Стандардните резервоари со рамна платформа за BEV и FCEV користат термопластични и термореактивни композити со скелетна конструкција што овозможува 25% повеќе складирање на H2. #водород #трендови
Откако соработката со BMW покажа дека кубен резервоар може да испорача поголема волуметриска ефикасност од повеќе мали цилиндри, Техничкиот универзитет во Минхен започна проект за развој на композитна структура и скалабилен процес на производство за сериско производство. Фотографијата е заслужна: TU Dresden (горе) лево), Технички универзитет во Минхен, Оддел за јаглеродни композити (LCC)
Електричните возила со горивни ќелии (FCEV) напојувани со водород со нулта емисија (H2) обезбедуваат дополнителни средства за постигнување на нулти еколошки цели. Патнички автомобил со горивни ќелии со H2 мотор може да се наполни за 5-7 минути и има опсег од 500 км, но во моментов е поскап поради ниските количини на производство. Еден начин да се намалат трошоците е да се користи стандардна платформа за моделите BEV и FCEV. Ова во моментов не е можно бидејќи цилиндричните резервоари од тип 4 што се користат за складирање на компримиран H2 гас (CGH2) на 700 бари во FCEV не се соодветни за подвозјето на батериите кои се внимателно дизајнирани за електрични возила. Сепак, садовите под притисок во форма на перници и коцки можат да се вклопат во овој рамен простор за пакување.
Патент US5577630A за „Композитен конформен сад под притисок“, пријава поднесена од Thiokol Corp. во 1995 година (лево) и правоаголниот сад под притисок патентиран од BMW во 2009 година (десно).
Одделот за јаглеродни композити (LCC) на Техничкиот универзитет во Минхен (TUM, Минхен, Германија) е вклучен во два проекта за развој на овој концепт. Првиот е Polymers4Hydrogen (P4H), предводен од Центарот за компетенции за полимери во Леобен (PCCL, Леобен, Австрија). Работниот пакет за LCC го води соработничката Елизабет Глејс.
Вториот проект е Водородна демонстрациска и развојна средина (HyDDen), каде што LCC го води истражувачот Кристијан Јегер. И двата проекта имаат за цел да создадат демонстрација на процесот на производство на соодветен резервоар CGH2 со употреба на композити од јаглеродни влакна во голем обем.
Постои ограничена волуметриска ефикасност кога цилиндрите со мал дијаметар се инсталирани во рамни ќелии на батерии (лево) и кубни садови под притисок од тип 2 направени од челични облоги и надворешна обвивка од јаглеродни влакна/епоксиден композит (десно). Извор на слика: Сликите 3 и 6 се од „Нумерички пристап за дизајн на сад од кутија под притисок од тип II со внатрешни затегнувачки ногарки“ од Руф и Заремба и др.
P4H изработи експериментален резервоар во коцка кој користи термопластична рамка со композитни затегнувачки ремени/потпорни потпори завиткани во епоксидна смола зајакната со јаглеродни влакна. HyDDen ќе користи сличен дизајн, но ќе користи автоматско поставување на влакна (AFP) за производство на сите термопластични композитни резервоари.
Од патентната пријава на Thiokol Corp. за „Композитен конформен сад под притисок“ во 1995 година, до германскиот патент DE19749950C2 во 1997 година, садовите со компримиран гас „може да имаат каква било геометриска конфигурација“, но особено рамни и неправилни форми, во шуплина поврзана со носачот на обвивката. Се користат елементи за да можат да ја издржат силата на ширење на гасот.
Трудот од Националната лабораторија Лоренс Ливермор (LLNL) од 2006 година опишува три пристапи: конформен сад под притисок намотан со филаменти, сад под притисок од микрорешетка што содржи внатрешна орторомбична решеткаста структура (мали ќелии од 2 cm или помалку), опкружен со сад со тенки ѕидови од H2 и сад за репликација, кој се состои од внатрешна структура што се состои од залепени мали делови (на пр., шестоаголни пластични прстени) и состав од тенка надворешна обвивка. Дупликатните контејнери се најпогодни за поголеми контејнери каде што традиционалните методи може да бидат тешки за примена.
