Tangki platform rata standard untuk BEV dan FCEV menggunakan komposit termoplastik dan termoset dengan binaan rangka yang menyediakan 25% lebih banyak penyimpanan H2. #hidrogen #trends
Selepas kerjasama dengan BMW menunjukkan bahawa tangki padu boleh memberikan kecekapan volumetrik yang lebih tinggi daripada berbilang silinder kecil, Universiti Teknikal Munich memulakan projek untuk membangunkan struktur komposit dan proses pembuatan berskala untuk pengeluaran bersiri. Kredit imej: TU Dresden (atas) kiri), Universiti Teknikal Munich, Jabatan Komposit Karbon (LCC)
Kenderaan elektrik sel bahan api (FCEV) yang dikuasakan oleh hidrogen sifar pelepasan (H2) menyediakan cara tambahan untuk mencapai sasaran alam sekitar sifar. Sebuah kereta penumpang sel bahan api dengan enjin H2 boleh diisi dalam masa 5-7 minit dan mempunyai jarak tempuh 500 km, tetapi kini lebih mahal disebabkan oleh jumlah pengeluaran yang rendah. Salah satu cara untuk mengurangkan kos adalah dengan menggunakan platform standard untuk model BEV dan FCEV. Ini pada masa ini tidak mungkin kerana tangki silinder Jenis 4 yang digunakan untuk menyimpan gas H2 termampat (CGH2) pada 700 bar dalam FCEV tidak sesuai untuk petak bateri bawah badan yang telah direka bentuk dengan teliti untuk kenderaan elektrik. Walau bagaimanapun, bekas tekanan dalam bentuk bantal dan kiub boleh dimuatkan ke dalam ruang pembungkusan rata ini.
Paten US5577630A untuk “Bejana Tekanan Konformal Komposit”, permohonan yang difailkan oleh Thiokol Corp. pada tahun 1995 (kiri) dan bekas tekanan segi empat tepat yang dipatenkan oleh BMW pada tahun 2009 (kanan).
Jabatan Komposit Karbon (LCC) Universiti Teknikal Munich (TUM, Munich, Jerman) terlibat dalam dua projek untuk membangunkan konsep ini. Yang pertama ialah Polimer4Hidrogen (P4H), yang diketuai oleh Pusat Kecekapan Polimer Leoben (PCCL, Leoben, Austria). Pakej kerja LCC diketuai oleh Felo Elizabeth Glace.
Projek kedua ialah Demonstrasi Hidrogen dan Persekitaran Pembangunan (HyDDen), di mana LCC diketuai oleh Penyelidik Christian Jaeger. Kedua-duanya bertujuan untuk mencipta demonstrasi berskala besar proses pembuatan bagi membuat tangki CGH2 yang sesuai menggunakan komposit gentian karbon.
Terdapat kecekapan volumetrik yang terhad apabila silinder berdiameter kecil dipasang dalam sel bateri rata (kiri) dan bekas tekanan jenis 2 kubik yang diperbuat daripada pelapik keluli dan cangkerang luar komposit gentian karbon/epoksi (kanan). Sumber Imej: Rajah 3 dan 6 adalah daripada “Pendekatan Reka Bentuk Berangka untuk Bekas Kotak Tekanan Jenis II dengan Kaki Ketegangan Dalaman” oleh Ruf dan Zaremba et al.
P4H telah menghasilkan tangki kiub eksperimental yang menggunakan rangka termoplastik dengan tali/topang tegangan komposit yang dibalut dengan epoksi bertetulang gentian karbon. HyDDen akan menggunakan reka bentuk yang serupa, tetapi akan menggunakan susun atur gentian automatik (AFP) untuk mengeluarkan semua tangki komposit termoplastik.
Daripada permohonan paten oleh Thiokol Corp. kepada “Bejana Tekanan Konformal Komposit” pada tahun 1995 kepada Paten Jerman DE19749950C2 pada tahun 1997, bekas gas termampat “mungkin mempunyai sebarang konfigurasi geometri”, terutamanya bentuk rata dan tidak sekata, dalam rongga yang disambungkan kepada sokongan cangkerang. Unsur-unsur digunakan supaya ia dapat menahan daya pengembangan gas.
