Standardowe płaskie zbiorniki dla pojazdów BEV i FCEV wykorzystują kompozyty termoplastyczne i termoutwardzalne o konstrukcji szkieletowej, która zapewnia o 25% więcej miejsca na magazynowanie H2. #wodór #trendy
Po tym, jak współpraca z BMW wykazała, że zbiornik sześcienny może zapewnić wyższą wydajność objętościową niż wiele małych cylindrów, Politechnika Monachijska rozpoczęła projekt mający na celu opracowanie struktury kompozytowej i skalowalnego procesu produkcyjnego do produkcji seryjnej. Źródło zdjęcia: TU Dresden (u góry, po lewej), Politechnika Monachijska, Katedra Kompozytów Węglowych (LCC).
Pojazdy elektryczne z ogniwami paliwowymi (FCEV) zasilane wodorem o zerowej emisji (H₂) stanowią dodatkowe środki do osiągnięcia zerowych celów środowiskowych. Samochód osobowy z ogniwami paliwowymi i silnikiem wodorowym można napełnić w 5–7 minut i ma zasięg 500 km, ale obecnie jest droższy ze względu na niską produkcję. Jednym ze sposobów na obniżenie kosztów jest zastosowanie standardowej platformy dla modeli BEV i FCEV. Obecnie nie jest to możliwe, ponieważ cylindryczne zbiorniki typu 4, używane do przechowywania sprężonego gazu H₂ (CGH₂) pod ciśnieniem 700 barów w pojazdach FCEV, nie nadają się do komór akumulatorowych pod podwoziem, które zostały starannie zaprojektowane dla pojazdów elektrycznych. Jednak zbiorniki ciśnieniowe w formie poduszek i kostek mieszczą się w tej płaskiej przestrzeni.
Patent US5577630A na „Kompozytowy konforemny zbiornik ciśnieniowy”, wniosek złożony przez Thiokol Corp. w 1995 r. (po lewej) oraz prostokątny zbiornik ciśnieniowy opatentowany przez BMW w 2009 r. (po prawej).
Wydział Kompozytów Węglowych (LCC) Uniwersytetu Technicznego w Monachium (TUM, Monachium, Niemcy) uczestniczy w dwóch projektach rozwijających tę koncepcję. Pierwszym z nich jest Polymers4Hydrogen (P4H), kierowany przez Centrum Kompetencji Polimerowych Leoben (PCCL, Leoben, Austria). Pakietem roboczym LCC kieruje stypendystka Elizabeth Glace.
Drugim projektem jest Hydrogen Demonstration and Development Environment (HyDDen), którym kieruje badacz Christian Jaeger. Celem obu projektów jest stworzenie demonstracji procesu produkcyjnego na dużą skalę, pozwalającego na produkcję odpowiedniego zbiornika CGH2 z wykorzystaniem kompozytów z włókna węglowego.
Ograniczona jest wydajność objętościowa cylindrów o małej średnicy zainstalowanych w płaskich ogniwach akumulatorowych (po lewej) oraz sześciennych zbiornikach ciśnieniowych typu 2 wykonanych ze stalowych tulei i zewnętrznej powłoki z kompozytu włókna węglowego i epoksydu (po prawej). Źródło obrazu: Rysunki 3 i 6 pochodzą z publikacji „Numerical Design Approach for Type II Pressure Box Vessel with Internal Tension Legs” autorstwa Rufa, Zaremby i in.
Firma P4H zbudowała eksperymentalny zbiornik sześcienny, który wykorzystuje termoplastyczną ramę z kompozytowymi pasami/podporami napinającymi owiniętymi żywicą epoksydową wzmocnioną włóknem węglowym. Firma HyDDen wykorzysta podobną konstrukcję, ale do produkcji wszystkich zbiorników z kompozytów termoplastycznych wykorzysta technologię automatycznego układania włókien (AFP).
Począwszy od zgłoszenia patentowego firmy Thiokol Corp. dotyczącego „Kompozytowego Konformalnego Zbiornika Ciśnieniowego” z 1995 r., aż po niemiecki patent DE19749950C2 z 1997 r., zbiorniki na sprężony gaz „mogą mieć dowolną konfigurację geometryczną”, ale szczególnie płaskie i nieregularne kształty, w komorze połączonej z elementami podtrzymującymi skorupę. Elementy te są stosowane tak, aby mogły wytrzymać siłę rozprężania się gazu.
