BEV және FCEV үшін стандартты жалпақ платформалы резервуарлар қаңқасы бар термопластикалық және термосеттік композиттерді пайдаланады, бұл 25% көбірек H2 сақтауды қамтамасыз етеді. #сутегі #тенденциялары
BMW-мен ынтымақтастығы текшелік резервуардың бірнеше шағын цилиндрлерге қарағанда жоғары көлемдік тиімділікті қамтамасыз ете алатынын көрсеткеннен кейін, Мюнхен техникалық университеті сериялық өндіріс үшін композиттік құрылымды және масштабталатын өндіріс процесін әзірлеу жобасына кірісті. Сурет несиесі: ТУ Дрезден (жоғарыда) сол жақ), Мюнхен техникалық университеті, көміртекті композиттер бөлімі (LCC)
Нөлдік эмиссия (H2) сутегімен жұмыс істейтін отын ұяшықтары бар электр көліктері (FCEVs) нөлдік экологиялық мақсаттарға жету үшін қосымша құралдарды қамтамасыз етеді. H2 қозғалтқышы бар отын ұяшығы жолаушылар вагонын 5-7 минутта толтыруға болады және 500 км қашықтыққа жетеді, бірақ қазіргі уақытта өндіріс көлемі төмен болғандықтан қымбатырақ. Шығындарды азайтудың бір жолы - BEV және FCEV үлгілері үшін стандартты платформаны пайдалану. Бұл қазіргі уақытта мүмкін емес, себебі FCEV-де 700 барда сығылған H2 газын (CGH2) сақтау үшін пайдаланылатын 4 типті цилиндрлік цистерналар электр көліктері үшін мұқият әзірленген корпус астындағы батарея бөлімдеріне сәйкес келмейді. Дегенмен, жастықтар мен текшелер түріндегі қысымды ыдыстар осы тегіс орауыш кеңістігіне сыя алады.
1995 жылы Thiokol Corp. берген өтінім (сол жақта) және 2009 жылы BMW патенттеген тікбұрышты қысымды ыдысқа арналған «Композиттік конформды қысымды ыдысқа» US5577630A патенті (оң жақта).
Мюнхен техникалық университетінің (ТУМ, Мюнхен, Германия) көміртекті композиттер кафедрасы (LCC) осы тұжырымдаманы әзірлеу үшін екі жобаға қатысады. Біріншісі - Leoben Polymer Competence Center (PCCL, Леобен, Австрия) басқаратын Polymers4Hydrogen (P4H). LCC жұмыс пакетін Элизабет Глэйс басқарады.
Екінші жоба - сутегі демонстрациясы және даму ортасы (HyDDen), мұнда LCC зерттеуші Кристиан Джегер басқарады. Екеуі де көміртекті талшықты композиттерді пайдалана отырып, қолайлы CGH2 цистернасын жасау үшін өндіріс процесінің ауқымды көрсетілімін құруды мақсат етеді.
Кішігірім диаметрлі цилиндрлер жалпақ аккумуляторлық ұяшықтарға (сол жақта) және болат қаптамалардан және көміртекті талшықты/эпоксидті композиттік сыртқы қабықтан (оң жақта) жасалған текше типті 2 қысымды ыдыстарға орнатылған кезде көлемдік тиімділік шектеулі. Сурет көзі: 3 және 6-суреттер Ruf және Zaremba және т.
P4H көміртекті талшықты күшейтілген эпоксидпен оралған композициялық керме белдіктері/тіреулері бар термопластикалық жақтауды пайдаланатын эксперименттік текше резервуарын жасады. HyDDen ұқсас дизайнды пайдаланады, бірақ барлық термопластикалық композиттік резервуарларды өндіру үшін автоматты талшықты төсеу (AFP) пайдаланады.
