В стандартных резервуарах с плоской платформой для BEV и FCEV используются термопластичные и термореактивные композиты с каркасной конструкцией, которая обеспечивает хранение H2 на 25% больше.#водород #тренды
После того, как сотрудничество с BMW показало, что кубический бак может обеспечить более высокий объемный КПД, 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), обеспечивают дополнительные средства для достижения нулевых экологических целей.Легковой автомобиль на топливных элементах с двигателем H2 можно заправить за 5-7 минут, а запас хода составляет 500 км, но в настоящее время он дороже из-за небольших объемов производства.Одним из способов снижения затрат является использование стандартной платформы для моделей BEV и FCEV.В настоящее время это невозможно, поскольку цилиндрические резервуары типа 4, используемые для хранения сжатого газа H2 (CGH2) при давлении 700 бар в FCEV, не подходят для аккумуляторных отсеков под днищем, которые были тщательно разработаны для электромобилей.Однако в это плоское упаковочное пространство могут поместиться сосуды под давлением в виде подушек и кубов.
Патент US5577630A на «Композитный конформный сосуд под давлением», заявка, поданная Thiokol Corp. в 1995 г. (слева), и прямоугольный сосуд под давлением, запатентованный BMW в 2009 г. (справа).
Кафедра углеродных композитов (LCC) Мюнхенского технического университета (TUM, Мюнхен, Германия) участвует в двух проектах по разработке этой концепции.Первая — Polymers4Hydrogen (P4H), возглавляемая Центром компетенций в области полимеров Леобен (PCCL, Леобен, Австрия).Рабочий пакет LCC возглавляет научный сотрудник Элизабет Глейс.
Второй проект — «Среда демонстрации и разработки водорода» (HyDDen), где LCC возглавляет исследователь Кристиан Джагер.Оба нацелены на крупномасштабную демонстрацию производственного процесса для изготовления подходящего бака CGH2 с использованием композитов из углеродного волокна.
Объемная эффективность ограничена, когда цилиндры малого диаметра установлены в плоских аккумуляторных элементах (слева) и кубических сосудах под давлением типа 2, изготовленных из стальных вкладышей и внешней оболочки из углеродного волокна / эпоксидного композита (справа).Источник изображения: рисунки 3 и 6 взяты из «Подхода к численному проектированию сосуда высокого давления типа II с внутренними натяжными опорами» Ruf and Zaremba et al.
Компания P4H изготовила экспериментальный кубический резервуар, в котором используется рама из термопластика с композитными натяжными ремнями/распорками, обернутыми эпоксидной смолой, армированной углеродным волокном.HyDDen будет использовать аналогичную конструкцию, но будет использовать автоматическую укладку волокна (AFP) для производства всех резервуаров из термопластичных композитов.
От патентной заявки Thiokol Corp. на «Композитный конформный сосуд под давлением» в 1995 г. до немецкого патента DE19749950C2 в 1997 г. сосуды со сжатым газом «могут иметь любую геометрическую конфигурацию», но особенно плоские и неправильные формы, в полости, соединенной с опорой оболочки. .элементы используются так, чтобы они могли противостоять силе расширения газа.
В документе Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса (LLNL) 2006 года описываются три подхода: конформный сосуд высокого давления, намотанный на нить, сосуд высокого давления с микрорешеткой, содержащий внутреннюю орторомбическую решетчатую структуру (небольшие ячейки 2 см или менее), окруженный тонкостенный контейнер H2, и репликатор-контейнер, состоящий из внутренней конструкции, состоящей из склеенных мелких деталей (например, шестиугольных пластиковых колец) и композиции из тонкой внешней оболочки.Дублирующие контейнеры лучше всего подходят для больших контейнеров, где традиционные методы могут быть затруднены.
Патент DE102009057170A, поданный Volkswagen в 2009 году, описывает сосуд высокого давления, устанавливаемый на транспортном средстве, который обеспечит высокую эффективность веса при улучшении использования пространства.В прямоугольных резервуарах используются натяжные соединители между двумя прямоугольными противоположными стенками, а углы закруглены.
Вышеупомянутые и другие концепции цитируются Гляйссом в статье «Разработка процесса для сосудов кубического давления с растяжками» Глейсса и др.на ECCM20 (26-30 июня 2022 г., Лозанна, Швейцария).В этой статье она цитирует исследование TUM, опубликованное Майклом Руфом и Свеном Зарембой, в котором было обнаружено, что кубический сосуд высокого давления с натяжными стойками, соединяющими прямоугольные стороны, более эффективен, чем несколько небольших цилиндров, которые помещаются в пространство плоской батареи, обеспечивая приблизительно 25 % более.место для хранения.