W publikacji Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) z 2006 roku opisano trzy podejścia: konformalny zbiornik ciśnieniowy z nawiniętym włóknem, zbiornik ciśnieniowy z mikrosiecią, zawierający wewnętrzną rombową strukturę sieciową (małe komórki o średnicy 2 cm lub mniejszej), otoczony cienkościennym pojemnikiem na H₂, oraz pojemnik replikatora, składający się z wewnętrznej struktury składającej się z klejonych małych elementów (np. sześciokątnych pierścieni z tworzywa sztucznego) i kompozycji cienkiej powłoki zewnętrznej. Pojemniki duplikujące najlepiej sprawdzają się w przypadku większych pojemników, w których zastosowanie tradycyjnych metod może być trudne.
Patent DE102009057170A, zgłoszony przez Volkswagena w 2009 roku, opisuje montowany w pojeździe zbiornik ciśnieniowy, który zapewni wysoką efektywność wagową przy jednoczesnym lepszym wykorzystaniu przestrzeni. Zbiorniki prostokątne wykorzystują łączniki naprężające między dwiema prostokątnymi, przeciwległymi ścianami, a ich rogi są zaokrąglone.
Powyższe i inne koncepcje zostały przytoczone przez Gleiss w artykule „Process Development for Cubic Pressure Vessels with Stretch Bars” autorstwa Gleiss i in., opublikowanym na konferencji ECCM20 (26-30 czerwca 2022 r., Lozanna, Szwajcaria). W artykule tym autorka cytuje badanie TUM opublikowane przez Michaela Roofa i Svena Zarembę, które wykazało, że sześcienny zbiornik ciśnieniowy z rozpórkami łączącymi prostokątne boki jest bardziej wydajny niż kilka małych cylindrów mieszczących się w przestrzeni płaskiego akumulatora, zapewniając około 25% więcej miejsca do przechowywania.
Według Gleissa, problem z instalacją dużej liczby małych butli typu 4 w płaskiej obudowie polega na tym, że „objętość między butlami jest znacznie zmniejszona, a system ma również bardzo dużą powierzchnię przenikania wodoru. Ogólnie rzecz biorąc, system zapewnia mniejszą pojemność magazynową niż butle sześcienne”.
Istnieją jednak inne problemy z sześcienną konstrukcją zbiornika. „Oczywiście, ze względu na sprężony gaz, trzeba przeciwdziałać siłom zginającym działającym na płaskie ściany” – powiedział Gleiss. „W tym celu potrzebna jest wzmocniona konstrukcja, która łączy się wewnętrznie ze ścianami zbiornika. Ale to trudne w przypadku kompozytów”.
Glace i jej zespół starali się wbudować pręty wzmacniające w zbiornik ciśnieniowy w sposób odpowiedni do procesu nawijania włókien. „Jest to ważne w przypadku produkcji wielkoseryjnej” – wyjaśnia – „a także pozwala nam zaprojektować wzór nawijania ścianek zbiornika, aby zoptymalizować orientację włókien dla każdego ładunku w danej strefie”.
Cztery etapy produkcji próbnego sześciennego zbiornika kompozytowego w ramach projektu P4H. Źródło zdjęcia: „Opracowanie procesu produkcyjnego sześciennych zbiorników ciśnieniowych z usztywnieniem”, Politechnika Monachijska, projekt Polymers4Hydrogen, ECCM20, czerwiec 2022 r.
Aby osiągnąć ten cel, zespół opracował nową koncepcję składającą się z czterech głównych kroków, jak pokazano powyżej. Rozpórki napinające, zaznaczone na czarno na krokach, to prefabrykowana konstrukcja ramy, wykonana metodami zaczerpniętymi z projektu MAI Skelett. Na potrzeby tego projektu firma BMW opracowała „szkielet” ramy przedniej szyby, wykorzystując cztery pręty pultruzji wzmocnione włóknami, które następnie uformowano w plastikową ramę.
Rama eksperymentalnego zbiornika sześciennego. Sześciokątne przekroje szkieletu wydrukowane w technologii 3D przez TUM z niewzmocnionego filamentu PLA (góra), z włożeniem prętów pultruzji CF/PA6 jako usztywnień (środek), a następnie owinięciem filamentu wokół usztywnień (dół). Źródło zdjęcia: Technical University of Munich LCC.
„Idea polega na tym, że można zbudować ramę zbiornika sześciennego jako konstrukcję modułową” – powiedział Glace. „Te moduły są następnie umieszczane w formie, w modułach ramy umieszczane są rozpórki napinające, a następnie metoda MAI Skelett jest stosowana wokół rozpórek, aby zintegrować je z częściami ramy”. Metoda produkcji masowej, w wyniku czego powstaje konstrukcja, która jest następnie wykorzystywana jako trzpień lub rdzeń do owijania kompozytowej powłoki zbiornika magazynowego.
