A BEV és FCEV szabványos lapos platformú tartályai hőre lágyuló és hőre keményedő kompozitokat használnak, vázszerkezettel, amely 25%-kal több H2-tárolást tesz lehetővé. #hidrogén #trendek
Miután a BMW-vel együttműködve bebizonyosodott, hogy egy köbméteres tartály nagyobb térfogati hatásfokot tud biztosítani, mint több kis henger, a Müncheni Műszaki Egyetem egy kompozit szerkezet és egy skálázható gyártási folyamat fejlesztésére irányuló projektbe kezdett a sorozatgyártáshoz. Kép forrása: TU Dresden (balra fent), Müncheni Műszaki Egyetem, Szén Kompozitok Tanszéke (LCC)
A nulla kibocsátású (H2) hidrogénnel hajtott üzemanyagcellás elektromos járművek (FCEV-k) további eszközöket kínálnak a nulla környezetvédelmi célok eléréséhez. Egy H2 motorral ellátott üzemanyagcellás személygépkocsi 5-7 perc alatt feltölthető, és 500 km-es hatótávolsággal rendelkezik, de jelenleg az alacsony gyártási volumenek miatt drágább. A költségek csökkentésének egyik módja a szabványos platform használata a BEV és FCEV modellekhez. Ez jelenleg nem lehetséges, mivel az FCEV-kben 700 bar nyomáson a sűrített H2 gáz (CGH2) tárolására használt 4-es típusú hengeres tartályok nem alkalmasak az elektromos járművekhez gondosan tervezett alváz alatti akkumulátorrekeszekbe. A párnák és kockák formájú nyomástartó edények azonban elférnek ebben a lapos csomagolótérben.
Az US5577630A számú szabadalom a „Kompozit konform nyomástartó edény” kifejezésre, amelyet a Thiokol Corp. nyújtott be 1995-ben (balra), és a BMW által 2009-ben szabadalmaztatott téglalap alakú nyomástartó edény (jobbra).
A Müncheni Műszaki Egyetem (TUM, München, Németország) Szén Kompozitok Tanszéke (LCC) két projektben vesz részt a koncepció fejlesztése érdekében. Az első a Polymers4Hydrogen (P4H), amelyet a Leobeni Polimer Kompetencia Központ (PCCL, Leoben, Ausztria) vezet. Az LCC munkacsomagot Elizabeth Glace ösztöndíjas vezeti.
A második projekt a Hidrogén Demonstrációs és Fejlesztési Környezet (HyDDen), ahol az LCC-t Christian Jaeger kutató vezeti. Mindkettő célja egy nagyszabású demonstráció létrehozása a megfelelő CGH2 tartály gyártási folyamatáról szénszálas kompozitok felhasználásával.
Korlátozott térfogati hatásfok érhető el, ha kis átmérőjű hengereket szerelnek lapos akkumulátorcellákba (balra), illetve kocka alakú, 2-es típusú, acélbetétből és szénszálas/epoxi kompozit külső héjból készült nyomástartó edényekbe (jobbra). Kép forrása: A 3. és 6. ábra Ruf és Zaremba et al. „Numerical Design Approach for Type II Pressure Box Vessel with Internal Tension Legs” (Numerikus tervezési megközelítés II-es típusú nyomástartó dobozos tartályhoz belső feszítőlábakkal) című tanulmányából származik.
A P4H egy kísérleti kocka alakú tartályt készített, amely hőre lágyuló vázat és szénszállal erősített epoxigyantába burkolt kompozit feszítőpántokat/rugókat használ. A HyDDen hasonló kialakítást fog alkalmazni, de az összes hőre lágyuló kompozit tartály gyártásához automatikus szálkeresztezést (AFP) fog alkalmazni.
A Thiokol Corp. 1995-ös „Composite Conformal Pressure Vessel” (Kompozit konform nyomástartó edény) szabadalmi bejelentésétől az 1997-es DE19749950C2 számú német szabadalomig a sűrített gázt tároló edények „bármilyen geometriai konfigurációjúak lehetnek”, de különösen lapos és szabálytalan alakúak, a héjtartóhoz csatlakoztatott üregben. Az elemeket úgy használják, hogy ellenálljanak a gáz tágulási erejének.
