Mae tanciau platfform gwastad safonol ar gyfer cerbydau pŵer di-wifr a cherbydau nwy di-wifr yn defnyddio cyfansoddion thermoplastig a thermoset gydag adeiladwaith sgerbwd sy'n darparu 25% yn fwy o storfa H2. #hydrogen #tueddiadau
Ar ôl i gydweithrediad â BMW ddangos y gallai tanc ciwbig ddarparu effeithlonrwydd cyfeintiol uwch na silindrau bach lluosog, cychwynnodd Prifysgol Dechnegol Munich ar brosiect i ddatblygu strwythur cyfansawdd a phroses weithgynhyrchu graddadwy ar gyfer cynhyrchu cyfresol. Credyd delwedd: TU Dresden (chwith uchaf), Prifysgol Dechnegol Munich, Adran Cyfansoddion Carbon (LCC)
Mae cerbydau trydan celloedd tanwydd (FCEVs) sy'n cael eu pweru gan hydrogen allyriadau sero (H2) yn darparu modd ychwanegol o gyflawni targedau amgylcheddol sero. Gellir llenwi car teithwyr celloedd tanwydd gydag injan H2 mewn 5-7 munud ac mae ganddo ystod o 500 km, ond ar hyn o bryd mae'n ddrytach oherwydd cyfrolau cynhyrchu isel. Un ffordd o leihau costau yw defnyddio platfform safonol ar gyfer modelau BEV a FCEV. Nid yw hyn yn bosibl ar hyn o bryd oherwydd nad yw'r tanciau silindrog Math 4 a ddefnyddir i storio nwy H2 cywasgedig (CGH2) ar 700 bar mewn FCEVs yn addas ar gyfer yr adrannau batri o dan y corff sydd wedi'u cynllunio'n ofalus ar gyfer cerbydau trydan. Fodd bynnag, gall llestri pwysau ar ffurf gobenyddion a chiwbiau ffitio i'r gofod pecynnu gwastad hwn.
Patent US5577630A ar gyfer “Composite Conformal Pressure Vessel”, cais a gyflwynwyd gan Thiokol Corp. ym 1995 (chwith) a’r llestr pwysau petryalog a batentwyd gan BMW yn 2009 (dde).
Mae Adran Cyfansoddion Carbon (LCC) Prifysgol Dechnegol Munich (TUM, Munich, yr Almaen) yn rhan o ddau brosiect i ddatblygu'r cysyniad hwn. Y cyntaf yw Polymers4Hydrogen (P4H), dan arweiniad Canolfan Cymhwysedd Polymer Leoben (PCCL, Leoben, Awstria). Mae pecyn gwaith yr LCC yn cael ei arwain gan y Cymrawd Elizabeth Glace.
Yr ail brosiect yw'r Amgylchedd Arddangos a Datblygu Hydrogen (HyDDen), lle mae LCC yn cael ei arwain gan yr Ymchwilydd Christian Jaeger. Nod y ddau yw creu arddangosiad ar raddfa fawr o'r broses weithgynhyrchu ar gyfer gwneud tanc CGH2 addas gan ddefnyddio cyfansoddion ffibr carbon.
Mae effeithlonrwydd cyfeintiol cyfyngedig pan osodir silindrau diamedr bach mewn celloedd batri gwastad (chwith) a llestri pwysau math ciwbig 2 wedi'u gwneud o leininau dur a chragen allanol cyfansawdd ffibr carbon/epocsi (dde). Ffynhonnell Delwedd: Mae Ffigurau 3 a 6 o “Numerical Design Approach for Type II Pressure Box Vessel with Internal Tension Legs” gan Ruf a Zaremba et al.
Mae P4H wedi creu tanc ciwb arbrofol sy'n defnyddio ffrâm thermoplastig gyda strapiau/strwtiau tensiwn cyfansawdd wedi'u lapio mewn epocsi wedi'i atgyfnerthu â ffibr carbon. Bydd HyDDen yn defnyddio dyluniad tebyg, ond bydd yn defnyddio gosodiad ffibr awtomatig (AFP) i gynhyrchu pob tanc cyfansawdd thermoplastig.
