Bình chứa phẳng tiêu chuẩn cho BEV và FCEV sử dụng vật liệu composite nhiệt dẻo và nhiệt rắn với cấu trúc khung giúp lưu trữ H2 nhiều hơn 25%. #hydro #xu hướng
Sau khi hợp tác với BMW cho thấy một bình chứa hình khối có thể mang lại hiệu suất thể tích cao hơn nhiều xi-lanh nhỏ, Đại học Kỹ thuật Munich đã bắt tay vào một dự án phát triển cấu trúc composite và quy trình sản xuất có thể mở rộng để sản xuất hàng loạt. Nguồn ảnh: TU Dresden (trên cùng) bên trái), Đại học Kỹ thuật Munich, Khoa Vật liệu Composite Carbon (LCC)
Xe điện chạy bằng pin nhiên liệu (FCEV) sử dụng hydro không phát thải (H2) cung cấp thêm phương tiện để đạt được mục tiêu không phát thải môi trường. Một chiếc xe chở khách chạy bằng pin nhiên liệu với động cơ H2 có thể được nạp đầy trong 5-7 phút và có phạm vi hoạt động 500 km, nhưng hiện tại giá thành cao hơn do sản lượng thấp. Một cách để giảm chi phí là sử dụng nền tảng tiêu chuẩn cho các mẫu xe BEV và FCEV. Điều này hiện không khả thi vì các bình hình trụ Loại 4 dùng để chứa khí H2 nén (CGH2) ở áp suất 700 bar trong FCEV không phù hợp với khoang chứa pin dưới gầm xe, vốn được thiết kế cẩn thận cho xe điện. Tuy nhiên, các bình chịu áp suất dạng gối và khối lập phương có thể vừa với không gian chứa phẳng này.
Bằng sáng chế US5577630A cho “Bình chịu áp suất hình chữ nhật tổng hợp”, đơn đăng ký của Thiokol Corp. vào năm 1995 (bên trái) và bình chịu áp suất hình chữ nhật được BMW cấp bằng sáng chế vào năm 2009 (bên phải).
Khoa Vật liệu tổng hợp Carbon (LCC) thuộc Đại học Kỹ thuật Munich (TUM, Munich, Đức) đang tham gia vào hai dự án phát triển khái niệm này. Dự án đầu tiên là Polymers4Hydrogen (P4H), do Trung tâm Năng lực Polymer Leoben (PCCL, Leoben, Áo) dẫn đầu. Gói công việc LCC do Nghiên cứu viên Elizabeth Glace dẫn đầu.
Dự án thứ hai là Môi trường Trình diễn và Phát triển Hydro (HyDDen), do Nhà nghiên cứu Christian Jaeger dẫn đầu. Cả hai dự án đều hướng đến việc tạo ra một chương trình trình diễn quy mô lớn về quy trình sản xuất bình chứa CGH2 phù hợp bằng vật liệu composite sợi carbon.
Hiệu suất thể tích bị hạn chế khi lắp đặt các bình chứa có đường kính nhỏ trong các cell pin phẳng (trái) và bình chịu áp suất hình khối loại 2 làm bằng lớp lót thép và vỏ ngoài bằng composite sợi carbon/epoxy (phải). Nguồn hình ảnh: Hình 3 và 6 được trích từ “Phương pháp thiết kế số cho bình chịu áp suất loại II có chân chịu lực bên trong” của Ruf và Zaremba cùng cộng sự.
P4H đã chế tạo một bể chứa hình khối thử nghiệm sử dụng khung nhựa nhiệt dẻo với dây đai/thanh giằng composite được bọc trong nhựa epoxy gia cường sợi carbon. HyDDen sẽ sử dụng thiết kế tương tự, nhưng sẽ sử dụng công nghệ xếp sợi tự động (AFP) để sản xuất tất cả các bể chứa composite nhiệt dẻo.
