I serbatoi standard a piattaforma piatta per BEV e FCEV utilizzano compositi termoplastici e termoindurenti con una struttura a scheletro che fornisce il 25% in più di stoccaggio di H2.#tendenze #idrogeno
Dopo che una collaborazione con BMW ha dimostrato che un serbatoio cubico potrebbe fornire un'efficienza volumetrica maggiore rispetto a più piccoli cilindri, l'Università tecnica di Monaco ha intrapreso un progetto per sviluppare una struttura composita e un processo di produzione scalabile per la produzione in serie.Credito immagine: TU Dresden (in alto) a sinistra), Università tecnica di Monaco, Dipartimento di compositi di carbonio (LCC)
I veicoli elettrici a celle a combustibile (FCEV) alimentati a idrogeno a emissioni zero (H2) forniscono ulteriori mezzi per raggiungere obiettivi ambientali pari a zero.Un'autovettura a celle a combustibile con motore H2 può essere rifornita in 5-7 minuti e ha un'autonomia di 500 km, ma attualmente è più costosa a causa dei bassi volumi di produzione.Un modo per ridurre i costi è utilizzare una piattaforma standard per i modelli BEV e FCEV.Questo al momento non è possibile perché i serbatoi cilindrici di Tipo 4 utilizzati per lo stoccaggio di gas H2 compresso (CGH2) a 700 bar nei FCEV non sono adatti per i vani batteria sottoscocca che sono stati accuratamente progettati per i veicoli elettrici.Tuttavia, i recipienti a pressione sotto forma di cuscini e cubi possono adattarsi a questo spazio di imballaggio piatto.
Brevetto US5577630A per “Composite Conformal Pressure Vessel”, domanda depositata da Thiokol Corp. nel 1995 (a sinistra) e recipiente a pressione rettangolare brevettato da BMW nel 2009 (a destra).
Il Dipartimento di compositi di carbonio (LCC) dell'Università tecnica di Monaco (TUM, Monaco, Germania) è coinvolto in due progetti per sviluppare questo concetto.Il primo è Polymers4Hydrogen (P4H), guidato dal Leoben Polymer Competence Center (PCCL, Leoben, Austria).Il pacchetto di lavoro LCC è guidato dalla Fellow Elizabeth Glace.
Il secondo progetto è Hydrogen Demonstration and Development Environment (HyDDen), dove LCC è guidato dal ricercatore Christian Jaeger.Entrambi mirano a creare una dimostrazione su larga scala del processo di produzione per realizzare un serbatoio CGH2 adatto utilizzando compositi in fibra di carbonio.
L'efficienza volumetrica è limitata quando i cilindri di piccolo diametro sono installati in celle di batteria piatte (a sinistra) e recipienti a pressione cubici di tipo 2 realizzati con rivestimenti in acciaio e un guscio esterno composito in fibra di carbonio/epossidico (a destra).Fonte immagine: le figure 3 e 6 sono tratte da "Approccio progettuale numerico per recipienti a pressione di tipo II con gambe a tensione interna" di Ruf e Zaremba et al.
P4H ha fabbricato un serbatoio cubico sperimentale che utilizza un telaio termoplastico con cinghie/montanti compositi avvolti in resina epossidica rinforzata con fibra di carbonio.HyDDen utilizzerà un design simile, ma utilizzerà il layup automatico delle fibre (AFP) per produrre tutti i serbatoi compositi termoplastici.
Da una domanda di brevetto di Thiokol Corp. a “Composite Conformal Pressure Vessel” nel 1995 al brevetto tedesco DE19749950C2 nel 1997, i recipienti per gas compressi “possono avere qualsiasi configurazione geometrica”, ma soprattutto forme piatte e irregolari, in una cavità collegata al supporto del guscio .gli elementi sono utilizzati in modo che possano resistere alla forza di espansione del gas.
