Standardowe płaskie zbiorniki do pojazdów typu BEV i FCEV wykorzystują kompozyty termoplastyczne i termoutwardzalne o konstrukcji szkieletowej, która zapewnia o 25% więcej magazynowania H2.#wodór #trendy
Po tym, jak współpraca z BMW wykazała, że zbiornik sześcienny może zapewnić wyższą wydajność objętościową niż wiele małych cylindrów, Uniwersytet Techniczny w Monachium rozpoczął projekt opracowania struktury kompozytowej i skalowalnego procesu produkcyjnego do produkcji seryjnej.Źródło zdjęcia: TU Dresden (u góry) po lewej), Uniwersytet Techniczny w Monachium, Katedra Kompozytów Węglowych (LCC)
Pojazdy elektryczne napędzane ogniwami paliwowymi (FCEV) napędzane wodorem o zerowej emisji (H2) zapewniają dodatkowe środki do osiągnięcia zerowych celów środowiskowych.Samochód osobowy na ogniwa paliwowe z silnikiem H2 można zatankować w 5-7 minut i ma zasięg 500 km, ale jest obecnie droższy ze względu na niski wolumen produkcji.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 przedziałów akumulatorów pod podwoziem, które zostały starannie zaprojektowane dla pojazdów elektrycznych.Jednak w tej płaskiej przestrzeni opakowania zmieszczą się zbiorniki ciśnieniowe w postaci poduszek i kostek.
Patent US5577630A na „Composite Conformal Pressure Vessel”, zgłoszenie złożone przez Thiokol Corp. w 1995 r. (po lewej) oraz prostokątny zbiornik ciśnieniowy opatentowany przez BMW w 2009 r. (po prawej).
Katedra Kompozytów Węglowych (LCC) Uniwersytetu Technicznego w Monachium (TUM, Monachium, Niemcy) jest zaangażowana w dwa projekty mające na celu rozwój tej koncepcji.Pierwszym z nich jest Polymers4Hydrogen (P4H), kierowany przez Leoben Polymer Competence Center (PCCL, Leoben, Austria).Pakiet roboczy LCC jest prowadzony przez Fellow Elizabeth Glace.
Drugim projektem jest Hydrogen Demonstration and Development Environment (HyDDen), w którym LCC jest kierowane przez badacza Christiana Jaegera.Oba mają na celu stworzenie zakrojonej na szeroką skalę demonstracji procesu produkcji odpowiedniego zbiornika CGH2 przy użyciu kompozytów z włókna węglowego.
Wydajność objętościowa jest ograniczona, gdy butle o małej średnicy są instalowane w płaskich ogniwach akumulatorowych (po lewej) i sześciennych zbiornikach ciśnieniowych typu 2 wykonanych ze stalowych wykładzin i zewnętrznej powłoki kompozytowej z włókna węglowego i żywicy epoksydowej (po prawej).Źródło obrazu: Rysunki 3 i 6 pochodzą z „Numerical Design Approach for Type II Pressure Box Vessel with Internal Tension Legs” Rufa i Zaremby et al.
P4H wyprodukował eksperymentalny zbiornik sześcienny, który wykorzystuje termoplastyczną ramę z kompozytowymi paskami/rozpórkami napinającymi owiniętymi żywicą epoksydową wzmocnioną włóknem węglowym.HyDDen użyje podobnego projektu, ale użyje automatycznego układania włókien (AFP) do produkcji wszystkich termoplastycznych zbiorników kompozytowych.
Od wniosku patentowego Thiokol Corp. do „Composite Conformal Pressure Vessel” w 1995 r. do niemieckiego patentu DE19749950C2 w 1997 r., zbiorniki sprężonego gazu „mogą mieć dowolną konfigurację geometryczną”, ale zwłaszcza płaskie i nieregularne kształty, we wnęce połączonej ze wspornikiem skorupy .elementy są używane tak, aby mogły wytrzymać siłę rozszerzania się gazu.
