BEV-de ja FCEV-de standardsetes lamedaplatvormilistes paakides kasutatakse termoplasti ja termoreaktiivseid komposiite, mille karkasskonstruktsioon tagab 25% rohkem H2 ladustamist.#vesinik #trendid
Pärast seda, kui koostöö BMW-ga näitas, et kuuppaak võib pakkuda suuremat mahutõhusust kui mitu väikest silindrit, alustas Müncheni Tehnikaülikool projekti komposiitstruktuuri ja skaleeritava tootmisprotsessi väljatöötamiseks seeriatootmiseks.Pildi krediit: TU Dresden (üleval vasakul), Müncheni tehnikaülikool, süsinikukomposiitide osakond (LCC)
Kütuseelemendiga elektrisõidukid (FCEV), mis töötavad nullheitega (H2) vesinikuga, pakuvad täiendavaid vahendeid nullkeskkonnaeesmärkide saavutamiseks.H2 mootoriga kütuseelemendiga sõiduauto saab täis 5-7 minutiga ja selle sõiduulatus on 500 km, kuid on praegu madalate tootmismahtude tõttu kallim.Üks võimalus kulusid vähendada on kasutada standardplatvormi BEV ja FCEV mudelite jaoks.See ei ole praegu võimalik, kuna 4. tüüpi silindrilised paagid, mida kasutatakse kokkusurutud H2 gaasi (CGH2) hoidmiseks rõhul 700 baari FCEV-des, ei sobi elektrisõidukite jaoks hoolikalt kavandatud kerealuse akuruumi jaoks.Sellesse lamedasse pakendiruumi mahuvad aga patjade ja kuubikute kujul olevad surveanumad.
Patent US5577630A „Composite Conformal Pressure Vessel”, mille taotlus esitas Thiokol Corp. 1995. aastal (vasakul) ja ristkülikukujulise surveanuma, mille BMW patenteeris 2009. aastal (paremal).
Müncheni Tehnikaülikooli (TUM, München, Saksamaa) süsinikukomposiitide osakond (LCC) on selle kontseptsiooni arendamiseks kaasatud kahte projekti.Esimene neist on Polymers4Hydrogen (P4H), mida juhib Leoben Polymer Competence Center (PCCL, Leoben, Austria).LCC tööpaketti juhib kolleeg Elizabeth Glace.
Teine projekt on vesiniku demonstratsiooni- ja arenduskeskkond (HyDDen), kus LCC-d juhib teadur Christian Jaeger.Mõlema eesmärk on luua laiaulatuslik tootmisprotsessi demonstratsioon sobiva CGH2 paagi valmistamiseks, kasutades süsinikkiudkomposiite.
Kui väikese läbimõõduga silindrid paigaldatakse lamedatesse akuelementidesse (vasakul) ja terasvooderdistest ja süsinikkiust/epoksükomposiit-väliskestast (paremal) valmistatud 2. tüüpi surveanumatesse, on mahutõhusus piiratud.Pildi allikas: joonised 3 ja 6 pärinevad Rufi ja Zaremba jt tööst „Numerical Design Approach for Type II survekasti anumale koos sisemiste pingutusjalgadega”.
P4H on valmistanud eksperimentaalse kuubikupaagi, mis kasutab termoplastist raami koos süsinikkiuga tugevdatud epoksiidiga mähitud komposiitpingerihmade/tugedega.HyDDen kasutab sarnast konstruktsiooni, kuid kasutab kõigi termoplastiliste komposiitpaakide tootmiseks automaatset kiudude paigutust (AFP).
Alates 1995. aasta Thiokol Corp. patenditaotlusest „Composite Conformal Pressure Vessel“ kuni Saksa patendini DE19749950C2 1997. aastal võib surugaasi anumatel olla mis tahes geomeetriline konfiguratsioon, kuid eriti lamedad ja ebakorrapärased kujundid, mis asuvad kesta toega ühendatud õõnsuses. .elemente kasutatakse nii, et need taluksid gaasi paisumisjõudu.
