Os tanques estándar de plataforma plana para BEV e FCEV usan compostos termoplásticos e termoestables cunha construción esquelética que proporciona un 25 % máis de almacenamento de H2.#hidróxeno #tendencias
Despois de que unha colaboración con BMW demostrou que un tanque cúbico podería 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) esquerda), Universidade Técnica de Múnic, Departamento de Composites de Carbono (LCC)
Os vehículos eléctricos de pila de combustible (FCEV) alimentados por hidróxeno de cero emisións (H2) proporcionan medios adicionais para acadar obxectivos ambientais cero.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 utilizar unha plataforma estándar para os modelos BEV e FCEV.Isto non é posible actualmente porque os tanques cilíndricos Tipo 4 utilizados para almacenar gas H2 comprimido (CGH2) a 700 bar en FCEV non son axeitados para os compartimentos de baterías debaixo da carrocería que foron coidadosamente deseñados para vehículos eléctricos.Non obstante, neste espazo de envasado plano poden caber recipientes a presión en forma de almofadas e cubos.
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 Leoben Polymer Competence Center (PCCL, Leoben, Austria).O paquete de traballo LCC está dirixido pola compañeira Elizabeth Glace.
O segundo proxecto é o Entorno de Desenvolvemento e Demostración de Hidróxeno (HyDDen), onde o LCC está dirixido polo investigador Christian Jaeger.Ambos pretenden crear unha demostración a gran escala do proceso de fabricación para facer un tanque CGH2 axeitado utilizando compostos de fibra de carbono.
Hai unha eficiencia volumétrica limitada cando se instalan cilindros de pequeno diámetro en pilas de batería planas (esquerda) e recipientes a presión cúbicos tipo 2 feitos de revestimentos de aceiro e unha capa exterior composta de fibra de carbono/epoxi (dereita).Fonte da imaxe: as figuras 3 e 6 son de "Enfoque de deseño numérico para recipiente de caixa de presión tipo II con patas de tensión interna" de Ruf e Zaremba et al.
P4H fabricou un tanque de cubo experimental que usa un marco termoplástico con correas/puntais de tensión compostos envoltos en epoxi reforzado con fibra de carbono.HyDDen utilizará un deseño similar, pero utilizará a disposición automática de fibras (AFP) para fabricar todos os tanques compostos termoplásticos.
Desde unha solicitude de patente de Thiokol Corp. ata "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 calota. .utilízanse elementos para que poidan soportar a forza de expansión do gas.
Un documento do Laboratorio Nacional de Lawrence Livermore (LLNL) de 2006 describe tres enfoques: un recipiente de presión conformado con ferida de filamento, un recipiente de presión de microredes que contén unha estrutura de celosía ortorrómbica interna (células pequenas de 2 cm ou menos), rodeado por un recipiente de H2 de paredes delgadas, e un recipiente replicador, que consiste nunha estrutura interna formada por pequenas pezas pegadas (por exemplo, aneis de plástico hexagonais) e unha composición de pel exterior fina.Os envases duplicados son os máis adecuados para envases 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 ao tempo que mellora a utilización do espazo.Os tanques rectangulares usan conectores de tensión entre dúas paredes rectangulares opostas e as esquinas son redondeadas.
O anterior e outros conceptos son citados por Gleiss no artigo "Desenvolvemento de procesos para recipientes de presión cúbica con barras de estiramento" de Gleiss et al.na ECCM20 (26-30 de xuño de 2022, Lausanne, Suíza).Neste artigo, ela cita un estudo TUM publicado por Michael Roof e Sven Zaremba, que descubriu que un recipiente de presión cúbico con puntales de tensión que conectan lados rectangulares é máis eficiente que varios cilindros pequenos que encaixan no espazo dunha batería plana, proporcionando aproximadamente 25 % máis.espazo de almacenamento.