O gais patent gan Thiokol Corp. i “Composite Conformal Pressure Vessel” ym 1995 i Batent Almaenig DE19749950C2 ym 1997, gall llestri nwy cywasgedig “fod ag unrhyw gyfluniad geometrig”, ond yn enwedig siapiau gwastad ac afreolaidd, mewn ceudod sy'n gysylltiedig â chefnogaeth y gragen. Defnyddir elfennau fel y gallant wrthsefyll grym ehangu'r nwy.
Mae papur Labordy Cenedlaethol Lawrence Livermore (LLNL) o 2006 yn disgrifio tair dull: llestr pwysau cydymffurfiol wedi'i weindio â ffilament, llestr pwysau microlattice sy'n cynnwys strwythur dellt orthorhombig mewnol (celloedd bach o 2 cm neu lai), wedi'i amgylchynu gan gynhwysydd H2 â waliau tenau, a chynhwysydd atgynhyrchu, sy'n cynnwys strwythur mewnol sy'n cynnwys rhannau bach wedi'u gludo (e.e., modrwyau plastig hecsagonol) a chyfansoddiad o groen cragen allanol tenau. Mae cynwysyddion dyblyg yn fwyaf addas ar gyfer cynwysyddion mwy lle gall fod yn anodd defnyddio dulliau traddodiadol.
Mae patent DE102009057170A a ffeiliwyd gan Volkswagen yn 2009 yn disgrifio llestr pwysau wedi'i osod ar gerbyd a fydd yn darparu effeithlonrwydd pwysau uchel wrth wella'r defnydd o le. Mae tanciau petryal yn defnyddio cysylltwyr tensiwn rhwng dwy wal betryal gyferbyn, ac mae'r corneli wedi'u crwnio.
Mae'r cysyniadau uchod a chysyniadau eraill wedi'u dyfynnu gan Gleiss yn y papur “Process Development for Cubic Pressure Vessels with Stretch Bars” gan Gleiss et al. yn ECCM20 (Mehefin 26-30, 2022, Lausanne, y Swistir). Yn yr erthygl hon, mae hi'n dyfynnu astudiaeth TUM a gyhoeddwyd gan Michael Roof a Sven Zaremba, a ganfu fod llestr pwysau ciwbig gyda strutiau tensiwn yn cysylltu ochrau petryal yn fwy effeithlon na sawl silindr bach sy'n ffitio i mewn i ofod batri gwastad, gan ddarparu tua 25% yn fwy o le storio.
Yn ôl Gleiss, y broblem gyda gosod nifer fawr o silindrau bach math 4 mewn cas gwastad yw bod “y cyfaint rhwng y silindrau wedi’i leihau’n fawr ac mae gan y system arwyneb treiddiad nwy H2 mawr iawn hefyd. At ei gilydd, mae’r system yn darparu llai o gapasiti storio na jariau ciwbig.”
Fodd bynnag, mae problemau eraill gyda dyluniad ciwbig y tanc. “Yn amlwg, oherwydd y nwy cywasgedig, mae angen i chi wrthweithio’r grymoedd plygu ar y waliau gwastad,” meddai Gleiss. “Ar gyfer hyn, mae angen strwythur wedi’i atgyfnerthu sy’n cysylltu’n fewnol â waliau’r tanc. Ond mae hynny’n anodd ei wneud gyda chyfansoddion.”
Ceisiodd Glace a'i thîm ymgorffori bariau tensiwn atgyfnerthu yn y llestr pwysau mewn ffordd a fyddai'n addas ar gyfer y broses weindio ffilament. “Mae hyn yn bwysig ar gyfer cynhyrchu cyfaint uchel,” eglura, “ac mae hefyd yn caniatáu inni ddylunio patrwm weindio waliau'r cynhwysydd i optimeiddio cyfeiriadedd ffibr ar gyfer pob llwyth yn y parth.”
Pedwar cam i wneud tanc cyfansawdd ciwbig prawf ar gyfer y prosiect P4H. Credyd delwedd: “Datblygu proses gynhyrchu ar gyfer llestri pwysau ciwbig gyda brace”, Prifysgol Dechnegol Munich, prosiect Polymers4Hydrogen, ECCM20, Mehefin 2022.