Thiokol Corp. патенттік өтінімінен 1995 жылы «Композиттік конформды қысымды ыдысқа» дейін 1997 жылы DE19749950C2 неміс патентіне дейін, сығылған газ ыдыстары «кез келген геометриялық конфигурацияға ие болуы мүмкін», бірақ әсіресе жалпақ және тегіс емес пішінді, қабық тірегіне жалғанған қуыста. элементтер газдың кеңею күшіне төтеп бере алатындай етіп қолданылады.
Лоуренс Ливермор ұлттық зертханасының (LLNL) 2006 жылғы қағазы үш тәсілді сипаттайды: жіппен оралған конформды қысымды ыдыс, ішкі орторомбты тор құрылымы бар микроторлы қысымды ыдыс (2 см немесе одан аз шағын ұяшықтар), жұқа қабырғалы H2 контейнерімен қоршалған және ішкі бөліктерден тұратын шағын құрылым, г. (мысалы, алтыбұрышты пластикалық сақиналар) және жұқа сыртқы қабық тері құрамы. Көшірме контейнерлер дәстүрлі әдістерді қолдану қиын болуы мүмкін үлкенірек контейнерлер үшін ең қолайлы.
2009 жылы Volkswagen ұсынған DE102009057170A патенті кеңістікті пайдалануды жақсарта отырып, жоғары салмақ тиімділігін қамтамасыз ететін көлікке орнатылған қысымды ыдысты сипаттайды. Тікбұрышты резервуарлар екі тікбұрышты қарама-қарсы қабырғалар арасындағы кернеу қосқыштарын пайдаланады, ал бұрыштары дөңгелектенеді.
Жоғарыда келтірілген және басқа да ұғымдарды Глейс «Стреч барлары бар текше қысымды ыдыстар үшін процесті дамыту» мақаласында Gleiss және т.б. ECCM20 (26-30 маусым, 2022 ж., Лозанна, Швейцария). Бұл мақалада ол Майкл Руф пен Свен Заремба жариялаған TUM зерттеуіне сілтеме жасайды, ол тікбұрышты жақтарын біріктіретін кернеу тіректері бар текше қысымды ыдыс жалпақ батареяның кеңістігіне сәйкес келетін бірнеше шағын цилиндрлерге қарағанда тиімдірек және шамамен 25% көбірек қамтамасыз етеді. сақтау орны.
Глейстің пікірінше, 4 типті шағын цилиндрлердің көп санын тегіс корпусқа орнатудағы мәселе «цилиндрлер арасындағы көлемнің айтарлықтай азаюында және жүйеде H2 газының өте үлкен өту беті бар. Жалпы алғанда, жүйе текше банкаларға қарағанда аз сақтау сыйымдылығын қамтамасыз етеді.
Дегенмен, резервуардың текше дизайнында басқа да проблемалар бар. «Әрине, сығылған газдың арқасында тегіс қабырғалардағы иілу күштеріне қарсы тұру керек», - деді Глейс. «Ол үшін сізге резервуардың қабырғаларына ішкі қосылатын арматураланған құрылым қажет. Бірақ композиттермен мұны істеу қиын».
Глэйс және оның командасы филаментті орау процесіне қолайлы етіп қысымды ыдысқа арматуралық керме жолақтарын қосуға тырысты. «Бұл жоғары көлемді өндіріс үшін маңызды», - деп түсіндіреді ол, «сонымен қатар аймақтағы әрбір жүктеме үшін талшықты бағдарлауды оңтайландыру үшін контейнер қабырғаларының орама үлгісін жобалауға мүмкіндік береді».
P4H жобасы үшін сынақ текше композиттік резервуар жасаудың төрт қадамы. Кредиттік сурет: «Брейстері бар текше қысымды ыдыстар үшін өндірістік процесті әзірлеу», Мюнхен техникалық университеті, Polymers4Hydrogen жобасы, ECCM20, маусым 2022 ж.
