Ang mga standard na flat-platform tank para sa mga BEV at FCEV ay gumagamit ng mga thermoplastic at thermoset composite na may konstruksiyon ng balangkas na nagbibigay ng 25% na mas maraming imbakan ng H2. #hydrogen #trends
Matapos ang isang pakikipagtulungan sa BMW ay nagpakita na ang isang cubic tank ay maaaring maghatid ng mas mataas na volumetric na kahusayan kaysa sa maraming maliliit na cylinders, ang Technical University of Munich ay nagsimula sa isang proyekto upang makabuo ng isang pinagsama -samang istraktura at isang nasusukat na proseso ng pagmamanupaktura para sa serial production. Image Credit: Tu Dresden (tuktok) Kaliwa), Technical University of Munich, Kagawaran ng Carbon Composites (LCC)
Ang mga de-koryenteng sasakyan ng gasolina (FCEV) na pinapagana ng zero-emission (H2) hydrogen ay nagbibigay ng karagdagang paraan upang makamit ang mga target na zero sa kapaligiran. Ang isang kotse ng pasahero ng cell ng gasolina na may isang H2 engine ay maaaring mapunan sa 5-7 minuto at may saklaw na 500 km, ngunit sa kasalukuyan ay mas mahal dahil sa mababang dami ng produksyon. Ang isang paraan upang mabawasan ang mga gastos ay ang paggamit ng isang karaniwang platform para sa mga modelo ng BEV at FCEV. Kasalukuyan itong hindi posible dahil ang uri ng 4 na cylindrical tank na ginamit upang mag -imbak ng mga naka -compress na H2 gas (CGH2) sa 700 bar sa FCEV ay hindi angkop para sa mga compartment ng baterya ng underbody na maingat na idinisenyo para sa mga de -koryenteng sasakyan. Gayunpaman, ang mga vessel ng presyon sa anyo ng mga unan at cube ay maaaring magkasya sa flat space space na ito.
Patent US5577630A para sa "Composite Conformal Pressure Vessel", application na isinampa ng Thiokol Corp. noong 1995 (kaliwa) at ang hugis -parihaba na daluyan ng presyon na patentado ng BMW noong 2009 (kanan).
Ang Kagawaran ng Carbon Composites (LCC) ng Technical University of Munich (Tum, Munich, Germany) ay kasangkot sa dalawang proyekto upang mabuo ang konseptong ito. Ang una ay polymers4hydrogen (P4H), na pinangunahan ng Leoben Polymer Competence Center (PCCL, Leoben, Austria). Ang pakete ng trabaho sa LCC ay pinamunuan ng kapwa Elizabeth Glace.
Ang pangalawang proyekto ay ang Hydrogen Demonstration and Development Environment (Hydden), kung saan ang LCC ay pinamunuan ng researcher na si Christian Jaeger. Parehong naglalayong lumikha ng isang malaking sukat na pagpapakita ng proseso ng pagmamanupaktura para sa paggawa ng isang angkop na tangke ng CGH2 gamit ang mga composite ng carbon fiber.
Mayroong limitadong kahusayan ng volumetric kapag ang mga maliliit na cylinder ng diameter ay naka -install sa mga flat cells ng baterya (kaliwa) at cubic type 2 pressure vessel na gawa sa mga liner na bakal at isang carbon fiber/epoxy composite panlabas na shell (kanan). Pinagmulan ng Imahe: Ang mga figure 3 at 6 ay mula sa "Numerical Design Diskarte para sa Type II Pressure Box Vessel na may panloob na mga binti ng pag -igting" nina RUF at Zaremba et al.
Ang P4H ay gumawa ng isang eksperimentong tanke ng kubo na gumagamit ng isang thermoplastic frame na may pinagsama -samang mga strap ng pag -igting/struts na nakabalot sa carbon fiber reinforced epoxy. Gumagamit si Hydden ng isang katulad na disenyo, ngunit gagamitin ang awtomatikong hibla ng hibla (AFP) upang gumawa ng lahat ng mga tangke ng thermoplastic.
