BEVs жана FCEVs үчүн стандарттуу жалпак платформалуу резервуарлар скелет конструкциясы менен термопластикалык жана термосеттик композиттерди колдонушат, бул H2 25% көбүрөөк сактоону камсыз кылат. #суутек #тенденциялары
BMW менен кызматташуу куб бак бир нече кичинекей цилиндрлерге караганда көбүрөөк көлөмдүү эффективдүүлүктү көрсөтө аларын көрсөткөндөн кийин, Мюнхен техникалык университети сериялык өндүрүш үчүн композиттик структураны жана масштабдуу өндүрүш процессин иштеп чыгуу долбоорун ишке ашыра баштады. Сүрөттүн кредити: ТУ Дрезден (жогорку) сол), Мюнхен техникалык университети, көмүртектүү композиттер бөлүмү (LCC)
Нөлдүк (Н2) суутек менен иштеген күйүүчү май клеткасынын электр унаалары (FCEVs) экологиялык нөлдүк максаттарга жетүү үчүн кошумча каражаттарды камсыз кылат. Н2 кыймылдаткычы бар күйүүчү май клеткалуу жеңил унааны 5-7 мүнөттө толтурса болот жана 500 км аралыкка жетет, бирок азыркы учурда өндүрүштүн көлөмү аз болгондуктан кымбатыраак. Чыгымдарды азайтуунун бир жолу - BEV жана FCEV моделдери үчүн стандарттык платформаны колдонуу. Бул учурда мүмкүн эмес, анткени FCEVлерде кысылган H2 газын (CGH2) 700 барда сактоо үчүн колдонулган 4-типтеги цилиндрдик цистерналар электр унаалары үчүн кылдаттык менен иштелип чыккан корпустун астындагы аккумулятордук бөлүмдөр үчүн ылайыктуу эмес. Бирок, жаздык жана куб түрүндөгү басым идиштер бул жалпак таңгак мейкиндигине бата алат.
1995-жылы Thiokol Corp. тарабынан берилген өтүнмө (солдо) жана 2009-жылы BMW тарабынан патенттелген тик бурчтуу басым идишке патент US5577630A "Композиттик Конформалдык басымдагы идиш" үчүн.
Бул концепцияны иштеп чыгуу үчүн Мюнхен техникалык университетинин (ТУМ, Мюнхен, Германия) Көмүртектүү композиттер департаменти (LCC) эки долбоорго тартылган. Биринчиси - Leoben Polymer Competence Center (PCCL, Леобен, Австрия) жетектеген Polymers4Hydrogen (P4H). LCC иш пакетин Элизабет Глэйс жетектейт.
Экинчи долбоор - Суутек көрсөтүү жана өнүктүрүү чөйрөсү (HyDDen), анда LCC изилдөөчү Кристиан Джегер жетектейт. Экөө тең көмүртектүү була композиттерин колдонуу менен ылайыктуу CGH2 цистернасын жасоо үчүн өндүрүш процессинин масштабдуу демонстрациясын түзүүнү көздөйт.
Чакан диаметри цилиндрлер жалпак аккумулятордук клеткаларга орнотулганда (солдо) жана болоттон жасалган лайнерлерден жана көмүртек буласынан/эпоксиддик композиттүү сырткы кабыктан (оңдо) жасалган 2-типтеги басымдуу идиштерге орнотулганда көлөмдүк эффективдүүлүк чектелген. Сүрөт булагы: 3 жана 6-сүрөттөр Руф жана Заремба ж.
P4H көмүртек буласы менен бекемделген эпоксидге оролгон композиттик чыңалуу кайыштары/струттары бар термопластикалык алкакты колдонгон эксперименталдык куб резервуарын ойлоп чыгарды. HyDDen окшош конструкцияны колдонот, бирок бардык термопластикалык композиттик резервуарларды өндүрүү үчүн автоматтык була катмарын (AFP) колдонот.
