Standardtanke med flad platform til BEV'er og FCEV'er bruger termoplastiske og termohærdende kompositter med en skeletkonstruktion, der giver 25 % mere H2-lagring.#brint #trends
Efter et samarbejde med BMW viste, at en kubisk tank kunne levere højere volumetrisk effektivitet end flere små cylindre, gik Münchens Tekniske Universitet i gang med et projekt om at udvikle en sammensat struktur og en skalerbar fremstillingsproces til serieproduktion.Billedkredit: TU Dresden (øverst) til venstre), Tekniske Universitet i München, Department of Carbon Composites (LCC)
Brændselscelle-elektriske køretøjer (FCEV'er) drevet af nul-emission (H2) brint giver yderligere midler til at nå nul miljømål.En brændselscelle personbil med H2 motor kan fyldes på 5-7 minutter og har en rækkevidde på 500 km, men er i øjeblikket dyrere på grund af lave produktionsmængder.En måde at reducere omkostningerne på er at bruge en standardplatform til BEV- og FCEV-modeller.Dette er i øjeblikket ikke muligt, fordi Type 4-cylindriske tanke, der bruges til at opbevare komprimeret H2-gas (CGH2) ved 700 bar i FCEV'er, ikke er egnede til undervognens batterirum, der er omhyggeligt designet til elektriske køretøjer.Trykbeholdere i form af puder og kuber kan dog passe ind i dette flade emballagerum.
Patent US5577630A for "Composite Conformal Pressure Vessel", ansøgning indgivet af Thiokol Corp. i 1995 (venstre) og den rektangulære trykbeholder patenteret af BMW i 2009 (højre).
Institut for Carbon Composites (LCC) ved det tekniske universitet i München (TUM, München, Tyskland) er involveret i to projekter for at udvikle dette koncept.Den første er Polymers4Hydrogen (P4H), ledet af Leoben Polymer Competence Center (PCCL, Leoben, Østrig).LCC-arbejdspakken ledes af Fellow Elizabeth Glace.
Det andet projekt er Hydrogen Demonstration and Development Environment (HyDDen), hvor LCC ledes af forsker Christian Jaeger.Begge sigter mod at skabe en storstilet demonstration af fremstillingsprocessen til fremstilling af en passende CGH2-tank ved hjælp af kulfiberkompositter.
Der er begrænset volumetrisk effektivitet, når cylindre med lille diameter er installeret i flade battericeller (venstre) og kubiske type 2 trykbeholdere lavet af stålforinger og en kulfiber/epoxy komposit ydre skal (højre).Billedkilde: Figur 3 og 6 er fra "Numerical Design Approach for Type II Pressure Box Vessel with Internal Tension Legs" af Ruf og Zaremba et al.
P4H har fremstillet en eksperimentel terningtank, der bruger en termoplastisk ramme med sammensatte spændingsremme/-stag pakket ind i kulfiberforstærket epoxy.HyDDen vil bruge et lignende design, men vil bruge automatisk fiberoplægning (AFP) til at fremstille alle termoplastiske komposittanke.
Fra en patentansøgning fra Thiokol Corp. til "Composite Conformal Pressure Vessel" i 1995 til tysk patent DE19749950C2 i 1997, kan trykgasbeholdere "have enhver geometrisk konfiguration", men især flade og uregelmæssige former, i et hulrum forbundet med skalstøtten .elementer bruges, så de kan modstå gassens ekspansionskraft.
Et papir fra Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) fra 2006 beskriver tre tilgange: en filamentviklet konform trykbeholder, en mikrogittertrykbeholder, der indeholder en intern ortorhombisk gitterstruktur (små celler på 2 cm eller mindre), omgivet af en tyndvægget H2-beholder, og en replikatorbeholder, der består af en indre struktur bestående af limede små dele (f.eks. sekskantede plastringe) og en sammensætning af tynd ydre skalhud.Duplikatbeholdere er bedst egnede til større beholdere, hvor traditionelle metoder kan være svære at anvende.
Patent DE102009057170A indleveret af Volkswagen i 2009 beskriver en køretøjsmonteret trykbeholder, der vil give høj vægteffektivitet og samtidig forbedre pladsudnyttelsen.Rektangulære tanke bruger spændingsforbindelser mellem to rektangulære modstående vægge, og hjørnerne er afrundede.
Ovenstående og andre begreber er citeret af Gleiss i papiret "Process Development for Cubic Pressure Vessels with Stretch Bars" af Gleiss et al.på ECCM20 (26.-30. juni 2022, Lausanne, Schweiz).I denne artikel citerer hun en TUM-undersøgelse udgivet af Michael Roof og Sven Zaremba, som fandt ud af, at en kubisk trykbeholder med spændingsstivere, der forbinder rektangulære sider, er mere effektiv end flere små cylindre, der passer ind i rummet af et fladt batteri, og giver ca. % mere.lagerplads.
