Стандартные плоские топливные баки для электромобилей и топливных элементов используют термопластичные и термореактивные композиты с каркасной конструкцией, которая обеспечивает на 25% большее хранение H2. #водород #тренды
После того, как сотрудничество с BMW показало, что кубический бак может обеспечить более высокую объёмную эффективность, чем несколько небольших цилиндров, Мюнхенский технический университет приступил к проекту по разработке композитной конструкции и масштабируемого производственного процесса для серийного производства. Изображение предоставлено: Технический университет Дрездена (вверху слева), Мюнхенский технический университет, 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 двигателем H₂ может быть заправлен за 5-7 минут и имеет запас хода 500 км, но в настоящее время стоит дороже из-за низких объемов производства. Одним из способов снижения затрат является использование стандартной платформы для моделей BEV и FCEV. В настоящее время это невозможно, поскольку цилиндрические баки Типа 4, используемые для хранения сжатого газа H₂ (CGH₂) под давлением 700 бар в FCEV, не подходят для аккумуляторных отсеков под кузовом, которые были тщательно спроектированы для электромобилей. Однако сосуды под давлением в форме подушек и кубов могут поместиться в это плоское упаковочное пространство.
Патент US5577630A на «Композитный конформный сосуд высокого давления», заявка, поданная Thiokol Corp. в 1995 году (слева), и прямоугольный сосуд высокого давления, запатентованный BMW в 2009 году (справа).
Кафедра углеродных композитов (LCC) Мюнхенского технического университета (TUM, Мюнхен, Германия) участвует в двух проектах по развитию этой концепции. Первый проект — Polymers4Hydrogen (P4H), реализуемый Центром полимерных компетенций Леобена (PCCL, Леобен, Австрия). Рабочее направление LCC возглавляет научный сотрудник Элизабет Глейс.
Второй проект — это среда демонстрации и разработки водорода (HyDDen), где LCC возглавляет исследователь Кристиан Йегер. Цель обоих проектов — масштабная демонстрация процесса изготовления подходящего бака CGH2 из композитных материалов на основе углеродного волокна.
При установке цилиндров малого диаметра в плоские аккумуляторные элементы (слева) и кубические сосуды высокого давления типа 2, изготовленные из стальных лейнеров и внешней оболочки из углеродного волокна/эпоксидного композита (справа), наблюдается ограниченная объёмная эффективность. Источник изображения: рисунки 3 и 6 взяты из книги «Численный метод проектирования сосуда высокого давления типа II с внутренними натяжными опорами» Руфа, Зарембы и др.
Компания P4H изготовила экспериментальный кубический бак с каркасом из термопластика и композитными натяжными ремнями/распорками, обмотанными эпоксидной смолой, армированной углеродным волокном. HyDDen будет использовать аналогичную конструкцию, но при изготовлении всех баков из термопластикового композита будет использовать технологию автоматической выкладки волокон (AFP).
В заявке на патент Thiokol Corp. «Композитный конформный сосуд под давлением» 1995 г. и патенте Германии DE19749950C2 1997 г. говорится, что сосуды для сжатого газа «могут иметь любую геометрическую конфигурацию», но особенно плоскую и неправильную форму, в полости, соединенной с опорной оболочкой. Элементы используются таким образом, чтобы они могли выдерживать силу расширения газа.
В статье Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса (LLNL) 2006 года описаны три подхода: конформный сосуд высокого давления, изготовленный методом намотки нитей; сосуд высокого давления с микрорешеткой, содержащий внутреннюю орторомбическую решетку (с ячейками размером 2 см или менее), окруженную тонкостенным контейнером с водородом; и репликаторный контейнер, состоящий из внутренней структуры, состоящей из склеенных мелких деталей (например, шестиугольных пластиковых колец) и тонкой внешней оболочки. Контейнеры-дубликаты лучше всего подходят для более крупных контейнеров, где применение традиционных методов может быть затруднено.
Патент DE102009057170A, поданный Volkswagen в 2009 году, описывает сосуд высокого давления, устанавливаемый на транспортное средство, который обеспечивает высокую весовую эффективность и эффективное использование пространства. В прямоугольных резервуарах используются натяжные соединения между двумя прямоугольными противоположными стенками, а углы закруглены.
