HUN-REN-BME Kutatócsoport





Megújuló forrásokból származó hidrogén felhasználását szolgáló PEM tüzelőanyag-cella kötegek továbbfejlesztése

Pályázati azonosító:
2017-2.3.7-TÉT-IN-2017-00049
Támogató:
Nemzeti Kutatási, Fejlesztési és Innovációs Hivatal (NKFIH)
Futamidő:
2018. július 1. - 2021. június 30.
Témavezető (BME):
Dr. Kovács József Gábor
Dr. Suplicz András
Résztvevő kutatók (BME):
Dr. Kovács József Gábor
Dr. Suplicz András
Konzorciumi partnerek (BME):
Indian Institute of Technology – Madras
Magyar Tudományos Akadémia, Természettudományi Kutatóközpont
Flaar Kft.

Pályázat összefoglalója

A jövő egyik legígéretesebb energiahordozója a hidrogén, amely környezetkímélő, hisz energiatermelés közben oxigénnel reagálva, belőle víz keletkezik. A hidrogénben tárolt kémiai energia az elégetésnél nagyobb hatásfokkal elektromos energiává alakítható tüzelőanyag-cellák segítségével. Az alacsony hőmérsékleten működő tüzelőanyag-cellák meghatározó alkatrészei a kémiai reakciókat elősegítő (katalizáló) katalizátor-elektródok, amelyek általában aktív szénből és platinából állnak. Az aktív szén az ún. hordozó, pórusos szerkezete révén biztosítja, hogy a rá felvitt katalitikus hatású platina és a tüzelőanyag minél nagyobb felületen érintkezzen. A hordozónak elektromos vezetőnek is kell lennie, hogy a katalizátoron lejátszódó reakcióban átlépő elektronokat rajta keresztül lehessen vezetni. Fontos elvárás még a hordozós katalizátorral szemben, a minél hosszabb élettartam. Nagy igénybevételnek kitett felhasználási területen - például járművekben, ahol a gyakran változó teljesítmény-igény, a gyorsítások-lassítások, leállások-indítások roncsolják a szerkezetüket - az aktívszén-platina kombináció stabilitása nem kielégítő. Kutatásunk új típusú, ellenállóbb katalizátor fejlesztését célozza. Terveink szerint a szén hordozót a platinával erősebb kölcsönhatásra képes titán-dioxiddal kombináljuk, amelyet az elektromos vezetőképesség biztosítása érdekében más fémekkel (molibdén, volfrám, nióbium) módosítunk. A tüzelőanyag-cellák másik elengedhetetlenül szükséges alkotórésze a bipoláris lemez, amely biztosítja az eszköz részegységeinek csatlakozását. Az eddig használt kevésbé saválló fém bipoláris lemezek helyett műanyag, új eljárással készített bipoláris lemezeket tervezünk. Az új eljárás célja, hogy a hagyományos fröccsöntéshez viszonyítva nagyobb töltőanyag tartalmakat, ezáltal jobb vezetőképességet tudjunk elérni. Az új típusú részegységekből várakozásaink szerint egy stabilabban működő és olcsóbb tüzelőanyag-cellát állítunk össze.

