Standard plattplattformtankar för BEV: er och FCEV använder termoplastiska och termosetkompositer med en skelettkonstruktion som ger 25% mer H2-lagring. #hydrogen #trends
Efter ett samarbete med BMW visade att en kubisk tank kunde leverera högre volymeffektivitet än flera små cylindrar, inledde det tekniska universitetet i München ett projekt för att utveckla en sammansatt struktur och en skalbar tillverkningsprocess för serieproduktion. Bildkredit: TU Dresden (överst) till vänster), Tekniska universitetet i München, avdelningen för kolkompositer (LCC)
Electric Cell Electric Vehicles (FCEV) som drivs av nollemission (H2) väte ger ytterligare medel för att uppnå noll miljömål. En bränslecellbilbil med en H2-motor kan fyllas på 5-7 minuter och har en räckvidd på 500 km, 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 i typ 4 som används för att lagra komprimerad H2 -gas (CGH2) vid 700 bar i FCEV: er inte är lämpliga för underbattbatterifack som har utformats noggrant för elektriska fordon. Tryckkärl i form av kuddar och kuber kan emellertid passa in i detta platta förpackningsutrymme.
Patent US5577630A för ”sammansatt konform tryckkärl”, ansökan inlämnad av Thiokol Corp. 1995 (vänster) och det rektangulära tryckkärlet patenterat av BMW 2009 (höger).
Department of Carbon Composites (LCC) vid det tekniska universitetet i München (TUM, München, Tyskland) är involverad i två projekt för att utveckla detta koncept. Den första är Polymers4Hydrogen (P4H), ledd av Leoben Polymer Competence Center (PCCL, Leoben, Österrike). LCC -arbetspaketet leds av kollegan Elizabeth Glace.
Det andra projektet är väte -demonstrations- och utvecklingsmiljön (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 små diameter är installerade i platta batterifattor (vänster) och kubiska tryckkärl av typ 2 tillverkade av stålfoder och ett kolfiber/epoxikomposit yttre skal (höger). Bildkälla: Figurerna 3 och 6 kommer från ”numerisk designmetod för typ II -tryckboxfartyg med inre spänningsben” av RUF och Zaremba et al.
P4H har tillverkat en experimentell kubtank som använder en termoplastisk ram med sammansatta spänningsband/stag inslagna i kolfiberarmerad epoxi. Hydden kommer att använda en liknande design, men kommer att använda automatisk fiberupplägg (AFP) för att tillverka alla termoplastiska sammansatta tankar.
Från en patentansökan av Thiokol Corp. till ”sammansatt konform presskärl” 1995 till tyska patent de19749950c2 1997 kan komprimerade gasfartyg ”ha någon geometrisk konfiguration”, men särskilt platta och oregelbundna former, i en kavitet ansluten till skalstödet . Element används så att de tål kraften för utvidgning av gasen.
Ett 2016 Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) -papper beskriver tre tillvägagångssätt: ett filamentsårskonformt tryckkärl, ett mikrolattryckkärl som innehåller en inre ortorhombisk gitterstruktur (små celler med 2 cm eller mindre), omgiven av ett tunnväggat H2-behållare, och en replikatorbehållare, bestående av en intern struktur som består av limmade små delar (t.ex. hexagonala plastringar) och en sammansättning av tunn yttre skalhud. Duplicerade containrar är bäst lämpade för större containrar där traditionella metoder kan vara svåra att tillämpa.
Patent DE102009057170A Inlämnad av Volkswagen 2009 beskriver ett fordonsmonterat tryckkärl som kommer att ge hög vikteffektivitet samtidigt som rymdutnyttjandet förbättras. Rektangulära tankar använder spänningsanslutningar mellan två rektangulära motsatta väggar, och hörnen är rundade.
Ovanstående och andra koncept citeras av Gleiss i uppsatsen ”Processutveckling för kubiska tryckkärl med stretchstänger” 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 spänningsstagar som förbinder rektangulära sidor är mer effektiv än flera små cylindrar som passar in i ett platt batteri, vilket ger ungefär 25 % mer. lagringsutrymme.
