BEV'ler ve FCEV'ler için standart düz platform tankları,% 25 daha fazla H2 depolama sağlayan bir iskelet yapısı ile termoplastik ve termoset kompozitler kullanır. #hidrojen #
BMW ile yapılan bir işbirliği, bir kübik tankın birden fazla küçük silindirden daha yüksek hacimsel verimlilik sağlayabileceğini gösterdi, Münih Teknik Üniversitesi, bir bileşik yapı ve seri üretim için ölçeklenebilir bir üretim süreci geliştirmek için bir projeye başladı. Resim Kredisi: TU Dresden (Top) Sol), Münih Teknik Üniversitesi, Karbon Kompozitler Bölümü (LCC)
Sıfır emisyonu (H2) hidrojen ile güçlendirilen yakıt hücresi elektrikli araçlar (FCEV'ler) sıfır çevresel hedeflere ulaşmak için ek araçlar sağlar. H2 motorlu bir yakıt hücresi binek otomobil 5-7 dakika içinde doldurulabilir ve 500 km menzile sahiptir, ancak şu anda düşük üretim hacimleri nedeniyle daha pahalıdır. Maliyetleri azaltmanın bir yolu, BEV ve FCEV modelleri için standart bir platform kullanmaktır. Bu şu anda mümkün değildir, çünkü FCEV'lerde 700 barda sıkıştırılmış H2 gazı (CGH2) depolamak için kullanılan tip 4 silindirik tanklar, elektrikli araçlar için dikkatlice tasarlanmış gövde altı pil bölmeleri için uygun değildir. Bununla birlikte, yastık ve küpler şeklinde basınç kapları bu düz ambalaj alanına sığabilir.
Patent US5577630a “Kompozit Konformal Basınçlı Gemi” için, 1995 yılında (solda) Thiokol Corp. tarafından yapılan başvuru ve BMW tarafından 2009 yılında patentli dikdörtgen basınçlı kap.
Münih Teknik Üniversitesi (Tum, Münih, Almanya) Karbon Kompozitler Bölümü (LCC) bu kavramı geliştirmek için iki projeye katılıyor. Birincisi, Leoben Polimer Yetkinlik Merkezi (PCCL, Leoben, Avusturya) tarafından yönetilen polimerler4hidrojendir (P4H). LCC çalışma paketi diğer Elizabeth Glace tarafından yönetiliyor.
İkinci proje, LCC'nin araştırmacı Christian Jaeger tarafından yönetildiği Hidrojen Gösteri ve Geliştirme Ortamıdır (Hydden). Her ikisi de karbon fiber kompozitler kullanarak uygun bir CGH2 tankı yapmak için üretim sürecinin büyük ölçekli bir gösterisini oluşturmayı amaçlamaktadır.
Düz pil hücrelerine (solda) küçük çaplı silindirler ve çelik astarlardan yapılmış kübik tip 2 basınçlı kaplar ve bir karbon fiber/epoksi kompozit dış kabuk (sağ) sınırlı hacimsel verimlilik vardır. Görüntü kaynağı: Şekil 3 ve 6, RUF ve Zaremba ve ark.
P4H, karbon fiber takviyeli epoksiye sarılmış kompozit gerginlik kayışları/dikenli bir termoplastik çerçeve kullanan deneysel bir küp tankı üretmiştir. Hydden benzer bir tasarım kullanacak, ancak tüm termoplastik kompozit tankları üretmek için otomatik fiber yerleşim (AFP) kullanacak.
Thiokol Corp. tarafından 1995 yılında “Kompozit Konform Basınçlı Gemiye” bir patent başvurusundan 1997'de Alman patenti DE19749950C2'ye, sıkıştırılmış gaz gemileri “herhangi bir geometrik konfigürasyona sahip olabilir”, ancak özellikle düz ve düzensiz şekiller, kabuk desteğine bağlı bir boşlukta . Elemanlar, gazın genişleme kuvvetine dayanabilmeleri için kullanılır.
2006 Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı (LLNL) makalesi üç yaklaşımı açıklar: bir filament yara konformal basınç kap, ince duvarlı bir H2 konteyneri ile çevrili bir iç ortorombik kafes yapısı (2 cm veya daha az küçük hücreler) içeren bir mikrolattise basınç kapı, ve yapıştırılmış küçük parçalardan (örneğin altıgen plastik halkalar) oluşan bir iç yapıdan oluşan bir replikatör kabı) ve ince dış kabuk cildinin bir bileşimi. Yinelenen kaplar, geleneksel yöntemlerin uygulanmasının zor olabileceği daha büyük kaplar için en uygundur.
