Los tanques de plataforma plana estándar para vehículos eléctricos de batería (BEV) y vehículos de pila de combustible (FCEV) utilizan compuestos termoplásticos y termoestables con una construcción de esqueleto que proporciona un 25 % más de almacenamiento de H2. #hidrógeno #tendencias
Tras una colaboración con BMW que demostró que un tanque cúbico podía ofrecer una mayor eficiencia volumétrica que varios cilindros pequeños, la Universidad Técnica de Múnich emprendió un proyecto para desarrollar una estructura compuesta y un proceso de fabricación escalable para la producción en serie. Crédito de la imagen: TU Dresden (arriba a la izquierda), Universidad Técnica de Múnich, Departamento de Compuestos de Carbono (LCC).
Los vehículos eléctricos de pila de combustible (FCEV) propulsados por hidrógeno de cero emisiones (H₂) proporcionan medios adicionales para alcanzar los objetivos ambientales de cero emisiones. Un turismo de pila de combustible con motor de H₂ se puede llenar en 5-7 minutos y tiene una autonomía de 500 km, pero actualmente es más caro debido a los bajos volúmenes de producción. Una forma de reducir costes es utilizar una plataforma estándar para los modelos BEV y FCEV. Esto actualmente no es posible porque los depósitos cilíndricos Tipo 4 utilizados para almacenar gas H₂ comprimido (CGH₂) a 700 bar en los FCEV no son adecuados para los compartimentos de batería de la parte inferior de la carrocería, diseñados cuidadosamente para vehículos eléctricos. Sin embargo, los recipientes a presión en forma de almohadas y cubos pueden caber en este espacio de embalaje plano.
Patente US5577630A para “Recipiente a presión conformado compuesto”, solicitud presentada por Thiokol Corp. en 1995 (izquierda) y el recipiente a presión rectangular patentado por BMW en 2009 (derecha).
El Departamento de Compuestos de Carbono (LCC) de la Universidad Técnica de Múnich (TUM, Múnich, Alemania) participa en dos proyectos para desarrollar este concepto. El primero es Polymers4Hydrogen (P4H), liderado por el Centro de Competencia en Polímeros de Leoben (PCCL, Leoben, Austria). El paquete de trabajo del LCC está dirigido por la investigadora Elizabeth Glace.
El segundo proyecto es el Entorno de Demostración y Desarrollo de Hidrógeno (HyDDen), dirigido por el investigador Christian Jaeger. Ambos proyectos buscan crear una demostración a gran escala del proceso de fabricación de un tanque CGH2 adecuado utilizando compuestos de fibra de carbono.
La eficiencia volumétrica es limitada cuando se instalan cilindros de diámetro pequeño en celdas de batería planas (izquierda) y recipientes a presión cúbicos de tipo 2, fabricados con revestimientos de acero y una carcasa exterior de compuesto de fibra de carbono/epoxi (derecha). Fuente de la imagen: Las figuras 3 y 6 pertenecen al estudio “Numerical Design Approach for Type II Pressure Box Vessel with Internal Tension Legs” de Ruf y Zaremba et al.
P4H ha fabricado un tanque cúbico experimental que utiliza una estructura termoplástica con tirantes/puntales de tensión compuestos, recubiertos con resina epoxi reforzada con fibra de carbono. HyDDen utilizará un diseño similar, pero utilizará laminado automático de fibra (AFP) para fabricar todos los tanques compuestos termoplásticos.
Desde una solicitud de patente de Thiokol Corp. para “Recipiente a presión conformado compuesto” en 1995 hasta la patente alemana DE19749950C2 en 1997, los recipientes para gas comprimido “pueden tener cualquier configuración geométrica”, pero especialmente formas planas e irregulares, en una cavidad conectada al soporte de la carcasa. Se utilizan elementos para que puedan soportar la fuerza de expansión del gas.
Un artículo de 2006 del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) describe tres enfoques: un recipiente a presión conformal con filamento enrollado, un recipiente a presión de microred con una estructura reticular ortorrómbica interna (celdas pequeñas de 2 cm o menos), rodeado por un contenedor de H₂ de paredes delgadas, y un contenedor replicador, compuesto por una estructura interna compuesta por pequeñas piezas pegadas (p. ej., anillos hexagonales de plástico) y una fina capa exterior. Los contenedores duplicados son más adecuados para contenedores de mayor tamaño, donde los métodos tradicionales pueden resultar difíciles de aplicar.
La patente DE102009057170A, presentada por Volkswagen en 2009, describe un recipiente a presión montado en un vehículo que proporciona una alta eficiencia de peso y optimiza el uso del espacio. Los tanques rectangulares utilizan conectores de tensión entre dos paredes rectangulares opuestas, y las esquinas son redondeadas.
