Els tancs estàndard de plataforma plana per a BEV i FCEV utilitzen compostos termoplàstics i termoestables amb una construcció d'esquelet que proporciona un 25% més d'emmagatzematge d'H2. #hidrogen #tendències
Després que una col·laboració amb BMW demostrés que un tanc cúbic podia oferir una eficiència volumètrica més alta que diversos cilindres petits, la Universitat Tècnica de Munic es va embarcar en un projecte per desenvolupar una estructura composta i un procés de fabricació escalable per a la producció en sèrie. Crèdit de la imatge: TU Dresden (a dalt a l'esquerra), Universitat Tècnica de Munic, Departament de Compostos de Carboni (LCC)
Els vehicles elèctrics de pila de combustible (FCEV) impulsats per hidrogen de zero emissions (H2) proporcionen mitjans addicionals per assolir zero objectius ambientals. Un turisme de pila de combustible amb un motor H2 es pot omplir en 5-7 minuts i té una autonomia de 500 km, però actualment és més car a causa dels baixos volums de producció. Una manera de reduir costos és utilitzar una plataforma estàndard per als models BEV i FCEV. Actualment això no és possible perquè els dipòsits cilíndrics de tipus 4 que s'utilitzen per emmagatzemar gas H2 comprimit (CGH2) a 700 bar en els FCEV no són adequats per als compartiments de bateries sota la carrosseria que han estat dissenyats acuradament per a vehicles elèctrics. Tanmateix, els recipients a pressió en forma de coixins i cubs poden encaixar en aquest espai d'embalatge pla.
Patent US5577630A per a "Composite Conformal Pressure Vessel", sol·licitud presentada per Thiokol Corp. el 1995 (esquerra) i el recipient a pressió rectangular patentat per BMW el 2009 (dreta).
El Departament de Compostos de Carboni (LCC) de la Universitat Tècnica de Munic (TUM, Munic, Alemanya) participa en dos projectes per desenvolupar aquest concepte. El primer és Polymers4Hydrogen (P4H), liderat pel Centre de Competència en Polímers de Leoben (PCCL, Leoben, Àustria). El paquet de treball LCC està dirigit per la becària Elizabeth Glace.
El segon projecte és l'Entorn de Demostració i Desenvolupament d'Hidrogen (HyDDen), on el LCC està dirigit per l'investigador Christian Jaeger. Tots dos tenen com a objectiu crear una demostració a gran escala del procés de fabricació per a la construcció d'un tanc CGH2 adequat utilitzant compostos de fibra de carboni.
Hi ha una eficiència volumètrica limitada quan s'instal·len cilindres de petit diàmetre en cel·les de bateria planes (esquerra) i recipients a pressió cúbics de tipus 2 fets de revestiments d'acer i una carcassa exterior composta de fibra de carboni/epoxi (dreta). Font de la imatge: Les figures 3 i 6 són de "Numerical Design Approach for Type II Pressure Box Vessel with Internal Tension Legs" de Ruf i Zaremba et al.
P4H ha fabricat un tanc cúbic experimental que utilitza un marc termoplàstic amb corretges/puntals de tensió compostos embolicats en epoxi reforçat amb fibra de carboni. HyDDen utilitzarà un disseny similar, però utilitzarà la capsa automàtica de fibra (AFP) per fabricar tots els tancs compostos termoplàstics.
Des d'una sol·licitud de patent de Thiokol Corp. per a "Composite Conformal Pressure Vessel" el 1995 fins a la patent alemanya DE19749950C2 el 1997, els recipients de gas comprimit "poden tenir qualsevol configuració geomètrica", però especialment formes planes i irregulars, en una cavitat connectada al suport de la carcassa. S'utilitzen elements de manera que puguin suportar la força d'expansió del gas.
