Ang mga karaniwang flat-platform tank para sa mga BEV at FCEV ay gumagamit ng thermoplastic at thermoset composites na may skeleton construction na nagbibigay ng 25% na mas maraming H2 storage. #hydrogen #trends
Matapos maipakita ng isang pakikipagtulungan sa BMW na ang isang cubic tank ay maaaring maghatid ng mas mataas na volumetric efficiency kaysa sa maraming maliliit na silindro, sinimulan ng Technical University of Munich ang isang proyekto upang bumuo ng isang composite structure at isang scalable manufacturing process para sa serial production. Kredito ng larawan: TU Dresden (itaas) kaliwa), Technical University of Munich, Department of Carbon Composites (LCC)
Ang mga fuel cell electric vehicle (FCEV) na pinapagana ng zero-emission (H2) hydrogen ay nagbibigay ng karagdagang paraan upang makamit ang mga zero environmental target. Ang isang fuel cell passenger car na may H2 engine ay maaaring mapuno sa loob ng 5-7 minuto at may saklaw na 500 km, ngunit sa kasalukuyan ay mas mahal dahil sa mababang dami ng produksyon. Ang isang paraan upang mabawasan ang mga gastos ay ang paggamit ng isang karaniwang plataporma para sa mga modelo ng BEV at FCEV. Sa kasalukuyan, hindi ito posible dahil ang mga Type 4 cylindrical tank na ginagamit upang mag-imbak ng compressed H2 gas (CGH2) sa 700 bar sa mga FCEV ay hindi angkop para sa mga underbody battery compartment na maingat na idinisenyo para sa mga electric vehicle. Gayunpaman, ang mga pressure vessel sa anyo ng mga unan at cube ay maaaring magkasya sa patag na espasyo ng packaging na ito.
Patent US5577630A para sa “Composite Conformal Pressure Vessel”, aplikasyon na inihain ng Thiokol Corp. noong 1995 (kaliwa) at ang parihabang pressure vessel na pinatentado ng BMW noong 2009 (kanan).
Ang Department of Carbon Composites (LCC) ng Technical University of Munich (TUM, Munich, Germany) ay sangkot sa dalawang proyekto upang paunlarin ang konseptong ito. Ang una ay ang Polymers4Hydrogen (P4H), na pinamumunuan ng Leoben Polymer Competence Center (PCCL, Leoben, Austria). Ang LCC work package ay pinamumunuan ni Fellow Elizabeth Glace.
Ang pangalawang proyekto ay ang Hydrogen Demonstration and Development Environment (HyDDen), kung saan ang LCC ay pinamumunuan ni Researcher Christian Jaeger. Parehong naglalayong lumikha ng isang malawakang demonstrasyon ng proseso ng pagmamanupaktura para sa paggawa ng isang angkop na tangke ng CGH2 gamit ang mga carbon fiber composites.
Limitado ang volumetric efficiency kapag ang mga silindro na may maliliit na diyametro ay naka-install sa mga flat battery cell (kaliwa) at cubic type 2 pressure vessel na gawa sa mga steel liner at isang carbon fiber/epoxy composite outer shell (kanan). Pinagmulan ng Larawan: Ang Mga Larawan 3 at 6 ay mula sa “Numerical Design Approach for Type II Pressure Box Vessel with Internal Tension Legs” nina Ruf at Zaremba et al.
Gumawa ang P4H ng isang experimental cube tank na gumagamit ng thermoplastic frame na may composite tension straps/struts na nakabalot sa carbon fiber reinforced epoxy. Gagamit ang HyDDen ng katulad na disenyo, ngunit gagamit ng automatic fiber layup (AFP) sa paggawa ng lahat ng thermoplastic composite tank.
Mula sa isang aplikasyon ng patente ng Thiokol Corp. hanggang sa "Composite Conformal Pressure Vessel" noong 1995 hanggang sa German Patent DE19749950C2 noong 1997, ang mga compressed gas vessel ay "maaaring magkaroon ng anumang geometric configuration", ngunit lalo na ang mga patag at irregular na hugis, sa isang cavity na konektado sa shell support. Ang mga elemento ay ginagamit upang mapaglabanan nila ang puwersa ng paglawak ng gas.
