Standaard vlakke platformtanks voor BEV's en FCEV's maken gebruik van thermoplastische en thermohardende composieten met een skeletconstructie die 25% meer H2-opslag biedt. #waterstof #trends
Nadat een samenwerking met BMW aantoonde dat een kubieke tank een hogere volumetrische efficiëntie kon leveren dan meerdere kleine cilinders, startte de Technische Universiteit München een project om een composietstructuur en een schaalbaar productieproces voor serieproductie te ontwikkelen. Foto: TU Dresden (linksboven), Technische Universiteit München, Afdeling Koolstofcomposieten (LCC)
Elektrische voertuigen met brandstofcellen (FCEV's) die worden aangedreven door emissievrije (H2) waterstof, bieden een extra mogelijkheid om de nul-milieudoelstellingen te behalen. Een personenauto met brandstofcel en H2-motor kan in 5-7 minuten worden volgetankt en heeft een actieradius van 500 km, maar is momenteel duurder vanwege de lage productievolumes. Een manier om kosten te besparen is door een standaardplatform te gebruiken voor BEV- en FCEV-modellen. Dit is momenteel niet mogelijk omdat de cilindrische Type 4-tanks die worden gebruikt om gecomprimeerd H2-gas (CGH2) bij 700 bar in FCEV's op te slaan, niet geschikt zijn voor de batterijcompartimenten onder de carrosserie die zorgvuldig zijn ontworpen voor elektrische voertuigen. Drukvaten in de vorm van kussens en kubussen passen echter wel in deze vlakke verpakkingsruimte.
Patent US5577630A voor “Composite Conformal Pressure Vessel”, aanvraag ingediend door Thiokol Corp. in 1995 (links) en het rechthoekige drukvat gepatenteerd door BMW in 2009 (rechts).
De afdeling Carbon Composites (LCC) van de Technische Universiteit München (TUM, München, Duitsland) is betrokken bij twee projecten om dit concept te ontwikkelen. Het eerste is Polymers4Hydrogen (P4H), geleid door het Leoben Polymer Competence Center (PCCL, Leoben, Oostenrijk). Het LCC-werkpakket staat onder leiding van Fellow Elizabeth Glace.
Het tweede project is de Hydrogen Demonstration and Development Environment (HyDDen), onder leiding van onderzoeker Christian Jaeger van LCC. Beide projecten streven naar een grootschalige demonstratie van het productieproces voor de productie van een geschikte CGH2-tank met behulp van koolstofvezelcomposieten.
Er is een beperkte volumetrische efficiëntie wanneer cilinders met een kleine diameter worden geïnstalleerd in platte batterijcellen (links) en kubische drukvaten van type 2, gemaakt van stalen voeringen en een buitenmantel van koolstofvezel/epoxycomposiet (rechts). Bron afbeelding: Figuren 3 en 6 zijn afkomstig uit "Numerical Design Approach for Type II Pressure Box Vessel with Internal Tension Legs" van Ruf en Zaremba et al.
P4H heeft een experimentele kubustank gefabriceerd met een thermoplastisch frame met composiet spanbanden/stutten, omwikkeld met koolstofvezelversterkte epoxy. HyDDen zal een soortgelijk ontwerp gebruiken, maar zal automatische vezelopmaak (AFP) gebruiken voor de productie van alle thermoplastische composiettanks.
Van een patentaanvraag door Thiokol Corp. voor "Composite Conformal Pressure Vessel" in 1995 tot het Duitse patent DE19749950C2 in 1997, kunnen drukgasvaten "elke geometrische configuratie hebben", maar vooral platte en onregelmatige vormen, in een holte die verbonden is met de mantelondersteuning. Elementen worden gebruikt zodat ze de uitzettingskracht van het gas kunnen weerstaan.
Een artikel uit 2006 van het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) beschrijft drie benaderingen: een filamentgewonden conform drukvat, een microroosterdrukvat met een interne orthorombische roosterstructuur (kleine cellen van 2 cm of kleiner), omgeven door een dunwandige H₂-container, en een replicatorcontainer, bestaande uit een interne structuur bestaande uit gelijmde kleine onderdelen (bijvoorbeeld hexagonale plastic ringen) en een samenstelling van een dunne buitenste schil. Duplicaatcontainers zijn het meest geschikt voor grotere containers waar traditionele methoden moeilijk toepasbaar kunnen zijn.
