Стандартныя плоскія рэзервуары для электрамабіляў і аўтамабіляў з палівальнымі пласцінамі выкарыстоўваюць тэрмапластычныя і тэрмарэактыўныя кампазіты са шкілетнай канструкцыяй, якая забяспечвае на 25% больш захоўвання H2. #вадарод #тэндэнцыі
Пасля таго, як супрацоўніцтва з BMW паказала, што кубічны бак можа забяспечыць больш высокую аб'ёмную эфектыўнасць, чым некалькі невялікіх цыліндраў, Тэхнічны ўніверсітэт Мюнхена пачаў праект па распрацоўцы кампазітнай канструкцыі і маштабаванага вытворчага працэсу для серыйнай вытворчасці. Крыніца выявы: TU Dresden (уверсе злева), Тэхнічны ўніверсітэт Мюнхена, кафедра вугляродных кампазітаў (LCC)
Электрамабілі на паліўных элементах (FCEV), якія працуюць на вадародзе з нулявым узроўнем выкідаў (H2), забяспечваюць дадатковыя сродкі для дасягнення нулявых экалагічных паказчыкаў. Легкавы аўтамабіль на паліўных элементах з рухавіком H2 можна заправіць за 5-7 хвілін і мець запас ходу 500 км, але ў цяперашні час ён даражэйшы з-за нізкіх аб'ёмаў вытворчасці. Адзін са спосабаў зніжэння выдаткаў - выкарыстоўваць стандартную платформу для мадэляў BEV і FCEV. У цяперашні час гэта немагчыма, таму што цыліндрычныя рэзервуары тыпу 4, якія выкарыстоўваюцца для захоўвання сціснутага газападобных вадародаў (CGH2) пад ціскам 700 бар у FCEV, не падыходзяць для акумулятарных адсекаў у ніжняй частцы кузава, якія былі старанна распрацаваны для электрамабіляў. Аднак у гэтую плоскую прастору ўпакоўкі могуць змясціцца сасуды пад ціскам у выглядзе падушак і кубоў.
Патэнт ЗША № 5577630A на «Кампазітны канформны сасуд высокага ціску», заяўка пададзеная кампаніяй Thiokol Corp. у 1995 годзе (злева), і прастакутны сасуд высокага ціску, запатэнтаваны кампаніяй BMW у 2009 годзе (справа).
Кафедра вугляродных кампазітаў (LCC) Мюнхенскага тэхнічнага ўніверсітэта (TUM, Мюнхен, Германія) удзельнічае ў двух праектах па распрацоўцы гэтай канцэпцыі. Першы — Polymers4Hydrogen (P4H), які ўзначальвае Цэнтр кампетэнцый па палімерах Леабена (PCCL, Леабен, Аўстрыя). Працоўны пакет LCC узначальвае стыпендыят Элізабэт Глейс.
Другі праект — гэта Дэманстрацыйна-распрацоўчае асяроддзе па вытворчасці вадароду (HyDDen), дзе LCC узначальвае даследчык Крысціян Егер. Абодва праекты накіраваны на стварэнне маштабнай дэманстрацыі вытворчага працэсу для вырабу адпаведнага рэзервуара CGH2 з выкарыстаннем вугляродных валакністых кампазітаў.
Аб'ёмная эфектыўнасць абмежаваная пры ўсталёўцы цыліндраў малога дыяметра ў плоскія акумулятарныя элементы (злева) і кубічныя сасуды пад ціскам тыпу 2, вырабленыя са сталёвай абалонкі і вонкавай абалонкі з вугляроднага валакна/эпаксіднай смалы (справа). Крыніца выявы: Малюнкі 3 і 6 узяты з працы «Numerical Design Approach for Type II Pressure Box Vessel with Internal Tension Legs» Руфа і Зарэмбы і інш.
Кампанія P4H вырабіла эксперыментальны кубічны рэзервуар, у якім выкарыстоўваецца тэрмапластычная рама з кампазітнымі нацяжнымі рамянямі/стойкамі, абгорнутымі эпаксіднай смалой, узмоцненай вугляродным валакном. HyDDen будзе выкарыстоўваць падобную канструкцыю, але для вытворчасці ўсіх тэрмапластычных кампазітных рэзервуараў будзе выкарыстоўвацца аўтаматычная кладка валакна (AFP).
