جامعة ميونيخ التقنية تطور خزانات مكعبة مطابقة باستخدام مركبات ألياف الكربون لزيادة تخزين الهيدروجين | عالم المركبات

تستخدم الخزانات القياسية ذات المنصة المسطحة للسيارات الكهربائية التي تعمل بالبطاريات والسيارات الكهربائية التي تعمل بخلايا الوقود مركبات بلاستيكية حرارية وصلبة مع هيكل عظمي يوفر تخزينًا أكبر للهيدروجين بنسبة 25%. #الهيدروجين #الاتجاهات
بعد أن أثبت التعاون مع شركة BMW أن الخزان المكعب يمكن أن يحقق كفاءة حجمية أعلى من الأسطوانات الصغيرة المتعددة، شرعت الجامعة التقنية في ميونيخ في مشروع لتطوير هيكل مركب وعملية تصنيع قابلة للتطوير للإنتاج التسلسلي. حقوق الصورة: جامعة دريسدن التقنية (أعلى) يسار، قسم المركبات الكربونية في الجامعة التقنية في ميونيخ.
تُوفر المركبات الكهربائية العاملة بخلايا الوقود (FCEVs) التي تعمل بالهيدروجين عديم الانبعاثات (H2) وسائل إضافية لتحقيق الأهداف البيئية الصفرية. يمكن ملء سيارة ركاب تعمل بخلايا الوقود بمحرك H2 في غضون 5-7 دقائق، ويصل مداها إلى 500 كيلومتر، إلا أنها أغلى ثمناً حالياً بسبب انخفاض حجم الإنتاج. تتمثل إحدى طرق خفض التكاليف في استخدام منصة قياسية لطرازات المركبات الكهربائية العاملة بخلايا الوقود (BEV) والمركبات الكهربائية العاملة بخلايا الوقود (FCEVs). هذا غير ممكن حالياً لأن الخزانات الأسطوانية من النوع 4 المستخدمة لتخزين غاز H2 المضغوط (CGH2) عند ضغط 700 بار في المركبات الكهربائية العاملة بخلايا الوقود (FCEVs) غير مناسبة لحجرات البطاريات أسفل هيكل السيارة المصممة بعناية للسيارات الكهربائية. ومع ذلك، يمكن وضع أوعية ضغط على شكل وسائد ومكعبات في مساحة التعبئة المسطحة هذه.
براءة اختراع US5577630A لـ "وعاء الضغط المطابق المركب"، طلب تقدمت به شركة Thiokol Corp. في عام 1995 (يسار) ووعاء الضغط المستطيل الحاصل على براءة اختراع من شركة BMW في عام 2009 (يمين).
يشارك قسم مركبات الكربون (LCC) في الجامعة التقنية بميونيخ (TUM، ميونيخ، ألمانيا) في مشروعين لتطوير هذا المفهوم. الأول هو Polymers4Hydrogen (P4H)، بقيادة مركز ليوبن لكفاءة البوليمرات (PCCL، ليوبن، النمسا). وتقود الزميلة إليزابيث جلاس حزمة عمل LCC.
المشروع الثاني هو بيئة تطوير وعرض الهيدروجين (HyDDen)، بقيادة الباحث كريستيان جايجر من مركز LCC. يهدف المشروعان إلى عرضٍ شامل لعملية تصنيع خزان CGH2 مناسب باستخدام مركبات ألياف الكربون.
كفاءة حجمية محدودة عند تركيب أسطوانات صغيرة القطر في خلايا بطاريات مسطحة (يسار) وأوعية ضغط مكعبة من النوع 2 مصنوعة من بطانات فولاذية وغطاء خارجي مركب من ألياف الكربون والإيبوكسي (يمين). مصدر الصورة: الشكلان 3 و6 مأخوذان من دراسة "نهج التصميم العددي لأوعية صندوق الضغط من النوع 2 ذات أرجل شد داخلية" لروف وزاريمبا وآخرون.
