Các bể chứa nền tảng phẳng tiêu chuẩn cho BEV và FCEV sử dụng vật liệu tổng hợp nhiệt dẻo và nhiệt với cấu trúc bộ xương cung cấp lưu trữ H2 hơn 25%. #hydrogen #trends
Sau khi hợp tác với BMW cho thấy một bình khối có thể mang lại hiệu quả thể tích cao hơn nhiều xi lanh nhỏ, Đại học Kỹ thuật Munich bắt tay vào một dự án để phát triển cấu trúc tổng hợp và quy trình sản xuất có thể mở rộng để sản xuất nối tiếp. Tín dụng hình ảnh: TU Dresden (hàng đầu) trái), Đại học Kỹ thuật Munich, Khoa Tổng hợp Carbon (LCC)
Xe điện pin nhiên liệu (FCEV) được cung cấp bởi hydro không phát thải (H2) cung cấp các phương tiện bổ sung để đạt được các mục tiêu môi trường bằng không. Một chiếc xe chở khách bằng pin nhiên liệu có động cơ H2 có thể được lấp đầy trong 5-7 phút và có phạm vi 500 km, nhưng hiện đang đắt hơn do khối lượng sản xuất thấp. Một cách để giảm chi phí là sử dụng một nền tảng tiêu chuẩn cho các mô hình BEV và FCEV. Điều này hiện không thể vì các bể hình trụ Type 4 được sử dụng để lưu trữ khí H2 được nén (CGH2) ở 700 bar trong FCEV không phù hợp với các ngăn chứa pin Underbody được thiết kế cẩn thận cho xe điện. Tuy nhiên, các tàu áp lực ở dạng gối và khối có thể phù hợp với không gian đóng gói phẳng này.
Bằng sáng chế US5577630A cho tàu áp suất phù hợp composite, ứng dụng được nộp bởi Thiokol Corp năm 1995 (trái) và tàu áp lực hình chữ nhật được BMW cấp bằng sáng chế vào năm 2009 (phải).
Khoa Vật liệu tổng hợp Carbon (LCC) của Đại học Kỹ thuật Munich (Tum, Munich, Đức) tham gia vào hai dự án để phát triển khái niệm này. Đầu tiên là polyme4hydrogen (P4H), được dẫn dắt bởi Trung tâm năng lực Polymer Leoben (PCCL, Leoben, Áo). Gói công việc LCC được dẫn dắt bởi Elizabeth Glace.
Dự án thứ hai là môi trường phát triển và trình diễn hydro (Hydden), nơi LCC được dẫn dắt bởi nhà nghiên cứu Christian Jaeger. Cả hai nhằm mục đích tạo ra một cuộc biểu tình quy mô lớn của quy trình sản xuất để tạo ra một bể CGH2 phù hợp bằng vật liệu tổng hợp sợi carbon.
Có hiệu suất thể tích hạn chế khi các xi lanh đường kính nhỏ được lắp đặt trong các tế bào pin phẳng (bên trái) và các bình áp suất loại 2 làm bằng ống thép và vỏ ngoài composite sợi carbon/epoxy (phải). Nguồn hình ảnh: Hình 3 và 6 là từ cách tiếp cận thiết kế số cho tàu áp suất loại II với chân căng bên trong của RUF và Zaremba et al.
P4H đã chế tạo một bình khối thử nghiệm sử dụng khung nhiệt dẻo với dây đai/thanh chống căng thẳng tổng hợp được bọc trong epoxy cốt sợi carbon. Hydden sẽ sử dụng một thiết kế tương tự, nhưng sẽ sử dụng layup sợi tự động (AFP) để sản xuất tất cả các bể tổng hợp nhựa nhiệt dẻo.
