Стандартните резервоари с плоска платформа за електрически превозни средства с електрическо гориво (BEV) и електрически превозни средства с горивни газове (FCEV) използват термопластични и термореактивни композити със скелетна конструкция, която осигурява 25% повече съхранение на H2. #водород #тенденции
След като сътрудничество с BMW показа, че кубичен резервоар може да осигури по-висока обемна ефективност от множество малки цилиндъра, Техническият университет в Мюнхен започна проект за разработване на композитна структура и мащабируем производствен процес за серийно производство. Снимка: TU Dresden (горе) вляво), Технически университет в Мюнхен, Катедра по въглеродни композити (LCC)
Електрическите превозни средства с горивни клетки (FCEV), задвижвани от водород с нулеви емисии (H2), предоставят допълнителни средства за постигане на нулеви екологични цели. Пътнически автомобил с горивни клетки и H2 двигател може да се зареди за 5-7 минути и има пробег от 500 км, но в момента е по-скъп поради ниските обеми на производство. Един от начините за намаляване на разходите е използването на стандартна платформа за моделите BEV и FCEV. В момента това не е възможно, тъй като цилиндричните резервоари тип 4, използвани за съхранение на сгъстен H2 газ (CGH2) при 700 бара в FCEV, не са подходящи за отделенията за батерии под каросерията, които са внимателно проектирани за електрически превозни средства. Съдове под налягане под формата на възглавници и кубове обаче могат да се поберат в това плоско пространство за опаковане.
Патент US5577630A за „Композитен конформен съд под налягане“, заявка, подадена от Thiokol Corp. през 1995 г. (вляво) и правоъгълен съд под налягане, патентован от BMW през 2009 г. (вдясно).
Катедрата по въглеродни композити (LCC) на Техническия университет в Мюнхен (TUM, Мюнхен, Германия) участва в два проекта за разработване на тази концепция. Първият е Polymers4Hydrogen (P4H), ръководен от Центъра за полимерна компетентност в Леобен (PCCL, Леобен, Австрия). Работният пакет LCC се ръководи от стипендиантката Елизабет Глейс.
Вторият проект е „Среда за демонстрация и разработка на водород“ (HyDDen), където LCC се ръководи от изследователя Кристиан Йегер. И двата целят да създадат мащабна демонстрация на производствения процес за изработка на подходящ резервоар за CGH2, използващ композити от въглеродни влакна.
Обемната ефективност е ограничена, когато цилиндри с малък диаметър са монтирани в плоски батерийни клетки (вляво) и кубични съдове под налягане тип 2, изработени от стоманени облицовки и външна обвивка от въглеродни влакна/епоксиден композит (вдясно). Източник на изображението: Фигури 3 и 6 са от „Numerical Design Approach for Type II Pressure Box Vessel with Internal Tension Legs“ от Ruf and Zaremba et al.
P4H е изработила експериментален кубичен резервоар, който използва термопластична рамка с композитни опъващи ленти/подпори, обвити в епоксидна смола, подсилена с въглеродни влакна. HyDDen ще използва подобен дизайн, но ще прилага автоматично полагане на влакна (AFP) за производството на всички термопластични композитни резервоари.
От заявка за патент на Thiokol Corp. за „Композитен конформен съд под налягане“ през 1995 г. до немски патент DE19749950C2 през 1997 г., съдовете за сгъстен газ „могат да имат всякаква геометрична конфигурация“, но особено плоски и неправилни форми, в кухина, свързана с опората на корпуса. Използват се елементи, така че да могат да издържат на силата на разширение на газа.
В статия на Националната лаборатория „Лорънс Ливърмор“ (LLNL) от 2006 г. са описани три подхода: конформен съд под налягане, навит с нишка, микрорешетъчен съд под налягане, съдържащ вътрешна орторомбична решетъчна структура (малки клетки от 2 cm или по-малко), заобиколена от тънкостенен H2 контейнер, и репликаторен контейнер, състоящ се от вътрешна структура, състояща се от залепени малки части (напр. шестоъгълни пластмасови пръстени) и композиция от тънка външна обвивка. Дублираните контейнери са най-подходящи за по-големи контейнери, където традиционните методи може да са трудни за прилагане.
Патент DE102009057170A, подаден от Volkswagen през 2009 г., описва монтиран на превозно средство съд под налягане, който ще осигури висока ефективност на теглото, като същевременно ще подобри използването на пространството. Правоъгълните резервоари използват опъващи конектори между две правоъгълни противоположни стени, а ъглите са заоблени.