Egy 2006-os Lawrence Livermore Nemzeti Laboratóriumi (LLNL) tanulmány három megközelítést ír le: egy száltekercses konform nyomástartó edényt, egy mikrorácsos nyomástartó edényt, amely belső ortorombos rácsszerkezetet (legfeljebb 2 cm2-es kis cellák) tartalmaz, amelyet egy vékony falú H2-tartály vesz körül, és egy replikátor tartályt, amely egy ragasztott kis alkatrészekből (pl. hatszögletű műanyag gyűrűk) és egy vékony külső héjösszetételből álló belső szerkezetből áll. A duplikált tartályok a legalkalmasabbak nagyobb tartályokhoz, ahol a hagyományos módszerek nehezen alkalmazhatók.
A Volkswagen által 2009-ben benyújtott DE102009057170A számú szabadalom egy járműre szerelhető nyomástartó edényt ír le, amely nagy súlyhatékonyságot biztosít, miközben javítja a helykihasználást. A téglalap alakú tartályok két téglalap alakú, egymással szemben lévő fal között feszítőcsatlakozókat használnak, és a sarkok lekerekítettek.
A fentieket és más koncepciókat Gleiss idézi a „Process Development for Cubic Pressure Vessels with Stretch Bars” (Gleiss és munkatársai által az ECCM20 konferencián (2022. június 26-30., Lausanne, Svájc) megjelent „Process Development for Cubic Pressure Vessels with Stretch Bars” (Folyamatfejlesztés nyújtórudakkal ellátott köbös nyomástartó edényekhez) című cikkében. Ebben a cikkben idézi Michael Roof és Sven Zaremba által publikált TUM-tanulmányt, amely megállapította, hogy egy téglalap alakú oldalakat összekötő feszítőrudakkal ellátott köbös nyomástartó edény hatékonyabb, mint több kis henger, amelyek elférnek egy lemerült akkumulátor terében, körülbelül 25%-kal több tárolóhelyet biztosítva.
Gleiss szerint a nagyszámú, kisméretű, 4-es típusú palack lapos házba történő beépítésének problémája az, hogy „a palackok közötti térfogat jelentősen csökken, és a rendszernek is nagyon nagy a H2 gáz áteresztő felülete. Összességében a rendszer kisebb tárolókapacitást biztosít, mint a kocka alakú üvegek.”
A tartály köbös kialakításával azonban más problémák is vannak. „Nyilvánvaló, hogy a sűrített gáz miatt ellensúlyozni kell a lapos falakra ható hajlítóerőket” – mondta Gleiss. „Ehhez egy megerősített szerkezetre van szükség, amely belülről csatlakozik a tartály falaihoz. De ezt nehéz megvalósítani kompozitokkal.”
Glace és csapata megpróbált olyan erősítő feszítőrudakat beépíteni a nyomástartó edénybe, amelyek alkalmasak a száltekercselési folyamathoz. „Ez fontos a nagy volumenű gyártáshoz” – magyarázza –, „és lehetővé teszi számunkra, hogy a tartályfalak tekercselési mintázatát úgy tervezzük meg, hogy optimalizáljuk a szálak orientációját a zónában lévő egyes rakományok esetében.”
Négy lépés egy kísérleti köbös kompozit tartály elkészítéséhez a P4H projekthez. Kép forrása: „Gyártási folyamat fejlesztése köbös nyomástartó edényekhez merevítővel”, Müncheni Műszaki Egyetem, Polymers4Hydrogen projekt, ECCM20, 2022. június.
A láncra kapcsolt rendszer megvalósításához a csapat egy új koncepciót dolgozott ki, amely négy fő lépésből áll, amint az fentebb látható. A lépcsőkön feketével látható feszítőrugók egy előre gyártott vázszerkezet, amelyet a MAI Skelett projektből vett módszerekkel gyártottak. Ehhez a projekthez a BMW egy szélvédőkeret „vázat” fejlesztett ki négy szálerősítésű pultrúziós rúd felhasználásával, amelyeket aztán műanyag keretté öntöttek.
Egy kísérleti kocka alakú tartály váza. Hatszögletű vázszelvények, TUM által 3D nyomtatással, erősítetlen PLA filamenttel (felül), CF/PA6 pultrúziós rudak behelyezésével feszítőmerevítőként (középen), majd a filament feltekerésével a merevítők köré (alul). Kép forrása: Müncheni Műszaki Egyetem (LCC).
„Az ötlet az, hogy egy kocka alakú tartály vázát moduláris szerkezetként lehet megépíteni” – mondta Glace. „Ezeket a modulokat ezután egy formázószerszámba helyezik, a feszítőrugókat a keretmodulokba helyezik, majd a MAI Skelett módszerét alkalmazzák a rugók körül, hogy integrálják őket a keretalkatrészekkel.” tömeggyártási módszerrel, aminek eredményeként egy olyan szerkezet jön létre, amelyet aztán tüskeként vagy magként használnak a tárolótartály kompozit héjának beburkolásához.
