BEV'ler ve FCEV'ler için standart düz platformlu tanklar, %25 daha fazla H2 depolama sağlayan iskelet yapılı termoplastik ve termoset kompozitler kullanır.#hidrojen #trendleri
BMW ile yapılan bir işbirliğinin, bir kübik tankın çok sayıda küçük silindirden daha yüksek hacimsel verimlilik sağlayabileceğini göstermesinin ardından, Münih Teknik Üniversitesi, seri üretim için bir kompozit yapı ve ölçeklenebilir bir üretim süreci geliştirmeye yönelik bir proje başlattı.Görüntü kaynak: TU Dresden (üstte) solda), Münih Teknik Üniversitesi, Karbon Kompozitleri Departmanı (LCC)
Sıfır emisyonlu (H2) hidrojenle çalışan yakıt hücreli elektrikli araçlar (FCEV'ler), sıfır çevresel hedeflere ulaşmak için ek araçlar sağlar.H2 motorlu yakıt hücreli bir binek otomobil 5-7 dakikada doldurulabilir ve 500 km menzile sahiptir ancak şu anda düşük üretim hacimleri nedeniyle daha pahalıdır.Maliyetleri azaltmanın bir yolu, BEV ve FCEV modelleri için standart bir platform kullanmaktır.Bu şu anda mümkün değil çünkü FCEV'lerde 700 bar'da sıkıştırılmış H2 gazını (CGH2) depolamak için kullanılan Tip 4 silindirik tanklar, elektrikli araçlar için özenle tasarlanmış gövde altı pil bölmeleri için uygun değil.Ancak yastık ve küp şeklindeki basınçlı kaplar bu düz paketleme alanına sığabilir.
Thiokol Corp. tarafından 1995 yılında yapılan başvuru (solda) ve 2009 yılında BMW tarafından patenti alınan dikdörtgen basınçlı kap (sağda) “Kompozit Uyumlu Basınçlı Kap” için US5577630A patenti.
Münih Teknik Üniversitesi'nin (TUM, Münih, Almanya) Karbon Kompozit Bölümü (LCC) bu konsepti geliştirmek için iki projede yer almaktadır.İlki, Leoben Polymer Competence Center (PCCL, Leoben, Avusturya) liderliğindeki Polymers4Hydrogen (P4H).LCC çalışma paketi, Fellow Elizabeth Glace tarafından yönetilmektedir.
İkinci proje, LCC'nin Araştırmacı Christian Jaeger tarafından yönetildiği Hidrojen Gösterim ve Geliştirme Ortamıdır (HyDDen).Her ikisi de, karbon fiber kompozitler kullanarak uygun bir CGH2 tankı yapmak için üretim sürecinin büyük ölçekli bir gösterimini oluşturmayı amaçlıyor.
Düz pil hücrelerine (solda) ve çelik gömleklerden ve bir karbon fiber/epoksi kompozit dış kabuktan (sağda) yapılmış kübik tip 2 basınçlı kaplara küçük çaplı silindirler takıldığında sınırlı hacimsel verimlilik vardır.Görüntü Kaynağı: Şekil 3 ve 6, Ruf ve Zaremba ve diğerleri tarafından yazılan "İç Germe Ayaklı Tip II Basınçlı Kutu Kap için Sayısal Tasarım Yaklaşımı"ndan alınmıştır.
P4H, karbon fiber takviyeli epoksi ile sarılmış kompozit germe şeritleri/payandaları olan bir termoplastik çerçeve kullanan deneysel bir küp tank üretti.HyDDen benzer bir tasarım kullanacak, ancak tüm termoplastik kompozit tankları üretmek için otomatik elyaf yerleştirme (AFP) kullanacak.
Thiokol Corp.'un 1995'teki "Kompozit Uyumlu Basınçlı Kap" patent başvurusundan 1997'deki Alman Patenti DE19749950C2'ye kadar, sıkıştırılmış gaz kapları, kabuk desteğine bağlı bir boşlukta "herhangi bir geometrik konfigürasyona", ancak özellikle düz ve düzensiz şekillere sahip olabilir. .elemanlar, gazın genleşme kuvvetine dayanabilecek şekilde kullanılır.