Từ đơn xin cấp bằng sáng chế của Thiokol Corp. cho “Bình chịu áp suất phù hợp tổng hợp” năm 1995 đến Bằng sáng chế Đức DE19749950C2 năm 1997, bình khí nén “có thể có bất kỳ cấu hình hình học nào”, nhưng đặc biệt là hình dạng phẳng và không đều, trong một khoang được kết nối với giá đỡ vỏ. Các bộ phận được sử dụng sao cho chúng có thể chịu được lực giãn nở của khí.
Một bài báo năm 2006 của Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Livermore (LLNL) mô tả ba phương pháp tiếp cận: bình chịu áp lực dạng sợi quấn, bình chịu áp lực dạng vi mạng chứa cấu trúc mạng trực thoi bên trong (các ô nhỏ 2 cm hoặc nhỏ hơn), được bao quanh bởi một bình chứa H2 thành mỏng, và bình chứa máy nhân bản, bao gồm cấu trúc bên trong gồm các bộ phận nhỏ được dán lại (ví dụ: vòng nhựa lục giác) và lớp vỏ ngoài mỏng. Bình chứa nhân bản phù hợp nhất cho các bình chứa lớn hơn khi các phương pháp truyền thống có thể khó áp dụng.
Bằng sáng chế DE102009057170A do Volkswagen nộp năm 2009 mô tả một bình chịu áp lực gắn trên xe, mang lại hiệu quả cao về trọng lượng đồng thời cải thiện khả năng sử dụng không gian. Bình hình chữ nhật sử dụng các đầu nối căng giữa hai thành hình chữ nhật đối diện, và các góc được bo tròn.
Những khái niệm trên và các khái niệm khác được Gleiss trích dẫn trong bài báo “Phát triển Quy trình cho Bình chịu áp suất khối có thanh căng” của Gleiss và cộng sự tại ECCM20 (26-30 tháng 6 năm 2022, Lausanne, Thụy Sĩ). Trong bài viết này, bà trích dẫn một nghiên cứu của TUM do Michael Roof và Sven Zaremba công bố, cho thấy một bình chịu áp suất khối có thanh giằng căng nối các mặt hình chữ nhật hiệu quả hơn nhiều xi lanh nhỏ nằm gọn trong không gian của một bình ắc quy phẳng, cung cấp thêm khoảng 25% không gian lưu trữ.
Theo Gleiss, vấn đề khi lắp đặt một lượng lớn bình loại 4 nhỏ trong hộp phẳng là “thể tích giữa các bình bị giảm đáng kể và hệ thống cũng có bề mặt thẩm thấu khí H2 rất lớn. Nhìn chung, hệ thống này cung cấp dung tích lưu trữ thấp hơn so với bình khối”.
Tuy nhiên, thiết kế hình khối của bồn chứa còn có những vấn đề khác. "Rõ ràng, do sử dụng khí nén, bạn cần phải chống lại lực uốn trên các thành bồn phẳng", Gleiss nói. "Để làm được điều này, bạn cần một kết cấu gia cố kết nối bên trong với thành bồn. Nhưng điều đó khó thực hiện được với vật liệu composite."
Glace và nhóm của cô đã cố gắng tích hợp các thanh gia cường chịu lực vào bình chịu áp lực theo cách phù hợp với quy trình quấn sợi. "Điều này rất quan trọng đối với sản xuất hàng loạt", cô giải thích, "và cũng cho phép chúng tôi thiết kế kiểu quấn của thành bình chứa để tối ưu hóa hướng sợi cho từng tải trong vùng."
Bốn bước để chế tạo bồn composite khối thử nghiệm cho dự án P4H. Nguồn ảnh: “Phát triển quy trình sản xuất bình chịu áp lực khối có thanh giằng”, Đại học Kỹ thuật Munich, dự án Polymers4Hydrogen, ECCM20, tháng 6 năm 2022.
