Các bình chứa hydro dạng phẳng tiêu chuẩn dành cho xe điện (BEV) và xe chạy bằng pin nhiên liệu (FCEV) sử dụng vật liệu composite nhiệt dẻo và nhiệt rắn với cấu trúc khung giúp lưu trữ nhiều hơn 25% hydro. #hydro #xu hướng
Sau khi hợp tác với BMW cho thấy rằng một bình chứa hình khối lập phương có thể mang lại hiệu suất thể tích cao hơn so với nhiều xi lanh nhỏ, Đại học Kỹ thuật Munich đã bắt đầu một dự án để phát triển cấu trúc composite và quy trình sản xuất có thể mở rộng để sản xuất hàng loạt. Ảnh: Đại học Kỹ thuật Dresden (trên cùng bên trái), Đại học Kỹ thuật Munich, Khoa Vật liệu Composite Carbon (LCC)
Xe điện sử dụng pin nhiên liệu (FCEV) chạy bằng hydro không phát thải (H2) cung cấp thêm phương tiện để đạt được mục tiêu môi trường không phát thải. Một chiếc xe hơi chở khách sử dụng 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 sản xuất thấp. Một cách để giảm chi phí là sử dụng nền tảng tiêu chuẩn cho cả mẫu xe điện chạy bằng pin (BEV) và xe điện sử dụng pin nhiên liệu (FCEV). Điều này hiện không thể thực hiện được vì các bình chứa hình trụ loại 4 được sử dụng để lưu trữ 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 hình lập phương có thể vừa vặn vào không gian đóng gói phẳng này.
Bằng sáng chế US5577630A cho “Bình áp suất composite phù hợp”, đơn đăng ký của Thiokol Corp. năm 1995 (bên trái) và bình áp suất hình chữ nhật được BMW cấp bằng sáng chế năm 2009 (bên phải).
Khoa Vật liệu Composite Carbon (LCC) thuộc Đại học Kỹ thuật Munich (TUM, Munich, Đức) tham gia vào hai dự án để 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 của LCC do Nghiên cứu viên Elizabeth Glace phụ trách.
Dự án thứ hai là Môi trường Phát triển và Trình diễn Hydro (HyDDen), do LCC dẫn đầu bởi nhà nghiên cứu Christian Jaeger. Cả hai dự án đều nhằm mục đích tạo ra một mô hình trình diễn quy mô lớn về quy trình sản xuất để chế tạo một bình chứa CGH2 phù hợp bằng vật liệu composite sợi carbon.
Hiệu suất thể tích bị hạn chế khi lắp đặt các xi lanh đường kính nhỏ trong các ngăn pin phẳng (trái) và các bình áp suất hình lập phương loại 2 được làm bằng lớp lót thép và lớp vỏ ngoài bằng vật liệu composite sợi carbon/epoxy (phải). Nguồn ảnh: Hình 3 và 6 được trích từ bài báo “Phương pháp thiết kế số cho bình áp suất hộp loại II có chân căng bên trong” của Ruf và Zaremba et al.
P4H đã chế tạo một bể chứa hình lập phương thử nghiệm sử dụng khung nhựa nhiệt dẻo với các dây/thanh giằng composite được bọc trong epoxy gia cường sợi carbon. HyDDen sẽ sử dụng thiết kế tương tự, nhưng sẽ sử dụng phương pháp xếp lớp sợi tự động (AFP) để sản xuất tất cả các bể chứa composite nhựa nhiệt dẻo.
Từ đơn xin cấp bằng sáng chế của Thiokol Corp. cho "Bình áp suất phù hợp composite" năm 1995 đến bằng sáng chế Đức DE19749950C2 năm 1997, các bình chứa khí nén "có thể có bất kỳ cấu hình hình học nào", nhưng đặc biệt là các hình dạng phẳng và không đều, trong một khoang được kết nối với vỏ. Các phần tử hỗ trợ được sử dụng để 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: một bình áp suất dạng sợi quấn, một bình áp suất vi lưới chứa cấu trúc mạng lưới trực giao bên trong (các ô nhỏ có kích thước 2 cm hoặc nhỏ hơn), được bao quanh bởi một bình chứa H2 thành mỏng, và một bình sao chép, bao gồm một cấu trúc bên trong gồm các bộ phận nhỏ được dán lại với nhau (ví dụ: các vòng nhựa hình lục giác) và một lớp vỏ ngoài mỏng. Bình sao chép phù hợp nhất cho các bình chứa lớn hơn, nơi các phương pháp truyền thống khó áp dụng.
