Anu kahiji nyaéta Polymers4Hydrogen (P4H), dipimpin ku Leoben Polymer Competence Center (PCCL, Leoben, Austria). Paket kerja LCC dipingpin ku Fellow Elizabeth Glace.
Proyék kadua nyaéta Demonstrasi Hidrogen sareng Lingkungan Pangembangan (HyDDen), dimana LCC dipimpin ku Panaliti Christian Jaeger. Duanana boga tujuan pikeun nyieun demonstrasi skala badag tina prosés manufaktur pikeun nyieun tank CGH2 cocog ngagunakeun komposit serat karbon.
Aya efisiensi volumetrik kawates nalika silinder diaméterna leutik dipasang dina sél batré datar (kénca) jeung tipe kubik 2 kapal tekanan dijieunna tina liners baja jeung serat karbon / epoxy cangkang luar komposit (katuhu). Sumber Gambar: Angka 3 sareng 6 tina "Pendekatan Desain Numerik pikeun Kapal Kotak Tekanan Tipe II sareng Suku Tegangan Internal" ku Ruf sareng Zaremba et al.
P4H parantos nyiptakeun tank kubus ékspérimén anu ngagunakeun pigura termoplastik kalayan tali tegangan komposit / struts dibungkus ku epoksi anu diperkuat serat karbon. HyDDen bakal ngagunakeun desain anu sami, tapi bakal ngagunakeun layup serat otomatis (AFP) pikeun ngadamel sadaya tank komposit termoplastik.
Tina aplikasi patén ku Thiokol Corp. ka "Composite Conformal Pressure Vessel" dina 1995 ka Patén Jerman DE19749950C2 dina 1997, kapal gas anu dikomprés "bisa ngagaduhan konfigurasi géométri", tapi khususna bentukna datar sareng henteu teratur, dina rohangan anu dihubungkeun sareng dukungan cangkang. . elemen dipaké ambéh maranéhanana bisa nahan gaya ékspansi gas.
Makalah Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) 2006 ngajelaskeun tilu pendekatan: wadah tekanan konformal tatu filamén, wadah tekanan microlattice anu ngandung struktur kisi ortorombik internal (sél leutik 2 cm atanapi kirang), dikurilingan ku wadah H2 témbok ipis, jeung wadah réplikator, diwangun ku hiji struktur internal diwangun ku glued bagian leutik (misalna cingcin plastik héksagonal) jeung komposisi kulit cangkang luar ipis. Wadah duplikat paling cocog pikeun wadah anu langkung ageung dimana metode tradisional tiasa sesah nerapkeun.
Patén DE102009057170A diajukeun ku Volkswagen di 2009 ngajelaskeun wadah tekanan anu dipasang kandaraan anu bakal nyayogikeun efisiensi beurat anu luhur bari ningkatkeun panggunaan rohangan. Tanghi rectangular ngagunakeun panyambungna tegangan antara dua témbok sabalikna rectangular, sarta juru anu rounded.
Konsep di luhur sareng anu sanésna dicutat ku Gleiss dina makalah "Prosés Pangembangan pikeun Kapal Tekanan Kubik sareng Bar Stretch" ku Gleiss et al. di ECCM20 (26-30 Juni 2022, Lausanne, Swiss). Dina tulisan ieu, anjeunna nyarioskeun ulikan TUM anu diterbitkeun ku Michael Roof sareng Sven Zaremba, anu mendakan yén wadah tekanan kubik sareng struts tegangan nyambungkeun sisi sagi opat langkung éfisién tibatan sababaraha silinder leutik anu pas kana rohangan batré datar, nyayogikeun kirang langkung 25 % Tambih deui. rohangan neundeun.
Numutkeun kana Gleiss, masalah sareng masang sajumlah ageung jinis silinder 4 leutik dina kasus datar nyaéta "volume antara silinder dikirangan pisan sareng sistem ogé ngagaduhan permukaan permeasi gas H2 anu ageung. Gemblengna, sistem nyadiakeun kapasitas gudang kirang ti kendi kubik.
