Standaard tanks met een plat platform 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 had aangetoond dat een kubieke tank een hogere volumetrische efficiëntie kon opleveren dan meerdere kleine cilinders, begon de Technische Universiteit van München aan een project om een composietstructuur en een schaalbaar fabricageproces voor serieproductie te ontwikkelen.Afbeelding tegoed: TU Dresden (linksboven), Technische Universiteit van München, Afdeling Carbon Composites (LCC)
Brandstofcel-elektrische voertuigen (FCEV's) aangedreven door emissievrije (H2) waterstof bieden aanvullende middelen om milieudoelstellingen van nul te bereiken.Een brandstofcel personenauto met een H2-motor kan in 5-7 minuten worden gevuld en heeft een actieradius van 500 km, maar is op dit moment duurder vanwege de lage productievolumes.Een manier om kosten te besparen is het gebruik van een standaardplatform voor BEV- en FCEV-modellen.Dit is momenteel niet mogelijk omdat de Type 4 cilindrische 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.In deze vlakke verpakkingsruimte passen echter drukvaten in de vorm van kussens en kubussen.
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).
Het Department of Carbon Composites (LCC) van de Technische Universiteit van München (TUM, München, Duitsland) is betrokken bij twee projecten om dit concept te ontwikkelen.De eerste is Polymers4Hydrogen (P4H), geleid door het Leoben Polymer Competence Center (PCCL, Leoben, Oostenrijk).Het LCC-werkpakket wordt geleid door Fellow Elizabeth Glace.
Het tweede project is de Hydrogen Demonstration and Development Environment (HyDDen), waar LCC wordt geleid door onderzoeker Christian Jaeger.Beide hebben tot doel een grootschalige demonstratie te geven van het fabricageproces voor het maken 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 koolstofvezel / epoxycomposiet buitenschaal (rechts).Afbeeldingsbron: Figuren 3 en 6 zijn afkomstig uit "Numerical Design Approach for Type II Pressure Box Vessel with Internal Tension Legs" door Ruf en Zaremba et al.
P4H heeft een experimentele kubustank vervaardigd die een thermoplastisch frame gebruikt met composiet spanbanden / stutten gewikkeld in met koolstofvezel versterkte epoxy.HyDDen zal een soortgelijk ontwerp gebruiken, maar zal automatische vezeloplegging (AFP) gebruiken om alle tanks van thermoplastisch composiet te vervaardigen.
Van een patentaanvraag van Thiokol Corp. op "Composite Conformal Pressure Vessel" in 1995 tot Duits patent DE19749950C2 in 1997, vaten met gecomprimeerd gas "kunnen elke geometrische configuratie hebben", maar vooral platte en onregelmatige vormen, in een holte die is verbonden met de schaalsteun .elementen worden gebruikt zodat ze de uitzettingskracht van het gas kunnen weerstaan.
Een paper uit het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) uit 2006 beschrijft drie benaderingen: een filamentgewonden conform drukvat, een microrooster-drukvat met een interne orthorhombische roosterstructuur (kleine cellen van 2 cm of minder), omgeven door een dunwandige H2-container, en een replicatorcontainer, bestaande uit een interne structuur die bestaat uit gelijmde kleine onderdelen (bijvoorbeeld zeshoekige plastic ringen) en een samenstelling van een dunne buitenschil.Dubbele containers zijn het meest geschikt voor grotere containers waar traditionele methoden moeilijk toe te passen zijn.
Patent DE102009057170A, ingediend door Volkswagen in 2009, beschrijft een op een voertuig gemonteerd drukvat dat een hoog gewichtsrendement biedt en tegelijkertijd het ruimtegebruik verbetert.Rechthoekige tanks gebruiken spanningsconnectoren tussen twee rechthoekige tegenoverliggende wanden en de hoeken zijn afgerond.
Bovenstaande en andere concepten worden door Gleiss aangehaald in het artikel "Process Development for Cubic Pressure Vessels with Stretch Bars" van Gleiss et al.op 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 spanningssteunen die rechthoekige zijden met elkaar verbinden efficiënter is dan meerdere kleine cilinders die passen in de ruimte van een lege batterij, goed voor ongeveer 25 % meer.opslagruimte.
