BEVs va FCEV'lar uchun standart tekis platformali tanklar H2 ni 25% ko'proq saqlashni ta'minlaydigan skelet konstruktsiyali termoplastik va termoset kompozitlardan foydalanadi. #vodorod #trendlari
BMW bilan hamkorlik kubikli tank bir nechta kichik tsilindrlarga qaraganda yuqori hajmli samaradorlikni ko'rsatganidan so'ng, Myunxen Texnik universiteti kompozit tuzilmani va seriyali ishlab chiqarish uchun kengaytiriladigan ishlab chiqarish jarayonini ishlab chiqish loyihasini boshladi. Tasvir krediti: TU Drezden (yuqorida chap), Myunxen Texnik universiteti, Uglerod kompozitlari bo'limi (LCC)
Nol emissiya (H2) vodorod bilan ishlaydigan yonilg'i xujayrasi elektr transport vositalari (FCEVs) nol ekologik maqsadlarga erishish uchun qo'shimcha vositalarni taqdim etadi. H2 dvigatelli yonilg'i xujayrasi yo'lovchi avtomobili 5-7 daqiqada to'ldirilishi mumkin va 500 km masofaga ega, ammo ishlab chiqarish hajmi past bo'lganligi sababli hozirda qimmatroq. Xarajatlarni kamaytirish usullaridan biri bu BEV va FCEV modellari uchun standart platformadan foydalanishdir. Bu hozircha mumkin emas, chunki FCEVlarda 700 barda siqilgan H2 gazini (CGH2) saqlash uchun ishlatiladigan 4-toifa silindrsimon tanklar elektr transport vositalari uchun ehtiyotkorlik bilan ishlab chiqilgan korpus ostidagi akkumulyator bo'linmalariga mos kelmaydi. Biroq, yostiq va kub shaklida bosimli idishlar bu tekis qadoqlash joyiga mos kelishi mumkin.
1995 yilda Thiokol Corp. tomonidan berilgan ariza (chapda) va 2009 yilda BMW tomonidan patentlangan to'rtburchak bosimli idish uchun "Kompozit Konformal bosimli idish" uchun US5577630A patenti.
Myunxen Texnika Universitetining (TUM, Myunxen, Germaniya) Karbon kompozitlari kafedrasi (LCC) ushbu kontseptsiyani ishlab chiqish uchun ikkita loyihada ishtirok etadi. Birinchisi, Leoben Polymer Competence Center (PCCL, Leoben, Avstriya) tomonidan boshqariladigan Polymers4Hydrogen (P4H). LCC ish paketini Elizabeth Glace hamkori boshqaradi.
Ikkinchi loyiha - Vodorodni namoyish qilish va rivojlantirish muhiti (HyDDen), bu erda LCC tadqiqotchi Kristian Jaeger tomonidan boshqariladi. Ikkalasi ham uglerod tolali kompozitlardan foydalangan holda mos CGH2 tankini yaratish uchun ishlab chiqarish jarayonining keng ko'lamli namoyishini yaratishni maqsad qilgan.
Kichkina diametrli tsilindrlarni tekis akkumulyator xujayralari (chapda) va po'lat astarlardan va uglerod tolasi / epoksi kompozit tashqi qobiqdan (o'ngda) tayyorlangan kubik turdagi 2 bosimli idishlarga o'rnatilganda cheklangan hajmli samaradorlik mavjud. Rasm manbai: 3 va 6-rasmlar Ruf va Zaremba va boshqalarning "Ichki taranglik oyoqlari bo'lgan II turdagi bosimli qutili idish uchun raqamli dizayn yondashuvi" dan olingan.
P4H uglerod tolasi bilan mustahkamlangan epoksi bilan o'ralgan kompozit taranglik tasmalari/strutslari bo'lgan termoplastik ramkadan foydalanadigan eksperimental kubli idishni ishlab chiqardi. HyDDen shunga o'xshash dizayndan foydalanadi, ammo barcha termoplastik kompozit tanklarni ishlab chiqarish uchun avtomatik tolali qatlamdan (AFP) foydalanadi.
