Štandardné nádrže s plochou plošinou pre elektromobily (BEV) a FCEV používajú termoplastické a termosetové kompozity so skeletovou konštrukciou, ktorá poskytuje o 25 % viac úložného priestoru H2. #vodík #trendy
Po tom, čo spolupráca so spoločnosťou BMW ukázala, že kubická nádrž môže dosiahnuť vyššiu objemovú účinnosť ako viacero malých valcov, Technická univerzita v Mníchove sa pustila do projektu vývoja kompozitnej štruktúry a škálovateľného výrobného procesu pre sériovú výrobu. Zdroj obrázka: TU Dresden (vľavo hore), Technická univerzita v Mníchove, Katedra uhlíkových kompozitov (LCC)
Elektrické vozidlá s palivovými článkami (FCEV) poháňané vodíkom s nulovými emisiami (H2) poskytujú ďalšie prostriedky na dosiahnutie nulových environmentálnych cieľov. Osobné vozidlo s palivovými článkami a motorom H2 sa dá natankovať za 5 – 7 minút a má dojazd 500 km, ale v súčasnosti je drahšie kvôli nízkym objemom výroby. Jedným zo spôsobov, ako znížiť náklady, je použitie štandardnej platformy pre modely BEV a FCEV. To v súčasnosti nie je možné, pretože valcové nádrže typu 4 používané na skladovanie stlačeného plynu H2 (CGH2) pri tlaku 700 barov v FCEV nie sú vhodné pre priestory pre batérie pod karosériou, ktoré boli starostlivo navrhnuté pre elektrické vozidlá. Do tohto plochého priestoru sa však zmestia tlakové nádoby vo forme vankúšov a kociek.
Patent US5577630A na „kompozitnú konformnú tlakovú nádobu“, prihláška podaná spoločnosťou Thiokol Corp. v roku 1995 (vľavo) a obdĺžniková tlaková nádoba patentovaná spoločnosťou BMW v roku 2009 (vpravo).
Katedra uhlíkových kompozitov (LCC) Technickej univerzity v Mníchove (TUM, Mníchov, Nemecko) sa podieľa na dvoch projektoch zameraných na rozvoj tejto koncepcie. Prvým je Polymers4Hydrogen (P4H), ktorý vedie Leoben Polymer Competence Center (PCCL, Leoben, Rakúsko). Pracovný balík LCC vedie členka Elizabeth Glace.
Druhým projektom je Hydrogen Demonstration and Development Environment (HyDDen), kde LCC vedie výskumník Christian Jaeger. Cieľom oboch je vytvoriť rozsiahlu demonštráciu výrobného procesu na výrobu vhodnej nádrže CGH2 s použitím kompozitov z uhlíkových vlákien.
Objemová účinnosť je obmedzená, keď sú v plochých batériových článkoch (vľavo) a kubických tlakových nádobách typu 2 vyrobených z oceľových vložiek a vonkajšieho plášťa z uhlíkových vlákien/epoxidového kompozitu (vpravo). Zdroj obrázka: Obrázky 3 a 6 pochádzajú z práce „Numerický návrhový prístup pre tlakovú nádobu typu II s vnútornými napínacími nohami“ od Rufa a Zarembu a kol.
Spoločnosť P4H vyrobila experimentálnu kockovú nádrž, ktorá využíva termoplastický rám s kompozitnými napínacími popruhmi/vzperami obalenými epoxidovou zmesou vystuženou uhlíkovými vláknami. Spoločnosť HyDDen použije podobný dizajn, ale na výrobu všetkých termoplastických kompozitných nádrží bude používať automatické ukladanie vlákien (AFP).
Od patentovej prihlášky spoločnosti Thiokol Corp. na „Kompozitnú konformnú tlakovú nádobu“ z roku 1995 až po nemecký patent DE19749950C2 z roku 1997, nádoby na stlačený plyn „môžu mať akúkoľvek geometrickú konfiguráciu“, ale najmä ploché a nepravidelné tvary, v dutine spojenej s nosnou časťou plášťa. Používajú sa prvky, ktoré odolávajú sile rozťažnosti plynu.
