I serbatoi standard à piattaforma piatta per BEV è FCEV utilizanu cumposti termoplastici è termoindurenti cù una custruzzione di scheletru chì furnisce u 25% in più di almacenamentu di H2. #idrogenu #tendenze
Dopu chì una cullaburazione cù BMW hà dimustratu chì un serbatoiu cubicu puderia furnisce una efficienza volumetrica più alta chè parechji picculi cilindri, l'Università Tecnica di Monaco hà iniziatu un prughjettu per sviluppà una struttura cumposta è un prucessu di fabricazione scalabile per a pruduzzione in serie. Creditu di l'imagine: TU Dresden (in cima) à manca), Università Tecnica di Monaco, Dipartimentu di Cumposti di Carboniu (LCC)
I veiculi elettrichi à pila à combustibile (FCEV) alimentati da idrogenu à emissioni zero (H2) furniscenu mezi supplementari per ghjunghje à obiettivi ambientali zero. Una vittura di passageri à pila à combustibile cù un mutore H2 pò esse piena in 5-7 minuti è hà una autonomia di 500 km, ma hè attualmente più cara per via di i bassi volumi di pruduzzione. Un modu per riduce i costi hè di utilizà una piattaforma standard per i mudelli BEV è FCEV. Questu ùn hè micca attualmente pussibule perchè i serbatoi cilindrici di Tipu 4 utilizati per almacenà gas H2 compressu (CGH2) à 700 bar in FCEV ùn sò micca adatti per i compartimenti di batterie sottu a carrozzeria chì sò stati attentamente cuncipiti per i veiculi elettrichi. Tuttavia, i recipienti à pressione in forma di cuscini è cubi ponu adattassi in questu spaziu di imballaggio pianu.
Brevettu US5577630A per "Composite Conformal Pressure Vessel", dumanda presentata da Thiokol Corp. in u 1995 (à manca) è u recipiente à pressione rettangulare brevettatu da BMW in u 2009 (à diritta).
U Dipartimentu di Cumposti di Carboniu (LCC) di l'Università Tecnica di Monaco (TUM, Monaco, Germania) hè implicatu in dui prughjetti per sviluppà stu cuncettu. U primu hè Polymers4Hydrogen (P4H), guidatu da u Centru di Cumpetenza Polimeri di Leoben (PCCL, Leoben, Austria). U pacchettu di travagliu LCC hè guidatu da a Fellow Elizabeth Glace.
U secondu prughjettu hè l'Ambiente di Dimostrazione è Sviluppu di l'Idrogenu (HyDDen), induve LCC hè guidatu da u ricercatore Christian Jaeger. Tramindui anu cum'è scopu di creà una dimostrazione à grande scala di u prucessu di fabricazione per fà un serbatu CGH2 adattatu utilizendu cumposti di fibra di carbone.
Ci hè una efficienza volumetrica limitata quandu i cilindri di picculu diametru sò installati in celle di batteria piatte (à manca) è recipienti à pressione cubichi di tipu 2 fatti di rivestimenti d'acciaiu è un involucru esternu cumpostu di fibra di carboniu/epossidu (à diritta). Fonte di l'imagine: E figure 3 è 6 sò da "Numerical Design Approach for Type II Pressure Box Vessel with Internal Tension Legs" di Ruf è Zaremba et al.
P4H hà fabricatu un tank cubicu sperimentale chì usa un quadru termoplasticu cù cinghie/puntoni di tensione cumposti avvolti in resina epossidica rinforzata cù fibra di carboniu. HyDDen aduprerà un cuncepimentu simile, ma aduprerà a layup automatica di fibre (AFP) per fabricà tutti i tank cumposti termoplastici.
Da una dumanda di brevettu di Thiokol Corp. à "Composite Conformal Pressure Vessel" in u 1995 à u brevettu tedescu DE19749950C2 in u 1997, i recipienti di gasu cumpressu "ponu avè qualsiasi cunfigurazione geometrica", ma soprattuttu forme piatte è irregulari, in una cavità cunnessa à u supportu di a cunchiglia. L'elementi sò aduprati in modu chì possinu resiste à a forza di espansione di u gasu.
