مخازن استاندارد با پلتفرم تخت برای خودروهای برقی (BEV) و خودروهای پیل سوختی (FCEV) از کامپوزیتهای ترموپلاستیک و ترموست با ساختار اسکلتی که ۲۵٪ ذخیرهسازی H2 بیشتری را فراهم میکند، استفاده میکنند. #هیدروژن #روندها
پس از آنکه همکاری با بیامو نشان داد که یک مخزن مکعبی میتواند راندمان حجمی بالاتری نسبت به چندین سیلندر کوچک ارائه دهد، دانشگاه فنی مونیخ پروژهای را برای توسعه یک ساختار کامپوزیتی و یک فرآیند تولید مقیاسپذیر برای تولید سریالی آغاز کرد. منبع تصویر: TU Dresden (بالا) سمت چپ)، دانشگاه فنی مونیخ، دپارتمان کامپوزیتهای کربنی (LCC)
خودروهای الکتریکی پیل سوختی (FCEV) که با هیدروژن بدون آلایندگی (H2) کار میکنند، ابزارهای بیشتری را برای دستیابی به اهداف زیستمحیطی صفر فراهم میکنند. یک خودروی سواری پیل سوختی با موتور H2 میتواند در 5 تا 7 دقیقه پر شود و برد 500 کیلومتر دارد، اما در حال حاضر به دلیل حجم تولید پایین، گرانتر است. یکی از راههای کاهش هزینهها، استفاده از یک پلتفرم استاندارد برای مدلهای BEV و FCEV است. این امر در حال حاضر امکانپذیر نیست زیرا مخازن استوانهای نوع 4 که برای ذخیره گاز فشرده H2 (CGH2) با فشار 700 بار در FCEVها استفاده میشوند، برای محفظههای باتری زیر بدنه که با دقت برای خودروهای الکتریکی طراحی شدهاند، مناسب نیستند. با این حال، مخازن تحت فشار به شکل بالش و مکعب میتوانند در این فضای بستهبندی مسطح قرار گیرند.
پتنت US5577630A برای «مخزن تحت فشار کامپوزیتی همدیس»، درخواست ثبت شده توسط شرکت Thiokol در سال ۱۹۹۵ (چپ) و مخزن تحت فشار مستطیلی ثبت شده توسط BMW در سال ۲۰۰۹ (راست).
دپارتمان کامپوزیتهای کربنی (LCC) دانشگاه فنی مونیخ (TUM، مونیخ، آلمان) در دو پروژه برای توسعه این مفهوم مشارکت دارد. اولین پروژه، Polymers4Hydrogen (P4H) است که توسط مرکز صلاحیت پلیمر لئوبن (PCCL، لئوبن، اتریش) رهبری میشود. بسته کاری LCC توسط همکارش الیزابت گلاس هدایت میشود.
پروژه دوم، محیط توسعه و نمایش هیدروژن (HyDDen) است که در آن LCC توسط محقق کریستین جاگر رهبری میشود. هدف هر دو، ایجاد یک نمایش در مقیاس بزرگ از فرآیند تولید برای ساخت یک مخزن CGH2 مناسب با استفاده از کامپوزیتهای فیبر کربن است.
وقتی سیلندرهای با قطر کوچک در سلولهای باتری تخت (چپ) و مخازن تحت فشار نوع ۲ مکعبی ساخته شده از آسترهای فولادی و پوسته بیرونی کامپوزیت فیبر کربن/اپوکسی (راست) نصب میشوند، راندمان حجمی محدودی وجود دارد. منبع تصویر: شکلهای ۳ و ۶ از «رویکرد طراحی عددی برای مخزن جعبه فشار نوع II با پایههای کششی داخلی» نوشته روف و زارمبا و همکاران هستند.
شرکت P4H یک مخزن مکعبی آزمایشی ساخته است که از یک قاب ترموپلاستیک با تسمهها/میلههای کششی کامپوزیتی پیچیده شده در اپوکسی تقویتشده با الیاف کربن استفاده میکند. شرکت HyDDen از طراحی مشابهی استفاده خواهد کرد، اما از چیدمان خودکار الیاف (AFP) برای ساخت تمام مخازن کامپوزیت ترموپلاستیک استفاده خواهد کرد.
