BEV және FCEV үшін стандартты жалпақ платформалы резервуарлар 25%-ға көбірек H2 сақтауды қамтамасыз ететін қаңқалық құрылымы бар термопластикалық және термосет композиттерін пайдаланады. #сутегі #трендтері
BMW компаниясымен бірлескен жұмыс куб багы 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 жобасын бастады. Сурет авторы: TU Dresden (жоғарғы сол жақта), Мюнхен техникалық университеті, Көміртекті композиттер кафедрасы (LCC)
Нөлдік шығарындылы (H2) сутегімен жұмыс істейтін отын ұяшығы бар электр көліктері (FCEV) нөлдік экологиялық мақсаттарға жетудің қосымша құралдарын ұсынады. H2 қозғалтқышы бар отын ұяшығы бар жеңіл көлікті 5-7 минутта толтыруға болады және ол 500 км жүріп өту қашықтығына ие, бірақ қазіргі уақытта өндіріс көлемінің төмендігіне байланысты қымбатырақ. Шығындарды азайтудың бір жолы - BEV және FCEV модельдері үшін стандартты платформаны пайдалану. Қазіргі уақытта бұл мүмкін емес, себебі FCEV-де сығылған H2 газын (CGH2) 700 бар қысымда сақтау үшін қолданылатын 4 типті цилиндрлік бактар электр көліктері үшін мұқият жасалған астыңғы батарея бөлімдеріне жарамайды. Дегенмен, жастықтар мен текшелер түріндегі қысымды ыдыстар бұл жалпақ қаптама кеңістігіне сыяды.
1995 жылы Thiokol Corp. компаниясы берген «Композиттік конформды қысымды ыдыс» өтінімі (сол жақта) және 2009 жылы BMW компаниясы патенттеген тікбұрышты қысымды ыдыс (оң жақта).
Мюнхен техникалық университетінің (TUM, Мюнхен, Германия) көміртекті композиттер кафедрасы (LCC) осы тұжырымдаманы әзірлеу үшін екі жобаға қатысуда. Біріншісі - Leoben Polymer құзыреттілік орталығының (PCCL, Леобен, Австрия) басшылығымен Polymers4Hydrogen (P4H). LCC жұмыс пакетін стипендиат Элизабет Глейс басқарады.
Екінші жоба - сутегін көрсету және дамыту ортасы (HyDDen), онда LCC-ді зерттеуші Кристиан Йегер басқарады. Екеуі де көміртекті талшықты композиттерді пайдаланып, қолайлы CGH2 резервуарын жасаудың өндірістік процесін кең көлемде көрсетуді мақсат етеді.
Кішкентай диаметрлі цилиндрлер жалпақ батарея ұяшықтарына (сол жақта) және болат төсемдерден және көміртекті талшықтан/эпоксидті композитті сыртқы қабықтан (оң жақта) жасалған кубтық 2 типті қысымды ыдыстарға орнатылған кезде көлемдік тиімділік шектеулі. Сурет көзі: 3 және 6-суреттер Руф пен Заремба және т.б. жазған «Ішкі керілу аяқтары бар II типті қысымды қорап ыдысына арналған сандық жобалау тәсілі» кітабынан алынған.
P4H көміртекті талшықпен күшейтілген эпоксидті шайырмен оралған композиттік кергіш белдіктері/тіреуіштері бар термопластикалық жақтауды пайдаланатын тәжірибелік кубтық резервуарды жасады. HyDDen ұқсас дизайнды пайдаланады, бірақ барлық термопластикалық композиттік резервуарларды өндіру үшін автоматты талшықты төсеу (AFP) технологиясын пайдаланады.
Thiokol Corp. компаниясының патенттік өтінімінен бастап 1995 жылы «Композиттік конформды қысымды ыдысқа» және 1997 жылы DE19749950C2 неміс патентіне дейін, сығылған газ ыдыстары «кез келген геометриялық конфигурацияға ие болуы мүмкін», әсіресе қабық тірегіне қосылған қуыста жалпақ және дұрыс емес пішіндерге ие болуы мүмкін. элементтері газдың кеңею күшіне төтеп бере алатындай етіп қолданылады.