Bằng sáng chế DE102009057170A do Volkswagen nộp năm 2009 mô tả một bình áp suất gắn trên xe, giúp tối ưu hóa trọng lượng đồng thời cải thiện việc sử dụng không gian. Các bình hình chữ nhật sử dụng các khớp nối căng giữa hai vách hình chữ nhật đối diện nhau, và các góc được bo tròn.
Các khái niệm nêu trên và các khái niệm khác được Gleiss trích dẫn trong bài báo “Phát triển quy trình cho các bình áp suất hình lập phương có thanh giằng” của Gleiss và cộng sự tại ECCM20 (26-30 tháng 6 năm 2022, Lausanne, Thụy Sĩ). Trong bài báo này, bà trích dẫn một nghiên cứu của TUM do Michael Roof và Sven Zaremba công bố, cho thấy rằng một bình áp suất hình lập phương với các thanh giằng nối các cạnh hình chữ nhật hiệu quả hơn so với một số hình trụ nhỏ vừa khít vào không gian của một cục pin phẳng, cung cấp không gian lưu trữ nhiều hơn khoảng 25%.
Theo Gleiss, vấn đề khi lắp đặt một số lượng lớn các bình khí loại 4 nhỏ trong một hộp phẳng là “thể tích giữa các bình bị giảm đi 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 ít hơn so với các bình hình lập phương.”
Tuy nhiên, thiết kế hình khối lập phương của bồn chứa lại có những vấn đề khác. “Rõ ràng, do khí nén, bạn cần phải chống lại lực uốn cong tác động lên các bức tường phẳng,” Gleiss nói. “Để làm được điều này, bạn cần một cấu trúc gia cường kết nối bên trong với các bức tường của bồn chứa. Nhưng điều đó rất khó thực hiện với vật liệu composite.”
Glace và nhóm của cô đã cố gắng tích hợp các thanh gia cường chịu lực vào bình áp suất theo cách phù hợp với quy trình quấn sợi. "Điều này rất quan trọng đối với sản xuất số lượng lớn," cô giải thích, "và cũng cho phép chúng tôi thiết kế kiểu quấn của thành bình để tối ưu hóa hướng sợi cho mỗi tải trọng trong khu vực."
Bốn bước để chế tạo một bồn chứa composite hình lập phương thử nghiệm cho dự án P4H. Nguồn ảnh: “Phát triển quy trình sản xuất bình áp suất hình lập phương có thanh giằng”, Đại học Kỹ thuật Munich, dự án Polymers4Hydrogen, ECCM20, tháng 6 năm 2022.
Để đạt được khả năng tích hợp trên dây chuyền sản xuất, nhóm nghiên cứu đã phát triển một khái niệm mới gồm bốn bước chính, như hình minh họa ở trên. Các thanh giằng căng, được thể hiện bằng 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. Đối với dự án này, BMW đã phát triển một "khung" kính chắn gió sử dụng bốn thanh ép đùn gia cường sợi, sau đó được đúc thành khung nhựa.
Khung của một bể chứa hình lập phương thử nghiệm. Các phần khung xương hình lục giác được in 3D bởi TUM sử dụng sợi PLA không gia cường (trên), chèn các thanh kéo sợi CF/PA6 làm thanh giằng chịu lực (giữa) và sau đó quấn sợi xung quanh các thanh giằng (dưới). Nguồn ảnh: Trung tâm Nghiên cứu và Phát triển LCC, Đại học Kỹ thuật Munich.
“Ý tưởng là bạn có thể xây dựng khung của một bể chứa hình lập phương như một cấu trúc mô-đun,” Glace nói. “Các mô-đun này sau đó được đặt trong một khuôn đúc, các thanh giằng được đặt trong các mô-đun khung, và sau đó phương pháp của 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 này tạo ra một cấu trúc sau đó được sử dụng như một trục gá hoặc lõi để bao bọc lớp vỏ composite của bể chứa.
TUM đã thiết kế khung bể chứa dưới dạng một "đệm" hình lập phương với các mặt bên chắc chắn, các góc được bo tròn và có hoa văn hình lục giác ở mặt trên và mặt dưới, cho phép luồn và gắn các dây buộc. Các lỗ cho các giá đỡ này cũng được in 3D. "Đối với bể thử nghiệm ban đầu của chúng tôi, chúng tôi đã in 3D các phần khung hình lục giác bằng axit polylactic [PLA, một loại nhựa nhiệt dẻo sinh học] vì nó dễ làm và rẻ tiền," Glace nói.
