Standert platte-platfoarm tanks foar BEV's en FCEV's brûke thermoplastyske en thermoset-kompositen mei in skeletkonstruksje dy't 25% mear H2-opslach leveret. #wetterstof #trends
Nei't in gearwurking mei BMW oantoand hie dat in kubike tank in hegere volumetryske effisjinsje leverje koe as meardere lytse silinders, sette de Technyske Universiteit fan München útein mei in projekt om in gearstalde struktuer en in skalberber produksjeproses foar seriële produksje te ûntwikkeljen. Ofbyldingskredyt: TU Dresden (boppe) lofts), Technyske Universiteit fan München, ôfdieling Koalstofkompositen (LCC)
Elektryske auto's mei brânstofsellen (FCEV's) oandreaun troch nul-útstjit (H2) wetterstof biede ekstra middels om nul-miljeudoelen te berikken. In persoane-auto mei brânstofsellen en in H2-motor kin yn 5-7 minuten foldien wurde en hat in berik fan 500 km, mar is op it stuit djoerder fanwegen lege produksjevoluminten. Ien manier om kosten te ferminderjen is it brûken fan in standert platfoarm foar BEV- en FCEV-modellen. Dit is op it stuit net mooglik, om't de silindryske tanks fan Type 4 dy't brûkt wurde om komprimearre H2-gas (CGH2) op te slaan by 700 bar yn FCEV's net geskikt binne foar de batterijfakken ûnder de auto's dy't sekuer ûntworpen binne foar elektryske auto's. Drukfetten yn 'e foarm fan kessens en kubussen kinne lykwols yn dizze platte ferpakkingsromte passe.
Patent US5577630A foar "Composite Conformal Pressure Vessel", oanfraach yntsjinne troch Thiokol Corp. yn 1995 (lofts) en it rjochthoekige drukfet patintearre troch BMW yn 2009 (rjochts).
De ôfdieling Koalstofkompositen (LCC) fan 'e Technyske Universiteit fan München (TUM, München, Dútslân) is belutsen by twa projekten om dit konsept te ûntwikkeljen. It earste is Polymers4Hydrogen (P4H), laat troch it Leoben Polymer Competence Center (PCCL, Leoben, Eastenryk). It LCC-wurkpakket wurdt laat troch Fellow Elizabeth Glace.
It twadde projekt is de Hydrogen Demonstration and Development Environment (HyDDen), dêr't LCC laat wurdt troch ûndersiker Christian Jaeger. Beide projekten hawwe as doel in demonstraasje op grutte skaal te meitsjen fan it produksjeproses foar it meitsjen fan in gaadlike CGH2-tank mei help fan koalstoffiberkompositen.
Der is beheinde volumetryske effisjinsje as silinders mei lytse diameter ynstalleare wurde yn platte batterijsellen (lofts) en kubike type 2 drukfetten makke fan stielen liners en in bûtenste skulp fan koalstoffiber/epoxy-komposit (rjochts). Ofbyldingsboarne: Figueren 3 en 6 binne ôfkomstich fan "Numerical Design Approach for Type II Pressure Box Vessel with Internal Tension Legs" troch Ruf en Zaremba et al.
P4H hat in eksperimintele kubustank makke dy't in termoplastysk frame brûkt mei kompositspanningsriemen/stutten ynpakt yn koalstoffiberfersterke epoxy. HyDDen sil in ferlykber ûntwerp brûke, mar sil automatyske glêstriedopstelling (AFP) brûke om alle termoplastyske komposittanks te meitsjen.
Fan in patentoanfraach fan Thiokol Corp. foar "Composite Conformal Pressure Vessel" yn 1995 oant Dútsk patent DE19749950C2 yn 1997, kinne komprimearre gasfetten "elke geometryske konfiguraasje hawwe", mar foaral platte en unregelmjittige foarmen, yn in holte ferbûn mei de skulpstipe. Eleminten wurde brûkt sadat se de útwreidingskrêft fan it gas kinne wjerstean.
In artikel út 2006 fan it Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) beskriuwt trije oanpakken: in konforme drukfet mei filamentwikkeling, in mikroroosterdrukfet mei in ynterne orthorhombyske roosterstruktuer (lytse sellen fan 2 sm of minder), omjûn troch in tinwandige H2-kontener, en in replikatorkontener, besteande út in ynterne struktuer besteande út lijmde lytse ûnderdielen (bygelyks hexagonale plestik ringen) en in gearstalling fan tinne bûtenste skelhûd. Duplikaatkonteners binne it bêste geskikt foar gruttere konteners wêr't tradisjonele metoaden lestich ta te passen kinne wêze.
