Tangki platform datar standar kanggo BEV lan FCEV nggunakake komposit termoplastik lan termoset kanthi konstruksi kerangka sing nyedhiyakake panyimpenan H2 25% luwih akeh.#hidrogen #tren
Sawise kolaborasi karo BMW nuduhake yen tank kubik bisa ngasilake efisiensi volumetrik sing luwih dhuwur tinimbang pirang-pirang silinder cilik, Universitas Teknik Munich miwiti proyek ngembangake struktur komposit lan proses manufaktur sing bisa diukur kanggo produksi serial.Kredit gambar: TU Dresden (ndhuwur) kiwa), Universitas Teknik Munich, Departemen Komposit Karbon (LCC)
Kendaraan listrik sel bahan bakar (FCEV) kanthi hidrogen nol-emisi (H2) nyedhiyakake sarana tambahan kanggo nggayuh target lingkungan nol.Mobil penumpang sel bahan bakar kanthi mesin H2 bisa diisi sajrone 5-7 menit lan jarak tempuh 500 km, nanging saiki luwih larang amarga volume produksi sing sithik.Salah siji cara kanggo nyuda biaya yaiku nggunakake platform standar kanggo model BEV lan FCEV.Iki saiki ora bisa ditindakake amarga tank silinder Tipe 4 sing digunakake kanggo nyimpen gas H2 sing dikompres (CGH2) ing 700 bar ing FCEV ora cocog kanggo kompartemen baterei underbody sing wis dirancang kanthi ati-ati kanggo kendaraan listrik.Nanging, prau tekanan ing wangun bantal lan kubus bisa pas karo papan kemasan sing rata iki.
Paten US5577630A kanggo "Composite Conformal Pressure Vessel", aplikasi sing diajukake dening Thiokol Corp. ing 1995 (kiwa) lan prau tekanan persegi panjang sing dipatenake dening BMW ing 2009 (tengen).
Departemen Komposit Karbon (LCC) Universitas Teknik Munich (TUM, Munich, Jerman) melu rong proyek kanggo ngembangake konsep iki.Kapisan yaiku Polymers4Hydrogen (P4H), dipimpin dening Pusat Kompetensi Polimer Leoben (PCCL, Leoben, Austria).Paket kerja LCC dipimpin dening Fellow Elizabeth Glace.
Proyèk kapindho yaiku Hydrogen Demonstration and Development Environment (HyDDen), ing ngendi LCC dipimpin dening Peneliti Christian Jaeger.Loro-lorone tujuane nggawe demonstrasi skala gedhe babagan proses manufaktur kanggo nggawe tank CGH2 sing cocog nggunakake komposit serat karbon.
Ana efisiensi volumetrik winates nalika silinder diameter cilik dipasang ing sel baterei warata (kiwa) lan kubik jinis 2 prau meksa digawe saka liner baja lan serat karbon / epoxy cangkang njaba gabungan (tengen).Sumber Gambar: Gambar 3 lan 6 saka "Pendekatan Desain Numerik kanggo Kapal Kothak Tekanan Tipe II kanthi Kaki Tension Internal" dening Ruf lan Zaremba et al.
P4H wis nggawe tank kubus eksperimen sing nggunakake pigura termoplastik kanthi tali tension komposit / strut sing dibungkus nganggo epoksi sing diperkuat serat karbon.HyDDen bakal nggunakake desain sing padha, nanging bakal nggunakake layup serat otomatis (AFP) kanggo nggawe kabeh tank komposit termoplastik.
Saka aplikasi paten dening Thiokol Corp. menyang "Composite Conformal Pressure Vessel" ing taun 1995 nganti Paten Jerman DE19749950C2 ing taun 1997, prau gas sing dikompres "bisa uga duwe konfigurasi geometris", nanging utamane bentuk datar lan ora teratur, ing rongga sing disambungake menyang dhukungan cangkang. .unsur digunakake supaya padha bisa nahan pasukan expansion saka gas.