Segundo Gleiss, o problema de instalar un gran número de cilindros tipo 4 pequenos nunha caixa plana é que “o volume entre as bombonas redúcese moito 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, hai outros problemas co deseño cúbico do tanque."Obviamente, debido ao gas comprimido, cómpre contrarrestar as forzas de flexión nas paredes planas", dixo Gleiss.“Para iso, precisa dunha estrutura reforzada que se conecte internamente ás paredes do tanque.Pero iso é difícil de facer cos compostos".
Glace e o seu equipo intentaron incorporar barras de tensión de reforzo no recipiente a presión dunha forma que fose adecuada para o proceso de enrolamento do filamento."Isto é importante para a produción de gran 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 facer un tanque composto cúbico de proba para o proxecto P4H.Crédito da imaxe: "Desenvolvemento dun proceso de produción para recipientes de presión cúbica con abrazadera", Universidade Técnica de Múnic, proxecto Polymers4Hydrogen, ECCM20, xuño de 2022.
Para lograr en cadea, o equipo desenvolveu un novo concepto que consta de catro pasos principais, como se mostra anteriormente.Os puntais de tensión, mostrados en negro nos chanzos, son unha estrutura de marco prefabricada fabricada mediante métodos tomados do proxecto MAI Skelett.Para este proxecto, BMW desenvolveu un "armazón" do marco do parabrisas utilizando catro varillas de pultrusión reforzadas con fibras, que logo foron moldeadas nun marco de plástico.
O cadro dun tanque cúbico experimental.Seccións esqueléticas hexagonais impresas en 3D por TUM usando filamento PLA non reforzado (arriba), inserindo barras de pultrusión CF/PA6 como tirantes de tensión (centro) e despois envolvendo o filamento arredor dos tirantes (inferior).Crédito da imaxe: Universidade Técnica de Múnic LCC.
"A idea é que podes construír o marco dun tanque cúbico como unha estrutura modular", dixo Glace."Estes módulos colócanse despois nunha ferramenta de moldeo, os puntais de tensión colócanse nos módulos do cadro e, a continuación, utilízase o método de MAI Skelett ao redor dos puntais para integralos coas partes do cadro".método de produción en masa, o que resulta nunha estrutura que despois se usa como mandril ou núcleo para envolver a carcasa composta do tanque de almacenamento.
TUM deseñou o marco do tanque como un "coxín" cúbico con lados sólidos, esquinas redondeadas e un patrón hexagonal na parte superior e inferior a través do cal se poden inserir e fixar ataduras.Os orificios destes bastidores tamén foron impresos en 3D."Para o noso tanque experimental inicial, imprimimos seccións de marco hexagonais en 3D usando ácido poliláctico [PLA, un termoplástico de base biolóxica] porque era fácil e barato", dixo Glace.
O equipo comprou 68 varillas de poliamida 6 (PA6) reforzada con fibra de carbono pultruída de SGL Carbon (Meitingen, Alemaña) para usalas como amarres."Para probar o concepto, non fixemos ningún moldeado", di Gleiss, "senón que simplemente introducimos espaciadores nun marco de núcleo de panal impreso en 3D e pegámolos con cola epoxi.Isto proporciona entón un mandril para enrolar o tanque".Ela sinala que aínda que estas varas son relativamente fáciles de enrolar, hai algúns problemas significativos que se describirán máis adiante.
"Na primeira etapa, o noso obxectivo era demostrar a fabricabilidade do deseño e identificar problemas no concepto de produción", explicou Gleiss."Así que os puntais de tensión sobresaen da superficie exterior da estrutura esquelética e unimos as fibras de carbono a este núcleo usando un enrolamento de filamentos húmidos.Despois diso, no terceiro paso, dobramos a cabeza de cada tirante.termoplástico, polo que só usamos a calor para remodelar a cabeza de xeito que se aplane e se bloquee na primeira capa de envoltura.Despois procedemos a envolver de novo a estrutura para que a cabeza plana de empuxe estea encerrada xeométricamente dentro do tanque.laminado nas paredes.