Вышеуказанные и другие концепции цитируются Гляйсс в докладе «Разработка процесса для кубических сосудов высокого давления с растяжимыми стержнями» (Process Development for Cubic Pressure Vessels with Stretch Bars), представленном Гляйсс и соавторами на конференции ECCM20 (26–30 июня 2022 г., Лозанна, Швейцария). В этой статье она ссылается на исследование TUM, опубликованное Майклом Руфом и Свеном Зарембой, в котором установлено, что кубический сосуд высокого давления с растяжимыми стержнями, соединяющими прямоугольные стороны, более эффективен, чем несколько небольших цилиндров, помещающихся в пространство плоской батареи, обеспечивая примерно на 25% больше места для хранения.
По словам Гляйсса, проблема установки большого количества небольших баллонов типа 4 в плоском корпусе заключается в том, что «объем между баллонами значительно уменьшается, а система также имеет очень большую поверхность, пропускающую газ H2. В целом, система обеспечивает меньшую емкость, чем кубические банки».
Однако кубическая конструкция резервуара порождает и другие проблемы. «Очевидно, что из-за сжатого газа необходимо противодействовать изгибающим силам, действующим на плоские стенки», — сказал Глейсс. «Для этого нужна усиленная конструкция, которая соединяется со стенками резервуара изнутри. Но с композитными материалами это сложно сделать».
Глейс и её команда попытались внедрить в сосуд высокого давления арматурные стержни таким образом, чтобы они подходили для процесса намотки нитей. «Это важно для крупносерийного производства, — объясняет она, — а также позволяет нам проектировать схему намотки стенок контейнера, чтобы оптимизировать ориентацию волокон для каждой нагрузки в зоне».
Четыре этапа создания опытного кубического композитного резервуара для проекта P4H. Изображение предоставлено: «Разработка процесса производства кубических сосудов высокого давления с распоркой», Мюнхенский технический университет, проект Polymers4Hydrogen, ECCM20, июнь 2022 г.
Для достижения цепной передачи команда разработала новую концепцию, состоящую из четырёх основных этапов, как показано выше. Распорки натяжения, показанные чёрным цветом на этапах, представляют собой сборную рамную конструкцию, изготовленную с использованием методов, заимствованных из проекта MAI Skelett. Для этого проекта BMW разработала каркас рамы лобового стекла из четырёх армированных волокном пултрузионных стержней, которые затем были отформованы в пластиковую раму.
Каркас экспериментального кубического резервуара. Шестиугольные секции скелета, напечатанные на 3D-принтере TUM из неармированного PLA-волокна (вверху), с использованием пултрузионных стержней из CF/PA6 в качестве распорок (посередине) и последующей обмоткой распорок нитью (внизу). Изображение предоставлено: Технический университет Мюнхена (LCC).
«Идея заключается в том, что каркас кубического резервуара можно построить как модульную конструкцию», — сказал Глейс. «Затем эти модули помещаются в формовочный инструмент, распорки натяжения устанавливаются в модули каркаса, а затем к распоркам применяется метод MAI Skelett для их интеграции с деталями каркаса». В результате получается конструкция, которая затем используется в качестве оправки или сердечника для оборачивания композитной оболочки резервуара для хранения.
В TUM каркас резервуара был спроектирован как кубическая «подушка» со сплошными стенками, закруглёнными углами и шестиугольным узором сверху и снизу, через который можно было вставлять и закреплять стяжки. Отверстия для этих стоек также были напечатаны на 3D-принтере. «Для нашего первого экспериментального резервуара мы напечатали на 3D-принтере шестиугольные секции каркаса из полимолочной кислоты (ПЛА, биотермопласт), потому что это было просто и дёшево», — сказал Глейс.
Команда приобрела 68 стержней из полиамида 6 (PA6), армированного пултрузией углеродного волокна, у компании SGL Carbon (Майтинген, Германия) для использования в качестве стяжек. «Чтобы проверить концепцию, мы не проводили формовку, — говорит Гляйсс, — а просто вставили распорки в сотовый каркас, напечатанный на 3D-принтере, и склеили их эпоксидным клеем. Это дало нам оправку для намотки бака». Она отмечает, что, хотя эти стержни относительно легко наматываются, есть некоторые существенные проблемы, которые будут описаны ниже.