Het probleem met het installeren van een groot aantal kleine type 4-cilinders in een platte koffer is volgens Gleiss dat “het volume tussen de cilinders sterk wordt verkleind en het systeem bovendien een zeer groot H2-gasdoorlaatoppervlak heeft.Al met al biedt het systeem minder opslagcapaciteit dan kubieke potten.”
Er zijn echter nog andere problemen met het kubieke ontwerp van de tank."Vanwege het gecomprimeerde gas moet je natuurlijk de buigkrachten op de vlakke wanden tegengaan", zei Gleiss.“Hiervoor heb je een verstevigde structuur nodig die intern aansluit op de wanden van de tank.Maar met composieten is dat lastig.”
Glace en haar team probeerden versterkende trekstaven in het drukvat op te nemen op een manier die geschikt zou zijn voor het filamentwikkelproces."Dit is belangrijk voor de productie van grote volumes", legt ze uit, "en stelt ons ook in staat om het wikkelpatroon van de containerwanden te ontwerpen om de vezeloriëntatie voor elke lading in de zone te optimaliseren."
In vier stappen een proef kubieke composiet tank maken voor het P4H project.Afbeelding tegoed: "Ontwikkeling van een productieproces voor kubieke drukvaten met beugel", Technische Universiteit van München, Polymers4Hydrogen-project, ECCM20, juni 2022.
Om on-chain te bereiken, heeft het team een nieuw concept ontwikkeld dat bestaat uit vier hoofdstappen, zoals hierboven weergegeven.De spansteunen, in het zwart weergegeven op de treden, zijn een geprefabriceerde frameconstructie die is vervaardigd met behulp van methoden uit het MAI Skelett-project.Voor dit project ontwikkelde BMW een 'raamwerk' van een voorruitframe met behulp van vier met vezels versterkte pultrusiestaven, die vervolgens tot een plastic frame werden gegoten.
Het frame van een experimentele kubieke tank.Zeshoekige skeletsecties 3D geprint door TUM met behulp van onversterkt PLA-filament (boven), CF/PA6-pultrusiestaven inbrengen als spanningsbeugels (midden) en vervolgens het filament rond de beugels wikkelen (onder).Afbeelding tegoed: Technische Universiteit van München LCC.
"Het idee is dat je het frame van een kubieke tank als een modulaire structuur kunt bouwen," zei Glace."Deze modules worden vervolgens in een vormgereedschap geplaatst, de spansteunen worden in de framemodules geplaatst en vervolgens wordt de methode van MAI Skelett rond de stutten gebruikt om ze te integreren met de framedelen."massaproductiemethode, resulterend in een structuur die vervolgens wordt gebruikt als een doorn of kern om de samengestelde schaal van de opslagtank te omwikkelen.
TUM ontwierp het tankframe als een kubisch 'kussen' met stevige zijkanten, afgeronde hoeken en een zeshoekig patroon aan de boven- en onderkant waar stropdassen doorheen kunnen worden gestoken en vastgemaakt.Ook de gaten voor deze rekken zijn 3D geprint."Voor onze eerste experimentele tank hebben we 3D-geprinte zeshoekige framesecties gemaakt met behulp van polymelkzuur [PLA, een biogebaseerde thermoplast] omdat het gemakkelijk en goedkoop was," zei Glace.
Het team kocht 68 gepultrudeerde koolstofvezelversterkte polyamide 6 (PA6) staven van SGL Carbon (Meitingen, Duitsland) voor gebruik als banden."Om het concept te testen, hebben we geen gietwerk gedaan", zegt Gleiss, "maar hebben we gewoon afstandhouders in een 3D-geprint honingraatkernframe gestoken en deze met epoxylijm gelijmd.Dit levert dan een doorn op voor het opwinden van de tank.”Ze merkt op dat, hoewel deze hengels relatief gemakkelijk 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", legt Gleiss uit."Dus de spanningssteunen steken uit het buitenoppervlak van de skeletstructuur en we bevestigen de koolstofvezels aan deze kern met behulp van natte filamentwikkeling.Daarna buigen we in de derde stap de kop van elke trekstang.thermoplastisch, dus we gebruiken alleen warmte om het hoofd opnieuw vorm te geven, zodat het plat wordt en vast komt te zitten in de eerste laag verpakking.Vervolgens gaan we verder met het omwikkelen van de structuur zodat de platte drukkop geometrisch ingesloten is in de tank.laminaat op de muren.
