BEV'ler ve FCEV'ler için standart düz platformlu tanklar, %25 daha fazla H2 depolama sağlayan bir iskelet yapısına sahip termoplastik ve termoset kompozitler kullanır. #hidrojen #trendler
BMW ile yapılan bir iş birliği, kübik bir tankın birden fazla küçük silindirden daha yüksek hacimsel verimlilik sağlayabileceğini gösterdikten sonra, Münih Teknik Üniversitesi, seri üretim için kompozit bir yapı ve ölçeklenebilir bir üretim süreci geliştirmek üzere bir projeye başladı. Görsel kaynağı: TU Dresden (üstte) sol), Münih Teknik Üniversitesi, Karbon Kompozitler Bölümü (LCC)
Sıfır emisyonlu (H2) hidrojenle çalışan yakıt hücreli elektrikli araçlar (FCEV'ler), sıfır çevresel hedeflere ulaşmak için ek araçlar sunar. H2 motorlu bir yakıt hücreli binek otomobil 5-7 dakikada doldurulabilir ve 500 km menzile sahiptir, ancak düşük üretim hacimleri nedeniyle şu anda daha pahalıdır. Maliyetleri düşürmenin bir yolu, BEV ve FCEV modelleri için standart bir platform kullanmaktır. Bu şu anda mümkün değildir çünkü FCEV'lerde 700 bar'da sıkıştırılmış H2 gazı (CGH2) depolamak için kullanılan Tip 4 silindirik tanklar, elektrikli araçlar için özenle tasarlanmış gövde altı akü bölmeleri için uygun değildir. Ancak, yastık ve küp şeklindeki basınçlı kaplar bu düz paketleme alanına sığabilir.
Thiokol Corp. tarafından 1995 yılında yapılan başvuruda “Kompozit Konformal Basınçlı Kap” için US5577630A patenti (solda) ve BMW tarafından 2009 yılında patenti alınan dikdörtgen basınçlı kap (sağda).
Münih Teknik Üniversitesi (TUM, Münih, Almanya) Karbon Kompozitleri Bölümü (LCC), bu konsepti geliştirmek için iki projede yer almaktadır. Bunlardan ilki, Leoben Polimer Yeterlilik Merkezi (PCCL, Leoben, Avusturya) liderliğindeki Polymers4Hydrogen (P4H) projesidir. LCC çalışma paketine Üye Elizabeth Glace liderlik etmektedir.
İkinci proje, LCC'nin Araştırmacı Christian Jaeger liderliğinde yürütüldüğü Hidrojen Gösterim ve Geliştirme Ortamı (HyDDen) projesidir. Her iki proje de, karbon fiber kompozitler kullanılarak uygun bir CGH2 tankının üretim sürecinin geniş ölçekli bir gösterimini oluşturmayı amaçlamaktadır.
Küçük çaplı silindirler düz akü hücrelerine (sol) ve çelik gömleklerden ve karbon fiber/epoksi kompozit dış kabuktan (sağ) yapılmış kübik tip 2 basınçlı kaplara (sağ) takıldığında hacimsel verimlilik sınırlıdır. Görsel Kaynağı: Şekil 3 ve 6, Ruf ve Zaremba ve diğerleri tarafından hazırlanan "Dahili Gerilim Bacaklı Tip II Basınç Kutusu Kabı için Sayısal Tasarım Yaklaşımı" adlı çalışmadan alınmıştır.
P4H, karbon fiber takviyeli epoksi ile sarılmış kompozit gergi kayışları/destekleri olan termoplastik bir çerçeve kullanan deneysel bir küp tank üretti. HyDDen benzer bir tasarım kullanacak, ancak tüm termoplastik kompozit tankları üretmek için otomatik fiber yerleştirme (AFP) yöntemini kullanacak.
Thiokol Corp.'un 1995'te "Kompozit Konformal Basınçlı Kap" için yaptığı patent başvurusundan 1997'de Alman Patenti DE19749950C2'ye kadar, sıkıştırılmış gaz kapları "herhangi bir geometrik konfigürasyona sahip olabilir", ancak özellikle düz ve düzensiz şekillerde, gövde desteğine bağlı bir boşlukta. gazın genleşme kuvvetine dayanabilmeleri için elemanlar kullanılır.
Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı'nın (LLNL) 2006 tarihli bir makalesinde üç yaklaşım açıklanmaktadır: filament sarımlı konformal basınç kabı, içte ortorombik kafes yapısı (2 cm veya daha küçük hücreler) içeren ve ince duvarlı bir H2 kabıyla çevrili bir mikro kafes basınç kabı ve yapıştırılmış küçük parçalardan (örneğin altıgen plastik halkalar) ve ince bir dış kabuk bileşiminden oluşan bir iç yapıdan oluşan bir replikatör kabı. Replikatör kaplar, geleneksel yöntemlerin uygulanmasının zor olabileceği daha büyük kaplar için en uygunudur.