از درخواست ثبت اختراع توسط شرکت Thiokol گرفته تا «مخزن تحت فشار کامپوزیتی همدیس» در سال ۱۹۹۵ و ثبت اختراع آلمانی DE19749950C2 در سال ۱۹۹۷، مخازن گاز فشرده «ممکن است هر پیکربندی هندسی داشته باشند»، اما به ویژه اشکال مسطح و نامنظم، در حفرهای متصل به تکیهگاه پوسته. از عناصری استفاده میشود که بتوانند در برابر نیروی انبساط گاز مقاومت کنند.
یک مقاله از آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور (LLNL) در سال ۲۰۰۶، سه رویکرد را شرح میدهد: یک مخزن فشار همدیس با زخم رشتهای، یک مخزن فشار میکروتورمبیک حاوی یک ساختار شبکهای ارتورومبیک داخلی (سلولهای کوچک ۲ سانتیمتر یا کمتر)، احاطه شده توسط یک مخزن H2 با دیواره نازک، و یک مخزن تکثیرکننده، متشکل از یک ساختار داخلی متشکل از قطعات کوچک چسبانده شده (به عنوان مثال، حلقههای پلاستیکی شش ضلعی) و ترکیبی از پوست نازک پوسته بیرونی. مخازن تکثیر شده برای مخازن بزرگتر که در آنها اعمال روشهای سنتی ممکن است دشوار باشد، مناسبتر هستند.
اختراع DE102009057170A که توسط فولکس واگن در سال ۲۰۰۹ ثبت شده است، یک مخزن تحت فشار نصب شده روی خودرو را توصیف میکند که ضمن بهبود استفاده از فضا، راندمان وزنی بالایی را ارائه میدهد. مخازن مستطیلی از رابطهای کششی بین دو دیواره مستطیلی روبروی هم استفاده میکنند و گوشههای آنها گرد است.
مفاهیم فوق و سایر مفاهیم توسط گلیسس در مقاله «توسعه فرآیند برای مخازن تحت فشار مکعبی با میلههای کششی» نوشته گلیسس و همکارانش در ECCM20 (26 تا 30 ژوئن 2022، لوزان، سوئیس) ذکر شده است. در این مقاله، او به یک مطالعه TUM منتشر شده توسط مایکل روف و سون زارمبا استناد میکند که نشان میدهد یک مخزن تحت فشار مکعبی با پایههای کششی که اضلاع مستطیلی را به هم متصل میکنند، نسبت به چندین سیلندر کوچک که در فضای یک باتری تخت جا میشوند، کارآمدتر است و تقریباً 25٪ فضای ذخیرهسازی بیشتری را فراهم میکند.
به گفتهی گلایس، مشکل نصب تعداد زیادی سیلندر کوچک نوع ۴ در یک محفظهی تخت این است که «حجم بین سیلندرها به شدت کاهش مییابد و سیستم همچنین سطح نفوذ گاز H2 بسیار بزرگی دارد. در مجموع، این سیستم ظرفیت ذخیرهسازی کمتری نسبت به شیشههای مکعبی ارائه میدهد.»
با این حال، مشکلات دیگری نیز در طراحی مکعبی مخزن وجود دارد. گلایس گفت: «بدیهی است که به دلیل گاز فشرده، باید نیروهای خمشی روی دیوارههای صاف را خنثی کنید. برای این کار، به یک سازه تقویتشده نیاز دارید که از داخل به دیوارههای مخزن متصل شود. اما انجام این کار با کامپوزیتها دشوار است.»
گلیس و تیمش سعی کردند میلههای کششی تقویتکننده را به گونهای در مخزن تحت فشار قرار دهند که برای فرآیند پیچاندن رشته مناسب باشد. او توضیح میدهد: «این امر برای تولید با حجم بالا مهم است و همچنین به ما اجازه میدهد الگوی پیچاندن دیوارههای مخزن را طوری طراحی کنیم که جهتگیری الیاف را برای هر بار در منطقه بهینه کنیم.»
چهار مرحله برای ساخت یک مخزن کامپوزیتی مکعبی آزمایشی برای پروژه P4H. منبع تصویر: «توسعه فرآیند تولید مخازن تحت فشار مکعبی با مهاربند»، دانشگاه فنی مونیخ، پروژه Polymers4Hydrogen، ECCM20، ژوئن 2022.