Tapón separador para enrolamento.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 foi unha proba de concepto."O uso da impresión 3D e pegamento foi só para 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, provocando a rotura das fibras, danos nas fibras e reducindo a cantidade de fibra para contrarrestar isto.utilizamos unhas cantas tapas de plástico como axudas de fabricación que se colocaron nos postes antes do primeiro paso de enrolamento. Despois, cando se fabricaron os laminados internos, retiramos estas tapas protectoras e remodelamos os extremos dos postes antes do envolvemento final".
O equipo experimentou con varios escenarios de reconstrución."Os que miran ao seu redor traballan mellor", di Grace.“Ademais, durante a fase de prototipado, utilizamos unha ferramenta de soldadura modificada para aplicar calor e remodelar os extremos dos tirantes.Nun concepto de produción en masa, tería unha ferramenta máis grande que pode dar forma e formar todos os extremos dos puntais nun laminado de acabado interior ao mesmo tempo..”
Cabezas de tirador remodeladas.TUM experimentou con diferentes conceptos e modificou as soldaduras para aliñar os extremos dos lazos compostos para unir ao laminado da parede do tanque.Crédito da imaxe: "Desenvolvemento dun proceso de produción para recipientes de presión cúbica con abrazadera", Universidade Técnica de Múnic, proxecto Polymers4Hydrogen, ECCM20, xuño de 2022.
Así, o laminado se cura despois do primeiro paso de enrolamento, os postes son remodelados, o TUM completa o segundo enrolamento dos filamentos e, a continuación, o laminado da parede exterior do tanque cura unha segunda vez.Teña en conta que este é un deseño de tanque tipo 5, o que significa que non ten un revestimento de plástico como barreira de gas.Vexa a discusión na sección Seguintes 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 estaban planas sobre o laminado interior".
Resolver problemas con ocos entre o laminado das paredes interior e exterior do tanque.A cabeza de tirante modificada crea un espazo entre a primeira e a segunda voltas do tanque experimental.Crédito da imaxe: Universidade Técnica de Múnic LCC.
Este tanque inicial de 450 x 290 x 80 mm completouse o pasado verán."Desde entón avanzamos moito, pero aínda temos unha brecha entre o laminado interior e exterior", dixo Glace."Entón, tentamos encher eses ocos cunha resina limpa e de alta viscosidade.Isto realmente mellora a conexión entre os cravos e o laminado, o que aumenta moito o estrés mecánico".
O equipo continuou desenvolvendo o deseño e proceso do tanque, incluíndo solucións para o patrón de enrolamento desexado."Os lados do tanque de proba non estaban completamente curvados porque era difícil que esta xeometría creara un camiño sinuoso", explicou Glace."O noso ángulo de enrolamento inicial era de 75 °, pero sabiamos que se necesitaban varios circuítos para facer fronte á carga neste recipiente a presión.Aínda estamos buscando unha solución a este problema, pero non é doado co software que hai actualmente no mercado.Pode converterse nun proxecto de seguimento.
"Demostramos a viabilidade deste concepto de produción", di Gleiss, "pero temos que seguir traballando para mellorar a conexión entre o laminado e remodelar os tirantes."Probas externas nunha máquina de probas.Tiras os espaciadores do laminado e probas as cargas mecánicas que estas unións poden soportar".
Esta parte do proxecto Polymers4Hydrogen completarase a finais de 2023, momento no que Gleis espera completar o segundo tanque de demostración.Curiosamente, os deseños de hoxe usan termoplásticos reforzados no marco e compostos termoestables nas paredes do tanque.Usarase este enfoque híbrido no tanque de demostración final?"Si", dixo Grace."Os nosos socios no proxecto Polymers4Hydrogen están a desenvolver resinas epoxi e outros materiais de matriz composta con mellores propiedades de barreira de hidróxeno".Ela enumera dous socios que traballan neste traballo, PCCL e a Universidade de Tampere (Tampere, Finlandia).
Gleiss e o seu equipo tamén intercambiaron información e discutiron ideas con Jaeger sobre o segundo proxecto HyDDen do tanque composto conforme LCC.