Sanajan kitu, aya masalah sejen kalawan desain kubik tank urang. "Jelas, kusabab gas dikomprés, anjeun kedah counteract gaya bending dina témbok datar," ceuk Gleiss. "Kanggo ieu, anjeun peryogi struktur bertulang anu nyambungkeun internal kana témbok tank. Tapi éta hésé dilakukeun sareng komposit. ”
Glace sareng timnya nyobian ngalebetkeun bar tegangan anu nguatkeun kana bejana tekanan ku cara anu cocog pikeun prosés pungkal filamén. "Ieu penting pikeun produksi volume tinggi," anjeunna ngajelaskeun, "sareng ogé ngamungkinkeun urang ngarancang pola pungkal tina témbok wadahna pikeun ngaoptimalkeun orientasi serat pikeun unggal beban dina zona."
Opat léngkah pikeun nyieun tank komposit kubik percobaan pikeun proyék P4H. Kiridit gambar: "Pamekaran prosés produksi pikeun kapal tekanan kubik nganggo brace", Universitas Téknis Munich, proyék Polymers4Hydrogen, ECCM20, Juni 2022.
Pikeun ngahontal on-chain, tim geus ngembangkeun hiji konsép anyar diwangun ku opat hambalan utama, sakumaha ditémbongkeun di luhur. The struts tegangan, ditémbongkeun hideung dina hambalan, mangrupakeun struktur pigura prefabricated fabricated ngagunakeun métode dicokot tina proyék MAI Skelett. Pikeun proyék ieu, BMW ngembangkeun hiji pigura kaca "kerangka" ngagunakeun opat rod pultrusion bertulang serat, nu lajeng dijieun pigura plastik.
Pigura tank kubik ékspérimén. Bagian rangka héksagonal 3D dicitak ku TUM maké filamén PLA unreinforced (luhureun), inserting CF / PA6 pultrusion rod sakumaha tegangan braces (tengah) lajeng wrapping filamén sabudeureun braces (handap). Kiridit gambar: Universitas Téknis Munich LCC.
"Ide nya nu bisa ngawangun pigura tank kubik salaku struktur modular," ceuk Glace. "Modul ieu lajeng disimpen dina alat molding, tegangan struts disimpen dina modul pigura, lajeng metoda MAI Skelett dipaké sabudeureun struts pikeun ngahijikeun eta jeung bagian pigura". Metoda produksi masal, hasilna struktur anu lajeng dipaké salaku mandrel atawa inti pikeun mungkus cangkang komposit tank gudang.
TUM dirancang pigura tank salaku "bantal" kubik kalawan sisi padet, sudut rounded sarta pola héksagonal di luhur jeung handap ngaliwatan nu dasi bisa diselapkeun tur napel. Liang pikeun rak ieu ogé dicitak 3D. "Kanggo tank eksperimen awal urang, urang 3D dicitak bagian pigura héksagonal ngagunakeun asam polylactic [PLA, a thermoplastic basis bio] sabab éta gampang tur mirah," ceuk Glace.
Tim éta ngagaleuh 68 batang serat karbon anu diperkuat polyamide 6 (PA6) ti SGL Carbon (Meitingen, Jérman) pikeun dianggo salaku ikatan. "Pikeun nguji konsép éta, kami henteu ngalakukeun cetakan naon waé," saur Gleiss, "tapi ngan saukur nyelapkeun spacer kana pigura inti honeycomb anu dicitak 3D sareng ngajempolan ku lem epoksi. Ieu teras nyayogikeun mandrel pikeun ngagulung tank. Manehna catetan anu najan rod ieu kawilang gampang angin, aya sababaraha masalah signifikan anu bakal dijelaskeun engké.