Để đạt được công nghệ on-chain, nhóm đã phát triển một khái niệm mới bao gồm bốn bước chính, như được hiển thị ở trên. Các thanh giằng căng, được hiển thị màu đen trên các bước, là một cấu trúc khung đúc sẵn được chế tạo bằng các phương pháp lấy từ dự án MAI Skelett. Trong dự án này, BMW đã phát triển một "khung" kính chắn gió sử dụng bốn thanh kéo đùn gia cố sợi, sau đó được đúc thành khung nhựa.
Khung của một bể chứa hình khối thử nghiệm. Các mặt cắt xương lục giác được in 3D bởi TUM bằng sợi PLA không gia cố (trên), chèn các thanh kéo CF/PA6 làm thanh giằng căng (giữa) và sau đó quấn sợi xung quanh các thanh giằng (dưới). Nguồn ảnh: Đại học Kỹ thuật Munich LCC.
“Ý tưởng là bạn có thể xây dựng khung của một bồn chứa hình khối như một cấu trúc mô-đun,” Glace nói. “Các mô-đun này sau đó được đặt vào khuôn đúc, các thanh giằng chịu lực được đặt vào các mô-đun khung, và sau đó phương pháp MAI Skelett được sử dụng xung quanh các thanh giằng để tích hợp chúng với các bộ phận khung.” Phương pháp sản xuất hàng loạt, tạo ra một cấu trúc sau đó được sử dụng làm trục hoặc lõi để bọc vỏ composite của bồn chứa.
TUM thiết kế khung bể theo dạng "đệm" hình khối với các cạnh đặc, các góc bo tròn và họa tiết lục giác ở trên và dưới, qua đó có thể luồn và gắn các dây buộc. Các lỗ cho giá đỡ này cũng được in 3D. "Đối với bể thử nghiệm ban đầu, chúng tôi đã in 3D các phần khung lục giác bằng axit polylactic [PLA, một loại nhựa nhiệt dẻo sinh học] vì nó dễ sử dụng và rẻ tiền", Glace nói.
Nhóm đã mua 68 thanh polyamide 6 (PA6) gia cố bằng sợi carbon kéo đùn từ SGL Carbon (Meitingen, Đức) để sử dụng làm thanh giằng. "Để kiểm tra ý tưởng này, chúng tôi không hề đúc khuôn", Gleiss nói, "mà chỉ đơn giản lắp các miếng đệm vào khung lõi tổ ong in 3D và dán chúng bằng keo epoxy. Sau đó, chúng tôi tạo ra một trục để quấn bình." Bà lưu ý rằng mặc dù các thanh này tương đối dễ quấn, nhưng vẫn có một số vấn đề đáng kể sẽ được mô tả sau.
“Ở giai đoạn đầu, mục tiêu của chúng tôi là chứng minh khả năng sản xuất của thiết kế và xác định các vấn đề trong khái niệm sản xuất,” Gleiss giải thích. “Vì vậy, các thanh giằng căng nhô ra khỏi bề mặt ngoài của cấu trúc khung, và chúng tôi gắn các sợi carbon vào lõi này bằng phương pháp quấn sợi ướt. Sau đó, ở bước thứ ba, chúng tôi uốn cong đầu của mỗi thanh giằng. Chúng tôi chỉ cần sử dụng nhiệt để định hình lại đầu sao cho nó phẳng ra và khóa chặt vào lớp bọc đầu tiên. Sau đó, chúng tôi tiến hành quấn lại cấu trúc sao cho đầu đẩy phẳng được bao bọc về mặt hình học bên trong bể.
Nắp đệm để quấn. TUM sử dụng nắp nhựa ở đầu thanh căng để ngăn sợi bị rối trong quá trình quấn sợi. Nguồn ảnh: Đại học Kỹ thuật Munich LCC.
