Ang mga karaniwang flat-platform na tank para sa mga BEV at FCEV ay gumagamit ng mga thermoplastic at thermoset composites na may skeleton construction na nagbibigay ng 25% higit pang H2 storage. #hydrogen #mga uso
Pagkatapos ng 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 cylinder, ang Technical University of Munich ay nagsimula ng isang proyekto upang bumuo ng isang pinagsama-samang istraktura at isang scalable na proseso ng pagmamanupaktura para sa serial production. Credit ng larawan: TU Dresden (itaas) kaliwa), Technical University of Munich, Department of Carbon Composites (LCC)
Ang mga fuel cell electric vehicle (FCEV) na pinapagana ng zero-emission (H2) hydrogen ay nagbibigay ng karagdagang paraan upang makamit ang zero na mga target sa kapaligiran. Ang isang fuel cell na pampasaherong sasakyan na may H2 na makina ay maaaring mapunan sa loob ng 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 karaniwang platform para sa mga modelo ng BEV at FCEV. Kasalukuyang hindi ito posible dahil ang Type 4 cylindrical tank na ginamit upang mag-imbak ng compressed H2 gas (CGH2) sa 700 bar sa mga FCEV ay hindi angkop para sa underbody na mga kompartamento ng baterya na maingat na idinisenyo para sa mga de-kuryenteng sasakyan. Gayunpaman, ang mga pressure vessel sa anyo ng mga unan at cube ay maaaring magkasya sa flat packaging space na ito.
Patent US5577630A para sa "Composite Conformal Pressure Vessel", application na inihain ng Thiokol Corp. noong 1995 (kaliwa) at ang rectangular pressure vessel na patente ng BMW noong 2009 (kanan).
Ang Department of Carbon Composites (LCC) ng Technical University of Munich (TUM, Munich, Germany) ay kasangkot sa dalawang proyekto upang bumuo ng konseptong ito. Ang una ay ang Polymers4Hydrogen (P4H), na pinamumunuan ng Leoben Polymer Competence Center (PCCL, Leoben, Austria). Ang LCC work package ay pinamumunuan ni Fellow Elizabeth Glace.
Ang pangalawang proyekto ay ang Hydrogen Demonstration and Development Environment (HyDDen), kung saan ang LCC ay pinamumunuan ni Researcher Christian Jaeger. Parehong nilalayon na lumikha ng malakihang pagpapakita ng proseso ng pagmamanupaktura para sa paggawa ng angkop na tangke ng CGH2 gamit ang mga carbon fiber composites.
May limitadong volumetric na kahusayan kapag ang mga maliliit na diameter na cylinder ay naka-install sa mga flat na cell ng baterya (kaliwa) at cubic type 2 na mga pressure vessel na gawa sa mga steel liner at isang carbon fiber/epoxy composite na panlabas na shell (kanan). Pinagmulan ng Larawan: Ang mga figure 3 at 6 ay mula sa "Numerical Design Approach para sa Type II Pressure Box Vessel na may Internal Tension Legs" ni Ruf at Zaremba et al.
Gumawa ang P4H ng isang pang-eksperimentong cube tank na gumagamit ng thermoplastic frame na may mga composite tension straps/struts na nakabalot sa carbon fiber reinforced epoxy. Ang HyDDen ay gagamit ng katulad na disenyo, ngunit gagamit ng automatic fiber layup (AFP) para gawin ang lahat ng thermoplastic composite tank.
Mula sa aplikasyon ng patent ng Thiokol Corp. hanggang sa "Composite Conformal Pressure Vessel" noong 1995 hanggang sa German Patent DE19749950C2 noong 1997, ang mga compressed gas vessel ay "maaaring magkaroon ng anumang geometric na configuration", ngunit lalo na ang mga flat at irregular na hugis, sa isang cavity na konektado sa shell support . ginagamit ang mga elemento upang mapaglabanan nila ang puwersa ng pagpapalawak ng gas.
Ang isang 2006 Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) na papel ay naglalarawan ng tatlong diskarte: isang filament wound conformal pressure vessel, isang microlattice pressure vessel na naglalaman ng panloob na orthorhombic lattice structure (maliit na mga cell na 2 cm o mas mababa), na napapalibutan ng isang manipis na pader na lalagyan ng H2, at isang replicator na lalagyan, na binubuo ng isang panloob na istraktura na binubuo ng mga nakadikit na maliliit na bahagi (hal., hexagonal na plastic na singsing) at isang komposisyon ng manipis na panlabas na balat ng balat. Ang mga duplicate na lalagyan ay pinakaangkop para sa mas malalaking lalagyan kung saan ang mga tradisyonal na pamamaraan ay maaaring mahirap ilapat.