Nhóm nghiên cứu đã mua 68 thanh polyamide 6 (PA6) gia cường sợi carbon được sản xuất bằng phương pháp kéo sợi từ công ty SGL Carbon (Meitingen, Đức) để sử dụng làm dây buộc. “Để thử nghiệm ý tưởng này, chúng tôi không thực hiện bất kỳ công đoạn đúc khuôn nào,” Gleiss nói, “mà chỉ đơn giản là chèn các miếng đệm vào khung lõi dạng tổ ong được in 3D và dán chúng bằng keo epoxy. Điều này sau đó tạo ra một trục để quấn quanh thân xe tăng.” Cô 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 tính khả thi về mặt sản xuất của thiết kế và xác định các vấn đề trong khái niệm sản xuất,” Gleiss giải thích. “Vì vậy, các thanh giằng chịu lực nhô ra từ bề mặt ngoài của cấu trúc khung xương, 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. Vì là nhựa nhiệt dẻo, nên chúng tôi chỉ sử dụng nhiệt để định hình lại đầu sao cho nó phẳng và khóa vào lớp quấn đầu tiên. Sau đó, chúng tôi tiến hành quấn cấu trúc một lần nữa sao cho đầu đẩy phẳng được bao bọc về mặt hình học bên trong lớp màng nhiều lớp trên thành bể.”
Nắp đệm để quấn sợi. TUM sử dụng các nắp nhựa ở hai đầu thanh căng để ngăn các sợi bị rối trong quá trình quấn sợi. Nguồn ảnh: Đại học Kỹ thuật Munich LCC.
Glace nhắc lại rằng chiếc bể chứa đầu tiên này chỉ là bản thử nghiệm. “Việc sử dụng in 3D và keo chỉ dành cho thử nghiệm ban đầu và giúp chúng tôi nhận ra một vài vấn đề gặp phải. Ví dụ, trong quá trình quấn sợi, các sợi filament bị mắc kẹt ở đầu các thanh căng, gây ra hiện tượng 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 dụng cụ hỗ trợ sản xuất, được đặt trên các thanh trước bước quấn sợi đầu tiên. Sau đó, khi các lớp màng bên trong được tạo ra, chúng tôi đã tháo các nắp bảo vệ này và định hình lại các đầu của thanh trước khi quấn sợi cuối cùng.”
Nhóm đã thử nghiệm với nhiều kịch bản tái cấu trúc 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 dụng cụ hàn được sửa đổi để gia nhiệt và định hình lại các đầu thanh giằng. Trong một khái niệm sản xuất hàng loạt, bạn sẽ có một dụng cụ lớn hơn có thể định hình và tạo hình tất cả các đầu của thanh giằng thành một lớp vật liệu composite hoàn thiện bên trong cùng một lúc.”
Đầu thanh kéo được định hình lại. Đại học Kỹ thuật Munich (TUM) đã thử nghiệm với nhiều ý tưởng khác nhau và điều chỉnh các mối hàn để căn chỉnh các đầu của các thanh giằng composite nhằm gắn chúng vào lớp màng nhiều lớp của thành bồn. Nguồn ảnh: “Phát triển quy trình sản xuất bình áp suất hình lập phương có thanh giằng”, Đại học Kỹ thuật Munich, dự án Polymers4Hydrogen, ECCM20, tháng 6 năm 2022.
Như vậy, sau bước quấn sợi đầu tiên, lớp màng được xử lý nhiệt, các trụ được định hình lại, máy TUM hoàn thành việc quấn sợi lần thứ hai, và sau đó lớp màng thành ngoài của bể được xử lý nhiệt lần thứ hai. Xin lưu ý rằng đây là thiết kế bể loại 5, nghĩa là nó không có lớp lót bằng nhựa làm lớp chắn khí. Xem phần thảo luận trong mục Các bước tiếp theo bên dưới.
“Chúng tôi đã cắt mẫu thử đầu tiên thành các mặt cắt ngang và lập bản đồ khu vực kết nối,” Glace nói. “Hình ảnh cận cảnh cho thấy chúng tôi gặp một số vấn đề về chất lượng với lớp vật liệu nhiều lớp, cụ thể là đầu thanh chống không nằm phẳng trên lớp vật liệu nhiều lớp bên trong.”