صنعت شركة P4H خزانًا مكعبًا تجريبيًا بإطار من البلاستيك الحراري مع أحزمة/دعامات شد مركبة مغلفة بإيبوكسي مقوى بألياف الكربون. ستستخدم شركة HyDDen تصميمًا مشابهًا، ولكنها ستستخدم تقنية الرص الآلي للألياف (AFP) لتصنيع جميع خزانات البلاستيك الحراري المركبة.
من طلب براءة اختراع قدمته شركة Thiokol Corp. لـ "وعاء الضغط المطابق المركب" في عام 1995 إلى براءة الاختراع الألمانية DE19749950C2 في عام 1997، يمكن لأوعية الغاز المضغوط "أن يكون لها أي تكوين هندسي"، ولكن بشكل خاص الأشكال المسطحة وغير المنتظمة، في تجويف متصل بدعامة الغلاف. يتم استخدام العناصر بحيث يمكنها تحمل قوة تمدد الغاز.
وصفت ورقة بحثية نُشرت عام ٢٠٠٦ في مختبر لورانس ليفرمور الوطني (LLNL) ثلاثة أساليب: وعاء ضغط مطابق ملفوف بخيط، ووعاء ضغط شبكي دقيق يحتوي على بنية شبكية داخلية معينة الشكل (خلايا صغيرة قطرها ٢ سم أو أقل)، محاط بحاوية رقيقة الجدار من الهيدروجين، ووعاء مُكرر يتكون من بنية داخلية تتكون من أجزاء صغيرة مُلصقة (مثل حلقات بلاستيكية سداسية الشكل) وطبقة خارجية رقيقة. تُعدّ الحاويات المُكررة الأنسب للحاويات الأكبر حجمًا حيث يصعب تطبيق الطرق التقليدية.
براءة الاختراع DE102009057170A التي قدمتها فولكس فاجن عام 2009 تصف وعاء ضغط مُثبّتًا على مركبة، يُوفّر كفاءة عالية في الوزن مع تحسين استغلال المساحة. تستخدم الخزانات المستطيلة موصلات شد بين جدارين مستطيلين متقابلين، وزواياها مستديرة.
استشهدت غليس بالمفاهيم المذكورة أعلاه ومفاهيم أخرى في ورقة بحثية بعنوان "تطوير عمليات أوعية الضغط المكعبة المزودة بقضبان تمدد" أعدتها غليس وآخرون في مؤتمر ECCM20 (26-30 يونيو 2022، لوزان، سويسرا). في هذه المقالة، تستشهد بدراسة أجرتها جامعة ميونخ التقنية (TUM) ونشرها مايكل روف وسفين زاريمبا، والتي وجدت أن وعاء الضغط المكعب المزود بدعامات شد تربط الجوانب المستطيلة أكثر كفاءة من عدة أسطوانات صغيرة تتسع في مساحة بطارية مسطحة، مما يوفر مساحة تخزين أكبر بنسبة 25% تقريبًا.
وفقًا لجليس، تكمن مشكلة تركيب عدد كبير من الأسطوانات الصغيرة من النوع 4 في حاوية مسطحة في أن "الحجم بين الأسطوانات ينخفض ​​بشكل كبير، كما أن النظام يتمتع بسطح نفاذ كبير جدًا لغاز الهيدروجين. إجمالًا، يوفر النظام سعة تخزين أقل من الجرار المكعبة".
ومع ذلك، هناك مشاكل أخرى في التصميم المكعب للخزان. قال غليس: "من الواضح أنه بسبب الغاز المضغوط، يجب مواجهة قوى الانحناء على الجدران المسطحة. ولهذا، نحتاج إلى هيكل معزز يتصل داخليًا بجدران الخزان. ولكن يصعب تحقيق ذلك باستخدام المواد المركبة".
حاولت جلاس وفريقها دمج قضبان شد مُقوّاة في وعاء الضغط بطريقة تُناسب عملية لفّ الخيوط. وتُوضّح قائلةً: "هذا مهمٌّ للإنتاج بكميات كبيرة، كما يُتيح لنا تصميم نمط لفّ جدران الحاوية لتحسين توجيه الألياف لكل حمل في المنطقة".
