Standardtankar med platt plattform för BEV och FCEV använder termoplast och härdplastkompositer med en skelettkonstruktion som ger 25 % mer H2-lagring. #väte #trender
Efter att ett samarbete med BMW visade att en kubisk tank kunde leverera högre volymetrisk effektivitet än flera små cylindrar, inledde Münchens tekniska universitet ett projekt för att utveckla en kompositstruktur och en skalbar tillverkningsprocess för serieproduktion. Bildkredit: TU Dresden (överst) till vänster), Technical University of München, Department of Carbon Composites (LCC)
Elfordon med bränsleceller (FCEV) som drivs av vätgas med nollutsläpp (H2) ger ytterligare medel för att uppnå noll miljömål. En bränslecellspersonbil med H2-motor kan fyllas på 5-7 minuter och har en räckvidd på 50 mil, men är för närvarande dyrare på grund av låga produktionsvolymer. Ett sätt att minska kostnaderna är att använda en standardplattform för BEV- och FCEV-modeller. Detta är för närvarande inte möjligt eftersom de cylindriska tankarna av typ 4 som används för att lagra komprimerad H2-gas (CGH2) vid 700 bar i FCEV-bilar inte är lämpliga för underredets batterifack som har noggrant utformats för elfordon. Däremot kan tryckkärl i form av kuddar och kuber passa in i detta platta förpackningsutrymme.
Patent US5577630A för "Composite Conformal Pressure Vessel", ansökan inlämnad av Thiokol Corp. 1995 (vänster) och det rektangulära tryckkärlet patenterat av BMW 2009 (höger).
Institutionen för kolkompositer (LCC) vid Tekniska universitetet i München (TUM, München, Tyskland) är involverad i två projekt för att utveckla detta koncept. Den första är Polymers4Hydrogen (P4H), som leds av Leoben Polymer Competence Center (PCCL, Leoben, Österrike). LCC-arbetspaketet leds av Fellow Elizabeth Glace.
Det andra projektet är Hydrogen Demonstration and Development Environment (HyDDen), där LCC leds av forskaren Christian Jaeger. Båda syftar till att skapa en storskalig demonstration av tillverkningsprocessen för att göra en lämplig CGH2-tank med kolfiberkompositer.
Det finns begränsad volymetrisk effektivitet när cylindrar med liten diameter installeras i platta battericeller (vänster) och kubiska typ 2 tryckkärl gjorda av stålfoder och ett yttre skal av kolfiber/epoxikomposit (höger). Bildkälla: Figurerna 3 och 6 är från "Numerical Design Approach for Type II Pressure Box Vessel with Internal Tension Legs" av Ruf och Zaremba et al.
P4H har tillverkat en experimentell kubtank som använder en termoplastram med kompositspännband/stag inlindade i kolfiberförstärkt epoxi. HyDDen kommer att använda en liknande design, men kommer att använda automatisk fiberuppläggning (AFP) för att tillverka alla termoplastiska komposittankar.
Från en patentansökan av Thiokol Corp. till "Composite Conformal Pressure Vessel" 1995 till tyska patentet DE19749950C2 1997, kärl för komprimerad gas "kan ha vilken geometrisk konfiguration som helst", men speciellt plana och oregelbundna former, i ett hålrum anslutet till skalstödet . element används så att de kan motstå gasens expansionskraft.
En uppsats från Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) från 2006 beskriver tre tillvägagångssätt: ett filamentlindat konformt tryckkärl, ett mikrogittertryckkärl som innehåller en inre ortorhombisk gitterstruktur (små celler på 2 cm eller mindre), omgiven av en tunnväggig H2-behållare, och en replikatorbehållare, bestående av en inre struktur bestående av limmade små delar (t.ex. hexagonala plastringar) och en sammansättning av tunn yttre skalhud. Dubblettbehållare lämpar sig bäst för större behållare där traditionella metoder kan vara svåra att tillämpa.
Patent DE102009057170A inlämnat av Volkswagen 2009 beskriver ett fordonsmonterat tryckkärl som ger hög vikteffektivitet samtidigt som utrymmesutnyttjandet förbättras. Rektangulära tankar använder spänningsanslutningar mellan två rektangulära motsatta väggar, och hörnen är rundade.
Ovanstående och andra koncept citeras av Gleiss i artikeln "Process Development for Cubic Pressure Vessels with Stretch Bars" av Gleiss et al. på ECCM20 (26-30 juni 2022, Lausanne, Schweiz). I den här artikeln citerar hon en TUM-studie publicerad av Michael Roof och Sven Zaremba, som fann att ett kubiskt tryckkärl med dragstag som förbinder rektangulära sidor är mer effektivt än flera små cylindrar som passar in i utrymmet på ett platt batteri, vilket ger cirka 25 % mer. lagringsutrymme.
