BEV 및 FCEV용 표준 플랫 플랫폼 탱크는 25% 더 많은 H2 저장을 제공하는 골격 구조의 열가소성 및 열경화성 복합재를 사용합니다. #수소 #트렌드
BMW와의 협업을 통해 큐빅 탱크가 여러 개의 작은 실린더보다 더 높은 체적 효율을 제공할 수 있음을 보여준 후, 뮌헨 공과대학교는 복합재 구조와 연속 생산을 위한 확장 가능한 제조 공정을 개발하는 프로젝트에 착수했습니다. 이미지 출처: TU 드레스덴(왼쪽 위), 뮌헨 공과대학교 탄소 복합재학과(LCC)
무공해(H2) 수소로 구동되는 연료전지 전기차(FCEV)는 환경 목표 제로 달성을 위한 추가적인 수단을 제공합니다. H2 엔진을 탑재한 연료전지 승용차는 5~7분 안에 충전이 가능하고 500km의 주행거리를 자랑하지만, 생산량이 적어 가격이 높습니다. 비용 절감을 위한 한 가지 방법은 BEV 및 FCEV 모델에 표준 플랫폼을 사용하는 것입니다. 하지만 FCEV에서 700bar의 압축 H2 가스(CGH2)를 저장하는 데 사용되는 Type 4 원통형 탱크는 전기차용으로 신중하게 설계된 차체 하부 배터리 격실에 적합하지 않기 때문에 현재로서는 불가능합니다. 그러나 필로우형이나 큐브 형태의 압력 용기는 이러한 평평한 포장 공간에 장착할 수 있습니다.
Thiokol Corp.가 1995년에 출원한 "복합 적응형 압력 용기"에 대한 특허 US5577630A(왼쪽)와 BMW가 2009년에 특허를 받은 직사각형 압력 용기(오른쪽).
뮌헨 공과대학교(TUM, 뮌헨, 독일) 탄소 복합소재학과(LCC)는 이 개념을 개발하기 위해 두 가지 프로젝트에 참여하고 있습니다. 첫 번째는 레오벤 폴리머 역량 센터(PCCL, 레오벤, 오스트리아)가 주도하는 Polymers4Hydrogen(P4H)입니다. LCC 연구 패키지는 엘리자베스 글레이스 펠로우가 이끌고 있습니다.
두 번째 프로젝트는 수소 실증 및 개발 환경(Hydrogen Demonstration and Development Environment, HyDDen)으로, LCC 연구원 크리스티안 예거(Christian Jaeger)가 이끌고 있습니다. 두 프로젝트 모두 탄소 섬유 복합재를 사용하여 적합한 CGH2 탱크를 제작하는 제조 공정의 대규모 시연을 목표로 합니다.
소구경 실린더를 평판형 배터리 셀(왼쪽)과 강철 라이너와 탄소 섬유/에폭시 복합재 외피로 제작된 입방형 2형 압력 용기(오른쪽)에 설치할 경우 체적 효율이 제한됩니다. 이미지 출처: 그림 3과 6은 Ruf와 Zaremba 외의 "내부 인장 레그가 있는 2형 압력 용기에 대한 수치 설계 접근법"에서 발췌했습니다.
P4H는 탄소 섬유 강화 에폭시로 감싼 복합 소재의 텐션 스트랩/스트럿이 있는 열가소성 프레임을 사용하는 실험용 큐브 탱크를 제작했습니다. HyDDen은 유사한 설계를 사용하지만, 모든 열가소성 복합 소재 탱크 제작에 자동 섬유 적층(AFP) 기술을 사용할 예정입니다.
1995년 Thiokol Corp.에서 출원한 "복합적형 압력 용기" 특허부터 1997년 독일 특허 DE19749950C2에 이르기까지, 압축 가스 용기는 "어떤 기하학적 형태든 가질 수 있지만" 특히 쉘 지지대에 연결된 공동에 평평하고 불규칙한 모양을 가져야 합니다. 요소는 가스의 팽창력을 견딜 수 있도록 사용됩니다.
2006년 로렌스 리버모어 국립연구소(LLNL) 논문에서는 세 가지 접근 방식을 제시합니다. 필라멘트 권취형 정형 압력 용기, 내부 사방정계 격자 구조(2cm 이하의 작은 셀)를 포함하고 얇은 벽의 H₂ 용기로 둘러싸인 미세격자 압력 용기, 그리고 접착된 작은 부품(예: 육각형 플라스틱 링)으로 구성된 내부 구조와 얇은 외피로 구성된 복제 용기입니다. 복제 용기는 기존 방식을 적용하기 어려울 수 있는 대형 용기에 가장 적합합니다.
