มหาวิทยาลัยเทคนิคมิวนิกพัฒนาถังทรงลูกบาศก์โดยใช้คอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์เพื่อเพิ่มการกักเก็บไฮโดรเจน | โลกแห่งคอมโพสิต

ถังแบบแพลตฟอร์มแบนมาตรฐานสำหรับ BEV และ FCEV ใช้คอมโพสิตเทอร์โมพลาสติกและเทอร์โมเซ็ตที่มีโครงสร้างแบบโครงที่ให้ปริมาณการเก็บ H2 มากขึ้น 25% #ไฮโดรเจน #เทรนด์
หลังจากความร่วมมือกับ BMW แสดงให้เห็นว่าถังแบบลูกบาศก์สามารถให้ประสิทธิภาพเชิงปริมาตรที่สูงกว่าถังขนาดเล็กหลายถัง มหาวิทยาลัยเทคนิคมิวนิกจึงได้ริเริ่มโครงการพัฒนาโครงสร้างคอมโพสิตและกระบวนการผลิตที่ปรับขนาดได้สำหรับการผลิตแบบต่อเนื่อง เครดิตภาพ: TU Dresden (บน) ซ้าย), มหาวิทยาลัยเทคนิคมิวนิก ภาควิชาคาร์บอนคอมโพสิต (LCC)
รถยนต์ไฟฟ้าเซลล์เชื้อเพลิง (FCEV) ที่ขับเคลื่อนด้วยไฮโดรเจนที่ปล่อยมลพิษเป็นศูนย์ (H2) ถือเป็นอีกหนึ่งทางเลือกในการบรรลุเป้าหมายด้านสิ่งแวดล้อมที่เป็นศูนย์ รถยนต์โดยสารเซลล์เชื้อเพลิงที่ใช้เครื่องยนต์ H2 สามารถเติมเชื้อเพลิงได้ภายใน 5-7 นาที และมีระยะทางวิ่งสูงสุด 500 กิโลเมตร แต่ปัจจุบันมีราคาสูงกว่าเนื่องจากปริมาณการผลิตที่ต่ำ วิธีหนึ่งในการลดต้นทุนคือการใช้แพลตฟอร์มมาตรฐานสำหรับรุ่น BEV และ FCEV ซึ่งปัจจุบันยังไม่สามารถทำได้ เนื่องจากถังทรงกระบอก Type 4 ที่ใช้เก็บก๊าซ H2 อัด (CGH2) ที่แรงดัน 700 บาร์ใน FCEV ไม่เหมาะสำหรับช่องเก็บแบตเตอรี่ใต้ท้องรถที่ออกแบบมาอย่างพิถีพิถันสำหรับรถยนต์ไฟฟ้า อย่างไรก็ตาม ถังแรงดันในรูปแบบหมอนและลูกบาศก์สามารถบรรจุลงในบรรจุภัณฑ์แบบแบนนี้ได้
สิทธิบัตร US5577630A สำหรับ “ภาชนะรับแรงดันแบบผสม” ยื่นคำขอโดย Thiokol Corp. ในปี 1995 (ซ้าย) และภาชนะรับแรงดันทรงสี่เหลี่ยมผืนผ้าที่จดสิทธิบัตรโดย BMW ในปี 2009 (ขวา)
ภาควิชาคาร์บอนคอมโพสิต (LCC) แห่งมหาวิทยาลัยเทคนิคมิวนิก (TUM, มิวนิก ประเทศเยอรมนี) มีส่วนร่วมในสองโครงการเพื่อพัฒนาแนวคิดนี้ โครงการแรกคือ Polymers4Hydrogen (P4H) ซึ่งนำโดยศูนย์ Leoben Polymer Competence Center (PCCL, เลโอเบน ออสเตรีย) ชุดงาน LCC นำโดย Elizabeth Glace นักวิจัย
โครงการที่สองคือโครงการสภาพแวดล้อมการสาธิตและพัฒนาไฮโดรเจน (HyDDen) ซึ่ง LCC นำโดยนักวิจัยคริสเตียน เจเกอร์ ทั้งสองโครงการมีเป้าหมายเพื่อสร้างการสาธิตกระบวนการผลิตถัง CGH2 ที่เหมาะสมในวงกว้างโดยใช้วัสดุผสมคาร์บอนไฟเบอร์