Enligt Gleiss är problemet med att installera ett stort antal små typ 4-cylindrar i ett platt hölje att ”volymen mellan cylindrarna reduceras kraftigt och systemet har också en mycket stor H2-gasgenomträngningsyta. Sammantaget ger systemet mindre lagringskapacitet än kubiska burkar."
Det finns dock andra problem med tankens kubiska design. "Självklart, på grund av den komprimerade gasen, måste du motverka böjningskrafterna på de platta väggarna," sa Gleiss. "För detta behöver du en förstärkt struktur som ansluter internt till tankens väggar. Men det är svårt att göra med kompositer.”
Glace och hennes team försökte införliva förstärkande spänningsstänger i tryckkärlet på ett sätt som skulle vara lämpligt för filamentlindningsprocessen. "Detta är viktigt för högvolymproduktion", förklarar hon, "och gör det också möjligt för oss att designa lindningsmönstret för behållarväggarna för att optimera fiberorienteringen för varje last i zonen."
Fyra steg för att göra en provkubisk komposittank för P4H-projektet. Bildkredit: "Utveckling av en produktionsprocess för kubiska tryckkärl med stag", Tekniska universitetet i München, Polymers4Hydrogen-projektet, ECCM20, juni 2022.
För att uppnå on-chain har teamet utvecklat ett nytt koncept som består av fyra huvudsteg, som visas ovan. Spännstagen, som visas i svart på stegen, är en prefabricerad ramkonstruktion tillverkad med metoder hämtade från MAI Skelett-projektet. För detta projekt utvecklade BMW en "ram" för vindrutan med fyra fiberförstärkta pultrusionsstänger, som sedan gjuts in i en plastram.
Ramen av en experimentell kubisk tank. Hexagonala skelettsektioner 3D-utskrivna av TUM med hjälp av oförstärkt PLA-filament (överst), införa CF/PA6 pultrusionsstänger som spänningsstag (mitten) och sedan linda glödtråden runt hängslen (nederst). Bildkredit: Technical University of München LCC.
"Tanken är att du kan bygga ramen för en kubisk tank som en modulär struktur," sa Glace. "Dessa moduler placeras sedan i ett formverktyg, dragstagen placeras i rammodulerna och sedan används MAI Skeletts metod runt stöttorna för att integrera dem med ramdelarna." massproduktionsmetod, vilket resulterar i en struktur som sedan används som en dorn eller kärna för att slå in lagringstankens kompositskal.
TUM designade tankramen som en kubisk "kudde" med solida sidor, rundade hörn och ett hexagonalt mönster på toppen och botten genom vilket band kan sättas in och fästas. Hålen för dessa ställ var också 3D-printade. "För vår första experimenttank 3D-printade vi hexagonala ramsektioner med polymjölksyra [PLA, en biobaserad termoplast] eftersom det var enkelt och billigt," sa Glace.
Teamet köpte 68 pultruderade kolfiberförstärkta polyamid 6 (PA6) stavar från SGL Carbon (Meitingen, Tyskland) för användning som slipsar. "För att testa konceptet gjorde vi ingen formning", säger Gleiss, "utan satte helt enkelt in distanser i en 3D-tryckt bikakekärnram och limmade dem med epoxilim. Detta ger sedan en dorn för att linda tanken." Hon konstaterar att även om dessa spön är relativt lätta att linda finns det några betydande problem som kommer att beskrivas senare.
"I det första skedet var vårt mål att visa designens tillverkningsbarhet och identifiera problem i produktionskonceptet", förklarade Gleiss. "Så spänningsstagen sticker ut från den yttre ytan av skelettstrukturen, och vi fäster kolfibrerna på denna kärna med hjälp av våtfilamentlindning. Efter det, i det tredje steget, böjer vi huvudet på varje dragstång. termoplast, så vi använder bara värme för att forma om huvudet så att det plattar till och låser sig i det första lagret av omslag. Vi fortsätter sedan att linda strukturen igen så att det platta tryckhuvudet är geometriskt inneslutet i tanken. laminat på väggarna.
Distanshylsa för lindning. TUM använder plastlock på ändarna av spännstängerna för att förhindra att fibrerna trasslar ihop sig under trådlindningen. Bildkredit: Technical University of München LCC.