Satu kertas kerja Makmal Kebangsaan Lawrence Livermore (LLNL) 2006 menerangkan tiga pendekatan: bekas tekanan konformal lilitan filamen, bekas tekanan mikrokisi yang mengandungi struktur kekisi ortorombik dalaman (sel kecil 2 cm atau kurang), dikelilingi oleh bekas H2 berdinding nipis, dan bekas replikator, yang terdiri daripada struktur dalaman yang terdiri daripada bahagian kecil yang dilekatkan (contohnya, cincin plastik heksagon) dan komposisi kulit cangkerang luar yang nipis. Bekas pendua paling sesuai untuk bekas yang lebih besar di mana kaedah tradisional mungkin sukar untuk digunakan.
Paten DE102009057170A yang difailkan oleh Volkswagen pada tahun 2009 menerangkan sebuah bekas tekanan yang dipasang pada kenderaan yang akan memberikan kecekapan berat yang tinggi sambil meningkatkan penggunaan ruang. Tangki segi empat tepat menggunakan penyambung tegangan antara dua dinding segi empat tepat yang bertentangan, dan sudutnya dibulatkan.
Konsep-konsep di atas dan konsep-konsep lain dipetik oleh Gleiss dalam kertas kerja “Pembangunan Proses untuk Bekas Tekanan Kubik dengan Bar Regangan” oleh Gleiss et al. di ECCM20 (26-30 Jun 2022, Lausanne, Switzerland). Dalam artikel ini, beliau memetik kajian TUM yang diterbitkan oleh Michael Roof dan Sven Zaremba, yang mendapati bahawa bekas tekanan kubik dengan topang tegangan yang menghubungkan sisi segi empat tepat adalah lebih cekap daripada beberapa silinder kecil yang muat ke dalam ruang bateri yang rata, menyediakan kira-kira 25% lebih banyak ruang penyimpanan.
Menurut Gleiss, masalah dengan memasang sebilangan besar silinder jenis 4 kecil dalam bekas rata ialah “isipadu antara silinder berkurangan dengan ketara dan sistem ini juga mempunyai permukaan penyerapan gas H2 yang sangat besar. Secara keseluruhan, sistem ini menyediakan kapasiti penyimpanan yang lebih rendah berbanding balang kubik.”
Walau bagaimanapun, terdapat masalah lain dengan reka bentuk kubik tangki tersebut. “Sudah tentu, disebabkan oleh gas termampat, anda perlu mengatasi daya lenturan pada dinding rata,” kata Gleiss. “Untuk ini, anda memerlukan struktur bertetulang yang bersambung secara dalaman ke dinding tangki. Tetapi itu sukar dilakukan dengan komposit.”
Glace dan pasukannya cuba memasukkan bar tegangan pengukuh ke dalam bekas tekanan dengan cara yang sesuai untuk proses penggulungan filamen. “Ini penting untuk pengeluaran volum tinggi,” jelasnya, “dan juga membolehkan kami mereka bentuk corak penggulungan dinding kontena untuk mengoptimumkan orientasi gentian bagi setiap beban dalam zon tersebut.”
Empat langkah untuk membuat tangki komposit kubik percubaan untuk projek P4H. Kredit imej: “Pembangunan proses pengeluaran untuk bekas tekanan kubik dengan pendakap”, Universiti Teknikal Munich, projek Polymers4Hydrogen, ECCM20, Jun 2022.
Untuk mencapai on-chain, pasukan ini telah membangunkan konsep baharu yang terdiri daripada empat langkah utama, seperti yang ditunjukkan di atas. Topang tegangan, yang ditunjukkan dalam warna hitam pada anak tangga, ialah struktur rangka pasang siap yang difabrikasi menggunakan kaedah yang diambil daripada projek MAI Skelett. Untuk projek ini, BMW membangunkan "rangka" rangka cermin depan menggunakan empat rod pultrusion bertetulang gentian, yang kemudiannya dibentuk menjadi rangka plastik.
Kerangka tangki kubik eksperimen. Keratan rangka heksagon dicetak 3D oleh TUM menggunakan filamen PLA tanpa tetulang (atas), memasukkan rod pultrusi CF/PA6 sebagai pendakap tegangan (tengah) dan kemudian membalut filamen di sekeliling pendakap (bawah). Kredit imej: Universiti Teknikal Munich LCC.
“Ideanya ialah anda boleh membina rangka tangki padu sebagai struktur modular,” kata Glace. “Modul-modul ini kemudiannya diletakkan dalam alat pengacuan, topang tegangan diletakkan dalam modul rangka, dan kemudian kaedah MAI Skelett digunakan di sekitar topang untuk mengintegrasikannya dengan bahagian rangka.” kaedah pengeluaran besar-besaran, menghasilkan struktur yang kemudiannya digunakan sebagai mandrel atau teras untuk membalut cangkerang komposit tangki simpanan.