"Dina tahap kahiji, tujuan urang éta pikeun demonstrate nu manufacturability tina rarancang jeung ngaidentipikasi masalah dina konsép produksi," dipedar Gleiss. "Jadi struts tegangan nonjol tina beungeut luar struktur rangka, sarta kami ngagantelkeun serat karbon kana inti ieu ngagunakeun pungkal filamén baseuh. Sanggeus éta, dina hambalan katilu urang ngabengkokkeun kapala unggal rod dasi. thermoplastic, jadi urang ngan ngagunakeun panas pikeun reshape sirah meh flattens sarta ngonci kana lapisan mimiti wrapping. Teras we lajengkeun pikeun mungkus struktur deui supados sirah dorong datar ieu geometrically enclosed dina tank. laminate dina témbok.
Cap spacer pikeun pungkal. TUM ngagunakeun caps plastik dina tungtung rod tegangan pikeun nyegah serat tina kusut salila filamén pungkal. Kiridit gambar: Universitas Téknis Munich LCC.
Glace negeskeun deui yén tank munggaran ieu mangrupikeun bukti konsép. "Pamakéan percetakan 3D sareng lem ngan ukur pikeun uji awal sareng masihan kami ide ngeunaan sababaraha masalah anu kami hadapi. Salaku conto, nalika pungkal, filamén ditéwak ku tungtung batang tegangan, nyababkeun pegatna serat, karusakan serat, sareng ngirangan jumlah serat pikeun ngalawan ieu. kami ngagunakeun sababaraha caps plastik salaku AIDS manufaktur anu disimpen dina kutub saméméh pungkal step.Then munggaran, nalika laminates internal dijieun, urang dipiceun caps pelindung ieu sarta reshaped tungtung kutub saméméh wrapping final ".
Tim experimented kalawan rupa skenario rekonstruksi. "Jalma anu kasampak di sabudeureun gawéna pangalusna," nyebutkeun Grace. "Oge, salila fase prototyping, urang ngagunakeun alat las dirobah pikeun nerapkeun panas sarta reshape tungtung rod dasi. Dina konsép produksi masal, anjeun bakal gaduh hiji alat anu langkung ageung anu tiasa ngabentuk sareng ngabentuk sadaya tungtung struts kana laminate interior dina waktos anu sami. . ”
huluna drawbar ngawangun deui. TUM ékspérimén sareng konsép anu béda sareng ngarobih las pikeun ngajajar tungtung dasi komposit pikeun ngagantelkeun kana laminate témbok tank. Kiridit gambar: "Pamekaran prosés produksi pikeun kapal tekanan kubik nganggo brace", Universitas Téknis Munich, proyék Polymers4Hydrogen, ECCM20, Juni 2022.
Ku kituna, laminate diubaran sanggeus hambalan pungkal kahiji, tulisan anu reshaped, TUM ngalengkepan pungkal kadua filaments, lajeng laminate témbok tank luar diubaran kadua kalina. Punten dicatet yén ieu mangrupikeun desain tank tipe 5, anu hartosna éta henteu ngagaduhan liner plastik salaku halangan gas. Tempo sawala dina Léngkah salajengna bagian handap.
"Urang motong demo munggaran kana bagian cross sarta dipetakeun wewengkon disambungkeun," ceuk Glace. "A close-up nunjukkeun yén urang ngagaduhan sababaraha masalah kualitas sareng laminate, kalayan sirah strut henteu datar dina laminate interior."
Ngarengsekeun masalah sareng sela antara laminate tembok jero sareng luar tank. The dirobah sirah rod dasi nyiptakeun gap antara robah warna ka warna kahiji jeung kadua tina tank ékspérimén. Kiridit gambar: Universitas Téknis Munich LCC.
Tangki awal 450 x 290 x 80mm ieu réngsé usum panas kamari. "Urang geus nyieun loba kamajuan saprak lajeng, tapi urang masih boga gap antara interior jeung exterior laminate," ceuk Glace. "Janten urang nyobian ngeusian éta jurang kalayan résin viskositas anu bersih sareng luhur. Ieu sabenerna ngaronjatkeun sambungan antara studs na laminate, nu greatly ngaronjatkeun stress mékanis.