V článku Národného laboratória Lawrencea Livermora (LLNL) z roku 2006 sú popísané tri prístupy: konformná tlaková nádoba s navinutými vláknami, mikromriežková tlaková nádoba obsahujúca vnútornú ortorombickú mriežkovú štruktúru (malé bunky s veľkosťou 2 cm alebo menej), obklopená tenkostennou nádobou s H2, a replikačná nádoba pozostávajúca z vnútornej štruktúry pozostávajúcej z lepených malých častí (napr. šesťuholníkových plastových krúžkov) a zloženia tenkého vonkajšieho plášťa. Duplicitné nádoby sú najvhodnejšie pre väčšie nádoby, kde môže byť ťažké uplatniť tradičné metódy.
Patent DE102009057170A podaný spoločnosťou Volkswagen v roku 2009 opisuje tlakovú nádobu montovanú na vozidlo, ktorá poskytuje vysokú hmotnostnú účinnosť a zároveň zlepšuje využitie priestoru. Obdĺžnikové nádrže používajú napínacie spojky medzi dvoma obdĺžnikovými protiľahlými stenami a rohy sú zaoblené.
Vyššie uvedené a ďalšie koncepty cituje Gleiss v článku „Vývoj procesov pre kubické tlakové nádoby s napínacími tyčami“ od Gleiss a kol. na ECCM20 (26. – 30. júna 2022, Lausanne, Švajčiarsko). V tomto článku cituje štúdiu TUM publikovanú Michaelom Roofom a Svenom Zarembom, ktorá zistila, že kubická tlaková nádoba s napínacími vzperami spájajúcimi obdĺžnikové strany je efektívnejšia ako niekoľko malých valcov, ktoré sa zmestia do priestoru plochej batérie, a poskytujú približne o 25 % viac úložného priestoru.
Podľa Gleissa je problém s inštaláciou veľkého počtu malých fliaš typu 4 v plochom puzdre to, že „objem medzi valcami je výrazne znížený a systém má tiež veľmi veľký povrch prestupu plynu H2. Celkovo systém poskytuje menšiu skladovaciu kapacitu ako kubické nádoby.“
S kubickou konštrukciou nádrže sú však spojené aj ďalšie problémy. „Je zrejmé, že kvôli stlačenému plynu je potrebné pôsobiť proti ohybovým silám na plochých stenách,“ povedal Gleiss. „Na to potrebujete vystuženú konštrukciu, ktorá sa vnútorne spája so stenami nádrže. To je však s kompozitmi ťažké dosiahnuť.“
Glace a jej tím sa pokúsili začleniť výstužné napínacie tyče do tlakovej nádoby spôsobom, ktorý by bol vhodný pre proces navíjania vlákien. „To je dôležité pre veľkoobjemovú výrobu,“ vysvetľuje, „a tiež nám to umožňuje navrhnúť vzor navíjania stien nádoby s cieľom optimalizovať orientáciu vlákien pre každé zaťaženie v zóne.“
Štyri kroky na výrobu skúšobnej kubickej kompozitnej nádrže pre projekt P4H. Zdroj obrázka: „Vývoj výrobného procesu pre kubické tlakové nádoby s výstuhou“, Technická univerzita v Mníchove, projekt Polymers4Hydrogen, ECCM20, jún 2022.
Aby sa dosiahol systém na reťazi, tím vyvinul nový koncept pozostávajúci zo štyroch hlavných schodov, ako je znázornené vyššie. Napínacie vzpery, zobrazené na schodoch čiernou farbou, sú prefabrikovanou rámovou konštrukciou vyrobenou pomocou metód prevzatých z projektu MAI Skelett. Pre tento projekt spoločnosť BMW vyvinula „rám“ rámu čelného skla s použitím štyroch vláknami vystužených pultruzných tyčí, ktoré boli následne vyformované do plastového rámu.
Rám experimentálnej kubickej nádrže. Šesťuholníkové kostrové časti vytlačené 3D tlačou spoločnosťou TUM s použitím nevystuženého PLA vlákna (hore), vložené pultruzné tyče CF/PA6 ako napínacie výstuhy (v strede) a následné omotanie vlákna okolo výstuží (dole). Zdroj obrázka: Technická univerzita v Mníchove LCC.
„Myšlienka je taká, že rám kubickej nádrže je možné postaviť ako modulárnu konštrukciu,“ povedal Glace. „Tieto moduly sa potom umiestnia do formovacieho nástroja, do rámových modulov sa umiestnia napínacie vzpery a potom sa okolo vzpier použije metóda MAI Skelett, aby sa integrovali s časťami rámu.“ Výsledkom je hromadná výrobná metóda, výsledkom ktorej je konštrukcia, ktorá sa potom použije ako tŕň alebo jadro na obalenie kompozitného plášťa skladovacej nádrže.