TUM zaprojektowało ramę zbiornika jako sześcienną „poduszkę” z pełnymi bokami, zaokrąglonymi narożnikami i sześciokątnym wzorem na górze i dole, przez który można wsuwać i mocować opaski. Otwory na te stelaże również zostały wydrukowane w technologii 3D. „W naszym pierwszym zbiorniku eksperymentalnym wydrukowaliśmy w technologii 3D sześciokątne sekcje ramy z kwasu polimlekowego [PLA, biotermoplastycznego], ponieważ było to łatwe i tanie” – powiedział Glace.
Zespół zakupił od firmy SGL Carbon (Meitingen, Niemcy) 68 prętów poliamidu 6 (PA6) wzmocnionych włóknem węglowym, poddanych pultruzji, które posłużyły jako opaski. „Aby przetestować tę koncepcję, nie wykonaliśmy żadnego formowania”, mówi Gleiss, „tylko wstawiliśmy przekładki w ramę o strukturze plastra miodu wydrukowaną w technologii 3D i skleiliśmy je klejem epoksydowym. W ten sposób powstał trzpień do nawijania zbiornika”. Zauważa, że chociaż pręty te są stosunkowo łatwe w nawijaniu, występują pewne istotne problemy, które zostaną opisane później.
„Na pierwszym etapie naszym celem było zademonstrowanie wykonalności projektu i zidentyfikowanie problemów w koncepcji produkcyjnej” – wyjaśnił Gleiss. „Dlatego pręty napinające wystają z zewnętrznej powierzchni szkieletu, a włókna węglowe mocujemy do tego rdzenia metodą nawijania na mokro. Następnie, w trzecim kroku, wyginamy głowicę każdego drążka kierowniczego. Używamy termoplastycznego tworzywa sztucznego, więc po prostu pod wpływem ciepła nadajemy jej kształt, spłaszczając ją i blokując w pierwszej warstwie owijki. Następnie ponownie owijamy konstrukcję, tak aby płaska głowica oporowa była geometrycznie zamknięta w zbiorniku. Laminat na ściankach.
Nakładka dystansowa do nawijania. TUM stosuje plastikowe nakładki na końcach prętów napinających, aby zapobiec splątywaniu się włókien podczas nawijania filamentu. Źródło zdjęcia: Technical University of Munich LCC.
Glace powtórzył, że ten pierwszy zbiornik był dowodem słuszności koncepcji. „Użycie druku 3D i kleju miało jedynie charakter wstępnych testów i pozwoliło nam zorientować się w kilku problemach, z którymi się spotkaliśmy. Na przykład, podczas nawijania włókna zaczepiały się o końce prętów napinających, co powodowało ich pękanie, uszkodzenia i zmniejszało ich ilość, aby temu zaradzić. Użyliśmy kilku plastikowych nakładek jako pomocy produkcyjnych, które zostały umieszczone na słupach przed pierwszym etapem nawijania. Następnie, po wykonaniu wewnętrznych laminatów, usunęliśmy te nakładki ochronne i zmieniliśmy kształt końców słupów przed ostatecznym owinięciem”.
Zespół eksperymentował z różnymi scenariuszami rekonstrukcji. „Ci, którzy się rozglądają, pracują najlepiej” – mówi Grace. „Ponadto, w fazie prototypowania, użyliśmy zmodyfikowanego narzędzia spawalniczego do nagrzewania i zmiany kształtu końcówek drążków kierowniczych. W koncepcji produkcji masowej, mielibyśmy jedno większe narzędzie, które mogłoby jednocześnie kształtować i formować wszystkie końcówki rozpór, tworząc laminat wykończeniowy do wnętrza”.
Zmieniono kształt głowic dyszli. TUM eksperymentował z różnymi koncepcjami i zmodyfikował spoiny, aby wyrównać końce kompozytowych opasek mocujących do laminatu ściany zbiornika. Źródło zdjęcia: „Opracowanie procesu produkcyjnego sześciennych zbiorników ciśnieniowych ze wzmocnieniem”, Politechnika Monachijska, projekt Polymers4Hydrogen, ECCM20, czerwiec 2022 r.
W ten sposób laminat jest utwardzany po pierwszym etapie nawijania, słupki są formowane, TUM kończy drugie nawijanie włókien, a następnie laminat zewnętrznej ściany zbiornika jest utwardzany po raz drugi. Należy pamiętać, że jest to konstrukcja zbiornika typu 5, co oznacza, że nie posiada plastikowej wkładki jako bariery gazowej. Szczegóły znajdują się poniżej w sekcji „Kolejne kroki”.
