BEV жана FCEV үчүн стандарттуу жалпак платформалуу резервуарларда 25% көбүрөөк суутек сактоочу скелет конструкциясы бар термопластикалык жана термосеттик композиттер колдонулат. #суутек #тенденциялар
BMW менен кызматташуу кубдук бак бир нече кичинекей цилиндрлерге караганда жогорку көлөмдүк натыйжалуулукту камсыздай аларын көрсөткөндөн кийин, Мюнхен техникалык университети сериялык өндүрүш үчүн композиттик түзүлүштү жана масштабдуу өндүрүш процессин иштеп чыгуу долбоорун баштаган. Сүрөттүн автору: TU Dresden (жогорку солдо), Мюнхен техникалык университети, Көмүртек композиттери бөлүмү (LCC)
Нөлдүк эмиссиялуу (H2) суутек менен иштеген күйүүчү май клеткалуу электр унаалары (FCEV) нөлдүк экологиялык максаттарга жетүү үчүн кошумча каражаттарды берет. H2 кыймылдаткычы бар күйүүчү май клеткалуу жүргүнчү унаасын 5-7 мүнөттө толтурууга болот жана 500 км аралыкты басып өтүүгө болот, бирок учурда өндүрүш көлөмүнүн аздыгынан улам кымбатыраак. Чыгымдарды азайтуунун бир жолу - BEV жана FCEV моделдери үчүн стандарттуу платформаны колдонуу. Бул учурда мүмкүн эмес, анткени FCEVлерде 700 бар басымда кысылган H2 газын (CGH2) сактоо үчүн колдонулган 4-типтеги цилиндр формасындагы бактар электр унаалары үчүн кылдаттык менен иштелип чыккан астыңкы батарея бөлүмдөрүнө ылайыктуу эмес. Бирок, жаздык жана куб түрүндөгү басым идиштери бул жалпак таңгактоо мейкиндигине бата алат.
1995-жылы Thiokol Corp. тарабынан берилген өтүнмө (солдо) жана 2009-жылы BMW тарабынан патенттелген тик бурчтуу басымдуу идиш (оңдо) үчүн "Композиттик конформдук басым идиш" үчүн US5577630A патенти.
Мюнхен техникалык университетинин (TUM, Мюнхен, Германия) көмүртек композиттери кафедрасы (LCC) бул концепцияны иштеп чыгуу үчүн эки долбоорго катышып жатат. Биринчиси - Polymers4Hydrogen (P4H), аны Leoben Polymer Competence Center (PCCL, Леобен, Австрия) жетектейт. LCC жумушчу пакетин стипендиат Элизабет Глейс жетектейт.
Экинчи долбоор - суутекти көрсөтүү жана иштеп чыгуу чөйрөсү (HyDDen), анда LCCди изилдөөчү Кристиан Йегер жетектейт. Экөө тең көмүртек буласынын композиттерин колдонуу менен ылайыктуу CGH2 резервуарын жасоо үчүн өндүрүш процессинин кеңири масштабдуу демонстрациясын түзүүгө багытталган.
Кичинекей диаметрдеги цилиндрлер жалпак батарея элементтерине (солдо) жана болоттон жасалган каптамалардан жана көмүртек буласынан/эпоксиддик композиттик сырткы кабыктан (оңдо) жасалган куб түрүндөгү 2-типтеги басым идиштерине орнотулганда көлөмдүк натыйжалуулук чектелүү болот. Сүрөттүн булагы: 3 жана 6-сүрөттөр Руф жана Заремба ж.б. тарабынан жазылган "Ички чыңалуу буттары бар II типтеги басым кутучасынын идишин сандык долбоорлоо ыкмасынан" алынган.
P4H көмүртек буласы менен бекемделген эпоксиддик чайыр менен оролгон композиттик тартуучу боолору/төмөнкүлөрү бар термопластикалык алкакты колдонгон эксперименталдык кубдук резервуарды жасады. HyDDen ушул сыяктуу дизайнды колдонот, бирок бардык термопластикалык композиттик резервуарларды өндүрүү үчүн автоматтык була катмарын (AFP) колдонот.