Er mwyn cyflawni cadwyn ar y llinell, mae'r tîm wedi datblygu cysyniad newydd sy'n cynnwys pedwar prif gam, fel y dangosir uchod. Mae'r strutiau tensiwn, a ddangosir mewn du ar y grisiau, yn strwythur ffrâm parod a gynhyrchwyd gan ddefnyddio dulliau a gymerwyd o brosiect MAI Skelett. Ar gyfer y prosiect hwn, datblygodd BMW "fframwaith" ffrâm ffenestr flaen gan ddefnyddio pedwar gwialen pultrusion wedi'u hatgyfnerthu â ffibr, a gafodd eu mowldio wedyn yn ffrâm blastig.
Ffrâm tanc ciwbig arbrofol. Adrannau ysgerbydol hecsagonol wedi'u hargraffu'n 3D gan TUM gan ddefnyddio ffilament PLA heb ei atgyfnerthu (top), gan fewnosod gwiail pultrusion CF/PA6 fel breichiau tensiwn (canol) ac yna lapio'r ffilament o amgylch y breichiau (gwaelod). Credyd delwedd: Prifysgol Dechnegol Munich LCC.
“Y syniad yw y gallwch chi adeiladu ffrâm tanc ciwbig fel strwythur modiwlaidd,” meddai Glace. “Yna rhoddir y modiwlau hyn mewn teclyn mowldio, rhoddir y strutiau tensiwn yn y modiwlau ffrâm, ac yna defnyddir dull MAI Skelett o amgylch y strutiau i’w hintegreiddio â rhannau’r ffrâm.” dull cynhyrchu màs, gan arwain at strwythur a ddefnyddir wedyn fel mandrel neu graidd i lapio cragen gyfansawdd y tanc storio.
Dyluniodd TUM ffrâm y tanc fel “clustog” ciwbig gydag ochrau solet, corneli crwn a phatrwm hecsagonol ar y brig a’r gwaelod y gellir mewnosod a chysylltu clymau drwyddynt. Argraffwyd y tyllau ar gyfer y rheseli hyn yn 3D hefyd. “Ar gyfer ein tanc arbrofol cychwynnol, fe wnaethon ni argraffu adrannau ffrâm hecsagonol yn 3D gan ddefnyddio asid polylactig [PLA, thermoplastig bio-seiliedig] oherwydd ei fod yn hawdd ac yn rhad,” meddai Glace.
Prynodd y tîm 68 o wialen polyamid 6 (PA6) wedi'u hatgyfnerthu â ffibr carbon pwltrudedig gan SGL Carbon (Meitingen, yr Almaen) i'w defnyddio fel clymau. “I brofi'r cysyniad, ni wnaethom unrhyw fowldio,” meddai Gleiss, “ond yn syml mewnosod bylchwyr i ffrâm graidd diliau wedi'i hargraffu 3D a'u gludo â glud epocsi. Yna mae hyn yn darparu mandrel ar gyfer dirwyn y tanc.” Mae hi'n nodi, er bod y gwiail hyn yn gymharol hawdd i'w dirwyn, fod rhai problemau sylweddol a fydd yn cael eu disgrifio yn ddiweddarach.
“Yn y cam cyntaf, ein nod oedd dangos bod y dyluniad yn gallu cael ei weithgynhyrchu a nodi problemau yn y cysyniad cynhyrchu,” eglurodd Gleiss. “Felly mae’r strutiau tensiwn yn ymwthio allan o wyneb allanol y strwythur ysgerbydol, ac rydym yn cysylltu’r ffibrau carbon â’r craidd hwn gan ddefnyddio weindio ffilament gwlyb. Ar ôl hynny, yn y trydydd cam, rydym yn plygu pen pob gwialen glymu. thermoplastig, felly rydym yn defnyddio gwres i ail-lunio’r pen fel ei fod yn fflatio ac yn cloi i mewn i’r haen gyntaf o lapio. Yna rydym yn bwrw ymlaen i lapio’r strwythur eto fel bod y pen gwthiad gwastad wedi’i amgáu’n geometrig o fewn y tanc. lamineiddio ar y waliau.
Cap bylchwr ar gyfer weindio. Mae TUM yn defnyddio capiau plastig ar bennau'r gwiail tensiwn i atal y ffibrau rhag clymu wrth weindio ffilament. Credyd delwedd: Prifysgol Dechnegol Munich LCC.
