Standardmäßige Flachplattformtanks für batterieelektrische Fahrzeuge (BEVs) und Brennstoffzellenfahrzeuge (FCEVs) bestehen aus thermoplastischen und duroplastischen Verbundwerkstoffen mit einer Skelettkonstruktion, die eine 25 % höhere Wasserstoffspeicherkapazität ermöglicht. #Wasserstoff #Trends
Nachdem eine Zusammenarbeit mit BMW gezeigt hatte, dass ein kubischer Tank eine höhere volumetrische Effizienz als mehrere kleine Zylinder erzielen kann, startete die Technische Universität München ein Projekt zur Entwicklung einer Verbundstruktur und eines skalierbaren Fertigungsprozesses für die Serienproduktion. Bildnachweis: TU Dresden (oben links), Technische Universität München, Institut für Kohlenstoffverbundwerkstoffe (LCC)
Brennstoffzellenfahrzeuge (FCEVs), die mit emissionsfreiem Wasserstoff (H₂) betrieben werden, bieten eine zusätzliche Möglichkeit, die Klimaneutralitätsziele zu erreichen. Ein Brennstoffzellen-Pkw mit Wasserstoffmotor kann in 5–7 Minuten betankt werden und hat eine Reichweite von 500 km, ist aber aufgrund geringer Produktionsmengen derzeit noch teurer. Eine Möglichkeit zur Kostensenkung wäre die Verwendung einer Standardplattform für BEV- und FCEV-Modelle. Dies ist aktuell nicht möglich, da die zylindrischen Typ-4-Tanks zur Speicherung von komprimiertem Wasserstoffgas (CGH₂) mit 700 bar in FCEVs nicht für die Unterbodenbatteriefächer geeignet sind, die speziell für Elektrofahrzeuge entwickelt wurden. Druckbehälter in Kissen- und Würfelform hingegen passen in diesen flachen Bauraum.
Patent US5577630A für „Composite Conformal Pressure Vessel“, Anmeldung eingereicht von der Thiokol Corp. im Jahr 1995 (links) und der rechteckige Druckbehälter, patentiert von BMW im Jahr 2009 (rechts).
Das Department für Kohlenstoffverbundwerkstoffe (LCC) der Technischen Universität München (TUM, München, Deutschland) ist an zwei Projekten zur Weiterentwicklung dieses Konzepts beteiligt. Das erste Projekt, Polymers4Hydrogen (P4H), wird vom Leoben Polymer Competence Center (PCCL, Leoben, Österreich) geleitet. Die Arbeitsgruppe des LCC wird von der Wissenschaftlerin Elizabeth Glace geleitet.
Das zweite Projekt ist die Wasserstoff-Demonstrations- und Entwicklungsumgebung (HyDDen), die von Forscher Christian Jaeger am LCC geleitet wird. Beide Projekte zielen darauf ab, eine großtechnische Demonstration des Herstellungsverfahrens für einen geeigneten CGH2-Tank aus Kohlenstofffaserverbundwerkstoffen zu realisieren.
Bei der Installation von Zylindern mit kleinem Durchmesser in flachen Batteriezellen (links) und kubischen Druckbehältern des Typs II mit Stahlauskleidung und einer Außenhülle aus Kohlenstofffaser-Epoxid-Verbundwerkstoff (rechts) ist der volumetrische Wirkungsgrad begrenzt. Bildquelle: 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 gefertigt, der aus einem thermoplastischen Rahmen mit in kohlenstofffaserverstärktem Epoxidharz ummantelten Verbundspannbändern/-streben besteht. HyDDen wird ein ähnliches Design verwenden, jedoch für die Herstellung aller thermoplastischen Verbundtanks das automatische Faserlaminierverfahren (AFP) einsetzen.
Ausgehend von einer Patentanmeldung der Thiokol Corp. für einen „Verbund-Konformdruckbehälter“ aus dem Jahr 1995 bis hin zum deutschen Patent DE19749950C2 aus dem Jahr 1997 können Druckgasbehälter „jede beliebige geometrische Konfiguration“ aufweisen, insbesondere flache und unregelmäßige Formen in einem Hohlraum, der mit der Mantelstütze verbunden ist. Die verwendeten Elemente sind so beschaffen, dass sie der Expansionskraft des Gases standhalten können.
