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.#tendències #hidrogen
Després que una col·laboració amb BMW demostrés que un dipòsit cúbic podria oferir una eficiència volumètrica més gran 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 Composites de Carboni (LCC)
Els vehicles elèctrics de pila de combustible (FCEV) alimentats amb hidrogen d'emissions zero (H2) proporcionen mitjans addicionals per assolir objectius ambientals zero.Un cotxe de passatgers amb pila de combustible amb 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.Això no és possible actualment perquè els dipòsits cilíndrics tipus 4 utilitzats per emmagatzemar gas H2 comprimit (CGH2) a 700 bar en FCEV no són adequats per als compartiments de bateries de sota de la carrosseria que han estat dissenyats amb cura 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 Composites 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 Leoben Polymer Competence Center (PCCL, Leoben, Àustria).El paquet de treball LCC està dirigit per la companya Elizabeth Glace.
El segon projecte és l'entorn de desenvolupament i demostració d'hidrogen (HyDDen), on 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 fer un dipòsit CGH2 adequat amb compostos de fibra de carboni.
Hi ha una eficiència volumètrica limitada quan s'instal·len cilindres de petit diàmetre en cel·les de bateries planes (esquerra) i recipients a pressió cúbics 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 "Enfocament de disseny numèric per a recipients de caixa de pressió de tipus II amb potes de tensió interna" de Ruf i Zaremba et al.
P4H ha fabricat un dipòsit de cub experimental que utilitza un marc termoplàstic amb corretges/puntals de tensió compostos embolicats amb epoxi reforçat amb fibra de carboni.HyDDen utilitzarà un disseny similar, però utilitzarà la disposició automàtica de fibra (AFP) per fabricar tots els tancs de compostos termoplàstics.
Des d'una sol·licitud de patent de Thiokol Corp. fins 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 perquè puguin suportar la força d'expansió del gas.
Un article del Laboratori Nacional de Lawrence Livermore (LLNL) de 2006 descriu tres enfocaments: un recipient de pressió conformat enrotllat per filament, un recipient de pressió de microretes que conté una estructura de gelosia ortorròmbica interna (petites cèl·lules de 2 cm o menys), envoltat per un recipient H2 de parets primes, i un contenidor replicador, que consisteix en una estructura interna formada per petites peces enganxades (per exemple, anells de plàstic hexagonals) i una composició de pell exterior fina.Els contenidors duplicats són els més adequats per a contenidors més grans on els mètodes tradicionals poden ser difícils d'aplicar.
La patent DE102009057170A presentada per Volkswagen l'any 2009 descriu un recipient a pressió muntat en un vehicle que proporcionarà una gran eficiència de pes alhora que millora la utilització de l'espai.Els dipòsits rectangulars utilitzen connectors de tensió entre dues parets rectangulars oposades i les cantonades són arrodonides.
Els conceptes anteriors i altres són citats per Gleiss al document "Desenvolupament de processos per a recipients a pressió cúbica amb barres elàstiques" de Gleiss et al.a ECCM20 (26-30 de juny de 2022, Lausana, Suïssa).En aquest article, cita un estudi TUM publicat per Michael Roof i Sven Zaremba, que va trobar que un recipient de pressió cúbic amb puntals de tensió que connecten costats rectangulars és més eficient que diversos cilindres petits que encaixen a l'espai d'una bateria plana, proporcionant aproximadament 25 % més.Espai d'emmagatzematge.
Segons Gleiss, el problema d'instal·lar un gran nombre de cilindres tipus 4 petits en una caixa plana és que “el volum entre els cilindres es redueix molt i el sistema també té una superfície de permeació de gas H2 molt gran.En general, el sistema ofereix menys capacitat d'emmagatzematge que els pots cúbics".
Tanmateix, 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, necessites una estructura reforçada que es connecti internament a les parets del dipòsit.Però això és difícil de fer amb els 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 del filament."Això és important per a la producció de grans volums", explica, "i també ens permet dissenyar el patró de bobinatge de les parets del contenidor 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 d'imatge: "Desenvolupament d'un procés de producció per a recipients a pressió cúbica amb tirant", Universitat Tècnica de Munic, projecte Polymers4Hydrogen, ECCM20, juny de 2022.
