Стандардни резервоари са равном платформом за BEV и FCEV користе термопластичне и термореактивне композите са скелетном конструкцијом која обезбеђује 25% више складиштења H2. #водоник #трендови
Након што је сарадња са BMW-ом показала да кубни резервоар може да пружи већу волуметријску ефикасност од више малих цилиндара, Технички универзитет у Минхену је започео пројекат развоја композитне структуре и скалабилног производног процеса за серијску производњу. Извор слике: TU Dresden (горе) лево), Технички универзитет у Минхену, Одељење за угљеничне композите (LCC)
Електрична возила са горивним ћелијама (FCEV) покретана водоником са нултом емисијом (H2) пружају додатна средства за постизање циљева заштите животне средине са нултом емисијом. Путнички аутомобил са горивним ћелијама и H2 мотором може се напунити за 5-7 минута и има домет од 500 км, али је тренутно скупљи због малих количина производње. Један од начина за смањење трошкова је коришћење стандардне платформе за BEV и FCEV моделе. То тренутно није могуће јер цилиндрични резервоари типа 4 који се користе за складиштење компримованог H2 гаса (CGH2) под притиском од 700 бара у FCEV возилима нису погодни за одељке за батерије испод каросерије који су пажљиво пројектовани за електрична возила. Међутим, посуде под притиском у облику јастука и коцки могу да стану у овај равни простор за паковање.
Патент US5577630A за „Композитну конформну посуду под притиском“, пријаву је поднела компанија Thiokol Corp. 1995. године (лево) и правоугаона посуда под притиском коју је патентирао BMW 2009. године (десно).
Одељење за угљеничне композите (LCC) Техничког универзитета у Минхену (TUM, Минхен, Немачка) је укључено у два пројекта за развој овог концепта. Први је Polymers4Hydrogen (P4H), који води Центар за полимерну компетенцију Леобена (PCCL, Леобен, Аустрија). Радни пакет LCC води стипендисткиња Елизабет Глејс.
Други пројекат је Демонстрација и развојно окружење за водоник (HyDDen), где LCC води истраживач Кристијан Јегер. Оба имају за циљ да створе демонстрацију производног процеса великих размера за израду одговарајућег резервоара CGH2 коришћењем композита од угљеничних влакана.
Постоји ограничена волуметријска ефикасност када се цилиндри малог пречника уграђују у равне батеријске ћелије (лево) и кубне посуде под притиском типа 2 направљене од челичних облога и спољашње љуске од угљеничних влакана/епоксидног композита (десно). Извор слике: Слике 3 и 6 су из књиге „Нумерички приступ пројектовању посуде под притиском типа II са унутрашњим затезним ногама“ аутора Руфа и Зарембе и др.
П4Х је направио експериментални резервоар у облику коцке који користи термопластични оквир са композитним затезним тракама/подупирачима обмотаним епоксидом ојачаним угљеничним влакнима. HyDDen ће користити сличан дизајн, али ће користити аутоматско полагање влакана (AFP) за производњу свих термопластичних композитних резервоара.
Од патентне пријаве компаније Thiokol Corp. за „Композитни конформни суд под притиском“ из 1995. године до немачког патента DE19749950C2 из 1997. године, посуде за компримовани гас „могу имати било коју геометријску конфигурацију“, али посебно равне и неправилне облике, у шупљини повезаној са носачем љуске. Елементи се користе тако да могу да издрже силу ширења гаса.
Рад Националне лабораторије Лоренс Ливермор (LLNL) из 2006. године описује три приступа: конформну посуду под притиском намотану филаментом, посуду под притиском са микрорешетком која садржи унутрашњу орторомбичну структуру решетке (мале ћелије од 2 цм или мање), окружену танкозидним контејнером за H2, и контејнер-репликатор, који се састоји од унутрашње структуре која се састоји од лепљених малих делова (нпр. хексагонални пластични прстенови) и састава танке спољашње љуске. Дуплирани контејнери су најпогоднији за веће контејнере где традиционалне методе могу бити тешке за примену.
Патент DE102009057170A који је поднео Фолксваген 2009. године описује посуду под притиском монтирану на возило која ће обезбедити високу ефикасност тежине уз побољшање искоришћења простора. Правоугаони резервоари користе затезне конекторе између два правоугаона супротна зида, а углови су заобљени.
Горе наведене и друге концепте наводи Глајс у раду „Развој процеса за кубне посуде под притиском са растегљивим шипкама“ од Глајс и др. на ECCM20 (26-30. јун 2022, Лозана, Швајцарска). У овом чланку, она цитира студију TUM-а коју су објавили Мајкл Руф и Свен Заремба, а која је открила да је кубна посуда под притиском са затезним подупирачима који спајају правоугаоне странице ефикаснија од неколико малих цилиндара који се уклапају у простор равне батерије, пружајући приближно 25% више простора за складиштење.
