BEV'ler ve FCEV'ler için standart düz platformlu tanklar, %25 daha fazla H2 depolama sağlayan iskelet yapısına sahip termoplastik ve termoset kompozitler kullanır. #hidrojen #trendler
BMW ile yapılan işbirliğinin kübik bir tankın birden fazla küçük silindirden daha yüksek hacimsel verimlilik sağlayabileceğini göstermesinin ardından Münih Teknik Üniversitesi, seri üretim için kompozit bir yapı ve ölçeklenebilir bir üretim süreci geliştirmeye yönelik bir proje başlattı. Resim kredisi: TU Dresden (sol üstte), Münih Teknik Üniversitesi, Karbon Kompozitleri Bölümü (LCC)
Sıfır emisyonlu (H2) hidrojenle çalışan yakıt hücreli elektrikli araçlar (FCEV'ler), sıfır çevresel hedeflere ulaşmak için ek araçlar sağlar. H2 motora sahip yakıt hücreli bir binek otomobil, 5-7 dakikada doldurulabiliyor ve 500 km menzile sahip ancak üretim hacimlerinin düşük olması nedeniyle şu anda daha pahalı. Maliyetleri azaltmanın bir yolu BEV ve FCEV modelleri için standart bir platform kullanmaktır. FCEV'lerde sıkıştırılmış H2 gazını (CGH2) 700 barda depolamak için kullanılan Tip 4 silindirik tanklar, elektrikli araçlar için özenle tasarlanmış gövde altı akü bölmelerine uygun olmadığından bu şu an için mümkün değil. Ancak yastık ve küp şeklindeki basınçlı kaplar bu düz paketleme alanına sığabilmektedir.
“Kompozit Konformal Basınçlı Kap” için US5577630A Patenti, Thiokol Corp. tarafından 1995 yılında yapılan başvuru (solda) ve 2009 yılında BMW tarafından patenti alınan dikdörtgen basınçlı kap (sağda).
Münih Teknik Üniversitesi'nin (TUM, Münih, Almanya) Karbon Kompozitleri Bölümü (LCC) bu konsepti geliştirmek için iki projede yer almaktadır. Bunlardan ilki, Leoben Polimer Yetkinlik Merkezi (PCCL, Leoben, Avusturya) tarafından yönetilen Polymers4Hydrogen'dir (P4H). LCC çalışma paketi, Fellow Elizabeth Glace tarafından yönetiliyor.
İkinci proje ise LCC'nin Araştırmacı Christian Jaeger tarafından yürütüldüğü Hidrojen Gösterim ve Geliştirme Ortamı'dır (HyDDen). Her ikisi de karbon fiber kompozitler kullanılarak uygun bir CGH2 tankının yapımına yönelik üretim sürecinin geniş ölçekli bir gösterimini oluşturmayı amaçlıyor.
Küçük çaplı silindirler düz akü hücrelerine (solda) ve çelik astarlardan ve karbon fiber/epoksi kompozit dış kabuktan (sağda) yapılmış kübik tip 2 basınçlı kaplara monte edildiğinde sınırlı hacimsel verimlilik söz konusudur. Görüntü Kaynağı: Şekil 3 ve 6, Ruf ve Zaremba ve diğerleri tarafından yazılan "İç Gergi Ayaklı Tip II Basınç Kutulu Kap için Sayısal Tasarım Yaklaşımı"ndan alınmıştır.
P4H, karbon fiberle güçlendirilmiş epoksi ile sarılmış kompozit gergi kayışları/payandaları olan termoplastik bir çerçeve kullanan deneysel bir küp tank üretti. HyDDen benzer bir tasarım kullanacak ancak tüm termoplastik kompozit tankları üretmek için otomatik fiber döşemeyi (AFP) kullanacak.
