Стандартные плоские топливные баки для электромобилей и автомобилей на водородных топливных элементах используют термопластичные и термореактивные композиты с каркасной конструкцией, обеспечивающей на 25% больше места для хранения водорода. #водород #тренды
После того, как сотрудничество с BMW показало, что кубический бак может обеспечить более высокую объемную эффективность, чем несколько небольших цилиндров, Технический университет Мюнхена приступил к проекту по разработке композитной конструкции и масштабируемого производственного процесса для серийного производства. Изображение предоставлено: Технический университет Дрездена (вверху слева), Технический университет Мюнхена, Кафедра углеродных композитов (LCC).
Электромобили на топливных элементах (FCEV), работающие на водороде с нулевым уровнем выбросов (H2), предоставляют дополнительные возможности для достижения нулевых экологических показателей. Легковой автомобиль на топливных элементах с водородным двигателем может быть заправлен за 5-7 минут и имеет запас хода 500 км, но в настоящее время он дороже из-за низких объемов производства. Один из способов снижения затрат — использование стандартной платформы для моделей электромобилей (BEV) и автомобилей на топливных элементах (FCEV). В настоящее время это невозможно, поскольку цилиндрические резервуары типа 4, используемые для хранения сжатого водорода (CGH2) под давлением 700 бар в автомобилях на топливных элементах, не подходят для специально разработанных для электромобилей отсеков под днищем. Однако сосуды высокого давления в виде подушек и кубов могут поместиться в это плоское упаковочное пространство.
Патент US5577630A на «Композитный конформный сосуд высокого давления», заявка подана компанией Thiokol Corp. в 1995 году (слева), и прямоугольный сосуд высокого давления, запатентованный компанией BMW в 2009 году (справа).
Кафедра углеродных композитов (LCC) Технического университета Мюнхена (TUM, Мюнхен, Германия) участвует в двух проектах по развитию этой концепции. Первый — Polymers4Hydrogen (P4H), возглавляемый Леобенским центром компетенций в области полимеров (PCCL, Леобен, Австрия). Рабочее направление LCC возглавляет научный сотрудник Элизабет Глейс.
Второй проект — это демонстрационная и опытно-конструкторская среда для водородных технологий (HyDDen), в которой LCC возглавляет исследователь Кристиан Йегер. Оба проекта направлены на создание крупномасштабной демонстрации процесса производства подходящего резервуара CGH2 с использованием композитных материалов из углеродного волокна.
При установке цилиндров малого диаметра в плоские аккумуляторные ячейки (слева) и кубические сосуды высокого давления типа 2, изготовленные из стальных вкладышей и внешней оболочки из композита на основе углеродного волокна и эпоксидной смолы (справа), наблюдается ограниченная объемная эффективность. Источник изображения: Рисунки 3 и 6 взяты из работы «Численный подход к проектированию коробчатого сосуда высокого давления типа II с внутренними растягивающими опорами» Руфа и Зарембы и др.
Компания P4H изготовила экспериментальный кубический резервуар, в котором используется термопластичный каркас с композитными натяжными ремнями/распорками, обернутыми эпоксидной смолой, армированной углеродным волокном. Компания HyDDen будет использовать аналогичную конструкцию, но для изготовления всех резервуаров из термопластичных композитных материалов будет применяться автоматическая укладка волокон (AFP).
Начиная с патентной заявки компании Thiokol Corp. на «Композитный конформный сосуд под давлением» в 1995 году и заканчивая немецким патентом DE19749950C2 в 1997 году, сосуды для сжатого газа «могут иметь любую геометрическую конфигурацию», но особенно плоские и неправильной формы, в полости, соединенной с опорными элементами корпуса. Используются элементы, позволяющие им выдерживать силу расширения газа.
