Elektrikli ve yakıt hücreli araçlar için standart düz platformlu tanklar, %25 daha fazla H2 depolama alanı sağlayan 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) solda), Münih Teknik Üniversitesi, Karbon Kompozitleri Bölümü (LCC)
Sıfır emisyonlu (H2) hidrojenle çalışan yakıt hücreli elektrikli araçlar (FCEV'ler), sıfır çevresel hedeflere ulaşmak için ek bir yol sunmaktadır. H2 motorlu bir yakıt hücreli binek otomobil 5-7 dakika içinde 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 basınçta sıkıştırılmış H2 gazı (CGH2) depolamak için kullanılan Tip 4 silindirik tanklar, elektrikli araçlar için özenle tasarlanmış alt gövde batarya bölmelerine uygun değildir. Bununla birlikte, yastık ve küp şeklinde basınçlı kaplar bu düz paketleme alanına sığabilir.
"Kompozit Konformal Basınçlı Kap" için 1995 yılında Thiokol Corp. tarafından yapılan patent başvurusu (solda) ve 2009 yılında BMW tarafından patentlenen 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 Yetkinlik Merkezi (PCCL, Leoben, Avusturya) tarafından yönetilen Polymers4Hydrogen (P4H) projesidir. LCC çalışma paketi, Araştırma Görevlisi Elizabeth Glace tarafından yönetilmektedir.
İkinci proje ise LCC'nin Araştırmacı Christian Jaeger liderliğinde yürüttüğü Hidrojen Gösterim ve Geliştirme Ortamı (HyDDen) projesidir. Her iki proje de karbon fiber kompozitler kullanarak uygun bir CGH2 tankı üretme sürecinin büyük ölçekli bir gösterimini oluşturmayı amaçlamaktadır.
Düz pil hücrelerine (solda) ve çelik astarlı ve karbon fiber/epoksi kompozit dış kabuklu kübik tip 2 basınçlı kaplara (sağda) küçük çaplı silindirler yerleştirildiğinde hacimsel verimlilik sınırlıdır. Görsel Kaynak: Şekil 3 ve 6, Ruf ve Zaremba vd. tarafından yazılan “İç Gerilim Ayaklı Tip II Basınçlı Kutu Kabı için Sayısal Tasarım Yaklaşımı” adlı çalışmadan alınmıştır.
P4H, karbon fiber takviyeli epoksi ile sarılmış kompozit gerilim kayışları/destek çubuklarına sahip termoplastik bir çerçeve kullanan deneysel bir küp tank üretti. HyDDen benzer bir tasarım kullanacak, ancak tüm termoplastik kompozit tankların üretiminde otomatik fiber serim (AFP) yöntemini kullanacak.
Thiokol Corp.'un 1995'te "Kompozit Konformal Basınçlı Kap" için yaptığı patent başvurusundan 1997'de Alman Patenti DE19749950C2'ye kadar, basınçlı gaz kapları "herhangi bir geometrik konfigürasyona" sahip olabilir, ancak özellikle düz ve düzensiz şekillerde olabilirler; gövde desteğine bağlı bir boşlukta, gazın genleşme kuvvetine dayanabilecek şekilde elemanlar kullanılır.
Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı'nın (LLNL) 2006 tarihli bir makalesi üç yaklaşımı tanımlamaktadır: filament sarımlı uyumlu basınçlı kap, iç ortorombik kafes yapısı (2 cm veya daha küçük hücreler) içeren ve ince duvarlı bir H2 kabı ile çevrili mikro kafes basınçlı kap ve yapıştırılmış küçük parçalardan (örneğin, altıgen plastik halkalar) oluşan iç yapı ve ince dış kabuktan oluşan bir replikatör kap. Geleneksel yöntemlerin uygulanmasının zor olabileceği daha büyük kaplar için replikatör kaplar en uygunudur.
Volkswagen tarafından 2009 yılında tescil edilen DE102009057170A numaralı patent, alan kullanımını iyileştirirken yüksek ağırlık verimliliği sağlayacak, araca monte edilebilen bir basınçlı kabı tanımlamaktadır. Dikdörtgen tanklar, iki dikdörtgen karşılıklı duvar arasında gerilim bağlantıları kullanır ve köşeleri yuvarlatılmıştır.