По словам Гляйсса, проблема с установкой большого количества небольших цилиндров типа 4 в плоский корпус заключается в том, что «объем между цилиндрами сильно уменьшается, а система также имеет очень большую поверхность проникновения газа H2.В целом, система обеспечивает меньшую емкость для хранения, чем кубические банки».
Однако есть и другие проблемы с кубической конструкцией танка.«Очевидно, что из-за сжатого газа вам необходимо противодействовать изгибающим силам на плоских стенках», — сказал Гляйсс.«Для этого вам нужна усиленная конструкция, которая соединяется внутри со стенками резервуара.Но это трудно сделать с композитами».
Глейс и ее команда попытались включить в сосуд высокого давления усиливающие натяжные стержни таким образом, чтобы он подходил для процесса намотки нити.«Это важно для крупносерийного производства, — объясняет она, — а также позволяет нам спроектировать схему намотки стенок контейнера, чтобы оптимизировать ориентацию волокна для каждой загрузки в зоне».
Четыре шага к созданию пробного кубического композитного резервуара для проекта P4H.Изображение предоставлено: «Разработка производственного процесса для кубических сосудов под давлением с распорками», Технический университет Мюнхена, проект Polymers4Hydrogen, ECCM20, июнь 2022 г.
Для достижения on-chain команда разработала новую концепцию, состоящую из четырех основных шагов, как показано выше.Натяжные стойки, показанные на ступенях черным цветом, представляют собой сборную рамную конструкцию, изготовленную с использованием методов, взятых из проекта MAI Skelett.Для этого проекта BMW разработала «каркас» рамы ветрового стекла, используя четыре пултрузионных стержня, армированных волокном, которые затем были отлиты в пластиковую раму.
Каркас экспериментального кубического танка.Шестиугольные скелетные секции, напечатанные на 3D-принтере TUM с использованием неармированной нити PLA (вверху), с вставкой пултрузионных стержней CF/PA6 в качестве растяжек (посередине), а затем с обертыванием нити вокруг скоб (внизу).Изображение предоставлено: Мюнхенский технический университет LCC.
«Идея состоит в том, что вы можете построить каркас кубического резервуара как модульную конструкцию», — сказал Глейс.«Затем эти модули помещаются в формовочный инструмент, натяжные стойки помещаются в модули рамы, а затем вокруг стоек используется метод MAI Skelett, чтобы интегрировать их с частями рамы».метод массового производства, в результате чего получается конструкция, которая затем используется в качестве оправки или сердечника для обертывания композитной оболочки резервуара для хранения.
TUM разработал каркас резервуара в виде кубической «подушки» с твердыми сторонами, закругленными углами и шестиугольным рисунком сверху и снизу, через которые можно вставлять и прикреплять стяжки.Отверстия для этих стоек также были напечатаны на 3D-принтере.«Для нашего первоначального экспериментального резервуара мы напечатали шестиугольные секции рамы на 3D-принтере с использованием полимолочной кислоты [PLA, термопласт на биологической основе], потому что это было легко и дешево», — сказал Глейс.
Команда приобрела 68 стержней из полиамида 6 (PA6), армированного пултрузионным углеродным волокном, у компании SGL Carbon (Мейтинген, Германия) для использования в качестве стяжек.«Чтобы проверить концепцию, мы не делали никакого литья, — говорит Гляйсс, — а просто вставили распорки в напечатанную на 3D-принтере раму с сотовым заполнителем и приклеили их эпоксидным клеем.Затем это обеспечивает оправку для намотки резервуара».Она отмечает, что хотя эти удилища относительно легко наматывать, есть некоторые существенные проблемы, которые будут описаны позже.
«На первом этапе нашей целью было продемонстрировать технологичность конструкции и выявить проблемы в концепции производства», — пояснил Гляйсс.«Так что распорки натяжения выступают из внешней поверхности скелетной конструкции, и мы прикрепляем углеродные волокна к этому сердечнику с помощью мокрой филаментной намотки.После этого на третьем шаге загибаем головку каждой рулевой тяги.термопласт, поэтому мы просто используем тепло, чтобы изменить форму головы, чтобы она сгладилась и зафиксировалась в первом слое упаковки.Затем мы снова приступаем к обертыванию конструкции, чтобы плоская упорная головка была геометрически заключена внутри резервуара.ламинат на стенах.