Patent DE102009057170A, ingediend door Volkswagen in 2009, beschrijft een op een voertuig gemonteerd drukvat dat een hoge gewichtsefficiëntie biedt en tegelijkertijd de ruimte optimaal benut. Rechthoekige tanks maken gebruik van spanverbindingen tussen twee rechthoekige, tegenover elkaar gelegen wanden en hebben afgeronde hoeken.
Bovenstaande en andere concepten worden door Gleiss aangehaald in het artikel "Process Development for Cubic Pressure Vessels with Stretch Bars" van Gleiss et al. tijdens ECCM20 (26-30 juni 2022, Lausanne, Zwitserland). In dit artikel citeert ze een TUM-studie gepubliceerd door Michael Roof en Sven Zaremba, waaruit bleek dat een kubisch drukvat met trekstangen die rechthoekige zijden verbinden efficiënter is dan meerdere kleine cilinders die in de ruimte van een platte batterij passen, en ongeveer 25% meer opslagruimte biedt.
Volgens Gleiss is het probleem met de installatie van een groot aantal kleine type 4-cilinders in een vlakke behuizing dat "het volume tussen de cilinders sterk wordt verminderd en het systeem bovendien een zeer groot H₂-gaspermeatieoppervlak heeft. Over het algemeen biedt het systeem minder opslagcapaciteit dan kubieke vaten."
Er zijn echter nog andere problemen met het kubische ontwerp van de tank. "Vanwege het samengeperste gas moet je uiteraard de buigkrachten op de vlakke wanden tegengaan", aldus Gleiss. "Daarvoor heb je een versterkte structuur nodig die intern aansluit op de wanden van de tank. Maar dat is lastig te realiseren met composieten."
Glace en haar team probeerden versterkende trekstaven in de drukvat te integreren op een manier die geschikt zou zijn voor het filamentwikkelproces. "Dit is belangrijk voor grootschalige productie", legt ze uit, "en stelt ons ook in staat om het wikkelpatroon van de containerwanden zo te ontwerpen dat de vezeloriëntatie voor elke lading in de zone wordt geoptimaliseerd."
Vier stappen voor het maken van een proefkubuscomposiettank voor het P4H-project. Beeld: "Ontwikkeling van een productieproces voor kubieke drukvaten met beugel", Technische Universiteit München, Polymers4Hydrogen-project, ECCM20, juni 2022.
Om de on-chain-constructie te realiseren, heeft het team een nieuw concept ontwikkeld dat bestaat uit vier hoofdstappen, zoals hierboven weergegeven. De spanstangen, in zwart weergegeven op de stappen, vormen een geprefabriceerde frameconstructie, vervaardigd met behulp van methoden uit het MAI Skelett-project. Voor dit project ontwikkelde BMW een voorruitframe met vier vezelversterkte pultrusiestaven, die vervolgens in een kunststof frame werden gegoten.
Het frame van een experimentele kubieke tank. Zeshoekige skeletdelen, 3D-geprint door TUM met behulp van onversterkt PLA-filament (boven), met CF/PA6-pultrusiestaven als trekstangen (midden) en vervolgens het filament om de stangen gewikkeld (onder). Beeld: Technische Universiteit München LCC.
"Het idee is dat je het frame van een kubieke tank als een modulaire structuur kunt bouwen", aldus Glace. "Deze modules worden vervolgens in een gietmal geplaatst, de trekstangen worden in de framemodules geplaatst en vervolgens wordt de methode van MAI Skelett rond de stangen gebruikt om ze te integreren met de framedelen." Dit resulteert in een structuur die vervolgens wordt gebruikt als een doorn of kern om de composietmantel van de opslagtank te omwikkelen.
