Standardmäßige Flachplattformtanks für BEVs und FCEVs verwenden thermoplastische und duroplastische Verbundwerkstoffe mit einer Skelettkonstruktion, die 25 % mehr H2-Speicherung bietet.#Wasserstoff #Trends
Nachdem eine Zusammenarbeit mit BMW gezeigt hatte, dass ein kubischer Tank einen höheren volumetrischen Wirkungsgrad bieten kann als mehrere kleine Zylinder, startete die Technische Universität München ein Projekt zur Entwicklung einer Verbundstruktur und eines skalierbaren Herstellungsprozesses für die Serienproduktion.Bildnachweis: TU Dresden (oben links), Technische Universität München, Lehrstuhl für Carbon Composites (LCC)
Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge (FCEVs), die mit emissionsfreiem (H2) Wasserstoff betrieben werden, bieten zusätzliche Möglichkeiten, Null-Umweltziele zu erreichen.Ein Brennstoffzellen-Pkw mit H2-Motor kann in 5-7 Minuten betankt werden und hat eine Reichweite von 500 km, ist aber derzeit aufgrund geringer Produktionsmengen teurer.Eine Möglichkeit zur Kostensenkung ist die Nutzung einer Standardplattform für BEV- und FCEV-Modelle.Dies ist derzeit nicht möglich, da die zylindrischen Tanks vom Typ 4, die zur Speicherung von komprimiertem H2-Gas (CGH2) bei 700 bar in FCEVs verwendet werden, nicht für die Batteriefächer im Unterboden geeignet sind, die sorgfältig für Elektrofahrzeuge konzipiert wurden.In diesen flachen Verpackungsraum passen jedoch auch Druckbehälter in Form von Kissen und Würfeln.
Patent US5577630A für „Composite Conformal Pressure Vessel“, 1995 von Thiokol Corp. angemeldet (links) und 2009 von BMW patentierter rechteckiger Druckbehälter (rechts).
Die Abteilung Carbon Composites (LCC) der Technischen Universität München (TUM, München, Deutschland) ist an zwei Projekten zur Entwicklung dieses Konzepts beteiligt.Das erste ist Polymers4Hydrogen (P4H), geleitet vom Leoben Polymer Competence Center (PCCL, Leoben, Österreich).Das LCC-Arbeitspaket wird von Fellow Elizabeth Glace geleitet.
Das zweite Projekt ist das Hydrogen Demonstration and Development Environment (HyDDen), bei dem LCC vom Forscher Christian Jaeger geleitet wird.Beide zielen darauf ab, den Herstellungsprozess zur Herstellung eines geeigneten CGH2-Tanks aus Kohlefaserverbundwerkstoffen in großem Maßstab zu demonstrieren.
Der volumetrische Wirkungsgrad ist begrenzt, wenn Zylinder mit kleinem Durchmesser in flache Batteriezellen (links) und kubische Druckbehälter vom Typ 2 aus Stahlauskleidungen und einer Außenhülle aus Kohlefaser-/Epoxidharz-Verbundwerkstoff (rechts) eingebaut werden.Bildquelle: Die Abbildungen 3 und 6 stammen aus „Numerical Design Approach for Type II Pressure Box Vessel with Internal Tension Legs“ von Ruf und Zaremba et al.
P4H hat einen experimentellen Würfeltank hergestellt, der einen thermoplastischen Rahmen mit Verbundspanngurten/-streben verwendet, die mit kohlenstofffaserverstärktem Epoxidharz umwickelt sind.HyDDen wird ein ähnliches Design verwenden, jedoch zur Herstellung aller Tanks aus thermoplastischem Verbundwerkstoff die automatische Faserschichtung (AFP) verwenden.
Von einer Patentanmeldung der Thiokol Corp. für „Composite Conformal Pressure Vessel“ im Jahr 1995 bis zum deutschen Patent DE19749950C2 im Jahr 1997 können Druckgasbehälter „jede geometrische Konfiguration haben“, insbesondere aber flache und unregelmäßige Formen, in einem Hohlraum, der mit dem Schalenträger verbunden ist .Elemente werden so eingesetzt, dass sie der Ausdehnungskraft des Gases standhalten.
In einem Artikel des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) aus dem Jahr 2006 werden drei Ansätze beschrieben: ein filamentgewickelter konformer Druckbehälter, ein Mikrogitter-Druckbehälter mit einer inneren orthorhombischen Gitterstruktur (kleine Zellen von 2 cm oder weniger), umgeben von einem dünnwandigen H2-Behälter, und einem Replikatorbehälter, bestehend aus einer Innenstruktur bestehend aus verklebten Kleinteilen (z. B. sechseckigen Kunststoffringen) und einer Zusammensetzung aus dünner Außenhüllenhaut.Doppelte Behälter eignen sich am besten für größere Behälter, bei denen herkömmliche Methoden möglicherweise schwierig anzuwenden sind.