A TUM a tartálykeretet kocka alakú „párnáként” tervezte, tömör oldalakkal, lekerekített sarkokkal és hatszögletű mintázattal a tetején és alján, amelyen keresztül rögzítőelemek helyezhetők be és rögzíthetők. Ezeknek az állványoknak a furatait is 3D nyomtatással készítettük. „A kezdeti kísérleti tartályunkhoz hatszögletű keretszakaszokat nyomtattunk 3D nyomtatással polilaktid [PLA, egy bioalapú hőre lágyuló műanyag] felhasználásával, mert ez egyszerű és olcsó volt” – mondta Glace.
A csapat 68 db pultrudált szénszállal erősített poliamid 6 (PA6) rudat vásárolt az SGL Carbontól (Meitingen, Németország) összekötőként való használatra. „A koncepció teszteléséhez nem végeztünk semmilyen öntést” – mondja Gleiss –, „hanem egyszerűen távtartókat helyeztünk egy 3D nyomtatott méhsejt magkeretbe, és epoxi ragasztóval összeragasztottuk őket. Ez aztán tüskét biztosít a tartály feltekercseléséhez.” Megjegyzi, hogy bár ezeket a rudakat viszonylag könnyű feltekerni, vannak néhány jelentős problémák, amelyeket később ismertetünk.
„Az első szakaszban a célunk a terv gyárthatóságának bemutatása és a gyártási koncepció problémáinak azonosítása volt” – magyarázta Gleiss. „Tehát a feszítőrugók kiállnak a vázszerkezet külső felületéből, és nedves száltekerccsel rögzítjük a szénszálakat ehhez a maghoz. Ezután a harmadik lépésben meghajlítjuk az egyes összekötőrudak fejét. Hőre lágyuló műanyag, tehát csak hővel alakítjuk át a fejet, hogy ellaposodjon és rögzüljön az első csomagolási rétegbe. Ezután ismét becsomagoljuk a szerkezetet úgy, hogy a lapos nyomófej geometriailag a tartály belsejébe kerüljön. Laminátot helyezünk a falakra.”
Távtartó kupak a tekercseléshez. A TUM műanyag kupakokat használ a feszítőrudak végein, hogy megakadályozzák a szálak összegubancolódását az izzószál tekercselése során. Kép forrása: Müncheni Műszaki Egyetem (LCC).
Glace megismételte, hogy ez az első tartály a koncepció bizonyítása volt. „A 3D nyomtatás és a ragasztó használata csak a kezdeti teszteléshez történt, és képet adott néhány problémáról, amelyekkel találkoztunk. Például a tekercselés során a szálak beakadtak a feszítőrudak végeibe, ami száltörést és -károsodást okozott, és csökkentette a szál mennyiségét, hogy ezt ellensúlyozzuk. Néhány műanyag kupakot használtunk gyártási segédanyagként, amelyeket az első tekercselési lépés előtt helyeztünk az oszlopokra. Ezután, amikor a belső laminátumok elkészültek, eltávolítottuk ezeket a védőkupakokat, és a végső tekercselés előtt átalakítottuk az oszlopok végeit.”
A csapat különféle rekonstrukciós forgatókönyvekkel kísérletezett. „Azok dolgoznak a legjobban, akik körülnéznek” – mondja Grace. „Emellett a prototípus-készítési fázisban egy módosított hegesztőszerszámot használtunk a hő alkalmazásához és a kormányösszekötő rúdvégek átalakításához. Egy tömeggyártási koncepcióban egyetlen nagyobb szerszámmal lehetne egyszerre formázni a rugóstagok összes végét belső bevonatú laminátummá.”
Átalakított vonórúdfejek. A TUM különböző koncepciókkal kísérletezett, és módosította a hegesztéseket, hogy a kompozit kötőelemek végeit a tartályfal laminátumához való rögzítéshez igazítsa. Kép forrása: „Gyártási folyamat fejlesztése merevítővel ellátott köbös nyomástartó edényekhez”, Müncheni Műszaki Egyetem, Polymers4Hydrogen projekt, ECCM20, 2022. június.
Így a laminátumot az első tekercselési lépés után kikeményítik, az oszlopokat újraformázzák, a TUM befejezi a szálak második tekercselését, majd a külső tartályfal laminátumát másodszor is kikeményítik. Felhívjuk figyelmét, hogy ez egy 5-ös típusú tartálykialakítás, ami azt jelenti, hogy nincs műanyag bélés gázzáróként. Lásd a lenti „Következő lépések” című részt.