Тізбекке жету үшін команда жоғарыда көрсетілгендей төрт негізгі қадамнан тұратын жаңа тұжырымдаманы әзірледі. Қадамдарда қара түспен көрсетілген кернеу тіректері MAI Skelett жобасынан алынған әдістерді қолдана отырып жасалған алдын ала дайындалған жақтау құрылымы. Бұл жоба үшін BMW төрт талшықты арматураланған пултрузия шыбықтарын қолданып, содан кейін пластикалық жақтауға құйылған алдыңғы шыны жақтауының «қаңқасын» жасады.
Эксперименттік текше резервуардың жақтауы. Арматураланбаған PLA жіпін (жоғарғы жағы), CF/PA6 пультрузия шыбықтарын кернеу жақшалары (ортаңғы) ретінде енгізіп, содан кейін жіптерді жақшаларға (төменгі) орап отырып, TUM басып шығарған 3D алтыбұрышты қаңқа бөліктері. Сурет несиесі: Мюнхен техникалық университеті LCC.
«Идеясы сіз текше резервуардың жақтауын модульдік құрылым ретінде жасай аласыз», - деді Глейс. «Одан кейін бұл модульдер қалыптау құралына орналастырылады, керме тіректері рамалық модульдерге орналастырылады, содан кейін оларды жақтау бөліктерімен біріктіру үшін тіректердің айналасында MAI Skelett әдісі қолданылады». жаппай өндіру әдісі, нәтижесінде құрылымды кейіннен сақтау резервуарының композиттік қабығын орау үшін оправка немесе өзек ретінде пайдаланылады.
TUM резервуардың жақтауын тұтас жақтары, дөңгелек бұрыштары және үстіңгі және астыңғы жағында алтыбұрышты өрнектері бар текше «жастық» ретінде жасады, ол арқылы галстуктарды салуға және бекітуге болады. Бұл сөрелердің тесіктері де 3D басып шығарылған. «Бастапқы эксперименттік резервуарымыз үшін біз полилактикалық қышқылды [PLA, био негізіндегі термопластик] пайдаланып, 3D басып шығарылған алтыбұрышты жақтау бөліктерін шығардық, өйткені бұл оңай және арзан болды», - деді Глейс.
Топ байлау ретінде пайдалану үшін SGL Carbon (Мейтинген, Германия) компаниясынан 68 пултрудталған көміртекті талшықты күшейтілген полиамидті 6 (PA6) таяқшаларын сатып алды. «Тұжырымдаманы сынау үшін біз ешқандай қалыптау жасамадық, - дейді Глейсс, - жай ғана 3D басып шығарылған бал ұясының негізгі жақтауына аралықтарды салып, оларды эпоксидті желіммен жапсырдық. Бұл резервуарды орау үшін оправка береді». Ол бұл шыбықтар салыстырмалы түрде оңай жел болғанымен, кейінірек сипатталатын кейбір маңызды мәселелер бар екенін айтады.
«Бірінші кезеңде біздің мақсатымыз дизайнның өнімділігін көрсету және өндіріс тұжырымдамасындағы проблемаларды анықтау болды», - деп түсіндірді Глейс. "Сонымен керілген тіректер қаңқа құрылымының сыртқы бетінен шығып тұрады, және біз көміртекті талшықтарды дымқыл жіп орамының көмегімен осы өзекке бекітеміз. Осыдан кейін, үшінші қадамда біз әрбір байлау штангасының басын майыстырамыз. термопластикалық, сондықтан біз жай ғана жылуды пайдаланып, басын пішінін өзгерту үшін пайдаланамыз, сонда ол тегістеледі және құрылымның бірінші қабатына бекітіледі. итеру басы қабырғалардағы ламинаттың ішінде геометриялық түрде қоршалған.
Орамға арналған аралық қақпақ. TUM филаментті орау кезінде талшықтардың шатаспауы үшін кергіш шыбықтар ұштарында пластик қақпақтарды пайдаланады. Сурет несиесі: Мюнхен техникалық университеті LCC.