Gleiss cita estos y otros conceptos en el artículo «Desarrollo de procesos para recipientes a presión cúbicos con barras extensibles», de Gleiss et al., en la ECCM20 (26-30 de junio de 2022, Lausana, Suiza). En este artículo, cita un estudio de la TUM publicado por Michael Roof y Sven Zaremba, que concluyó que un recipiente a presión cúbico con puntales de tensión que conectan lados rectangulares es más eficiente que varios cilindros pequeños que caben en el espacio de una batería descargada, proporcionando aproximadamente un 25 % más de espacio de almacenamiento.
Según Gleiss, el problema de instalar una gran cantidad de cilindros pequeños de tipo 4 en una caja plana es que «el volumen entre los cilindros se reduce considerablemente y el sistema también tiene una superficie de permeación de gas H₂ muy grande. En general, el sistema ofrece menor capacidad de almacenamiento que los recipientes cúbicos».
Sin embargo, el diseño cúbico del tanque presenta otros problemas. «Obviamente, debido al gas comprimido, es necesario contrarrestar las fuerzas de flexión en las paredes planas», explicó Gleiss. «Para ello, se necesita una estructura reforzada que se conecte internamente a las paredes del tanque. Pero eso es difícil de lograr con materiales compuestos».
Glace y su equipo intentaron incorporar barras de tensión de refuerzo en el recipiente a presión de forma que fueran adecuadas para el proceso de bobinado de filamentos. «Esto es importante para la producción a gran escala», explica, «y también nos permite diseñar el patrón de bobinado de las paredes del recipiente para optimizar la orientación de las fibras para cada carga en la zona».
Cuatro pasos para la fabricación de un tanque cúbico de prueba compuesto para el proyecto P4H. Crédito de la imagen: «Desarrollo de un proceso de producción para recipientes a presión cúbicos con refuerzo», Universidad Técnica de Múnich, proyecto Polymers4Hydrogen, ECCM20, junio de 2022.
Para lograr la conexión en cadena, el equipo desarrolló un nuevo concepto que consta de cuatro pasos principales, como se muestra arriba. Los puntales de tensión, que se muestran en negro sobre los escalones, son una estructura de marco prefabricada elaborada con métodos del proyecto MAI Skelett. Para este proyecto, BMW desarrolló un marco de parabrisas con cuatro varillas de pultrusión reforzadas con fibra, que posteriormente se moldearon para formar un marco de plástico.
La estructura de un tanque cúbico experimental. Secciones hexagonales del esqueleto impresas en 3D por la TUM con filamento de PLA sin refuerzo (arriba), insertando varillas de pultrusión de CF/PA6 como tirantes de tensión (centro) y envolviendo el filamento alrededor de los tirantes (abajo). Crédito de la imagen: Universidad Técnica de Múnich LCC.
“La idea es construir el marco de un tanque cúbico como una estructura modular”, explicó Glace. “Estos módulos se colocan en una herramienta de moldeo, los puntales de tensión se colocan en los módulos del marco y, a continuación, se aplica el método de MAI Skelett alrededor de los puntales para integrarlos con las piezas del marco”. Este método de producción en masa da como resultado una estructura que posteriormente se utiliza como mandril o núcleo para revestir la carcasa compuesta del tanque de almacenamiento.
La TUM diseñó el armazón del tanque como un "cojín" cúbico con lados sólidos, esquinas redondeadas y un patrón hexagonal en la parte superior e inferior, a través del cual se pueden insertar y fijar las bridas. Los orificios para estas bridas también se imprimieron en 3D. "Para nuestro tanque experimental inicial, imprimimos en 3D secciones hexagonales del armazón con ácido poliláctico [PLA, un termoplástico de origen biológico] porque era fácil y económico", explicó Glace.
El equipo adquirió 68 varillas de poliamida 6 (PA6) reforzadas con fibra de carbono pultruidas de SGL Carbon (Meitingen, Alemania) para usarlas como tirantes. «Para probar el concepto, no realizamos ningún moldeo», explica Gleiss, «sino que simplemente insertamos espaciadores en un armazón de núcleo de panal impreso en 3D y los pegamos con pegamento epoxi. Esto proporciona un mandril para enrollar el tanque». Señala que, si bien estas varillas son relativamente fáciles de enrollar, presentan algunos problemas importantes que se describirán más adelante.
“En la primera etapa, nuestro objetivo era demostrar la viabilidad de fabricación del diseño e identificar problemas en el concepto de producción”, explicó Gleiss. “Así, los puntales de tensión sobresalen de la superficie exterior de la estructura, y fijamos las fibras de carbono a este núcleo mediante bobinado de filamento húmedo. Después, en el tercer paso, doblamos la cabeza de cada tirante. Es termoplástica, por lo que simplemente aplicamos calor para remodelar la cabeza de manera que se aplane y se fije en la primera capa de envoltura. Luego, procedemos a envolver la estructura de nuevo para que la cabeza de empuje plana quede geométricamente encerrada dentro del tanque. Las paredes están laminadas.
