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

تستخدم الخزانات القياسية ذات المنصات المسطحة للمركبات التي تعمل بالبطارية و FCEV مركبات اللدائن الحرارية والمواد المركبة بالحرارة ذات الهيكل الهيكلي الذي يوفر مساحة تخزين أكبر بنسبة 25٪ من H2.# هيدروجين # اتجاهات
بعد أن أظهر التعاون مع BMW أن الخزان المكعب يمكن أن يوفر كفاءة حجمية أعلى من الأسطوانات الصغيرة المتعددة ، شرعت الجامعة التقنية في ميونيخ في مشروع لتطوير هيكل مركب وعملية تصنيع قابلة للتطوير للإنتاج التسلسلي.رصيد الصورة: TU Dresden (أعلى) على اليسار) ، جامعة ميونخ التقنية ، قسم مركبات الكربون (LCC)
توفر المركبات الكهربائية التي تعمل بخلايا الوقود (FCEVs) التي تعمل بالهيدروجين عديم الانبعاثات (H2) وسائل إضافية لتحقيق أهداف بيئية صفرية.يمكن ملء سيارة ركاب تعمل بخلايا الوقود بمحرك H2 خلال 5-7 دقائق ويبلغ مداها 500 كيلومتر ، ولكنها حاليًا أكثر تكلفة بسبب انخفاض أحجام الإنتاج.تتمثل إحدى طرق تقليل التكاليف في استخدام منصة قياسية لنماذج BEV و FCEV.هذا غير ممكن حاليًا لأن الخزانات الأسطوانية من النوع 4 المستخدمة لتخزين غاز H2 المضغوط (CGH2) عند 700 بار في FCEVs ليست مناسبة لمقصورات البطارية السفلية التي تم تصميمها بعناية للسيارات الكهربائية.ومع ذلك ، يمكن أن تتناسب أوعية الضغط على شكل وسائد ومكعبات في مساحة التعبئة المسطحة هذه.
براءة اختراع US5577630A لـ "وعاء الضغط المطابق المركب" ، الطلب المقدم من شركة Thiokol Corp. في عام 1995 (على اليسار) ووعاء الضغط المستطيل الحاصل على براءة اختراع بواسطة BMW في عام 2009 (يمين).
يشارك قسم مركبات الكربون (LCC) في جامعة ميونيخ التقنية (TUM ، ميونيخ ، ألمانيا) في مشروعين لتطوير هذا المفهوم.الأول هو Polymers4Hydrogen (P4H) ، بقيادة مركز كفاءة Leoben Polymer (PCCL ، Leoben ، النمسا).تتولى الزميلة إليزابيث جلاس قيادة حزمة العمل الخاصة بشركة LCC.
المشروع الثاني هو عرض الهيدروجين وبيئة التطوير (HyDDen) ، حيث يقود LCC الباحث كريستيان جايجر.يهدف كلاهما إلى إنشاء عرض توضيحي واسع النطاق لعملية التصنيع لصنع خزان CGH2 مناسب باستخدام مركبات ألياف الكربون.
توجد كفاءة حجمية محدودة عند تركيب أسطوانات ذات قطر صغير في خلايا بطارية مسطحة (يسار) وأوعية ضغط مكعبة من النوع 2 مصنوعة من بطانات فولاذية وقشرة خارجية مركبة من ألياف الكربون / إبوكسي (يمين).مصدر الصورة: الشكلان 3 و 6 مأخوذة من "نهج التصميم العددي لوعاء صندوق الضغط من النوع الثاني مع أرجل الشد الداخلي" بقلم روف وزاريمبا وآخرون.
قامت P4H بتصنيع خزان مكعب تجريبي يستخدم إطارًا حراريًا مع أحزمة / دعامات شد مركبة ملفوفة في إيبوكسي مقوى بألياف الكربون.سوف تستخدم HyDDen تصميمًا مشابهًا ، ولكنها ستستخدم مجموعة الألياف التلقائية (AFP) لتصنيع جميع خزانات اللدائن الحرارية المركبة.