Makalah Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) taun 2006 nggambarake telung pendekatan: wadhah tekanan konformal tatu filamen, wadhah tekanan mikrolattice sing ngemot struktur kisi ortorombik internal (sel cilik 2 cm utawa kurang), diubengi wadhah H2 kanthi tembok tipis, lan wadhah replikator, dumadi saka struktur internal sing kasusun saka bagean cilik sing dilem (contone, dering plastik heksagonal) lan komposisi kulit cangkang njaba sing tipis.Wadah duplikat paling cocog kanggo wadhah sing luwih gedhe sing cara tradisional bisa uga angel ditrapake.
Paten DE102009057170A sing diajukake dening Volkswagen ing taun 2009 nggambarake prau tekanan sing dipasang ing kendaraan sing bakal nyedhiyakake efisiensi bobot dhuwur nalika nambah panggunaan ruang.Rectangular tank nggunakake konektor tension antarane rong tembok ngelawan persegi dowo, lan sudhut dibunderaké.
Konsep ing ndhuwur lan liyane dikutip dening Gleiss ing makalah "Proses Pembangunan kanggo Kapal Tekanan Kubik kanthi Bar Stretch" dening Gleiss et al.ing ECCM20 (26-30 Juni 2022, Lausanne, Swiss).Ing artikel iki, dheweke nyebutake studi TUM sing diterbitake dening Michael Roof lan Sven Zaremba, sing nemokake manawa wadhah tekanan kubik kanthi struts tension sing nyambungake sisi persegi dowo luwih efisien tinimbang sawetara silinder cilik sing pas karo ruang baterei sing rata, nyedhiyakake kira-kira 25 % luwih.papan panyimpenan.
Miturut Gleiss, masalah karo nginstal nomer gedhe saka jinis cilik 4 silinder ing cilik warata iku "volume antarane silinder wis suda banget lan sistem uga nduweni permukaan permeasi gas H2 gedhe banget.Sakabèhé, sistem kasebut nyedhiyakake kapasitas panyimpenan luwih sithik tinimbang kendi kubik.
Nanging, ana masalah liyane karo desain kubik tank."Temenan, amarga gas sing dikompres, sampeyan kudu nglawan pasukan mlengkung ing tembok sing rata," ujare Gleiss."Kanggo iki, sampeyan butuh struktur sing dikuatake sing nyambungake internal menyang tembok tank.Nanging sing angel ditindakake karo komposit.
Glace lan timnya nyoba nggabungake bar tension sing nguatake menyang wadhah tekanan kanthi cara sing cocog kanggo proses penggulungan filamen."Iki penting kanggo produksi volume dhuwur," dheweke nerangake, "lan uga ngidini kita ngrancang pola gulungan tembok wadhah kanggo ngoptimalake orientasi serat kanggo saben beban ing zona kasebut."
Papat langkah kanggo nggawe tank komposit kubik nyoba kanggo proyek P4H.Kredit gambar: "Pengembangan proses produksi kanggo kapal tekanan kubik kanthi brace", Universitas Teknik Munich, proyek Polymers4Hydrogen, ECCM20, Juni 2022.
Kanggo entuk on-chain, tim wis ngembangake konsep anyar sing dumadi saka papat langkah utama, kaya sing dituduhake ing ndhuwur.Struts tension, ditampilake ing ireng ing langkah-langkah, iku struktur pigura prefabricated fabricated nggunakake cara dijupuk saka project MAI Skelett.Kanggo proyek iki, BMW ngembangake "framework" pigura kaca ngarep nggunakake papat rod pultrusion sing dikuatake serat, sing banjur dicithak dadi pigura plastik.
Bingkai tangki kubik eksperimental.Bagean balung heksagonal 3D dicithak dening TUM nggunakake filamen PLA sing ora dikuatake (ndhuwur), nglebokake batang pultrusion CF / PA6 minangka penyangga tension (tengah) lan banjur mbungkus filamen ing penyangga (ngisor).Kredit gambar: Technical University of Munich LCC.
"Ide iki sampeyan bisa mbangun pigura tank kubik minangka struktur modular," ujare Glace."Modul iki banjur diselehake ing alat ngecor, struts tension diselehake ing modul pigura, lan banjur cara MAI Skelett digunakake watara struts kanggo nggabungake karo bagean pigura."cara produksi massal, asil ing struktur sing banjur digunakake minangka mandrel utawa inti kanggo mbungkus Nihan gabungan tank panyimpenan.