폭스바겐이 2009년에 출원한 특허 DE102009057170A는 공간 활용도를 높이면서 높은 중량 효율을 제공하는 차량 장착형 압력 용기를 기술하고 있습니다. 직사각형 탱크는 마주 보는 두 개의 직사각형 벽 사이에 장력 커넥터를 사용하며 모서리는 둥글게 처리됩니다.
위의 개념과 다른 개념들은 Gleiss 외 연구진이 ECCM20(2022년 6월 26일~30일, 스위스 로잔)에서 발표한 논문 "스트레치 바를 갖춘 입방 압력 용기 공정 개발"에서 Gleiss가 인용했습니다. 이 논문에서 그녀는 Michael Roof와 Sven Zaremba가 발표한 TUM 연구를 인용했는데, 이 연구에 따르면 직사각형 면들을 연결하는 인장 스트럿이 있는 입방 압력 용기는 평평한 배터리 공간에 맞춰 여러 개의 작은 원통을 배치하는 것보다 효율이 높아 약 25% 더 많은 저장 공간을 제공합니다.
글라이스에 따르면, 평평한 용기에 여러 개의 소형 4형 실린더를 설치하는 데 따른 문제점은 "실린더 사이의 공간이 크게 줄어들고 시스템의 수소 가스 투과 표면도 매우 넓어진다는 점"입니다. 전반적으로 이 시스템은 입방형 용기보다 저장 용량이 적습니다.
하지만 탱크의 정육면체 설계에는 다른 문제들이 있습니다. 글레이스는 "압축된 가스 때문에 평평한 벽에 가해지는 굽힘력을 상쇄해야 하는 것은 당연합니다."라고 말했습니다. "이를 위해서는 탱크 벽과 내부적으로 연결되는 강화 구조가 필요합니다. 하지만 복합재로는 이를 구현하기가 어렵습니다."
글레이스와 그녀의 팀은 필라멘트 와인딩 공정에 적합한 방식으로 압력 용기에 보강용 텐션 바를 통합하려고 노력했습니다. "이는 대량 생산에 중요합니다."라고 그녀는 설명합니다. "또한 용기 벽의 와인딩 패턴을 설계하여 해당 구역의 각 하중에 대한 섬유 배향을 최적화할 수 있습니다."
P4H 프로젝트를 위한 입방형 복합재 탱크 시험 제작 4단계. 이미지 출처: "브레이스를 갖춘 입방형 압력 용기 생산 공정 개발", 뮌헨 공과대학교, Polymers4Hydrogen 프로젝트, ECCM20, 2022년 6월.
온체인(on-chain)을 달성하기 위해 팀은 위에 표시된 네 가지 주요 단계로 구성된 새로운 개념을 개발했습니다. 계단에 검은색으로 표시된 텐션 스트럿은 MAI Skelett 프로젝트에서 가져온 방식을 사용하여 제작된 조립식 프레임 구조입니다. 이 프로젝트를 위해 BMW는 네 개의 섬유 강화 풀트루전 막대를 사용하여 윈드쉴드 프레임 "프레임워크"를 개발했으며, 이 막대들을 플라스틱 프레임으로 성형했습니다.
실험용 정육면체 탱크의 프레임. TUM에서 비보강 PLA 필라멘트(위)를 사용하여 3D 프린팅한 육각형 골격 단면, CF/PA6 풀트루전 막대를 인장 지지대로 삽입(중간)한 후, 필라멘트를 지지대 주위에 감싼(아래). 이미지 출처: 뮌헨 공과대학교 LCC.
"큐빅 탱크의 프레임을 모듈식 구조물로 제작할 수 있다는 아이디어입니다."라고 글레이스는 말했습니다. "이 모듈들을 성형 도구에 넣고, 프레임 모듈에 텐션 스트럿을 배치한 후, MAI 스켈렛(Skelett) 공법을 사용하여 스트럿을 프레임 부품과 통합합니다." 대량 생산 방식을 통해 저장 탱크 복합재 쉘을 감싸는 맨드렐 또는 코어로 사용되는 구조물이 완성됩니다.