2006. aasta Lawrence Livermore'i riikliku labori (LLNL) paberil kirjeldatakse kolme lähenemisviisi: filamendiga mähitud konformne surveanum, mikrovõrest surveanum, mis sisaldab sisemist ortorombilist võrestruktuuri (väikesed rakud 2 cm või vähem), mida ümbritseb õhukese seinaga H2 anum, ja replikaatori mahuti, mis koosneb sisemisest struktuurist, mis koosneb liimitud väikestest osadest (nt kuusnurksed plastrõngad) ja õhukese väliskesta koostisest.Topeltmahutid sobivad kõige paremini suuremate konteinerite jaoks, kus traditsioonilisi meetodeid võib olla raske rakendada.
Patent DE102009057170A, mille Volkswagen esitas 2009. aastal, kirjeldab sõidukile paigaldatud surveanumat, mis tagab suure kaalutõhususe ja parandab ruumikasutust.Ristkülikukujulistes paakides kasutatakse kahe ristkülikukujulise vastasseina vahel pingutusühendusi ja nurgad on ümardatud.
Ülaltoodud ja teisi kontseptsioone viitab Gleiss Gleissi et al. artiklis "Process Development for Cubic Pressure Vessels with Stretch Bars".ECCM20-l (26.-30. juuni 2022, Lausanne, Šveits).Selles artiklis tsiteerib ta Michael Roofi ja Sven Zaremba avaldatud TUM-i uuringut, milles leiti, et ristkülikukujulisi külgi ühendavate pingutustugedega kuubikujuline surveanum on tõhusam kui mitu väikest silindrit, mis mahuvad tühja aku ruumi, pakkudes ligikaudu 25 % rohkem.panipaik.
Gleissi sõnul on suure hulga väikeste 4. tüüpi silindrite lamedasse korpusesse paigaldamise probleem selles, et „balloonidevaheline ruumala on oluliselt vähenenud ja süsteemil on ka väga suur H2 gaasi läbilaskev pind.Üldiselt pakub süsteem väiksemat salvestusmahtu kui kuuppurgid.
Paagi kuupkonstruktsiooniga on aga muid probleeme."Ilmselt peate surugaasi tõttu neutraliseerima lamedate seinte paindejõude," ütles Gleiss.“Selleks on vaja tugevdatud konstruktsiooni, mis ühendub seestpoolt paagi seintega.Kuid komposiitmaterjalidega on seda raske teha.
Glace ja tema meeskond püüdsid lisada surveanumasse tugevdavaid pingutusvardaid viisil, mis sobiks hõõgniidi mähkimisprotsessi jaoks."See on oluline suuremahulise tootmise jaoks," selgitab ta, "ja võimaldab meil kujundada ka konteineri seinte mähismustri, et optimeerida kiudude orientatsiooni iga tsooni koorma jaoks."
Neli sammu P4H projekti jaoks kuupmeetrilise komposiitpaagi proovimiseks.Pildi krediit: „Tootmisprotsessi arendamine kuupmeetriliste surveanumate jaoks”, Müncheni Tehnikaülikool, Polymers4Hydrogen projekt, ECCM20, juuni 2022.
Et saavutada ketis, on meeskond välja töötanud uue kontseptsiooni, mis koosneb neljast põhietapist, nagu ülal näidatud.Astmetel musta värviga näidatud pingutustoed on kokkupandavad raamikonstruktsioonid, mis on valmistatud projektist MAI Skelett võetud meetoditega.Selle projekti jaoks töötas BMW välja tuuleklaasi raami "karkassi", kasutades nelja kiududega tugevdatud pultrusioonvarda, mis seejärel vormiti plastraamiks.
Eksperimentaalse kuuppaagi raam.Kuusnurksed skeleti osad 3D prinditud TUM-i poolt, kasutades tugevdamata PLA filamenti (ülemine), sisestades CF/PA6 pultrusioonivardad pingutustraksidena (keskel) ja seejärel mähkides hõõgniidi trakside ümber (alumine).Pildi krediit: Müncheni Tehnikaülikooli LCC.
"Idee seisneb selles, et saate kuuppaagi raami ehitada moodulkonstruktsioonina, " ütles Glace."Seejärel asetatakse need moodulid vormimistööriistadesse, pingutustoed asetatakse raami moodulitesse ja seejärel kasutatakse tugipostide ümber MAI Skeletti meetodit, et need raami osadega integreerida."masstootmismeetodil, mille tulemuseks on struktuur, mida kasutatakse seejärel torni või südamikuna säilituspaagi komposiitkesta mähkimiseks.