Eine Veröffentlichung des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) aus dem Jahr 2006 beschreibt drei Ansätze: einen filamentgewickelten, konformen Druckbehälter, einen Mikrogitter-Druckbehälter mit einer inneren orthorhombischen Gitterstruktur (kleine Zellen von 2 cm oder weniger), der von einem dünnwandigen H₂-Behälter umgeben ist, und einen Replikatorbehälter, bestehend aus einer inneren Struktur aus verklebten Kleinteilen (z. B. sechseckigen Kunststoffringen) und einer dünnen Außenhülle. Replikatorbehälter eignen sich besonders für größere Behälter, bei denen herkömmliche Methoden schwierig anzuwenden sind.
Das 2009 von Volkswagen eingereichte Patent DE102009057170A beschreibt einen fahrzeugmontierten Druckbehälter, der eine hohe Gewichtseffizienz bei gleichzeitig verbesserter Raumausnutzung bietet. Die rechteckigen Behälter verwenden Zugverbinder zwischen zwei gegenüberliegenden rechteckigen Wänden, und die Ecken sind abgerundet.
Die oben genannten und weitere Konzepte werden von Gleiss in der Arbeit „Prozessentwicklung für kubische Druckbehälter mit Zugstreben“ von Gleiss et al. auf der ECCM20 (26.–30. Juni 2022, Lausanne, Schweiz) zitiert. In diesem Artikel verweist sie auf eine Studie der TU München von Michael Roof und Sven Zaremba, die ergab, dass ein kubischer Druckbehälter mit Zugstreben, die die rechteckigen Seiten verbinden, effizienter ist als mehrere kleine Zylinder, die in den Raum einer flachen Batterie passen, und etwa 25 % mehr Speicherkapazität bietet.
Laut Gleiss besteht das Problem bei der Installation einer großen Anzahl kleiner Typ-4-Zylinder in einem flachen Gehäuse darin, dass „das Volumen zwischen den Zylindern stark reduziert wird und das System zudem eine sehr große Permeationsfläche für H2-Gas aufweist. Insgesamt bietet das System eine geringere Speicherkapazität als kubische Behälter.“
Die kubische Bauweise des Tanks birgt jedoch weitere Probleme. „Aufgrund des komprimierten Gases müssen die Biegekräfte auf die flachen Wände natürlich ausgeglichen werden“, erklärte Gleiss. „Dafür ist eine verstärkte Struktur erforderlich, die innen mit den Tankwänden verbunden ist. Das ist mit Verbundwerkstoffen jedoch schwierig umzusetzen.“
Glace und ihr Team versuchten, Verstärkungsstäbe so in den Druckbehälter zu integrieren, dass sie für das Faserwickelverfahren geeignet sind. „Das ist wichtig für die Serienfertigung“, erklärt sie, „und ermöglicht es uns außerdem, das Wickelmuster der Behälterwände so zu gestalten, dass die Faserausrichtung für jede Lastzone optimiert wird.“
Vier Schritte zur Herstellung eines kubischen Test-Verbundtanks für das P4H-Projekt. Bildnachweis: „Entwicklung eines Produktionsprozesses für kubische Druckbehälter mit Verstrebung“, Technische Universität München, Projekt Polymers4Hydrogen, ECCM20, Juni 2022.
Um die On-Chain-Technologie zu realisieren, hat das Team ein neues Konzept mit vier Hauptschritten entwickelt (siehe Abbildung oben). Die in den einzelnen Schritten schwarz dargestellten Zugstreben bilden eine vorgefertigte Rahmenkonstruktion, die mithilfe von Methoden aus dem MAI-Skelett-Projekt hergestellt wurde. Für dieses Projekt entwickelte BMW einen Windschutzscheibenrahmen aus vier faserverstärkten Pultrusionsstäben, die anschließend zu einem Kunststoffrahmen geformt wurden.
Das Gerüst eines experimentellen kubischen Tanks. Sechseckige Skelettabschnitte, 3D-gedruckt von der TUM aus unverstärktem PLA-Filament (oben), mit eingesetzten CF/PA6-Pultrusionsstäben als Zugstreben (Mitte) und anschließendem Umwickeln der Streben mit Filament (unten). Bildnachweis: LCC der Technischen Universität München.
„Die Idee ist, dass man das Gerüst eines kubischen Tanks als modulare Struktur aufbauen kann“, erklärte Glace. „Diese Module werden dann in ein Formwerkzeug eingesetzt, die Zugstreben in die Rahmenmodule integriert und anschließend mithilfe des MAI-Skelett-Verfahrens um die Streben herum mit den Rahmenteilen verbunden.“ Dieses Massenproduktionsverfahren führt zu einer Struktur, die dann als Kern oder Dorn für die Umhüllung der Verbundstoffhülle des Lagertanks dient.
