Os tanques de plataforma plana padrão para BEVs e FCEVs usam compostos termoplásticos e termofixos com uma construção de esqueleto que fornece 25% a mais de armazenamento de H2.#hidrogênio #tendências
Depois que uma colaboração com a BMW mostrou que um tanque cúbico poderia oferecer maior eficiência volumétrica do que vários pequenos cilindros, 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 (topo) à esquerda), Universidade Técnica de Munique, Departamento de Compósitos de Carbono (LCC)
Veículos elétricos com célula de combustível (FCEVs) alimentados por hidrogênio de emissão zero (H2) fornecem meios adicionais para atingir metas ambientais zero.Um carro de passageiros com célula de combustível com motor H2 pode ser abastecido em 5 a 7 minutos e tem autonomia de 500 km, mas atualmente é mais caro devido aos baixos volumes de produção.Uma forma de reduzir custos é utilizar uma plataforma padrão para os 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 da parte inferior da carroceria que foram cuidadosamente projetados para veículos elétricos.No entanto, vasos de pressão na forma de almofadas e cubos podem caber nesse espaço plano de embalagem.
Patente US5577630A para “Composite Conformal Pressure Vessel”, pedido arquivado pela Thiokol Corp. em 1995 (à esquerda) e o vaso de pressão retangular patenteado pela BMW em 2009 (à 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 Leoben Polymer Competence Center (PCCL, Leoben, Áustria).O pacote de trabalho do LCC é liderado pela Fellow Elizabeth Glace.
O segundo projeto é o Hydrogen Demonstration and Development Environment (HyDDen), onde o LCC é liderado pelo pesquisador Christian Jaeger.Ambos visam criar uma demonstração em larga escala do processo de fabricação para fazer um tanque CGH2 adequado usando compósitos de fibra de carbono.
Há uma eficiência volumétrica 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 interna” de Ruf e Zaremba et al.
A P4H fabricou um tanque cúbico experimental que usa uma estrutura termoplástica com tiras/escoras de tensão compostas envoltas em epóxi reforçado com fibra de carbono.A HyDDen usará um design semelhante, mas usará a configuração automática de fibra (AFP) para fabricar todos os tanques de compostos termoplásticos.
De um pedido de patente da Thiokol Corp. para “Composite Conformal Pressure Vessel” em 1995 até a patente alemã DE19749950C2 em 1997, vasos de gás comprimido “podem ter qualquer configuração geométrica”, mas especialmente formas planas e irregulares, em uma cavidade conectada ao suporte da casca .elementos são usados para que possam suportar a força de expansão do gás.
Um artigo do Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) de 2006 descreve três abordagens: um vaso de pressão conforme enrolado em filamentos, um vaso de pressão microlattice contendo uma estrutura de treliça ortorrômbica interna (pequenas células de 2 cm ou menos), cercado por um recipiente de H2 de paredes finas, e um recipiente replicador, consistindo de uma estrutura interna composta por pequenas peças coladas (por exemplo, anéis plásticos hexagonais) e uma composição de fina casca externa.Recipientes duplicados são mais adequados para recipientes maiores, onde os métodos tradicionais podem ser difíceis de aplicar.
A patente DE102009057170A registrada pela Volkswagen em 2009 descreve um vaso de pressão montado em veículo que fornecerá alta eficiência de peso enquanto melhora a utilização do espaço.Os tanques retangulares usam conectores de tensão entre duas paredes opostas retangulares e os cantos são arredondados.
Os conceitos acima e outros são citados por Gleiss no artigo “Process Development for Cubic Pressure Vessels with Stretch Bars” 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 descobriu 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, fornecendo aproximadamente 25 % mais.espaço de armazenamento.
Segundo Gleiss, o problema de instalar um grande número de pequenos cilindros tipo 4 em uma caixa plana é que “o volume entre os cilindros é muito reduzido e o sistema também possui uma superfície de permeação de gás H2 muito grande.No geral, o sistema oferece menos capacidade de armazenamento do que os frascos cúbicos.”
No entanto, existem outros problemas com o design cúbico do tanque.“Obviamente, por causa do gás comprimido, você precisa 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 no vaso de pressão de uma forma que fosse adequada para o processo de enrolamento do filamento.“Isso é importante para produção de alto volume”, explica ela, “e também nos permite projetar o padrão de enrolamento das paredes do contêiner para otimizar a orientação das fibras para cada carga na zona”.