Patent DE102009057170A yntsjinne troch Volkswagen yn 2009 beskriuwt in op in auto monteard drukfet dat hege gewichtseffisjinsje leveret en tagelyk de romtebenutting ferbetteret. Rjochthoekige tanks brûke spanningsferbiningen tusken twa rjochthoekige tsjinoerstelde muorren, en de hoeken binne rûn.
De boppesteande en oare konsepten wurde troch Gleiss oanhelle yn it artikel "Process Development for Cubic Pressure Vessels with Stretch Bars" troch Gleiss et al. op ECCM20 (26-30 juny 2022, Lausanne, Switserlân). Yn dit artikel sitearret se in TUM-stúdzje publisearre troch Michael Roof en Sven Zaremba, dy't fûn dat in kubike drukfet mei spanningsstutten dy't rjochthoekige kanten ferbine effisjinter is as ferskate lytse silinders dy't yn 'e romte fan in lege batterij passe, wêrtroch't sawat 25% mear opslachromte ûntstiet.
Neffens Gleiss is it probleem mei it ynstallearjen fan in grut oantal lytse type 4 silinders yn in platte kast dat "it folume tusken de silinders sterk fermindere is en it systeem ek in heul grut H2-gaspermeaasje-oerflak hat. Oer it algemien biedt it systeem minder opslachkapasiteit as kubike potten."
Der binne lykwols oare problemen mei it kubike ûntwerp fan 'e tank. "Fansels moatte jo, fanwegen it komprimearre gas, de bûgingskrêften op 'e platte muorren tsjingean," sei Gleiss. "Hjirfoar hawwe jo in fersterke struktuer nedich dy't yntern ferbynt mei de muorren fan 'e tank. Mar dat is lestich te dwaan mei kompositen."
Glace en har team hawwe besocht fersterkjende spanningsbalken yn it drukfat te yntegrearjen op in manier dy't geskikt wêze soe foar it proses fan filamentwikkeling. "Dit is wichtich foar produksje fan grutte folumes," leit se út, "en lit ús ek it wikkelpatroan fan 'e kontenerwanden ûntwerpe om de fezeloriïntaasje te optimalisearjen foar elke lading yn 'e sône."
Fjouwer stappen om in proefkubike komposittank te meitsjen foar it P4H-projekt. Ofbyldingkredyt: "Untwikkeling fan in produksjeproses foar kubike drukfetten mei beugel", Technyske Universiteit fan München, Polymers4Hydrogen-projekt, ECCM20, juny 2022.
Om on-chain te berikken, hat it team in nij konsept ûntwikkele dat bestiet út fjouwer haadtrapkes, lykas hjirboppe te sjen is. De spanningsstutten, dy't yn it swart op 'e treppen te sjen binne, binne in prefab framestruktuer dy't makke is mei metoaden út it MAI Skelett-projekt. Foar dit projekt ûntwikkele BMW in "frame" foar in foarrút mei fjouwer glêstriedfersterke pultrusjestangen, dy't doe yn in plestik frame getten waarden.
It frame fan in eksperimintele kubike tank. Hexagonale skeletseksjes 3D-printe troch TUM mei net-fersterke PLA-filament (boppe), wêrby't CF/PA6 pultrusjestangen as spanningsstipe ynfoege wurde (midden) en dan it filament om 'e stipe wikkele wurde (ûnder). Ofbyldingskredyt: Technyske Universiteit fan München LCC.
"It idee is dat jo it frame fan in kubike tank as in modulaire struktuer bouwe kinne," sei Glace. "Dizze modules wurde dan yn in foarmjaanark pleatst, de spanningsstutten wurde yn 'e framemodules pleatst, en dan wurdt de metoade fan MAI Skelett om 'e stutten hinne brûkt om se te yntegrearjen mei de frameûnderdielen." massaproduksjemetoade, wat resulteart yn in struktuer dy't dan brûkt wurdt as in doorn of kearn om de gearstalde skulp fan 'e opslachtank te wikkeljen.