Un articulu di u 2006 di u Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) descrive trè approcci: un vasu à pressione cunfurmale à filamentu avvoltu, un vasu à pressione à microreticulu chì cuntene una struttura interna à reticulu ortorombicu (piccule cellule di 2 cm o menu), circundatu da un cuntainer H2 à pareti sottili, è un cuntainer replicatore, custituitu da una struttura interna custituita da piccule parti incollate (per esempiu, anelli di plastica esagonali) è una cumpusizione di una pelle esterna sottile. I cuntainer duplicati sò più adatti per i cuntainer più grandi induve i metudi tradiziunali ponu esse difficiuli da applicà.
U brevettu DE102009057170A presentatu da Volkswagen in u 2009 descrive un recipiente à pressione muntatu nantu à un veiculu chì furnisce una alta efficienza di pesu mentre migliora l'utilizzazione di u spaziu. I serbatoi rettangulari utilizanu connettori di tensione trà dui muri rettangulari opposti, è l'anguli sò arrotondati.
I cuncetti sopra citati è altri sò citati da Gleiss in l'articulu "Process Development for Cubic Pressure Vessels with Stretch Bars" di Gleiss et al. à ECCM20 (26-30 di ghjugnu 2022, Losanna, Svizzera). In questu articulu, cita un studiu TUM publicatu da Michael Roof è Sven Zaremba, chì hà trovu chì un recipiente à pressione cubicu cù montanti di tensione chì cunnettanu lati rettangulari hè più efficiente chè parechji picculi cilindri chì si adattanu à u spaziu di una batteria piatta, furnendu circa u 25% in più di spaziu di almacenamentu.
Sicondu Gleiss, u prublema cù l'installazione di un gran numeru di picculi cilindri di tipu 4 in una cassa piatta hè chì "u vulume trà i cilindri hè assai riduttu è u sistema hà ancu una superficia di permeazione di gas H2 assai grande. In generale, u sistema furnisce menu capacità di almacenamentu cà i vasi cubichi".
Tuttavia, ci sò altri prublemi cù u disignu cubicu di u tank. "Ovviamente, per via di u gasu cumpressu, ci vole à cuntrastà e forze di flessione nantu à i muri piatti", hà dettu Gleiss. "Per questu, ci vole una struttura rinforzata chì si cunnetta internamente à i muri di u tank. Ma questu hè difficiule da fà cù i cumposti".
Glace è a so squadra anu pruvatu à incorporà barre di tensione di rinforzu in u vasu à pressione in un modu chì fussi adattatu per u prucessu di avvolgimentu di filamenti. "Questu hè impurtante per a pruduzzione di grande vulume", spiega, "è ci permette ancu di cuncepisce u schema di avvolgimentu di e pareti di u cuntainer per ottimizà l'orientazione di e fibre per ogni carica in a zona".
Quattru passi per fà un serbatoiu cumpostu cubicu di prova per u prugettu P4H. Creditu di l'imagine: "Sviluppu di un prucessu di pruduzzione per recipienti à pressione cubici cù rinforzu", Università Tecnica di Monaco, prugettu Polymers4Hydrogen, ECCM20, ghjugnu 2022.
Per ottene a catena, a squadra hà sviluppatu un novu cuncettu custituitu da quattru tappe principali, cum'è mostratu sopra. I montanti di tensione, mostrati in neru nantu à e tappe, sò una struttura di quadru prefabbricata fabbricata cù metudi presi da u prughjettu MAI Skelett. Per questu prughjettu, BMW hà sviluppatu un "quadru" di quadru di parabrisa utilizendu quattru barre di pultrusione rinforzate cù fibre, chì sò state poi modellate in un quadru di plastica.
A struttura di un tank cubicu sperimentale. Sezioni scheletriche esagonali stampate in 3D da TUM cù filamentu PLA senza rinforzu (in cima), inserendu barre di pultrusione CF/PA6 cum'è rinforzi di tensione (in mezu) è poi avvolgendu u filamentu intornu à i rinforzi (in fondu). Creditu di l'imagine: Università Tecnica di Monaco LCC.
«L'idea hè di pudè custruisce u quadru di un serbatu cubicu cum'è una struttura mudulare», hà dettu Glace. «Questi moduli sò poi piazzati in un strumentu di stampaggio, i montanti di tensione sò piazzati in i moduli di u quadru, è dopu u metudu di MAI Skelett hè adupratu intornu à i montanti per integralli cù e parti di u quadru». metudu di pruduzzione di massa, chì dà una struttura chì hè poi aduprata cum'è un mandrinu o un core per avvolge u gusciu cumpostu di u serbatu di almacenamentu.