„Pocięliśmy pierwszą wersję demonstracyjną na przekroje i zmapowaliśmy obszar połączeń” – powiedział Glace. „Zbliżenie pokazuje, że mieliśmy pewne problemy z jakością laminatu, ponieważ głowice kolumn nie przylegały płasko do laminatu wewnętrznego”.
Rozwiązywanie problemów z przerwami między laminatem wewnętrznej i zewnętrznej ściany zbiornika. Zmodyfikowana głowica drążka kierowniczego tworzy przerwę między pierwszym a drugim zwojem zbiornika doświadczalnego. Źródło zdjęcia: Politechnika Monachijska LCC.
Ten początkowy zbiornik o wymiarach 450 x 290 x 80 mm został ukończony zeszłego lata. „Od tego czasu poczyniliśmy duże postępy, ale nadal mamy lukę między laminatem wewnętrznym a zewnętrznym” – powiedział Glace. „Postanowiliśmy więc wypełnić te luki czystą żywicą o wysokiej lepkości. To faktycznie poprawia połączenie między słupkami a laminatem, co znacznie zwiększa naprężenia mechaniczne”.
Zespół kontynuował prace nad projektem i procesem produkcji zbiornika, w tym nad rozwiązaniami zapewniającymi pożądany wzór uzwojenia. „Bok zbiornika testowego nie był całkowicie zwinięty, ponieważ ta geometria utrudniała utworzenie ścieżki uzwojenia” – wyjaśnił Glace. „Początkowy kąt uzwojenia wynosił 75°, ale wiedzieliśmy, że do spełnienia obciążenia w tym zbiorniku ciśnieniowym potrzebne są liczne obwody. Wciąż poszukujemy rozwiązania tego problemu, ale nie jest to łatwe z obecnym oprogramowaniem dostępnym na rynku. Może to być kontynuacja projektu”.
„Wykazaliśmy wykonalność tej koncepcji produkcyjnej” – mówi Gleiss – „ale musimy popracować dalej, aby poprawić połączenie między laminatem i zmienić kształt drążków kierowniczych. Testy zewnętrzne na maszynie wytrzymałościowej. Wyciąga się przekładki z laminatu i testuje obciążenia mechaniczne, jakie te połączenia wytrzymują”.
Ta część projektu Polymers4Hydrogen zostanie ukończona pod koniec 2023 roku, do tego czasu Gleis ma nadzieję ukończyć drugi zbiornik demonstracyjny. Co ciekawe, obecnie w projektach wykorzystuje się czyste, wzmocnione tworzywa termoplastyczne w ramie i kompozyty termoutwardzalne w ścianach zbiornika. Czy to hybrydowe podejście zostanie zastosowane w ostatecznym zbiorniku demonstracyjnym? „Tak” – powiedziała Grace. „Nasi partnerzy w projekcie Polymers4Hydrogen opracowują żywice epoksydowe i inne materiały kompozytowe o lepszych właściwościach barierowych dla wodoru”. Wymienia dwóch partnerów pracujących nad tym projektem: PCCL i Uniwersytet w Tampere (Tampere, Finlandia).
Gleiss i jej zespół wymienili się również informacjami i omówili pomysły z firmą Jaeger na temat drugiego projektu HyDDen, realizowanego w ramach projektu zbiornika kompozytowego LCC.
„Będziemy produkować konforemny kompozytowy zbiornik ciśnieniowy dla dronów badawczych” – mówi Jaeger. „Jest to efekt współpracy dwóch wydziałów: Wydziału Lotnictwa i Geodezji TUM – LCC oraz Wydziału Technologii Śmigłowcowych (HT). Projekt zostanie ukończony do końca 2024 roku, a obecnie kończymy budowę zbiornika ciśnieniowego. Projekt ten jest bardziej nastawiony na przemysł lotniczy i motoryzacyjny. Po tym wstępnym etapie koncepcyjnym, kolejnym krokiem będzie szczegółowe modelowanie konstrukcyjne i prognozowanie odporności konstrukcji ścian na działanie bariery”.
„Cały pomysł polega na opracowaniu drona badawczego z hybrydowym systemem napędowym opartym na ogniwach paliwowych i akumulatorach” – kontynuował. Będzie on korzystał z akumulatora podczas dużych obciążeń (tj. startu i lądowania), a następnie przełączał się na ogniwo paliwowe podczas lotów przelotowych z małym obciążeniem. „Zespół HT posiadał już drona badawczego i przeprojektował układ napędowy, aby korzystać zarówno z akumulatorów, jak i ogniw paliwowych” – powiedział Yeager. „Zakupili również zbiornik CGH2, aby przetestować ten układ napędowy”.