Die TUM entwarf das Tankgestell als kubisches „Kissen“ mit geschlossenen Seitenwänden, abgerundeten Ecken und einem sechseckigen Muster an Ober- und Unterseite, durch das Befestigungselemente eingeführt werden können. Die Löcher für diese Halterungen wurden ebenfalls im 3D-Druckverfahren hergestellt. „Für unser erstes Versuchstank haben wir sechseckige Rahmenteile aus Polymilchsäure (PLA, einem biobasierten thermoplastischen Kunststoff) im 3D-Druckverfahren hergestellt, da dies einfach und kostengünstig war“, erklärte Glace.
Das Team erwarb 68 pultrudierte Stäbe aus kohlenstofffaserverstärktem Polyamid 6 (PA6) von SGL Carbon (Meitingen, Deutschland) zur Verwendung als Verbindungsstücke. „Um das Konzept zu testen, haben wir auf ein Formverfahren verzichtet“, erklärt Gleiss, „sondern einfach Abstandshalter in einen 3D-gedruckten Wabenkernrahmen eingesetzt und mit Epoxidharz verklebt. Dadurch entsteht ein Dorn zum Wickeln des Tanks.“ Sie merkt an, dass sich diese Stäbe zwar relativ leicht wickeln lassen, es aber einige wesentliche Probleme gibt, die später beschrieben werden.
„Im ersten Schritt ging es uns darum, die Herstellbarkeit des Designs zu demonstrieren und Probleme im Produktionskonzept zu identifizieren“, erklärte Gleiss. „Daher ragen die Zugstreben aus der Außenfläche der Skelettstruktur heraus, und wir befestigen die Kohlenstofffasern mittels Nasswicklung an diesem Kern. Im dritten Schritt biegen wir dann den Kopf jeder Zugstange. Da es sich um thermoplastisches Material handelt, erhitzen wir es lediglich, um den Kopf so umzuformen, dass er sich abflacht und in der ersten Wickelschicht fixiert. Anschließend wickeln wir die Struktur erneut um, sodass der flache Schubkopf geometrisch im Tank eingeschlossen ist.“
Abstandshalter für die Wicklung. Die TUM verwendet Kunststoffkappen an den Enden der Spannstäbe, um ein Verheddern der Fasern beim Filamentwickeln zu verhindern. Bildnachweis: LCC der Technischen Universität München.
Glace betonte erneut, dass dieser erste Tank ein Machbarkeitsnachweis war. „Der Einsatz von 3D-Druck und Klebstoff diente lediglich ersten Tests und gab uns einen Einblick in einige der aufgetretenen Probleme. Beispielsweise verfingen sich die Filamente beim Wickeln an den Enden der Spannstangen, was zu Faserbruch und -beschädigung führte und die Fasermenge reduzierte. Um dem entgegenzuwirken, verwendeten wir einige Kunststoffkappen als Hilfsmittel, die vor dem ersten Wickelschritt auf die Stangen aufgesetzt wurden. Nach der Herstellung der inneren Laminate entfernten wir diese Schutzkappen und formten die Stangenenden vor dem endgültigen Wickeln neu.“
Das Team experimentierte mit verschiedenen Rekonstruktionsszenarien. „Diejenigen, die sich umschauen, arbeiten am besten“, sagt Grace. „Außerdem verwendeten wir während der Prototypenphase ein modifiziertes Schweißwerkzeug, um die Spurstangenköpfe zu erhitzen und umzuformen. In einem Serienfertigungskonzept gäbe es ein größeres Werkzeug, mit dem alle Enden der Streben gleichzeitig zu einem Laminat für den Innenausbau geformt werden könnten.“
Die Zugstangenköpfe wurden neu geformt. Die TUM experimentierte mit verschiedenen Konzepten und modifizierte die Schweißnähte, um die Enden der Verbundverbindungen für die Befestigung am Tankwandlaminat auszurichten. Bildnachweis: „Entwicklung eines Produktionsprozesses für kubische Druckbehälter mit Verstrebung“, Technische Universität München, Projekt Polymers4Hydrogen, ECCM20, Juni 2022.