TUM kujundas paagi raami kuubikujulise "padjana", millel on tugevad küljed, ümarad nurgad ja kuusnurkne muster üla- ja alaosas, mille kaudu saab sidemeid sisestada ja kinnitada.Nende riiulite augud olid samuti 3D-prinditud."Meie esialgse katsepaagi jaoks printisime 3D-kujulise kuusnurkse raami osad polüpiimhappega [PLA, biopõhine termoplast], kuna see oli lihtne ja odav," ütles Glace.
Meeskond ostis SGL Carbonilt (Meitingen, Saksamaa) sidedena kasutamiseks 68 pultrudeeritud süsinikkiuga tugevdatud polüamiid 6 (PA6) varda."Konseptsiooni testimiseks ei teinud me vormimist," ütleb Gleiss, "vaid lihtsalt sisestasime vahetükid 3D-prinditud kärgstruktuuri südamikuraami ja liimisime need epoksüliimiga.See annab siis tünni paagi kerimiseks.Ta märgib, et kuigi neid vardaid on suhteliselt lihtne kerida, on mõningaid olulisi probleeme, mida kirjeldatakse hiljem.
"Esimeses etapis oli meie eesmärk demonstreerida disaini valmistatavust ja tuvastada probleemid tootmiskontseptsioonis," selgitas Gleiss."Seega ulatuvad pingutustoed skeleti struktuuri välispinnast välja ja me kinnitame süsinikkiud selle südamiku külge märja hõõgniidi mähise abil.Pärast seda painutame kolmandas etapis iga tugivarda pead.termoplastist, nii et kasutame soojust, et kujundada pea ümber nii, et see tasanduks ja lukustuks esimese ümbriskihiga.Seejärel jätkame konstruktsiooni uuesti mähkimisega, nii et lame tõukepea oleks paagis geomeetriliselt suletud.laminaat seintel.
Vahekork kerimiseks.TUM kasutab pingutusvarraste otstes plastkorke, et vältida kiudude sassi sattumist hõõgniidi mähkimise ajal.Pildi krediit: Müncheni Tehnikaülikooli LCC.
Glace kordas, et see esimene tank oli kontseptsiooni tõestus.„3D-printimise ja liimi kasutamine oli mõeldud ainult esmaseks testimiseks ja andis meile aimu mõnest probleemist, millega kokku puutusime.Näiteks mähkimise ajal jäid niidid pingutusvarraste otstesse kinni, põhjustades kiudude purunemist, kahjustusi ja vähendades selle vastu võitlemiseks kiu kogust.kasutasime valmistamise abivahenditena mõnda plastkorki, mis asetati postidele enne esimest kerimisetappi. Seejärel, kui sisemised laminaadid olid tehtud, eemaldasime need kaitsekorgid ja kujundasime postide otsad enne lõplikku mähkimist ümber.
Meeskond katsetas erinevaid rekonstrueerimisstsenaariume."Need, kes ringi vaatavad, töötavad kõige paremini," ütleb Grace."Samuti kasutasime prototüüpimise etapis kuumuse rakendamiseks ja ühendusvarda otste ümberkujundamiseks modifitseeritud keevitustööriista.Masstootmise kontseptsiooni puhul oleks teil üks suurem tööriist, mis suudab kõik tugipostide otsad korraga siseviimistluslaminaadiks vormida ja vormida..”
Veotiislipead ümber kujundatud.TUM katsetas erinevaid kontseptsioone ja muutis keevisõmblusi, et joondada paagi seina laminaadi külge kinnitamiseks mõeldud komposiitsidemete otsad.Pildi krediit: „Tootmisprotsessi arendamine kuupmeetriliste surveanumate jaoks”, Müncheni Tehnikaülikool, Polymers4Hydrogen projekt, ECCM20, juuni 2022.
Seega laminaat kõveneb pärast esimest mähisetappi, postid kujundatakse ümber, TUM lõpetab filamentide teise mähise ja seejärel kõvendatakse paagi välisseina laminaat teist korda.Pange tähele, et see on 5. tüüpi paagi konstruktsioon, mis tähendab, et sellel ei ole gaasitõkkena plastikust vooderdust.Vaadake arutelu allpool jaotises Järgmised sammud.