Afstandsdop voor opwinden.TUM gebruikt plastic doppen aan de uiteinden van de trekstangen om te voorkomen dat de vezels in de war raken tijdens het wikkelen van de filamenten.Afbeelding tegoed: Technische Universiteit van München LCC.
Glace herhaalde dat deze eerste tank een proof of concept was.“Het gebruik van 3D-printen en lijm was alleen voor eerste tests en gaf ons een idee van enkele van de problemen die we tegenkwamen.Tijdens het wikkelen werden de filamenten bijvoorbeeld gegrepen door de uiteinden van de spanstaven, wat leidde tot vezelbreuk, vezelbeschadiging en vermindering van de hoeveelheid vezels om dit tegen te gaan.we gebruikten een paar plastic doppen als fabricagehulpmiddelen die vóór de eerste opwindstap op de palen werden geplaatst. Toen de interne laminaten werden gemaakt, verwijderden we deze beschermkappen en vormden we de uiteinden van de palen opnieuw voordat ze definitief werden omwikkeld.
Het team experimenteerde met verschillende reconstructiescenario's."Wie om zich heen kijkt, werkt het beste", zegt Grace.“Tijdens de prototypefase hebben we ook een aangepast lasapparaat gebruikt om warmte toe te passen en de spoorstangeinden opnieuw vorm te geven.In een massaproductieconcept zou u één groter gereedschap hebben dat alle uiteinden van de stutten tegelijkertijd kan vormen en vormen tot een laminaat voor binnenafwerking..”
Disselkoppen hervormd.TUM experimenteerde met verschillende concepten en paste de lassen aan om de uiteinden van de composietbanden uit te lijnen voor bevestiging aan het tankwandlaminaat.Afbeelding tegoed: "Ontwikkeling van een productieproces voor kubieke drukvaten met beugel", Technische Universiteit van 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 buitenste tankwandlaminaat een tweede keer uitgehard.Houd er rekening mee dat dit een type 5-tankontwerp is, wat betekent dat het geen plastic voering heeft als gasbarrière.Zie de discussie in het gedeelte Volgende stappen hieronder.
"We hebben de eerste demo in dwarsdoorsneden gesneden en het verbonden gebied in kaart gebracht", zei Glace."Een close-up laat zien dat we wat kwaliteitsproblemen hadden met het laminaat, waarbij de stutkoppen niet plat op het binnenlaminaat lagen."
Problemen oplossen met openingen tussen het laminaat van de binnen- en buitenwanden van de tank.De gemodificeerde trekstangkop creëert een opening tussen de eerste en tweede winding van de experimentele tank.Afbeelding tegoed: Technische Universiteit van München LCC.
Deze eerste tank van 450 x 290 x 80 mm werd afgelopen zomer voltooid."Sindsdien hebben we veel vooruitgang geboekt, maar we hebben nog steeds een kloof tussen binnen- en buitenlaminaat," zei Glace.“Dus probeerden we die gaten op te vullen met een schone hars met een hoge viscositeit.Dit verbetert juist de verbinding tussen de noppen en het laminaat, wat de mechanische belasting enorm verhoogt.”
Het team ging door met het ontwikkelen van het tankontwerp en -proces, inclusief oplossingen voor het gewenste wikkelpatroon."De zijkanten van de testtank waren niet volledig gekruld omdat het voor deze geometrie moeilijk was om een kronkelend pad te creëren", legt Glace uit.“Onze initiële wikkelhoek was 75°, maar we wisten dat er meerdere circuits nodig waren om de belasting in dit drukvat aan te kunnen.We zoeken nog steeds naar een oplossing voor dit probleem, maar dat is niet eenvoudig met de software die momenteel op de markt is.Het kan een vervolgproject 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 een nieuwe vorm te geven.“Extern testen op een testmachine.Je trekt de afstandhouders uit het laminaat en test de mechanische belastingen die die verbindingen kunnen weerstaan.”
Dit deel van het Polymers4Hydrogen-project wordt eind 2023 opgeleverd, tegen die tijd hoopt Gleis de tweede demonstratietank klaar te hebben.Interessant is dat ontwerpen tegenwoordig nette versterkte thermoplasten gebruiken in het frame en thermohardende composieten in de tankwanden.Zal deze hybride aanpak worden gebruikt in de uiteindelijke demonstratietank?‘Ja,’ zei Grace."Onze partners in het Polymers4Hydrogen-project ontwikkelen epoxyharsen en andere composietmatrixmaterialen met betere waterstofbarrière-eigenschappen."Ze somt twee partners op die aan dit werk 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 Aerospace and Geodetic van TUM – LCC en de afdeling Helikoptertechnologie (HT).Eind 2024 wordt het project opgeleverd en momenteel zijn we bezig met de afronding van het drukvat.een ontwerp dat meer een ruimtevaart- en automobielbenadering is.Na deze eerste conceptfase is de volgende stap het uitvoeren van gedetailleerde structurele modellering en het voorspellen van de barrièreprestaties van de wandstructuur.”
