Os tanques estándar de plataforma plana para BEV e FCEV usan materiais compostos termoplásticos e termoestables cunha construción en esqueleto que proporciona un 25 % máis de almacenamento de H2. #hidróxeno #tendencias
Despois de que unha colaboración con BMW demostrase que un tanque cúbico podía ofrecer unha maior eficiencia volumétrica que varios cilindros pequenos, a Universidade Técnica de Múnic embarcouse nun proxecto para desenvolver unha estrutura composta e un proceso de fabricación escalable para a produción en serie. Crédito da imaxe: TU Dresden (arriba á esquerda), Universidade Técnica de Múnic, Departamento de Compostos de Carbono (LCC)
Os vehículos eléctricos de pila de combustible (FCEV) alimentados por hidróxeno de cero emisións (H2) proporcionan medios adicionais para acadar cero obxectivos ambientais. Un turismo de pila de combustible cun motor H2 pódese encher en 5-7 minutos e ten unha autonomía de 500 km, pero actualmente é máis caro debido aos baixos volumes de produción. Unha forma de reducir custos é usar unha plataforma estándar para os modelos BEV e FCEV. Isto non é posible actualmente porque os tanques cilíndricos de tipo 4 utilizados para almacenar gas H2 comprimido (CGH2) a 700 bar nos FCEV non son axeitados para os compartimentos de baterías baixo a carrocería que foron deseñados coidadosamente para vehículos eléctricos. Non obstante, os recipientes a presión en forma de almofadas e cubos poden caber neste espazo de embalaxe plano.
Patente US5577630A para “Composite Conformal Pressure Vessel”, solicitude presentada por Thiokol Corp. en 1995 (esquerda) e o recipiente a presión rectangular patentado por BMW en 2009 (dereita).
O Departamento de Compostos de Carbono (LCC) da Universidade Técnica de Múnic (TUM, Múnic, Alemaña) participa en dous proxectos para desenvolver este concepto. O primeiro é Polymers4Hydrogen (P4H), dirixido polo Centro de Competencia en Polímeros de Leoben (PCCL, Leoben, Austria). O paquete de traballo de LCC está dirixido pola investigadora Elizabeth Glace.
O segundo proxecto é o Ambiente de Demostración e Desenvolvemento de Hidróxeno (HyDDen), dirixido polo investigador Christian Jaeger polo LCC. Ambos teñen como obxectivo crear unha demostración a grande escala do proceso de fabricación para fabricar un tanque CGH2 axeitado utilizando materiais compostos de fibra de carbono.
Existe unha eficiencia volumétrica limitada cando se instalan cilindros de pequeno diámetro en celas de batería planas (esquerda) e recipientes a presión cúbicos de tipo 2 feitos con revestimentos de aceiro e unha carcasa exterior composta de fibra de carbono/epoxi (dereita). Fonte da imaxe: As figuras 3 e 6 proceden de “Numerical Design Approach for Type II Pressure Box Vessel with Internal Tension Legs” de Ruf e Zaremba et al.
P4H fabricou un tanque cúbico experimental que usa unha estrutura termoplástica con correas/puntais de tensión compostas envoltos en epoxi reforzado con fibra de carbono. HyDDen empregará un deseño similar, pero empregará a disposición automática de fibras (AFP) para fabricar todos os tanques compostos termoplásticos.
Desde unha solicitude de patente de Thiokol Corp. para "Composite Conformal Pressure Vessel" en 1995 ata a patente alemá DE19749950C2 en 1997, os recipientes de gas comprimido "poden ter calquera configuración xeométrica", pero especialmente formas planas e irregulares, nunha cavidade conectada ao soporte da carcasa. Os elementos utilízanse para que poidan soportar a forza de expansión do gas.