"Produciremos un recipiente de presión composto conformado para drones de investigación", di Jaeger."Esta é unha colaboración entre os dous departamentos do Departamento Aeroespacial e Xeodésico de TUM - LCC e o Departamento de Tecnoloxía de Helicópteros (HT).O proxecto estará rematado a finais de 2024 e actualmente estamos rematando o recipiente a presión.un deseño que é máis un enfoque aeroespacial e automotriz.Despois desta fase inicial de concepto, o seguinte paso é realizar un modelado estrutural detallado e prever o rendemento da barreira da estrutura da parede.
"Toda a idea é desenvolver un dron exploratorio cunha pila de combustible híbrida e un sistema de propulsión por batería", continuou.Usará a batería durante cargas de alta potencia (é dicir, despegue 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 tren motriz para usar tanto baterías como pilas de combustible", dixo Yeager."Tamén compraron un tanque CGH2 para probar esta transmisión".
"O meu equipo encargouse de construír un prototipo de tanque a presión que se adaptase, pero non polos problemas de embalaxe que crearía un tanque cilíndrico", explica.“Un tanque máis plano non ofrece tanta resistencia ao vento.Así, obtén un mellor rendemento de voo".Dimensións do tanque aprox.830 x 350 x 173 mm.
Tanque totalmente termoplástico compatible con AFP.Para o proxecto HyDDen, o equipo de LCC de TUM explorou inicialmente un enfoque similar ao utilizado por Glace (arriba), pero despois pasou a un enfoque que utilizaba unha combinación de varios módulos estruturais, que logo se utilizaron en exceso usando AFP (abaixo).Crédito da imaxe: Universidade Técnica de Múnic LCC.
"Unha idea é semellante ao enfoque de Elisabeth [Gleiss]", di Yager, "para aplicar tirantes de tensión á parede da embarcación para compensar as altas forzas de flexión.Non obstante, en lugar de usar un proceso de enrolamento para facer o tanque, usamos AFP.Polo tanto, pensamos en crear unha sección separada do recipiente a presión, na que xa están integrados os bastidores.Este enfoque permitiume combinar varios destes módulos integrados e despois aplicar unha tapa de extremo para selar todo antes do enrolamento AFP final".
"Estamos tentando concretar ese concepto", proseguiu, "e tamén comezar a probar a selección de materiais, que é moi importante para garantir a resistencia necesaria á penetración do gas H2.Para iso, utilizamos principalmente materiais termoplásticos e estamos traballando en varias formas en que o material afectará este comportamento de permeación e procesamento na máquina AFP.É importante entender se o tratamento terá efecto e se é necesario un post-procesamento.Tamén queremos saber se diferentes pilas afectarán á permeación do hidróxeno a través do recipiente a presión".
O tanque será totalmente de termoplástico e as tiras serán subministradas por Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Alemaña)."Utilizaremos os seus materiais PPS [sulfuro de polifenileno], PEEK [poliéter cetona] e LM PAEK [poliaril cetona de baixo punto de fusión]", dixo Yager."Entón fanse comparacións para ver cal é o mellor para a protección contra a penetración e producir pezas con mellor rendemento".Espera completar as probas, o modelado estrutural e de procesos e as primeiras demostracións no próximo ano.
O traballo de investigación realizouse 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 Ciencias de Polímeros, Departamento de Química de Materiais Polímeros, Departamento de Ciencia de Materiais e Probas de Polímeros), Universidade de Tampere (Facultade de Enxeñaría de Polímeros). Materiais).) Science), Peak Technology e Faurecia contribuíron a este traballo de investigación.COMET-Modul está financiado polo goberno de Austria e o goberno do estado de Estiria.
As follas pre-reforzadas para estruturas portantes conteñen fibras continuas, non só de vidro, senón tamén de carbono e aramida.
Hai moitas formas de facer pezas compostas.Polo tanto, a elección do método para unha determinada peza 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 proporciona sacrificio cero, un custo máis baixo que a fibra virxe e, finalmente, ofrecerá lonxitudes que se aproximen á fibra continua nas propiedades estruturais.
Hora de publicación: 15-mar-2023