Štandardné nádrže s plochou platformou pre BEV a FCEV používajú termoplastické a termosetové kompozity s skeletovou konštrukciou, ktorá poskytuje o 25 % viac H2.#vodík #trendy
Potom, čo spolupráca s BMW ukázala, že kubická nádrž môže poskytnúť vyššiu objemovú účinnosť ako niekoľko malých valcov, Technická univerzita v Mníchove sa pustila do projektu vývoja kompozitnej konštrukcie a škálovateľného výrobného procesu pre sériovú výrobu.Obrazový kredit: TU Dresden (hore) vľavo), Technická univerzita v Mníchove, Katedra uhlíkových kompozitov (LCC)
Elektrické vozidlá s palivovými článkami (FCEV) poháňané vodíkom s nulovými emisiami (H2) poskytujú dodatočné prostriedky na dosiahnutie nulových environmentálnych cieľov.Osobné auto s palivovými článkami s motorom H2 sa dá naplniť 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.V súčasnosti to nie je možné, pretože valcové nádrže typu 4 používané na skladovanie stlačeného plynu H2 (CGH2) pri tlaku 700 barov vo vozidlách FCEV nie sú vhodné pre priestory pre batérie pod karosériou, ktoré boli starostlivo navrhnuté pre elektrické vozidlá.Do tohto plochého baliaceho priestoru sa však zmestia tlakové nádoby v podobe vankúšikov a kociek.
Patent US5577630A pre „Composite Conformal Pressure Vessel“, prihlášku podanú Thiokol Corp. v roku 1995 (vľavo) a pravouhlú tlakovú nádobu patentovanú BMW v roku 2009 (vpravo).
Katedra uhlíkových kompozitov (LCC) Technickej univerzity v Mníchove (TUM, Mníchov, Nemecko) je zapojená do dvoch projektov na rozvoj tohto konceptu.Prvým je Polymers4Hydrogen (P4H), ktorý vedie Leoben Polymer Competence Center (PCCL, Leoben, Rakúsko).Pracovný balík LCC vedie členka Elizabeth Glace.
Druhým projektom je vodíkové demonštračné a vývojové prostredie (HyDDen), kde LCC vedie výskumník Christian Jaeger.Cieľom oboch je vytvoriť rozsiahlu ukážku výrobného procesu na výrobu vhodnej nádrže CGH2 pomocou kompozitov z uhlíkových vlákien.
Objemová účinnosť je obmedzená, keď sú valce s malým priemerom inštalované v plochých batériových článkoch (vľavo) a tlakových nádobách kubického typu 2 vyrobených z oceľových vložiek a vonkajšieho plášťa z uhlíkových vlákien/epoxidového kompozitu (vpravo).Zdroj obrázka: Obrázky 3 a 6 sú z „Numerického konštrukčného prístupu pre nádobu s tlakovou skriňou typu II s vnútornými napínacími nohami“ od Rufa a Zarembu a kol.
Spoločnosť P4H vyrobila experimentálnu kockovú nádrž, ktorá používa termoplastický rám s kompozitnými napínacími popruhmi/vzperami zabalenými do epoxidu vystuženého uhlíkovými vláknami.HyDDen bude používať podobný dizajn, ale na výrobu všetkých nádrží z termoplastického kompozitu použije automatické ukladanie vlákien (AFP).
Od patentovej prihlášky spoločnosti Thiokol Corp. na „kompozitnú konformnú tlakovú nádobu“ v 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 pripojenej k podpere plášťa. .prvky sa používajú tak, aby odolali sile expanzie plynu.
V dokumente Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) z roku 2006 sú opísané tri prístupy: konformná tlaková nádoba s navinutým vláknom, tlaková nádoba s mikromriežkou obsahujúca vnútornú ortorombickú mriežkovú štruktúru (malé bunky s veľkosťou 2 cm alebo menej), obklopená tenkostennou nádobou H2, a nádobu replikátora, pozostávajúcu z vnútornej štruktúry pozostávajúcej z lepených malých častí (napr. šesťuholníkových plastových krúžkov) a kompozície tenkého vonkajšieho plášťa.Duplicitné nádoby sú najvhodnejšie pre väčšie nádoby, kde môže byť ťažké použiť tradičné metódy.