Ailadroddodd Glace fod y tanc cyntaf hwn yn brawf o gysyniad. “Dim ond ar gyfer profion cychwynnol y defnyddiwyd argraffu 3D a glud a rhoddodd syniad inni o rai o’r problemau a wynebwyd gennym. Er enghraifft, yn ystod y dirwyn, cafodd y ffilamentau eu dal gan bennau’r gwiail tensiwn, gan achosi torri ffibr, difrod i ffibr, a lleihau faint o ffibr i wrthweithio hyn. Defnyddiwyd ychydig o gapiau plastig fel cymhorthion gweithgynhyrchu a osodwyd ar y polion cyn y cam dirwyn cyntaf. Yna, pan wnaed y laminadau mewnol, tynnwyd y capiau amddiffynnol hyn allan ac ail-lunio pennau’r polion cyn lapio’n derfynol.”
Arbrofodd y tîm gyda gwahanol senarios ailadeiladu. “Y rhai sy’n edrych o gwmpas sy’n gweithio orau,” meddai Grace. “Hefyd, yn ystod y cyfnod prototeipio, fe wnaethon ni ddefnyddio offeryn weldio wedi’i addasu i roi gwres ac ail-lunio pennau’r gwialen glymu. Mewn cysyniad cynhyrchu màs, byddai gennych chi un offeryn mwy a all siapio a ffurfio holl bennau’r struts yn laminad gorffeniad mewnol ar yr un pryd.”
Ail-lunio pennau'r bar tynnu. Arbrofodd TUM gyda gwahanol gysyniadau ac addasodd y weldiadau i alinio pennau'r clymau cyfansawdd ar gyfer eu cysylltu â laminad wal y tanc. Credyd delwedd: “Datblygu proses gynhyrchu ar gyfer llestri pwysau ciwbig gyda brace”, Prifysgol Dechnegol Munich, prosiect Polymers4Hydrogen, ECCM20, Mehefin 2022.
Felly, caiff y laminad ei wella ar ôl y cam dirwyn cyntaf, caiff y pyst eu hail-lunio, mae'r TUM yn cwblhau'r ail weindio o'r ffilamentau, ac yna caiff laminad wal allanol y tanc ei wella am yr ail dro. Sylwch mai dyluniad tanc math 5 yw hwn, sy'n golygu nad oes ganddo leinin plastig fel rhwystr nwy. Gweler y drafodaeth yn yr adran Camau Nesaf isod.
“Fe wnaethon ni dorri’r demo cyntaf yn drawsdoriadau a mapio’r ardal gysylltiedig,” meddai Glace. “Mae llun agos yn dangos bod gennym ni rai problemau ansawdd gyda’r laminad, gyda’r pennau strut ddim yn gorwedd yn wastad ar y laminad mewnol.”
Datrys problemau gyda bylchau rhwng laminad waliau mewnol ac allanol y tanc. Mae'r pen gwialen glymu wedi'i addasu yn creu bwlch rhwng troadau cyntaf ac ail droadau'r tanc arbrofol. Credyd delwedd: Prifysgol Dechnegol Munich LCC.
Cwblhawyd y tanc cychwynnol 450 x 290 x 80mm hwn yr haf diwethaf. “Rydym wedi gwneud llawer o gynnydd ers hynny, ond mae gennym fwlch o hyd rhwng y laminad mewnol ac allanol,” meddai Glace. “Felly fe geisiom lenwi’r bylchau hynny â resin glân, gludedd uchel. Mae hyn mewn gwirionedd yn gwella’r cysylltiad rhwng y stydiau a’r laminad, sy’n cynyddu’r straen mecanyddol yn fawr.”
Parhaodd y tîm i ddatblygu dyluniad a phroses y tanc, gan gynnwys atebion ar gyfer y patrwm dirwyn a ddymunir. “Nid oedd ochrau’r tanc prawf wedi’u cyrlio’n llawn oherwydd ei bod hi’n anodd i’r geometreg hon greu llwybr dirwyn,” eglurodd Glace. “Roedd ein ongl dirwyn gychwynnol yn 75°, ond roedden ni’n gwybod bod angen cylchedau lluosog i fodloni’r llwyth yn y llestr pwysau hwn. Rydym yn dal i chwilio am ateb i’r broblem hon, ond nid yw’n hawdd gyda’r feddalwedd sydd ar y farchnad ar hyn o bryd. Efallai y bydd yn brosiect dilynol.
