BEV һәм FCEV өчен стандарт яссы платформалы резервуарларда термопластик һәм термосет композитлары кулланыла, алар каркас конструкциясенә 25% күбрәк H2 саклау мөмкинлеге бирә. #водород #тенденцияләре
BMW белән хезмәттәшлек кубик бакның берничә кечкенә цилиндрга караганда югарырак күләмле нәтиҗәлелек бирә алуын күрсәткәннән соң, Мюнхен Техник Университеты композит структура һәм серияле җитештерү өчен масштабланырлык җитештерү процессын эшләү проектын башлап җибәрде. Рәсем авторы: TU Dresden (өстә сулда), Мюнхен Техник Университеты, Углерод Композитлары Департаменты (LCC)
Нуль чыгарулы (H2) водород белән эшләүче ягулык элементлы электр машиналары (FCEV) нуль экологик максатларга ирешү өчен өстәмә чаралар бирә. H2 двигателе булган ягулык элементлы җиңел машина 5-7 минут эчендә тутырыла ала һәм 500 км ара үтә ала, ләкин хәзерге вакытта җитештерү күләме түбән булу сәбәпле кыйммәтрәк. Чыгымнарны киметүнең бер ысулы - BEV һәм FCEV модельләре өчен стандарт платформа куллану. Хәзерге вакытта бу мөмкин түгел, чөнки FCEVларда 700 бар басымда кысылган H2 газын (CGH2) саклау өчен кулланыла торган 4 нче типтагы цилиндрик баклар электр машиналары өчен җентекләп эшләнгән кузов астындагы аккумулятор бүлекләре өчен яраклы түгел. Ләкин, мендәрләр һәм кублар рәвешендәге басым савытлары бу яссы төрү урынына сыя ала.
1995 елда Thiokol Corp. тарафыннан бирелгән гариза (сулда) һәм 2009 елда BMW тарафыннан патентланган турыпочмаклы басымлы савыт (уңда) өчен "Композит конформ басымлы савыт" өчен US5577630A патенты.
Мюнхен Техник Университетының (TUM, Мюнхен, Германия) углерод композитлары кафедрасы (LCC) бу концепцияне эшләү өчен ике проектта катнаша. Беренчесе - Polymers4Hydrogen (P4H), аны Leoben Polymer Competence Center (PCCL, Леобен, Австрия) җитәкли. LCC эш пакетын стипендиат Элизабет Глейс җитәкли.
Икенче проект - Водородны күрсәтү һәм үстерү мохите (HyDDen), анда LCCны тикшеренүче Кристиан Йегер җитәкли. Икесе дә углерод җепселләре композитларын кулланып, яраклы CGH2 резервуарын ясау өчен җитештерү процессын киң күләмдә күрсәтүне максат итеп куя.
Кечкенә диаметрлы цилиндрлар яссы аккумулятор элементларына (сулда) һәм корыч капламалардан һәм углерод җепселләреннән/эпоксид композит тышкы кабыктан (уңда) ясалган кубик типтагы 2 нче басым савытларына урнаштырылганда, күләм нәтиҗәлелеге чикләнгән. Рәсем чыганагы: 3 һәм 6 нчы рәсемнәр Руф һәм Заремба һ.б. тарафыннан язылган "Эчке киеренкелек аяклары булган II типтагы басым тартмасы савыты өчен санлы проектлау ысулы"ннан алынган.
P4H термопластик рамлы, углерод җепселләре белән ныгытылган эпоксид белән төрелгән композит тартмалы каешлар/тергәкләр кулланылган эксперименталь куб багын ясады. HyDDen охшаш дизайн кулланачак, ләкин барлык термопластик композит бакларны җитештерү өчен автоматик җепсел катламын (AFP) кулланачак.