Распорный колпачок для намотки.TUM использует пластиковые колпачки на концах натяжных стержней, чтобы предотвратить спутывание волокон во время намотки нити.Изображение предоставлено: Мюнхенский технический университет LCC.
Глейс повторил, что этот первый танк был доказательством концепции.«Использование 3D-печати и клея было только для начального тестирования и дало 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 волокна, а также к уменьшению количества волокна для противодействия этому.мы использовали несколько пластиковых колпачков в качестве производственных вспомогательных средств, которые были размещены на полюсах перед первым этапом намотки. Затем, когда были изготовлены внутренние ламинаты, мы сняли эти защитные колпачки и изменили форму концов полюсов перед окончательной обмоткой».
Команда экспериментировала с различными сценариями реконструкции.«Те, кто смотрит по сторонам, работают лучше всех», — говорит Грейс.«Кроме того, на этапе прототипирования мы использовали модифицированный сварочный инструмент для подачи тепла и изменения формы наконечников рулевых тяг.В концепции массового производства у вас будет один более крупный инструмент, который может формировать и формировать все концы стоек в ламинат для внутренней отделки одновременно..”
Головки дышла изменены.TUM экспериментировала с различными концепциями и модифицировала сварные швы, чтобы выровнять концы композитных стяжек для крепления к ламинату стенки резервуара.Изображение предоставлено: «Разработка производственного процесса для кубических сосудов под давлением с распорками», Технический университет Мюнхена, проект Polymers4Hydrogen, ECCM20, июнь 2022 г.
Таким образом, ламинат отверждается после первого этапа намотки, столбики меняют форму, TUM завершает вторую намотку нитей, а затем ламинат внешней стенки резервуара отверждается во второй раз.Обратите внимание, что это конструкция бака типа 5, что означает, что он не имеет пластикового вкладыша в качестве газового барьера.См. обсуждение в разделе «Следующие шаги» ниже.
«Мы разрезали первую демонстрацию на поперечные сечения и нанесли на карту связанную область», — сказал Глейс.«Крупный план показывает, что у нас были некоторые проблемы с качеством ламината: головки стоек не ложились ровно на ламинат салона».
Решение проблем с зазорами между ламинатом внутренней и внешней стенок бака.Модифицированная головка рулевой тяги создает зазор между первым и вторым витками опытного танка.Изображение предоставлено: Мюнхенский технический университет LCC.
Этот первоначальный танк размерами 450 x 290 x 80 мм был завершен прошлым летом.«С тех пор мы добились большого прогресса, но у нас все еще есть разрыв между внутренним и наружным ламинатом», — сказал Глейс.«Поэтому мы попытались заполнить эти промежутки чистой смолой с высокой вязкостью.Это на самом деле улучшает соединение между шипами и ламинатом, что значительно увеличивает механическое напряжение».
Команда продолжала разрабатывать конструкцию и технологический процесс резервуара, включая решения для желаемой схемы намотки.«Бока испытательного резервуара не были полностью изогнуты, потому что при такой геометрии было сложно создать извилистый путь», — пояснил Глейс.«Наш первоначальный угол намотки составлял 75°, но мы знали, что необходимо несколько контуров, чтобы выдержать нагрузку в этом сосуде высокого давления.Мы все еще ищем решение этой проблемы, но это непросто с программным обеспечением, которое в настоящее время представлено на рынке.Это может стать последующим проектом.
«Мы продемонстрировали осуществимость этой производственной концепции, — говорит Гляйсс, — но нам нужно работать дальше, чтобы улучшить соединение между ламинатом и изменить форму стяжек.«Внешнее тестирование на испытательной машине.Вы вытаскиваете прокладки из ламината и проверяете механические нагрузки, которые могут выдержать эти соединения».
Эта часть проекта Polymers4Hydrogen будет завершена в конце 2023 года, и к этому времени Gleis надеется завершить второй демонстрационный резервуар.Интересно, что сегодня в конструкциях используются аккуратные армированные термопласты в раме и термореактивные композиты в стенках резервуара.Будет ли этот гибридный подход использован в финальном демонстрационном танке?— Да, — сказала Грейс.«Наши партнеры по проекту Polymers4Hydrogen разрабатывают эпоксидные смолы и другие композиционные матричные материалы с лучшими водородонепроницаемыми свойствами».Она перечисляет двух партнеров, работающих над этой работой, PCCL и Университет Тампере (Тампере, Финляндия).