Thiokol Corp. патенттик өтүнмөсүнөн 1995-жылы "Композиттик Конформалдык басымдуу идишке" 1997-жылы Германиянын DE19749950C2 патентине чейин, кысылган газ идиштери "кандайдыр бир геометриялык конфигурацияга ээ болушу мүмкүн", бирок өзгөчө жалпак жана туура эмес формада, кабык таянычына туташкан көңдөйдө. . элементтер газдын кеңейүү күчүнө туруштук бере ала тургандай кылып колдонулат.
2006-жылы Лоуренс Ливермор Улуттук Лабораториясы (LLNL) кагазы үч ыкманы сүрөттөйт: жиптен жараланган конформалык басым идиш, ичке дубалдуу H2 контейнери менен курчалган ички орторомбиялык тор түзүмүн камтыган микролаттикалык басым идиш (2 см же андан аз кичинекей клеткалар), жана чапталган кичинекей бөлүктөрдөн (мисалы, алты бурчтуу пластик шакекчелер) жана ичке сырткы кабык терисинин курамынан турган ички түзүлүштөн турган репликатордук идиш. Кайталанма контейнерлер салттуу ыкмаларды колдонуу кыйынга турган чоңураак контейнерлер үчүн эң ылайыктуу.
2009-жылы Фольксваген тарабынан берилген DE102009057170A патенти мейкиндикти пайдаланууну жакшыртуу менен бирге жогорку салмактын эффективдүүлүгүн камсыз кыла турган унаага орнотулган басымдуу идишти сүрөттөйт. Тик бурчтуу танктар эки тик бурчтуу карама-каршы дубалдын ортосундагы чыңалуу бириктиргичтерин колдонушат жана бурчтары тегеректелген.
Жогорудагы жана башка түшүнүктөр Глейс тарабынан келтирилген "Стреч барлары бар куб басымдуу идиштер үчүн процессти өнүктүрүү" Gleiss et al. ECCM20 (26-30-июнь, 2022, Лозанна, Швейцария). Бул макалада ал Майкл Руф жана Свен Заремба тарабынан жарыяланган TUM изилдөөсүнө шилтеме жасап, тик бурчтуу капталдарын бириктирген чыңалуу тирөөчтөрү бар куб басымдуу идиш жалпак батареянын мейкиндигине туура келген бир нече кичинекей цилиндрлерге караганда эффективдүүрөөк экенин аныктаган жана болжол менен 25 % көбүрөөк. сактоо мейкиндиги.
Глайстын айтымында, жалпак корпуска көп сандагы чакан типтеги 4 баллондорду орнотуу көйгөйү «цилиндрлердин ортосундагы көлөм абдан азайып, системанын H2 газынын өтө чоң өтүүчү бети бар. Жалпысынан алганда, система куб банкаларга караганда азыраак сактоо сыйымдуулугун камсыз кылат.
Бирок, резервуардын кубунун конструкциясында башка көйгөйлөр бар. "Албетте, кысылган газдын айынан жалпак дубалдардагы ийилүүчү күчтөргө каршы туруу керек" деди Глейс. «Бул үчүн резервуардын дубалдары менен ички туташтырылган арматураланган конструкция керек. Бирок композиттер менен муну жасоо кыйын».
Глэйс жана анын командасы басым идишке бекемдөөчү чыңалуу тилкелерин жипти ороп коюу процессине ылайыктуу кылып киргизүүгө аракет кылышкан. "Бул чоң көлөмдөгү өндүрүш үчүн маанилүү," деп түшүндүрөт ал, "ошондой эле, зонадагы ар бир жүк үчүн була багытын оптималдаштыруу үчүн контейнер дубалдарынын оролуу үлгүсүн иштеп чыгууга мүмкүндүк берет."
P4H долбоору үчүн сынамык куб композиттик резервуарды жасоо үчүн төрт кадам. Кредиттик сүрөт: “Бросс менен куб басымдуу идиштер үчүн өндүрүш процессин иштеп чыгуу”, Мюнхен техникалык университети, Polymers4Hydrogen долбоору, ECCM20, июнь 2022.