برای دستیابی به زنجیرهای، تیم مفهوم جدیدی را توسعه داده است که شامل چهار مرحله اصلی است، همانطور که در بالا نشان داده شده است. پایههای کششی، که با رنگ سیاه روی پلهها نشان داده شدهاند، یک ساختار قاب پیشساخته هستند که با استفاده از روشهای گرفته شده از پروژه MAI Skelett ساخته شدهاند. برای این پروژه، BMW یک "چارچوب" قاب شیشه جلو اتومبیل را با استفاده از چهار میله پالتروژن تقویت شده با فیبر توسعه داد که سپس در یک قاب پلاستیکی قالبگیری شدند.
قاب یک مخزن مکعبی آزمایشی. مقاطع اسکلتی شش ضلعی که توسط TUM با استفاده از فیلامنت PLA تقویت نشده (بالا) چاپ سه بعدی شده اند، میله های پالتروژن CF/PA6 به عنوان مهاربندهای کششی (وسط) قرار داده شده و سپس فیلامنت به دور مهاربندها پیچیده شده است (پایین). منبع تصویر: دانشگاه فنی مونیخ LCC.
گلس گفت: «ایده این است که شما میتوانید قاب یک مخزن مکعبی را به عنوان یک سازه مدولار بسازید. سپس این ماژولها در یک ابزار قالبگیری قرار میگیرند، پایههای کششی در ماژولهای قاب قرار میگیرند و سپس از روش MAI Skelett در اطراف پایهها برای ادغام آنها با قطعات قاب استفاده میشود.» این روش تولید انبوه، ساختاری را ایجاد میکند که سپس به عنوان یک مندرل یا هسته برای پیچیدن پوسته کامپوزیت مخزن ذخیرهسازی استفاده میشود.
دانشگاه TUM قاب مخزن را به صورت یک "بالشتک" مکعبی با ضلعهای محکم، گوشههای گرد و یک الگوی شش ضلعی در بالا و پایین طراحی کرد که از طریق آن میتوان اتصالات را وارد و متصل کرد. سوراخهای این قفسهها نیز به صورت سهبعدی چاپ شدند. گلیس گفت: "برای مخزن آزمایشی اولیه خود، بخشهای قاب شش ضلعی را با استفاده از اسید پلیلاکتیک [PLA، یک ترموپلاستیک زیستی] به صورت سهبعدی چاپ کردیم زیرا آسان و ارزان بود."
این تیم ۶۸ میله پلیآمید ۶ (PA6) تقویتشده با الیاف کربن پولترود شده را از SGL Carbon (Meitingen، آلمان) برای استفاده به عنوان بست خریداری کرد. گلایس میگوید: «برای آزمایش این طرح، ما هیچ قالبگیری انجام ندادیم، بلکه به سادگی فاصلهدهندهها را در یک قاب هسته لانه زنبوری چاپ سهبعدی قرار دادیم و آنها را با چسب اپوکسی چسباندیم. سپس این کار یک مندرل برای پیچیدن مخزن فراهم میکند.» او خاطرنشان میکند که اگرچه پیچیدن این میلهها نسبتاً آسان است، اما مشکلات قابل توجهی وجود دارد که بعداً توضیح داده خواهد شد.
گلایس توضیح داد: «در مرحله اول، هدف ما نشان دادن قابلیت تولید طرح و شناسایی مشکلات در مفهوم تولید بود. بنابراین، پایههای کششی از سطح بیرونی سازه اسکلتی بیرون زده و ما الیاف کربن را با استفاده از سیمپیچ رشتهای مرطوب به این هسته متصل میکنیم. پس از آن، در مرحله سوم، سر هر میله اتصال را خم میکنیم. ترموپلاستیک، بنابراین ما فقط از گرما برای تغییر شکل سر استفاده میکنیم تا صاف شود و در اولین لایه بستهبندی قفل شود. سپس دوباره سازه را میپیچیم تا سر رانش مسطح از نظر هندسی درون مخزن محصور شود. لمینت روی دیوارها.
درپوش فاصلهدهنده برای پیچیدن. دانشگاه فنی مونیخ (TUM) از درپوشهای پلاستیکی در انتهای میلههای کششی استفاده میکند تا از گره خوردن الیاف در حین پیچیدن رشتهها جلوگیری کند. منبع تصویر: دانشگاه فنی مونیخ (Technical University of Munich LCC).
