Los tanques de plataforma plana estándar para BEV y FCEV utilizan compuestos termoplásticos y termoestables con una construcción de esqueleto que proporciona un 25 % más de almacenamiento de H2.#hidrógeno #tendencias
Después de que una colaboración con BMW demostrara que un tanque cúbico podía ofrecer una mayor eficiencia volumétrica que varios cilindros pequeños, la Universidad Técnica de Munich se embarcó en 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) izquierda), Universidad Técnica de Munich, 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 lograr objetivos ambientales cero.Un turismo de pila de combustible con un motor 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 costos es usar una plataforma estándar para los modelos BEV y FCEV.Actualmente, esto no es posible porque los tanques cilíndricos Tipo 4 que se utilizan para almacenar gas H2 comprimido (CGH2) a 700 bar en los FCEV no son adecuados para los compartimentos de batería debajo de la carrocería que han sido cuidadosamente diseñados 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 Munich (TUM, Munich, Alemania) está involucrado en dos proyectos para desarrollar este concepto.El primero es Polymers4Hydrogen (P4H), dirigido por el Centro de Competencia de Polímeros Leoben (PCCL, Leoben, Austria).El paquete de trabajo de LCC está dirigido por la becaria Elizabeth Glace.
El segundo proyecto es el Entorno de desarrollo y demostración de hidrógeno (HyDDen), donde LCC está dirigido por el investigador Christian Jaeger.Ambos tienen como objetivo crear una demostración a gran escala del proceso de fabricación para hacer un tanque CGH2 adecuado utilizando compuestos de fibra de carbono.
Hay una eficiencia volumétrica 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 cubierta exterior compuesta de fibra de carbono/epoxi (derecha).Fuente de la imagen: las figuras 3 y 6 son del "Enfoque de diseño numérico para recipientes de caja de presión tipo II con patas de tensión interna" de Ruf y Zaremba et al.
P4H ha fabricado un tanque de cubo experimental que utiliza un marco termoplástico con correas/puntales de tensión compuestos envueltos en epoxi reforzado con fibra de carbono.HyDDen utilizará un diseño similar, pero utilizará la disposición automática 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 de 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 del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) de 2006 describe tres enfoques: un recipiente a presión conformado con bobinado de filamento, un recipiente a presión de microretícula que contiene una estructura reticular ortorrómbica interna (pequeñas celdas de 2 cm o menos), rodeada por un recipiente de H2 de paredes delgadas, y un contenedor replicador, que consiste en una estructura interna que consiste en piezas pequeñas pegadas (por ejemplo, anillos de plástico hexagonales) y una composición de capa exterior delgada.Los contenedores duplicados son más adecuados para contenedores más grandes donde los métodos tradicionales pueden ser difíciles de aplicar.
La patente DE102009057170A presentada por Volkswagen en 2009 describe un recipiente a presión montado en un vehículo que proporcionará una alta eficiencia de peso al tiempo que mejora la utilización del espacio.Los tanques rectangulares usan conectores de tensión entre dos paredes rectangulares opuestas y las esquinas son redondeadas.
Los conceptos anteriores y otros son citados por Gleiss en el documento "Process Development for Cubic Pressure Vessels with Stretch Bars" de Gleiss et al.en ECCM20 (26-30 de junio de 2022, Lausana, Suiza).En este artículo, cita un estudio TUM publicado por Michael Roof y Sven Zaremba, que encontró 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 plana, proporcionando aproximadamente 25 % más.Espacio de almacenamiento.
Según Gleiss, el problema de instalar una gran cantidad de cilindros pequeños 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 menos capacidad de almacenamiento que los frascos cúbicos”.
Sin embargo, existen otros problemas con el diseño cúbico del tanque.“Obviamente, debido al gas comprimido, es necesario contrarrestar las fuerzas de flexión en las paredes planas”, dijo Gleiss.“Para esto, se necesita una estructura reforzada que se conecte internamente a las paredes del tanque.Pero eso es difícil de hacer con los compuestos”.
Glace y su equipo intentaron incorporar barras de tensión de refuerzo en el recipiente a presión de una manera que fuera adecuada para el proceso de bobinado de filamentos."Esto es importante para la producción de alto volumen", explica, "y también nos permite diseñar el patrón de bobinado de las paredes del contenedor para optimizar la orientación de la fibra para cada carga en la zona".
Cuatro pasos para hacer un tanque compuesto cúbico de prueba para el proyecto P4H.Crédito de la imagen: "Desarrollo de un proceso de producción para recipientes a presión cúbicos con abrazadera", Universidad Técnica de Munich, proyecto Polymers4Hydrogen, ECCM20, junio de 2022.
