Akkukäyttöisten ja polttokennoajoneuvojen vakiomalliset tasapohjaiset säiliöt on valmistettu termoplastisista ja kertamuovikomposiiteista, joiden runkorakenne tarjoaa 25 % enemmän H2-varastointitilaa. #vety #trendit
Yhteistyön BMW:n kanssa osoittaman tuloksen jälkeen, että kuutiomainen säiliö voisi tarjota suuremman tilavuustehokkuuden kuin useat pienet sylinterit, Münchenin teknillinen yliopisto aloitti projektin komposiittirakenteen ja skaalautuvan valmistusprosessin kehittämiseksi sarjatuotantoa varten. Kuvan lähde: TU Dresden (ylhäällä vasemmalla), Münchenin teknillinen yliopisto, hiilikomposiittien laitos (LCC)
Päästöttömällä (H2) vedyllä toimivat polttokennoajoneuvot (FCEV) tarjoavat lisäkeinoja ympäristötavoitteiden saavuttamiseksi. H2-moottorilla varustettu polttokennohenkilöauto voidaan täyttää 5–7 minuutissa ja sen toimintasäde on 500 km, mutta se on tällä hetkellä kalliimpi alhaisten tuotantomäärien vuoksi. Yksi tapa vähentää kustannuksia on käyttää BEV- ja FCEV-malleissa standardia alustaa. Tämä ei ole tällä hetkellä mahdollista, koska FCEV-ajoneuvoissa 700 baarin paineessa paineistetun H2-kaasun (CGH2) varastointiin käytettävät tyypin 4 lieriömäiset säiliöt eivät sovellu sähköajoneuvoille huolellisesti suunniteltuihin alustan akkutiloihin. Tyynyjen ja kuutioiden muodossa olevat paineastiat mahtuvat kuitenkin tähän tasaiseen pakkaustilaan.
Patentti US5577630A "Composite Conformal Pressure Vessel" -tuotteelle, jonka Thiokol Corp. jätti vuonna 1995 (vasemmalla) ja BMW:n vuonna 2009 patentoima suorakaiteen muotoinen paineastia (oikealla).
Münchenin teknillisen yliopiston (TUM, München, Saksa) hiilikomposiittien laitos (LCC) on mukana kahdessa projektissa tämän konseptin kehittämiseksi. Ensimmäinen on Polymers4Hydrogen (P4H), jota johtaa Leoben Polymer Competence Center (PCCL, Leoben, Itävalta). LCC-työpakettia johtaa tutkija Elizabeth Glace.
Toinen projekti on vedyn demonstrointi- ja kehitysympäristö (HyDDen), jossa LCC:tä johtaa tutkija Christian Jaeger. Molempien tavoitteena on luoda laajamittainen demonstraatio sopivan CGH2-säiliön valmistusprosessista hiilikuitukomposiitteja käyttäen.
Tilavuustehokkuus on rajallinen, kun pieniläpimittaisia sylintereitä asennetaan litteisiin akkukennoihin (vasemmalla) ja kuutiomaisiin tyypin 2 paineastioihin, jotka on valmistettu teräsvuorauksesta ja hiilikuitu/epoksi-komposiittiulkokuoresta (oikealla). Kuvan lähde: Kuvat 3 ja 6 ovat Rufin ja Zaremban ym. julkaisusta ”Numerical Design Approach for Type II Pressure Box Vessel with Internal Tension Legs”.
P4H on valmistanut kokeellisen kuutiosäiliön, jossa on termoplastinen runko ja hiilikuituvahvisteiseen epoksiin käärityt komposiittikiristyshihnat/tuet. HyDDen käyttää samanlaista mallia, mutta kaikkien termoplastisten komposiittisäiliöiden valmistuksessa käytetään automaattista kuitujen layup-tekniikkaa (AFP).