Патентот DE102009057170A поднесен од „Фолксваген“ во 2009 година опишува сад под притисок монтиран на возило кој ќе обезбеди висока ефикасност на тежината, а воедно ќе го подобри искористувањето на просторот. Правоаголните резервоари користат затегнувачки конектори помеѓу два правоаголни спротивни ѕида, а аглите се заоблени.
Горенаведените и други концепти се цитирани од Глајс во трудот „Развој на процеси за кубни садови под притисок со растегливи шипки“ од Глајс и сор. на ECCM20 (26-30 јуни 2022 година, Лозана, Швајцарија). Во овој напис, таа цитира студија на TUM објавена од Мајкл Руф и Свен Заремба, која открила дека кубниот сад под притисок со затегнувачки потпори што поврзуваат правоаголни страни е поефикасен од неколку мали цилиндри што се вклопуваат во просторот на рамна батерија, обезбедувајќи приближно 25% повеќе простор за складирање.
Според Глајс, проблемот со инсталирање на голем број мали цилиндри од тип 4 во рамно куќиште е тоа што „волуменот помеѓу цилиндрите е значително намален, а системот има и многу голема површина за продирање на гасот H2. Генерално, системот обезбедува помал капацитет за складирање отколку кубните тегли“.
Сепак, постојат и други проблеми со кубниот дизајн на резервоарот. „Очигледно, поради компримираниот гас, треба да се неутрализираат силите на свиткување на рамните ѕидови“, рече Глајс. „За ова, потребна е зајакната структура што се поврзува внатрешно со ѕидовите на резервоарот. Но, тоа е тешко да се направи со композити.“
Глејс и нејзиниот тим се обидоа да вградат армирачки затегнувачки шипки во садот под притисок на начин што би бил соодветен за процесот на намотување на филаментот. „Ова е важно за производство со голем обем“, објаснува таа, „а исто така ни овозможува да го дизајнираме моделот на намотување на ѕидовите на контејнерот за да ја оптимизираме ориентацијата на влакната за секое оптоварување во зоната“.
Четири чекори за изработка на пробен кубен композитен резервоар за проектот P4H. Фотографија: „Развој на производствен процес за кубни садови под притисок со потпора“, Технички универзитет во Минхен, проект Polymers4Hydrogen, ECCM20, јуни 2022 година.
За да се постигне поврзување на ланецот, тимот разви нов концепт кој се состои од четири главни чекори, како што е прикажано погоре. Затегнувачките потпори, прикажани со црна боја на чекорите, се префабрикувана рамковна структура изработена со употреба на методи преземени од проектот MAI Skelett. За овој проект, BMW разви „рамка“ за рамка на шофершајбната користејќи четири пултрузиони прачки зајакнати со влакна, кои потоа беа обликувани во пластична рамка.
Рамка на експериментален кубен резервоар. Шестоаголни скелетни пресеци 3D печатени од TUM со употреба на неармиран PLA филамент (горе), вметнување на CF/PA6 пултрузиони прачки како затегнувачки потпори (средина) и потоа обвиткување на филаментот околу потпорите (долу). Фотографија: Технички универзитет во Минхен LCC.
„Идејата е дека можете да ја изградите рамката на кубниот резервоар како модуларна структура“, рече Глејс. „Овие модули потоа се поставуваат во алатка за лиење, затегнувачките потпори се поставуваат во модулите на рамката, а потоа методот на МАИ Скелет се користи околу потпорите за да се интегрираат со деловите на рамката.“ метод на масовно производство, што резултира со структура која потоа се користи како трн или јадро за обвиткување на композитната обвивка на резервоарот за складирање.
