Os tanques de plataforma plana padrão para BEVs e FCEVs utilizam compostos termoplásticos e termofixos com uma estrutura que proporciona 25% mais armazenamento de H2. #hidrogênio #tendências
Após uma colaboração com a BMW demonstrar que um tanque cúbico poderia proporcionar maior eficiência volumétrica do que vários cilindros pequenos, a Universidade Técnica de Munique embarcou em um projeto para desenvolver uma estrutura composta e um processo de fabricação escalável para produção em série. Crédito da imagem: TU Dresden (acima, à esquerda), Universidade Técnica de Munique, Departamento de Compósitos de Carbono (LCC)
Veículos elétricos a célula de combustível (FCEVs) movidos a hidrogênio com emissão zero (H2) fornecem meios adicionais para atingir metas ambientais zero. Um carro de passeio com célula de combustível e motor H2 pode ser abastecido em 5 a 7 minutos e tem uma autonomia de 500 km, mas atualmente é mais caro devido aos baixos volumes de produção. Uma maneira de reduzir custos é usar uma plataforma padrão para modelos BEV e FCEV. Atualmente, isso não é possível porque os tanques cilíndricos Tipo 4 usados para armazenar gás H2 comprimido (CGH2) a 700 bar em FCEVs não são adequados para os compartimentos de bateria sob a carroceria, que foram cuidadosamente projetados para veículos elétricos. No entanto, vasos de pressão na forma de almofadas e cubos podem caber neste espaço de embalagem plana.
Patente US5577630A para “Composite Conformal Pressure Vessel”, pedido depositado pela Thiokol Corp. em 1995 (esquerda) e o vaso de pressão retangular patenteado pela BMW em 2009 (direita).
O Departamento de Compósitos de Carbono (LCC) da Universidade Técnica de Munique (TUM, Munique, Alemanha) está envolvido em dois projetos para desenvolver este conceito. O primeiro é o Polymers4Hydrogen (P4H), liderado pelo Centro de Competência em Polímeros Leoben (PCCL, Leoben, Áustria). O pacote de trabalho do LCC é liderado pela bolsista Elizabeth Glace.
O segundo projeto é o Ambiente de Demonstração e Desenvolvimento de Hidrogênio (HyDDen), liderado pelo pesquisador Christian Jaeger. Ambos visam criar uma demonstração em larga escala do processo de fabricação de um tanque CGH2 adequado usando compósitos de fibra de carbono.
A eficiência volumétrica é limitada quando cilindros de pequeno diâmetro são instalados em células de bateria planas (esquerda) e vasos de pressão cúbicos tipo 2, feitos de revestimentos de aço e um invólucro externo composto de fibra de carbono/epóxi (direita). Fonte da imagem: As Figuras 3 e 6 são de “Abordagem de Projeto Numérico para Vaso de Caixa de Pressão Tipo II com Pernas de Tensão Internas” de Ruf e Zaremba et al.
A P4H fabricou um tanque cúbico experimental que utiliza uma estrutura termoplástica com cintas/escoras de tensão compostas revestidas em epóxi reforçado com fibra de carbono. A HyDDen usará um projeto semelhante, mas utilizará laminação automática de fibras (AFP) para fabricar todos os tanques de compósito termoplástico.
De um pedido de patente da Thiokol Corp. para “Composite Conformal Pressure Vessel” em 1995 até a patente alemã DE19749950C2 em 1997, os recipientes para gás comprimido “podem ter qualquer configuração geométrica”, mas especialmente formas planas e irregulares, em uma cavidade conectada ao suporte do invólucro. elementos são usados para que possam suportar a força de expansão do gás.
Um artigo de 2006 do Laboratório Nacional Lawrence Livermore (LLNL) descreve três abordagens: um vaso de pressão conformal com enrolamento filamentar, um vaso de pressão com microrrede contendo uma estrutura de rede interna ortorrômbica (pequenas células de 2 cm ou menos), circundado por um recipiente de H₂ de paredes finas, e um recipiente replicador, constituído por uma estrutura interna composta por pequenas peças coladas (por exemplo, anéis plásticos hexagonais) e uma composição de uma fina camada externa. Recipientes duplicados são mais adequados para recipientes maiores, onde os métodos tradicionais podem ser difíceis de aplicar.
A patente DE102009057170A, depositada pela Volkswagen em 2009, descreve um vaso de pressão montado em veículo que proporcionará alta eficiência de peso e, ao mesmo tempo, otimizará o aproveitamento do espaço. Tanques retangulares utilizam conectores de tensão entre duas paredes retangulares opostas, com cantos arredondados.
