Стандартні резервуари з плоскою платформою для BEV та FCEV використовують термопластичні та термореактивні композити з скелетною конструкцією, яка забезпечує на 25% більше зберігання H2. #Гідроген #trends
Після співпраці з BMW показало, що кубічний танк може забезпечити більш високу об'ємну ефективність, ніж кілька малих циліндрів, технічний університет Мюнхена взявся за проект розробки композиційної структури та масштабованого процесу виготовлення для серійного виробництва. Кредит на зображення: Ту Дрезден (вгорі) ліворуч), Технічний університет Мюнхена, кафедра вуглецевих композитів (LCC)
Електричні транспортні засоби з паливними елементами (FCEV), що працюють на водневі нульові емісії (H2), забезпечують додаткові засоби для досягнення нульових цілей навколишнього середовища. Пасажирський автомобіль з двигуном H2 може бути заповнений за 5-7 хвилин і має діапазон 500 км, але наразі дорожче через низькі обсяги виробництва. Один із способів зменшити витрати - це використовувати стандартну платформу для моделей BEV та FCEV. В даний час це неможливо, оскільки циліндричні резервуари типу 4, що використовуються для зберігання стисненого H2 GAS (CGH2) при 700 бар у FCEV, не підходять для відділень акумуляторів, які були ретельно розроблені для електромобілів. Однак посудини під тиском у вигляді подушок і кубів можуть вписуватися в цей плоский упаковний простір.
Патент US5577630A для "Складеного судна конформного тиску", застосування, поданого Thiokol Corp. у 1995 році (зліва) та прямокутного судна тиску, запатентованого BMW у 2009 році (праворуч).
Кафедра вуглецевих композитів (LCC) Технічного університету Мюнхена (Тум, Мюнхен, Німеччина) бере участь у двох проектах для розробки цієї концепції. Перший - це полімерс4hydrogen (P4H) під керівництвом Центру компетентності полімерів Leoben (PCCL, Leoben, Австрія). Робочий пакет LCC очолює колег Елізабет Глейс.
Другий проект - це середовище демонстрації та розвитку водню (Hydden), де LCC очолює дослідник Крістіан Джегер. Обидва мають на меті створити масштабну демонстрацію виробничого процесу для створення відповідного резервуара CGH2 за допомогою композитів з вуглецевого волокна.
Існує обмежена об'ємна ефективність, коли циліндри малих діаметрів встановлюються в плоских акумуляторних клітинах (зліва) та кубічних посудин типу 2, виготовлених із сталевих вкладишів та зовнішньої оболонки з вуглецевого волокна/епоксиду (праворуч). Джерело зображення: Фігури 3 та 6 - з «чисельного підходу проектування для посудини тиску II типу з внутрішніми ногами напруги» від RUF та Zaremba et al.
P4H виготовив експериментальний резервуар для куба, який використовує термопластичну рамку з композитними ремінцями/підколами, загорнутими в епоксидні епоксиди, армовані вуглецевим волокном. Hydden використовуватиме аналогічну конструкцію, але використовуватиме автоматичний план волокон (AFP) для виготовлення всіх термопластичних композиційних резервуарів.
Від заявки на патент Thiokol Corp. до «композитного судна конформного тиску» у 1995 році до німецького патенту DE19749950C2 у 1997 році стиснуті газові судна «можуть мати будь -яку геометричну конфігурацію», але особливо плоскі та нерегулярні форми, в порожнині, підключеній до підтримки оболонки. Елементи використовуються так, щоб вони могли протистояти силі розширення газу.
A 2006 Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) paper describes three approaches: a filament wound conformal pressure vessel, a microlattice pressure vessel containing an internal orthorhombic lattice structure (small cells of 2 cm or less), surrounded by a thin-walled H2 container, and a replicator container, consisting of an internal structure consisting of glued small parts (eg, hexagonal plastic rings) and Склад тонкої зовнішньої шкіри оболонки. Дублікат контейнерів найкраще підходить для більших контейнерів, де традиційні методи можуть бути важкими для застосування.
Patent DE102009057170A, поданий Volkswagen у 2009 році, описує судно, встановлене на транспортний засіб, який забезпечить високу ефективність ваги, покращуючи використання простору. Прямокутні резервуари використовують роз'єми натягу між двома прямокутними протилежними стінами, а кути закруглені.
Вищезазначені та інші поняття цитуються Gleiss у документі "Розробка процесу для кубічних судин тиску з розтяжками" від Gleiss et al. в ECCM20 (26-30 червня 2022 р., Лозанна, Швейцарія). У цій статті вона цитує дослідження TUM, опубліковане Майклом Рофом та Свеном Зарембою, яке виявило, що кубічний посудину тиску з натяжними підколами, що з'єднують прямокутні сторони, є більш ефективним, ніж кілька невеликих циліндрів, які вписуються в простір плоского акумулятора, що забезпечує приблизно на 25% більше. місце для зберігання.