Tiokol korporatsiyasining patent arizasidan 1995 yilda "Kompozit konform bosimli idish" dan 1997 yilda nemis patenti DE19749950C2gacha, siqilgan gaz idishlari "har qanday geometrik konfiguratsiyaga ega bo'lishi mumkin", lekin ayniqsa tekis va tartibsiz shakllar, qobiq tayanchiga ulangan bo'shliqda. . elementlar gazning kengayish kuchiga bardosh berishi uchun ishlatiladi.
2006-yilgi Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) qog'ozi uchta yondashuvni tavsiflaydi: filament o'ralgan konformal bosimli idish, ingichka devorli H2 konteyneri bilan o'ralgan ichki ortorombik panjarali tuzilmani (2 sm yoki undan kichik kichik hujayralar) o'z ichiga olgan mikro panjarali bosimli idish, va yopishtirilgan kichik qismlardan (masalan, olti burchakli plastik halqalar) va yupqa tashqi qobiq po'stlog'ining tarkibidan tashkil topgan ichki strukturadan iborat replikator idishi. Ikki nusxadagi konteynerlar an'anaviy usullarni qo'llash qiyin bo'lishi mumkin bo'lgan katta konteynerlar uchun eng mos keladi.
2009 yilda Volkswagen tomonidan taqdim etilgan DE102009057170A patenti avtomobilga o'rnatilgan bosimli idishni tavsiflaydi, bu esa makondan foydalanishni yaxshilash bilan birga yuqori og'irlik samaradorligini ta'minlaydi. To'rtburchaklar tanklar ikkita to'rtburchaklar qarama-qarshi devor orasidagi kuchlanish konnektorlaridan foydalanadi va burchaklar yumaloqlanadi.
Yuqoridagi va boshqa tushunchalar Gleiss tomonidan Gleiss va boshqalar tomonidan "Kubik bosimli cho'zilgan novdalar bilan ishlaydigan idishlar uchun jarayonni ishlab chiqish" maqolasida keltirilgan. ECCM20 da (2022 yil 26-30 iyun, Lozanna, Shveytsariya). Ushbu maqolada u Maykl Roof va Sven Zaremba tomonidan chop etilgan TUM tadqiqotidan iqtibos keltiradi, unda to'rtburchaklar tomonlarini bir-biriga bog'laydigan kuchlanish tirgaklari bo'lgan kubik bosimli idish tekis batareyaning bo'shlig'iga mos keladigan bir nechta kichik silindrlarga qaraganda samaraliroq bo'lib, taxminan 25 ta quvvatni ta'minlaydi. % Ko'proq. saqlash joyi.
Gleissning fikriga ko'ra, ko'p sonli kichik turdagi 4 silindrlarni tekis korpusga o'rnatish bilan bog'liq muammo shundaki, "silindrlar orasidagi hajm juda kamayadi va tizim ham juda katta H2 gaz o'tkazuvchanligiga ega. Umuman olganda, tizim kubli idishlarga qaraganda kamroq saqlash hajmini ta'minlaydi.
Biroq, tankning kubik dizayni bilan bog'liq boshqa muammolar mavjud. "Shubhasiz, siqilgan gaz tufayli siz tekis devorlardagi egilish kuchlariga qarshi turishingiz kerak", dedi Gleiss. “Buning uchun sizga tank devorlari bilan ichki bog'lab turadigan mustahkamlangan struktura kerak. Ammo kompozitlar bilan buni qilish qiyin."
Glace va uning jamoasi filamentni o'rash jarayoniga mos keladigan tarzda bosimli idishga mustahkamlovchi kuchlanish panjaralarini kiritishga harakat qilishdi. "Bu yuqori hajmli ishlab chiqarish uchun muhim," deb tushuntiradi u, "shuningdek, zonadagi har bir yuk uchun tola yo'nalishini optimallashtirish uchun konteyner devorlarining o'rash naqshini loyihalash imkonini beradi."
P4H loyihasi uchun sinov kubikli kompozit tankni yaratish uchun to'rt qadam. Tasvir krediti: "Kubik bosimli idishlarni ishlab chiqarish jarayonini ishlab chiqish", Myunxen Texnik Universiteti, Polymers4Hydrogen loyihasi, ECCM20, 2022 yil iyun.