З патэнтнай заяўкі Thiokol Corp. на «Кампазітны канформны сасуд пад ціскам» у 1995 годзе да нямецкага патэнта DE19749950C2 у 1997 годзе, сасуды для сціснутага газу «могуць мець любую геаметрычную канфігурацыю», але асабліва плоскія і няправільныя формы, у поласці, злучанай з апорай абалонкі. Элементы выкарыстоўваюцца такім чынам, каб яны маглі супрацьстаяць сіле пашырэння газу.
У артыкуле Нацыянальнай лабараторыі імя Лоўрэнса Лівермора (LLNL) 2006 года апісаны тры падыходы: канформны сасуд высокага ціску з ніткападобнай намоткай, мікрарашоткаваты сасуд высокага ціску, які змяшчае ўнутраную артаромбічную рашотчатую структуру (невялікія ячэйкі памерам 2 см або менш), акружаную тонкасценным кантэйнерам з H2, і кантэйнер-рэплікатор, які складаецца з унутранай структуры, якая складаецца з склееных дробных дэталяў (напрыклад, шасцігранных пластыкавых кольцаў) і кампазіцыі з тонкай вонкавай абалонкі. Дублікаты кантэйнераў найлепш падыходзяць для большых кантэйнераў, дзе традыцыйныя метады могуць быць цяжка прымяніць.
Патэнт DE102009057170A, пададзены Volkswagen у 2009 годзе, апісвае ёмістасць пад ціскам, усталяваную на транспартным сродку, якая забяспечвае высокую эфектыўнасць выкарыстання вагі пры адначасовым паляпшэнні выкарыстання прасторы. Прамавугольныя рэзервуары выкарыстоўваюць нацяжныя злучальнікі паміж двума прамавугольнымі процілеглымі сценкамі, а куты закругленыя.
Вышэйзгаданыя і іншыя канцэпцыі цытуюцца Глейс у артыкуле «Распрацоўка працэсаў для кубічных сасудаў пад ціскам з расцяжнымі стрыжнямі», апублікаваным Глейс і інш. на ECCM20 (26-30 чэрвеня 2022 г., Лазана, Швейцарыя). У гэтым артыкуле яна цытуе даследаванне TUM, апублікаванае Майклам Руфам і Свенам Зарэмба, у якім было ўстаноўлена, што кубічны сасуд пад ціскам з расцяжнымі стойкамі, якія злучаюць прастакутныя бакі, больш эфектыўны, чым некалькі невялікіх цыліндраў, якія змяшчаюцца ў прасторы плоскай батарэі, забяспечваючы прыблізна на 25% больш месца для захоўвання.
Паводле слоў Глейса, праблема ўстаноўкі вялікай колькасці невялікіх балонаў тыпу 4 у плоскім корпусе заключаецца ў тым, што «аб'ём паміж балонамі значна памяншаецца, і сістэма таксама мае вельмі вялікую паверхню пранікнення газу H2. У цэлым, сістэма забяспечвае меншую ёмістасць для захоўвання, чым кубічныя слоікі».
Аднак ёсць і іншыя праблемы з кубічнай канструкцыяй рэзервуара. «Відавочна, што з-за сціснутага газу трэба супрацьстаяць сілам выгібу на плоскіх сценках», — сказаў Глейс. «Для гэтага патрэбна ўзмоцненая канструкцыя, якая злучаецца знутры са сценкамі рэзервуара. Але гэта цяжка зрабіць з кампазітамі».
Глейс і яе каманда паспрабавалі ўбудаваць у ёмістасць пад ціскам арматурныя стрыжні расцяжэння такім чынам, каб яны падыходзілі для працэсу намоткі нітак. «Гэта важна для вытворчасці вялікіх аб'ёмаў, — тлумачыць яна, — а таксама дазваляе нам распрацаваць схему намоткі сценак кантэйнера, каб аптымізаваць арыентацыю валокнаў для кожнай нагрузкі ў зоне».
Чатыры крокі для вырабу пробнага кубічнага кампазітнага рэзервуара для праекта P4H. Крыніца выявы: «Распрацоўка вытворчага працэсу для кубічных сасудаў пад ціскам з распоркай», Тэхнічны ўніверсітэт Мюнхена, праект Polymers4Hydrogen, ECCM20, чэрвень 2022 г.