TUM ontwierp het tankframe als een kubusvormig "kussen" met massieve zijkanten, afgeronde hoeken en een hexagonaal patroon aan de boven- en onderkant waar banden doorheen kunnen worden gestoken en bevestigd. De gaten voor deze rekken zijn ook 3D-geprint. "Voor onze eerste experimentele tank hebben we hexagonale framedelen 3D-geprint met polymelkzuur [PLA, een biobased thermoplast] omdat dat makkelijk en goedkoop was," aldus Glace.
Het team kocht 68 gepultrudeerde, met koolstofvezel versterkte polyamide 6 (PA6) staven van SGL Carbon (Meitingen, Duitsland) om als verbindingsstukken te gebruiken. "Om het concept te testen, hebben we niets gegoten", zegt Gleiss, "maar hebben we simpelweg afstandhouders in een 3D-geprint honingraatframe geplaatst en deze met epoxylijm verlijmd. Dit vormt vervolgens een doorn om de tank op te winden." Ze merkt op dat hoewel deze staven relatief eenvoudig op te winden zijn, er enkele belangrijke problemen zijn die later zullen worden beschreven.
"In de eerste fase was ons doel om de maakbaarheid van het ontwerp aan te tonen en problemen in het productieconcept te identificeren", legde Gleiss uit. "De trekstangen steken dus uit het buitenoppervlak van de skeletstructuur en we bevestigen de koolstofvezels aan deze kern met behulp van natte filamentwikkeling. Daarna, in de derde stap, buigen we de kop van elke trekstang. thermoplastisch, dus gebruiken we alleen hitte om de kop te vervormen, zodat deze plat wordt en vastklikt in de eerste laag wikkeling. Vervolgens wikkelen we de structuur opnieuw, zodat de platte drukkop geometrisch ingesloten zit in de tank. laminaat op de wanden.
Afstandsdop voor het wikkelen. TUM gebruikt kunststof doppen aan de uiteinden van de spanstaven om te voorkomen dat de vezels in de knoop raken tijdens het wikkelen van filament. Afbeelding: Technische Universiteit München LCC.
Glace herhaalde dat deze eerste tank een proof of concept was. "Het gebruik van 3D-printen en lijm was slechts bedoeld voor de eerste tests en gaf ons een idee van enkele problemen die we tegenkwamen. Zo raakten de filamenten tijdens het wikkelen verstrikt in de uiteinden van de trekstangen, waardoor vezelbreuk en vezelbeschadiging ontstonden. Om dit tegen te gaan, werd de hoeveelheid vezels verminderd. We gebruikten een paar plastic doppen als productiehulpmiddelen die op de palen werden geplaatst vóór de eerste wikkelstap. Toen de interne laminaten werden gemaakt, verwijderden we deze beschermkappen en hervormden we de uiteinden van de palen vóór het definitieve wikkelen."
Het team experimenteerde met verschillende reconstructiescenario's. "Wie rondkijkt, werkt het beste", zegt Grace. "Tijdens de prototypefase gebruikten we ook een aangepast lasapparaat om hitte toe te passen en de uiteinden van de stuurstangen te vervormen. In een massaproductieconcept zou je één groter gereedschap hebben dat alle uiteinden van de steunen tegelijkertijd kan vormen en vormen tot een laminaat voor de binnenafwerking."
De trekstangkoppen zijn opnieuw gevormd. TUM experimenteerde met verschillende concepten en paste de lassen aan om de uiteinden van de composietverbindingen uit te lijnen voor bevestiging aan het tankwandlaminaat. Beeld: "Ontwikkeling van een productieproces voor kubieke drukvaten met beugel", Technische Universiteit München, Polymers4Hydrogen-project, ECCM20, juni 2022.
Het laminaat wordt dus uitgehard na de eerste wikkelstap, de palen worden opnieuw gevormd, de TUM voltooit de tweede wikkeling van de filamenten en vervolgens wordt het laminaat van de buitenwand van de tank een tweede keer uitgehard. Houd er rekening mee dat dit een type 5 tankontwerp is, wat betekent dat er geen kunststof voering als gasbarrière is. Zie de bespreking in de sectie Volgende stappen hieronder.