Mula sa isang patent application ng Thiokol Corp. hanggang sa "Composite Conformal Pressure Vessel" noong 1995 sa Aleman na Patent DE19749950C2 noong 1997, ang mga naka -compress na gas vessel ay "maaaring magkaroon ng anumang geometric na pagsasaayos", ngunit lalo na ang mga patag at hindi regular na mga hugis, sa isang lukab na konektado sa suporta ng shell. Ginagamit ang mga elemento upang makatiis sila sa puwersa ng pagpapalawak ng gas.
Ang papel na 2006 Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) na papel ay naglalarawan ng tatlong mga diskarte: isang filament na sugat na conformal pressure vessel, isang microlattice pressure vessel na naglalaman ng isang panloob na orthorhombic na istruktura ng sala plastik na singsing) at isang komposisyon ng manipis na panlabas na balat ng shell. Ang mga dobleng lalagyan ay pinakaangkop para sa mas malalaking lalagyan kung saan ang mga tradisyunal na pamamaraan ay maaaring mahirap mag -aplay.
Ang Patent DE102009057170A na isinampa ni Volkswagen noong 2009 ay naglalarawan ng isang daluyan ng presyon na naka-mount na sasakyan na magbibigay ng mataas na kahusayan ng timbang habang pinapabuti ang paggamit ng puwang. Ang mga hugis -parihaba na tangke ay gumagamit ng mga konektor ng pag -igting sa pagitan ng dalawang hugis -parihaba na kabaligtaran na mga pader, at ang mga sulok ay bilugan.
Ang nasa itaas at iba pang mga konsepto ay binanggit ni Gleiss sa papel na "Pag -unlad ng Proseso para sa Mga Cubic Pressure Vessels na may Stretch Bars" ni Gleiss et al. sa ECCM20 (Hunyo 26-30, 2022, Lausanne, Switzerland). Sa artikulong ito, binabanggit niya ang isang pag -aaral ng Tum na inilathala nina Michael Roof at Sven Zaremba, na natagpuan na ang isang cubic pressure vessel na may mga struts ng pag -igting na nagkokonekta sa mga hugis -parihaba na panig ay mas mahusay kaysa sa maraming maliliit na cylinders na umaangkop sa puwang ng isang patag na baterya, na nagbibigay ng humigit -kumulang na 25% higit pa. puwang ng imbakan.
Ayon kay Gleiss, ang problema sa pag -install ng isang malaking bilang ng mga maliit na uri ng 4 na cylinders sa isang patag na kaso ay na "ang dami sa pagitan ng mga cylinders ay lubos na nabawasan at ang system ay mayroon ding napakalaking H2 gas permeation na ibabaw. Sa pangkalahatan, ang system ay nagbibigay ng mas kaunting kapasidad ng imbakan kaysa sa mga cubic garapon."
Gayunpaman, may iba pang mga problema sa disenyo ng cubic ng tangke. "Malinaw, dahil sa naka -compress na gas, kailangan mong pigilan ang mga baluktot na pwersa sa mga patag na dingding," sabi ni Gleiss. "Para sa mga ito, kailangan mo ng isang reinforced na istraktura na kumokonekta sa loob sa mga dingding ng tangke.
Sinubukan ni Glace at ng kanyang koponan na isama ang pagpapatibay ng mga bar ng tensyon sa daluyan ng presyon sa isang paraan na angkop para sa proseso ng paikot -ikot na filament. "Mahalaga ito para sa paggawa ng mataas na dami," paliwanag niya, "at pinapayagan din kaming magdisenyo ng paikot-ikot na pattern ng mga pader ng lalagyan upang ma-optimize ang orientation ng hibla para sa bawat pag-load sa zone."