Un articolo del 2006 del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) descrive tre approcci: un recipiente a pressione conforme a filamento avvolto, un recipiente a pressione a microreticolo contenente una struttura reticolare ortorombica interna (piccole celle di 2 cm o meno), circondato da un contenitore di H2 a pareti sottili, e un contenitore replicatore, costituito da una struttura interna costituita da piccole parti incollate (ad es. anelli di plastica esagonali) e da una composizione di sottile rivestimento esterno del guscio.I contenitori duplicati sono più adatti per contenitori più grandi in cui i metodi tradizionali possono essere difficili da applicare.
Il brevetto DE102009057170A depositato da Volkswagen nel 2009 descrive un recipiente a pressione montato su un veicolo che fornirà un'elevata efficienza di peso migliorando al tempo stesso l'utilizzo dello spazio.I serbatoi rettangolari utilizzano connettori di tensione tra due pareti opposte rettangolari e gli angoli sono arrotondati.
I concetti di cui sopra e altri sono citati da Gleiss nel documento "Process Development for Cubic Pressure Vessels with Stretch Bars" di Gleiss et al.all'ECCM20 (26-30 giugno 2022, Losanna, Svizzera).In questo articolo, cita uno studio TUM pubblicato da Michael Roof e Sven Zaremba, che ha scoperto che un recipiente a pressione cubico con puntoni di tensione che collegano i lati rettangolari è più efficiente di diversi piccoli cilindri che si inseriscono nello spazio di una batteria scarica, fornendo circa 25 % Di più.spazio di archiviazione.
Secondo Gleiss, il problema con l'installazione di un gran numero di piccole bombole di tipo 4 in una custodia piatta è che “il volume tra le bombole è notevolmente ridotto e il sistema ha anche una superficie di permeazione del gas H2 molto ampia.Nel complesso, il sistema offre una capacità di stoccaggio inferiore rispetto ai barattoli cubici".
Tuttavia, ci sono altri problemi con il design cubico del serbatoio."Ovviamente, a causa del gas compresso, è necessario contrastare le forze di flessione sulle pareti piatte", ha detto Gleiss.“Per questo serve una struttura rinforzata che si colleghi internamente alle pareti del serbatoio.Ma è difficile da fare con i compositi.
Glace e il suo team hanno cercato di incorporare barre di tensione di rinforzo nel recipiente a pressione in un modo adatto al processo di avvolgimento del filamento."Questo è importante per la produzione di grandi volumi", spiega, "e ci consente anche di progettare il modello di avvolgimento delle pareti del contenitore per ottimizzare l'orientamento delle fibre per ogni carico nella zona".
Quattro passaggi per realizzare un serbatoio composito cubico di prova per il progetto P4H.Credito immagine: "Sviluppo di un processo di produzione per recipienti a pressione cubici con rinforzo", Università tecnica di Monaco, progetto Polymers4Hydrogen, ECCM20, giugno 2022.
Per ottenere on-chain, il team ha sviluppato un nuovo concetto costituito da quattro fasi principali, come mostrato sopra.I tiranti, mostrati in nero sui gradini, sono una struttura a telaio prefabbricata fabbricata utilizzando metodi tratti dal progetto MAI Skelett.Per questo progetto, BMW ha sviluppato una "struttura" del telaio del parabrezza utilizzando quattro aste di pultrusione rinforzate con fibre, che sono state poi stampate in un telaio di plastica.
Il telaio di un serbatoio cubico sperimentale.Sezioni scheletriche esagonali stampate in 3D da TUM utilizzando filamenti PLA non rinforzati (in alto), inserendo aste di pultrusione CF/PA6 come controventi (al centro) e quindi avvolgendo il filamento attorno ai controventi (in basso).Credito immagine: Università tecnica di Monaco LCC.
"L'idea è che puoi costruire il telaio di un serbatoio cubico come una struttura modulare", ha detto Glace."Questi moduli vengono quindi posizionati in uno strumento di stampaggio, i montanti di tensione vengono posizionati nei moduli del telaio, quindi il metodo di MAI Skelett viene utilizzato attorno ai montanti per integrarli con le parti del telaio".metodo di produzione di massa, risultante in una struttura che viene poi utilizzata come mandrino o nucleo per avvolgere il guscio composito del serbatoio di stoccaggio.