В статье, опубликованной в 2006 году в Национальной лаборатории имени Лоуренса Ливермора (LLNL), описаны три подхода: конформный сосуд высокого давления, изготовленный методом намотки нитей, микрорешетчатый сосуд высокого давления, содержащий внутреннюю орторомбическую решетчатую структуру (небольшие ячейки размером 2 см или менее), окруженный тонкостенным контейнером из H2, и репликаторный контейнер, состоящий из внутренней структуры, образованной склеенными мелкими деталями (например, шестиугольными пластиковыми кольцами) и тонкой внешней оболочкой. Дублирующие контейнеры лучше всего подходят для более крупных контейнеров, где традиционные методы могут быть затруднительными.
В патенте DE102009057170A, поданном компанией Volkswagen в 2009 году, описывается устанавливаемый на автомобиль сосуд высокого давления, обеспечивающий высокую эффективность по весу при одновременном улучшении использования пространства. В прямоугольных резервуарах используются натяжные соединители между двумя прямоугольными противоположными стенками, а углы закруглены.
Вышеупомянутые и другие концепции цитируются Глейсс в статье «Разработка технологического процесса для кубических сосудов высокого давления с растягивающими перекладинами», представленной на конференции ECCM20 (26-30 июня 2022 г., Лозанна, Швейцария). В этой статье она ссылается на исследование Технического университета Мюнхена (TUM), опубликованное Майклом Руфом и Свеном Зарембой, в котором было установлено, что кубический сосуд высокого давления с растягивающими перекладинами, соединяющими прямоугольные стороны, более эффективен, чем несколько небольших цилиндров, помещающихся в пространство плоской батареи, обеспечивая примерно на 25% больше места для хранения.
По словам Глейсса, проблема установки большого количества небольших баллонов типа 4 в плоский корпус заключается в том, что «объем между баллонами значительно уменьшается, а система также имеет очень большую поверхность проникновения водорода. В целом, система обеспечивает меньшую емкость хранения, чем кубические банки».
Однако у кубической конструкции резервуара есть и другие проблемы. «Очевидно, из-за сжатого газа необходимо компенсировать изгибающие силы на плоских стенках», — сказал Глейсс. «Для этого необходима усиленная конструкция, которая соединяется с внутренними стенками резервуара. Но это сложно сделать с помощью композитных материалов».
Глейс и ее команда попытались интегрировать в сосуд высокого давления армирующие стержни таким образом, чтобы это соответствовало процессу намотки волокон. «Это важно для крупномасштабного производства, — объясняет она, — а также позволяет нам проектировать схему намотки стенок контейнера для оптимизации ориентации волокон для каждой загрузки в зоне».
Четыре этапа изготовления опытного кубического композитного резервуара для проекта P4H. Источник изображения: «Разработка процесса производства кубических сосудов высокого давления с распоркой», Технический университет Мюнхена, проект Polymers4Hydrogen, ECCM20, июнь 2022 г.
Для реализации технологии, используемой в цепной передаче, команда разработала новую концепцию, состоящую из четырех основных этапов, как показано выше. Распорки, показанные черным цветом на этапах, представляют собой сборную каркасную конструкцию, изготовленную с использованием методов, заимствованных из проекта MAI Skelett. Для этого проекта BMW разработала «каркас» рамы ветрового стекла, используя четыре армированных волокном стержня, изготовленных методом пултрузии, которые затем были отлиты в пластиковый каркас.
Каркас экспериментального кубического резервуара. Шестиугольные каркасные секции, напечатанные на 3D-принтере в Техническом университете Мюнхена с использованием неармированного PLA-филамента (сверху), вставка пултрузионных стержней из CF/PA6 в качестве распорок (посередине) и последующая обмотка филамента вокруг распорок (снизу). Изображение предоставлено Техническим университетом Мюнхена LCC.
«Идея заключается в том, что каркас кубического резервуара можно построить как модульную конструкцию», — сказал Глейс. «Затем эти модули помещаются в формовочную форму, распорки устанавливаются в модули каркаса, а затем метод MAI Skelett используется вокруг распорок для их интеграции с деталями каркаса». Это метод массового производства, в результате чего получается конструкция, которая затем используется в качестве оправки или сердечника для обмотки композитной оболочки резервуара для хранения.