Artykuł Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) z 2006 r. opisuje trzy podejścia: konformalne naczynie ciśnieniowe z nawiniętym włóknem, naczynie ciśnieniowe z mikrosiatką zawierające wewnętrzną rombową strukturę sieciową (małe komórki o wielkości 2 cm lub mniejszej), otoczone cienkościennym pojemnikiem H2, oraz pojemnik replikatora, składający się z wewnętrznej struktury składającej się z sklejonych małych części (np. sześciokątnych pierścieni z tworzywa sztucznego) oraz kompozycji cienkiej powłoki zewnętrznej.Zduplikowane pojemniki najlepiej nadają się do większych pojemników, w których zastosowanie tradycyjnych metod może być trudne.
Patent DE102009057170A złożony przez Volkswagena w 2009 roku opisuje zbiornik ciśnieniowy montowany na pojeździe, który zapewni wysoką wydajność masy przy jednoczesnym lepszym wykorzystaniu przestrzeni.Zbiorniki prostokątne wykorzystują łączniki napinające między dwiema prostokątnymi przeciwległymi ścianami, a rogi są zaokrąglone.
Powyższe i inne koncepcje są cytowane przez Gleissa w artykule „Process Development for Cubic Pressure Vessels with Stretch Bars”, Gleiss et al.na ECCM20 (26-30 czerwca 2022, Lozanna, Szwajcaria).W tym artykule cytuje badanie TUM opublikowane przez Michaela Roofa i Svena Zarembę, które wykazało, że sześcienny zbiornik ciśnieniowy z rozpórkami napinającymi łączącymi prostokątne boki jest bardziej wydajny niż kilka małych cylindrów, które mieszczą się w przestrzeni płaskiej baterii, dostarczając około 25 % więcej.przestrzeń magazynowa.
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 gazu H2.Ogólnie rzecz biorąc, system zapewnia mniejszą pojemność niż słoiki sześcienne”.
Istnieją jednak inne problemy z sześcienną konstrukcją zbiornika.„Oczywiście, ze względu na sprężony gaz, trzeba przeciwdziałać siłom zginającym na płaskich ścianach” – powiedział Gleiss.„Do tego potrzebna jest wzmocniona konstrukcja, która łączy się wewnętrznie ze ścianami zbiornika.Ale trudno to zrobić w przypadku kompozytów”.
Glace i jej zespół próbowali wprowadzić pręty wzmacniające do zbiornika ciśnieniowego w sposób odpowiedni do procesu nawijania włókna.„Jest to ważne w przypadku produkcji wielkoseryjnej”, wyjaśnia, „a także pozwala nam zaprojektować wzór nawijania ścian pojemnika, aby zoptymalizować orientację włókien dla każdego ładunku w strefie”.
Cztery kroki do wykonania próbnego sześciennego zbiornika kompozytowego dla projektu P4H.Źródło zdjęcia: „Opracowanie procesu produkcyjnego sześciennych zbiorników ciśnieniowych z klamrą”, Uniwersytet Techniczny w Monachium, projekt Polymers4Hydrogen, ECCM20, czerwiec 2022 r.
Aby osiągnąć on-chain, zespół opracował nową koncepcję składającą się z czterech głównych kroków, jak pokazano powyżej.Rozpórki napinające, pokazane na stopniach w kolorze czarnym, to prefabrykowana konstrukcja ramowa wykonana metodami zaczerpniętymi z projektu MAI Skelett.Na potrzeby tego projektu BMW opracowało „szkielet” ramy przedniej szyby, wykorzystując cztery wzmocnione włóknami pręty pultruzyjne, które następnie uformowano w plastikową ramę.
Rama eksperymentalnego zbiornika sześciennego.Sześciokątne sekcje szkieletu wydrukowane w 3D przez TUM przy użyciu niewzmocnionego włókna PLA (góra), wstawienie prętów pultruzyjnych CF/PA6 jako szelek napinających (środek), a następnie owijanie włókna wokół szelek (dół).Źródło zdjęcia: Uniwersytet Techniczny w Monachium LCC.
„Chodzi o to, aby ramę sześciennego zbiornika można było zbudować jako konstrukcję modułową” — powiedział Glace.„Moduły te są następnie umieszczane w narzędziu do formowania, rozpórki napinane są umieszczane w modułach ramy, a następnie stosowana jest metoda MAI Skelett wokół rozpórek w celu zintegrowania ich z częściami ramy”.metodą produkcji masowej, w wyniku której powstaje struktura, która jest następnie wykorzystywana jako trzpień lub rdzeń do owinięcia kompozytowej skorupy zbiornika magazynowego.