Thiokol Corp.:n patenttihakemuksesta ”Composite Conformal Pressure Vessel” vuonna 1995 saksalaiseen patenttiin DE19749950C2 vuonna 1997 paineistetun kaasun säiliöillä ”voi olla mikä tahansa geometrinen muoto”, mutta erityisesti litteitä ja epäsäännöllisiä muotoja, jotka sijaitsevat kuoren tukeen liitetyssä ontelossa. Elementtejä käytetään siten, että ne kestävät kaasun laajenemisvoiman.
Lawrence Livermore National Laboratoryn (LLNL) vuonna 2006 julkaisemassa artikkelissa kuvataan kolme lähestymistapaa: filamenttikierretty konforminen paineastia, mikrohilapaineastia, joka sisältää sisäisen ortorombisen hilarakenteen (pieniä, enintään 2 cm2:n kokoisia soluja) ja jota ympäröi ohutseinäinen H2-säiliö, sekä replikaattorisäiliö, joka koostuu sisärakenteesta, joka koostuu liimatuista pienistä osista (esim. kuusikulmaisista muovirenkaista) ja ohuesta ulkokuoresta. Kopiosäiliöt sopivat parhaiten suurempiin säiliöihin, joissa perinteisten menetelmien soveltaminen voi olla vaikeaa.
Volkswagenin vuonna 2009 jättämässä patentissa DE102009057170A kuvataan ajoneuvoon asennettu paineastia, joka tarjoaa korkean painotehokkuuden ja parantaa samalla tilankäyttöä. Suorakulmaisissa säiliöissä käytetään jännitysliittimiä kahden suorakulmaisen vastakkaisen seinämän välissä, ja kulmat ovat pyöristetyt.
Gleiss mainitsee edellä mainitut ja muut käsitteet artikkelissaan ”Process Development for Cubic Pressure Vessels with Stretch Bars”, jonka Gleiss ym. julkaisivat ECCM20-konferenssissa (26.–30. kesäkuuta 2022, Lausanne, Sveitsi). Tässä artikkelissa hän viittaa Michael Roofin ja Sven Zaremban julkaisemaan TUM-tutkimukseen, jossa todettiin, että kuutiollinen paineastia, jossa on suorakaiteen muotoisia sivuja yhdistävät vetotuet, on tehokkaampi kuin useat pienet sylinterit, jotka mahtuvat tyhjän akun tilaan, ja tarjoaa noin 25 % enemmän säilytystilaa.
Gleissin mukaan ongelmana suuren määrän pienten tyypin 4 sylinterien asentamisessa tasaiseen koteloon on se, että "sylinterien välinen tilavuus pienenee huomattavasti ja järjestelmässä on myös erittäin suuri H2-kaasun läpäisypinta. Kaiken kaikkiaan järjestelmän varastointikapasiteetti on pienempi kuin kuutiomaisissa purkeissa."
Säiliön kuutiomaisessa rakenteessa on kuitenkin muita ongelmia. ”Painetun kaasun vuoksi on luonnollisesti vastustettava litteisiin seiniin kohdistuvia taivutusvoimia”, Gleiss sanoi. ”Tätä varten tarvitaan vahvistettu rakenne, joka yhdistyy sisäisesti säiliön seiniin. Mutta se on vaikea tehdä komposiittien kanssa.”
Glace ja hänen tiiminsä yrittivät sisällyttää paineastiaan vahvistusvetotangot tavalla, joka sopisi filamentin kelausprosessiin. ”Tämä on tärkeää suurtuotantoa varten”, hän selittää, ”ja se antaa meille myös mahdollisuuden suunnitella säiliön seinämien kelauskuvion kuitujen suunnan optimoimiseksi jokaiselle vyöhykkeen kuormalle.”
Neljä vaihetta koekuutiomaisen komposiittisäiliön valmistamiseksi P4H-projektia varten. Kuvan lähde: ”Kuutiomaisten paineastioiden valmistusprosessin kehittäminen tuella”, Münchenin teknillinen yliopisto, Polymers4Hydrogen-projekti, ECCM20, kesäkuu 2022.