Tapa espaciadora para el bobinado. La TUM utiliza tapas de plástico en los extremos de las varillas de tensión para evitar que las fibras se enreden durante el bobinado del filamento. Crédito de la imagen: Universidad Técnica de Múnich LCC.
Glace reiteró que este primer tanque fue una prueba de concepto. «El uso de impresión 3D y pegamento fue solo para las pruebas iniciales y nos dio una idea de algunos de los problemas que encontramos. Por ejemplo, durante el bobinado, los filamentos se enganchaban en los extremos de las varillas de tensión, lo que causaba rotura y daño de las fibras, reduciendo la cantidad de fibra para contrarrestarlo. Usamos algunas tapas de plástico como ayuda de fabricación que se colocaron en los postes antes del primer paso del bobinado. Luego, una vez fabricados los laminados internos, retiramos estas tapas protectoras y remodelamos los extremos de los postes antes del envoltorio final».
El equipo experimentó con varios escenarios de reconstrucción. "Los que miran alrededor funcionan mejor", dice Grace. "Además, durante la fase de prototipado, utilizamos una herramienta de soldadura modificada para aplicar calor y remodelar los extremos de las barras de dirección. En un concepto de producción en masa, se necesitaría una herramienta más grande que pudiera moldear y formar todos los extremos de los puntales en un laminado de acabado interior al mismo tiempo".
Cabezales de barra de tiro remodelados. La TUM experimentó con diferentes conceptos y modificó las soldaduras para alinear los extremos de los tirantes compuestos y fijarlos al laminado de la pared del tanque. Crédito de la imagen: «Desarrollo de un proceso de producción para recipientes a presión cúbicos con tirantes», Universidad Técnica de Múnich, proyecto Polymers4Hydrogen, ECCM20, junio de 2022.
Así, el laminado se cura tras el primer paso de bobinado, se remodelan los postes, el TUM completa el segundo bobinado de los filamentos y, a continuación, el laminado de la pared exterior del tanque se cura por segunda vez. Tenga en cuenta que este es un diseño de tanque tipo 5, lo que significa que no cuenta con un revestimiento de plástico como barrera de gas. Consulte la explicación en la sección "Próximos pasos" a continuación.
“Cortamos la primera pieza de demostración en secciones transversales y mapeamos el área conectada”, dijo Glace. “Un primer plano muestra que tuvimos algunos problemas de calidad con el laminado, ya que las cabezas de los puntales no estaban planas sobre el laminado interior”.
Solución de problemas con las separaciones entre el laminado de las paredes interior y exterior del tanque. El cabezal modificado del tirante crea una separación entre la primera y la segunda espira del tanque experimental. Crédito de la imagen: Universidad Técnica de Múnich LCC.
Este tanque inicial de 450 x 290 x 80 mm se terminó el verano pasado. «Hemos avanzado mucho desde entonces, pero aún tenemos una brecha entre el laminado interior y el exterior», dijo Glace. «Así que intentamos rellenar esos huecos con una resina limpia de alta viscosidad. Esto mejora la conexión entre los montantes y el laminado, lo que aumenta considerablemente la tensión mecánica».
El equipo continuó desarrollando el diseño y el proceso del tanque, incluyendo soluciones para el patrón de bobinado deseado. "Los lados del tanque de prueba no estaban completamente curvados porque esta geometría dificultaba crear una trayectoria de bobinado", explicó Glace. "Nuestro ángulo de bobinado inicial era de 75°, pero sabíamos que se necesitaban múltiples circuitos para soportar la carga en este recipiente a presión. Seguimos buscando una solución a este problema, pero no es fácil con el software disponible actualmente en el mercado. Podría convertirse en un proyecto posterior".
“Hemos demostrado la viabilidad de este concepto de producción”, afirma Gleiss, “pero necesitamos seguir trabajando para mejorar la conexión entre el laminado y remodelar los tirantes. Pruebas externas en una máquina de pruebas. Se extraen los espaciadores del laminado y se comprueban las cargas mecánicas que soportan esas uniones”.
Esta parte del proyecto Polymers4Hydrogen finalizará a finales de 2023, fecha en la que Gleis espera completar el segundo tanque de demostración. Curiosamente, los diseños actuales utilizan termoplásticos reforzados de alta calidad en la estructura y compuestos termoestables en las paredes del tanque. ¿Se utilizará este enfoque híbrido en el tanque de demostración final? "Sí", respondió Grace. "Nuestros socios en el proyecto Polymers4Hydrogen están desarrollando resinas epoxi y otros materiales de matriz compuesta con mejores propiedades de barrera al hidrógeno". Menciona a dos socios que trabajan en este proyecto: PCCL y la Universidad de Tampere (Tampere, Finlandia).
