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
Sawisé kolaborasi karo BMW nuduhaké yèn tangki kubik bisa ngasilaké efisiensi volumetrik sing luwih dhuwur tinimbang pirang-pirang silinder cilik, Universitas Teknik Munich miwiti proyèk kanggo ngembangaké struktur komposit lan proses manufaktur sing bisa diskalakaké kanggo produksi serial. Kredit gambar: TU Dresden (ndhuwur) kiwa), Universitas Teknik Munich, Departemen Komposit Karbon (LCC)
Kendaraan listrik sel bahan bakar (FCEV) sing didayani hidrogen nol-emisi (H2) nyedhiyakake cara tambahan kanggo nggayuh target lingkungan nol. Mobil penumpang sel bahan bakar kanthi mesin H2 bisa diisi sajrone 5-7 menit lan nduweni jarak tempuh 500 km, nanging saiki luwih larang amarga volume produksi sing sithik. Salah sawijining cara kanggo nyuda biaya yaiku nggunakake platform standar kanggo model BEV lan FCEV. Iki saiki ora bisa ditindakake amarga tangki silinder Tipe 4 sing digunakake kanggo nyimpen gas H2 sing dikompres (CGH2) ing 700 bar ing FCEV ora cocog kanggo kompartemen baterei ing ngisor bodi sing wis dirancang kanthi ati-ati kanggo kendaraan listrik. Nanging, wadhah tekanan awujud bantal lan kubus bisa pas karo ruang kemasan sing rata iki.
Paten US5577630A kanggo "Bejana Tekanan Konformal Komposit", aplikasi sing diajukake dening Thiokol Corp. ing taun 1995 (kiwa) lan bejana tekanan persegi panjang sing dipatenake dening BMW ing taun 2009 (tengen).
Departemen Komposit Karbon (LCC) saka Universitas Teknik Munich (TUM, Munich, Jerman) melu rong proyek kanggo ngembangake konsep iki. Sing pertama yaiku Polymers4Hydrogen (P4H), dipimpin dening Pusat Kompetensi Polimer Leoben (PCCL, Leoben, Austria). Paket kerja LCC dipimpin dening Fellow Elizabeth Glace.
Proyèk kapindho yaiku Demonstrasi lan Lingkungan Pengembangan Hidrogen (HyDDen), ing ngendi LCC dipimpin déning Peneliti Christian Jaeger. Kalorone ngarahake kanggo nggawe demonstrasi skala gedhé babagan proses manufaktur kanggo nggawe tangki CGH2 sing cocog nggunakake komposit serat karbon.
Ana efisiensi volumetrik sing winates nalika silinder diameter cilik dipasang ing sel baterei rata (kiwa) lan wadhah tekanan tipe 2 kubik sing digawe saka lapisan baja lan cangkang njaba serat karbon/komposit epoksi (tengen). Sumber Gambar: Gambar 3 lan 6 saka "Pendekatan Desain Numerik kanggo Wadhah Kotak Tekanan Tipe II kanthi Sikil Ketegangan Internal" dening Ruf lan Zaremba et al.
P4H wis nggawe tangki kubus eksperimental sing nggunakake pigura termoplastik kanthi tali/penyangga tegangan komposit sing dibungkus epoksi sing diperkuat serat karbon. HyDDen bakal nggunakake desain sing padha, nanging bakal nggunakake layup serat otomatis (AFP) kanggo nggawe kabeh tangki komposit termoplastik.
Saka aplikasi paten dening Thiokol Corp. nganti "Bejana Tekanan Konformal Komposit" ing taun 1995 nganti Paten Jerman DE19749950C2 ing taun 1997, wadhah gas sing dikompres "bisa uga duwe konfigurasi geometris apa wae", nanging utamane bentuk sing rata lan ora teratur, ing rongga sing disambungake menyang dhukungan cangkang. elemen digunakake supaya bisa tahan gaya ekspansi gas.
Makalah Laboratorium Nasional Lawrence Livermore (LLNL) taun 2006 njlèntrèhaké telung pendekatan: wadhah tekanan konformal sing dibungkus filamen, wadhah tekanan mikrokisi sing ngandhut struktur kisi ortorombik internal (sel cilik 2 cm utawa kurang), diubengi wadhah H2 berdinding tipis, lan wadhah replikator, sing kasusun saka struktur internal sing kasusun saka bagean cilik sing dilem (kayata, cincin plastik heksagonal) lan komposisi kulit cangkang njaba sing tipis. Wadhah duplikat paling cocog kanggo wadhah sing luwih gedhe ing ngendi metode tradisional bisa uga angel ditrapake.