Từ một ứng dụng bằng sáng chế của Thiokol Corp đến tàu áp lực phù hợp tổng hợp vào năm 1995 đến bằng sáng chế của Đức DE19749950C2 vào năm 1997, các bình khí nén có thể có bất kỳ cấu hình hình học nào, nhưng đặc biệt là các hình dạng phẳng và không đều, trong một sự hỗ trợ của vỏ. Các yếu tố được sử dụng để chúng có thể chịu được lực mở rộng khí.
Một bài báo của Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore (LLNL) năm 2006 mô tả ba cách tiếp cận: một mạch áp suất phù hợp với vết thương, một mạch áp suất microlattice chứa một cấu trúc mạng nhỏ (tế bào nhỏ vòng) và một thành phần của da vỏ ngoài mỏng. Các thùng chứa trùng lặp phù hợp nhất cho các thùng chứa lớn hơn, nơi các phương pháp truyền thống có thể khó áp dụng.
Bằng sáng chế DE102009057170A do Volkswagen nộp vào năm 2009 mô tả một tàu áp lực gắn trên xe sẽ cung cấp hiệu quả trọng lượng cao trong khi cải thiện việc sử dụng không gian. Xe tăng hình chữ nhật sử dụng các đầu nối căng thẳng giữa hai bức tường đối diện hình chữ nhật và các góc được làm tròn.
Các khái niệm trên và các khái niệm khác được trích dẫn bởi Gleiss trong quá trình phát triển quy trình của bài báo cho các tàu áp suất khối với các thanh kéo dài của Gleiss et al. tại ECCM20 (26-30 tháng 6 năm 2022, Lausanne, Thụy Sĩ). Trong bài viết này, cô trích dẫn một nghiên cứu TUM được công bố bởi Michael Mái và Sven Zaremba, trong đó phát hiện ra rằng một bình áp suất khối với các thanh chống căng thẳng kết nối các cạnh hình chữ nhật hiệu quả hơn một số xi lanh nhỏ phù hợp với không gian của pin phẳng, cung cấp khoảng 25%. không gian lưu trữ.
Theo Gleiss, vấn đề với việc lắp đặt một số lượng lớn các xi lanh loại 4 nhỏ trong trường hợp phẳng là khối lượng giữa các xi lanh bị giảm đáng kể và hệ thống cũng có bề mặt thẩm thấu khí H2 rất lớn. Nhìn chung, hệ thống cung cấp ít dung lượng lưu trữ hơn lọ khối.
Tuy nhiên, có những vấn đề khác với thiết kế khối của xe tăng. Rõ ràng, vì khí nén, bạn cần phải chống lại các lực uốn trên các bức tường phẳng, theo ông Gle Gleiss. Đối với điều này, bạn cần một cấu trúc gia cố kết nối bên trong các bức tường của xe tăng. Nhưng điều đó thật khó để làm với vật liệu tổng hợp.
Glace và nhóm của cô đã cố gắng kết hợp các thanh căng thẳng gia cố vào bình áp lực theo cách phù hợp cho quá trình cuộn dây sợi. Điều này rất quan trọng đối với sản xuất khối lượng lớn, cô ấy giải thích, và cũng cho phép chúng tôi thiết kế mô hình cuộn dây của các bức tường container để tối ưu hóa định hướng sợi cho mỗi tải trong khu vực.
Bốn bước để làm một bể tổng hợp khối thử nghiệm cho dự án P4H. Tín dụng hình ảnh: Phát triển quy trình sản xuất cho các tàu áp suất khối với Brace, Đại học Kỹ thuật Munich, Dự án Polymers4hydrogen, ECCM20, tháng 6 năm 2022.
Để đạt được trên chuỗi, nhóm đã phát triển một khái niệm mới bao gồm bốn bước chính, như được hiển thị ở trên. Các thanh chống căng thẳng, được hiển thị bằng màu đen trên các bước, là một cấu trúc khung được đúc sẵn được chế tạo bằng các phương pháp được lấy từ dự án Mai Skelett. Đối với dự án này, BMW đã phát triển một khung kính chắn gió Khung Khung, sử dụng bốn thanh pultrusion được gia cố sợi, sau đó được đúc thành khung nhựa.