ประสิทธิภาพเชิงปริมาตรจะจำกัดเมื่อติดตั้งกระบอกสูบเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กในเซลล์แบตเตอรี่แบบแบน (ซ้าย) และภาชนะรับแรงดันแบบลูกบาศก์ชนิดที่ 2 ที่ทำจากแผ่นเหล็กและเปลือกนอกคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์/อีพอกซี (ขวา) ที่มาของภาพ: รูปที่ 3 และ 6 มาจาก “Numerical Design Approach for Type II Pressure Box Vessel with Internal Tension Legs” โดย Ruf และ Zaremba และคณะ
P4H ได้ผลิตถังลูกบาศก์ทดลองที่ใช้โครงเทอร์โมพลาสติกพร้อมสายรัด/เสาค้ำยันคอมโพสิตหุ้มด้วยอีพอกซีเสริมแรงด้วยคาร์บอนไฟเบอร์ HyDDen จะใช้การออกแบบที่คล้ายคลึงกัน แต่จะใช้การวางเส้นใยอัตโนมัติ (AFP) ในการผลิตถังคอมโพสิตเทอร์โมพลาสติกทั้งหมด
จากการยื่นขอจดสิทธิบัตรโดยบริษัท Thiokol Corp. สำหรับ “ภาชนะรับแรงดันแบบผสม” ในปี 1995 ไปจนถึงสิทธิบัตรเยอรมัน DE19749950C2 ในปี 1997 ภาชนะบรรจุแก๊สอัด “อาจมีรูปทรงทางเรขาคณิตใดๆ ก็ได้” แต่โดยเฉพาะอย่างยิ่งรูปทรงแบนและไม่สม่ำเสมอในโพรงที่เชื่อมต่อกับส่วนรองรับเปลือก มีการใช้องค์ประกอบต่างๆ เพื่อให้สามารถทนต่อแรงขยายตัวของแก๊สได้
บทความวิจัยของห้องปฏิบัติการแห่งชาติลอว์เรนซ์ลิเวอร์มอร์ (LLNL) ปี พ.ศ. 2549 อธิบายแนวทางสามประการ ได้แก่ ภาชนะความดันแบบคอนฟอร์มัลที่พันด้วยเส้นใย ภาชนะความดันแบบไมโครแลตทิซที่มีโครงสร้างแลตทิซออร์โธรอมบิกภายใน (เซลล์ขนาดเล็กไม่เกิน 2 เซนติเมตร) ล้อมรอบด้วยภาชนะ H2 ผนังบาง และภาชนะจำลองซึ่งประกอบด้วยโครงสร้างภายในที่ประกอบด้วยชิ้นส่วนขนาดเล็กที่ติดกาว (เช่น วงแหวนพลาสติกหกเหลี่ยม) และส่วนประกอบของเปลือกนอกบางๆ ภาชนะจำลองเหมาะที่สุดสำหรับภาชนะขนาดใหญ่ที่วิธีการแบบเดิมอาจนำไปใช้ได้ยาก
สิทธิบัตร DE102009057170A ที่ Volkswagen ยื่นในปี 2009 อธิบายถึงภาชนะรับแรงดันที่ติดตั้งบนยานพาหนะซึ่งจะให้ประสิทธิภาพการรับน้ำหนักสูงพร้อมกับปรับปรุงการใช้พื้นที่ ถังทรงสี่เหลี่ยมผืนผ้าใช้ตัวเชื่อมต่อแรงดึงระหว่างผนังสี่เหลี่ยมด้านตรงข้ามสองฝั่ง และมุมโค้งมน