TUM ngrancang pigura tank minangka "bantal" kubik kanthi sisih padhet, sudhut bunder lan pola heksagonal ing sisih ndhuwur lan ngisor sing bisa dilebokake lan dipasang.Bolongan kanggo rak iki uga dicithak 3D."Kanggo tank eksperimen awal kita, kita 3D dicithak bagean pigura heksagonal nggunakake asam polylactic [PLA, termoplastik basis bio] amarga iku gampang lan mirah," ngandika Glace.
Tim kasebut tuku 68 batang serat karbon sing dikuatake poliamida 6 (PA6) saka SGL Carbon (Meitingen, Jerman) kanggo digunakake minangka ikatan."Kanggo nguji konsep kasebut, kita ora nindakake cetakan apa wae," ujare Gleiss, "nanging mung nglebokake spacer menyang pigura inti honeycomb sing dicithak 3D lan ditempelake nganggo lem epoksi.Iki banjur menehi mandrel kanggo nduwurke tumpukan tank.Dheweke nyathet yen sanajan rod kasebut gampang digulung, ana sawetara masalah penting sing bakal diterangake mengko.
"Ing tataran kapisan, goal kita kanggo nduduhake manufaktur saka desain lan ngenali masalah ing konsep produksi," nerangake Gleiss."Dadi struts tension metu saka lumahing njaba struktur balung, lan kita masang serat karbon kanggo inti iki nggunakake nduwurke tumpukan filamen udan.Sawisé iku, ing langkah katelu, kita bend sirah saben rod dasi.termoplastik, supaya kita mung nggunakake panas kanggo reshape sirah supaya flattens lan ngunci menyang lapisan pisanan bungkus.Kita banjur nerusake kanggo mbungkus struktur maneh supaya sirah thrust warata wis geometrically terlampir ing tank.laminate ing tembok.
Spacer tutup kanggo nduwurke tumpukan.TUM nggunakake tutup plastik ing ujung rod tension kanggo nyegah serat saka kusut nalika filamen nduwurke tumpukan.Kredit gambar: Technical University of Munich LCC.
Glace nyatakake yen tank pisanan iki minangka bukti konsep."Panganggone printing lan lem 3D mung kanggo tes awal lan menehi ide babagan sawetara masalah sing ditemoni.Contone, nalika nduwurke tumpukan, filamen padha kejiret dening ends saka rod tension, nyebabake breakage serat, karusakan serat, lan ngurangi jumlah serat kanggo counter iki.kita nggunakake sawetara tutup plastik minangka aids Manufaktur sing diselehake ing cagak sadurunge langkah nduwurke tumpukan pisanan. Banjur, nalika laminates internal digawe, kita mbusak tutup protèktif iki lan reshaped ends saka cagak sadurunge mbungkus final.
Tim kasebut eksperimen karo macem-macem skenario rekonstruksi."Wong-wong sing katon paling apik," ujare Grace."Uga, sajrone tahap prototipe, kita nggunakake alat las sing dimodifikasi kanggo ngetrapake panas lan mbentuk maneh ujung rod dasi.Ing konsep produksi massal, sampeyan bakal duwe alat sing luwih gedhe sing bisa mbentuk lan mbentuk kabeh ujung struts dadi laminate finish interior bebarengan..”
Drawbar sirah reshaped.TUM experimented karo konsep beda lan diowahi welds kanggo kempal ends saka ikatan gabungan kanggo Masang kanggo laminate tembok tank.Kredit gambar: "Pengembangan proses produksi kanggo kapal tekanan kubik kanthi brace", Universitas Teknik Munich, proyek Polymers4Hydrogen, ECCM20, Juni 2022.
Mangkono, laminate ditambani sawise langkah nduwurke tumpukan pisanan, kiriman sing reshaped, TUM ngrampungake nduwurke tumpukan kapindho filamen, lan banjur laminate tembok tank njaba wis nambani kaping pindho.Wigati dimangerteni manawa iki minangka desain tank jinis 5, tegese ora duwe lapisan plastik minangka penghalang gas.Waca diskusi ing bagean Langkah Sabanjure ing ngisor iki.