TUM zaprojektował ramę zbiornika jako sześcienną „poduszkę” z solidnymi bokami, zaokrąglonymi rogami i sześciokątnym wzorem na górze i na dole, przez które można wkładać i mocować wiązania.Otwory na te stojaki zostały również wydrukowane w 3D.„W naszym początkowym zbiorniku eksperymentalnym wydrukowaliśmy sześciokątne sekcje ramy w 3D przy użyciu kwasu polimlekowego [PLA, tworzywa termoplastycznego pochodzenia biologicznego], ponieważ było to łatwe i tanie”, powiedział Glace.
Zespół zakupił 68 prętów z poliamidu 6 (PA6) wzmocnionego pultrudowanym włóknem węglowym od SGL Carbon (Meitingen, Niemcy) do wykorzystania jako opaski.„Aby przetestować tę koncepcję, nie wykonaliśmy żadnego formowania”, mówi Gleiss, „ale po prostu włożyliśmy elementy dystansowe do wydrukowanej w 3D ramy rdzenia o strukturze plastra miodu i skleiliśmy je klejem epoksydowym.To z kolei zapewnia trzpień do nawijania zbiornika”.Zauważa, że chociaż te wędki są stosunkowo łatwe do nakręcenia, istnieje kilka istotnych problemów, które zostaną opisane później.
„Na pierwszym etapie naszym celem było zademonstrowanie wykonalności projektu i zidentyfikowanie problemów w koncepcji produkcji” — wyjaśnił Gleiss.„Tak więc rozpórki napinające wystają z zewnętrznej powierzchni struktury szkieletowej, a my mocujemy włókna węglowe do tego rdzenia za pomocą nawijania na mokro.Następnie w trzecim kroku wyginamy główkę każdego drążka kierowniczego.termoplastyczny, więc po prostu używamy ciepła, aby zmienić kształt główki, tak aby spłaszczyła się i zablokowała w pierwszej warstwie opakowania.Następnie przystępujemy do ponownego owijania struktury, tak aby płaska głowica oporowa była geometrycznie zamknięta w zbiorniku.laminat na ścianach.
Nasadka dystansowa do nawijania.TUM stosuje plastikowe nasadki na końcach prętów napinających, aby zapobiec splątaniu włókien podczas nawijania włókna.Źródło zdjęcia: Uniwersytet Techniczny w Monachium LCC.
Glace powtórzył, że ten pierwszy czołg był dowodem słuszności koncepcji.„Użycie druku 3D i kleju było tylko do wstępnych testów i dało nam wyobrażenie o kilku napotkanych problemach.Na przykład podczas nawijania włókna zostały złapane przez końce prętów naprężających, powodując pękanie włókien, ich uszkodzenia i zmniejszając ilość włókien, aby temu przeciwdziałać.użyliśmy kilku plastikowych nakładek jako pomocy produkcyjnych, które zostały umieszczone na tyczkach przed pierwszym etapem nawijania. Następnie, kiedy wykonano wewnętrzne laminaty, usunęliśmy te ochronne nasadki i zmieniliśmy kształt końców tyczek 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 nagrzania i zmiany kształtu końcówek drążków kierowniczych.W koncepcji masowej produkcji miałbyś jedno większe narzędzie, które może jednocześnie kształtować i formować wszystkie końce rozpórek w laminat do wykończenia wnętrz..”
Głowice dyszla zmienione.TUM eksperymentował z różnymi koncepcjami i zmodyfikował spoiny, aby wyrównać końce wiązań kompozytowych do mocowania do laminatu ściany zbiornika.Źródło zdjęcia: „Opracowanie procesu produkcyjnego sześciennych zbiorników ciśnieniowych z klamrą”, Uniwersytet Techniczny w Monachium, projekt Polymers4Hydrogen, ECCM20, czerwiec 2022 r.
W ten sposób laminat jest utwardzany po pierwszym etapie nawijania, słupki są przekształcane, 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 ma plastikowej wkładki jako bariery gazowej.Zobacz dyskusję w sekcji Następne kroki poniżej.
„Pocięliśmy pierwsze demo na przekroje i zmapowaliśmy połączony obszar” – powiedział Glace.„Zbliżenie pokazuje, że mieliśmy pewne problemy z jakością laminatu, ponieważ głowice rozpórek nie leżały płasko na laminacie wewnętrznym”.