Patent DE102009057170A podaný spoločnosťou Volkswagen v roku 2009 opisuje tlakovú nádobu namontovanú na vozidle, ktorá poskytne vysokú účinnosť hmotnosti a zároveň zlepší využitie priestoru.Obdĺžnikové nádrže používajú napínacie spojky medzi dvoma pravouhlými 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 et al.v ECCM20 (26. – 30. júna 2022, Lausanne, Švajčiarsko).V tomto článku cituje štúdiu TUM publikovanú Michaelom Roofom a Svenom Zarembou, ktorá zistila, že kubická tlaková nádoba s ťažnými vzperami spájajúcimi pravouhlé strany je efektívnejšia ako niekoľko malých valcov, ktoré sa zmestia do priestoru plochej batérie a poskytujú približne 25 % viac.skladový priestor.
Podľa Gleissa je problém s inštaláciou veľkého počtu malých tlakových fliaš typu 4 v plochom puzdre v tom, že „objem medzi valcami je značne zmenšený a systém má tiež veľmi veľkú plochu prepúšťajúcu plyn H2.Celkovo systém poskytuje menšiu skladovaciu kapacitu ako kubické poháre.“
Existujú však ďalšie problémy s kubickým dizajnom nádrže."Je zrejmé, že kvôli stlačenému plynu musíte pôsobiť proti ohybovým silám na plochých stenách," povedal Gleiss.„Na to potrebujete vystuženú konštrukciu, ktorá sa vnútorne pripája k stenám nádrže.Ale to je ťažké robiť s kompozitmi.“
Glace a jej tím sa pokúsili začleniť výstužné napínacie tyče do tlakovej nádoby spôsobom, ktorý by bol vhodný pre proces navíjania vlákna."To je dôležité pre veľkoobjemovú výrobu," vysvetľuje, "a tiež nám to umožňuje navrhnúť vzor vinutia stien kontajnera, aby sme optimalizovali orientáciu vlákien pre každú záťaž v zóne."
Štyri kroky na vytvorenie skúšobnej kubickej kompozitnej nádrže pre projekt P4H.Obrazový kredit: „Vývoj výrobného procesu pre kubické tlakové nádoby s výstuhou“, Technická univerzita v Mníchove, projekt Polymers4Hydrogen, ECCM20, jún 2022.
Na dosiahnutie on-chain tím vyvinul nový koncept pozostávajúci zo štyroch hlavných krokov, ako je uvedené vyššie.Napínacie vzpery, zobrazené na schodoch čiernou farbou, sú prefabrikovanou rámovou konštrukciou vyrobenou pomocou metód prevzatých z projektu MAI Skelett.Pre tento projekt BMW vyvinulo „rámec“ rámu čelného skla pomocou štyroch tyčí vystužených vláknami, ktoré boli následne vytvarované do plastového rámu.
Rám experimentálnej kubickej nádrže.Šesťhranné skeletové rezy 3D vytlačené spoločnosťou TUM s použitím nevystuženého vlákna PLA (hore), vložením CF/PA6 pultruzných tyčí ako napínacích výstuh (uprostred) a potom ovinutím vlákna okolo výstuh (dole).Obrazový kredit: Technická univerzita v Mníchove LCC.
"Myšlienkou je, že môžete postaviť rám kubickej nádrže ako modulárnu štruktúru, " povedal Glace."Tieto moduly sa potom umiestnia do lisovacieho nástroja, napínacie vzpery sa umiestnia do modulov rámu a potom sa okolo vzpier použije metóda MAI Skelett na ich integráciu s časťami rámu."spôsob hromadnej výroby, výsledkom čoho je štruktúra, ktorá sa potom používa ako tŕň alebo jadro na obalenie kompozitného plášťa skladovacej nádrže.