Ifølge Gleiss er problemet med at installere et stort antal små type 4-cylindre i en flad kasse, at ”volumenet mellem cylindrene er stærkt reduceret, og systemet har desuden en meget stor H2-gasgennemtrængningsflade.Samlet set giver systemet mindre lagerkapacitet end kubiske krukker."
Der er dog andre problemer med tankens kubiske design."Det er klart, at du på grund af den komprimerede gas skal modvirke bøjningskræfterne på de flade vægge," sagde Gleiss."Til dette har du brug for en forstærket struktur, der forbinder internt med tankens vægge.Men det er svært at gøre med kompositter.”
Glace og hendes team forsøgte at inkorporere forstærkende spændingsstænger i trykbeholderen på en måde, der ville være egnet til filamentviklingsprocessen."Dette er vigtigt for højvolumenproduktion," forklarer hun, "og giver os også mulighed for at designe containervæggenes viklingsmønster for at optimere fiberorienteringen for hver belastning i zonen."
Fire trin til at lave en prøvekubisk komposittank til P4H-projektet.Billedkredit: "Udvikling af en produktionsproces for kubiske trykbeholdere med bøjle", Tekniske Universitet i München, Polymers4Hydrogen-projektet, ECCM20, juni 2022.
For at opnå on-chain har teamet udviklet et nyt koncept bestående af fire hovedtrin, som vist ovenfor.Spændingsstiverne, der er vist med sort på trinene, er en præfabrikeret rammekonstruktion fremstillet ved hjælp af metoder taget fra MAI Skelett-projektet.Til dette projekt udviklede BMW en "ramme" for forruden ved hjælp af fire fiberforstærkede pultrusionsstænger, som derefter blev støbt ind i en plastramme.
Rammen af en eksperimentel kubisk tank.Sekskantede skeletsektioner 3D-printet af TUM ved hjælp af uforstærket PLA-filament (øverst), indsættelse af CF/PA6-pultrusionsstænger som spændingsstivere (midten) og derefter vikle filamentet rundt om bøjlerne (nederst).Billedkredit: Technical University of München LCC.
"Ideen er, at du kan bygge rammen af en kubisk tank som en modulær struktur," sagde Glace."Disse moduler placeres derefter i et støbeværktøj, trækstiverne placeres i rammemodulerne, og så bruges MAI Skeletts metode rundt om stiverne for at integrere dem med rammedelene."masseproduktionsmetode, hvilket resulterer i en struktur, der derefter bruges som en dorn eller kerne til at pakke lagertankens kompositskal.
TUM har designet tankrammen som en kubisk "pude" med solide sider, afrundede hjørner og et sekskantet mønster på top og bund, hvorigennem bindebånd kan indsættes og fastgøres.Hullerne til disse stativer blev også 3D printet."Til vores indledende eksperimentelle tank 3D-printede vi sekskantede rammesektioner ved hjælp af polymælkesyre [PLA, en biobaseret termoplast], fordi det var nemt og billigt," sagde Glace.
Holdet købte 68 pultruderede kulfiberforstærkede polyamid 6 (PA6) stænger fra SGL Carbon (Meitingen, Tyskland) til brug som bindebånd."For at teste konceptet lavede vi ikke støbning," siger Gleiss, "men indsatte blot afstandsstykker i en 3D-printet honeycomb-kerneramme og limede dem med epoxylim.Dette giver så en dorn til at vikle tanken."Hun bemærker, at selvom disse stænger er relativt nemme at vinde, er der nogle væsentlige problemer, som vil blive beskrevet senere.
"På den første fase var vores mål at demonstrere designets fremstillingsevne og identificere problemer i produktionskonceptet," forklarede Gleiss."Så spændingsstiverne rager ud fra den ydre overflade af skeletstrukturen, og vi fastgør kulfibrene til denne kerne ved hjælp af våd filamentvikling.Derefter, i det tredje trin, bøjer vi hovedet af hver trækstang.termoplast, så vi bruger bare varme til at omforme hovedet, så det flader og låser sig fast i det første lag indpakning.Vi fortsætter derefter med at pakke strukturen igen, så det flade trykhoved er geometrisk indesluttet i tanken.laminat på væggene.
Afstandshætte til oprulning.TUM bruger plasthætter på enderne af spændestængerne for at forhindre, at fibrene filtrer sig under filamentviklingen.Billedkredit: Technical University of München LCC.