Ang patent na DE102009057170A na inihain ng Volkswagen noong 2009 ay naglalarawan ng pressure vessel na naka-mount sa sasakyan na magbibigay ng kahusayan sa mataas na timbang habang pinapahusay ang paggamit ng espasyo. Ang mga hugis-parihaba na tangke ay gumagamit ng mga konektor ng pag-igting sa pagitan ng dalawang hugis-parihaba na magkasalungat na pader, at ang mga sulok ay bilugan.
Ang nasa itaas at iba pang mga konsepto ay binanggit ni Gleiss sa papel na "Process Development for Cubic Pressure Vessels na may Stretch Bars" ni Gleiss et al. sa ECCM20 (Hunyo 26-30, 2022, Lausanne, Switzerland). Sa artikulong ito, binanggit niya ang isang pag-aaral sa TUM na inilathala nina Michael Roof at Sven Zaremba, na natagpuan na ang isang cubic pressure vessel na may tension struts na kumukonekta sa mga hugis-parihaba na panig ay mas mahusay kaysa sa ilang maliliit na cylinder na umaangkop sa espasyo ng isang flat na baterya, na nagbibigay ng humigit-kumulang 25 % pa. espasyo sa imbakan.
Ayon kay Gleiss, ang problema sa pag-install ng isang malaking bilang ng mga maliliit na uri ng 4 na mga silindro sa isang patag na kaso ay na "ang volume sa pagitan ng mga silindro ay lubhang nabawasan at ang sistema ay mayroon ding napakalaking H2 gas permeation surface. Sa pangkalahatan, ang system ay nagbibigay ng mas kaunting kapasidad ng imbakan kaysa sa mga cubic jar."
Gayunpaman, may iba pang mga problema sa kubiko na disenyo ng tangke. "Malinaw, dahil sa naka-compress na gas, kailangan mong kontrahin ang mga puwersa ng baluktot sa mga patag na pader," sabi ni Gleiss. "Para dito, kailangan mo ng isang reinforced na istraktura na kumokonekta sa loob sa mga dingding ng tangke. Ngunit mahirap gawin iyon sa mga composite.”
Sinubukan ni Glace at ng kanyang team na isama ang nagpapatibay na mga tension bar sa pressure vessel sa paraang angkop para sa proseso ng filament winding. "Ito ay mahalaga para sa mataas na dami ng produksyon," paliwanag niya, "at nagbibigay-daan din sa amin na idisenyo ang paikot-ikot na pattern ng mga container wall upang ma-optimize ang fiber orientation para sa bawat load sa zone."
Apat na hakbang para gumawa ng trial cubic composite tank para sa P4H project. Credit ng larawan: "Pagbuo ng proseso ng produksyon 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 bumuo ng isang bagong konsepto na binubuo ng apat na pangunahing hakbang, tulad ng ipinapakita sa itaas. Ang mga tension struts, na ipinapakita sa itim sa mga hakbang, ay isang prefabricated frame structure na gawa-gawa gamit ang mga pamamaraan na kinuha mula sa MAI Skelett project. Para sa proyektong ito, bumuo ang BMW ng isang windshield frame na "framework" gamit ang apat na fiber-reinforced pultrusion rods, na pagkatapos ay hinulma sa isang plastic frame.
Ang frame ng isang eksperimentong cubic tank. Hexagonal skeletal sections 3D na naka-print ng TUM gamit ang unreinforced PLA filament (itaas), na naglalagay ng CF/PA6 pultrusion rods bilang tension braces (gitna) at pagkatapos ay binabalot ang filament sa paligid ng mga brace (ibaba). Credit ng larawan: Technical University of Munich LCC.
"Ang ideya ay maaari kang bumuo ng frame ng isang cubic tank bilang isang modular na istraktura," sabi ni Glace. "Ang mga module na ito ay inilalagay sa isang molding tool, ang mga tension struts ay inilalagay sa mga frame module, at pagkatapos ay ginagamit ang paraan ng MAI Skelett sa paligid ng mga struts upang isama ang mga ito sa mga bahagi ng frame." paraan ng mass production, na nagreresulta sa isang istraktura na pagkatapos ay ginagamit bilang isang mandrel o core upang balutin ang storage tank composite shell.