แนวคิดข้างต้นและแนวคิดอื่นๆ ได้รับการอ้างอิงโดย Gleiss ในบทความ “การพัฒนากระบวนการสำหรับภาชนะรับแรงดันแบบลูกบาศก์พร้อมแท่งยืด” โดย Gleiss และคณะ ในงาน ECCM20 (26-30 มิถุนายน 2565 ณ เมืองโลซาน ประเทศสวิตเซอร์แลนด์) ในบทความนี้ เธออ้างอิงผลการศึกษาของ TUM ที่ตีพิมพ์โดย Michael Roof และ Sven Zaremba ซึ่งพบว่าภาชนะรับแรงดันแบบลูกบาศก์พร้อมเสาค้ำยันที่เชื่อมต่อด้านที่เป็นสี่เหลี่ยมผืนผ้ามีประสิทธิภาพมากกว่าถังขนาดเล็กหลายถังที่บรรจุอยู่ในพื้นที่ของแบตเตอรี่ที่แบนราบ ซึ่งให้พื้นที่จัดเก็บเพิ่มขึ้นประมาณ 25%
Gleiss ระบุว่า ปัญหาของการติดตั้งถังบรรจุขนาดเล็กแบบ 4 จำนวนมากในกล่องแบบแบนคือ “ปริมาตรระหว่างถังบรรจุลดลงอย่างมาก และระบบยังมีพื้นที่การซึมผ่านของก๊าซ H2 ขนาดใหญ่มาก โดยรวมแล้ว ระบบนี้มีความจุในการจัดเก็บน้อยกว่าขวดแบบลูกบาศก์”
อย่างไรก็ตาม ยังมีปัญหาอื่นๆ เกี่ยวกับการออกแบบถังแบบลูกบาศก์ “เห็นได้ชัดว่าเนื่องจากก๊าซอัด คุณจำเป็นต้องต้านทานแรงดัดบนผนังเรียบ” ไกลส์กล่าว “เพื่อจุดประสงค์นี้ คุณจำเป็นต้องมีโครงสร้างเสริมที่เชื่อมต่อภายในกับผนังถัง แต่นั่นเป็นเรื่องยากที่จะทำได้หากใช้วัสดุผสม”
กลาซและทีมงานของเธอพยายามนำแท่งรับแรงดึงเสริมแรงเข้าไปในภาชนะรับแรงดันในลักษณะที่เหมาะสมกับกระบวนการพันเส้นใย “สิ่งนี้สำคัญสำหรับการผลิตปริมาณมาก” เธออธิบาย “และยังช่วยให้เราสามารถออกแบบรูปแบบการพันของผนังภาชนะเพื่อปรับทิศทางของเส้นใยให้เหมาะสมกับภาระในแต่ละโซน”
สี่ขั้นตอนในการสร้างถังคอมโพสิตลูกบาศก์ทดลองสำหรับโครงการ P4H เครดิตภาพ: “การพัฒนากระบวนการผลิตสำหรับภาชนะรับแรงดันลูกบาศก์พร้อมโครงค้ำยัน” มหาวิทยาลัยเทคนิคมิวนิก โครงการ Polymers4Hydrogen, ECCM20, มิถุนายน 2565
เพื่อให้บรรลุถึงการทำงานแบบออนเชน ทีมงานได้พัฒนาแนวคิดใหม่ซึ่งประกอบด้วยสี่ขั้นตอนหลัก ดังที่แสดงไว้ข้างต้น สตรัทรับแรงดึงที่แสดงเป็นสีดำบนขั้นบันได เป็นโครงสร้างเฟรมสำเร็จรูปที่ผลิตขึ้นโดยใช้วิธีการจากโครงการ MAI Skelett สำหรับโครงการนี้ BMW ได้พัฒนา "เฟรมเวิร์ก" ของเฟรมกระจกหน้ารถโดยใช้แท่งพัลทรูชันเสริมแรงด้วยไฟเบอร์สี่แท่ง จากนั้นจึงนำไปขึ้นรูปเป็นเฟรมพลาสติก
โครงของถังลูกบาศก์ทดลอง โครงร่างหกเหลี่ยมพิมพ์ 3 มิติโดย TUM โดยใช้เส้นใย PLA ที่ไม่ได้เสริมแรง (ด้านบน) ใส่แท่งพัลทรูชัน CF/PA6 เป็นโครงยึด (ตรงกลาง) แล้วพันเส้นใยรอบโครงยึด (ด้านล่าง) เครดิตภาพ: มหาวิทยาลัยเทคนิคมิวนิก LCC
