Стандартныя танкі з плоскай платформай для BEVS і FCEV выкарыстоўваюць тэрмапластычныя і тэрмасетныя кампазіты з канструкцыяй шкілета, што забяспечвае 25% больш H2. #hydrogen #trends
Пасля супрацоўніцтва з BMW паказала, што кубічны рэзервуар можа забяспечыць больш высокую аб'ёмную эфектыўнасць, чым некалькі невялікіх цыліндраў, тэхнічны універсітэт Мюнхена распачаў праект па распрацоўцы кампазітнай структуры і маштабаванага працэсу вытворчасці для серыйнай вытворчасці. Крэдыт на малюнак: Ту Дрэздэн (уверсе) злева), Мюнхенскі тэхнічны універсітэт, кафедра вугляроду (LCC)
Электрычныя транспартныя сродкі (FCEVS), якія працуюць з дапамогай ZERO-EMISSION (H2), забяспечваюць дадатковыя сродкі для дасягнення нулявых экалагічных мэтаў. Пазбавак паліўных элементаў з рухавіком H2 можна запоўніць за 5-7 хвілін і мае дыяпазон 500 км, але ў цяперашні час даражэй з-за нізкіх аб'ёмаў вытворчасці. Адзін са спосабаў скараціць выдаткі - гэта выкарыстанне стандартнай платформы для мадэляў BEV і FCEV. У цяперашні час гэта немагчыма, таму што цыліндрычныя бакі тыпу 4, якія выкарыстоўваюцца для захоўвання сціснутага газу H2 (CGH2) у 700 бар у FCEVS, не падыходзяць для аддзяленняў для батарэі, якія былі старанна распрацаваны для электрамабіляў. Аднак посуд пад ціскам у выглядзе падушак і кубікаў можа ўпісвацца ў гэтую плоскую ўпаковачную прастору.
Патэнт US5577630A для "кампазітнага судна ціску", пададзеную Thiokol Corp. у 1995 годзе (злева) і прамавугольны посуд ціску, запатэнтаваны BMW у 2009 годзе (справа).
Дэпартамент вугляродных кампазітаў (LCC) Мюнхенскага універсітэта (TUM, Мюнхен, Германія) удзельнічае ў двух праектах па распрацоўцы гэтай канцэпцыі. Першы - Polymers4Hydrogen (P4H), які ўзначальвае Цэнтр кампетэнтнасці палімера Leoben (PCCL, Leoben, Аўстрыя). Працоўны пакет LCC узначальвае таварыш Элізабэт Глэс.
Другі праект - гэта асяроддзе дэманстрацыі і развіцця вадароду (Hydden), дзе LCC кіруе даследчыкам Крысціянам Ягер. Абодва імкнуцца стварыць маштабную дэманстрацыю вытворчага працэсу для вырабу падыходнага танка CGH2 з выкарыстаннем кампазітаў з вугляродных валокнаў.
Існуе абмежаваная аб'ёмная эфектыўнасць, калі ўсталёўваюцца цыліндры малога дыяметра ў плоскіх клетках батарэі (злева) і кубічныя пасудзіны ціску тыпу 2, вырабленыя са сталёвых укладышаў і вугляродная валакна/эпаксідная кампазітная знешняя абалонка (справа). Крыніца выявы: Малюнкі 3 і 6 - з "Лікавы падыход да канструкцыі для посуду ціску тыпу II з унутранымі нацяжнымі нагамі" RUF і Zaremba et al.
P4H вырабіў эксперыментальны кубічны рэзервуар, які выкарыстоўвае тэрмапластычную рамку з кампазітнымі рамянямі/рамянямі/стойкамі, загорнутымі ў эпаксіднае ўзмацненне вугляродных валокнаў. Hydden будзе выкарыстоўваць аналагічны дызайн, але будзе выкарыстоўваць аўтаматычную макет валакна (AFP) для вырабу ўсіх тэрмапластычных кампазітных танкаў.