«На первом этапе нашей целью было продемонстрировать технологичность конструкции и выявить проблемы в производственной концепции», — пояснил Гляйсс. «Поэтому распорки натяжения выступают из внешней поверхности скелетной конструкции, и мы прикрепляем углеродные волокна к этому сердечнику методом мокрой намотки. После этого, на третьем этапе, мы сгибаем головку каждой тяги. Термопластик, поэтому мы просто нагреваем головку, чтобы она стала плоской и зафиксировалась в первом слое обмотки. Затем мы снова обматываем конструкцию так, чтобы плоская головка упора была геометрически вписана в бак. Ламинат на стенках.
Колпачок-проставка для намотки. TUM использует пластиковые колпачки на концах натяжных стержней, чтобы предотвратить спутывание волокон во время намотки. Изображение предоставлено: Мюнхенский технический университет (LCC).
Глейс повторил, что этот первый танк был лишь проверкой концепции. «3D-печать и клей использовались только для предварительного тестирования и дали нам представление о некоторых проблемах, с которыми мы столкнулись. Например, во время намотки нити зацеплялись за концы натяжных стержней, что приводило к обрыву и повреждению волокон, а также к уменьшению их количества для решения этой проблемы. Мы использовали несколько пластиковых колпачков в качестве вспомогательного материала, которые надевали на столбы перед первым этапом намотки. Затем, после изготовления внутренних ламинатов, мы сняли эти защитные колпачки и изменили форму концов столбов перед окончательной обмоткой».
Команда экспериментировала с различными сценариями реконструкции. «Лучше всего работает тот, кто смотрит вокруг», — говорит Грейс. «Кроме того, на этапе создания прототипа мы использовали модифицированный сварочный аппарат для нагрева и изменения формы наконечников рулевых тяг. В рамках концепции массового производства у вас был бы один более крупный инструмент, который мог бы одновременно формировать и формировать все концы стоек, превращая их в ламинат для внутренней отделки».
Изменена форма головок сцепных тяг. TUM экспериментировал с различными концепциями и модифицировал сварные швы, чтобы выровнять концы композитных стяжек для крепления к ламинату стенки резервуара. Изображение предоставлено: «Разработка процесса производства кубических сосудов высокого давления с распоркой», Мюнхенский технический университет, проект Polymers4Hydrogen, ECCM20, июнь 2022 г.
Таким образом, ламинат отверждается после первого этапа намотки, стойки меняют форму, TUM завершает вторую намотку нитей, а затем ламинат внешней стенки бака отверждается повторно. Обратите внимание, что это конструкция бака типа 5, то есть в нём нет пластикового вкладыша, выполняющего функцию газового барьера. См. обсуждение в разделе «Дальнейшие этапы» ниже.
«Мы разрезали первую демонстрационную модель на поперечные сечения и нанесли на карту область соединения», — сказал Глейс. «На крупном плане видно, что у нас возникли некоторые проблемы с качеством ламината: головки стоек неплотно прилегали к ламинату салона».
Решение проблем с зазорами между ламинатом внутренней и внешней стенок резервуара. Модифицированная головка тяги создаёт зазор между первым и вторым витками экспериментального резервуара. Изображение предоставлено: Мюнхенский технический университет (LCC).
Этот первый резервуар размером 450 x 290 x 80 мм был закончен прошлым летом. «С тех пор мы добились значительного прогресса, но между внутренним и внешним ламинатом всё ещё есть зазор», — сказал Глейс. «Поэтому мы попытались заполнить эти зазоры чистой высоковязкой смолой. Это фактически улучшает соединение стоек с ламинатом, что значительно увеличивает механическую нагрузку».
Команда продолжила разработку конструкции и технологического процесса резервуара, включая поиск решений для желаемого рисунка обмотки. «Стенки испытательного резервуара не были полностью закручены, поскольку при такой геометрии было сложно создать извилистую траекторию», — пояснил Глейс. «Наш первоначальный угол обмотки составлял 75°, но мы знали, что для обеспечения нагрузки в этом сосуде высокого давления потребуется несколько контуров. Мы всё ещё ищем решение этой проблемы, но с имеющимся на рынке программным обеспечением это непросто. Возможно, это станет следующим проектом».
«Мы продемонстрировали осуществимость этой производственной концепции, — говорит Гляйсс, — но нам необходимо продолжить работу над улучшением соединения ламината и изменением формы стяжек. Внешние испытания на испытательной машине. Вы вынимаете распорки из ламината и проверяете механические нагрузки, которые могут выдержать эти соединения».