2006 Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı (LLNL) makalesinde üç yaklaşım açıklanmaktadır: ince duvarlı bir H2 kabı ile çevrelenmiş bir iç ortorombik kafes yapısı (2 cm veya daha küçük küçük hücreler) içeren bir filaman sargılı uyumlu basınçlı kap, bir mikro kafes basınçlı kap, ve yapıştırılmış küçük parçalardan (örneğin, altıgen plastik halkalar) oluşan bir iç yapı ve ince dış kabuk derisi bileşiminden oluşan bir eşleyici kabı.Yinelenen kaplar, geleneksel yöntemlerin uygulanmasının zor olabileceği daha büyük kaplar için en uygundur.
Volkswagen tarafından 2009 yılında dosyalanan DE102009057170A patenti, alan kullanımını geliştirirken yüksek ağırlık verimliliği sağlayacak araca monteli bir basınçlı kabı tarif eder.Dikdörtgen tanklar, karşılıklı iki dikdörtgen duvar arasında gergi bağlantı elemanları kullanır ve köşeler yuvarlatılmıştır.
Yukarıdaki ve diğer kavramlar, Gleiss tarafından Gleiss ve diğerleri tarafından yazılan "Germe Çubuklu Kübik Basınçlı Kaplar için Süreç Geliştirme" makalesinde alıntılanmıştır.ECCM20'de (26-30 Haziran 2022, Lozan, İsviçre).Bu makalede, Michael Roof ve Sven Zaremba tarafından yayınlanan ve dikdörtgen kenarları birbirine bağlayan gerdirme çubuklarına sahip kübik bir basınçlı kabın düz bir pilin alanına sığan birkaç küçük silindirden daha verimli olduğunu bulan bir TUM çalışmasına atıfta bulunuyor. % Daha.depolama alanı.
Gleiss'e göre, çok sayıda küçük tip 4 silindiri düz bir kasaya takmanın sorunu, "silindirler arasındaki hacmin büyük ölçüde azalması ve sistemin ayrıca çok büyük bir H2 gaz geçiş yüzeyine sahip olmasıdır.Genel olarak, sistem kübik kavanozlardan daha az depolama kapasitesi sağlıyor.”
Ancak tankın kübik tasarımıyla ilgili başka sorunlar da var.Gleiss, "Açıkçası, sıkıştırılmış gaz nedeniyle, düz duvarlardaki bükülme kuvvetlerine karşı koymanız gerekiyor," dedi.“Bunun için, tankın duvarlarına içten bağlanan güçlendirilmiş bir yapıya ihtiyacınız var.Ancak bunu kompozitlerle yapmak zor.”
Glace ve ekibi, güçlendirici gergi çubuklarını filaman sarma işlemine uygun olacak şekilde basınçlı kap içine dahil etmeye çalıştı."Bu, yüksek hacimli üretim için önemlidir," diye açıklıyor, "ve aynı zamanda, bölgedeki her bir yük için fiber yönünü optimize etmek üzere konteyner duvarlarının sarma modelini tasarlamamıza olanak tanıyor."
P4H projesi için bir deneme kübik kompozit tank yapmak için dört adım.Görsel kaynak: "Bantlı kübik basınçlı kaplar için bir üretim sürecinin geliştirilmesi", Münih Teknik Üniversitesi, Polymers4Hydrogen projesi, ECCM20, Haziran 2022.
Ekip, zincir üzerinde başarıya ulaşmak için yukarıda gösterildiği gibi dört ana adımdan oluşan yeni bir konsept geliştirdi.Basamaklarda siyah olarak gösterilen gergi çubukları, MAI Skelett projesinden alınan yöntemler kullanılarak imal edilen prefabrik bir çerçeve yapısıdır.Bu proje için BMW, daha sonra plastik bir çerçeveye kalıplanan dört fiber takviyeli pultrüzyon çubuğu kullanarak bir ön cam çerçevesi "çerçevesi" geliştirdi.
Deneysel bir kübik tankın çerçevesi.Takviyesiz PLA filamanı (üstte) kullanılarak TUM tarafından 3B olarak basılan altıgen iskelet bölümleri, CF/PA6 pultrüzyon çubuklarını germe destekleri olarak yerleştirme (orta) ve ardından filamanı desteklerin etrafına sarma (altta).Resim kredisi: Münih LCC Teknik Üniversitesi.