Ад заяўкі на патэнт Thiokol Corp. да "кампазітнага канформнага пад ціскам" у 1995 годзе да нямецкага патэнта DE1974950C2 у 1997 годзе сціснутыя газавыя пасудзіны "могуць мець нейкую геаметрычную канфігурацыю", але асабліва плоскія і нерэгулярныя формы, у паражніне, звязанай з падтрымкай абалонкі. Элементы выкарыстоўваюцца такім чынам, каб яны маглі супрацьстаяць сіле пашырэння газу.
У дакуменце Нацыянальнай лабараторыі Lawrence Livermore (LLNL) апісаны тры падыходы: ніткавая рана, канформная пад ціскам, посуд мікралатычнага ціску, які змяшчае ўнутраную артархамбічную структуру рашоткі (невялікія клеткі з 2 см і менш), акружаны тонкай шалоннай кантэйнера H2, і кантэйнер-рэплікатар, які складаецца з унутранай структуры, якая складаецца з клееванага злёгку, які складаецца з клееванага злёгку, які складаецца з клееванага руляванага, які складаецца з клееванага рамонта, эг, эг. і склад тонкай знешняй абалонкі. Дублікаты кантэйнераў лепш за ўсё падыходзяць для вялікіх кантэйнераў, дзе традыцыйныя метады могуць быць складанымі.
Патэнт DE102009057170A, пададзены Volkswagen у 2009 годзе, апісвае судна пад ціскам, які забяспечыць высокую эфектыўнасць вагі пры паляпшэнні выкарыстання прасторы. Прамавугольныя рэзервуары выкарыстоўваюць раздымы напружання паміж дзвюма прамавугольнымі супрацьлеглымі сценамі, а куты закругленыя.
Вышэйапісаныя і іншыя паняцці прыводзяцца Gleiss у дакуменце "Развіццё працэсу для кубічных пад ціскаў з расцяжкамі" Gleiss et al. у ECCM20 (26-30 чэрвеня 2022 г., Лазана, Швейцарыя). У гэтым артыкуле яна спасылаецца на даследаванне TUM, апублікаванае Майклам Рюф і Свенам Зарэмбай, якое выявіла, што кубічны посуд ціску з нацяжнымі стойкамі, якія злучаюць прамавугольныя бакі, больш эфектыўныя, чым некалькі невялікіх балонаў, якія ўпісваюцца ў прастору плоскай батарэі, што забяспечвае прыблізна 25% больш. месца для захоўвання.
Па словах Gleiss, праблема ўстаноўкі вялікай колькасці невялікіх цыліндраў тыпу 4 у роўным выпадку заключаецца ў тым, што "аб'ём паміж цыліндрамі значна зніжаецца, а ў сістэме таксама вельмі вялікая паверхня пранікання H2. У цэлым сістэма забяспечвае меншую ёмістасць, чым кубічныя банкі ".
Аднак ёсць і іншыя праблемы з кубічным дызайнам танка. "Відавочна, што з -за сціснутага газу трэба супрацьстаяць сілам выгібу на плоскіх сценах", - сказаў Глейс. "Для гэтага вам патрэбна ўзмоцненая канструкцыя, якая ўнутрана злучаецца са сценамі рэзервуара. Але гэта цяжка зрабіць з кампазітамі ".
Glace і яе каманда паспрабавалі ўключыць узмацняючыя нацяжныя брускі ў пасудзіну ціску такім чынам, каб падысці для працэсу абмоткі ніткі. "Гэта важна для вытворчасці з вялікім аб'ёмам,-тлумачыць яна,-а таксама дазваляе нам распрацаваць намотную карціну сцен кантэйнера для аптымізацыі арыентацыі на абалоніну для кожнай нагрузкі ў зоне."
Чатыры крокі, каб зрабіць пробны кубічны кампазітны танк для праекта P4H. Крэдыт на выяве: "Распрацоўка вытворчага працэсу для кубічных пад ціскам з дужкі", Мюнхенскі тэхнічны універсітэт, Polymers4Hydrogen Project, ECCM20, чэрвень 2022 года.
