Standard fladplatformstanke til elbiler og brændstoføkonomiske elbiler bruger termoplastiske og termohærdende kompositter med en skeletkonstruktion, der giver 25 % mere H2-lagring. #hydrogen #trends
Efter at et samarbejde med BMW viste, at en kubisk tank kunne levere højere volumetrisk effektivitet end flere små cylindre, påbegyndte det Tekniske Universitet i München et projekt for at udvikle en kompositstruktur og en skalerbar fremstillingsproces til serieproduktion. Billedkredit: TU Dresden (øverst til venstre), Tekniske Universitet i München, Institut for Kulstofkompositter (LCC)
Brændselscelledrevne elbiler (FCEV'er), der drives af nul-emissions (H2) brint, giver yderligere midler til at nå nul-miljømål. En brændselscellepersonbil med en H2-motor kan fyldes på 5-7 minutter og har en rækkevidde på 500 km, men er i øjeblikket dyrere på grund af lave produktionsvolumener. En måde at reducere omkostningerne på er at bruge en standardplatform til BEV- og FCEV-modeller. Dette er i øjeblikket ikke muligt, fordi de cylindriske type 4-tanke, der bruges til at opbevare komprimeret H2-gas (CGH2) ved 700 bar i FCEV'er, ikke er egnede til batterirummene under bilen, der er omhyggeligt designet til elbiler. Trykbeholdere i form af puder og terninger kan dog passe ind i dette flade emballageområde.
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 Kulstofkompositter (LCC) ved Münchens Tekniske Universitet (TUM, München, Tyskland) er involveret i to projekter for at udvikle dette koncept. Det 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 projekter har til formål at skabe en storstilet demonstration af fremstillingsprocessen til fremstilling af en egnet CGH2-tank ved hjælp af kulfiberkompositter.
Der er begrænset volumetrisk effektivitet, når cylindre med lille diameter installeres i flade battericeller (venstre) og kubiske type 2-trykbeholdere lavet af stålforinger og en ydre skal af kulfiber/epoxy-komposit (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 kubetank, der bruger en termoplastisk ramme med kompositspændestropper/-stivere indpakket 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. Der anvendes elementer, så de kan modstå gassens udvidelseskraft.
En artikel fra Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) fra 2006 beskriver tre tilgange: en filamentviklet konform trykbeholder, en mikrogittertrykbeholder indeholdende en intern orthorhombisk gitterstruktur (små celler på 2 cm eller mindre), omgivet af en tyndvægget H2-beholder, og en replikatorbeholder, bestående af en intern struktur bestående af limede små dele (f.eks. sekskantede plastringe) og en sammensætning af tynd ydre skal. Duplikatbeholdere er bedst egnet til større beholdere, hvor traditionelle metoder kan være vanskelige at anvende.
Patent DE102009057170A, indgivet af Volkswagen i 2009, beskriver en trykbeholder monteret på et køretøj, der giver høj vægteffektivitet og samtidig forbedrer pladsudnyttelsen. Rektangulære tanke bruger spændeforbindelser mellem to rektangulære modstående vægge, og hjørnerne er afrundede.
Ovenstående og andre koncepter er citeret af Gleiss i artiklen “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 et TUM-studie udgivet af Michael Roof og Sven Zaremba, som viste, at en kubisk trykbeholder med trækstivere, der forbinder rektangulære sider, er mere effektiv end flere små cylindre, der passer ind i rummet i et fladt batteri, hvilket giver cirka 25 % 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 kraftigt reduceret, og systemet har også en meget stor H2-gaspermeationsoverflade. Samlet set giver systemet mindre lagerkapacitet end kubiske beholdere."
Der er dog andre problemer med tankens kubiske design. "På grund af den komprimerede gas er det naturligvis nødvendigt at modvirke bøjningskræfterne på de flade vægge," sagde Gleiss. "Til dette har man brug for en forstærket struktur, der er internt forbundet med tankens vægge. Men det er svært at gøre med kompositmaterialer."
Glace og hendes team forsøgte at indarbejde armeringsstænger i trykbeholderen på en måde, der ville være egnet til filamentviklingsprocessen. "Dette er vigtigt for storproduktion," forklarer hun, "og giver os også mulighed for at designe beholdervæggenes viklingsmønster for at optimere fiberorienteringen for hver belastning i zonen."
Fire trin til fremstilling af en prøvetank af kubisk komposit til P4H-projektet. Billedkredit: “Udvikling af en produktionsproces til kubiske trykbeholdere med afstivning”, Tekniske Universitet i München, Polymers4Hydrogen-projekt, ECCM20, juni 2022.
For at opnå on-chain har teamet udviklet et nyt koncept bestående af fire hovedtrin, som vist ovenfor. Spændestøtterne, vist med sort på trinnene, er en præfabrikeret rammestruktur fremstillet ved hjælp af metoder taget fra MAI Skelett-projektet. Til dette projekt udviklede BMW et forruderamme-"rammeværk" ved hjælp af fire fiberforstærkede pultruderingsstænger, som derefter blev støbt til en plastramme.
