Ang standard nga flat-platform tanks para sa mga BEV ug FCEV naggamit og thermoplastic ug thermoset composites nga adunay skeleton construction nga naghatag og 25% nga dugang nga H2 storage. #hydrogen #trends
Human sa usa ka kolaborasyon sa BMW nga nagpakita nga ang usa ka cubic tank makahatag og mas taas nga volumetric efficiency kay sa daghang gagmay nga mga silindro, ang Technical University of Munich nagsugod sa usa ka proyekto aron makahimo og composite structure ug usa ka scalable manufacturing process para sa serial production. Kredito sa imahe: TU Dresden (ibabaw) wala), Technical University of Munich, Department of Carbon Composites (LCC)
Ang mga fuel cell electric vehicle (FCEV) nga gipadagan sa zero-emission (H2) hydrogen naghatag og dugang nga paagi aron makab-ot ang zero environmental targets. Ang usa ka fuel cell passenger car nga adunay H2 engine mapuno sulod sa 5-7 ka minuto ug adunay range nga 500 km, apan mas mahal karon tungod sa ubos nga production volume. Usa ka paagi aron makunhuran ang gasto mao ang paggamit og standard nga plataporma para sa mga modelo sa BEV ug FCEV. Dili kini mahimo karon tungod kay ang Type 4 cylindrical tanks nga gigamit sa pagtipig sa compressed H2 gas (CGH2) sa 700 bar sa mga FCEV dili angay para sa mga underbody battery compartments nga maampingong gidisenyo para sa mga electric vehicle. Bisan pa, ang mga pressure vessel nga porma sa mga unlan ug cube mahimong mohaom niining patag nga packaging space.
Patent US5577630A para sa “Composite Conformal Pressure Vessel”, aplikasyon nga gisang-at sa Thiokol Corp. niadtong 1995 (wala) ug ang rectangular pressure vessel nga gi-patente sa BMW niadtong 2009 (tuo).
Ang Department of Carbon Composites (LCC) sa Technical University of Munich (TUM, Munich, Germany) nalambigit sa duha ka proyekto aron mapalambo kini nga konsepto. Ang una mao ang Polymers4Hydrogen (P4H), nga gipangulohan sa Leoben Polymer Competence Center (PCCL, Leoben, Austria). Ang LCC work package gipangulohan ni Fellow Elizabeth Glace.
Ang ikaduhang proyekto mao ang Hydrogen Demonstration and Development Environment (HyDDen), diin ang LCC gipangulohan ni Researcher Christian Jaeger. Pareho silang nagtumong sa paghimo og usa ka dako nga demonstrasyon sa proseso sa paggama alang sa paghimo og angay nga tangke sa CGH2 gamit ang carbon fiber composites.
Limitado ang volumetric efficiency kon ang gagmay nga diametro sa mga silindro i-install sa mga patag nga selula sa baterya (wala) ug cubic type 2 pressure vessel nga hinimo sa mga steel liner ug usa ka carbon fiber/epoxy composite outer shell (tuo). Tinubdan sa Imahe: Ang mga Hulagway 3 ug 6 gikan sa “Numerical Design Approach for Type II Pressure Box Vessel with Internal Tension Legs” ni Ruf ug Zaremba et al.
Ang P4H naghimo og usa ka experimental cube tank nga naggamit og thermoplastic frame nga adunay composite tension straps/struts nga giputos sa carbon fiber reinforced epoxy. Ang HyDDen mogamit og susamang disenyo, apan mogamit og automatic fiber layup (AFP) sa paggama sa tanang thermoplastic composite tanks.
Gikan sa usa ka aplikasyon sa patente sa Thiokol Corp. ngadto sa "Composite Conformal Pressure Vessel" niadtong 1995 ngadto sa German Patent DE19749950C2 niadtong 1997, ang mga compressed gas vessel "mahimong adunay bisan unsang geometric configuration", apan labi na ang patag ug dili regular nga mga porma, sa usa ka lungag nga konektado sa suporta sa kabhang. Ang mga elemento gigamit aron kini makasugakod sa puwersa sa pagpalapad sa gas.