من طلب براءة اختراع من شركة Thiokol Corp إلى "وعاء الضغط المطابق المركب" في عام 1995 إلى براءة الاختراع الألمانية DE19749950C2 في عام 1997 ، قد يكون لأوعية الغاز المضغوط "أي تكوين هندسي" ، ولكن بشكل خاص مسطح وغير منتظم ، في تجويف متصل بدعامة الغلاف .يتم استخدام العناصر حتى تتمكن من تحمل قوة تمدد الغاز.
وصفت ورقة مختبر لورانس ليفرمور الوطني (LLNL) لعام 2006 ثلاث طرق: وعاء ضغط امتثالي للجرح الخيطي ، وعاء ضغط صغير يحتوي على هيكل شبكي داخلي (خلايا صغيرة بحجم 2 سم أو أقل) ، محاطة بحاوية H2 رقيقة الجدران ، وحاوية مكررة ، تتكون من هيكل داخلي يتكون من أجزاء صغيرة ملتصقة (على سبيل المثال ، حلقات بلاستيكية سداسية) وتكوين من قشرة خارجية رقيقة.الحاويات المكررة هي الأنسب للحاويات الأكبر حجمًا حيث يصعب تطبيق الطرق التقليدية.
تصف براءة الاختراع DE102009057170A التي قدمتها فولكس فاجن في عام 2009 وعاء ضغط مُركب على السيارة والذي سيوفر كفاءة عالية في الوزن مع تحسين استخدام المساحة.تستخدم الخزانات المستطيلة موصلات شد بين جدارين متقابلين مستطيل الشكل ، وتكون الزوايا مستديرة.
تم الاستشهاد بالمفاهيم المذكورة أعلاه وغيرها من قبل Gleiss في الورقة "تطوير العملية لأوعية الضغط المكعبة ذات القضبان الممتدة" بقلم Gleiss et al.في ECCM20 (26-30 يونيو 2022 ، لوزان ، سويسرا).في هذا المقال ، تستشهد بدراسة TUM نشرها Michael Roof و Sven Zaremba ، والتي وجدت أن وعاء الضغط المكعب مع دعامات الشد التي تربط الجوانب المستطيلة يكون أكثر كفاءة من عدة أسطوانات صغيرة تتناسب مع مساحة بطارية مسطحة ، مما يوفر ما يقرب من 25 ٪ أكثر.مساحة التخزين.
وفقًا لـ Gleiss ، فإن مشكلة تركيب عدد كبير من الأسطوانات الصغيرة من النوع 4 في صندوق مسطح هي أن "الحجم بين الأسطوانات يتم تقليله بشكل كبير كما أن النظام يحتوي أيضًا على سطح نفاذي كبير جدًا لغاز H2.بشكل عام ، يوفر النظام سعة تخزين أقل من الجرار المكعبة ".
ومع ذلك ، هناك مشاكل أخرى في التصميم المكعب للخزان.قال جليس: "من الواضح ، بسبب الغاز المضغوط ، تحتاج إلى مواجهة قوى الانحناء على الجدران المسطحة"."لهذا ، تحتاج إلى هيكل مقوى يتصل داخليًا بجدران الخزان.ولكن من الصعب فعل ذلك مع المواد المركبة ".
حاولت Glace وفريقها دمج قضبان شد التعزيز في وعاء الضغط بطريقة مناسبة لعملية لف الشعيرات.توضح: "هذا مهم للإنتاج بكميات كبيرة ، ويسمح لنا أيضًا بتصميم نمط اللف لجدران الحاوية لتحسين توجيه الألياف لكل حمولة في المنطقة."
أربع خطوات لعمل خزان مركب تجريبي لمشروع P4H.ائتمان الصورة: "تطوير عملية إنتاج لأوعية الضغط المكعبة ذات الدعامة" ، جامعة ميونخ التقنية ، مشروع Polymers4Hydrogen ، ECCM20 ، يونيو 2022.