Per aconseguir en cadena, l'equip ha desenvolupat un nou concepte que consta de quatre passos principals, tal com es mostra anteriorment.Els puntals de tensió, que es mostren en negre als esglaons, són una estructura de marc prefabricada fabricada mitjançant mètodes extrets del projecte MAI Skelett.Per a aquest projecte, BMW va desenvolupar un "marc" del marc del 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 PLA no reforçat (superior), inserint barres de pultrusió CF/PA6 com a tirants de tensió (centre) i després embolicant el filament al voltant dels tirants (inferior).Crèdit de la imatge: Universitat Tècnica de Munic LCC.
"La idea és que podeu construir el marc d'un tanc cúbic com una estructura modular", va dir Glace."Aquests mòduls es col·loquen després en una eina d'emmotllament, els puntals de tensió es col·loquen als mòduls del marc i després s'utilitza el mètode de MAI Skelett al voltant dels puntals per integrar-los amb les peces del marc".mètode de producció massiva, donant lloc a una estructura que després s'utilitza com a mandril o nucli per embolicar la carcassa composta del dipòsit 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 enganxar llaços.Els forats d'aquests bastidors també es van imprimir en 3D."Per al nostre tanc experimental inicial, vam imprimir seccions de marc hexagonals en 3D amb 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 pultrusionada a SGL Carbon (Meitingen, Alemanya) per utilitzar-les com a llaços."Per provar el concepte, no vam fer cap modelat", diu Gleiss, "perquè simplement vam inserir separadors en un marc de nucli de bresca imprès en 3D i els vam enganxar amb cola epoxi.Aleshores, proporciona un mandril per enrotllar el dipòsit".Ella assenyala que, tot i que aquestes varetes són relativament fàcils d'enrotllar, hi ha alguns problemes significatius que es descriuran més endavant.
"En la primera etapa, el nostre objectiu era demostrar la capacitat de fabricació del disseny i identificar problemes en el concepte de producció", va explicar Gleiss."Així que els puntals de tensió sobresurten de la superfície exterior de l'estructura esquelètica, i connectem les fibres de carboni a aquest nucli mitjançant bobinatge de filament humit.Després d'això, en el tercer pas, dobleguem el cap de cada tirant.termoplàstic, de manera que només fem servir la calor per remodelar el cap de manera que s'aplani i s'enganxi a la primera capa d'embolcall.A continuació, procedim a embolicar l'estructura de nou de manera que el capçal d'empenta pla quedi geomètricament tancat dins del dipòsit.laminat a les parets.
Tapa separadora per a bobinat.TUM utilitza taps de plàstic als extrems de les barres 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 de la impressió 3D i la 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 estaven atrapats pels extrems de les barres de tensió, provocant el 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 ajuda de fabricació que es van col·locar als pals abans del primer pas de bobinat. Després, quan es van fer els laminats interns, vam treure aquests taps protectors i vam remodelar els extrems dels pals abans de l'embolcall final".
L'equip va experimentar amb diversos escenaris de reconstrucció."Els que miren al seu voltant funcionen millor", diu Grace."També, durant la fase de prototipatge, vam utilitzar una eina de soldadura modificada per aplicar calor i remodelar els extrems de la barra d'acoblament.En un concepte de producció en massa, tindria una eina més gran que pot donar forma i formar tots els extrems dels puntals en un laminat d'acabat interior alhora..”
Capçals de la barra de remolc remodelats.TUM va experimentar amb diferents conceptes i va modificar les soldadures per alinear els extrems dels llaços compostos per unir-los al laminat de paret del dipòsit.Crèdit d'imatge: "Desenvolupament d'un procés de producció per a recipients a pressió cúbica amb tirant", Universitat Tècnica de Munic, projecte Polymers4Hydrogen, ECCM20, juny de 2022.
Així, el laminat es cura després del primer pas de bobinat, els pals es remodelen, el TUM completa el segon bobinat dels filaments i, a continuació, el laminat de la paret del dipòsit exterior es cura per segona vegada.Tingueu en compte que aquest és un disseny de tanc de tipus 5, el que significa que no té un revestiment de plàstic com a barrera de gas.Vegeu la discussió a la secció Següents passos a continuació.
"Vam tallar la primera demostració en seccions transversals i vam cartografiar l'àrea connectada", va dir Glace."Un primer pla mostra que vam tenir alguns problemes de qualitat amb el laminat, amb els capçals dels puntals que no es col·locaven sobre el laminat interior".
Resolució de problemes amb buits entre el laminat de les parets interiors i exteriors del dipòsit.El capçal de tirant modificat crea un buit entre la primera i la segona volta del dipòsit 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 avançat molt des de llavors, però encara tenim una bretxa entre el laminat interior i exterior", va dir Glace."Així que vam intentar omplir aquests buits amb una resina neta i d'alta viscositat.Això en realitat millora la connexió entre els tacs i el laminat, la qual cosa augmenta molt l'estrès mecànic".