За словами Gleiss, проблема з встановленням великої кількості невеликих циліндрів типу 4 у плоскому випадку полягає в тому, що «об'єм між циліндрами значно зменшується, а система також має дуже велику поверхню проникнення газу H2. В цілому система забезпечує меншу ємність для зберігання, ніж кубічні банки ».
Однак є інші проблеми з кубічним дизайном танка. "Очевидно, що через стислий газ вам потрібно протидіяти згинальних силах на плоских стінах", - сказала Глейс. «Для цього вам потрібна армована конструкція, яка внутрішньо з'єднується зі стінами танка. Але це важко зробити з композитами ».
Глейс та її команда намагалися включити підсилюючі напруги в судно тиску таким чином, який був би придатним для процесу звивистої нитки. "Це важливо для виробництва великого обсягу",-пояснює вона,-а також дозволяє нам розробити схему обмотки стінок контейнерів для оптимізації орієнтації волокон для кожного навантаження в зоні ".
Чотири кроки, щоб зробити пробний кубічний композитний резервуар для проекту P4H. Кредит на зображення: «Розробка виробничого процесу для кубічних суден тиску з дужкою», Технічний університет Мюнхена, Проект Polymers4Hydrogen, ECCM20, червень 2022 року.
Для досягнення ланцюга команда розробила нову концепцію, що складається з чотирьох основних кроків, як показано вище. Напруги, показані чорним кольором на сходах, є збірною структурою рамки, виготовленою за допомогою методів, взяті з проекту Mai Skelett. Для цього проекту BMW розробила рамку лобового скла «рамка», використовуючи чотири пультрузійні стрижні, підкріплені волокнами, які потім були сформовані в пластиковий каркас.
Рама експериментального кубічного резервуара. Шестикутні скелетні секції 3D, надруковані за допомогою TUM, використовуючи незамінну нитку PLA (вгорі), вставляючи прути CF/PA6 Pultrusion як натяжні брекети (середина), а потім обмотуючи нитку навколо брекетів (внизу). Кредит на зображення: Технічний університет Мюнхена LCC.
"Ідея полягає в тому, що ви можете побудувати рамку кубічного резервуара як модульної структури", - сказав Глейс. "Ці модулі потім розміщуються в інструменті для лиття, натяжні підкоси розміщуються в модулях кадру, а потім метод Mai Skelett використовується навколо стійок для інтеграції їх з частинами рами". Метод масового виробництва, що призводить до структури, яка потім використовується як оправка або ядро для обгортання композитної оболонки для зберігання.
Tum спроектував рамку резервуара як кубічна «подушка» з твердими сторонами, закругленими куточками та шестикутною картиною на вершині і внизу, через які краватки можна вставити та прикріпити. Дірки для цих стелажів також були 3D -надруковані. "Для нашого початкового експериментального резервуара ми 3D надруковані шестикутними секціями рамки з використанням полілакінової кислоти [PLA, термопластична на основі біо-на основі], оскільки це було легко і дешево",-сказав Глейс.
Команда придбала 68 пультрудених вуглецевих волокна поліаміду 6 (PA6) від вуглецю SGL (Meitingen, Німеччина) для використання в якості зв'язків. «Щоб перевірити концепцію, ми не робили жодного ліплення, - каже Глейс, - але просто вставили розпірки в 3D -друковану кадру з ядром стільника і склеїли їх епоксидним клеєм. Потім це забезпечує оправку для намотування танка ». Вона зазначає, що хоча ці стрижні відносно легко вітати, є деякі суттєві проблеми, які будуть описані пізніше.
"На першому етапі наша мета полягала в тому, щоб продемонструвати необхідність дизайну та визначити проблеми у виробничій концепції", - пояснила Глейс. «Таким чином, натяжні підкоси виступають із зовнішньої поверхні скелетної структури, і ми прикріплюємо вуглецеві волокна до цього ядра, використовуючи намотування мокрої нитки. Після цього, на третьому кроці, ми згинаємо голову кожного стрижня краватки. Термопластична, тому ми просто використовуємо тепло, щоб переробити голову, щоб вона перекинулася і замикалася в перший шар обгортання. Потім ми знову загортаємо структуру, щоб головка плоскої тяги була геометрично укладена всередині резервуара. Ламінат на стінах.
Розпірна шапка для намотування. Tum використовує пластикові ковпачки на кінцях натяжних стрижнів, щоб запобігти заплутанню волокна під час нитки нитки. Кредит на зображення: Технічний університет Мюнхена LCC.
