Rezervuarët standardë me platformë të sheshtë për BEV-të dhe FCEV-të përdorin kompozite termoplastike dhe termoset me një ndërtim skeletor që siguron 25% më shumë ruajtje H2. #hidrogjen #trendet
Pasi një bashkëpunim me BMW tregoi se një rezervuar kub mund të ofronte efikasitet më të lartë vëllimor sesa disa cilindra të vegjël, Universiteti Teknik i Mynihut nisi një projekt për të zhvilluar një strukturë kompozite dhe një proces prodhimi të shkallëzueshëm për prodhim serik. Krediti i imazhit: TU Dresden (sipër majtas), Universiteti Teknik i Mynihut, Departamenti i Kompoziteve të Karbonit (LCC)
Automjetet elektrike me qeliza karburanti (FCEV) të mundësuara nga hidrogjeni me emetim zero (H2) ofrojnë mjete shtesë për të arritur objektiva zero mjedisore. Një makinë pasagjerësh me qeliza karburanti me një motor H2 mund të mbushet në 5-7 minuta dhe ka një rreze prej 500 km, por aktualisht është më e shtrenjtë për shkak të vëllimeve të ulëta të prodhimit. Një mënyrë për të ulur kostot është përdorimi i një platforme standarde për modelet BEV dhe FCEV. Kjo aktualisht nuk është e mundur sepse rezervuarët cilindrikë të Tipit 4 të përdorur për të ruajtur gazin H2 të kompresuar (CGH2) në 700 bar në FCEV nuk janë të përshtatshëm për ndarjet e baterive në pjesën e poshtme të automjeteve që janë projektuar me kujdes për automjetet elektrike. Megjithatë, enët nën presion në formën e jastëkëve dhe kubeve mund të futen në këtë hapësirë paketimi të sheshtë.
Patenta US5577630A për "Enë Presioni Konformale Kompozite", aplikimi i paraqitur nga Thiokol Corp. në vitin 1995 (majtas) dhe ena drejtkëndëshe nën presion e patentuar nga BMW në vitin 2009 (djathtas).
Departamenti i Kompoziteve të Karbonit (LCC) i Universitetit Teknik të Mynihut (TUM, Mynih, Gjermani) është i përfshirë në dy projekte për të zhvilluar këtë koncept. I pari është Polymers4Hydrogen (P4H), i udhëhequr nga Qendra e Kompetencës së Polimerëve Leoben (PCCL, Leoben, Austri). Paketa e punës LCC drejtohet nga bashkëpunëtorja Elizabeth Glace.
Projekti i dytë është Mjedisi i Demonstrimit dhe Zhvillimit të Hidrogjenit (HyDDen), ku LCC drejtohet nga Studiuesi Christian Jaeger. Të dy synojnë të krijojnë një demonstrim në shkallë të gjerë të procesit të prodhimit për prodhimin e një rezervuari të përshtatshëm CGH2 duke përdorur përbërës të fibrave të karbonit.
Ekziston efikasitet volumetrik i kufizuar kur cilindrat me diametër të vogël instalohen në qelizat e sheshta të baterisë (majtas) dhe enët kubike të presionit të tipit 2 të bëra nga veshje çeliku dhe një guaskë e jashtme kompozite me fibra karboni/epoksi (djathtas). Burimi i imazhit: Figurat 3 dhe 6 janë nga "Qasja Numerike e Projektimit për Enën e Kutisë së Presionit të Tipit II me Këmbë të Brendshme Tensionimi" nga Ruf dhe Zaremba et al.
P4H ka prodhuar një rezervuar kubik eksperimental që përdor një kornizë termoplastike me shirita/shtresa tensioni kompozite të mbështjella me epoksi të përforcuar me fibra karboni. HyDDen do të përdorë një dizajn të ngjashëm, por do të përdorë vendosjen automatike të fibrave (AFP) për të prodhuar të gjitha rezervuarët kompozitë termoplastikë.