"Lõikasime esimese demo ristlõigeteks ja kaardistasime ühendatud ala," ütles Glace."Lähivõte näitab, et meil oli laminaadiga kvaliteediprobleeme, kuna tugipead ei asetunud siselaminaadil tasaselt."
Paagi sise- ja välisseina laminaadi vahede probleemide lahendamine.Modifitseeritud roolivarda pea loob tühimiku katsepaagi esimese ja teise pöörde vahele.Pildi krediit: Müncheni Tehnikaülikooli LCC.
See esialgne 450 x 290 x 80 mm paak valmis eelmisel suvel."Oleme sellest ajast saati teinud palju edusamme, kuid sise- ja välislaminaadi vahel on endiselt lõhe, " ütles Glace."Seega proovisime need tühimikud täita puhta ja kõrge viskoossusega vaiguga.See parandab tegelikult naastude ja laminaadi vahelist ühendust, mis suurendab oluliselt mehaanilist pinget.
Meeskond jätkas paagi disaini ja protsessi arendamist, sealhulgas lahendusi soovitud mähismustri jaoks."Katsepaagi küljed ei olnud täielikult kõverdunud, kuna selle geomeetriaga oli raske luua käänulist rada," selgitas Glace."Meie esialgne mähisnurk oli 75°, kuid teadsime, et selle surveanuma koormuse rahuldamiseks on vaja mitut ahelat.Me alles otsime sellele probleemile lahendust, kuid praegu turul oleva tarkvaraga pole see lihtne.Sellest võib saada jätkuprojekt.
"Oleme näidanud selle tootmiskontseptsiooni teostatavust, " ütleb Gleiss, "kuid me peame laminaadi vahelise ühenduse parandamiseks ja tugivarraste ümberkujundamiseks edasi töötama.“Väline testimine testimismasinal.Tõmbate laminaadist vahetükid välja ja katsetate mehaanilisi koormusi, mida need liigendid taluvad.
See osa Polymers4Hydrogen projektist valmib 2023. aasta lõpus, selleks ajaks loodab Gleis valmis saada teise näidispaagi.Huvitav on see, et tänapäeval kasutatakse konstruktsioonides raamis korralikku tugevdatud termoplasti ja paagi seintes termoreaktiivseid komposiite.Kas seda hübriidset lähenemisviisi kasutatakse viimases demonstratsioonipaagis?"Jah," ütles Grace."Meie partnerid projektis Polymers4Hydrogen arendavad epoksüvaikusid ja muid komposiitmaatriksmaterjale, millel on paremad vesinikbarjääri omadused."Ta loetleb kaks selle töö kallal töötavat partnerit, PCCL ja Tampere Ülikool (Tampere, Soome).
Gleiss ja tema meeskond vahetasid ka teavet ja arutasid Jaegeriga ideid LCC konformse komposiitpaagi teise HyDDeni projekti kohta.
"Toodame uurimisdroonide jaoks sobivat komposiitsurveanumat, " ütleb Jaeger.„See on koostöö kahe TUMi lennundus- ja geodeetilise osakonna – LCC ja helikopteritehnoloogia osakonna (HT) vahel.Projekt valmib 2024. aasta lõpuks ja hetkel oleme lõpetamas surveanumat.disain, mis on rohkem kosmose- ja autotööstuse lähenemisviis.Pärast seda esialgset kontseptsiooni etappi on järgmiseks etapiks üksikasjalik konstruktsiooni modelleerimine ja seinakonstruktsiooni tõkete jõudluse ennustamine.
"Kogu idee seisneb hübriidkütuseelemendi ja aku jõusüsteemiga uuriva drooni väljatöötamises," jätkas ta.See kasutab akut suure võimsusega koormuste ajal (st õhkutõusmisel ja maandumisel) ning lülitub seejärel väikese koormusega reisimise ajal kütuseelemendile."HT meeskonnal oli juba uurimisdroon ja ta kujundas jõuallika ümber, et kasutada nii akusid kui ka kütuseelemente," ütles Yeager."Nad ostsid selle käigukasti testimiseks ka CGH2 paagi."