Горните и други концепции са цитирани от Глайс в статията „Разработване на процеси за кубични съдове под налягане с разтегателни пръти“ от Глайс и др. на ECCM20 (26-30 юни 2022 г., Лозана, Швейцария). В тази статия тя цитира проучване на TUM, публикувано от Майкъл Руф и Свен Заремба, което установява, че кубичен съд под налягане с опънати подпори, свързващи правоъгълни страни, е по-ефективен от няколко малки цилиндъра, които се побират в пространството на плоска батерия, осигурявайки приблизително 25% повече място за съхранение.
Според Глайс, проблемът с инсталирането на голям брой малки бутилки тип 4 в плосък корпус е, че „обемът между бутилките е значително намален и системата също има много голяма повърхност за проникване на H2 газ. Като цяло, системата осигурява по-малък капацитет за съхранение от кубичните буркани.“
Съществуват обаче и други проблеми с кубичния дизайн на резервоара. „Очевидно е, че поради сгъстения газ е необходимо да се противодейства на силите на огъване върху плоските стени“, каза Глейс. „За целта е необходима подсилена конструкция, която се свързва вътрешно със стените на резервоара. Но това е трудно да се направи с композитни материали.“
Глейс и нейният екип се опитаха да включат арматурни пръти за опъване в съда под налягане по начин, който би бил подходящ за процеса на навиване на нишки. „Това е важно за производството в големи обеми“, обяснява тя, „и също така ни позволява да проектираме модела на навиване на стените на контейнера, за да оптимизираме ориентацията на влакната за всяко натоварване в зоната.“
Четири стъпки за изработка на пробен кубичен композитен резервоар за проекта P4H. Снимка: „Разработване на производствен процес за кубични съдове под налягане с разпънка“, Технически университет в Мюнхен, проект Polymers4Hydrogen, ECCM20, юни 2022 г.
За да се постигне „on-chain“, екипът е разработил нова концепция, състояща се от четири основни стъпала, както е показано по-горе. Опънатите подпори, показани в черно на стъпалата, са предварително изработена рамкова конструкция, изработена по методи, взети от проекта MAI Skelett. За този проект BMW разработи „рамка“ за предно стъкло, използвайки четири армирани с влакна пултрузионни пръта, които след това са формовани в пластмасова рамка.
Рамката на експериментален кубичен резервоар. Шестоъгълни скелетни секции, 3D отпечатани от TUM, използващи неармиран PLA филамент (горе), вмъкване на CF/PA6 пултрузионни пръти като опъващи скоби (в средата) и след това увиване на нишката около скобите (долу). Снимка: Технически университет в Мюнхен LCC.
„Идеята е, че можете да изградите рамката на кубичен резервоар като модулна структура“, каза Глейс. „След това тези модули се поставят в инструмент за формоване, опъващите подпори се поставят в модулите на рамката и след това методът на MAI Skelett се използва около подпорите, за да ги интегрира с частите на рамката.“ Това е метод за масово производство, в резултат на което се получава структура, която след това се използва като дорник или сърцевина за обвиване на композитната обвивка на резервоара за съхранение.
TUM е проектирал рамката на резервоара като кубична „възглавница“ с плътни страни, заоблени ъгли и шестоъгълен модел отгоре и отдолу, през който могат да се вкарват и закрепват връзки. Отворите за тези стелажи също са били отпечатани на 3D принтер. „За нашия първоначален експериментален резервоар, ние отпечатахме на 3D принтер шестоъгълни рамкови секции, използвайки полимлечна киселина [PLA, биотермопластичен материал], защото беше лесно и евтино“, каза Глейс.
Екипът закупи 68 пръчки от полиамид 6 (PA6), подсилени с въглеродни влакна, от SGL Carbon (Майтинген, Германия), които да се използват като връзки. „За да тестваме концепцията, не направихме никакво формоване“, казва Глайс, „а просто вмъкнахме дистанционни елементи в 3D-отпечатана рамка с форма на пчелна пита и ги залепихме с епоксидно лепило. Това след това осигурява дорник за навиване на резервоара.“ Тя отбелязва, че въпреки че тези пръчки са сравнително лесни за навиване, има някои съществени проблеми, които ще бъдат описани по-късно.
„На първия етап целта ни беше да демонстрираме технологичността на дизайна и да идентифицираме проблеми в производствената концепция“, обясни Глайс. „Така че опъващите подпори стърчат от външната повърхност на скелетната конструкция и ние прикрепяме въглеродните влакна към това ядро, използвайки мокро навиване с нишки. След това, на третата стъпка, огъваме главата на всяка свързваща пръчка. термопластичен, така че просто използваме топлина, за да преоформим главата, така че да се сплеска и да се заключи в първия слой обвиване. След това продължаваме с обвиването на конструкцията отново, така че плоската опорна глава да е геометрично затворена в резервоара. ламинат по стените.“
Разделителна капачка за навиване. TUM използва пластмасови капачки на краищата на опъващите пръти, за да предотврати заплитането на влакната по време на навиване на нишките. Снимка: Технически университет в Мюнхен LCC.