Isang papel ng Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) noong 2006 ang naglalarawan ng tatlong pamamaraan: isang filament wound conformal pressure vessel, isang microlattice pressure vessel na naglalaman ng internal orthorhombic lattice structure (maliliit na selula na 2 cm o mas mababa), na napapalibutan ng manipis na dingding na lalagyan ng H2, at isang replicator container, na binubuo ng panloob na istraktura na binubuo ng nakadikit na maliliit na bahagi (hal., hexagonal plastic rings) at isang komposisyon ng manipis na panlabas na balat. Ang mga duplicate na lalagyan ay pinakaangkop para sa mas malalaking lalagyan kung saan maaaring mahirap ilapat ang mga tradisyonal na pamamaraan.
Ang Patent DE102009057170A na inihain ng Volkswagen noong 2009 ay naglalarawan ng isang pressure vessel na nakakabit sa sasakyan na magbibigay ng mataas na kahusayan sa bigat habang pinapabuti ang paggamit ng espasyo. Ang mga parihabang tangke ay gumagamit ng mga tension connector sa pagitan ng dalawang parihabang magkabilang dingding, at ang mga sulok ay bilugan.
Ang mga nabanggit at iba pang konsepto ay binanggit ni Gleiss sa papel na “Process Development for Cubic Pressure Vessels with Stretch Bars” nina Gleiss et al. sa ECCM20 (Hunyo 26-30, 2022, Lausanne, Switzerland). Sa artikulong ito, binanggit niya ang isang pag-aaral ng TUM na inilathala nina Michael Roof at Sven Zaremba, na natuklasan na ang isang cubic pressure vessel na may mga tension strut na nagdudugtong sa mga parihabang gilid ay mas mahusay kaysa sa ilang maliliit na silindro na kasya sa espasyo ng isang flat na baterya, na nagbibigay ng humigit-kumulang 25% na mas maraming espasyo sa imbakan.
Ayon kay Gleiss, ang problema sa pag-install ng malaking bilang ng maliliit na type 4 na silindro sa isang patag na lalagyan ay "ang volume sa pagitan ng mga silindro ay lubhang nababawasan at ang sistema ay mayroon ding napakalaking ibabaw na tumatagos ang H2 gas. Sa pangkalahatan, ang sistema ay nagbibigay ng mas kaunting kapasidad sa imbakan kaysa sa mga cubic jar."
Gayunpaman, may iba pang mga problema sa kubiko na disenyo ng tangke. "Malinaw na dahil sa naka-compress na gas, kailangan mong kontrahin ang mga puwersa ng pagbaluktot sa mga patag na dingding," sabi ni Gleiss. "Para dito, kailangan mo ng isang pinatibay na istraktura na kumokonekta sa loob ng mga dingding ng tangke. Ngunit mahirap gawin iyon sa mga composite."
Sinubukan ni Glace at ng kanyang pangkat na isama ang mga reinforcing tension bar sa pressure vessel sa paraang angkop para sa proseso ng filament winding. "Mahalaga ito para sa high-volume production," paliwanag niya, "at nagbibigay-daan din sa amin na idisenyo ang winding pattern ng mga dingding ng container upang ma-optimize ang oryentasyon ng fiber para sa bawat load sa zone."
Apat na hakbang para makagawa ng trial cubic composite tank para sa proyektong P4H. Kredito ng larawan: “Pagbuo ng proseso ng produksyon para sa mga cubic pressure vessel na may brace”, Technical University of Munich, Polymers4Hydrogen project, ECCM20, Hunyo 2022.
Upang makamit ang on-chain, ang pangkat ay bumuo ng isang bagong konsepto na binubuo ng apat na pangunahing hakbang, gaya ng ipinapakita sa itaas. Ang mga tension struts, na ipinapakita sa itim sa mga baitang, ay isang prefabricated frame structure na ginawa gamit ang mga pamamaraang kinuha mula sa proyektong MAI Skelett. Para sa proyektong ito, bumuo ang BMW ng isang windshield frame na "framework" gamit ang apat na fiber-reinforced pultrusion rods, na pagkatapos ay hinulma sa isang plastik na frame.