"We Cut demo pisanan menyang bagean salib lan peta wilayah sing disambungake," ujare Glace."A close-up nuduhake yen kita duwe sawetara masalah kualitas karo laminate, karo kepala strut ora laying warata ing laminate interior."
Ngatasi masalah karo kesenjangan ing antarane laminate tembok njero lan njaba tank.Kepala rod dasi sing diowahi nggawe celah ing antarane giliran pertama lan kapindho tank eksperimen.Kredit gambar: Technical University of Munich LCC.
Tank awal 450 x 290 x 80mm iki rampung ing musim panas pungkasan."Kita wis nggawe akeh kemajuan wiwit iku, nanging kita isih duwe longkangan antarane interior lan njaba laminate," ngandika Glace."Dadi kita nyoba ngisi kesenjangan kasebut kanthi resin viskositas sing resik lan dhuwur.Iki bener-bener nambah sambungan antarane stud lan laminasi, sing nambah stres mekanik.
Tim kasebut terus ngembangake desain lan proses tank, kalebu solusi kanggo pola gulungan sing dikarepake."Sisih tank test padha ora kebak curled amarga iku angel kanggo geometri iki kanggo nggawe path nduwurke tumpukan," Glace nerangake."Sudut nduwurke tumpukan awal kita yaiku 75 °, nanging kita ngerti manawa sawetara sirkuit dibutuhake kanggo nyukupi beban ing prau tekanan iki.Kita isih nggoleki solusi kanggo masalah iki, nanging ora gampang karo piranti lunak sing saiki ana ing pasar.Bisa uga dadi proyek tindak lanjut.
"Kita wis nduduhake kemungkinan konsep produksi iki," ujare Gleiss, "nanging kita kudu kerja luwih lanjut kanggo nambah sambungan antarane laminate lan mbentuk maneh batang dasi."Tes eksternal ing mesin tes.Sampeyan narik spacer metu saka laminate lan nyoba beban mekanik sing bisa ditahan.
Bagean proyek Polymers4Hydrogen iki bakal rampung ing pungkasan taun 2023, ing wektu kasebut Gleis ngarep-arep bisa ngrampungake tangki demonstrasi kapindho.Sing nggumunake, desain saiki nggunakake termoplastik sing dikuatake kanthi rapi ing pigura lan komposit termoset ing tembok tangki.Apa pendekatan hibrida iki bakal digunakake ing tank demonstrasi pungkasan?"Ya," ujare Grace."Mitra kita ing proyek Polymers4Hydrogen ngembangake resin epoksi lan bahan matriks komposit liyane kanthi sifat penghalang hidrogen sing luwih apik."Dheweke nampilake rong mitra sing nggarap karya iki, PCCL lan Universitas Tampere (Tampere, Finlandia).
Gleiss lan tim dheweke uga ijol-ijolan informasi lan ngrembug gagasan karo Jaeger babagan proyek HyDDen kapindho saka tank komposit konformal LCC.
"Kita bakal ngasilake prau tekanan komposit konformal kanggo drone riset," ujare Jaeger."Iki minangka kolaborasi antarane rong departemen Aerospace lan Geodetic Department of TUM - LCC lan Departemen Teknologi Helikopter (HT).Proyek kasebut bakal rampung ing pungkasan taun 2024 lan saiki lagi ngrampungake kapal tekanan.desain sing luwih saka pendekatan aerospace lan otomotif.Sawise tahap konsep awal iki, langkah sabanjure yaiku nindakake model struktural sing rinci lan prédhiksi kinerja penghalang struktur tembok.
"Ide kabeh yaiku ngembangake drone eksplorasi kanthi sel bahan bakar hibrida lan sistem propulsi baterei," ujare.Bakal nggunakake baterei nalika beban daya dhuwur (yaiku lepas landas lan kebangkrutan) banjur ngalih menyang sel bahan bakar sajrone njelajah muatan entheng."Tim HT wis duwe drone riset lan ngrancang ulang powertrain kanggo nggunakake baterei lan sel bahan bakar," ujare Yeager."Dheweke uga tuku tank CGH2 kanggo nyoba transmisi iki."
