BEV 및 FCEV용 표준 플랫 플랫폼 탱크는 25% 더 많은 H2 저장을 제공하는 골격 구조의 열가소성 및 열경화성 복합 재료를 사용합니다.#수소 #트렌드
BMW와의 협업을 통해 입방형 탱크가 여러 개의 작은 실린더보다 더 높은 체적 효율성을 제공할 수 있음을 보여준 후, 뮌헨 공과대학은 연속 생산을 위한 복합 구조 및 확장 가능한 제조 프로세스를 개발하는 프로젝트에 착수했습니다.이미지 제공: TU Dresden(위) 왼쪽), 뮌헨 공과대학, 탄소복합학과(LCC)
무배출(H2) 수소로 구동되는 연료 전지 전기 자동차(FCEV)는 제로 환경 목표를 달성하기 위한 추가 수단을 제공합니다.H2 엔진을 탑재한 연료전지 승용차는 5~7분이면 충전이 가능하고 주행거리는 500km이지만 현재 생산량이 적어 가격이 더 비싸다.비용을 줄이는 한 가지 방법은 BEV 및 FCEV 모델에 표준 플랫폼을 사용하는 것입니다.이는 FCEV에서 700bar의 압축 H2 가스(CGH2)를 저장하는 데 사용되는 Type 4 원통형 탱크가 전기 자동차용으로 세심하게 설계된 차체 하부 배터리 구획에 적합하지 않기 때문에 현재로서는 불가능합니다.그러나 베개와 정육면체 형태의 압력 용기는 이 평평한 포장 공간에 들어갈 수 있습니다.
1995년 Thiokol Corp.이 출원한 "복합 컨포멀 압력 용기"에 대한 특허 US5577630A(왼쪽)와 2009년 BMW가 특허를 취득한 직사각형 압력 용기(오른쪽).
뮌헨 공과대학(TUM, 독일 뮌헨)의 탄소 복합재학과(LCC)는 이 개념을 개발하기 위한 두 가지 프로젝트에 참여하고 있습니다.첫 번째는 Leoben Polymer Competence Center(PCCL, Leoben, 오스트리아)가 이끄는 Polymers4Hydrogen(P4H)입니다.LCC 작업 패키지는 Fellow Elizabeth Glace가 이끌고 있습니다.
두 번째 프로젝트는 Christian Jaeger 연구원이 LCC를 이끄는 HyDDen(수소 시연 및 개발 환경)입니다.둘 다 탄소 섬유 복합 재료를 사용하여 적합한 CGH2 탱크를 만들기 위한 제조 공정의 대규모 시연을 만드는 것을 목표로 합니다.
작은 직경의 실린더가 평평한 배터리 셀(왼쪽)과 강철 라이너와 탄소 섬유/에폭시 복합 외부 쉘로 만들어진 입방체 유형 2 압력 용기(오른쪽)에 설치될 때 체적 효율이 제한됩니다.이미지 출처: 그림 3 및 6은 Ruf 및 Zaremba 등의 "내부 인장 레그가 있는 유형 II 압력 상자 용기에 대한 수치 설계 접근법"에서 가져온 것입니다.
P4H는 탄소 섬유 강화 에폭시로 감싼 합성 인장 스트랩/스트럿이 있는 열가소성 프레임을 사용하는 실험용 큐브 탱크를 제작했습니다.HyDDen은 유사한 디자인을 사용하지만 자동 섬유 레이업(AFP)을 사용하여 모든 열가소성 수지 복합 탱크를 제조할 것입니다.
1995년 "복합 컨포멀 압력 용기"에 대한 Thiokol Corp.의 특허 출원에서 1997년 독일 특허 DE19749950C2에 이르기까지 압축 가스 용기는 "모든 기하학적 구성을 가질 수 있지만" 쉘 지지대에 연결된 공동에서 특히 평평하고 불규칙한 모양을 가질 수 있습니다. .요소는 가스의 팽창력을 견딜 수 있도록 사용됩니다.
2006년 로렌스 리버모어 국립 연구소(LLNL) 논문은 세 가지 접근 방식을 설명합니다. 필라멘트로 감긴 등각 압력 용기, 내부 사방 정계 격자 구조(2cm 이하의 작은 셀)를 포함하는 미세 격자 압력 용기, 벽이 얇은 H2 컨테이너로 둘러싸여 있습니다. 및 접착된 작은 부품(예: 육각형 플라스틱 링)으로 구성된 내부 구조와 얇은 외피 구성으로 구성된 복제기 컨테이너.중복 컨테이너는 기존 방법을 적용하기 어려울 수 있는 더 큰 컨테이너에 가장 적합합니다.