Pályázat eredményei

1. munkaszakasz
2018. július 1. - 2019. június 30.
A pályázati munka során első lépésben polipropilén, grafit és korom felhasználásával 0-40 m% töltőanyag tartalmú monokompozitokat készítettünk. A mintákon többek közt mechanikai, termikus, morfológiai és vezetőképesség méréseket végeztünk el. A mechanikai vizsgálatok alapján kimutattuk, hogy a grafittartalom, illetve a koromtartalom növelésével jelentősen csökkent a tönkremenetelhez tartozó nyúlás. Az elektromos vezetőképesség vizsgálatából kimutattuk, hogy grafitból minimum 30 m%-ot kell alkalmazni, hogy meghaladjuk a perkolációs határt. Korom alkalmazása esetén a vezetőképesség nem javult számottevően, így ennek a töltőanyagnak a perkolációs határértéke 30 m% fölé tehető. Ezt követően grafit és korom felhasználásával hibridkompozitokat fejlesztettünk. A monokompozitokhoz képest az elektromos vezetőképessége jelentősen javult, így a két töltőanyag hibrid rendszerben jól együtt tud működni. Egy speciális, mono- és bipoláris lemezeket gyártó fröccsöntő szerszám felhasználásával a kifejlesztett hibrid töltőanyag rendszerű kompozitból bipoláris lemezeket gyártottunk. A fröccsöntött, hibrid töltőanyag rendszerű bipoláris lemezek vezetőképessége 5,9 S/cm-re adódott. A szimulációs elemzésekhez elkészítettük egy prototípus bipoláris lemez háromdimenziós modelljét. A mintázat leképzésére fröccsöntési szimulációkat végeztünk. A szimulációkhoz különböző anyagmodelleket fejlesztettünk ki, hogy elemezni tudjuk a töltőanyag mennyiségének, így a viszkozitás növekedés fröccsnyomás szükségletre gyakorolt hatását. Emellett elemeztük a formaüreg kitöltése során a töltőanyagok folyási út menti eloszlásának folyamatát is, amely a termék tulajdonságait jelentősen befolyásolhatja, úgymint például a zsugorodását vagy a lokális elektromos- és hővezetését. Az analóg modelleken végzett mérések eredményeihez és a folyamatok leírásához matematikai modelleket készítettünk, amiket felhasználtuk a szimulációs módszerek fejlesztéséhez és validálásához.
Bipoláris lemezek kitöltési képének szimulációs analízise

2. munkaszakasz
2019. július 1. - 2020. június 30.
A mérföldkő megvalósítása során egy széleskörű irodalomkutatást végeztünk a poliamid 6 anionos gyűrűfelnyitásos polimerizációval történő előállításáról. A kutatás során nyert tudás felhasználásával egy speciális öntőberendezés segítségével sikeresen előállítottunk kaprolaktámból, C10 és C20P (katalizátor, illetve aktivátor) felhasználásával in-situ polimerizációval poliamid 6 mintákat. A mintákon átfogó vizsgálatokat végeztünk (termikus, mechanikai, morfológiai stb.) és kimutattuk, hogy a maradó monomertartalom jelentősen befolyásolja a tulajdonságait. Ezt követően dilaktamát katalizátorral készítettünk töltött mintákat, ugyanis C10 alkalmazásával a konverziófok igen alacsony volt a grafit nedvességtartalma miatt. A töltött mintákhoz háromféle adagolási módszert dolgoztunk ki. A vezetőképesség mérése során az tapasztaltuk, hogy 10 vol% grafitpor alkalmazása mellett tudtuk átlépni a perkolációs határt, így a fajlagos vezetőképesség 0,28 S/cm értéket vett fel. A korábbi munkaszakaszban bemutatott eredményhez képest az in-situ eljárással 10%-al kevesebb töltőanyag alkalmazása mellett vált vezetőképessé a minta, ami vélhetően a jó felületi kapcsolatnak és a megfelelő átitatásnak köszönhető. Így a hagyományos eljárásokhoz képest, azonos töltőanyag mennyiség alkalmazásával akár nagyobb vezetőképesség is elérhető. Emellett megterveztünk több geometriát is bipoláris lemez kialakításra, majd egy univerzális alakadó szerszámot CAD modelljét is elkészítettük.