Эта часть проекта «Polymers4Hydrogen» будет завершена к концу 2023 года, и к этому времени Глейс надеется завершить второй демонстрационный резервуар. Примечательно, что в современных проектах каркаса используются чистые армированные термопластики, а стенки резервуара — термореактивные композиты. Будет ли этот гибридный подход использован в последнем демонстрационном резервуаре? «Да», — ответила Грейс. «Наши партнёры по проекту «Polymers4Hydrogen» разрабатывают эпоксидные смолы и другие композитные матричные материалы с улучшенными барьерными свойствами для водорода». Она называет двух партнёров, работающих над этим проектом: PCCL и Университет Тампере (Тампере, Финляндия).
Глейсс и ее команда также обменялись информацией и обсудили идеи с Йегером по второму проекту HyDDen на основе композитного резервуара LCC.
«Мы будем производить конформный композитный корпус высокого давления для исследовательских беспилотников», — говорит Йегер. «Это совместный проект двух отделений — отделения аэрокосмической и геодезической техники TUM — LCC и отделения вертолётных технологий (HT). Проект будет завершён к концу 2024 года, и в настоящее время мы завершаем разработку корпуса высокого давления. Его конструкция больше соответствует принципам аэрокосмической и автомобильной промышленности. После этой начальной стадии разработки концепции следующим шагом станет детальное структурное моделирование и прогнозирование барьерных свойств конструкции стены».
«Вся идея заключается в разработке исследовательского дрона с гибридной силовой установкой на топливных элементах и аккумуляторах», — продолжил он. Он будет использовать аккумулятор при высоких нагрузках (например, при взлёте и посадке), а затем переключаться на топливные элементы при полёте с небольшой нагрузкой. «У команды HT уже был исследовательский дрон, и они переработали силовую установку для использования как аккумуляторов, так и топливных элементов», — сказал Йегер. «Они также приобрели бак CGH2 для испытания этой трансмиссии».
«Моей команде было поручено создать прототип бака высокого давления, который бы подходил, но не из-за проблем с упаковкой, которые возникли бы при использовании цилиндрического бака», — объясняет он. «Более плоский бак обеспечивает меньшее сопротивление ветру. Поэтому он обеспечивает лучшие летные характеристики». Размеры бака: примерно 830 x 350 x 173 мм.
Бак, полностью соответствующий требованиям термопластика AFP. Для проекта HyDDen команда LCC Мюнхенского технического университета первоначально исследовала подход, аналогичный подходу Glace (вверху), но затем перешла к сочетанию нескольких структурных модулей, которые впоследствии были чрезмерно использованы при использовании AFP (внизу). Изображение предоставлено: LCC Мюнхенского технического университета.
«Одна из идей похожа на подход Элизабет [Глейсс], — говорит Ягер, — заключается в применении растяжек к стенке резервуара для компенсации высоких изгибающих усилий. Однако вместо намотки для изготовления резервуара мы используем AFP. Поэтому мы задумались о создании отдельной секции резервуара высокого давления, в которую уже интегрированы стойки. 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 начинаем тестирование подбора материалов, что очень важно для обеспечения необходимой стойкости к проникновению водорода. Для этого мы в основном используем термопластичные материалы и изучаем, как материал повлияет на проницаемость и обработку в установке AFP. Важно понять, окажет ли обработка эффект и потребуется ли какая-либо последующая обработка. Мы также хотим узнать, повлияют ли различные варианты укладки на проницаемость водорода через сосуд высокого давления».
Бак будет полностью изготовлен из термопластика, а полосы поставит компания 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 испытания, структурное и технологическое моделирование, а также первые демонстрации в течение следующего года.
Исследовательская работа была выполнена в рамках модуля COMET «Polymers4Hydrogen» (ID 21647053) в рамках 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). ) Science), Peak Technology и Faurecia за вклад в эту исследовательскую работу. COMET-Modul финансируется правительством Австрии и правительством земли Штирия.
Предварительно армированные листы для несущих конструкций содержат непрерывные волокна – не только из стекла, но также из углерода и арамида.
Существует множество способов изготовления композитных деталей. Поэтому выбор метода для конкретной детали будет зависеть от материала, конструкции детали и конечного использования. Ниже приведено руководство по выбору.
Компании Shocker Composites и R&M International разрабатывают цепочку поставок переработанного углеродного волокна, которая обеспечивает нулевое количество отходов, более низкую стоимость по сравнению с первичным волокном и в конечном итоге позволит предлагать длины, приближающиеся по структурным свойствам к непрерывному волокну.
Время публикации: 15 марта 2023 г.