Rammen af en eksperimentel kubisk tank. Sekskantede skeletsektioner 3D-printet af TUM ved hjælp af uforstærket PLA-filament (øverst), hvor CF/PA6 pultruderingsstænger er indsat som spændingsafstivere (midten) og filamentet derefter viklet omkring afstiverne (nederst). Billedkredit: Technical University of Munich LCC.
"Ideen er, at man 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 derefter bruges MAI Skeletts metode omkring stiverne for at integrere dem med rammedelene." masseproduktionsmetode, hvilket resulterer i en struktur, der derefter bruges som en dorn eller kerne til at omslutte lagertankens kompositskall.
TUM designede tankrammen som en kubisk "pude" med solide sider, afrundede hjørner og et sekskantet mønster på toppen og bunden, hvorigennem bindinger kan isættes og fastgøres. Hullerne til disse stativer blev også 3D-printet. "Til vores første 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 bindere. "For at teste konceptet foretog vi ingen støbning," siger Gleiss, "men indsatte blot afstandsstykker i en 3D-printet bikageformet kerneramme og limede dem med epoxylim. Dette giver derefter en dorn til at opvikle tanken." Hun bemærker, at selvom disse stænger er relativt nemme at opvikle, er der nogle betydelige problemer, som vil blive beskrevet senere.
"I første fase var vores mål at demonstrere designets fremstillingsevne og identificere problemer i produktionskonceptet," forklarede Gleiss. "Så stikker trækstiverne ud fra den ydre overflade af skeletstrukturen, og vi fastgør kulfibrene til denne kerne ved hjælp af våd filamentvikling. Derefter bøjer vi i tredje trin hovedet på hver ankerstang. Termoplast, så vi bruger blot varme til at omforme hovedet, så det flader ud og låser sig fast i det første lag af indpakning. Vi fortsætter derefter med at indpakke strukturen igen, så det flade trykhoved er geometrisk indesluttet i tanken. Laminat på væggene."
Afstandshætte til opvikling. TUM bruger plastikhætter på enderne af trækstængerne for at forhindre fibrene i at filtre sig sammen under filamentopvikling. Billedkredit: Tekniske Universitet i München LCC.
Glace gentog, at denne første tank var et proof of concept. "Brugen af 3D-print og lim var kun til indledende testning og gav os en idé om nogle af de problemer, vi stødte på. For eksempel blev filamenterne fanget i enderne af trækstængerne under viklingen, hvilket forårsagede fiberbrud, fiberskader og reducerede mængden af fibre for at modvirke dette. Vi brugte et par plastikhætter som fremstillingshjælpemidler, der blev placeret på stængerne før det første viklingstrin. Da de indvendige laminater var lavet, fjernede vi derefter disse beskyttelseshætter og omformede enderne af stængerne før den endelige indpakning."
Holdet eksperimenterede med forskellige rekonstruktionsscenarier. "Dem, der ser sig omkring, arbejder bedst," siger Grace. "Under prototypefasen brugte vi også et modificeret svejseværktøj til at påføre varme og omforme forbindelsesstangens ender. I et masseproduktionskoncept ville man have ét større værktøj, der kan forme alle enderne af stiverne til et indvendigt laminat på samme tid."
Trækstangshoveder omformet. TUM eksperimenterede med forskellige koncepter og modificerede svejsningerne for at justere enderne af kompositbåndene til fastgørelse til tankvægslaminatet. Billedkredit: “Udvikling af en produktionsproces til kubiske trykbeholdere med afstivning”, Tekniske Universitet i München, Polymers4Hydrogen-projekt, ECCM20, juni 2022.
Laminatet hærdes således efter det første viklingstrin, stolperne omformes, TUM'en fuldfører den anden vikling af filamenterne, og derefter hærdes det ydre tankvægslaminat en gang til. Bemærk venligst, at dette er et type 5-tankdesign, hvilket betyder, at det ikke har en plastforing som gasbarriere. Se diskussionen i afsnittet Næste trin nedenfor.
"Vi skar den første demonstration i tværsnit og kortlagde det forbundne område," sagde Glace. "Et nærbillede viser, at vi havde nogle kvalitetsproblemer med laminatet, da støddæmperhovederne ikke lå fladt på det indvendige laminat."
Løsning af problemer med mellemrum mellem laminatet på tankens indvendige og ydre vægge. Det modificerede forbindelsesstanghoved skaber et mellemrum mellem den første og anden omdrejning af den eksperimentelle tank. Billedkredit: Tekniske Universitet i 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 mellemrum mellem det indvendige og udvendige laminat," sagde Glace. "Så vi forsøgte at fylde disse mellemrum med en ren, højviskos harpiks. Dette forbedrer faktisk forbindelsen mellem stolperne og laminatet, hvilket øger den mekaniske belastning betydeligt."