Para lograr en cadena, el equipo ha desarrollado un nuevo concepto que consta de cuatro pasos principales, como se muestra arriba.Los puntales de tensión, que se muestran en negro en los escalones, son una estructura de armazón prefabricada fabricada con métodos tomados del proyecto MAI Skelett.Para este proyecto, BMW desarrolló un marco de parabrisas utilizando cuatro varillas de pultrusión reforzadas con fibra, que luego se moldearon en un marco de plástico.
El marco de un tanque cúbico experimental.Secciones esqueléticas hexagonales impresas en 3D por TUM usando filamento PLA no reforzado (arriba), insertando varillas de pultrusión CF/PA6 como abrazaderas de tensión (centro) y luego envolviendo el filamento alrededor de las abrazaderas (abajo).Crédito de la imagen: Universidad Técnica de Munich LCC.
“La idea es que se pueda construir el marco de un tanque cúbico como una estructura modular”, dijo Glace."Luego, estos módulos se colocan en una herramienta de moldeo, los puntales de tensión se colocan en los módulos del marco y luego se usa el método de MAI Skelett alrededor de los puntales para integrarlos con las partes del marco".método de producción en masa, que da como resultado una estructura que luego se utiliza como mandril o núcleo para envolver la carcasa compuesta del tanque de almacenamiento.
TUM diseñó el marco 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 sujetar lazos.Los agujeros para estos bastidores también se imprimieron en 3D.“Para nuestro tanque experimental inicial, imprimimos en 3D secciones de estructura hexagonal usando ácido poliláctico [PLA, un termoplástico de base biológica] porque era fácil y económico”, dijo Glace.
El equipo compró 68 varillas de poliamida 6 (PA6) reforzada con fibra de carbono pultruida de SGL Carbon (Meitingen, Alemania) para usarlas como amarres.“Para probar el concepto, no hicimos ninguna moldura”, dice Gleiss, “sino que simplemente insertamos espaciadores en un marco de núcleo de panal impreso en 3D y los pegamos con pegamento epoxi.Esto luego proporciona un mandril para enrollar el tanque”.Ella señala que aunque estas cañas son relativamente fáciles de enrollar, existen algunos problemas importantes que se describirán más adelante.
“En la primera etapa, nuestro objetivo era demostrar la capacidad de fabricación del diseño e identificar problemas en el concepto de producción”, explicó Gleiss.“Entonces, los puntales de tensión sobresalen de la superficie exterior de la estructura del esqueleto, y unimos las fibras de carbono a este núcleo utilizando un devanado de filamento húmedo.Después de eso, en el tercer paso, doblamos la cabeza de cada tirante.termoplástico, por lo que solo usamos calor para remodelar la cabeza para que se aplane y se bloquee en la primera capa de envoltura.Luego se procede a envolver nuevamente la estructura para que la cabeza plana de empuje quede encerrada geométricamente dentro del tanque.laminado en las paredes.
Tapa espaciadora para enrollar.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 Munich LCC.
Glace reiteró que este primer tanque fue una prueba de concepto.“El uso de la impresión 3D y el 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 quedaron atrapados en los extremos de las varillas de tensión, provocando la rotura de la fibra, el daño de la fibra y reduciendo la cantidad de fibra para contrarrestar esto.usamos algunas tapas de plástico como ayuda para la fabricación que se colocaron en los postes antes del primer paso de bobinado. Luego, cuando se hicieron 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 a su alrededor trabajan mejor”, dice Grace.“Además, durante la fase de creación de prototipos, utilizamos una herramienta de soldadura modificada para aplicar calor y remodelar los extremos de la barra de dirección.En un concepto de producción en masa, tendría una herramienta más grande que puede moldear y formar todos los extremos de los puntales en un laminado de acabado interior al mismo tiempo..”
Cabezas de barra de tiro remodeladas.TUM experimentó con diferentes conceptos y modificó las soldaduras para alinear los extremos de las uniones compuestas para unirlas al laminado de la pared del tanque.Crédito de la imagen: "Desarrollo de un proceso de producción para recipientes a presión cúbicos con abrazadera", Universidad Técnica de Munich, proyecto Polymers4Hydrogen, ECCM20, junio de 2022.
Por lo tanto, el laminado se cura después del primer paso de bobinado, los postes se reforman, el TUM completa el segundo bobinado de los filamentos y luego 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 tiene un revestimiento de plástico como barrera de gas.Consulte la discusión en la sección Próximos pasos a continuación.
“Cortamos la primera 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 quedaron planas sobre el laminado interior”.
Resolviendo problemas con espacios entre el laminado de las paredes internas y externas del tanque.La cabeza de la barra de acoplamiento modificada crea un espacio entre la primera y la segunda vuelta del tanque experimental.Crédito de la imagen: Universidad Técnica de Munich LCC.