Un article del Laboratori Nacional Lawrence Livermore (LLNL) del 2006 descriu tres mètodes: un recipient a pressió conformal amb filaments enrotllats, un recipient a pressió de microretícula que conté una estructura de xarxa ortoròmbica interna (cel·les petites de 2 cm o menys), envoltat per un recipient d'H2 de paret fina, i un recipient replicador, que consisteix en una estructura interna formada per petites peces enganxades (per exemple, anells de plàstic hexagonals) i una composició de capa exterior fina. Els recipients duplicats són els més adequats per a recipients més grans on els mètodes tradicionals poden ser difícils d'aplicar.
La patent DE102009057170A presentada per Volkswagen el 2009 descriu un recipient a pressió muntat en un vehicle que proporcionarà una alta eficiència de pes alhora que millorarà l'ús de l'espai. Els tancs rectangulars utilitzen connectors de tensió entre dues parets rectangulars oposades, i les cantonades són arrodonides.
Els conceptes anteriors i altres són citats per Gleiss a l'article "Process Development for Cubic Pressure Vessels with Stretch Bars" de Gleiss et al. a l'ECCM20 (26-30 de juny de 2022, Lausana, Suïssa). En aquest article, cita un estudi de TUM publicat per Michael Roof i Sven Zaremba, que va trobar que un recipient a pressió cúbic amb puntals de tensió que connecten costats rectangulars és més eficient que diversos cilindres petits que caben a l'espai d'una bateria plana, proporcionant aproximadament un 25% més d'espai d'emmagatzematge.
Segons Gleiss, el problema d'instal·lar un gran nombre de cilindres petits de tipus 4 en una caixa plana és que "el volum entre els cilindres es redueix considerablement i el sistema també té una superfície de permeació de gas H2 molt gran. En general, el sistema proporciona menys capacitat d'emmagatzematge que els recipients cúbics".
No obstant això, hi ha altres problemes amb el disseny cúbic del tanc. "Òbviament, a causa del gas comprimit, cal contrarestar les forces de flexió a les parets planes", va dir Gleiss. "Per a això, cal una estructura reforçada que es connecti internament a les parets del tanc. Però això és difícil de fer amb materials compostos".
Glace i el seu equip van intentar incorporar barres de tensió de reforç al recipient a pressió d'una manera que fos adequada per al procés d'enrotllament de filaments. "Això és important per a la producció d'alt volum", explica, "i també ens permet dissenyar el patró d'enrotllament de les parets del recipient per optimitzar l'orientació de la fibra per a cada càrrega de la zona".
Quatre passos per fer un tanc compost cúbic de prova per al projecte P4H. Crèdit de la imatge: “Desenvolupament d'un procés de producció per a recipients a pressió cúbics amb reforç”, Universitat Tècnica de Munic, projecte Polymers4Hydrogen, ECCM20, juny de 2022.
Per aconseguir la construcció en cadena, l'equip ha desenvolupat un nou concepte que consta de quatre passos principals, tal com es mostra a dalt. Els puntals tensors, que es mostren en negre als passos, són una estructura de marc prefabricada fabricada amb mètodes extrets del projecte MAI Skelett. Per a aquest projecte, BMW va desenvolupar un "marc" de parabrisa utilitzant quatre barres de pultrusió reforçades amb fibra, que després es van modelar en un marc de plàstic.
El marc d'un tanc cúbic experimental. Seccions esquelètiques hexagonals impreses en 3D per TUM utilitzant filament de PLA no reforçat (a dalt), inserint varetes de pultrusió CF/PA6 com a tirants (al mig) i després embolicant el filament al voltant dels tirants (a baix). Crèdit de la imatge: Universitat Tècnica de Munic LCC.
«La idea és que es pot construir el marc d'un tanc cúbic com una estructura modular», va dir Glace. «Aquests mòduls es col·loquen en una eina de modelat, els puntals de tensió es col·loquen als mòduls del marc i, a continuació, s'utilitza el mètode de MAI Skelett al voltant dels puntals per integrar-los amb les peces del marc». mètode de producció en massa, donant com a resultat una estructura que després s'utilitza com a mandril o nucli per embolicar la carcassa composta del tanc d'emmagatzematge.