أربع خطوات لصنع خزان مكعب مركب تجريبي لمشروع P4H. حقوق الصورة: "تطوير عملية إنتاج أوعية ضغط مكعبة مزودة بدعامة"، الجامعة التقنية في ميونيخ، مشروع Polymers4Hydrogen، ECCM20، يونيو 2022.
لتحقيق ذلك، طوّر الفريق مفهومًا جديدًا يتكون من أربع خطوات رئيسية، كما هو موضح أعلاه. دعامات الشد، الموضحة باللون الأسود على الدرجات، هي هيكل إطار مُصنّع مسبقًا باستخدام أساليب مستمدة من مشروع MAI Skelett. لهذا المشروع، طوّرت BMW إطارًا للزجاج الأمامي باستخدام أربعة قضبان سحب مُقوّاة بالألياف، ثم صُبّت في إطار بلاستيكي.
إطار خزان مكعب تجريبي. مقاطع هيكلية سداسية مطبوعة بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد بواسطة جامعة ميونخ التقنية باستخدام خيوط PLA غير معززة (أعلى)، مع إدخال قضبان سحب CF/PA6 كدعامات شد (وسط)، ثم لفّ الخيوط حول الدعامات (أسفل). حقوق الصورة: مركز ميونخ التقني.
قال جلاس: "الفكرة هي إمكانية بناء هيكل خزان مكعب كهيكل معياري. تُوضع هذه الوحدات بعد ذلك في أداة تشكيل، وتُوضع دعامات الشد في وحدات الإطار، ثم تُستخدم طريقة MAI Skelett حول الدعامات لدمجها مع أجزاء الإطار". وتُستخدم هذه الطريقة في الإنتاج الضخم، مما ينتج عنه هيكل يُستخدم بعد ذلك كدعامة أو نواة لتغليف غلاف خزان التخزين المركب.
صممت جامعة ميونخ التقنية هيكل الخزان على شكل "وسادة" مكعبة ذات جوانب صلبة وزوايا مستديرة ونمط سداسي في الأعلى والأسفل، يُمكن من خلاله إدخال وربط الأربطة. كما طُبعت ثقوب هذه الرفوف بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد. قال جلاس: "في خزاننا التجريبي الأول، قمنا بطباعة مقاطع إطار سداسية ثلاثية الأبعاد باستخدام حمض البولي لاكتيك [PLA، وهو بلاستيك حراري حيوي] لسهولة استخدامه ورخص ثمنه".
اشترى الفريق 68 قضيبًا من البولي أميد 6 (PA6) المقوى بألياف الكربون المسحوبة من شركة SGL Carbon (ميتينجن، ألمانيا) لاستخدامها كأربطة. تقول غليس: "لاختبار الفكرة، لم نقم بأي قولبة، بل أدخلنا فواصل في إطار قرص العسل مطبوع بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد، ثم لصقناها بغراء إيبوكسي. يوفر هذا دعامة للفّ الخزان". وتشير إلى أنه على الرغم من سهولة لفّ هذه القضبان نسبيًا، إلا أن هناك بعض المشاكل المهمة التي سيتم شرحها لاحقًا.
أوضح غليس قائلاً: "في المرحلة الأولى، كان هدفنا إثبات قابلية تصنيع التصميم وتحديد المشاكل في مفهوم الإنتاج. لذا، تبرز دعامات الشد من السطح الخارجي للهيكل العظمي، ونربط ألياف الكربون بهذا اللب باستخدام لفّ خيوط رطبة. بعد ذلك، في الخطوة الثالثة، نثني رأس كل قضيب ربط. بلاستيك حراري، لذا نستخدم الحرارة لإعادة تشكيل الرأس بحيث يتسطح ويثبت في الطبقة الأولى من الغلاف. ثم نعيد لف الهيكل بحيث يُحاط رأس الدفع المسطح هندسيًا داخل الخزان. صفائح على الجدران."
غطاء فاصل لللف. تستخدم جامعة ميونخ التقنية أغطية بلاستيكية على أطراف قضبان الشد لمنع تشابك الألياف أثناء لف الخيوط. حقوق الصورة: جامعة ميونخ التقنية (LCC).