TUM hà cuncipitu u quadru di u tank cum'è un "cuscinu" cubicu cù lati solidi, anguli arrotondati è un mudellu esagonale in cima è in fondu attraversu u quale si ponu inserisce è attaccà i lacci. I fori per questi rack sò stati ancu stampati in 3D. "Per u nostru tank sperimentale iniziale, avemu stampatu in 3D sezioni di quadru esagonali aduprendu l'acidu polilatticu [PLA, un termoplasticu à basa biologica] perchè era faciule è economicu", hà dettu Glace.
A squadra hà acquistatu 68 barre di poliammide 6 (PA6) rinforzate cù fibra di carbone pultrusa da SGL Carbon (Meitingen, Germania) per aduprà cum'è ligami. "Per pruvà u cuncettu, ùn avemu fattu alcun stampaggio", dice Gleiss, "ma avemu simpliciamente inseritu distanziatori in un quadru à anima a nido d'ape stampatu in 3D è li avemu incollati cù colla epossidica. Questu furnisce tandu un mandrinu per avvolgere u serbatoiu". Ella nota chì, ancu s'è queste barre sò relativamente facili da avvolgere, ci sò alcuni prublemi significativi chì saranu descritti più tardi.
«À a prima tappa, u nostru scopu era di dimustrà a fabricabilità di u disignu è d'identificà i prublemi in u cuncettu di pruduzzione», hà spiegatu Gleiss. «Cusì i montanti di tensione spuntanu da a superficia esterna di a struttura scheletrica, è attaccemu e fibre di carbone à questu core aduprendu l'avvolgimentu di filamenti umidi. Dopu à quessa, in a terza tappa, pieghemu a testa di ogni tirante. termoplasticu, dunque usemu solu u calore per rimodellà a testa in modu chì si appiattisca è si blocchi in u primu stratu di involucru. Dopu procedemu à imballà di novu a struttura in modu chì a testa di spinta piatta sia geometricamente racchiusa in u serbatu. laminatu nantu à i muri.»
Tappu distanziatore per l'avvolgimentu. TUM usa tappi di plastica à l'estremità di e barre di tensione per impedisce à e fibre di aggrovigliassi durante l'avvolgimentu di u filamentu. Creditu di l'imagine: Università Tecnica di Monaco LCC.
Glace hà ribaditu chì questu primu tank era una prova di cuncettu. "L'usu di a stampa 3D è di a colla era solu per i testi iniziali è ci hà datu una idea di alcuni di i prublemi chì avemu scontru. Per esempiu, durante l'avvolgimentu, i filamenti sò stati presi da l'estremità di e barre di tensione, causendu a rottura di e fibre, danni à e fibre è riducendu a quantità di fibre per cuntrastà questu. Avemu utilizatu uni pochi di tappi di plastica cum'è aiuti di fabricazione chì sò stati posti nantu à i pali prima di a prima tappa di avvolgimentu. Dopu, quandu i laminati interni sò stati fatti, avemu cacciatu questi tappi protettivi è rimodellatu l'estremità di i pali prima di l'imballaggio finale".
A squadra hà sperimentatu diversi scenarii di ricustruzzione. "Quelli chì si guardanu intornu travaglianu megliu", dice Grace. "Inoltre, durante a fase di prototipazione, avemu utilizatu un strumentu di saldatura mudificatu per applicà u calore è rimodellà l'estremità di i tiranti. In un cuncettu di pruduzzione di massa, avresti un strumentu più grande chì pò modellà è furmà tutte l'estremità di i montanti in un laminatu di finitura interna à u listessu tempu. ."
Teste di timone rimodellate. TUM hà sperimentatu diversi cuncetti è hà mudificatu e saldature per allineà l'estremità di e ligami cumposti per attaccà à u laminatu di a parete di u serbatoiu. Creditu di l'imagine: "Sviluppu di un prucessu di pruduzzione per recipienti à pressione cubichi cù rinforzu", Università Tecnica di Monaco, prughjettu Polymers4Hydrogen, ECCM20, ghjugnu 2022.
Cusì, u laminatu hè induritu dopu à a prima tappa di avvolgimentu, i montanti sò rimodellati, u TUM cumpleta a seconda avvolgimentu di i filamenti, è dopu u laminatu di a parete esterna di u serbatu hè induritu una seconda volta. Nota chì questu hè un cuncepimentu di serbatu di tipu 5, ciò chì significa chì ùn hà micca un rivestimentu di plastica cum'è barriera di gas. Vede a discussione in a sezione Prossimi Passi quì sottu.