Rozwiązywanie problemów ze szczelinami między laminatem wewnętrznej i zewnętrznej ściany zbiornika.Zmodyfikowana głowica drążka kierowniczego tworzy szczelinę między pierwszym a drugim zwojem zbiornika eksperymentalnego.Źródło zdjęcia: Uniwersytet Techniczny w Monachium LCC.
Ten początkowy czołg o wymiarach 450 x 290 x 80 mm został ukończony latem ubiegłego roku.„Od tego czasu poczyniliśmy duże postępy, ale nadal mamy lukę między laminatem wewnętrznym i zewnętrznym” — powiedział Glace.„Próbowaliśmy więc wypełnić te luki czystą żywicą o wysokiej lepkości.W rzeczywistości poprawia to połączenie między kołkami a laminatem, co znacznie zwiększa naprężenia mechaniczne”.
Zespół kontynuował prace nad projektem i procesem zbiornika, w tym rozwiązaniami dla pożądanego wzoru uzwojenia.„Boki zbiornika testowego nie były całkowicie zwinięte, ponieważ przy tej geometrii trudno było stworzyć krętą ścieżkę” — wyjaśnił Glace.„Nasz początkowy kąt nawijania wynosił 75°, ale wiedzieliśmy, że potrzeba wielu obwodów, aby sprostać obciążeniu w tym zbiorniku ciśnieniowym.Wciąż szukamy rozwiązania tego problemu, ale nie jest to łatwe przy obecnym oprogramowaniu na rynku.Może stać się kontynuacją projektu.
„Wykazaliśmy wykonalność tej koncepcji produkcji”, mówi Gleiss, „ale musimy dalej pracować, aby poprawić połączenie między laminatem i zmienić kształt drążków kierowniczych.„Testowanie zewnętrzne na maszynie wytrzymałościowej.Wyciągasz przekładki z laminatu i sprawdzasz obciążenia mechaniczne, jakie mogą wytrzymać te połączenia”.
Ta część projektu Polymers4Hydrogen zostanie zakończona pod koniec 2023 r., kiedy to Gleis ma nadzieję ukończyć drugi zbiornik demonstracyjny.Co ciekawe, dzisiejsze projekty wykorzystują 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 kompozytowe materiały matrycowe o lepszych właściwościach barierowych dla wodoru”.Wymienia dwóch partnerów pracujących nad tą pracą, PCCL i University of Tampere (Tampere, Finlandia).
Gleiss i jej zespół wymienili również informacje i omówili pomysły z Jaegerem na temat drugiego projektu HyDDen z konforemnego zbiornika kompozytowego LCC.
„Będziemy produkować konforemny kompozytowy zbiornik ciśnieniowy dla dronów badawczych”, mówi Jaeger.„Jest to współpraca między dwoma wydziałami Wydziału Lotnictwa i Geodezji TUM – LCC oraz Wydziału Techniki Śmigłowcowej (HT).Projekt zakończy się do końca 2024 roku, obecnie kończymy budowę zbiornika ciśnieniowego.projekt, który jest bardziej podejściem lotniczym i motoryzacyjnym.Po tym wstępnym etapie koncepcyjnym następnym krokiem jest wykonanie szczegółowego modelowania strukturalnego i przewidywanie właściwości barierowych konstrukcji ściany”.
„Cały pomysł polega na opracowaniu eksploracyjnego drona z hybrydowym ogniwem paliwowym i bateryjnym układem napędowym” – kontynuował.Będzie korzystał z akumulatora podczas dużych obciążeń (tj. startu i lądowania), a następnie przełączy się na ogniwo paliwowe podczas lotu z lekkim obciążeniem.„Zespół HT miał już drona badawczego i przeprojektował układ napędowy, aby wykorzystywać zarówno akumulatory, jak i ogniwa paliwowe” – powiedział Yeager.„Kupili również zbiornik CGH2, aby przetestować tę przekładnię”.
„Mój zespół otrzymał zadanie zbudowania prototypu zbiornika ciśnieniowego, który pasowałby, ale nie ze względu na problemy z opakowaniem, jakie stwarzałby zbiornik cylindryczny” — wyjaśnia.„Bardziej płaski zbiornik nie zapewnia tak dużej odporności na wiatr.Dzięki temu uzyskujesz lepsze osiągi podczas lotu”.Wymiary zbiornika ok.830x350x173mm.