Каб дасягнуць ланцугавой фіксацыі, каманда распрацавала новую канцэпцыю, якая складаецца з чатырох асноўных прыступак, як паказана вышэй. Нацяжныя стойкі, паказаныя чорным колерам на прыступках, уяўляюць сабой зборную рамную канструкцыю, вырабленую з выкарыстаннем метадаў, узятых з праекта MAI Skelett. Для гэтага праекта BMW распрацавала «каркас» рамы лабавога шкла з выкарыстаннем чатырох армаваных валакном прутоў, якія затым былі адліты ў пластыкавую раму.
Каркас эксперыментальнага кубічнага рэзервуара. Шасцігранныя шкілетныя секцыі, надрукаваныя на 3D-прынтары TUM з выкарыстаннем неармаванага PLA-ніткі (уверсе), устаўленыя пултрузійныя стрыжні CF/PA6 у якасці расцяжак (пасярэдзіне), а затым абматаныя ніткай вакол расцяжак (унізе). Крыніца выявы: Тэхнічны ўніверсітэт Мюнхена LCC.
«Ідэя заключаецца ў тым, што можна пабудаваць каркас кубічнага рэзервуара як модульную канструкцыю», — сказаў Глейс. «Затым гэтыя модулі змяшчаюцца ў ліцейную форму, у модулі рамы ўстаўляюцца распоркі нацяжэння, а затым вакол стоек выкарыстоўваецца метад MAI Skelett, каб інтэграваць іх з дэталямі рамы». Гэта метад масавай вытворчасці, у выніку якога атрымліваецца канструкцыя, якая затым выкарыстоўваецца ў якасці апраўкі або стрыжня для абкручвання кампазітнай абалонкі рэзервуара для захоўвання.
Тэхналагічны факультэт тэхнічнага ўніверсітэта (TUM) распрацаваў каркас рэзервуара ў выглядзе кубічнай «падушкі» з суцэльнымі бакамі, закругленымі кутамі і шасцігранным узорам зверху і знізу, праз якія можна ўстаўляць і мацаваць сцяжкі. Адтуліны для гэтых стоек таксама былі надрукаваны на 3D-прынтары. «Для нашага першага эксперыментальнага рэзервуара мы надрукавалі на 3D-прынтары шасцігранныя секцыі рамы з дапамогай полімалочнай кіслаты [PLA, біятэрмапластык], таму што гэта было проста і танна», — сказаў Глейс.
Каманда набыла ў кампаніі SGL Carbon (Майтынген, Германія) 68 пруткоў з поліаміду 6 (PA6), армаванага вугляродным валакном, для выкарыстання ў якасці звязкаў. «Каб праверыць канцэпцыю, мы не рабілі ніякага ліцця», — кажа Глейс, — «а проста ўставілі распоркі ў каркас з сотавай асновай, надрукаваны на 3D-прынтары, і склеілі іх эпаксідным клеем. Затым гэта забяспечвае апраўку для намотвання рэзервуара». Яна адзначае, што, хоць гэтыя пруткі адносна лёгка намотваць, ёсць некаторыя істотныя праблемы, якія будуць апісаны пазней.
«На першым этапе нашай мэтай было прадэманстраваць тэхналагічнасць канструкцыі і выявіць праблемы ў вытворчай канцэпцыі», — растлумачыў Глейс. «Такім чынам, распоркі нацяжэння выступаюць з вонкавай паверхні шкілетнай канструкцыі, і мы прымацоўваем вугляродныя валокны да гэтага стрыжня з дапамогай вільготнай намоткі нітак. Пасля гэтага, на трэцім этапе, мы згінаем галоўку кожнай рулявой штангі. Мы выкарыстоўваем тэрмапласт, таму мы проста выкарыстоўваем цяпло, каб змяніць форму галоўкі, каб яна расплюшчылася і зафіксавалася ў першым пласце абгорткі. Затым мы зноў пачынаем абгортваць канструкцыю, каб плоская ўпорная галоўка была геаметрычна замкнёная ўнутры рэзервуара. ламінат на сценках».