TUM은 탱크 프레임을 견고한 측면, 둥근 모서리, 그리고 상단과 하단에 육각형 패턴이 있는 정육면체 "쿠션" 형태로 설계하여 타이를 끼우고 부착할 수 있도록 했습니다. 이러한 랙의 구멍 또한 3D 프린팅으로 제작되었습니다. "초기 실험 탱크의 경우, 쉽고 저렴했기 때문에 폴리락틱산(PLA, 바이오 기반 열가소성 플라스틱)을 사용하여 육각형 프레임 부분을 3D 프린팅했습니다."라고 Glace는 말했습니다.
연구팀은 SGL Carbon(독일 마이팅겐)에서 인발 성형 탄소 섬유 강화 폴리아미드 6(PA6) 막대 68개를 구매하여 타이로 사용했습니다. 글라이스는 "이 콘셉트를 테스트하기 위해 몰딩은 하지 않았습니다."라고 말하며, "3D 프린팅된 허니콤 코어 프레임에 스페이서를 삽입하고 에폭시 접착제로 접착했습니다. 이렇게 하면 탱크를 감는 맨드렐이 완성됩니다."라고 덧붙였습니다. 그녀는 이러한 막대는 비교적 쉽게 감길 수 있지만, 나중에 설명할 몇 가지 심각한 문제점이 있다고 지적합니다.
"첫 번째 단계에서는 설계의 제조 가능성을 입증하고 생산 컨셉의 문제점을 파악하는 것이 목표였습니다."라고 글레이스는 설명했습니다. "따라서 텐션 스트럿이 골격 구조의 외부 표면에서 돌출되어 있고, 습식 필라멘트 와인딩을 사용하여 이 코어에 탄소 섬유를 부착합니다. 그 후 세 번째 단계에서는 각 타이로드의 헤드를 구부립니다. 열가소성 소재이기 때문에 열을 가하여 헤드를 재형성하여 평평하게 만들고 첫 번째 랩핑 층에 고정합니다. 그런 다음 평평한 추력 헤드가 탱크 내부에 기하학적으로 둘러싸이도록 구조물을 다시 랩핑합니다. 벽에 라미네이트를 도포합니다."
권취용 스페이서 캡. TUM은 필라멘트 권취 중 섬유 엉킴을 방지하기 위해 장력봉 끝에 플라스틱 캡을 사용합니다. 이미지 출처: 뮌헨 공과대학교 LCC.
글레이스는 이 첫 번째 탱크가 개념 증명이었다고 다시 한번 강조했습니다. "3D 프린팅과 접착제를 사용한 것은 초기 테스트용이었으며, 이를 통해 우리가 직면한 몇 가지 문제에 대한 아이디어를 얻을 수 있었습니다. 예를 들어, 와인딩 과정에서 필라멘트가 텐션로드 끝부분에 걸려 섬유가 끊어지고 손상되어 섬유량이 감소하는 문제가 발생했습니다. 이를 해결하기 위해 첫 번째 와인딩 단계 전에 폴에 몇 개의 플라스틱 캡을 제조 보조재로 사용했습니다. 그런 다음 내부 라미네이트가 제작되면 이 보호 캡을 제거하고 폴 끝부분의 모양을 다시 다듬은 후 최종 포장했습니다."
팀은 다양한 재건축 시나리오를 실험했습니다. 그레이스는 "주변을 둘러보는 사람들이 가장 잘 해냅니다."라고 말합니다. "또한, 프로토타입 제작 단계에서는 개조된 용접 도구를 사용하여 열을 가하고 타이로드 끝단의 모양을 변경했습니다. 대량 생산 컨셉에서는 하나의 더 큰 도구로 스트럿의 모든 끝단을 동시에 내부 마감 라미네이트로 성형하고 가공할 수 있습니다."
견인봉 헤드의 형상을 변경했습니다. TUM은 다양한 컨셉을 실험하고 용접부를 수정하여 복합재 타이의 끝단을 탱크 벽 라미네이트에 부착할 수 있도록 정렬했습니다. 이미지 출처: "브레이스를 갖춘 입방형 압력 용기 생산 공정 개발", 뮌헨 공과대학교, Polymers4Hydrogen 프로젝트, ECCM20, 2022년 6월.
따라서 라미네이트는 첫 번째 와인딩 단계 후 경화되고, 포스트는 재형성되며, TUM(Temperature Mill)이 필라멘트의 두 번째 와인딩을 완료한 후, 외부 탱크 벽 라미네이트가 두 번째 경화됩니다. 이 탱크는 유형 5 탱크 설계로, 가스 차단재 역할을 하는 플라스틱 라이너가 없습니다. 아래 "다음 단계" 섹션의 설명을 참조하십시오.