Volkswagen tarafından 2009 yılında başvurulan DE102009057170A patenti, yüksek ağırlık verimliliği sağlarken aynı zamanda alan kullanımını iyileştirecek, araca monteli bir basınç kabını açıklamaktadır. Dikdörtgen tanklar, iki dikdörtgen karşılıklı duvar arasında gerilim bağlantıları kullanır ve köşeleri yuvarlatılmıştır.
Yukarıdaki ve diğer kavramlar, Gleiss tarafından ECCM20'de (26-30 Haziran 2022, Lozan, İsviçre) yayınlanan "Germe Çubuklu Kübik Basınç Kapları için Proses Geliştirme" başlıklı makalede aktarılmıştır. Bu makalede, Michael Roof ve Sven Zaremba tarafından yayınlanan ve dikdörtgen kenarlarını gergi çubuklarıyla birbirine bağlayan kübik bir basınç kabının, düz bir akünün hacmine sığan birkaç küçük silindirden daha verimli olduğunu ve yaklaşık %25 daha fazla depolama alanı sağladığını ortaya koyan bir TUM çalışmasına atıfta bulunmaktadır.
Gleiss'a göre, düz bir kasaya çok sayıda küçük tip 4 silindir yerleştirmenin sorunu, "silindirler arasındaki hacmin büyük ölçüde azalması ve sistemin ayrıca çok büyük bir H2 gazı geçirgenlik yüzeyine sahip olmasıdır. Genel olarak sistem, kübik kavanozlara göre daha az depolama kapasitesi sağlar."
Ancak tankın kübik tasarımında başka sorunlar da var. Gleiss, "Elbette, sıkıştırılmış gaz nedeniyle düz duvarlardaki eğilme kuvvetlerini dengelemeniz gerekiyor," dedi. "Bunun için, tankın duvarlarına içten bağlanan güçlendirilmiş bir yapıya ihtiyacınız var. Ancak kompozit malzemelerde bunu yapmak zor."
Glace ve ekibi, takviye gerilim çubuklarını, filament sarma işlemine uygun bir şekilde basınç kabına entegre etmeye çalıştı. "Bu, yüksek hacimli üretim için önemli," diye açıklıyor ve ekliyor: "Ayrıca, bölgedeki her yük için elyaf yönünü optimize etmek üzere kap duvarlarının sarma düzenini tasarlamamıza da olanak tanıyor."
P4H projesi için deneme amaçlı kübik kompozit tank yapımının dört adımı. Görsel kaynağı: "Dikdörtgenli kübik basınçlı kaplar için bir üretim sürecinin geliştirilmesi", Münih Teknik Üniversitesi, Polymers4Hydrogen projesi, ECCM20, Haziran 2022.
Zincir üstü bağlantıya ulaşmak için ekip, yukarıda gösterildiği gibi dört ana adımdan oluşan yeni bir konsept geliştirdi. Adımlarda siyahla gösterilen gergi destekleri, MAI Skelett projesinden alınan yöntemler kullanılarak üretilen önceden üretilmiş bir çerçeve yapısıdır. BMW, bu proje için dört adet fiber takviyeli pultrüzyon çubuğu kullanarak bir ön cam çerçevesi "çerçevesi" geliştirdi ve bu çubuklar daha sonra plastik bir çerçeveye dönüştürüldü.
Deneysel bir kübik tankın çerçevesi. TUM tarafından takviyesiz PLA filament kullanılarak 3 boyutlu olarak basılmış altıgen iskelet kesitleri (üstte), CF/PA6 pultrüzyon çubuklarının gergi destekleri olarak yerleştirilmesi (ortada) ve ardından filamentin desteklerin etrafına sarılması (altta). Görsel kaynağı: Münih Teknik Üniversitesi LCC.
Glace, "Fikir, kübik bir tankın çerçevesini modüler bir yapı olarak inşa edebilmeniz," dedi. "Bu modüller daha sonra bir kalıplama kalıbına yerleştirilir, gergi destekleri çerçeve modüllerine yerleştirilir ve ardından desteklerin etrafında MAI Skelett yöntemi kullanılarak çerçeve parçalarıyla bütünleştirilir." Seri üretim yöntemiyle üretilen bu yapı, depolama tankının kompozit kabuğunu sarmak için mandrel veya çekirdek olarak kullanılır.