Usa ka papel sa Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) niadtong 2006 naghulagway sa tulo ka pamaagi: usa ka filament wound conformal pressure vessel, usa ka microlattice pressure vessel nga adunay internal orthorhombic lattice structure (gagmay nga mga selula nga 2 cm o mas mubo pa), nga gilibutan sa nipis nga bungbong nga H2 container, ug usa ka replicator container, nga gilangkoban sa internal nga istruktura nga gilangkoban sa gipapilit nga gagmay nga mga bahin (pananglitan, hexagonal plastic rings) ug usa ka komposisyon sa nipis nga panit sa gawas nga kabhang. Ang mga duplicate nga container labing angay alang sa mas dagkong mga container diin ang tradisyonal nga mga pamaagi mahimong lisud ipadapat.
Ang patente nga DE102009057170A nga gisang-at sa Volkswagen niadtong 2009 naghulagway sa usa ka pressure vessel nga gibutang sa sakyanan nga makahatag og taas nga episyente sa gibug-aton samtang nagpauswag sa paggamit sa espasyo. Ang mga rektanggulo nga tangke naggamit og mga tension connector tali sa duha ka rektanggulo nga magkaatbang nga mga bungbong, ug ang mga kanto lingin.
Ang nahisgutan sa ibabaw ug uban pang mga konsepto gikutlo ni Gleiss sa papel nga “Process Development for Cubic Pressure Vessels with Stretch Bars” ni Gleiss et al. sa ECCM20 (Hunyo 26-30, 2022, Lausanne, Switzerland). Niini nga artikulo, iyang gikutlo ang usa ka pagtuon sa TUM nga gipatik ni Michael Roof ug Sven Zaremba, nga nakakaplag nga ang usa ka cubic pressure vessel nga adunay tension struts nga nagkonektar sa rectangular nga mga kilid mas episyente kay sa daghang gagmay nga mga silindro nga mohaom sa espasyo sa usa ka patag nga baterya, nga naghatag og gibana-bana nga 25% nga dugang nga espasyo sa pagtipig.
Sumala ni Gleiss, ang problema sa pag-instalar og daghang gagmay nga type 4 cylinders sa usa ka patag nga case mao nga "ang volume tali sa mga cylinder mikunhod pag-ayo ug ang sistema adunay usab dako kaayo nga H2 gas permeation surface. Sa kinatibuk-an, ang sistema naghatag og gamay nga kapasidad sa pagtipig kaysa cubic jars."
Apan, adunay ubang mga problema sa cubic design sa tangke. “Klaro nga tungod sa compressed gas, kinahanglan nimong suklan ang mga pwersa sa pagliko sa patag nga mga bungbong,” matod ni Gleiss. “Alang niini, kinahanglan nimo ang usa ka gipalig-on nga istruktura nga nagkonektar sa sulod sa mga bungbong sa tangke. Apan lisod kana buhaton sa mga composite.”
Gisulayan ni Glace ug sa iyang team nga ilakip ang mga reinforcing tension bar sa pressure vessel sa paagi nga angay sa proseso sa filament winding. “Importante kini para sa high-volume production,” siya mipasabot, “ug nagtugot usab kanamo sa pagdesinyo sa winding pattern sa mga bungbong sa container aron ma-optimize ang fiber orientation para sa matag load sa zone.”
Upat ka lakang sa paghimo og trial cubic composite tank para sa P4H project. Kredito sa imahe: “Development of a production process for cubic pressure vessels with brace”, Technical University of Munich, Polymers4Hydrogen project, ECCM20, Hunyo 2022.