Zanjirga erishish uchun jamoa yuqorida ko'rsatilganidek, to'rtta asosiy bosqichdan iborat yangi kontseptsiyani ishlab chiqdi. Bosqichlarda qora rangda ko'rsatilgan kuchlanish ustunlari MAI Skelett loyihasidan olingan usullardan foydalangan holda tayyorlangan prefabrik ramka tuzilishidir. Ushbu loyiha uchun BMW to'rtta tola bilan mustahkamlangan pultruzion rodlardan foydalangan holda old oyna ramkasi "ramka" ni ishlab chiqdi, keyinchalik ular plastik ramkaga solingan.
Eksperimental kubik tankning ramkasi. Olti burchakli skelet qismlari TUM tomonidan mustahkamlanmagan PLA filamenti (yuqorida) yordamida chop etilgan, CF/PA6 pultruzion tayoqchalarini kuchlanish tirgaklari (o'rtada) sifatida o'rnatgan va so'ngra filamentni qavslar atrofiga o'ralgan (pastki). Tasvir krediti: Myunxen texnik universiteti LCC.
"G'oya shundan iboratki, siz kubikli tankning ramkasini modulli tuzilma sifatida qurishingiz mumkin", dedi Gleys. "Keyin bu modullar qoliplash moslamasiga joylashtiriladi, kuchlanish tirgaklari ramka modullariga joylashtiriladi, so'ngra ularni ramka qismlari bilan birlashtirish uchun MAI Skelett usuli qo'llaniladi." ommaviy ishlab chiqarish usuli, natijada saqlash tankining kompozit qobig'ini o'rash uchun mandrel yoki yadro sifatida ishlatiladigan struktura paydo bo'ladi.
TUM tank ramkasini kubikli "yostiq" sifatida ishlab chiqdi, ular qattiq tomonlari, yumaloq burchaklari va yuqori va pastki qismidagi olti burchakli naqshli bo'lib, ular orqali bog'ichlar o'rnatilishi va biriktirilishi mumkin. Ushbu tokchalar uchun teshiklar ham 3D bosilgan. "Bizning dastlabki eksperimental tankimiz uchun biz polilaktik kislota [PLA, bio-asosli termoplastik] yordamida 3D bosilgan olti burchakli ramka qismlarini chop etdik, chunki bu oson va arzon edi", dedi Glace.
Jamoa galstuk sifatida foydalanish uchun SGL Carbon (Meitingen, Germaniya) kompaniyasidan 68 ta pultruded uglerod tolasi bilan mustahkamlangan poliamid 6 (PA6) tayoqchalarini sotib oldi. "Konseptsiyani sinab ko'rish uchun biz hech qanday qoliplash ishlarini bajarmadik," deydi Gleiss, - shunchaki 3D bosilgan ko'plab chuqurchalar ramkasiga ajratgichlarni o'rnatdik va ularni epoksi elim bilan yopishtirdik. Bu tankni o'rash uchun mandrelni beradi. Uning ta'kidlashicha, bu tayoqlarni shamollash nisbatan oson bo'lsa-da, ba'zi muhim muammolar bor, ular keyinroq tasvirlanadi.
"Birinchi bosqichda bizning maqsadimiz dizaynning ishlab chiqarish qobiliyatini namoyish qilish va ishlab chiqarish kontseptsiyasidagi muammolarni aniqlash edi", deb tushuntirdi Gleiss. "Shunday qilib, kuchlanish tirgaklari skelet tuzilishining tashqi yuzasidan chiqib turadi va biz ho'l filamentli o'rash yordamida uglerod tolalarini ushbu yadroga biriktiramiz. Shundan so'ng, uchinchi bosqichda biz har bir bog'lovchi tayoqning boshini egamiz. termoplastik, shuning uchun biz faqat issiqlikni boshni qayta shakllantirish uchun ishlatamiz, shunda u tekislanadi va o'rashning birinchi qatlamiga qulflanadi. Keyin biz strukturani yana o'rashga o'tamiz, shunda tekis surish boshi tank ichida geometrik tarzda o'raladi. devorlarga laminat.
O'rash uchun ajratuvchi qopqoq. TUM filamentni o'rash paytida tolalarning chigallashishiga yo'l qo'ymaslik uchun kuchlanish novdalarining uchlarida plastik qopqoqlardan foydalanadi. Tasvir krediti: Myunxen texnik universiteti LCC.