“Rydym wedi dangos hyfywedd y cysyniad cynhyrchu hwn,” meddai Gleiss, “ond mae angen i ni weithio ymhellach i wella’r cysylltiad rhwng y laminad ac ail-lunio’r gwiail clymu. Profi allanol ar beiriant profi. Rydych chi’n tynnu’r bylchwyr allan o’r laminad ac yn profi’r llwythi mecanyddol y gall y cymalau hynny eu gwrthsefyll.”
Bydd y rhan hon o brosiect Polymers4Hydrogen wedi'i chwblhau ddiwedd 2023, ac erbyn hynny mae Gleis yn gobeithio cwblhau'r ail danc arddangos. Yn ddiddorol, mae dyluniadau heddiw yn defnyddio thermoplastigau wedi'u hatgyfnerthu'n daclus yn y ffrâm a chyfansoddion thermoset yn waliau'r tanc. A fydd y dull hybrid hwn yn cael ei ddefnyddio yn y tanc arddangos terfynol? “Ydw,” meddai Grace. “Mae ein partneriaid ym mhrosiect Polymers4Hydrogen yn datblygu resinau epocsi a deunyddiau matrics cyfansawdd eraill sydd â phriodweddau rhwystr hydrogen gwell.” Mae hi'n rhestru dau bartner sy'n gweithio ar y gwaith hwn, PCCL a Phrifysgol Tampere (Tampere, y Ffindir).
Cyfnewidiodd Gleiss a'i thîm wybodaeth a thrafod syniadau gyda Jaeger ar yr ail brosiect HyDDen o'r tanc cyfansawdd cydymffurfiol LCC hefyd.
“Byddwn yn cynhyrchu llestr pwysau cyfansawdd cydymffurfiol ar gyfer dronau ymchwil,” meddai Jaeger. “Mae hwn yn gydweithrediad rhwng dwy adran Adran Awyrofod a Geodeteg TUM – LCC ac Adran Technoleg Hofrenyddion (HT). Bydd y prosiect wedi’i gwblhau erbyn diwedd 2024 ac rydym wrthi’n cwblhau’r llestr pwysau. dyluniad sy’n fwy o ddull awyrofod a modurol. Ar ôl y cam cysyniad cychwynnol hwn, y cam nesaf yw cynnal modelu strwythurol manwl a rhagweld perfformiad rhwystr strwythur y wal.”
“Y syniad cyfan yw datblygu drôn archwiliadol gyda system gyriant celloedd tanwydd hybrid a batri,” parhaodd. Bydd yn defnyddio’r batri yn ystod llwythi pŵer uchel (h.y. esgyn a glanio) ac yna’n newid i’r gell danwydd yn ystod teithio llwyth ysgafn. “Roedd gan y tîm HT dron ymchwil eisoes ac fe wnaethant ailgynllunio’r trên pŵer i ddefnyddio batris a chelloedd tanwydd,” meddai Yeager. “Fe wnaethant hefyd brynu tanc CGH2 i brofi’r trosglwyddiad hwn.”
“Cafodd fy nhîm y dasg o adeiladu prototeip tanc pwysau a fyddai’n ffitio, ond nid oherwydd y problemau pecynnu y byddai tanc silindrog yn eu creu,” eglura. “Nid yw tanc mwy gwastad yn cynnig cymaint o wrthwynebiad i’r gwynt. Felly rydych chi’n cael perfformiad hedfan gwell.” Dimensiynau’r tanc tua 830 x 350 x 173 mm.
Tanc sy'n cydymffurfio'n llwyr ag AFP thermoplastig. Ar gyfer prosiect HyDDen, archwiliodd y tîm LCC yn TUM ddull tebyg i'r un a ddefnyddiwyd gan Glace (uchod) i ddechrau, ond yna symudasant i ddull gan ddefnyddio cyfuniad o sawl modiwl strwythurol, a gafodd eu gor-ddefnyddio wedyn gan ddefnyddio AFP (isod). Credyd delwedd: LCC Prifysgol Dechnegol Munich.