Глэйс бұл алғашқы танк тұжырымдаманың дәлелі екенін қайталады. "3D басып шығару мен желімді пайдалану тек бастапқы сынақтар үшін ғана болды және біз кездескен бірнеше мәселелер туралы түсінік берді. Мысалы, орау кезінде жіптер кергіш штангалардың ұштарынан ұсталып, талшықтың сынуына, талшықтың зақымдалуына және бұған қарсы тұру үшін талшықтың мөлшерін азайтуға әкеліп соқтырды. Біз алғашқы көмек көрсету үшін, ораудың алдында бірнеше пластик қақпақтарды қолдандық. ішкі ламинаттарды жасаған кезде, біз бұл қорғаныс қақпақтарын алып тастадық және түпкілікті орау алдында тіректердің ұштарын өзгерттік ».
Команда әртүрлі қайта құру сценарийлерімен тәжірибе жасады. «Айналаға қарайтындар жақсы жұмыс істейді», - дейді Грейс. "Сонымен қатар, прототиптеу кезеңінде біз қыздыруды қолдану және штанганың ұштарын қайта пішімдеу үшін модификацияланған дәнекерлеу құралын қолдандық. Жаппай өндіріс концепциясында сізде тіректердің барлық ұштарын бір уақытта ішкі әрлеу ламинатына пішіндеп, қалыптастыра алатын үлкенірек құрал болады. . "
Тартпа бастары пішіні өзгертілді. TUM әртүрлі тұжырымдамалармен тәжірибе жасап, резервуар қабырғасының ламинатына бекітуге арналған композиттік байланыстардың ұштарын туралау үшін дәнекерленген жіктерді өзгертті. Кредиттік сурет: «Брейстері бар текше қысымды ыдыстар үшін өндірістік процесті әзірлеу», Мюнхен техникалық университеті, Polymers4Hydrogen жобасы, ECCM20, маусым 2022 ж.
Осылайша, ламинат бірінші орау қадамынан кейін өңделеді, бағандар қайта пішінделеді, TUM жіптердің екінші орамасын аяқтайды, содан кейін резервуардың сыртқы ламинатының екінші рет өңделеді. Назар аударыңыз, бұл 5 типті резервуардың дизайны, яғни оның газ тосқауылы ретінде пластикалық төсемі жоқ. Төмендегі «Келесі қадамдар» бөліміндегі талқылауды қараңыз.
«Біз бірінші демонстрацияны көлденең қималарға кесіп, қосылған аумақты картаға түсірдік», - деді Глейс. «Жақыннан қарағанда бізде ламинатпен сапа мәселелері болды, тірек басы ішкі ламинатқа тегіс салынбаған».
Резервуардың ішкі және сыртқы қабырғаларының ламинатының арасындағы саңылаулармен проблемаларды шешу. Модификацияланған штанга басы тәжірибелік резервуардың бірінші және екінші бұрылыстары арасында саңылау жасайды. Сурет несиесі: Мюнхен техникалық университеті LCC.
Бұл бастапқы 450 x 290 x 80 мм резервуар өткен жазда аяқталды. «Содан бері біз көптеген жетістіктерге жеттік, бірақ бізде әлі де ішкі және сыртқы ламинат арасында алшақтық бар», - деді Глейс. "Сондықтан біз бұл бос орындарды таза, тұтқырлығы жоғары шайырмен толтыруға тырыстық. Бұл шын мәнінде шпилькалар мен ламинат арасындағы байланысты жақсартады, бұл механикалық кернеуді айтарлықтай арттырады."
Команда резервуардың дизайны мен процесін, соның ішінде қалаған орама үлгісіне арналған шешімдерді әзірлеуді жалғастырды. «Сынақ резервуарының бүйірлері толығымен бұралған жоқ, өйткені бұл геометрия үшін орам жолын жасау қиын болды», - деп түсіндірді Глейс. "Біздің бастапқы орама бұрышы 75 ° болды, бірақ біз бұл қысымды ыдыстағы жүктемені қанағаттандыру үшін бірнеше тізбек қажет екенін білдік. Біз әлі де бұл мәселенің шешімін іздейміз, бірақ қазіргі уақытта нарықтағы бағдарламалық жасақтамамен бұл оңай емес. Бұл кейінгі жоба болуы мүмкін.