Nga një aplikim për patentë nga Thiokol Corp. për "Enë Presioni Konformale të Përbëra" në vitin 1995 deri te Patenta Gjermane DE19749950C2 në vitin 1997, enët e gazit të kompresuar "mund të kenë çdo konfigurim gjeometrik", por veçanërisht forma të sheshta dhe të çrregullta, në një zgavër të lidhur me mbështetësen e guaskës. Përdoren elementë në mënyrë që të mund t'i rezistojnë forcës së zgjerimit të gazit.
Një punim i vitit 2006 i Laboratorit Kombëtar Lawrence Livermore (LLNL) përshkruan tre qasje: një enë presioni konformale të mbështjellë me filament, një enë presioni mikrorrjete që përmban një strukturë të brendshme rrjete ortorombike (qeliza të vogla 2 cm ose më pak), të rrethuar nga një enë H2 me mure të holla, dhe një enë replikuese, e përbërë nga një strukturë e brendshme e përbërë nga pjesë të vogla të ngjitura (p.sh., unaza plastike gjashtëkëndore) dhe një përbërje me lëkurë të hollë të guaskës së jashtme. Enët e dyfishta janë më të përshtatshmet për enë më të mëdha ku metodat tradicionale mund të jenë të vështira për t'u aplikuar.
Patenta DE102009057170A e paraqitur nga Volkswagen në vitin 2009 përshkruan një enë nën presion të montuar në automjet që do të ofrojë efikasitet të lartë në peshë, duke përmirësuar njëkohësisht shfrytëzimin e hapësirës. Rezervuarët drejtkëndëshe përdorin lidhës tensioni midis dy mureve të kundërta drejtkëndëshe, dhe qoshet janë të rrumbullakosura.
Konceptet e mësipërme dhe të tjera citohen nga Gleiss në punimin “Zhvillimi i Procesit për Enët Kubike me Presion me Shufra Stretch” nga Gleiss et al. në ECCM20 (26-30 qershor 2022, Lozanë, Zvicër). Në këtë artikull, ajo citon një studim të TUM të botuar nga Michael Roof dhe Sven Zaremba, i cili zbuloi se një enë kubike me presion me mbështetëse tensioni që lidhin anët drejtkëndëshe është më efikase sesa disa cilindra të vegjël që futen në hapësirën e një baterie të sheshtë, duke siguruar afërsisht 25% më shumë hapësirë ruajtjeje.
Sipas Gleiss, problemi me instalimin e një numri të madh cilindrash të vegjël të tipit 4 në një kuti të sheshtë është se "vëllimi midis cilindrave zvogëlohet shumë dhe sistemi gjithashtu ka një sipërfaqe shumë të madhe të depërtimit të gazit H2. Në përgjithësi, sistemi ofron më pak kapacitet ruajtjeje sesa kavanozët kubikë".
Megjithatë, ka probleme të tjera me dizajnin kub të rezervuarit. “Natyrisht, për shkak të gazit të kompresuar, duhet të kundërveproni me forcat e lakimit në muret e sheshta”, tha Gleiss. “Për këtë, nevojitet një strukturë e përforcuar që lidhet nga brenda me muret e rezervuarit. Por kjo është e vështirë të bëhet me kompozitët.”
Glace dhe ekipi i saj u përpoqën të përfshinin shufra përforcuese tensioni në enën nën presion në një mënyrë që do të ishte e përshtatshme për procesin e mbështjelljes së filamentit. "Kjo është e rëndësishme për prodhimin me vëllim të lartë", shpjegon ajo, "dhe gjithashtu na lejon të projektojmë modelin e mbështjelljes së mureve të kontejnerit për të optimizuar orientimin e fibrave për secilën ngarkesë në zonë".
Katër hapa për të bërë një rezervuar kubik kompozit provë për projektin P4H. Krediti i imazhit: “Zhvillimi i një procesi prodhimi për enë kubike nën presion me mbështetëse”, Universiteti Teknik i Mynihut, projekti Polymers4Hydrogen, ECCM20, qershor 2022.