„Mój zespół otrzymał zadanie zbudowania prototypu zbiornika ciśnieniowego, który by pasował, ale nie ze względu na problemy z pakowaniem, jakie wiązałyby się ze zbiornikiem cylindrycznym” – wyjaśnia. „Płaski zbiornik nie stawia tak dużego oporu powietrza. Dzięki temu uzyskuje się lepsze osiągi w locie”. Wymiary zbiornika: ok. 830 x 350 x 173 mm.
Zbiornik w pełni termoplastyczny, zgodny z AFP. W projekcie HyDDen zespół LCC z TUM początkowo badał podejście podobne do tego zastosowanego przez Glace (powyżej), ale następnie przeszedł do podejścia wykorzystującego kombinację kilku modułów konstrukcyjnych, które były następnie nadmiernie eksploatowane z wykorzystaniem AFP (poniżej). Źródło zdjęcia: Politechnika Monachijska LCC.
„Jeden z pomysłów jest podobny do podejścia Elisabeth [Gleiss]” – mówi Yager – „aby zastosować wzmocnienia naprężające do ścianek zbiornika w celu skompensowania wysokich sił zginających. Jednak zamiast stosować proces nawijania do wykonania zbiornika, używamy AFP. Dlatego pomyśleliśmy o stworzeniu oddzielnej sekcji zbiornika ciśnieniowego, w której stelaże są już zintegrowane. To podejście pozwoliło mi połączyć kilka z tych zintegrowanych modułów, a następnie zastosować zaślepkę, aby uszczelnić wszystko przed ostatecznym nawijaniem AFP”.
„Staramy się sfinalizować tę koncepcję” – kontynuował – „a także rozpocząć testowanie doboru materiałów, co jest bardzo ważne dla zapewnienia niezbędnej odporności na przenikanie wodoru. W tym celu używamy głównie materiałów termoplastycznych i pracujemy nad różnymi możliwościami ich wpływu na zachowanie się podczas przenikania i proces obróbki w urządzeniu AFP. Ważne jest, aby zrozumieć, czy obróbka będzie miała wpływ i czy konieczne będzie dodatkowe przetwarzanie. Chcemy również dowiedzieć się, czy różne kominy będą miały wpływ na przenikanie wodoru przez zbiornik ciśnieniowy”.
Zbiornik będzie w całości wykonany z tworzywa termoplastycznego, a taśmy dostarczy firma Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Niemcy). „Wykorzystamy ich materiały PPS [polisiarczek fenylenu], PEEK [polieteroketon] i LM PAEK [niskotopliwy poliaryloketon]” – powiedział Yager. „Następnie przeprowadzamy porównania, aby sprawdzić, który z nich najlepiej sprawdzi się pod względem ochrony przed penetracją i pozwoli na produkcję części o lepszej wydajności”. Ma nadzieję zakończyć testy, modelowanie konstrukcji i procesu oraz pierwsze demonstracje w ciągu najbliższego roku.
Prace badawcze przeprowadzono w ramach modułu COMET „Polymers4Hydrogen” (ID 21647053) w ramach programu COMET Federalnego Ministerstwa Zmian Klimatu, Środowiska, Energii, Mobilności, Innowacji i Technologii oraz Federalnego Ministerstwa Technologii Cyfrowych i Gospodarki. Autorzy dziękują uczestniczącym partnerom Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL, Austria), Montanuniversitaet Leoben (Wydział Inżynierii i Nauki Polimerów, Katedra Chemii Materiałów Polimerowych, Katedra Materiałoznawstwa i Testowania Polimerów), Uniwersytetowi w Tampere (Wydział Materiałów Inżynieryjnych). ) Science), Peak Technology i Faurecia przyczyniły się do tych prac badawczych. COMET-Modul jest finansowany przez rząd Austrii i rząd kraju związkowego Styria.
Wstępnie zbrojone arkusze przeznaczone do konstrukcji nośnych zawierają ciągłe włókna – nie tylko szklane, ale także węglowe i aramidowe.
Istnieje wiele sposobów wytwarzania elementów kompozytowych. Dlatego wybór metody dla konkretnego elementu będzie zależał od materiału, konstrukcji elementu oraz przeznaczenia lub zastosowania. Oto przewodnik po wyborze.
Shocker Composites i R&M International opracowują łańcuch dostaw włókien węglowych z recyklingu, który charakteryzuje się zerową liczbą ubojów, niższymi kosztami niż włókno pierwotne, a docelowo będzie oferował długości zbliżone do włókien ciągłych pod względem właściwości strukturalnych.
Czas publikacji: 15 marca 2023 r.