Glace bu birinchi tank kontseptsiyaning isboti ekanligini yana bir bor ta'kidladi. “3D bosib chiqarish va elimdan foydalanish faqat dastlabki sinov uchun edi va biz duch kelgan bir nechta muammolar haqida tasavvurga ega bo'ldi. Misol uchun, o'rash paytida filamentlar kuchlanish novdalarining uchlari tomonidan ushlanib, tolaning sinishi, tolaning shikastlanishiga olib keldi va bunga qarshi turish uchun tolalar miqdorini kamaytirdi. Birinchi o'rash bosqichidan oldin ustunlarga qo'yilgan ishlab chiqarish uchun bir nechta plastik qopqoqlardan foydalandik.Keyin, ichki laminatlar tayyorlanganda, biz bu himoya qopqoqlarni olib tashladik va oxirgi o'rashdan oldin ustunlarning uchlarini qayta shakllantirdik ".
Jamoa turli xil rekonstruksiya stsenariylari bilan tajriba o'tkazdi. "Atrofga qaraydiganlar eng yaxshi ishlaydi", deydi Greys. "Shuningdek, prototiplash bosqichida biz issiqlikni qo'llash va bog'lovchi novda uchlarini qayta shakllantirish uchun o'zgartirilgan payvandlash asbobidan foydalandik. Ommaviy ishlab chiqarish kontseptsiyasida siz bir vaqtning o'zida strutsning barcha uchlarini ichki qoplama laminatiga aylantira oladigan kattaroq asbobga ega bo'lasiz. . ”
Tarmoq boshlari qayta shakllantirildi. TUM turli kontseptsiyalar bilan tajriba o'tkazdi va choklarni tank devori laminatiga biriktirish uchun kompozit bog'lamlarning uchlarini tekislash uchun o'zgartirdi. Tasvir krediti: "Kubik bosimli idishlarni ishlab chiqarish jarayonini ishlab chiqish", Myunxen Texnik Universiteti, Polymers4Hydrogen loyihasi, ECCM20, 2022 yil iyun.
Shunday qilib, laminat birinchi o'rash bosqichidan so'ng davolanadi, ustunlar qayta shakllanadi, TUM filamentlarning ikkinchi o'rashini yakunlaydi, so'ngra tashqi tank devori laminati ikkinchi marta davolanadi. E'tibor bering, bu 5-turdagi tank dizayni, ya'ni u gaz to'sig'i sifatida plastik qoplamaga ega emas. Quyidagi “Keyingi qadamlar” bo‘limidagi muhokamani ko‘ring.
"Biz birinchi namoyishni kesmalarga kesib, bog'langan maydonni xaritaga tushirdik", dedi Glace. "Yaqindan ko'rish shuni ko'rsatadiki, biz laminatning sifati bilan bog'liq muammolarga duch keldik, tirgak boshlari ichki laminatga tekis yotmagan."
Tankning ichki va tashqi devorlarining laminatlari orasidagi bo'shliqlar bilan bog'liq muammolarni hal qilish. O'zgartirilgan tayoq boshi eksperimental tankning birinchi va ikkinchi burilishlari orasidagi bo'shliqni hosil qiladi. Tasvir krediti: Myunxen texnik universiteti LCC.
Ushbu dastlabki 450 x 290 x 80 mm tank o'tgan yozda yakunlandi. "O'shandan beri biz juda ko'p yutuqlarga erishdik, ammo bizda hali ham ichki va tashqi laminat o'rtasida bo'shliq bor", dedi Glace. "Shunday qilib, biz bu bo'shliqlarni toza, yuqori viskoziteli qatron bilan to'ldirishga harakat qildik. Bu, aslida, tirgaklar va laminat o'rtasidagi aloqani yaxshilaydi, bu esa mexanik kuchlanishni sezilarli darajada oshiradi.
Jamoa tank dizayni va jarayonini, shu jumladan kerakli o'rash naqshlari uchun echimlarni ishlab chiqishda davom etdi. "Sinov tankining yon tomonlari to'liq burilmagan, chunki bu geometriya uchun o'rash yo'lini yaratish qiyin edi", deb tushuntirdi Gleys. "Bizning dastlabki o'rash burchagi 75 ° edi, lekin biz bu bosimli idishdagi yukni qondirish uchun bir nechta sxemalar kerakligini bilardik. Biz hali ham bu muammoning yechimini izlayapmiz, ammo hozirda bozorda mavjud bo'lgan dasturiy ta'minot bilan bu oson emas. Bu keyingi loyihaga aylanishi mumkin.