Thiokol Corp.'un 1995'teki "Kompozit Konformal Basınçlı Kap" patent başvurusundan, 1997'deki Alman Patenti DE19749950C2'ye kadar, sıkıştırılmış gaz kapları, kabuk desteğine bağlı bir boşluk içinde "herhangi bir geometrik konfigürasyona sahip olabilir", ancak özellikle düz ve düzensiz şekillere sahip olabilir. . elemanlar gazın genleşme kuvvetine dayanabilecek şekilde kullanılır.
2006 tarihli bir Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı (LLNL) makalesi üç yaklaşımı açıklamaktadır: filaman sargılı uyumlu basınçlı kap, ince duvarlı bir H2 kabı ile çevrelenmiş, dahili bir ortorombik kafes yapısı (2 cm veya daha küçük küçük hücreler) içeren bir mikro kafesli basınç kabı, ve yapıştırılmış küçük parçalardan (örneğin altıgen plastik halkalar) oluşan bir iç yapı ve ince dış kabuk kabuğundan oluşan bir bileşimden oluşan bir kopyalayıcı kabı. Yinelenen kaplar, geleneksel yöntemlerin uygulanmasının zor olabileceği daha büyük kaplar için en uygunudur.
Volkswagen tarafından 2009 yılında dosyalanan DE102009057170A patenti, alan kullanımını geliştirirken yüksek ağırlık verimliliği sağlayacak araca monteli bir basınçlı kabı açıklamaktadır. Dikdörtgen tanklarda karşılıklı iki dikdörtgen duvar arasında gergi bağlantıları kullanılır ve köşeler yuvarlatılmıştır.
Yukarıdaki ve diğer kavramlar Gleiss tarafından Gleiss ve arkadaşlarının "Germe Çubuklu Kübik Basınçlı Kaplar için Proses Geliştirme" adlı makalesinde alıntılanmıştır. ECCM20'de (26-30 Haziran 2022, Lozan, İsviçre). Bu makalede, Michael Roof ve Sven Zaremba tarafından yayınlanan ve dikdörtgen kenarları birbirine bağlayan gergi payandalarına sahip kübik bir basınçlı kabın, düz bir bataryanın boşluğuna sığan birkaç küçük silindirden daha verimli olduğunu ve yaklaşık 25 enerji sağladığını ortaya koyan bir TUM çalışmasına atıfta bulunuyor. % Daha. depolama alanı.
Gleiss'e göre çok sayıda küçük tip 4 silindirin düz bir kasaya yerleştirilmesindeki sorun, "silindirler arasındaki hacmin büyük ölçüde azalması ve sistemin ayrıca çok büyük bir H2 gaz nüfuz yüzeyine sahip olmasıdır. Genel olarak sistem kübik kavanozlara göre daha az depolama kapasitesi sağlıyor.”
Ancak tankın kübik tasarımında başka sorunlar da var. Gleiss, "Açıkçası sıkıştırılmış gaz nedeniyle düz duvarlardaki bükülme kuvvetlerine karşı koymanız gerekiyor" dedi. “Bunun için içeriden tankın duvarlarına bağlanan güçlendirilmiş bir yapıya ihtiyacınız var. Ancak bunu kompozitlerle yapmak zor.”
Glace ve ekibi, filament sarma işlemine uygun olacak şekilde takviye gergi çubuklarını basınçlı kap içerisine dahil etmeye çalıştı. "Bu, yüksek hacimli üretim için önemlidir" diye açıklıyor ve "aynı zamanda bölgedeki her yük için elyaf yönelimini optimize etmek amacıyla konteyner duvarlarının sarım modelini tasarlamamıza da olanak tanıyor."
P4H projesi için deneme kübik kompozit tank yapmak için dört adım. Resim kredisi: "Destekli kübik basınçlı kaplar için bir üretim sürecinin geliştirilmesi", Münih Teknik Üniversitesi, Polymers4Hydrogen projesi, ECCM20, Haziran 2022.