Ketjuun kytkennän saavuttamiseksi tiimi on kehittänyt uuden konseptin, joka koostuu neljästä pääaskelmasta, kuten yllä on esitetty. Askelmissa mustana näkyvät vetotuet ovat esivalmistettu runkorakenne, joka on valmistettu MAI Skelett -projektista otettujen menetelmien mukaisesti. Tätä projektia varten BMW kehitti tuulilasin kehyksen "rungon" käyttämällä neljää kuituvahvisteista pultruusiotankoa, jotka sitten valettiin muovikehykseksi.
Kokeellisen kuutiollisen säiliön runko. Kuusikulmaiset luuranko-osat, jotka TUM on tulostanut 3D-tulostuksella käyttäen vahvistamatonta PLA-filamenttia (ylhäällä), CF/PA6-pultruusiotankoja asetettuna vetotuiksi (keskellä) ja filamentti käärittynä tukien ympärille (alhaalla). Kuvan lähde: Münchenin teknillinen yliopisto (LCC).
”Ajatuksena on, että kuutiollisen säiliön rungon voi rakentaa modulaarisena rakenteena”, Glace sanoi. ”Nämä moduulit asetetaan sitten muovaustyökaluun, jännitystuet asetetaan runkomoduuleihin ja sitten MAI Skelettin menetelmää käytetään tukien ympärillä integroimaan ne runko-osiin.” massatuotantomenetelmällä, jolloin tuloksena on rakenne, jota sitten käytetään tuurnan tai ytimen tavoin varastosäiliön komposiittikuoren käärimiseen.
TUM suunnitteli säiliön rungon kuutiomaiseksi "tyynyksi", jossa on umpinaiset sivut, pyöristetyt kulmat ja kuusikulmainen kuvio ylä- ja alaosassa, joiden läpi siteet voidaan työntää ja kiinnittää. Myös näiden telineiden reiät tulostettiin 3D-tulostuksella. "Alkuperäistä kokeellista säiliötämme varten tulostimme 3D-kuusikulmaiset runko-osat käyttämällä polymaitohappoa [PLA, biopohjainen kestomuovi], koska se oli helppoa ja halpaa", Glace sanoi.
Tiimi osti SGL Carbonilta (Meitingen, Saksa) 68 pultruusiomenetelmällä valmistettua hiilikuituvahvisteista polyamidi 6 (PA6) -tankoa sidosaineiksi. ”Konseptin testaamiseksi emme tehneet mitään muovausta”, Gleiss sanoo, ”vaan yksinkertaisesti lisäsimme välikappaleita 3D-tulostettuun hunajakennoydinkehykseen ja liimasimme ne epoksiliimalla. Tämä toimii sitten tuurnana säiliön kelaamista varten.” Hän huomauttaa, että vaikka näitä tankoja on suhteellisen helppo kelata, niihin liittyy joitakin merkittäviä ongelmia, joita kuvataan myöhemmin.
”Ensimmäisessä vaiheessa tavoitteemme oli osoittaa suunnittelun valmistettavuus ja tunnistaa tuotantokonseptin ongelmat”, Gleiss selitti. ”Joten vetotuet työntyvät ulos runkorakenteen ulkopinnasta, ja kiinnitämme hiilikuidut tähän ytimeen märkäfilamenttikäämin. Sen jälkeen kolmannessa vaiheessa taivutamme kunkin raidetangon päätä. Termoplastinen, joten käytämme vain lämpöä pään muotoiluun niin, että se litistyy ja lukittuu ensimmäiseen käärintäkerrokseen. Sitten jatkamme rakenteen käärimistä uudelleen niin, että litteä työntöpää on geometrisesti suljettu säiliön sisään. Laminaatti seinämillä.”
Välikappale kelausta varten. TUM käyttää muovikorkkeja kiristystankojen päissä estääkseen kuitujen sotkeutumisen filamentin kelauksen aikana. Kuvan lähde: Münchenin teknillinen yliopisto LCC.