Holdet fortsatte med at udvikle tankens design og proces, inklusive løsninger til det ønskede viklingsmønster. "Siderne af testtanken var ikke fuldt krøllede, fordi det var vanskeligt for denne geometri at skabe en viklingsbane," 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 let med den software, der i øjeblikket er på markedet. Det kan blive et opfølgningsprojekt."
"Vi har demonstreret, at dette produktionskoncept er muligt," siger Gleiss, "men vi er nødt til at arbejde yderligere på at forbedre forbindelsen mellem laminatet og omforme ankerstængerne. Ekstern testning på en testmaskine. Man trækker afstandsstykkerne ud af laminatet og tester de mekaniske belastninger, som disse samlinger kan modstå."
Denne del af Polymers4Hydrogen-projektet vil være afsluttet ved udgangen af 2023, hvor Gleis håber at færdiggøre den anden demonstrationstank. Interessant nok bruger design i dag forstærkede termoplastmaterialer 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 hydrogenbarriereegenskaber." Hun nævner to partnere, der arbejder på dette arbejde, PCCL og Tampere Universitet (Tampere, Finland).
Gleiss og hendes team udvekslede også information og diskuterede idéer med Jaeger om det andet HyDDen-projekt fra LCC-konformkomposittanken.
"Vi vil producere en konform komposittrykbeholder til forskningsdroner," siger Jaeger. "Dette er et samarbejde mellem de to afdelinger i TUM's afdeling for luftfart og geodætisk teknologi – LCC og afdelingen for helikopterteknologi (HT). Projektet vil være afsluttet inden udgangen af 2024, og vi er i øjeblikket ved at færdiggøre trykbeholderen. Et design, der mere er en tilgang til luftfart og bilindustrien. Efter denne indledende konceptfase er det næste skridt at udføre detaljeret strukturel modellering og forudsige vægkonstruktionens barriereevne."
"Hele ideen er at udvikle en udforskende drone med et hybrid brændselscelle- og batteridrevet fremdriftssystem," fortsatte han. Den vil bruge batteriet under høj effektbelastning (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 prototype til en tryktank, der ville passe, men ikke på grund af de pakningsproblemer, som en cylindrisk tank ville skabe," forklarer han. "En fladere tank giver ikke lige så meget vindmodstand. Så man får bedre flyvepræstationer." Tankens dimensioner er ca. 830 x 350 x 173 mm.
Fuldt termoplastisk AFP-kompatibel tank. Til HyDDen-projektet udforskede LCC-teamet på TUM i første omgang en lignende tilgang som den, der blev brugt af Glace (ovenfor), men gik derefter over til en tilgang, der brugte en kombination af flere strukturelle moduler, som derefter blev overudnyttet med AFP (nedenfor). Billedkredit: Tekniske Universitet München LCC.
"Én idé minder om Elisabeth [Gleiss'] tilgang," siger Yager, "at anvende spændingsafstivere på beholdervæggen for at kompensere for de høje bøjningskræfter. Men i stedet for at bruge en viklingsproces til at fremstille tanken bruger vi AFP. Derfor overvejede vi at oprette en separat sektion af trykbeholderen, hvor stativerne allerede er integreret. Denne tilgang gjorde det muligt for mig at kombinere flere af disse integrerede moduler og derefter anvende en endekappe for at forsegle alt inden den endelige AFP-vikling."
"Vi forsøger at færdiggøre et sådant koncept," fortsatte han, "og også at begynde at teste valget af materialer, hvilket er meget vigtigt for at sikre den nødvendige modstand mod H2-gasindtrængning. Til dette bruger vi primært termoplastiske materialer og arbejder på forskellige måder, hvordan materialet vil påvirke denne permeationsadfærd og behandling i AFP-maskinen. Det er vigtigt at forstå, om behandlingen vil have en effekt, og om der kræves efterbehandling. Vi vil også gerne vide, om forskellige stakke vil påvirke hydrogenpermeationen gennem trykbeholderen."
Tanken vil være 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 penetrationsbeskyttelse og produktion af dele med bedre ydeevne." Han håber at kunne færdiggøre testning, strukturel og procesmodellering samt 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 (Fakultet for polymerteknik og -videnskab, Institut for kemi for polymermaterialer, Institut for materialevidenskab og polymerprøvning), Tampere Universitet (Fakultet for tekniske materialer), Peak Technology og Faurecia, der har bidraget til dette forskningsarbejde. COMET-Modul er finansieret af Østrigs regering og regeringen i delstaten Steiermark.
Forforstærkede plader til bærende konstruktioner indeholder kontinuerlige fibre – ikke kun fra glas, men også fra kulstof og aramid.
Der er mange måder at fremstille kompositdele på. Derfor vil valget af metode til en bestemt del afhænge af materialet, delens design og den endelige anvendelse. Her er en udvælgelsesvejledning.
Shocker Composites og R&M International udvikler en forsyningskæde for genbrugskulfiber, der giver nul slagtning, lavere omkostninger end jomfrufiber og i sidste ende vil tilbyde længder, der nærmer sig kontinuerlige fibre i strukturelle egenskaber.
Opslagstidspunkt: 15. marts 2023