Paten DE102009057170A sing diajukake dening Volkswagen ing taun 2009 nggambarake wadhah tekanan sing dipasang ing kendaraan sing bakal nyedhiyakake efisiensi bobot sing dhuwur nalika ningkatake pemanfaatan ruang. Tangki persegi panjang nggunakake konektor tegangan antarane rong tembok persegi panjang sing ngelawan, lan pojok-pojoke dibunderake.
Konsep-konsep ing ndhuwur lan konsep-konsep liyane dikutip dening Gleiss ing makalah "Pengembangan Proses kanggo Wadhah Tekanan Kubik nganggo Batang Peregangan" dening Gleiss et al. ing ECCM20 (26-30 Juni 2022, Lausanne, Swiss). Ing artikel iki, dheweke nyebutake panliten TUM sing diterbitake dening Michael Roof lan Sven Zaremba, sing nemokake manawa wadhah tekanan kubik kanthi penyangga tegangan sing nyambungake sisih persegi panjang luwih efisien tinimbang sawetara silinder cilik sing pas karo papan baterei sing rata, nyedhiyakake papan panyimpenan kira-kira 25% luwih akeh.
Miturut Gleiss, masalah nalika masang silinder tipe 4 cilik sing akeh banget ing wadhah sing rata yaiku "volume antarane silinder saya suda lan sistem kasebut uga duwe permukaan permeasi gas H2 sing gedhe banget. Sakabèhé, sistem kasebut nyedhiyakake kapasitas panyimpenan sing luwih sithik tinimbang toples kubik."
Nanging, ana masalah liyane karo desain kubik tangki kasebut. "Mesthi wae, amarga gas sing dikompres, sampeyan kudu nglawan gaya lentur ing tembok sing rata," ujare Gleiss. "Kanggo iki, sampeyan butuh struktur sing dikuatake sing nyambung menyang tembok tangki. Nanging kuwi angel ditindakake karo komposit."
Glace lan timnya nyoba nggabungake batang penegang penguat menyang bejana tekanan kanthi cara sing cocog kanggo proses lilitan filamen. "Iki penting kanggo produksi volume dhuwur," dheweke nerangake, "lan uga ngidini kita ngrancang pola lilitan tembok wadhah kanggo ngoptimalake orientasi serat kanggo saben beban ing zona kasebut."
Papat langkah kanggo nggawe tangki komposit kubik uji coba kanggo proyek P4H. Kredit gambar: "Pengembangan proses produksi kanggo bejana tekanan kubik nganggo penyangga", Universitas Teknik Munich, proyek Polymers4Hydrogen, ECCM20, Juni 2022.
Kanggo nggayuh on-chain, tim kasebut wis ngembangake konsep anyar sing kasusun saka patang langkah utama, kaya sing dituduhake ing ndhuwur. Strut tegangan, sing dituduhake kanthi warna ireng ing undhak-undhakan, minangka struktur rangka prefabrikasi sing digawe nggunakake metode sing dijupuk saka proyek MAI Skelett. Kanggo proyek iki, BMW ngembangake "rangka" rangka kaca ngarep nggunakake patang batang pultrusion sing diperkuat serat, sing banjur dicetak dadi rangka plastik.
Rangka tangki kubik eksperimental. Bagian rangka heksagonal dicithak 3D nganggo TUM nggunakake filamen PLA sing ora dikuatake (ndhuwur), nyisipake batang pultrusion CF/PA6 minangka penyangga tegangan (tengah) banjur mbungkus filamen ing sekitar penyangga (ngisor). Kredit gambar: Universitas Teknik Munich LCC.
"Idené yaiku sampeyan bisa mbangun rangka tangki kubik minangka struktur modular," ujare Glace. "Modul-modul iki banjur diselehake ing alat cetakan, penyangga tegangan diselehake ing modul rangka, banjur metode MAI Skelett digunakake ing sekitar penyangga kanggo nggabungake karo bagean rangka." metode produksi massal, sing ngasilake struktur sing banjur digunakake minangka mandrel utawa inti kanggo mbungkus cangkang komposit tangki panyimpenan.