Glace khẳng định rằng chiếc xe tăng đầu tiên này là một minh chứng cho ý tưởng. “Việc sử dụng in 3D và keo dán chỉ là thử nghiệm ban đầu và đã cho chúng tôi ý tưởng về một vài vấn đề chúng tôi gặp phải. Ví dụ, trong quá trình quấn, các sợi bị kẹt vào đầu thanh căng, gây đứt sợi, hư hỏng sợi và làm giảm lượng sợi để khắc phục điều này. Chúng tôi đã sử dụng một vài nắp nhựa làm vật liệu hỗ trợ sản xuất, được đặt trên các cột trước bước quấn đầu tiên. Sau đó, khi các lớp phủ bên trong được tạo ra, chúng tôi đã tháo các nắp bảo vệ này và định hình lại các đầu cột trước khi quấn cuối cùng.”
Nhóm đã thử nghiệm nhiều kịch bản tái thiết khác nhau. "Những người quan sát xung quanh sẽ làm việc hiệu quả nhất", Grace nói. "Ngoài ra, trong giai đoạn tạo mẫu, chúng tôi đã sử dụng một công cụ hàn đã được cải tiến để tạo nhiệt và định hình lại các đầu thanh giằng. Trong một ý tưởng sản xuất hàng loạt, bạn sẽ có một công cụ lớn hơn có thể định hình và tạo hình tất cả các đầu thanh giằng thành một lớp hoàn thiện nội thất cùng một lúc."
Đầu thanh kéo được định hình lại. TUM đã thử nghiệm các khái niệm khác nhau và điều chỉnh các mối hàn để căn chỉnh các đầu của thanh giằng composite nhằm gắn vào lớp phủ thành bồn. Nguồn ảnh: “Phát triển quy trình sản xuất bình chịu áp lực hình khối có thanh giằng”, Đại học Kỹ thuật Munich, dự án Polymers4Hydrogen, ECCM20, tháng 6 năm 2022.
Do đó, lớp phủ được xử lý sau bước quấn đầu tiên, các trụ được định hình lại, TUM hoàn thành bước quấn sợi thứ hai, và sau đó lớp phủ thành bể ngoài được xử lý lần thứ hai. Xin lưu ý rằng đây là thiết kế bể loại 5, nghĩa là không có lớp lót nhựa làm lớp chắn khí. Xem phần thảo luận trong phần Các bước tiếp theo bên dưới.
“Chúng tôi đã cắt bản demo đầu tiên thành các mặt cắt ngang và lập bản đồ khu vực được kết nối,” Glace nói. “Hình ảnh cận cảnh cho thấy chúng tôi gặp một số vấn đề về chất lượng với lớp gỗ ép, với các đầu thanh chống không nằm phẳng trên lớp gỗ ép bên trong.”
Giải quyết vấn đề khe hở giữa lớp gỗ dán của thành trong và thành ngoài bể chứa. Đầu thanh giằng cải tiến tạo ra khe hở giữa vòng xoắn thứ nhất và thứ hai của bể chứa thử nghiệm. Nguồn ảnh: Đại học Kỹ thuật Munich LCC.
Bể chứa ban đầu có kích thước 450 x 290 x 80mm này đã được hoàn thành vào mùa hè năm ngoái. "Chúng tôi đã đạt được nhiều tiến bộ kể từ đó, nhưng vẫn còn khoảng cách giữa lớp gỗ ép nội thất và ngoại thất", Glace nói. "Vì vậy, chúng tôi đã cố gắng lấp đầy những khoảng trống đó bằng một loại nhựa sạch, có độ nhớt cao. Điều này thực sự cải thiện kết nối giữa các đinh tán và lớp gỗ ép, giúp tăng đáng kể ứng suất cơ học."
Nhóm tiếp tục phát triển thiết kế và quy trình chế tạo bình chứa, bao gồm các giải pháp cho kiểu cuộn mong muốn. "Các cạnh của bình chứa thử nghiệm không được uốn cong hoàn toàn vì hình dạng này khó tạo ra đường cuộn", Glace giải thích. "Góc cuộn ban đầu của chúng tôi là 75°, nhưng chúng tôi biết rằng cần nhiều mạch để đáp ứng tải trọng trong bình chịu áp suất này. Chúng tôi vẫn đang tìm kiếm giải pháp cho vấn đề này, nhưng không dễ dàng với phần mềm hiện có trên thị trường. Đây có thể là một dự án tiếp theo."