Khung của một bể thử nghiệm. Phần xương hình lục giác 3D được in bởi TUM bằng cách sử dụng dây tóc PLA không được buộc (trên cùng), chèn các thanh xung CF/PA6 làm niềng răng căng (giữa) và sau đó quấn dây tóc quanh niềng răng (dưới cùng). Tín dụng hình ảnh: Đại học Kỹ thuật Munich LCC.
Ý tưởng là bạn có thể xây dựng khung của một chiếc xe tăng khối như một cấu trúc mô -đun, theo ông Gl Glace. Các mô -đun này sau đó được đặt trong một công cụ đúc, các thanh chống căng được đặt trong các mô -đun khung và sau đó phương pháp của Mai Skelett được sử dụng xung quanh các thanh chống để tích hợp chúng với các phần khung. Phương pháp sản xuất hàng loạt, dẫn đến một cấu trúc sau đó được sử dụng làm trục gá hoặc lõi để bọc vỏ hỗn hợp bể chứa.
TUM đã thiết kế khung bể như một lớp đệm hình khối với các mặt rắn, các góc tròn và một mô hình lục giác ở trên và dưới qua đó có thể được chèn và gắn vào các mối quan hệ. Các lỗ cho các giá đỡ này cũng được in 3D. Đối với bể thử nghiệm ban đầu của chúng tôi, chúng tôi đã in các phần khung hình lục giác bằng cách sử dụng axit polylactic [PLA, một loại nhựa nhiệt dẻo dựa trên sinh học] bởi vì nó dễ dàng và rẻ tiền, theo Glace Glace.
Nhóm nghiên cứu đã mua các thanh polyamide 6 (PA6) được gia cố bằng sợi carbon pultruded từ SGL Carbon (Meitesen, Đức) để sử dụng làm mối quan hệ. Để kiểm tra khái niệm này, chúng tôi đã không thực hiện bất kỳ khuôn đúc nào Điều này sau đó cung cấp một trục gá để cuộn bể. Cô ấy lưu ý rằng mặc dù các thanh này tương đối dễ gió, nhưng có một số vấn đề quan trọng sẽ được mô tả sau.
Ở giai đoạn đầu tiên, mục tiêu của chúng tôi là chứng minh khả năng sản xuất của thiết kế và xác định các vấn đề trong khái niệm sản xuất, ông Gleiss giải thích. Vì vậy, các thanh chống căng thẳng nhô ra từ bề mặt bên ngoài của cấu trúc xương, và chúng tôi gắn các sợi carbon vào lõi này bằng cách sử dụng cuộn dây tóc ướt. Sau đó, trong bước thứ ba, chúng tôi uốn cong đầu của mỗi thanh cà vạt. Nhiệt nhựa, vì vậy chúng tôi chỉ sử dụng nhiệt để định hình lại đầu để nó vỗ và khóa vào lớp gói đầu tiên. Sau đó, chúng tôi tiến hành quấn cấu trúc một lần nữa để đầu đẩy phẳng được kín về mặt hình học trong bể. Laminate trên tường.
Nắp miếng đệm cho cuộn dây. TUM sử dụng mũ nhựa ở hai đầu của các thanh căng để ngăn các sợi bị rối trong khi cuộn dây tóc. Tín dụng hình ảnh: Đại học Kỹ thuật Munich LCC.
Glace nhắc lại rằng chiếc xe tăng đầu tiên này là một bằng chứng về khái niệm. Việc sử dụng in 3D và keo chỉ dành cho thử nghiệm ban đầu và cho chúng tôi một ý tưởng về một vài vấn đề chúng tôi gặp phải. Ví dụ, trong quá trình cuộn dây, các sợi đã bị bắt bởi các đầu của các thanh căng, gây ra gãy sợi, tổn thương sợi và giảm lượng sợi để chống lại điều này. Chúng tôi đã sử dụng một vài mũ nhựa làm công cụ hỗ trợ sản xuất được đặt trên các cực trước bước uốn lượn đầu tiên. Sau đó, khi các lớp bên trong được thực hiện, chúng tôi đã loại bỏ các mũ bảo vệ này và định hình lại các đầu của các cực trước khi gói cuối cùng.
Nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm với các kịch bản tái thiết khác nhau. Những người nhìn xung quanh làm việc tốt nhất, Grace nói Grace. Ngoài ra, trong giai đoạn tạo mẫu, chúng tôi đã sử dụng một công cụ hàn đã sửa đổi để áp dụng nhiệt và định hình lại các đầu thanh cà vạt. Trong một khái niệm sản xuất hàng loạt, bạn sẽ có một công cụ lớn hơn có thể định hình và hình thành tất cả các đầu của các thanh chống thành một lớp hoàn thiện bên trong cùng một lúc. . "
Đầu Drawbar được định hình lại. TUM đã thử nghiệm các khái niệm khác nhau và sửa đổi các mối hàn để sắp xếp các đầu của các mối quan hệ tổng hợp để gắn vào các lớp tường bể. Tín dụng hình ảnh: Phát triển quy trình sản xuất cho các tàu áp suất khối với Brace, Đại học Kỹ thuật Munich, Dự án Polymers4hydrogen, ECCM20, tháng 6 năm 2022.
Do đó, các lớp được chữa khỏi sau bước uốn lượn đầu tiên, các cột được định hình lại, TUM hoàn thành cuộn dây thứ hai của các sợi, và sau đó laminate tường bể bên ngoài được chữa khỏi lần thứ hai. Xin lưu ý rằng đây là thiết kế xe tăng loại 5, có nghĩa là nó không có lớp lót nhựa làm rào cản khí. Xem các cuộc thảo luận trong phần các bước tiếp theo bên dưới.
Chúng tôi đã cắt bản demo đầu tiên thành các mặt cắt ngang và ánh xạ khu vực được kết nối, theo Gl Glace. Một người cận cảnh cho thấy rằng chúng tôi có một số vấn đề chất lượng với lớp gỗ, với các đầu thanh chống không nằm phẳng trên lớp gỗ bên trong.
Giải quyết các vấn đề với các khoảng trống giữa các lớp của các bức tường bên trong và bên ngoài của bể. Đầu thanh buộc đã được sửa đổi tạo ra một khoảng cách giữa các vòng thứ nhất và thứ hai của bể thí nghiệm. Tín dụng hình ảnh: Đại học Kỹ thuật Munich LCC.
Xe tăng 450 x 290 x 80mm ban đầu này đã được hoàn thành vào mùa hè năm ngoái. Kể từ đó, chúng tôi đã đạt được rất nhiều tiến bộ, nhưng chúng tôi vẫn có một khoảng cách giữa nội thất và ngoại thất, ông Gl Glace nói. Vì vậy, chúng tôi đã cố gắng lấp đầy những khoảng trống đó bằng nhựa có độ nhớt sạch, sạch. Điều này thực sự cải thiện mối liên hệ giữa các đinh tán và gỗ, làm tăng đáng kể căng thẳng cơ học.
Nhóm tiếp tục phát triển thiết kế và quy trình xe tăng, bao gồm các giải pháp cho mô hình cuộn dây mong muốn. Các mặt của bể thử nghiệm không hoàn toàn cuộn tròn vì hình học này rất khó tạo ra một con đường quanh co, theo ông Gl Glace giải thích. Góc gió ban đầu của chúng tôi là 75 °, nhưng chúng tôi biết rằng cần có nhiều mạch để đáp ứng tải trọng trong bình áp suất này. Chúng tôi vẫn đang tìm kiếm một giải pháp cho vấn đề này, nhưng không dễ dàng với phần mềm hiện có trên thị trường. Nó có thể trở thành một dự án tiếp theo.