Aron makab-ot ang on-chain, ang team nakaugmad og bag-ong konsepto nga gilangkoban sa upat ka nag-unang lakang, sama sa gipakita sa ibabaw. Ang mga tension struts, nga gipakita sa itom sa mga hagdanan, usa ka prefabricated frame structure nga gihimo gamit ang mga pamaagi nga gikuha gikan sa MAI Skelett project. Alang niini nga proyekto, ang BMW nakaugmad og windshield frame nga "framework" gamit ang upat ka fiber-reinforced pultrusion rods, nga dayon gihulma ngadto sa usa ka plastik nga frame.
Ang bayanan sa usa ka eksperimental nga cubic tank. Mga hexagonal skeletal section nga giimprinta sa 3D sa TUM gamit ang unreinforced PLA filament (ibabaw), nga gisulod ang CF/PA6 pultrusion rods isip tension braces (tunga) ug dayon giputos ang filament sa palibot sa mga braces (ubos). Kredito sa imahe: Technical University of Munich LCC.
“Ang ideya mao nga mahimo nimong tukuron ang frame sa usa ka cubic tank isip usa ka modular nga istruktura,” ingon ni Glace. “Kini nga mga module gibutang dayon sa usa ka molding tool, ang mga tension struts gibutang sa mga frame module, ug dayon ang pamaagi ni MAI Skelett gigamit sa palibot sa mga struts aron i-integrate kini sa mga bahin sa frame.” pamaagi sa mass production, nga moresulta sa usa ka istruktura nga dayon gigamit isip usa ka mandrel o core aron iputos ang storage tank composite shell.
Gidisenyo sa TUM ang frame sa tangke isip usa ka cubic nga "cushion" nga adunay solidong mga kilid, lingin nga mga kanto ug usa ka hexagonal nga disenyo sa ibabaw ug ubos diin mahimong isulod ug i-attach ang mga higot. Ang mga lungag para niining mga rack gi-3D print usab. "Para sa among inisyal nga eksperimental nga tangke, among gi-3D print ang hexagonal frame sections gamit ang polylactic acid [PLA, usa ka bio-based thermoplastic] tungod kay kini sayon ug barato," matod ni Glace.
Ang team mipalit og 68 ka pultruded carbon fiber reinforced polyamide 6 (PA6) rods gikan sa SGL Carbon (Meitingen, Germany) para gamiton isip mga higot. “Aron masulayan ang konsepto, wala mi mihimo og bisan unsang paghulma,” matod ni Gleiss, “apan gisulod lang namo ang mga spacer sa usa ka 3D printed honeycomb core frame ug gipapilit kini gamit ang epoxy glue. Kini dayon makahatag og mandrel para sa pag-winding sa tangke.” Namatikdan niya nga bisan tuod kini nga mga rods medyo dali ra i-winding, adunay pipila ka mga importanteng problema nga ihulagway sa ulahi.
“Sa unang yugto, ang among tumong mao ang pagpakita sa pagkagama sa disenyo ug pag-ila sa mga problema sa konsepto sa produksiyon,” mipasabut si Gleiss. “Mao nga ang mga tension struts nagtuybo gikan sa gawas nga nawong sa istruktura sa kalabera, ug among gilakip ang mga carbon fiber niini nga kinauyokan gamit ang basa nga filament winding. Pagkahuman niana, sa ikatulong lakang, among gibawog ang ulo sa matag tie rod. thermoplastic, mao nga gigamit lang namo ang kainit aron usbon ang porma sa ulo aron kini mopatag ug mo-lock sa unang layer sa wrapping. Dayon among gibalik ang pagputos sa istruktura aron ang patag nga thrust head geometrically enclosed sulod sa tangke. laminate sa mga dingding.”
Taklob sa spacer para sa pag-winding. Ang TUM naggamit og plastik nga mga taklob sa mga tumoy sa mga tension rod aron malikayan ang pagkagusbat sa mga lanot atol sa pag-winding sa filament. Kredito sa imahe: Technical University of Munich LCC.