Për të arritur zinxhirin në rrjet, ekipi ka zhvilluar një koncept të ri që përbëhet nga katër hapa kryesorë, siç tregohet më sipër. Strukturat e tensionit, të treguara me të zezë në hapa, janë një strukturë e parafabrikuar kornize e prodhuar duke përdorur metoda të marra nga projekti MAI Skelett. Për këtë projekt, BMW zhvilloi një "kornizë" të kornizës së xhamit të përparmë duke përdorur katër shufra pultrusioni të përforcuara me fibra, të cilat më pas u formuan në një kornizë plastike.
Korniza e një rezervuari kub eksperimental. Seksione skeletore gjashtëkëndore të printuara në 3D nga TUM duke përdorur filament PLA të paarmatosur (sipër), duke futur shufra pultrusioni CF/PA6 si mbështetëse tensioni (në mes) dhe më pas duke e mbështjellë filamentin rreth mbështetëseve (poshtë). Krediti i imazhit: Universiteti Teknik i Mynihut LCC.
“Ideja është që ju mund të ndërtoni kornizën e një rezervuari kub si një strukturë modulare”, tha Glace. “Këto module vendosen më pas në një mjet formimi, mbështetëset e tensionit vendosen në modulet e kornizës dhe më pas metoda e MAI Skelett përdoret rreth mbështetëseve për t'i integruar ato me pjesët e kornizës.” metodë prodhimi masiv, duke rezultuar në një strukturë që përdoret më pas si mandrel ose bërthamë për të mbështjellë guaskën kompozite të rezervuarit të magazinimit.
TUM e projektoi kornizën e rezervuarit si një "jastëk" kubik me anë të ngurta, qoshe të rrumbullakosura dhe një model gjashtëkëndor në pjesën e sipërme dhe të poshtme, përmes të cilit mund të futen dhe të fiksohen lidhëset. Vrimat për këto rafte u printuan gjithashtu në 3D. "Për rezervuarin tonë fillestar eksperimental, ne printuam në 3D seksione gjashtëkëndore të kornizës duke përdorur acid polilaktik [PLA, një termoplastik me bazë bio] sepse ishte e lehtë dhe e lirë", tha Glace.
Ekipi bleu 68 shufra poliamide 6 (PA6) të përforcuara me fibra karboni të pultruduara nga SGL Carbon (Meitingen, Gjermani) për t'i përdorur si lidhëse. "Për të testuar konceptin, ne nuk bëmë asnjë formëzim," thotë Gleiss, "por thjesht vendosëm distancues në një kornizë bërthame në formë hualli bletësh të printuar në 3D dhe i ngjitëm ato me ngjitës epoksi. Kjo më pas siguron një mandrel për mbështjelljen e rezervuarit." Ajo vëren se megjithëse këto shufra janë relativisht të lehta për t'u mbështjellë, ka disa probleme të rëndësishme që do të përshkruhen më vonë.
"Në fazën e parë, qëllimi ynë ishte të demonstronim prodhueshmërinë e dizajnit dhe të identifikonim problemet në konceptin e prodhimit", shpjegoi Gleiss. "Pra, mbështetëset e tensionit dalin nga sipërfaqja e jashtme e strukturës skeletore, dhe ne i bashkojmë fibrat e karbonit në këtë bërthamë duke përdorur mbështjellje të filamentit të lagësht. Pas kësaj, në hapin e tretë, ne përkulim kokën e secilës shufër lidhëse. termoplastik, kështu që ne përdorim vetëm nxehtësinë për të riformësuar kokën në mënyrë që ajo të rrafshohet dhe të fiksohet në shtresën e parë të mbështjelljes. Pastaj vazhdojmë ta mbështjellim përsëri strukturën në mënyrë që koka e sheshtë shtytëse të mbyllet gjeometrikisht brenda rezervuarit. laminat në mure.
Kapak distancues për mbështjellje. TUM përdor kapakë plastikë në skajet e shufrave të tensionit për të parandaluar ngatërrimin e fibrave gjatë mbështjelljes së filamentit. Krediti i imazhit: Universiteti Teknik i Mynihut LCC.