2006 жылғы Лоуренс Ливермор ұлттық зертханасының (LLNL) мақаласында үш тәсіл сипатталған: жіп тәрізді оралған конформды қысым ыдысы, жұқа қабырғалы H2 контейнерімен қоршалған ішкі орторомбиялық тор құрылымы (2 см немесе одан аз кішкентай жасушалар) бар микроторлы қысым ыдысы және желімделген ұсақ бөлшектерден (мысалы, алтыбұрышты пластикалық сақиналар) және жұқа сыртқы қабық қабығынан тұратын ішкі құрылымнан тұратын репликатор контейнері. Қайталанатын контейнерлер дәстүрлі әдістерді қолдану қиын болуы мүмкін үлкен контейнерлер үшін ең қолайлы.
Volkswagen компаниясы 2009 жылы берген DE102009057170A патентінде кеңістікті пайдалануды жақсарта отырып, салмақтың жоғары тиімділігін қамтамасыз ететін көлікке орнатылған қысымды ыдыс сипатталған. Тікбұрышты бактар екі қарама-қарсы тікбұрышты қабырға арасында кергіш қосқыштарды пайдаланады, ал бұрыштары дөңгелектенген.
Жоғарыда аталған және басқа да тұжырымдамалар Глейсстің ECCM20 (26-30 маусым, 2022 жыл, Лозанна, Швейцария) сайтындағы Глейсс және т.б. жазған «Кубикалық қысымды ыдыстарды созу штангаларымен өңдеу» атты мақаласында келтірілген. Бұл мақалада ол Майкл Руф пен Свен Заремба жариялаған TUM зерттеуіне сілтеме жасайды, онда тікбұрышты жақтарын байланыстыратын керу тіректері бар кубтық қысымды ыдыс жалпақ батареяның кеңістігіне сәйкес келетін бірнеше кішкентай цилиндрлерге қарағанда тиімдірек екені және шамамен 25%-ға көбірек сақтау орнын қамтамасыз ететіні анықталған.
Глайстың айтуынша, жалпақ корпусқа көптеген шағын 4 типті цилиндрлерді орнатудағы мәселе «цилиндрлер арасындағы көлемнің айтарлықтай азаюында және жүйенің H2 газ өткізгіштігінің өте үлкен бетінде. Жалпы алғанда, жүйе текше банкаларға қарағанда аз сақтау сыйымдылығын қамтамасыз етеді».
Дегенмен, резервуардың кубтық конструкциясында басқа да мәселелер бар. «Әрине, сығылған газдың арқасында тегіс қабырғалардағы иілу күштеріне қарсы тұру қажет», - деді Глайсс. «Ол үшін резервуардың қабырғаларына ішкі жағынан жалғанатын күшейтілген құрылым қажет. Бірақ мұны композиттермен жасау қиын».
Глейс және оның командасы қысымды ыдысқа арматуралық кергіш шыбықтарды жіпше орау процесіне сәйкес келетіндей етіп енгізуге тырысты. «Бұл жоғары көлемді өндіріс үшін маңызды», - деп түсіндіреді ол, «сонымен қатар бізге аймақтағы әрбір жүктеме үшін талшық бағытын оңтайландыру үшін контейнер қабырғаларының орау үлгісін жасауға мүмкіндік береді».
P4H жобасы үшін сынақ текшелік композиттік резервуарды жасаудың төрт қадамы. Сурет авторы: «Тіректері бар текшелік қысымды ыдыстарға арналған өндіріс процесін әзірлеу», Мюнхен техникалық университеті, Polymers4Hydrogen жобасы, ECCM20, 2022 жылғы маусым.
Тізбекте жұмыс істеу үшін команда жоғарыда көрсетілгендей, төрт негізгі қадамнан тұратын жаңа тұжырымдама жасады. Баспалдақтарда қара түспен көрсетілген керу тіректері - MAI Skelett жобасынан алынған әдістерді қолдана отырып жасалған алдын ала дайындалған рамалық құрылым. Бұл жоба үшін BMW төрт талшықты пультрузиялық шыбықтарды пайдаланып, алдыңғы әйнек рамасының «қаңқасын» жасап шығарды, олар содан кейін пластикалық рамаға құйылды.
