Tangki platform datar standar pikeun BEV sareng FCEV nganggo komposit termoplastik sareng termoset kalayan konstruksi rangka anu nyayogikeun panyimpenan H2 25% langkung seueur. #hidrogen #tren
Saatos kolaborasi sareng BMW nunjukkeun yén tangki kubik tiasa ngahasilkeun efisiensi volumetrik anu langkung luhur tibatan sababaraha silinder alit, Universitas Téknis Munich ngamimitian proyék pikeun ngembangkeun struktur komposit sareng prosés manufaktur anu tiasa diskalakeun pikeun produksi serial. Kredit gambar: TU Dresden (luhur) kénca), Universitas Téknis Munich, Departemen Komposit Karbon (LCC)
Kendaraan listrik sél bahan bakar (FCEV) anu dikuatkeun ku hidrogén nol-émisi (H2) nyayogikeun cara tambahan pikeun ngahontal target lingkungan nol. Mobil panumpang sél bahan bakar kalayan mesin H2 tiasa dieusi dina 5-7 menit sareng gaduh jarak tempuh 500 km, tapi ayeuna langkung mahal kusabab volume produksi anu handap. Salah sahiji cara pikeun ngirangan biaya nyaéta nganggo platform standar pikeun modél BEV sareng FCEV. Ieu ayeuna teu mungkin sabab tangki silinder Tipe 4 anu dianggo pikeun nyimpen gas H2 anu dikomprés (CGH2) dina 700 bar dina FCEV henteu cocog pikeun kompartemen batré handapeun bodi anu parantos dirancang sacara saksama pikeun kendaraan listrik. Nanging, wadah tekanan dina bentuk bantal sareng kubus tiasa pas kana rohangan kemasan datar ieu.
Patén US5577630A pikeun "Bejana Tekanan Konformal Komposit", aplikasi anu diajukeun ku Thiokol Corp. dina taun 1995 (kénca) sareng bejana tekanan pasagi panjang anu dipaténkeun ku BMW dina taun 2009 (katuhu).
Departemen Komposit Karbon (LCC) Universitas Téknis Munich (TUM, Munich, Jerman) kalibet dina dua proyék pikeun ngembangkeun konsép ieu. Anu kahiji nyaéta Polymers4Hydrogen (P4H), anu dipingpin ku Pusat Kompetensi Polimer Leoben (PCCL, Leoben, Austria). Pakét padamelan LCC dipingpin ku Fellow Elizabeth Glace.
Proyék kadua nyaéta Hydrogen Demonstration and Development Environment (HyDDen), dimana LCC dipingpin ku Panalungtik Christian Jaeger. Duanana boga tujuan pikeun nyiptakeun démo skala ageung ngeunaan prosés manufaktur pikeun ngadamel tanki CGH2 anu cocog nganggo komposit serat karbon.
Aya efisiensi volumetrik anu kawates nalika silinder diaméter leutik dipasang dina sél batré datar (kénca) sareng wadah tekanan tipe 2 kubik anu didamel tina lapisan baja sareng cangkang luar serat karbon/komposit epoksi (katuhu). Sumber Gambar: Gambar 3 sareng 6 asalna tina "Pendekatan Desain Numerik pikeun Wadah Kotak Tekanan Tipe II kalayan Suku Tegangan Internal" ku Ruf sareng Zaremba et al.
P4H parantos ngadamel tanki kubus ékspériméntal anu nganggo pigura termoplastik kalayan tali/penyangga tegangan komposit anu dibungkus ku époksi anu diperkuat serat karbon. HyDDen bakal nganggo desain anu sami, tapi bakal nganggo layup serat otomatis (AFP) pikeun ngadamel sadaya tanki komposit termoplastik.
Ti mimiti aplikasi patén ku Thiokol Corp. dugi ka "Composite Conformal Pressure Vessel" dina taun 1995 dugi ka Patén Jerman DE19749950C2 dina taun 1997, wadah gas anu dikomprés "tiasa ngagaduhan konfigurasi géométri naon waé", tapi khususna bentukna datar sareng henteu teratur, dina rongga anu nyambung ka pangrojong cangkang. élémen-élémen dianggo supados tiasa nahan gaya ékspansi gas.