Enligt Gleiss är problemet med att installera ett stort antal små typ 4 -cylindrar i ett platt fall att ”volymen mellan cylindrarna är kraftigt reducerat och systemet har också en mycket stor H2 -gaspermeation. Sammantaget ger systemet mindre lagringskapacitet än kubikburkar. ”
Det finns dock andra problem med tankens kubiska design. "Självklart, på grund av den komprimerade gasen, måste du motverka böjkrafterna på de platta väggarna," sade 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 integrera förstärkande spänningstänger i tryckkärlet på ett sätt som skulle vara lämpligt för glödlindningsprocessen. "Detta är viktigt för produktion med hög volym," förklarar hon, "och tillåter oss också att utforma lindningsmönstret för behållarväggarna för att optimera fiberorienteringen för varje belastning i zonen."
Fyra steg för att göra en Test Cubic Composite Tank för P4H -projektet. Bildkredit: "Utveckling av en produktionsprocess för kubiska tryckkärl med Brace", Tekniska universitetet i München, Polymers4Hydrogen Project, ECCM20, juni 2022.
För att uppnå kedjan har teamet utvecklat ett nytt koncept bestående av fyra huvudsteg, som visas ovan. Spänningsstagarna, som visas i svart på trappan, är en prefabricerad ramstruktur tillverkad med metoder tagna från MAI Skelett -projektet. För detta projekt utvecklade BMW en vindrutan "ramverk" med fyra fiberförstärkta pultruskolar, som sedan formades in i en plastram.
Ramen för en experimentell kubisk tank. Hexagonala skelettavsnitt 3D Tryckt av TUM med användning av oåterkallat PLA -filament (överst), sätter in CF/PA6 -pultrusstänger som spänningssnänger (mitten) och förpackar sedan filamentet runt hängslen (botten). Image Credit: Technical University of München LCC.
"Tanken är att du kan bygga ramen för en kubisk tank som en modulär struktur," sade Glace. "Dessa moduler placeras sedan i ett formningsverktyg, spänningsstagarna placeras i rammodulerna och sedan används Mai Skeletts metod runt stagarna för att integrera dem med ramdelarna." Massproduktionsmetod, vilket resulterar i en struktur som sedan används som en dorn eller kärna för att linda lagringstankens kompositskal.
Tum designade tankramen som en kubisk "kudde" med fasta sidor, rundade hörn och ett hexagonalt mönster på toppen och botten genom vilket band kan sättas in och fästas. Hålen för dessa rack var också 3D -tryckta. "För vår första experimentella tank tryckte vi 3D hexagonala ramsektioner med polylaktinsyra [PLA, en biobaserad termoplast] eftersom det var enkelt och billigt," sa Glace.
Teamet köpte 68 pultruded kolfiberarmerad polyamid 6 (PA6) stavar från SGL Carbon (Meitingen, Tyskland) för användning som band. "För att testa konceptet gjorde vi inga gjutningar," säger Gleiss, "men satte helt enkelt avstånd i en 3D -tryckt honungskakorram och limmade dem med epoxilim. Detta ger sedan en dorn för att slingra tanken. ” Hon konstaterar att även om dessa stavar är relativt enkla att linda, finns det några betydande problem som kommer att beskrivas senare.
"I det första steget var vårt mål att visa tillverkningen av designen och identifiera problem i produktionskonceptet," förklarade Gleiss. ”Så spänningsstagarna sticker ut från skelettstrukturens yttre yta, och vi fäster kolfibrerna till denna kärna med våt filamentlindning. Efter det, i det tredje steget, böjer vi huvudet på varje slipsstång. Termoplast, så vi använder bara värme för att omforma huvudet så att det plattas och låses i det första lagret av inslagning. Vi fortsätter sedan att linda in strukturen igen så att det platta tryckhuvudet är geometriskt inneslutet i tanken. laminat på väggarna.
Distanslock för lindning. Tum använder plastkåpor på ändarna på spänningsstängerna för att förhindra att fibrerna trasslar under filamentlindning. Image Credit: Technical University of München LCC.