Gleiss y su equipo también intercambiaron información y discutieron ideas con Jaeger sobre el segundo proyecto HyDDen del tanque compuesto conforme LCC.
“Produciremos un recipiente a presión de material compuesto conformado para drones de investigación”, afirma Jaeger. “Se trata de una colaboración entre los departamentos de Aeroespacial y Geodesia de la TUM – LCC y el Departamento de Tecnología de Helicópteros (HT). El proyecto finalizará a finales de 2024 y actualmente estamos completando el recipiente a presión, un diseño con un enfoque más aeroespacial y automotriz. Tras esta fase inicial de concepto, el siguiente paso es realizar un modelado estructural detallado y predecir el rendimiento de la barrera de la estructura de la pared”.
“La idea es desarrollar un dron exploratorio con un sistema de propulsión híbrido de pila de combustible y batería”, continuó. Utilizará la batería durante cargas de alta potencia (es decir, despegue y aterrizaje) y luego cambiará a la pila de combustible durante la navegación con carga ligera. “El equipo de HT ya contaba con un dron de investigación y rediseñó el sistema de propulsión para usar tanto baterías como pilas de combustible”, explicó Yeager. “También adquirieron un tanque CGH2 para probar esta transmisión”.
“Mi equipo se encargó de construir un prototipo de tanque de presión que encajara, pero no por los problemas de empaque que crearía un tanque cilíndrico”, explica. “Un tanque más plano ofrece menos resistencia al viento. Por lo tanto, se obtiene un mejor rendimiento de vuelo”. Dimensiones aproximadas del tanque: 830 x 350 x 173 mm.
Tanque totalmente termoplástico compatible con AFP. Para el proyecto HyDDen, el equipo LCC de la TUM exploró inicialmente un enfoque similar al empleado por Glace (arriba), pero posteriormente optó por una combinación de varios módulos estructurales, que posteriormente se utilizaron en exceso con AFP (abajo). Crédito de la imagen: Universidad Técnica de Múnich LCC.
“Una idea es similar al enfoque de Elisabeth [Gleiss]”, dice Yager, “aplicar tirantes de tensión a la pared del recipiente para compensar las elevadas fuerzas de flexión. Sin embargo, en lugar de usar un proceso de bobinado para fabricar el tanque, utilizamos AFP. Por lo tanto, consideramos crear una sección separada del recipiente a presión, en la que los bastidores ya están integrados. Este enfoque me permitió combinar varios de estos módulos integrados y luego aplicar una tapa para sellar todo antes del bobinado final de AFP”.
“Estamos intentando perfeccionar este concepto”, continuó, “y también iniciando pruebas en la selección de materiales, lo cual es fundamental para garantizar la resistencia necesaria a la penetración del gas H₂. Para ello, utilizamos principalmente materiales termoplásticos y estamos trabajando en cómo el material afectará el comportamiento de permeación y el procesamiento en la máquina AFP. Es importante comprender si el tratamiento tendrá algún efecto y si se requiere algún posprocesamiento. También queremos saber si las diferentes chimeneas afectarán la permeación de hidrógeno a través del recipiente a presión”.
El tanque estará fabricado íntegramente en termoplástico y las tiras serán suministradas por Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Alemania). «Utilizaremos sus materiales PPS [sulfuro de polifenileno], PEEK [poliéter cetona] y LM PAEK [poliaril cetona de bajo punto de fusión]», explicó Yager. «A continuación, se realizarán comparaciones para determinar cuál ofrece la mejor protección contra la penetración y produce piezas con un mejor rendimiento». Espera completar las pruebas, el modelado estructural y de procesos, y las primeras demostraciones el próximo año.
El trabajo de investigación se llevó a cabo dentro del módulo COMET “Polymers4Hydrogen” (ID 21647053) dentro del programa COMET del Ministerio Federal de Cambio Climático, Medio Ambiente, Energía, Movilidad, Innovación y Tecnología y el Ministerio Federal de Tecnología Digital y Economía. . Los autores agradecen a los socios participantes Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL, Austria), Montanuniversitaet Leoben (Facultad de Ingeniería y Ciencia de Polímeros, Departamento de Química de Materiales Polímeros, Departamento de Ciencia de Materiales y Ensayos de Polímeros), Universidad de Tampere (Facultad de Materiales de Ingeniería). ) Science), Peak Technology y Faurecia contribuyeron a este trabajo de investigación. COMET-Modul está financiado por el gobierno de Austria y el gobierno del estado de Estiria.
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Hora de publicación: 15 de marzo de 2023