TUM ngrancang rangka tangki minangka "bantalan" kubik kanthi sisih sing padhet, pojok bunder, lan pola heksagonal ing sisih ndhuwur lan ngisor sing bisa dilebokake lan dipasangake. Bolongan kanggo rak iki uga dicithak 3D. "Kanggo tangki eksperimen awal, kita nyetak 3D bagean rangka heksagonal nggunakake asam polilaktat [PLA, termoplastik berbasis bio] amarga gampang lan murah," ujare Glace.
Tim kasebut tuku 68 batang poliamida 6 (PA6) sing diperkuat serat karbon pultruded saka SGL Carbon (Meitingen, Jerman) kanggo digunakake minangka pengikat. "Kanggo nyoba konsep kasebut, kita ora nggawe cetakan apa wae," ujare Gleiss, "nanging mung masang spacer menyang pigura inti sarang lebah sing dicithak 3D lan nempelake nganggo lem epoksi. Iki banjur nyedhiyakake mandrel kanggo nggulung tangki." Dheweke nyathet yen sanajan batang kasebut relatif gampang digulung, ana sawetara masalah sing signifikan sing bakal diterangake mengko.
"Ing tahap pertama, tujuan kita yaiku kanggo nduduhake kemampuan manufaktur desain lan ngenali masalah ing konsep produksi," jelas Gleiss. "Dadi penyangga tegangan nonjol saka permukaan njaba struktur rangka, lan kita masang serat karbon menyang inti iki nggunakake lilitan filamen teles. Sawise iku, ing langkah katelu, kita mbengkongake endhas saben batang pengikat. termoplastik, dadi kita mung nggunakake panas kanggo mbentuk maneh endhas supaya rata lan ngunci ing lapisan pertama pembungkus. Banjur kita nerusake mbungkus struktur maneh supaya endhas dorong sing rata ditutup kanthi geometris ing njero tangki. laminasi ing tembok."
Tutup spacer kanggo nggulung. TUM nggunakake tutup plastik ing pucuk batang penegang kanggo nyegah serat kusut nalika nggulung filamen. Kredit gambar: Universitas Teknik Munich LCC.
Glace negesake maneh yen tangki pertama iki minangka bukti konsep. "Panggunaan pencetakan 3D lan lem mung kanggo uji coba awal lan menehi gambaran babagan sawetara masalah sing kita temoni. Contone, nalika nggulung, filamen kejebak ing pucuk batang penegang, nyebabake serat rusak, kerusakan serat, lan nyuda jumlah serat kanggo ngatasi iki. Kita nggunakake sawetara tutup plastik minangka alat bantu manufaktur sing diselehake ing kutub sadurunge langkah nggulung pertama. Banjur, nalika laminasi internal digawe, kita mbusak tutup pelindung kasebut lan mbentuk maneh pucuk kutub sadurunge mbungkus pungkasan."
Tim kasebut nyoba macem-macem skenario rekonstruksi. "Sing ndeleng-ndeleng luwih becik kerjane," ujare Grace. "Uga, sajrone fase prototipe, kita nggunakake alat pengelasan sing dimodifikasi kanggo menehi panas lan mbentuk maneh ujung tie rod. Ing konsep produksi massal, sampeyan bakal duwe siji alat sing luwih gedhe sing bisa mbentuk lan mbentuk kabeh ujung strut dadi laminasi finish interior bebarengan. ."
Endhas drawbar dibentuk maneh. TUM nyoba macem-macem konsep lan ngowahi las kanggo nyetel ujung pengikat komposit kanggo dipasang ing laminasi tembok tangki. Kredit gambar: "Pengembangan proses produksi kanggo bejana tekanan kubik nganggo penyangga", Universitas Teknik Munich, proyek Polymers4Hydrogen, ECCM20, Juni 2022.
Dadi, laminasi kasebut dikeringake sawise langkah lilitan pertama, tiang-tiang kasebut dibentuk maneh, TUM ngrampungake lilitan filamen kapindho, banjur laminasi tembok tangki njaba dikeringake maneh. Elinga yen iki minangka desain tangki tipe 5, sing tegese ora duwe lapisan plastik minangka alangan gas. Deleng diskusi ing bagean Langkah Sabanjure ing ngisor iki.