TUM ha progettato il telaio del serbatoio come un "cuscino" cubico con lati solidi, angoli arrotondati e un motivo esagonale sulla parte superiore e inferiore attraverso il quale è possibile inserire e fissare le fascette.Anche i fori per questi rack sono stati stampati in 3D.“Per il nostro serbatoio sperimentale iniziale, abbiamo stampato in 3D sezioni di telaio esagonale utilizzando acido polilattico [PLA, una termoplastica a base biologica] perché era facile ed economico”, ha affermato Glace.
Il team ha acquistato 68 aste pultruse in poliammide 6 (PA6) rinforzate con fibra di carbonio da SGL Carbon (Meitingen, Germania) da utilizzare come tiranti.“Per testare il concetto, non abbiamo eseguito alcuno stampaggio”, afferma Gleiss, “ma abbiamo semplicemente inserito i distanziatori in un telaio con anima a nido d'ape stampato in 3D e li abbiamo incollati con colla epossidica.Questo fornisce quindi un mandrino per avvolgere il serbatoio.Nota che sebbene queste canne siano relativamente facili da avvolgere, ci sono alcuni problemi significativi che verranno descritti in seguito.
"Nella prima fase, il nostro obiettivo era dimostrare la producibilità del progetto e identificare i problemi nel concetto di produzione", ha spiegato Gleiss.“Quindi i montanti di tensione sporgono dalla superficie esterna della struttura scheletrica e fissiamo le fibre di carbonio a questo nucleo utilizzando l'avvolgimento di filamenti bagnati.Dopodiché, nel terzo passaggio, pieghiamo la testa di ciascun tirante.termoplastico, quindi usiamo solo il calore per rimodellare la testa in modo che si appiattisca e si blocchi nel primo strato di avvolgimento.Si procede quindi ad avvolgere nuovamente la struttura in modo che la testa di spinta piana sia racchiusa geometricamente all'interno della vasca.laminato sulle pareti.
Tappo distanziale per avvolgimento.TUM utilizza cappucci di plastica alle estremità dei tiranti per evitare che le fibre si aggroviglino durante l'avvolgimento del filamento.Credito immagine: Università tecnica di Monaco LCC.
Glace ha ribadito che questo primo carro armato era una prova del concetto.“L'uso della stampa 3D e della colla è stato solo per i test iniziali e ci ha dato un'idea di alcuni dei problemi che abbiamo riscontrato.Ad esempio, durante l'avvolgimento, i filamenti sono stati catturati dalle estremità delle barre di tensione, provocando la rottura della fibra, il danneggiamento della fibra e riducendo la quantità di fibra per contrastare ciò.abbiamo utilizzato alcuni cappucci di plastica come ausili per la lavorazione che sono stati posizionati sui pali prima della prima fase di avvolgimento. Poi, quando sono stati realizzati i laminati interni, abbiamo rimosso questi cappucci protettivi e rimodellato le estremità dei pali prima dell'avvolgimento finale.
Il team ha sperimentato vari scenari di ricostruzione."Chi si guarda intorno lavora meglio", dice Grace.“Inoltre, durante la fase di prototipazione, abbiamo utilizzato uno strumento di saldatura modificato per applicare il calore e rimodellare le estremità dei tiranti.In un concetto di produzione di massa, avresti uno strumento più grande in grado di modellare e formare contemporaneamente tutte le estremità dei montanti in un laminato di finitura interna.."
Teste del timone rimodellate.TUM ha sperimentato diversi concetti e ha modificato le saldature per allineare le estremità dei tiranti compositi per il fissaggio al laminato della parete del serbatoio.Credito immagine: "Sviluppo di un processo di produzione per recipienti a pressione cubici con rinforzo", Università tecnica di Monaco, progetto Polymers4Hydrogen, ECCM20, giugno 2022.
