Standard flatplattformtanker for elbiler og brenselbiler bruker termoplastiske og termoherdende kompositter med en skjelettkonstruksjon som gir 25 % mer H2-lagring. #hydrogen #trender
Etter at et samarbeid med BMW viste at en kubikktank kunne gi høyere volumetrisk effektivitet enn flere små sylindere, startet det tekniske universitetet i München et prosjekt for å utvikle en komposittstruktur og en skalerbar produksjonsprosess for serieproduksjon. Bildekreditt: TU Dresden (øverst til venstre), Det tekniske universitetet i München, Institutt for karbonkompositter (LCC)
Brenselcellekjøretøy (FCEV-er) drevet av nullutslipps (H2) hydrogen gir ytterligere midler for å oppnå null miljømål. En brenselcellepersonbil med en H2-motor kan fylles på 5–7 minutter og har en rekkevidde på 500 km, men er for tiden dyrere på grunn av lave produksjonsvolumer. En måte å redusere kostnadene på er å bruke en standardplattform for BEV- og FCEV-modeller. Dette er for øyeblikket ikke mulig fordi de sylindriske tankene av type 4 som brukes til å lagre komprimert H2-gass (CGH2) ved 700 bar i FCEV-er, ikke er egnet for batterirommene under karosseriet, som er nøye designet for elektriske kjøretøy. Trykkbeholdere i form av puter og kuber kan imidlertid passe inn i dette flate pakkerommet.
Patent US5577630A for «Composite Conformal Pressure Vessel», søknad innlevert av Thiokol Corp. i 1995 (venstre) og den rektangulære trykkbeholderen patentert av BMW i 2009 (høyre).
Institutt for karbonkompositter (LCC) ved Det tekniske universitetet i München (TUM, München, Tyskland) er involvert i to prosjekter for å utvikle dette konseptet. Det første er Polymers4Hydrogen (P4H), ledet av Leoben Polymer Competence Center (PCCL, Leoben, Østerrike). LCC-arbeidspakken ledes av stipendiat Elizabeth Glace.
Det andre prosjektet er Hydrogen Demonstration and Development Environment (HyDDen), der lavprisselskapet ledes av forsker Christian Jaeger. Begge har som mål å lage en storskala demonstrasjon av produksjonsprosessen for å lage en passende CGH2-tank ved bruk av karbonfiberkompositter.
Det er begrenset volumetrisk effektivitet når sylindere med liten diameter installeres i flate battericeller (venstre) og kubiske type 2 trykkbeholdere laget av stålforinger og et ytre skall av karbonfiber/epoksykompositt (høyre). Bildekilde: Figur 3 og 6 er fra «Numerical Design Approach for Type II Pressure Box Vessel with Internal Tension Legs» av Ruf og Zaremba et al.
P4H har produsert en eksperimentell kubetank som bruker en termoplastramme med komposittspennstropper/-stag pakket inn i karbonfiberforsterket epoksy. HyDDen vil bruke en lignende design, men vil bruke automatisk fiberopplegg (AFP) for å produsere alle termoplastiske komposittanker.
Fra en patentsøknad fra Thiokol Corp. til «Composite Conformal Pressure Vessel» i 1995 til tysk patent DE19749950C2 i 1997, kan trykkgassbeholdere «ha enhver geometrisk konfigurasjon», men spesielt flate og uregelmessige former, i et hulrom koblet til skallstøtten. Elementer brukes slik at de kan motstå gassens ekspansjonskraft.
En artikkel fra Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) fra 2006 beskriver tre tilnærminger: en filamentviklet konform trykkbeholder, en mikrogittertrykkbeholder som inneholder en intern ortorombisk gitterstruktur (små celler på 2 cm eller mindre), omgitt av en tynnvegget H2-beholder, og en replikatorbeholder, bestående av en intern struktur bestående av limte små deler (f.eks. sekskantede plastringer) og en sammensetning av tynt ytre skall. Duplikatbeholdere er best egnet for større beholdere der tradisjonelle metoder kan være vanskelige å anvende.
Patent DE102009057170A, innlevert av Volkswagen i 2009, beskriver en trykkbeholder montert på kjøretøy som gir høy vekteffektivitet samtidig som den forbedrer plassutnyttelsen. Rektangulære tanker bruker strekkkoblinger mellom to rektangulære motstående vegger, og hjørnene er avrundede.
Ovennevnte og andre konsepter er sitert av Gleiss i artikkelen «Process Development for Cubic Pressure Vessels with Stretch Bars» av Gleiss et al. på ECCM20 (26.–30. juni 2022, Lausanne, Sveits). I denne artikkelen siterer hun en TUM-studie publisert av Michael Roof og Sven Zaremba, som fant at en kubisk trykkbeholder med strekkstag som forbinder rektangulære sider er mer effektiv enn flere små sylindere som får plass i rommet til et flatt batteri, noe som gir omtrent 25 % mer lagringsplass.
