BEV および FCEV 用の標準的なフラットプラットフォーム タンクは、25% 多くの H2 貯蔵を提供するスケルトン構造の熱可塑性および熱硬化性複合材料を使用しています。#水素 #トレンド
BMW との共同研究により、立方体タンクが複数の小さなシリンダーよりも高い体積効率を実現できることが示された後、ミュンヘン工科大学は、複合構造と連続生産のための拡張可能な製造プロセスを開発するプロジェクトに着手しました。画像クレジット: ドレスデン工科大学 (左上)、ミュンヘン工科大学、カーボン複合材料学科 (LCC)
ゼロエミッション (H2) 水素を燃料とする燃料電池電気自動車 (FCEV) は、ゼロ環境目標を達成するための追加手段を提供します。H2 エンジンを搭載した燃料電池乗用車は 5 ～ 7 分で燃料を充填でき、航続距離は 500 km ですが、生産量が少ないため現在は高価です。コストを削減する 1 つの方法は、BEV および FCEV モデルに標準プラットフォームを使用することです。FCEV で 700 bar の圧縮 H2 ガス (CGH2) を貯蔵するために使用されるタイプ 4 の円筒形タンクは、電気自動車用に慎重に設計された車体下部のバッテリー コンパートメントには適していないため、これは現在不可能です。ただし、ピローや立方体の形の圧力容器は、この平らな梱包スペースに収まります。
1995 年に Thiokol Corp. によって出願された「複合等角圧力容器」に関する特許 US5577630A (左) と、BMW が 2009 年に特許を取得した長方形の圧力容器 (右)。
ミュンヘン工科大学 (TUM、ミュンヘン、ドイツ) の炭素複合材料学科 (LCC) は、このコンセプトを開発する 2 つのプロジェクトに取り組んでいます。1 つ目は、Leoben Polymer Competence Center (PCCL、オーストリア、レオーベン) が主導する Polymers4Hydrogen (P4H) です。LCCの作業パッケージはフェローのエリザベス・グレース氏が主導する。
2 番目のプロジェクトは水素実証開発環境 (HyDDen) で、LCC は研究者のクリスチャン・イェーガー氏が率いています。どちらも、炭素繊維複合材料を使用して適切な CGH2 タンクを製造するための製造プロセスの大規模なデモンストレーションを作成することを目的としています。
小径シリンダーを平型バッテリーセル (左) や、スチールライナーとカーボンファイバー/エポキシ複合材の外殻で作られた立方体タイプ 2 の圧力容器 (右) に取り付けると、体積効率が制限されます。画像出典: 図 3 と図 6 は、Ruf および Zaremba らによる「Numerical Design Approach for Type II Pressure Box Vessel with Internal Tension Legs」からのものです。
P4H は、カーボンファイバー強化エポキシで包まれた複合テンションストラップ/ストラットを備えた熱可塑性フレームを使用した実験用キューブタンクを製作しました。HyDDen は同様の設計を使用しますが、すべての熱可塑性複合タンクの製造には自動ファイバーレイアップ (AFP) を使用します。
1995 年の Thiokol Corp. による「複合等角圧力容器」の特許出願から 1997 年のドイツ特許 DE19749950C2 まで、圧縮ガス容器は「あらゆる幾何学的形状を持つことができる」が、特にシェルサポートに接続されたキャビティ内の平らで不規則な形状が特徴的です。 。ガスの膨張力に耐えられるエレメントが使用されています。
2006 年のローレンス リバモア国立研究所 (LLNL) の論文では、3 つのアプローチが説明されています。フィラメント巻きのコンフォーマル圧力容器、薄壁の H2 コンテナで囲まれた内部斜方晶格子構造 (2 cm 以下の小さなセル) を含むマイクロ格子圧力容器、接着された小さな部品（例えば、六角形のプラスチックリング）と薄い外殻スキンの組成物からなる内部構造からなるレプリケーターコンテナ。複製コンテナは、従来の方法を適用することが難しい大型コンテナに最適です。
2009 年にフォルクスワーゲンによって出願された特許 DE102009057170A には、スペース利用率を向上させながら高い重量効率を提供する車両搭載圧力容器が記載されています。長方形タンクは、2 つの長方形の向かい合う壁の間にテンション コネクタを使用し、角は丸くなっています。