"Kita ngethok demo pisanan dadi potongan melintang lan memetakan area sing nyambung," ujare Glace. "Gambaran cedhak nuduhake yen kita duwe sawetara masalah kualitas karo laminasi, kanthi endhas penyangga ora rata ing laminasi interior."
Ngatasi masalah karo celah antarane laminasi tembok njero lan njaba tangki. Endhas tie rod sing dimodifikasi nggawe celah antarane puteran pertama lan kapindho tangki eksperimen. Kredit gambar: Universitas Teknik Munich LCC.
Tangki awal ukuran 450 x 290 x 80mm iki rampung digawe ing mangsa panas kepungkur. "Kita wis nggawe akeh kemajuan wiwit kuwi, nanging isih ana celah antarane laminasi interior lan eksterior," ujare Glace. "Dadi kita nyoba ngisi celah kasebut nganggo resin sing resik lan viskositas dhuwur. Iki sejatine nambah sambungan antarane stud lan laminasi, sing nambah tekanan mekanik banget."
Tim kasebut terus ngembangake desain lan proses tangki, kalebu solusi kanggo pola lilitan sing dikarepake. "Sisih-sisih tangki uji coba ora melengkung kanthi lengkap amarga geometri iki angel nggawe jalur lilitan," Glace nerangake. "Sudut lilitan awal kita yaiku 75°, nanging kita ngerti manawa pirang-pirang sirkuit dibutuhake kanggo nyukupi beban ing wadhah tekanan iki. Kita isih nggoleki solusi kanggo masalah iki, nanging ora gampang karo piranti lunak sing saiki ana ing pasar. Iki bisa uga dadi proyek tindak lanjut."
"Kita wis nduduhake kelayakan konsep produksi iki," ujare Gleiss, "nanging kita kudu kerja luwih lanjut kanggo ningkatake sambungan antarane laminasi lan mbentuk maneh batang pengikat. "Pengujian eksternal ing mesin uji. Sampeyan narik spacer metu saka laminasi lan nguji beban mekanik sing bisa ditahan sambungan kasebut."
Bagean saka proyek Polymers4Hydrogen iki bakal rampung ing pungkasan taun 2023, lan ing wektu iku Gleis ngarep-arep bisa ngrampungake tangki demonstrasi kapindho. Menariknya, desain saiki nggunakake termoplastik sing dikuatake kanthi rapi ing pigura lan komposit termoset ing tembok tangki. Apa pendekatan hibrida iki bakal digunakake ing tangki demonstrasi pungkasan? "Ya," ujare Grace. "Mitra kita ing proyek Polymers4Hydrogen lagi ngembangake resin epoksi lan bahan matriks komposit liyane kanthi sifat penghalang hidrogen sing luwih apik." Dheweke ndhaptar rong mitra sing nggarap karya iki, PCCL lan Universitas Tampere (Tampere, Finlandia).
Gleiss lan tim-e uga ijol-ijolan informasi lan ngrembug ide karo Jaeger babagan proyek HyDDen kapindho saka tangki komposit konformal LCC.
"Kita bakal ngasilake wadhah tekanan komposit konformal kanggo drone riset," ujare Jaeger. "Iki minangka kolaborasi antarane rong departemen Departemen Dirgantara lan Geodetik TUM - LCC lan Departemen Teknologi Helikopter (HT). Proyek iki bakal rampung ing pungkasan taun 2024 lan saiki kita lagi ngrampungake wadhah tekanan, desain sing luwih minangka pendekatan dirgantara lan otomotif. Sawise tahap konsep awal iki, langkah sabanjure yaiku nindakake pemodelan struktural sing rinci lan prédhiksi kinerja alangan saka struktur tembok."
"Ide sakabèhé yaiku ngembangaké drone eksplorasi nganggo sistem propulsi sel bahan bakar hibrida lan baterei," ujare. Drone iki bakal nggunakaké baterei nalika beban daya dhuwur (kayata lepas landas lan ndharat) banjur ngalih menyang sel bahan bakar nalika jelajah beban entheng. "Tim HT wis duwé drone riset lan ngrancang ulang powertrain kanggo nggunakaké baterei lan sel bahan bakar," ujare Yeager. "Dheweke uga tuku tangki CGH2 kanggo nguji transmisi iki."