Ifølge Gleiss er problemet med å installere et stort antall små type 4-sylindere i et flatt kabinett at «volumet mellom sylindrene er kraftig redusert, og systemet har også en veldig stor H2-gasspermeasjonsflate. Totalt sett gir systemet mindre lagringskapasitet enn kubiske krukker.»
Det er imidlertid andre problemer med tankens kubiske design. «På grunn av den komprimerte gassen må man åpenbart motvirke bøyekreftene på de flate veggene», sa Gleiss. «For å gjøre dette trenger man en forsterket struktur som er koblet innvendig til tankens vegger. Men det er vanskelig å gjøre med kompositter.»
Glace og teamet hennes prøvde å innlemme armeringsstrekkstenger i trykkbeholderen på en måte som ville være egnet for filamentviklingsprosessen. «Dette er viktig for storvolumproduksjon», forklarer hun, «og lar oss også designe viklingsmønsteret til beholderveggene for å optimalisere fiberorienteringen for hver last i sonen.»
Fire trinn for å lage en prøvetank av kubisk kompositt for P4H-prosjektet. Bildekreditt: «Utvikling av en produksjonsprosess for kubiske trykkbeholdere med avstivning», Tekniske universitetet i München, Polymers4Hydrogen-prosjektet, ECCM20, juni 2022.
For å oppnå on-chain har teamet utviklet et nytt konsept som består av fire hovedtrinn, som vist ovenfor. Spenningsstagene, vist i svart på trinnene, er en prefabrikert rammestruktur produsert ved hjelp av metoder hentet fra MAI Skelett-prosjektet. For dette prosjektet utviklet BMW et frontruteramme-"rammeverk" ved hjelp av fire fiberforsterkede pultrusjonsstenger, som deretter ble støpt til en plastramme.
Rammen til en eksperimentell kubisk tank. Sekskantede skjelettseksjoner 3D-printet av TUM med uforsterket PLA-filament (øverst), innsetting av CF/PA6-pultrusjonsstenger som strekkavstivere (midten) og deretter vikling av filamentet rundt avstiverne (nederst). Bildekreditt: Tekniske universitetet i München LCC.
«Tanken er at man kan bygge rammen til en kubisk tank som en modulær struktur», sa Glace. «Disse modulene plasseres deretter i et støpeverktøy, strekkstaggene plasseres i rammemodulene, og deretter brukes MAI Skeletts metode rundt stagene for å integrere dem med rammedelene.» masseproduksjonsmetoden, noe som resulterer i en struktur som deretter brukes som en dor eller kjerne for å pakke inn komposittskallet til lagringstanken.
TUM designet tankrammen som en kubisk «pute» med solide sider, avrundede hjørner og et sekskantet mønster på toppen og bunnen som bånd kan settes inn og festes gjennom. Hullene til disse stativene ble også 3D-printet. «For vår første eksperimentelle tank 3D-printet vi sekskantede rammeseksjoner ved hjelp av polymelkesyre [PLA, en biobasert termoplast] fordi det var enkelt og billig», sa Glace.
Teamet kjøpte 68 pultruderte karbonfiberforsterkede polyamid 6 (PA6) stenger fra SGL Carbon (Meitingen, Tyskland) for bruk som bindingsverk. «For å teste konseptet utførte vi ingen støping», sier Gleiss, «men satte ganske enkelt inn avstandsstykker i en 3D-printet bikakeformet kjerneramme og limte dem med epoksylim. Dette gir deretter en dor for å vikle tanken.» Hun bemerker at selv om disse stengene er relativt enkle å vikle, er det noen betydelige problemer som vil bli beskrevet senere.
«I det første trinnet var målet vårt å demonstrere designens produksjonsevne og identifisere problemer i produksjonskonseptet», forklarte Gleiss. «Så stikker strekkstaggene ut fra den ytre overflaten av skjelettstrukturen, og vi fester karbonfibrene til denne kjernen ved hjelp av våt filamentvikling. Etter det, i det tredje trinnet, bøyer vi hodet på hvert strekkstag. termoplast, så vi bruker bare varme til å omforme hodet slik at det flater ut og låses fast i det første laget med innpakning. Deretter fortsetter vi med å pakke strukturen igjen slik at det flate trykkhodet er geometrisk omsluttet av tanken. laminat på veggene.»
Avstandshette for vikling. TUM bruker plasthetter på endene av strekkstengene for å forhindre at fibrene floker seg under vikling av filament. Bildekreditt: Tekniske universitetet i München LCC.