Thiokol Corp. компаниясынын патенттик өтүнмөсүнөн тартып, 1995-жылы "Композиттик конформдук басым идишине" жана 1997-жылы DE19749950C2 немис патентине чейин, кысылган газ идиштери "каалаган геометриялык конфигурацияга" ээ болушу мүмкүн, бирок айрыкча жалпак жана туура эмес формадагы формалар, кабыктын таянычына туташкан көңдөйдө. элементтери газдын кеңейүү күчүнө туруштук бере ала тургандай кылып колдонулат.
2006-жылы чыккан Лоуренс Ливермор Улуттук Лабораториясынын (LLNL) макаласында үч ыкма сүрөттөлөт: жипче сымал оролгон конформдук басым идиш, жука дубалдуу H2 контейнери менен курчалган ички орторомбикалык торчо түзүлүшүн (2 см же андан аз кичинекей клеткаларды) камтыган микроторчо басым идиш жана чапталган кичинекей бөлүктөрдөн (мисалы, алты бурчтуу пластик шакекчелер) жана жука сырткы кабык кабыгынын курамынан турган ички түзүлүштөн турган репликатор идиш. Кайталанган идиштер салттуу ыкмаларды колдонуу кыйын болушу мүмкүн болгон чоңураак идиштер үчүн эң ылайыктуу.
Volkswagen тарабынан 2009-жылы берилген DE102009057170A патентинде унаага орнотулган басымдуу идиш сүрөттөлөт, ал салмактын жогорку натыйжалуулугун камсыз кылуу менен бирге мейкиндикти пайдаланууну жакшыртат. Тик бурчтуу резервуарлар эки тик бурчтуу карама-каршы дубалдын ортосунда тартылуучу туташтыргычтарды колдонот жана бурчтары тегеректелген.
Жогорудагы жана башка түшүнүктөр Глейсс тарабынан ECCM20 журналында (26-30-июнь, 2022-жыл, Лозанна, Швейцария) Глейсс жана башкалар тарабынан жарыяланган "Созулуу тилкелери бар куб басымдуу идиштер үчүн процессти иштеп чыгуу" аттуу макалада келтирилген. Бул макалада ал Майкл Руф жана Свен Заремба тарабынан жарыяланган TUM изилдөөсүнө шилтеме жасайт, анда тик бурчтуу капталдарын туташтырган тартылуу тирөөчтөрү бар куб басымдуу идиш жалпак батареянын мейкиндигине туура келген бир нече кичинекей цилиндрлерге караганда эффективдүү экени жана болжол менен 25% көбүрөөк сактоочу орун менен камсыз кылаары аныкталган.
Глайсстин айтымында, жалпак корпуска көп сандаган кичинекей 4-типтеги цилиндрлерди орнотуудагы көйгөй "цилиндрлердин ортосундагы көлөм бир топ азайып, системанын H2 газын өткөрүү бети да абдан чоң. Жалпысынан алганда, система кубдук банкаларга караганда азыраак сактоо сыйымдуулугун камсыз кылат".
Бирок, резервуардын кубдук конструкциясында башка көйгөйлөр да бар. «Албетте, кысылган газдын айынан жалпак дубалдардагы ийилүү күчтөрүнө каршы турушуңуз керек», - деди Глайсс. «Бул үчүн резервуардын дубалдарына ички жактан туташкан күчөтүлгөн конструкция керек. Бирок муну композиттер менен жасоо кыйын».
Глейс жана анын командасы басым идишине арматуралык чыңалуу тилкелерин жипче ороо процессине ылайыктуу түрдө киргизүүгө аракет кылышкан. «Бул көп көлөмдүү өндүрүш үчүн маанилүү», - деп түшүндүрөт ал, «ошондой эле бизге зонадагы ар бир жүктөм үчүн буланын багытын оптималдаштыруу үчүн контейнер дубалдарынын ороо схемасын иштеп чыгууга мүмкүндүк берет».
P4H долбоору үчүн кубдук композиттик резервуарды сыноо үчүн төрт кадам. Сүрөттүн автору: “Тирөөчтүү кубдук басымдагы идиштерди өндүрүү процессин иштеп чыгуу”, Мюнхен техникалык университети, Polymers4Hydrogen долбоору, ECCM20, 2022-жылдын июну.