Yukarıda belirtilen ve diğer kavramlar, Gleiss tarafından ECCM20'de (26-30 Haziran 2022, Lozan, İsviçre) sunulan "Gerilme Çubuklu Kübik Basınçlı Kaplar için Proses Geliştirme" başlıklı makalede ele alınmıştır. Bu makalede, Michael Roof ve Sven Zaremba tarafından yayınlanan ve dikdörtgen kenarları birbirine bağlayan gerilme çubuklarına sahip kübik bir basınçlı kabın, düz bir pilin kapladığı alana sığan birkaç küçük silindirden daha verimli olduğunu ve yaklaşık %25 daha fazla depolama alanı sağladığını bulan bir TUM çalışmasına atıfta bulunmaktadır.
Gleiss'e 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 gaz geçirgenlik yüzeyine sahip olmasıdır. Genel olarak, sistem kübik kavanozlara göre daha az depolama kapasitesi sağlar."
Ancak tankın kübik tasarımında başka sorunlar da var. Gleiss, "Açıkçası, sıkıştırılmış gaz nedeniyle düz duvarlardaki eğilme kuvvetlerine karşı koymanız gerekiyor," dedi. "Bunun için, tankın duvarlarına içten bağlanan güçlendirilmiş bir yapıya ihtiyacınız var. Ancak kompozit malzemelerle bunu yapmak zor."
Glace ve ekibi, filament sarma işlemine uygun olacak şekilde basınçlı kaba takviye gerilim çubukları eklemeyi denedi. "Bu, yüksek hacimli üretim için önemlidir," diye açıklıyor Glace, "ve ayrıca, bölgedeki her yük için fiber yönlendirmesini optimize etmek üzere konteyner duvarlarının sarma desenini tasarlamamıza olanak tanır."
P4H projesi için deneme amaçlı kübik kompozit tank yapımının dört adımı. Görsel kaynağı: “Destekli kübik basınçlı kaplar için bir üretim sürecinin geliştirilmesi”, Münih Teknik Üniversitesi, Polymers4Hydrogen projesi, ECCM20, Haziran 2022.
Zincirleme üretim elde etmek için ekip, yukarıda gösterildiği gibi dört ana adımdan oluşan yeni bir konsept geliştirdi. Adımlarda siyah renkte gösterilen gerilim destekleri, MAI Skelett projesinden alınan yöntemler kullanılarak üretilen önceden üretilmiş bir çerçeve yapısıdır. Bu proje için BMW, dört adet fiber takviyeli pultrüzyon çubuğu kullanarak bir ön cam çerçevesi "iskeleti" geliştirdi ve bunlar daha sonra plastik bir çerçeveye kalıplandı.
Deneysel bir kübik tankın iskeleti. Altıgen iskelet bölümleri, takviyesiz PLA filament kullanılarak TUM tarafından 3D yazıcıda basılmıştır (üstte), gerilim destekleri olarak CF/PA6 pultrüzyon çubukları yerleştirilmiştir (ortada) ve ardından filament desteklerin etrafına sarılmıştır (altta). Görsel kaynağı: Münih Teknik Üniversitesi LCC.
Glace, “Fikir şu ki, kübik bir tankın iskeletini modüler bir yapı olarak inşa edebilirsiniz,” dedi. “Bu modüller daha sonra bir kalıplama aletine yerleştirilir, gerilim destekleri iskelet modüllerine yerleştirilir ve ardından MAI Skelett'in yöntemi, destekleri iskelet parçalarıyla entegre etmek için kullanılır.” Bu seri üretim yöntemi, daha sonra depolama tankının kompozit kabuğunu sarmak için bir mandrel veya çekirdek olarak kullanılan bir yapıyla sonuçlanır.
TUM, tank çerçevesini, sağlam kenarları, yuvarlak köşeleri ve üst ve alt kısımlarında bağlama tellerinin takılıp sabitlenebileceği altıgen bir desene sahip kübik bir "yastık" olarak tasarladı. Bu raflar için açılan delikler de 3D yazıcıda üretildi. Glace, "İlk deneysel tankımız için, kolay ve ucuz olduğu için polilaktik asit [PLA, biyolojik bazlı bir termoplastik] kullanarak altıgen çerçeve bölümlerini 3D yazıcıda ürettik" dedi.