Glace gjentok at denne første tanken var et bevis på konseptet. «Bruken av 3D-printing og lim var bare for innledende testing og ga oss en idé om noen av problemene vi møtte. For eksempel, under viklingen ble filamentene fanget av endene av strekkstengene, noe som forårsaket fiberbrudd, fiberskade og reduserte mengden fiber for å motvirke dette. Vi brukte noen få plasthetter som produksjonshjelpemidler som ble plassert på stolpene før det første viklingstrinnet. Deretter, da de indre laminatene var laget, fjernet vi disse beskyttelseshettene og omformet endene av stolpene før endelig innpakning.»
Teamet eksperimenterte med ulike rekonstruksjonsscenarier. «De som ser seg rundt jobber best», sier Grace. «I tillegg brukte vi et modifisert sveiseverktøy i prototypefasen for å påføre varme og omforme styrestagendene. I et masseproduksjonskonsept ville man hatt ett større verktøy som kan forme alle endene av stagene til et innvendig laminat samtidig.»
Trekkstanghodene ble omformet. TUM eksperimenterte med forskjellige konsepter og modifiserte sveisene for å justere endene av komposittbåndene for festing til tankvegglaminatet. Bildekreditt: «Utvikling av en produksjonsprosess for kubiske trykkbeholdere med avstivning», Tekniske universitetet i München, Polymers4Hydrogen-prosjektet, ECCM20, juni 2022.
Dermed herdes laminatet etter det første viklingstrinnet, stolpene formes på nytt, TUM-en fullfører den andre viklingen av filamentene, og deretter herdes det ytre tankvegglaminatet en gang til. Vær oppmerksom på at dette er en tankdesign av type 5, som betyr at den ikke har en plastforing som gassbarriere. Se diskusjonen i avsnittet Neste trinn nedenfor.
«Vi kuttet den første demonstrasjonen i tverrsnitt og kartla det tilkoblede området», sa Glace. «Et nærbilde viser at vi hadde noen kvalitetsproblemer med laminatet, siden støttehodene ikke lå flatt på det indre laminatet.»
Løser problemer med hull mellom laminatet på tankens indre og ytre vegger. Det modifiserte strekkstanghodet lager et mellomrom mellom den første og andre omdreining av den eksperimentelle tanken. Bildekreditt: Tekniske universitetet i München LCC.
Denne første tanken på 450 x 290 x 80 mm ble ferdigstilt i fjor sommer. «Vi har gjort mye fremgang siden den gang, men vi har fortsatt et gap mellom innvendig og utvendig laminat», sa Glace. «Så vi prøvde å fylle disse hullene med en ren, høyviskos harpiks. Dette forbedrer faktisk forbindelsen mellom stenderne og laminatet, noe som øker den mekaniske belastningen betraktelig.»
Teamet fortsatte å utvikle tankdesignet og prosessen, inkludert løsninger for ønsket viklingsmønster. «Sidene på testtanken var ikke helt krøllet fordi det var vanskelig for denne geometrien å lage en viklingsbane», forklarte Glace. «Vår opprinnelige viklingsvinkel var 75°, men vi visste at det var behov for flere kretser for å møte belastningen i denne trykkbeholderen. Vi leter fortsatt etter en løsning på dette problemet, men det er ikke lett med programvaren som er på markedet for øyeblikket. Det kan bli et oppfølgingsprosjekt.»
«Vi har demonstrert at dette produksjonskonseptet er gjennomførbart», sier Gleiss, «men vi må jobbe videre for å forbedre forbindelsen mellom laminatet og omforme strekkstagene. Ekstern testing på en testmaskin. Du trekker avstandsstykkene ut av laminatet og tester de mekaniske belastningene som disse skjøtene tåler.»
Denne delen av Polymers4Hydrogen-prosjektet vil være ferdig innen utgangen av 2023, og Gleis håper å fullføre den andre demonstrasjonstanken innen den tid. Interessant nok bruker dagens design rent forsterket termoplast i rammen og termoherdende kompositter i tankveggene. Vil denne hybridtilnærmingen bli brukt i den endelige demonstrasjonstanken? «Ja», sa Grace. «Partnerne våre i Polymers4Hydrogen-prosjektet utvikler epoksyharpikser og andre komposittmatrisematerialer med bedre hydrogenbarriereegenskaper.» Hun lister opp to partnere som jobber med dette arbeidet, PCCL og Universitetet i Tammerfors (Tammerfors, Finland).
Gleiss og teamet hennes utvekslet også informasjon og diskuterte ideer med Jaeger om det andre HyDDen-prosjektet fra LCC-konformkompositttanken.