Das Laminat härtet nach dem ersten Wickelvorgang aus, die Stützen werden nachgeformt, die TUM führt die zweite Wicklung der Filamente durch, und anschließend wird das äußere Tankwandlaminat ein zweites Mal ausgehärtet. Bitte beachten Sie, dass es sich um einen Tank des Typs 5 handelt, der keine Kunststoffauskleidung als Gasbarriere besitzt. Weitere Informationen finden Sie im Abschnitt „Nächste Schritte“ weiter unten.
„Wir haben das erste Demoteil in Querschnitte zerlegt und die Verbindungsfläche kartiert“, sagte Glace. „Eine Nahaufnahme zeigt, dass es einige Qualitätsprobleme mit dem Laminat gab; die Strebenköpfe lagen nicht plan auf dem inneren Laminat auf.“
Problemlösung bei Spalten zwischen dem Laminat der Innen- und Außenwände des Tanks. Der modifizierte Zugstangenkopf erzeugt einen Spalt zwischen der ersten und zweiten Windung des Versuchstanks. Bildnachweis: Technische Universität München LCC.
Der erste Tank mit den Maßen 450 x 290 x 80 mm wurde letzten Sommer fertiggestellt. „Wir haben seitdem große Fortschritte gemacht, aber es besteht immer noch eine Lücke zwischen der inneren und äußeren Laminatschicht“, sagte Glace. „Deshalb haben wir versucht, diese Lücken mit einem sauberen, hochviskosen Harz zu füllen. Dadurch verbessert sich die Verbindung zwischen den Bolzen und dem Laminat, was die mechanische Belastbarkeit deutlich erhöht.“
Das Team entwickelte die Tankkonstruktion und den Prozess weiter und erarbeitete Lösungen für das gewünschte Wickelmuster. „Die Seiten des Testtanks waren nicht vollständig umwickelt, da die Geometrie die Erstellung eines Wickelpfads erschwerte“, erklärte Glace. „Unser anfänglicher Wickelwinkel betrug 75°, aber wir wussten, dass mehrere Wicklungen erforderlich sind, um die Last in diesem Druckbehälter zu bewältigen. Wir suchen noch nach einer Lösung für dieses Problem, aber mit der aktuell verfügbaren Software ist das nicht einfach. Es könnte ein Folgeprojekt werden.“
„Wir haben die Machbarkeit dieses Produktionskonzepts demonstriert“, sagt Gleiss, „aber wir müssen die Verbindung zwischen dem Laminat weiter verbessern und die Zugstangen neu formen. Dazu führen wir externe Tests an einer Prüfmaschine durch. Dabei werden die Distanzstücke aus dem Laminat entfernt und die mechanische Belastbarkeit dieser Verbindungen geprüft.“
Dieser Teil des Projekts Polymers4Hydrogen wird Ende 2023 abgeschlossen sein. Bis dahin hofft Gleis, den zweiten Demonstrationstank fertigzustellen. Interessanterweise verwenden die heutigen Konstruktionen reine, verstärkte Thermoplaste für den Rahmen und duroplastische Verbundwerkstoffe für die Tankwände. Wird dieser Hybridansatz auch im finalen Demonstrationstank zum Einsatz kommen? „Ja“, sagte Grace. „Unsere Partner im Projekt Polymers4Hydrogen entwickeln Epoxidharze und andere Verbundwerkstoffe mit verbesserten Wasserstoffbarriereeigenschaften.“ Sie nennt zwei Partner, die an dieser Arbeit beteiligt sind: PCCL und die Universität Tampere (Tampere, Finnland).
Gleiss und ihr Team tauschten sich außerdem mit Jaeger über das zweite HyDDen-Projekt aus, das auf dem LCC-konformen Verbundtank basiert, und diskutierten Ideen.