Volkswagen tarafından 2009 yılında açılan Patent DE102009057170A, alan kullanımını iyileştirirken yüksek ağırlık verimliliği sağlayacak araca monte bir basınçlı kapı açıklamaktadır. Dikdörtgen tanklar, iki dikdörtgen zıt duvar arasında gerilim konektörleri kullanır ve köşeler yuvarlanır.
Yukarıdakiler ve diğer kavramlar Gleiss tarafından Gleiss ve ark. ECCM20'de (26-30 Haziran 2022, Lausanne, İsviçre). Bu makalede, Michael Roof ve Sven Zaremba tarafından yayınlanan ve dikdörtgen kenarları birbirine bağlayan gerginlik dikişli bir kübik basınçlı kapının, düz bir pilin boşluğuna uyan birkaç küçük silindirden daha verimli olduğunu bulmuş bir TUM çalışmasının alıntılanması, yaklaşık 25'i sağlayan birkaç küçük silindirden daha verimli olduğunu buldu. % Daha. depolama alanı.
Gleiss'e göre, düz bir kasaya çok sayıda küçük tip 4 silindir takma sorunu, “Silindirler arasındaki hacim büyük ölçüde azaltılmış ve sistemin de çok büyük bir H2 gaz geçirgenlik yüzeyine sahip olmasıdır. Genel olarak, sistem kübik kavanozlardan daha az depolama kapasitesi sağlar. ”
Ancak, tankın kübik tasarımıyla ilgili başka sorunlar da var. Gleiss, “Açıkçası, sıkıştırılmış gaz nedeniyle, düz duvarlardaki bükülme kuvvetlerine karşı koymanız gerekiyor,” dedi. “Bunun için, tankın duvarlarına dahili olarak bağlanan güçlendirilmiş bir yapıya ihtiyacınız var. Ama kompozitlerle yapmak zor. ”
Glace ve ekibi, takviye gerginlik çubuklarını basınç kapına filaman sarma işlemi için uygun olacak şekilde dahil etmeye çalıştı. “Bu, yüksek hacimli üretim için önemlidir,” diye açıklıyor “ve ayrıca bölgedeki her yük için lif oryantasyonunu optimize etmek için konteyner duvarlarının sarma desenini tasarlamamıza izin veriyor.”
P4H projesi için deneme kübik kompozit tank yapmak için dört adım. Görüntü kredisi: “Brace ile kübik basınçlı gemiler için bir üretim sürecinin geliştirilmesi”, Münih Teknik Üniversitesi, Polymers4hidrojen Projesi, ECCM20, Haziran 2022.
Zincirde elde etmek için, ekip yukarıda gösterildiği gibi dört ana adımdan oluşan yeni bir konsept geliştirdi. Basamaklarda siyah olarak gösterilen gerilim dikişleri, MAI Skelett projesinden alınan yöntemler kullanılarak üretilen prefabrik bir çerçeve yapısıdır. Bu proje için BMW, daha sonra plastik bir çerçeveye kalıplanmış dört fiber takviyeli pultrüzyon çubuğu kullanarak bir ön cam çerçevesi “çerçeve” geliştirdi.
Deneysel bir kübik tankın çerçevesi. Altıgen iskelet kesitleri 3D, güçlendirilmemiş PLA filament (üst) kullanılarak TUM tarafından basılmış, CF/PA6 pultrüzyon çubuklarının gerginlik dişleri (orta) olarak yerleştirilmesi ve daha sonra filamanı diş telleri (alt) etrafına sarma. Resim Kredisi: Münih Teknik Üniversitesi LCC.
Glace, “Fikir, bir kübik tankın çerçevesini modüler bir yapı olarak inşa edebilmenizdir” dedi. “Bu modüller daha sonra bir kalıplama aletine yerleştirilir, gerginlik dikişleri çerçeve modüllerine yerleştirilir ve daha sonra Mai Skelett'in yöntemi, bunları çerçeve parçalarıyla entegre etmek için desteklerin etrafında kullanılır.” kütle üretim yöntemi, daha sonra depolama tankı kompozit kabuğunu sarmak için mandrel veya çekirdek olarak kullanılan bir yapıya neden olur.