“แนวคิดคือคุณสามารถสร้างโครงของถังทรงลูกบาศก์ให้เป็นโครงสร้างแบบแยกส่วนได้” กลาซกล่าว “จากนั้นโมดูลเหล่านี้จะถูกวางลงในเครื่องขึ้นรูป เสาค้ำรับแรงดึงจะถูกวางลงในโมดูลโครง จากนั้นจึงใช้วิธีการของ MAI Skelett รอบเสาค้ำเพื่อผสานเข้ากับชิ้นส่วนโครง” ซึ่งเป็นวิธีการผลิตจำนวนมาก ส่งผลให้ได้โครงสร้างที่สามารถใช้เป็นแกนหรือแกนกลางเพื่อหุ้มเปลือกถังเก็บแบบคอมโพสิต
TUM ออกแบบโครงถังให้เป็น “เบาะ” ทรงลูกบาศก์ มีด้านข้างทึบ มุมโค้งมน และลวดลายหกเหลี่ยมด้านบนและด้านล่าง ซึ่งสามารถสอดและติดสายรัดได้ รูสำหรับชั้นวางเหล่านี้ก็พิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์ 3 มิติเช่นกัน “สำหรับถังทดลองรุ่นแรกของเรา เราพิมพ์โครงหกเหลี่ยมด้วยเครื่องพิมพ์ 3 มิติโดยใช้กรดโพลีแลกติก [PLA ซึ่งเป็นเทอร์โมพลาสติกชีวภาพ] เพราะง่ายและราคาถูก” Glace กล่าว
ทีมงานได้ซื้อแท่งโพลีเอไมด์ 6 (PA6) เสริมแรงด้วยคาร์บอนไฟเบอร์แบบพัลทรูด จำนวน 68 แท่ง จาก SGL Carbon (เมืองไมทิงเงน ประเทศเยอรมนี) เพื่อใช้เป็นตัวยึด “เพื่อทดสอบแนวคิด เราไม่ได้ทำการขึ้นรูปใดๆ” ไกลส์กล่าว “แต่เพียงสอดสเปเซอร์เข้าไปในโครงแกนรังผึ้งที่พิมพ์ 3 มิติ แล้วติดกาวด้วยกาวอีพ็อกซี ซึ่งจะทำให้มีแกนสำหรับพันถัง” เธอตั้งข้อสังเกตว่าถึงแม้แท่งเหล่านี้จะพันได้ค่อนข้างง่าย แต่ก็มีปัญหาสำคัญบางประการที่จะอธิบายในภายหลัง
“ในระยะแรก เป้าหมายของเราคือการแสดงให้เห็นถึงความสามารถในการผลิตของการออกแบบและระบุปัญหาในแนวคิดการผลิต” Gleiss อธิบาย “ดังนั้นเสารับแรงดึงจึงยื่นออกมาจากพื้นผิวด้านนอกของโครงสร้าง และเรายึดเส้นใยคาร์บอนเข้ากับแกนนี้โดยใช้การพันเส้นใยแบบเปียก หลังจากนั้น ในขั้นตอนที่สาม เราจะดัดหัวของแท่งยึดแต่ละอัน (เทอร์โมพลาสติก) โดยใช้ความร้อนเพื่อปรับรูปทรงของหัวให้แบนราบและล็อคเข้ากับชั้นแรกของการหุ้ม จากนั้นเราจะทำการหุ้มโครงสร้างอีกครั้งเพื่อให้หัวรับแรงดึงแบบแบนถูกหุ้มด้วยแผ่นลามิเนตบนผนังถังในเชิงเรขาคณิต”
ฝาปิดแบบสเปเซอร์สำหรับการพันเส้นใย TUM ใช้ฝาปิดพลาสติกที่ปลายแกนดึงเพื่อป้องกันไม่ให้เส้นใยพันกันระหว่างการพันเส้นใย เครดิตภาพ: มหาวิทยาลัยเทคนิคมิวนิก LCC