Чынжырлуу байланышка жетүү үчүн, команда жогоруда көрсөтүлгөндөй, төрт негизги кадамдан турган жаңы концепцияны иштеп чыкты. Тепкичтерде кара түс менен көрсөтүлгөн тартылуучу тирөөчтөр - бул MAI Skelett долбоорунан алынган ыкмаларды колдонуу менен жасалган алдын ала даярдалган рамалык конструкция. Бул долбоор үчүн BMW төрт була менен бекемделген пултрузиялык таякчаларды колдонуп, алдыңкы айнектин рамкасынын "рамкасын" иштеп чыгып, андан кийин алар пластикалык рамкага калыпка салынган.
Эксперименталдык кубдук резервуардын алкагы. TUM тарабынан күчөтүлбөгөн PLA жипчесин (үстү) колдонуп, алты бурчтуу скелеттик кесимдер 3D басып чыгарылган, CF/PA6 пултрузиялык таякчалары тартылуучу трек катары киргизилген (ортодо) жана андан кийин жипче трекчелердин айланасына оролгон (төмөндө). Сүрөттүн автору: Мюнхен техникалык университети LCC.
«Идея кубдук резервуардын рамасын модулдук конструкция катары курууда», - деди Глейс. «Андан кийин бул модулдар калыптоо куралына жайгаштырылат, тартуу тирөөчтөрү рамка модулдарына жайгаштырылат, андан кийин тирөөчтөрдүн айланасында аларды рамканын бөлүктөрүнө бириктирүү үчүн MAI Skelett ыкмасы колдонулат». массалык өндүрүш ыкмасы, натыйжада андан кийин сактоочу резервуардын композиттик кабыгын ороо үчүн мандрел же өзөк катары колдонулган конструкция пайда болот.
TUM резервуардын алкагын бекем капталдары, тегеректелген бурчтары жана үстү жана асты жагында алты бурчтуу оймо-чиймеси бар куб формасындагы "жаздык" катары иштеп чыккан, ал аркылуу байлагычтарды киргизип жана бекитүүгө болот. Бул стеллаждардын тешиктери да 3D басып чыгарылган. "Баштапкы эксперименталдык резервуарыбыз үчүн биз алты бурчтуу алкактын кесилиштерин полилактин кислотасын [биологиялык негиздеги термопластик PLA] колдонуп 3D басып чыгардык, анткени бул оңой жана арзан болчу", - деди Глейс.
Команда SGL Carbon компаниясынан (Майтинген, Германия) байлагыч катары колдонуу үчүн 68 пультруддалган көмүртек буласы менен бекемделген полиамид 6 (PA6) таякчаларын сатып алды. «Концепцияны сынап көрүү үчүн биз эч кандай калыптоо иштерин жүргүзгөн жокпуз», - дейт Глайсс, «жөн гана аралыктарды 3D басып чыгарылган уячанын өзөгүнүн алкагына салып, аларды эпоксиддик желим менен чаптадык. Андан кийин бул резервуарды ороо үчүн мандрелди камсыз кылат». Ал бул таякчаларды ороо салыштырмалуу оңой болгону менен, кийинчерээк сүрөттөлө турган бир катар олуттуу көйгөйлөр бар экенин белгилейт.
«Биринчи этапта биздин максатыбыз конструкциянын өндүрүштүк жарамдуулугун көрсөтүү жана өндүрүш концепциясындагы көйгөйлөрдү аныктоо болчу», - деп түшүндүрдү Глайсс. «Ошентип, тартылуу тирөөчтөрү скелеттик конструкциянын сырткы бетинен чыгып турат жана биз көмүртек булаларын бул өзөккө нымдуу жипче оромосун колдонуп бекитебиз. Андан кийин, үчүнчү кадамда, биз ар бир байлоочу таякчанын башын бүгөбүз. термопластикалык, ошондуктан биз жөн гана жылуулукту колдонуп, башын жалпак кылып, биринчи ороо катмарына бекитип коёбуз. Андан кийин биз конструкцияны кайрадан ороп баштайбыз, ошондо жалпак түртүү башы дубалдарга ламинат менен геометриялык түрдө жабылат.»
Ороо үчүн аралык капкак. TUM жипче ороо учурунда булалардын чаташып кетишине жол бербөө үчүн тартылуучу таякчалардын учуна пластик капкактарды колдонот. Сүрөттүн автору: Мюнхен техникалык университети LCC.