W pełni termoplastyczny zbiornik zgodny z AFP.W przypadku projektu HyDDen zespół LCC z TUM początkowo zbadał podejście podobne do tego zastosowanego przez Glace (powyżej), ale następnie przeszedł do podejścia wykorzystującego kombinację kilku modułów strukturalnych, które następnie były nadużywane przy użyciu AFP (poniżej).Źródło zdjęcia: Uniwersytet Techniczny w Monachium LCC.
„Jeden z pomysłów jest podobny do podejścia Elisabeth [Gleiss]”, mówi Yager, „aby zastosować klamry napinające do ściany naczynia, aby zrekompensować duże siły zginające.Jednak zamiast stosowania procesu nawijania do wykonania zbiornika, używamy AFP.Dlatego pomyśleliśmy o stworzeniu oddzielnej sekcji zbiornika ciśnieniowego, w której stojaki są już zintegrowane.Takie podejście pozwoliło mi połączyć kilka z tych zintegrowanych modułów, a następnie zastosować zaślepkę końcową, aby uszczelnić wszystko przed ostatecznym uzwojeniem AFP”.
– Staramy się sfinalizować taką koncepcję – kontynuował – a także rozpocząć testy doboru materiałów, co jest bardzo ważne dla zapewnienia niezbędnej odporności na penetrację gazowego H2.W tym celu używamy głównie materiałów termoplastycznych i pracujemy nad różnymi sposobami, w jakie materiał wpłynie na zachowanie przenikania i przetwarzanie w maszynie AFP.Ważne jest, aby zrozumieć, czy leczenie przyniesie efekt i czy wymagana jest jakakolwiek obróbka końcowa.Chcemy również wiedzieć, czy różne stosy wpłyną na przenikanie wodoru przez zbiornik ciśnieniowy”.
Zbiornik będzie w całości wykonany z tworzywa termoplastycznego, a listwy dostarczy firma Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Niemcy).„Będziemy używać ich materiałów PPS [polisiarczek fenylenu], PEEK [polieteroketon] i LM PAEK [niskotopliwy poliaryloketon]”, powiedział Yager.„Następnie dokonuje się porównań, aby zobaczyć, który z nich jest najlepszy do ochrony przed penetracją i produkcji części o lepszych parametrach”.Ma nadzieję zakończyć testy, modelowanie strukturalne i procesowe oraz pierwsze demonstracje w ciągu następnego roku.
Prace badawcze przeprowadzono w ramach modułu COMET „Polymers4Hydrogen” (ID 21647053) w ramach programu COMET Federalnego Ministerstwa ds. Zmian Klimatu, Środowiska, Energii, Mobilności, Innowacji i Technologii oraz Federalnego Ministerstwa ds. Technologii Cyfrowej i Gospodarki..Autorzy dziękują uczestniczącym partnerom Polymer Competence Centre Leoben GmbH (PCCL, Austria), Montanuniversitaet Leoben (Wydział Inżynierii i Nauki Polimerów, Wydział Chemii Materiałów Polimerowych, Wydział Inżynierii Materiałowej i Badań Polimerów), University of Tampere (Wydział Inżynierii Materiały).) Science), Peak Technology i Faurecia przyczyniły się do tych prac badawczych.COMET-Modul jest finansowany przez rząd Austrii i rząd kraju związkowego Styria.
Arkusze prezbrojone do konstrukcji nośnych zawierają włókna ciągłe – nie tylko ze szkła, ale także z węgla i aramidu.
Istnieje wiele sposobów wykonywania części kompozytowych.Dlatego wybór metody dla konkretnej części będzie zależał od materiału, projektu części oraz końcowego zastosowania lub zastosowania.Oto przewodnik po wyborze.
Shocker Composites i R&M International opracowują łańcuch dostaw włókien węglowych pochodzących z recyklingu, który zapewnia zerowy ubój, niższy koszt niż włókno pierwotne i ostatecznie zaoferuje długości zbliżone do włókien ciągłych pod względem właściwości strukturalnych.
Czas postu: 15 marca 2023 r