上記およびその他の概念は、Gleiss らの論文「ストレッチ バーを備えた立方圧力容器のプロセス開発」で Gleiss によって引用されています。ECCM20（2022年6月26～30日、スイス、ローザンヌ）にて。この記事で彼女は、Michael Roof と Sven Zaremba が発表した TUM 研究を引用しています。この研究では、長方形の側面を接続する張力支柱を備えた立方体の圧力容器の方が、扁平電池のスペースに収まるいくつかの小さなシリンダーよりも効率的であり、約 25 個の圧力容器を提供できることがわかりました。 ％ もっと。収納スペース。
グライス氏によれば、平らなケースに多数の小型 4 型シリンダーを設置する場合の問題は、「シリンダー間の容積が大幅に減少し、システムの H2 ガス透過表面積も非常に大きくなる」ことです。全体として、このシステムは立方体の瓶よりも保管容量が少なくなります。」
ただし、タンクの立方体設計には別の問題もあります。「圧縮ガスのせいで、平らな壁にかかる曲げ力に対抗する必要があるのは明らかです」とグライス氏は言う。「そのためには、タンクの壁に内部で接続する強化構造が必要です。しかし、複合材料ではそれが難しいのです。」
Glace と彼女のチームは、フィラメントワインディングプロセスに適した方法で、圧力容器に強化テンションバーを組み込むことを試みました。「これは大量生産にとって重要です」と彼女は説明します。「また、コンテナ壁の巻き取りパターンを設計して、ゾーン内の各積載物の繊維配向を最適化することもできます。」
P4H プロジェクト用の立方体複合タンクを試作するための 4 つのステップ。画像クレジット:「ブレース付き立方体圧力容器の製造プロセスの開発」、ミュンヘン工科大学、Polymers4Hydrogen プロジェクト、ECCM20、2022 年 6 月。
オンチェーンを実現するために、チームは上に示した 4 つの主要なステップで構成される新しいコンセプトを開発しました。ステップ上に黒色で示されているテンションストラットは、MAI Skelett プロジェクトから採用された方法を使用して製造されたプレハブフレーム構造です。このプロジェクトのために、BMW は 4 本の繊維強化引抜成形ロッドを使用してフロントガラス フレームの「フレームワーク」を開発し、プラスチック フレームに成形しました。
実験用立方体タンクのフレーム。非強化 PLA フィラメントを使用して TUM によって 3D プリントされた六角形の骨格セクション (上)、引張ブレースとして CF/PA6 引抜成形ロッドを挿入し (中)、ブレースの周りにフィラメントを巻き付けたもの (下)。画像クレジット: ミュンヘン工科大学 LCC。
「アイデアは、立方体タンクのフレームをモジュール構造として構築できるということです」と Glace 氏は言います。「これらのモジュールは成形ツールに配置され、テンションストラットがフレームモジュールに配置され、MAI Skelett の方法がストラットの周囲で使用され、フレーム部品と一体化されます。」大量生産方法により、貯蔵タンクの複合シェルを包むマンドレルまたはコアとして使用される構造が得られます。
TUM は、タンク フレームを立方体の「クッション」として設計し、側面がしっかりしていて角が丸く、上下にネクタイを挿入して取り付けることができる六角形のパターンを備えています。これらのラックの穴も 3D プリントされました。「最初の実験用タンクでは、簡単で安価だったので、ポリ乳酸（PLA、バイオベースの熱可塑性プラスチック）を使用して六角形のフレームセクションを 3D プリントしました」と Glace 氏は言います。
チームは、タイとして使用するために、SGL Carbon (ドイツ、マイティンゲン) から 68 本の引抜成形炭素繊維強化ポリアミド 6 (PA6) ロッドを購入しました。「コンセプトをテストするために、成形は一切行わず、単に 3D プリントしたハニカム コア フレームにスペーサーを挿入し、エポキシ接着剤で接着しただけです」と Gleiss 氏は言います。これにより、タンクを巻くためのマンドレルが提供されます。」彼女は、これらのロッドは比較的巻きやすいものの、後述する重大な問題がいくつかあると指摘しています。
「最初の段階での私たちの目標は、設計の製造可能性を実証し、製造コンセプトの問題を特定することでした」とグライス氏は説明しました。「したがって、テンションストラットは骨格構造の外面から突き出ており、湿式フィラメントワインディングを使用してこのコアにカーボンファイバーを取り付けます。その後、第 3 ステップで各タイロッドの頭を曲げます。熱可塑性プラスチックなので、熱を利用してヘッドの形状を変更し、平らにして最初のラッピング層に固定します。次に、平らなスラスト ヘッドがタンク内に幾何学的に囲まれるように、構造を再度包みます。壁にラミネートします。