لتحقيق السلسلة ، طور الفريق مفهومًا جديدًا يتكون من أربع خطوات رئيسية ، كما هو موضح أعلاه.دعامات الشد ، الموضحة باللون الأسود على الدرجات ، عبارة عن هيكل إطار مسبق الصنع تم تصنيعه باستخدام طرق مأخوذة من مشروع MAI Skelett.بالنسبة لهذا المشروع ، طورت BMW "إطارًا" لإطار الزجاج الأمامي باستخدام أربعة قضبان بولترون مقواة بالألياف ، والتي تم تشكيلها بعد ذلك في إطار بلاستيكي.
إطار خزان تجريبي مكعب.المقاطع الهيكلية السداسية ثلاثية الأبعاد المطبوعة بواسطة TUM باستخدام خيوط PLA غير مقواة (أعلى) ، وإدخال قضبان CF / PA6 pultrusion كأقواس شد (وسط) ثم لف الفتيل حول الأقواس (أسفل).ائتمان الصورة: جامعة ميونخ التقنية LCC.
قال جلاس: "الفكرة هي أنه يمكنك بناء إطار لخزان مكعب كهيكل معياري"."يتم وضع هذه الوحدات بعد ذلك في أداة التشكيل ، ويتم وضع دعامات الشد في وحدات الإطار ، ثم يتم استخدام طريقة MAI Skelett حول الدعامات لدمجها مع أجزاء الإطار."طريقة الإنتاج الضخم ، مما ينتج عنه هيكل يتم استخدامه بعد ذلك كمغزل أو نواة لتغليف الغلاف المركب لخزان التخزين.
صممت TUM إطار الخزان على أنه "وسادة" مكعبة ذات جوانب صلبة وزوايا مستديرة ونمط سداسي في الأعلى والأسفل يمكن من خلاله إدخال الروابط وربطها.تم طباعة فتحات هذه الرفوف أيضًا ثلاثية الأبعاد.قال جلاس: "بالنسبة لخزاننا التجريبي الأولي ، قمنا بطباعة مقاطع إطار سداسية ثلاثية الأبعاد باستخدام حمض عديد حمض اللبنيك [PLA ، وهو بلاستيك حراري قائم على أساس حيوي] لأنه كان سهلًا ورخيصًا".
اشترى الفريق 68 من قضبان البولي أميد 6 المقواة بألياف الكربون المقواة (PA6) من SGL Carbon (Meitingen ، ألمانيا) لاستخدامها كعلاقات.يقول Gleiss: "لاختبار المفهوم ، لم نقم بأي قولبة ، ولكن ببساطة أدخلنا فواصل في إطار نواة قرص العسل مطبوع ثلاثي الأبعاد وقمنا بلصقها بغراء الإيبوكسي.هذا يوفر بعد ذلك مغزلًا لتصفية الخزان ".وتشير إلى أنه على الرغم من أن هذه القضبان سهلة الريح نسبيًا ، إلا أن هناك بعض المشكلات المهمة التي سيتم وصفها لاحقًا.
أوضح جليس: "في المرحلة الأولى ، كان هدفنا إظهار قابلية التصميم للتصميم وتحديد المشكلات في مفهوم الإنتاج"."لذلك تبرز دعامات الشد من السطح الخارجي للهيكل العظمي ، ونحن نربط ألياف الكربون بهذا اللب باستخدام لف من خيوط مبللة.بعد ذلك ، في الخطوة الثالثة ، نثني رأس كل قضيب ربط.لدن بالحرارة ، لذلك نحن نستخدم الحرارة فقط لإعادة تشكيل الرأس بحيث تتسطح وتغلق في الطبقة الأولى من الغلاف.ننتقل بعد ذلك إلى لف الهيكل مرة أخرى بحيث يتم إحاطة رأس الدفع المسطح هندسيًا داخل الخزان.صفح على الجدران.
غطاء فاصل لللف.يستخدم TUM أغطية بلاستيكية على أطراف قضبان الشد لمنع الألياف من التشابك أثناء لف الخيوط.ائتمان الصورة: جامعة ميونخ التقنية LCC.
