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.
![](palyazatkepek/_m_BME_2017-2.3.7-TÉT-IN-2017-00049_2.jpg)
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.
![](palyazatkepek/_m_kep_2.jpg)
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.
![](palyazatkepek/_m_kep.jpg)
Pályázat támogatásával megjelent közlemények
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
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
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
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
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
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
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
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
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
Semperger O. V., Pomlényi P., Suplicz A.: Felület-bevonatolási eljárás T-RTM technológiához. Polimerek, 7, 186-192 (2021)
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
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
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
Krizsma Sz. G., Suplicz A.: Additív gyártástechnológiával előállított fröccsöntő szerszámbetétek üzem közbeni deformációinak vizsgálata. Polimerek, 7, 155-160 (2021)
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)
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
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)
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)
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/903/1/012022Semperger 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
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
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
Semperger O. V., Suplicz A.: Titán-dioxid hatása az in-situ polimerizációval előállított poliamid 6 minták tulajdonságaira. Polimerek, 5, 730-733 (2019)
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)
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
© 2014 BME Polimertechnika Tanszék - Készítette: Dr. Romhány Gábor