Tim terus ngamekarkeun desain tank jeung prosés, kaasup solusi pikeun pola pungkal dipikahoyong. "Sisi tank test teu pinuh curled sabab éta hésé pikeun géométri ieu nyieun jalur pungkal," jelas Glace. "Sudut pungkal awal kami nyaéta 75 °, tapi kami terang yén sababaraha sirkuit diperyogikeun pikeun nyumponan beban dina wadah tekanan ieu. Kami masih néangan solusi pikeun masalah ieu, tapi teu gampang jeung software ayeuna dina pasaran. Éta tiasa janten proyék susulan.
"Kami geus nunjukkeun feasibility konsép produksi ieu," nyebutkeun Gleiss, "tapi urang kudu gawé salajengna pikeun ngaronjatkeun sambungan antara laminate jeung reshape nu rod dasi. "Tes éksternal dina mesin uji. Anjeun narik spacer kaluar tina laminate sareng nguji beban mékanis anu tiasa tahan tina sendi éta.
Ieu bagian tina proyék Polymers4Hydrogen bakal réngsé dina ahir 2023, ku waktos Gleis ngaharepkeun pikeun ngalengkepan tank démo kadua. Narikna, desain ayeuna nganggo termoplastik bertulang rapih dina pigura sareng komposit térmosét dina témbok tank. Bakal pendekatan hibrid ieu dipaké dina tank démo final? "Iya," ceuk Grace. "Mitra kami dina proyék Polymers4Hydrogen nuju ngembangkeun résin epoksi sareng bahan matriks komposit sanés anu gaduh sipat panghalang hidrogén anu langkung saé." Anjeunna daptar dua mitra anu damel dina karya ieu, PCCL sareng Universitas Tampere (Tampere, Finlandia).
Gleiss sareng timnya ogé tukeur inpormasi sareng ngabahas ide sareng Jaeger dina proyék HyDDen kadua ti tank komposit konformal LCC.
"Kami bakal ngahasilkeun wadah tekanan komposit konformal pikeun drones panalungtikan," saur Jaeger. "Ieu kolaborasi antara dua departemén Aerospace sareng Geodetic TUM - LCC sareng Departemen Téhnologi Helikopter (HT). Proyék éta bakal réngsé dina ahir taun 2024 sareng urang ayeuna nuju ngalengkepan kapal tekanan. desain anu leuwih mangrupa pendekatan aerospace jeung otomotif. Saatos tahap konsép awal ieu, lengkah satuluyna nyaéta ngalakukeun modeling struktural lengkep sareng ngaduga kinerja halangan tina struktur témbok.
"Sakabeh gagasan nyaéta pikeun ngembangkeun hiji drone éksplorasi ku sél suluh hibrid sarta sistem propulsion batré," manehna nuluykeun. Bakal ngagunakeun batré salila beban kakuatan tinggi (ie takeoff na badarat) lajeng pindah ka sél suluh salila cruising beban lampu. "Tim HT parantos ngagaduhan drone panalungtikan sareng ngadesain ulang powertrain pikeun ngagunakeun batré sareng sél suluh," saur Yeager. "Éta ogé mésér tank CGH2 pikeun nguji transmisi ieu."
"Tim kuring ditugaskeun ngawangun prototipe tank tekanan anu pas, tapi sanés kusabab masalah bungkusan anu bakal diciptakeun tank cylindrical," anjeunna ngajelaskeun. "Tangki anu langkung datar henteu nawiskeun résistansi angin saloba. Janten anjeun nampi kinerja penerbangan anu langkung saé. ” Diménsi tank approx. 830 x 350 x 173 mm.
Sapinuhna thermoplastic AFP patuh tank. Pikeun proyék HyDDen, tim LCC di TUM mimitina ngajajah pendekatan sarupa anu dipaké ku Glace (di luhur), tapi lajeng dipindahkeun ka pendekatan ngagunakeun kombinasi sababaraha modul struktural, nu lajeng overused maké AFP (handap). Kiridit gambar: Universitas Téknis Munich LCC.