Spoločnosť TUM navrhla rám nádrže ako kubický „vankúš“ s plnými bokmi, zaoblenými rohmi a šesťuholníkovým vzorom na vrchnej a spodnej strane, cez ktorý je možné zasunúť a pripevniť úchytky. Otvory pre tieto stojany boli tiež vytlačené 3D tlačou. „Pre našu prvú experimentálnu nádrž sme vytlačili šesťuholníkové rámové časti pomocou kyseliny polymliečnej [PLA, biotermoplast], pretože to bolo jednoduché a lacné,“ povedal Glace.
Tím zakúpil od spoločnosti SGL Carbon (Meitingen, Nemecko) 68 tyčí z polyamidu 6 (PA6) vystuženého uhlíkovými vláknami, ktoré boli vyrobené metódou pultrudovania a slúžili ako spojky. „Na otestovanie konceptu sme nerobili žiadne lisovanie,“ hovorí Gleiss, „ale jednoducho sme vložili dištančné prvky do rámu s voštinovým jadrom vytlačeného 3D tlačou a zlepili sme ich epoxidovým lepidlom. Takto vznikol tŕň na navíjanie nádrže.“ Poznamenáva, že hoci sa tieto tyče navíjajú relatívne ľahko, existujú určité významné problémy, ktoré budú opísané neskôr.
„V prvej fáze bolo naším cieľom demonštrovať vyrobiteľnosť návrhu a identifikovať problémy vo výrobnom koncepte,“ vysvetlil Gleiss. „Napínacie vzpery teda vyčnievajú z vonkajšieho povrchu kostrovej konštrukcie a k tomuto jadru pripevňujeme uhlíkové vlákna pomocou mokrého navíjania vlákien. Potom v treťom kroku ohýbame hlavu každej ťahadla. termoplast, takže pomocou tepla pretvárame hlavu tak, aby sa sploštila a zaistila v prvej vrstve obalu. Potom opäť obalíme konštrukciu tak, aby bola plochá axiálna hlava geometricky uzavretá v nádrži. laminát na stenách.“
Dištančný kryt na navíjanie. TUM používa plastové krytky na koncoch napínacích tyčí, aby sa zabránilo zamotaniu vlákien počas navíjania filamentu. Zdroj obrázka: Technická univerzita v Mníchove LCC.
Glace zopakoval, že táto prvá nádrž bola dôkazom konceptu. „Použitie 3D tlače a lepidla bolo len na počiatočné testovanie a dalo nám predstavu o niektorých problémoch, s ktorými sme sa stretli. Napríklad počas navíjania sa vlákna zachytávali o konce napínacích tyčí, čo spôsobovalo pretrhnutie vlákien, poškodenie vlákien a zníženie množstva vlákien, aby sme tomu zabránili. Ako výrobné pomôcky sme použili niekoľko plastových krytov, ktoré sme umiestnili na tyče pred prvým krokom navíjania. Potom, keď boli vyrobené vnútorné lamináty, sme tieto ochranné kryty odstránili a pred finálnym balením sme pretvarovali konce tyčí.“
Tím experimentoval s rôznymi scenármi rekonštrukcie. „Tí, ktorí sa poobzerajú, pracujú najlepšie,“ hovorí Grace. „Tiež sme počas fázy prototypovania použili upravený zvárací nástroj na aplikáciu tepla a pretvarovanie koncov ojníc. V koncepte hromadnej výroby by ste mali jeden väčší nástroj, ktorý dokáže tvarovať a formovať všetky konce vzpier do laminátu s interiérovou povrchovou úpravou súčasne.“
Pretvarované hlavy ojí. TUM experimentovala s rôznymi konceptmi a upravila zvary tak, aby zarovnala konce kompozitných ťahadiel na pripevnenie k laminátu steny nádrže. Zdroj obrázka: „Vývoj výrobného procesu pre kubické tlakové nádoby s výstuhou“, Technická univerzita v Mníchove, projekt Polymers4Hydrogen, ECCM20, jún 2022.