TUM ја дизајнираше рамката на резервоарот како кубна „перница“ со цврсти страни, заоблени агли и шестоаголен модел на горниот и долниот дел преку кој може да се вметнат и прицврстат врвки. Дупките за овие решетки беа исто така печатени со 3D печатење. „За нашиот почетен експериментален резервоар, печатевме 3D шестоаголни делови од рамката користејќи полилактична киселина [PLA, био-базирана термопластика] бидејќи беше лесно и евтино“, рече Глејс.
Тимот купи 68 пултрудирани прачки од полиамид 6 (PA6) зајакнати со јаглеродни влакна од SGL Carbon (Мајтинген, Германија) за употреба како врвки. „За да го тестираме концептот, не направивме никакво обликување“, вели Глајс, „туку едноставно вметнавме одстојници во 3D печатена рамка со јадро во форма на саќе и ги залепивме со епоксиден лепак. Ова потоа обезбедува трн за намотување на резервоарот.“ Таа забележува дека иако овие прачки се релативно лесни за намотување, постојат некои значајни проблеми што ќе бидат опишани подоцна.
„Во првата фаза, нашата цел беше да ја демонстрираме производственоста на дизајнот и да ги идентификуваме проблемите во концептот на производство“, објасни Глајс. „Значи, затегнувачките потпори излегуваат од надворешната површина на скелетната структура, а ние ги прицврстуваме јаглеродните влакна на ова јадро користејќи намотување со влажни филаменти. После тоа, во третиот чекор, ја свиткуваме главата на секоја врзувачка прачка. термопластичен, па затоа само користиме топлина за да ја преобликуваме главата така што таа ќе се израмни и ќе се заклучи во првиот слој на обвивка. Потоа продолжуваме повторно да ја обвиткуваме структурата така што рамната потисна глава е геометриски затворена во резервоарот. ламинат на ѕидовите.
Капаче за одстојник за намотување. TUM користи пластични капачиња на краевите на затегнувачките прачки за да спречи заплеткување на влакната за време на намотувањето на филаментот. Фотографија: Технички универзитет во Минхен LCC.
Глејс повтори дека овој прв резервоар е доказ за концептот. „Употребата на 3D печатење и лепак беше само за почетно тестирање и ни даде идеја за неколку од проблемите со кои се соочивме. На пример, за време на намотувањето, филаментите беа зафатени од краевите на затегнувачките прачки, предизвикувајќи кинење на влакната, оштетување на влакната и намалување на количината на влакна за да се спротивставиме на ова. Користевме неколку пластични капачиња како помагала за производство кои беа поставени на столбовите пред првиот чекор на намотување. Потоа, кога беа направени внатрешните ламинати, ги отстранивме овие заштитни капачиња и ги преобликувавме краевите на столбовите пред конечното завиткување.“
Тимот експериментираше со различни сценарија за реконструкција. „Оние што разгледуваат наоколу работат најдобро“, вели Грејс. „Исто така, за време на фазата на прототипирање, користевме модифицирана алатка за заварување за да примениме топлина и да ги преобликуваме краевите на шипките за врзување. Во концептот за масовно производство, би имале една поголема алатка што може да ги обликува и обликува сите краеви на потпорните столбови во ламинат за внатрешна завршна обработка истовремено.“
Главите на влечните шипки се преобликувани. TUM експериментираше со различни концепти и ги модифицираше заварите за да ги усогласи краевите на композитните врски за прицврстување на ламинатот на ѕидот на резервоарот. Фотографија: „Развој на производствен процес за кубни садови под притисок со потпора“, Технички универзитет во Минхен, проект Polymers4Hydrogen, ECCM20, јуни 2022 година.
Така, ламинатот се стврднува по првиот чекор на намотување, столбовите се преобликуваат, TUM го завршува второто намотување на филаментите, а потоа ламинатот на надворешниот ѕид на резервоарот се стврднува по втор пат. Забележете дека ова е дизајн на резервоар од тип 5, што значи дека нема пластична обвивка како гасна бариера. Видете ја дискусијата во делот „Следни чекори“ подолу.