Gisubli ni Glace nga kining unang tangke usa ka pruweba sa konsepto. “Ang paggamit sa 3D printing ug glue para lang sa inisyal nga pagsulay ug naghatag kanamo og ideya sa pipila ka mga problema nga among nasugatan. Pananglitan, atol sa pag-winding, ang mga filament nasangit sa mga tumoy sa tension rods, hinungdan sa pagkabali sa fiber, kadaot sa fiber, ug pagkunhod sa gidaghanon sa fiber aron masumpo kini. Migamit kami og pipila ka plastik nga mga takup isip mga gamit sa paggama nga gibutang sa mga poste sa wala pa ang unang lakang sa pag-winding. Dayon, sa dihang nahimo na ang internal laminates, among gikuha kini nga mga protective cap ug giusab ang porma sa mga tumoy sa mga poste sa wala pa ang katapusang pagputos.”
Ang team nag-eksperimento sa lain-laing mga senaryo sa rekonstruksyon. “Kadtong mga motan-aw sa palibot mao ang labing maayo nga motrabaho,” matod ni Grace. “Usab, atol sa hugna sa prototyping, migamit kami og giusab nga himan sa welding aron ipainit ug usbon ang porma sa mga tumoy sa tie rod. Sa usa ka konsepto sa mass production, aduna kay usa ka mas dako nga himan nga makaporma ug makaporma sa tanang tumoy sa mga strut ngadto sa usa ka interior finish laminate sa samang higayon. . ”
Gibag-o ang porma sa mga ulo sa drawbar. Nag-eksperimento ang TUM sa lain-laing mga konsepto ug giusab ang mga weld aron i-align ang mga tumoy sa composite ties para ikabit sa laminate sa bungbong sa tangke. Kredito sa imahe: “Development of a production process for cubic pressure vessels with brace”, Technical University of Munich, Polymers4Hydrogen project, ECCM20, Hunyo 2022.
Busa, ang laminate gipauga human sa unang lakang sa pagliko, ang mga poste giusab ang porma, ang TUM mokompleto sa ikaduhang pagliko sa mga filament, ug dayon ang laminate sa gawas nga bungbong sa tangke gipauga sa ikaduhang higayon. Palihug timan-i nga kini usa ka tipo 5 nga disenyo sa tangke, nga nagpasabut nga wala kini plastik nga liner isip babag sa gas. Tan-awa ang diskusyon sa Sunod nga mga Lakang nga seksyon sa ubos.
“Giputol namo ang unang demo ngadto sa mga cross section ug gimapa ang konektadong lugar,” matod ni Glace. “Ang close-up nagpakita nga aduna kami'y pipila ka mga isyu sa kalidad sa laminate, diin ang mga strut head wala magtapad sa interior laminate.”
Pagsulbad sa mga problema sa mga kal-ang tali sa laminate sa sulod ug gawas nga mga bungbong sa tangke. Ang giusab nga tie rod head nagmugna og kal-ang tali sa una ug ikaduhang mga liko sa eksperimental nga tangke. Kredito sa imahe: Technical University of Munich LCC.
Kining inisyal nga 450 x 290 x 80mm nga tangke nahuman sa miaging ting-init. “Dako na ang among pag-uswag sukad niadto, apan aduna pa gihapoy gintang tali sa interior ug exterior laminate,” matod ni Glace. “Mao nga gisulayan namo nga pun-on kadtong mga gintang gamit ang limpyo ug taas nga viscosity resin. Kini aktuwal nga nagpauswag sa koneksyon tali sa mga stud ug sa laminate, nga nagdugang pag-ayo sa mekanikal nga stress.”