«Avemu tagliatu a prima dimustrazione in sezioni trasversali è mappatu a zona cunnessa», hà dettu Glace. «Un primu pianu mostra chì avemu avutu qualchi prublemi di qualità cù u laminatu, cù e teste di i montanti chì ùn eranu micca piatte nantu à u laminatu internu».
Risoluzione di prublemi cù spazii trà u laminatu di i muri interni è esterni di u tank. A testa di u tirante mudificata crea un spaziu trà a prima è a seconda spira di u tank sperimentale. Creditu di l'imagine: Università Tecnica di Monaco LCC.
Stu serbatu iniziale di 450 x 290 x 80 mm hè statu finitu l'estate scorsa. "Avemu fattu assai progressi da tandu, ma avemu sempre un spaziu trà u laminatu internu è quellu esternu", hà dettu Glace. "Cusì avemu pruvatu à riempie quelli spazii cù una resina pulita è à alta viscosità. Questu migliora in realtà a cunnessione trà i perni è u laminatu, ciò chì aumenta assai u stress meccanicu".
A squadra hà cuntinuatu à sviluppà u disignu è u prucessu di u tank, cumprese e suluzioni per u schema di avvolgimentu desideratu. "I lati di u tank di prova ùn eranu micca cumpletamente arricciati perchè era difficiule per sta geometria di creà un percorsu di avvolgimentu", hà spiegatu Glace. "U nostru angulu di avvolgimentu iniziale era di 75°, ma sapemu chì eranu necessarii parechji circuiti per risponde à u caricu in questu vasu à pressione. Cerchemu sempre una suluzione à questu prublema, ma ùn hè micca faciule cù u software attualmente in u mercatu. Puderia diventà un prughjettu di seguitu.
«Avemu dimustratu a fattibilità di stu cuncettu di pruduzzione», dice Gleiss, «ma ci vole à travaglià più in là per migliurà a cunnessione trà u laminatu è rimodellà i tiranti. «Test esterni nantu à una macchina di prova. Si tiranu i distanziatori fora di u laminatu è si provanu i carichi meccanichi chì quelle articulazioni ponu suppurtà.»
Sta parte di u prugettu Polymers4Hydrogen serà cumpletata à a fine di u 2023, è per quessa Gleis spera di compie u secondu tank di dimustrazione. Hè interessante nutà chì i disinni d'oghje utilizanu termoplastici rinforzati in u quadru è cumposti termoindurenti in i muri di u tank. Questu approcciu ibridu serà utilizatu in u tank di dimustrazione finale ? "Iè", hà dettu Grace. "I nostri partenarii in u prugettu Polymers4Hydrogen stanu sviluppendu resine epossidiche è altri materiali di matrice cumposta cù migliori proprietà di barriera à l'idrogenu". Ella elenca dui partenarii chì travaglianu à questu travagliu, PCCL è l'Università di Tampere (Tampere, Finlandia).
Gleiss è a so squadra anu ancu scambiatu infurmazioni è discuttu idee cù Jaeger nantu à u secondu prughjettu HyDDen da u tank cumpostu cunfurmale LCC.
«Pruduceremu un recipiente à pressione cumpostu cunfurmale per i droni di ricerca», dice Jaeger. «Questa hè una cullaburazione trà i dui dipartimenti di u Dipartimentu Aerospaziale è Geodeticu di TUM - LCC è u Dipartimentu di Tecnulugia di l'Elicotteri (HT). U prugettu serà cumpletatu à a fine di u 2024 è stemu attualmente cumpletendu u recipiente à pressione. Un cuncepimentu chì hè più un approcciu aerospaziale è automobilisticu. Dopu à sta fase di cuncettu iniziale, u prossimu passu hè di realizà una modellazione strutturale dettagliata è di prevede a prestazione di barriera di a struttura di u muru».
«L'idea generale hè di sviluppà un drone esplorativu cù un sistema di propulsione ibridu à pila à combustibile è batteria», hà cuntinuatu. Userà a batteria durante i carichi di alta putenza (vale à dì u decollo è l'atterraggio) è dopu passerà à a pila à combustibile durante e crociere à carica ligera. «A squadra HT avia digià un drone di ricerca è hà riprogettatu u gruppu motopropulsore per aduprà sia batterie sia pile à combustibile», hà dettu Yeager. «Anu ancu acquistatu un serbatoiu CGH2 per testà sta trasmissione».