2009년 폭스바겐이 제출한 특허 DE102009057170A는 공간 활용도를 개선하면서 높은 중량 효율을 제공할 차량 탑재 압력 용기를 설명합니다.직사각형 탱크는 두 개의 직사각형 반대편 벽 사이에 장력 커넥터를 사용하고 모서리는 둥글다.
위와 다른 개념은 Gleiss 등이 작성한 "스트레치 바가 있는 입방체 압력 용기를 위한 프로세스 개발" 논문에서 Gleiss가 인용한 것입니다.ECCM20(2022년 6월 26-30일, 스위스 로잔)에서.이 기사에서 그녀는 Michael Roof와 Sven Zaremba가 발표한 TUM 연구를 인용하여 장방형 측면을 연결하는 장력 스트럿이 있는 입방체 압력 용기가 플랫 배터리의 공간에 맞는 몇 개의 작은 실린더보다 더 효율적이라는 것을 발견했습니다. % 더.저장 공간.
Gleiss에 따르면 평평한 케이스에 소형 4형 실린더를 다수 설치하는 문제는 “실린더 사이의 부피가 크게 줄어들고 시스템도 매우 큰 H2 가스 투과 표면을 갖게 됩니다.전반적으로 이 시스템은 큐빅 병보다 적은 저장 용량을 제공합니다.”
그러나 탱크의 입방체 디자인에는 다른 문제가 있습니다."확실히 압축 가스 때문에 평평한 벽에 가해지는 굽힘력에 대응해야 합니다."라고 Gleiss는 말했습니다.“이를 위해서는 내부적으로 탱크 벽에 연결되는 강화 구조가 필요합니다.하지만 복합 재료로는 어렵습니다.”
Glace와 그녀의 팀은 필라멘트 와인딩 프로세스에 적합한 방식으로 강화 텐션 바를 압력 용기에 통합하려고 했습니다."이것은 대량 생산에 중요합니다."라고 그녀는 설명합니다. "또한 컨테이너 벽의 와인딩 패턴을 설계하여 구역의 각 적재물에 대한 섬유 방향을 최적화할 수 있습니다."
P4H 프로젝트를 위한 시험 입방체 복합 탱크를 만드는 4단계.이미지 제공: "버팀대가 있는 입방형 압력 용기의 생산 공정 개발", 뮌헨 공과대학, Polymers4Hydrogen 프로젝트, ECCM20, 2022년 6월.
온체인을 달성하기 위해 팀은 위와 같이 네 가지 주요 단계로 구성된 새로운 개념을 개발했습니다.계단에 검은색으로 표시된 텐션 스트럿은 MAI Skelett 프로젝트에서 가져온 방법을 사용하여 제작된 조립식 프레임 구조입니다.이 프로젝트를 위해 BMW는 4개의 섬유 강화 인발 막대를 사용하여 앞유리 프레임 "프레임워크"를 개발한 다음 플라스틱 프레임으로 성형했습니다.
실험용 큐빅 탱크의 프레임.강화되지 않은 PLA 필라멘트(상단)를 사용하여 TUM에서 3D로 인쇄한 육각형 골격 섹션, 인장 브레이스로 CF/PA6 인발 봉을 삽입한 다음(중간) 필라멘트를 브레이스 주위에 감쌉니다(하단).이미지 제공: 뮌헨 기술 대학교 LCC.
"아이디어는 입방체 탱크의 프레임을 모듈식 구조로 만들 수 있다는 것입니다."라고 Glace는 말했습니다."그런 다음 이 모듈을 몰딩 도구에 배치하고 장력 스트럿을 프레임 모듈에 배치한 다음 MAI Skelett의 방법을 스트럿 주위에 사용하여 프레임 부품과 통합합니다."대량 생산 방법으로 저장 탱크 복합 쉘을 감싸기 위한 맨드릴 또는 코어로 사용되는 구조가 생성됩니다.