"We hebben de eerste demo in dwarsdoorsneden gesneden en het verbonden gebied in kaart gebracht", aldus Glace. "Een close-up laat zien dat we wat kwaliteitsproblemen hadden met het laminaat, omdat de veerpoten niet vlak op het binnenlaminaat lagen."
Problemen met openingen tussen het laminaat van de binnen- en buitenwand van de tank oplossen. De aangepaste trekstangkop creëert een opening tussen de eerste en tweede winding van de proeftank. Afbeelding: Technische Universiteit München LCC.
Deze eerste tank van 450 x 290 x 80 mm werd afgelopen zomer opgeleverd. "We hebben sindsdien veel vooruitgang geboekt, maar er zit nog steeds een opening tussen het laminaat aan de binnen- en buitenkant", aldus Glace. "Daarom hebben we geprobeerd die openingen op te vullen met een schone hars met een hoge viscositeit. Dit verbetert de verbinding tussen de noppen en het laminaat, waardoor de mechanische spanning aanzienlijk toeneemt."
Het team bleef het tankontwerp en -proces verder ontwikkelen, inclusief oplossingen voor het gewenste wikkelpatroon. "De zijkanten van de testtank waren niet volledig gekruld, omdat het voor deze geometrie moeilijk was om een wikkelpad te creëren", legde Glace uit. "Onze initiële wikkelhoek was 75°, maar we wisten dat er meerdere circuits nodig waren om de belasting in dit drukvat te kunnen verwerken. We zijn nog steeds op zoek naar een oplossing voor dit probleem, maar dat is niet eenvoudig met de software die momenteel op de markt is. Het zou een vervolgproject kunnen worden."
"We hebben de haalbaarheid van dit productieconcept aangetoond", zegt Gleiss, "maar we moeten verder werken om de verbinding tussen het laminaat te verbeteren en de trekstangen opnieuw vorm te geven. "Externe tests op een testmachine. Je haalt de afstandhouders uit het laminaat en test de mechanische belastingen die deze verbindingen kunnen weerstaan."
Dit onderdeel van het Polymers4Hydrogen-project zal eind 2023 afgerond zijn. Tegen die tijd hoopt Gleis de tweede demonstratietank te voltooien. Interessant is dat de huidige ontwerpen gebruik maken van zuivere, versterkte thermoplasten in het frame en thermohardende composieten in de tankwanden. Zal deze hybride aanpak worden gebruikt in de laatste demonstratietank? "Ja," zei Grace. "Onze partners in het Polymers4Hydrogen-project ontwikkelen epoxyharsen en andere composietmatrixmaterialen met betere waterstofbarrière-eigenschappen." Ze noemt twee partners die aan dit project werken: PCCL en de Universiteit van Tampere (Tampere, Finland).
Gleiss en haar team wisselden ook informatie uit en bespraken ideeën met Jaeger over het tweede HyDDen-project van de LCC-conforme composiettank.
"We gaan een conforme composiet drukvat produceren voor onderzoeksdrones", zegt Jaeger. "Dit is een samenwerking tussen de twee afdelingen van de afdeling Luchtvaart en Geodesie van TUM – LCC en de afdeling Helikoptertechnologie (HT). Het project zal eind 2024 afgerond zijn en we zijn momenteel bezig met de voltooiing van het drukvat. Een ontwerp dat meer lijkt op een benadering uit de lucht- en ruimtevaart en de automobielindustrie. Na deze eerste conceptfase is de volgende stap het uitvoeren van gedetailleerde structurele modellering en het voorspellen van de barrièreprestaties van de wandconstructie."
"Het hele idee is om een verkennende drone te ontwikkelen met een hybride brandstofcel en een batterij als voortstuwingssysteem", vervolgde hij. De drone zal de batterij gebruiken tijdens hoge vermogensbelastingen (bijvoorbeeld opstijgen en landen) en vervolgens overschakelen op de brandstofcel tijdens vluchten met een lichte belasting. "Het HT-team had al een onderzoeksdrone en heeft de aandrijflijn opnieuw ontworpen om zowel batterijen als brandstofcellen te gebruiken", aldus Yeager. "Ze hebben ook een CGH2-tank aangeschaft om deze transmissie te testen."