Glace upprepade att denna första tank var ett bevis på konceptet. "Användningen av 3D-utskrift och lim var endast för inledande tester och gav oss en uppfattning om några av de problem vi stötte på. Till exempel, under lindningen, fångades filamenten av ändarna av dragstängerna, vilket orsakade fiberbrott, fiberskador och minskade mängden fiber för att motverka detta. vi använde några plastkåpor som tillverkningshjälpmedel som placerades på stolparna innan det första lindningssteget. Sedan, när de interna laminaten gjordes, tog vi bort dessa skyddskåpor och omformade ändarna på stolparna innan den slutliga omslagningen.”
Teamet experimenterade med olika rekonstruktionsscenarier. "De som ser sig omkring fungerar bäst", säger Grace. "Under prototypfasen använde vi också ett modifierat svetsverktyg för att applicera värme och omforma dragstångsändarna. I ett massproduktionskoncept skulle du ha ett större verktyg som kan forma och forma alla ändarna på stagen till ett invändigt laminat samtidigt. . ”
Dragstångshuvuden omformade. TUM experimenterade med olika koncept och modifierade svetsarna för att passa in ändarna av kompositbanden för att fästas på tankväggslaminatet. Bildkredit: "Utveckling av en produktionsprocess för kubiska tryckkärl med stag", Tekniska universitetet i München, Polymers4Hydrogen-projektet, ECCM20, juni 2022.
Sålunda härdas laminatet efter det första lindningssteget, stolparna omformas, TUM fullbordar den andra lindningen av filamenten och sedan härdas det yttre tankväggslaminatet en andra gång. Observera att detta är en tankdesign av typ 5, vilket innebär att den inte har en plastfoder som gasbarriär. Se diskussionen i avsnittet Nästa steg nedan.
"Vi skar den första demon i tvärsnitt och kartlade det anslutna området," sa Glace. "En närbild visar att vi hade vissa kvalitetsproblem med laminatet, med staghuvudena som inte låg plant på det inre laminatet."
Löser problem med luckor mellan laminatet i tankens inner- och ytterväggar. Det modifierade dragstångshuvudet skapar ett gap mellan det första och andra varvet på experimenttanken. Bildkredit: Technical University of München LCC.
Denna första tank på 450 x 290 x 80 mm färdigställdes förra sommaren. "Vi har gjort stora framsteg sedan dess, men vi har fortfarande ett gap mellan invändigt och exteriört laminat," sa Glace. "Så vi försökte fylla dessa luckor med ett rent harts med hög viskositet. Detta förbättrar faktiskt kopplingen mellan reglarna och laminatet, vilket kraftigt ökar den mekaniska påfrestningen.”
Teamet fortsatte att utveckla tankdesignen och processen, inklusive lösningar för det önskade lindningsmönstret. "Sidorna på testtanken var inte helt krökta eftersom det var svårt för den här geometrin att skapa en slingrande bana," förklarade Glace. "Vår initiala lindningsvinkel var 75°, men vi visste att det behövdes flera kretsar för att klara belastningen i detta tryckkärl. Vi letar fortfarande efter en lösning på detta problem, men det är inte lätt med den mjukvara som för närvarande finns på marknaden. Det kan bli ett uppföljningsprojekt.
"Vi har visat genomförbarheten av detta produktionskoncept", säger Gleiss, "men vi måste arbeta vidare för att förbättra kopplingen mellan laminatet och omforma dragstängerna. "Extern testning på en testmaskin. Du drar ut distansbrickorna ur laminatet och testar de mekaniska belastningar som dessa skarvar tål."
Denna del av Polymers4Hydrogen-projektet kommer att slutföras i slutet av 2023, då Gleis hoppas kunna färdigställa den andra demonstrationstanken. Intressant nog använder konstruktioner idag snygga förstärkta termoplaster i ramen och härdplaster i tankväggarna. Kommer den här hybridmetoden att användas i den slutliga demonstrationstanken? "Ja", sa Grace. "Våra partners i Polymers4Hydrogen-projektet utvecklar epoxihartser och andra kompositmatrismaterial med bättre vätebarriäregenskaper." Hon listar två partners som arbetar med detta arbete, PCCL och Tammerfors universitet (Tammerfors, Finland).
Gleiss och hennes team utbytte också information och diskuterade idéer med Jaeger om det andra HyDDen-projektet från LCC-konforma komposittanken.