Glace ย้ำว่าถังแรกนี้เป็นการพิสูจน์แนวคิด “การใช้การพิมพ์ 3 มิติและกาวเป็นเพียงการทดสอบเบื้องต้นเท่านั้น และทำให้เราเข้าใจถึงปัญหาบางประการที่เราพบ ตัวอย่างเช่น ในระหว่างการพันเส้นใย เส้นใยจะถูกยึดติดที่ปลายของแท่งรับแรงดึง ทำให้เส้นใยแตกหัก เสียหาย และลดปริมาณเส้นใยเพื่อแก้ไขปัญหานี้ เราใช้ฝาพลาสติกสองสามอันเป็นตัวช่วยในการผลิต ซึ่งถูกวางไว้บนเสาก่อนขั้นตอนการพันรอบแรก จากนั้น เมื่อผลิตแผ่นลามิเนตภายในเสร็จ เราก็ถอดฝาป้องกันเหล่านี้ออกและขึ้นรูปปลายเสาใหม่ก่อนการพันรอบสุดท้าย”
ทีมงานได้ทดลองกับสถานการณ์จำลองการสร้างใหม่หลายแบบ “คนที่มองไปรอบๆ จะทำงานได้ดีที่สุด” เกรซกล่าว “นอกจากนี้ ในระหว่างขั้นตอนการสร้างต้นแบบ เราใช้เครื่องมือเชื่อมที่ปรับแต่งแล้วเพื่อให้ความร้อนและปรับรูปทรงปลายก้านยึด ในแนวคิดการผลิตจำนวนมาก คุณจะมีเครื่องมือขนาดใหญ่เพียงชิ้นเดียวที่สามารถขึ้นรูปและขึ้นรูปปลายทั้งหมดของสตรัทให้เป็นแผ่นลามิเนตตกแต่งภายในได้ในเวลาเดียวกัน”
หัวดึงถูกปรับรูปทรงใหม่ TUM ได้ทดลองแนวคิดต่างๆ และปรับเปลี่ยนแนวเชื่อมเพื่อจัดตำแหน่งปลายของสายรัดคอมโพสิตสำหรับยึดติดกับแผ่นลามิเนตผนังถัง เครดิตภาพ: “การพัฒนากระบวนการผลิตภาชนะรับแรงดันแบบลูกบาศก์พร้อมโครงค้ำยัน” มหาวิทยาลัยเทคนิคมิวนิก โครงการ Polymers4Hydrogen, ECCM20, มิถุนายน 2565
ดังนั้น แผ่นลามิเนตจึงแข็งตัวหลังจากขั้นตอนการพันรอบแรก เสาจะถูกขึ้นรูปใหม่ TUM จะทำการพันเส้นใยรอบที่สองให้เสร็จสมบูรณ์ จากนั้นแผ่นลามิเนตผนังถังด้านนอกจะถูกบ่มเป็นครั้งที่สอง โปรดทราบว่านี่คือการออกแบบถังแบบที่ 5 ซึ่งหมายความว่าไม่มีแผ่นพลาสติกบุเพื่อป้องกันแก๊ส โปรดดูรายละเอียดเพิ่มเติมในหัวข้อ "ขั้นตอนต่อไป" ด้านล่าง
“เราตัดเดโมแรกออกเป็นส่วนตัดขวางและวาดแผนที่บริเวณที่เชื่อมต่อกัน” กลาซกล่าว “ภาพระยะใกล้แสดงให้เห็นว่าเรามีปัญหาด้านคุณภาพของแผ่นลามิเนต โดยที่หัวค้ำไม่แนบสนิทกับแผ่นลามิเนตด้านใน”
การแก้ปัญหาช่องว่างระหว่างแผ่นลามิเนตของผนังด้านในและด้านนอกของถัง หัวคันชักที่ปรับเปลี่ยนจะสร้างช่องว่างระหว่างรอบแรกและรอบที่สองของถังทดลอง เครดิตภาพ: มหาวิทยาลัยเทคนิคมิวนิก LCC