Ang balangkas ng isang eksperimental na cubic tank. Mga hexagonal skeletal section na 3D printed gamit ang TUM gamit ang unreinforced PLA filament (itaas), na ipinapasok ang CF/PA6 pultrusion rods bilang tension braces (gitna) at pagkatapos ay ibinabalot ang filament sa paligid ng mga braces (ibaba). Kredito ng larawan: Technical University of Munich LCC.
“Ang ideya ay maaari mong buuin ang balangkas ng isang cubic tank bilang isang modular na istraktura,” sabi ni Glace. “Ang mga modyul na ito ay inilalagay sa isang molding tool, ang mga tension struts ay inilalagay sa mga frame module, at pagkatapos ay ginagamit ang pamamaraan ni MAI Skelett sa paligid ng mga struts upang isama ang mga ito sa mga bahagi ng frame.” pamamaraan ng mass production, na nagreresulta sa isang istraktura na pagkatapos ay ginagamit bilang isang mandrel o core upang balutin ang composite shell ng storage tank.
Dinisenyo ng TUM ang balangkas ng tangke bilang isang kubiko na "unan" na may matibay na gilid, bilugan na mga sulok, at isang hexagonal na disenyo sa itaas at ibaba kung saan maaaring ipasok at ikabit ang mga tali. Ang mga butas para sa mga rack na ito ay 3D printed din. "Para sa aming unang eksperimental na tangke, nag-3D print kami ng mga hexagonal na seksyon ng frame gamit ang polylactic acid [PLA, isang bio-based thermoplastic] dahil madali at mura ito," sabi ni Glace.
Bumili ang pangkat ng 68 pultruded carbon fiber reinforced polyamide 6 (PA6) rods mula sa SGL Carbon (Meitingen, Germany) para gamitin bilang mga tali. “Upang subukan ang konsepto, hindi kami gumawa ng anumang paghubog,” sabi ni Gleiss, “kundi naglagay lamang ng mga spacer sa isang 3D printed honeycomb core frame at idinikit ang mga ito gamit ang epoxy glue. Pagkatapos ay nagbibigay ito ng mandrel para sa pag-ikot ng tangke.” Binanggit niya na bagama't medyo madaling iikot ang mga rod na ito, may ilang mahahalagang problema na ilalarawan mamaya.
“Sa unang yugto, ang aming layunin ay ipakita ang kakayahang magawa ng disenyo at tukuyin ang mga problema sa konsepto ng produksyon,” paliwanag ni Gleiss. “Kaya ang mga tension strut ay nakausli mula sa panlabas na ibabaw ng istrukturang skeletal, at ikinakabit namin ang mga carbon fiber sa core na ito gamit ang wet filament winding. Pagkatapos nito, sa ikatlong hakbang, binabaluktot namin ang ulo ng bawat tie rod. thermoplastic, kaya gumagamit lang kami ng init upang muling hubugin ang ulo upang ito ay patagin at kumapit sa unang layer ng pambalot. Pagkatapos ay ibinabalot namin muli ang istraktura upang ang patag na thrust head ay geometrically nakapaloob sa loob ng tangke. laminate sa mga dingding.”
Takip na pang-spacer para sa pag-ikot. Gumagamit ang TUM ng mga plastik na takip sa mga dulo ng mga tension rod upang maiwasan ang pagkagusot ng mga hibla habang iniikot ang filament. Kredito ng larawan: Technical University of Munich LCC.