Према Глајсу, проблем са инсталирањем великог броја малих цилиндара типа 4 у равном кућишту је тај што је „запремина између цилиндара знатно смањена, а систем такође има веома велику површину за продирање гаса H2. Генерално, систем пружа мањи капацитет складиштења од кубних тегли.“
Међутим, постоје и други проблеми са кубним дизајном резервоара. „Очигледно је да због компримованог гаса морате да се супротставите силама савијања на равним зидовима“, рекао је Глајс. „За ово вам је потребна ојачана структура која се интерно повезује са зидовима резервоара. Али то је тешко урадити са композитима.“
Глејс и њен тим покушали су да уграде арматуру за затезање у посуду под притиском на начин који би био погодан за процес намотавања филамената. „Ово је важно за производњу великих количина“, објашњава она, „а такође нам омогућава да дизајнирамо образац намотавања зидова посуде како бисмо оптимизовали оријентацију влакана за свако оптерећење у зони.“
Четири корака за израду пробног кубног композитног резервоара за пројекат P4H. Извор слике: „Развој производног процеса за кубне посуде под притиском са подупирачем“, Технички универзитет у Минхену, пројекат Polymers4Hydrogen, ECCM20, јун 2022.
Да би се постигао „на ланцу“, тим је развио нови концепт који се састоји од четири главна корака, као што је приказано горе. Затезне подупираче, приказане црном бојом на степеницама, представљају префабриковану конструкцију оквира направљену коришћењем метода преузетих из пројекта MAI Skelett. За овај пројекат, BMW је развио „оквир“ оквира ветробранског стакла користећи четири пултрузионе шипке ојачане влакнима, које су затим обликоване у пластични оквир.
Оквир експерименталног кубног резервоара. Хексагонални скелетни делови штампани 3Д штампачем помоћу TUM-а користећи неармирани PLA филамент (горе), уметањем CF/PA6 пултрузионих шипки као затезних потпора (у средини), а затим обмотавањем филамента око потпора (доле). Извор слике: Технички универзитет у Минхену LCC.
„Идеја је да можете да направите оквир кубног резервоара као модуларну структуру“, рекао је Глејс. „Ови модули се затим постављају у алат за обликовање, затезне подупирачи се постављају у модуле оквира, а затим се МАИ Скелетов метод користи око подупирача да би се интегрисали са деловима оквира.“ метод масовне производње, што резултира структуром која се затим користи као трн или језгро за обмотавање композитне љуске резервоара за складиштење.
ТУМ је дизајнирао оквир резервоара као кубни „јастук“ са чврстим страницама, заобљеним угловима и хексагоналним узорком на врху и дну кроз који се могу уметнути и причврстити везице. Рупе за ове носаче су такође штампане 3Д штампачем. „За наш почетни експериментални резервоар, штампали смо 3Д хексагоналне делове оквира користећи полилактичну киселину [ПЛА, биотермопластика] јер је то било лако и јефтино“, рекао је Глејс.
Тим је купио 68 пултрудираних шипки од полиамида 6 (PA6) ојачаних угљеничним влакнима од компаније SGL Carbon (Мајтинген, Немачка) за употребу као везице. „Да бисмо тестирали концепт, нисмо радили никакво обликовање“, каже Глајс, „већ смо једноставно уметнули одстојнике у 3Д штампани оквир саћастог језгра и залепили их епоксидним лепком. Ово затим обезбеђује трн за намотавање резервоара.“ Она напомиње да иако се ове шипке релативно лако намотавају, постоје неки значајни проблеми који ће бити описани касније.
„У првој фази, наш циљ је био да демонстрирамо производљивост дизајна и идентификујемо проблеме у концепту производње“, објаснио је Глајс. „Дакле, затезне подупираче вире са спољашње површине скелетне структуре, а ми причвршћујемо угљенична влакна на ово језгро помоћу мокрог намотавања филамената. Након тога, у трећем кораку, савијамо главу сваке спојне шипке. термопластика, тако да само користимо топлоту да преобликујемо главу тако да се спљошти и закључа у први слој омотача. Затим настављамо са поновним омотавањем структуре тако да је равна потисна глава геометријски затворена унутар резервоара. ламинат на зидовима.“
Одстојни поклопац за намотавање. ТУМ користи пластичне поклопце на крајевима затезних шипки како би спречио запетљавање влакана током намотавања филамента. Извор слике: Технички универзитет у Минхену LCC.