ถังขนาด 450 x 290 x 80 มม. รุ่นแรกนี้เสร็จสมบูรณ์เมื่อฤดูร้อนที่ผ่านมา “เรามีความคืบหน้าไปมากตั้งแต่นั้นมา แต่ยังคงมีช่องว่างระหว่างแผ่นลามิเนตภายในและภายนอก” กลาซกล่าว “ดังนั้นเราจึงพยายามอุดช่องว่างเหล่านั้นด้วยเรซินที่สะอาดและมีความหนืดสูง ซึ่งช่วยปรับปรุงการเชื่อมต่อระหว่างเสาและแผ่นลามิเนต ซึ่งช่วยเพิ่มแรงเค้นเชิงกลได้อย่างมาก”
ทีมงานยังคงพัฒนาการออกแบบและกระบวนการของถังอย่างต่อเนื่อง รวมถึงโซลูชันสำหรับรูปแบบการพันที่ต้องการ “ด้านข้างของถังทดสอบไม่ได้โค้งงออย่างสมบูรณ์เนื่องจากรูปทรงเรขาคณิตนี้สร้างเส้นทางการพันได้ยาก” กลาซอธิบาย “มุมการพันเริ่มต้นของเราอยู่ที่ 75° แต่เรารู้ว่าจำเป็นต้องใช้วงจรหลายวงจรเพื่อรองรับภาระในถังแรงดันนี้ เรายังคงมองหาโซลูชันสำหรับปัญหานี้อยู่ แต่ไม่ใช่เรื่องง่ายด้วยซอฟต์แวร์ที่มีอยู่ในตลาดปัจจุบัน ซึ่งอาจกลายเป็นโครงการต่อเนื่อง”
“เราได้แสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้ของแนวคิดการผลิตนี้แล้ว” ไกลส์กล่าว “แต่เราจำเป็นต้องพัฒนาการเชื่อมต่อระหว่างแผ่นลามิเนตและปรับรูปทรงของแกนยึดให้มากขึ้น” “การทดสอบภายนอกบนเครื่องทดสอบ คุณดึงสเปเซอร์ออกจากแผ่นลามิเนตและทดสอบแรงทางกลที่ข้อต่อเหล่านั้นสามารถรับได้”
ส่วนนี้ของโครงการ Polymers4Hydrogen จะเสร็จสมบูรณ์ในปลายปี 2566 ซึ่ง Gleis หวังว่าจะสร้างถังสาธิตที่สองให้เสร็จสมบูรณ์ภายในเวลาดังกล่าว ที่น่าสนใจคือ ปัจจุบันการออกแบบใช้เทอร์โมพลาสติกเสริมแรงแบบเรียบในโครงสร้าง และวัสดุผสมเทอร์โมเซ็ตในผนังถัง วิธีการแบบผสมผสานนี้จะถูกนำมาใช้ในถังสาธิตสุดท้ายหรือไม่? “ใช่” เกรซกล่าว “พันธมิตรของเราในโครงการ Polymers4Hydrogen กำลังพัฒนาเรซินอีพอกซีและวัสดุเมทริกซ์คอมโพสิตอื่นๆ ที่มีคุณสมบัติป้องกันไฮโดรเจนได้ดีขึ้น” เธอระบุรายชื่อพันธมิตรสองรายที่กำลังทำงานวิจัยนี้อยู่ ได้แก่ PCCL และมหาวิทยาลัยตัมเปเร (ตัมเปเร ประเทศฟินแลนด์)
Gleiss และทีมของเธอยังได้แลกเปลี่ยนข้อมูลและหารือแนวคิดกับ Jaeger เกี่ยวกับโครงการ HyDDen ที่สองจากถังคอมโพสิตแบบคอนฟอร์มัล LCC