TUM navrhol rám nádrže ako kubický „vankúš“ s pevnými stranami, zaoblenými rohmi a šesťuholníkovým vzorom na hornej a spodnej strane, cez ktorý je možné vložiť a pripevniť spojky.Otvory pre tieto stojany boli tiež vytlačené 3D."Pre našu počiatočnú experimentálnu nádrž sme 3D vytlačili šesťhranné časti rámu pomocou kyseliny polymliečnej [PLA, termoplast na biologickej báze], pretože to bolo jednoduché a lacné, " povedal Glace.
Tím zakúpil 68 tyčí z polyamidu 6 (PA6) vystužených uhlíkovými vláknami od spoločnosti SGL Carbon (Meitingen, Nemecko) na použitie ako spojky.„Aby sme tento koncept otestovali, nerobili sme žiadne tvarovanie,“ hovorí Gleiss, „ale jednoducho vložili rozpery do 3D tlačeného voštinového jadrového rámu a prilepili ich epoxidovým lepidlom.To potom poskytuje tŕň na navíjanie nádrže.“Poznamenáva, že hoci sa tieto prúty relatívne ľahko navíjajú, existuje niekoľko významných problémov, ktoré budú opísané neskôr.
„V prvej fáze bolo naším cieľom demonštrovať vyrobiteľnosť dizajnu a identifikovať problémy vo výrobnom koncepte,“ vysvetlil Gleiss.„Napínacie vzpery teda vyčnievajú z vonkajšieho povrchu skeletu a uhlíkové vlákna pripevňujeme k tomuto jadru pomocou navíjania vlhkého vlákna.Potom v treťom kroku ohýbame hlavu každej spojovacej tyče.termoplast, tak len teplom pretvarujeme hlavu tak, aby sa sploštila a zamkla do prvej vrstvy obalu.Potom pristúpime k opätovnému zabaleniu konštrukcie tak, aby plochá prítlačná hlava bola geometricky uzavretá v nádrži.laminát na stenách.
Dištančný uzáver na navíjanie.TUM používa plastové krytky na koncoch napínacích tyčí, aby sa zabránilo zamotaniu vlákien počas navíjania vlákna.Obrazový kredit: Technická univerzita v Mníchove LCC.
Glace zopakoval, že tento prvý tank bol dôkazom konceptu.„Použitie 3D tlače a lepidla bolo len na počiatočné testovanie a dalo nám predstavu o niekoľkých problémoch, s ktorými sme sa stretli.Napríklad počas navíjania boli vlákna zachytené koncami ťažných tyčí, čo spôsobilo pretrhnutie vlákna, poškodenie vlákna a zníženie množstva vlákna, aby sa tomu zabránilo.ako pomôcku pri výrobe sme použili niekoľko plastových uzáverov, ktoré boli umiestnené na palice pred prvým krokom navíjania. Potom, keď boli vyrobené vnútorné lamináty, sme tieto ochranné krytky odstránili a pred finálnym zabalením sme upravili tvar koncov palíc.“
Tím experimentoval s rôznymi scenármi rekonštrukcie.„Najlepšie pracujú tí, ktorí sa pozerajú okolo seba,“ hovorí Grace.„Počas fázy prototypovania sme tiež použili upravený zvárací nástroj na aplikáciu tepla a pretvorenie koncov spojovacích tyčí.V koncepte hromadnej výroby by ste mali jeden väčší nástroj, ktorý dokáže tvarovať a formovať všetky konce vzpier do vnútorného laminátu súčasne..“
Hlavy oja sú upravené.TUM experimentoval s rôznymi konceptmi a upravil zvary, aby zarovnal konce kompozitných spojok na pripevnenie k laminátu steny nádrže.Obrazový kredit: „Vývoj výrobného procesu pre kubické tlakové nádoby s výstuhou“, Technická univerzita v Mníchove, projekt Polymers4Hydrogen, ECCM20, jún 2022.
Takto je laminát vytvrdený po prvom kroku navíjania, kolíky sú pretvarované, TUM dokončí druhé navíjanie vlákien a potom sa laminát vonkajšej steny nádrže vytvrdzuje 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.