أكد جلاس أن هذا الخزان الأول كان بمثابة دليل على نجاحه. "كان استخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد والغراء للاختبار الأولي فقط، وقد أعطانا فكرة عن بعض المشاكل التي واجهناها. على سبيل المثال، أثناء اللف، كانت الخيوط تعلق بنهايات قضبان الشد، مما تسبب في كسر الألياف وتلفها، مما أدى إلى تقليل كمية الألياف المستخدمة. استخدمنا بعض الأغطية البلاستيكية كمساعدات تصنيعية، ووُضعت على الأعمدة قبل خطوة اللف الأولى. بعد ذلك، عند الانتهاء من تصنيع الصفائح الداخلية، أزلنا هذه الأغطية الواقية وأعدنا تشكيل نهايات الأعمدة قبل التغليف النهائي."
أجرى الفريق تجارب على سيناريوهات إعادة بناء مختلفة. تقول غريس: "من يتأمل جيدًا يعمل بشكل أفضل". وتضيف: "خلال مرحلة النموذج الأولي، استخدمنا أداة لحام معدلة لتطبيق الحرارة وإعادة تشكيل أطراف قضبان الربط. أما في مفهوم الإنتاج الضخم، فسيكون لديك أداة أكبر حجمًا تُمكّنك من تشكيل جميع أطراف الدعامات وتحويلها إلى طبقة داخلية من الصفائح في آن واحد".
أُعيد تشكيل رؤوس قضبان السحب. أجرت جامعة ميونيخ التقنية (TUM) تجارب على مفاهيم مختلفة، وعدّلت اللحامات لمحاذاة أطراف الروابط المركبة لتثبيتها على صفائح جدار الخزان. حقوق الصورة: "تطوير عملية إنتاج لأوعية ضغط مكعبة مزودة بدعامة"، جامعة ميونيخ التقنية، مشروع بوليمرات للهيدروجين، ECCM20، يونيو 2022.
بهذه الطريقة، تُعالَج الطبقة الرقيقة بعد خطوة اللف الأولى، وتُعاد تشكيل الأعمدة، ويُكمل جهاز TUM اللف الثاني للخيوط، ثم تُعالَج الطبقة الرقيقة لجدار الخزان الخارجي مرة أخرى. يُرجى ملاحظة أن هذا التصميم خزان من النوع 5، أي أنه لا يحتوي على بطانة بلاستيكية كحاجز للغاز. راجع المناقشة في قسم "الخطوات التالية" أدناه.
قال جلاس: "قمنا بتقطيع النموذج التجريبي الأول إلى مقاطع عرضية ورسمنا خريطة للمنطقة المتصلة. تُظهر الصورة المُقرّبة وجود بعض المشاكل في جودة الصفائح، حيث لم تكن رؤوس الدعامات مُستوية على الصفائح الداخلية."
حل مشاكل الفجوات بين صفائح الجدران الداخلية والخارجية للخزان. يُحدث رأس قضيب الربط المُعدّل فجوة بين اللفة الأولى والثانية للخزان التجريبي. حقوق الصورة: جامعة ميونخ التقنية (LCC).
تم الانتهاء من هذا الخزان الأولي بأبعاد 450 × 290 × 80 مم الصيف الماضي. قال جلاس: "لقد أحرزنا تقدمًا كبيرًا منذ ذلك الحين، ولكن لا تزال هناك فجوة بين الصفيحة الداخلية والخارجية. لذلك حاولنا سد هذه الفجوات براتنج نظيف وعالي اللزوجة. هذا يُحسّن الترابط بين الدعامات والصفيحة، مما يزيد الضغط الميكانيكي بشكل كبير".
واصل الفريق تطوير تصميم الخزان وعملية تصنيعه، بما في ذلك حلول لنمط اللف المطلوب. أوضح جلاس: "لم تكن جوانب خزان الاختبار ملتفة بالكامل نظرًا لصعوبة إنشاء مسار لف بهذه الهندسة. كانت زاوية اللف الأولية 75 درجة، لكننا كنا نعلم أن هناك حاجة إلى دوائر متعددة لتلبية الحمل في وعاء الضغط هذا. ما زلنا نبحث عن حل لهذه المشكلة، لكن الأمر ليس سهلاً مع البرنامج المتوفر حاليًا في السوق. قد يصبح هذا مشروعًا تابعًا".