Os conceitos acima e outros são citados por Gleiss no artigo "Process Development for Cubic Pressure Vessels with Stretch Bars" (Desenvolvimento de Processo para Vasos de Pressão Cúbicos com Barras de Alongamento), de Gleiss et al., no ECCM20 (26 a 30 de junho de 2022, Lausanne, Suíça). Neste artigo, ela cita um estudo da TUM publicado por Michael Roof e Sven Zaremba, que constatou que um vaso de pressão cúbico com suportes de tensão conectando lados retangulares é mais eficiente do que vários cilindros pequenos que cabem no espaço de uma bateria descarregada, proporcionando aproximadamente 25% a mais de espaço de armazenamento.
Segundo Gleiss, o problema de instalar um grande número de cilindros pequenos do tipo 4 em uma caixa plana é que "o volume entre os cilindros é bastante reduzido e o sistema também tem uma superfície de permeação de gás H₂ muito grande. No geral, o sistema oferece menos capacidade de armazenamento do que recipientes cúbicos."
No entanto, existem outros problemas com o design cúbico do tanque. "Obviamente, por causa do gás comprimido, é preciso neutralizar as forças de flexão nas paredes planas", disse Gleiss. "Para isso, é necessária uma estrutura reforçada que se conecte internamente às paredes do tanque. Mas isso é difícil de fazer com compósitos."
Glace e sua equipe tentaram incorporar barras de tensão de reforço ao recipiente de pressão de forma adequada ao processo de enrolamento do filamento. "Isso é importante para a produção em larga escala", explica ela, "e também nos permite projetar o padrão de enrolamento das paredes do recipiente para otimizar a orientação das fibras para cada carga na zona."
Quatro etapas para a construção de um tanque cúbico de compósito experimental para o projeto P4H. Crédito da imagem: “Desenvolvimento de um processo de produção para vasos de pressão cúbicos com contraventamento”, Universidade Técnica de Munique, projeto Polymers4Hydrogen, ECCM20, junho de 2022.
Para alcançar a integração na cadeia, a equipe desenvolveu um novo conceito composto por quatro etapas principais, como mostrado acima. Os suportes de tensão, mostrados em preto nas etapas, são uma estrutura de quadro pré-fabricada, fabricada com métodos retirados do projeto MAI Skelett. Para este projeto, a BMW desenvolveu uma "estrutura" de quadro de para-brisa usando quatro hastes de pultrusão reforçadas com fibra, que foram então moldadas em uma estrutura de plástico.
Estrutura de um tanque cúbico experimental. Seções esqueléticas hexagonais impressas em 3D pela TUM usando filamento de PLA não reforçado (acima), inserindo barras de pultrusão de CF/PA6 como tirantes de tensão (meio) e, em seguida, enrolando o filamento ao redor dos tirantes (abaixo). Crédito da imagem: Universidade Técnica de Munique LCC.
“A ideia é construir a estrutura de um tanque cúbico como uma estrutura modular”, disse Glace. “Esses módulos são então colocados em uma ferramenta de moldagem, as escoras de tensão são colocadas nos módulos da estrutura e, em seguida, o método da MAI Skelett é usado ao redor das escoras para integrá-las às peças da estrutura.” método de produção em massa, resultando em uma estrutura que é então usada como um mandril ou núcleo para envolver a carcaça composta do tanque de armazenamento.
A TUM projetou a estrutura do tanque como uma "almofada" cúbica com laterais sólidas, cantos arredondados e um padrão hexagonal na parte superior e inferior, através do qual as amarras podem ser inseridas e fixadas. Os furos para esses suportes também foram impressos em 3D. "Para o nosso tanque experimental inicial, imprimimos seções hexagonais da estrutura em 3D usando ácido polilático [PLA, um termoplástico de base biológica] porque era fácil e barato", disse Glace.
A equipe adquiriu 68 hastes de poliamida 6 (PA6) reforçadas com fibra de carbono pultrudada da SGL Carbon (Meitingen, Alemanha) para uso como tirantes. "Para testar o conceito, não realizamos nenhuma moldagem", diz Gleiss, "apenas inserimos espaçadores em uma estrutura central em formato de favo de mel impressa em 3D e os colamos com cola epóxi. Isso, então, fornece um mandril para enrolar o tanque." Ela observa que, embora essas hastes sejam relativamente fáceis de enrolar, existem alguns problemas significativos que serão descritos posteriormente.
“Na primeira etapa, nosso objetivo era demonstrar a viabilidade de fabricação do projeto e identificar problemas no conceito de produção”, explicou Gleiss. “Assim, as escoras de tensão projetam-se da superfície externa da estrutura esquelética, e fixamos as fibras de carbono a esse núcleo usando enrolamento de filamento úmido. Depois disso, na terceira etapa, dobramos a cabeça de cada tirante. termoplástico, então usamos apenas calor para remodelar a cabeça de modo que ela se achate e se encaixe na primeira camada de envoltório. Em seguida, procedemos ao envoltório da estrutura novamente para que a cabeça de empuxo plana fique geometricamente envolvida dentro do tanque. laminado nas paredes.