Zincir üzerinde başarıya ulaşmak için ekip, yukarıda gösterildiği gibi dört ana adımdan oluşan yeni bir konsept geliştirdi. Basamaklarda siyahla gösterilen gergi payandaları, MAI Skelett projesinden alınan yöntemler kullanılarak üretilen prefabrik bir çerçeve yapısıdır. Bu proje için BMW, daha sonra plastik bir çerçeveye kalıplanan dört adet fiber takviyeli pultrüzyon çubuğu kullanarak bir ön cam çerçevesi "çerçevesi" geliştirdi.
Deneysel bir kübik tankın çerçevesi. Güçlendirilmemiş PLA filamanı (üstte) kullanılarak TUM tarafından 3D olarak basılan altıgen iskelet bölümleri, CF/PA6 pultrüzyon çubuklarının gerilim destekleri (orta) olarak yerleştirilmesi ve ardından filamentin desteklerin etrafına sarılması (altta). Resim kredisi: Münih Teknik Üniversitesi LCC.
Glace, "Fikir, kübik bir tankın çerçevesini modüler bir yapı olarak inşa edebilmenizdir" dedi. "Bu modüller daha sonra bir kalıplama aletine yerleştiriliyor, gergi payandaları çerçeve modüllerine yerleştiriliyor ve ardından bunları çerçeve parçalarıyla entegre etmek için payandaların çevresinde MAI Skelett'in yöntemi kullanılıyor." Seri üretim yöntemi, daha sonra depolama tankının kompozit kabuğunu sarmak için mandrel veya çekirdek olarak kullanılan bir yapıyla sonuçlanır.
TUM, tank çerçevesini sağlam kenarlara, yuvarlatılmış köşelere ve üstte ve altta bağların yerleştirilip takılabileceği altıgen bir desene sahip kübik bir "yastık" olarak tasarladı. Bu rafların delikleri de 3D olarak basıldı. Glace, "İlk deneysel tankımız için, kolay ve ucuz olduğu için polilaktik asit [PLA, biyo bazlı bir termoplastik] kullanarak altıgen çerçeve bölümlerini 3D olarak bastık" dedi.
Ekip, bağ olarak kullanılmak üzere SGL Carbon'dan (Meitingen, Almanya) 68 adet pultrüzyonlu karbon fiber takviyeli poliamid 6 (PA6) çubuk satın aldı. Gleiss, "Konsepti test etmek için herhangi bir kalıplama yapmadık" diyor ve ekliyor: "Sadece ara parçaları 3D baskılı petek çekirdek çerçevesine yerleştirdik ve bunları epoksi yapıştırıcıyla yapıştırdık. Bu daha sonra tankı sarmak için bir mandrel sağlar." Bu çubukların sarılmasının nispeten kolay olmasına rağmen, daha sonra açıklanacak bazı önemli sorunların bulunduğunu belirtiyor.
Gleiss, "İlk aşamada amacımız tasarımın üretilebilirliğini göstermek ve üretim konseptindeki sorunları belirlemekti" dedi. "Böylece gerilim destekleri iskelet yapısının dış yüzeyinden dışarı çıkıyor ve karbon fiberleri ıslak filaman sarımı kullanarak bu çekirdeğe bağlıyoruz. Bundan sonra üçüncü adımda her bir rot kolunun başını büküyoruz. termoplastik, bu yüzden kafayı yeniden şekillendirmek için ısı kullanıyoruz, böylece düzleşip ilk ambalaj katmanına kilitleniyor. Daha sonra, düz itme başlığının geometrik olarak tankın içinde yer alması için yapıyı tekrar sarmaya devam ediyoruz. duvarlarda laminat.
Sarma için ara parça kapağı. TUM, filaman sarımı sırasında elyafların dolaşmasını önlemek için gergi çubuklarının uçlarında plastik kapaklar kullanır. Resim kredisi: Münih Teknik Üniversitesi LCC.