Glace toisti, että tämä ensimmäinen säiliö oli konseptin toimivuuden todistus. ”3D-tulostuksen ja liiman käyttö oli vain alustavaa testausta varten ja antoi meille käsityksen muutamista kohtaamistamme ongelmista. Esimerkiksi käämityksen aikana filamentit tarttuivat kiristystankojen päihin, mikä aiheutti kuitujen katkeamista ja vaurioita sekä vähensi kuidun määrää tämän kompensoimiseksi. Käytimme muutamia muovikorkkeja valmistuksen apuvälineinä, jotka asetettiin pylväisiin ennen ensimmäistä käämitysvaihetta. Sitten, kun sisäiset laminaatit oli tehty, poistimme nämä suojakorkit ja muotoilimme pylväiden päät uudelleen ennen lopullista käärimistä.”
Tiimi kokeili erilaisia jälleenrakennusskenaarioita. ”Ne, jotka katselevat ympärilleen, työskentelevät parhaiten”, Grace sanoo. ”Lisäksi prototyyppivaiheessa käytimme muunneltua hitsaustyökalua lämmön kohdistamiseen ja raidetangon päiden uudelleenmuotoiluun. Massatuotantokonseptissa olisi yksi suurempi työkalu, jolla voitaisiin muotoilla kaikki tukivarsien päät samanaikaisesti sisätilojen viimeistelylaminaatiksi.”
Vetoaisan päät muotoiltu uudelleen. TUM kokeili erilaisia konsepteja ja muokkasi hitsauksia kohdistaakseen komposiittisiteiden päät säiliön seinälaminaattiin kiinnittämistä varten. Kuvan lähde: ”Kuutiomaisten paineastioiden tuotantoprosessin kehittäminen tukirakenteella”, Münchenin teknillinen yliopisto, Polymers4Hydrogen-projekti, ECCM20, kesäkuu 2022.
Näin ollen laminaatti kovetetaan ensimmäisen kelausvaiheen jälkeen, nastat muotoillaan uudelleen, TUM viimeistelee filamenttien toisen kelauksen ja sitten säiliön ulkoseinälaminaatti kovetetaan toisen kerran. Huomaa, että tämä on tyypin 5 säiliörakenne, mikä tarkoittaa, että siinä ei ole muovivuorausta kaasusulkuna. Katso keskustelu alla olevasta Seuraavat vaiheet -osiosta.
”Leikkasimme ensimmäisen demon poikkileikkauksiin ja kartoitimme liitoskohdan”, Glace sanoi. ”Lähikuvasta näkyy, että laminaatissa oli joitakin laatuongelmia, sillä tukijalkojen päät eivät olleet tasaisesti sisälaminaatin päällä.”
Säiliön sisä- ja ulkoseinien laminaatin välisten rakojen ongelmien ratkaiseminen. Muunneltu raidetangon pää luo raon kokeellisen säiliön ensimmäisen ja toisen kierroksen väliin. Kuvan lähde: Münchenin teknillinen yliopisto (LCC).
Tämä alkuperäinen 450 x 290 x 80 mm:n säiliö valmistui viime kesänä. ”Olemme edistyneet paljon siitä lähtien, mutta sisä- ja ulkolaminaatin välillä on edelleen rako”, Glace sanoi. ”Joten yritimme täyttää nämä rakot puhtaalla, korkean viskositeetin omaavalla hartsilla. Tämä itse asiassa parantaa tappien ja laminaatin välistä liitosta, mikä lisää huomattavasti mekaanista rasitusta.”
Tiimi jatkoi säiliön suunnittelun ja prosessin kehittämistä, mukaan lukien ratkaisut halutulle käämityskuviolle. ”Testisäiliön sivut eivät olleet täysin kiertyneitä, koska tämän geometrian oli vaikea luoda käämitysreittiä”, Glace selitti. ”Alkuperäinen käämityskulmamme oli 75°, mutta tiesimme, että tarvittiin useita piirejä tämän paineastian kuormituksen vastaamiseksi. Etsimme edelleen ratkaisua tähän ongelmaan, mutta se ei ole helppoa markkinoilla tällä hetkellä olevalla ohjelmistolla. Siitä saattaa tulla jatkoprojekti.”