Glace, "Fikir, kübik bir tankın çerçevesini modüler bir yapı olarak oluşturabilmenizdir," dedi."Bu modüller daha sonra bir kalıp aletine yerleştiriliyor, gergi çubukları çerçeve modüllerine yerleştiriliyor ve ardından desteklerin etrafında MAI Skelett'in yöntemi kullanılarak çerçeve parçalarıyla bütünleştiriliyor."daha sonra depolama tankı kompozit kabuğunu sarmak için bir mandrel veya çekirdek olarak kullanılan bir yapıyla sonuçlanan seri üretim yöntemi.
TUM, tank çerçevesini katı kenarları, yuvarlatılmış köşeleri ve içinden bağların geçirilip takılabileceği üstte ve altta altıgen bir desenle kübik bir "yastık" olarak tasarladı.Bu raflar için delikler de 3 boyutlu olarak basılmıştır.Glace, "İlk deneysel tankımız için, kolay ve ucuz olduğu için polilaktik asit [PLA, biyo-bazlı bir termoplastik] kullanarak altıgen çerçeve kesitlerini 3 boyutlu olarak yazdırdık" dedi.
Ekip, bağ olarak kullanmak üzere SGL Carbon'dan (Meitingen, Almanya) 68 adet pultrude karbon fiber takviyeli poliamid 6 (PA6) çubuk satın aldı."Konsepti test etmek için herhangi bir kalıplama yapmadık," diyor Gleiss, "ancak ara parçaları 3D baskılı petek çekirdek çerçeveye yerleştirip epoksi yapıştırıcıyla yapıştırdık.Bu daha sonra tankı sarmak için bir mandrel sağlar.”Bu çubukların sarılması nispeten kolay olsa da, daha sonra açıklanacak olan bazı önemli problemler olduğunu belirtiyor.
Gleiss, "İlk aşamada amacımız, tasarımın üretilebilirliğini göstermek ve üretim konseptindeki sorunları belirlemekti" dedi."Böylece gergi çubukları iskelet yapısının dış yüzeyinden dışarı çıkıyor ve karbon fiberleri ıslak filaman sargısı kullanarak bu çekirdeğe tutturuyoruz.Bundan sonra üçüncü adımda her bir rotbaşını büküyoruz.termoplastik, bu yüzden kafayı yeniden şekillendirmek için ısıyı kullanıyoruz, böylece düzleşecek ve ilk sargı tabakasına kilitlenecek.Ardından, düz itme kafasının tank içinde geometrik olarak çevrelenmesi için yapıyı tekrar sarmaya devam ediyoruz.duvarlarda laminat.
Sarma için ara parça kapağı.TUM, filament sarımı sırasında liflerin birbirine dolanmasını önlemek için gergi çubuklarının uçlarında plastik kapaklar kullanır.Resim kredisi: Münih LCC Teknik Üniversitesi.
Glace, bu ilk tankın bir konsept kanıtı olduğunu yineledi.“3D baskı ve yapıştırıcı kullanımı sadece ilk deneme amaçlıydı ve karşılaştığımız sorunlardan birkaçı hakkında bize fikir verdi.Örneğin sarım sırasında filamanlar gergi çubuklarının uçlarına yakalanarak liflerin kopmasına, liflerin zarar görmesine ve buna karşı koymak için lif miktarının azalmasına neden oluyordu.ilk sarım aşamasından önce direklerin üzerine yerleştirilen birkaç adet plastik başlığı imalata yardımcı olarak kullandık. Ardından, iç laminatlar yapıldığında bu koruyucu başlıkları çıkardık ve son sarma işleminden önce direklerin uçlarını yeniden şekillendirdik.”
Ekip, çeşitli yeniden yapılandırma senaryoları denedi.Grace, "Etrafına bakanlar en iyi şekilde çalışır" diyor."Ayrıca, prototip oluşturma aşamasında, ısı uygulamak ve rotbaşı uçlarını yeniden şekillendirmek için modifiye edilmiş bir kaynak aleti kullandık.Bir seri üretim konseptinde, payandaların tüm uçlarını aynı anda bir iç kaplama laminatına şekillendirebilen ve oluşturabilen daha büyük bir alete sahip olacaksınız..”
Çeki demiri kafaları yeniden şekillendirildi.TUM, farklı kavramlarla deneyler yaptı ve kaynakları, kompozit bağların uçlarını tank duvarı laminatına tutturmak için hizalayacak şekilde değiştirdi.Görsel kaynak: "Bantlı kübik basınçlı kaplar için bir üretim sürecinin geliştirilmesi", Münih Teknik Üniversitesi, Polymers4Hydrogen projesi, ECCM20, Haziran 2022.