Un artigo do Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) de 2006 describe tres enfoques: un recipiente a presión conforme con enrolamento de filamentos, un recipiente a presión de microrrede que contén unha estrutura de retícula ortorrómbica interna (células pequenas de 2 cm ou menos), rodeado por un recipiente de H2 de paredes finas, e un recipiente replicador, que consiste nunha estrutura interna formada por pezas pequenas pegadas (por exemplo, aneis de plástico hexagonais) e unha composición de pel exterior fina. Os recipientes duplicados son os máis axeitados para recipientes máis grandes onde os métodos tradicionais poden ser difíciles de aplicar.
A patente DE102009057170A presentada por Volkswagen en 2009 describe un recipiente a presión montado nun vehículo que proporcionará unha alta eficiencia de peso e mellorará o uso do espazo. Os tanques rectangulares usan conectores de tensión entre dúas paredes rectangulares opostas, e as esquinas son redondeadas.
Os conceptos anteriores e outros son citados por Gleiss no artigo “Process Development for Cubic Pressure Vessels with Stretch Bars” de Gleiss et al. no ECCM20 (26-30 de xuño de 2022, Lausana, Suíza). Neste artigo, cita un estudo de TUM publicado por Michael Roof e Sven Zaremba, que descubriu que un recipiente a presión cúbico con puntais de tensión que conectan lados rectangulares é máis eficiente que varios cilindros pequenos que caben no espazo dunha batería plana, proporcionando aproximadamente un 25 % máis de espazo de almacenamento.
Segundo Gleiss, o problema de instalar un gran número de cilindros pequenos de tipo 4 nunha caixa plana é que «o volume entre os cilindros redúcese considerablemente e o sistema tamén ten unha superficie de permeación de gas H2 moi grande. En xeral, o sistema ofrece menos capacidade de almacenamento que os frascos cúbicos».
Non obstante, existen outros problemas co deseño cúbico do tanque. «Obviamente, debido ao gas comprimido, cómpre contrarrestar as forzas de flexión nas paredes planas», dixo Gleiss. «Para isto, necesítase unha estrutura reforzada que se conecte internamente ás paredes do tanque. Pero iso é difícil de facer cos materiais compostos».
Glace e o seu equipo tentaron incorporar barras de tensión de reforzo no recipiente a presión dun xeito que fose axeitado para o proceso de enrolamento de filamentos. «Isto é importante para a produción de alto volume», explica, «e tamén nos permite deseñar o patrón de enrolamento das paredes do recipiente para optimizar a orientación da fibra para cada carga na zona».
Catro pasos para fabricar un tanque composto cúbico de proba para o proxecto P4H. Crédito da imaxe: “Desenvolvemento dun proceso de produción para recipientes a presión cúbicos con tirantez”, Universidade Técnica de Múnic, proxecto Polymers4Hydrogen, ECCM20, xuño de 2022.
Para lograr a montaxe en cadea, o equipo desenvolveu un novo concepto que consta de catro pasos principais, como se mostra arriba. Os puntais tensores, que se mostran en negro nos pasos, son unha estrutura de marco prefabricada fabricada con métodos tomados do proxecto MAI Skelett. Para este proxecto, BMW desenvolveu unha "marco" de parabrisas utilizando catro varillas de pultrusión reforzadas con fibra, que logo foron moldeadas nun marco de plástico.
A estrutura dun tanque cúbico experimental. Seccións esqueléticas hexagonais impresas en 3D por TUM usando filamento de PLA non reforzado (arriba), inserindo varillas de pultrusión CF/PA6 como tirantes (centro) e despois envolvendo o filamento arredor dos tirantes (abaixo). Crédito da imaxe: Universidade Técnica de Múnic LCC.
«A idea é que se poida construír a estrutura dun tanque cúbico como unha estrutura modular», dixo Glace. «Estes módulos colócanse despois nunha ferramenta de moldeo, os puntais de tensión colócanse nos módulos da estrutura e, a continuación, utilízase o método de MAI Skelett arredor dos puntais para integralos coas pezas da estrutura». método de produción en masa, o que resulta nunha estrutura que logo se usa como mandril ou núcleo para envolver a carcasa composta do tanque de almacenamento.