Ekip, bağlantı elemanı olarak kullanılmak üzere SGL Carbon'dan (Meitingen, Almanya) 68 adet pultrüzyon yöntemiyle üretilmiş karbon fiber takviyeli poliamid 6 (PA6) çubuk satın aldı. Gleiss, "Konsepti test etmek için herhangi bir kalıplama yapmadık," diyor, "sadece 3 boyutlu yazıcıda üretilmiş petek çekirdek çerçevesine ara parçalar yerleştirdik ve bunları epoksi yapıştırıcıyla yapıştırdık. Bu da tankı sarmak için bir mandrel sağlıyor." Bu çubukların nispeten kolay sarıldığını ancak daha sonra açıklanacak bazı önemli sorunlar olduğunu belirtiyor.
“İlk aşamada amacımız, tasarımın üretilebilirliğini göstermek ve üretim konseptindeki sorunları belirlemekti,” diye açıkladı Gleiss. “Bu nedenle, gerilim destek çubukları iskelet yapısının dış yüzeyinden dışarı çıkıyor ve biz de ıslak filament sarma yöntemiyle karbon fiberleri bu çekirdeğe bağlıyoruz. Daha sonra, üçüncü adımda, her bir bağlantı çubuğunun başını büküyoruz. Termoplastik olduğu için, başı yeniden şekillendirmek ve ilk sargı katmanına kilitlenmesini sağlamak için sadece ısı kullanıyoruz. Ardından, düz itme başlığının tankın içinde geometrik olarak çevrelenmesi için yapıyı tekrar sarıyoruz. Duvarlarda laminat kullanıyoruz.”
Sarma işlemi için ara parça kapağı. TUM, filament sarımı 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 sadece ilk testler içindi ve karşılaştığımız bazı sorunlar hakkında bize fikir verdi. Örneğin, sarım sırasında filamentler gergi çubuklarının uçlarına takılarak lif kırılmasına, lif hasarına neden oldu ve bunu telafi etmek için lif miktarını azalttık. İlk sarım adımından önce direklere yerleştirilen birkaç plastik kapak üretim yardımcısı olarak kullandık. Daha sonra, iç laminatlar yapıldığında, bu koruyucu kapakları çıkardık ve son sarımdan önce direklerin uçlarını yeniden şekillendirdik.”
Ekip çeşitli yeniden yapılandırma senaryolarıyla denemeler yaptı. Grace, "Etrafına bakanlar en iyi sonucu elde eder," diyor. "Ayrıca, prototipleme aşamasında, ısı uygulamak ve rot uçlarını yeniden şekillendirmek için modifiye edilmiş bir kaynak aleti kullandık. Seri üretim konseptinde, tüm destek çubuklarının uçlarını aynı anda iç yüzey kaplama laminatına dönüştürebilen daha büyük bir aletiniz olurdu."
Çeki demiri başlıkları yeniden şekillendirildi. TUM, kompozit bağlantıların uçlarını tank duvarı laminatına bağlamak için farklı konseptler denedi ve kaynakları değiştirdi. Görsel kaynağı: “Destekli kübik basınçlı kaplar için bir üretim sürecinin geliştirilmesi”, Münih Teknik Üniversitesi, Polymers4Hydrogen projesi, ECCM20, Haziran 2022.
Bu nedenle, ilk sarım adımından sonra laminat kürlenir, direkler yeniden şekillendirilir, TUM filamentlerin ikinci sarımını tamamlar ve ardından dış tank duvarı laminatı ikinci kez kürlenir. Lütfen bunun, gaz bariyeri olarak plastik bir astarı olmayan tip 5 tank tasarımı olduğunu unutmayın. Aşağıdaki Sonraki Adımlar bölümündeki açıklamaya bakın.
Glace, "İlk demoyu kesitlere ayırdık ve bağlantılı alanı haritalandırdık," dedi. "Yakından bakıldığında, laminatta bazı kalite sorunları yaşadığımızı, destek başlıklarının iç laminatın üzerine düz bir şekilde oturmadığını görüyoruz."