Makalah Laboratorium Nasional Lawrence Livermore (LLNL) taun 2006 ngajelaskeun tilu pendekatan: wadah tekanan konformal anu dibungkus ku filamén, wadah tekanan mikrokisi anu ngandung struktur kisi ortorombik internal (sél leutik 2 cm atanapi kirang), dikurilingan ku wadah H2 anu témbokna ipis, sareng wadah replikator, anu diwangun ku struktur internal anu diwangun ku bagian-bagian leutik anu dilem (contona, cincin plastik heksagonal) sareng komposisi kulit cangkang luar anu ipis. Wadah duplikat paling cocog pikeun wadah anu langkung ageung dimana metode tradisional tiasa sesah diterapkeun.
Patén DE102009057170A anu diajukeun ku Volkswagen dina taun 2009 ngajelaskeun wadah tekanan anu dipasang dina kandaraan anu bakal nyayogikeun efisiensi beurat anu luhur bari ningkatkeun panggunaan rohangan. Tangki pasagi panjang nganggo konektor tegangan antara dua témbok pasagi panjang anu sabalikna, sareng juru-juruna buleud.
Konsép-konsép di luhur sareng konsép-konsép sanésna disebatkeun ku Gleiss dina makalah "Pangembangan Prosés pikeun Wadah Tekanan Kubik kalayan Batang Peregangan" ku Gleiss et al. di ECCM20 (26-30 Juni 2022, Lausanne, Swiss). Dina tulisan ieu, anjeunna nyutat panilitian TUM anu diterbitkeun ku Michael Roof sareng Sven Zaremba, anu mendakan yén wadah tekanan kubik kalayan penyangga tegangan anu nyambungkeun sisi-sisi pasagi panjang langkung efisien tibatan sababaraha silinder alit anu pas kana rohangan batré anu datar, nyayogikeun sakitar 25% langkung seueur rohangan panyimpenan.
Numutkeun Gleiss, masalah nalika masang sajumlah ageung silinder tipe 4 alit dina wadah datar nyaéta "volume antara silinder dikirangan pisan sareng sistemna ogé gaduh permukaan permeasi gas H2 anu ageung pisan. Sacara umum, sistem ieu nyayogikeun kapasitas panyimpenan anu langkung alit tibatan toples kubik."
Nanging, aya masalah sanés sareng desain kubik tanki éta. "Tangtosna, kusabab gas anu dikomprés, anjeun kedah ngalawan gaya lentur dina témbok datar," saur Gleiss. "Pikeun ieu, anjeun peryogi struktur anu dikuatkeun anu nyambung sacara internal kana témbok tanki. Tapi éta hésé dilakukeun ku komposit."
Glace sareng timna nyobian ngasupkeun batang tegangan tulangan kana wadah tekanan ku cara anu cocog pikeun prosés lilitan filamén. "Ieu penting pikeun produksi volume anu luhur," anjeunna ngajelaskeun, "sareng ogé ngamungkinkeun urang pikeun ngarancang pola lilitan témbok wadah pikeun ngaoptimalkeun orientasi serat pikeun unggal beban dina zona éta."
Opat léngkah pikeun ngadamel tangki komposit kubik uji coba pikeun proyék P4H. Kredit gambar: "Pamekaran prosés produksi pikeun wadah tekanan kubik nganggo penyangga", Universitas Téknis Munich, proyék Polymers4Hydrogen, ECCM20, Juni 2022.
Pikeun ngahontal on-chain, tim ieu parantos ngembangkeun konsép énggal anu diwangun ku opat léngkah utama, sapertos anu dipidangkeun di luhur. Strut tegangan, anu dipidangkeun hideung dina undakan, nyaéta struktur pigura prefabrikasi anu didamel nganggo metode anu dicandak tina proyék MAI Skelett. Pikeun proyék ieu, BMW ngembangkeun "rangka" pigura kaca hareup nganggo opat batang pultrusion anu diperkuat serat, anu teras dicetak kana pigura plastik.
Pigura tanki kubik ékspériméntal. Bagian rangka héksagonal dicitak 3D ku TUM nganggo filamén PLA anu teu dikuatkeun (luhur), nyelapkeun batang pultrusion CF/PA6 salaku penyangga tegangan (tengah) teras ngabungkus filamén di sakitar penyangga (handap). Kiridit gambar: Universitas Téknis Munich LCC.
“Ideuna nyaéta anjeun tiasa ngawangun pigura tanki kubik salaku struktur modular,” saur Glace. “Modul-modul ieu teras disimpen dina alat cetakan, penyangga tegangan disimpen dina modul pigura, teras metode MAI Skelett dianggo di sakitar penyangga pikeun ngahijikeunana sareng bagian pigura.” metode produksi massal, ngahasilkeun struktur anu teras dianggo salaku mandrel atanapi inti pikeun ngabungkus cangkang komposit tanki panyimpenan.