Glace upprepade att denna första tank var ett bevis på konceptet. ”Användningen av 3D -utskrift och lim var bara för första testning och gav oss en uppfattning om några av de problem vi stötte på. Under lindningen fångades till exempel filamenten av ändarna på spänningsstängerna, orsakade fiberbrott, fiberskador och minskade mängden fiber för att motverka detta. Vi använde några plastkåpor som tillverkningshjälpmedel som placerades på polerna före det första lindningssteget. Sedan, när de inre laminaten gjordes, tog vi bort dessa skyddande mössor och omformade polackens ändar före slutförpackningen. ”
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 slipsstången. I ett massproduktionskoncept skulle du ha ett större verktyg som kan forma och bilda alla stagarnas ändar till en inre laminat samtidigt. . ”
Drawbar -huvuden omformades. TUM experimenterade med olika koncept och modifierade svetsarna för att anpassa ändarna på de sammansatta band för att fästa vid tankväggslaminatet. Bildkredit: "Utveckling av en produktionsprocess för kubiska tryckkärl med Brace", Tekniska universitetet i München, Polymers4Hydrogen Project, ECCM20, juni 2022.
Således botas laminatet efter det första lindningssteget, stolparna omformas, tummen slutför den andra lindningen av filamenten, och sedan botas den yttre tankväggslaminatet en andra gång. Observera att detta är en typ 5 -tankdesign, vilket innebär att den inte har en plastfoder som en gasbarriär. Se diskussionen i nästa stegavsnitt nedan.
"Vi skar den första demonstrationen i tvärsnitt och kartlade det anslutna området," sade Glace. "En närbild visar att vi hade några kvalitetsproblem med laminatet, med staghuvudena som inte lägger platt på det inre laminatet."
Lösa problem med luckor mellan laminatet i de inre och yttre väggarna i tanken. Det modifierade slipsstånghuvudet skapar ett gap mellan den första och den andra varven av experimenttanken. Image Credit: Technical University of München LCC.
Denna första 450 x 290 x 80 mm tank slutfördes förra sommaren. "Vi har gjort mycket framsteg sedan dess, men vi har fortfarande ett gap mellan inre och yttre laminat," sade Glace. ”Så vi försökte fylla dessa luckor med ett rent, högt viskositet harts. Detta förbättrar faktiskt kopplingen mellan studs och laminat, vilket kraftigt ökar den mekaniska stressen. ”
Teamet fortsatte att utveckla tankdesign och process, inklusive lösningar för önskat lindningsmönster. "Sidorna på testtanken var inte helt krullade eftersom det var svårt för denna geometri att skapa en slingrande väg," förklarade Glace. ”Vår initiala lindningsvinkel var 75 °, men vi visste att flera kretsar behövdes för att möta belastningen i detta tryckkärl. Vi letar fortfarande efter en lösning på detta problem, men det är inte lätt med programvaran för närvarande på marknaden. Det kan bli ett uppföljningsprojekt.
"Vi har visat genomförbarheten av detta produktionskoncept," säger Gleiss, "men vi måste arbeta ytterligare för att förbättra sambandet mellan laminatet och omforma slipsstängerna. ”Extern testning på en testmaskin. Du drar distansarna ur laminatet och testar de mekaniska belastningar som dessa leder tål. ”
Denna del av Polymers4Hydrogen -projektet kommer att slutföras i slutet av 2023, då Gleis hoppas kunna slutföra den andra demonstrationstanken. Intressant nog använder mönster idag snygga förstärkta termoplast i ram- och termosetkompositerna i tankväggarna. Kommer denna hybridmetod att användas i den slutliga demonstrationstanken? "Ja," sa Grace. "Våra partners i Polymers4Hydrogen -projektet utvecklar epoxihartser och andra sammansatta matrismaterial med bättre vätebarriäregenskaper." Hon listar två partners som arbetar med detta arbete, PCCL och University of Tammere (Tammere, Finland).
Gleiss och hennes team utbytte också information och diskuterade idéer med Jaeger om det andra Hydden -projektet från LCC Conformal Composite Tank.