“Chúng tôi đã chứng minh được tính khả thi của khái niệm sản xuất này,” Gleiss nói, “nhưng chúng tôi cần phải nỗ lực hơn nữa để cải thiện kết nối giữa tấm laminate và định hình lại các thanh giằng. “Kiểm tra bên ngoài bằng máy kiểm tra. Bạn kéo các miếng đệm ra khỏi tấm laminate và kiểm tra tải trọng cơ học mà các mối nối đó có thể chịu được.”
Phần này của dự án Polymers4Hydrogen sẽ hoàn thành vào cuối năm 2023, và Gleis hy vọng sẽ hoàn thành bể trình diễn thứ hai vào thời điểm đó. Điều thú vị là các thiết kế hiện nay sử dụng nhựa nhiệt dẻo gia cường nguyên khối cho khung và vật liệu composite nhiệt rắn cho thành bể. Liệu phương pháp lai này có được sử dụng trong bể trình diễn cuối cùng không? "Có", Grace nói. "Các đối tác của chúng tôi trong dự án Polymers4Hydrogen đang phát triển nhựa epoxy và các vật liệu nền composite khác có đặc tính cản hydro tốt hơn." Bà liệt kê hai đối tác đang tham gia vào công trình này, PCCL và Đại học Tampere (Tampere, Phần Lan).
Gleiss và nhóm của bà cũng trao đổi thông tin và thảo luận ý tưởng với Jaeger về dự án HyDDen thứ hai từ bể composite bảo vệ LCC.
“Chúng tôi sẽ sản xuất một bình chịu áp lực composite phù hợp cho máy bay không người lái nghiên cứu,” Jaeger cho biết. “Đây là sự hợp tác giữa hai khoa Hàng không Vũ trụ và Trắc địa của TUM – LCC và Khoa Công nghệ Trực thăng (HT). Dự án sẽ hoàn thành vào cuối năm 2024 và hiện chúng tôi đang hoàn thiện bình chịu áp lực. Đây là một thiết kế thiên về hướng hàng không vũ trụ và ô tô. Sau giai đoạn ý tưởng ban đầu này, bước tiếp theo là thực hiện mô hình hóa kết cấu chi tiết và dự đoán hiệu suất chắn của kết cấu tường.”
"Toàn bộ ý tưởng là phát triển một máy bay không người lái thám hiểm với hệ thống đẩy lai giữa pin nhiên liệu và pin điện", ông nói tiếp. Máy bay sẽ sử dụng pin điện trong các tải trọng cao (tức là cất cánh và hạ cánh) và sau đó chuyển sang pin điện trong quá trình bay với tải trọng nhẹ. "Nhóm HT đã có một máy bay không người lái nghiên cứu và đã thiết kế lại hệ thống truyền động để sử dụng cả pin và pin điện", Yeager nói. "Họ cũng đã mua một bình nhiên liệu CGH2 để thử nghiệm hệ truyền động này."
“Nhóm của tôi được giao nhiệm vụ chế tạo một nguyên mẫu bình áp suất vừa vặn, nhưng không phải vì những vấn đề về đóng gói mà bình hình trụ sẽ gây ra,” anh giải thích. “Bình phẳng hơn sẽ ít cản gió hơn. Nhờ đó, hiệu suất bay sẽ tốt hơn.” Kích thước bình khoảng 830 x 350 x 173 mm.
Bể chứa hoàn toàn bằng nhựa nhiệt dẻo, tuân thủ AFP. Đối với dự án HyDDen, nhóm LCC tại TUM ban đầu đã nghiên cứu một phương pháp tương tự như phương pháp của Glace (trên), nhưng sau đó chuyển sang phương pháp kết hợp nhiều mô-đun cấu trúc, rồi lại lạm dụng AFP (dưới). Nguồn ảnh: Đại học Kỹ thuật Munich LCC.