TUM ngarancang rangka tanki salaku "bantal" kubik kalayan sisi anu padet, juru buleud sareng pola heksagonal di luhur sareng handap dimana dasi tiasa dipasang sareng dipasang. Liang pikeun rak ieu ogé dicitak 3D. "Pikeun tanki ékspériméntal awal kami, kami nyitak 3D bagian rangka heksagonal nganggo asam polilaktat [PLA, termoplastik berbasis bio] sabab gampang sareng murah," saur Glace.
Tim éta mésér 68 batang poliamida 6 (PA6) anu diperkuat serat karbon pultruded ti SGL Carbon (Meitingen, Jerman) pikeun dianggo salaku pangiket. "Pikeun nguji konsépna, kami henteu ngalakukeun cetakan naon waé," saur Gleiss, "tapi ngan saukur nyelapkeun spacer kana pigura inti sarang tawon anu dicitak 3D sareng nempelkeunana nganggo lem époksi. Ieu teras nyayogikeun mandrel pikeun ngagulung tangki." Anjeunna nyatet yén sanaos batang ieu relatif gampang digulung, aya sababaraha masalah anu signifikan anu bakal dijelaskeun engké.
"Dina tahap kahiji, tujuan urang nyaéta pikeun nunjukkeun kamampuan manufaktur desain sareng ngaidentipikasi masalah dina konsép produksi," jelas Gleiss. "Janten penyangga tegangan nonjol tina permukaan luar struktur rangka, sareng urang masang serat karbon kana inti ieu nganggo lilitan filamén baseuh. Saatos éta, dina léngkah katilu, urang ngabengkokkeun sirah unggal batang dasi. termoplastik, janten urang ngan ukur nganggo panas pikeun ngabentuk deui sirah supados rata sareng ngunci kana lapisan bungkus anu munggaran. Teras urang teraskeun pikeun ngabungkus struktur deui supados sirah dorong datar sacara géométris katutup dina tank. laminasi dina témbok."
Tutup spacer pikeun ngagulung. TUM nganggo tutup plastik dina tungtung batang tegangan pikeun nyegah serat kusut nalika ngagulung filamén. Kredit gambar: Universitas Téknis Munich LCC.
Glace negeskeun deui yén tanki munggaran ieu mangrupikeun bukti konsép. "Pamakéan percetakan 3D sareng lem ngan ukur kanggo uji coba awal sareng masihan kami gambaran ngeunaan sababaraha masalah anu kami mendakan. Salaku conto, nalika ngagulung, filamén katéwak ku tungtung batang tegangan, nyababkeun serat pegat, karusakan serat, sareng ngirangan jumlah serat pikeun ngimbangan ieu. Kami nganggo sababaraha tutup plastik salaku alat bantu manufaktur anu disimpen dina kutub sateuacan léngkah ngagulung munggaran. Teras, nalika laminasi internal didamel, kami nyabut tutup pelindung ieu sareng ngabentuk deui tungtung kutub sateuacan bungkus akhir."
Tim éta ékspérimén nganggo rupa-rupa skénario rekonstruksi. "Jalma-jalma anu ningali-ningali damelna pangsaéna," saur Grace. "Ogé, salami fase prototipe, kami nganggo alat las anu dimodifikasi pikeun nerapkeun panas sareng ngabentuk deui tungtung tie rod. Dina konsép produksi massal, anjeun bakal gaduh hiji alat anu langkung ageung anu tiasa ngabentuk sareng ngabentuk sadaya tungtung struts kana laminasi finish interior dina waktos anu sami. . "
Hulu drawbar dibentuk deui. TUM ékspérimén sareng konsép anu béda sareng ngarobih las pikeun ngajajarkeun tungtung dasi komposit pikeun dipasangkeun kana laminasi témbok tangki. Kredit gambar: "Pamekaran prosés produksi pikeun wadah tekanan kubik kalayan penyangga", Universitas Téknis Munich, proyék Polymers4Hydrogen, ECCM20, Juni 2022.
Ku kituna, laminasi dikeringkeun saatos léngkah lilitan anu munggaran, tihang-tihangna dibentuk deui, TUM ngalengkepan lilitan filamén anu kadua, teras laminasi témbok tanki luar dikeringkeun deui pikeun anu kadua kalina. Punten perhatoskeun yén ieu mangrupikeun desain tanki tipe 5, anu hartosna henteu gaduh lapisan plastik salaku panghalang gas. Tingali diskusi dina bagian Léngkah Salajengna di handap.