«Біз бұл өндіріс концепциясының орындылығын көрсеттік, - дейді Глейс, - бірақ ламинат арасындағы байланысты жақсарту және байлау шыбықтарын қайта пішімдеу үшін одан әрі жұмыс істеу керек. «Сынақ машинасында сыртқы сынақ. Сіз аралықтарды ламинаттан шығарып, сол қосылыстар төтеп бере алатын механикалық жүктемелерді тексересіз.
Polymers4Hydrogen жобасының бұл бөлігі 2023 жылдың соңында аяқталады, осы уақытқа дейін Глейс екінші демонстрациялық цистернаны аяқтауға үміттенеді. Бір қызығы, дизайн бүгінгі күні жақтауда ұқыпты арматураланған термопластиктерді және резервуардың қабырғаларында термосеттік композиттерді пайдаланады. Бұл гибридті тәсіл соңғы демонстрациялық цистернада қолданылады ма? — Иә, — деді Грейс. «Polymers4Hydrogen жобасындағы серіктестеріміз эпоксидті шайырлар мен басқа да композициялық матрицалық материалдарды жақсырақ сутегі тосқауылы қасиеттерімен әзірлеуде». Ол осы жұмыста жұмыс істейтін екі серіктесті тізімдейді, PCCL және Тампере университеті (Тампере, Финляндия).
Глейс және оның командасы сонымен бірге ақпарат алмасып, Джегермен LCC конформды композиттік резервуардың екінші HyDDen жобасы бойынша идеяларды талқылады.
«Біз зерттеу дрондары үшін конформды композиттік қысымды ыдысты шығарамыз», - дейді Джегер. "Бұл TUM Аэроғарыштық және геодезиялық департаментінің екі департаменті – LCC және Тікұшақ технологиясы департаментінің (HT) ынтымақтастығы. Жоба 2024 жылдың соңына дейін аяқталады және біз қазір қысымды кемені аяқтап жатырмыз. Бұл дизайн аэроғарыштық және автомобильдік тәсілге көбірек ұқсайды. Осы бастапқы кезеңнен кейін концепциялық модельдеу және болжам жасау үшін келесі қадам жасалды. қабырға құрылымының өнімділігі».
«Барлық идея гибридті отын ұяшығы мен аккумуляторлық қозғалтқыш жүйесі бар барлау ұшқышсыз ұшқышты жасау», - деп жалғастырды ол. Ол жоғары қуат жүктемелері кезінде (яғни ұшып көтерілу және қону) батареяны пайдаланады, содан кейін жеңіл жүкті круиз кезінде отын ұяшығына ауысады. «HT тобында зерттеу ұшқышсыз ұшағы болды және батареяларды да, отын элементтерін де пайдалану үшін қуат блогын қайта жобалады», - деді Йегер. «Олар сондай-ақ осы беріліс қорабын сынау үшін CGH2 цистернасын сатып алды».
«Менің командама сәйкес келетін қысымды цистернаның прототипін жасау тапсырылды, бірақ цилиндрлік резервуар жасайтын орама мәселелеріне байланысты емес», - деп түсіндіреді ол. "Тегіс резервуар желге көп төзімділік ұсынбайды. Осылайша сіз жақсы ұшу өнімділігін аласыз." Резервуардың өлшемдері шамамен. 830 x 350 x 173 мм.
Толығымен термопластикалық AFP сәйкес резервуар. HyDDen жобасы үшін TUM-дағы LCC тобы бастапқыда Glace (жоғарыда) пайдаланған тәсілге ұқсас тәсілді зерттеді, бірақ кейін AFP арқылы (төменде) шамадан тыс пайдаланылған бірнеше құрылымдық модульдердің комбинациясын қолданатын тәсілге көшті. Сурет несиесі: Мюнхен техникалық университеті LCC.