"Timku ditugasake nggawe prototipe tangki tekanan sing pas, nanging dudu amarga masalah kemasan sing digawe tangki silinder," ujare. "Tangki sing luwih rata ora menehi tahan angin sing akeh. Dadi sampeyan entuk kinerja penerbangan sing luwih apik." Dimensi tangki kira-kira 830 x 350 x 173 mm.
Tangki sing kompatibel karo AFP termoplastik. Kanggo proyek HyDDen, tim LCC ing TUM wiwitane njelajah pendekatan sing padha karo sing digunakake dening Glace (ndhuwur), nanging banjur pindhah menyang pendekatan sing nggunakake kombinasi sawetara modul struktural, sing banjur digunakake kanthi berlebihan nggunakake AFP (ngisor). Kredit gambar: Universitas Teknik Munich LCC.
"Salah sawijining ide padha karo pendekatan Elisabeth [Gleiss]," ujare Yager, "kanggo ngetrapake penyangga tegangan ing tembok pembuluh kanggo ngimbangi gaya lentur sing dhuwur. Nanging, tinimbang nggunakake proses penggulungan kanggo nggawe tangki, kita nggunakake AFP. Mulane, kita mikir babagan nggawe bagean sing kapisah saka pembuluh tekanan, ing ngendi rak wis terintegrasi. Pendekatan iki ngidini aku nggabungake sawetara modul terintegrasi iki banjur ngetrapake tutup ujung kanggo nutup kabeh sadurunge penggulungan AFP pungkasan."
"Kita lagi nyoba ngrampungake konsep kaya ngono," ujare, "lan uga miwiti nguji pilihan bahan, sing penting banget kanggo njamin resistensi sing dibutuhake kanggo penetrasi gas H2. Kanggo iki, kita utamane nggunakake bahan termoplastik lan lagi nggarap macem-macem kepiye bahan kasebut bakal mengaruhi prilaku permeasi lan pangolahan ing mesin AFP. Penting kanggo ngerti apa perawatan kasebut bakal duwe efek lan apa ana pasca-proses sing dibutuhake. Kita uga pengin ngerti apa tumpukan sing beda bakal mengaruhi permeasi hidrogen liwat wadhah tekanan."
Tangki kasebut bakal digawe saka termoplastik lan strip kasebut bakal disedhiyakake dening Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Jerman). "Kita bakal nggunakake bahan PPS [polifenilen sulfida], PEEK [polieter keton] lan LM PAEK [poliaril keton leleh rendah]," ujare Yager. "Banjur perbandingan digawe kanggo ndeleng endi sing paling apik kanggo perlindungan penetrasi lan ngasilake bagean kanthi kinerja sing luwih apik." Dheweke ngarep-arep bisa ngrampungake pengujian, pemodelan struktural lan proses, lan demonstrasi pertama ing taun ngarep.
Riset iki ditindakake ing modul COMET "Polymers4Hydrogen" (ID 21647053) ing program COMET saka Kementerian Federal kanggo Perubahan Iklim, Lingkungan, Energi, Mobilitas, Inovasi lan Teknologi lan Kementerian Federal kanggo Teknologi Digital lan Ekonomi. Para penulis ngucapake matur nuwun marang mitra sing melu Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL, Austria), Montanuniversitaet Leoben (Fakultas Teknik lan Sains Polimer, Departemen Kimia Bahan Polimer, Departemen Ilmu Bahan lan Pengujian Polimer), Universitas Tampere (Fakultas Bahan Teknik). ) Sains), Peak Technology lan Faurecia nyumbang kanggo riset iki. COMET-Modul didanai dening pemerintah Austria lan pemerintah negara bagian Styria.
Lembaran sing wis dikuatake kanggo struktur sing nahan beban ngemot serat 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 saka bahan, desain bagean kasebut, lan panggunaan pungkasan utawa aplikasi. Iki pandhuan pilihan.
Shocker Composites lan R&M International lagi ngembangake rantai pasokan serat karbon daur ulang sing ora nyembelih, biaya luwih murah tinimbang serat murni, lan pungkasane bakal nawakake dawa sing meh padha karo serat kontinyu ing sifat struktural.
Wektu kiriman: 15 Maret 2023