Тәжірибелік текшелік резервуардың қаңқасы. TUM компаниясы күшейтілмеген PLA жіпшесін (жоғарғы жағы) пайдаланып, CF/PA6 пультрузиялық шыбықтарын кергіш тірек ретінде енгізіп (ортасында), содан кейін жіпше тіректерге оралған (төменгі жағы) алтыбұрышты қаңқалық бөліктерді 3D басып шығарды. Сурет авторы: Мюнхен техникалық университеті LCC.
«Идея текшелік резервуардың рамасын модульдік құрылым ретінде жасауға болады», - деді Глейс. «Содан кейін бұл модульдер қалыптау құралына орналастырылады, кергіш тіректері рамалық модульдерге орналастырылады, содан кейін оларды рамалық бөлшектермен біріктіру үшін тіректердің айналасында MAI Skelett әдісі қолданылады». жаппай өндіріс әдісі, нәтижесінде сақтау резервуарының композиттік қабығын орау үшін оправка немесе өзек ретінде қолданылатын құрылым пайда болады.
TUM резервуардың жақтауын тұтас бүйірлері, дөңгелек бұрыштары және үстіңгі және астыңғы жағында алтыбұрышты өрнегі бар куб тәрізді «жастық» ретінде жасады, ол арқылы байламдарды салып, бекітуге болады. Бұл сөрелердің тесіктері де 3D басып шығарылды. «Біздің алғашқы тәжірибелік резервуарымыз үшін біз полилактикалық қышқылды [биологиялық негіздегі термопластик PLA] пайдаланып, алтыбұрышты жақтау бөліктерін 3D басып шығардық, себебі бұл оңай және арзан болды», - деді Глейс.
Топ SGL Carbon компаниясынан (Майтинген, Германия) байлам ретінде пайдалану үшін 68 ұнтақталған көміртекті талшықпен күшейтілген полиамидті 6 (PA6) шыбықтарын сатып алды. «Тұжырымдаманы тексеру үшін біз ешқандай қалыптау жұмыстарын жүргізген жоқпыз», - дейді Глайсс, «тек 3D басып шығарылған ұя тәрізді өзек жақтауына аралықтарды салып, оларды эпоксидті желіммен желімдедік. Бұл содан кейін резервуарды орауға арналған патронды қамтамасыз етеді». Ол бұл шыбықтарды орауға салыстырмалы түрде оңай болғанымен, кейінірек сипатталатын кейбір маңызды мәселелер бар екенін атап өтті.
«Бірінші кезеңде біздің мақсатымыз конструкцияның өндірістік жарамдылығын көрсету және өндіріс тұжырымдамасындағы мәселелерді анықтау болды», - деп түсіндірді Глайсс. «Осылайша, кергіш тіректер қаңқалық құрылымның сыртқы бетінен шығып тұрады, және біз көміртекті талшықтарды ылғалды жіп орамасын пайдаланып осы өзекке бекітеміз. Осыдан кейін, үшінші қадамда біз әрбір байлау шыбығының басын майыстырамыз. термопластикалық, сондықтан біз басын тегістеліп, ораманың бірінші қабатына бекітілетіндей етіп қайта пішіндеу үшін жылуды пайдаланамыз. Содан кейін біз құрылымды қайтадан орап, жалпақ итеру басы геометриялық түрде қабырғаларға ламинатпен жабылатындай етіп ораймыз.»
Орауға арналған аралық қақпақ. TUM талшықтардың жіпшелерді орау кезінде шатасып қалуын болдырмау үшін кергіш шыбықтардың ұштарында пластик қақпақтарды пайдаланады. Сурет авторы: Мюнхен техникалық университеті LCC.