كرر Glace أن هذه الدبابة الأولى كانت دليلاً على المفهوم."كان استخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد والغراء للاختبار الأولي فقط وأعطانا فكرة عن بعض المشكلات التي واجهناها.على سبيل المثال ، أثناء اللف ، تم القبض على الخيوط من أطراف قضبان التوتر ، مما تسبب في تكسر الألياف وتلف الألياف وتقليل كمية الألياف لمواجهة ذلك.استخدمنا عددًا قليلاً من الأغطية البلاستيكية كأدوات مساعدة في التصنيع تم وضعها على الأعمدة قبل خطوة اللف الأولى. وبعد ذلك ، عندما تم تصنيع الرقائق الداخلية ، أزلنا هذه الأغطية الواقية وأعدنا تشكيل نهايات الأعمدة قبل التغليف النهائي ".
جرب الفريق سيناريوهات مختلفة لإعادة الإعمار.تقول جريس: "أولئك الذين ينظرون حولهم هم الأفضل"."أيضًا ، خلال مرحلة النماذج الأولية ، استخدمنا أداة لحام معدلة لتطبيق الحرارة وإعادة تشكيل نهايات قضبان الربط.في مفهوم الإنتاج الضخم ، سيكون لديك أداة واحدة أكبر يمكنها تشكيل وتشكيل جميع نهايات الدعامات في صفح إنهاء داخلي في نفس الوقت.."
إعادة تشكيل رؤوس قضيب الجر.جربت TUM مفاهيم مختلفة وعدلت اللحامات لمحاذاة أطراف الروابط المركبة لربطها بصفائح جدار الخزان.ائتمان الصورة: "تطوير عملية إنتاج لأوعية الضغط المكعبة ذات الدعامة" ، جامعة ميونخ التقنية ، مشروع Polymers4Hydrogen ، ECCM20 ، يونيو 2022.
وبالتالي ، تتم معالجة الصفيحة بعد خطوة اللف الأولى ، ويتم إعادة تشكيل الأعمدة ، ويكمل TUM الملف الثاني للخيوط ، ثم يتم معالجة صفيحة جدار الخزان الخارجي مرة أخرى.يرجى ملاحظة أن هذا تصميم الخزان من النوع 5 ، مما يعني أنه لا يحتوي على بطانة بلاستيكية كحاجز غاز.راجع المناقشة في قسم "الخطوات التالية" أدناه.
قال جلاس: "قمنا بتقطيع العرض التوضيحي الأول إلى مقاطع عرضية ورسمنا خريطة المنطقة المتصلة"."تُظهر لقطة مقربة أننا واجهنا بعض المشكلات المتعلقة بالجودة فيما يتعلق بالرقائق ، حيث لا يتم وضع رؤوس الدعامة بشكل مسطح على الصفائح الداخلية."
حل مشاكل الفجوات بين صفائح الجدران الداخلية والخارجية للخزان.يخلق رأس قضيب الربط المعدل فجوة بين المنعطفات الأولى والثانية للخزان التجريبي.ائتمان الصورة: جامعة ميونخ التقنية LCC.
تم الانتهاء من هذا الخزان الأولي 450 × 290 × 80 ملم في الصيف الماضي.قال جلاس: "لقد أحرزنا الكثير من التقدم منذ ذلك الحين ، ولكن لا يزال لدينا فجوة بين اللامينيت الداخلي والخارجي".لذلك حاولنا سد هذه الفجوات براتنج نظيف وعالي اللزوجة.هذا في الواقع يحسن الاتصال بين الأزرار والصفائح ، مما يزيد بشكل كبير من الضغط الميكانيكي. "
واصل الفريق تطوير تصميم الخزان والعملية ، بما في ذلك الحلول لنمط اللف المطلوب.أوضح جلاس: "لم تكن جوانب خزان الاختبار ملتوية تمامًا لأنه كان من الصعب على هذه الهندسة إنشاء مسار متعرج"."كانت زاوية اللف الأولية 75 درجة ، لكننا كنا نعلم أن هناك حاجة إلى دوائر متعددة لمواجهة الحمل في وعاء الضغط هذا.ما زلنا نبحث عن حل لهذه المشكلة ، لكن الأمر ليس سهلاً مع البرنامج الموجود حاليًا في السوق.قد يصبح مشروع متابعة.