TUM va dissenyar el marc del tanc com un "coixí" cúbic amb costats sòlids, cantonades arrodonides i un patró hexagonal a la part superior i inferior a través del qual es poden inserir i fixar brides. Els forats per a aquests bastidors també es van imprimir en 3D. "Per al nostre tanc experimental inicial, vam imprimir en 3D seccions de marc hexagonals utilitzant àcid polilàctic [PLA, un termoplàstic de base biològica] perquè era fàcil i barat", va dir Glace.
L'equip va comprar 68 barres de poliamida 6 (PA6) reforçades amb fibra de carboni pultrudida de SGL Carbon (Meitingen, Alemanya) per utilitzar-les com a lligams. "Per provar el concepte, no vam fer cap emmotllament", diu Gleiss, "sinó que simplement vam inserir separadors en un marc central de bresca imprès en 3D i els vam enganxar amb cola epoxi. Això proporciona un mandril per enrotllar el tanc". Assenyala que, tot i que aquestes barres són relativament fàcils d'enrotllar, hi ha alguns problemes importants que es descriuran més endavant.
«En la primera fase, el nostre objectiu era demostrar la capacitat de fabricació del disseny i identificar problemes en el concepte de producció», va explicar Gleiss. «Així, els puntals de tensió sobresurten de la superfície exterior de l'estructura esquelètica i unim les fibres de carboni a aquest nucli mitjançant l'enrotllament de filaments humits. Després d'això, en el tercer pas, dobleguem el cap de cada tirant. Termòptic, de manera que només fem servir calor per remodelar el cap perquè s'aplani i es bloquegi a la primera capa d'embolcall. A continuació, procedim a embolicar l'estructura de nou perquè el cap d'empenta pla quedi geomètricament tancat dins del tanc laminat a les parets.»
Tap separador per a l'enrotllament. TUM utilitza taps de plàstic als extrems de les varetes de tensió per evitar que les fibres s'enredin durant l'enrotllament del filament. Crèdit de la imatge: Universitat Tècnica de Munic LCC.
Glace va reiterar que aquest primer tanc era una prova de concepte. “L'ús d'impressió 3D i cola només va ser per a proves inicials i ens va donar una idea d'alguns dels problemes que vam trobar. Per exemple, durant l'enrotllament, els filaments van quedar atrapats pels extrems de les varetes de tensió, provocant trencament de la fibra, danys a la fibra i reduint la quantitat de fibra per contrarestar-ho. Vam utilitzar uns quants taps de plàstic com a ajudes de fabricació que es van col·locar als pols abans del primer pas d'enrotllament. Després, quan es van fer els laminats interns, vam treure aquests taps protectors i vam remodelar els extrems dels pols abans de l'embolcall final.”
L'equip va experimentar amb diversos escenaris de reconstrucció. «Els que miren al seu voltant són els que millor treballen», diu Grace. «A més, durant la fase de prototipatge, vam utilitzar una eina de soldadura modificada per aplicar calor i remodelar els extrems de les bieles d'acoblament. En un concepte de producció en massa, tindríeu una eina més gran que pot modelar i formar tots els extrems dels puntals en un laminat d'acabat interior alhora...»
Capçals de barra de remolc remodelats. TUM va experimentar amb diferents conceptes i va modificar les soldadures per alinear els extrems de les lligadures compostes per fixar-les al laminat de la paret del tanc. Crèdit de la imatge: "Desenvolupament d'un procés de producció per a recipients a pressió cúbics amb tirant", Universitat Tècnica de Munic, projecte Polymers4Hydrogen, ECCM20, juny de 2022.