TUM, tank çerçevesini sağlam kenarlara, yuvarlatılmış köşelere ve üst ve alt kısımlarında bağların yerleştirilip bağlanabileceği altıgen desenlere sahip kübik bir "yastık" olarak tasarladı. Bu rafların delikleri de 3D yazıcıyla üretildi. Glace, "İlk deneysel tankımız için, kolay ve ucuz olduğu için polilaktik asit [PLA, biyobazlı bir termoplastik] kullanarak altıgen çerçeve bölümleri 3D yazıcıyla ürettik," dedi.
Ekip, bağ olarak kullanılmak üzere SGL Carbon'dan (Meitingen, Almanya) 68 adet pultrüzyon karbon fiber takviyeli poliamid 6 (PA6) çubuk satın aldı. Gleiss, "Konsepti test etmek için herhangi bir kalıplama yapmadık," diyor, "sadece 3 boyutlu yazdırılmış petek çekirdekli bir çerçeveye ara parçalar yerleştirdik ve epoksi yapıştırıcıyla yapıştırdık. Bu, daha sonra tankı sarmak için bir mandrel görevi görüyor." Bu çubukların sarılmasının nispeten kolay olmasına rağmen, daha sonra açıklanacak bazı önemli sorunlar olduğunu belirtiyor.
Gleiss, "İlk aşamada amacımız, tasarımın üretilebilirliğini göstermek ve üretim konseptindeki sorunları tespit etmekti," diye açıkladı. "Böylece, gergi çubukları iskelet yapısının dış yüzeyinden dışarı çıkıyor ve karbon fiberleri ıslak filaman sarımı kullanarak bu çekirdeğe tutturuyoruz. Ardından, üçüncü adımda, her bir bağlantı çubuğunun başını termoplastik olarak büküyoruz, bu nedenle başı düzleştirmek ve ilk sargı katmanına kilitlenmek için sadece ısı kullanarak yeniden şekillendiriyoruz. Ardından, düz itme başlığı tankın içinde geometrik olarak kapalı kalacak şekilde yapıyı tekrar sarıyoruz. Duvarlardaki laminat.
Sarma için ara parça kapağı. TUM, filament sarma sırasında liflerin birbirine dolanmasını önlemek için gergi çubuklarının uçlarında plastik kapaklar kullanır. Görsel kaynağı: Münih Teknik Üniversitesi (LCC).
Glace, bu ilk tankın bir konsept kanıtı olduğunu yineledi. "3D baskı ve yapıştırıcı kullanımı yalnızca ilk testler içindi ve karşılaştığımız birkaç sorun hakkında bize fikir verdi. Örneğin, sarma sırasında filamentler gergi çubuklarının uçlarına takılıyor, bu da elyaf kopmasına, elyaf hasarına ve buna karşı koymak için kullanılan elyaf miktarının azalmasına neden oluyordu. İlk sarma adımından önce direklere yerleştirilen birkaç plastik kapağı üretim yardımcısı olarak kullandık. Ardından, iç laminasyonlar yapıldığında, bu koruyucu kapakları çıkardık ve son sarma işleminden önce direklerin uçlarını yeniden şekillendirdik."
Ekip çeşitli yeniden yapılandırma senaryoları denedi. Grace, "Etrafına bakanlar en iyi sonucu alır," diyor. "Ayrıca, prototipleme aşamasında, bağlantı çubuğu uçlarını ısıyla şekillendirip yeniden şekillendirmek için modifiye edilmiş bir kaynak aleti kullandık. Seri üretim konseptinde, tüm destek uçlarını aynı anda şekillendirip iç kaplama laminatı haline getirebilen daha büyük bir aletiniz olurdu."
Çekme çubuğu başlıkları yeniden şekillendirildi. TUM, farklı konseptler denedi ve kompozit bağların uçlarını tank duvarı laminatına bağlamak için kaynakları modifiye etti. Görsel kaynağı: "Destekleyicili kübik basınçlı kaplar için bir üretim sürecinin geliştirilmesi", Münih Teknik Üniversitesi, Polymers4Hydrogen projesi, ECCM20, Haziran 2022.
Böylece, laminat ilk sarma adımından sonra kürlenir, direkler yeniden şekillendirilir, TUM filamentlerin ikinci sarımını tamamlar ve ardından dış tank duvarı laminatı ikinci kez kürlenir. Lütfen bunun tip 5 tank tasarımı olduğunu, yani gaz bariyeri olarak plastik bir astar içermediğini unutmayın. Aşağıdaki Sonraki Adımlar bölümündeki tartışmaya bakın.