"Biz ushbu ishlab chiqarish kontseptsiyasining maqsadga muvofiqligini ko'rsatdik, - deydi Gleiss, - lekin biz laminat orasidagi aloqani yaxshilash va bog'lovchi novdalarni qayta shakllantirish uchun ko'proq ishlashimiz kerak. “Sinov mashinasida tashqi sinov. Siz laminatdan ajratgichlarni tortib olasiz va bu bo'g'inlar bardosh bera oladigan mexanik yuklarni sinab ko'rasiz.
Polymers4Hydrogen loyihasining ushbu qismi 2023-yil oxirida yakunlanadi, shu vaqtga qadar Gleis ikkinchi namoyish tankini yakunlashga umid qilmoqda. Qizig'i shundaki, bugungi kunda dizaynlar ramkada toza mustahkamlangan termoplastiklardan va tank devorlarida termoset kompozitlardan foydalanadi. Ushbu gibrid yondashuv yakuniy namoyish tankida qo'llaniladimi? - Ha, - dedi Greys. "Polymers4Hydrogen loyihasidagi hamkorlarimiz vodorod to'sig'i xususiyatlariga ega epoksi qatronlar va boshqa kompozit matritsali materiallarni ishlab chiqmoqda." U ushbu ishda ishlaydigan ikkita hamkorni sanab o'tadi, PCCL va Tampere universiteti (Tampere, Finlyandiya).
Gleiss va uning jamoasi, shuningdek, Jaeger bilan LCC konformal kompozit tankining ikkinchi HyDDen loyihasi bo'yicha ma'lumot almashishdi va g'oyalarni muhokama qilishdi.
"Biz tadqiqot dronlari uchun konformal kompozit bosimli idish ishlab chiqaramiz", deydi Jaeger. "Bu TUM Aerokosmik va geodeziya bo'limining ikki bo'limi - LCC va Vertolyot texnologiyasi bo'limi (HT) o'rtasidagi hamkorlikdir. Loyiha 2024 yil oxirigacha yakunlanadi va biz hozirda bosimli idishni tugatmoqdamiz. ko'proq aerokosmik va avtomobil yondashuvi bo'lgan dizayn. Ushbu dastlabki kontseptsiya bosqichidan so'ng, keyingi qadam batafsil strukturaviy modellashtirishni amalga oshirish va devor strukturasining to'siqli ishlashini bashorat qilishdir.
"Barcha g'oya gibrid yonilg'i xujayrasi va akkumulyatorli harakatlanish tizimiga ega bo'lgan tadqiqotchi dronni ishlab chiqishdir", deb davom etdi u. Batareyani yuqori quvvat yuklari (ya'ni, uchish va qo'nish) paytida ishlatadi va keyin engil yuk bilan sayohat paytida yonilg'i xujayrasiga o'tadi. "HT jamoasi allaqachon tadqiqotchi dronga ega bo'lgan va batareyalar va yonilg'i xujayralarini ishlatish uchun quvvat tizimini qayta ishlab chiqdi", dedi Yeager. "Ushbu uzatishni sinab ko'rish uchun ular CGH2 tankini ham sotib olishdi."
"Mening jamoamga mos keladigan bosimli tank prototipini yaratish vazifasi qo'yildi, ammo silindrsimon tank yaratadigan qadoqlash muammolari tufayli emas", deb tushuntiradi u. “Yassiroq tank shamolga unchalik qarshilik ko'rsatmaydi. Shunday qilib, siz yaxshi parvoz ko'rsatkichiga ega bo'lasiz. Tank o'lchamlari taxminan. 830 x 350 x 173 mm.
To'liq termoplastik AFP mos tank. HyDDen loyihasi uchun TUMdagi LCC jamoasi dastlab Glace tomonidan qo'llangan yondashuvga o'xshash yondashuvni o'rgandi (yuqorida), lekin keyin bir nechta tizimli modullarning kombinatsiyasidan foydalangan holda yondashuvga o'tdi, keyinchalik ular AFP (pastda) yordamida ortiqcha ishlatilgan. Tasvir krediti: Myunxen texnik universiteti LCC.