巻き取り用スペーサーキャップ。TUM では、フィラメントワインディング中に繊維が絡まるのを防ぐために、テンション ロッドの端にプラスチック キャップを使用しています。画像クレジット: ミュンヘン工科大学 LCC。
Glace 氏は、この最初の戦車は概念実証であると繰り返しました。「3D プリントと接着剤の使用は初期テストのみであり、遭遇した問題のいくつかを知ることができました。たとえば、巻き取り中にフィラメントがテンションロッドの端に引っかかり、繊維の切れや繊維の損傷が発生し、これに対処するために繊維の量が減少しました。最初の巻き付けステップの前に、製造補助としていくつかのプラスチック キャップをポールに配置しました。その後、内部のラミネートが作成されたときに、これらの保護キャップを取り外し、最終的なラッピングの前にポールの端の形状を再形成しました。」
チームはさまざまな再建シナリオを実験しました。「周囲を見渡す人が最もよく仕事をします」とグレースは言います。「また、試作段階では、改良された溶接ツールを使用して熱を加え、タイロッドエンドの形状を再加工しました。大量生産のコンセプトでは、ストラットのすべての端を同時に成形して内装仕上げラミネートを形成できる 1 つの大きなツールが必要になります。。」
ドローバーヘッドの形状が変更されました。TUM はさまざまなコンセプトを実験し、タンク壁のラミネートに取り付けるための複合タイの端を揃えるために溶接を修正しました。画像クレジット:「ブレース付き立方体圧力容器の製造プロセスの開発」、ミュンヘン工科大学、Polymers4Hydrogen プロジェクト、ECCM20、2022 年 6 月。
したがって、最初の巻き付けステップの後に積層体が硬化され、ポストが再形成され、TUM がフィラメントの 2 回目の巻き付けを完了してから、タンク外壁積層体が 2 回目の硬化されます。これはタイプ 5 タンク設計であるため、ガスバリアとしてのプラスチックライナーがないことに注意してください。以下の「次のステップ」セクションの説明を参照してください。
「最初のデモを断面に切り出し、接続された領域をマッピングしました」と Glace 氏は言います。「詳しく見てみると、ストラットヘッドが内部ラミネート上で平らに配置されておらず、ラミネートに品質上の問題があったことがわかります。」
タンクの内壁と外壁のラミネート間の隙間の問題を解決します。改良されたタイロッドヘッドにより、実験タンクの 1 回目と 2 回目のターンの間にギャップが生じます。画像クレジット: ミュンヘン工科大学 LCC。
この最初の 450 x 290 x 80 mm 水槽は昨年の夏に完成しました。「それ以来、私たちは多くの進歩を遂げてきましたが、内装と外装のラミネートの間にはまだギャップがあります」とグレース氏は語った。「そこで私たちは、それらの隙間をきれいな高粘度の樹脂で埋めようとしました。これにより実際にスタッドとラミネート間の接続が改善され、機械的ストレスが大幅に増加します。」
チームは、望ましい巻線パターンのソリューションを含め、タンクの設計とプロセスの開発を続けました。「この形状では曲がりくねった経路を作るのが難しかったため、テストタンクの側面は完全にはカールしていませんでした」と Glace 氏は説明しました。「最初の巻線角度は 75°でしたが、この圧力容器内の負荷に対応するには複数の回路が必要であることがわかっていました。私たちはこの問題の解決策をまだ模索中ですが、現在市販されているソフトウェアではそれは簡単ではありません。後続のプロジェクトとなる可能性があります。
「私たちはこの生産コンセプトの実現可能性を実証しました」とグライス氏は言います。「しかし、ラミネート間の接続を改善し、タイロッドの形状を変えるためにさらに取り組む必要があります。「試験機による外部試験。ラミネートからスペーサーを引き抜き、それらの接合部が耐えられる機械的負荷をテストします。」
Polymers4Hydrogen プロジェクトのこの部分は 2023 年末に完了する予定で、それまでに Gleis は 2 番目の実証タンクを完成させたいと考えています。興味深いことに、今日の設計では、フレームにはきちんと強化された熱可塑性プラスチックが使用され、タンク壁には熱硬化性複合材料が使用されています。このハイブリッドアプローチは最終実証タンクでも使用されるのでしょうか?「はい」とグレースは言いました。「Polymers4Hydrogen プロジェクトの当社のパートナーは、より優れた水素バリア特性を備えたエポキシ樹脂やその他の複合マトリックス材料を開発しています。」彼女は、この研究に取り組んでいる 2 つのパートナー、PCCL とタンペレ大学 (フィンランド、タンペレ) を挙げています。
グライス氏と彼女のチームはまた、LCC コンフォーマル複合タンクからの 2 番目の HyDden プロジェクトについてイェーガー氏と情報交換し、アイデアについて議論しました。