Pertanto, il laminato viene indurito dopo la prima fase di avvolgimento, i montanti vengono rimodellati, il TUM completa il secondo avvolgimento dei filamenti e quindi il laminato della parete esterna del serbatoio viene indurito una seconda volta.Si prega di notare che si tratta di un design del serbatoio di tipo 5, il che significa che non ha un rivestimento in plastica come barriera ai gas.Vedere la discussione nella sezione Passaggi successivi di seguito.
"Abbiamo tagliato la prima demo in sezioni trasversali e mappato l'area collegata", ha detto Glace."Un primo piano mostra che abbiamo avuto alcuni problemi di qualità con il laminato, con le teste dei montanti che non erano distese sul laminato interno".
Risoluzione dei problemi con gli spazi tra il laminato delle pareti interne ed esterne del serbatoio.La testa del tirante modificata crea uno spazio tra il primo e il secondo giro del serbatoio sperimentale.Credito immagine: Università tecnica di Monaco LCC.
Questo serbatoio iniziale di 450 x 290 x 80 mm è stato completato la scorsa estate."Da allora abbiamo fatto molti progressi, ma c'è ancora un divario tra il laminato interno ed esterno", ha affermato Glace.“Quindi abbiamo cercato di colmare queste lacune con una resina pulita e ad alta viscosità.Questo migliora effettivamente la connessione tra le borchie e il laminato, il che aumenta notevolmente lo stress meccanico.
Il team ha continuato a sviluppare il design e il processo del serbatoio, comprese le soluzioni per il modello di avvolgimento desiderato."I lati del serbatoio di prova non erano completamente arricciati perché era difficile per questa geometria creare un percorso tortuoso", ha spiegato Glace.“Il nostro angolo di avvolgimento iniziale era di 75°, ma sapevamo che erano necessari più circuiti per soddisfare il carico in questo recipiente a pressione.Stiamo ancora cercando una soluzione a questo problema, ma non è facile con i software attualmente in commercio.Potrebbe diventare un progetto successivo.
“Abbiamo dimostrato la fattibilità di questo concetto di produzione”, afferma Gleiss, “ma dobbiamo lavorare ulteriormente per migliorare la connessione tra il laminato e rimodellare i tiranti.“Test esterni su una macchina di prova.Si estraggono i distanziatori dal laminato e si testano i carichi meccanici che queste giunture possono sopportare”.
Questa parte del progetto Polymers4Hydrogen sarà completata alla fine del 2023, quando Gleis spera di completare il secondo serbatoio dimostrativo.È interessante notare che i progetti odierni utilizzano materiali termoplastici rinforzati ordinati nel telaio e compositi termoindurenti nelle pareti del serbatoio.Questo approccio ibrido verrà utilizzato nella vasca dimostrativa finale?«Sì», disse Grace.«I nostri partner del progetto Polymers4Hydrogen stanno sviluppando resine epossidiche e altri materiali a matrice composita con migliori proprietà di barriera all'idrogeno».Elenca due partner che lavorano a questo lavoro, PCCL e l'Università di Tampere (Tampere, Finlandia).
Gleiss e il suo team hanno anche scambiato informazioni e discusso idee con Jaeger sul secondo progetto HyDDen dal serbatoio composito conforme LCC.
"Produrremo un recipiente a pressione composito conforme per i droni di ricerca", afferma Jaeger.“Si tratta di una collaborazione tra i due dipartimenti del Dipartimento aerospaziale e geodetico di TUM – LCC e il Dipartimento di tecnologia elicotteristica (HT).Il progetto sarà completato entro la fine del 2024 e stiamo attualmente completando il recipiente a pressione.un design che è più di un approccio aerospaziale e automobilistico.Dopo questa fase concettuale iniziale, il passaggio successivo consiste nell'eseguire una modellazione strutturale dettagliata e prevedere le prestazioni di barriera della struttura del muro.