Гляйсс и ее команда также обменялись информацией и обсудили идеи с Джагером по второму проекту HyDDen из конформного композитного резервуара LCC.
«Мы будем производить конформный композитный сосуд высокого давления для исследовательских дронов», — говорит Джагер.«Это сотрудничество между двумя отделами аэрокосмического и геодезического факультета ТУМ — LCC и факультета вертолетных технологий (HT).Проект будет завершен к концу 2024 года, и в настоящее время мы завершаем строительство сосуда высокого давления.дизайн, который больше похож на аэрокосмический и автомобильный подход.После этого начального этапа концепции следующим шагом является детальное структурное моделирование и прогнозирование барьерных характеристик стеновой конструкции».
«Вся идея состоит в том, чтобы разработать исследовательский беспилотник с гибридной силовой установкой на топливных элементах и батареях», — продолжил он.Он будет использовать батарею во время нагрузок большой мощности (т. е. при взлете и посадке), а затем переключится на топливный элемент во время крейсерского полета с малой нагрузкой.«У команды HT уже был исследовательский беспилотник, и они перепроектировали трансмиссию, чтобы использовать как батареи, так и топливные элементы», — сказал Йегер.«Они также приобрели танк CGH2 для тестирования этой трансмиссии».
«Моей команде было поручено создать прототип напорного бака, который подходил бы, но не из-за проблем с упаковкой, которые мог бы создать цилиндрический бак», — объясняет он.«Более плоский бак не обеспечивает такого сильного сопротивления ветру.Таким образом, вы получаете лучшие летные характеристики».Размеры бака ок.830 х 350 х 173 мм.
Полностью термопластичный бак, совместимый с AFP.Для проекта HyDDen команда LCC в ТУМ сначала исследовала подход, аналогичный тому, который использовал Glace (вверху), но затем перешла к подходу, использующему комбинацию нескольких структурных модулей, которые затем чрезмерно использовались с использованием AFP (ниже).Изображение предоставлено: Мюнхенский технический университет LCC.
«Одна идея похожа на подход Элизабет [Гляйсс], — говорит Ягер, — применять натяжные скобы к стенке сосуда, чтобы компенсировать большие силы изгиба.Однако вместо того, чтобы использовать процесс намотки для изготовления резервуара, мы используем AFP.Поэтому мы подумали о создании отдельной секции корпуса высокого давления, в которую уже встроены стойки.Такой подход позволил мне объединить несколько таких интегрированных модулей, а затем применить торцевую заглушку, чтобы закрыть все перед окончательной обмоткой AFP».
«Мы пытаемся доработать такую концепцию, — продолжил он, — а также начать тестирование подбора материалов, что очень важно для обеспечения необходимой устойчивости к проникновению газа H2.Для этого мы в основном используем термопластичные материалы и работаем над тем, как материал повлияет на это поведение проникновения и обработку в машине AFP.Важно понимать, будет ли эффект от лечения и потребуется ли какая-либо постобработка.Мы также хотим знать, повлияют ли различные стеки 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 проводятся сравнения, чтобы увидеть, какой из них лучше всего подходит для защиты от проникновения и производства деталей с лучшими характеристиками».Он надеется завершить испытания, структурное моделирование и моделирование процессов, а также первые демонстрации в течение следующего года.
Исследовательская работа проводилась в рамках модуля COMET «Polymers4Hydrogen» (ID 21647053) в рамках программы COMET Федерального министерства по вопросам изменения климата, окружающей среды, энергетики, мобильности, инноваций и технологий и Федерального министерства цифровых технологий и экономики..Авторы благодарят партнеров-участников 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 инженерии). материалы).) Science), Peak Technology и Faurecia внесли свой 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 и из углерода и арамида.
Существует множество способов изготовления составных частей.Следовательно, выбор метода для конкретной детали будет зависеть от материала, конструкции детали и конечного использования или применения.Вот руководство по выбору.
Shocker Composites и R&M International разрабатывают цепочку поставок переработанного углеродного волокна, которая обеспечивает нулевой убой, более низкую стоимость, чем первичное волокно, и в конечном итоге будет предлагать длины, которые по структурным свойствам приближаются к непрерывному волокну.
Время публикации: 15 марта 2023 г.