"Kami motong démo anu munggaran kana potongan melintang sareng memetakan daérah anu nyambung," saur Glace. "Panempoan caket nunjukkeun yén kami ngagaduhan sababaraha masalah kualitas sareng laminasi, kalayan sirah penyangga henteu rata dina laminasi interior."
Ngarengsekeun masalah celah antara laminasi témbok jero sareng luar tank. Hulu tie rod anu dimodifikasi nyiptakeun celah antara puteran kahiji sareng kadua tank ékspériméntal. Kredit gambar: Universitas Téknis Munich LCC.
Tangki awal 450 x 290 x 80mm ieu réngsé dina usum panas kamari. "Kami parantos ngadamel seueur kamajuan ti saprak harita, tapi kami masih gaduh celah antara laminasi interior sareng eksterior," saur Glace. "Janten kami nyobian ngeusian celah éta ku résin anu bersih sareng viskositasna luhur. Ieu sabenerna ningkatkeun sambungan antara stud sareng laminasi, anu ningkatkeun setrés mékanis pisan."
Tim éta teras-terasan ngembangkeun desain sareng prosés tanki, kalebet solusi pikeun pola lilitan anu dipikahoyong. "Sisi-sisina tanki uji henteu melengkung sapinuhna sabab hésé pikeun géométri ieu pikeun nyiptakeun jalur lilitan," jelas Glace. "Sudut lilitan awal kami nyaéta 75°, tapi kami terang yén sababaraha sirkuit diperyogikeun pikeun minuhan beban dina wadah tekanan ieu. Kami masih milarian solusi pikeun masalah ieu, tapi éta henteu gampang sareng parangkat lunak anu ayeuna aya di pasar. Éta tiasa janten proyék susulan."
"Kami parantos nunjukkeun kamungkinan tina konsép produksi ieu," saur Gleiss, "tapi kami kedah damel langkung jauh pikeun ningkatkeun sambungan antara laminasi sareng ngarobih bentuk batang pengikat. "Uji coba éksternal dina mesin uji. Anjeun narik spacer kaluar tina laminasi sareng nguji beban mékanis anu tiasa ditanggung ku sambungan éta."
Bagian tina proyék Polymers4Hydrogen ieu bakal réngsé dina ahir taun 2023, dina waktos éta Gleis ngarepkeun tiasa ngalengkepan tank démo anu kadua. Anu pikaresepeun, desain ayeuna nganggo termoplastik anu dikuatkeun rapih dina pigura sareng komposit termoset dina témbok tank. Naha pendekatan hibrida ieu bakal dianggo dina tank démo ahir? "Leres," saur Grace. "Mitra kami dina proyék Polymers4Hydrogen nuju ngembangkeun résin époksi sareng bahan matriks komposit sanés kalayan sipat panghalang hidrogén anu langkung saé." Anjeunna ngadaptar dua mitra anu ngagarap padamelan ieu, PCCL sareng Universitas Tampere (Tampere, Finlandia).
Gleiss sareng timna ogé silih tukeur inpormasi sareng ngabahas ideu sareng Jaeger ngeunaan proyék HyDDen kadua tina tangki komposit konformal LCC.
"Kami bakal ngahasilkeun wadah tekanan komposit konformal pikeun drone panalungtikan," saur Jaeger. "Ieu mangrupikeun kolaborasi antara dua departemén Departemen Dirgantara sareng Geodetik TUM - LCC sareng Departemen Téknologi Helikopter (HT). Proyék ieu bakal réngsé dina ahir taun 2024 sareng kami ayeuna nuju ngalengkepan wadah tekanan, desain anu langkung seueur pendekatan dirgantara sareng otomotif. Saatos tahapan konsép awal ieu, léngkah salajengna nyaéta ngalaksanakeun modél struktural anu lengkep sareng ngaduga kinerja panghalang tina struktur témbok."
"Ideuna nyaéta pikeun ngembangkeun drone éksplorasi nganggo sél bahan bakar hibrida sareng sistem propulsi batré," saurna teras. Éta bakal nganggo batré nalika beban kakuatan tinggi (contona lepas landas sareng badarat) teras ngalih ka sél bahan bakar nalika jelajah beban hampang. "Tim HT parantos gaduh drone panalungtikan sareng ngarancang ulang powertrain pikeun nganggo batré sareng sél bahan bakar," saur Yeager. "Aranjeunna ogé mésér tangki CGH2 pikeun nguji transmisi ieu."