يقول غليس: "لقد أثبتنا جدوى هذا المفهوم الإنتاجي، لكننا بحاجة إلى مزيد من العمل لتحسين الوصلة بين الصفائح وإعادة تشكيل قضبان الربط. يتم إجراء اختبار خارجي على آلة اختبار. يتم سحب الفواصل من الصفائح واختبار الأحمال الميكانيكية التي تتحملها هذه الوصلات."
سيُنجز هذا الجزء من مشروع بوليمرات للهيدروجين بنهاية عام ٢٠٢٣، ويأمل جليز أن يُنجز بحلول ذلك الوقت خزان العرض التجريبي الثاني. ومن المثير للاهتمام أن التصاميم الحالية تستخدم بلاستيكًا حراريًا مُقوّىً بدقة في الإطار، ومواد مُركّبة مُتصلدة بالحرارة في جدران الخزان. فهل سيُستخدم هذا النهج الهجين في خزان العرض التجريبي النهائي؟ أجابت جريس: "نعم. يُطوّر شركاؤنا في مشروع بوليمرات للهيدروجين راتنجات إيبوكسي ومواد مصفوفة مُركّبة أخرى ذات خصائص حاجز هيدروجين أفضل". وذكرت جريس شريكين يعملان على هذا العمل، وهما مركز PCCL وجامعة تامبيري (تامبيري، فنلندا).
كما قامت جليز وفريقها بتبادل المعلومات ومناقشة الأفكار مع جايجر بشأن مشروع HyDDen الثاني من خزان LCC المركب المطابق.
يقول جايجر: "سنُنتج وعاء ضغط مُركّبًا مطابقًا للطائرات المُسيّرة البحثية". ويضيف: "هذا تعاون بين قسمي الفضاء والجيوديسيا في جامعة ميونيخ التقنية (LCC) وقسم تكنولوجيا المروحيات. سيُكتمل المشروع بنهاية عام ٢٠٢٤، ونعمل حاليًا على استكمال وعاء الضغط. تصميمٌ يُشبه إلى حدٍ كبير تصميمَي الفضاء والسيارات. بعد هذه المرحلة التصميمية الأولية، تتمثل الخطوة التالية في إجراء نمذجة هيكلية مُفصّلة وتوقع أداء الجدار الحاجز".
وأضاف: "الفكرة الأساسية هي تطوير طائرة استكشافية بدون طيار مزودة بخلية وقود هجينة ونظام دفع بالبطارية". ستستخدم البطارية أثناء عمليات النقل عالية الطاقة (مثل الإقلاع والهبوط)، ثم تنتقل إلى خلية الوقود أثناء الطيران الخفيف. وقال ييغر: "كان لدى فريق HT طائرة بحثية بدون طيار، وأعادوا تصميم نظام الدفع ليستخدم كلاً من البطاريات وخلايا الوقود. كما اشتروا خزان وقود CGH2 لاختبار ناقل الحركة هذا".
كُلِّف فريقي ببناء نموذج أولي لخزان ضغط مناسب، ولكن ليس بسبب مشاكل التغليف التي قد يُسببها الخزان الأسطواني، كما أوضح. "الخزان الأكثر تسطحًا لا يُوفر مقاومةً كبيرةً للرياح، ما يُتيح أداءً طيرانًا أفضل." أبعاد الخزان تقريبًا 830 × 350 × 173 ملم.
خزان مصنوع بالكامل من البلاستيك الحراري ومتوافق مع تقنية AFP. لمشروع HyDDen، استكشف فريق LCC في جامعة ميونخ التقنية (TUM) في البداية نهجًا مشابهًا للنهج الذي استخدمه Glace (أعلاه)، ثم انتقل إلى نهج يعتمد على مزيج من عدة وحدات هيكلية، والتي استُخدمت بشكل مفرط باستخدام تقنية AFP (أدناه). حقوق الصورة: مركز LCC في جامعة ميونخ التقنية.