Пракладка для намоткі. TUM выкарыстоўвае пластыкавыя каўпачкі на канцах нацяжных стрыжняў, каб прадухіліць заблытванне валокнаў падчас намоткі нітак. Крыніца выявы: Тэхнічны ўніверсітэт Мюнхена LCC.
Глейс паўтарыў, што гэты першы рэзервуар быў доказам канцэпцыі. «Выкарыстанне 3D-друку і клею было толькі для пачатковага тэставання і дало нам уяўленне аб некаторых праблемах, з якімі мы сутыкнуліся. Напрыклад, падчас намотвання ніткі зачапляліся канцамі нацяжных стрыжняў, што прыводзіла да разрыву валакна, пашкоджання валакна і змяншэння колькасці валакна, каб супрацьстаяць гэтаму. Мы выкарысталі некалькі пластыкавых каўпачкоў у якасці дапаможных вытворчых сродкаў, якія былі размешчаны на слупах перад першым этапам намотвання. Затым, калі ўнутраныя ламінаты былі зроблены, мы знялі гэтыя ахоўныя каўпачкі і змянілі форму канцоў слупоў перад канчатковай абмоткай».
Каманда эксперыментавала з рознымі сцэнарыямі рэканструкцыі. «Тыя, хто прыглядаецца, працуюць лепш за ўсё», — кажа Грэйс. «Акрамя таго, падчас этапу стварэння прататыпа мы выкарыстоўвалі мадыфікаваны зварачны інструмент для падачы цяпла і змены формы наканечнікаў рулявых цяг. У канцэпцыі масавай вытворчасці ў вас быў бы адзін большы інструмент, які можа адначасова фармаваць і фарміраваць усе канцы стоек у ламінат для ўнутранай аздаблення...»
Змененая форма галовак дышла. Тэхнічны ўніверсітэт Мюнхена эксперыментаваў з рознымі канцэпцыямі і змяніў зварныя швы, каб выраўнаваць канцы кампазітных сцяжак для мацавання да ламінаванай сценкі рэзервуара. Крыніца выявы: «Распрацоўка вытворчага працэсу для кубічных сасудаў пад ціскам з расцяжкай», Тэхнічны ўніверсітэт Мюнхена, праект Polymers4Hydrogen, ECCM20, чэрвень 2022 г.
Такім чынам, ламінат вулканізуецца пасля першага этапу намотвання, стойкі перафармуюцца, TUM завяршае другое намотванне нітак, а затым ламінат вонкавай сценкі рэзервуара вулканізуецца другі раз. Звярніце ўвагу, што гэта канструкцыя рэзервуара тыпу 5, гэта значыць, што ў ім няма пластыкавай падкладкі ў якасці газавага бар'ера. Глядзіце абмеркаванне ў раздзеле "Наступныя крокі" ніжэй.
«Мы разрэзалі першую дэманстрацыю на папярочныя разрэзы і склалі карту злучанай зоны», — сказаў Глейс. «Бліжы план паказвае, што ў нас былі некаторыя праблемы з якасцю ламінату, бо галоўкі стоек не ляжалі роўна на ўнутраным ламінаце».
Рашэнне праблем з зазорамі паміж ламінатам унутранай і вонкавай сценак рэзервуара. Мадыфікаваная галоўка цягі стварае зазор паміж першым і другім віткамі эксперыментальнага рэзервуара. Крыніца выявы: Тэхнічны ўніверсітэт Мюнхена LCC.
Гэты першапачатковы бак памерам 450 х 290 х 80 мм быў завершаны мінулым летам. «З таго часу мы дасягнулі вялікага прагрэсу, але паміж унутраным і вонкавым ламінатам усё яшчэ ёсць прамежак», — сказаў Глейс. «Таму мы паспрабавалі запоўніць гэтыя прамежкі чыстай смалой высокай глейкасці. Гэта насамрэч паляпшае злучэнне паміж стойкамі і ламінатам, што значна павялічвае механічнае напружанне».