TUM mereka bentuk rangka tangki sebagai "kusyen" kubik dengan sisi pepejal, sudut bulat dan corak heksagon di bahagian atas dan bawah yang boleh dimasukkan dan dipasang melaluinya. Lubang untuk rak ini juga dicetak 3D. "Untuk tangki eksperimen awal kami, kami mencetak 3D bahagian rangka heksagon menggunakan asid polilaktik [PLA, termoplastik berasaskan bio] kerana ia mudah dan murah," kata Glace.
Pasukan itu membeli 68 batang poliamida 6 (PA6) bertetulang gentian karbon berpultrud daripada SGL Carbon (Meitingen, Jerman) untuk digunakan sebagai pengikat. “Untuk menguji konsep ini, kami tidak melakukan sebarang pengacuan,” kata Gleiss, “tetapi hanya memasukkan spacer ke dalam bingkai teras sarang lebah bercetak 3D dan melekatkannya dengan gam epoksi. Ini kemudian menyediakan mandrel untuk menggulung tangki.” Beliau menyatakan bahawa walaupun batang ini agak mudah digulung, terdapat beberapa masalah ketara yang akan dihuraikan kemudian.
“Pada peringkat pertama, matlamat kami adalah untuk menunjukkan kebolehkilangan reka bentuk dan mengenal pasti masalah dalam konsep pengeluaran,” jelas Gleiss. “Jadi topang tegangan menonjol dari permukaan luar struktur rangka, dan kami melekatkan gentian karbon pada teras ini menggunakan lilitan filamen basah. Selepas itu, dalam langkah ketiga, kami membengkokkan kepala setiap rod pengikat. termoplastik, jadi kami hanya menggunakan haba untuk membentuk semula kepala supaya ia merata dan terkunci pada lapisan pertama pembalut. Kemudian kami terus membalut struktur sekali lagi supaya kepala tujahan rata tertutup secara geometri di dalam tangki. lamina pada dinding.
Penutup ruang untuk penggulungan. TUM menggunakan penutup plastik pada hujung rod tegangan untuk mengelakkan gentian daripada kusut semasa penggulungan filamen. Kredit imej: Universiti Teknikal Munich LCC.
Glace mengulangi bahawa tangki pertama ini merupakan bukti konsep. “Penggunaan percetakan 3D dan gam hanyalah untuk ujian awal dan memberi kami gambaran tentang beberapa masalah yang kami hadapi. Contohnya, semasa penggulungan, filamen tersangkut pada hujung rod tegangan, menyebabkan kerosakan gentian, kerosakan gentian, dan mengurangkan jumlah gentian untuk mengatasinya. Kami menggunakan beberapa penutup plastik sebagai alat bantu pembuatan yang diletakkan pada tiang sebelum langkah penggulungan pertama. Kemudian, apabila lamina dalaman dibuat, kami menanggalkan penutup pelindung ini dan membentuk semula hujung tiang sebelum pembalut akhir.”
Pasukan ini telah bereksperimen dengan pelbagai senario pembinaan semula. “Mereka yang melihat sekeliling adalah yang terbaik dalam kerja,” kata Grace. “Selain itu, semasa fasa prototaip, kami menggunakan alat kimpalan yang diubah suai untuk menggunakan haba dan membentuk semula hujung rod pengikat. Dalam konsep pengeluaran besar-besaran, anda akan mempunyai satu alat yang lebih besar yang boleh membentuk dan membentuk semua hujung topang menjadi lamina kemasan dalaman pada masa yang sama. .”
Kepala palang penarik dibentuk semula. TUM telah bereksperimen dengan konsep yang berbeza dan mengubah suai kimpalan untuk menyelaraskan hujung ikatan komposit untuk dipasang pada lamina dinding tangki. Kredit imej: “Pembangunan proses pengeluaran untuk bekas tekanan kubik dengan penyokong”, Universiti Teknikal Munich, projek Polymers4Hydrogen, ECCM20, Jun 2022.
Oleh itu, lamina dikeringkan selepas langkah penggulungan pertama, tiang dibentuk semula, TUM melengkapkan penggulungan kedua filamen, dan kemudian lamina dinding tangki luar dikeringkan untuk kali kedua. Sila ambil perhatian bahawa ini adalah reka bentuk tangki jenis 5, yang bermaksud ia tidak mempunyai pelapik plastik sebagai penghalang gas. Lihat perbincangan dalam bahagian Langkah Seterusnya di bawah.