Glace përsëriti se ky rezervuar i parë ishte një provë e konceptit. "Përdorimi i printimit 3D dhe ngjitësit ishte vetëm për testimin fillestar dhe na dha një ide për disa nga problemet që hasëm. Për shembull, gjatë mbështjelljes, fijet u kapën nga skajet e shufrave të tensionit, duke shkaktuar thyerje të fibrave, dëmtim të fibrave dhe duke zvogëluar sasinë e fibrave për të kundërshtuar këtë. Ne përdorëm disa kapakë plastikë si ndihma prodhimi që u vendosën në shtylla para hapit të parë të mbështjelljes. Pastaj, kur u bënë laminatet e brendshme, ne i hoqëm këto kapakë mbrojtës dhe i riformësuam skajet e shtyllave para mbështjelljes përfundimtare."
Ekipi eksperimentoi me skenarë të ndryshëm rindërtimi. “Ata që shikojnë përreth punojnë më mirë”, thotë Grace. “Gjithashtu, gjatë fazës së prototipimit, ne përdorëm një mjet saldimi të modifikuar për të aplikuar nxehtësi dhe për të riformësuar skajet e shufrave lidhëse. Në një koncept prodhimi masiv, do të kishit një mjet më të madh që mund të formësojë dhe të formojë të gjitha skajet e mbështetëseve në një laminat me përfundim të brendshëm në të njëjtën kohë.”
Kokat e shufrave të tërheqjes u riformësuan. TUM eksperimentoi me koncepte të ndryshme dhe modifikoi saldimet për të rreshtuar skajet e lidhjeve kompozite për t'u lidhur me laminatin e murit të rezervuarit. Krediti i imazhit: “Zhvillimi i një procesi prodhimi për enë kubike nën presion me mbështetëse”, Universiteti Teknik i Mynihut, projekti Polymers4Hydrogen, ECCM20, qershor 2022.
Kështu, laminati thahet pas hapit të parë të mbështjelljes, shtyllat riformësohen, TUM përfundon mbështjelljen e dytë të filamenteve dhe më pas laminati i murit të jashtëm të rezervuarit thahet për herë të dytë. Ju lutemi vini re se ky është një dizajn rezervuari i tipit 5, që do të thotë se nuk ka një mbulesë plastike si barrierë gazi. Shihni diskutimin në seksionin Hapat e Ardhshëm më poshtë.
“Ne e premë demonstrimin e parë në prerje tërthore dhe hartëzuam zonën e lidhur”, tha Glace. “Një pamje nga afër tregon se kishim disa probleme me cilësinë e laminatit, me kokat e amortizatorëve që nuk shtriheshin rrafsh mbi laminatin e brendshëm.”
Zgjidhja e problemeve me boshllëqet midis laminatit të mureve të brendshëm dhe të jashtëm të rezervuarit. Koka e modifikuar e shufrës lidhëse krijon një boshllëk midis kthesës së parë dhe të dytë të rezervuarit eksperimental. Krediti i imazhit: Universiteti Teknik i Mynihut LCC.
Ky rezervuar fillestar me përmasa 450 x 290 x 80 mm u përfundua verën e kaluar. "Kemi bërë shumë përparim që atëherë, por ende kemi një boshllëk midis laminatit të brendshëm dhe të jashtëm", tha Glace. "Kështu që u përpoqëm t'i mbushnim këto boshllëqe me një rrëshirë të pastër dhe me viskozitet të lartë. Kjo në fakt përmirëson lidhjen midis bulonave dhe laminatit, gjë që rrit shumë stresin mekanik."
Ekipi vazhdoi të zhvillonte projektimin dhe procesin e rezervuarit, duke përfshirë zgjidhje për modelin e dëshiruar të mbështjelljes. "Anët e rezervuarit të testimit nuk ishin të përdredhura plotësisht sepse ishte e vështirë për këtë gjeometri të krijonte një shteg mbështjelljeje", shpjegoi Glace. "Këndi ynë fillestar i mbështjelljes ishte 75°, por e dinim se nevojiteshin qarqe të shumëfishta për të përballuar ngarkesën në këtë enë nën presion. Ne ende po kërkojmë një zgjidhje për këtë problem, por nuk është e lehtë me softuerin që është aktualisht në treg. Mund të bëhet një projekt pasues.