Das 2009 von Volkswagen eingereichte Patent DE102009057170A beschreibt einen fahrzeugmontierten Druckbehälter, der eine hohe Gewichtseffizienz bei gleichzeitig verbesserter Raumausnutzung bietet.Bei rechteckigen Tanks werden Spannverbindungen zwischen zwei gegenüberliegenden rechteckigen Wänden verwendet und die Ecken sind abgerundet.
Die oben genannten und andere Konzepte werden von Gleiss in der Arbeit „Process Development for Cubic Pressure Vessels with Stretch Bars“ von Gleiss et al. zitiert.bei ECCM20 (26.-30. Juni 2022, Lausanne, Schweiz).In diesem Artikel zitiert sie eine von Michael Roof und Sven Zaremba veröffentlichte TUM-Studie, die ergab, dass ein kubischer Druckbehälter mit Zugstreben, die rechteckige Seiten verbinden, effizienter ist als mehrere kleine Zylinder, die in den Raum einer flachen Batterie passen und etwa 25 Stunden liefern % mehr.Lagerraum.
Laut Gleiss besteht das Problem beim Einbau einer großen Anzahl kleiner Typ-4-Zylinder in ein flaches Gehäuse darin, dass „das Volumen zwischen den Zylindern stark reduziert wird und das System außerdem eine sehr große H2-Gaspermeationsoberfläche aufweist.“Insgesamt bietet das System weniger Lagerkapazität als kubische Gläser.“
Allerdings gibt es noch andere Probleme mit der kubischen Bauweise des Tanks.„Natürlich muss man aufgrund des Druckgases den Biegekräften auf die flachen Wände entgegenwirken“, sagte Gleiss.„Dazu benötigt man eine verstärkte Struktur, die innen mit den Tankwänden verbunden ist.Bei Verbundwerkstoffen ist das jedoch schwierig.“
Glace und ihr Team versuchten, verstärkende Zugstäbe so in den Druckbehälter zu integrieren, dass sie für den Filamentwickelprozess geeignet wären.„Das ist wichtig für die Massenproduktion“, erklärt sie, „und ermöglicht es uns auch, das Wickelmuster der Behälterwände so zu gestalten, dass die Faserorientierung für jede Ladung in der Zone optimiert wird.“
Vier Schritte zur Herstellung eines kubischen Verbundtanks für das P4H-Projekt.Bildnachweis: „Entwicklung eines Herstellungsverfahrens für kubische Druckbehälter mit Strebe“, Technische Universität München, Projekt Polymers4Hydrogen, ECCM20, Juni 2022.
Um On-Chain zu erreichen, hat das Team ein neues Konzept entwickelt, das aus vier Hauptschritten besteht, wie oben gezeigt.Bei den Zugstreben, die auf den Stufen schwarz dargestellt sind, handelt es sich um eine vorgefertigte Rahmenkonstruktion, die nach Methoden des MAI-Skelett-Projekts hergestellt wurde.Für dieses Projekt entwickelte BMW einen „Rahmen“ für den Windschutzscheibenrahmen aus vier faserverstärkten Pultrusionsstäben, die dann zu einem Kunststoffrahmen geformt wurden.
Der Rahmen eines experimentellen kubischen Tanks.Sechseckige Skelettabschnitte, 3D-gedruckt von der TUM unter Verwendung von unverstärktem PLA-Filament (oben), Einsetzen von CF/PA6-Pultrusionsstäben als Spannungsstreben (Mitte) und anschließendem Wickeln des Filaments um die Streben (unten).Bildnachweis: Technische Universität München LCC.
„Die Idee ist, dass man den Rahmen eines kubischen Tanks als modulare Struktur aufbauen kann“, sagte Glace.„Diese Module werden dann in ein Formwerkzeug gelegt, die Spannstreben werden in die Rahmenmodule eingesetzt und dann wird die Methode von MAI Skelett um die Streben herum angewendet, um sie mit den Rahmenteilen zu integrieren.“Massenproduktionsverfahren, das zu einer Struktur führt, die dann als Dorn oder Kern zum Umwickeln der Verbundhülle des Lagertanks verwendet wird.