Böylece birinci sarım adımından sonra laminat sertleşir, direkler yeniden şekillendirilir, TUM filamanların ikinci sarımını tamamlar ve ardından dış tank duvarı laminatı ikinci kez sertleşir.Lütfen bunun bir tip 5 tank tasarımı olduğunu, yani gaz bariyeri olarak plastik bir kaplamaya sahip olmadığını unutmayın.Aşağıdaki Sonraki Adımlar bölümündeki tartışmaya bakın.
Glace, "İlk demoyu kesitlere ayırdık ve bağlantılı alanı haritaladık" dedi."Yakından bakıldığında, dikme başlarının iç laminat üzerinde düz durmaması nedeniyle laminatla ilgili bazı kalite sorunlarımız olduğunu gösteriyor."
Tankın iç ve dış duvarlarının laminatı arasındaki boşluklarla ilgili sorunları çözme.Modifiye rot başı, deney tankının birinci ve ikinci dönüşleri arasında bir boşluk oluşturur.Resim kredisi: Münih LCC Teknik Üniversitesi.
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 yüzden bu boşlukları temiz, yüksek viskoziteli bir reçine ile doldurmaya çalıştık.Bu aslında saplamalar ile laminat arasındaki bağlantıyı geliştiriyor ve bu da mekanik gerilimi büyük ölçüde artırıyor.”
Ekip, istenen sarım modeli için çözümler de dahil olmak üzere tank tasarımını ve sürecini geliştirmeye devam etti.Glace, "Bu geometrinin dolambaçlı bir yol oluşturması zor olduğundan, test tankının kenarları tam olarak kıvrılmamıştı," diye açıkladı."İlk sarma açımız 75° idi, ancak bu basınçlı kaptaki yükü karşılamak için birden fazla devreye ihtiyaç olduğunu biliyorduk.Hala bu soruna bir çözüm arıyoruz, ancak şu anda piyasada bulunan yazılımlarla bu kolay değil.Bir devam projesi haline gelebilir.
Gleiss, "Bu üretim konseptinin fizibilitesini gösterdik," diyor, "ancak laminat arasındaki bağlantıyı iyileştirmek ve bağlantı çubuklarını yeniden şekillendirmek için daha fazla çalışmamız gerekiyor."Bir test makinesinde harici testler.Ara parçaları laminattan çekip çıkarıyorsunuz ve bu bağlantıların dayanabileceği mekanik yükleri test ediyorsunuz.”
Polymers4Hydrogen projesinin bu kısmı, Gleis'in ikinci gösteri tankını tamamlamayı umduğu zamana kadar 2023'ün sonunda tamamlanacak.İlginç bir şekilde, günümüz tasarımlarında çerçevelerde düzgün takviyeli termoplastikler ve tank duvarlarında termoset kompozitler kullanılmaktadır.Bu hibrit yaklaşım son gösteri tankında kullanılacak mı?Evet, dedi Grace."Polymers4Hydrogen projesindeki ortaklarımız, daha iyi hidrojen bariyeri özelliklerine sahip epoksi reçineler ve diğer kompozit matris malzemeleri geliştiriyorlar."Bu çalışma üzerinde çalışan iki ortağı, PCCL'yi ve Tampere Üniversitesi'ni (Tampere, Finlandiya) listeler.
Gleiss ve ekibi ayrıca LCC uyumlu kompozit tanktan ikinci HyDDen projesi hakkında Jaeger ile bilgi alışverişinde bulundu ve fikirleri tartıştı.
Jaeger, "Araştırma dronları için uygun bir kompozit basınçlı kap üreteceğiz" diyor.“Bu, TUM - LCC'nin Havacılık ve Uzay ve Jeodezik Departmanının iki departmanı ve Helikopter Teknolojisi Departmanı (HT) arasındaki bir işbirliğidir.Proje 2024 yılı sonunda tamamlanacak ve şu anda basınçlı kabı tamamlama aşamasındayız.daha çok havacılık ve otomotiv yaklaşımına sahip bir tasarım.Bu ilk konsept aşamasından sonra, bir sonraki adım, ayrıntılı yapısal modelleme yapmak ve duvar yapısının bariyer performansını tahmin etmektir.”