Quatro etapas para fazer um tanque composto cúbico de teste para o projeto P4H.Crédito da imagem: “Desenvolvimento de um processo de produção para vasos de pressão cúbicos com braçadeira”, Universidade Técnica de Munique, projeto Polymers4Hydrogen, ECCM20, junho de 2022.
Para alcançar o on-chain, a equipe desenvolveu um novo conceito que consiste em quatro etapas principais, conforme mostrado acima.Os suportes de tensão, mostrados em preto nos degraus, são uma estrutura de armação pré-fabricada fabricada usando métodos retirados do projeto MAI Skelett.Para este projeto, a BMW desenvolveu uma “estrutura” de estrutura de pára-brisa usando quatro hastes de pultrusão reforçadas com fibra, que foram então moldadas em uma estrutura de plástico.
A estrutura de um tanque cúbico experimental.Seções esqueléticas hexagonais impressas em 3D pela TUM usando filamento de PLA não reforçado (topo), inserindo hastes de pultrusão CF/PA6 como braçadeiras de tensão (meio) e, em seguida, enrolando o filamento em torno das braçadeiras (parte inferior).Crédito da imagem: Universidade Técnica de Munique LCC.
“A ideia é que você possa construir a estrutura de um tanque cúbico como uma estrutura modular”, disse Glace.“Esses módulos são então colocados em uma ferramenta de moldagem, os suportes de tensão são colocados nos módulos da estrutura e, em seguida, o método de MAI Skelett é usado em torno dos suportes para integrá-los às partes da estrutura.”método de produção em massa, resultando em uma estrutura que é então usada como um mandril ou núcleo para envolver o invólucro composto do tanque de armazenamento.
A TUM projetou a estrutura do tanque como uma “almofada” cúbica com lados sólidos, cantos arredondados e um padrão hexagonal na parte superior e inferior através do qual os laços podem ser inseridos e fixados.Os furos para esses racks também foram impressos em 3D.“Para o nosso tanque experimental inicial, imprimimos em 3D seções de estrutura hexagonal usando ácido poliláctico [PLA, um termoplástico de base biológica] porque era fácil e barato”, disse Glace.
A equipe comprou 68 hastes de poliamida 6 (PA6) reforçadas com fibra de carbono pultrudada da SGL Carbon (Meitingen, Alemanha) para uso como gravatas.“Para testar o conceito, não fizemos nenhuma moldagem”, diz Gleiss, “mas simplesmente inserimos espaçadores em uma estrutura de núcleo alveolar impressa em 3D e colamos com cola epóxi.Isso 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.
“No primeiro estágio, nosso objetivo era demonstrar a capacidade de fabricação do projeto e identificar problemas no conceito de produção”, explicou Gleiss.“Portanto, os suportes de tensão se projetam da superfície externa da estrutura esquelética, e ligamos 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 para que ela se achate e prenda na primeira camada de embalagem.Em seguida, passamos a envolver a estrutura novamente para que a cabeça de impulso plana seja geometricamente fechada dentro do tanque.laminado nas paredes.
Tampão espaçador para enrolamento.TUM usa tampas de plástico nas extremidades das hastes de tensão para evitar que as fibras se enrolem durante o enrolamento do filamento.Crédito da imagem: Universidade Técnica de Munique LCC.
Glace reiterou que este primeiro tanque era 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 foram pegos pelas extremidades das hastes de tensão, causando a quebra da fibra, danos à fibra e reduzindo a quantidade de fibra para combater isso.usamos algumas tampas de plástico como auxiliares de fabricação que foram colocadas nas hastes antes da primeira etapa de enrolamento. Então, quando os laminados internos foram feitos, removemos essas tampas protetoras e remodelamos as extremidades das hastes antes da embalagem final.”
A equipe experimentou vários cenários de reconstrução.“Aqueles que olham em volta trabalham melhor”, diz Grace.“Além disso, durante a fase de prototipagem, usamos uma ferramenta de soldagem modificada para aplicar calor e remodelar as extremidades dos tirantes.Em um conceito de produção em massa, você teria uma ferramenta maior que pode moldar e formar todas as extremidades dos suportes em um laminado de acabamento interno ao mesmo tempo..”