Каб дасягнуць ланцуга, каманда распрацавала новую канцэпцыю, якая складаецца з чатырох асноўных этапаў, як паказана вышэй. Напружаныя стойкі, паказаныя ў чорным колеры на прыступках, уяўляюць сабой зборную структуру рамы, вырабленую з выкарыстаннем метадаў, узятых з праекта Mai Skelett. Для гэтага праекта BMW распрацаваў каркаснае шкла "рамка" з выкарыстаннем чатырох узмоцненых валокнамі Pultrusion, якія потым былі сфарміраваны ў пластыкавую рамку.
Каркас эксперыментальнага кубічнага рэзервуара. Шасцікутныя шкілетныя ўчасткі 3D, надрукаваныя TUM, выкарыстоўваючы неармаваную нітку PLA (уверсе), устаўляючы CF/PA6 Pultrusion Rods у выглядзе падцяжкі нацяжэння (у сярэдзіне), а затым абкручваючы ніткі вакол брекетаў (унізе). Крэдыт на малюнак: Тэхнічны універсітэт Мюнхена LCC.
"Ідэя заключаецца ў тым, што вы можаце пабудаваць кадр кубічнага рэзервуара як модульную структуру", - сказаў Глэс. "Затым гэтыя модулі змяшчаюцца ў інструмент для ліцця, нацяжныя стойкі размяшчаюцца ў кадравых модулях, а затым метад Mai Skelett выкарыстоўваецца вакол стойкі для інтэграцыі іх з частак рамы". Спосаб масавай вытворчасці, у выніку чаго канструкцыя, якая затым выкарыстоўваецца ў якасці мэты або ядра, каб абгарнуць кампазітную абалонку танка для захоўвання.
TUM распрацаваў каркас рэзервуара як кубічную "падушкі" з цвёрдымі бакамі, закругленымі кутамі і шасцігранным малюнкам зверху і знізу, праз якія сувязі можна ўставіць і прымацаваць. Адтуліны для гэтых стэлажоў таксама былі надрукаваны 3D. "Для нашага першапачатковага эксперыментальнага рэзервуара мы 3D раздрукаваныя шасцігранныя рамкі з выкарыстаннем полилактиновой кіслаты [PLA, бія-тэрмапластыкі на аснове бія), таму што гэта было лёгка і танна",-сказаў Глэс.
Каманда набыла 68 штыфтаў, узмоцненых вугляродным валокнам 6 (PA6) з SGL Carbon (Meitingen, Германія) для выкарыстання ў якасці сувязяў. "Каб праверыць гэтую канцэпцыю, мы не рабілі ніякага ліцця, - кажа Глейс, - але проста ўстаўлены пракладкі ў 3D -друкаваны сотавы кадр і прыляпіў іх эпаксідным клеем. Затым гэта забяспечвае загад аб намове рэзервуара ". Яна адзначае, што, хоць гэтыя стрыжні адносна лёгка, ёсць некаторыя значныя праблемы, якія будуць апісаны пазней.
"На першым этапе нашай мэтай было прадэманстраваць выраб дызайну і вызначыць праблемы ў вытворчай канцэпцыі", - растлумачыў Глейс. "Такім чынам, напружанне выступае ад знешняй паверхні шкілетнай структуры, і мы прымацоўваем вугляродныя валокны да гэтага ядра, выкарыстоўваючы вільготную нітку. Пасля гэтага, на трэцім этапе, мы сагнулі галаву кожнага стрыжня. Тэрмапластычны, таму мы проста выкарыстоўваем цяпло, каб перарабіць галаву так, каб яна разгладзілася і закрывала першы пласт абгорткі. Затым мы зноў пераходзім да абгорткі структуры, каб у рэзервуар была закрытая плоская цяга. Ламінат на сценах.
Пракладка для абмоткі. TUM выкарыстоўвае пластыкавыя шапкі на канцах напружання стрыжняў, каб пазбегнуць заблытанасці валакна падчас абмоткі нітак. Крэдыт на малюнак: Тэхнічны універсітэт Мюнхена LCC.