Чынжырга жетүү үчүн, команда жогоруда көрсөтүлгөндөй, төрт негизги кадамдан турган жаңы концепцияны иштеп чыкты. Кадамдарда кара түстө көрсөтүлгөн чыңалуу тирөөчтөрү MAI Skelett долбоорунан алынган ыкмаларды колдонуу менен даярдалган курама кадр түзүмү болуп саналат. Бул долбоор үчүн BMW төрт була менен бекемделген пултрузия таякчаларын колдонуу менен алдыңкы айнектин рамкасын иштеп чыккан, андан кийин алар пластикалык рамкага калыптанган.
Эксперименталдык кубдук резервуардын рамкасы. Алты бурчтуу скелет бөлүмдөрү 3D TUM тарабынан бекемделбеген PLA жипти (жогорку) колдонуп, CF/PA6 пультрузия таякчаларын чыңалуу кашаалары катары (ортодо) салып, анан жипти кашааларга (төмөндө) ороп басып чыгарган. Сүрөт кредити: Мюнхен техникалык университети LCC.
"Идея сиз кубдук резервуардын рамкасын модулдук түзүлүш катары кура аласыз" деди Глейс. "Андан кийин бул модулдар калыптоочу шайманга жайгаштырылат, чыңалуу тирөөчтөрү кадрдын модулдарына жайгаштырылат, анан MAI Скелеттин ыкмасы аларды рамка бөлүктөрү менен бириктирүү үчүн струттордун айланасында колдонулат." массалык өндүрүш ыкмасы, натыйжада түзүмүн, андан кийин сактоочу танк курама кабык ороп үчүн мандренанын же өзөк катары колдонулат.
TUM резервуардын рамкасын кубик "жаздык" катары, капталдары тегеректелген, үстү жана асты алты бурчтуу оюм-чийим катары иштеп чыккан, ал аркылуу галстуктарды салып, бекитүүгө болот. Бул стеллаждар үчүн тешиктер да 3D басып чыгарылган. "Биздин алгачкы эксперименталдык резервуарыбыз үчүн биз полилактикалык кислотаны [PLA, био негизделген термопластика] менен 3D басып чыгарган алты бурчтуу алкак бөлүмдөрүн басып чыгардык, анткени бул жеңил жана арзан болчу", - деди Глейс.
Команда галстук катары колдонуу үчүн SGL Carbon компаниясынан (Мейтинген, Германия) 68 68 пультруддуу көмүр буласы менен бекемделген полиамид 6 (PA6) таякчаларын сатып алды. «Концепцияны сынап көрүү үчүн биз эч кандай калыпка салган жокпуз,— дейт Глейс,— жөн гана 3D басып чыгарылган бал челектин өзөк алкагына размерлерди киргизип, эпоксиддик клей менен чаптадык. Бул андан кийин резервуарды ороп туруу үчүн мандрелди камсыз кылат. Ал белгилегендей, бул таякчалар шамалга салыштырмалуу оңой болгону менен, кээ бир олуттуу көйгөйлөр бар, алар кийинчерээк баяндалат.
"Биринчи этапта биздин максатыбыз дизайндын өндүрүшкө жөндөмдүүлүгүн көрсөтүү жана өндүрүш концепциясындагы көйгөйлөрдү аныктоо болчу", - деп түшүндүрдү Глейс. "Ошентип, чыңалуу тирөөчтөрү скелет структурасынын сырткы бетинен чыгып турат жана биз көмүртек булаларын нымдуу жип орогусу менен бул өзөккө бекитебиз. Андан кийин үчүнчү кадамда ар бир байлагычтын башын ийебиз. термопластик, ошондуктан биз жөн гана жылуулукту баштын формасын өзгөртүү үчүн колдонобуз, ошондо ал тегиз болуп, ороонун биринчи катмарына бекитилет. Андан кийин биз түзүмдү кайра ороп, жалпак түртүүчү башы геометриялык түрдө резервуардын ичине камайбыз. дубалдарына ламинат.
Ороо үчүн боштук капкак. TUM жипти ороп жатканда жипчелердин чаташып кетишине жол бербөө үчүн чыңалуу таякчаларынын учунда пластикалык капкактарды колдонот. Сүрөт кредити: Мюнхен техникалык университети LCC.