Ang grupo nagpadayon sa pagpalambo sa disenyo ug proseso sa tangke, lakip ang mga solusyon para sa gitinguha nga sumbanan sa pagliko. “Ang mga kilid sa tangke sa pagsulay wala hingpit nga gikulot tungod kay lisod para niini nga geometry ang paghimo og agianan sa pagliko,” mipasabut si Glace. “Ang among inisyal nga anggulo sa pagliko kay 75°, apan nahibal-an namo nga daghang mga sirkito ang gikinahanglan aron matubag ang karga niining pressure vessel. Nangita pa kami og solusyon niini nga problema, apan dili kini sayon tungod sa software nga anaa karon sa merkado. Mahimo kini nga usa ka sunod nga proyekto.”
“Napamatud-an na namo ang posibilidad niining konsepto sa produksiyon,” matod ni Gleiss, “apan kinahanglan pa namong magtrabaho aron mapaayo ang koneksyon tali sa laminate ug usbon ang porma sa mga tie rod. “External testing sa usa ka testing machine. Imong kuhaon ang mga spacer gikan sa laminate ug sulayan ang mekanikal nga mga karga nga maantos sa maong mga lutahan.”
Kini nga bahin sa proyekto sa Polymers4Hydrogen mahuman sa katapusan sa 2023, diin sa maong panahon si Gleis naglaum nga makompleto ang ikaduhang demonstration tank. Makapainteres, ang mga disenyo karon naggamit ug hapsay nga reinforced thermoplastics sa frame ug thermoset composites sa mga bungbong sa tangke. Gamiton ba kini nga hybrid nga pamaagi sa katapusang demonstration tank? “Oo,” ingon ni Grace. “Ang among mga kauban sa proyekto sa Polymers4Hydrogen nagpalambo sa epoxy resins ug uban pang composite matrix materials nga adunay mas maayo nga hydrogen barrier properties.” Gilista niya ang duha ka kauban nga nagtrabaho niini nga trabaho, ang PCCL ug ang University of Tampere (Tampere, Finland).
Si Gleiss ug ang iyang team nagbayloay usab og impormasyon ug naghisgot og mga ideya uban sa Jaeger bahin sa ikaduhang proyekto sa HyDDen gikan sa LCC conformal composite tank.
“Maghimo kami og conformal composite pressure vessel para sa mga research drone,” matod ni Jaeger. “Kini usa ka kolaborasyon tali sa duha ka departamento sa Aerospace and Geodetic Department sa TUM – LCC ug sa Department of Helicopter Technology (HT). Ang proyekto mahuman sa katapusan sa 2024 ug karon among gikompleto ang pressure vessel, usa ka disenyo nga mas nahiuyon sa aerospace ug automotive approach. Human niining inisyal nga yugto sa konsepto, ang sunod nga lakang mao ang paghimo og detalyado nga structural modeling ug pagtagna sa barrier performance sa wall structure.”
“Ang tibuok ideya mao ang paghimo og usa ka exploratory drone nga adunay hybrid fuel cell ug battery propulsion system,” padayon niya. Gamiton niini ang baterya panahon sa taas nga power loads (pananglitan takeoff ug landing) ug dayon mobalhin sa fuel cell panahon sa light load cruising. “Ang HT team aduna nay research drone ug gi-redesign ang powertrain aron magamit ang mga baterya ug fuel cell,” matod ni Yeager. “Nipalit usab sila og CGH2 tank aron sulayan kini nga transmission.”
“Ang akong team gitahasan sa paghimo og prototype sa pressure tank nga mohaom, apan dili tungod sa mga isyu sa packaging nga mamugna sa usa ka cylindrical tank,” siya mipasabut. “Ang usa ka patag nga tangke dili kaayo makasukol sa hangin. Busa makakuha ka og mas maayo nga performance sa paglupad.” Ang mga dimensyon sa tangke gibana-bana nga 830 x 350 x 173 mm.
Tangke nga hingpit nga thermoplastic nga nahiuyon sa AFP. Para sa proyekto sa HyDDen, ang grupo sa LCC sa TUM sa sinugdanan nagsuhid sa susamang pamaagi sa gigamit sa Glace (sa ibabaw), apan mibalhin sa usa ka pamaagi gamit ang kombinasyon sa daghang mga structural module, nga gigamit pag-ayo gamit ang AFP (sa ubos). Kredito sa imahe: Technical University of Munich LCC.