Глејс је поновио да је овај први резервоар био доказ концепта. „Употреба 3Д штампања и лепка била је само за почетно тестирање и дала нам је представу о неким проблемима на које смо наишли. На пример, током намотавања, филаменти су били захваћени крајевима шипки за затезање, што је узроковало ломљење влакана, оштећење влакана и смањење количине влакана како бисмо се суочили са овим. Користили смо неколико пластичних поклопаца као помоћна средства у производњи која су постављена на стубове пре првог корака намотавања. Затим, када су унутрашњи ламинати направљени, уклонили смо ове заштитне поклопце и преобликовали крајеве стубова пре коначног умотавања.“
Тим је експериментисао са различитим сценаријима реконструкције. „Они који се добро осврћу раде најбоље“, каже Грејс. „Такође, током фазе израде прототипа, користили смо модификовани алат за заваривање како бисмо загрејали и преобликовали крајеве спојница. У концепту масовне производње, имали бисте један већи алат који може истовремено обликовати и формирати све крајеве подупирача у ламинат за унутрашњу завршну обраду...“
Главе вучних полуга преобликоване. ТУМ је експериментисао са различитим концептима и модификовао заварене спојеве како би поравнао крајеве композитних веза за причвршћивање на ламинат зида резервоара. Извор слике: „Развој производног процеса за кубне посуде под притиском са подупирачем“, Технички универзитет у Минхену, пројекат Polymers4Hydrogen, ECCM20, јун 2022.
Дакле, ламинат се очвршћава након првог корака намотавања, стубови се преобликују, ТУМ завршава друго намотавање филамената, а затим се ламинат спољног зида резервоара очвршћава други пут. Имајте у виду да је ово дизајн резервоара типа 5, што значи да нема пластичну облогу као гасну баријеру. Погледајте дискусију у одељку Следећи кораци испод.
„Први демо снимак смо исекли на попречне пресеке и мапирали повезано подручје“, рекао је Глејс. „Крупни план показује да смо имали неких проблема са квалитетом ламината, јер главе подупирача нису лежале равно на унутрашњем ламинату.“
Решавање проблема са размацима између ламината унутрашњег и спољашњег зида резервоара. Модификована глава спојне шипке ствара размак између првог и другог намотаја експерименталног резервоара. Извор слике: Технички универзитет у Минхену LCC.
Овај почетни резервоар димензија 450 x 290 x 80 мм завршен је прошлог лета. „Од тада смо много напредовали, али и даље имамо празнину између унутрашњег и спољашњег ламината“, рекао је Глејс. „Зато смо покушали да попунимо те празнине чистом, високовискозном смолом. Ово заправо побољшава везу између шипки и ламината, што значајно повећава механичко напрезање.“
Тим је наставио да развија дизајн и процес резервоара, укључујући решења за жељени образац намотавања. „Странице тестног резервоара нису биле потпуно увијене јер је било тешко да ова геометрија створи путању намотавања“, објаснио је Глејс. „Наш почетни угао намотавања био је 75°, али смо знали да је потребно више кола да би се издржало оптерећење у овој посуди под притиском. Још увек тражимо решење за овај проблем, али то није лако са софтвером који је тренутно на тржишту. Можда ће постати наставни пројекат.“
„Показали смо изводљивост овог производног концепта“, каже Глајс, „али морамо даље да радимо на побољшању везе између ламината и преобликовању спојних шипки. Спољашње испитивање на машини за испитивање. Извлачите одстојнике из ламината и тестирате механичка оптерећења која ти спојеви могу да издрже.“
Овај део пројекта Polymers4Hydrogen биће завршен крајем 2023. године, до када се Глеис нада да ће завршити други демонстрациони резервоар. Занимљиво је да данашњи дизајни користе чисте ојачане термопласте у оквиру и термореактивне композите у зидовима резервоара. Да ли ће се овај хибридни приступ користити у финалном демонстрационом резервоару? „Да“, рекла је Грејс. „Наши партнери у пројекту Polymers4Hydrogen развијају епоксидне смоле и друге композитне матрични материјале са бољим својствима водоничне баријере.“ Она наводи два партнера који раде на овом раду, PCCL и Универзитет у Тампереу (Тампере, Финска).
Глеис и њен тим су такође разменили информације и разговарали о идејама са Јегером о другом HyDDen пројекту из LCC конформног композитног резервоара.