“เราจะผลิตภาชนะรับแรงดันคอมโพสิตแบบคอนฟอร์มัลสำหรับโดรนวิจัย” เยเกอร์กล่าว “นี่เป็นความร่วมมือระหว่างสองแผนกของแผนกอวกาศและภูมิสารสนเทศของ TUM – LCC และแผนกเทคโนโลยีเฮลิคอปเตอร์ (HT) โครงการนี้จะแล้วเสร็จภายในสิ้นปี พ.ศ. 2567 และขณะนี้เรากำลังสร้างภาชนะรับแรงดัน ซึ่งเป็นการออกแบบที่เน้นไปที่อุตสาหกรรมการบินและยานยนต์มากขึ้น หลังจากขั้นตอนแนวคิดเบื้องต้นนี้ ขั้นตอนต่อไปคือการสร้างแบบจำลองโครงสร้างโดยละเอียดและคาดการณ์ประสิทธิภาพของโครงสร้างผนังกั้น”
“แนวคิดทั้งหมดคือการพัฒนาโดรนสำรวจที่ใช้ระบบขับเคลื่อนแบบไฮบริดเซลล์เชื้อเพลิงและแบตเตอรี่” เขากล่าวต่อ โดรนจะใช้แบตเตอรี่ในช่วงที่มีภาระกำลังสูง (เช่น ขึ้นบินและลงจอด) จากนั้นจะเปลี่ยนไปใช้เซลล์เชื้อเพลิงในช่วงที่มีภาระเบา “ทีม HT มีโดรนวิจัยอยู่แล้วและได้ออกแบบระบบส่งกำลังใหม่ให้ใช้ทั้งแบตเตอรี่และเซลล์เชื้อเพลิง” เยเกอร์กล่าว “พวกเขายังซื้อถังเชื้อเพลิง CGH2 มาเพื่อทดสอบระบบส่งกำลังนี้ด้วย”
“ทีมของผมได้รับมอบหมายให้สร้างต้นแบบถังแรงดันที่สามารถใช้งานได้ แต่ไม่ใช่เพราะปัญหาเรื่องบรรจุภัณฑ์ที่ถังทรงกระบอกจะก่อให้เกิด” เขาอธิบาย “ถังที่แบนกว่าจะต้านทานลมได้น้อยกว่า ดังนั้นคุณจะได้ประสิทธิภาพการบินที่ดีกว่า” ขนาดถังโดยประมาณ 830 x 350 x 173 มม.
ถังที่เป็นไปตามมาตรฐาน AFP เทอร์โมพลาสติกทั้งหมด สำหรับโครงการ HyDDen ทีม LCC ที่ TUM ได้เริ่มต้นศึกษาแนวทางที่คล้ายกับที่ Glace (ด้านบน) ใช้ แต่ต่อมาได้เปลี่ยนมาใช้วิธีการผสมผสานโมดูลโครงสร้างหลายแบบ ซึ่งต่อมาก็ถูกใช้งานมากเกินไปโดยใช้ AFP (ด้านล่าง) เครดิตภาพ: มหาวิทยาลัยเทคนิคมิวนิก LCC
“แนวคิดหนึ่งคล้ายกับวิธีการของเอลิซาเบธ [ไกลส์]” เยเกอร์กล่าว “คือการใช้เหล็กค้ำยันกับผนังภาชนะเพื่อชดเชยแรงดัดที่สูง อย่างไรก็ตาม แทนที่จะใช้กระบวนการพันเพื่อสร้างถัง เราใช้ AFP ดังนั้นเราจึงคิดที่จะสร้างส่วนแยกต่างหากของภาชนะรับแรงดัน ซึ่งมีชั้นวางติดตั้งไว้แล้ว วิธีนี้ช่วยให้ผมสามารถรวมโมดูลที่ผสานรวมเหล่านี้หลายๆ โมดูลเข้าด้วยกัน แล้วจึงติดฝาปิดปลายเพื่อปิดผนึกทุกอย่างก่อนการพัน AFP ขั้นสุดท้าย”
“เรากำลังพยายามสรุปแนวคิดดังกล่าวให้เสร็จสิ้น” เขากล่าวต่อ “และยังเริ่มทดสอบการเลือกใช้วัสดุ ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งเพื่อให้แน่ใจว่ามีความทนทานต่อการซึมผ่านของก๊าซ H2 ที่จำเป็น ด้วยเหตุนี้ เราใช้วัสดุเทอร์โมพลาสติกเป็นหลัก และกำลังศึกษาว่าวัสดุจะส่งผลต่อพฤติกรรมการซึมผ่านและกระบวนการต่างๆ ในเครื่อง AFP อย่างไร สิ่งสำคัญคือต้องเข้าใจว่ากระบวนการบำบัดจะมีผลหรือไม่ และจำเป็นต้องมีกระบวนการหลังการบำบัดหรือไม่ เรายังต้องการทราบว่ากองวัสดุที่แตกต่างกันจะส่งผลต่อการซึมผ่านของไฮโดรเจนผ่านภาชนะรับความดันหรือไม่”