”Olemme osoittaneet tämän tuotantokonseptin toteutettavuuden”, Gleiss sanoo, ”mutta meidän on työskenneltävä edelleen laminaatin välisen liitoksen parantamiseksi ja sidetankojen muotoilun muuttamiseksi. Ulkoinen testaus testauskoneella. Vedät välikappaleet ulos laminaatista ja testaat mekaanisia kuormituksia, joita nämä liitokset kestävät.”
Tämä osa Polymers4Hydrogen-projektia valmistuu vuoden 2023 lopussa, johon mennessä Gleis toivoo saavansa valmiiksi toisen demonstraatiosäiliön. Mielenkiintoista kyllä, nykyisissä suunnitelmissa käytetään siistejä vahvistettuja kestomuoveja rungossa ja kertamuovikomposiitteja säiliön seinämissä. Käytetäänkö tätä hybridilähestymistapaa lopullisessa demonstraatiosäiliössä? "Kyllä", Grace sanoi. "Polymers4Hydrogen-projektin kumppanimme kehittävät epoksihartseja ja muita komposiittimaitosmateriaaleja, joilla on paremmat vetysulkuominaisuudet." Hän luettelee kaksi tässä työssä työskentelevää kumppania, PCCL:n ja Tampereen yliopiston (Tampere, Suomi).
Gleiss ja hänen tiiminsä vaihtoivat myös tietoja ja ideoita Jaegerin kanssa toisesta HyDDen-projektista, jota toteutettiin LCC-konformisesta komposiittisäiliöstä.
”Tulemme valmistamaan tutkimuslennokeille konformaalista komposiittipaineastiaa”, Jaeger sanoo. ”Tämä on TUM:n ilmailu- ja geodeettisen osaston kahden osaston – LCC:n ja helikopteritekniikan osaston (HT) – välinen yhteistyö. Projekti valmistuu vuoden 2024 loppuun mennessä, ja parhaillaan viimeistelemme paineastiaa. Suunnittelu on enemmän ilmailu- ja autoteollisuuden lähestymistapaa. Tämän alustavan konseptivaiheen jälkeen seuraava vaihe on suorittaa yksityiskohtainen rakennemallinnus ja ennustaa seinärakenteen suojausominaisuudet.”
”Koko ajatuksena on kehittää tutkimuslennokki, jossa on hybridipolttokenno- ja akkukäyttöinen propulsiojärjestelmä”, hän jatkoi. Se käyttää akkua suurten kuormien (eli nousun ja laskeutumisen) aikana ja siirtyy sitten polttokennoon kevyen kuormituksen aikana. ”HT-tiimillä oli jo tutkimuslennokki ja he suunnittelivat voimansiirron uudelleen käyttämään sekä akkuja että polttokennoja”, Yeager sanoi. ”He ostivat myös CGH2-säiliön testatakseen tätä vaihteistoa.”
”Tiimilleni annettiin tehtäväksi rakentaa sopiva painesäiliön prototyyppi, mutta ei lieriömäisen säiliön aiheuttamien pakkausongelmien vuoksi”, hän selittää. ”Litteämpi säiliö ei tarjoa yhtä paljon ilmanvastusta. Näin ollen se tarjoaa paremman lentosuorituskyvyn.” Säiliön mitat ovat noin 830 x 350 x 173 mm.
Täysin termoplastinen AFP-yhteensopiva säiliö. HyDDen-projektissa TUM:n LCC-tiimi tutki aluksi samanlaista lähestymistapaa kuin Glace (yllä), mutta siirtyi sitten lähestymistapaan, jossa käytettiin useiden rakennemoduulien yhdistelmää, joita sitten käytettiin liikaa AFP:n avulla (alla). Kuvan lähde: Münchenin teknillinen yliopisto LCC.