3. munkaszakasz
2020. július 1. - 2021. június 30.
Kutatásunk során elsősorban a kaprolaktám polimerizációs folyamatait vizsgáltuk. A rendszerben a katalizátor tartalom növelése, valamint a töltőanyagok megfelelő szárítása elősegíti a magas konverziófok elérését és így 40 m% töltőanyag tartalmat is el tudtunk érni. Az így elkészített grafit töltésű kompozitok esetén a hagyományos fröccsöntési technológiához képest több mint 10 m%-al csökkenteni tudtuk a perkoláció eléréséhez szükséges töltőanyag tartalmakat (expandált grafit esetén 7 m%, természetes grafit esetén 37 m%). A legnagyobb vezetőképességeket 20 m% expandált grafit, illetve 50 m% természetes grafit esetén értük el, amelynek értéke rendre 0,21 és 0,08 S/cm volt. Az alkalmazott szén alapú töltőanyagok a minták keménységét csak kis mértékben csökkentették, a merevségüket növelték, szakítószilárdságot és szakadási nyúlást csökkentették. A hagyományos, ömledékkeveréses módszer esetén 0-70 m% töltőanyag tartalom mellett tudtunk vizsgálatokat folytatni. A vezetőképesség méréssel kimutattuk, hogy a korom és az expandált grafit esetén adódott a legkisebb perkolációs küszöb (rendre 16,3 és 17,5 m%) és a legnagyobb vezetőképesség (rendre 2,7 S/cm (50 m%); 19,9 S/cm (70 m%)). A két töltőanyag között hibridhatást mutattunk ki, ami a vezetőképességet pozitívan befolyásolja. Végül az elért eredmények alapján kompozit bipoláris lemezeket készítettünk, amelyek 21 S/cm-es vezetőképességgel rendelkeznek.