“Kami memotong demo pertama kepada keratan rentas dan memetakan kawasan yang disambungkan,” kata Glace. “Pandangan dekat menunjukkan bahawa kami mempunyai beberapa masalah kualiti dengan lamina, dengan kepala topang tidak terletak rata pada lamina dalaman.”
Menyelesaikan masalah dengan jurang antara lamina dinding dalam dan luar tangki. Kepala rod pengikat yang diubah suai mewujudkan jurang antara pusingan pertama dan kedua tangki eksperimen. Kredit imej: Universiti Teknikal Munich LCC.
Tangki awal bersaiz 450 x 290 x 80mm ini telah siap dibina pada musim panas lalu. “Kami telah mencapai banyak kemajuan sejak itu, tetapi kami masih mempunyai jurang antara lamina dalaman dan luaran,” kata Glace. “Jadi kami cuba mengisi jurang tersebut dengan resin yang bersih dan berkelikatan tinggi. Ini sebenarnya meningkatkan sambungan antara stad dan lamina, yang meningkatkan tekanan mekanikal dengan ketara.”
Pasukan itu terus membangunkan reka bentuk dan proses tangki, termasuk penyelesaian untuk corak penggulungan yang diingini. “Sisi tangki ujian tidak melengkung sepenuhnya kerana geometri ini sukar untuk mencipta laluan penggulungan,” jelas Glace. “Sudut penggulungan awal kami ialah 75°, tetapi kami tahu bahawa pelbagai litar diperlukan untuk memenuhi beban dalam bekas tekanan ini. Kami masih mencari penyelesaian untuk masalah ini, tetapi ia tidak mudah dengan perisian yang kini berada di pasaran. Ia mungkin menjadi projek susulan.
“Kami telah menunjukkan kebolehlaksanaan konsep pengeluaran ini,” kata Gleiss, “tetapi kami perlu berusaha lebih lanjut untuk menambah baik sambungan antara lamina dan membentuk semula rod pengikat. “Ujian luaran pada mesin ujian. Anda menarik spacer keluar dari lamina dan menguji beban mekanikal yang boleh ditahan oleh sambungan tersebut.”
Bahagian projek Polymers4Hydrogen ini akan siap pada akhir tahun 2023, dan pada masa itu Gleis berharap dapat menyiapkan tangki demonstrasi kedua. Menariknya, reka bentuk hari ini menggunakan termoplastik bertetulang yang kemas dalam bingkai dan komposit termoset dalam dinding tangki. Adakah pendekatan hibrid ini akan digunakan dalam tangki demonstrasi akhir? "Ya," kata Grace. "Rakan kongsi kami dalam projek Polymers4Hydrogen sedang membangunkan resin epoksi dan bahan matriks komposit lain dengan sifat penghalang hidrogen yang lebih baik." Beliau menyenaraikan dua rakan kongsi yang mengusahakan kerja ini, PCCL dan Universiti Tampere (Tampere, Finland).
Gleiss dan pasukannya turut bertukar maklumat dan membincangkan idea dengan Jaeger mengenai projek HyDDen kedua daripada tangki komposit konformal LCC.
“Kami akan menghasilkan bekas tekanan komposit konformal untuk dron penyelidikan,” kata Jaeger. “Ini merupakan kerjasama antara kedua-dua jabatan Jabatan Aeroangkasa dan Geodetik TUM – LCC dan Jabatan Teknologi Helikopter (HT). Projek ini akan siap menjelang akhir tahun 2024 dan kami sedang menyiapkan bekas tekanan tersebut, satu reka bentuk yang lebih kepada pendekatan aeroangkasa dan automotif. Selepas peringkat konsep awal ini, langkah seterusnya adalah untuk melaksanakan pemodelan struktur terperinci dan meramalkan prestasi penghalang struktur dinding.”
“Idea keseluruhannya adalah untuk membangunkan dron penerokaan dengan sel bahan api hibrid dan sistem pendorongan bateri,” sambungnya. Ia akan menggunakan bateri semasa beban kuasa tinggi (iaitu berlepas dan mendarat) dan kemudian beralih kepada sel bahan api semasa pelayaran beban ringan. “Pasukan HT sudah mempunyai dron penyelidikan dan mereka bentuk semula rangkaian kuasa untuk menggunakan kedua-dua bateri dan sel bahan api,” kata Yeager. “Mereka juga membeli tangki CGH2 untuk menguji transmisi ini.”