يقول جليس: "لقد أثبتنا جدوى مفهوم الإنتاج هذا ، لكننا بحاجة إلى مزيد من العمل لتحسين الاتصال بين اللامينيت وإعادة تشكيل قضبان الربط."اختبار خارجي على جهاز اختبار.أنت تسحب الفواصل من الصفائح وتختبر الأحمال الميكانيكية التي يمكن أن تتحملها تلك المفاصل ".
سيتم الانتهاء من هذا الجزء من مشروع Polymers4Hydrogen في نهاية عام 2023 ، وفي ذلك الوقت يأمل Gleis في إكمال خزان العرض الثاني.ومن المثير للاهتمام أن التصميمات اليوم تستخدم لدائن حرارية معززة أنيقة في الإطار ومركبات حرارية في جدران الخزان.هل سيتم استخدام هذا النهج الهجين في خزان العرض النهائي؟قالت جريس "نعم"."يقوم شركاؤنا في مشروع Polymers4Hydrogen بتطوير راتنجات الايبوكسي ومواد مصفوفة أخرى ذات خصائص أفضل لحاجز الهيدروجين."وهي تسرد شريكين يعملان في هذا العمل ، PCCL وجامعة تامبيري (تامبيري ، فنلندا).
كما تبادلت Gleiss وفريقها المعلومات وناقشت الأفكار مع Jaeger في مشروع HyDDen الثاني من الخزان المركب المطابق LCC.
يقول جايجر: "سنقوم بإنتاج وعاء ضغط مركب مطابق للطائرات البحثية بدون طيار"."هذا تعاون بين إدارتي الفضاء والجيوديسية في TUM-LCC وقسم تكنولوجيا طائرات الهليكوبتر (HT).سيتم الانتهاء من المشروع بحلول نهاية عام 2024 ونقوم حاليًا باستكمال وعاء الضغط.تصميم أكثر منهجًا متعلقًا بالفضاء والسيارات.بعد مرحلة المفهوم الأولي هذه ، تتمثل الخطوة التالية في إجراء نمذجة هيكلية مفصلة والتنبؤ بأداء الحاجز لهيكل الجدار. "
وتابع: "الفكرة برمتها هي تطوير طائرة استطلاع بدون طيار بخلية وقود هجينة ونظام دفع بالبطارية".ستستخدم البطارية أثناء أحمال الطاقة العالية (أي الإقلاع والهبوط) ثم تتحول إلى خلية الوقود أثناء رحلة الحمولة الخفيفة.قال ييغر: "كان لدى فريق HT بالفعل طائرة بحثية بدون طيار وأعاد تصميم مجموعة نقل الحركة لاستخدام كل من البطاريات وخلايا الوقود"."قاموا أيضًا بشراء خزان CGH2 لاختبار هذا الإرسال."
"تم تكليف فريقي ببناء نموذج أولي لخزان الضغط يناسب ، ولكن ليس بسبب مشكلات التغليف التي قد يخلقها الخزان الأسطواني" ، كما يوضح."الخزان المسطح لا يوفر مقاومة كبيرة للرياح.لذا ستحصل على أداء طيران أفضل ".أبعاد الخزان تقريبًا.٨٣٠ × ٣٥٠ × ١٧٣ ملم.
خزان بلاستيكي حراري بالكامل متوافق مع وكالة فرانس برس.بالنسبة لمشروع HyDDen ، استكشف فريق LCC في TUM في البداية نهجًا مشابهًا لتلك المستخدمة من قبل Glace (أعلاه) ، ولكن بعد ذلك انتقل إلى نهج باستخدام مجموعة من الوحدات الهيكلية المتعددة ، والتي تم الإفراط في استخدامها بعد ذلك باستخدام AFP (أدناه).ائتمان الصورة: جامعة ميونخ التقنية LCC.