گلس بار دیگر تأکید کرد که این مخزن اول، اثباتی بر مفهوم اولیه است. «استفاده از چاپ سهبعدی و چسب فقط برای آزمایش اولیه بود و به ما ایدهای از چند مشکلی که با آن مواجه شدیم، داد. به عنوان مثال، در طول سیمپیچ، رشتهها توسط انتهای میلههای کششی گیر میکردند و باعث شکستگی فیبر، آسیب به فیبر و کاهش مقدار فیبر برای مقابله با این امر میشدند. ما از چند درپوش پلاستیکی به عنوان کمکهای تولیدی استفاده کردیم که قبل از اولین مرحله سیمپیچ روی تیرکها قرار داده شدند. سپس، وقتی لمینتهای داخلی ساخته شدند، این درپوشهای محافظ را برداشتیم و قبل از بستهبندی نهایی، انتهای تیرکها را تغییر شکل دادیم.»
این تیم سناریوهای مختلف بازسازی را آزمایش کرد. گریس میگوید: «کسانی که به اطراف نگاه میکنند، بهترین عملکرد را دارند. همچنین، در طول مرحله نمونهسازی، ما از یک ابزار جوشکاری اصلاحشده برای اعمال گرما و تغییر شکل انتهای میلههای اتصال استفاده کردیم. در یک مفهوم تولید انبوه، شما یک ابزار بزرگتر خواهید داشت که میتواند تمام انتهای پایهها را به طور همزمان به یک لمینت داخلی تبدیل کند.»
سرهای میل مهار تغییر شکل دادند. دانشگاه فنی مونیخ (TUM) با مفاهیم مختلف آزمایش کرد و جوشها را اصلاح کرد تا انتهای اتصالات کامپوزیتی را برای اتصال به لایه لایه دیواره مخزن تراز کند. منبع تصویر: "توسعه فرآیند تولید مخازن تحت فشار مکعبی با مهاربند"، دانشگاه فنی مونیخ، پروژه Polymers4Hydrogen، ECCM20، ژوئن 2022.
بنابراین، لمینت پس از اولین مرحله پیچیدن، پخته میشود، پایهها تغییر شکل داده میشوند، TUM پیچیدن دوم رشتهها را تکمیل میکند و سپس لمینت دیواره خارجی مخزن برای بار دوم پخته میشود. لطفاً توجه داشته باشید که این یک طراحی مخزن نوع ۵ است، به این معنی که آستر پلاستیکی به عنوان مانع گاز ندارد. به بحث در بخش مراحل بعدی در زیر مراجعه کنید.
گلس گفت: «ما اولین نسخه آزمایشی را به مقاطع عرضی برش دادیم و ناحیه متصل را نقشهبرداری کردیم. نمای نزدیک نشان میدهد که ما با لمینت مشکلاتی در کیفیت داشتیم، به طوری که سرهای ستونها روی لمینت داخلی صاف قرار نمیگرفتند.»
حل مشکلات مربوط به شکاف بین لایههای دیوارههای داخلی و خارجی مخزن. سر میله رابط اصلاحشده، شکافی بین پیچ اول و دوم مخزن آزمایشی ایجاد میکند. منبع تصویر: دانشگاه فنی مونیخ LCC.
این مخزن اولیه با ابعاد ۴۵۰ در ۲۹۰ در ۸۰ میلیمتر تابستان گذشته تکمیل شد. گلیس گفت: «از آن زمان تاکنون پیشرفت زیادی داشتهایم، اما هنوز بین لایه داخلی و خارجی شکاف داریم. بنابراین سعی کردیم این شکافها را با یک رزین تمیز و با ویسکوزیته بالا پر کنیم. این کار در واقع اتصال بین گلمیخها و لایه را بهبود میبخشد که فشار مکانیکی را به میزان زیادی افزایش میدهد.»