"Tim kuring ditugaskeun pikeun ngawangun prototipe tangki tekanan anu pas, tapi sanés kusabab masalah kemasan anu bakal dihasilkeun ku tangki silinder," anjeunna ngajelaskeun. "Tangki anu langkung datar henteu nawiskeun résistansi angin anu ageung. Janten anjeun kéngingkeun kinerja hiber anu langkung saé." Diménsi tangki sakitar 830 x 350 x 173 mm.
Tangki anu pinuh termoplastik anu saluyu sareng AFP. Pikeun proyék HyDDen, tim LCC di TUM mimitina ngajalajah pendekatan anu sami sareng anu dianggo ku Glace (di luhur), tapi teras ngalih ka pendekatan anu nganggo kombinasi sababaraha modul struktural, anu teras dianggo kaleuleuwihi nganggo AFP (di handap). Kiridit gambar: Universitas Téknis Munich LCC.
"Salah sahiji ideu ieu sami sareng pendekatan Elisabeth [Gleiss]," saur Yager, "pikeun nerapkeun penyangga tegangan kana témbok wadah pikeun ngimbangan gaya lentur anu luhur. Nanging, tibatan nganggo prosés lilitan pikeun ngadamel tanki, urang nganggo AFP. Ku alatan éta, urang mikirkeun pikeun nyiptakeun bagian anu misah tina wadah tekanan, dimana rak-rakna parantos terintegrasi. Pendekatan ieu ngamungkinkeun kuring pikeun ngagabungkeun sababaraha modul terintegrasi ieu teras nerapkeun tutup tungtung pikeun ngégél sadayana sateuacan lilitan AFP akhir."
"Kami nuju nyobian ngarengsekeun konsép sapertos kitu," anjeunna neraskeun, "sareng ogé ngamimitian nguji pilihan bahan, anu penting pisan pikeun mastikeun résistansi anu diperyogikeun pikeun penetrasi gas H2. Pikeun ieu, kami utamina nganggo bahan termoplastik sareng nuju ngerjakeun rupa-rupa kumaha bahan éta bakal mangaruhan paripolah permeasi ieu sareng pamrosésan dina mesin AFP. Penting pikeun ngartos naha perlakuan éta bakal gaduh pangaruh sareng upami aya pamrosésan pasca-perlu. Kami ogé hoyong terang naha tumpukan anu béda bakal mangaruhan permeasi hidrogén ngaliwatan wadah tekanan."
Tangki éta bakal sagemblengna didamel tina termoplastik sareng strips bakal disayogikeun ku Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Jerman). "Kami bakal nganggo bahan PPS [polifenilen sulfida], PEEK [polieter keton] sareng LM PAEK [poliaril keton lebur rendah]," saur Yager. "Babandingan teras dilakukeun pikeun ningali mana anu pangsaéna pikeun panyalindungan penetrasi sareng ngahasilkeun bagian anu langkung saé." Anjeunna ngarepkeun tiasa ngalengkepan uji coba, modél struktural sareng prosés sareng demonstrasi munggaran dina taun payun.
Panalungtikan ieu dilaksanakeun dina modul COMET "Polymers4Hydrogen" (ID 21647053) dina program COMET Kementerian Federal pikeun Perubahan Iklim, Lingkungan, Énergi, Mobilitas, Inovasi sareng Téknologi sareng Kementerian Federal pikeun Téknologi Digital sareng Ékonomi. . Para panulis ngucapkeun hatur nuhun ka mitra anu milu Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL, Austria), Montanuniversitaet Leoben (Fakultas Téknik sareng Élmu Polimer, Departemen Kimia Bahan Polimer, Departemen Élmu Bahan sareng Uji Polimer), Universitas Tampere (Fakultas Bahan Téknik). ) Élmu), Peak Technology sareng Faurecia nyumbang kana panalungtikan ieu. COMET-Modul dibiayaan ku pamaréntah Austria sareng pamaréntah nagara bagian Styria.
Lambaran anu tos dikuatkeun pikeun struktur anu nahan beban ngandung serat anu kontinyu - henteu ngan ukur tina kaca, tapi ogé tina karbon sareng aramid.
Aya seueur cara pikeun ngadamel bagian komposit. Ku kituna, pilihan metode pikeun bagian khusus bakal gumantung kana bahan, desain bagian éta, sareng panggunaan ahir atanapi aplikasi. Ieu panduan pilihan.
Shocker Composites sareng R&M International nuju ngembangkeun ranté suplai serat karbon daur ulang anu henteu ngahasilkeun deui, biaya anu langkung handap tibatan serat murni, sareng antukna bakal nawiskeun panjang anu ampir sami sareng serat kontinyu dina sipat strukturalna.
Waktos posting: 15-Mar-2023