Tankın iç ve dış duvarlarının laminatları arasındaki boşluklarla ilgili sorunların çözümü. Modifiye edilmiş bağlantı çubuğu başlığı, deney tankının birinci ve ikinci dönüşleri arasında bir boşluk oluşturuyor. Görsel kaynağı: Münih Teknik Üniversitesi LCC.
Bu ilk 450 x 290 x 80 mm'lik tank geçen yaz tamamlandı. Glace, "O zamandan beri çok ilerleme kaydettik, ancak iç ve dış laminat arasında hala bir boşluk var," dedi. "Bu nedenle bu boşlukları temiz, yüksek viskoziteli bir reçine ile doldurmayı denedik. Bu, aslında saplamalar ve laminat arasındaki bağlantıyı iyileştiriyor ve mekanik gerilimi büyük ölçüde artırıyor."
Ekip, istenen sarım deseni için çözümler de dahil olmak üzere tank tasarımını ve sürecini geliştirmeye devam etti. Glace, "Test tankının kenarları tamamen kıvrılmamıştı çünkü bu geometri için bir sarım yolu oluşturmak zordu," diye açıkladı. "İlk sarım açımız 75° idi, ancak bu basınçlı kapta yükü karşılamak için birden fazla devreye ihtiyaç duyulduğunu biliyorduk. Bu soruna bir çözüm aramaya devam ediyoruz, ancak piyasadaki mevcut yazılımlarla bu kolay değil. Bu, bir sonraki proje olabilir."
Gleiss, “Bu üretim konseptinin uygulanabilirliğini gösterdik,” diyor, “ancak laminat arasındaki bağlantıyı iyileştirmek ve bağlantı çubuklarını yeniden şekillendirmek için daha fazla çalışmamız gerekiyor. Bir test makinesinde harici testler yapıyoruz. Ara parçaları laminattan çıkarıp bu bağlantıların dayanabileceği mekanik yükleri test ediyoruz.”
Polymers4Hydrogen projesinin bu kısmı 2023 yılının sonunda tamamlanacak ve Gleis o zamana kadar ikinci gösteri tankını da tamamlamayı umuyor. İlginç bir şekilde, günümüzdeki tasarımlarda çerçevede saf takviyeli termoplastikler, tank duvarlarında ise termoset kompozitler kullanılıyor. Bu hibrit yaklaşım son gösteri tankında da kullanılacak mı? Grace, "Evet," dedi. "Polymers4Hydrogen projesindeki ortaklarımız, daha iyi hidrojen bariyer özelliklerine sahip epoksi reçineler ve diğer kompozit matris malzemeleri geliştiriyorlar." Bu çalışmada yer alan iki ortağı ise PCCL ve Tampere Üniversitesi (Tampere, Finlandiya) olarak sıraladı.
Gleiss ve ekibi ayrıca LCC konformal kompozit tanktan oluşan ikinci HyDDen projesiyle ilgili olarak Jaeger ile bilgi alışverişinde bulundu ve fikir alışverişinde bulundu.
Jaeger, “Araştırma dronları için uyumlu kompozit bir basınçlı kap üreteceğiz,” diyor. “Bu, TUM – LCC Havacılık ve Jeodezi Bölümü ile Helikopter Teknolojisi (HT) Bölümü'nün iki bölümü arasındaki bir iş birliğidir. Proje 2024 yılının sonuna kadar tamamlanacak ve şu anda basınçlı kabın tasarımını tamamlıyoruz. Bu tasarım daha çok havacılık ve otomotiv yaklaşımına benziyor. Bu ilk konsept aşamasından sonraki adım, detaylı yapısal modelleme yapmak ve duvar yapısının bariyer performansını tahmin etmektir.”
“Tüm fikir, hibrit yakıt hücresi ve batarya tahrik sistemine sahip bir keşif dronu geliştirmek,” diye devam etti. Yüksek güç yüklerinde (yani kalkış ve iniş sırasında) bataryayı kullanacak ve ardından düşük yükte seyir halindeyken yakıt hücresine geçecek. Yeager, “HT ekibinin zaten bir araştırma dronu vardı ve güç aktarma sistemini hem batarya hem de yakıt hücrelerini kullanacak şekilde yeniden tasarladılar,” dedi. “Ayrıca bu şanzımanı test etmek için bir CGH2 tankı satın aldılar.”