"Prvé demo sme rozrezali na prierezy a zmapovali prepojenú oblasť," povedal Glace."Pohľad zblízka ukazuje, že sme mali nejaké problémy s kvalitou laminátu, pretože hlavy vzpier neležali na vnútorný laminát."
Riešenie problémov s medzerami medzi laminátom vnútornej a vonkajšej steny nádrže.Upravená hlava tiahla vytvára medzeru medzi prvým a druhým závitom experimentálnej nádrže.Obrazový kredit: Technická univerzita v Mníchove LCC.
Táto počiatočná nádrž s rozmermi 450 x 290 x 80 mm bola dokončená minulé leto."Odvtedy sme urobili veľký pokrok, ale stále máme medzeru medzi vnútorným a vonkajším laminátom," povedal Glace.„Takže sme sa pokúsili vyplniť tieto medzery čistou živicou s vysokou viskozitou.Tým sa vlastne zlepšuje spojenie medzi čapmi a laminátom, čo výrazne zvyšuje mechanické namáhanie.“
Tím pokračoval vo vývoji konštrukcie a procesu nádrže vrátane riešení pre požadovaný vzor vinutia."Strany testovacej nádrže neboli úplne stočené, pretože pre túto geometriu bolo ťažké vytvoriť kľukatú dráhu," vysvetlil Glace.„Náš počiatočný uhol vinutia bol 75°, ale vedeli sme, že na pokrytie zaťaženia v tejto tlakovej nádobe je potrebných viacero okruhov.Stále hľadáme riešenie tohto problému, ale so softvérom, ktorý je momentálne na trhu, to nie je jednoduché.Môže sa stať následným projektom.
„Preukázali sme realizovateľnosť tohto výrobného konceptu,“ hovorí Gleiss, „ale musíme ďalej pracovať na zlepšení spojenia medzi laminátom a pretvorení spojovacích tyčí.„Externé testovanie na testovacom stroji.Vytiahnete dištančné vložky z laminátu a vyskúšate mechanické zaťaženie, ktoré tieto spoje znesú.“
Táto časť projektu Polymers4Hydrogen bude dokončená na konci roku 2023, kedy Gleis dúfa, že dokončí druhú demonštračnú nádrž.Zaujímavé je, že dnes sa v dizajnoch používajú čisté vystužené termoplasty v ráme a termosetové kompozity v stenách nádrže.Bude tento hybridný prístup použitý v konečnom demonštračnom tanku?"Áno," povedala Grace."Naši partneri v projekte Polymers4Hydrogen vyvíjajú epoxidové živice a iné kompozitné matricové materiály s lepšími vlastnosťami bariéry proti vodíku."Uvádza dvoch partnerov pracujúcich na tejto práci, PCCL a University of Tampere (Tampere, Fínsko).
Gleiss a jej tím si tiež vymieňali 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 dvoch oddelení Letecko-kozmického a geodetického oddelenia TUM – LCC a Katedry helikoptérovej techniky (HT).Projekt bude ukončený do konca roka 2024 a v súčasnosti dokončujeme tlakovú nádobu.dizajn, ktorý je skôr leteckým a automobilovým prístupom.Po tejto počiatočnej koncepčnej fáze je ďalším krokom vykonanie podrobného štrukturálneho modelovania a predpovedanie bariérového výkonu stenovej konštrukcie.
„Celou myšlienkou je vyvinúť prieskumný dron s hybridným palivovým článkom a batériovým pohonným systémom,“ pokračoval.Batériu využije pri vysokom výkonovom zaťažení (tj vzlet a pristátie) a potom sa prepne na palivový článok počas plavby s nízkou záťažou.„Tím HT už mal výskumný dron a prepracoval hnacie ústrojenstvo tak, aby využívalo batérie aj palivové články,“ povedal Yeager."Zakúpili aj nádrž CGH2 na testovanie tejto prevodovky."