Tum, tank çerçevesini katı kenarlar, yuvarlak köşeler ve üst ve altta bağların sokulabileceği ve takılabileceği altıgen bir desenle kübik bir “yastık” olarak tasarladı. Bu raflar için delikler de 3D basmıştı. Glace, “İlk deney tankımız için, kolay ve ucuz olduğu için polilaktik asit [PLA, biyo bazlı bir termoplastik) kullanarak 3D baskılı altıgen çerçeve bölümleri yazdırdık” dedi.
Ekip, bağ olarak kullanılmak üzere SGL Carbon'dan (Meitingen, Almanya) 68 darbeli fiber takviyeli poliamid 6 (PA6) çubuk satın aldı. “Kavramı test etmek için herhangi bir kalıp yapmadık,” diyor Gleiss, “ama sadece 3D baskılı bir petek çekirdek çerçevesine ara parçaları yerleştirdi ve epoksi tutkalla yapıştırdı. Bu daha sonra tankı sarmak için bir mandrel sağlar. ” Bu çubukların sarılması nispeten kolay olmasına rağmen, daha sonra tarif edilecek bazı önemli sorunlar olduğunu belirtiyor.
Gleiss, “İlk aşamada amacımız tasarımın üretilebilirliğini göstermek ve üretim kavramındaki sorunları tanımlamaktı” dedi. “Böylece gerilim dikişleri iskelet yapısının dış yüzeyinden çıkıyor ve ıslak filament sargısı kullanarak karbon liflerini bu çekirdeğe bağlıyoruz. Bundan sonra, üçüncü adımda, her bağlantı çubuğunun başını büküyoruz. Termoplastik, bu yüzden sadece kafayı yeniden şekillendirmek için ısı kullanıyoruz, böylece ilk sarma tabakasına düzleşir ve kilitlenir. Daha sonra, düz itme kafası tank içine geometrik olarak çevrili olacak şekilde yapıyı tekrar sarmaya devam ediyoruz. duvarlarda laminat.
Sargı için aralayıcı kapak. Tum, filaman sarma sırasında liflerin karışmasını önlemek için gerginlik çubuklarının uçlarında plastik kapaklar kullanır. Resim Kredisi: Münih Teknik Üniversitesi LCC.
Glace, bu ilk tankın bir kavram kanıtı olduğunu yineledi. “3D baskı ve tutkal kullanımı sadece ilk test içindi ve bize karşılaştığımız sorunlardan birkaçı hakkında bir fikir verdi. Örneğin, sarma sırasında, filamentler gerilim çubuklarının uçları tarafından yakalandı, lif kırılmasına, lif hasarına ve buna karşı çıkacak lif miktarını azalttı. İlk sarma adımından önce kutuplara yerleştirilen üretim yardımcıları olarak birkaç plastik kapak kullandık. Daha sonra, dahili laminatlar yapıldığında, bu koruyucu kapakları çıkardık ve son ambalajdan önce kutupların uçlarını yeniden şekillendirdik. ”
Ekip çeşitli rekonstrüksiyon senaryolarını denedi. Grace, “Etrafa bakanlar en iyi şekilde çalışıyorlar” diyor. “Ayrıca, prototipleme aşaması sırasında, ısı uygulamak ve bağlantı çubuğu uçlarını yeniden şekillendirmek için değiştirilmiş bir kaynak aracı kullandık. Bir seri üretim konseptinde, dikişlerin tüm uçlarını aynı anda bir iç kaplama laminatına şekillendirebilen ve oluşturabilen daha büyük bir araca sahip olursunuz. . "
Drawbar kafaları yeniden şekillendirildi. Tum, farklı kavramları denedi ve tank duvar laminatına takılmak için kompozit bağların uçlarını hizalamak için kaynakları değiştirdi. Görüntü kredisi: “Brace ile kübik basınçlı gemiler için bir üretim sürecinin geliştirilmesi”, Münih Teknik Üniversitesi, Polymers4hidrojen Projesi, ECCM20, Haziran 2022.
Böylece, laminat birinci sarma adımından sonra iyileştirilir, direkler yeniden şekillendirilir, tüm filamentlerin ikinci sargısını tamamlar ve daha sonra dış tank duvar laminatı ikinci kez iyileştirilir. Lütfen bunun tip 5 tank tasarımı olduğunu unutmayın, yani gaz bariyeri olarak plastik bir astar yoktur. Aşağıdaki sonraki adımlar bölümünde tartışmaya bakın.
Glace, “İlk demoyu kesitlere kestik ve bağlı alanı haritaladık” dedi. “Yakın çekim, laminatla ilgili bazı kaliteli sorunlarımız olduğunu gösteriyor, dikme kafaları iç laminatın üzerine düz bir şekilde uzanmıyor.”