Així, el laminat es cura després del primer pas d'enrotllament, els pals es reformen, el TUM completa el segon enrotllament dels filaments i, a continuació, el laminat de la paret exterior del tanc es cura per segona vegada. Tingueu en compte que aquest és un disseny de tanc de tipus 5, cosa que significa que no té un revestiment de plàstic com a barrera de gasos. Vegeu la discussió a la secció Passos següents.
«Vam tallar la primera demostració en seccions transversals i vam cartografiar la zona connectada», va dir Glace. «Un primer pla mostra que vam tenir alguns problemes de qualitat amb el laminat, ja que els caps dels puntals no descansaven plans sobre el laminat interior».
Resolució de problemes amb els espais entre el laminat de les parets interior i exterior del tanc. El capçal de la barra d'acoblament modificat crea un espai entre la primera i la segona volta del tanc experimental. Crèdit de la imatge: Universitat Tècnica de Munic LCC.
Aquest tanc inicial de 450 x 290 x 80 mm es va completar l'estiu passat. "Hem fet molts progressos des de llavors, però encara tenim un espai entre el laminat interior i l'exterior", va dir Glace. "Així que vam intentar omplir aquests espais amb una resina neta i d'alta viscositat. Això realment millora la connexió entre els montants i el laminat, cosa que augmenta considerablement la tensió mecànica".
L'equip va continuar desenvolupant el disseny i el procés del tanc, incloent-hi solucions per al patró d'enrotllament desitjat. «Els costats del tanc de prova no estaven completament corbats perquè era difícil que aquesta geometria creés una trajectòria d'enrotllament», va explicar Glace. «El nostre angle d'enrotllament inicial era de 75°, però sabíem que calien diversos circuits per satisfer la càrrega en aquest recipient a pressió. Encara estem buscant una solució a aquest problema, però no és fàcil amb el programari actualment al mercat. Potser esdevindrà un projecte de seguiment.»
«Hem demostrat la viabilitat d'aquest concepte de producció», diu Gleiss, «però hem de treballar més per millorar la connexió entre el laminat i remodelar els tirants. Proves externes en una màquina d'assaigs. Es treuen els separadors del laminat i es proven les càrregues mecàniques que aquestes unions poden suportar».
Aquesta part del projecte Polymers4Hydrogen es completarà a finals del 2023, data en què Gleis espera completar el segon tanc de demostració. Curiosament, els dissenys actuals utilitzen termoplàstics reforçats purs al marc i compostos termoestables a les parets del tanc. S'utilitzarà aquest enfocament híbrid al tanc de demostració final? "Sí", va dir Grace. "Els nostres socis del projecte Polymers4Hydrogen estan desenvolupant resines epoxi i altres materials matricials compostos amb millors propietats de barrera a l'hidrogen". Enumera dos socis que treballen en aquest treball, PCCL i la Universitat de Tampere (Tampere, Finlàndia).
Gleiss i el seu equip també van intercanviar informació i van discutir idees amb Jaeger sobre el segon projecte HyDDen del tanc compost conformal LCC.
«Produirem un recipient a pressió compost conformal per a drons de recerca», diu Jaeger. «Aquesta és una col·laboració entre els dos departaments del Departament Aeroespacial i Geodèsic de TUM - LCC i el Departament de Tecnologia d'Helicòpters (HT). El projecte finalitzarà a finals del 2024 i actualment estem completant el recipient a pressió, un disseny que té un enfocament més aviat aeroespacial i automobilístic. Després d'aquesta fase inicial de concepte, el següent pas és realitzar un modelatge estructural detallat i predir el rendiment de barrera de l'estructura de la paret».
«La idea és desenvolupar un dron exploratori amb un sistema de propulsió híbrid de pila de combustible i bateria», va continuar. Utilitzarà la bateria durant càrregues d'alta potència (és a dir, enlairament i aterratge) i després canviarà a la pila de combustible durant el creuer amb càrrega lleugera. «L'equip HT ja tenia un dron de recerca i va redissenyar el sistema de propulsió per utilitzar tant bateries com piles de combustible», va dir Yeager. «També van comprar un tanc CGH2 per provar aquesta transmissió».