"Mijn team kreeg de opdracht een prototype van een druktank te bouwen die zou passen, maar niet vanwege de problemen die een cilindrische tank zou opleveren", legt hij uit. "Een plattere tank biedt minder luchtweerstand. Je krijgt dus betere vliegprestaties." Afmetingen tank: circa 830 x 350 x 173 mm.
Volledig thermoplastische AFP-conforme tank. Voor het HyDDen-project onderzocht het LCC-team van de TUM aanvankelijk een vergelijkbare aanpak als die van Glace (hierboven), maar stapte vervolgens over op een aanpak met een combinatie van verschillende structurele modules, die vervolgens veelvuldig werden toegepast met AFP (hieronder). Beeld: Technische Universiteit München LCC
"Eén idee is vergelijkbaar met de aanpak van Elisabeth [Gleiss]", zegt Yager, "om trekbeugels op de wand van het vat aan te brengen om de hoge buigkrachten te compenseren. In plaats van een wikkelproces te gebruiken om de tank te maken, gebruiken we echter AFP. Daarom hebben we overwogen om een apart gedeelte van het drukvat te maken, waarin de rekken al geïntegreerd zijn. Deze aanpak stelde me in staat om verschillende van deze geïntegreerde modules te combineren en vervolgens een eindkap aan te brengen om alles af te dichten vóór de laatste AFP-wikkeling."
"We proberen een dergelijk concept te finaliseren", vervolgde hij, "en beginnen ook met het testen van de materiaalkeuze, wat erg belangrijk is om de nodige weerstand tegen H2-gaspenetratie te garanderen. Hiervoor gebruiken we voornamelijk thermoplastische materialen en onderzoeken we hoe het materiaal dit permeatiegedrag en de verwerking in de AFP-machine zal beïnvloeden. Het is belangrijk om te begrijpen of de behandeling effect zal hebben en of er nabewerking nodig is. We willen ook weten of verschillende stacks de waterstofpermeatie door het drukvat beïnvloeden."
De tank wordt volledig gemaakt van thermoplast en de strips worden geleverd door Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Duitsland). "We zullen hun materialen PPS [polyfenyleensulfide], PEEK [polyetherketon] en LM PAEK [laagsmeltend polyarylketon] gebruiken", aldus Yager. "Vervolgens worden de materialen vergeleken om te zien welke het beste is voor penetratiebescherming en om onderdelen met betere prestaties te produceren." Hij hoopt de tests, de structurele en procesmodellering en de eerste demonstraties binnen een jaar af te ronden.
Het onderzoekswerk werd uitgevoerd binnen de COMET-module "Polymers4Hydrogen" (ID 21647053) binnen het COMET-programma van het Federale Ministerie van Klimaatverandering, Milieu, Energie, Mobiliteit, Innovatie en Technologie en het Federale Ministerie van Digitale Technologie en Economie. De auteurs danken de deelnemende partners Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL, Oostenrijk), Montanuniversitaet Leoben (Faculteit Polymeertechnologie en -wetenschappen, Afdeling Chemie van Polymeermaterialen, Afdeling Materiaalkunde en Polymeertesten), Universiteit van Tampere (Faculteit Technische Materialen). ) Science), Peak Technology en Faurecia die aan dit onderzoekswerk hebben bijgedragen. COMET-Modul wordt gefinancierd door de regering van Oostenrijk en de regering van de deelstaat Stiermarken.
Voorversterkte platen voor dragende constructies bevatten doorlopende vezels – niet alleen van glas, maar ook van koolstof en aramide.
Er zijn veel manieren om composietonderdelen te maken. De keuze voor een bepaalde methode hangt daarom af van het materiaal, het ontwerp van het onderdeel en het uiteindelijke gebruik of de toepassing. Hier is een selectiegids.
Shocker Composites en R&M International ontwikkelen een toeleveringsketen voor gerecyclede koolstofvezels die geen slachting oplevert, lagere kosten met zich meebrengt dan nieuwe vezels en uiteindelijk lengtes zal opleveren die qua structurele eigenschappen dicht in de buurt komen van continue vezels.
Plaatsingstijd: 15-03-2023