Este tanque inicial de 450 x 290 x 80 mm se completó el verano pasado.“Hemos progresado mucho desde entonces, pero todavía tenemos una brecha entre el laminado interior y exterior”, dijo Glace.“Así que tratamos de llenar esos vacíos con una resina limpia de alta viscosidad.De hecho, 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, incluidas las soluciones para el patrón de bobinado deseado.“Los lados del tanque de prueba no estaban completamente curvados porque era difícil que esta geometría creara un camino sinuoso”, explicó Glace.“Nuestro ángulo de bobinado inicial era de 75°, pero sabíamos que se necesitaban múltiples circuitos para cumplir con la carga en este recipiente a presión.Todavía estamos buscando una solución a este problema, pero no es fácil con el software que hay actualmente en el mercado.Puede convertirse en un proyecto de seguimiento.
“Hemos demostrado la viabilidad de este concepto de producción”, dice Gleiss, “pero tenemos que seguir trabajando para mejorar la conexión entre el laminado y remodelar los tirantes.“Pruebas externas en una máquina de pruebas.Sacas los espaciadores del laminado y pruebas las cargas mecánicas que esas juntas pueden soportar”.
Esta parte del proyecto Polymers4Hydrogen se completará a fines de 2023, momento en el cual Gleis espera completar el segundo tanque de demostración.Curiosamente, los diseños actuales utilizan termoplásticos reforzados limpios en el marco y compuestos termoestables en las paredes del tanque.¿Se utilizará este enfoque híbrido en el tanque de demostración final?“Sí”, dijo Grace.“Nuestros socios en el proyecto Polymers4Hydrogen están desarrollando resinas epoxi y otros materiales de matriz compuesta con mejores propiedades de barrera contra el hidrógeno”.Ella enumera dos socios que trabajan en este trabajo, 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 conformado LCC.
“Produciremos un recipiente a presión compuesto conforme para drones de investigación”, dice Jaeger.“Esta es una colaboración entre los dos departamentos del Departamento Aeroespacial y Geodésico de TUM - LCC y el Departamento de Tecnología de Helicópteros (HT).El proyecto se completará a fines de 2024 y actualmente estamos completando el recipiente a presión.un diseño que es más un enfoque aeroespacial y automotriz.Después de esta etapa conceptual inicial, el siguiente paso es realizar un modelado estructural detallado y predecir el desempeño de la barrera de la estructura del muro”.
“La idea general es desarrollar un dron exploratorio con una celda de combustible híbrida y un sistema de propulsión de batería”, continuó.Utilizará la batería durante cargas de alta potencia (es decir, despegue y aterrizaje) y luego cambiará a la celda de combustible durante el crucero de carga ligera.“El equipo de HT ya tenía un dron de investigación y rediseñó el tren motriz para usar tanto baterías como celdas de combustible”, dijo Yeager.“También compraron 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 no ofrece tanta resistencia al viento.Entonces obtienes un mejor rendimiento de vuelo”.Dimensiones del tanque aprox.830 x 350 x 173 mm.
Depósito totalmente termoplástico compatible con AFP.Para el proyecto HyDDen, el equipo de LCC en TUM inicialmente exploró un enfoque similar al utilizado por Glace (arriba), pero luego pasó a un enfoque que usaba una combinación de varios módulos estructurales, que luego se usaron en exceso usando AFP (abajo).Crédito de la imagen: Universidad Técnica de Munich LCC.
“Una idea es similar al enfoque de Elisabeth [Gleiss]”, dice Yager, “aplicar abrazaderas de tensión a la pared del vaso para compensar las altas fuerzas de flexión.Sin embargo, en lugar de usar un proceso de bobinado para hacer el tanque, usamos AFP.Por lo tanto, pensamos en 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 AFP final”.
“Estamos tratando de finalizar dicho concepto”, continuó, “y también comenzar a probar la selección de materiales, que es muy importante para garantizar la resistencia necesaria a la penetración del gas H2.Para esto, usamos principalmente materiales termoplásticos y estamos trabajando en cómo el material afectará este comportamiento de permeación y procesamiento en la máquina AFP.Es importante comprender si el tratamiento tendrá un efecto y si se requiere algún procesamiento posterior.También queremos saber si las diferentes pilas afectarán la permeación de hidrógeno a través del recipiente a presión”.
El tanque estará completamente hecho de termoplástico y las tiras serán suministradas por Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Alemania).“Usaremos sus materiales PPS [sulfuro de polifenileno], PEEK [poliéter cetona] y LM PAEK [poliaril cetona de bajo punto de fusión]”, dijo Yager.“Luego se hacen comparaciones para ver cuál es mejor para la protección contra penetración y la producción de piezas con un mejor rendimiento”.Espera completar las pruebas, el modelado estructural y de procesos y las primeras demostraciones dentro del 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 Pruebas de Polímeros), Universidad de Tampere (Facultad de Ingeniería Materiales).) 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-mar-2023