Tampa espaçadora para enrolamento. A TUM utiliza tampas plásticas nas extremidades das hastes de tensão para evitar que as fibras se enrosquem durante o enrolamento do filamento. Crédito da imagem: Universidade Técnica de Munique LCC.
Glace reiterou que este primeiro tanque foi uma prova de conceito. "O uso de impressão 3D e cola foi apenas para testes iniciais e nos deu uma ideia de alguns dos problemas que encontramos. Por exemplo, durante o enrolamento, os filamentos ficaram presos nas extremidades das barras de tensão, causando quebra e danos às fibras, reduzindo a quantidade de fibra para compensar isso. Usamos algumas tampas de plástico como auxiliares de fabricação, que foram colocadas nas hastes antes da primeira etapa de enrolamento. Depois, quando os laminados internos foram feitos, removemos essas tampas de proteção e remodelamos as extremidades das hastes antes do envoltório final."
A equipe experimentou vários cenários de reconstrução. "Aqueles que olham ao redor trabalham melhor", diz Grace. "Além disso, durante a fase de prototipagem, usamos uma ferramenta de soldagem modificada para aplicar calor e remodelar as extremidades das barras de direção. Em um conceito de produção em massa, teríamos uma ferramenta maior que poderia moldar e moldar todas as extremidades dos suportes em um laminado de acabamento interno ao mesmo tempo."
Cabeças de barra de tração remodeladas. A TUM experimentou diferentes conceitos e modificou as soldas para alinhar as extremidades dos tirantes compostos para fixação ao laminado da parede do tanque. Crédito da imagem: “Desenvolvimento de um processo de produção para vasos de pressão cúbicos com contraventamento”, Universidade Técnica de Munique, projeto Polymers4Hydrogen, ECCM20, junho de 2022.
Assim, o laminado é curado após a primeira etapa de enrolamento, os pinos são remodelados, o TUM conclui o segundo enrolamento dos filamentos e, em seguida, o laminado da parede externa do tanque é curado pela segunda vez. Observe que este é um projeto de tanque tipo 5, o que significa que não possui um revestimento plástico como barreira contra gases. Veja a discussão na seção "Próximas Etapas" abaixo.
“Cortamos a primeira demonstração em seções transversais e mapeamos a área conectada”, disse Glace. “Um close-up mostra que tivemos alguns problemas de qualidade com o laminado, com as cabeças dos suportes não ficando planas sobre o laminado interno.”
Resolução de problemas com folgas entre o laminado das paredes interna e externa do tanque. A cabeça da barra de direção modificada cria uma folga entre a primeira e a segunda volta do tanque experimental. Crédito da imagem: Universidade Técnica de Munique (LCC).
Este tanque inicial de 450 x 290 x 80 mm foi concluído no verão passado. "Fizemos muito progresso desde então, mas ainda há uma lacuna entre o laminado interno e o externo", disse Glace. "Então, tentamos preencher essas lacunas com uma resina limpa e de alta viscosidade. Isso, na verdade, melhora a conexão entre os pinos e o laminado, o que aumenta significativamente o estresse mecânico."
A equipe continuou a desenvolver o projeto e o processo do tanque, incluindo soluções para o padrão de enrolamento desejado. "As laterais do tanque de teste não estavam totalmente curvadas porque era difícil para essa geometria criar um caminho de enrolamento", explicou Glace. "Nosso ângulo de enrolamento inicial era de 75°, mas sabíamos que seriam necessários vários circuitos para atender à carga neste vaso de pressão. Ainda estamos buscando uma solução para esse problema, mas não é fácil com o software atualmente disponível no mercado. Pode se tornar um projeto subsequente."
“Demonstramos a viabilidade deste conceito de produção”, diz Gleiss, “mas precisamos trabalhar mais para melhorar a conexão entre o laminado e remodelar as barras de direção. Testes externos em uma máquina de ensaio. Você retira os espaçadores do laminado e testa as cargas mecânicas que essas juntas podem suportar.”
Esta parte do projeto Polymers4Hydrogen será concluída no final de 2023, quando Gleis espera concluir o segundo tanque de demonstração. Curiosamente, os projetos atuais utilizam termoplásticos reforçados na estrutura e compósitos termofixos nas paredes do tanque. Essa abordagem híbrida será usada no tanque de demonstração final? "Sim", disse Grace. "Nossos parceiros no projeto Polymers4Hydrogen estão desenvolvendo resinas epóxi e outros materiais de matriz compósita com melhores propriedades de barreira ao hidrogênio." Ela lista dois parceiros que trabalham neste trabalho: o PCCL e a Universidade de Tampere (Tampere, Finlândia).