A TUM deseñou a estrutura do tanque como un "coxín" cúbico con laterais sólidos, esquinas redondeadas e un patrón hexagonal na parte superior e inferior a través do cal se poden inserir e fixar abrazaderas. Os orificios para estes soportes tamén foron impresos en 3D. "Para o noso tanque experimental inicial, imprimimos en 3D seccións de estrutura hexagonales usando ácido poliláctico [PLA, un termoplástico de base biolóxica] porque era doado e barato", dixo Glace.
O equipo comprou 68 varillas de poliamida 6 (PA6) reforzadas con fibra de carbono pultruída de SGL Carbon (Meitingen, Alemaña) para usalas como tirantes. «Para probar o concepto, non fixemos ningún moldeo», di Gleiss, «senón que simplemente inserimos espazadores nun marco de núcleo de panal impreso en 3D e pegámolos con cola epoxi. Isto proporciona un mandril para enrolar o tanque». Ela sinala que, aínda que estas varillas son relativamente fáciles de enrolar, hai algúns problemas importantes que se describirán máis adiante.
«Na primeira fase, o noso obxectivo era demostrar a fabricabilidade do deseño e identificar problemas no concepto de produción», explicou Gleiss. «Así, os puntais de tensión sobresaen da superficie exterior da estrutura esquelética e unimos as fibras de carbono a este núcleo mediante enrolamento de filamentos húmidos. Despois diso, no terceiro paso, dobramos a cabeza de cada tirante. É termoplástico, polo que só usamos calor para remodelar a cabeza para que se aplane e se bloquee na primeira capa de envoltura. Despois procedemos a envolver a estrutura de novo para que a cabeza de empuxe plana quede xeometricamente encerrada dentro do tanque laminado nas paredes».
Tapa espaciadora para o enrolamento. A TUM usa tapas de plástico nos extremos das varillas de tensión para evitar que as fibras se enreden durante o enrolamento do filamento. Crédito da imaxe: Universidade Técnica de Múnic LCC.
Glace reiterou que este primeiro tanque era unha proba de concepto. «O uso da impresión 3D e o pegamento foi só para as probas iniciais e deunos unha idea dalgúns dos problemas que atopamos. Por exemplo, durante o enrolamento, os filamentos quedaron atrapados polos extremos das varillas de tensión, o que provocou a rotura da fibra, danos na fibra e a redución da cantidade de fibra para contrarrestar isto. Usamos unhas cantas tapas de plástico como axudas de fabricación que se colocaron nos polos antes do primeiro paso de enrolamento. Despois, cando se fabricaron os laminados internos, retiramos estas tapas protectoras e remodelamos os extremos dos polos antes do enrolamento final».
O equipo experimentou con varios escenarios de reconstrución. «Os que miran ao seu redor son os que mellor traballan», di Grace. «Ademais, durante a fase de prototipado, empregamos unha ferramenta de soldadura modificada para aplicar calor e remodelar os extremos das bielas. Nun concepto de produción en masa, teríamos unha ferramenta máis grande que pode dar forma a todos os extremos dos puntais nun laminado de acabado interior ao mesmo tempo».
Cabezas das barras de tracción remodeladas. A TUM experimentou con diferentes conceptos e modificou as soldaduras para aliñar os extremos das tiras compostas para a súa fixación ao laminado da parede do tanque. Crédito da imaxe: “Desenvolvemento dun proceso de produción para recipientes a presión cúbicos con tirantez”, Universidade Técnica de Múnic, proxecto Polymers4Hydrogen, ECCM20, xuño de 2022.
Deste xeito, o laminado cúrase despois do primeiro paso de enrolamento, os postes remodéanse, o TUM completa o segundo enrolamento dos filamentos e, a continuación, o laminado da parede exterior do tanque cúrase por segunda vez. Teña en conta que este é un deseño de tanque de tipo 5, o que significa que non ten un revestimento de plástico como barreira de gases. Vexa a discusión na sección Próximos pasos a continuación.