"Бір идея Элизабеттің [Глейстің] тәсіліне ұқсайды, - дейді Ягер, - жоғары иілу күштерін өтеу үшін ыдыстың қабырғасына кернеу жақшаларын қолдану. Дегенмен, резервуарды жасау үшін орау процесін пайдаланудың орнына, біз AFP-ті қолданамыз. Сондықтан біз қысымды ыдыстың жеке бөлімін жасау туралы ойладық, онда тіректерді біріктіруге және бірнеше модульдерді біріктіруге рұқсат етілген. соңғы AFP орамасының алдында бәрін тығыздау үшін соңғы қақпақ ».
«Біз мұндай тұжырымдаманы аяқтауға тырысып жатырмыз, - деп жалғастырды ол, - сонымен қатар H2 газының енуіне қажетті қарсылықты қамтамасыз ету үшін өте маңызды материалды таңдауды сынауды бастаймыз. Ол үшін біз негізінен термопластикалық материалдарды қолданамыз және материалдың AFP машинасында өткізгіштігі мен өңдеуіне қалай әсер ететіні туралы әртүрлі жұмыс жасаймыз. Емдеу әсер ете ме, жоқ па, соны түсіну маңызды. қысымды ыдыс арқылы сутегінің өтуі».
Резервуар толығымен термопластикадан жасалған және жолақтарды Teijin Carbon Europe GmbH (Вупперталь, Германия) жеткізеді. «Біз олардың PPS [полифенилен сульфиді], PEEK [полиэфирлі кетон] және LM PAEK [төмен балқитын полиарил кетон] материалдарын қолданамыз», - деді Ягер. «Содан кейін еніп кетуден қорғау және өнімділігі жақсы бөлшектерді шығару үшін қайсысы жақсы екенін анықтау үшін салыстыру жүргізіледі». Ол келесі жылы тестілеуді, құрылымдық және технологиялық модельдеуді және алғашқы көрсетілімдерді аяқтауға үміттенеді.
Зерттеу жұмысы «Polymers4Hydrogen» (ID 21647053) COMET модулі аясында Климаттың өзгеруі, қоршаған орта, энергетика, ұтқырлық, инновациялар және технологиялар федералды министрлігінің және Цифрлық технологиялар және экономика федералды министрлігінің COMET бағдарламасы аясында жүргізілді. . Авторлар қатысушы серіктестерге Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL, Австрия), Montanuniversitaet Leoben (Полимерлі инженерия және ғылым факультеті, Полимерлі материалдар химиясы кафедрасы, Материалтану және полимерді сынау бөлімі), Тампере университеті (Инженерлік материалдар факультеті) алғыстарын білдіреді. ) Ғылым), Peak Technology және Faurecia осы зерттеу жұмысына үлес қосты. COMET-Modul Австрия үкіметі мен Штирия мемлекетінің үкіметі тарапынан қаржыландырылады.
Жүк көтергіш құрылымдарға арналған алдын ала күшейтілген парақтарда тек шыныдан ғана емес, көміртек пен арамидтен де үздіксіз талшықтар бар.
Құрама бөлшектерді жасаудың көптеген жолдары бар. Сондықтан белгілі бір бөлікке арналған әдісті таңдау материалға, бөліктің дизайнына және түпкілікті пайдалануға немесе қолдануға байланысты болады. Мұнда таңдау нұсқаулығы берілген.
Shocker Composites және R&M International қайта өңделген көміртекті талшықты жеткізу тізбегін әзірлеуде, ол нөлдік союды, таза талшыққа қарағанда төмен бағаны қамтамасыз етеді және ақыр соңында құрылымдық қасиеттерінде үздіксіз талшыққа жақындайтын ұзындықтарды ұсынатын болады.
Хабарлама уақыты: 15 наурыз-2023 ж