“Usa ka ideya susama sa pamaagi ni Elisabeth [Gleiss],” matod ni Yager, “nga magbutang og tension braces sa bungbong sa sudlanan aron mabawi ang taas nga pwersa sa pagliko. Apan, imbes nga mogamit og proseso sa pag-winding aron mahimo ang tangke, among gigamit ang AFP. Busa, among gihunahuna ang paghimo og lahi nga seksyon sa pressure vessel, diin ang mga rack na-integrate na. Kini nga pamaagi nagtugot kanako sa paghiusa sa pipila niining integrated modules ug dayon pag-apply og end cap aron i-seal ang tanan sa dili pa ang katapusang pag-winding sa AFP.”
“Naningkamot mi nga mahuman ang maong konsepto,” padayon niya, “ug magsugod usab sa pagsulay sa pagpili sa mga materyales, nga importante kaayo aron masiguro ang gikinahanglan nga resistensya sa pagsulod sa H2 gas. Alang niini, kasagaran nagagamit kami og mga thermoplastic nga materyales ug nagtrabaho sa lain-laing paagi kon unsaon pag-apekto sa materyal kini nga permeation behavior ug pagproseso sa AFP machine. Importante nga masabtan kon ang treatment adunay epekto ug kon gikinahanglan ba ang bisan unsang post-processing. Gusto usab namong mahibal-an kon ang lain-laing mga stack makaapekto ba sa hydrogen permeation pinaagi sa pressure vessel.”
Ang tangke hinimo sa thermoplastic ug ang mga strips i-supply sa Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Germany). “Gamiton namo ang ilang PPS [polyphenylene sulfide], PEEK [polyether ketone] ug LM PAEK [low melting polyaryl ketone] nga mga materyales,” matod ni Yager. “Ang mga pagtandi gihimo dayon aron makita kung hain ang labing maayo alang sa penetration protection ug paghimo og mga piyesa nga adunay mas maayong performance.” Naglaum siya nga makompleto ang pagsulay, structural ug process modeling ug ang unang mga demonstrasyon sulod sa sunod nga tuig.
Ang panukiduki gihimo sulod sa COMET module nga “Polymers4Hydrogen” (ID 21647053) sulod sa programa sa COMET sa Federal Ministry for Climate Change, the Environment, Energy, Mobility, Innovation and Technology ug sa Federal Ministry for Digital Technology and Economics. . Ang mga tagsulat nagpasalamat sa mga partisipanteng kauban nga Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL, Austria), Montanuniversitaet Leoben (Faculty of Polymer Engineering and Science, Department of Chemistry of Polymer Materials, Department of Materials Science and Polymer Testing), University of Tampere (Faculty of Engineering Materials). ) Science), Peak Technology ug Faurecia nakatampo niining panukiduki. Ang COMET-Modul gipondohan sa gobyerno sa Austria ug sa gobyerno sa estado sa Styria.
Ang mga pre-reinforced sheet para sa mga load-bearing structure adunay mga continuous fibers - dili lang gikan sa bildo, apan gikan usab sa carbon ug aramid.
Daghang paagi sa paghimo og mga composite nga piyesa. Busa, ang pagpili sa pamaagi para sa usa ka partikular nga piyesa magdepende sa materyal, sa disenyo sa piyesa, ug sa katapusang gamit o aplikasyon. Ania ang giya sa pagpili.
Ang Shocker Composites ug R&M International nagpalambo og recycled carbon fiber supply chain nga walay igong produksiyon, mas barato kay sa virgin fiber ug sa ngadto-ngadto magtanyag og mga gitas-on nga susama sa padayon nga fiber sa ilang mga estruktural nga kabtangan.
Oras sa pag-post: Mar-15-2023