„Môj tím mal za úlohu postaviť prototyp tlakovej nádoby, ktorý by sa hodil, ale nie kvôli problémom s balením, ktoré by valcová nádrž spôsobila,“ vysvetľuje.„Plochejšia nádrž neponúka taký odpor proti vetru.Takže dosiahnete lepší letový výkon."Rozmery nádrže cca.830 x 350 x 173 mm.
Plne termoplastická nádrž kompatibilná s AFP.Pre projekt HyDDen tím LCC v TUM spočiatku skúmal podobný prístup, aký používa Glace (vyššie), ale potom prešiel na prístup využívajúci kombináciu niekoľkých štrukturálnych modulov, ktoré sa potom nadmerne používali pomocou AFP (nižšie).Obrazový kredit: Technická univerzita v Mníchove LCC.
„Jeden nápad je podobný prístupu Elisabeth [Gleissovej],“ hovorí Yager, „aplikovať napínacie výstuhy na stenu cievy, aby sa kompenzovali vysoké ohybové sily.Avšak namiesto použitia procesu navíjania na výrobu nádrže používame AFP.Preto sme uvažovali o vytvorení samostatnej sekcie tlakovej nádoby, v ktorej sú už regály integrované.Tento prístup mi umožnil skombinovať niekoľko týchto integrovaných modulov a potom použiť koncový uzáver na utesnenie všetkého pred konečným vinutím AFP.
„Snažíme sa dokončiť takýto koncept,“ pokračoval, „a tiež začať testovať výber materiálov, čo je veľmi dôležité na zabezpečenie potrebnej odolnosti voči prieniku plynu H2.Na tento účel používame hlavne termoplastické materiály a pracujeme na rôznych spôsoboch, ako materiál ovplyvní toto permeačné správanie a spracovanie v stroji AFP.Je dôležité pochopiť, či bude mať liečba účinok a či je potrebné nejaké následné spracovanie.Chceme tiež vedieť, či rôzne komíny ovplyvnia permeáciu vodíka cez tlakovú nádobu.
Nádrž bude celá vyrobená z termoplastu a pásy dodá Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Nemecko).„Budeme používať ich materiály PPS [polyfenylénsulfid], PEEK [polyéterketón] a LM PAEK [nízkotaviaci sa polyarylketón],“ povedal Yager."Potom sa porovnávajú, aby sa zistilo, ktorý z nich je najlepší na ochranu proti prieniku a výrobu dielov s lepším výkonom."Dúfa, že v priebehu budúceho roka dokončí testovanie, štrukturálne a procesné modelovanie a prvé demonštrácie.
Výskumné práce sa realizovali v rámci modulu COMET „Polymers4Hydrogen“ (ID 21647053) v rámci programu COMET Spolkového ministerstva pre klimatické zmeny, životné prostredie, energetiku, mobilitu, inovácie a technológie a Spolkového ministerstva pre digitálnu techniku a ekonomiku..Autori ďakujú zúčastneným partnerom Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL, Rakúsko), Montanuniversitaet Leoben (Fakulta inžinierstva a vedy polymérov, Katedra chémie polymérnych materiálov, Katedra materiálových vied a skúšania polymérov), Univerzita v Tampere (Fakulta inžinierstva Materiály).) Science), Peak Technology a Faurecia prispeli k tejto výskumnej práci.COMET-Modul je financovaný vládou Rakúska a vládou spolkovej krajiny Štajersko.
Vopred vystužené plechy pre nosné konštrukcie obsahujú súvislé vlákna – nielen zo skla, ale aj z uhlíka a aramidu.
Existuje mnoho spôsobov, ako vyrobiť kompozitné diely.Preto výber metódy pre konkrétny diel bude závisieť od materiálu, dizajnu dielu a konečného použitia alebo aplikácie.Tu je návod na výber.
Shocker Composites a R&M International vyvíjajú dodávateľský reťazec recyklovaných uhlíkových vlákien, ktorý poskytuje nulové zabíjanie, nižšie náklady ako primárne vlákno a nakoniec ponúkne dĺžky, ktoré sa svojimi štrukturálnymi vlastnosťami približujú kontinuálnemu vláknu.
Čas odoslania: 15. marca 2023