„Производићемо конформну композитну посуду под притиском за истраживачке дронове“, каже Јегер. „Ово је сарадња између два одељења, Одељења за ваздухопловство и геодетску технологију Тексаског универзитета у Манчестеру (ТУМ) – LCC и Одељења за хеликоптерску технологију (ХТ). Пројекат ће бити завршен до краја 2024. године и тренутно завршавамо посуду под притиском, дизајн који је више ваздухопловни и аутомобилски приступ. Након ове почетне концептуалне фазе, следећи корак је извођење детаљног структурног моделирања и предвиђање перформанси баријерне структуре зида.“
„Читава идеја је да се развије истраживачки дрон са хибридним погонским системом на горивне ћелије и батерије“, наставио је. Користиће батерију током великих оптерећења снаге (тј. полетања и слетања), а затим ће прећи на горивне ћелије током крстарења са малим оптерећењем. „HT тим је већ имао истраживачки дрон и редизајнирао је погонски склоп да користи и батерије и горивне ћелије“, рекао је Јегер. „Такође су купили резервоар CGH2 да би тестирали овај мењач.“
„Мој тим је добио задатак да направи прототип резервоара под притиском који би одговарао, али не због проблема са паковањем које би цилиндрични резервоар створио“, објашњава он. „Пљоснатији резервоар не пружа толики отпор ветру. Тако добијате боље перформансе лета.“ Димензије резервоара су приближно 830 x 350 x 173 мм.
Потпуно термопластични резервоар компатибилан са AFP стандардом. За пројекат HyDDen, LCC тим на TUM-у је првобитно истраживао сличан приступ оном који је користио Glace (горе), али је затим прешао на приступ који користи комбинацију неколико структурних модула, који су потом прекомерно коришћени уз AFP (доле). Извор слике: Технички универзитет у Минхену LCC.
„Једна идеја је слична приступу Елизабете [Глајс]“, каже Јегер, „да се на зид посуде примене затезне подупирачи како би се компензовале велике силе савијања. Међутим, уместо да се користи процес намотавања за израду резервоара, користимо AFP. Стога смо размишљали о стварању посебног дела посуде под притиском, у који су носачи већ интегрисани. Овај приступ ми је омогућио да комбинујем неколико ових интегрисаних модула, а затим применим завршни поклопац да бих све запечатио пре коначног AFP намотавања.“
„Покушавамо да финализујемо такав концепт“, наставио је, „а такође почињемо са тестирањем избора материјала, што је веома важно како би се осигурала неопходна отпорност на продор гаса H2. За то углавном користимо термопластичне материјале и радимо на различитим начинима на које ће материјал утицати на ово понашање пермеације и обраду у AFP машини. Важно је разумети да ли ће третман имати ефекта и да ли је потребна било каква накнадна обрада. Такође желимо да знамо да ли ће различити слојеви утицати на пермеацију водоника кроз посуду под притиском.“
Резервоар ће бити у потпуности направљен од термопластике, а траке ће испоручити компанија Teijin Carbon Europe GmbH (Вупертал, Немачка). „Користићемо њихове материјале PPS [полифенилен сулфид], PEEK [полиетер кетон] и LM PAEK [полиарил кетон са ниском температуром топљења]“, рекао је Јегер. „Затим се врше поређења како би се видело који је најбољи за заштиту од продора и производњу делова са бољим перформансама.“ Он се нада да ће завршити тестирање, структурно и процесно моделирање и прве демонстрације у наредној години.
Истраживачки рад је спроведен у оквиру COMET модула „Polymers4Hydrogen“ (ИД 21647053) у оквиру COMET програма Савезног министарства за климатске промене, животну средину, енергетику, мобилност, иновације и технологију и Савезног министарства за дигиталну технологију и економију. Аутори се захваљују партнерима учесницима: Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL, Аустрија), Montanuniversitaet Leoben (Факултет за полимерно инжењерство и науку, Одељење за хемију полимерних материјала, Одељење за науку о материјалима и испитивање полимера), Универзитет у Тампереу (Факултет за инжењерске материјале), Peak Technology и Faurecia, који су допринели овом истраживачком раду. COMET-Модул финансирају влада Аустрије и влада покрајине Штајерска.
Претходно ојачане плоче за носеће конструкције садрже континуирана влакна – не само од стакла, већ и од угљеника и арамида.
Постоји много начина за израду композитних делова. Стога ће избор методе за одређени део зависити од материјала, дизајна дела и крајње употребе или примене. Ево водича за избор.
Шокер Композитс и Р&М Интернешенел развијају ланац снабдевања рециклираним угљеничним влакнима који обезбеђује нулто клање, ниже трошкове од необрађених влакана и на крају ће понудити дужине које се по структурним својствима приближавају континуираним влакнима.
Време објаве: 15. март 2023.