TUM은 탱크 프레임을 단단한 측면, 둥근 모서리, 넥타이를 삽입하고 부착할 수 있는 상단과 하단의 육각형 패턴이 있는 입방체 "쿠션"으로 설계했습니다.이 랙의 구멍도 3D로 인쇄되었습니다."초기 실험용 탱크의 경우 쉽고 저렴하기 때문에 폴리락트산[바이오 기반 열가소성 수지인 PLA]을 사용하여 육각형 프레임 섹션을 3D 프린팅했습니다."라고 Glace는 말했습니다.
팀은 타이로 사용하기 위해 SGL Carbon(독일 마이팅겐)에서 68개의 인발 성형 탄소 섬유 강화 폴리아미드 6(PA6) 막대를 구입했습니다.Gleiss는 "개념을 테스트하기 위해 몰딩을 하지 않았습니다. 하지만 단순히 스페이서를 3D 프린트된 허니컴 코어 프레임에 삽입하고 에폭시 접착제로 붙였습니다.그런 다음 탱크를 감는 맨드릴을 제공합니다.”그녀는 이러한 로드가 상대적으로 감기기 쉽지만 나중에 설명할 몇 가지 중요한 문제가 있다고 지적합니다.
"첫 번째 단계에서 우리의 목표는 설계의 제조 가능성을 입증하고 생산 개념의 문제를 식별하는 것이었습니다."라고 Gleiss는 설명했습니다.“그래서 인장 스트럿이 골격 구조의 외부 표면에서 돌출되고 습식 필라멘트 와인딩을 사용하여 탄소 섬유를 이 코어에 부착합니다.그 후 세 번째 단계에서 각 타이로드의 헤드를 구부립니다.열가소성 수지이므로 열을 사용하여 헤드의 모양을 변경하여 첫 번째 랩핑 레이어에 평평하고 고정되도록 합니다.그런 다음 평면 스러스트 헤드가 탱크 내에 기하학적으로 둘러싸이도록 구조물을 다시 감싸는 작업을 진행합니다.벽에 라미네이트.
와인딩용 스페이서 캡.TUM은 장력 막대 끝에 플라스틱 캡을 사용하여 필라멘트 와인딩 중에 섬유가 엉키는 것을 방지합니다.이미지 제공: 뮌헨 기술 대학교 LCC.
Glace는 이 첫 번째 탱크가 개념 증명이라고 반복했습니다.“3D 프린팅과 접착제의 사용은 초기 테스트에만 사용되었으며 우리가 직면한 몇 가지 문제에 대한 아이디어를 제공했습니다.예를 들어, 와인딩 중에 필라멘트가 텐션 로드의 끝단에 걸려 섬유 파손, 섬유 손상을 일으키고 이에 대응하기 위해 섬유의 양을 줄였습니다.우리는 첫 번째 와인딩 단계 전에 폴에 배치된 제조 보조 도구로 몇 개의 플라스틱 캡을 사용했습니다. 그런 다음 내부 라미네이트가 만들어지면 이 보호 캡을 제거하고 최종 포장 전에 폴의 끝 모양을 다시 만들었습니다.”
팀은 다양한 재구성 시나리오를 실험했습니다.Grace는 “주변을 둘러보는 사람이 가장 일을 잘합니다.”라고 말합니다.“또한 시제품 제작 단계에서 수정된 용접 도구를 사용하여 열을 가하고 타이 로드 끝의 모양을 변경했습니다.대량 생산 개념에서는 스트러트의 모든 끝을 동시에 내부 마감 라미네이트로 형성하고 형성할 수 있는 하나의 더 큰 도구를 갖게 됩니다..”
드로바 헤드의 모양이 변경되었습니다.TUM은 다양한 개념을 실험하고 용접부를 수정하여 탱크 벽 라미네이트에 부착하기 위해 합성 타이의 끝을 정렬했습니다.이미지 제공: "버팀대가 있는 입방형 압력 용기의 생산 공정 개발", 뮌헨 공과대학, Polymers4Hydrogen 프로젝트, ECCM20, 2022년 6월.
따라서 라미네이트는 첫 번째 와인딩 단계 후에 경화되고 포스트는 재성형되며 TUM은 필라멘트의 두 번째 와인딩을 완료한 다음 외부 탱크 벽 라미네이트가 두 번째로 경화됩니다.이것은 유형 5 탱크 설계이므로 가스 장벽으로 플라스틱 라이너가 없음을 의미합니다.아래의 다음 단계 섹션에서 논의를 참조하십시오.