Глейс повторив, що цей перший танк є доказом концепції. «Використання 3D -друку та клею було лише для початкового тестування і дало нам уявлення про кілька проблем, з якими ми стикалися. Наприклад, під час обмотки нитки були спіймані кінцями натяжних стрижнів, викликаючи поломку волокна, пошкодження волокна та зменшуючи кількість клітковини для протидії цьому. Ми використовували кілька пластикових ковпачків як виробничих посібників, які були розміщені на полюсах перед першим кроком обмотки. Потім, коли були зроблені внутрішні ламінати, ми зняли ці захисні ковпачки і переробляли кінці полюсів перед остаточним обгортанням ».
Команда експериментувала з різними сценаріями реконструкції. "Ті, хто оглядає роботу найкраще", - каже Грейс. «Також під час фази прототипування ми використовували модифікований інструмент зварювання для нанесення тепла та переробки кінчиків краватки. У концепції масового виробництва у вас був би один більший інструмент, який може формувати та формувати всі кінці підкосів у внутрішній кінцевий ламінат. . ”
Головні голови переробляли. Тум експериментував з різними поняттями та модифікував зварні шви, щоб вирівняти кінці композитних зв'язків для кріплення до ламінату стінки резервуара. Кредит на зображення: «Розробка виробничого процесу для кубічних суден тиску з дужкою», Технічний університет Мюнхена, Проект Polymers4Hydrogen, ECCM20, червень 2022 року.
Таким чином, ламінат вилікується після першого кроку обмотки, стовпи переробляються, Tum завершує другу обмотку нитки, а потім ламінат зовнішньої стінки танка вилікується вдруге. Зверніть увагу, що це дизайн резервуара типу 5, а це означає, що він не має пластикового вкладиша як газового бар'єру. Дивіться обговорення в розділі наступних кроків нижче.
"Ми розрізали першу демонстрацію на перерізи та відобразили з'єднану зону", - сказав Глейс. "Крупним планом показано, що у нас були якісні проблеми з ламінатом, причому опори не лежать на внутрішній ламінат".
Розв’язання проблем з прогалинами між ламінатом внутрішніх і зовнішніх стінок резервуара. Модифікована головка стрижня створює проміжок між першим і другим поворотами експериментального резервуара. Кредит на зображення: Технічний університет Мюнхена LCC.
Цей початковий танк 450 x 290 x 80 мм був завершений минулого літа. "Ми з тих пір досягли великого прогресу, але все ще маємо розрив між внутрішнім та зовнішнім ламінатом", - сказав Глейс. «Тож ми намагалися заповнити ці прогалини чистою, високою в'язкістю смоли. Це фактично покращує зв'язок між шпильками та ламінатом, що значно збільшує механічне напруження ».
Команда продовжувала розробляти конструкцію та процес танків, включаючи рішення для потрібної схеми обмотки. "Сторони тестового резервуара не були повністю згорнуті, оскільки ця геометрія була складно створити звивистий шлях", - пояснив Глейс. «Наш початковий кут обмотки становив 75 °, але ми знали, що для задоволення навантаження в цьому судні тиску ми знали, що потрібно кілька ланцюгів. Ми все ще шукаємо рішення цієї проблеми, але це непросто з програмним забезпеченням, яке зараз на ринку. Це може стати наступним проектом.
«Ми продемонстрували доцільність цієї концепції виробництва, - каже Глійс, - але нам потрібно працювати над тим, щоб покращити зв’язок між ламінатом і переробити стрижні краватки. «Зовнішнє тестування на тестувальній машині. Ви витягуєте розпірки з ламінату і перевіряєте механічні навантаження, які можуть витримати ці стики ».
Ця частина проекту Polymers4Hydrogen буде завершена наприкінці 2023 року, до цього часу Глейс сподівається завершити другий демонстраційний танк. Цікаво, що сьогодні конструкції використовують акуратні армовані термопластики в рамці та композити термореактів у стінках резервуара. Чи буде застосовуватися цей гібридний підхід у заключному демонстраційному танку? - Так, - сказала Грейс. "Наші партнери в проекті Polymers4Hydrogen розробляють епоксидні смоли та інші композитні матричні матеріали з кращими властивостями водневого бар'єру". Вона перераховує двох партнерів, які працюють над цією роботою, PCCL та Університет Тампера (Тампер, Фінляндія).
Глейс та її команда також обмінялися інформацією та обговорили ідеї з Джегером щодо другого проекту Hydden від конформного композитного танка LCC.