„Az első demót keresztmetszetekre vágtuk, és feltérképeztük a kapcsolódó területet” – mondta Glace. „A közeli képen látható, hogy voltak minőségi problémáink a laminátummal, a támasztófejek nem feküdtek síkban a belső laminátumon.”
A tartály belső és külső falának laminátuma közötti résekkel kapcsolatos problémák megoldása. A módosított összekötőrúdfej rést hoz létre a kísérleti tartály első és második menete között. Kép forrása: Müncheni Műszaki Egyetem (LCC).
Ez a kezdeti, 450 x 290 x 80 mm-es tartály tavaly nyáron készült el. „Azóta sokat haladtunk előre, de még mindig van egy rés a belső és a külső laminátum között” – mondta Glace. „Ezért megpróbáltuk ezeket a réseket egy tiszta, nagy viszkozitású gyantával kitölteni. Ez valójában javítja a csapok és a laminátum közötti kapcsolatot, ami nagymértékben növeli a mechanikai igénybevételt.”
A csapat továbbfejlesztette a tartály tervét és folyamatát, beleértve a kívánt tekercselési mintázat megoldásait is. „A teszttartály oldalai nem voltak teljesen feltekerve, mert nehéz volt ennél a geometriánál tekercselési utat létrehozni” – magyarázta Glace. „A kezdeti tekercselési szögünk 75° volt, de tudtuk, hogy több áramkörre van szükség a nyomástartó edény terhelésének kielégítéséhez. Még mindig keresünk megoldást erre a problémára, de a jelenleg piacon lévő szoftverrel ez nem könnyű. Lehet, hogy ez egy további projekt lesz.”
„Bebizonyítottuk ennek a gyártási koncepciónak a megvalósíthatóságát” – mondja Gleiss –, „de tovább kell dolgoznunk a laminátum közötti csatlakozás javításán és a húzórudak átalakításán. Külső tesztelés egy tesztgépen. Kihúzzuk a távtartókat a laminátumból, és teszteljük a mechanikai terheléseket, amelyeket ezek az illesztések elbírnak.”
A Polymers4Hydrogen projekt ezen része 2023 végén fejeződik be, addigra Gleis reményei szerint elkészül a második demonstrációs tartály. Érdekes módon a mai tervek erősített hőre lágyuló műanyagokat használnak a keretben, és hőre keményedő kompozitokat a tartályfalakban. Vajon ezt a hibrid megközelítést fogják alkalmazni a végső demonstrációs tartályban is? „Igen” – mondta Grace. „A Polymers4Hydrogen projektben partnereink epoxigyantákat és más, jobb hidrogénzáró tulajdonságokkal rendelkező kompozit mátrixanyagokat fejlesztenek.” Felsorolja a munkán részt vevő két partnert, a PCCL-t és a Tamperei Egyetemet (Tampere, Finnország).
Gleiss és csapata Jaegerrel is cserélt információkat és megvitatta az LCC konform kompozit tartályból származó második HyDDen projekttel kapcsolatos ötleteket.
„Egy konform kompozit nyomástartó edényt fogunk gyártani kutatódrónokhoz” – mondja Jaeger. „Ez a TUM Repülőgép- és Geodéziai Tanszékének két részlege – az LCC és a Helikoptertechnikai Tanszék (HT) – együttműködésének eredménye. A projekt 2024 végére fejeződik be, és jelenleg a nyomástartó edényt fejlesztjük. Ez a terv inkább a repülőgépipar és az autóipar megközelítését tükrözi. Ezt a kezdeti koncepciófázist követően a következő lépés a részletes szerkezeti modellezés elvégzése és a falszerkezet záróképességének előrejelzése.”
„Az egész ötlet egy hibrid üzemanyagcellás és akkumulátoros meghajtású, kutató drón kifejlesztése” – folytatta. Nagy teljesítményű terhelések (azaz felszállás és leszállás) során az akkumulátort fogja használni, majd könnyű terhelés alatt átvált az üzemanyagcellára. „A HT csapatnak már volt egy kutatódrónja, és áttervezték a hajtásláncot, hogy akkumulátorokat és üzemanyagcellákat is használhasson” – mondta Yeager. „Vásároltak egy CGH2 tartályt is, hogy teszteljék ezt a sebességváltót.”