Каманда працягвала распрацоўваць канструкцыю і працэс рэзервуара, у тым ліку рашэнні для патрэбнай схемы намоткі. «Бакі выпрабавальнага рэзервуара не былі цалкам загнуты, таму што для такой геаметрыі было цяжка стварыць шлях намоткі», — растлумачыў Глейс. «Наш першапачатковы вугал намоткі складаў 75°, але мы ведалі, што для вытрымкі нагрузкі ў гэтым сасуде пад ціскам спатрэбіцца некалькі ланцугоў. Мы ўсё яшчэ шукаем рашэнне гэтай праблемы, але гэта няпроста з праграмным забеспячэннем, якое зараз ёсць на рынку. Гэта можа стаць наступным праектам».
«Мы прадэманстравалі магчымасць гэтай вытворчай канцэпцыі, — кажа Глейс, — але нам трэба далей працаваць над паляпшэннем злучэння паміж ламінатам і змяненнем формы цяг. Знешнія выпрабаванні на выпрабавальнай машыне. Вы выцягваеце распоркі з ламінату і правяраеце механічныя нагрузкі, якія могуць вытрымаць гэтыя злучэнні».
Гэтая частка праекта Polymers4Hydrogen будзе завершана ў канцы 2023 года, і да таго часу Глейс спадзяецца завяршыць другі дэманстрацыйны рэзервуар. Цікава, што сёння ў канструкцыях выкарыстоўваюцца акуратныя ўзмоцненыя тэрмапласты ў каркасе і тэрмарэактыўныя кампазіты ў сценках рэзервуара. Ці будзе гэты гібрыдны падыход выкарыстаны ў канчатковым дэманстрацыйным рэзервуары? «Так», — сказала Грэйс. «Нашы партнёры па праекце Polymers4Hydrogen распрацоўваюць эпаксідныя смалы і іншыя кампазітныя матрычныя матэрыялы з лепшымі ўласцівасцямі вадароднага бар'ера». Яна пералічвае двух партнёраў, якія працуюць над гэтай працай: PCCL і Універсітэт Тамперэ (Тамперэ, Фінляндыя).
Глейс і яе каманда таксама абмяняліся інфармацыяй і абмеркавалі ідэі з Ягерам па другім праекце HyDDen на аснове канформнага кампазітнага рэзервуара LCC.
«Мы будзем вырабляць канформны кампазітны посуд пад ціскам для даследчых беспілотнікаў», — кажа Ягер. «Гэта супрацоўніцтва паміж двума кафедрамі: аэракасмічным і геадэзічным кафедрай TUM-LCC і кафедрай верталётных тэхналогій (HT). Праект будзе завершаны да канца 2024 года, і ў цяперашні час мы завяршаем распрацоўку посуду пад ціскам. Гэтая канструкцыя больш адпавядае аэракасмічнаму і аўтамабільнаму падыходу. Пасля гэтай пачатковай стадыі распрацоўкі канцэпцыі наступным крокам будзе выкананне падрабязнага структурнага мадэлявання і прагназаванне бар'ерных характарыстык сценкі».
«Уся ідэя заключаецца ў распрацоўцы даследчых беспілотнікаў з гібрыднай рухавіком на паліўных элементах і батарэях», — працягнуў ён. Ён будзе выкарыстоўваць батарэю падчас высокіх магутнасцей (г.зн. узлёту і пасадкі), а затым пераключацца на паліўныя элементы падчас палёту з лёгкай нагрузкай. «Каманда HT ужо мела даследчы беспілотнік і перапрацавала сілавую ўстаноўку, каб выкарыстоўваць як батарэі, так і паліўныя элементы», — сказаў Йегер. «Яны таксама набылі бак CGH2 для тэставання гэтай трансмісіі».
«Маёй камандзе было даручана стварыць прататып рэзервуара пад ціскам, які б падыходзіў, але не з-за праблем з упакоўкай, якія стварыў бы цыліндрычны рэзервуар», — тлумачыць ён. «Больш плоскі рэзервуар не забяспечвае такога ж супраціву ветру. Такім чынам, вы атрымліваеце лепшыя лётныя характарыстыкі». Памеры рэзервуара прыблізна 830 x 350 x 173 мм.