TUM ûntwurp it tankframe as in kubike "kessen" mei solide kanten, rûne hoeken en in hexagonaal patroan oan 'e boppe- en ûnderkant wêrmei't bannen ynfoege en befestige wurde kinne. De gatten foar dizze rekken waarden ek 3D-printe. "Foar ús earste eksperimintele tank hawwe wy hexagonale frameseksjes 3D-printe mei polymelksûr [PLA, in bio-basearre termoplast] om't it maklik en goedkeap wie," sei Glace.
It team kocht 68 pultrudearre koalstoffiberfersterke polyamide 6 (PA6) stangen fan SGL Carbon (Meitingen, Dútslân) foar gebrûk as bannen. "Om it konsept te testen, hawwe wy gjin spuitgieten dien," seit Gleiss, "mar gewoan spacers yn in 3D-printe huningraatkearnframe ynfoege en se mei epoxylijm lijmd. Dit leveret dan in doorn foar it opwikkeljen fan 'e tank." Se merkt op dat hoewol dizze stangen relatyf maklik op te wikkeljen binne, d'r wat wichtige problemen binne dy't letter beskreaun wurde sille.
"Yn 'e earste faze wie ús doel om de produsearberens fan it ûntwerp te demonstrearjen en problemen yn it produksjekonsept te identifisearjen," ferklearre Gleiss. "Dus de spanningsstutten stekke út it bûtenste oerflak fan 'e skeletstruktuer, en wy befestigje de koalstofvezels oan dizze kearn mei wiete filamentwikkeling. Dêrnei, yn 'e tredde stap, bûge wy de kop fan elke trekstang. termoplastysk, dus wy brûke gewoan waarmte om de kop opnij te foarmjen, sadat it flak wurdt en fêstslút yn 'e earste laach fan wikkeling. Wy geane dan troch mei it wer ynpakken fan 'e struktuer, sadat de platte drukkop geometrysk yn 'e tank ynsletten is. laminaat op 'e muorren.
Ofstandskap foar it opwikkeljen. TUM brûkt plestik kappen oan 'e einen fan' e spanningsstangen om te foarkommen dat de fezels yn 'e knoop reitsje by it opwikkeljen fan filament. Ofbyldingskredyt: Technyske Universiteit fan München LCC.
Glace werhelle dat dizze earste tank in bewiis fan konsept wie. "It gebrûk fan 3D-printsjen en lijm wie allinich foar earste testen en joech ús in idee fan in pear fan 'e problemen dy't wy tsjinkamen. Bygelyks, by it opwikkeljen waarden de filamenten fongen troch de einen fan 'e spanningsstangen, wêrtroch't fezels brekken, fezelskea en de hoemannichte fezels fermindere waarden om dit tsjin te gean. Wy brûkten in pear plestik kappen as produksjehulpmiddels dy't op 'e peallen pleatst waarden foar de earste opwikkelstap. Doe't de ynterne laminaten makke wiene, hawwe wy dizze beskermjende kappen fuorthelle en de einen fan 'e peallen opnij foarme foardat wy it úteinlik ynpakten."
It team eksperimintearre mei ferskate rekonstruksjescenario's. "Dyjingen dy't om har hinne sjogge, wurkje it bêste," seit Grace. "Ek hawwe wy tidens de prototypingfaze in oanpast lasark brûkt om waarmte ta te passen en de einen fan 'e trekstangen opnij te foarmjen. Yn in massaproduksjekonsept soene jo ien grutter ark hawwe dat alle einen fan 'e stutten tagelyk kin foarmje ta in ynterieurfinishlaminaat."
Trekstangkoppen opnij foarme. TUM eksperimintearre mei ferskate konsepten en oanpaste de lassen om de einen fan 'e kompositbannen foar befestiging oan it tankwandlaminaat út te rjochtsjen. Ofbyldingkredyt: "Untwikkeling fan in produksjeproses foar kubike drukfetten mei beugel", Technyske Universiteit fan München, Polymers4Hydrogen-projekt, ECCM20, juny 2022.
Sa wurdt it laminaat nei de earste opwikkelstap úthard, wurde de peallen opnij foarme, foltôget de TUM de twadde opwikkeling fan 'e filamenten, en dan wurdt it laminaat fan 'e bûtenste tankwand in twadde kear úthard. Tink derom dat dit in type 5 tankûntwerp is, wat betsjut dat it gjin plestik liner hat as gasbarriêre. Sjoch de diskusje yn 'e seksje Folgjende stappen hjirûnder.