Apat na mga hakbang upang makagawa ng isang pagsubok na cubic composite tank para sa P4H Project. Imahe ng kredito: "Pag -unlad ng isang proseso ng paggawa para sa mga cubic pressure vessel na may brace", Technical University of Munich, Polymers4hydrogen Project, ECCM20, Hunyo 2022.
Upang makamit ang on-chain, ang koponan ay nakabuo ng isang bagong konsepto na binubuo ng apat na pangunahing hakbang, tulad ng ipinakita sa itaas. Ang mga struts ng pag -igting, na ipinakita sa itim sa mga hakbang, ay isang prefabricated na istraktura ng frame na gawa sa mga pamamaraan na kinuha mula sa proyekto ng MAI Skelett. Para sa proyektong ito, binuo ng BMW ang isang "balangkas ng windshield na" balangkas "gamit ang apat na mga hibla na pinalakas na pultrusion rod, na pagkatapos ay hinubog sa isang plastik na frame.
Ang frame ng isang eksperimentong cubic tank. HEXAGONAL SKELETAL SEKSYON 3D na nakalimbag ng Tum gamit ang Unreinforced PLA filament (tuktok), pagpasok ng CF/PA6 pultrusion rod bilang tension braces (gitna) at pagkatapos ay pambalot ang filament sa paligid ng mga braces (ibaba). Credit ng imahe: Teknikal na Unibersidad ng Munich LCC.
"Ang ideya ay maaari kang bumuo ng frame ng isang cubic tank bilang isang modular na istraktura," sabi ni Glace. "Ang mga modyul na ito ay inilalagay sa isang tool ng paghuhulma, ang mga struts ng pag -igting ay inilalagay sa mga module ng frame, at pagkatapos ay ginagamit ang pamamaraan ni Mai Skelett sa paligid ng mga struts upang isama ang mga ito sa mga bahagi ng frame." Paraan ng paggawa ng masa, na nagreresulta sa isang istraktura na pagkatapos ay ginagamit bilang isang mandrel o core upang balutin ang shell ng imbakan ng tangke ng imbakan.
Dinisenyo ni Tum ang tank frame bilang isang cubic "cushion" na may mga solidong panig, bilugan na sulok at isang pattern ng hexagonal sa tuktok at ibaba kung saan ang mga kurbatang ay maaaring maipasok at nakalakip. Ang mga butas para sa mga rack na ito ay naka -print din sa 3D. "Para sa aming paunang eksperimentong tangke, naka-print kami ng 3D na mga seksyon ng hexagonal frame gamit ang polylactic acid [PLA, isang bio-based thermoplastic] dahil madali at mura," sabi ni Glace.
Binili ng koponan ang 68 na pultruded na carbon fiber na pinatibay na polyamide 6 (PA6) rod mula sa SGL carbon (Meitingen, Germany) para magamit bilang mga kurbatang. "Upang subukan ang konsepto, hindi namin ginawa ang anumang paghuhulma," sabi ni Gleiss, "ngunit ipinasok lamang ang mga spacer sa isang naka -print na frame ng 3D na honeycomb at nakadikit sa kanila ng epoxy glue. Nabanggit niya na kahit na ang mga rod na ito ay medyo madali sa hangin, mayroong ilang mga makabuluhang problema na ilalarawan sa ibang pagkakataon.
"Sa unang yugto, ang aming layunin ay upang ipakita ang paggawa ng disenyo at makilala ang mga problema sa konsepto ng paggawa," paliwanag ni Gleiss. "Kaya't ang pag -igting ay struts protrude mula sa panlabas na ibabaw ng istraktura ng balangkas, at ikinakabit namin ang mga hibla ng carbon sa ulo na ito gamit ang basa na filament na paikot -ikot. nakalamina sa mga dingding.
Spacer cap para sa paikot -ikot. Gumagamit ang TUM ng mga plastik na takip sa mga dulo ng mga rod rod upang maiwasan ang mga hibla mula sa tangling sa panahon ng paikot -ikot na filament. Credit ng imahe: Teknikal na Unibersidad ng Munich LCC.