В ТУМ спроектировали каркас резервуара в виде кубической «подушки» с сплошными боковыми стенками, закругленными углами и шестиугольным рисунком сверху и снизу, через который можно вставлять и крепить стяжки. Отверстия для этих стеллажей также были напечатаны на 3D-принтере. «Для нашего первого экспериментального резервуара мы напечатали на 3D-принтере шестиугольные секции каркаса из полимолочной кислоты [PLA, биоразлагаемого термопластика], потому что это было легко и дешево», — сказал Глейс.
Команда приобрела 68 стержней из полиамида 6 (PA6), армированного углеродным волокном, изготовленных методом пултрузии, у компании SGL Carbon (Мейтинген, Германия) для использования в качестве стяжек. «Чтобы проверить концепцию, мы не использовали никакого формования, — говорит Глейсс, — а просто вставили прокладки в сотовый каркас, напечатанный на 3D-принтере, и приклеили их эпоксидным клеем. Это обеспечивает основу для намотки резервуара». Она отмечает, что, хотя эти стержни относительно легко наматываются, существуют некоторые существенные проблемы, которые будут описаны позже.
«На первом этапе нашей целью было продемонстрировать технологичность конструкции и выявить проблемы в концепции производства», — пояснил Гляйсс. «Поэтому распорки выступают из внешней поверхности каркасной конструкции, и мы прикрепляем углеродные волокна к этому сердечнику с помощью мокрой намотки нитей. После этого, на третьем этапе, мы сгибаем головку каждой стяжной тяги. Мы просто используем нагрев, чтобы придать головке новую форму, чтобы она сплющилась и зафиксировалась в первом слое обмотки. Затем мы снова обматываем конструкцию так, чтобы плоская головка распорки была геометрически заключена внутри ламината на стенках резервуара».
Прокладочный колпачок для намотки. В Техническом университете Мюнхена (TUM) используются пластиковые колпачки на концах натяжных стержней, чтобы предотвратить спутывание волокон во время намотки нитей. Изображение предоставлено: Технический университет Мюнхена LCC.
Глейс повторил, что этот первый резервуар был лишь подтверждением концепции. «Использование 3D-печати и клея было лишь для первоначального тестирования и позволило нам понять некоторые проблемы, с которыми мы столкнулись. Например, во время намотки нити застревали в концах натяжных стержней, что приводило к обрыву и повреждению волокон, а также к уменьшению их количества. Чтобы это предотвратить, мы использовали несколько пластиковых колпачков в качестве вспомогательных средств, которые устанавливались на стержни перед первым этапом намотки. Затем, когда были изготовлены внутренние ламинаты, мы снимали эти защитные колпачки и придавали форму концам стержней перед окончательной намоткой».
Команда экспериментировала с различными сценариями реконструкции. «Лучше всего работают те, кто осматривается вокруг», — говорит Грейс. «Кроме того, на этапе прототипирования мы использовали модифицированный сварочный инструмент для нагрева и придания формы наконечникам рулевых тяг. В концепции массового производства у вас был бы один большой инструмент, который мог бы одновременно придавать форму всем концам стоек, превращая их во внутренний ламинат».
Головки дышла изменены. Технический университет Мюнхена экспериментировал с различными концепциями и модифицировал сварные швы для выравнивания концов композитных стяжек при креплении к ламинированной стенке резервуара. Источник изображения: «Разработка производственного процесса для кубических сосудов высокого давления с распоркой», Технический университет Мюнхена, проект Polymers4Hydrogen, ECCM20, июнь 2022 г.
Таким образом, после первого этапа намотки ламинат отверждается, стойки изменяют свою форму, TUM завершает вторую намотку нитей, а затем ламинат внешней стенки резервуара отверждается во второй раз. Обратите внимание, что это конструкция резервуара типа 5, что означает отсутствие пластиковой облицовки в качестве газонепроницаемого барьера. См. обсуждение в разделе «Следующие шаги» ниже.