Глейс бұл алғашқы резервуардың тұжырымдаманың дәлелі екенін қайталады. «3D басып шығару мен желімді қолдану тек бастапқы сынақ үшін ғана болды және бізге кездескен бірнеше мәселелер туралы түсінік берді. Мысалы, орау кезінде жіпшелер кергіш шыбықтардың ұштарына ілініп, талшықтың сынуына, талшықтың зақымдалуына және бұған қарсы тұру үшін талшық мөлшерін азайтуға әкелді. Біз өндірістік көмек ретінде бірнеше пластик қақпақтарды қолдандық, олар бірінші орау кезеңінен бұрын тіректерге орналастырылды. Содан кейін, ішкі ламинаттар жасалған кезде, біз бұл қорғаныш қақпақтарды алып тастап, соңғы орау алдында тіректердің ұштарын қайта пішіндедік».
Топ әртүрлі қайта құру сценарийлерімен тәжірибе жасады. «Айналасына қарағандар ең жақсы жұмыс істейді», - дейді Грейс. «Сондай-ақ, прототиптеу кезеңінде біз жылуды қолдану және байлау шыбықтарының ұштарын қайта пішіндеу үшін модификацияланған дәнекерлеу құралын қолдандық. Жаппай өндіріс тұжырымдамасында сізде тіректердің барлық ұштарын бір уақытта ішкі әрлеу ламинатына айналдыра алатын бір үлкенірек құрал болады.»
Тартпа бастарының пішіні өзгертілді. TUM әртүрлі тұжырымдамалармен тәжірибе жасап, композиттік байланыстардың ұштарын резервуар қабырғасының ламинатына бекіту үшін туралау үшін дәнекерлеуді өзгертті. Сурет авторы: «Тіректері бар кубтық қысымды ыдыстарға арналған өндіріс процесін әзірлеу», Мюнхен техникалық университеті, Polymers4Hydrogen жобасы, ECCM20, 2022 жылғы маусым.
Осылайша, ламинат бірінші орау кезеңінен кейін қатайтылады, бағаналар қайта пішінделеді, TUM жіпшелердің екінші орамасын аяқтайды, содан кейін сыртқы резервуар қабырғасының ламинаты екінші рет қатайтылады. Бұл 5 типті резервуар дизайны екенін ескеріңіз, яғни оның газ тосқауылы ретінде пластикалық төсемі жоқ. Төмендегі «Келесі қадамдар» бөліміндегі талқылауды қараңыз.
«Біз алғашқы демонстрацияны көлденең қималарға бөліп, қосылған аймақты картаға түсірдік», - деді Глейс. «Жақыннан түсірілген суретте ламинаттың сапасына қатысты кейбір мәселелер болғаны, тірек бастарының ішкі ламинатқа тегіс жатпағаны көрсетілген».
Резервуардың ішкі және сыртқы қабырғаларының ламинаты арасындағы саңылауларға қатысты мәселелерді шешу. Модификацияланған байлау шыбығының басы эксперименттік резервуардың бірінші және екінші айналымдары арасында саңылау жасайды. Сурет авторы: Мюнхен техникалық университеті LCC.
Бұл бастапқы 450 x 290 x 80 мм резервуар өткен жазда салынып бітті. «Содан бері біз көп ілгерілеушілікке қол жеткіздік, бірақ ішкі және сыртқы ламинат арасында әлі де алшақтық бар», - деді Глейс. «Сондықтан біз сол алшақтықтарды таза, жоғары тұтқырлықтағы шайырмен толтыруға тырыстық. Бұл іс жүзінде шпилькалар мен ламинат арасындағы байланысты жақсартады, бұл механикалық кернеуді айтарлықтай арттырады».
Топ қажетті орама үлгісіне арналған шешімдерді қоса алғанда, резервуардың дизайнын және процесін әзірлеуді жалғастырды. «Сынақ резервуарының бүйірлері толықтай бұралмаған, себебі бұл геометрия үшін орама жолын жасау қиын болды», - деп түсіндірді Глейс. «Біздің бастапқы орама бұрышымыз 75° болды, бірақ біз бұл қысымды ыдыстағы жүктемені қанағаттандыру үшін бірнеше тізбек қажет екенін білдік. Біз әлі де бұл мәселенің шешімін іздеп жатырмыз, бірақ қазіргі уақытта нарықта бар бағдарламалық жасақтамамен бұл оңай емес. Бұл келесі жобаға айналуы мүмкін.