Глейс повтори, че този първи резервоар е доказателство за концепцията. „Използването на 3D печат и лепило беше само за първоначално тестване и ни даде представа за някои от проблемите, с които се сблъскахме. Например, по време на навиването нишките се захващаха от краищата на опъващите пръти, причинявайки скъсване на влакната, повреда на влакната и намаляване на количеството влакна, за да се противодейства на това. Използвахме няколко пластмасови капачки като помощни средства за производство, които бяха поставени върху стълбовете преди първата стъпка на навиване. След това, когато вътрешните ламинати бяха направени, премахнахме тези защитни капачки и преоформихме краищата на стълбовете преди окончателното опаковане.“
Екипът експериментира с различни сценарии за реконструкция. „Тези, които се оглеждат, работят най-добре“, казва Грейс. „Също така, по време на фазата на създаване на прототип използвахме модифициран инструмент за заваряване, за да приложим топлина и да преоформим краищата на кормилните щанги. В концепцията за масово производство ще имате един по-голям инструмент, който може да оформя и формова всички краища на подпорите в ламинат за вътрешно покритие едновременно.“
Преоформени глави на тегличи. TUM експериментира с различни концепции и модифицира заварките, за да подравни краищата на композитните връзки за закрепване към ламината на стената на резервоара. Снимка: „Разработване на производствен процес за кубични съдове под налягане с разпънка“, Технически университет в Мюнхен, проект Polymers4Hydrogen, ECCM20, юни 2022 г.
По този начин, ламинатът се втвърдява след първата стъпка на навиване, стълбовете се преоформят, TUM завършва второто навиване на нишките и след това ламинатът на външната стена на резервоара се втвърдява втори път. Моля, обърнете внимание, че това е конструкция на резервоар тип 5, което означава, че няма пластмасова облицовка като газова бариера. Вижте обсъждането в раздела „Следващи стъпки“ по-долу.
„Нарязахме първата демонстрация на напречни сечения и картографирахме свързаната област“, каза Глейс. „Едър план показва, че имахме някои проблеми с качеството на ламината, тъй като главите на подпорите не лежаха равномерно върху вътрешния ламинат.“
Решаване на проблеми с пролуки между ламината на вътрешната и външната стена на резервоара. Модифицираната глава на свързващия прът създава пролука между първия и втория витък на експерименталния резервоар. Снимка: Технически университет в Мюнхен LCC.
Този първоначален резервоар с размери 450 x 290 x 80 мм беше завършен миналото лято. „Оттогава постигнахме голям напредък, но все още имаме празнина между вътрешния и външния ламинат“, каза Глейс. „Затова се опитахме да запълним тези празнини с чиста смола с висок вискозитет. Това всъщност подобрява връзката между гредите и ламината, което значително увеличава механичното напрежение.“
Екипът продължи да разработва дизайна и процеса на резервоара, включително решения за желания модел на навиване. „Страните на тестовия резервоар не бяха напълно извити, защото беше трудно за тази геометрия да се създаде път на навиване“, обясни Глейс. „Първоначалният ни ъгъл на навиване беше 75°, но знаехме, че са необходими множество вериги, за да се справим с натоварването в този съд под налягане. Все още търсим решение на този проблем, но не е лесно със софтуера, който се предлага на пазара в момента. Може да се превърне в последващ проект.“
„Демонстрирахме осъществимостта на тази производствена концепция“, казва Глайс, „но трябва да работим допълнително, за да подобрим връзката между ламината и да променим формата на свързващите пръти. Външно изпитване на тестова машина. Изваждате дистанционните елементи от ламината и тествате механичните натоварвания, които тези съединения могат да издържат.“
Тази част от проекта Polymers4Hydrogen ще бъде завършена в края на 2023 г., като дотогава Глейс се надява да завърши и втория демонстрационен резервоар. Интересното е, че днес проектите използват чисти подсилени термопласти в рамката и термореактивни композити в стените на резервоара. Ще бъде ли използван този хибриден подход в окончателния демонстрационен резервоар? „Да“, каза Грейс. „Нашите партньори в проекта Polymers4Hydrogen разработват епоксидни смоли и други композитни матрични материали с по-добри свойства на водородна бариера.“ Тя изброява двама партньори, работещи по тази работа, PCCL и Университета в Тампере (Тампере, Финландия).
Глейс и нейният екип също обмениха информация и обсъдиха идеи с Йегер относно втория проект HyDDen от конформния композитен резервоар LCC.