Tankın iç ve dış duvarlarının laminatı arasındaki boşluklarla ilgili problemleri çözme. Modifiye edilmiş Rod kafası, deney tankının birinci ve ikinci turları arasında bir boşluk yaratır. Resim Kredisi: Münih Teknik Üniversitesi LCC.
Bu ilk 450 x 290 x 80mm tank geçen yaz tamamlandı. Glace, “O zamandan beri çok ilerleme kaydettik, ancak hala iç ve dış laminat arasında bir boşluğumuz var” dedi. “Bu boşlukları temiz, yüksek viskoziteli bir reçineyle doldurmaya çalıştık. Bu aslında çiviler ve laminat arasındaki bağlantıyı geliştirir, bu da mekanik stresi büyük ölçüde arttırır. ”
Ekip, istenen sarma desenine yönelik çözümler de dahil olmak üzere tank tasarımını ve sürecini geliştirmeye devam etti. Glace, “Test tankının kenarları tamamen kıvrılmadı çünkü bu geometrinin sarma yolu oluşturması zordu” dedi. “İlk sarma açımız 75 ° idi, ancak bu basınçlı kaptaki yükü karşılamak için birden fazla devreye ihtiyaç olduğunu biliyorduk. Hala bu soruna bir çözüm arıyoruz, ancak şu anda piyasadaki yazılımla kolay değil. Bir takip projesi olabilir.
“Bu üretim konseptinin fizibilitesini gösterdik,” diyor Gleiss, “ancak laminat arasındaki bağlantıyı geliştirmek ve bağlantı çubuklarını yeniden şekillendirmek için daha fazla çalışmamız gerekiyor. “Bir test makinesinde harici test. Aralayıcıları laminattan çıkarırsınız ve bu derzlerin dayanabileceği mekanik yükleri test edersiniz. ”
Polymers4hidrojen projesinin bu kısmı 2023'ün sonunda tamamlanacak, bu sırada Gleis ikinci gösteri tankını tamamlamayı umuyor. İlginç bir şekilde, tasarımlar bugün çerçevede düzgün güçlendirilmiş termoplastikler ve tank duvarlarında termoset kompozitler kullanıyor. Bu hibrit yaklaşım son gösteri tankında kullanılacak mı? “Evet,” dedi Grace. “Polymers4hidrojen projesindeki ortaklarımız epoksi reçineleri ve daha iyi hidrojen bariyer özelliklerine sahip diğer kompozit matris malzemeleri geliştiriyor.” Bu çalışma üzerinde çalışan iki ortağı listeliyor: PCCL ve Tampere Üniversitesi (Tampere, Finlandiya).
Gleiss ve ekibi de bilgi alışverişinde bulundu ve LCC konformal kompozit tankından ikinci Hydden projesinde Jaeger ile fikirleri tartıştı.
Jaeger, “Araştırma dronları için konformal bir kompozit basınçlı kap üreteceğiz” diyor. “Bu, Havacılık ve Uzay ve Jeodezik Tum - LCC Bölümü ile Helikopter Teknolojisi Bölümü (HT) arasında bir işbirliği. Proje 2024'ün sonuna kadar tamamlanacak ve şu anda baskı gemisini tamamlıyoruz. Daha çok havacılık ve otomotiv yaklaşımı olan bir tasarım. Bu ilk konsept aşamasından sonra, bir sonraki adım ayrıntılı yapısal modelleme yapmak ve duvar yapısının bariyer performansını tahmin etmektir. ”
“Bütün fikir, hibrit yakıt hücresi ve pil itme sistemi ile keşif drone geliştirmek” diye devam etti. Pili yüksek elektrikli yükler (yani kalkış ve iniş) sırasında kullanacak ve daha sonra hafif yük seyir sırasında yakıt hücresine geçecektir. Yeager, “HT ekibinin zaten bir araştırma uçağı vardı ve hem pilleri hem de yakıt hücrelerini kullanmak için güç aktarma organlarını yeniden tasarladı” dedi. “Ayrıca bu şanzımanı test etmek için bir CGH2 tankı satın aldılar.”
“Ekibim, silindirik bir tankın yaratacağı ambalaj sorunlarından dolayı uygun olacak bir basınç tankı prototipi oluşturmakla görevlendirildi” diye açıklıyor. “Daha düz bir tank, rüzgar direnci sunmuyor. Böylece daha iyi uçuş performansı elde edersiniz. ” Tank Boyutları Yaklaşık. 830 x 350 x 173 mm.