«Біз бұл өндіріс тұжырымдамасының орындылығын көрсеттік», - дейді Глайсс, «бірақ ламинат арасындағы байланысты жақсарту және байлау шыбықтарының пішінін өзгерту үшін одан әрі жұмыс істеуіміз керек. «Сынақ машинасында сыртқы сынақ. Сіз ламинаттан аралықтарды шығарып, сол қосылыстарға төтеп бере алатын механикалық жүктемелерді тексересіз».
Polymers4Hydrogen жобасының бұл бөлігі 2023 жылдың соңында аяқталады, сол уақытқа дейін Глейс екінші демонстрациялық резервуарды аяқтауды жоспарлап отыр. Қызығы, бүгінгі таңдағы конструкциялар жақтауда таза күшейтілген термопластиканы және резервуар қабырғаларында термосет композиттерін пайдаланады. Бұл гибридті тәсіл соңғы демонстрациялық резервуарда қолданыла ма? «Иә», - деді Грейс. «Polymers4Hydrogen жобасындағы серіктестеріміз сутегі тосқауылының қасиеттері жақсырақ эпоксидті шайырлар мен басқа да композиттік матрицалық материалдарды әзірлеуде». Ол осы жұмыста жұмыс істейтін екі серіктесті, PCCL және Тампере университетін (Тампере, Финляндия) тізімдейді.
Глейсс және оның командасы сонымен қатар Джейгермен LCC конформды композиттік резервуарынан алынған екінші HyDDen жобасы бойынша ақпарат алмасып, идеяларды талқылады.
«Біз зерттеу дрондарына арналған конформды композиттік қысымды ыдыс шығаратын боламыз», - дейді Джегер. «Бұл TUM аэроғарыштық және геодезиялық департаментінің екі бөлімі - LCC және Тікұшақ технологиясы департаменті (HT) арасындағы ынтымақтастық. Жоба 2024 жылдың соңына дейін аяқталады және біз қазіргі уақытта қысымды ыдысты аяқтап жатырмыз. Бұл аэроғарыштық және автомобильдік тәсілге көбірек ұқсайтын жоба. Бұл бастапқы тұжырымдама кезеңінен кейін келесі қадам - егжей-тегжейлі құрылымдық модельдеуді орындау және қабырға құрылымының кедергі өнімділігін болжау».
«Барлық идея гибридті отын элементі мен батареялық қозғалтқыш жүйесі бар зерттеу дронын жасауда», - деп жалғастырды ол. Ол батареяны жоғары қуатты жүктемелер кезінде (яғни ұшу және қону) пайдаланады, содан кейін жеңіл жүктеме кезінде отын элементіне ауысады. «HT тобында зерттеу дроны болды және батареялар мен отын элементтерін пайдалану үшін қозғалтқыш жүйесін қайта жобалады», - деді Йегер. «Олар сондай-ақ осы беріліс қорабын сынау үшін CGH2 багын сатып алды».
«Менің командама цилиндрлік бактың қаптамасындағы мәселелерге байланысты емес, сәйкес келетін қысымды бактың прототипін жасау тапсырылды», - деп түсіндіреді ол. «Жалпақ бак желге соншалықты төзімділік танытпайды. Осылайша сіз ұшу өнімділігін жақсартасыз». Бактың өлшемдері шамамен 830 x 350 x 173 мм.
Толығымен термопластикалық AFP үйлесімді резервуар. HyDDen жобасы үшін TUM-дағы LCC тобы бастапқыда Glace (жоғарыда) қолданған тәсілге ұқсас тәсілді зерттеді, бірақ содан кейін бірнеше құрылымдық модульдердің тіркесімін пайдаланатын тәсілге көшті, олар кейіннен AFP (төменде) көмегімен шамадан тыс пайдаланылды. Сурет авторы: Мюнхен техникалық университеті LCC.