«Cortamos a primeira demostración en seccións transversais e mapeamos a área conectada», dixo Glace. «Un primeiro plano mostra que tivemos algúns problemas de calidade co laminado, xa que as cabezas dos puntais non descansaban planas sobre o laminado interior».
Resolución de problemas con ocos entre o laminado das paredes interior e exterior do tanque. A cabeza da barra de acoplamento modificada crea un oco entre a primeira e a segunda volta do tanque experimental. Crédito da imaxe: Universidade Técnica de Múnic LCC.
Este tanque inicial de 450 x 290 x 80 mm completouse o verán pasado. «Fixemos moitos progresos desde entón, pero aínda temos un oco entre o laminado interior e o exterior», dixo Glace. «Así que tentamos encher eses ocos cunha resina limpa de alta viscosidade. Isto mellora a conexión entre os montantes e o laminado, o que aumenta considerablemente a tensión mecánica».
O equipo continuou a desenvolver o deseño e o proceso do tanque, incluíndo solucións para o patrón de enrolamento desexado. «Os lados do tanque de proba non estaban completamente curvados porque era difícil para esta xeometría crear unha traxectoria de enrolamento», explicou Glace. «O noso ángulo de enrolamento inicial era de 75°, pero sabiamos que se necesitaban varios circuítos para satisfacer a carga neste recipiente a presión. Aínda estamos a buscar unha solución para este problema, pero non é doado co software actualmente no mercado. Pode converterse nun proxecto de seguimento».
«Demostramos a viabilidade deste concepto de produción», afirma Gleiss, «pero precisamos seguir traballando para mellorar a conexión entre o laminado e remodelar os tirantes. «Probas externas nunha máquina de ensaios. Extráense os espazadores do laminado e compróbanse as cargas mecánicas que esas unións poden soportar».
Esta parte do proxecto Polymers4Hydrogen rematará a finais de 2023, data na que Gleis espera ter rematado o segundo tanque de demostración. Curiosamente, os deseños actuais empregan termoplásticos reforzados na estrutura e compostos termoestables nas paredes do tanque. Empregarase esta estratexia híbrida no tanque de demostración final? «Si», dixo Grace. «Os nosos socios do proxecto Polymers4Hydrogen están a desenvolver resinas epoxi e outros materiais de matriz composta con mellores propiedades de barreira ao hidróxeno». Enumera dous socios que traballan neste traballo, PCCL e a Universidade de Tampere (Tampere, Finlandia).
Gleiss e o seu equipo tamén intercambiaron información e debateron ideas con Jaeger sobre o segundo proxecto HyDDen do tanque composto conformal LCC.
«Produciremos un recipiente a presión composto conformal para drons de investigación», di Jaeger. «Trátase dunha colaboración entre os dous departamentos do Departamento Aeroespacial e Xeodésico da TUM (LCC) e o Departamento de Tecnoloxía de Helicópteros (HT). O proxecto rematará a finais de 2024 e actualmente estamos a completar o recipiente a presión, un deseño que ten un enfoque máis aeroespacial e automotriz. Despois desta fase inicial de concepto, o seguinte paso é realizar unha modelización estrutural detallada e predicir o rendemento da barreira da estrutura do muro».
«A idea principal é desenvolver un dron exploratorio cun sistema de propulsión híbrido con pila de combustible e batería», continuou. Empregará a batería durante cargas de alta potencia (é dicir, engalaxe e aterraxe) e despois cambiará á pila de combustible durante a navegación con carga lixeira. «O equipo de HT xa tiña un dron de investigación e redeseñou o sistema de propulsión para usar tanto baterías como pilas de combustible», dixo Yeager. «Tamén compraron un tanque CGH2 para probar esta transmisión».