“Một ý tưởng tương tự như phương pháp của Elisabeth [Gleiss],” Yager nói, “là áp dụng các thanh giằng chịu lực vào thành bình để bù cho lực uốn lớn. Tuy nhiên, thay vì sử dụng quy trình quấn để chế tạo bình, chúng tôi sử dụng AFP. Do đó, chúng tôi đã nghĩ đến việc tạo ra một phần riêng biệt của bình chịu áp suất, trong đó các giá đỡ đã được tích hợp sẵn. Phương pháp này cho phép tôi kết hợp một số mô-đun tích hợp này và sau đó áp dụng một nắp cuối để bịt kín mọi thứ trước khi quấn AFP cuối cùng.”
“Chúng tôi đang cố gắng hoàn thiện khái niệm này,” ông nói tiếp, “và cũng đang bắt đầu thử nghiệm việc lựa chọn vật liệu, điều rất quan trọng để đảm bảo khả năng chống thấm khí H2 cần thiết. Để làm được điều này, chúng tôi chủ yếu sử dụng vật liệu nhiệt dẻo và đang nghiên cứu cách vật liệu này ảnh hưởng đến quá trình thẩm thấu và xử lý trong máy AFP. Điều quan trọng là phải hiểu liệu việc xử lý có hiệu quả hay không và có cần xử lý hậu kỳ hay không. Chúng tôi cũng muốn biết liệu các ngăn xếp khác nhau có ảnh hưởng đến quá trình thẩm thấu hydro qua bình chịu áp suất hay không.”
Bể chứa sẽ được làm hoàn toàn bằng nhựa nhiệt dẻo và các dải vật liệu sẽ được cung cấp bởi Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Đức). “Chúng tôi sẽ sử dụng vật liệu PPS [polyphenylene sulfide], PEEK [polyether ketone] và LM PAEK [polyaryl ketone nóng chảy thấp] của họ,” Yager cho biết. “Sau đó, chúng tôi sẽ so sánh để tìm ra loại nào tốt nhất cho khả năng chống thấm và sản xuất các bộ phận có hiệu suất tốt hơn.” Ông hy vọng sẽ hoàn thành thử nghiệm, mô hình hóa cấu trúc và quy trình, cũng như các buổi trình diễn đầu tiên trong năm tới.
Công trình nghiên cứu được thực hiện trong khuôn khổ mô-đun COMET “Polymers4Hydrogen” (ID 21647053) thuộc chương trình COMET của Bộ Liên bang về Biến đổi Khí hậu, Môi trường, Năng lượng, Di động, Đổi mới và Công nghệ và Bộ Liên bang về Công nghệ Kỹ thuật số và Kinh tế. . Các tác giả xin cảm ơn các đối tác tham gia Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL, Áo), Montanuniversitaet Leoben (Khoa Kỹ thuật và Khoa học Polymer, Khoa Hóa học Vật liệu Polymer, Khoa Khoa học Vật liệu và Thử nghiệm Polymer), Đại học Tampere (Khoa Kỹ thuật Vật liệu). ) Science), Peak Technology và Faurecia đã đóng góp vào công trình nghiên cứu này. COMET-Modul được tài trợ bởi chính phủ Áo và chính quyền bang Styria.
Các tấm gia cố trước cho các kết cấu chịu lực chứa các sợi liên tục – không chỉ từ thủy tinh mà còn từ carbon và aramid.
Có nhiều cách để chế tạo các chi tiết composite. Do đó, việc lựa chọn phương pháp cho một chi tiết cụ thể sẽ phụ thuộc vào vật liệu, thiết kế của chi tiết và mục đích sử dụng cuối cùng. Dưới đây là hướng dẫn lựa chọn.
Shocker Composites và R&M International đang phát triển chuỗi cung ứng sợi carbon tái chế không gây hại, chi phí thấp hơn sợi nguyên chất và cuối cùng sẽ cung cấp chiều dài gần bằng sợi liên tục về đặc tính cấu trúc.
Thời gian đăng: 15-03-2023