"첫 번째 데모를 횡단면으로 잘라 연결 부위를 매핑했습니다."라고 글레이스는 말했습니다. "확대 촬영 결과, 라미네이트에 품질 문제가 있었고, 스트럿 헤드가 내부 라미네이트에 평평하게 놓이지 않았습니다."
탱크 내벽과 외벽의 적층판 사이의 틈새 문제 해결. 변형된 타이로드 헤드는 실험 탱크의 첫 번째 턴과 두 번째 턴 사이에 틈새를 생성합니다. 이미지 출처: 뮌헨 공과대학교 LCC.
이 초기 450 x 290 x 80mm 탱크는 지난여름에 완성되었습니다. "그 이후로 많은 진전을 이루었지만, 여전히 내부와 외부 라미네이트 사이에 틈이 있습니다."라고 글레이스는 말했습니다. "그래서 깨끗하고 점도가 높은 수지로 그 틈을 메우려고 했습니다. 이렇게 하면 스터드와 라미네이트 사이의 연결이 개선되어 기계적 응력이 크게 증가합니다."
팀은 원하는 와인딩 패턴에 대한 솔루션을 포함하여 탱크 설계 및 공정 개발을 계속했습니다. "테스트 탱크의 측면은 완전히 말려 있지 않았습니다. 이러한 기하학적 구조로는 와인딩 경로를 생성하기가 어려웠기 때문입니다."라고 Glace는 설명했습니다. "처음 와인딩 각도는 75°였지만, 이 압력 용기의 하중을 감당하려면 여러 회로가 필요하다는 것을 알고 있었습니다. 우리는 여전히 이 문제에 대한 해결책을 찾고 있지만, 현재 시중에 나와 있는 소프트웨어로는 쉽지 않습니다. 후속 프로젝트가 될 수도 있습니다."
"이 생산 컨셉의 실현 가능성을 입증했습니다."라고 글레이스는 말합니다. "하지만 라미네이트 사이의 연결을 개선하고 타이로드의 모양을 바꾸기 위해 더 많은 작업이 필요합니다. 테스트 기계를 이용한 외부 테스트입니다. 라미네이트에서 스페이서를 꺼내 접합부가 견딜 수 있는 기계적 하중을 테스트합니다."
Polymers4Hydrogen 프로젝트의 이 부분은 2023년 말에 완료될 예정이며, Gleis는 그때쯤 두 번째 시범 탱크를 완성할 수 있기를 기대하고 있습니다. 흥미롭게도, 오늘날의 설계는 프레임에는 순수 강화 열가소성 플라스틱을, 탱크 벽에는 열경화성 복합재를 사용합니다. 이러한 하이브리드 방식이 최종 시범 탱크에도 적용될까요? "네." Grace가 말했습니다. "Polymers4Hydrogen 프로젝트의 파트너들은 더 나은 수소 차단 특성을 가진 에폭시 수지와 기타 복합 매트릭스 재료를 개발하고 있습니다." 그녀는 이 작업에 참여하는 두 파트너, PCCL과 탐페레 대학교(핀란드 탐페레)를 언급했습니다.
글라이스와 그녀의 팀은 또한 Jaeger와 정보를 교환하고 LCC 적응형 복합 탱크의 두 번째 HyDDen 프로젝트에 대한 아이디어를 논의했습니다.
Jaeger는 "연구용 드론용 등각 복합재 압력 용기를 생산할 예정입니다."라고 말했습니다. "이는 TUM-LCC 항공우주 및 측지학과와 헬리콥터 기술부(HT)의 두 부서가 협력하여 진행하는 프로젝트입니다. 이 프로젝트는 2024년 말까지 완료될 예정이며, 현재 압력 용기를 완성하고 있습니다. 항공우주 및 자동차 분야에 더 가까운 설계입니다. 이 초기 개념 단계 이후, 다음 단계는 상세한 구조 모델링을 수행하고 벽 구조의 방벽 성능을 예측하는 것입니다."
"전체 아이디어는 하이브리드 연료 전지와 배터리 추진 시스템을 갖춘 탐사용 드론을 개발하는 것입니다."라고 그는 덧붙였다. 이 드론은 고출력 부하(즉, 이륙과 착륙) 시에는 배터리를 사용하고, 저출력 순항 시에는 연료 전지로 전환할 것이다. "HT 팀은 이미 연구용 드론을 보유하고 있었고, 배터리와 연료 전지를 모두 사용할 수 있도록 파워트레인을 재설계했습니다."라고 예거는 말했다. "또한 이 변속기를 테스트하기 위해 CGH2 탱크도 구매했습니다."