Tamamen termoplastik AFP uyumlu tank. Hydden Projesi için, Tum'daki LCC ekibi başlangıçta Glace tarafından kullanılan (yukarıda) ile benzer bir yaklaşımı araştırdı, ancak daha sonra AFP (aşağıda) kullanılarak aşırı kullanılan birkaç yapısal modül kombinasyonunu kullanarak bir yaklaşıma taşındı. Resim Kredisi: Münih Teknik Üniversitesi LCC.
“Bir fikir, Elisabeth [Gleiss] yaklaşımına benzer,” diyor Yager, “yüksek bükme kuvvetlerini telafi etmek için gemi duvarına gerginlik parantezleri uygulamak. Ancak, tankı yapmak için bir sarma işlemi kullanmak yerine AFP kullanıyoruz. Bu nedenle, rafların zaten entegre edildiği basınç kabının ayrı bir bölümünü oluşturmayı düşündük. Bu yaklaşım, bu entegre modüllerin birçoğunu birleştirmeme ve daha sonra son AFP sargısından önce her şeyi mühürlemek için bir uç kapak uygulamamı sağladı. ”
“Böyle bir kavramı sonuçlandırmaya çalışıyoruz,” diye devam etti “ve ayrıca H2 gaz penetrasyonuna gerekli direnci sağlamak için çok önemli olan malzeme seçimini test etmeye başlıyor. Bunun için esas olarak termoplastik malzemeler kullanıyoruz ve malzemenin AFP makinesinde bu geçirgenlik davranışını ve işlemeyi nasıl etkileyeceği üzerinde çeşitli üzerinde çalışıyoruz. Tedavinin bir etkisi olup olmayacağını ve işleme sonrası herhangi bir gereksinim olup olmadığını anlamak önemlidir. Ayrıca farklı yığınların basınçlı kaptan hidrojen geçirgenliğini etkileyip etkilemeyeceğini bilmek istiyoruz. ”
Tank tamamen termoplastikten yapılacak ve şeritler Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Almanya) tarafından sağlanacaktır. Yager, “PPS [polifenilen sülfür], peek [polieter keton] ve LM paek [düşük erime poliaril keton] malzemelerini kullanacağız” dedi. “Daha sonra hangisinin penetrasyon koruması için en iyi olduğunu ve daha iyi performansa sahip parçalar üretmek için karşılaştırmalar yapıldı.” Gelecek yıl içinde test, yapısal ve süreç modellemesini ve ilk gösterileri tamamlamayı umuyor.
Araştırma çalışması, Federal İklim Değişikliği, Çevre, Enerji, Hareketlilik, İnovasyon ve Teknoloji ve Dijital Teknoloji ve Ekonomi Bakanlığı Bakanlığı için Comet Programında “Polymers4hidrojen” (ID 21647053) Comet modülü içinde gerçekleştirildi. . Yazarlar Katılımcı Ortaklar Polimer Yeterlilik Merkezi Leoben GmbH (PCCL, Avusturya), Montanuveritaet Leoben (Polimer Mühendisliği ve Bilim Fakültesi, Polimer Malzemeleri Kimya Bölümü, Malzeme Bilimi ve Polimer Testleri Bölümü), Tampere Üniversitesi (Mühendislik Fakültesi Malzemeler). ) Bilim), Peak Technology ve Faurecia bu araştırma çalışmasına katkıda bulundu. Kuyruklu Yıldız-Modül Avusturya Hükümeti ve Styria Eyaleti Hükümeti tarafından finanse edilmektedir.
Yük taşıyan yapılar için önceden takviyeli tabakalar, sadece camdan değil, aynı zamanda karbon ve aramidden de sürekli lifler içerir.
Kompozit parçalar yapmanın birçok yolu vardır. Bu nedenle, belirli bir parça için yöntem seçimi, malzemeye, parçanın tasarımına ve son kullanım veya uygulamaya bağlı olacaktır. İşte bir seçim kılavuzu.
Shocker kompozitleri ve R&M International, sıfır kesim sağlayan, bakire fiberden daha düşük maliyet sağlayan ve sonunda yapısal özelliklerde sürekli elyaf yaklaşan uzunluklar sunacak geri dönüştürülmüş bir karbon fiber tedarik zinciri geliştiriyor.
Gönderme Zamanı: Mar-15-2023