تیم به توسعه طراحی و فرآیند مخزن، از جمله راهحلهایی برای الگوی پیچش مورد نظر، ادامه داد. گلیس توضیح داد: «دو طرف مخزن آزمایشی کاملاً خمیده نبودند زیرا ایجاد مسیر پیچش برای این هندسه دشوار بود.» «زاویه پیچش اولیه ما ۷۵ درجه بود، اما میدانستیم که برای تأمین بار در این مخزن تحت فشار به مدارهای متعددی نیاز است. ما هنوز به دنبال راهحلی برای این مشکل هستیم، اما با نرمافزارهای موجود در بازار، این کار آسان نیست. ممکن است به یک پروژه تکمیلی تبدیل شود.»
گلایس میگوید: «ما امکانپذیری این مفهوم تولید را نشان دادهایم، اما باید بیشتر تلاش کنیم تا اتصال بین لایهها را بهبود بخشیم و میلههای اتصال را تغییر شکل دهیم. آزمایش خارجی روی یک دستگاه آزمایش. شما فاصلهدهندهها را از لایهها بیرون میکشید و بارهای مکانیکی را که آن اتصالات میتوانند تحمل کنند، آزمایش میکنید.»
این بخش از پروژه Polymers4Hydrogen در پایان سال 2023 تکمیل خواهد شد، که گلایس امیدوار است تا آن زمان دومین مخزن نمایشی را تکمیل کند. جالب توجه است که امروزه در طرحها از ترموپلاستیکهای تقویتشده خالص در قاب و کامپوزیتهای ترموست در دیوارههای مخزن استفاده میشود. آیا این رویکرد ترکیبی در مخزن نمایشی نهایی استفاده خواهد شد؟ گریس گفت: «بله. شرکای ما در پروژه Polymers4Hydrogen در حال توسعه رزینهای اپوکسی و سایر مواد ماتریس کامپوزیتی با خواص سد هیدروژنی بهتر هستند.» او دو شریک را که روی این کار کار میکنند، PCCL و دانشگاه تامپره (تامپره، فنلاند) فهرست میکند.
گلیس و تیمش همچنین در مورد دومین پروژه HyDDen از مخزن کامپوزیتی تطبیقی LCC با یاگر تبادل اطلاعات و ایدهها کردند.
جاگر میگوید: «ما یک مخزن تحت فشار کامپوزیتی تطبیقی برای پهپادهای تحقیقاتی تولید خواهیم کرد. این همکاری بین دو بخش هوافضا و ژئودزی دانشگاه TUM - LCC و بخش فناوری هلیکوپتر (HT) است. این پروژه تا پایان سال 2024 تکمیل خواهد شد و ما در حال حاضر در حال تکمیل مخزن تحت فشار هستیم. طرحی که بیشتر رویکردی هوافضایی و خودروسازی دارد. پس از این مرحله اولیه طرح مفهومی، مرحله بعدی انجام مدلسازی ساختاری دقیق و پیشبینی عملکرد مانع سازه دیوار است.»
او ادامه داد: «کل ایده، توسعه یک پهپاد اکتشافی با سیستم پیشرانه هیبریدی پیل سوختی و باتری است.» این پهپاد در طول بارهای پرقدرت (یعنی برخاستن و فرود) از باتری استفاده میکند و سپس در طول سفر با بار سبک به پیل سوختی روی میآورد. ییگر گفت: «تیم HT قبلاً یک پهپاد تحقیقاتی داشت و سیستم انتقال قدرت را برای استفاده همزمان از باتری و پیل سوختی دوباره طراحی کرد. آنها همچنین یک مخزن CGH2 برای آزمایش این سیستم انتقال قدرت خریداری کردند.»
او توضیح میدهد: «تیم من وظیفه داشت نمونه اولیه مخزن فشاری را بسازد که مناسب باشد، اما نه به دلیل مشکلات بستهبندی که یک مخزن استوانهای ایجاد میکند. یک مخزن مسطحتر مقاومت باد کمتری ارائه میدهد. بنابراین عملکرد پرواز بهتری خواهید داشت.» ابعاد مخزن تقریباً ۸۳۰ در ۳۵۰ در ۱۷۳ میلیمتر است.