„Ще произвеждаме конформен композитен съд под налягане за изследователски дронове“, казва Йегер. „Това е сътрудничество между двата отдела - Аерокосмическия и геодезически отдел на TUM-LCC и Департамента по хеликоптерни технологии (HT). Проектът ще бъде завършен до края на 2024 г. и в момента завършваме съда под налягане. Проект, който е по-скоро аерокосмически и автомобилен подход. След този начален концептуален етап, следващата стъпка е да се извърши подробно структурно моделиране и да се прогнозира бариерната ефективност на стенната конструкция.“
„Цялата идея е да се разработи изследователски дрон с хибридна система за задвижване, състояща се от горивни клетки и батерии“, продължи той. Той ще използва батерията по време на високи натоварвания (т.е. излитане и кацане) и след това ще превключва към горивни клетки по време на крейсерско движение с леко натоварване. „Екипът на HT вече имаше изследователски дрон и преработи силовия агрегат, за да използва както батерии, така и горивни клетки“, каза Йегър. „Те също така закупиха резервоар CGH2, за да тестват тази трансмисия.“
„На моя екип беше възложена задачата да изгради прототип на резервоар под налягане, който да пасва, но не заради проблемите с опаковката, които би създал цилиндричен резервоар“, обяснява той. „По-плоският резервоар не предлага толкова съпротивление на вятъра. Така получавате по-добри полетни характеристики.“ Размери на резервоара приблизително 830 x 350 x 173 мм.
Напълно термопластичен резервоар, съвместим с AFP. За проекта HyDDen, екипът по LCC в TUM първоначално проучи подобен подход на този, използван от Glace (по-горе), но след това премина към подход, използващ комбинация от няколко структурни модула, които впоследствие бяха прекомерно използвани с AFP (по-долу). Снимка: Технически университет в Мюнхен LCC.
„Една идея е подобна на подхода на Елизабет [Глайс]“, казва Йегър, „да се приложат опъващи скоби към стената на съда, за да се компенсират високите сили на огъване. Вместо обаче да използваме процес на навиване за направата на резервоара, ние използваме AFP. Затова помислихме за създаването на отделна секция от съда под налягане, в която стелажите вече са интегрирани. Този подход ми позволи да комбинирам няколко от тези интегрирани модули и след това да приложа крайна капачка, за да запечатам всичко преди окончателното навиване на AFP.“
„Опитваме се да финализираме подобна концепция“, продължи той, „и също така започваме да тестваме избора на материали, което е много важно, за да се осигури необходимата устойчивост на проникване на H2 газ. За тази цел използваме главно термопластични материали и работим върху различни начини, по които материалът ще повлияе на това поведение на проникване и обработката в AFP машината. Важно е да се разбере дали обработката ще има ефект и дали е необходима последваща обработка. Искаме също да знаем дали различните стекове ще повлияят на проникването на водород през съда под налягане.“
Резервоарът ще бъде изцяло изработен от термопластика, а лентите ще бъдат доставени от Teijin Carbon Europe GmbH (Вупертал, Германия). „Ще използваме техните материали PPS [полифенилен сулфид], PEEK [полиетер кетон] и LM PAEK [полиарил кетон с ниска точка на топене]“, каза Йегер. „След това се правят сравнения, за да се види кой е най-добър за защита от проникване и производство на части с по-добри характеристики.“ Той се надява да завърши тестовете, структурното и процесното моделиране и първите демонстрации през следващата година.
Изследователската работа е проведена в рамките на COMET модула „Polymers4Hydrogen“ (ID 21647053) по програмата COMET на Федералното министерство на изменението на климата, околната среда, енергетиката, мобилността, иновациите и технологиите и Федералното министерство на цифровите технологии и икономиката. Авторите благодарят на участващите партньори Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL, Австрия), Montanuniversitaet Leoben (Факултет по полимерно инженерство и наука, Катедра по химия на полимерните материали, Катедра по материалознание и изпитване на полимери), Университет Тампере (Факултет по инженерни материали), Peak Technology и Faurecia, които допринесоха за тази изследователска работа. COMET-Modul се финансира от правителството на Австрия и правителството на провинция Щирия.
Предварително армираните листове за носещи конструкции съдържат непрекъснати влакна – не само от стъкло, но и от въглерод и арамид.
Има много начини за изработка на композитни части. Следователно, изборът на метод за конкретна част ще зависи от материала, дизайна на частта и крайната употреба или приложение. Ето ръководство за избор.
Shocker Composites и R&M International разработват верига за доставки на рециклирани въглеродни влакна, която осигурява нулево клане, по-ниска цена от тази на необработените влакна и в крайна сметка ще предлага дължини, които се доближават до непрекъснатите влакна по структурни свойства.
Време на публикуване: 15 март 2023 г.