Глейс бул биринчи танк концепциянын далили экенин кайталады. «3D басып чыгарууну жана клейди колдонуу алгачкы тестирлөө үчүн гана болгон жана биз кабылган көйгөйлөрдүн бир нечеси жөнүндө түшүнүк берген. Мисалы, ороп жатканда жиптер чыңалуу таякчаларынын учу менен кармалып, була үзүлүп, жипченин бузулушуна алып келет жана буга каршы туруу үчүн жипчелердин санын азайтат. биринчи орогучка чейин мамыларга орнотулган бир нече пластик капкактарды өндүрүшкө жардам катары колдондук. Андан соң ички ламинаттарды жасап жатканда, биз бул коргоочу капкактарды алып салдык жана акыркы орогонго чейин мамылардын учуларынын формасын өзгөрттүк.
Команда реконструкциялоонун ар кандай сценарийлери менен эксперимент жүргүзгөн. Грейс: «Айланага көз чаптыргандар эң жакшы иштешет», - дейт. «Ошондой эле прототиптөө этабында биз модификацияланган ширетүү куралын колдонуп, жылуулукту колдондук жана галстуктун учуларынын формасын өзгөрттүк. Массалык өндүрүш концепциясында, сизде бир эле учурда струттордун бардык учтарын ички жасалгалоочу ламинат кылып түзө турган чоңураак курал болот. . ”
Тарткычтын баштары өзгөртүлдү. TUM ар кандай концепциялар менен эксперимент жасап, ширетүүчү жерлерди резервуардын дубалынын ламинатына бекитүү үчүн композиттик байланыштардын учтарын тегиздөө үчүн өзгөрттү. Кредиттик сүрөт: “Бросс менен куб басымдуу идиштер үчүн өндүрүш процессин иштеп чыгуу”, Мюнхен техникалык университети, Polymers4Hydrogen долбоору, ECCM20, июнь 2022.
Ошентип, ламинат биринчи орогуч кадамынан кийин айыктырат, мамылар кайра калыптанат, TUM жипчелердин экинчи ороосун бүтүрөт, андан кийин сырткы резервуар дубалынын ламинат экинчи жолу айыгат. Сураныч, бул 5 типтеги резервуардын дизайны, демек, анда газ тосмо катары пластикалык лайнер жок. Төмөндөгү Кийинки кадамдар бөлүмүндөгү талкууну караңыз.
"Биз биринчи демонстрацияны кесилиштерге бөлүп, туташкан аймактын картасын түздүк" деди Глейс. "Жакындан пландоо бизде ламинаттын сапаты боюнча кандайдыр бир көйгөйлөр бар экенин көрсөтүп турат, анын баштары ички ламинаттын үстүнө тегиз салынбай калган."
Танктын ички жана тышкы дубалдарынын ламинаттарынын ортосундагы боштуктар менен көйгөйлөрдү чечүү. Өзгөртүлгөн галстук башы эксперименталдык резервуардын биринчи жана экинчи бурулуштарынын ортосунда боштук жаратат. Сүрөт кредити: Мюнхен техникалык университети LCC.
Бул баштапкы 450 x 290 x 80 мм танк өткөн жайда аяктаган. "Андан бери биз көп ийгиликтерге жетиштик, бирок бизде ички жана сырткы ламинаттын ортосунда дагы эле ажырым бар", - деди Глейс. «Ошентип, биз ал боштуктарды таза, жогорку илешкектүү чайыр менен толтурууга аракет кылдык. Бул чындыгында шпилькалар менен ламинаттын ортосундагы байланышты жакшыртат, бул механикалык стрессти бир топ жогорулатат.
Команда резервуардын дизайнын жана процессин иштеп чыгууну улантты, анын ичинде каалаган орогуч үлгүсү үчүн чечимдер. "Сыноочу танктын капталдары толук ийилген эмес, анткени бул геометрия үчүн ийри жолду түзүү кыйын болгон", - деп түшүндүрдү Глейс. «Биздин баштапкы орогуч бурчубуз 75° болчу, бирок биз бул басым идиштеги жүктү канааттандыруу үчүн бир нече схемалар керек экенин билчүбүз. Биз дагы эле бул маселени чечүү жолун издеп жатабыз, бирок азыр рынокто программалык камсыздоо менен бул оңой эмес. Бул кийинки долбоор болуп калышы мүмкүн.