Dinisenyo ng TUM ang frame ng tangke bilang isang cubic na "cushion" na may mga solidong gilid, mga bilugan na sulok at isang hexagonal na pattern sa itaas at ibaba kung saan maaaring ipasok at ikabit ang mga kurbatang. Ang mga butas para sa mga rack na ito ay naka-3D din na naka-print. "Para sa aming unang pang-eksperimentong tangke, nag-print kami ng 3D na mga seksyon ng hexagonal frame gamit ang polylactic acid [PLA, isang bio-based na thermoplastic] dahil madali at mura ito," sabi ni Glace.
Bumili ang team ng 68 pultruded carbon fiber reinforced polyamide 6 (PA6) rods mula sa SGL Carbon (Meitingen, Germany) para gamitin bilang mga kurbatang. "Upang subukan ang konsepto, hindi kami gumawa ng anumang paghuhulma," sabi ni Gleiss, "ngunit ipinasok lang ang mga spacer sa isang 3D na naka-print na honeycomb core frame at idinikit ang mga ito ng epoxy glue. Nagbibigay ito ng isang mandrel para sa paikot-ikot na tangke. Sinabi niya na bagama't ang mga tungkod na ito ay medyo madaling i-wind, may ilang mahahalagang problema na ilalarawan sa ibang pagkakataon.
"Sa unang yugto, ang aming layunin ay upang ipakita ang paggawa ng disenyo at tukuyin ang mga problema sa konsepto ng produksyon," paliwanag ni Gleiss. "Kaya ang mga tension struts ay nakausli mula sa panlabas na ibabaw ng skeletal structure, at ikinakabit namin ang carbon fibers sa core na ito gamit ang wet filament winding. Pagkatapos nito, sa ikatlong hakbang, ibaluktot namin ang ulo ng bawat tie rod. thermoplastic, kaya ginagamit na lang namin ang init para i-reshape ang ulo upang ito ay ma-flat at mag-lock sa unang layer ng wrapping. Pagkatapos ay magpatuloy kaming balutin muli ang istraktura upang ang flat thrust head ay geometrically na nakapaloob sa loob ng tangke. nakalamina sa mga dingding.
Spacer cap para sa paikot-ikot. Gumagamit ang TUM ng mga plastik na takip sa mga dulo ng mga tension rod upang maiwasan ang mga hibla mula sa pagkakabuhol-buhol sa panahon ng paikot-ikot na filament. Credit ng larawan: Technical University of Munich LCC.
Inulit ni Glace na ang unang tangke na ito ay isang patunay ng konsepto. "Ang paggamit ng 3D printing at glue ay para lamang sa paunang pagsubok at nagbigay sa amin ng ideya ng ilan sa mga problemang naranasan namin. Halimbawa, sa panahon ng paikot-ikot, ang mga filament ay nahuli sa mga dulo ng mga tension rod, na nagiging sanhi ng pagkasira ng hibla, pagkasira ng hibla, at pagbabawas ng dami ng hibla upang labanan ito. gumamit kami ng ilang plastic cap bilang mga pantulong sa paggawa na inilagay sa mga poste bago ang unang paikot-ikot na hakbang. Pagkatapos, kapag ginawa ang mga panloob na laminate, tinanggal namin ang mga proteksiyon na takip at muling hinubog ang mga dulo ng mga poste bago ang huling pagbabalot."
Ang koponan ay nag-eksperimento sa iba't ibang mga senaryo sa muling pagtatayo. "Ang mga taong tumingin sa paligid ay pinakamahusay na gumagana," sabi ni Grace. "Gayundin, sa panahon ng prototyping phase, gumamit kami ng isang binagong tool sa welding upang ilapat ang init at muling hugis ang mga dulo ng tie rod. Sa isang konsepto ng mass production, magkakaroon ka ng isang mas malaking tool na maaaring hubugin at mabuo ang lahat ng mga dulo ng struts sa isang interior finish laminate sa parehong oras. . ”
Muling hugis ang mga ulo ng drawbar. Ang TUM ay nag-eksperimento sa iba't ibang mga konsepto at binago ang mga welds upang ihanay ang mga dulo ng pinagsama-samang mga kurbatang para sa paglakip sa tank wall laminate. Credit ng larawan: "Pagbuo ng proseso ng produksyon para sa mga cubic pressure vessel na may brace", Technical University of Munich, Polymers4Hydrogen project, ECCM20, Hunyo 2022.