Glace яшчэ раз падкрэсліў, што гэты першы танк быў доказам канцэпцыі. "Выкарыстанне 3D -друку і клею было толькі для першапачатковага тэсціравання і дало нам уяўленне пра некалькі праблем, з якімі мы сутыкнуліся. Напрыклад, падчас абмоткі ніткі былі злоўлены канцамі нацяжэння стрыжняў, выклікаючы паломку валакна, пашкоджанне абалоніны і памяншаючы колькасць абалоніны для супрацьдзеяння гэтаму. Мы выкарыстоўвалі некалькі пластыкавых шапак у якасці вытворчых дапаможнікаў, якія былі размешчаны на слупах перад першай крокам абмоткі. Затым, калі былі зроблены ўнутраныя ламінаты, мы выдалілі гэтыя ахоўныя шапкі і перарабілі канцы палюс да канчатковага абкручвання ".
Каманда эксперыментавала з рознымі сцэнарыямі рэканструкцыі. "Тыя, хто азіраецца, працуюць лепш", - кажа Грэйс. "Акрамя таго, падчас фазы прататыпавання мы выкарыстоўвалі мадыфікаваны інструмент зваркі для нанясення цяпла і перабудовы канца стрыжня. У канцэпцыі масавага вытворчасці ў вас будзе адзін большы інструмент, які можа адначасова фарміраваць і сфармаваць усе канцы стойкі ў аздабленне інтэр'еру. . "
Галавы розыгрышы змяніліся. TUM эксперыментаваў з рознымі канцэпцыямі і змяніў зваркі, каб выраўнаваць канцы кампазітных сувязей для мацавання ламінату на сценкі рэзервуара. Крэдыт на выяве: "Распрацоўка вытворчага працэсу для кубічных пад ціскам з дужкі", Мюнхенскі тэхнічны універсітэт, Polymers4Hydrogen Project, ECCM20, чэрвень 2022 года.
Такім чынам, ламінат вылечваецца пасля першай этапы абмоткі, слупы змяняюцца, TUM завяршае другую абмотку нітак, а потым ламінат знешняй рэзервуара вылечваецца другі раз. Звярніце ўвагу, што гэта дызайн танка тыпу 5, а значыць, у яго няма пластыкавай лайнера ў якасці газавага бар'ера. Глядзіце дыскусію ў наступным раздзеле ніжэй.
"Мы перарэзалі першую дэманстрацыю на перасеках і адлюстравалі падлучаную вобласць", - сказаў Глэс. "Буйным планам паказвае, што ў нас былі праблемы з ламінатам, а галоўкі стойкі не кладуць на ўнутраную ламінат".
Рашэнне праблем з прабеламі паміж ламінатам унутранай і знешняй сценкі рэзервуара. Мадыфікаваная галоўка стрыжня стварае разрыў паміж першым і другім паваротамі эксперыментальнага рэзервуара. Крэдыт на малюнак: Тэхнічны універсітэт Мюнхена LCC.
Гэты першапачатковы рэзервуар 450 х 290 х 80 мм быў завершаны мінулым летам. "З тых часоў мы дасягнулі вялікага прагрэсу, але ў нас усё яшчэ ёсць разрыў паміж інтэр'ерам і знешнім ламінатам", - сказаў Глэс. "Такім чынам, мы паспрабавалі запоўніць гэтыя прабелы чыстай, высокай глейкасцю смалы. Гэта фактычна паляпшае сувязь паміж шпількамі і ламінатам, што значна павялічвае механічнае напружанне ".
Каманда працягвала распрацоўваць дызайн і працэс рэзервуара, уключаючы рашэнні для патрэбнага абмоткі. "Бакі тэставага рэзервуара не былі цалкам скручаны, таму што гэтай геаметрыі было складана стварыць звілісты шлях", - растлумачыў Глэс. "Наш першапачатковы кут абмоткі склаў 75 °, але мы ведалі, што для задавальнення нагрузкі ў гэтым пад ціскавым посудзе неабходна некалькі схем. Мы па -ранейшаму шукаем рашэнне гэтай праблемы, але з праграмным забеспячэннем у цяперашні час на рынку гэта няпроста. Гэта можа стаць наступным праектам.