Глейс бул биринчи резервуар концепциянын далили болгонун кайталады. «3D басып чыгаруу жана желимди колдонуу баштапкы сыноо үчүн гана болгон жана биз туш болгон бир нече көйгөйлөр жөнүндө түшүнүк берди. Мисалы, ороо учурунда жипчелер тартылуучу таякчалардын учтарына илинип калып, буланын сынышына, буланын бузулушуна жана мунун алдын алуу үчүн буланын көлөмүнүн азайышына алып келген. Биз өндүрүш каражаттары катары бир нече пластик капкактарды колдондук, алар биринчи ороо кадамынан мурун мамыларга коюлган. Андан кийин, ички ламинаттар жасалганда, биз бул коргоочу капкактарды алып салып, акыркы ороодон мурун мамылардын учтарын кайра формага келтирдик».
Команда ар кандай реконструкция сценарийлери менен эксперимент жүргүздү. «Айлананы караган адам эң жакшы иштейт», - дейт Грейс. «Ошондой эле, прототиптөө этабында биз жылуулукту колдонуу жана байлоочу таякчанын учтарын кайра формага келтирүү үчүн өзгөртүлгөн ширетүүчү куралды колдондук. Массалык өндүрүш концепциясында сизде тирөөчтөрдүн бардык учтарын бир эле учурда ички жасалгалоочу ламинатка айландыра турган бир чоңураак курал болот».
Тартуучу рычагдын баштарынын формасы өзгөртүлдү. TUM ар кандай концепциялар менен эксперимент жүргүзүп, резервуардын дубал ламинатына бекитүү үчүн композиттик байланыштардын учтарын тегиздөө үчүн ширетүүчү жерлерди өзгөрттү. Сүрөттүн автору: “Кубикалык басымдагы идиштерди тирөөч менен өндүрүү процессин иштеп чыгуу”, Мюнхен техникалык университети, Polymers4Hydrogen долбоору, ECCM20, 2022-жылдын июну.
Ошентип, ламинат биринчи ороо кадамынан кийин кургатылып, мамылар кайра формага келтирилет, TUM жипчелердин экинчи ороосун аяктайт, андан кийин резервуардын сырткы дубалынын ламинаты экинчи жолу кургатылып бүтөт. Бул 5-типтеги резервуардын дизайны экенин эске алыңыз, башкача айтканда, анын газ тосмосу катары пластикалык каптамасы жок. Төмөндөгү "Кийинки кадамдар" бөлүмүндөгү талкууну караңыз.
«Биз биринчи демонстрацияны кесилиштерге бөлүп, туташкан аймакты картага түшүрдүк», - деди Глейс. «Жакындан тартылган сүрөт ламинат менен сапат маселелерине туш болгонун көрсөтүп турат, тирөөчтөрдүн баштары ички ламинатка тегиз жатпайт».
Резервуардын ички жана сырткы дубалдарынын ламинатынын ортосундагы боштуктар менен көйгөйлөрдү чечүү. Модификацияланган байлоочу штанга башы эксперименталдык резервуардын биринчи жана экинчи бурулуштарынын ортосунда боштук жаратат. Сүрөттүн булагы: Мюнхен техникалык университети LCC.
Бул баштапкы 450 x 290 x 80 мм өлчөмүндөгү резервуар өткөн жайда бүткөрүлгөн. «Ошондон бери биз бир топ ийгиликтерге жетиштик, бирок ички жана тышкы ламинаттын ортосунда дагы эле боштук бар», - деди Глейс. «Ошондуктан биз ал боштуктарды таза, жогорку илешкектүүлүккө ээ чайыр менен толтурууга аракет кылдык. Бул чындыгында шпилькалар менен ламинаттын ортосундагы байланышты жакшыртат, бул механикалык чыңалууну бир топ жогорулатат».
Команда каалаган ийрүү схемасы үчүн чечимдерди камтыган резервуардын дизайнын жана процессин иштеп чыгууну улантты. "Сыноо резервуарынын капталдары толук ийилген эмес, анткени бул геометрия үчүн ийрүү жолун түзүү кыйын болгон", - деп түшүндүрдү Глейс. "Биздин баштапкы ийрүү бурчубуз 75° болгон, бирок биз бул басым идишиндеги жүктөмдү канааттандыруу үчүн бир нече схемалар керек экенин билгенбиз. Биз дагы эле бул көйгөйгө чечим издеп жатабыз, бирок учурда рынокто бар программалык камсыздоо менен бул оңой эмес. Бул кийинки долбоорго айланышы мүмкүн.