Muling sinabi ni Glace na ang unang tangke na ito ay isang patunay ng konsepto. "Ang paggamit ng pag -print at pandikit ng 3D ay para lamang sa paunang pagsubok at binigyan kami ng isang ideya ng ilan sa mga problema na nakatagpo namin. Halimbawa, sa pag -ikot, ang mga filament ay nahuli sa mga dulo ng mga rods ng pag -igting, na nagiging sanhi ng pagbagsak ng hibla, pagkasira ng hibla, at binabawasan ang dami ng hibla upang kontra ito. Ginamit namin ang ilang mga plastik na takip bilang paggawa ng mga pantulong na inilagay sa mga pole bago ang paikot -ikot na hakbang. Ginawa, tinanggal namin ang mga proteksiyon na takip na ito at na -reshap ang mga dulo ng mga poste bago ang pangwakas na pambalot. "
Ang koponan ay nag -eksperimento sa iba't ibang mga senaryo ng pagbabagong -tatag. "Ang mga tumitingin sa paligid ay pinakamahusay na," sabi ni Grace. "Gayundin, sa panahon ng prototyping phase, ginamit namin ang isang binagong tool ng hinang upang mag -aplay ng init at muling itago ang tali ng baras. Sa isang konsepto ng paggawa ng masa, magkakaroon ka ng isang mas malaking tool na maaaring hubugin at mabuo ang lahat ng mga dulo ng mga struts sa isang interior finish laminate sa parehong oras."
Ang mga ulo ng drawbar ay reshaped. Nag -eksperimento si Tum sa iba't ibang mga konsepto at binago ang mga welds upang ihanay ang mga dulo ng mga pinagsama -samang kurbatang para sa paglakip sa tank wall laminate. Imahe ng kredito: "Pag -unlad ng isang proseso ng paggawa para sa mga cubic pressure vessel na may brace", Technical University of Munich, Polymers4hydrogen Project, ECCM20, Hunyo 2022.
Kaya, ang nakalamina ay gumaling pagkatapos ng unang paikot -ikot na hakbang, ang mga post ay reshaped, nakumpleto ng Tum ang pangalawang paikot -ikot ng mga filament, at pagkatapos ay ang panlabas na tangke ng pader na nakalamina ay gumaling sa pangalawang pagkakataon. Mangyaring tandaan na ito ay isang disenyo ng Type 5 tank, na nangangahulugang wala itong plastic liner bilang isang hadlang sa gas. Tingnan ang talakayan sa seksyon ng Susunod na Hakbang sa ibaba.
"Pinutol namin ang unang demo sa mga seksyon ng cross at na -mapa ang konektadong lugar," sabi ni Glace. "Ang isang close-up ay nagpapakita na mayroon kaming ilang mga kalidad na isyu sa nakalamina, na may mga ulo ng strut na hindi naglalagay ng flat sa panloob na nakalamina."
Ang paglutas ng mga problema sa mga gaps sa pagitan ng nakalamina ng panloob at panlabas na mga pader ng tangke. Ang binagong kurbatang rod head ay lumilikha ng isang puwang sa pagitan ng una at pangalawang pagliko ng eksperimentong tangke. Credit ng imahe: Teknikal na Unibersidad ng Munich LCC.
Ang paunang 450 x 290 x 80mm tank ay nakumpleto noong nakaraang tag -araw. "Marami kaming pag -unlad mula noon, ngunit mayroon pa rin kaming agwat sa pagitan ng panloob at panlabas na nakalamina," sabi ni Glace. "Kaya sinubukan naming punan ang mga gaps na may malinis, mataas na lagkit ng dagta.