«El meu equip va tenir la tasca de construir un prototip de dipòsit a pressió que encaixés, però no pels problemes d'embalatge que crearia un dipòsit cilíndric», explica. «Un dipòsit més pla no ofereix tanta resistència al vent. Així s'obté un millor rendiment de vol». Dimensions del dipòsit: aproximadament 830 x 350 x 173 mm.
Tanc totalment termoplàstic compatible amb AFP. Per al projecte HyDDen, l'equip LCC de TUM va explorar inicialment un enfocament similar al utilitzat per Glace (a dalt), però després va passar a un enfocament que utilitzava una combinació de diversos mòduls estructurals, que després es van utilitzar en excés amb AFP (a sota). Crèdit de la imatge: Universitat Tècnica de Munic LCC.
«Una idea és similar a l'enfocament d'Elisabeth [Gleiss]», diu Yager, «aplicar tirants de tensió a la paret del recipient per compensar les forces de flexió elevades. Tanmateix, en comptes d'utilitzar un procés d'enrotllament per fabricar el tanc, utilitzem AFP. Per tant, vam pensar a crear una secció separada del recipient a pressió, en la qual els bastidors ja estan integrats. Aquest enfocament em va permetre combinar diversos d'aquests mòduls integrats i després aplicar un tap final per segellar-ho tot abans de l'enrotllament final de l'AFP».
«Estem intentant finalitzar aquest concepte», va continuar, «i també començar a provar la selecció de materials, cosa que és molt important per garantir la resistència necessària a la penetració del gas H2. Per a això, utilitzem principalment materials termoplàstics i estem treballant en diversos aspectes de com el material afectarà aquest comportament de permeació i el processament a la màquina AFP. És important entendre si el tractament tindrà algun efecte i si cal algun postprocessament. També volem saber si diferents xemeneies afectaran la permeació d'hidrogen a través del recipient a pressió».
El tanc estarà fet completament de termoplàstic i les tires seran subministrades per Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Alemanya). «Utilitzarem els seus materials PPS [sulfur de polifenilè], PEEK [polietercetona] i LM PAEK [poliarilcetona de baix punt de fusió]», va dir Yager. «Després es fan comparacions per veure quin és el millor per a la protecció contra la penetració i per produir peces amb un millor rendiment». Espera completar les proves, el modelatge estructural i de processos i les primeres demostracions durant l'any que ve.
El treball de recerca es va dur a terme dins del mòdul COMET "Polymers4Hydrogen" (ID 21647053) dins del programa COMET del Ministeri Federal de Canvi Climàtic, Medi Ambient, Energia, Mobilitat, Innovació i Tecnologia i el Ministeri Federal de Tecnologia i Economia Digitals. Els autors agraeixen als socis participants Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL, Àustria), Montanuniversitaet Leoben (Facultat d'Enginyeria i Ciència de Polímers, Departament de Química de Materials Polímers, Departament de Ciència de Materials i Assaigs de Polímers), Universitat de Tampere (Facultat d'Enginyeria de Materials), Peak Technology i Faurecia per haver contribuït a aquest treball de recerca. COMET-Modul està finançat pel govern d'Àustria i el govern de l'estat d'Estíria.
Les làmines pre-reforçades per a estructures portants contenen fibres contínues, no només de vidre, sinó també de carboni i aramida.
Hi ha moltes maneres de fabricar peces compostes. Per tant, l'elecció del mètode per a una peça en particular dependrà del material, el disseny de la peça i l'ús o aplicació final. Aquí teniu una guia de selecció.
Shocker Composites i R&M International estan desenvolupant una cadena de subministrament de fibra de carboni reciclada que no suposa cap sacrifici, té un cost inferior al de la fibra verge i, finalment, oferirà longituds que s'aproximen a les de la fibra contínua en les propietats estructurals.
Data de publicació: 15 de març de 2023