Thiokol Corp. патент гаризасыннан алып 1995 елгы “Композит конформаль басымлы савыт”ка кадәр, 1997 елгы DE19749950C2 немец патентына кадәр, кысылган газ савытлары “теләсә нинди геометрик конфигурациягә ия булырга мөмкин”, ләкин бигрәк тә яссы һәм дөрес булмаган формаларда, кабык терәгенә тоташкан куышлыкта. элементлар газ киңәю көченә каршы тора алырлык итеп кулланыла.
2006 елгы Лоуренс Ливермор милли лабораториясе (LLNL) мәкаләсендә өч ысул сурәтләнә: җепсел формасындагы конформ басым савыты, эчке орторомбик рәшәткә структурасын (2 см яки аннан да кечерәк кечкенә күзәнәкләр) үз эченә алган, юка стеналы H2 савыты белән әйләндереп алынган микрорәшәткә басым савыты, һәм ябыштырылган кечкенә өлешләрдән (мәсәлән, алты почмаклы пластик боҗралар) һәм юка тышкы кабык составыннан торган эчке структурадан торган репликатор савыты. Дубликат савытлар традицион ысулларны куллану авыр булган зуррак савытлар өчен иң яхшысы.
2009 елда Volkswagen тарафыннан бирелгән DE102009057170A патентында машинага урнаштырылган басымлы савыт сурәтләнә, ул югары авырлык нәтиҗәлелеген тәэмин итәчәк һәм урынны файдалануны яхшыртачак. Турыпочмаклы баклар ике каршы турыпочмаклы стена арасында тартылу тоташтыргычларын куллана, ә почмаклары түгәрәкләнгән.
Югарыда күрсәтелгән һәм башка концепцияләр Глейсс тарафыннан ECCM20 (26-30 июнь, 2022, Лозанна, Швейцария) сайтында Глейсс һ.б. тарафыннан бастырылган "Куб басымлы савытлар өчен процессны эшләү" мәкаләсендә китерелгән. Бу мәкаләдә ул Майкл Руф һәм Свен Заремба тарафыннан бастырылган TUM тикшеренүенә сылтама ясый, анда турыпочмаклы якларны тоташтыручы киеренкелек терәкләре булган куб басымлы савыт яссы батарея урынына сыя торган берничә кечкенә цилиндрга караганда нәтиҗәлерәк, якынча 25% күбрәк саклау урыны бирә дип табылган.
Глайс сүзләренчә, яссы корпуста күп санлы кечкенә 4 типтагы цилиндрлар урнаштыру проблемасы шунда ки, "цилиндрлар арасындагы күләм шактый кими, һәм системаның бик зур H2 газ үткәрү өслеге бар. Гомумән алганда, система куб банкаларга караганда азрак саклау сыйдырышлыгы бирә".
Шулай да, резервуарның кубик конструкциясендә башка проблемалар да бар. "Әлбәттә, кысылган газ аркасында, яссы стеналардагы бөгелә торган көчләргә каршы торырга кирәк", - диде Глайсс. "Моның өчен резервуар стеналарына эчке яктан тоташучы ныгытылган конструкция кирәк. Ләкин моны композит материаллар белән эшләү авыр."
Глейс һәм аның командасы басым савытына арматуралау тартмаларын җепсел урату процессы өчен яраклы итеп кертергә тырыштылар. "Бу зур күләмле җитештерү өчен мөһим", дип аңлата ул, "һәм шулай ук безгә зонадагы һәр йөкләнеш өчен җепсел юнәлешен оптимальләштерү өчен контейнер стеналарының урату схемасын эшләргә мөмкинлек бирә."
P4H проекты өчен кубиклы композит бак ясауның дүрт адымы. Рәсем авторы: “Контейнерлы кубик басымлы савытлар өчен җитештерү процессын эшләү”, Мюнхен техник университеты, Polymers4Hydrogen проекты, ECCM20, 2022 елның июне.