”Yksi idea on samanlainen kuin Elisabeth [Gleissin] lähestymistapa”, Yager sanoo, ”siihen kuuluu vetojäykkien käyttö astian seinämässä suurten taivutusvoimien kompensoimiseksi. Säiliön valmistukseen kelausprosessin sijaan käytämme kuitenkin AFP-muovia. Siksi ajattelimme paineastian erillisen osan luomista, johon telineet on jo integroitu. Tämä lähestymistapa mahdollisti useiden näiden integroitujen moduulien yhdistämisen ja sitten päätykorkin kiinnittämisen kaiken tiivistämiseksi ennen lopullista AFP-kelausta.”
”Yritämme viimeistellä tällaista konseptia”, hän jatkoi, ”ja aloittaa myös materiaalivalintojen testaamisen, mikä on erittäin tärkeää tarvittavan H2-kaasun tunkeutumisen kestävyyden varmistamiseksi. Käytämme tätä varten pääasiassa termoplastisia materiaaleja ja työskentelemme sen parissa, miten materiaali vaikuttaa tähän tunkeutumiskäyttäytymiseen ja käsittelyyn AFP-koneessa. On tärkeää ymmärtää, onko käsittelyllä vaikutusta ja tarvitaanko jälkikäsittelyä. Haluamme myös tietää, vaikuttavatko erilaiset pinot vedyn läpäisyyn paineastian läpi.”
Säiliö valmistetaan kokonaan kestomuovista ja liuskat toimittaa Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Saksa). ”Käytämme heidän PPS- [polyfenyleenisulfidi]-, PEEK- [polyeetteriketoni]- ja LM PAEK- [alhaalla sulava polyaryyliketoni] -materiaalejaan”, Yager sanoi. ”Sitten tehdään vertailuja, jotta nähdään, mikä on paras tunkeutumissuojaukseen ja parempien osien valmistukseen.” Hän toivoo saavansa testauksen, rakenne- ja prosessimallinnuksen sekä ensimmäiset demonstraatiot päätökseen ensi vuoden aikana.
Tutkimustyö tehtiin COMET-moduulin ”Polymers4Hydrogen” (ID 21647053) puitteissa osana Itävallan ilmastonmuutos-, ympäristö-, energia-, liikkuvuus-, innovaatio- ja teknologiaministeriön sekä Itävallan digitaalisen teknologian ja talousministeriön COMET-ohjelmaa. Kirjoittajat kiittävät tutkimustyöhön osallistuneita kumppaneita Polymer Competence Center Leoben GmbH:ta (PCCL, Itävalta), Montanuniversitaet Leobenia (polymeeritekniikan ja -tieteiden tiedekunta, polymeerimateriaalien kemian laitos, materiaalitieteen ja polymeeritestauksen laitos), Tampereen yliopistoa (teknisten materiaalien tiedekunta), Peak Technologya ja Faureciaa. COMET-moduulia rahoittavat Itävallan hallitus ja Steiermarkin osavaltion hallitus.
Kantavien rakenteiden esivahvisteiset levyt sisältävät jatkuvia kuituja – paitsi lasista, myös hiilestä ja aramidista.
Komposiittiosia voi valmistaa monella tapaa. Siksi menetelmän valinta riippuu tietyn osan materiaalista, suunnittelusta ja loppukäytöstä tai sovelluksesta. Tässä on valintaopas.
Shocker Composites ja R&M International kehittävät kierrätetyn hiilikuidun toimitusketjua, joka tarjoaa nollateurastusrajaa, halvempia kustannuksia kuin neitseellinen kuitu ja lopulta tarjoaa pituuksia, jotka lähestyvät rakenteellisia ominaisuuksiltaan jatkuvaa kuitua.
Julkaisun aika: 15.3.2023