Ang koponan ay patuloy na bumuo ng disenyo ng tangke at proseso, kabilang ang mga solusyon para sa nais na paikot -ikot na pattern. "Ang mga panig ng tangke ng pagsubok ay hindi ganap na kulot dahil mahirap para sa geometry na ito na lumikha ng isang paikot -ikot na landas," paliwanag ni Glace. "Ang aming paunang paikot-ikot na anggulo ay 75 °, ngunit alam namin na maraming mga circuit ang kinakailangan upang matugunan ang pag-load sa daluyan ng presyur na ito.
"Ipinakita namin ang pagiging posible ng konsepto ng produksiyon na ito," sabi ni Gleiss, "ngunit kailangan naming magtrabaho pa upang mapagbuti ang koneksyon sa pagitan ng nakalamina at i -reshape ang mga rod rod." Panlabas na pagsubok sa isang pagsubok sa makina. Kinukuha mo ang mga spacer sa labas ng nakalamina at subukan ang mga mekanikal na naglo -load na maaaring makatiis ng mga kasukasuan na iyon. "
Ang bahaging ito ng proyekto ng polymers4hydrogen ay makumpleto sa pagtatapos ng 2023, kung saan inaasahan ni Gleis na makumpleto ang pangalawang tangke ng demonstrasyon. Kapansin -pansin, ang mga disenyo ngayon ay gumagamit ng maayos na pinalakas na thermoplastics sa frame at thermoset composite sa mga pader ng tangke. Gagamitin ba ang hybrid na diskarte na ito sa panghuling tangke ng demonstrasyon? "Oo," sabi ni Grace. "Ang aming mga kasosyo sa proyekto ng Polymers4Hydrogen ay bumubuo ng mga epoxy resins at iba pang mga composite matrix na materyales na may mas mahusay na mga katangian ng hydrogen hadlang." Naglista siya ng dalawang kasosyo na nagtatrabaho sa gawaing ito, ang PCCL at ang University of Tampere (Tampere, Finland).
Si Gleiss at ang kanyang koponan ay nagpalitan din ng impormasyon at tinalakay ang mga ideya kay Jaeger sa pangalawang proyekto ng Hydden mula sa LCC conformal composite tank.
"Gumagawa kami ng isang conformal na composite pressure vessel para sa mga drone ng pananaliksik," sabi ni Jaeger. "Ito ay isang pakikipagtulungan sa pagitan ng dalawang kagawaran ng aerospace at geodetic department ng TUMB - LCC at ang Kagawaran ng Helicopter Technology (HT). Ang proyekto ay makumpleto sa pagtatapos ng 2024 at kasalukuyang nakumpleto namin ang presyon ng daluyan. Ang isang disenyo na higit pa sa isang aerospace at automotive na diskarte. Matapos ang paunang yugto ng konsepto, ang susunod na hakbang ay magsagawa ng detalyadong istruktura na pagmomolde at hulaan ang hadlang sa hadlang sa pagdurusa.
"Ang buong ideya ay upang bumuo ng isang exploratory drone na may isang hybrid fuel cell at sistema ng propulsion ng baterya," patuloy niya. Gagamitin nito ang baterya sa panahon ng mataas na kapangyarihan na naglo -load (ibig sabihin, pag -landing at landing) at pagkatapos ay lumipat sa cell ng gasolina sa panahon ng light load cruising. "Ang koponan ng HT ay mayroon nang isang drone ng pananaliksik at muling idisenyo ang powertrain upang magamit ang parehong mga baterya at mga cell ng gasolina," sabi ni Yeager. "Bumili din sila ng isang tangke ng CGH2 upang subukan ang paghahatid na ito."
"Ang aking koponan ay tungkulin sa pagbuo ng isang prototype ng presyon ng tangke na magkasya, ngunit hindi dahil sa mga isyu sa packaging na lilikha ng isang cylindrical tank," paliwanag niya. "Ang isang flatter tank ay hindi nag -aalok ng mas maraming paglaban sa hangin. Mga Dimensyon ng Tank tinatayang. 830 x 350 x 173 mm.