«Биз бул өндүрүш концепциясынын ишке ашыруу мүмкүнчүлүгүн көрсөттүк», - дейт Глайсс, «бирок ламинаттын ортосундагы байланышты жакшыртуу жана байлоочу таякчалардын формасын өзгөртүү үчүн андан ары иштешибиз керек. «Сыноочу машинада тышкы сыноо. Сиз аралыктарды ламинаттан чыгарып, ал муундар көтөрө ала турган механикалык жүктөмдөрдү текшересиз».
Polymers4Hydrogen долбоорунун бул бөлүгү 2023-жылдын аягында бүткөрүлөт, ошол убакытка чейин Глейс экинчи демонстрациялык резервуарды бүтүрүүнү үмүттөнөт. Кызыгы, бүгүнкү күндө конструкцияларда рамада тыкан күчөтүлгөн термопластиктер жана резервуардын дубалдарында термосеттик композиттер колдонулат. Бул гибриддик ыкма акыркы демонстрациялык резервуарда колдонулабы? "Ооба", - деди Грейс. "Polymers4Hydrogen долбоорундагы өнөктөштөрүбүз суутек тосмо касиеттери жакшыраак болгон эпоксиддик чайырларды жана башка композиттик матрицалык материалдарды иштеп чыгууда". Ал бул иште иштеген эки өнөктөштү, PCCL жана Тампере университетин (Тампере, Финляндия) санап өттү.
Глейсс жана анын командасы ошондой эле LCC конформдук композиттик резервуарынан алынган экинчи HyDDen долбоору боюнча маалымат алмашып, идеяларды талкуулашты.
«Биз изилдөө дрондору үчүн конформдук композиттик басымдуу идиш чыгарабыз», - дейт Йегер. «Бул TUMдун Аэрокосмостук жана геодезиялык департаментинин – LCC – эки бөлүмүнүн жана Тик учак технологиялары департаментинин (HT) кызматташтыгы. Долбоор 2024-жылдын аягына чейин аяктайт жана биз учурда басымдуу идиштин курулушун аяктап жатабыз. Бул долбоор көбүнчө аэрокосмостук жана автомобиль ыкмасына окшош. Бул баштапкы концепция этабынан кийин, кийинки кадам - деталдуу структуралык моделдөөнү жүргүзүү жана дубал конструкциясынын тосмо иштешин алдын ала айтуу».
«Бардык идея гибриддик отун клеткасы жана батарея кыймылдаткыч системасы бар изилдөөчү дронду иштеп чыгууда», - деп улантты ал. Ал жогорку кубаттуулуктагы жүктөмдөр учурунда (б.а. учуу жана конуу) батареяны колдонот, андан кийин жеңил жүктөлгөн круиздик учуу учурунда отун клеткасына өтөт. «HT командасынын изилдөөчү дрону мурунтан эле бар болчу жана алар батареяларды да, отун клеткаларын да колдонуу үчүн кыймылдаткычты кайра иштеп чыгышкан», - деди Йегер. «Алар ошондой эле бул трансмиссияны сыноо үчүн CGH2 багын сатып алышкан».
«Менин командама цилиндр формасындагы цистернадан улам келип чыккан таңгактоо көйгөйлөрүнөн улам эмес, туура келген басымдуу цистернанын прототибин куруу тапшырылган», - деп түшүндүрөт ал. «Жалпак цистерна шамалга анчалык туруктуулукту сунуштабайт. Ошентип, сиз учуу көрсөткүчтөрүн жакшыраак аласыз». Цистернанын өлчөмдөрү болжол менен 830 x 350 x 173 мм.
Толугу менен термопластикалык AFP шайкеш келген резервуар. HyDDen долбоору үчүн TUMдагы LCC командасы башында Glace (жогоруда) колдонгон ыкмага окшош ыкманы изилдеген, бирок андан кийин бир нече структуралык модулдардын айкалышын колдонгон ыкмага өткөн, алар кийинчерээк AFP (төмөндө) колдонуу менен ашыкча колдонулган. Сүрөттүн автору: Мюнхен техникалык университети LCC.