Чылбырлы тоташуга ирешү өчен, команда, югарыда күрсәтелгәнчә, дүрт төп баскычтан торган яңа концепция эшләде. Баскычларда кара төс белән күрсәтелгән тарту терәкләре - MAI Skelett проектыннан алынган ысуллар кулланып эшләнгән алдан әзерләнгән рам конструкциясе. Бу проект өчен BMW дүрт җепсел белән ныгытылган пултрузия таякларын кулланып, алгы пыяла рам "рамкасын" эшләде, аннары алар пластик рамга формалаштырылды.
Эксперименталь кубик бакның рамкасы. Алтыпочмаклы скелет кисемтәләре TUM тарафыннан ныгытылмаган PLA җепселләрен кулланып 3D бастырылган (өстә), CF/PA6 пултрузия таякчыкларын тарту кронштейннары буларак кертеп (уртада) һәм аннары җепселне кронштейннар тирәли урап алынган (аста). Рәсем авторы: Мюнхен техник университеты LCC.
"Идея шунда ки, сез кубик бакның рамкасын модульле конструкция буларак төзи аласыз", - диде Глейс. "Аннары бу модульләр формалаштыру коралына урнаштырыла, тарту терәкләре рам модульләренә урнаштырыла, аннары MAI Skelett ысулы терәкләр тирәли кулланыла, аларны рамка өлешләре белән берләштерү өчен." Күпләп җитештерү ысулы, нәтиҗәдә, аннары саклау бакның композит тышлыгын урау өчен мандрель яки үзәк буларак кулланыла торган конструкция барлыкка килә.
TUM резервуар рамкасын куб формасындагы "мендәр" итеп эшләде, аның яклары нык, почмаклары түгәрәкләнгән һәм өске һәм аскы өлешләрендә алты почмаклы бизәк бар, алар аша бәйләгечләр урнаштырып һәм беркетеп була. Бу стеллажлар өчен тишекләр дә 3D бастырылган. "Башлангыч эксперименталь резервуар өчен без алты почмаклы рам кисәкләрен полилактик кислота [PLA, био-нигезле термопластик] кулланып 3D бастырып чыгардык, чөнки бу җиңел һәм арзан иде", - диде Глейс.
Команда SGL Carbon (Майтинген, Германия) компаниясеннән 68 пультрудланган углерод җепселләре белән ныгытылган полиамид 6 (PA6) таякчыкларын бәйләгеч буларак куллану өчен сатып алды. "Концепцияне сынап карау өчен без бернинди калыплау белән дә шөгыльләнмәдек", ди Глайсс, "ә 3D бастырылган умарта корты үзәге рамкасына аралыклар керттек һәм аларны эпоксид җилем белән ябыштырдык. Аннары бу резервуарны урату өчен мандрель бирә." Ул бу таякчыкларны урату чагыштырмача җиңел булса да, соңрак тасвирланачак кайбер мөһим проблемалар барлыгын билгеләп үтә.
"Беренче этапта безнең максатыбыз конструкциянең җитештерүчәнлеген күрсәтү һәм җитештерү концепциясендәге проблемаларны ачыклау иде", - дип аңлатты Глайс. "Шулай итеп, тарту терәкләре скелет конструкциясенең тышкы өслегеннән чыгып тора, һәм без углерод җепселләрен бу үзәккә дымлы җепсел уратып беркетәбез. Шуннан соң, өченче адымда, без һәр бәйләү таякчыгы башын бөклибез. Термопластик, шуңа күрә без җылылык ярдәмендә башны үзгәртәбез, ул яссылана һәм беренче уратып алу катламына ныклап урнаша. Аннары без конструкцияне яңадан урабыз, шуңа күрә яссы этәрү башы геометрик рәвештә резервуар эчендә стеналарга ламинат белән каплана."
Урау өчен аралык капкачы. TUM җепселләрне урау вакытында җепселләрнең чатнашып китүен булдырмас өчен, тарту таякчыкларының очларында пластик капкачлар куллана. Рәсем авторы: Мюнхен техник университеты LCC.