„Wir werden einen konformen Verbunddruckbehälter für Forschungsdrohnen herstellen“, sagt Jaeger. „Dies ist eine Kooperation zwischen den beiden Abteilungen des Instituts für Luft- und Raumfahrttechnik und Geodäsie der TUM – LCC und dem Institut für Hubschraubertechnik (HT). Das Projekt wird bis Ende 2024 abgeschlossen sein, und wir arbeiten derzeit an der Fertigstellung des Druckbehälters. Die Konstruktion orientiert sich eher an Ansätzen aus der Luft- und Raumfahrt sowie der Automobilindustrie. Nach dieser ersten Konzeptphase folgt die detaillierte Strukturmodellierung und die Vorhersage der Barrierewirkung der Wandkonstruktion.“
„Die Grundidee ist die Entwicklung einer Erkundungsdrohne mit einem Hybridantriebssystem aus Brennstoffzelle und Batterie“, fuhr er fort. Die Drohne soll bei hohem Leistungsbedarf (z. B. Start und Landung) mit der Batterie betrieben werden und im Teillastflug auf die Brennstoffzelle umschalten. „Das HT-Team besaß bereits eine Forschungsdrohne und hat den Antriebsstrang so umgestaltet, dass er sowohl Batterien als auch Brennstoffzellen nutzen kann“, sagte Yeager. „Sie haben außerdem einen CGH2-Panzer angeschafft, um dieses Antriebssystem zu testen.“
„Mein Team hatte die Aufgabe, einen Prototypen für einen Druckbehälter zu entwickeln, der passen sollte, aber nicht wegen der Verpackungsprobleme, die ein zylindrischer Behälter verursachen würde“, erklärt er. „Ein flacherer Behälter bietet weniger Luftwiderstand. Dadurch verbessert sich die Flugleistung.“ Die Abmessungen des Behälters betragen ca. 830 x 350 x 173 mm.
Vollständig thermoplastischer, AFP-konformer Tank. Für das HyDDen-Projekt verfolgte das LCC-Team der TUM zunächst einen ähnlichen Ansatz wie Glace (siehe oben), entschied sich dann aber für eine Kombination mehrerer Strukturmodule, die anschließend mit AFP verstärkt wurden (siehe unten). Bildnachweis: LCC der Technischen Universität München.
„Eine Idee ähnelt Elisabeth [Gleiss'] Ansatz“, sagt Yager, „Zugstreben an der Behälterwand anzubringen, um die hohen Biegekräfte auszugleichen. Anstatt den Tank jedoch im Wickelverfahren herzustellen, verwenden wir AFP. Daher haben wir überlegt, einen separaten Abschnitt des Druckbehälters zu schaffen, in den die Gestelle bereits integriert sind. Dieser Ansatz ermöglichte es mir, mehrere dieser integrierten Module zu kombinieren und anschließend eine Endkappe anzubringen, um alles vor dem abschließenden AFP-Wickelvorgang abzudichten.“
„Wir arbeiten an der Fertigstellung eines solchen Konzepts“, fuhr er fort, „und beginnen gleichzeitig mit der Materialauswahl, die für die Gewährleistung der notwendigen Beständigkeit gegen Wasserstoffgasdurchdringung von entscheidender Bedeutung ist. Hierfür verwenden wir hauptsächlich thermoplastische Werkstoffe und untersuchen, wie sich das Material auf das Permeationsverhalten und die Verarbeitung in der AFP-Anlage auswirkt. Es ist wichtig zu verstehen, ob die Behandlung einen Effekt hat und ob eine Nachbearbeitung erforderlich ist. Wir wollen außerdem herausfinden, ob unterschiedliche Stapel die Wasserstoffpermeation durch den Druckbehälter beeinflussen.“
Der Tank wird vollständig aus Thermoplast gefertigt, die Streifen werden von Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Deutschland) geliefert. „Wir verwenden deren PPS (Polyphenylensulfid), PEEK (Polyetherketon) und LM PAEK (niedrigschmelzendes Polyarylketon)“, so Yager. „Anschließend vergleichen wir die Materialien, um den besten Schutz vor Durchdringungen und die optimale Leistung der Bauteile zu ermitteln.“ Er hofft, die Tests, die Struktur- und Prozessmodellierung sowie erste Demonstrationen innerhalb des nächsten Jahres abzuschließen.
Die Forschungsarbeit wurde im Rahmen des COMET-Moduls „Polymers4Hydrogen“ (ID 21647053) des COMET-Programms des Bundesministeriums für Klimaschutz, Umwelt, Energie, Mobilität, Innovation und Technologie sowie des Bundesministeriums für Digitalisierung und Wirtschaft durchgeführt. Die Autoren danken den beteiligten Partnern Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL, Österreich), Montanuniversität Leoben (Fakultät für Polymertechnik und -wissenschaft, Institut für Chemie der Polymerwerkstoffe, Institut für Materialwissenschaft und Polymerprüfung), Universität Tampere (Fakultät für Werkstofftechnik), Peak Technology und Faurecia für ihren Beitrag zu dieser Forschungsarbeit. Das COMET-Modul wird von der österreichischen Bundesregierung und der steirischen Landesregierung gefördert.
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Veröffentlichungsdatum: 15. März 2023