«Бір идея Элизабет [Глайстың] тәсіліне ұқсас, - дейді Ягер, - «жоғары иілу күштерін өтеу үшін тамыр қабырғасына кергіш тіректерді қолдану». Дегенмен, резервуарды жасау үшін орау процесін қолданудың орнына біз AFP қолданамыз. Сондықтан біз сөрелер қазірдің өзінде біріктірілген қысымды ыдыстың бөлек бөлігін жасау туралы ойладық. Бұл тәсіл маған осы біріктірілген модульдердің бірнешеуін біріктіруге, содан кейін AFP соңғы орамасының алдында барлығын тығыздау үшін қақпақты қолдануға мүмкіндік берді».
«Біз мұндай тұжырымдаманы аяқтауға тырысып жатырмыз», - деп жалғастырды ол, «сонымен қатар, H2 газының енуіне қажетті төзімділікті қамтамасыз ету үшін материалдарды таңдауды сынақтан өткізе бастаймыз. Ол үшін біз негізінен термопластикалық материалдарды пайдаланамыз және материалдың AFP машинасындағы осы өткізгіштік мінез-құлқы мен өңдеуге қалай әсер ететіні туралы әртүрлі жұмыстар жүргізудеміз. Өңдеудің әсері болатынын және кейінгі өңдеу қажет пе екенін түсіну маңызды. Сондай-ақ, әртүрлі стектердің қысым ыдысы арқылы сутегінің өтуіне әсер ететінін білгіміз келеді».
Резервуар толығымен термопластиктен жасалады, ал жолақтарды Teijin Carbon Europe GmbH (Вупперталь, Германия) жеткізеді. «Біз олардың PPS [полифенилен сульфиді], PEEK [полиэфир кетоны] және LM PAEK [төмен балқитын полиарил кетоны] материалдарын пайдаланатын боламыз», - деді Ягер. «Содан кейін қайсысы енуден қорғау үшін ең жақсы екенін және жақсы өнімділікке ие бөлшектерді шығару үшін салыстырулар жүргізіледі». Ол келесі жылы сынақтан өткізуді, құрылымдық және технологиялық модельдеуді және алғашқы демонстрацияларды аяқтауға үміттенеді.
Зерттеу жұмысы Климаттың өзгеруі, қоршаған орта, энергетика, мобильділік, инновация және технологиялар жөніндегі федералды министрліктің және Сандық технологиялар және экономика жөніндегі федералды министрліктің COMET бағдарламасы аясында COMET «Polymers4Hydrogen» (ID 21647053) модулі аясында жүргізілді. Авторлар қатысушы серіктестерге Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL, Австрия), Montanuniversitaet Leoben (Полимер инженериясы және ғылымы факультеті, Полимер материалдарының химиясы кафедрасы, Материалтану және полимерлерді сынау кафедрасы), Тампере университетіне (Инженерлік материалдар факультеті), Science), Peak Technology және Faurecia компанияларына осы зерттеу жұмысына үлес қосқаны үшін алғыс білдіреді. COMET-Modul Австрия үкіметі мен Штирия штатының үкіметі қаржыландырады.
Жүк көтергіш құрылымдарға арналған алдын ала арматураланған парақтар тек әйнектен ғана емес, сонымен қатар көміртегі мен арамидтен де жасалған үздіксіз талшықтардан тұрады.
Композиттік бөлшектерді жасаудың көптеген жолдары бар. Сондықтан, белгілі бір бөлшек үшін әдісті таңдау материалға, бөлшектің дизайнына және соңғы қолданылуына немесе қолданылуына байланысты болады. Міне, таңдау бойынша нұсқаулық.
Shocker Composites және R&M International компаниялары қайта өңделген көміртекті талшық жеткізу тізбегін әзірлеуде, ол нөлдік союды қамтамасыз етеді, таза талшыққа қарағанда төмен бағамен және ақырында құрылымдық қасиеттері бойынша үздіксіз талшыққа жақындайтын ұзындықтарды ұсынады.
Жарияланған уақыты: 2023 жылғы 15 наурыз