Глейс бу беренче резервуарның концепциянең дәлиле булуын кабатлады. “3D бастыру һәм җилем куллану башлангыч сынаулар өчен генә иде һәм безгә очраган берничә проблема турында күзаллау бирде. Мәсәлән, ураганда, җепселләр тарту таякчыкларының очларына эләгеп, җепселләрнең ватылуына, җепселләргә зыян китерүенә һәм моңа каршы тору өчен җепсел күләмен киметүгә китерде. Без җитештерү ярдәме буларак берничә пластик капкач кулландык, алар беренче урату этабыннан алда баганаларга урнаштырылды. Аннары, эчке ламинатлар ясалганнан соң, без бу саклагыч капкачларны алып, соңгы урату алдыннан баганаларның очларын үзгәрттек.”
Команда төрле реконструкция сценарийлары белән экспериментлар үткәрде. "Әйләнә-тирәгә караган кешеләр иң яхшы эшли", ди Грейс. "Моннан тыш, прототиплаштыру этабында без җылылык бирү һәм бәйләү штангасы очларын үзгәртү өчен модификацияләнгән эретеп ябыштыру коралы кулландык. Күпләп җитештерү концепциясендә сездә бер зуррак корал булыр иде, ул терәкләрнең барлык очларын бер үк вакытта эчке бизәкле ламинатка әйләндерә һәм формалаштыра алыр иде."
Тарту рычагы башлары яңадан формалаштырылды. TUM төрле концепцияләр белән экспериментлар үткәрде һәм резервуар стена ламинатына беркетү өчен композит бәйләүләрнең очларын тигезләү өчен эретеп ябыштыру урыннарын үзгәртте. Рәсем авторы: “Куб басымлы савытлар өчен җитештерү процессын эшләү”, Мюнхен техник университеты, Polymers4Hydrogen проекты, ECCM20, 2022 елның июне.
Шулай итеп, ламинат беренче урату этабыннан соң катылана, баганаларның формасы үзгәртелә, TUM җепләрнең икенче уравын тәмамлый, аннары тышкы резервуар стенасы ламинаты икенче тапкыр катылана. Зинһар, игътибар итегез, бу 5 нче типтагы резервуар конструкциясе, димәк, аның газ киртә буларак пластик тышлыгы юк. Түбәндәге "Киләсе адымнар" бүлегендәге фикер алышуны карагыз.
"Без беренче демонстрацияне кисемтәләргә кистек һәм тоташкан өлкәне картага төшердек", - диде Глейс. "Якыннан караганда, ламинат белән сыйфат проблемалары булган, терәткеч башлары эчке ламинатка тигез түгел."
Бакның эчке һәм тышкы стеналары арасындагы бушлыклар белән бәйле проблемаларны чишү. Модификацияләнгән бәйләү штангасы башы эксперименталь бакның беренче һәм икенче борылышлары арасында бушлык булдыра. Рәсем авторы: Мюнхен техник университеты LCC.
Бу башлангыч 450 x 290 x 80 мм зурлыктагы резервуар узган җәйдә төзелеп бетте. "Шул вакыттан бирле без күп алга киттек, ләкин эчке һәм тышкы ламинат арасында әле дә бушлык бар", - диде Глейс. "Шуңа күрә без бу бушлыкларны чиста, югары ябышлылыктагы сумала белән тутырырга тырыштык. Бу, чынлыкта, шпилькалар һәм ламинат арасындагы тоташуны яхшырта, бу исә механик көчәнешне шактый арттыра."
Команда резервуар дизайнын һәм процессын эшләүне дәвам итте, шул исәптән теләгән урату схемасы өчен чишелешләр. "Сынау резервуарының ян-яклары тулысынча бөгелгән түгел иде, чөнки бу геометрия өчен урату юлы булдыру авыр иде", - дип аңлатты Глейс. "Безнең башлангыч урату почмагы 75° иде, ләкин без бу басым савытындагы йөкләнешне канәгатьләндерү өчен берничә схема кирәклеген белдек. Без әле дә бу проблемага чишелеш эзлибез, ләкин хәзерге вакытта базарда булган программа тәэминаты белән бу җиңел түгел. Бу өстәмә проект булырга мөмкин.