"Vi kommer att producera ett konformt sammansatt tryckkärl för forskningsdrönare," säger Jaeger. ”Detta är ett samarbete mellan de två avdelningarna för flyg- och geodetiska avdelningen för TUM - LCC och avdelningen för helikopterteknik (HT). Projektet kommer att slutföras i slutet av 2024 och vi slutför för närvarande tryckkärlet. En design som är mer en flyg- och fordonsstrategi. Efter detta första 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 batterisystem," fortsatte han. Det kommer att använda batteriet under höga effektbelastningar (dvs start och landning) och byter sedan till bränslecellen under lätt belastning. "HT -teamet hade redan en forskningsdrone och omdesignade drivlinan för att använda både batterier och bränsleceller," sade Yeager. "De köpte också en CGH2 -tank för att testa denna överföring."
"Mitt team fick i uppdrag att bygga en trycktankprototyp som skulle passa, men inte på grund av förpackningsproblemen som en cylindrisk tank skulle skapa," förklarar han. ”En plattare tank erbjuder inte så mycket vindmotstånd. Så du får bättre flygprestanda. ” Tankdimensioner ca. 830 x 350 x 173 mm.
Helt termoplastisk AFP -kompatibel tank. För Hydden -projektet undersökte LCC -teamet på TUM initialt en liknande metod som det som användes av Glace (ovan), men flyttade sedan till en metod med en kombination av flera strukturella moduler, som sedan överanvändes med AFP (nedan). Image Credit: Technical University of München LCC.
"En idé liknar Elisabeth [Gleiss] -strategi," säger Yager, "att applicera spänningsstänger på fartygsväggen för att kompensera för de höga böjkrafterna. Istället för att använda en lindningsprocess för att göra tanken använder vi emellertid AFP. Därför tänkte vi på att skapa en separat sektion av tryckkärlet, där racken redan är integrerade. Detta tillvägagångssätt gjorde det möjligt för mig att kombinera flera av dessa integrerade moduler och sedan applicera ett slutlock för att försegla allt före den slutliga AFP -lindningen. ”
"Vi försöker slutföra ett sådant koncept," fortsatte han, "och började också testa valet av material, vilket är mycket viktigt för att säkerställa nödvändigt motstånd mot H2 -gaspenetration. För detta använder vi främst termoplastiska material och arbetar med olika hur materialet kommer att påverka detta genomtrandebeteende och bearbetning i AFP -maskinen. Det är viktigt att förstå om behandlingen kommer att ha en effekt och om någon efterbehandling krävs. Vi vill också veta om olika staplar kommer att påverka vätegenomträngningen genom tryckkärlet. ”
Tanken kommer att vara helt gjord av termoplast och remsorna kommer att tillförs av Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Tyskland). "Vi kommer att använda deras PPS [Polyfenylensulfid], Peek [Polyeter Ketone] och LM Paek [Low Melting Polyaryl keton] material," sade Yager. "Jämförelser görs sedan för att se vilken som är bäst för penetreringsskydd och producera delar med bättre prestanda." Han hoppas kunna genomföra testning, strukturell och processmodellering och första demonstrationer inom nästa år.
Forskningsarbetet genomfördes inom kometmodulen "Polymers4Hydrogen" (ID 21647053) inom COMET -programmet för det federala ministeriet för klimatförändringar, miljö, energi, rörlighet, innovation och teknik och det federala ministeriet för digital teknik och ekonomi. . Författarna tackar de deltagande partner Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL, Österrike), Montanuniversitaet Leoben (fakulteten för polymerteknik och vetenskap, avdelningen för kemi för polymermaterial, avdelningen för materialvetenskap och polymertestning), University of Tampere (fakulteten för teknik Material). ) Science), Peak Technology och Faurecia bidrog till detta forskningsarbete. Comet-Modul finansieras av Österrikes regering och regeringen i staten Styria.
Förstärkta ark för bärande strukturer innehåller kontinuerliga fibrer-inte bara från glas utan också från kol och aramid.
Det finns många sätt att göra sammansatta delar. Därför kommer valet av metod för en viss del att bero på materialet, utformningen av delen och slutanvändningen eller applikationen. Här är en urvalsguide.
Shocker Composites och R&M International utvecklar en återvunnen kolfiberförsörjningskedja som ger noll slakt, lägre kostnad än jungfrufiber och kommer så småningom att erbjuda längder som tillvägagångssätt kontinuerligt fiber i strukturella egenskaper.
Posttid: Mar-15-2023