«Бир идея Элизабеттин [Глайсстин] ыкмасына окшош», - дейт Ягер, «жогорку ийилүү күчтөрүн компенсациялоо үчүн идиштин дубалына тартуу кашектерин колдонуу». Бирок, резервуарды жасоо үчүн ороо процессин колдонуунун ордуна, биз AFP колдонобуз. Ошондуктан, биз басым идишинин өзүнчө бөлүгүн түзүүнү ойлондук, анда стеллаждар мурунтан эле интеграцияланган. Бул ыкма мага ушул интеграцияланган модулдардын бир нечесин бириктирип, андан кийин акыркы AFP ороосуна чейин баарын жабуу үчүн капкакты колдонууга мүмкүндүк берди».
«Биз мындай концепцияны аягына чыгарууга аракет кылып жатабыз», - деп улантты ал, «ошондой эле материалдарды тандоону сынап көрүүнү баштайбыз, бул H2 газынын сиңүүсүнө зарыл болгон туруктуулукту камсыз кылуу үчүн абдан маанилүү. Бул үчүн биз негизинен термопластикалык материалдарды колдонобуз жана материалдын бул сиңүү жүрүм-турумуна жана AFP машинасында иштетүүгө кандай таасир этерин ар кандай жолдор менен иштеп жатабыз. Иштетүүнүн таасири болобу жана андан кийинки иштетүү талап кылынабы же жокпу, түшүнүү маанилүү. Ошондой эле, ар кандай стектердин басым идиш аркылуу суутектин сиңүүсүнө таасир этерин билгибиз келет».
Бак толугу менен термопластиктен жасалат, ал эми тилкелерди Teijin Carbon Europe GmbH (Вупперталь, Германия) жеткирет. «Биз алардын PPS [полифенилен сульфиди], PEEK [полиэфир кетону] жана LM PAEK [аз эрүүчү полиарил кетон] материалдарын колдонобуз», - деди Ягер. «Андан кийин кайсынысы кирүүдөн коргоо үчүн эң жакшы экенин жана жакшыраак иштөөчү тетиктерди өндүрүү үчүн салыштыруулар жүргүзүлөт». Ал кийинки жылдын ичинде сыноолорду, структуралык жана процесстик моделдөөнү жана алгачкы демонстрацияларды аяктоону үмүттөнөт.
Изилдөө иштери Климаттын өзгөрүшү, айлана-чөйрө, энергетика, мобилдүүлүк, инновация жана технология боюнча федералдык министрлигинин жана Санариптик технологиялар жана экономика боюнча федералдык министрлигинин COMET программасынын алкагында COMETтин "Polymers4Hydrogen" (ID 21647053) модулунун алкагында жүргүзүлдү. Авторлор бул изилдөө ишине салым кошкон катышуучу өнөктөштөргө Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL, Австрия), Montanuniversitaet Leoben (Полимер инженериясы жана илими факультети, Полимер материалдарынын химиясы кафедрасы, Материал таануу жана полимерлерди сыноо кафедрасы), Тампере университетине (Инженердик материалдар факультети), Science), Peak Technology жана Faurecia компанияларына ыраазычылык билдиришет. COMET-Modul Австрия өкмөтү жана Штирия штатынын өкмөтү тарабынан каржыланат.
Жүк көтөрүүчү конструкциялар үчүн алдын ала арматураланган барактар үзгүлтүксүз булаларды камтыйт – айнектен гана эмес, көмүртектен жана арамидден да.
Композиттик тетиктерди жасоонун көптөгөн жолдору бар. Ошондуктан, белгилүү бир тетик үчүн ыкманы тандоо материалга, тетиктин дизайнына жана акыркы колдонулушуна же колдонулушуна жараша болот. Бул жерде тандоо боюнча колдонмо берилген.
Shocker Composites жана R&M International компаниялары кайра иштетилген көмүртек буласынын жеткирүү чынжырын иштеп чыгууда, ал нөлдүк союуну камсыз кылат, таза булага караганда арзаныраак жана акырында структуралык касиеттери боюнча үзгүлтүксүз булага жакын узундуктарды сунуштайт.
Жарыяланган убактысы: 2023-жылдын 15-марты