Chúng tôi đã chứng minh tính khả thi của khái niệm sản xuất này Thử nghiệm bên ngoài trên một máy thử nghiệm. Bạn rút các miếng đệm ra khỏi lớp và kiểm tra các tải trọng cơ học mà các khớp đó có thể chịu được.
Phần này của dự án polyme4hydrogen sẽ được hoàn thành vào cuối năm 2023, vào thời điểm đó, Gleis hy vọng sẽ hoàn thành bể trình diễn thứ hai. Thật thú vị, các thiết kế ngày nay sử dụng nhựa nhiệt dẻo gia cố gọn gàng trong khung và vật liệu tổng hợp nhiệt trong các bức tường bể. Cách tiếp cận lai này sẽ được sử dụng trong bể trình diễn cuối cùng? Có, có Grace Grace nói. Các đối tác của chúng tôi trong dự án polyme4hydrogen đang phát triển nhựa epoxy và các vật liệu ma trận tổng hợp khác với các đặc tính hàng rào hydro tốt hơn. Cô liệt kê hai đối tác làm việc trong công việc này, PCCL và Đại học Tampere (Tampere, Phần Lan).
Gleiss và nhóm của cô cũng trao đổi thông tin và thảo luận về ý tưởng với Jaeger về dự án Hydden thứ hai từ bể chứa tổng hợp LCC.
Chúng tôi sẽ sản xuất một tàu áp suất tổng hợp phù hợp cho máy bay không người lái nghiên cứu, theo ông Ja Jaeger. Đây là sự hợp tác giữa hai bộ phận của Sở hàng không vũ trụ và trắc địa của TUM - LCC và Bộ Công nghệ Helicopter (HT). Dự án sẽ được hoàn thành vào cuối năm 2024 và chúng tôi hiện đang hoàn thành tàu áp lực. Một thiết kế là một cách tiếp cận hàng không vũ trụ và ô tô. Sau giai đoạn khái niệm ban đầu này, bước tiếp theo là thực hiện mô hình cấu trúc chi tiết và dự đoán hiệu suất rào cản của cấu trúc tường.
Toàn bộ ý tưởng là phát triển một máy bay không người lái thăm dò với hệ thống đẩy nhiên liệu và pin hybrid, ông tiếp tục. Nó sẽ sử dụng pin trong quá trình tải điện cao (tức là cất cánh và hạ cánh) và sau đó chuyển sang pin nhiên liệu trong quá trình bay tải nhẹ. Nhóm HT đã có một máy bay không người lái nghiên cứu và thiết kế lại hệ thống truyền động để sử dụng cả pin và pin nhiên liệu, theo Yeager Yeager. Họ cũng đã mua một chiếc xe tăng CGH2 để kiểm tra hộp số này.
Nhóm của tôi được giao nhiệm vụ xây dựng một nguyên mẫu bể áp suất phù hợp, nhưng không phải vì các vấn đề đóng gói mà một bể hình trụ sẽ tạo ra, anh ấy giải thích. Một chiếc xe tăng phẳng hơn không cung cấp nhiều khả năng chống gió. Vì vậy, bạn có được hiệu suất chuyến bay tốt hơn. Kích thước bể xấp xỉ. 830 x 350 x 173 mm.
Tank tuân thủ AFP hoàn toàn AFP. Đối với dự án Hydden, nhóm LCC tại TUM ban đầu đã khám phá một cách tiếp cận tương tự như được sử dụng bởi Glace (ở trên), nhưng sau đó đã chuyển sang cách tiếp cận bằng cách sử dụng kết hợp một số mô -đun cấu trúc, sau đó được sử dụng quá mức bằng AFP (bên dưới). Tín dụng hình ảnh: Đại học Kỹ thuật Munich LCC.