مخزن کاملاً ترموپلاستیک مطابق با AFP. برای پروژه HyDDen، تیم LCC در TUM در ابتدا رویکردی مشابه رویکرد مورد استفاده توسط Glace (بالا) را بررسی کرد، اما سپس به رویکردی با استفاده از ترکیبی از چندین ماژول ساختاری روی آورد که سپس با استفاده از AFP (پایین) بیش از حد مورد استفاده قرار گرفتند. منبع تصویر: دانشگاه فنی مونیخ LCC
یاگر میگوید: «یک ایده شبیه به رویکرد الیزابت [گلیس] است، یعنی اعمال مهاربندهای کششی به دیواره مخزن برای جبران نیروهای خمشی بالا. با این حال، به جای استفاده از فرآیند سیمپیچ برای ساخت مخزن، ما از AFP استفاده میکنیم. بنابراین، به فکر ایجاد یک بخش جداگانه از مخزن تحت فشار افتادیم که در آن قفسهها از قبل یکپارچه شدهاند. این رویکرد به من اجازه داد تا چندین ماژول یکپارچه را با هم ترکیب کنم و سپس قبل از سیمپیچ نهایی AFP، یک درپوش انتهایی برای آببندی همه چیز اعمال کنم.»
او ادامه داد: «ما در تلاشیم تا چنین مفهومی را نهایی کنیم و همچنین آزمایش انتخاب مواد را آغاز کنیم، که برای اطمینان از مقاومت لازم در برابر نفوذ گاز H2 بسیار مهم است. برای این کار، ما عمدتاً از مواد ترموپلاستیک استفاده میکنیم و در حال بررسی چگونگی تأثیر مواد بر رفتار نفوذ و پردازش در دستگاه AFP هستیم. درک این نکته مهم است که آیا این عملیات تأثیری خواهد داشت و آیا به پردازش پس از آن نیاز است یا خیر. ما همچنین میخواهیم بدانیم که آیا دودکشهای مختلف بر نفوذ هیدروژن از طریق مخزن تحت فشار تأثیر میگذارند یا خیر.»
این مخزن کاملاً از ترموپلاستیک ساخته خواهد شد و نوارها توسط شرکت Teijin Carbon Europe GmbH (ووپرتال، آلمان) تأمین میشوند. یاگر گفت: «ما از مواد PPS [پلیفنیلن سولفید]، PEEK [پلیاتر کتون] و LM PAEK [پلیآریل کتون با نقطه ذوب پایین] آنها استفاده خواهیم کرد. سپس مقایسههایی انجام میشود تا مشخص شود کدام یک برای محافظت در برابر نفوذ و تولید قطعات با عملکرد بهتر بهترین است.» او امیدوار است آزمایشها، مدلسازی ساختاری و فرآیندی و اولین نمایشها را در سال آینده تکمیل کند.
این کار تحقیقاتی در قالب ماژول COMET «Polymers4Hydrogen» (شناسه 21647053) در برنامه COMET وزارت فدرال تغییرات اقلیمی، محیط زیست، انرژی، تحرک، نوآوری و فناوری و وزارت فدرال فناوری و اقتصاد دیجیتال انجام شد. نویسندگان از شرکای شرکتکننده Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL، اتریش)، Montanuniversitaet Leoben (دانشکده مهندسی و علوم پلیمر، گروه شیمی مواد پلیمری، گروه علوم مواد و آزمایش پلیمر)، دانشگاه تامپره (دانشکده مهندسی مواد)، Peak Technology و Faurecia که در این کار تحقیقاتی مشارکت داشتند، تشکر میکنند. COMET-Modul توسط دولت اتریش و دولت ایالت استایریا تأمین مالی میشود.
ورقهای پیشتقویتشده برای سازههای باربر حاوی الیاف پیوسته هستند - نه تنها از شیشه، بلکه از کربن و آرامید نیز.
روشهای زیادی برای ساخت قطعات کامپوزیتی وجود دارد. بنابراین، انتخاب روش برای یک قطعه خاص به جنس ماده، طراحی قطعه و کاربرد یا استفاده نهایی بستگی دارد. در اینجا یک راهنمای انتخاب ارائه شده است.
شرکتهای Shocker Composites و R&M International در حال توسعه یک زنجیره تامین الیاف کربن بازیافتی هستند که هزینه تولید آن از الیاف دست اول کمتر و بدون ضایعات است و در نهایت طولهایی را ارائه میدهد که از نظر خواص ساختاری به الیاف پیوسته نزدیک میشوند.
زمان ارسال: ۱۵ مارس ۲۰۲۳