"저희 팀은 원통형 탱크가 야기할 수 있는 포장 문제 때문에가 아니라, 딱 들어맞는 압력 탱크 프로토타입을 제작하는 임무를 맡았습니다."라고 그는 설명합니다. "평평한 탱크는 바람 저항이 적습니다. 그래서 비행 성능이 더 좋습니다." 탱크 크기는 약 830 x 350 x 173mm입니다.
완전히 열가소성 AFP 규격을 준수하는 탱크. HyDDen 프로젝트를 위해 TUM의 LCC 팀은 처음에는 Glace(위)에서 사용한 것과 유사한 접근 방식을 모색했지만, 이후 여러 구조 모듈을 조합하여 사용하는 방식으로 전환했습니다. 이후 AFP(아래)를 과도하게 사용했습니다. 이미지 출처: 뮌헨 공과대학교 LCC.
"한 가지 아이디어는 엘리자베스 [글라이스]의 접근 방식과 유사합니다."라고 야거는 말합니다. "높은 굽힘력을 보상하기 위해 용기 벽에 인장 브레이스를 적용하는 방식입니다. 하지만 탱크 제작에 와인딩 공정 대신 AFP(액체 연료 전지)를 사용합니다. 그래서 랙이 이미 통합된 압력 용기의 별도 구역을 만드는 것을 고려했습니다. 이 접근 방식 덕분에 여러 개의 통합 모듈을 결합한 후 최종 AFP 와인딩 전에 엔드 캡을 적용하여 모든 부분을 밀봉할 수 있었습니다."
"저희는 이러한 컨셉을 완성하려고 노력하고 있습니다."라고 그는 덧붙였다. "또한, 필요한 수소 가스 침투 저항성을 확보하는 데 매우 중요한 재료 선정에 대한 테스트를 시작하려고 합니다. 이를 위해 저희는 주로 열가소성 소재를 사용하고 있으며, 이 소재가 AFP 기계에서의 투과 거동과 가공에 어떤 영향을 미치는지 다양한 연구를 진행하고 있습니다. 처리가 영향을 미치는지, 그리고 후처리가 필요한지 파악하는 것이 중요합니다. 또한, 다양한 스택이 압력 용기를 통한 수소 투과에 영향을 미치는지도 알고 싶습니다."
탱크는 전적으로 열가소성 플라스틱으로 제작되며, 스트립은 테이진 카본 유럽(Teijin Carbon Europe GmbH, 독일 부퍼탈)에서 공급합니다. 야거(Yager)는 "우리는 테이진의 PPS(폴리페닐렌 설파이드), PEEK(폴리에테르 케톤), LM PAEK(저융점 폴리아릴 케톤) 소재를 사용할 것입니다."라고 말했습니다. "그런 다음, 어떤 소재가 관통 보호 및 더 나은 성능의 부품 생산에 가장 적합한지 비교합니다." 그는 내년 안에 테스트, 구조 및 공정 모델링, 그리고 첫 번째 시연을 완료할 계획입니다.
연구 작업은 연방기후변화, 환경, 에너지, 이동성, 혁신 및 기술부와 연방디지털기술 및 경제부의 COMET 프로그램 내 COMET 모듈 "Polymers4Hydrogen"(ID 21647053)에서 수행되었습니다. 저자는 참여 파트너인 Polymer Competence Center Leoben GmbH(PCCL, 오스트리아), Montanuniversitaet Leoben(고분자공학 및 과학부, 고분자재료화학과, 재료과학 및 고분자 시험과), University of Tampere(공학재료학부)에 감사드립니다. COMET-Modul은 오스트리아 정부와 슈타이어마르크 주 정부의 자금 지원을 받았습니다.
하중 지지 구조물용 사전 강화 시트에는 유리 섬유뿐만 아니라 탄소와 아라미드로 만든 연속 섬유가 포함되어 있습니다.
복합 소재 부품을 만드는 방법은 다양합니다. 따라서 특정 부품에 적합한 제작 방법을 선택하는 것은 소재, 부품 설계, 그리고 최종 용도 또는 적용 분야에 따라 달라집니다. 다음은 선택 가이드입니다.
Shocker Composites와 R&M International은 도축이 필요 없고 순수 섬유보다 비용이 낮은 재활용 탄소 섬유 공급망을 개발하고 있으며, 궁극적으로 구조적 특성 면에서 연속 섬유에 가까운 길이를 제공하게 될 것입니다.
게시 시간: 2023년 3월 15일