Giải quyết vấn đề khe hở giữa lớp vật liệu composite của thành trong và thành ngoài của bể chứa. Đầu thanh giằng được 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 một khoảng trống giữa lớp màng bên trong và bên ngoài,” Glace nói. “Vì vậy, chúng tôi đã cố gắng lấp đầy những khoảng trống đó bằng một loại nhựa có độ nhớt cao, sạch sẽ. Điều này thực sự cải thiện sự kết nối giữa các thanh giằng và lớp màng, giúp tăng đáng kể khả năng chịu lực cơ học.”
Nhóm nghiên cứu tiếp tục phát triển thiết kế và quy trình chế tạo bể chứa, bao gồm cả các giải pháp cho kiểu cuộn dây mong muốn. “Các cạnh của bể thử nghiệm không được cuộn hoàn toàn vì hình dạng này khó tạo ra đường cuộn dây,” Glace giải thích. “Góc cuộn dây ban đầu của chúng tôi là 75°, nhưng chúng tôi biết rằng cần nhiều mạch để đáp ứng tải trọng trong bình áp suất này. Chúng tôi vẫn đang tìm kiếm giải pháp cho vấn đề này, nhưng điều đó không dễ dàng với phần mềm hiện có trên thị trường. Nó có thể trở thành một dự án tiếp theo.”
“Chúng tôi đã chứng minh tính khả thi của ý tưởng sản xuất này,” Gleiss nói, “nhưng chúng tôi cần tiếp tục nghiên cứu để cải thiện sự kết nối giữa các lớp vật liệu và định hình lại các thanh giằng. Kiểm tra bên ngoài trên máy thử nghiệm. Bạn kéo các miếng đệm ra khỏi lớp vật liệu 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, thời điểm mà Gleis hy vọng sẽ hoàn thành bể thử nghiệm thứ hai. Điều thú vị là, các thiết kế hiện nay sử dụng nhựa nhiệt dẻo gia cường nguyên chất trong khung và vật liệu composite nhiệt rắn trong thành bể. Liệu phương pháp kết hợp này có được sử dụng trong bể thử nghiệm cuối cùng? “Có,” Grace nói. “Các đối tác của chúng tôi trong dự án Polymers4Hydrogen đang phát triển nhựa epoxy và các vật liệu ma trận composite khác có đặc tính chắn hydro tốt hơn.” Bà liệt kê hai đối tác đang thực hiện công việc này, PCCL và Đại học Tampere (Tampere, Phần Lan).
Gleiss và nhóm của cô cũng đã trao đổi thông tin và thảo luận ý tưởng với Jaeger về dự án HyDDen thứ hai từ bể chứa composite phù hợp LCC.
“Chúng tôi sẽ sản xuất một bình áp suất composite có hình dạng phù hợp cho máy bay không người lái nghiên cứu,” Jaeger nói. “Đây là sự hợp tác giữa hai bộ phận: Bộ phận Hàng không vũ trụ và Trắc địa của TUM – LCC và Bộ phận Công nghệ Trực thăng (HT). Dự án sẽ hoàn thành vào cuối năm 2024 và hiện chúng tôi đang hoàn thiện bình áp suất, một thiết kế theo hướng tiếp cận hàng không vũ trụ và ô tô. Sau giai đoạn thiết kế ban đầu này, bước tiếp theo là thực hiện mô hình hóa cấu trúc chi tiết và dự đoán hiệu suất chắn của cấu trúc thành bình.”
“Toàn bộ ý tưởng là phát triển một máy bay không người lái thăm dò với hệ thống động cơ kết hợp giữa pin nhiên liệu và pin lưu trữ,” ông tiếp tục. Nó sẽ sử dụng pin lưu trữ trong điều kiện tải trọng cao (ví dụ như cất cánh và hạ cánh) và sau đó chuyển sang sử dụng pin nhiên liệu trong điều kiện tải trọng thấp khi bay ở tốc độ ổn định. “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 lưu trữ và pin nhiên liệu,” Yeager nói. “Họ cũng đã mua một xe tăng CGH2 để thử nghiệm hệ thống truyền động này.”
“Nhóm của tôi được giao nhiệm vụ chế tạo một nguyên mẫu bình áp suất sao cho phù hợp, nhưng không phải vì những vấn đề về đóng gói mà một bình hình trụ sẽ gây ra,” anh giải thích. “Một bình hình dẹt hơn sẽ ít bị cản gió hơn. Vì vậy, bạn sẽ có hiệu suất bay tốt hơn.” Kích thước bình xấp xỉ 830 x 350 x 173 mm.