يقول ياغر: "تشبه إحدى الأفكار نهج إليزابيث [جليس]" لتطبيق أقواس شد على جدار الوعاء لتعويض قوى الانحناء العالية.ومع ذلك ، بدلاً من استخدام عملية اللف لصنع الخزان ، نستخدم AFP.لذلك ، فكرنا في إنشاء قسم منفصل من وعاء الضغط ، حيث تكون الرفوف مدمجة بالفعل.سمح لي هذا النهج بدمج العديد من هذه الوحدات المتكاملة ثم وضع غطاء طرفي لإغلاق كل شيء قبل اللف النهائي لـ AFP ".
وتابع: "نحاول وضع اللمسات الأخيرة على مثل هذا المفهوم ، ونبدأ أيضًا في اختبار اختيار المواد ، وهو أمر مهم للغاية لضمان المقاومة اللازمة لاختراق غاز H2.لهذا ، نستخدم المواد البلاستيكية الحرارية بشكل أساسي ونعمل على كيفية تأثير المواد المختلفة على سلوك التخلل والمعالجة في آلة AFP.من المهم أن نفهم ما إذا كان العلاج سيكون له تأثير وما إذا كانت هناك حاجة إلى أي معالجة لاحقة.نريد أيضًا معرفة ما إذا كانت الأكوام المختلفة ستؤثر على تغلغل الهيدروجين عبر وعاء الضغط ".
سيتم تصنيع الخزان بالكامل من اللدائن الحرارية وسيتم توفير الشرائح من قبل Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal ، ألمانيا).قال ياغر: "سنستخدم مواد PPS [كبريتيد البوليفينيل] ، PEEK [بولي إيثر كيتون] و LM PAEK [منخفض الذوبان متعدد كيتون]."ثم يتم إجراء مقارنات لمعرفة أيهما أفضل للحماية من الاختراق وإنتاج أجزاء ذات أداء أفضل."يأمل في استكمال الاختبار والنمذجة الهيكلية والعملية والعروض التوضيحية الأولى خلال العام المقبل.
تم إجراء العمل البحثي ضمن وحدة COMET "Polymers4Hydrogen" (رقم تعريف 21647053) ضمن برنامج COMET للوزارة الفيدرالية لتغير المناخ ، والبيئة ، والطاقة ، والتنقل ، والابتكار والتكنولوجيا ، والوزارة الفيدرالية للتكنولوجيا الرقمية والاقتصاد..يشكر المؤلفون الشركاء المشاركين في Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL ، النمسا) ، Montanuniversitaet Leoben (كلية هندسة البوليمرات والعلوم ، قسم كيمياء مواد البوليمر ، قسم علوم المواد واختبار البوليمرات) ، جامعة تامبيري (كلية الهندسة) مواد).) العلوم) ، Peak Technology و Faurecia ساهموا في هذا العمل البحثي.يتم تمويل نظام COMET-Modul من قبل حكومة النمسا وحكومة ولاية ستيريا.
تحتوي الألواح المقواة مسبقًا للهياكل الحاملة على ألياف مستمرة - ليس فقط من الزجاج ، ولكن أيضًا من الكربون والأراميد.
هناك طرق عديدة لصنع الأجزاء المركبة.لذلك ، يعتمد اختيار الطريقة لجزء معين على المادة وتصميم الجزء والاستخدام النهائي أو التطبيق.هنا دليل اختيار.
تقوم شركة Shocker Composites و R&M International بتطوير سلسلة توريد ألياف الكربون المعاد تدويرها والتي توفر ذبحًا صفرًا وتكلفة أقل من الألياف البكر وستقدم في النهاية أطوالًا تقترب من الألياف المستمرة في الخصائص الهيكلية.