"Minu meeskonna ülesandeks oli ehitada survepaagi prototüüp, mis sobiks, kuid mitte silindrilise paagiga kaasnevate pakendiprobleemide tõttu," selgitab ta.“Lamedam paak ei paku nii suurt tuuletakistust.Nii saate paremaid lennutulemusi."Paagi mõõtmed u.830 x 350 x 173 mm.
Täielikult termoplastne AFP-ühilduv paak.HyDDen projekti jaoks uuris TUMi LCC meeskond algselt Glace'i (ülal) kasutatud lähenemisviisiga sarnast lähenemisviisi, kuid seejärel läks üle lähenemisviisile, mis kasutas mitme struktuurimooduli kombinatsiooni, mida seejärel AFP abil (allpool) üle kasutati.Pildi krediit: Müncheni Tehnikaülikooli LCC.
"Üks idee sarnaneb Elisabethi [Gleissi] lähenemisviisiga," ütleb Yager, "rakendada veresoone seinale pingutustraksid, et kompenseerida suuri painutusjõude.Kuid selle asemel, et kasutada paagi valmistamiseks kerimisprotsessi, kasutame AFP-d.Seetõttu mõtlesime surveanuma eraldi sektsiooni loomisele, millesse nagid on juba integreeritud.See lähenemine võimaldas mul kombineerida mitu neist integreeritud moodulitest ja seejärel kinnitada otsakork, et kõik enne lõplikku AFP mähist sulgeda.
"Püüame sellise kontseptsiooni lõplikult välja töötada," jätkas ta, "ning alustame ka materjalide valiku testimist, mis on väga oluline, et tagada vajalik vastupidavus H2 gaasi läbitungimisele.Selleks kasutame peamiselt termoplastseid materjale ja töötame välja selle kallal, kuidas materjal seda läbitungimist ja töötlemist AFP masinas mõjutab.Oluline on mõista, kas ravil on mõju ja kas on vaja järeltöötlust.Samuti tahame teada, kas erinevad korstnad mõjutavad vesiniku läbitungimist läbi surveanuma.
Paak on täielikult valmistatud termoplastist ja ribad tarnib Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Saksamaa)."Me kasutame nende PPS-i [polüfenüleensulfiid], PEEK-i [polüeeterketoon] ja LM PAEK [madalsulav polüarüülketoon] materjale, " ütles Yager."Seejärel tehakse võrdlusi, et näha, milline neist on parim läbitungimise kaitseks ja parema jõudlusega osade tootmiseks."Ta loodab järgmise aasta jooksul lõpule viia testimise, struktuuride ja protsesside modelleerimise ning esimesed demonstratsioonid.
Uurimistöö viidi läbi COMETI mooduli “Polymers4Hydrogen” (ID 21647053) raames föderaalse kliimamuutuste, keskkonna-, energeetika-, mobiilsuse, innovatsiooni ja tehnoloogia ministeeriumi ning föderaalse digitaaltehnoloogia ja majanduse ministeeriumi programmi COMET raames..Autorid tänavad osalevaid partnereid Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL, Austria), Montanuniversitaet Leoben (Polümeeritehnika ja loodusteaduste teaduskond, polümeermaterjalide keemia osakond, materjaliteaduse ja polümeeride testimise osakond), Tampere ülikooli (inseneriteaduskond) Materjalid).) Science), Peak Technology ja Faurecia andsid oma panuse sellesse uurimistöösse.COMET-Modulit rahastavad Austria valitsus ja Steiermarki liidumaa valitsus.
Kandekonstruktsioonide eeltugevdatud lehed sisaldavad pidevaid kiude – mitte ainult klaasist, vaid ka süsinikust ja aramiidist.
Komposiitdetailide valmistamiseks on palju võimalusi.Seetõttu sõltub konkreetse osa meetodi valik materjalist, osa konstruktsioonist ja lõpp- või rakendusest.Siin on valikujuhend.
Shocker Composites ja R&M International töötavad välja ringlussevõetud süsinikkiust tarneahelat, mis tagab nullkiu, madalamad kulud kui esmane kiud ja pakub lõpuks pikkusi, mis lähenevad struktuuriomadustelt pidevale kiule.
Postitusaeg: 15. märts 2023