«Мы разрезали первый образец на поперечные сечения и нанесли на карту прилегающую область», — сказал Глейс. «На крупном плане видно, что у нас были проблемы с качеством ламината: головки стоек не прилегали плотно к внутреннему ламинату».
Решение проблем, связанных с зазорами между ламинатом внутренней и внешней стенок резервуара. Модифицированная головка стяжного стержня создает зазор между первым и вторым витками экспериментального резервуара. Изображение предоставлено: Технический университет Мюнхена LCC.
Первый резервуар размером 450 x 290 x 80 мм был завершен прошлым летом. «С тех пор мы добились значительного прогресса, но у нас все еще остается зазор между внутренним и внешним ламинатом», — сказал Глейс. «Поэтому мы попытались заполнить эти зазоры чистой высоковязкой смолой. Это фактически улучшает соединение между стойками и ламинатом, что значительно увеличивает механическую нагрузку».
Команда продолжила разработку конструкции резервуара и технологического процесса, включая решения для желаемой схемы намотки. «Боковые стенки испытательного резервуара не были полностью изогнуты, потому что при такой геометрии было сложно создать путь для намотки», — объяснил Глейс. «Наш первоначальный угол намотки составлял 75°, но мы знали, что для обеспечения нагрузки в этом сосуде под давлением потребуется несколько контуров. Мы все еще ищем решение этой проблемы, но это непросто сделать с помощью программного обеспечения, представленного в настоящее время на рынке. Возможно, это станет следующим проектом».
«Мы продемонстрировали осуществимость этой производственной концепции, — говорит Глейсс, — но нам нужно продолжить работу над улучшением соединения между ламинатом и изменением формы стяжных тяг. Внешние испытания на испытательном стенде. Вы вынимаете прокладки из ламината и проверяете механические нагрузки, которые могут выдержать эти соединения».
Эта часть проекта Polymers4Hydrogen будет завершена к концу 2023 года, к этому времени компания Gleis надеется завершить строительство второго демонстрационного резервуара. Интересно, что в современных конструкциях в каркасе используются чистые армированные термопласты, а в стенках резервуара — термореактивные композиты. Будет ли этот гибридный подход использован в финальном демонстрационном резервуаре? «Да», — сказала Грейс. «Наши партнеры по проекту Polymers4Hydrogen разрабатывают эпоксидные смолы и другие композитные матричные материалы с улучшенными водородными барьерными свойствами». Она перечислила двух партнеров, работающих над этой работой: PCCL и Университет Тампере (Тампере, Финляндия).
Глейсс и ее команда также обменялись информацией и обсудили идеи с Йегером по второму проекту HyDDen, связанному с конформным композитным резервуаром LCC.
«Мы будем производить конформный композитный сосуд высокого давления для исследовательских дронов», — говорит Йегер. «Это совместный проект двух отделов аэрокосмического и геодезического факультета Технического университета Мюнхена — LCC и отдела вертолетных технологий (HT). Проект будет завершен к концу 2024 года, и в настоящее время мы работаем над созданием сосуда высокого давления, конструкция которого в большей степени соответствует аэрокосмическому и автомобильному подходам. После этого начального этапа разработки концепции следующим шагом станет детальное структурное моделирование и прогнозирование барьерных свойств стеновой конструкции».
«Главная идея заключается в разработке исследовательского дрона с гибридной силовой установкой, сочетающей топливные элементы и аккумуляторы», — продолжил он. Он будет использовать аккумулятор при высоких нагрузках (например, при взлете и посадке), а затем переключаться на топливный элемент при крейсерском полете с низкой нагрузкой. «У команды HT уже был исследовательский дрон, и они перепроектировали силовую установку, чтобы использовать как аккумуляторы, так и топливные элементы», — сказал Йегер. «Они также приобрели резервуар CGH2 для тестирования этой трансмиссии».