"Ми будемо виробляти конформний композитний посудину тиску для дослідницьких безпілотників", - говорить Джегер. «Це співпраця між двома кафедрами аерокосмічного та геодезичного відділу TUM - LCC та Департаментом технології вертольотів (HT). Проект буде завершений до кінця 2024 року, і ми зараз завершуємо судно тиску. Дизайн, який є більш аерокосмічним та автомобільним підходом. Після цього початкового етапу концепції наступним кроком є виконання детального структурного моделювання та прогнозування бар'єрних показників структури стін »."
"Вся ідея полягає в тому, щоб розробити дослідницький безпілотник із гібридною системою паливного елемента та акумуляторами", - продовжив він. Він використовуватиме акумулятор під час великих потужностей (тобто зльоту та посадки), а потім перемикається на паливну комірку під час круїзного навантаження. "Команда HT вже мала дослідницький безпілотник і переробляла силовий агрегат, щоб використовувати як акумулятори, так і паливні елементи", - сказав Йегер. "Вони також придбали резервуар CGH2 для перевірки цієї передачі".
"Моїй команді було доручено створити прототип резервуара під тиском, який би підходив, але не через проблеми упаковки, які створив би циліндричний танк", - пояснює він. «Лесерливий резервуар не пропонує стільки стійкості до вітру. Отже, ви отримуєте кращі показники польоту ». Розміри танка прибл. 830 x 350 x 173 мм.
Повністю термопластичний резервуар, сумісний з AFP. Для проекту Hydden команда LCC в TUM спочатку дослідила аналогічний підхід до того, що використовується Glace (вище), але потім перейшла до підходу, використовуючи комбінацію декількох структурних модулів, які потім були використані за допомогою AFP (нижче). Кредит на зображення: Технічний університет Мюнхена LCC.
«Одна ідея схожа на підхід Елізабет [Глейс], - каже Ягер, - застосовувати підтяжки напруги до стіни судна, щоб компенсувати сили високого згинання. Однак замість використання процесу намотування для виготовлення резервуара ми використовуємо AFP. Тому ми думали про створення окремого розділу посудини тиску, в якому стелажі вже інтегровані. Цей підхід дозволив мені поєднати кілька цих інтегрованих модулів, а потім застосувати кінцеву кришку, щоб запечатати все перед остаточним обмоткою AFP ».
«Ми намагаємось доопрацювати таку концепцію, - продовжив він, - а також почнемо випробовувати вибір матеріалів, що дуже важливо для забезпечення необхідної стійкості до проникнення газу H2. Для цього ми в основному використовуємо термопластичні матеріали та працюємо над різними, як матеріал вплине на цю поведінку проникнення та обробку в машині AFP. Важливо зрозуміти, чи буде лікування ефект і чи потрібно якась післяобробка. Ми також хочемо знати, чи різні стека впливатимуть на проникнення водню через посудину тиску ».
Танк буде повністю виготовлений з термопластичних, а смужки будуть постачатися Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Німеччина). "Ми будемо використовувати їх PPS [поліфенілен сульфід], Peek [Polyeth Ketone] та LM PAEK [низько плавлення поліарелового кетону]", - сказав Ягер. "Потім порівняння зроблені, щоб побачити, який з них найкраще для захисту проникнення та створення деталей з кращими показниками". Він сподівається завершити тестування, структурне моделювання та перші демонстрації протягом наступного року.
Дослідницька робота була проведена в модулі комети «Polymers4Hydrogen» (ID 21647053) в рамках програми комети Федерального міністерства змін клімату, навколишнього середовища, енергії, мобільності, інновацій та технологій та Федерального міністерства цифрових технологій та економіки. . Автори дякують Центру компетенції партнерів -партнерів Leoben GmbH (PCCL, Австрія), Montanuniversitaet Leoben (факультет полімерної інженерії та науки, кафедра хімічних полімерних матеріалів, кафедра матеріалів та тестування полімерів), Університет Тампера (факультет інженерних матеріалів). ) Наука), Peak Technology та Faurecia сприяли цій дослідницькій роботі. Comet-Modul фінансується урядом Австрії та урядом штату Стрірія.
Попередньо зареєстровані аркуші для навантажувальних конструкцій містять безперервні волокна-не тільки зі скла, але і від вуглецю та араміди.
Існує багато способів зробити складені частини. Тому вибір методу певної частини залежатиме від матеріалу, конструкції деталі та кінцевого використання або застосування. Ось посібник з вибору.
Композити Shocker та R&M International розробляють перероблений ланцюг поставок вуглецевого волокна, який забезпечує нульову забій, меншу вартість, ніж незаймані волокна, і врешті -решт пропонують довжини, які підходять до безперервного волокна в структурних властивостях.
Час посади: 15-2023 рр.