"Timku ditugasake mbangun prototipe tank tekanan sing pas, nanging ora amarga masalah kemasan sing bakal digawe tank silinder," ujare."Tank sing luwih rata ora menehi tahan angin.Dadi sampeyan entuk kinerja penerbangan sing luwih apik.Ukuran tank kira-kira.830 x 350 x 173 mm.
Tank sing cocog karo AFP termoplastik kanthi lengkap.Kanggo proyek HyDDen, tim LCC ing TUM wiwitane njelajah pendekatan sing padha karo sing digunakake dening Glace (ing ndhuwur), nanging banjur pindhah menyang pendekatan nggunakake kombinasi sawetara modul struktural, sing banjur digunakake kanthi berlebihan nggunakake AFP (ing ngisor).Kredit gambar: Technical University of Munich LCC.
"Salah sawijining gagasan padha karo pendekatan Elisabeth [Gleiss]," ujare Yager, "kanggo ngetrapake penyonggo tension menyang tembok prau kanggo ngimbangi pasukan mlengkung sing dhuwur.Nanging, tinimbang nggunakake proses nduwurke tumpukan kanggo nggawe tank, kita nggunakake AFP.Mulane, kita mikir nggawe bagean kapisah saka prau meksa, kang rak wis Integrasi.Pendekatan iki ngidini aku gabungke sawetara modul terintegrasi iki lan banjur aplikasi tutup mburi kanggo nutup kabeh sadurunge nduwurke tumpukan AFP pungkasan.
"Kita nyoba ngrampungake konsep kasebut," ujare, "lan uga miwiti nguji pilihan bahan, sing penting banget kanggo njamin resistensi sing dibutuhake kanggo penetrasi gas H2.Kanggo iki, utamane nggunakake bahan termoplastik lan nggarap macem-macem cara materi bakal mengaruhi prilaku lan pangolahan permeasi ing mesin AFP.Penting kanggo mangertos yen perawatan bakal duwe efek lan yen ana post-processing dibutuhake.Kita uga pengin ngerti apa tumpukan beda bakal mengaruhi permeasi hidrogen liwat prau tekanan.
Tank kasebut bakal digawe saka termoplastik lan jalur kasebut bakal disedhiyakake dening Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Jerman)."Kita bakal nggunakake bahan PPS [polyphenylene sulfide], PEEK [polieter keton] lan LM PAEK [low melting polyaryl ketone]," ujare Yager."Bandhingan banjur digawe kanggo ndeleng endi sing paling apik kanggo proteksi penetrasi lan ngasilake bagean kanthi kinerja sing luwih apik."Dheweke ngarep-arep bisa ngrampungake tes, pemodelan struktural lan proses lan demonstrasi pisanan ing taun ngarep.
Karya riset ditindakake ing modul COMET "Polymers4Hydrogen" (ID 21647053) ing program COMET Kementerian Federal kanggo Perubahan Iklim, Lingkungan, Energi, Mobilitas, Inovasi lan Teknologi lan Kementerian Federal kanggo Teknologi Digital lan Ekonomi..Penulis matur nuwun marang mitra sing melu Pusat Kompetensi Polimer Leoben GmbH (PCCL, Austria), Montanuniversitaet Leoben (Fakultas Teknik Polimer lan Ilmu, Departemen Kimia Bahan Polimer, Departemen Ilmu Bahan lan Pengujian Polimer), Universitas Tampere (Fakultas Teknik). Bahan).) Ilmu), Teknologi Puncak lan Faurecia nyumbang kanggo karya riset iki.COMET-Modul didanai déning pamaréntah Austria lan pamaréntah negara Styria.
Lembaran sing wis dikuatake kanggo struktur bantalan beban ngemot serat sing terus-terusan - ora mung saka kaca, nanging uga saka karbon lan aramid.
Ana akeh cara kanggo nggawe bagean komposit.Mulane, pilihan metode kanggo bagean tartamtu bakal gumantung ing materi, desain bagean, lan panggunaan pungkasan utawa aplikasi.Punika pandhuan pilihan.
Shocker Composites lan R&M International ngembangake rantai pasokan serat karbon daur ulang sing nyedhiyakake pembantaian nol, biaya luwih murah tinimbang serat prawan lan pungkasane bakal menehi dawa sing nyedhaki serat terus-terusan ing sifat struktural.
Wektu kirim: Mar-15-2023