TUM hat den Tankrahmen als kubisches „Kissen“ mit massiven Seiten, abgerundeten Ecken und einem sechseckigen Muster auf der Ober- und Unterseite entworfen, durch das Kabelbinder eingeführt und befestigt werden können.Die Löcher für diese Racks wurden ebenfalls 3D-gedruckt.„Für unseren ersten Versuchstank haben wir sechseckige Rahmenabschnitte mit Polymilchsäure [PLA, einem biobasierten Thermoplast] in 3D gedruckt, weil es einfach und kostengünstig war“, sagte Glace.
Das Team kaufte 68 pultrudierte Stäbe aus kohlenstofffaserverstärktem Polyamid 6 (PA6) von SGL Carbon (Meitingen, Deutschland) zur Verwendung als Kabelbinder.„Um das Konzept zu testen, haben wir nichts geformt“, sagt Gleiss, „sondern einfach Abstandshalter in einen 3D-gedruckten Wabenkernrahmen eingesetzt und diese mit Epoxidkleber verklebt.“Dadurch entsteht dann ein Dorn zum Aufwickeln des Tanks.“Sie stellt fest, dass diese Ruten zwar relativ leicht zu wickeln sind, es jedoch einige erhebliche Probleme gibt, die später beschrieben werden.
„Unser Ziel war es im ersten Schritt, die Herstellbarkeit des Designs nachzuweisen und Probleme im Produktionskonzept zu identifizieren“, erklärt Gleiss.„Die Zugstreben ragen also aus der Außenfläche der Skelettstruktur heraus, und an diesem Kern befestigen wir die Carbonfasern mittels nassem Filamentwickeln.Danach biegen wir im dritten Schritt den Kopf jeder Spurstange.Da es sich um einen thermoplastischen Kunststoff handelt, verwenden wir einfach Hitze, um den Kopf so umzuformen, dass er flacher wird und in der ersten Verpackungsschicht einrastet.Anschließend wickeln wir die Struktur erneut ein, sodass der flache Druckkopf geometrisch im Tank eingeschlossen ist.Laminat an den Wänden.
Distanzkappe zum Aufwickeln.Damit sich die Fasern beim Filament Winden nicht verheddern, setzt die TUM an den Enden der Zugstäbe Kunststoffkappen ein.Bildnachweis: Technische Universität München LCC.
Glace bekräftigte, dass dieser erste Panzer ein Proof of Concept sei.„Der Einsatz von 3D-Druck und Kleber diente nur zu ersten Tests und gab uns einen Eindruck von einigen der Probleme, auf die wir gestoßen sind.Beispielsweise wurden die Filamente beim Aufwickeln von den Enden der Spannstäbe erfasst, was zu Faserbruch und Faserbeschädigung sowie einer Verringerung der Fasermenge führte, um dem entgegenzuwirken.Als Fertigungshilfsmittel verwendeten wir einige Kunststoffkappen, die vor dem ersten Wickelschritt auf die Stangen gesteckt wurden. Als dann die Innenlaminate hergestellt wurden, entfernten wir diese Schutzkappen und formten die Enden der Stangen vor der endgültigen Wicklung neu.“
Das Team experimentierte mit verschiedenen Sanierungsszenarien.„Wer sich umschaut, arbeitet am besten“, sagt Grace.„Außerdem haben wir während der Prototyping-Phase ein modifiziertes Schweißwerkzeug verwendet, um Hitze anzuwenden und die Spurstangenköpfe umzuformen.In einem Massenproduktionskonzept hätten Sie ein größeres Werkzeug, das alle Enden der Streben gleichzeitig zu einem Innenverkleidungslaminat formen und formen kann..”
Deichselköpfe neu geformt.Die TUM experimentierte mit verschiedenen Konzepten und modifizierte die Schweißnähte, um die Enden der Verbundbinder für die Befestigung am Tankwandlaminat auszurichten.Bildnachweis: „Entwicklung eines Herstellungsverfahrens für kubische Druckbehälter mit Strebe“, Technische Universität München, Projekt Polymers4Hydrogen, ECCM20, Juni 2022.
Somit wird das Laminat nach dem ersten Wickelschritt ausgehärtet, die Pfosten werden umgeformt, das TUM schließt die zweite Wicklung der Filamente ab und dann wird das äußere Tankwandlaminat ein zweites Mal ausgehärtet.Bitte beachten Sie, dass es sich um ein Tankdesign vom Typ 5 handelt, das heißt, dass es keine Kunststoffauskleidung als Gasbarriere gibt.Siehe die Diskussion im Abschnitt „Nächste Schritte“ weiter unten.