«Без бу җитештерү концепциясенең мөмкинлеген күрсәттек», - ди Глайсс, «ләкин безгә ламинат арасындагы тоташуны яхшырту һәм бәйләү таякчыкларының формасын үзгәртү өчен тагын да күбрәк эшләргә кирәк. «Сынау машинасында тышкы сынау. Сез ламинаттан аралыкларны чыгарасыз һәм бу тоташуларның нинди механик йөкләнешләргә чыдам булуын тикшерәсез».
Polymers4Hydrogen проектының бу өлеше 2023 елның ахырында тәмамланачак, шул вакытка Глейс икенче демонстрация резервуарын тәмамларга өметләнә. Кызыклысы шунда ки, бүгенге көндә конструкцияләрдә рамада чиста ныгытылган термопластиклар, ә резервуар стеналарында термосет композитлары кулланыла. Бу гибрид ысул соңгы демонстрация резервуарында кулланылачакмы? "Әйе", - диде Грейс. "Polymers4Hydrogen проектындагы партнерларыбыз эпоксид сумалалар һәм водород барьеры үзлекләре яхшырак булган башка композит матрица материаллары эшлиләр." Ул бу эш өстендә эшләүче ике партнерны күрсәтә: PCCL һәм Тампере Университеты (Тампере, Финляндия).
Глейсс һәм аның командасы шулай ук Jaeger белән LCC конформ композит резервуарыннан икенче HyDDen проекты буенча мәгълүмат алмаштылар һәм идеялар турында фикер алыштылар.
"Без тикшеренү дроннары өчен конформлы композит басымлы савыт җитештерәчәкбез", - ди Джегер. "Бу TUMның Аэрокосмик һәм геодезик бүлегенең ике бүлеге - LCC һәм Вертолет технологияләре бүлеге (HT) арасындагы хезмәттәшлек. Проект 2024 елның ахырына тәмамланачак, һәм без хәзерге вакытта басымлы савытны тәмамлыйбыз. Бу проект күбрәк аэрокосмик һәм автомобиль ысулына карый. Бу башлангыч концепция этабыннан соң, киләсе адым - җентекле структураль модельләштерү һәм стена структурасының киртә эшчәнлеген фаразлау."
«Бөтен идея - гибрид ягулык элементы һәм аккумуляторлы хәрәкәт системасы белән тикшеренү дроны эшләү», - дип дәвам итте ул. Ул югары куәтле йөкләнешләр вакытында (ягъни очыш һәм төшү) аккумуляторны кулланачак, аннары җиңел йөкләнешле круиз вакытында ягулык элементына күчәчәк. «HT командасында инде тикшеренү дроны бар иде һәм көч агрегатын аккумуляторларны да, ягулык элементларын да куллану өчен яңадан эшләделәр», - диде Йегер. «Алар шулай ук бу трансмиссияне сынау өчен CGH2 багын сатып алдылар».
"Минем командама басымлы бак прототибын төзү бурычы йөкләнде, ул туры килә, ләкин цилиндрик бак тудырачак төргәкләү проблемалары аркасында түгел", - дип аңлата ул. "Яссы бак җилгә каршы торучанлык бирми. Шулай итеп, сез яхшырак очыш күрсәткечләренә ирешәсез." Бакның үлчәмнәре якынча 830 x 350 x 173 мм.
Тулысынча термопластик AFP белән туры килә торган резервуар. HyDDen проекты өчен TUMдагы LCC командасы башта Glace (өстә) кулланган ысулга охшаш ысулны өйрәнде, ләкин аннары берничә структура модулен берләштергән ысулга күчте, алар аннары AFP (аста) кулланып артык кулланылды. Рәсем авторы: Мюнхен техник университеты LCC.