Kaya, ang laminate ay gumaling pagkatapos ng unang paikot-ikot na hakbang, ang mga poste ay muling hinubog, ang TUM ay nakumpleto ang pangalawang paikot-ikot ng mga filament, at pagkatapos ay ang panlabas na tangke ng wall laminate ay gumaling sa pangalawang pagkakataon. Pakitandaan na ito ay isang type 5 na disenyo ng tangke, na nangangahulugang wala itong plastic liner bilang gas barrier. Tingnan ang talakayan sa seksyong Mga Susunod na Hakbang sa ibaba.
"Pinaputol namin ang unang demo sa mga cross section at ni-map ang konektadong lugar," sabi ni Glace. "Ipinapakita ng malapitan na nagkaroon kami ng ilang mga isyu sa kalidad sa laminate, na ang mga strut head ay hindi nakahiga sa interior laminate."
Paglutas ng mga problema sa mga puwang sa pagitan ng nakalamina ng panloob at panlabas na mga dingding ng tangke. Ang binagong tie rod head ay lumilikha ng agwat sa pagitan ng una at ikalawang pagliko ng pang-eksperimentong tangke. Credit ng larawan: Technical University of Munich LCC.
Ang paunang 450 x 290 x 80mm na tangke na ito ay nakumpleto noong nakaraang tag-init. “Marami na kaming pag-unlad mula noon, ngunit mayroon pa rin kaming agwat sa pagitan ng interior at exterior laminate,” sabi ni Glace. "Kaya sinubukan naming punan ang mga puwang na iyon ng malinis, mataas na lagkit na dagta. Talagang pinapabuti nito ang koneksyon sa pagitan ng mga stud at ng laminate, na lubhang nagpapataas ng mekanikal na stress.
Ang koponan ay nagpatuloy sa pagbuo ng disenyo at proseso ng tangke, kabilang ang mga solusyon para sa nais na pattern ng paikot-ikot. "Ang mga gilid 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 winding angle ay 75°, ngunit alam namin na maraming circuit ang kailangan para matugunan ang load sa pressure vessel na ito. Naghahanap pa rin kami ng solusyon sa problemang ito, ngunit hindi ito madali sa software na kasalukuyang nasa merkado. Maaari itong maging isang follow-up na proyekto.
"Naipakita namin ang pagiging posible ng konsepto ng produksyon na ito," sabi ni Gleiss, "ngunit kailangan naming magtrabaho nang higit pa upang mapabuti ang koneksyon sa pagitan ng laminate at muling hugis ang mga tie rod. "Panlabas na pagsubok sa isang testing machine. Hinugot mo ang mga spacer mula sa laminate at subukan ang mga mekanikal na pagkarga na kayang tiisin ng mga joints na iyon."
Ang bahaging ito ng proyektong Polymers4Hydrogen ay makukumpleto sa katapusan 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 reinforced thermoplastics sa frame at thermoset composites sa mga dingding ng tangke. Gagamitin ba ang hybrid approach na ito sa final demonstration tank? "Oo," sabi ni Grace. "Ang aming mga kasosyo sa proyektong Polymers4Hydrogen ay bumubuo ng mga epoxy resin at iba pang mga composite matrix na materyales na may mas mahusay na mga katangian ng hydrogen barrier." Naglista siya ng dalawang kasosyo na nagtatrabaho sa gawaing ito, ang PCCL at ang Unibersidad ng Tampere (Tampere, Finland).
Si Gleiss at ang kanyang koponan ay nagpalitan din ng impormasyon at nagtalakay ng mga ideya kay Jaeger sa pangalawang proyekto ng HyDDen mula sa LCC conformal composite tank.
"Kami ay gagawa ng isang conformal composite pressure vessel para sa mga drone ng pananaliksik," sabi ni Jaeger. “Ito ay pakikipagtulungan sa pagitan ng dalawang departamento ng Aerospace at Geodetic Department ng TUM – LCC at ng Department of Helicopter Technology (HT). Matatapos ang proyekto sa katapusan ng 2024 at kasalukuyan naming kinukumpleto ang pressure vessel. isang disenyo na higit pa sa isang aerospace at automotive na diskarte. Pagkatapos ng paunang yugto ng konsepto na ito, ang susunod na hakbang ay ang magsagawa ng detalyadong structural modeling at hulaan ang pagganap ng hadlang ng istraktura ng dingding.
"Ang buong ideya ay bumuo ng isang exploratory drone na may hybrid fuel cell at battery propulsion system," patuloy niya. Gagamitin nito ang baterya sa panahon ng mga high power load (ibig sabihin, takeoff at landing) at pagkatapos ay lumipat sa fuel cell sa panahon ng light load cruising. "Ang koponan ng HT ay mayroon nang research drone at muling idisenyo ang powertrain upang magamit ang parehong mga baterya at fuel cell," sabi ni Yeager. "Bumili din sila ng tangke ng CGH2 para subukan ang transmission na ito."