“Bir fikr Elizabetning [Gleysning] yondashuviga o'xshaydi, - deydi Yager, - yuqori egilish kuchlarini qoplash uchun tomir devoriga kuchlanish qavslarini qo'llash. Biroq, tankni tayyorlash uchun o'rash jarayonini ishlatish o'rniga, biz AFP dan foydalanamiz. Shuning uchun biz bosimli idishning alohida qismini yaratish haqida o'yladik, unda raftlar allaqachon birlashtirilgan. Ushbu yondashuv menga ushbu birlashtirilgan modullarning bir nechtasini birlashtirishga imkon berdi va so'ngra oxirgi AFP o'rashidan oldin hamma narsani muhrlash uchun so'nggi qopqoqni qo'lladi.
"Biz bunday kontseptsiyani yakunlashga harakat qilmoqdamiz," davom etdi u, "shuningdek, H2 gazining kirib borishiga zarur qarshilikni ta'minlash uchun juda muhim bo'lgan materiallarni tanlashni sinab ko'rishni boshlaymiz. Buning uchun biz asosan termoplastik materiallardan foydalanamiz va materialning AFP mashinasida bu o'tkazuvchanlik harakati va qayta ishlashga qanday ta'sir qilishi ustida ishlamoqdamiz. Davolashning ta'siri bo'ladimi yoki yo'qligini va har qanday keyingi ishlov berish zarurligini tushunish muhimdir. Shuningdek, biz turli xil stakalar bosimli idish orqali vodorod o'tkazuvchanligiga ta'sir qiladimi yoki yo'qligini bilmoqchimiz.
Tank butunlay termoplastikdan tayyorlanadi va chiziqlar Teijin Carbon Europe GmbH (Vuppertal, Germaniya) tomonidan yetkazib beriladi. "Biz ularning PPS [polifenilen sulfid], PEEK [polieter keton] va LM PAEK [past eriydigan poliaril keton] materiallaridan foydalanamiz", dedi Yager. "Keyin, qaysi biri penetratsiyadan himoya qilish va yaxshiroq ishlashga ega qismlarni ishlab chiqarish uchun yaxshiroq ekanligini aniqlash uchun taqqoslashlar amalga oshiriladi." U kelgusi yil ichida sinov, tizimli va texnologik modellashtirish va birinchi namoyishlarni yakunlashga umid qilmoqda.
Tadqiqot ishlari Iqlim o'zgarishi, atrof-muhit, energetika, mobillik, innovatsiyalar va texnologiyalar federal vazirligi va raqamli texnologiyalar va iqtisodiyot federal vazirligining COMET dasturi doirasida "Polymers4Hydrogen" (ID 21647053) COMET moduli doirasida amalga oshirildi. . Mualliflar ishtirokchi hamkorlarga Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL, Avstriya), Montanuniversitaet Leoben (Polimer muhandisligi va fanlari fakulteti, Polimer materiallar kimyosi, Materialshunoslik va polimerlarni sinovdan o'tkazish bo'limi), Tampere universiteti (muhandislik fakulteti) ga rahmat. Materiallar). ) Science), Peak Technology va Faurecia ushbu tadqiqot ishiga hissa qo'shdilar. COMET-Modul Avstriya hukumati va Shtiriya davlati hukumati tomonidan moliyalashtiriladi.
Yuk ko'taruvchi tuzilmalar uchun oldindan mustahkamlangan choyshablar doimiy tolalarni o'z ichiga oladi - nafaqat shishadan, balki uglerod va aramiddan ham.
Kompozit qismlarni tayyorlashning ko'plab usullari mavjud. Shuning uchun, ma'lum bir qism uchun usulni tanlash materialga, qismning dizayniga va oxirgi foydalanishga yoki qo'llanilishiga bog'liq bo'ladi. Bu erda tanlov uchun qo'llanma.
Shocker Composites va R&M International qayta ishlangan uglerod tolasi yetkazib berish zanjirini ishlab chiqmoqda, u nol so'yishni ta'minlaydi, bokira tolaga qaraganda arzonroq va oxir-oqibat strukturaviy xususiyatlarda uzluksiz tolaga yaqinlashadigan uzunliklarni taklif qiladi.
Yuborilgan vaqt: 2023-yil 15-mart