«O meu equipo tivo a tarefa de construír un prototipo de tanque de presión que encaixase, pero non polos problemas de empaquetado que crearía un tanque cilíndrico», explica. «Un tanque máis plano non ofrece tanta resistencia ao vento. Polo tanto, obtense un mellor rendemento de voo». Dimensións do tanque: aproximadamente 830 x 350 x 173 mm.
Tanque totalmente termoplástico compatible con AFP. Para o proxecto HyDDen, o equipo de LCC da TUM explorou inicialmente unha estratexia similar á empregada por Glace (arriba), pero despois pasou a unha estratexia que empregaba unha combinación de varios módulos estruturais, que logo se utilizaron en exceso con AFP (abaixo). Crédito da imaxe: Universidade Técnica de Múnic LCC.
«Unha idea é similar á de Elisabeth [Gleiss]», di Yager, «aplicar tirantes á parede do recipiente para compensar as elevadas forzas de flexión. Non obstante, en lugar de empregar un proceso de enrolamento para fabricar o tanque, empregamos AFP. Polo tanto, pensamos en crear unha sección separada do recipiente a presión, na que os bastidores xa estean integrados. Esta proposta permitiume combinar varios destes módulos integrados e despois aplicar unha tapa final para selar todo antes do enrolamento final de AFP».
«Estamos a tentar finalizar ese concepto», continuou, «e tamén comezar a probar a selección de materiais, o cal é moi importante para garantir a resistencia necesaria á penetración do gas H2. Para iso, empregamos principalmente materiais termoplásticos e estamos a traballar en varios aspectos sobre como o material afectará este comportamento de permeación e o procesamento na máquina AFP. É importante comprender se o tratamento terá algún efecto e se se require algún posprocesamento. Tamén queremos saber se as diferentes chemineas afectarán a permeación do hidróxeno a través do recipiente a presión».
O tanque estará feito completamente de termoplástico e as tiras serán subministradas por Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Alemaña). «Empregaremos os seus materiais PPS [sulfuro de polifenileno], PEEK [poliétercetona] e LM PAEK [poliarilcetona de baixo punto de fusión]», dixo Yager. «Despois fanse comparacións para ver cal é o mellor para a protección contra a penetración e para producir pezas con mellor rendemento». Espera completar as probas, a modelización estrutural e de procesos e as primeiras demostracións o próximo ano.
O traballo de investigación levouse a cabo dentro do módulo COMET “Polymers4Hydrogen” (ID 21647053) dentro do programa COMET do Ministerio Federal de Cambio Climático, Medio Ambiente, Enerxía, Mobilidade, Innovación e Tecnoloxía e do Ministerio Federal de Tecnoloxía Dixital e Economía. Os autores agradecen aos socios participantes Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL, Austria), Montanuniversitaet Leoben (Facultade de Enxeñaría e Ciencia de Polímeros, Departamento de Química de Materiais Polímeros, Departamento de Ciencia de Materiais e Ensaios de Polímeros), Universidade de Tampere (Facultade de Enxeñaría de Materiais), Peak Technology e Faurecia polas súas contribucións a este traballo de investigación. O módulo COMET está financiado polo goberno de Austria e o goberno do estado de Estiria.
As láminas prerreforzadas para estruturas portantes conteñen fibras continuas, non só de vidro, senón tamén de carbono e aramida.
Hai moitas maneiras de fabricar pezas compostas. Polo tanto, a elección do método para unha peza en particular dependerá do material, do deseño da peza e do uso ou aplicación final. Aquí tes unha guía de selección.
Shocker Composites e R&M International están a desenvolver unha cadea de subministración de fibra de carbono reciclada que non supón ningún sacrificio, ten un custo menor que o da fibra virxe e, finalmente, ofrecerá lonxitudes que se aproximen ás da fibra continua en canto a propiedades estruturais.
Data de publicación: 15 de marzo de 2023