「私たちは研究用ドローン用のコンフォーマル複合圧力容器を製造する予定です」とイェーガー氏は言う。「これは、TUMの航空宇宙・測地部門（LCC）とヘリコプター技術部門（HT）の2つの部門間のコラボレーションです。プロジェクトは2024年末までに完了する予定で、現在圧力容器の完成を進めています。航空宇宙や自動車のアプローチに近いデザインです。この最初のコンセプト段階の後の次のステップは、詳細な構造モデリングを実行し、壁構造のバリア性能を予測することです。」
「全体的なアイデアは、ハイブリッド燃料電池とバッテリー推進システムを備えた探査用ドローンを開発することです」と彼は続けました。高出力負荷（離陸と着陸）中はバッテリーを使用し、軽負荷の巡航中は燃料電池に切り替わります。「HTチームはすでに研究用ドローンを所有しており、バッテリーと燃料電池の両方を使用できるようにパワートレインを再設計しました」とイェーガー氏は語った。「彼らはこのトランスミッションをテストするために CGH2 タンクも購入しました。」
「私のチームは、適合する圧力タンクのプロトタイプを構築するという任務を負っていましたが、円筒形タンクではパッケージングの問題が発生するため、そうではありませんでした」と彼は説明します。「タンクが平らになると、風の抵抗が少なくなります。したがって、より優れた飛行性能が得られます。」タンク寸法約。830×350×173mm。
完全に熱可塑性の AFP 準拠タンク。HyDDen プロジェクトの場合、TUM の LCC チームは当初、Glace が使用したものと同様のアプローチ (上) を検討しましたが、その後、いくつかの構造モジュールを組み合わせたアプローチに移行し、AFP (下) を使用して過剰に使用されました。画像クレジット: ミュンヘン工科大学 LCC。
「1 つのアイデアはエリザベス [グライス] のアプローチに似ています」とイェーガー氏は言います。「高い曲げ力を補うために血管壁に張力ブレースを適用するというものです。ただし、タンクの製造にワインディングプロセスを使用する代わりに、AFP を使用します。そこで、ラックがすでに統合されている圧力容器の別のセクションを作成することを考えました。このアプローチにより、これらの統合モジュールをいくつか組み合わせて、最終的な AFP 巻線の前にエンド キャップを適用してすべてを密閉することができました。」
「私たちはそのようなコンセプトを完成させようとしているところです」と彼は続けた。「また、H2ガスの浸透に対する必要な耐性を確保するために非常に重要な材料の選択のテストも開始しています。このために、私たちは主に熱可塑性材料を使用し、その材料がこの浸透挙動と AFP 機械での処理にどのような影響を与えるかについてさまざまな研究を行っています。治療の効果があるかどうか、また後処理が必要かどうかを理解することが重要です。また、スタックの違いが圧力容器を通る水素の透過に影響を与えるかどうかも知りたいと考えています。」
タンクは完全に熱可塑性プラスチックで作られ、ストリップは帝人カーボンヨーロッパ GmbH (ヴッパータール、ドイツ) によって供給されます。「我々は同社のPPS（ポリフェニレンサルファイド）、PEEK（ポリエーテルケトン）、LM PAEK（低融点ポリアリールケトン）材料を使用する予定です」とYager氏は語った。「次に比較が行われ、どれが貫通保護に最適であり、より優れた性能の部品を製造できるかが判断されます。」同氏は、テスト、構造およびプロセスのモデリング、最初のデモンストレーションを来年中に完了したいと考えている。
この研究作業は、連邦気候変動、環境、エネルギー、モビリティ、イノベーションおよび技術省および連邦デジタル技術経済省の COMET プログラム内の COMET モジュール「Polymers4Hydrogen」(ID 21647053) 内で実施されました。。著者らは、参加パートナーであるPolymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL、オーストリア)、Montanuniversitaet Leoben (ポリマー工学科学学部、ポリマー材料化学学部、材料科学およびポリマー試験学部)、タンペレ大学 (工学部) に感謝します。材料）。) Science)、Peak Technology、および Faurecia がこの研究作業に貢献しました。COMET-Modul はオーストリア政府とシュタイアーマルク州政府から資金提供を受けています。
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投稿日時: 2023 年 3 月 15 日