“Pasukan saya ditugaskan untuk membina prototaip tangki tekanan yang sesuai, tetapi bukan kerana isu pembungkusan yang akan dihasilkan oleh tangki silinder,” jelasnya. “Tangki yang lebih rata tidak menawarkan rintangan angin yang banyak. Jadi anda mendapat prestasi penerbangan yang lebih baik.” Dimensi tangki lebih kurang 830 x 350 x 173 mm.
Tangki yang mematuhi termoplastik sepenuhnya terhadap AFP. Bagi projek HyDDen, pasukan LCC di TUM pada mulanya meneroka pendekatan yang serupa dengan yang digunakan oleh Glace (atas), tetapi kemudian beralih kepada pendekatan yang menggunakan gabungan beberapa modul struktur, yang kemudiannya digunakan secara berlebihan menggunakan AFP (bawah). Kredit imej: Universiti Teknikal Munich LCC.
“Satu idea adalah serupa dengan pendekatan Elisabeth [Gleiss],” kata Yager, “untuk menggunakan pendakap tegangan pada dinding pembuluh bagi mengimbangi daya lenturan yang tinggi. Walau bagaimanapun, daripada menggunakan proses penggulungan untuk membuat tangki, kami menggunakan AFP. Oleh itu, kami terfikir untuk mewujudkan bahagian berasingan pembuluh tekanan, di mana rak telah disepadukan. Pendekatan ini membolehkan saya menggabungkan beberapa modul bersepadu ini dan kemudian menggunakan penutup hujung untuk menutup semuanya sebelum penggulungan AFP terakhir.”
“Kami sedang cuba memuktamadkan konsep sedemikian,” sambungnya, “dan juga mula menguji pemilihan bahan, yang sangat penting untuk memastikan rintangan yang diperlukan terhadap penembusan gas H2. Untuk ini, kami terutamanya menggunakan bahan termoplastik dan sedang berusaha untuk mengetahui pelbagai cara bahan tersebut akan mempengaruhi tingkah laku dan pemprosesan resapan ini dalam mesin AFP. Adalah penting untuk memahami sama ada rawatan itu akan memberi kesan dan sama ada sebarang pemprosesan pasca diperlukan. Kami juga ingin tahu sama ada susunan yang berbeza akan mempengaruhi resapan hidrogen melalui bekas tekanan.”
Tangki tersebut akan diperbuat sepenuhnya daripada termoplastik dan jalur-jalur tersebut akan dibekalkan oleh Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Jerman). “Kami akan menggunakan bahan PPS [polifenilena sulfida], PEEK [polieter keton] dan LM PAEK [poliaril keton lebur rendah] mereka,” kata Yager. “Perbandingan kemudiannya dibuat untuk melihat yang mana satu terbaik untuk perlindungan penembusan dan menghasilkan bahagian dengan prestasi yang lebih baik.” Beliau berharap dapat menyelesaikan pengujian, pemodelan struktur dan proses serta demonstrasi pertama dalam tahun hadapan.
Kerja penyelidikan ini dijalankan dalam modul COMET “Polymers4Hydrogen” (ID 21647053) dalam program COMET Kementerian Persekutuan untuk Perubahan Iklim, Alam Sekitar, Tenaga, Mobiliti, Inovasi dan Teknologi serta Kementerian Persekutuan untuk Teknologi Digital dan Ekonomi. . Penulis mengucapkan terima kasih kepada rakan kongsi yang mengambil bahagian Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL, Austria), Montanuniversitaet Leoben (Fakulti Kejuruteraan dan Sains Polimer, Jabatan Kimia Bahan Polimer, Jabatan Sains Bahan dan Pengujian Polimer), Universiti Tampere (Fakulti Bahan Kejuruteraan). ) Sains), Peak Technology dan Faurecia telah menyumbang kepada kerja penyelidikan ini. COMET-Modul dibiayai oleh kerajaan Austria dan kerajaan negeri Styria.
Lembaran pra-bertetulang untuk struktur galas beban mengandungi gentian berterusan – bukan sahaja daripada kaca, tetapi juga daripada karbon dan aramid.
Terdapat banyak cara untuk membuat bahagian komposit. Oleh itu, pilihan kaedah untuk bahagian tertentu bergantung pada bahan, reka bentuk bahagian tersebut dan penggunaan akhir atau aplikasi. Berikut ialah panduan pemilihan.
Shocker Composites dan R&M International sedang membangunkan rantaian bekalan gentian karbon kitar semula yang menyediakan penyembelihan sifar, kos yang lebih rendah daripada gentian dara dan akhirnya akan menawarkan panjang yang menghampiri gentian berterusan dalam sifat struktur.
Masa siaran: 15 Mac 2023