"Wy hawwe de earste demonstraasje yn dwerssnitten snien en it ferbûne gebiet yn kaart brocht," sei Glace. "In close-up lit sjen dat wy wat kwaliteitsproblemen hiene mei it laminaat, om't de strutkoppen net flak op it ynterieurlaminaat leine."
Problemen mei gatten tusken it laminaat fan 'e binnen- en bûtenmuorren fan 'e tank oplosse. De oanpaste trekstangkop makket in gat tusken de earste en twadde winding fan 'e eksperimintele tank. Ofbyldingskredyt: Technyske Universiteit fan München LCC.
Dizze earste tank fan 450 x 290 x 80 mm waard ôfrûne simmer foltôge. "Wy hawwe sûnt dy tiid in soad foarútgong boekt, mar wy hawwe noch altyd in gat tusken it ynterieur- en eksterieurlaminaat," sei Glace. "Dat wy hawwe besocht dy gatten te foljen mei in skjinne, hege viskositeit hars. Dit ferbetteret eins de ferbining tusken de noppen en it laminaat, wat de meganyske stress sterk fergruttet."
It team gie troch mei it ûntwikkeljen fan it ûntwerp en proses fan 'e tank, ynklusyf oplossingen foar it winske wikkelpatroan. "De kanten fan 'e testtank wiene net folslein bûgd, om't it foar dizze geometry lestich wie om in wikkelpaad te meitsjen," ferklearre Glace. "Us earste wikkelhoek wie 75°, mar wy wisten dat meardere sirkwy's nedich wiene om de lading yn dizze drukfet te dragen. Wy binne noch altyd op syk nei in oplossing foar dit probleem, mar it is net maklik mei de software dy't op it stuit op 'e merk is. It kin in ferfolchprojekt wurde."
"Wy hawwe de mooglikheid fan dit produksjekonsept oantoand," seit Gleiss, "mar wy moatte fierder wurkje om de ferbining tusken it laminaat te ferbetterjen en de trekstangen opnij te foarmjen. Eksterne testen op in testmasine. Jo lûke de ôfstânhâlders út it laminaat en testen de meganyske lesten dy't dy ferbiningen kinne ferneare."
Dit ûnderdiel fan it Polymers4Hydrogen-projekt sil oan 'e ein fan 2023 foltôge wêze, en tsjin dy tiid hopet Gleis de twadde demonstraasjetank foltôge te hawwen. Nijsgjirrich is dat ûntwerpen hjoed de dei nette fersterke thermoplasten brûke yn it frame en thermoset-kompositen yn 'e tankwanden. Sil dizze hybride oanpak brûkt wurde yn 'e definitive demonstraasjetank? "Ja," sei Grace. "Us partners yn it Polymers4Hydrogen-projekt ûntwikkelje epoxyharsen en oare kompositmatrixmaterialen mei bettere wetterstofbarriêreeigenskippen." Se neamt twa partners dy't oan dit wurk wurkje, PCCL en de Universiteit fan Tampere (Tampere, Finlân).
Gleiss en har team hawwe ek ynformaasje útwiksele en ideeën besprutsen mei Jaeger oer it twadde HyDDen-projekt fan 'e LCC-konforme komposittank.
"Wy sille in konforme gearstalde drukfet produsearje foar ûndersyksdrones," seit Jaeger. "Dit is in gearwurking tusken de twa ôfdielingen fan 'e ôfdieling Loftfeart en Geodetika fan TUM - LCC en de ôfdieling Helikoptertechnology (HT). It projekt sil ein 2024 foltôge wêze en wy binne op it stuit dwaande mei it foltôgjen fan it drukfet. In ûntwerp dat mear in loftfeart- en automotive-oanpak is. Nei dizze earste konseptfaze is de folgjende stap it útfieren fan detaillearre strukturele modellering en it foarsizzen fan 'e barriêreprestaasjes fan' e muorrestruktuer."
"It hiele idee is om in ferkennende drone te ûntwikkeljen mei in hybride brânstofsel en batterij-oandriuwingssysteem," gie hy fierder. It sil de batterij brûke by hege krêftbelastingen (d.w.s. opstigen en lânjen) en dan oerskeakelje nei de brânstofsel by lichte lading. "It HT-team hie al in ûndersyksdrone en ûntworpen de oandriuwing om sawol batterijen as brânstofsellen te brûken," sei Yeager. "Se hawwe ek in CGH2-tank kocht om dizze oerdracht te testen."