«A mo squadra hè stata incaricata di custruisce un prototipu di serbatoiu à pressione chì si adattassi, ma micca per via di i prublemi di imballaggio chì un serbatoiu cilindricu creerebbe», spiega. «Un serbatoiu più pianu ùn offre micca tanta resistenza à u ventu. Cusì si ottenenu prestazioni di volu megliu». Dimensioni di u serbatoiu circa 830 x 350 x 173 mm.
Serbatoiu cumpletamente termoplasticu cumpatibile cù AFP. Per u prugettu HyDDen, a squadra LCC di TUM hà inizialmente esploratu un approcciu simile à quellu utilizatu da Glace (sopra), ma dopu hè passata à un approcciu chì utilizava una cumbinazione di parechji moduli strutturali, chì sò stati poi sovrautilizati cù AFP (sottu). Creditu di l'imagine: Università Tecnica di Monaco LCC.
«Una idea hè simile à l'approcciu di Elisabeth [Gleiss]», dice Yager, «d'applicà rinforzi di tensione à a parete di u vasu per cumpensà l'alte forze di flessione. Tuttavia, invece di utilizà un prucessu di avvolgimentu per fà u serbatoiu, usemu AFP. Dunque, avemu pensatu à creà una sezione separata di u vasu à pressione, in a quale i rack sò digià integrati. Questu approcciu m'hà permessu di cumminà parechji di sti moduli integrati è dopu applicà un tappu finale per sigillà tuttu prima di l'avvolgimentu AFP finale».
«Cerchemu di finalizà un tale cuncettu», hà cuntinuatu, «è ancu di cumincià à pruvà a selezzione di i materiali, chì hè assai impurtante per assicurà a resistenza necessaria à a penetrazione di u gasu H2. Per questu, usemu principalmente materiali termoplastici è travagliemu nantu à diversi modi in cui u materiale influenzerà stu cumpurtamentu di permeazione è u trattamentu in a macchina AFP. Hè impurtante capisce se u trattamentu avarà un effettu è se hè necessariu un post-trattamentu. Vulemu ancu sapè se diverse pile influenzeranu a permeazione di l'idrogenu attraversu u vasu à pressione».
U serbatu serà interamente fattu di termoplasticu è e strisce seranu furnite da Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Germania). "Useremu i so materiali PPS [sulfuru di polifenilene], PEEK [polietere chetone] è LM PAEK [poliarile chetone à bassu puntu di fusione]", hà dettu Yager. "Si facenu dopu paragoni per vede quale hè u megliu per a prutezzione da a penetrazione è a pruduzzione di pezzi cù prestazioni megliu". Spera di cumpletà i testi, a modellazione strutturale è di prucessu è e prime dimostrazioni in l'annu prossimu.
U travagliu di ricerca hè statu realizatu in u modulu COMET "Polymers4Hydrogen" (ID 21647053) in u prugramma COMET di u Ministeru Federale per u Cambiamentu Climaticu, l'Ambiente, l'Energia, a Mobilità, l'Innuvazione è a Tecnulugia è u Ministeru Federale per a Tecnulugia Digitale è l'Ecunumia. L'autori ringrazianu i partenarii participanti Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL, Austria), Montanuniversitaet Leoben (Facultà di Ingegneria è Scienza di i Polimeri, Dipartimentu di Chimica di i Materiali Polimeri, Dipartimentu di Scienza di i Materiali è Test di i Polimeri), Università di Tampere (Facultà di Ingegneria di i Materiali), Peak Technology è Faurecia chì anu cuntribuitu à questu travagliu di ricerca. COMET-Modul hè finanziatu da u guvernu di l'Austria è da u guvernu di u statu di Stiria.
I fogli pre-rinforzati per e strutture portanti cuntenenu fibre continue - micca solu di vetru, ma ancu di carbone è aramide.
Ci sò parechji modi per fà pezzi cumposti. Dunque, a scelta di u metudu per una parte particulare dipenderà da u materiale, u disignu di a parte è l'usu finale o l'applicazione. Eccu una guida di selezzione.
Shocker Composites è R&M International stanu sviluppendu una catena di furnimentu di fibra di carbone riciclata chì ùn furnisce micca macellazione, un costu più bassu cà a fibra vergine è chì eventualmente offrirà lunghezze chì si avvicinanu à a fibra cuntinua in e proprietà strutturali.
Data di publicazione: 15 di marzu di u 2023