"L'idea è di sviluppare un drone esplorativo con una cella a combustibile ibrida e un sistema di propulsione a batteria", ha continuato.Utilizzerà la batteria durante i carichi ad alta potenza (cioè decollo e atterraggio) e poi passerà alla cella a combustibile durante la navigazione con carico leggero."Il team HT aveva già un drone di ricerca e ha ridisegnato il propulsore per utilizzare sia batterie che celle a combustibile", ha detto Yeager."Hanno anche acquistato un serbatoio CGH2 per testare questa trasmissione."
"Il mio team aveva il compito di costruire un prototipo di serbatoio a pressione che si adattasse, ma non a causa dei problemi di imballaggio che un serbatoio cilindrico creerebbe", spiega.“Un serbatoio più piatto non offre la stessa resistenza al vento.Quindi ottieni migliori prestazioni di volo.Dimensioni vasca ca.830 x 350 x 173 mm.
Serbatoio conforme AFP completamente termoplastico.Per il progetto HyDDen, il team LCC di TUM ha inizialmente esplorato un approccio simile a quello utilizzato da Glace (sopra), ma poi è passato a un approccio che utilizza una combinazione di diversi moduli strutturali, che sono stati poi abusati utilizzando AFP (sotto).Credito immagine: Università tecnica di Monaco LCC.
“Un'idea è simile all'approccio di Elisabeth [Gleiss]”, dice Yager, “per applicare tutori di tensione alla parete del vaso per compensare le elevate forze di flessione.Tuttavia, invece di utilizzare un processo di avvolgimento per realizzare il serbatoio, utilizziamo AFP.Pertanto, abbiamo pensato di creare una sezione separata del recipiente a pressione, in cui i rack sono già integrati.Questo approccio mi ha permesso di combinare diversi di questi moduli integrati e quindi applicare un tappo terminale per sigillare il tutto prima dell'avvolgimento finale dell'AFP".
“Stiamo cercando di finalizzare un tale concetto”, ha continuato, “e iniziamo anche a testare la selezione dei materiali, che è molto importante per garantire la necessaria resistenza alla penetrazione del gas H2.Per questo, utilizziamo principalmente materiali termoplastici e stiamo lavorando su vari modi in cui il materiale influenzerà questo comportamento di permeazione e lavorazione nella macchina AFP.È importante capire se il trattamento avrà effetto e se è necessaria una post-elaborazione.Vogliamo anche sapere se diversi stack influenzeranno la permeazione dell'idrogeno attraverso il recipiente a pressione.
Il serbatoio sarà interamente realizzato in materiale termoplastico e le strisce saranno fornite da Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Germania)."Useremo i loro materiali PPS [polifenilensolfuro], PEEK [polietere chetone] e LM PAEK [poliarilchetone a basso punto di fusione]", ha affermato Yager."Quindi vengono fatti confronti per vedere quale sia il migliore per la protezione dalla penetrazione e per produrre parti con prestazioni migliori".Spera di completare i test, la modellazione strutturale e di processo e le prime dimostrazioni entro il prossimo anno.
Il lavoro di ricerca è stato svolto nell'ambito del modulo COMET "Polymers4Hydrogen" (ID 21647053) all'interno del programma COMET del Ministero federale per i cambiamenti climatici, l'ambiente, l'energia, la mobilità, l'innovazione e la tecnologia e il Ministero federale per la tecnologia digitale e l'economia..Gli autori ringraziano i partner partecipanti Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL, Austria), Montanuniversitaet Leoben (Faculty of Polymer Engineering and Science, Department of Chemistry of Polymer Materials, Department of Materials Science and Polymer Testing), University of Tampere (Faculty of Engineering materiali).) Science), Peak Technology e Faurecia hanno contribuito a questo lavoro di ricerca.COMET-Modul è finanziato dal governo austriaco e dal governo dello stato della Stiria.
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Tempo di pubblicazione: 15 marzo 2023