Цалкам тэрмапластычны рэзервуар, які адпавядае патрабаванням AFP. Для праекта HyDDen каманда LCC у TUM спачатку вывучала падыход, падобны да таго, які выкарыстоўваў Glace (вышэй), але потым перайшла да падыходу з выкарыстаннем камбінацыі некалькіх структурных модуляў, якія пазней былі злоўжываныя пры выкарыстанні AFP (ніжэй). Крыніца выявы: Тэхнічны ўніверсітэт Мюнхена LCC.
«Адна ідэя падобная да падыходу Элізабэт [Глейс], — кажа Ягер, — прымяніць да сценкі пасудзіны расцяжкі, каб кампенсаваць высокія сілы выгібу. Аднак замест таго, каб выкарыстоўваць працэс абмоткі для вырабу рэзервуара, мы выкарыстоўваем AFP. Таму мы падумалі аб стварэнні асобнай секцыі пасудзіны пад ціскам, у якую стойкі ўжо інтэграваныя. Гэты падыход дазволіў мне аб'яднаць некалькі з гэтых інтэграваных модуляў, а затым прымяніць тарцавую заглушку, каб герметызаваць усё перад канчатковай абмоткай AFP».
«Мы спрабуем завяршыць такую канцэпцыю, — працягнуў ён, — а таксама пачынаем тэставаць выбар матэрыялаў, што вельмі важна для забеспячэння неабходнай устойлівасці да пранікнення газападобных рэчываў H2. Для гэтага мы ў асноўным выкарыстоўваем тэрмапластычныя матэрыялы і працуем над рознымі спосабамі ўплыву матэрыялу на пранікненне і апрацоўку ў машыне AFP. Важна зразумець, ці будзе апрацоўка мець эфект і ці спатрэбіцца нейкая наступная апрацоўка. Мы таксама хочам ведаць, ці паўплываюць розныя стэкі на пранікненне вадароду праз пасудзіну пад ціскам».
Рэзервуар будзе цалкам выраблены з тэрмапластыку, а палоскі будуць пастаўлены кампаніяй Teijin Carbon Europe GmbH (Вуперталь, Германія). «Мы будзем выкарыстоўваць іх матэрыялы PPS [поліфеніленсульфід], PEEK [поліэфіркетон] і LM PAEK [нізкаплавкі поліарылкетон]», — сказаў Ягер. «Затым праводзяцца параўнанні, каб вызначыць, які з іх лепш за ўсё падыходзіць для абароны ад пранікнення і вытворчасці дэталяў з лепшымі характарыстыкамі». Ён спадзяецца завяршыць выпрабаванні, структурнае і працэснае мадэляванне, а таксама першыя дэманстрацыі на працягу наступнага года.
Даследчая праца была праведзена ў рамках модуля COMET «Polymers4Hydrogen» (ID 21647053) па праграме COMET Федэральнага міністэрства па пытаннях змены клімату, навакольнага асяроддзя, энергетыкі, мабільнасці, інавацый і тэхналогій і Федэральнага міністэрства лічбавых тэхналогій і эканомікі. Аўтары выказваюць падзяку партнёрам-удзельнікам: Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL, Аўстрыя), Montanuniversitaet Leoben (факультэт палімернай інжынерыі і навукі, кафедра хіміі палімерных матэрыялаў, кафедра матэрыялазнаўства і выпрабаванняў палімераў), Універсітэту Тамперэ (факультэт інжынерных матэрыялаў), Peak Technology і Faurecia за ўнёсак у гэту даследчую працу. Модуль COMET фінансуецца ўрадам Аўстрыі і ўрадам зямлі Штырыя.
Папярэдне армаваныя лісты для апорных канструкцый утрымліваюць бесперапынныя валокны — не толькі са шкла, але і з вугляроду і араміду.
Існуе мноства спосабаў вырабу кампазітных дэталяў. Такім чынам, выбар метаду для канкрэтнай дэталі будзе залежаць ад матэрыялу, канструкцыі дэталі і канчатковага выкарыстання або прымянення. Вось кіраўніцтва па выбары.
Shocker Composites і R&M International распрацоўваюць ланцужок паставак перапрацаванага вугляроднага валакна, які забяспечвае нулявы забой, больш нізкі кошт, чым у выпадку з першасным валакном, і ў рэшце рэшт прапануе даўжыні, якія па структурных уласцівасцях набліжаюцца да бесперапыннага валакна.
Час публікацыі: 15 сакавіка 2023 г.