Glace, "İlk demoyu kesitlere ayırıp bağlı alanı haritalandırdık," dedi. "Yakın çekimde, laminatta bazı kalite sorunları yaşadığımız, destek başlıklarının iç laminat üzerinde düz durmadığı görülüyor."
Tankın iç ve dış duvarlarının laminatları arasındaki boşluklarla ilgili sorunların çözümü. Modifiye edilmiş rot başı, deney tankının birinci ve ikinci dönüşleri arasında bir boşluk oluşturuyor. Görsel kaynağı: Münih Teknik Üniversitesi LCC.
450 x 290 x 80 mm boyutlarındaki bu ilk tank geçen yaz tamamlandı. Glace, "O zamandan beri çok ilerleme kaydettik, ancak iç ve dış laminat arasında hala bir boşluk var," dedi. "Bu boşlukları temiz, yüksek viskoziteli bir reçineyle doldurmaya çalıştık. Bu, aslında saplamalar ile laminat arasındaki bağlantıyı iyileştiriyor ve bu da mekanik stresi büyük ölçüde artırıyor."
Ekip, istenen sarım desenine yönelik çözümler de dahil olmak üzere tank tasarımını ve sürecini geliştirmeye devam etti. Glace, "Test tankının kenarları tam olarak kıvrılmamıştı çünkü bu geometrinin bir sarım yolu oluşturması zordu," diye açıkladı. "İlk sarım açımız 75° idi, ancak bu basınç kabındaki yükü karşılamak için birden fazla devreye ihtiyaç duyulduğunu biliyorduk. Hâlâ bu soruna bir çözüm arıyoruz, ancak şu anda piyasada bulunan yazılımlarla bu kolay değil. Bu bir takip projesi olabilir."
Gleiss, "Bu üretim konseptinin uygulanabilirliğini kanıtladık," diyor, "ancak laminat arasındaki bağlantıyı iyileştirmek ve bağlantı çubuklarını yeniden şekillendirmek için daha fazla çalışmamız gerekiyor. Bir test makinesinde harici test. Ara parçaları laminattan çıkarıp, bu bağlantıların dayanabileceği mekanik yükleri test ediyorsunuz."
Polymers4Hydrogen projesinin bu kısmı 2023 sonunda tamamlanacak ve Gleis bu tarihe kadar ikinci gösteri tankını tamamlamayı umuyor. İlginç bir şekilde, mevcut tasarımlarda çerçevede saf takviyeli termoplastikler ve tank duvarlarında termoset kompozitler kullanılıyor. Bu hibrit yaklaşım son gösteri tankında kullanılacak mı? "Evet," dedi Grace. "Polymers4Hydrogen projesindeki ortaklarımız, daha iyi hidrojen bariyer özelliklerine sahip epoksi reçineler ve diğer kompozit matris malzemeleri geliştiriyor." Bu çalışmada çalışan iki ortağını sıralıyor: PCCL ve Tampere Üniversitesi (Tampere, Finlandiya).
Gleiss ve ekibi ayrıca Jaeger ile LCC konformal kompozit tankından ikinci HyDDen projesi hakkında bilgi alışverişinde bulundu ve fikir alışverişinde bulundu.
Jaeger, "Araştırma dronları için uyumlu bir kompozit basınç kabı üreteceğiz," diyor. "Bu, TUM - LCC Havacılık ve Jeodezi Bölümü ile Helikopter Teknolojisi (HT) Bölümü'nün iki bölümü arasında bir iş birliği. Proje 2024 yılı sonuna kadar tamamlanacak ve şu anda basınç kabını tamamlıyoruz. Daha çok havacılık ve otomotiv odaklı bir tasarım. Bu ilk konsept aşamasından sonraki adım, ayrıntılı yapısal modelleme yapmak ve duvar yapısının bariyer performansını tahmin etmek."
"Asıl fikir, hibrit yakıt hücresi ve batarya tahrik sistemine sahip bir keşif drone'u geliştirmek," diye devam etti. Yüksek güç yüklerinde (yani kalkış ve inişte) bataryayı kullanacak ve ardından hafif yük seyirlerinde yakıt hücresine geçecek. Yeager, "HT ekibinin zaten bir araştırma drone'u vardı ve güç aktarma sistemini hem bataryaları hem de yakıt hücrelerini kullanacak şekilde yeniden tasarladı," dedi. "Ayrıca bu şanzımanı test etmek için bir CGH2 tankı da satın aldılar."
"Ekibime, silindirik bir tankın yaratacağı paketleme sorunları nedeniyle sığacak bir basınç tankı prototipi yapma görevi verildi," diye açıklıyor. "Daha düz bir tank, o kadar fazla rüzgar direnci sağlamaz. Bu sayede daha iyi uçuş performansı elde edersiniz." Tank boyutları yaklaşık 830 x 350 x 173 mm.