"Мы прадэманстравалі мэтазгоднасць гэтай вытворчай канцэпцыі, - кажа Глейс, - але нам трэба яшчэ больш працаваць, каб палепшыць сувязь паміж ламінатам і перарабіць стрыжні. "Знешняе тэставанне на выпрабавальнай машыне. Вы выцягваеце пракладкі з ламінату і правяраеце механічныя нагрузкі, якія могуць вытрымліваць гэтыя суставы ".
Гэтая частка праекта Polymers4Hydrogen будзе завершана ў канцы 2023 года, да гэтага часу Глейс спадзяецца завяршыць другі дэманстрацыйны танк. Цікава, што канструкцыі сёння выкарыстоўваюць акуратныя ўзмоцненыя тэрмапластыкі ў кадры і кампазіцыі тэрмарэх у сценках рэзервуараў. Ці будзе выкарыстоўвацца гэты гібрыдны падыход у фінальным дэманстрацыйным баку? "Так", - сказала Грэйс. "Нашы партнёры ў праекце Polymers4Hydrogen распрацоўваюць эпаксідныя смалы і іншыя кампазітныя матрычныя матэрыялы з лепшымі ўласцівасцямі вадароду". Яна пералічвае двух партнёраў, якія працуюць над гэтай працай, PCCL і Універсітэта Тамперэ (Тамперэ, Фінляндыя).
Gleiss і яе каманда таксама абмяняліся інфармацыяй і абмяркоўвалі ідэі з Jaeger на другім праекце Hydden з Conformal Tank LCC.
"Мы будзем вырабляць канформ -кампазітны пад ціскам для навукова -даследчых беспілотнікаў", - кажа Ягер. "Гэта супрацоўніцтва паміж двума дэпартаментамі аэракасмічнага і геадэзічнага аддзела TUM - LCC і Дэпартаментам верталётаў (HT). Праект будзе завершаны да канца 2024 года, і мы ў цяперашні час завяршаем судна з ціскам. Дызайн, які з'яўляецца больш аэракасмічным і аўтамабільным падыходам. Пасля гэтага першапачатковага этапу канцэпцыі наступным этапам з'яўляецца выкананне дэталёвага структурнага мадэлявання і прагназавання бар'ернай эфектыўнасці структуры сцен ".
"Уся ідэя складаецца ў тым, каб распрацаваць даследчы беспілотнік з гібрыднымі паліўнымі элементамі і сістэмай руху батарэі", - працягнуў ён. Ён будзе выкарыстоўваць акумулятар падчас нагрузкі на высокую магутнасць (г.зн. узлёт і пасадка), а затым пераключыцца на паліўныя элементы падчас круізу лёгкай нагрузкі. "У камандзе HT ужо была даследчы беспілотнік і перапрацавала сілавы агрэгат для выкарыстання батарэй, і паліўных элементаў", - сказаў Егер. "Яны таксама набылі танк CGH2 для праверкі гэтай перадачы".
"Мая каманда атрымала задачу пабудаваць прататып рэзервуара, які б адпавядаў, але не з -за праблем упакоўкі, якія стварыў бы цыліндрычны рэзервуар", - тлумачыць ён. "Ліслівы рэзервуар не прапануе столькі ветру. Такім чынам, вы атрымаеце больш высокія паказчыкі палёту ". Памеры рэзервуара прыблізна. 830 х 350 х 173 мм.
Цалкам тэрмапластычны танк, які адпавядае AFP. Для праекта Hydden каманда LCC у TUM першапачаткова вывучала аналагічны падыход да таго, які выкарыстоўваецца Glace (вышэй), але потым перайшла да падыходу, выкарыстоўваючы спалучэнне некалькіх структурных модуляў, якія потым былі выкарыстаны з дапамогай AFP (ніжэй). Крэдыт на малюнак: Тэхнічны універсітэт Мюнхена LCC.