Pályázat támogatásával megjelent közlemények


  1. Ageyeva T., Kovács J. G., Tábi T.: Comparison of the efficiency of the most effective heterogeneous nucleating agents for Poly(lactic acid). Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 147, 8199-8211 (2022) 10.1007/s10973-021-11145-y IF=4.4 Q1
  2. Török D., Ageyeva T., Boros R., Kovács Á., Kovács J. G.: Developing a method for evaluating color changeover in a hot-runner multi-cavity injection mold. Polymer Testing, 115, 107759/1-107759/9 (2022) 10.1016/j.polymertesting.2022.107759 IF=5.1 D1
  3. Boros R., Ageyeva T., Golcs Á., Krafcsik O. H., Kovács J. G.: Plasma treatment to improve the adhesion between ABS and PA6 in hybrid structures produced by injection overmolding. Polymer Testing, 106, 107446/1-107446/ (2022) 10.1016/j.polymertesting.2021.107446 IF=5.1 D1
  4. Török D., Zink B., Ageyeva T., Hatos I., Zobač M., Fekete I., Boros R., Hargitai H., Kovács J. G.: Laser powder bed fusion and casting for an advanced hybrid prototype mold. Journal of Manufacturing Processes, 81, 748-758 (2022) 10.1016/j.jmapro.2022.07.034 IF=6.2 Q2
  5. Tábi T., Pölöskei K.: The effect of processing parameters and Calcium-stearate on the ejection process of injection molded Poly(Lactic Acid) products. Periodica Polytechnica-Mechanical Engineering, 66, 17-25 (2022) 10.3311/PPme.18246 IF=1.3
  6. Semperger O. V., Suplicz A.: The effect of the titanium dioxide nanoparticles on the morphology and degradation of polyamide 6 prepared by anionic ring-opening polymerization. Polymer Engineering and Science, 62, 2079-2088 (2022) 10.1002/pen.25990 IF=3.2 Q2
  7. Zink B., Kovács J. G.: Pressure‐dependent heat transfer coefficient measurement for thermoplastic melts. Polymer Engineering and Science, 62, 1137-1146 (2022) 10.1002/pen.25912 IF=3.2 Q2
  8. Semperger O. V., Pomlényi P., Suplicz A.: Felület-bevonatolási eljárás T-RTM technológiához. Polimerek, 7, 186-192 (2021)
  9. Krizsma Sz. G., Kovács N. K., Kovács J. G., Suplicz A.: In-situ monitoring of deformation in rapid prototyped injection molds. Additive Manufacturing, 42, 102001/1-102001/8 (2021) 10.1016/j.addma.2021.102001 IF=11.632 D1
  10. Szuchács A., Ageyeva T., Boros R., Kovács J. G.: Bonding strength calculation in multicomponent plastic processing technologies. Materials And Manufacturing Processes, 36, 1-9 (2021) 10.1080/10426914.2021.1948052 IF=4.783 Q2
  11. Szabó F., Suplicz A., Kovács J. G.: Development of injection molding simulation algorithms that take into account segregation. Powder Technology, 389, 368-375 (2021) 10.1016/j.powtec.2021.05.053 IF=5.64 Q1
  12. Krizsma Sz. G., Suplicz A.: Additív gyártástechnológiával előállított fröccsöntő szerszámbetétek üzem közbeni deformációinak vizsgálata. Polimerek, 7, 155-160 (2021)
  13. Tábi T., Ageyeva T., Kovács J. G.: Improving the ductility and heat deflection temperature of injection molded Poly(lactic acid) products: A comprehensive review. Polymer Testing, 101, 107282/1-107282/36 (2021) 10.1016/j.polymertesting.2021.107282 IF=4.931 D1
  14. Rajamani P. K., Ageyeva T., Kovács J. G.: Personalized Mass Production by Hybridization of Additive Manufacturing and Injection Molding. Polymers, 13, 1-19 (2021) 10.3390/polym13020309 IF=4.967 Q1
  15. Semperger O. V., Suplicz A.: The effect of titanium dioxide on the moisture absorption of polyamide 6 prepared by T-RTM. in '12th Hungarian Conference on Materials Science Balatonkenese, Magyarország. 2019.10.13-2019.10.15,8 (2020)
  16. Suplicz A., Boros R., Semperger O. V.: Investigation of the interfacial adhesion of glass bead-filled multicomponent injection moulded composites. in '12th Hungarian Conference on Materials Science Balatonkenese, Magyarország. 2019.10.13-209.10.15,7 (2020)
  17. Fris D. R., Szabó F.: Modelling of segregation during injection moulding. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 903, 012022/1-012022/8 (2020) doi:10.1088/1757-899X/903/1/012022
  18. Semperger O. V., Suplicz A.: The Effect of the Parameters of T-RTM on the Properties of Polyamide 6 Prepared by in Situ Polymerization. Materials, 13, 4-14 (2020) 10.3390/ma13010004 IF=3.623 Q1
  19. Fris D. R., Szabó F.: Hálófinomítási eljárás fejlesztése fröccsöntési szimulációs alkalmazásokhoz. in 'XXVIII. Nemzetközi Gépészeti Konferencia – OGÉT 2020 Online, . 2020.04.25.-2020.04.26,57-60 (2020)
  20. Boros R., Sibikin I., Ageyeva T., Kovács J. G.: Development and Validation of a Test Mold for Thermoplastic Resin Transfer Molding of Reactive PA-6. Polymers, 12, 976/1-976/13 (2020) doi:10.3390/polym12040976 IF=4.329 Q1
  21. Suplicz A., Semperger O. V., Kovács J. G.: Modeling the Thermal Conductivity Inhomogeneities of Injection-Molded Particle-Filled Composites, Caused by Segregation. Polymers, 11, 1691/1-1691/12 (2019) 10.3390/polym11101691 IF=3.426 Q1
  22. Semperger O. V., Suplicz A.: Titán-dioxid hatása az in-situ polimerizációval előállított poliamid 6 minták tulajdonságaira. Polimerek, 5, 730-733 (2019)
  23. Semperger O. V., Suplicz A.: Titán-dioxid hatása az in-situ polimerizációval előállított poliamid 6 minták tulajdonságaira. in 'XXVII. Nemzetközi Gépészeti Konferencia OGÉT 2019 Nagyvárad, Románia. 2019.04.25.-2019.04.28,472-475. (2019)
  24. Zink B., Kovács N. K., Kovács J. G.: Thermal analysis based method development for novel rapid tooling applications. International Communications in Heat and Mass Transfer, 108, 104297/1-104297/9 (2019) 10.1016/j.icheatmasstransfer.2019.104297 IF=3.971 Q1
  25. Ageyeva T., Sibikin I., Kovács J. G.: A Review of Thermoplastic Resin Transfer Molding: Process Modeling and Simulation. Polymers, 11, 1555/1-1555/28 (2019) 10.3390/polym11101555 IF=3.426 Q1

© 2014 BME Polimertechnika Tanszék - Készítette: Dr. Romhány Gábor