"Бер идея Элизабет [Глайс] ысулына охшаган", ди Ягер, "югары бөкләү көчләрен компенсацияләү өчен савыт стенасына тарту кронштейннарын кую. Ләкин, резервуар ясау өчен урату процессын куллану урынына, без AFP кулланабыз. Шуңа күрә без басым савытының аерым бүлеген булдыру турында уйладык, анда стеллажлар инде урнаштырылган. Бу ысул миңа бу интеграцияләнгән модульләрнең берничәсен берләштерергә һәм аннары AFPны соңгы урату алдыннан барысын да ябыштыру өчен капкач кулланырга мөмкинлек бирде."
«Без мондый концепцияне тәмамларга тырышабыз», - дип дәвам итте ул, «һәм шулай ук материаллар сайлауны сынап карый башлыйбыз, бу H2 газының үтеп керүенә кирәкле каршылыкны тәэмин итү өчен бик мөһим. Моның өчен без, нигездә, термопластик материаллар кулланабыз һәм материалның бу үтеп керү тәртибенә һәм AFP машинасында эшкәртүгә ничек тәэсир итүе өстендә эшлибез. Эшкәртүнең нәтиҗәсе булачакмы һәм аннан соң эшкәртү кирәкме икәнен аңлау мөһим. Шулай ук төрле катламнар басым савыты аша водородның үтеп керүенә тәэсир итәчәкме, юкмы икәнен белергә телибез».
Бак тулысынча термопластиктан ясалачак, ә тасмаларны Teijin Carbon Europe GmbH (Вупперталь, Германия) тәэмин итәчәк. "Без аларның PPS [полифенилен сульфиды], PEEK [полиэфир кетон] һәм LM PAEK [түбән эрүче полиарил кетон] материалларын кулланачакбыз", - диде Ягер. "Аннары кайсысы үтеп керүдән саклау өчен иң яхшы икәнен һәм яхшырак җитештерүчәнлекле детальләр җитештерү өчен чагыштырулар үткәрелә." Ул киләсе ел эчендә сынауларны, структура һәм процесс модельләштерүне һәм беренче демонстрацияләрне тәмамларга өметләнә.
Фәнни-тикшеренү эше Климат үзгәреше, әйләнә-тирә мохит, энергетика, мобильлек, инновацияләр һәм технологияләр буенча федераль министрлыкның һәм Цифрлы технологияләр һәм икътисад буенча федераль министрлыкның COMET программасы кысаларында COMETның "Polymers4Hydrogen" (ID 21647053) модуле кысаларында башкарылды. Авторлар катнашучы партнерларга Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL, Австрия), Montanuniversitaet Leoben (Полимер инженериясе һәм фәне факультеты, Полимер материаллары химиясе кафедрасы, Материаллар фәне һәм полимер сынаулары кафедрасы), Тампере университеты (Инженерлык материаллары факультеты), Science), Peak Technology һәм Faurecia компанияләре бу тикшеренү эшенә өлеш керткән өчен рәхмәт белдерәләр. COMET-Modul Австрия хөкүмәте һәм Штирия штаты хөкүмәте тарафыннан финанслана.
Йөк күтәрүче конструкцияләр өчен алдан ныгытылган битләр өзлексез җепселләрдән тора - пыяладан гына түгел, ә углерод һәм арамидтан да.
Композит детальләр ясауның күп ысуллары бар. Шуңа күрә, билгеле бер деталь өчен ысул сайлау материалга, детальнең дизайнына һәм кулланылышына бәйле булачак. Менә сайлау кулланмасы.
Shocker Composites һәм R&M International компанияләре кабат эшкәртелгән углерод җепселләре белән тәэмин итү чылбырын эшлиләр, ул нуль сою мөмкинлеген бирә, чиста җепселләргә караганда арзанрак һәм ахыр чиктә структурасы буенча өзлексез җепселгә якын озынлык тәкъдим итәчәк.
Бастырып чыгару вакыты: 2023 елның 15 марты