Glace, bu ilk tankın konseptin bir kanıtı olduğunu yineledi. "3D baskı ve yapıştırıcının kullanımı yalnızca ilk test amaçlıydı ve karşılaştığımız sorunlardan birkaçı hakkında bize fikir verdi. Örneğin sarım sırasında filamentler gergi çubuklarının uçlarına takılıp elyafın kırılmasına, elyafın zarar görmesine ve buna karşı koymak için elyaf miktarının azalmasına neden oluyor. İlk sarım aşamasından önce direklerin üzerine yerleştirilen birkaç plastik kapağı imalata yardımcı olarak kullandık. Daha sonra iç laminatlar yapıldığında bu koruyucu kapakları çıkardık ve son ambalajlamadan önce direklerin uçlarını yeniden şekillendirdik.”
Ekip çeşitli yeniden inşa senaryolarını denedi. Grace, "Etrafına bakanlar en iyi şekilde çalışırlar" diyor. "Ayrıca prototip oluşturma aşamasında ısı uygulamak ve rot uçlarını yeniden şekillendirmek için değiştirilmiş bir kaynak aleti kullandık. Seri üretim konseptinde, desteklerin tüm uçlarını aynı anda iç kaplama laminatına dönüştürebilen daha büyük bir alete sahip olursunuz. . ”
Çeki demiri kafaları yeniden şekillendirildi. TUM farklı konseptler denedi ve tank duvarı laminatına bağlantı için kompozit bağların uçlarını hizalamak üzere kaynakları değiştirdi. Resim kredisi: "Destekli kübik basınçlı kaplar için bir üretim sürecinin geliştirilmesi", Münih Teknik Üniversitesi, Polymers4Hydrogen projesi, ECCM20, Haziran 2022.
Böylece laminat ilk sarma aşamasından sonra sertleştirilir, direkler yeniden şekillendirilir, TUM filamentlerin ikinci sarımını tamamlar ve ardından dış tank duvarı laminatı ikinci kez sertleştirilir. Lütfen bunun tip 5 tank tasarımı olduğunu, yani gaz bariyeri olarak plastik bir kaplamaya sahip olmadığını unutmayın. Aşağıdaki Sonraki Adımlar bölümündeki tartışmaya bakın.
Glace, "İlk demoyu kesitlere ayırdık ve bağlantılı alanın haritasını çıkardık" dedi. "Yakın çekim, laminatla ilgili bazı kalite sorunları yaşadığımızı, dikme başlarının iç laminatın üzerinde düz durmadığını gösteriyor."
Tankın iç ve dış duvarlarının laminatı arasındaki boşluklarla ilgili sorunların çözülmesi. Değiştirilen rot başı, deney tankının birinci ve ikinci dönüşleri arasında bir boşluk oluşturur. Resim kredisi: Münih Teknik Üniversitesi LCC.
Bu ilk 450 x 290 x 80 mm'lik tank geçen yaz tamamlandı. Glace, "O zamandan bu yana çok ilerleme kaydettik, ancak iç ve dış laminat arasında hala bir boşluk var" dedi. "Dolayısıyla bu boşlukları temiz, yüksek viskoziteli bir reçineyle doldurmaya çalıştık. Bu aslında çiviler ile laminat arasındaki bağlantıyı geliştiriyor ve bu da mekanik gerilimi büyük ölçüde artırıyor."
Ekip, arzu edilen sarma düzenine yönelik çözümler de dahil olmak üzere tank tasarımını ve sürecini geliştirmeye devam etti. Glace, "Test tankının kenarları tamamen kıvrılmamıştı çünkü bu geometrinin dolambaçlı bir yol oluşturması zordu" diye açıkladı. "Başlangıçtaki sarma açımız 75° idi ancak bu basınçlı kaptaki yükü karşılamak için birden fazla devreye ihtiyaç olduğunu biliyorduk. Halen bu soruna çözüm arıyoruz ancak şu anda piyasada bulunan yazılımlarla bu hiç de kolay değil. Bir devam projesi haline gelebilir.