“Mae un syniad yn debyg i ddull Elisabeth [Gleiss],” meddai Yager, “i roi breichiau tensiwn ar wal y llestr i wneud iawn am y grymoedd plygu uchel. Fodd bynnag, yn lle defnyddio proses weindio i wneud y tanc, rydym yn defnyddio AFP. Felly, fe wnaethom feddwl am greu adran ar wahân o'r llestr pwysau, lle mae'r rheseli eisoes wedi'u hintegreiddio. Roedd y dull hwn yn caniatáu imi gyfuno sawl un o'r modiwlau integredig hyn ac yna rhoi cap pen i selio popeth cyn y weindio AFP terfynol.”
“Rydym yn ceisio cwblhau cysyniad o’r fath,” parhaodd, “a hefyd ddechrau profi’r dewis o ddeunyddiau, sy’n bwysig iawn i sicrhau’r ymwrthedd angenrheidiol i dreiddiad nwy H2. Ar gyfer hyn, rydym yn bennaf yn defnyddio deunyddiau thermoplastig ac yn gweithio ar wahanol ffyrdd y bydd y deunydd yn effeithio ar yr ymddygiad treiddiad hwn a’r prosesu yn y peiriant AFP. Mae’n bwysig deall a fydd gan y driniaeth effaith ac a oes angen unrhyw ôl-brosesu. Rydym hefyd eisiau gwybod a fydd gwahanol bentyrrau’n effeithio ar dreiddiad hydrogen trwy’r llestr pwysau.”
Bydd y tanc wedi'i wneud yn gyfan gwbl o thermoplastig a bydd y stribedi'n cael eu cyflenwi gan Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, yr Almaen). “Byddwn yn defnyddio eu deunyddiau PPS [polyphenylene sulfide], PEEK [polyether ketone] a LM PAEK [polyaryl ketone toddi isel],” meddai Yager. “Yna gwneir cymariaethau i weld pa un sydd orau ar gyfer amddiffyn rhag treiddiad a chynhyrchu rhannau â pherfformiad gwell.” Mae'n gobeithio cwblhau profion, modelu strwythurol a phrosesau a'r arddangosiadau cyntaf o fewn y flwyddyn nesaf.
Cynhaliwyd y gwaith ymchwil o fewn modiwl COMET “Polymers4Hydrogen” (ID 21647053) o fewn rhaglen COMET y Weinyddiaeth Ffederal dros Newid Hinsawdd, yr Amgylchedd, Ynni, Symudedd, Arloesi a Thechnoleg a'r Weinyddiaeth Ffederal dros Dechnoleg Ddigidol ac Economeg. . Mae'r awduron yn diolch i'r partneriaid sy'n cymryd rhan Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL, Awstria), Montanuniversitaet Leoben (Cyfadran Peirianneg a Gwyddoniaeth Polymerau, Adran Cemeg Deunyddiau Polymer, Adran Gwyddor Deunyddiau a Phrofi Polymerau), Prifysgol Tampere (Cyfadran Gwyddoniaeth Deunyddiau Peirianneg), Peak Technology a Faurecia a gyfrannodd at y gwaith ymchwil hwn. Ariennir COMET-Modul gan lywodraeth Awstria a llywodraeth talaith Styria.
Mae dalennau wedi'u hatgyfnerthu ymlaen llaw ar gyfer strwythurau sy'n dwyn llwyth yn cynnwys ffibrau parhaus – nid yn unig o wydr, ond hefyd o garbon ac aramid.
Mae yna lawer o ffyrdd o wneud rhannau cyfansawdd. Felly, bydd y dewis o ddull ar gyfer rhan benodol yn dibynnu ar y deunydd, dyluniad y rhan, a'r defnydd neu'r cymhwysiad terfynol. Dyma ganllaw dethol.
Mae Shocker Composites ac R&M International yn datblygu cadwyn gyflenwi ffibr carbon wedi'i ailgylchu sy'n darparu dim lladd, cost is na ffibr gwyryf ac a fydd yn y pen draw yn cynnig hydau sy'n agosáu at ffibr parhaus o ran priodweddau strwythurol.
Amser postio: Mawrth-15-2023