“Ne kemi demonstruar fizibilitetin e këtij koncepti prodhimi”, thotë Gleiss, “por duhet të punojmë më tej për të përmirësuar lidhjen midis laminatit dhe për të riformësuar shufrat lidhëse. “Testim i jashtëm në një makinë testimi. Ju nxirrni distancuesit nga laminati dhe testoni ngarkesat mekanike që këto nyje mund t’i rezistojnë.”
Kjo pjesë e projektit Polymers4Hydrogen do të përfundojë në fund të vitit 2023, deri në të cilën kohë Gleis shpreson të përfundojë rezervuarin e dytë demonstrues. Është interesante se projektet sot përdorin termoplastikë të përforcuar të pastër në kornizë dhe kompozitë termoset në muret e rezervuarit. A do të përdoret kjo qasje hibride në rezervuarin përfundimtar demonstrues? "Po," tha Grace. "Partnerët tanë në projektin Polymers4Hydrogen po zhvillojnë rrëshira epoksi dhe materiale të tjera të matricës kompozite me veti më të mira penguese të hidrogjenit." Ajo rendit dy partnerë që punojnë në këtë punë, PCCL dhe Universitetin e Tampere (Tampere, Finlandë).
Gleiss dhe ekipi i saj shkëmbyen gjithashtu informacione dhe diskutuan ide me Jaeger mbi projektin e dytë HyDDen nga rezervuari kompozit konformal LCC.
“Ne do të prodhojmë një enë presioni kompozite konformale për dronë kërkimorë”, thotë Jaeger. “Ky është një bashkëpunim midis dy departamenteve të Departamentit të Hapësirës Ajrore dhe Gjeodezisë të TUM – LCC dhe Departamentit të Teknologjisë së Helikopterëve (HT). Projekti do të përfundojë deri në fund të vitit 2024 dhe aktualisht po përfundojmë enën nën presion. Një dizajn që është më shumë një qasje hapësinore dhe automobilistike. Pas kësaj faze fillestare të konceptit, hapi tjetër është të kryhet modelim i detajuar strukturor dhe të parashikohet performanca e barrierës së strukturës së murit.”
“E gjithë ideja është të zhvillohet një dron eksplorues me një sistem hibrid të shtytjes me qeliza karburanti dhe bateri”, vazhdoi ai. Ai do ta përdorë baterinë gjatë ngarkesave të larta të fuqisë (domethënë, ngritjes dhe uljes) dhe më pas do të kalojë në qelizën e karburantit gjatë lundrimit me ngarkesë të lehtë. “Ekipi HT tashmë kishte një dron kërkimor dhe e ridizajnoi sistemin e fuqisë për të përdorur si bateritë ashtu edhe qelizat e karburantit”, tha Yeager. “Ata gjithashtu blenë një rezervuar CGH2 për të testuar këtë transmision.”
“Ekipi im u ngarkua me detyrën e ndërtimit të një prototipi rezervuari me presion që do të përshtatej, por jo për shkak të problemeve të paketimit që do të krijonte një rezervuar cilindrik”, shpjegon ai. “Një rezervuar më i sheshtë nuk ofron aq shumë rezistencë ndaj erës. Kështu që merrni performancë më të mirë fluturimi.” Dimensionet e rezervuarit janë afërsisht 830 x 350 x 173 mm.
Rezervuar plotësisht termoplastik në përputhje me AFP. Për projektin HyDDen, ekipi LCC në TUM fillimisht eksploroi një qasje të ngjashme me atë të përdorur nga Glace (sipër), por më pas kaloi në një qasje duke përdorur një kombinim të disa moduleve strukturore, të cilat më pas u përdorën shumë duke përdorur AFP (më poshtë). Kredia e imazhit: Universiteti Teknik i Mynihut LCC.