„Првата демонстрација ја исековме на попречни пресеци и ја мапиравме поврзаната област“, рече Глејс. „Крупниот план покажува дека имавме некои проблеми со квалитетот на ламинатот, бидејќи главите на потпорните плочи не лежеа рамно на внатрешниот ламинат.“
Решавање проблеми со празнини помеѓу ламинатот на внатрешниот и надворешниот ѕид на резервоарот. Модифицираната глава на врзувачката прачка создава празнина помеѓу првиот и вториот свиок на експерименталниот резервоар. Фотографија: Технички универзитет во Минхен LCC.
Овој почетен резервоар со димензии 450 x 290 x 80 мм беше завршен минатото лето. „Оттогаш постигнавме голем напредок, но сè уште имаме јаз помеѓу внатрешниот и надворешниот ламинат“, рече Глејс. „Затоа се обидовме да ги пополниме тие празнини со чиста смола со висок вискозитет. Ова всушност ја подобрува врската помеѓу столпчињата и ламинатот, што значително го зголемува механичкиот стрес.“
Тимот продолжи да го развива дизајнот и процесот на резервоарот, вклучувајќи решенија за посакуваниот модел на намотување. „Страните на тест резервоарот не беа целосно извиткани бидејќи беше тешко за оваа геометрија да се создаде патека на намотување“, објасни Глејс. „Нашиот почетен агол на намотување беше 75°, но знаевме дека се потребни повеќе кола за да се задоволи оптоварувањето во овој сад под притисок. Сè уште бараме решение за овој проблем, но не е лесно со софтверот што е моментално на пазарот. Може да стане следен проект.
„Докажавме изводливост на овој производствен концепт“, вели Глајс, „но треба дополнително да работиме на подобрување на врската помеѓу ламинатот и преобликување на врзувачките прачки. „Надворешно тестирање на машина за тестирање. Ги вадите одстојниците од ламинатот и ги тестирате механичките оптоварувања што тие споеви можат да ги издржат.“
Овој дел од проектот Polymers4Hydrogen ќе биде завршен на крајот на 2023 година, до кога Глаис се надева дека ќе го заврши вториот демонстративен резервоар. Интересно е што денешните дизајни користат уредни зајакнати термопластики во рамката и термореактивни композити во ѕидовите на резервоарот. Дали овој хибриден пристап ќе се користи во финалниот демонстративен резервоар? „Да“, рече Грејс. „Нашите партнери во проектот Polymers4Hydrogen развиваат епоксидни смоли и други композитни матрични материјали со подобри својства на водородна бариера.“ Таа наведува двајца партнери кои работат на оваа работа, PCCL и Универзитетот во Тампере (Тампере, Финска).
Глајс и нејзиниот тим, исто така, разменија информации и разговараа за идеи со Јегер за вториот проект HyDDen од конформниот композитен резервоар LCC.
„Ќе произведуваме конформен композитен сад под притисок за истражувачки дронови“, вели Јегер. „Ова е соработка помеѓу двата оддела на Одделот за воздухопловство и геодетска технологија на TUM – LCC и Одделот за хеликоптерска технологија (HT). Проектот ќе биде завршен до крајот на 2024 година и моментално го завршуваме садот под притисок. Дизајн кој е повеќе воздухопловен и автомобилски пристап. По оваа почетна фаза на концепт, следниот чекор е да се изврши детално структурно моделирање и да се предвидат бариерните перформанси на ѕидната структура.“
„Целата идеја е да се развие истражувачки дрон со хибриден систем за погон на горивни ќелии и батерии“, продолжи тој. Ќе ја користи батеријата за време на големи оптоварувања на енергија (т.е. полетување и слетување), а потоа ќе се префрли на горивни ќелии за време на крстарење со лесни оптоварувања. „HT тимот веќе имаше истражувачки дрон и го редизајнираше погонскиот склоп за да користи и батерии и горивни ќелии“, рече Јегер. „Тие исто така купија резервоар CGH2 за да го тестираат овој менувач.“
„На мојот тим му беше доделена задача да изгради прототип на резервоар под притисок кој би се вклопил, но не поради проблемите со пакувањето што би ги создал цилиндричен резервоар“, објаснува тој. „Порамниот резервоар не нуди толку голема отпорност на ветер. Така добивате подобри перформанси на летот.“ Димензии на резервоарот приближно 830 x 350 x 173 mm.