Laminát sa teda po prvom kroku navíjania vytvrdí, stĺpiky sa pretvarujú, TUM dokončí druhé navíjanie vlákien a potom sa laminát vonkajšej steny nádrže vytvrdí druhýkrát. Upozorňujeme, že ide o konštrukciu nádrže typu 5, čo znamená, že nemá plastovú vložku ako plynovú bariéru. Pozrite si diskusiu v časti Ďalšie kroky nižšie.
„Prvú ukážku sme rozrezali na prierezy a zmapovali sme pripojenú oblasť,“ povedal Glace. „Detailný záber ukazuje, že sme mali problémy s kvalitou laminátu, pretože hlavy vzpier neležali rovno na vnútornom lamináte.“
Riešenie problémov s medzerami medzi laminátom vnútornej a vonkajšej steny nádrže. Upravená hlava spojovacej tyče vytvára medzeru medzi prvým a druhým závitom experimentálnej nádrže. Zdroj obrázka: Technická univerzita v Mníchove LCC.
Táto počiatočná nádrž s rozmermi 450 x 290 x 80 mm bola dokončená minulé leto. „Odvtedy sme dosiahli veľký pokrok, ale medzi vnútorným a vonkajším laminátom stále existuje medzera,“ povedal Glace. „Snažili sme sa teda tieto medzery vyplniť čistou živicou s vysokou viskozitou. To v skutočnosti zlepšuje spojenie medzi stĺpikmi a laminátom, čo výrazne zvyšuje mechanické namáhanie.“
Tím pokračoval vo vývoji návrhu a procesu nádrže vrátane riešení pre požadovaný vzor navíjania. „Strany testovacej nádrže neboli úplne zvlnené, pretože pre túto geometriu bolo ťažké vytvoriť dráhu navíjania,“ vysvetlil Glace. „Náš počiatočný uhol navíjania bol 75°, ale vedeli sme, že na zvládnutie zaťaženia v tejto tlakovej nádobe je potrebných viacero obvodov. Stále hľadáme riešenie tohto problému, ale so softvérom, ktorý je momentálne na trhu, to nie je jednoduché. Môže sa stať následným projektom.“
„Preukázali sme uskutočniteľnosť tohto výrobného konceptu,“ hovorí Gleiss, „ale musíme ďalej pracovať na zlepšení spojenia medzi laminátom a pretvarovaní spojovacích tyčí. Externé testovanie na testovacom stroji. Vytiahnete dištančné podložky z laminátu a otestujete mechanické zaťaženie, ktoré tieto spoje znesú.“
Táto časť projektu Polymers4Hydrogen bude dokončená koncom roka 2023, kedy Gleis dúfa, že dokončí aj druhú demonštračnú nádrž. Je zaujímavé, že dnešné návrhy používajú v ráme čisté vystužené termoplasty a v stenách nádrže termosetové kompozity. Bude tento hybridný prístup použitý aj v finálnej demonštračnej nádrži? „Áno,“ povedala Grace. „Naši partneri v projekte Polymers4Hydrogen vyvíjajú epoxidové živice a iné kompozitné matricové materiály s lepšími vlastnosťami vodíkovej bariéry.“ Uvádza dvoch partnerov, ktorí na tejto práci pracujú, PCCL a Univerzitu v Tampere (Tampere, Fínsko).
Gleiss a jej tím si tiež vymenili informácie a diskutovali o nápadoch s Jaegerom o druhom projekte HyDDen z konformnej kompozitnej nádrže LCC.
„Budeme vyrábať konformnú kompozitnú tlakovú nádobu pre výskumné drony,“ hovorí Jaeger. „Ide o spoluprácu medzi dvoma oddeleniami, Oddelením pre letectvo a geodéziu TUM – LCC a Oddelením pre vrtuľníkové technológie (HT). Projekt bude dokončený do konca roka 2024 a v súčasnosti dokončujeme tlakovú nádobu, čo je skôr prístup z leteckého a automobilového priemyslu. Po tejto počiatočnej fáze koncepcie je ďalším krokom vykonanie podrobného štrukturálneho modelovania a predpovedanie bariérového výkonu stenovej konštrukcie.“
„Celá myšlienka spočíva vo vývoji prieskumného dronu s hybridným pohonným systémom s palivovými článkami a batériami,“ pokračoval. Batériu bude používať počas vysokého zaťaženia (t. j. vzletu a pristátia) a potom sa prepne na palivové články počas letu s nízkym zaťažením. „Tím HT už mal výskumný dron a prepracoval pohonnú jednotku tak, aby používal batérie aj palivové články,“ povedal Yeager. „Zakúpili si tiež nádrž CGH2 na testovanie tohto prevodu.“
„Môj tím mal za úlohu zostrojiť prototyp tlakovej nádrže, ktorá by sa doňho zmestila, ale nie kvôli problémom s balením, ktoré by valcová nádrž spôsobila,“ vysvetľuje. „Ploššia nádrž neponúka taký odpor voči vetru. Takže získate lepší letový výkon.“ Rozmery nádrže sú približne 830 x 350 x 173 mm.