ถังจะผลิตจากเทอร์โมพลาสติกทั้งหมด และแผ่นพลาสติกจะจัดหาโดย Teijin Carbon Europe GmbH (เมือง Wuppertal ประเทศเยอรมนี) “เราจะใช้วัสดุ PPS [โพลีฟีนิลีนซัลไฟด์], PEEK [โพลีอีเทอร์คีโตน] และ LM PAEK [โพลีอะริลคีโตนที่มีจุดหลอมเหลวต่ำ] ของพวกเขา” Yager กล่าว “จากนั้นจะทำการเปรียบเทียบเพื่อดูว่าวัสดุใดดีที่สุดสำหรับการป้องกันการทะลุทะลวงและการผลิตชิ้นส่วนที่มีประสิทธิภาพดีกว่า” เขาหวังว่าจะเสร็จสิ้นการทดสอบ การสร้างแบบจำลองโครงสร้างและกระบวนการ รวมถึงการสาธิตครั้งแรกภายในปีหน้า
งานวิจัยนี้ดำเนินการภายใต้โมดูล COMET “Polymers4Hydrogen” (รหัส 21647053) ภายใต้โครงการ COMET ของกระทรวงการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ สิ่งแวดล้อม พลังงาน การเคลื่อนที่ นวัตกรรม และเทคโนโลยีแห่งสหพันธรัฐ และกระทรวงเทคโนโลยีดิจิทัลและเศรษฐศาสตร์แห่งสหพันธรัฐ ผู้เขียนขอขอบคุณพันธมิตรที่เข้าร่วมโครงการ ได้แก่ Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL, ออสเตรีย), Montanuniversitaet Leoben (คณะวิศวกรรมศาสตร์และวิทยาศาสตร์พอลิเมอร์, ภาควิชาเคมีของวัสดุพอลิเมอร์, ภาควิชาวัสดุศาสตร์และการทดสอบพอลิเมอร์), มหาวิทยาลัย Tampere (คณะวิศวกรรมศาสตร์วัสดุ) , Peak Technology และ Faurecia ที่มีส่วนร่วมในงานวิจัยนี้ COMET-Modul ได้รับทุนสนับสนุนจากรัฐบาลออสเตรียและรัฐบาลรัฐสติเรีย
แผ่นเสริมแรงล่วงหน้าสำหรับโครงสร้างรับน้ำหนักประกอบด้วยเส้นใยต่อเนื่อง ไม่เพียงแต่จากแก้วเท่านั้น แต่ยังมาจากคาร์บอนและอะรามิดอีกด้วย
มีหลายวิธีในการผลิตชิ้นส่วนคอมโพสิต ดังนั้น การเลือกวิธีการสำหรับชิ้นส่วนแต่ละชิ้นจึงขึ้นอยู่กับวัสดุ การออกแบบ และการใช้งานหรือการใช้งานจริง นี่คือแนวทางการเลือกใช้
Shocker Composites และ R&M International กำลังพัฒนาห่วงโซ่อุปทานเส้นใยคาร์บอนรีไซเคิลที่ทำลายล้างน้อยที่สุด มีต้นทุนต่ำกว่าเส้นใยใหม่ และในที่สุดจะมีความยาวที่ใกล้เคียงกับเส้นใยต่อเนื่องในคุณสมบัติเชิงโครงสร้าง