"Адна ідэя падобная на падыход Элізабэт [Глейс]", - кажа Ягер, - каб нанесці нацяжныя брекеты да сцяны судна, каб кампенсаваць высокія сілы выгібу. Аднак, замест таго, каб выкарыстоўваць працэс абмоткі для вырабу рэзервуара, мы выкарыстоўваем AFP. Таму мы думалі пра стварэнне асобнага раздзела пасудзіны ціску, у якім стойкі ўжо інтэграваны. Такі падыход дазволіў мне аб'яднаць некалькі гэтых інтэграваных модуляў, а потым нанёс канцавую вечка, каб запячатаць усё да канчатковай абмоткі AFP ".
"Мы спрабуем дапрацаваць такую канцэпцыю", - працягнуў ён, - а таксама пачаць тэставанне выбару матэрыялаў, што вельмі важна, каб забяспечыць неабходную ўстойлівасць да пранікнення газу H2. Для гэтага мы ў асноўным выкарыстоўваем тэрмапластычныя матэрыялы і працуем над рознымі, як матэрыял паўплывае на гэтае паводзіны і апрацоўку ў машыне AFP. Важна разумець, ці будзе лячэнне мець эфект і калі патрабуецца якая-небудзь пасля апрацоўкі. Мы таксама хочам ведаць, ці паўплываюць розныя стэкі пранікання вадароду праз пасудзіну ціску ".
Рэзервуар будзе цалкам зроблены з тэрмапластыкі, а палоскі будуць пастаўляцца Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Германія). "Мы будзем выкарыстоўваць іх PPS [поліфенілен сульфід], Peek [Polyether Ketone] і LM Paek [нізкарослы полиарыл кетон]", - сказаў Ягер. "Затым праводзяцца параўнанні, каб даведацца, які з іх лепш для абароны пранікнення і вырабу дэталяў з лепшай працаздольнасцю". Ён спадзяецца прайсці тэставанне, структурнае і працэсы мадэлявання і першыя дэманстрацыі на працягу наступнага года.
Даследчая праца была праведзена ў рамках модуля Comet "Polymers4Hydrogen" (ID 21647053) у рамках праграмы Каметы Федэральнага міністэрства клімату, навакольнага асяроддзя, энергіі, мабільнасці, інавацый і тэхналогій і Федэральнага міністэрства лічбавых тэхналогій і эканомікі. . Аўтары падзякуюць Цэнтру палімернай кампетэнтнасці партнёраў Leoben GmbH (PCCL, Аўстрыя), Montanuniversitaet Leoben (факультэт палімернай тэхнікі і навукі, Дэпартамент хіміі палімерных матэрыялаў, кафедра матэрыялаў і палімерных выпрабаванняў), Універсітэт Тампер (выкладчыцкія матэрыялы інжынерных матэрыялаў). ) Навука), пікавыя тэхналогіі і Faurecia спрыялі гэтай даследчай працы. Камета-модул фінансуецца ўрадам Аўстрыі і ўрадам штата Стырыя.
Папярэдне ўзмоцненыя лісты для нагрузачных структур утрымліваюць бесперапынныя валокны-не толькі са шкла, але і ад вугляроду і араміда.
Існуе мноства спосабаў зрабіць кампазітныя дэталі. Такім чынам, выбар метаду для пэўнай часткі будзе залежаць ад матэрыялу, дызайну часткі і канчатковага выкарыстання альбо прыкладання. Вось інструкцыя па выбары.
Socker Composites і R&M International распрацоўваюць перапрацаваную ланцужок паставак вугляродных валокнаў, якая забяспечвае нулявы забойства, меншы кошт, чым Virgin Fiber, і ў канчатковым выніку прапануюць даўжыню, якія набліжаюцца да бесперапынных абалоніны ў структурных уласцівасцях.
Час паведамлення: сакавік-15-2023