"Hiji ide anu sami sareng pendekatan Elisabeth [Gleiss]," saur Yager, "pikeun nerapkeun braces tegangan kana témbok kapal pikeun ngimbangan gaya bending anu luhur. Sanajan kitu, tinimbang ngagunakeun prosés pungkal pikeun nyieun tank, urang ngagunakeun AFP. Kituna, urang mikir ngeunaan nyieun bagian misah tina bejana tekanan, nu rak geus terpadu. Pendekatan ieu ngamungkinkeun kuring pikeun ngagabungkeun sababaraha modul terpadu ieu teras nerapkeun tutup tungtung pikeun ngégél sadayana sateuacan pungkal AFP ahir.
"Kami nyobian ngabéréskeun konsép sapertos kitu," saur anjeunna, "sareng ogé ngamimitian nguji seleksi bahan, anu penting pisan pikeun mastikeun résistansi anu dipikabutuh pikeun penetrasi gas H2. Keur kitu, urang utamana ngagunakeun bahan termoplastik jeung keur dipake dina rupa-rupa kumaha bahan bakal mangaruhan kabiasaan permeation ieu jeung ngolah dina mesin AFP. Kadé ngartos naha perlakuan bakal boga pangaruh jeung lamun sagala pos-processing diperlukeun. Kami ogé hoyong terang upami tumpukan anu béda bakal mangaruhan permeasi hidrogén ngaliwatan wadah tekanan.
Tangki bakal didamel tina termoplastik sareng jalurna bakal disayogikeun ku Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Jérman). "Kami bakal ngagunakeun bahan PPS [polyphenylene sulfide], PEEK [poliéter keton] sareng LM PAEK [lebur rendah poliaril keton]," saur Yager. "Perbandingan teras dilakukeun pikeun ningali mana anu pangsaéna pikeun panyalindungan penetrasi sareng ngahasilkeun bagian anu langkung saé." Anjeunna ngaharepkeun pikeun ngabéréskeun tés, modél struktural sareng prosés sareng demonstrasi munggaran dina taun payun.
Karya panalungtikan dilaksanakeun dina modul COMET "Polymers4Hydrogen" (ID 21647053) dina program COMET Departemen Féderal pikeun Robah Iklim, Lingkungan, Énergi, Mobilitas, Inovasi sareng Téknologi sareng Kamentrian Féderal pikeun Téknologi Digital sareng Ékonomi. . Nu nulis hatur mitra milu Puseur Kompetensi Polimér Leoben GmbH (PCCL, Austria), Montanuniversitaet Leoben (Fakultas Téknik Polimér jeung Élmu, Jurusan Kimia Bahan Polimér, Jurusan Élmu Bahan jeung Tés Polimér), Universitas Tampere (Fakultas Téknik). Bahan). ) Élmu), Téknologi Puncak sareng Faurecia nyumbang kana ieu panalungtikan. COMET-Modul dibiayaan ku pamaréntah Austria sareng pamaréntah nagara Styria.
Lembar pra-tulang pikeun struktur beban-beban ngandung serat kontinyu - henteu ngan ukur tina kaca, tapi ogé tina karbon sareng aramid.
Aya seueur cara pikeun ngadamel bagian komposit. Ku alatan éta, pilihan métode pikeun bagian tinangtu bakal gumantung kana bahan, desain bagian, sarta pamakéan tungtung atawa aplikasi. Ieu mangrupikeun pituduh pilihan.
Shocker Composites sareng R&M International nuju ngembangkeun ranté suplai serat karbon daur ulang anu nyayogikeun enol meuncit, biaya langkung handap tibatan serat parawan sareng antukna bakal nawiskeun panjang anu ngadeukeutan serat kontinyu dina sipat struktural.
waktos pos: Mar-15-2023