Cabeças da barra de tração reformuladas.A TUM experimentou diferentes conceitos e modificou as soldas para alinhar as extremidades dos laços compostos para fixação ao laminado da parede do tanque.Crédito da imagem: “Desenvolvimento de um processo de produção para vasos de pressão cúbicos com braçadeira”, Universidade Técnica de Munique, projeto Polymers4Hydrogen, ECCM20, junho de 2022.
Assim, o laminado é curado após a primeira etapa de enrolamento, os postes são remodelados, o TUM completa o segundo enrolamento dos filamentos e, em seguida, o laminado da parede externa do tanque é curado uma segunda vez.Observe que este é um projeto de tanque tipo 5, o que significa que não possui um revestimento de plástico como barreira de gás.Consulte 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 do suporte não posicionadas planas no laminado interno.”
Resolver problemas com lacunas entre o laminado das paredes internas e externas do tanque.A cabeça do tirante modificada cria um espaço 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 temos 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 realmente melhora a conexão entre os pinos e o laminado, o que aumenta muito 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 curvas porque era difícil para essa geometria criar um caminho sinuoso”, explicou Glace.“Nosso ângulo de enrolamento inicial era de 75°, mas sabíamos que vários circuitos eram necessários para atender à carga neste vaso de pressão.Ainda estamos procurando uma solução para esse problema, mas não é fácil com o software atualmente no mercado.Pode se tornar um projeto de acompanhamento.
“Demonstramos a viabilidade desse conceito de produção”, diz Gleiss, “mas precisamos trabalhar mais para melhorar a conexão entre o laminado e remodelar os tirantes.“Teste externo em uma máquina de teste.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 usam termoplásticos reforçados puros na estrutura e compostos termoendurecíveis 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 composta com melhores propriedades de barreira de hidrogênio.”Ela lista dois parceiros trabalhando neste trabalho, 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.
“Estaremos produzindo um vaso de pressão composto conforme para drones de pesquisa”, diz Jaeger.“Esta é uma colaboração entre os dois departamentos do Departamento 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 concluindo o vaso de pressão.um design que é mais uma abordagem aeroespacial e automotiva.Após esse estágio inicial de conceito, o próximo passo é realizar uma modelagem estrutural detalhada e prever o desempenho da barreira da estrutura da parede.”
“A ideia é desenvolver um drone exploratório com uma célula de combustível híbrida e um sistema de propulsão por bateria”, continuou ele.Ele usará a bateria durante cargas de alta potência (ou seja, decolagem e pouso) e, em seguida, mudará para a célula de combustível durante cruzeiro de 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 esta transmissão.”
“Minha equipe foi encarregada de construir um protótipo de tanque de pressão que se encaixasse, mas não por causa dos problemas de embalagem que um tanque cilíndrico criaria”, explica ele.“Um tanque mais plano não oferece tanta resistência ao vento.Assim, você obtém melhor desempenho de voo.”Dimensões do tanque aprox.830 x 350 x 173 mm.
Tanque totalmente termoplástico compatível com AFP.Para o projeto HyDDen, a equipe LCC da TUM inicialmente explorou uma abordagem semelhante à usada por Glace (acima), mas depois mudou para uma abordagem usando uma combinação de vários módulos estruturais, que foram usados em excesso usando AFP (abaixo).Crédito da imagem: Universidade Técnica de Munique LCC.
“Uma ideia é semelhante à abordagem de Elisabeth [Gleiss]”, diz Yager, “para aplicar suportes de tensão na 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 final para selar tudo antes do enrolamento AFP final.”
“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, usamos principalmente materiais termoplásticos e estamos trabalhando em várias formas como o material afetará esse comportamento de permeação e processamento na máquina AFP.É importante entender se o tratamento terá efeito e se é necessário algum pós-processamento.Também queremos saber se pilhas diferentes 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.“Depois são feitas comparações para ver qual é a melhor para proteção contra penetração e produção de peças com melhor desempenho.”Ele espera concluir os testes, modelagem estrutural e de processo e as primeiras demonstrações no próximo ano.
O trabalho de pesquisa foi realizado no módulo COMET “Polymers4Hydrogen” (ID 21647053) no programa COMET do Ministério Federal de Mudanças Climáticas, Meio Ambiente, Energia, Mobilidade, Inovação e Tecnologia e do Ministério Federal de 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 Polímeros, Departamento de Ciência de Materiais e Teste de Polímeros), Universidade de Tampere (Faculdade de Engenharia materiais).) 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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Horário de postagem: 15 de março de 2023