«Vi skal produsere en konform kompositttrykkbeholder for forskningsdroner», sier Jaeger. «Dette er et samarbeid mellom de to avdelingene ved Institutt for luftfart og geodetikk ved TUM – LCC og Institutt for helikopterteknologi (HT). Prosjektet vil være ferdig innen utgangen av 2024, og vi ferdigstiller for tiden trykkbeholderen. Et design som er mer en tilnærming til luftfart og bilindustrien. Etter denne innledende konseptfasen er neste trinn å utføre detaljert strukturell modellering og forutsi barriereegenskapene til veggkonstruksjonen.»
«Hele ideen er å utvikle en utforskende drone med et hybrid brenselcelle- og batteridrevet fremdriftssystem», fortsatte han. Den vil bruke batteriet under høy effektbelastning (dvs. avgang og landing) og deretter bytte til brenselcellen under lett last. «HT-teamet hadde allerede en forskningsdrone og redesignet drivverket for å bruke både batterier og brenselceller», sa Yeager. «De kjøpte også en CGH2-tank for å teste denne girkassen.»
«Teamet mitt fikk i oppgave å bygge en prototype for en trykktank som ville passe, men ikke på grunn av pakningsproblemene som en sylindrisk tank ville skape», forklarer han. «En flatere tank gir ikke like mye vindmotstand. Så du får bedre flyytelse.» Tankdimensjoner ca. 830 x 350 x 173 mm.
Fullstendig termoplastisk AFP-kompatibel tank. For HyDDen-prosjektet utforsket LCC-teamet ved TUM først en lignende tilnærming som den som ble brukt av Glace (over), men gikk deretter over til en tilnærming som brukte en kombinasjon av flere strukturelle moduler, som deretter ble overbrukt med AFP (nedenfor). Bildekreditt: Tekniske universitetet i München LCC.
«Én idé ligner på Elisabeth [Gleiss] sin tilnærming», sier Yager, «å påføre strekkstøtter på beholderveggen for å kompensere for de høye bøyekreftene. I stedet for å bruke en viklingsprosess for å lage tanken, bruker vi imidlertid AFP. Derfor tenkte vi på å lage en egen del av trykkbeholderen, der stativene allerede er integrert. Denne tilnærmingen tillot meg å kombinere flere av disse integrerte modulene og deretter påføre en endehette for å forsegle alt før den endelige AFP-viklingen.»
«Vi prøver å ferdigstille et slikt konsept», fortsatte han, «og også begynne å teste materialvalget, noe som er svært viktig for å sikre nødvendig motstand mot H2-gasspenetrasjon. Til dette bruker vi hovedsakelig termoplastmaterialer og jobber med ulike måter materialet vil påvirke denne permeasjonsatferden og behandlingen i AFP-maskinen. Det er viktig å forstå om behandlingen vil ha en effekt og om det kreves noen etterbehandling. Vi ønsker også å vite om forskjellige stabler vil påvirke hydrogenpermeasjonen gjennom trykkbeholderen.»
Tanken vil bli laget utelukkende av termoplast, og strimlene vil bli levert av Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Tyskland). «Vi vil bruke deres PPS [polyfenylensulfid], PEEK [polyeterketon] og LM PAEK [lavtsmeltende polyarylketon]-materialer», sa Yager. «Sammenligninger gjøres deretter for å se hvilken som er best for penetrasjonsbeskyttelse og for å produsere deler med bedre ytelse.» Han håper å fullføre testing, strukturell og prosessmodellering og første demonstrasjoner i løpet av neste år.
Forskningsarbeidet ble utført innenfor COMET-modulen «Polymers4Hydrogen» (ID 21647053) innenfor COMET-programmet til det føderale departementet for klimaendringer, miljø, energi, mobilitet, innovasjon og teknologi og det føderale departementet for digital teknologi og økonomi. Forfatterne takker de deltakende partnerne Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL, Østerrike), Montanuniversitaet Leoben (Fakultet for polymerteknikk og -vitenskap, Institutt for kjemi for polymermaterialer, Institutt for materialvitenskap og polymertesting), Universitetet i Tampere (Fakultet for materialteknikk), Peak Technology og Faurecia som bidro til dette forskningsarbeidet. COMET-Modul er finansiert av regjeringen i Østerrike og regjeringen i delstaten Steiermark.
Forarmerte plater for bærende konstruksjoner inneholder kontinuerlige fibre – ikke bare fra glass, men også fra karbon og aramid.
Det finnes mange måter å lage komposittdeler på. Derfor vil valget av metode for en bestemt del avhenge av materialet, delens design og sluttbruken eller anvendelsen. Her er en veiledning for valg.
Shocker Composites og R&M International utvikler en forsyningskjede for resirkulert karbonfiber som gir null slakting, lavere kostnader enn jomfrufiber, og som etter hvert vil tilby lengder som nærmer seg kontinuerlig fiber i strukturelle egenskaper.
Publisert: 15. mars 2023