"Ang aking koponan ay inatasan sa pagbuo ng isang prototype ng tangke ng presyon na magkasya, ngunit hindi dahil sa mga isyu sa packaging na gagawin ng isang cylindrical tank," paliwanag niya. "Ang isang patag na tangke ay hindi nag-aalok ng mas maraming wind resistance. Para mas maganda ang performance ng flight mo." Tinatayang sukat ng tangke. 830 x 350 x 173 mm.
Ganap na thermoplastic AFP compliant tank. Para sa proyekto ng HyDDen, ang LCC team sa TUM sa una ay nag-explore ng isang katulad na diskarte sa ginamit ni Glace (sa itaas), ngunit pagkatapos ay lumipat sa isang diskarte gamit ang isang kumbinasyon ng ilang mga structural module, na noon ay labis na nagamit gamit ang AFP (sa ibaba). Credit ng larawan: Technical University of Munich LCC.
"Ang isang ideya ay katulad ng diskarte ni Elisabeth [Gleiss]," sabi ni Yager, "upang maglapat ng mga tension braces sa pader ng sisidlan upang mabayaran ang mataas na puwersa ng baluktot. Gayunpaman, sa halip na gumamit ng proseso ng paikot-ikot upang gawin ang tangke, ginagamit namin ang AFP. Samakatuwid, naisip namin ang tungkol sa paglikha ng isang hiwalay na seksyon ng pressure vessel, kung saan ang mga rack ay isinama na. Ang pamamaraang ito ay nagbigay-daan sa akin na pagsamahin ang ilan sa mga pinagsama-samang module na ito at pagkatapos ay maglapat ng isang end cap upang i-seal ang lahat bago ang huling pag-ikot ng AFP."
"Sinusubukan naming tapusin ang gayong konsepto," patuloy niya, "at simulan din ang pagsubok sa pagpili ng mga materyales, na napakahalaga upang matiyak ang kinakailangang paglaban sa pagtagos ng H2 gas. Para dito, pangunahing ginagamit namin ang mga thermoplastic na materyales at nagtatrabaho sa iba't ibang paraan kung paano makakaapekto ang materyal sa pag-uugali at pagproseso ng permeation na ito sa makina ng AFP. Mahalagang maunawaan kung magkakaroon ng epekto ang paggamot at kung kinakailangan ang anumang post-processing. Nais din naming malaman kung ang iba't ibang mga stack ay makakaapekto sa hydrogen permeation sa pamamagitan ng pressure vessel."
Ang tangke ay ganap na gawa sa thermoplastic at ang mga strip ay ibibigay ng Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Germany). "Gagamitin namin ang kanilang PPS [polyphenylene sulfide], PEEK [polyether ketone] at LM PAEK [low melting 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, pagmomolde ng istruktura at proseso at mga unang demonstrasyon sa loob ng susunod na taon.
Ang gawaing pananaliksik ay isinagawa sa loob ng COMET module na "Polymers4Hydrogen" (ID 21647053) sa loob ng programa ng COMET ng Federal Ministry for Climate Change, Environment, Energy, Mobility, Innovation at Technology at ng Federal Ministry for Digital Technology and Economics. . Nagpapasalamat ang mga may-akda sa mga kalahok na kasosyong 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 Mga Materyales). ) Science), Peak Technology at Faurecia ay nag-ambag sa gawaing pananaliksik na ito. Ang COMET-Modul ay pinondohan ng pamahalaan ng Austria at ng pamahalaan ng estado ng Styria.
Ang mga pre-reinforced sheet para sa mga istrukturang nagdadala ng pagkarga ay naglalaman ng tuluy-tuloy na mga hibla - hindi lamang mula sa salamin, kundi pati na rin mula sa carbon at aramid.
Mayroong maraming mga paraan upang gumawa ng mga pinagsama-samang bahagi. Samakatuwid, ang pagpili ng paraan para sa isang partikular na bahagi ay depende sa materyal, sa disenyo ng bahagi, at sa huling paggamit o aplikasyon. Narito ang isang gabay sa pagpili.
Gumagawa ang Shocker Composites at R&M International ng isang recycled carbon fiber supply chain na nagbibigay ng zero slaughter, mas mababang halaga kaysa sa virgin fiber at kalaunan ay mag-aalok ng mga haba na lumalapit sa tuluy-tuloy na fiber sa mga katangian ng istruktura.
Oras ng post: Mar-15-2023