Glace gentog, at denne første tank var et proof of concept."Brugen af 3D-print og lim var kun til indledende test og gav os en ide om et par af de problemer, vi stødte på.For eksempel blev filamenterne under vikling fanget af enderne af spændestængerne, hvilket forårsagede fiberbrud, fiberskade og reducerede mængden af fiber for at modvirke dette.vi brugte et par plastikhætter som fremstillingshjælpemidler, der blev placeret på stængerne før det første viklingstrin. Så, da de indvendige laminater blev lavet, fjernede vi disse beskyttelseshætter og omformede enderne af stængerne før den endelige indpakning."
Holdet eksperimenterede med forskellige rekonstruktionsscenarier."De, der ser sig omkring, arbejder bedst," siger Grace."Under prototypefasen brugte vi også et modificeret svejseværktøj til at påføre varme og omforme trækstangens ender.I et masseproduktionskoncept vil du have et større værktøj, der kan forme og forme alle enderne af stiverne til et indvendigt finishlaminat på samme tid..”
Trækhoveder omformet.TUM eksperimenterede med forskellige koncepter og modificerede svejsningerne for at justere enderne af kompositbåndene til fastgørelse til tankvægslaminatet.Billedkredit: "Udvikling af en produktionsproces for kubiske trykbeholdere med bøjle", Tekniske Universitet i München, Polymers4Hydrogen-projektet, ECCM20, juni 2022.
Således hærdes laminatet efter det første viklingstrin, stolperne omformes, TUM afslutter den anden vikling af filamenterne, og derefter hærdes det ydre tankvægslaminat en anden gang.Bemærk venligst, at dette er et type 5 tankdesign, hvilket betyder, at den ikke har en plastikforing som gasbarriere.Se diskussionen i afsnittet Næste trin nedenfor.
"Vi skar den første demo i tværsnit og kortlagde det forbundne område," sagde Glace."Et nærbillede viser, at vi havde nogle kvalitetsproblemer med laminatet, hvor stiverhovederne ikke lå fladt på det indvendige laminat."
Løsning af problemer med huller mellem laminatet af tankens inder- og ydervægge.Det modificerede trækstangshoved skaber et mellemrum mellem den første og anden drejning af forsøgstanken.Billedkredit: Technical University of München LCC.
Denne første tank på 450 x 290 x 80 mm blev færdiggjort sidste sommer."Vi har gjort store fremskridt siden da, men vi har stadig et hul mellem indvendigt og udvendigt laminat," sagde Glace."Så vi forsøgte at udfylde disse huller med en ren, højviskositetsharpiks.Dette forbedrer faktisk forbindelsen mellem stifterne og laminatet, hvilket i høj grad øger den mekaniske belastning."
Holdet fortsatte med at udvikle tankdesignet og processen, herunder løsninger til det ønskede viklingsmønster."Siderne af testtanken var ikke helt krøllede, fordi det var svært for denne geometri at skabe en snoet sti," forklarede Glace."Vores oprindelige viklingsvinkel var 75°, men vi vidste, at der var behov for flere kredsløb for at klare belastningen i denne trykbeholder.Vi leder stadig efter en løsning på dette problem, men det er ikke nemt med den software, der i øjeblikket er på markedet.Det kan blive et opfølgende projekt.
"Vi har demonstreret gennemførligheden af dette produktionskoncept," siger Gleiss, "men vi skal arbejde yderligere for at forbedre forbindelsen mellem laminatet og omforme trækstængerne."Ekstern test på en testmaskine.Du trækker afstandsstykkerne ud af laminatet og tester de mekaniske belastninger, som disse samlinger kan modstå."
Denne del af Polymers4Hydrogen-projektet vil være afsluttet i slutningen af 2023, på hvilket tidspunkt Gleis håber at færdiggøre den anden demonstrationstank.Interessant nok bruger design i dag pæn forstærket termoplast i rammen og termohærdende kompositter i tankvæggene.Vil denne hybride tilgang blive brugt i den endelige demonstrationstank?"Ja," sagde Grace."Vores partnere i Polymers4Hydrogen-projektet udvikler epoxyharpikser og andre kompositmatrixmaterialer med bedre brintbarriereegenskaber."Hun opregner to partnere, der arbejder på dette arbejde, PCCL og University of Tampere (Tampere, Finland).
Gleiss og hendes team udvekslede også information og diskuterede ideer med Jaeger om det andet HyDDen-projekt fra LCC-konforme komposittanken.