Gleiss, "Bu üretim konseptinin fizibilitesini gösterdik" diyor, "ancak laminat arasındaki bağlantıyı geliştirmek ve bağlantı çubuklarını yeniden şekillendirmek için daha fazla çalışmamız gerekiyor. “Bir test makinesinde harici test. Ara parçaları laminattan çekip bu bağlantıların dayanabileceği mekanik yükleri test ediyorsunuz."
Polymers4Hydrogen projesinin bu kısmı 2023 yılı sonunda tamamlanacak ve Gleis bu tarihte ikinci tanıtım tankını tamamlamayı umuyor. İlginç bir şekilde, günümüzün tasarımlarında çerçeve içinde düzgün güçlendirilmiş termoplastikler ve tank duvarlarında ise termoset kompozitler kullanılıyor. Bu hibrit yaklaşım son gösteri tankında kullanılacak mı? "Evet" dedi Grace. "Polymers4Hydrogen projesindeki ortaklarımız, daha iyi hidrojen bariyer özelliklerine sahip epoksi reçineler ve diğer kompozit matris malzemeleri geliştiriyor." Bu çalışma üzerinde çalışan iki ortağın listesini veriyor: PCCL ve Tampere Üniversitesi (Tampere, Finlandiya).
Gleiss ve ekibi ayrıca Jaeger ile LCC uyumlu kompozit tanktan ikinci HyDDen projesi hakkında bilgi alışverişinde bulundu ve fikir alışverişinde bulundu.
Jaeger, "Araştırma dronları için uygun bir kompozit basınçlı kap üreteceğiz" diyor. “Bu, TUM'un Havacılık ve Jeodezik Departmanı - LCC ve Helikopter Teknolojisi Departmanı (HT) arasındaki iki departman arasındaki bir işbirliğidir. Proje 2024 yılı sonunda tamamlanacak ve şu anda basınçlı kapları da tamamlıyoruz. Daha çok havacılık ve otomotiv yaklaşımını içeren bir tasarım. Bu ilk konsept aşamasından sonra, bir sonraki adım ayrıntılı yapısal modellemeyi gerçekleştirmek ve duvar yapısının bariyer performansını tahmin etmektir.”
"Bütün fikir, hibrit yakıt hücresi ve batarya tahrik sistemine sahip bir keşif uçağı geliştirmektir" diye devam etti. Yüksek güç yüklerinde (kalkış ve iniş) aküyü kullanacak, daha sonra hafif yüklü seyir sırasında yakıt hücresine geçiş yapacak. Yeager, "HT ekibinin halihazırda bir araştırma drone'u vardı ve güç aktarma organlarını hem pilleri hem de yakıt hücrelerini kullanacak şekilde yeniden tasarladı" dedi. "Ayrıca bu iletimi test etmek için bir CGH2 tankı satın aldılar."
"Ekibim, buna uygun bir basınç tankı prototipi oluşturmakla görevlendirildi, ancak bunun nedeni silindirik bir tankın yaratacağı paketleme sorunları değildi" diye açıklıyor. “Daha düz bir tank o kadar fazla rüzgar direnci sunmuyor. Böylece daha iyi uçuş performansı elde edersiniz.” Tank boyutları yakl. 830x350x173 mm.
Tamamen termoplastik AFP uyumlu tank. HyDDen projesi için, TUM'daki LCC ekibi başlangıçta Glace (yukarıda) tarafından kullanılana benzer bir yaklaşım araştırdı, ancak daha sonra birkaç yapısal modülün bir kombinasyonunu kullanan bir yaklaşıma geçti ve bunlar daha sonra AFP (aşağıda) kullanılarak aşırı kullanıldı. Resim kredisi: Münih Teknik Üniversitesi LCC.