"우리는 첫 번째 데모를 횡단면으로 자르고 연결된 영역을 매핑했습니다."라고 Glace는 말했습니다."클로즈업을 보면 스트럿 헤드가 내부 라미네이트에 평평하게 놓이지 않는 등 라미네이트에 몇 가지 품질 문제가 있음을 알 수 있습니다."
탱크 내벽과 외벽의 라미네이트 사이의 틈 문제 해결.수정된 타이로드 헤드는 실험 탱크의 첫 번째 회전과 두 번째 회전 사이에 간격을 만듭니다.이미지 제공: 뮌헨 기술 대학교 LCC.
이 초기 450 x 290 x 80mm 탱크는 지난 여름에 완성되었습니다.“그 이후로 우리는 많은 진전을 이루었지만 여전히 내부와 외부 라미네이트 사이에 격차가 있습니다.”라고 Glace는 말했습니다.“그래서 우리는 그 틈을 깨끗하고 점도가 높은 수지로 채우려고 했습니다.이것은 실제로 스터드와 라미네이트 사이의 연결을 개선하여 기계적 응력을 크게 증가시킵니다.”
팀은 원하는 와인딩 패턴에 대한 솔루션을 포함하여 탱크 설계 및 공정을 계속해서 개발했습니다.Glace는 “테스트 탱크의 측면이 완전히 구부러지지 않았습니다. 왜냐하면 이 형상으로는 구불구불한 경로를 만들기가 어려웠기 때문입니다.”라고 설명했습니다.“초기 감기 각도는 75°였지만 이 압력 용기의 부하를 충족하려면 여러 회로가 필요하다는 것을 알고 있었습니다.우리는 여전히 이 문제에 대한 해결책을 찾고 있지만 현재 시장에 나와 있는 소프트웨어로는 쉽지 않습니다.후속 프로젝트가 될 수 있습니다.
"우리는 이 생산 개념의 실현 가능성을 입증했습니다."라고 Gleiss는 말합니다.“테스트 머신에서 외부 테스트.라미네이트에서 스페이서를 빼내고 해당 조인트가 견딜 수 있는 기계적 부하를 테스트합니다.”
Polymers4Hydrogen 프로젝트의 이 부분은 2023년 말에 완료될 예정이며, 이때 Gleis는 두 번째 데모 탱크를 완료하기를 희망합니다.흥미롭게도 오늘날 설계는 프레임에 깔끔한 강화 열가소성 수지를 사용하고 탱크 벽에 열경화성 복합 재료를 사용합니다.이 하이브리드 방식이 최종 데모 탱크에 사용됩니까?"네." 그레이스가 말했다."Polymers4Hydrogen 프로젝트의 파트너는 더 나은 수소 차단 특성을 가진 에폭시 수지 및 기타 복합 매트릭스 재료를 개발하고 있습니다."그녀는 이 작업에 참여하는 두 파트너인 PCCL과 University of Tampere(핀란드 탐페레)를 나열합니다.
Gleiss와 그녀의 팀은 또한 정보를 교환하고 LCC 컨포멀 복합 탱크의 두 번째 HyDDen 프로젝트에 대해 Jaeger와 아이디어를 논의했습니다.
"우리는 연구용 드론을 위한 등각 복합 압력 용기를 생산할 것입니다."라고 Jaeger는 말합니다.“이는 TUM – LCC의 항공우주 및 측지 부서와 헬리콥터 기술부(HT)의 두 부서 간의 협력입니다.이 프로젝트는 2024년 말까지 완료될 예정이며 현재 압력 용기를 완성하고 있습니다.항공 우주 및 자동차 접근 방식에 더 가까운 디자인입니다.이 초기 개념 단계 후 다음 단계는 상세한 구조 모델링을 수행하고 벽 구조의 장벽 성능을 예측하는 것입니다.”
"전체 아이디어는 하이브리드 연료 전지와 배터리 추진 시스템을 갖춘 탐사용 드론을 개발하는 것입니다."라고 그는 계속했습니다.고출력 부하(즉, 이륙 및 착륙) 중에는 배터리를 사용하고 경부하 순항 중에는 연료 전지로 전환합니다."HT 팀은 이미 연구용 드론을 가지고 있었고 배터리와 연료 전지를 모두 사용하도록 파워트레인을 재설계했습니다."라고 Yeager는 말했습니다."또한 이 변속기를 테스트하기 위해 CGH2 탱크도 구입했습니다."