يقول ياغر: "إحدى الأفكار تُشبه نهج إليزابيث [جليس]، وهي وضع دعامات شد على جدار الوعاء لتعويض قوى الانحناء العالية. مع ذلك، بدلاً من استخدام عملية لفّ لتصنيع الخزان، نستخدم مادة AFP. لذلك، فكّرنا في إنشاء قسم منفصل من وعاء الضغط، تُدمج فيه الرفوف بالفعل. سمح لي هذا النهج بدمج العديد من هذه الوحدات المدمجة، ثم وضع غطاء طرفي لإغلاق كل شيء قبل لفّ مادة AFP النهائية."
نسعى لوضع اللمسات الأخيرة على هذا المفهوم،" تابع، "ونبدأ أيضًا باختبار اختيار المواد، وهو أمر بالغ الأهمية لضمان المقاومة اللازمة لنفاذ غاز الهيدروجين. ولهذا الغرض، نستخدم بشكل رئيسي مواد بلاستيكية حرارية، ونعمل على دراسة كيفية تأثير هذه المواد على سلوك النفاذية والمعالجة في جهاز AFP. من المهم فهم ما إذا كانت المعالجة ستؤثر، وما إذا كانت هناك حاجة لأي معالجة لاحقة. كما نريد معرفة ما إذا كانت الأكوام المختلفة ستؤثر على نفاذية الهيدروجين عبر وعاء الضغط."
سيُصنع الخزان بالكامل من البلاستيك الحراري، وستُورّد شركة Teijin Carbon Europe GmbH (فوبرتال، ألمانيا) الشرائط. وصرح ياجر قائلاً: "سنستخدم موادهم PPS (كبريتيد البوليفينيلين)، وPEEK (كيتون البولي إيثر)، وLM PAEK (كيتون البولي أريل منخفض الانصهار). ثم تُجرى مقارنات لتحديد أيها الأفضل لحماية الاختراق وإنتاج أجزاء ذات أداء أفضل". ويأمل ياجر في إكمال الاختبارات والنمذجة الهيكلية والعملية والعروض التوضيحية الأولى خلال العام المقبل.
أُجري البحث ضمن وحدة "بوليمرات من أجل الهيدروجين" (رقم التعريف: 21647053) التابعة لبرنامج "كوميت" التابع للوزارة الاتحادية لتغير المناخ والبيئة والطاقة والتنقل والابتكار والتكنولوجيا، والوزارة الاتحادية للتكنولوجيا الرقمية والاقتصاد. يتقدم المؤلفون بالشكر للشركاء المشاركين: مركز كفاءة البوليمرات في ليوبن (PCCL، النمسا)، وجامعة مونتانيونيفيرسيتايت ليوبن (كلية هندسة وعلوم البوليمرات، قسم كيمياء مواد البوليمر، قسم علوم المواد واختبار البوليمرات)، وجامعة تامبيري (كلية هندسة المواد). وقد ساهمت كل من شركة بيك تكنولوجي وفورسيا في هذا البحث. يُمول برنامج "كوميت" من قِبل حكومة النمسا وحكومة ولاية ستيريا.
تحتوي الصفائح المقواة مسبقًا للهياكل الحاملة للأحمال على ألياف مستمرة - ليس فقط من الزجاج، ولكن أيضًا من الكربون والأراميد.
هناك طرق عديدة لصنع الأجزاء المركبة. لذلك، يعتمد اختيار الطريقة المناسبة لكل قطعة على المادة، وتصميمها، والاستخدام النهائي أو التطبيق. إليك دليل الاختيار.
تعمل شركة Shocker Composites وR&M International على تطوير سلسلة توريد ألياف الكربون المعاد تدويرها والتي توفر عدم الذبح، وتكلفة أقل من الألياف الخام، وسوف تقدم في نهاية المطاف أطوالًا تقترب من الألياف المستمرة في الخصائص الهيكلية.