„Wir haben die erste Demo in Querschnitte zerlegt und den verbundenen Bereich kartiert“, sagte Glace.„Eine Nahaufnahme zeigt, dass wir einige Qualitätsprobleme mit dem Laminat hatten, da die Strebenköpfe nicht flach auf dem Innenlaminat lagen.“
Lösung von Problemen mit Lücken zwischen dem Laminat der Innen- und Außenwände des Tanks.Durch den modifizierten Spurstangenkopf entsteht ein Spalt zwischen der ersten und zweiten Windung des Versuchsbehälters.Bildnachweis: Technische Universität München LCC.
Dieser erste 450 x 290 x 80 mm große Tank wurde letzten Sommer fertiggestellt.„Seitdem haben wir große Fortschritte gemacht, aber wir haben immer noch eine Lücke zwischen Innen- und Außenlaminat“, sagte Glace.„Also haben wir versucht, diese Lücken mit einem sauberen, hochviskosen Harz zu füllen.Dadurch wird die Verbindung zwischen den Noppen und dem Laminat tatsächlich verbessert, was die mechanische Belastung deutlich erhöht.“
Das Team entwickelte das Tankdesign und den Prozess weiter, einschließlich Lösungen für das gewünschte Wicklungsmuster.„Die Seiten des Testtanks waren nicht vollständig gewellt, da es bei dieser Geometrie schwierig war, einen gewundenen Pfad zu erzeugen“, erklärte Glace.„Unser anfänglicher Wickelwinkel betrug 75°, aber wir wussten, dass mehrere Kreisläufe erforderlich waren, um die Last in diesem Druckbehälter zu bewältigen.Wir suchen immer noch nach einer Lösung für dieses Problem, aber mit der derzeit auf dem Markt befindlichen Software ist das nicht einfach.Eventuell wird es ein Folgeprojekt.
„Wir haben die Machbarkeit dieses Produktionskonzepts bewiesen“, sagt Gleiss, „aber wir müssen noch weiter daran arbeiten, die Verbindung zwischen dem Laminat zu verbessern und die Zuganker umzuformen.“„Externe Prüfung auf einer Prüfmaschine.Man zieht die Abstandhalter aus dem Laminat und testet, welchen mechanischen Belastungen diese Verbindungen standhalten.“
Dieser Teil des Polymers4Hydrogen-Projekts wird Ende 2023 abgeschlossen sein. Gleis hofft, bis dahin den zweiten Demonstrationstank fertigstellen zu können.Interessanterweise werden bei den heutigen Konstruktionen rein verstärkte Thermoplaste im Rahmen und Duroplast-Verbundwerkstoffe in den Tankwänden verwendet.Wird dieser Hybridansatz im letzten Demonstrationstank zum Einsatz kommen?„Ja“, sagte Grace.„Unsere Partner im Polymers4Hydrogen-Projekt entwickeln Epoxidharze und andere Verbundmatrixmaterialien mit besseren Wasserstoffbarriereeigenschaften.“Sie nennt zwei Partner, die an dieser Arbeit arbeiten: PCCL und die Universität Tampere (Tampere, Finnland).
Gleiss und ihr Team tauschten auch Informationen aus und diskutierten mit Jaeger Ideen zum zweiten HyDDen-Projekt aus dem LCC-konformen Verbundtank.
„Wir werden einen konformen Verbunddruckbehälter für Forschungsdrohnen produzieren“, sagt Jaeger.„Dies ist eine Zusammenarbeit zwischen den beiden Abteilungen der Fakultät für Luft- und Raumfahrt und Geodätik der TUM – LCC und der Fakultät für Hubschraubertechnik (HT).Das Projekt wird bis Ende 2024 abgeschlossen sein und wir stellen derzeit den Druckbehälter fertig.ein Design, das eher einem Luft- und Raumfahrt- und Automobilansatz ähnelt.Nach dieser ersten Konzeptphase besteht der nächste Schritt darin, eine detaillierte Strukturmodellierung durchzuführen und die Barriereleistung der Wandstruktur vorherzusagen.“
„Die ganze Idee besteht darin, eine Erkundungsdrohne mit einem hybriden Brennstoffzellen- und Batterieantriebssystem zu entwickeln“, fuhr er fort.Es nutzt die Batterie bei hoher Leistungsbelastung (z. B. Start und Landung) und schaltet dann bei Fahrten mit geringer Belastung auf die Brennstoffzelle um.„Das HT-Team verfügte bereits über eine Forschungsdrohne und hat den Antriebsstrang so umgestaltet, dass er sowohl Batterien als auch Brennstoffzellen nutzt“, sagte Yeager.„Sie haben auch einen CGH2-Tank gekauft, um dieses Getriebe zu testen.“
„Mein Team wurde damit beauftragt, einen Drucktank-Prototyp zu bauen, der passen würde, aber nicht wegen der Verpackungsprobleme, die ein zylindrischer Tank mit sich bringen würde“, erklärt er.„Ein flacherer Tank bietet nicht so viel Windwiderstand.So erhält man eine bessere Flugleistung.“Tankmaße ca.830 x 350 x 173 mm.