Ganap na Thermoplastic AFP Compliant Tank. Para sa proyekto ng Hydden, ang koponan ng LCC sa TUM ay una nang naggalugad ng isang katulad na diskarte sa ginamit ng Glace (sa itaas), ngunit pagkatapos ay lumipat sa isang diskarte gamit ang isang kumbinasyon ng maraming mga module ng istruktura, na pagkatapos ay overused gamit ang AFP (sa ibaba). Credit ng imahe: Teknikal na Unibersidad ng Munich LCC.
"Ang isang ideya ay katulad ng diskarte ni Elisabeth [Gleiss," sabi ni Yager, "upang mag -aplay ng mga tensyon ng pag -igting sa pader ng daluyan upang mabayaran ang mataas na pwersa ng baluktot. Gayunpaman, sa halip na gumamit ng isang paikot -ikot na proseso upang gawin ang tangke, ginagamit namin ang AFP. Samakatuwid, naisip namin na ang paglikha ng isang hiwalay na seksyon ng mga daluyan ng presyon, na kung saan ang mga rack ay isinama na. ang pangwakas na paikot -ikot na AFP. "
"Sinusubukan naming tapusin ang gayong konsepto," ipinagpatuloy niya, "at sinimulan din ang pagpili ng mga materyales, na napakahalaga upang matiyak ang kinakailangang pagtutol sa pagtagos ng H2 kung paano makakaapekto ang materyal na ito sa pag-uugali at pagproseso ng AFP machine. permeation sa pamamagitan ng daluyan ng presyon. "
Ang tangke ay ganap na gawa sa thermoplastic at ang mga piraso ay ibibigay ng Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Germany). "Gagamitin namin ang kanilang mga PP [polyphenylene sulfide], peek [polyether ketone] at LM Paek [mababang natutunaw na polyaryl ketone] na mga materyales," sabi ni Yager. "Ang mga paghahambing ay ginawa upang makita kung alin ang pinakamahusay para sa proteksyon ng pagtagos at paggawa ng mga bahagi na may mas mahusay na pagganap." Inaasahan niyang makumpleto ang pagsubok, istruktura at proseso ng pagmomolde at mga unang demonstrasyon sa loob ng susunod na taon.
Ang gawaing pananaliksik ay isinasagawa sa loob ng module ng Comet na "Polymers4hydrogen" (ID 21647053) sa loob ng Comet Program ng Federal Ministry for Climate Change, The Environment, Energy, Mobility, Innovation and Technology at Federal Ministry for Digital Technology and Economics. . Pinasasalamatan ng mga may -akda ang mga kalahok na kasosyo sa Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL, Austria), MontanUniversitaet Leoben (Faculty of Polymer Engineering and Science, Department of Chemistry of Polymer Materials, Department of Materials Science and Polymer Testing), University of Tampere (Faculty of Engineering Materials). ) Science), ang teknolohiya ng rurok at Faurecia ay nag -ambag sa gawaing ito ng pananaliksik. Ang Comet-Modul ay pinondohan ng Pamahalaan ng Austria at ng Pamahalaan ng Estado ng Styria.
Ang mga pre-reinforced sheet para sa mga istruktura na nagdadala ng pag-load ay naglalaman ng patuloy na mga hibla-hindi lamang mula sa baso, kundi pati na rin mula sa carbon at aramid.
Maraming mga paraan upang makagawa ng mga pinagsama -samang bahagi. Samakatuwid, ang pagpili ng pamamaraan para sa isang partikular na bahagi ay depende sa materyal, ang disenyo ng bahagi, at ang paggamit ng pagtatapos o aplikasyon. Narito ang isang gabay sa pagpili.
Ang mga composite ng Shocker at R&M International ay bumubuo ng isang recycled carbon fiber chain na nagbibigay ng zero na pagpatay, mas mababang gastos kaysa sa birhen na hibla at sa huli ay mag -aalok ng mga haba na lumalapit sa patuloy na hibla sa mga istrukturang katangian.
Oras ng Mag-post: Mar-15-2023