L'equip va continuar desenvolupant el disseny i el procés del tanc, incloses les solucions per al patró de bobinat desitjat."Els costats del dipòsit de prova no estaven completament arrissats perquè era difícil que aquesta geometria creés un camí sinuós", va explicar Glace."El nostre angle de bobinatge inicial era de 75 °, però sabíem que es necessitaven 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 que hi ha actualment al mercat.Pot convertir-se en 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 de prova.Traieu els separadors del laminat i proveu les càrregues mecàniques que poden suportar aquestes juntes".
Aquesta part del projecte Polymers4Hydrogen es completarà a finals de 2023, moment en què Gleis espera completar el segon tanc de demostració.Curiosament, els dissenys actuals utilitzen termoplàstics reforçats nets al marc i compostos termoestables a les parets del dipòsit.S'utilitzarà aquest enfocament híbrid al tanc de demostració final?"Sí", va dir la Grace."Els nostres socis del projecte Polymers4Hydrogen estan desenvolupant resines epoxi i altres materials de matriu composta amb millors propietats de barrera d'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 conforme LCC.
"Producirem un recipient de pressió compost per a drons d'investigació", 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 estarà enllestit a finals de 2024 i actualment estem enllestint el recipient a pressió.un disseny que és més aviat un enfocament aeroespacial i automotriu.Després d'aquesta etapa inicial de concepte, el següent pas és realitzar un modelat estructural detallat i predir el rendiment de la barrera de l'estructura de la paret".
"Tota la idea és desenvolupar un dron exploratori amb una pila de combustible híbrida i un sistema de propulsió de 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 de càrrega lleugera."L'equip d'HT ja tenia un dron de recerca i va redissenyar el tren de propulsió per utilitzar tant bateries com piles de combustible", va dir Yeager."També van comprar un dipòsit CGH2 per provar aquesta transmissió".
"El meu equip va tenir l'encàrrec de construir un prototip de tanc de pressió que s'ajustés, però no pels problemes d'embalatge que crearia un dipòsit cilíndric", explica.“Un dipòsit més pla no ofereix tanta resistència al vent.Així obtindreu un millor rendiment de vol".Mides del dipòsit aprox.830 x 350 x 173 mm.
Dipòsit totalment termoplàstic compatible amb AFP.Per al projecte HyDDen, l'equip de 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 mitjançant 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 vaixell per compensar les altes forces de flexió.Tanmateix, en comptes d'utilitzar un procés de bobinat per fer el dipòsit, utilitzem AFP.Per tant, hem pensat 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 una tapa final per segellar-ho tot abans de l'enrotllament final de l'AFP".
“Estem intentant concretar aquest concepte”, va continuar, “i també començar a provar la selecció de materials, que és molt important per garantir la resistència necessària a la penetració de gas H2.Per a això, utilitzem principalment materials termoplàstics i estem treballant en diverses maneres d'afectar el material a aquest comportament de permeació i processament a la màquina AFP.És important entendre si el tractament tindrà efecte i si cal algun postprocessament.També volem saber si diferents piles afectaran la permeació d'hidrogen a través del recipient a pressió".
El dipòsit estarà totalment fabricat en termoplàstic i les tires seran subministrades per Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Alemanya)."Utilitzarem els seus materials PPS [sulfur de polifenilè], PEEK [polieter cetona] i LM PAEK [poliaril cetona de baixa fusió]", va dir Yager."A continuació, es fan comparacions per veure quina és la millor per a la protecció contra la penetració i la producció de peces amb un millor rendiment".Espera completar les proves, el modelatge estructural i de processos i les primeres demostracions durant el proper any.
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 Digital i Economia..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 Assajos de Polímers), Universitat de Tampere (Facultat d'Enginyeria). materials).) Science), Peak Technology i Faurecia van contribuir a aquest treball de recerca.COMET-Modul està finançat pel govern d'Àustria i el govern de l'estat d'Estíria.
Les làmines prereforzades per a estructures de càrrega contenen fibres contínues, no només de vidre, sinó també de carboni i aramida.
Hi ha moltes maneres de fer peces compostes.Per tant, l'elecció del mètode per a una peça determinada dependrà del material, del disseny de la peça i de 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 ofereix un sacrifici zero, un cost més baix que la fibra verge i, finalment, oferirà longituds que s'apropin a la fibra contínua en propietats estructurals.
Hora de publicació: 15-mar-2023