Tamamen termoplastik AFP uyumlu tank. HyDDen projesi için TUM'daki LCC ekibi, başlangıçta Glace tarafından kullanılana benzer bir yaklaşımı (yukarıda) araştırdı, ancak daha sonra AFP kullanılarak aşırı kullanılan birkaç yapısal modülün bir kombinasyonunu kullanan bir yaklaşıma geçti (aşağıda). Görsel kaynağı: Münih Teknik Üniversitesi LCC.
Yager, "Bir fikir, Elisabeth [Gleiss'ın] yaklaşımına benziyor," diyor, "yüksek eğilme kuvvetlerini telafi etmek için kap duvarına gerilim destekleri uygulamak. Ancak, tankı yapmak için bir sarma işlemi kullanmak yerine, AFP kullanıyoruz. Bu nedenle, rafların zaten entegre olduğu, basınç kabının ayrı bir bölümünü oluşturmayı düşündük. Bu yaklaşım, bu entegre modüllerden birkaçını birleştirmeme ve ardından son AFP sarma işleminden önce her şeyi sızdırmaz hale getirmek için bir uç kapağı uygulamama olanak sağladı."
"Böyle bir konsepti tamamlamaya çalışıyoruz," diye devam etti, "ve ayrıca H2 gazı penetrasyonuna karşı gerekli direnci sağlamak için çok önemli olan malzeme seçimini test etmeye başlıyoruz. Bunun için ağırlıklı olarak termoplastik malzemeler kullanıyoruz ve malzemenin bu geçirgenlik davranışını ve AFP makinesindeki işleme süreçlerini nasıl etkileyeceği üzerinde çeşitli çalışmalar yürütüyoruz. İşlemin etkili olup olmayacağını ve herhangi bir son işleme gerekip gerekmediğini anlamak önemli. Ayrıca farklı bacaların basınçlı kaptaki hidrojen geçirgenliğini etkileyip etkilemeyeceğini de bilmek istiyoruz."
Tank tamamen termoplastikten üretilecek ve şeritler Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Almanya) tarafından tedarik edilecek. Yager, "PPS [polifenilen sülfür], PEEK [polieter keton] ve LM PAEK [düşük erime noktalı poliaril keton] malzemelerini kullanacağız," dedi. "Daha sonra, penetrasyon koruması ve daha iyi performansa sahip parçalar üretmek için hangisinin en iyi olduğunu görmek üzere karşılaştırmalar yapılacak." Yager, önümüzdeki yıl içinde test, yapısal ve proses modellemesini ve ilk gösterileri tamamlamayı umuyor.
Araştırma çalışması, Federal İklim Değişikliği, Çevre, Enerji, Mobilite, İnovasyon ve Teknoloji Bakanlığı ile Federal Dijital Teknoloji ve Ekonomi Bakanlığı'nın COMET programı kapsamındaki “Polymers4Hydrogen” (ID 21647053) COMET modülü kapsamında yürütülmüştür. Yazarlar, katılımcı ortaklar Polymer Competence Center Leoben GmbH'ye (PCCL, Avusturya), Montanuniversitaet Leoben'e (Polimer Mühendisliği ve Bilimi Fakültesi, Polimer Malzemeler Kimyası Bölümü, Malzeme Bilimi ve Polimer Testleri Bölümü), Tampere Üniversitesi'ne (Malzeme Mühendisliği Fakültesi) teşekkürlerini sunar. ) Bilim), Peak Technology ve Faurecia bu araştırma çalışmasına katkıda bulunmuştur. COMET-Modul, Avusturya hükümeti ve Steiermark eyalet hükümeti tarafından finanse edilmektedir.
Yük taşıyıcı yapılar için önceden güçlendirilmiş levhalar, yalnızca camdan değil, aynı zamanda karbon ve aramidden de oluşan sürekli lifler içerir.
Kompozit parçalar üretmenin birçok yolu vardır. Bu nedenle, belirli bir parça için yöntem seçimi, parçanın malzemesine, tasarımına ve nihai kullanım veya uygulamaya bağlı olacaktır. İşte bir seçim kılavuzu.
Shocker Composites ve R&M International, sıfır atık sağlayan, saf elyaftan daha düşük maliyetli ve yapısal özellikleri sürekli elyafa yaklaşan uzunluklar sunacak geri dönüştürülmüş karbon elyaf tedarik zinciri geliştiriyor.
Gönderi zamanı: 15 Mart 2023