Ý tưởng của One One tương tự như cách tiếp cận của Elisabeth [Gleiss] Tuy nhiên, thay vì sử dụng một quy trình cuộn dây để làm bể, chúng tôi sử dụng AFP. Do đó, chúng tôi đã nghĩ về việc tạo ra một phần riêng của tàu áp suất, trong đó các giá đỡ đã được tích hợp. Cách tiếp cận này cho phép tôi kết hợp một số trong các mô -đun tích hợp này và sau đó áp dụng nắp kết thúc để niêm phong mọi thứ trước cuộn dây AFP cuối cùng.
Chúng tôi đang cố gắng hoàn thiện một khái niệm như vậy, anh ấy tiếp tục, và cũng bắt đầu thử nghiệm việc lựa chọn vật liệu, điều này rất quan trọng để đảm bảo khả năng chống xâm nhập khí H2 cần thiết. Đối với điều này, chúng tôi chủ yếu sử dụng các vật liệu nhiệt dẻo và đang làm việc trên nhiều vật liệu sẽ ảnh hưởng đến hành vi thẩm thấu này và xử lý trong máy AFP. Điều quan trọng là phải hiểu nếu việc điều trị sẽ có ảnh hưởng và nếu có bất kỳ quá trình xử lý hậu kỳ nào là bắt buộc. Chúng tôi cũng muốn biết liệu các ngăn xếp khác nhau sẽ ảnh hưởng đến sự thẩm thấu hydro thông qua bình áp lực.
Bể sẽ được làm hoàn toàn bằng nhựa nhiệt dẻo và các dải sẽ được cung cấp bởi Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Đức). Chúng tôi sẽ sử dụng PPS [polyphenylen sulfide], PEEK [Polyether Ketone] và LM Paek [vật liệu polyaryl nóng chảy], Yager nói. Sau đó, so sánh được thực hiện để xem cái nào tốt nhất để bảo vệ thâm nhập và sản xuất các bộ phận với hiệu suất tốt hơn. Ông hy vọng sẽ hoàn thành thử nghiệm, mô hình hóa cấu trúc và quy trình và các cuộc biểu tình đầu tiên trong năm tới.
Công việc nghiên cứu được thực hiện trong mô -đun sao chổi, Polyme4hydrogen, (ID 21647053) trong chương trình Sao chổi của Bộ Liên bang về Biến đổi khí hậu, Môi trường, Năng lượng, Di động, Đổi mới và Công nghệ và Bộ Công nghệ kỹ thuật số và Kinh tế Liên bang. . Các tác giả cảm ơn các đối tác tham gia Trung tâm năng lực Polymer Leoben GMBH (PCCL, Áo), Montanuniversitaet Leoben (Khoa Kỹ thuật và Khoa học Polymer, Khoa Hóa học Vật liệu Polymer, Khoa Khoa học Vật liệu và Kiểm tra Polymer), Đại học Tampere (Khoa Vật liệu Kỹ thuật). ) Khoa học), Công nghệ cao điểm và Faurecia đã đóng góp cho công việc nghiên cứu này. Modul Comet được tài trợ bởi Chính phủ Áo và Chính phủ của Tiểu bang Styria.
Các tấm được gia cố sẵn cho các cấu trúc chịu tải chứa các sợi liên tục-không chỉ từ thủy tinh, mà còn từ carbon và aramid.
Có nhiều cách để tạo ra các phần tổng hợp. Do đó, việc lựa chọn phương pháp cho một phần cụ thể sẽ phụ thuộc vào vật liệu, thiết kế của bộ phận và sử dụng cuối cùng hoặc ứng dụng. Đây là một hướng dẫn lựa chọn.
Vật liệu tổng hợp Shocker và R & M International đang phát triển chuỗi cung ứng sợi carbon tái chế cung cấp giết mổ bằng không, chi phí thấp hơn sợi nguyên chất và cuối cùng sẽ cung cấp các độ dài tiếp cận sợi liên tục trong các đặc tính cấu trúc.
Thời gian đăng: Mar-15-2023