"Het hele idee is om een verkenningsdrone te ontwikkelen met een hybride brandstofcel en batterijaandrijving", vervolgde hij.Het gebruikt de batterij tijdens zware belasting (dwz opstijgen en landen) en schakelt vervolgens over op de brandstofcel tijdens cruisen met lichte belasting."Het HT-team had al een onderzoeksdrone en herontworpen de aandrijflijn om zowel batterijen als brandstofcellen te gebruiken", zei Yeager."Ze hebben ook een CGH2-tank gekocht om deze transmissie te testen."
"Mijn team kreeg de opdracht een prototype van een druktank te bouwen dat zou passen, maar niet vanwege de verpakkingsproblemen die een cilindrische tank zou veroorzaken", legt hij uit.“Een vlakkere tank biedt minder windweerstand.Je krijgt dus betere vliegprestaties.”Tankafmetingen ca.830 x 350 x 173 mm.
Volledig thermoplastische AFP-conforme tank.Voor het HyDDen-project onderzocht het LCC-team van TUM in eerste instantie een vergelijkbare aanpak als die van Glace (hierboven), maar stapte vervolgens over op een aanpak met een combinatie van verschillende structurele modules, die vervolgens te veel werden gebruikt met behulp van AFP (hieronder).Afbeelding tegoed: Technische Universiteit van München LCC.
"Eén idee is vergelijkbaar met de benadering van Elisabeth [Gleiss]," zegt Yager, "om spanningsbeugels op de vaatwand 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 nagedacht over het creëren van een apart gedeelte van het drukvat, waarin de rekken al zijn geïntegreerd.Dankzij deze aanpak kon ik verschillende van deze geïntegreerde modules combineren en vervolgens een einddop aanbrengen om alles af te dichten voordat de uiteindelijke AFP-wikkeling plaatsvond.”
"We proberen zo'n concept af te ronden", vervolgde hij, "en beginnen ook met het testen van de materiaalkeuze, wat erg belangrijk is om de noodzakelijke weerstand tegen het binnendringen van H2-gas te garanderen.Hiervoor gebruiken we voornamelijk thermoplastische materialen en werken we aan verschillende hoe het materiaal dit permeatiegedrag en 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 stapels de waterstofpermeatie door het drukvat zullen beïnvloeden.”
De tank wordt geheel 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," zei Yager."Vervolgens worden vergelijkingen gemaakt om te zien welke het beste is voor penetratiebescherming en het produceren van onderdelen met betere prestaties."Hij hoopt binnen een jaar het testen, structurele en procesmodellering en de eerste demonstraties af te ronden.
Het onderzoekswerk werd uitgevoerd binnen de COMET-module "Polymers4Hydrogen" (ID 21647053) binnen het COMET-programma van het federale ministerie voor klimaatverandering, milieu, energie, mobiliteit, innovatie en technologie en het federale ministerie voor digitale technologie en economie..De auteurs bedanken de deelnemende partners Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL, Oostenrijk), Montanuniversitaet Leoben (Faculteit Polymer Engineering and Science, Department of Chemistry of Polymer Materials, Department of Materials Science and Polymer Testing), Universiteit van Tampere (Faculteit Engineering materialen).) Science), Peak Technology en Faurecia hebben bijgedragen aan dit onderzoekswerk.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 samengestelde onderdelen te maken.Daarom zal de keuze van de methode voor een bepaald onderdeel afhangen van het materiaal, het ontwerp van het onderdeel en het eindgebruik of de toepassing.Hier is een selectiegids.
Shocker Composites en R&M International ontwikkelen een toeleveringsketen van gerecycleerde koolstofvezel die zorgt voor geen slachting, lagere kosten dan nieuwe vezels en uiteindelijk lengtes zal bieden die qua structurele eigenschappen de continue vezel benaderen.
Posttijd: 15 maart 2023