"Vi vil producere en konform komposittrykbeholder til forskningsdroner," siger Jaeger."Dette er et samarbejde mellem de to afdelinger af Luftfarts- og Geodætisk Afdeling i TUM – LCC og Institut for Helikopterteknologi (HT).Projektet vil være afsluttet ved udgangen af 2024, og vi er i øjeblikket ved at færdiggøre trykbeholderen.et design, der mere er en luft- og biltilgang.Efter denne indledende konceptfase er næste trin at udføre detaljeret strukturel modellering og forudsige barriereydelsen af vægstrukturen."
"Hele idéen er at udvikle en sonderende drone med en hybrid brændselscelle og et batterifremdriftssystem," fortsatte han.Den vil bruge batteriet under høje effektbelastninger (dvs. start og landing) og derefter skifte til brændselscellen under let belastning."HT-teamet havde allerede en forskningsdrone og redesignede drivlinjen til at bruge både batterier og brændselsceller," sagde Yeager."De købte også en CGH2 tank for at teste denne transmission."
"Mit team fik til opgave at bygge en tryktankprototype, der ville passe, men ikke på grund af de emballageproblemer, som en cylindrisk tank ville skabe," forklarer han.“En fladere tank giver ikke så meget vindmodstand.Så du får bedre flyydelse."Tankmål ca.830 x 350 x 173 mm.
Fuldt termoplastisk AFP-kompatibel tank.Til HyDDen-projektet udforskede LCC-teamet på TUM oprindeligt en lignende tilgang til den, der blev brugt af Glace (ovenfor), men flyttede derefter til en tilgang, der brugte en kombination af flere strukturelle moduler, som derefter blev overbrugt ved hjælp af AFP (nedenfor).Billedkredit: Technical University of München LCC.
"En idé ligner Elisabeth [Gleiss] tilgang," siger Yager, "at anvende spændingsstivere til karvæggen for at kompensere for de høje bøjningskræfter.Men i stedet for at bruge en viklingsproces til at lave tanken, bruger vi AFP.Derfor tænkte vi på at skabe en separat sektion af trykbeholderen, hvor stativerne allerede er integreret.Denne tilgang tillod mig at kombinere flere af disse integrerede moduler og derefter anvende en endehætte for at forsegle alt før den endelige AFP-vikling."
"Vi forsøger at færdiggøre et sådant koncept," fortsatte han, "og også begynde at teste valget af materialer, hvilket er meget vigtigt for at sikre den nødvendige modstand mod H2-gaspenetrering.Til dette bruger vi hovedsageligt termoplastiske materialer og arbejder på forskellige, hvordan materialet vil påvirke denne permeationsadfærd og bearbejdning i AFP-maskinen.Det er vigtigt at forstå, om behandlingen vil have en effekt, og om der er behov for efterbehandling.Vi vil også gerne vide, om forskellige stakke vil påvirke brintgennemtrængning gennem trykbeholderen."
Tanken bliver udelukkende lavet af termoplast og strimlerne vil blive leveret af Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Tyskland)."Vi vil bruge deres PPS [polyphenylensulfid], PEEK [polyetherketon] og LM PAEK [lavtsmeltende polyarylketon] materialer," sagde Yager."Sammenligninger foretages derefter for at se, hvilken der er bedst til beskyttelse mod indtrængning og fremstilling af dele med bedre ydeevne."Han håber at afslutte testning, struktur- og procesmodellering og de første demonstrationer inden for det næste år.
Forskningsarbejdet blev udført inden for COMET-modulet "Polymers4Hydrogen" (ID 21647053) inden for COMET-programmet under det føderale ministerium for klimaændringer, miljø, energi, mobilitet, innovation og teknologi og det føderale ministerium for digital teknologi og økonomi..Forfatterne takker de deltagende partnere Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL, Østrig), Montanuniversitaet Leoben (Fakultetet for Polymerteknik og Naturvidenskab, Institut for Kemi for Polymermaterialer, Institut for Materialevidenskab og Polymertestning), Universitetet i Tampere (Det Tekniske Fakultet materialer).) Science), Peak Technology og Faurecia bidrog til dette forskningsarbejde.COMET-Modul er finansieret af Østrigs regering og regeringen i delstaten Steiermark.
Forforstærkede plader til bærende strukturer indeholder kontinuerlige fibre - ikke kun fra glas, men også fra kulstof og aramid.
Der er mange måder at lave kompositdele på.Derfor vil valget af metode til en bestemt del afhænge af materialet, delens design og slutanvendelsen eller anvendelsen.Her er en valgguide.
Shocker Composites og R&M International udvikler en forsyningskæde af genanvendt kulfiber, der giver nul slagtning, lavere omkostninger end nyfiber og i sidste ende vil tilbyde længder, der nærmer sig kontinuerlig fiber i strukturelle egenskaber.
Posttid: 15-mars-2023