"Bütün fikir, hibrit bir yakıt hücresi ve pil tahrik sistemi ile bir keşif uçağı geliştirmek," diye devam etti.Yüksek güçlü yüklerde (örn. kalkış ve iniş) aküyü kullanacak ve daha sonra hafif yükte seyir sırasında yakıt hücresine geçecektir.Yeager, "HT ekibinin zaten bir araştırma uçağı vardı ve güç aktarma organını hem pilleri hem de yakıt hücrelerini kullanacak şekilde yeniden tasarladı" dedi."Ayrıca bu şanzımanı test etmek için bir CGH2 tankı satın aldılar."
"Ekibim, silindirik bir tankın yaratacağı paketleme sorunları nedeniyle uygun olacak bir basınçlı tank prototipi oluşturmakla görevlendirildi" diye açıklıyor."Yassı bir tank, rüzgara karşı o kadar fazla direnç sağlamaz.Böylece daha iyi uçuş performansı elde edersiniz.”Tank boyutları yakl.830x350x173 mm.
Tamamen termoplastik AFP uyumlu tank.HyDDen projesi için, TUM'daki LCC ekibi başlangıçta Glace (yukarıda) tarafından kullanılana benzer bir yaklaşımı araştırdı, ancak daha sonra AFP (aşağıda) kullanılarak aşırı kullanılan birkaç yapısal modülün bir kombinasyonunu kullanan bir yaklaşıma geçti.Resim kredisi: Münih LCC Teknik Üniversitesi.
Yager, "Bir fikir, Elisabeth'in [Gleiss'ın] yaklaşımına benzer," diyor, "yüksek bükülme kuvvetlerini telafi etmek için damar duvarına germe köşebentleri uygulamak.Ancak tankı yapmak için bir sarma işlemi kullanmak yerine AFP kullanıyoruz.Bu nedenle, rafların halihazırda entegre olduğu basınçlı kap için ayrı bir bölüm oluşturmayı düşündük.Bu yaklaşım, bu entegre modüllerden birkaçını birleştirmeme ve ardından son AFP sargısından önce her şeyi mühürlemek 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 makinesinde işlenmesini nasıl etkileyeceği konusunda çeşitli çalışmalar yapıyoruz.Tedavinin bir etkisinin olup olmayacağını ve herhangi bir son işleme gerekip gerekmediğini anlamak önemlidir.Ayrıca, farklı bacaların basınçlı kap boyunca hidrojen geçirgenliğini etkileyip etkilemeyeceğini de bilmek istiyoruz.”
Tank tamamen termoplastikten yapılacak ve şeritler Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Almanya) tarafından sağlanacak.Yager, "PPS [polifenilen sülfür], PEEK [polieter keton] ve LM PAEK [düşük erime noktalı poliaril keton] malzemelerini kullanacağız" dedi."Ardından, penetrasyon koruması ve daha iyi performansa sahip parçalar üretmek için hangisinin en iyi olduğunu görmek için karşılaştırmalar yapılır."Önümüzdeki yıl içinde test, yapısal ve süreç modelleme 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 kapsamında COMET modülü "Polymers4Hydrogen" (ID 21647053) kapsamında gerçekleştirildi..Yazarlar katılımcı ortaklara Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL, Avusturya), Montanuniversitaet Leoben (Polimer Mühendisliği ve Bilimi Fakültesi, Polimer Malzemeler Kimya Bölümü, Malzeme Bilimi ve Polimer Testi Bölümü), Tampere Üniversitesi (Mühendislik Fakültesi) teşekkürlerini sunar. Malzemeler).) Science), Peak Technology ve Faurecia bu araştırma çalışmasına katkıda bulunmuştur.COMET-Modul, Avusturya hükümeti ve Styria eyaleti hükümeti tarafından finanse edilmektedir.
Taşıyıcı yapılar için önceden güçlendirilmiş levhalar, yalnızca camdan değil, aynı zamanda karbon ve aramitten de sürekli lifler içerir.
Kompozit parçalar yapmanın birçok yolu vardır.Bu nedenle, belirli bir parça için yöntem seçimi, malzemeye, parçanın tasarımına ve nihai kullanıma veya uygulamaya bağlı olacaktır.İşte bir seçim kılavuzu.
Shocker Composites ve R&M International, sıfır kesim, sıfır elyaftan daha düşük maliyet sağlayan ve sonunda yapısal özelliklerde sürekli elyafa yaklaşan uzunluklar sunacak olan geri dönüştürülmüş bir karbon elyaf tedarik zinciri geliştiriyor.
Gönderim zamanı: 15 Mart-2023