«Перед моей командой стояла задача создать прототип резервуара высокого давления, который бы поместился в контейнер, но не из-за проблем с компоновкой, которые возникли бы при использовании цилиндрического резервуара», — объясняет он. «Более плоский резервуар оказывает меньшее сопротивление ветру. Поэтому он обеспечивает лучшие летные характеристики». Размеры резервуара приблизительно 830 x 350 x 173 мм.
Полностью термопластичный резервуар, соответствующий требованиям AFP. Для проекта HyDDen команда LCC из Технического университета Мюнхена первоначально исследовала подход, аналогичный тому, который использовался компанией Glace (вверху), но затем перешла к подходу, использующему комбинацию нескольких структурных модулей, которые затем были чрезмерно использованы с применением AFP (внизу). Изображение предоставлено: LCC Технического университета Мюнхена.
«Одна из идей похожа на подход Элизабет Глейсс, — говорит Йегер, — использовать распорки на стенках сосуда для компенсации высоких изгибающих сил. Однако вместо процесса намотки для изготовления резервуара мы используем технологию AFP. Поэтому мы подумали о создании отдельной секции сосуда под давлением, в которую уже интегрированы стеллажи. Такой подход позволил мне объединить несколько таких интегрированных модулей, а затем установить торцевую заглушку для герметизации всего перед окончательной намоткой AFP».
«Мы пытаемся доработать эту концепцию, — продолжил он, — а также начать тестирование выбора материалов, что очень важно для обеспечения необходимой устойчивости к проникновению водорода. Для этого мы в основном используем термопластичные материалы и работаем над тем, как материал будет влиять на это поведение при проникновении и обработку в машине AFP. Важно понять, будет ли какая-либо обработка иметь эффект и потребуется ли какая-либо постобработка. Мы также хотим узнать, будут ли различные пакеты влиять на проникновение водорода через сосуд высокого давления».
Резервуар будет полностью изготовлен из термопластика, а полосы будут поставляться компанией Teijin Carbon Europe GmbH (Вупперталь, Германия). «Мы будем использовать их материалы PPS [полифениленсульфид], PEEK [полиэфиркетон] и LM PAEK [низкоплавкий полиарилкетон]», — сказал Ягер. «Затем будут проведены сравнения, чтобы определить, какой из них лучше всего подходит для защиты от проникновения и производства деталей с лучшими характеристиками». Он надеется завершить тестирование, структурное и технологическое моделирование, а также первые демонстрации в течение следующего года.
Исследовательская работа проводилась в рамках модуля COMET «Polymers4Hydrogen» (ID 21647053) программы COMET Федерального министерства по изменению климата, окружающей среде, энергетике, мобильности, инновациям и технологиям и Федерального министерства цифровых технологий и экономики. Авторы благодарят участвующих партнеров: Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL, Австрия), Montanuniversitaet Leoben (факультет полимерной инженерии и науки, кафедра химии полимерных материалов, кафедра материаловедения и испытаний полимеров), Университет Тампере (факультет инженерных материалов), Peak Technology и Faurecia, которые внесли свой вклад в эту исследовательскую работу. Модуль COMET финансируется правительством Австрии и правительством земли Штирия.
Предварительно армированные листы для несущих конструкций содержат непрерывные волокна – не только из стекла, но и из углерода и арамида.
Существует множество способов изготовления композитных деталей. Поэтому выбор метода для конкретной детали будет зависеть от материала, конструкции детали и ее конечного назначения или области применения. Вот руководство по выбору.
Компании Shocker Composites и R&M International разрабатывают цепочку поставок переработанного углеродного волокна, которая обеспечивает нулевой уровень забоя скота, более низкую стоимость по сравнению с первичным волокном и в конечном итоге позволит получать волокно такой же длины, как и непрерывное, по структурным свойствам.
Дата публикации: 15 марта 2023 г.