“Një ide është e ngjashme me qasjen e Elisabeth [Gleiss]”, thotë Yager, “për të aplikuar mbështetëse tensioni në murin e enës për të kompensuar forcat e larta të lakimit. Megjithatë, në vend që të përdorim një proces mbështjelljeje për të bërë rezervuarin, ne përdorim AFP. Prandaj, menduam të krijonim një seksion të veçantë të enës nën presion, në të cilën raftet janë tashmë të integruara. Kjo qasje më lejoi të kombinoja disa nga këto module të integruara dhe më pas të aplikoja një kapak fundor për të vulosur gjithçka para mbështjelljes përfundimtare të AFP.”
“Po përpiqemi ta finalizojmë një koncept të tillë”, vazhdoi ai, “dhe gjithashtu të fillojmë testimin e përzgjedhjes së materialeve, gjë që është shumë e rëndësishme për të siguruar rezistencën e nevojshme ndaj depërtimit të gazit H2. Për këtë, ne përdorim kryesisht materiale termoplastike dhe po punojmë mbi mënyrat e ndryshme se si materiali do të ndikojë në këtë sjellje depërtimi dhe përpunim në makinën AFP. Është e rëndësishme të kuptohet nëse trajtimi do të ketë një efekt dhe nëse kërkohet ndonjë përpunim pasues. Gjithashtu duam të dimë nëse oxhaqe të ndryshme do të ndikojnë në depërtimin e hidrogjenit përmes enës nën presion.”
Rezervuari do të jetë tërësisht i bërë nga termoplastik dhe shiritat do të furnizohen nga Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Gjermani). "Ne do të përdorim materialet e tyre PPS [sulfid polifenileni], PEEK [keton polieter] dhe LM PAEK [keton poliaril me shkrirje të ulët]", tha Yager. "Më pas bëhen krahasime për të parë se cili është më i miri për mbrojtjen nga depërtimi dhe prodhimin e pjesëve me performancë më të mirë." Ai shpreson të përfundojë testimin, modelimin strukturor dhe të procesit dhe demonstrimet e para brenda vitit të ardhshëm.
Puna kërkimore u krye brenda modulit COMET "Polymers4Hydrogen" (ID 21647053) brenda programit COMET të Ministrisë Federale për Ndryshimet Klimatike, Mjedisin, Energjinë, Lëvizshmërinë, Inovacionin dhe Teknologjinë dhe Ministrisë Federale për Teknologjinë Dixhitale dhe Ekonominë. Autorët falënderojnë partnerët pjesëmarrës Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL, Austri), Montanuniversitaet Leoben (Fakulteti i Inxhinierisë dhe Shkencës së Polimerëve, Departamenti i Kimisë së Materialeve Polimerike, Departamenti i Shkencës së Materialeve dhe Testimit të Polimerëve), Universitetin e Tampere-s (Fakulteti i Materialeve Inxhinierike). ) Shkencë, Peak Technology dhe Faurecia që kontribuan në këtë punë kërkimore. COMET-Modul financohet nga qeveria e Austrisë dhe qeveria e shtetit të Styria-s.
Fletët e para-armuara për strukturat mbajtëse të ngarkesës përmbajnë fibra të vazhdueshme - jo vetëm nga qelqi, por edhe nga karboni dhe aramidi.
Ka shumë mënyra për të bërë pjesë kompozite. Prandaj, zgjedhja e metodës për një pjesë të caktuar do të varet nga materiali, dizajni i pjesës dhe përdorimi ose aplikimi përfundimtar. Ja një udhëzues përzgjedhjeje.
Shocker Composites dhe R&M International po zhvillojnë një zinxhir furnizimi me fibra karboni të ricikluara që siguron zero masakra, kosto më të ulët se fibra e virgjër dhe përfundimisht do të ofrojë gjatësi që i afrohen fibrave të vazhdueshme në vetitë strukturore.
Koha e postimit: 15 Mars 2023