«Биз бул өндүрүштүк концепциянын ишке ашуусун көрсөттүк, - дейт Глейс, - бирок ламинаттын ортосундагы байланышты жакшыртуу жана галстук таякчалардын формасын өзгөртүү үчүн дагы иштешибиз керек. «Сыноочу машинада тышкы тестирлөө. Сиз ламинаттан бөлгүчтөрдү чыгарып, ал муундар туруштук бере ала турган механикалык жүктөрдү сынап көрүңүз.
Polymers4Hydrogen долбоорунун бул бөлүгү 2023-жылдын аягында бүтөт, ал убакта Глейс экинчи демонстрациялык танкты бүтүрүүгө үмүттөнөт. Кызыктуусу, бүгүнкү күндө конструкцияларда рамкада тыкан бекемделген термопластика жана резервуардын дубалдарында термосеталык композиттер колдонулат. Бул гибриддик ыкма акыркы демонстрациялык танкта колдонулабы? – Ооба, – деди Грейс. "Polymers4Hydrogen долбоорундагы биздин өнөктөштөрүбүз эпоксиддик чайырларды жана башка композиттик матрицалык материалдарды жакшыраак суутек тосмо касиеттери менен иштеп чыгууда." Ал бул иш боюнча иштеген эки өнөктөштү тизмелейт, PCCL жана Тампере университети (Тампере, Финляндия).
Глейс жана анын командасы ошондой эле маалымат алмашып, Jaeger менен LCC конформалдык композиттик резервуардан экинчи HyDDen долбоору боюнча идеяларды талкуулашты.
"Биз изилдөө дрондору үчүн конформдуу композиттик басым идиш чыгарабыз" дейт Джегер. «Бул ТУМдун Аэрокосмостук жана геодезиялык департаментинин эки бөлүмүнүн ортосундагы кызматташтык - LCC жана Вертолет технологиясы департаменти (HT). Долбоор 2024-жылдын аягына чейин бүтөт жана биз учурда басымдуу идишти бүтүрүп жатабыз. аэрокосмостук жана автомобиль мамилеси көбүрөөк болгон дизайн. Бул алгачкы концепция баскычынан кийин, кийинки кадам деталдуу структуралык моделдештирүү жана дубал структурасынын тоскоолдук көрсөткүчтөрүн болжолдоо болуп саналат.
"Бардык идея гибриддик күйүүчү май клеткасы жана аккумулятордук кыймылдаткыч системасы менен чалгындоочу учкучсуз учакты иштеп чыгуу болуп саналат", - деп улантты ал. Ал аккумуляторду чоң кубаттуулуктагы жүктөрдө (б.а. учуу жана конуу) колдонот, андан кийин жеңил жүк менен крейсердик сапарда күйүүчү май клеткасына өтөт. "HT командасы мурунтан эле изилдөө учкучсуз болгон жана батарейкаларды жана күйүүчү май клеткаларын да колдонуу үчүн күч түзүмүн кайра иштеп чыккан" деди Йегер. "Ошондой эле алар бул өткөргүчтү сыноо үчүн CGH2 танкын сатып алышкан."
"Менин командама басымдуу резервуардын прототибин куруу тапшырмасы берилген, бирок цилиндрдик резервуар жарата турган таңгактоо маселелеринен эмес", - деп түшүндүрөт ал. «Жашылыраак резервуар шамалга анчалык туруштук бере албайт. Ошентип, сиз учуунун жакшы көрсөткүчүнө ээ болосуз." Танк өлчөмдөрү болжол менен. 830 x 350 x 173 мм.
Толугу менен термопластикалык AFP ылайыктуу танк. HyDDen долбоору үчүн, TUMдагы LCC командасы алгач Glace колдонгон ыкмага окшош ыкманы изилдеген (жогоруда), бирок кийинчерээк AFP (төмөндө) аркылуу ашыкча колдонулган бир нече структуралык модулдардын айкалышын колдонуу менен мамилеге өттү. Сүрөт кредити: Мюнхен техникалык университети LCC.