Bồn chứa hoàn toàn bằng nhựa nhiệt dẻo tuân thủ tiêu chuẩn AFP. Đối với dự án HyDDen, nhóm LCC tại TUM ban đầu đã nghiên cứu một phương pháp tương tự như phương pháp được Glace sử dụng (ảnh trên), nhưng sau đó chuyển sang phương pháp sử dụng kết hợp nhiều mô-đun cấu trúc, sau đó được tái sử dụng bằng AFP (ảnh dưới). Nguồn ảnh: Đại học Kỹ thuật Munich LCC.
“Một ý tưởng tương tự như phương pháp của Elisabeth [Gleiss],” Yager nói, “đó là sử dụng các thanh giằng chịu lực cho thành bình để bù lại lực uốn cong lớn. Tuy nhiên, thay vì sử dụng quy trình quấn để tạo ra bình, chúng tôi sử dụng AFP. Do đó, chúng tôi đã nghĩ đến việc tạo ra một phần riêng biệt của bình chịu áp lực, trong đó các giá đỡ đã được tích hợp sẵn. Cách tiếp cận này cho phép tôi kết hợp một số mô-đun tích hợp này và sau đó gắn nắp bịt kín để niêm phong mọi thứ trước khi thực hiện quá trình quấn AFP cuối cùng.”
“Chúng tôi đang cố gắng hoàn thiện ý tưởng này,” ông tiếp tục, “và cũng bắt đầu thử nghiệm việc lựa chọn vật liệu, điều rất quan trọng để đảm bảo khả năng chống thấm khí H2 cần thiết. Vì vậy, chúng tôi chủ yếu sử dụng vật liệu nhiệt dẻo và đang nghiên cứu xem vật liệu sẽ ảnh hưởng như thế nào đến hành vi thấm khí và quá trình xử lý trong máy AFP. Điều quan trọng là phải hiểu liệu quá trình xử lý có tác dụng hay không và liệu có cần xử lý sau đó hay không. Chúng tôi cũng muốn biết liệu các lớp vật liệu khác nhau có ảnh hưởng đến sự thấm khí hydro qua bình áp suất hay không.”
Bồn chứa sẽ được làm hoàn toàn bằng nhựa nhiệt dẻo và các dải vật liệu sẽ do Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Đức) cung cấp. Ông Yager cho biết: “Chúng tôi sẽ sử dụng các vật liệu PPS [polyphenylene sulfide], PEEK [polyether ketone] và LM PAEK [polyaryl ketone nóng chảy thấp] của họ. Sau đó, chúng tôi sẽ tiến hành so sánh để xem loại nào tốt nhất cho khả năng chống xuyên thủng và sản xuất các bộ phận có hiệu suất cao hơn.” Ông hy vọng sẽ hoàn thành việc thử nghiệm, mô hình hóa cấu trúc và quy trình, cũng như các cuộc trình diễn đầu tiên trong vòng một năm tới.
Công trình nghiên cứu này 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, Giao thông, Đổi mới và Công nghệ và Bộ Liên bang về Công nghệ Số và Kinh tế. Các tác giả xin cảm ơn các đối tác tham gia gồm Trung tâm Năng lực Polymer Leoben GmbH (PCCL, Áo), Đại học Montanuniversitaet Leoben (Khoa Kỹ thuật và Khoa học Polymer, Bộ môn Hóa học Vật liệu Polymer, Bộ môn Khoa học Vật liệu và Thử nghiệm Polymer), Đại học Tampere (Khoa học Vật liệu Kỹ thuật), Peak Technology và Faurecia đã đóng góp vào công trình nghiên cứu này. Mô-đun COMET được tài trợ bởi chính phủ Áo và chính phủ bang Styria.
Tấm thép gia cường sẵn dùng cho các công trình 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 bộ phận composite. Do đó, việc lựa chọn phương pháp cho một bộ phận cụ thể sẽ phụ thuộc vào vật liệu, thiết kế của bộ phận và mục đích sử dụng hoặc ứng 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 đến động vật, chi phí thấp hơn so với sợi nguyên chất và cuối cùng sẽ cung cấp các sợi có chiều dài gần bằng sợi liên tục về tính chất cấu trúc.
Thời gian đăng bài: 15 tháng 3 năm 2023