„A csapatom feladata egy olyan nyomáspalack prototípus építése volt, amely illeszkedik, de nem a hengeres palackok csomagolási problémái miatt” – magyarázza. „Egy laposabb palack nem nyújt akkora légellenállást. Így jobb repülési teljesítményt ér el.” A palack méretei kb. 830 x 350 x 173 mm.
Teljesen hőre lágyuló, AFP-kompatibilis tartály. A HyDDen projekthez a TUM LCC csapata kezdetben a Glace által alkalmazotthoz hasonló megközelítést vizsgált (fent), de később több szerkezeti modul kombinációjára váltott, amelyeket aztán túlzott mértékben AFP-vel (lent) használtak. Kép forrása: Müncheni Műszaki Egyetem LCC.
„Az egyik ötlet hasonló Elisabeth [Gleiss] megközelítéséhez” – mondja Yager –, „hogy feszítőmerevítőket alkalmazzunk az edény falán a nagy hajlítóerők kompenzálására. A tartály gyártásához azonban a tekercselési eljárás helyett AFP-t használunk. Ezért arra gondoltunk, hogy a nyomástartó edény egy különálló szakaszát hozzuk létre, amelyben az állványok már integrálva vannak. Ez a megközelítés lehetővé tette számomra, hogy ezeket az integrált modulokat több darabbal kombináljam, majd egy zárósapkával mindent lezárjak az AFP végső tekercselése előtt.”
„Megpróbálunk véglegesíteni egy ilyen koncepciót” – folytatta –, „és elkezdjük az anyagok kiválasztásának tesztelését is, ami nagyon fontos a H2 gáz behatolásával szembeni szükséges ellenállás biztosítása érdekében. Ehhez főként hőre lágyuló anyagokat használunk, és azon dolgozunk, hogy az anyag hogyan befolyásolja ezt az áthatolási viselkedést és a feldolgozást az AFP gépben. Fontos megérteni, hogy a kezelésnek lesz-e hatása, és hogy szükség van-e bármilyen utófeldolgozásra. Azt is szeretnénk tudni, hogy a különböző rétegek befolyásolják-e a hidrogén áthatolását a nyomástartó edényen keresztül.”
A tartály teljes egészében hőre lágyuló műanyagból készül, a csíkokat pedig a Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Németország) szállítja. „PPS [polifenilén-szulfid], PEEK [poliéter-keton] és LM PAEK [alacsony olvadáspontú poliaril-keton] anyagaikat fogjuk használni” – mondta Yager. „Ezután összehasonlításokat végzünk, hogy kiderüljön, melyik a legjobb a behatolásvédelemhez és a jobb teljesítményű alkatrészek előállításához.” Reméli, hogy a tesztelést, a szerkezeti és folyamatmodellezést, valamint az első bemutatókat a következő évben befejezheti.
A kutatómunkát a Szövetségi Éghajlatváltozási, Környezetvédelmi, Energiaügyi, Mobilitási, Innovációs és Technológiai Minisztérium, valamint a Szövetségi Digitális Technológiai és Gazdasági Minisztérium COMET programjának keretében a „Polymers4Hydrogen” (azonosító: 21647053) COMET modul keretében végezték. A szerzők köszönetet mondanak a részt vevő partnereknek: a Polymer Competence Center Leoben GmbH-nak (PCCL, Ausztria), a Montanuniversitaet Leobennek (Polimermérnöki és Tudományos Kar, Polimer Anyagok Kémiai Tanszéke, Anyagtudományi és Polimervizsgálati Tanszék), a Tamperei Egyetemnek (Mérnöki Anyagtudományi Kar), a Peak Technologynak és a Faurecia-nak, amelyek hozzájárultak ehhez a kutatómunkához. A COMET-modult az osztrák kormány és a stájerországi tartomány kormánya finanszírozza.
A teherhordó szerkezetekhez előerősített lemezek folytonos szálakat tartalmaznak – nemcsak üvegből, hanem szénből és aramidból is.
Számos módja van a kompozit alkatrészek előállításának. Ezért egy adott alkatrészhez a módszer megválasztása az anyagtól, az alkatrész kialakításától és a végfelhasználástól vagy alkalmazástól függ. Íme egy kiválasztási útmutató.
A Shocker Composites és az R&M International egy újrahasznosított szénszálas ellátási láncot fejleszt, amely nulla vágást biztosít, alacsonyabb költségekkel jár, mint a szűzszál, és végül olyan hosszúságokat kínál majd, amelyek szerkezeti tulajdonságaiban megközelítik a folytonos szálat.
Közzététel ideje: 2023. márc. 15.