Целосно термопластичен резервоар во согласност со AFP. За проектот HyDDen, тимот за LCC на TUM првично истражуваше сличен пристап на оној што го користеше Glace (горе), но потоа се префрли на пристап што користи комбинација од неколку структурни модули, кои потоа беа премногу користени со AFP (долу). Фотографијата е кредитна картичка: Технички универзитет во Минхен LCC.
„Една идеја е слична на пристапот на Елизабет [Глајс]“, вели Јагер, „да се применат затегнувачки потпори на ѕидот на садот за да се компензираат високите сили на свиткување. Сепак, наместо да користиме процес на намотување за да го направиме резервоарот, ние користиме AFP. Затоа, размислувавме да создадеме посебен дел од садот под притисок, во кој полиците се веќе интегрирани. Овој пристап ми овозможи да комбинирам неколку од овие интегрирани модули, а потоа да применам крајна капа за да запечатам сè пред конечното AFP намотување.“
„Се обидуваме да го финализираме таков концепт“, продолжи тој, „и исто така да започнеме со тестирање на изборот на материјали, што е многу важно за да се обезбеди потребната отпорност на пенетрација на гасот H2. За ова, главно користиме термопластични материјали и работиме на различни начини како материјалот ќе влијае на ова однесување на пропустливост и обработка во машината AFP. Важно е да се разбере дали третманот ќе има ефект и дали е потребна некаква пост-обработка. Исто така, сакаме да знаеме дали различните оџаци ќе влијаат на пропустливоста на водородот низ садот под притисок.“
Резервоарот ќе биде целосно направен од термопластика, а лентите ќе ги испорача Teijin Carbon Europe GmbH (Вупертал, Германија). „Ќе ги користиме нивните материјали PPS [полифенилен сулфид], PEEK [полиетер кетон] и LM PAEK [полиарил кетон со ниска топење]“, рече Јагер. „Потоа се прават споредби за да се види кој е најдобар за заштита од пенетрација и производство на делови со подобри перформанси.“ Тој се надева дека ќе ги заврши тестирањето, структурното и процесното моделирање и првите демонстрации во текот на следната година.
Истражувачката работа беше спроведена во рамките на COMET модулот „Полимери4Водород“ (ID 21647053) во рамките на програмата COMET на Сојузното министерство за климатски промени, животна средина, енергетика, мобилност, иновации и технологија и Сојузното министерство за дигитална технологија и економија. Авторите им се заблагодаруваат на партнерите учесници Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL, Австрија), Montanuniversitaet Leoben (Факултет за полимерно инженерство и наука, Оддел за хемија на полимерни материјали, Оддел за наука за материјали и тестирање на полимери), Универзитет во Тампере (Факултет за инженерски материјали). Peak Technology и Faurecia кои придонесоа за оваа истражувачка работа. COMET-Modul е финансиран од владата на Австрија и владата на покраината Штаерска.
Претходно зајакнатите плочи за носечки конструкции содржат континуирани влакна – не само од стакло, туку и од јаглерод и арамид.
Постојат многу начини за изработка на композитни делови. Затоа, изборот на метод за одреден дел ќе зависи од материјалот, дизајнот на делот и крајната употреба или примена. Еве еден водич за избор.
„Shocker Composites“ и „R&M International“ развиваат синџир на снабдување со рециклирани јаглеродни влакна кој обезбедува нула колење, пониска цена од девствените влакна и на крајот ќе понуди должини кои се приближуваат до континуираните влакна во структурните својства.
Време на објавување: 15 март 2023 година