“Ekibime, silindirik bir tankın yaratacağı ambalaj sorunları nedeniyle değil, sığacak bir basınç tankı prototipi inşa etme görevi verildi,” diye açıklıyor. “Daha düz bir tank, rüzgara karşı o kadar direnç göstermez. Bu nedenle daha iyi uçuş performansı elde edersiniz.” Tankın boyutları yaklaşık 830 x 350 x 173 mm'dir.
Tamamen termoplastik, AFP uyumlu tank. HyDDen projesi için, TUM'daki LCC ekibi başlangıçta Glace tarafından kullanılan yaklaşıma 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]'in yaklaşımına benzer,” diyor, “yüksek eğilme kuvvetlerini dengelemek için tank duvarına gerilim destekleri uygulamak. Ancak, tankı yapmak için sarma işlemi kullanmak yerine AFP kullanıyoruz. Bu nedenle, rafların zaten entegre olduğu basınçlı kabın ayrı bir bölümünü oluşturmayı düşündük. Bu yaklaşım, bu entegre modüllerin birkaçını birleştirmeme ve ardından son AFP sarma işleminden önce her şeyi kapatmak için bir uç kapağı uygulamama olanak sağladı.”
“Böyle bir konsepti nihai hale getirmeye çalışıyoruz,” diye devam etti, “ve ayrıca H2 gazının nüfuzuna karşı gerekli direnci sağlamak için çok önemli olan malzeme seçimini test etmeye başlıyoruz. Bunun için esas olarak termoplastik malzemeler kullanıyoruz ve malzemenin bu geçirgenlik davranışını ve AFP makinesindeki işlemeyi nasıl etkileyeceği üzerinde çalışıyoruz. İşlemin bir etkisi olup olmayacağını ve herhangi bir son işleme gerek olup olmadığını anlamak önemlidir. Ayrıca farklı katmanların basınçlı kap içinden hidrojen geçirgenliğini etkileyip etkilemeyeceğini de bilmek istiyoruz.”
Tank tamamen termoplastikten yapılacak 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, hangisinin penetrasyon koruması ve daha iyi performans gösteren parçalar üretme açısından en iyi olduğunu görmek için karşılaştırmalar yapılacak.” Önümüzdeki yıl içinde testleri, yapısal ve süreç modellemesini ve ilk gösterimleri tamamlamayı umuyor.
Bu araştırma çalışması, Federal İklim Değişikliği, Çevre, Enerji, Hareketlilik, İnovasyon ve Teknoloji Bakanlığı ile Federal Dijital Teknoloji ve Ekonomi Bakanlığı'nın COMET programı kapsamında yer alan “Polimerler4Hidrojen” (ID 21647053) COMET modülü içinde gerçekleştirilmiştir. Yazarlar, katılımcı ortaklar Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL, Avusturya), Montanuniversitaet Leoben (Polimer Mühendisliği ve Bilim Fakültesi, Polimer Malzeme Kimyası Bölümü, Malzeme Bilimi ve Polimer Testi Bölümü), Tampere Üniversitesi (Mühendislik Malzemeleri Fakültesi), Peak Technology ve Faurecia'ya bu araştırma çalışmasına katkılarından dolayı teşekkür ederler. COMET modülü, Avusturya hükümeti ve Styria eyalet hükümeti tarafından finanse edilmektedir.
Yük taşıyıcı yapılar için önceden güçlendirilmiş levhalar, yalnızca camdan değil, aynı zamanda karbon ve aramidden de elde edilen sürekli lifler içerir.
Kompozit parçalar üretmenin birçok yolu vardır. Bu nedenle, belirli bir parça için yöntem seçimi, malzemeye, parçanın tasarımına ve nihai kullanım veya uygulamaya bağlı olacaktır. İşte bir seçim kılavuzu.
Shocker Composites ve R&M International, sıfır hayvan kesimi sağlayan, bakir elyaftan daha düşük maliyetli ve nihayetinde yapısal özellikler açısından sürekli elyafa yaklaşan uzunluklar sunacak geri dönüştürülmüş karbon elyaf tedarik zinciri geliştiriyor.
Yayın tarihi: 15 Mart 2023