"Myn team krige de taak om in prototype fan in druktank te bouwen dy't passe soe, mar net fanwegen de ferpakkingsproblemen dy't in silindryske tank soe feroarsaakje," leit er út. "In plattere tank biedt net safolle wynwjerstân. Sa krije jo bettere flechtprestaasjes." Tankôfmjittings sawat 830 x 350 x 173 mm.
Folslein termoplastyske AFP-kompatibele tank. Foar it HyDDen-projekt ûndersocht it LCC-team fan TUM yn earste ynstânsje in ferlykbere oanpak as dy brûkt troch Glace (hjirboppe), mar gie doe oer nei in oanpak mei in kombinaasje fan ferskate strukturele modules, dy't doe oermjittich brûkt waarden mei AFP (hjirûnder). Ofbylding kredyt: Technyske Universiteit fan München LCC.
"Ien idee is fergelykber mei de oanpak fan Elisabeth [Gleiss]," seit Yager, "om spanningsbalken oan te bringen op 'e wand fan it skip om de hege bûgkrêften te kompensearjen. Ynstee fan in wikkelproses te brûken om de tank te meitsjen, brûke wy lykwols AFP. Dêrom hawwe wy tochten oer it meitsjen fan in aparte seksje fan it drukskip, wêryn't de rekken al yntegreare binne. Dizze oanpak liet my ferskate fan dizze yntegreare modules kombinearje en dan in einkap oanbringe om alles te fersegeljen foar de lêste AFP-wikkeling."
"Wy besykje sa'n konsept ôf te rûnjen," gie er fierder, "en ek te begjinnen mei it testen fan 'e seleksje fan materialen, wat tige wichtich is om de nedige wjerstân tsjin H2-gaspenetraasje te garandearjen. Hjirfoar brûke wy benammen termoplastyske materialen en wurkje wy oan ferskate manieren wêrop it materiaal dit permeaasjegedrach en de ferwurking yn 'e AFP-masine sil beynfloedzje. It is wichtich om te begripen oft de behanneling in effekt sil hawwe en oft der neiferwurking nedich is. Wy wolle ek witte oft ferskate stapels ynfloed hawwe op wetterstofpermeaasje troch it drukfet."
De tank sil folslein makke wêze fan thermoplast en de strips sille levere wurde troch Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Dútslân). "Wy sille harren PPS [polyfenyleensulfide], PEEK [polyetherketon] en LM PAEK [leechsmeltende polyarylketon] materialen brûke," sei Yager. "Fergelikingen wurde dan makke om te sjen hokker it bêste is foar penetraasjebeskerming en it produsearjen fan ûnderdielen mei bettere prestaasjes." Hy hopet it testen, strukturele en prosesmodellering en earste demonstraasjes binnen it kommende jier te foltôgjen.
It ûndersykswurk waard útfierd binnen de COMET-module "Polymers4Hydrogen" (ID 21647053) binnen it COMET-programma fan it Federale Ministearje foar Klimaatferoaring, Miljeu, Enerzjy, Mobiliteit, Ynnovaasje en Technology en it Federale Ministearje foar Digitale Technology en Ekonomy. De auteurs tankje de dielnimmende partners Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL, Eastenryk), Montanuniversitaet Leoben (Fakulteit Polymeertechnyk en Wittenskippen, Ofdieling Skiekunde fan Polymeermaterialen, Ofdieling Materiaalkunde en Polymeertesten), Universiteit fan Tampere (Fakulteit Materialtechnyk), Peak Technology en Faurecia dy't bydroegen hawwe oan dit ûndersykswurk. COMET-Modul wurdt finansierd troch de regearing fan Eastenryk en de regearing fan 'e dielsteat Stiermarken.
Foarfersterke platen foar draachstruktueren befetsje trochgeande fezels - net allinich fan glês, mar ek fan koalstof en aramide.
Der binne in soad manieren om gearstalde ûnderdielen te meitsjen. Dêrom sil de kar fan metoade foar in bepaald ûnderdiel ôfhingje fan it materiaal, it ûntwerp fan it ûnderdiel, en it eingebrûk of de tapassing. Hjir is in seleksjegids.
Shocker Composites en R&M International ûntwikkelje in oanfierketen foar recycled koalstoffiber dy't gjin slacht leveret, legere kosten biedt as virgin fezels en úteinlik lingten sil oanbiede dy't trochgeande fezels benaderje yn strukturele eigenskippen.
Pleatsingstiid: 15 maart 2023