Inulit ni Glace na ang unang tangkeng ito ay isang patunay ng konsepto. "Ang paggamit ng 3D printing at pandikit ay para lamang sa paunang pagsubok at nagbigay sa amin ng ideya ng ilan sa mga problemang aming naranasan. Halimbawa, habang nag-iikot, ang mga filament ay nasabit sa mga dulo ng mga tension rod, na nagdulot ng pagkabasag ng hibla, pinsala sa hibla, at pagbawas ng dami ng hibla upang malabanan ito. Gumamit kami ng ilang plastik na takip bilang mga pantulong sa paggawa na inilagay sa mga poste bago ang unang hakbang sa pag-ikot. Pagkatapos, nang magawa na ang mga panloob na laminate, tinanggal namin ang mga proteksiyon na takip na ito at hinubog muli ang mga dulo ng mga poste bago ang pangwakas na pagbabalot."
Nag-eksperimento ang pangkat sa iba't ibang senaryo ng rekonstruksyon. "Ang mga tumitingin sa paligid ang pinakamahusay na gumagawa," sabi ni Grace. "Gayundin, sa yugto ng prototyping, gumamit kami ng binagong kagamitan sa hinang upang maglagay ng init at muling hubugin ang mga dulo ng tie rod. Sa isang konsepto ng malawakang produksyon, magkakaroon ka ng isang mas malaking kagamitan na maaaring hubugin at buuin ang lahat ng dulo ng mga strut sa isang interior finish laminate nang sabay-sabay. ."
Muling hinubog ang mga ulo ng drawbar. Nag-eksperimento ang TUM sa iba't ibang konsepto at binago ang mga hinang upang ihanay ang mga dulo ng composite ties para sa pagkabit sa laminate sa dingding ng tangke. Kredito ng larawan: “Development of a production process for cubic pressure vessels with brace”, Technical University of Munich, Polymers4Hydrogen project, ECCM20, Hunyo 2022.
Kaya, ang laminate ay pinapagaling pagkatapos ng unang hakbang ng pag-ikot, ang mga poste ay hinuhubog muli, ang TUM ay kumukumpleto sa pangalawang pag-ikot ng mga filament, at pagkatapos ay ang laminate sa dingding ng panlabas na tangke ay pinapagaling sa pangalawang pagkakataon. Pakitandaan na ito ay isang disenyo ng tangke na type 5, na nangangahulugang wala itong plastik na liner bilang harang sa gas. Tingnan ang talakayan sa seksyon ng Mga Susunod na Hakbang sa ibaba.
“Pinaghiwa-hiwalay namin ang unang demo sa mga cross section at iminapa ang magkakaugnay na bahagi,” sabi ni Glace. “Ipinapakita ng close-up na nagkaroon kami ng ilang isyu sa kalidad ng laminate, kung saan ang mga strut head ay hindi nakalapat nang patag sa interior laminate.”
Paglutas ng mga problema sa mga puwang sa pagitan ng laminate ng panloob at panlabas na mga dingding ng tangke. Ang binagong ulo ng tie rod ay lumilikha ng puwang sa pagitan ng una at pangalawang pagliko ng eksperimental na tangke. Kredito ng larawan: Technical University of Munich LCC.
Natapos ang unang tangkeng ito na may sukat na 450 x 290 x 80mm noong nakaraang tag-araw. “Malaki na ang aming nagawang pag-unlad simula noon, ngunit mayroon pa rin kaming puwang sa pagitan ng panloob at panlabas na laminate,” sabi ni Glace. “Kaya sinubukan naming punan ang mga puwang na iyon gamit ang isang malinis at mataas na lagkit na resin. Sa katunayan, pinapabuti nito ang koneksyon sa pagitan ng mga stud at ng laminate, na lubos na nagpapataas ng mekanikal na stress.”
Ipinagpatuloy ng pangkat ang pagbuo ng disenyo at proseso ng tangke, kabilang ang mga solusyon para sa nais na pattern ng paikot-ikot. "Ang mga gilid ng tangke ng pagsubok ay hindi ganap na nakakulot dahil mahirap para sa heometriyang ito na lumikha ng landas ng paikot-ikot," paliwanag ni Glace. "Ang aming unang anggulo ng paikot-ikot ay 75°, ngunit alam namin na maraming circuit ang kailangan upang matugunan ang karga sa pressure vessel na ito. Naghahanap pa rin kami ng solusyon sa problemang ito, ngunit hindi ito madali dahil sa software na kasalukuyang nasa merkado. Maaari itong maging isang kasunod na proyekto."
