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.
2006 жылы Лоуренс Ливермор ұлттық зертханасының (LLNL) қағазы үш тәсілді сипаттайды: жіппен оралған конформды қысымды ыдыс, ішкі орторомбты тор құрылымы бар микроторлы қысымды ыдыс (2 см немесе одан аз кішкентай жасушалар), жұқа қабырғалы H2 контейнерімен қоршалған, және желімделген кішкене бөліктерден (мысалы, алтыбұрышты пластик сақиналардан) және жұқа сыртқы қабықшадан жасалған композициядан тұратын ішкі құрылымнан тұратын репликатор контейнері.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 байланыстыратын кернеу тіректері бар текше қысымды ыдыс жалпақ батареяның кеңістігіне сәйкес келетін бірнеше шағын цилиндрлерге қарағанда тиімдірек, шамамен 25 зарядты қамтамасыз етеді. % Көбірек.сақтау орны.
Глейстің пікірінше, жалпақ корпусқа 4 типті шағын цилиндрлердің үлкен санын орнату мәселесі мынада: «цилиндрлер арасындағы көлем айтарлықтай азаяды 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 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 Глейс, - жай ғана 3D басып шығарылған бал ұясының негізгі жақтауына аралықтарды салып, эпоксидті желіммен жапсырдық.Содан кейін 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 штанганың басын бүгеміз.термопластикалық, сондықтан біз жай ғана жылуды пайдаланып, басын тегістеп, ораманың бірінші қабатына бекітетін етіп пішінін өзгертеміз.Содан кейін біз құрылымды қайтадан орауды жалғастырамыз, осылайша жалпақ тарту басы резервуардың ішінде геометриялық түрде жабылады.қабырғаларға ламинат.
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 тестілеу үшін ғана болды және біз кездескен кейбір мәселелер туралы түсінік берді.Мысалы, орау кезінде жіптер кергіш шыбықтар ұштарынан ұсталып, талшықтың үзілуіне, талшықтың зақымдалуына және бұған қарсы тұру үшін талшықтың мөлшерін азайтады.біз бірінші орау қадамының алдында тіректерге қойылған өндіріске көмекші құрал ретінде бірнеше пластик қақпақтарды пайдаландық. Содан кейін ішкі ламинаттарды жасағанда, біз бұл қорғаныс қақпақтарын алып тастадық және түпкілікті орау алдында тіректердің ұштарын қайта пішіндедік.
Команда әртүрлі қайта құру сценарийлерімен тәжірибе жасады.«Айналаға қарайтындар жақсы жұмыс істейді», - дейді Грейс.«Сонымен қатар, прототиптеу кезеңінде біз қыздыру және галстук ұштарының пішінін өзгерту үшін модификацияланған дәнекерлеу құралын қолдандық.Жаппай өндіріс тұжырымдамасында сізде бір уақытта тіректердің барлық ұштарын ішкі әрлеу ламинатына айналдыра алатын және 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 құралмен бұл оңай емес.Бұл кейінгі жобаға айналуы мүмкін.
«Біз бұл өндіріс тұжырымдамасының орындылығын көрсеттік, - дейді Глейс, - бірақ ламинат арасындағы байланысты жақсарту және байлау шыбықтарын өзгерту үшін одан әрі жұмыс істеу керек.«Сынақ машинасында сыртқы тестілеу.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 Аэроғарыш және геодезиялық департаментінің екі бөлімі – LCC және Тікұшақ технологиясы департаментінің (HT) ынтымақтастығы.Жоба 2024 жылдың соңына дейін аяқталады және біз қазір қысымды ыдысты аяқтап жатырмыз.аэроғарыштық және автомобильдік тәсілге көбірек ұқсайтын дизайн.Осы бастапқы тұжырымдама кезеңінен кейін келесі қадам егжей-тегжейлі құрылымдық модельдеуді орындау және қабырға құрылымының кедергі өнімділігін болжау болып табылады.
«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 қарсылықты ұсынбайды.Осылайша сіз жақсы ұшу өнімділігіне ие боласыз ».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 Элизабет [Глейстің] тәсіліне ұқсайды, - дейді Ягер, - жоғары иілу күштерін өтеу үшін тамыр қабырғасына кернеу жақшаларын қолдану.Дегенмен, резервуарды жасау үшін орау процесін пайдаланудың орнына біз AFP пайдаланамыз.Сондықтан, біз тіректер қазірдің өзінде біріктірілген қысымды ыдыстың жеке бөлімін жасау туралы ойладық.Бұл тәсіл маған осы біріктірілген модульдердің бірнешеуін біріктіруге мүмкіндік берді, содан кейін соңғы AFP орамасының алдында бәрін тығыздау үшін қақпақты қолдануға мүмкіндік берді.
«Біз мұндай тұжырымдаманы аяқтауға тырысамыз, - 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.Емдеудің әсері болатынын және қандай да бір кейінгі өңдеу қажет екенін түсіну маңызды.Біз сондай-ақ әртүрлі стектердің қысымды ыдыс арқылы сутегінің өтуіне әсер ететінін білгіміз келеді ».
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 (Полимерлік инженерия және ғылым факультеті, Полимерлі материалдар химиясы, Материалтану және полимерлерді сынау бөлімі), Тампере университеті (инженерлік факультеті) алғысын білдіреді. Материалдар).) 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