Gleiss e sua equipe também trocaram informações e discutiram ideias com Jaeger sobre o segundo projeto HyDDen do tanque composto conforme LCC.
“Produziremos um vaso de pressão de compósito conformado para drones de pesquisa”, afirma Jaeger. “Esta é uma colaboração entre os departamentos Aeroespacial e Geodésico da TUM – LCC e o Departamento de Tecnologia de Helicópteros (HT). O projeto será concluído até o final de 2024 e atualmente estamos finalizando o vaso de pressão, um projeto com uma abordagem mais aeroespacial e automotiva. Após essa fase inicial de concepção, a próxima etapa é realizar a modelagem estrutural detalhada e prever o desempenho de barreira da estrutura da parede.”
“A ideia é desenvolver um drone exploratório com um sistema de propulsão híbrido de célula de combustível e bateria”, continuou ele. Ele usará a bateria durante cargas de alta potência (ou seja, decolagem e pouso) e, em seguida, alternará para a célula de combustível durante a viagem com carga leve. “A equipe do HT já tinha um drone de pesquisa e redesenhou o trem de força para usar baterias e células de combustível”, disse Yeager. “Eles também compraram um tanque CGH2 para testar essa transmissão.”
“Minha equipe foi encarregada de construir um protótipo de tanque de pressão que coubesse, mas não por causa dos problemas de acondicionamento que um tanque cilíndrico criaria”, explica ele. “Um tanque mais plano não oferece tanta resistência ao vento. Portanto, você obtém melhor desempenho de voo.” As dimensões do tanque são de aproximadamente 830 x 350 x 173 mm.
Tanque totalmente termoplástico compatível com AFP. Para o projeto HyDDen, a equipe do LCC da TUM explorou inicialmente uma abordagem semelhante à usada pela Glace (acima), mas depois passou a usar uma combinação de vários módulos estruturais, que foram então superutilizados com AFP (abaixo). Crédito da imagem: LCC da Universidade Técnica de Munique.
“Uma ideia é semelhante à abordagem de Elisabeth [Gleiss]”, diz Yager, “de aplicar tirantes de tensão à parede do vaso para compensar as altas forças de flexão. No entanto, em vez de usar um processo de enrolamento para fazer o tanque, usamos AFP. Portanto, pensamos em criar uma seção separada do vaso de pressão, na qual os racks já estão integrados. Essa abordagem me permitiu combinar vários desses módulos integrados e, em seguida, aplicar uma tampa de extremidade para vedar tudo antes do enrolamento final de AFP.”
“Estamos tentando finalizar esse conceito”, continuou ele, “e também começar a testar a seleção de materiais, o que é muito importante para garantir a resistência necessária à penetração do gás H2. Para isso, utilizamos principalmente materiais termoplásticos e estamos trabalhando em vários aspectos sobre como o material afetará esse comportamento de permeação e o processamento na máquina AFP. É importante entender se o tratamento terá algum efeito e se algum pós-processamento será necessário. Também queremos saber se diferentes chaminés afetarão a permeação de hidrogênio através do vaso de pressão.”
O tanque será inteiramente feito de termoplástico e as tiras serão fornecidas pela Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Alemanha). "Usaremos seus materiais PPS [sulfeto de polifenileno], PEEK [poliéter cetona] e LM PAEK [poliaril cetona de baixo ponto de fusão]", disse Yager. "Serão feitas comparações para determinar qual é o melhor para proteção contra penetração e produção de peças com melhor desempenho." Ele espera concluir os testes, a modelagem estrutural e de processo e as primeiras demonstrações no próximo ano.
O trabalho de pesquisa foi realizado dentro do módulo COMET "Polymers4Hydrogen" (ID 21647053) dentro do programa COMET do Ministério Federal para Mudanças Climáticas, Meio Ambiente, Energia, Mobilidade, Inovação e Tecnologia e do Ministério Federal para Tecnologia Digital e Economia. Os autores agradecem aos parceiros participantes Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL, Áustria), Montanuniversitaet Leoben (Faculdade de Engenharia e Ciência de Polímeros, Departamento de Química de Materiais Poliméricos, Departamento de Ciência dos Materiais e Testes de Polímeros), Universidade de Tampere (Faculdade de Materiais de Engenharia). ) Science), Peak Technology e Faurecia contribuíram para este trabalho de pesquisa. O COMET-Modul é financiado pelo governo da Áustria e pelo governo do estado da Estíria.
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Data de publicação: 15/03/2023