“Naipakita na namin ang posibilidad ng konsepto ng produksyon na ito,” sabi ni Gleiss, “ngunit kailangan pa naming magtrabaho upang mapabuti ang koneksyon sa pagitan ng laminate at baguhin ang hugis ng mga tie rod. “Panlabas na pagsubok sa isang makinang pangsubok. Kinukuha mo ang mga spacer palabas ng laminate at sinusubok ang mga mekanikal na karga na kayang tiisin ng mga dugtungan na iyon.”
Ang bahaging ito ng proyektong Polymers4Hydrogen ay makukumpleto sa katapusan ng 2023, kung saan inaasahan ni Gleis na makumpleto ang pangalawang tangke ng demonstrasyon. Kapansin-pansin, ang mga disenyo ngayon ay gumagamit ng maayos na pinatibay na thermoplastics sa frame at thermoset composites sa mga dingding ng tangke. Gagamitin ba ang hybrid na pamamaraang ito sa panghuling tangke ng demonstrasyon? "Oo," sabi ni Grace. "Ang aming mga kasosyo sa proyektong Polymers4Hydrogen ay bumubuo ng mga epoxy resin at iba pang mga materyales na composite matrix na may mas mahusay na mga katangian ng hydrogen barrier." Inilista niya ang dalawang kasosyo na nagtatrabaho sa gawaing ito, ang PCCL at ang University of Tampere (Tampere, Finland).
Nagpalitan din ng impormasyon at mga ideya si Gleiss at ang kanyang pangkat kay Jaeger tungkol sa pangalawang proyekto ng HyDDen mula sa LCC conformal composite tank.
“Gagawa kami ng isang conformal composite pressure vessel para sa mga research drone,” sabi ni Jaeger. “Ito ay isang kolaborasyon sa pagitan ng dalawang departamento ng Aerospace and Geodetic Department ng TUM – LCC at ng Department of Helicopter Technology (HT). Ang proyekto ay makukumpleto sa katapusan ng 2024 at kasalukuyan naming tinatapos ang pressure vessel, isang disenyo na mas nakatuon sa aerospace at automotive approach. Pagkatapos ng unang yugto ng konseptong ito, ang susunod na hakbang ay ang pagsasagawa ng detalyadong structural modeling at paghula sa barrier performance ng wall structure.”
“Ang buong ideya ay bumuo ng isang exploratory drone na may hybrid fuel cell at battery propulsion system,” patuloy niya. Gagamitin nito ang baterya kapag may mataas na power load (hal. takeoff at landing) at pagkatapos ay lilipat sa fuel cell kapag light load cruising. “Mayroon nang research drone ang HT team at muling idinisenyo ang powertrain para magamit ang parehong baterya at fuel cell,” sabi ni Yeager. “Bumili rin sila ng tangke ng CGH2 para subukan ang transmission na ito.”
“Ang aking pangkat ay inatasang gumawa ng prototype ng pressure tank na kakasya, ngunit hindi dahil sa mga isyu sa packaging na maaaring idulot ng isang cylindrical tank,” paliwanag niya. “Ang isang patag na tangke ay hindi nag-aalok ng sapat na resistensya sa hangin. Kaya mas mahusay ang performance sa paglipad.” Ang mga sukat ng tangke ay humigit-kumulang 830 x 350 x 173 mm.
Tangkeng ganap na thermoplastic na sumusunod sa AFP. Para sa proyektong HyDDen, unang sinuri ng pangkat ng LCC sa TUM ang isang katulad na pamamaraan sa ginamit ng Glace (sa itaas), ngunit pagkatapos ay lumipat sa isang pamamaraan gamit ang kombinasyon ng ilang mga modyul na istruktura, na pagkatapos ay labis na ginamit gamit ang AFP (sa ibaba). Kredito ng larawan: Technical University of Munich LCC.