Vollständig thermoplastischer AFP-konformer Tank.Für das HyDDen-Projekt untersuchte das LCC-Team der TUM zunächst einen ähnlichen Ansatz wie Glace (oben), wechselte dann aber zu einem Ansatz mit einer Kombination mehrerer Strukturmodule, die dann mithilfe von AFP (unten) überstrapaziert wurden.Bildnachweis: Technische Universität München LCC.
„Eine Idee ähnelt dem Ansatz von Elisabeth [Gleiss]“, sagt Yager, „Spannstreben an der Gefäßwand anzubringen, um die hohen Biegekräfte auszugleichen.“Allerdings verwenden wir bei der Herstellung des Tanks kein Wickelverfahren, sondern AFP.Deshalb haben wir darüber nachgedacht, einen separaten Abschnitt des Druckbehälters zu schaffen, in dem die Racks bereits integriert sind.Dieser Ansatz ermöglichte es mir, mehrere dieser integrierten Module zu kombinieren und dann vor der endgültigen AFP-Wicklung eine Endkappe anzubringen, um alles abzudichten.“
„Wir versuchen, ein solches Konzept fertigzustellen“, fuhr er fort, „und beginnen auch mit der Prüfung der Materialauswahl, die sehr wichtig ist, um den notwendigen Widerstand gegen das Eindringen von H2-Gas sicherzustellen.“Hierzu verwenden wir hauptsächlich thermoplastische Materialien und arbeiten an verschiedenen Auswirkungen des Materials auf dieses Permeationsverhalten und die Verarbeitung in der AFP-Maschine.Es ist wichtig zu verstehen, ob die Behandlung Wirkung zeigt und ob eine Nachbearbeitung erforderlich ist.Wir möchten auch wissen, ob unterschiedliche Stapel die Wasserstoffpermeation durch den Druckbehälter beeinflussen.“
Der Tank wird vollständig aus Thermoplast bestehen und die Streifen werden von Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Deutschland) geliefert.„Wir werden ihre Materialien PPS (Polyphenylensulfid), PEEK (Polyetherketon) und LM PAEK (niedrig schmelzendes Polyarylketon) verwenden“, sagte Yager.„Dann werden Vergleiche angestellt, um herauszufinden, welches sich am besten für den Durchdringungsschutz und die Herstellung von Teilen mit besserer Leistung eignet.“Er hofft, innerhalb des nächsten Jahres Tests, Struktur- und Prozessmodellierung sowie erste Demonstrationen abschließen zu können.
Die Forschungsarbeiten wurden im Rahmen des COMET-Moduls „Polymers4Hydrogen“ (ID 21647053) im Rahmen des COMET-Programms des Bundesministeriums für Klimawandel, Umwelt, Energie, Mobilität, Innovation und Technologie und des Bundesministeriums für digitale Technologie und Wirtschaft durchgeführt..Die Autoren danken den teilnehmenden Partnern Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL, Österreich), Montanuniversität Leoben (Fakultät für Polymertechnik und -wissenschaft, Abteilung für Chemie der Polymermaterialien, Abteilung für Materialwissenschaft und Polymerprüfung), Universität Tampere (Fakultät für Ingenieurwissenschaften). Materialien).) Science), Peak Technology und Faurecia haben zu dieser Forschungsarbeit beigetragen.COMET-Modul wird vom Land Österreich und dem Land Steiermark gefördert.
Vorverstärkte Platten für tragende Strukturen enthalten Endlosfasern – nicht nur aus Glas, sondern auch aus Kohlenstoff und Aramid.
Es gibt viele Möglichkeiten, Verbundteile herzustellen.Daher hängt die Wahl der Methode für ein bestimmtes Teil vom Material, der Konstruktion des Teils und der Endverwendung oder -anwendung ab.Hier finden Sie eine Auswahlhilfe.
Shocker Composites und R&M International entwickeln eine Lieferkette für recycelte Kohlenstofffasern, die keine Schlachtung erfordert, niedrigere Kosten als Frischfasern bietet und schließlich Längen anbieten wird, die in ihren strukturellen Eigenschaften Endlosfasern nahekommen.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 15. März 2023