Plne termoplastická nádrž kompatibilná s AFP. Pre projekt HyDDen tím LCC na TUM spočiatku skúmal podobný prístup, aký použil Glace (vyššie), ale potom prešiel na prístup využívajúci kombináciu niekoľkých štrukturálnych modulov, ktoré boli následne nadmerne využívané pri použití AFP (nižšie). Zdroj obrázka: Technická univerzita v Mníchove LCC.
„Jeden nápad je podobný prístupu Elisabeth [Gleissovej],“ hovorí Yager, „aplikovať na stenu nádoby napínacie výstuhy, aby sa kompenzovali vysoké ohybové sily. Namiesto použitia procesu navíjania na výrobu nádrže však používame AFP. Preto sme uvažovali o vytvorení samostatnej časti tlakovej nádoby, v ktorej sú už stojany integrované. Tento prístup mi umožnil skombinovať niekoľko týchto integrovaných modulov a potom aplikovať koncový uzáver na utesnenie všetkého pred finálnym navíjaním AFP.“
„Snažíme sa dokončiť takýto koncept,“ pokračoval, „a tiež začať testovať výber materiálov, čo je veľmi dôležité na zabezpečenie potrebnej odolnosti voči prenikaniu plynu H2. Na tento účel používame hlavne termoplastické materiály a pracujeme na rôznych spôsoboch, ako materiál ovplyvní toto správanie pri prenikaní a spracovanie v AFP stroji. Je dôležité pochopiť, či bude mať úprava nejaký účinok a či je potrebné nejaké následné spracovanie. Chceme tiež vedieť, či rôzne vrstvy ovplyvnia prenikanie vodíka cez tlakovú nádobu.“
Nádrž bude celá vyrobená z termoplastu a pásy dodá spoločnosť Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Nemecko). „Použijeme ich materiály PPS [polyfenylénsulfid], PEEK [polyéterketón] a LM PAEK [polyarylketón s nízkou teplotou topenia],“ povedal Yager. „Následne sa vykonajú porovnania, aby sa zistilo, ktorý z nich je najlepší na ochranu proti prenikaniu a na výrobu dielov s lepším výkonom.“ Dúfa, že testovanie, štrukturálne a procesné modelovanie a prvé demonštrácie dokončí v priebehu budúceho roka.
Výskumná práca sa uskutočnila v rámci modulu COMET „Polymers4Hydrogen“ (ID 21647053) v rámci programu COMET Federálneho ministerstva pre klimatické zmeny, životné prostredie, energiu, mobilitu, inovácie a technológie a Federálneho ministerstva pre digitálne technológie a ekonomiku. Autori ďakujú zúčastneným partnerom Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL, Rakúsko), Montanuniversitaet Leoben (Fakulta polymérneho inžinierstva a vedy, Katedra chémie polymérnych materiálov, Katedra materiálových vied a testovania polymérov), Univerzite v Tampere (Fakulta technických materiálov), Peak Technology a Faurecia, ktorí prispeli k tejto výskumnej práci. COMET-Modul je financovaný rakúskou vládou a vládou štátu Štajersko.
Predvystužené plechy pre nosné konštrukcie obsahujú súvislé vlákna – nielen zo skla, ale aj z uhlíka a aramidu.
Existuje mnoho spôsobov výroby kompozitných dielov. Preto výber metódy pre konkrétny diel bude závisieť od materiálu, konštrukcie dielu a konečného použitia alebo aplikácie. Tu je sprievodca výberom.
Spoločnosti Shocker Composites a R&M International vyvíjajú dodávateľský reťazec recyklovaných uhlíkových vlákien, ktorý zabezpečí nulové porážky, nižšie náklady ako pri výrobe panenských vlákien a nakoniec ponúkne dĺžky, ktoré sa svojimi štrukturálnymi vlastnosťami približujú kontinuálnym vláknam.
Čas uverejnenia: 15. marca 2023