“Isang ideya ang katulad ng pamamaraan ni Elisabeth [Gleiss],” sabi ni Yager, “upang maglagay ng mga tension brace sa dingding ng daluyan ng dugo upang mabawi ang mataas na puwersa ng pagbaluktot. Gayunpaman, sa halip na gumamit ng proseso ng pag-ikot upang gawin ang tangke, gumagamit kami ng AFP. Samakatuwid, naisip namin ang paglikha ng isang hiwalay na seksyon ng pressure vessel, kung saan nakapaloob na ang mga rack. Ang pamamaraang ito ay nagbigay-daan sa akin na pagsamahin ang ilan sa mga pinagsamang modyul na ito at pagkatapos ay maglagay ng takip sa dulo upang isara ang lahat bago ang panghuling pag-ikot ng AFP.”
“Sinisikap naming tapusin ang ganitong konsepto,” patuloy niya, “at simulan na ring subukan ang pagpili ng mga materyales, na napakahalaga upang matiyak ang kinakailangang resistensya sa pagtagos ng H2 gas. Para dito, pangunahing gumagamit kami ng mga thermoplastic na materyales at pinag-aaralan namin ang iba't ibang paraan kung paano makakaapekto ang materyal sa pag-uugali at pagproseso ng permeation na ito sa makinang AFP. Mahalagang maunawaan kung magkakaroon ng epekto ang paggamot at kung kinakailangan ang anumang post-processing. Gusto rin naming malaman kung ang iba't ibang stack ay makakaapekto sa pagtagos ng hydrogen sa pamamagitan ng pressure vessel.”
Ang tangke ay ganap na gawa sa thermoplastic at ang mga strip ay isusuplay ng Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Germany). "Gagamitin namin ang kanilang mga materyales na PPS [polyphenylene sulfide], PEEK [polyether ketone] at LM PAEK [low melting polyaryl ketone]," sabi ni Yager. "Pagkatapos ay gagawin ang mga paghahambing upang makita kung alin ang pinakamahusay para sa proteksyon sa pagtagos at paggawa ng mga piyesa na may mas mahusay na pagganap." Umaasa siyang makumpleto ang pagsubok, pagmomodelo ng istruktura at proseso at mga unang demonstrasyon sa susunod na taon.
Isinagawa ang pananaliksik sa loob ng modyul na COMET na “Polymers4Hydrogen” (ID 21647053) sa loob ng programang COMET ng Pederal na Ministri para sa Pagbabago ng Klima, Kapaligiran, Enerhiya, Mobility, Inobasyon at Teknolohiya at ng Pederal na Ministri para sa Digital na Teknolohiya at Ekonomiks. Pinasasalamatan ng mga may-akda ang mga kalahok na kasosyo na Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL, Austria), Montanuniversitaet Leoben (Faculty of Polymer Engineering and Science, Department of Chemistry of Polymer Materials, Department of Materials Science and Polymer Testing), University of Tampere (Faculty of Engineering Materials). ) Science), Peak Technology at Faurecia ay nag-ambag sa pananaliksik na ito. Ang COMET-Modul ay pinondohan ng pamahalaan ng Austria at ng pamahalaan ng estado ng Styria.
Ang mga pre-reinforced sheet para sa mga istrukturang may dalang karga ay naglalaman ng mga tuluy-tuloy na hibla – hindi lamang mula sa salamin, kundi pati na rin mula sa carbon at aramid.
Maraming paraan upang gumawa ng mga composite na bahagi. Samakatuwid, ang pagpili ng paraan para sa isang partikular na bahagi ay depende sa materyal, disenyo ng bahagi, at ang pangwakas na paggamit o aplikasyon. Narito ang isang gabay sa pagpili.
Ang Shocker Composites at R&M International ay bumubuo ng isang recycled carbon fiber supply chain na nagbibigay ng zero slaughter, mas mababang gastos kaysa sa virgin fiber at kalaunan ay mag-aalok ng mga haba na malapit sa continuous fiber sa mga katangiang istruktural.
Oras ng pag-post: Mar-15-2023