«Бир идея Элизабеттин [Глайстын] ыкмасына окшош, - дейт Йагер, - ийилүүчү күчтөрдүн ордун толтуруу үчүн идиш дубалына чыңалуу кашааларын колдонуу. Бирок, резервуарды жасоо үчүн орогуч процессти колдонуунун ордуна, биз AFPди колдонобуз. Ошондуктан, биз стеллаждар мурунтан эле бириктирилген басым идиш, өзүнчө бөлүмүн түзүү жөнүндө ойлонуп көрдүк. Бул ыкма мага ушул интегралдык модулдардын бир нечесин бириктирип, андан кийин акыркы AFP ороосуна чейин баарын жабуу үчүн акыркы капкакты колдонууга мүмкүндүк берди.
"Биз мындай концепцияны аягына чыгарууга аракет кылып жатабыз," деп улантты ал, "ошондой эле H2 газынын өтүшүнө зарыл болгон каршылыкты камсыз кылуу үчүн өтө маанилүү болгон материалдарды тандоону сынап башташат. Бул үчүн биз негизинен термопластикалык материалдарды колдонобуз жана материалдын AFP машинасында бул өтүү жүрүм-турумуна жана иштетүүсүнө кандайча таасир эте тургандыгы боюнча иштеп жатабыз. Дарылоо натыйжа берер-келбесин жана кандайдыр бир кийинки иштетүү талап кылынарын түшүнүү маанилүү. Биз ошондой эле ар кандай стектердин басымдуу идиш аркылуу суутектин өтүшүнө таасир этеби же жокпу билгибиз келет.
Резервуар толугу менен термопластикадан жасалат жана тилкелерди Teijin Carbon Europe GmbH (Вуппертал, Германия) камсыздайт. "Биз алардын PPS [полифенилен сульфиди], PEEK [полиэфир кетон] жана LM PAEK [төмөн эрүүчү полиарил кетон] материалдарын колдонобуз" деди Ягер. "Андан соң, кайсынысы кирип кетүүдөн коргоо жана жакшыраак иштеши менен бөлүктөрдү чыгаруу үчүн эң жакшы экенин көрүү үчүн салыштыруулар жүргүзүлөт." Ал келерки жылдын ичинде тестирлөө, структуралык жана процесстик моделдөө жана биринчи демонстрацияларды аяктоого үмүттөнөт.
Изилдөө иштери Климаттын өзгөрүшү, курчап турган чөйрө, энергетика, мобилдүүлүк, инновациялар жана технологиялар боюнча федералдык министрлигинин жана Санариптик технологиялар жана экономика боюнча федералдык министрлигинин COMET программасынын алкагында “Polymers4Hydrogen” (ID 21647053) COMET модулунун алкагында жүргүзүлгөн. . Авторлор катышуучу өнөктөштөр Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL, Австрия), Montanuniversitaet Leoben (Полимердик инженерия жана илим факультети, Полимердик материалдардын химиясы, Материал таануу жана полимердик тестирлөө бөлүмү), Тампере университети (Инженердик факультети) ыраазычылык билдирет. материалдар). ) Science), Peak Technology жана Faurecia бул изилдөө ишине салым кошкон. COMET-Modul Австрия өкмөтү жана Штирия мамлекетинин өкмөтү тарабынан каржыланат.
Жүк көтөрүүчү конструкциялар үчүн алдын ала күчөтүлгөн барактардын курамында айнектен гана эмес, көмүртектен жана арамидден да үзгүлтүксүз жипчелер бар.
Композиттик бөлүктөрдү жасоонун көптөгөн жолдору бар. Демек, белгилүү бир бөлүк үчүн ыкманы тандоо материалга, бөлүктүн дизайнына жана акыркы колдонууга же колдонууга жараша болот. Бул жерде тандоо колдонмо болуп саналат.
Shocker Composites жана R&M International кайра иштетилген көмүртек буласы менен камсыз кылуу чынжырын иштеп чыгууда, ал нөл кыргынды, таза буладан төмөн бааны камсыз кылат жана акыры структуралык касиеттери боюнча үзгүлтүксүз жипчеге жакындаган узундуктарды сунуштайт.
Посттун убактысы: 15-март-2023