Yager, "Fikirlerden biri Elisabeth'in (Gleiss'in) yaklaşımına benzer" diyor ve ekliyor: "yüksek bükülme kuvvetlerini telafi etmek için damar duvarına gerilim destekleri uygulamak. Ancak tankı yapmak için sarma işlemi kullanmak yerine AFP kullanıyoruz. Bu nedenle, basınçlı kapta rafların zaten entegre olduğu ayrı bir bölüm oluşturmayı düşündük. Bu yaklaşım, bu entegre modüllerden birkaçını birleştirmeme ve ardından son AFP sarımından önce her şeyi kapatmak için bir uç kapağı uygulamama olanak sağladı."
"Böyle bir konsepti tamamlamaya çalışıyoruz" diye devam etti, "ve ayrıca H2 gazı nüfuzuna karşı gerekli direnci sağlamak için çok önemli olan malzeme seçimini test etmeye başlıyoruz. Bunun için ağırlıklı olarak termoplastik malzemeler kullanıyoruz ve malzemenin bu geçirgenlik davranışını ve AFP makinesinde işlenmesini nasıl etkileyeceği üzerinde çeşitli çalışmalar yapıyoruz. Tedavinin etkili olup olmayacağını ve herhangi bir son işlem gerekip gerekmediğini anlamak önemlidir. Ayrıca farklı yığınların basınçlı kaptan hidrojen nüfuzunu etkileyip etkilemeyeceğini de bilmek istiyoruz."
Tank tamamen termoplastikten yapılacak ve şeritler Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Almanya) tarafından tedarik edilecek. Yager, "Onların PPS [polifenilen sülfür], PEEK [polieter keton] ve LM PAEK [düşük erime noktalı poliaril keton] malzemelerini kullanacağız" dedi. "Daha sonra, nüfuz koruması ve daha iyi performansa sahip parçalar üretme açısından hangisinin en iyi olduğunu görmek için karşılaştırmalar yapılıyor." Gelecek yıl içinde testleri, yapısal ve süreç modellemeyi ve ilk gösterimleri tamamlamayı umuyor.
Araştırma çalışması, Federal İklim Değişikliği, Çevre, Enerji, Mobilite, İnovasyon ve Teknoloji Bakanlığı ve Federal Dijital Teknoloji ve Ekonomi Bakanlığı'nın COMET programı kapsamındaki COMET modülü "Polymers4Hydrogen" (ID 21647053) kapsamında gerçekleştirildi. . Yazarlar katılımcı ortaklara Polymer Yetkinlik Merkezi Leoben GmbH (PCCL, Avusturya), Montanuniversitaet Leoben (Polimer Mühendisliği ve Bilim Fakültesi, Polimer Malzemelerin Kimyası Bölümü, Malzeme Bilimi ve Polimer Testi Bölümü), Tampere Üniversitesi (Mühendislik Fakültesi) teşekkür eder. Malzemeler). ) Science), Peak Technology ve Faurecia bu araştırma çalışmasına katkıda bulunmuştur. COMET-Modul, Avusturya hükümeti ve Styria eyaleti hükümeti tarafından finanse edilmektedir.
Yük taşıyıcı yapılara yönelik ön takviyeli levhalar, yalnızca camdan değil aynı zamanda karbon ve aramidden de sürekli lifler içerir.
Kompozit parça yapmanın birçok yolu vardır. Bu nedenle, belirli bir parça için yöntemin seçimi malzemeye, parçanın tasarımına ve son kullanıma veya uygulamaya bağlı olacaktır. İşte bir seçim kılavuzu.
Shocker Composites ve R&M International, sıfır kesim sağlayan, işlenmemiş elyaftan daha düşük maliyet sağlayan ve sonunda yapısal özellikler açısından sürekli elyafa yaklaşan uzunluklar sunacak bir geri dönüştürülmüş karbon elyaf tedarik zinciri geliştiriyor.
Gönderim zamanı: Mart-15-2023