"저희 팀은 딱 맞는 압력 탱크 프로토타입을 제작해야 했지만 원통형 탱크가 만들 수 있는 포장 문제 때문이 아니었습니다."라고 그는 설명합니다.“평평한 탱크는 그만큼의 바람 저항을 제공하지 않습니다.따라서 더 나은 비행 성능을 얻을 수 있습니다.”탱크 치수 약.830 x 350 x 173mm.
완전 열가소성 AFP 준수 탱크.HyDDen 프로젝트의 경우 TUM의 LCC 팀은 처음에 Glace(위)에서 사용하는 것과 유사한 접근 방식을 탐색했지만 이후 AFP(아래)를 사용하여 남용된 몇 가지 구조 모듈 조합을 사용하는 접근 방식으로 이동했습니다.이미지 제공: 뮌헨 기술 대학교 LCC.
"한 가지 아이디어는 Elisabeth [Gleiss의] 접근 방식과 유사합니다."라고 Yager는 말합니다.그러나 와인딩 공정을 사용하여 탱크를 만드는 대신 AFP를 사용합니다.따라서 우리는 랙이 이미 통합된 압력 용기의 별도 섹션을 만드는 것을 고려했습니다.이 접근 방식을 통해 여러 통합 모듈을 결합한 다음 엔드 캡을 적용하여 최종 AFP 와인딩 전에 모든 것을 밀봉할 수 있었습니다.”
"우리는 그러한 개념을 완성하려고 노력하고 있습니다."라고 그는 계속 말했습니다. "또한 H2 가스 침투에 필요한 저항을 보장하는 데 매우 중요한 재료 선택 테스트를 시작합니다.이를 위해 우리는 주로 열가소성 재료를 사용하며 재료가 AFP 기계에서 이러한 침투 거동 및 처리에 어떤 영향을 미칠지에 대해 다양한 연구를 하고 있습니다.치료가 효과가 있는지, 후처리가 필요한지 이해하는 것이 중요합니다.우리는 또한 서로 다른 스택이 압력 용기를 통한 수소 침투에 영향을 미치는지 알고 싶습니다.”
탱크는 전체가 열가소성 수지로 만들어지며 스트립은 Teijin Carbon Europe GmbH(독일 부퍼탈)에서 공급됩니다."우리는 그들의 PPS[폴리페닐렌 설파이드], PEEK[폴리에테르 케톤] 및 LM PAEK[저융점 폴리아릴 케톤] 재료를 사용할 것입니다."라고 Yager는 말했습니다."그런 다음 어느 것이 관통 보호에 가장 적합한지 비교하고 더 나은 성능으로 부품을 생산합니다."그는 테스트, 구조 및 프로세스 모델링을 완료하고 내년에 첫 시연을 하기를 희망합니다.
연구 작업은 연방 기후 변화, 환경, 에너지, 이동성, 혁신 및 기술부와 연방 디지털 기술 및 경제부의 COMET 프로그램 내 COMET 모듈 "Polymers4Hydrogen"(ID 21647053) 내에서 수행되었습니다..저자는 참여 파트너인 Polymer Competence Center Leoben GmbH(오스트리아 PCCL), Montanuniversitaet Leoben(고분자 공학 및 과학 학부, 고분자 재료 화학과, 재료 과학 및 고분자 테스트학과), 탐페레 대학교(공학부)에 감사드립니다. 재료).) Science), Peak Technology 및 Faurecia가 이 연구 작업에 기여했습니다.COMET-Modul은 오스트리아 정부와 스티리아 주 정부의 자금 지원을 받습니다.
내하중 구조용 사전 강화 시트에는 유리뿐만 아니라 탄소 및 아라미드 섬유도 연속 섬유로 구성되어 있습니다.
복합 부품을 만드는 방법에는 여러 가지가 있습니다.따라서 특정 부품에 대한 방법 선택은 재료, 부품 설계 및 최종 용도 또는 응용 프로그램에 따라 달라집니다.다음은 선택 가이드입니다.
Shocker Composites와 R&M International은 도살이 없고 처녀 섬유보다 비용이 적게 드는 재활용 탄소 섬유 공급망을 개발하고 있으며 궁극적으로 구조적 특성에서 연속 섬유에 접근하는 길이를 제공할 것입니다.
게시 시간: 2023년 3월 15일