"Vi kommer att producera ett konformt komposittryckkärl för forskningsdrönare", säger Jaeger. "Detta är ett samarbete mellan de två avdelningarna av Aerospace and Geodetic Department of TUM – LCC och Department of Helikopter Technology (HT). Projektet ska vara klart i slutet av 2024 och vi håller just nu på att färdigställa tryckkärlet. en design som är mer av ett flyg- och fordonstänkande. Efter detta inledande konceptstadium är nästa steg att utföra detaljerad strukturell modellering och förutsäga barriärprestanda för väggstrukturen."
"Hela idén är att utveckla en utforskande drönare med en hybridbränslecell och ett batteridrivsystem", fortsatte han. Den kommer att använda batteriet under hög effektbelastning (dvs. start och landning) och sedan byta till bränslecellen under lätt lastkryssning. "HT-teamet hade redan en forskningsdrönare och designade om drivlinan för att använda både batterier och bränsleceller," sa Yeager. "De köpte också en CGH2-tank för att testa den här transmissionen."
"Mitt team fick i uppdrag att bygga en trycktankprototyp som skulle passa, men inte på grund av de förpackningsproblem som en cylindrisk tank skulle skapa", förklarar han. ”En plattare tank ger inte lika mycket vindmotstånd. Så du får bättre flygprestanda.” Tankmått ca. 830 x 350 x 173 mm.
Helt termoplastisk AFP-kompatibel tank. För HyDDen-projektet undersökte LCC-teamet vid TUM initialt ett liknande tillvägagångssätt som det som används av Glace (ovan), men övergick sedan till ett tillvägagångssätt med en kombination av flera strukturella moduler, som sedan överanvändes med AFP (nedan). Bildkredit: Technical University of München LCC.
"En idé liknar Elisabeth [Gleiss] tillvägagångssätt," säger Yager, "att applicera spänningsstag på kärlväggen för att kompensera för de höga böjkrafterna. Men istället för att använda en lindningsprocess för att göra tanken använder vi AFP. Därför tänkte vi skapa en separat sektion av tryckkärlet, där stativen redan är integrerade. Detta tillvägagångssätt gjorde det möjligt för mig att kombinera flera av dessa integrerade moduler och sedan applicera ett ändlock för att försegla allt innan den slutliga AFP-lindningen."
"Vi försöker slutföra ett sådant koncept," fortsatte han, "och även börja testa valet av material, vilket är mycket viktigt för att säkerställa det nödvändiga motståndet mot H2-gaspenetration. För detta använder vi främst termoplastiska material och arbetar med olika hur materialet kommer att påverka detta genomträngningsbeteende och bearbetning i AFP-maskinen. Det är viktigt att förstå om behandlingen kommer att ha effekt och om någon efterbehandling krävs. Vi vill också veta om olika stackar kommer att påverka vätepermeationen genom tryckkärlet."
Tanken kommer helt att vara gjord av termoplast och remsorna kommer att levereras av Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Tyskland). "Vi kommer att använda deras PPS [polyfenylensulfid], PEEK [polyeterketon] och LM PAEK [lågtsmältande polyarylketon] material," sa Yager. "Jämförelser görs sedan för att se vilken som är bäst för penetrationsskydd och för att producera delar med bättre prestanda." Han hoppas kunna slutföra testning, struktur- och processmodellering och första demonstrationer inom nästa år.
Forskningsarbetet utfördes inom COMET-modulen "Polymers4Hydrogen" (ID 21647053) inom COMET-programmet för det federala ministeriet för klimatförändringar, miljö, energi, mobilitet, innovation och teknologi och det federala ministeriet för digital teknik och ekonomi. . Författarna tackar de deltagande partnerna Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL, Österrike), Montanuniversitaet Leoben (fakulteten för polymerteknik och vetenskap, avdelningen för kemi för polymermaterial, avdelningen för materialvetenskap och polymertestning), universitetet i Tammerfors (tekniska fakulteten). Material). ) Science), Peak Technology och Faurecia bidrog till detta forskningsarbete. COMET-Modul finansieras av Österrikes regering och regeringen i delstaten Steiermark.
Förförstärkta plåtar för bärande konstruktioner innehåller kontinuerliga fibrer – inte bara från glas, utan också från kol och aramid.
Det finns många sätt att göra kompositdelar. Därför kommer valet av metod för en viss del att bero på materialet, utformningen av delen och slutanvändningen eller tillämpningen. Här är en urvalsguide.
Shocker Composites och R&M International utvecklar en försörjningskedja av återvunnen kolfiber som ger noll slakt, lägre kostnad än nyfiber och kommer så småningom att erbjuda längder som närmar sig kontinuerlig fiber i strukturella egenskaper.
Posttid: 15-mars-2023