BEV および FCEV の標準的なフラット プラットフォーム タンクには、スケルトン構造の熱可塑性および熱硬化性複合材料が使用されており、水素貯蔵量が 25% 増加します。#水素 #トレンド
BMWとの共同研究により、立方体タンクが複数の小型シリンダーよりも高い容積効率を実現できることが示された後、ミュンヘン工科大学は、複合構造と量産に向けたスケーラブルな製造プロセスの開発プロジェクトに着手しました。画像提供：ドレスデン工科大学（左上）、ミュンヘン工科大学、炭素複合材料学科（LCC）
ゼロエミッション（H2）水素を動力源とする燃料電池電気自動車（FCEV）は、環境目標ゼロを達成するための追加的な手段を提供します。H2エンジンを搭載した燃料電池乗用車は、5～7分で充填でき、500 kmの航続距離を実現しますが、生産量が少ないため現在は高価です。コスト削減の1つの方法は、BEVおよびFCEVモデルに標準プラットフォームを使用することです。しかし、FCEVで700 barの圧縮H2ガス（CGH2）を貯蔵するために使用されるタイプ4の円筒形タンクは、電気自動車用に注意深く設計された車体下部のバッテリーコンパートメントに適していないため、これは現在不可能です。ただし、枕型や立方体型の圧力容器は、この平らなパッケージングスペースに収まります。
1995年にThiokol Corp.が出願した「複合コンフォーマル圧力容器」に関する特許US5577630A（左）と、2009年にBMWが特許を取得した長方形の圧力容器（右）。
ミュンヘン工科大学（TUM、ドイツ・ミュンヘン）の炭素複合材料学科（LCC）は、このコンセプトを開発するための2つのプロジェクトに取り組んでいます。1つ目は、レオベン・ポリマー・コンピテンス・センター（PCCL、オーストリア・レオベン）が主導するPolymers4Hydrogen（P4H）です。LCCの作業パッケージは、エリザベス・グレイス研究員が主導しています。
2つ目のプロジェクトは、LCCのクリスチャン・イェーガー研究員が率いる水素実証・開発環境（HyDDen）です。両プロジェクトとも、炭素繊維複合材を用いたCGH2タンクに適した製造プロセスの大規模実証を目指しています。
小径シリンダーを扁平型バッテリーセル（左）と、鋼製ライナーと炭素繊維/エポキシ複合材製の外殻で構成された立方体型タイプ2圧力容器（右）に設置した場合、容積効率は限られます。画像出典：図3および図6は、RufおよびZarembaらによる「内部張力脚を備えたタイプII圧力ボックス容器の数値設計アプローチ」より引用。
P4Hは、炭素繊維強化エポキシ樹脂で包まれた複合材張力ストラップ／ストラットを備えた熱可塑性フレームを使用した実験用立方体タンクを製作しました。HyDDenも同様の設計を採用しますが、全熱可塑性複合材タンクの製造に自動繊維積層（AFP）を採用します。
1995 年の Thiokol Corp. による「複合適合圧力容器」の特許出願から 1997 年のドイツ特許 DE19749950C2 に至るまで、圧縮ガス容器は「任意の幾何学的構成を持つことができる」が、特に平らで不規則な形状で、シェル サポートに接続された空洞内に、ガスの膨張の力に耐えることができる要素が使用されている。
2006年にローレンス・リバモア国立研究所（LLNL）が発表した論文では、3つのアプローチが紹介されています。フィラメントワインディング法によるコンフォーマル圧力容器、内部に斜方晶系格子構造（2cm以下の小さなセル）を有し、その周囲を薄壁の水素容器で囲んだマイクロラティス圧力容器、そして接着された小さな部品（例えば六角形のプラスチックリング）からなる内部構造と薄い外殻スキンで構成されたレプリケーター容器です。複製容器は、従来の手法の適用が困難な大型容器に最適です。
フォルクスワーゲンが2009年に出願した特許DE102009057170Aは、高い重量効率とスペース効率を実現する車載圧力容器について記載しています。長方形のタンクは、2つの長方形の対向壁の間に張力コネクタを使用し、角は丸みを帯びています。
上記をはじめとする様々なコンセプトは、ECCM20（2022年6月26～30日、スイス、ローザンヌ）で発表されたGleissらによる論文「ストレッチバー付き立方体圧力容器のプロセス開発」の中で引用されています。この論文では、Michael RoofとSven Zarembaが発表したTUMの研究を引用しており、長方形の側面を張力支柱で接続した立方体圧力容器は、平型バッテリーのスペースに収まる複数の小型シリンダーよりも効率が高く、約25%多くの貯蔵スペースを確保できることが示されています。
グレイス氏によると、平らなケースに多数の小型4型ボンベを設置することの問題点は、「ボンベ間の容積が大幅に減少し、システムの水素ガス透過面積も非常に大きくなることです。全体として、このシステムは立方体型の容器よりも貯蔵容量が少なくなります。」
しかし、タンクの立方体設計には他にも問題があります。「圧縮ガスなので、当然のことながら、平らな壁にかかる曲げ力を相殺する必要があります」とグレイス氏は言います。「そのためには、タンクの壁と内部で接続する補強構造が必要ですが、複合材ではそれを実現するのは困難です。」
グレイス氏と彼女のチームは、フィラメントワインディング工程に適した方法で、圧力容器に補強用のテンションバーを組み込むことを試みました。「これは大量生産にとって重要です」と彼女は説明します。「また、容器壁の巻き線パターンを設計することで、ゾーン内の各負荷に対して繊維の配向を最適化することも可能になります。」
P4Hプロジェクト向け試作立方体複合材タンクの製作手順4ステップ。画像提供：「ブレース付き立方体圧力容器の製造プロセスの開発」、ミュンヘン工科大学、Polymers4Hydrogenプロジェクト、ECCM20、2022年6月。
オンチェーンを実現するために、チームは上図に示すように、4つの主要なステップからなる新しいコンセプトを開発しました。ステップ上に黒く示されているテンションストラットは、MAI Skelettプロジェクトの手法を用いて製造されたプレファブリケーションフレーム構造です。このプロジェクトのために、BMWは4本の繊維強化プルトルージョンロッドを用いてフロントガラスフレームの「フレームワーク」を開発し、これをプラスチックフレームに成形しました。
実験用立方体タンクのフレーム。ミュンヘン工科大学（TUM）が非強化PLAフィラメントを用いて3Dプリントした六角形の骨格部分（上）、張力ブレースとしてCF/PA6プルトルージョンロッドを挿入し（中央）、その上にフィラメントを巻き付けた（下）。画像提供：ミュンヘン工科大学（LCC）。
「立方体タンクのフレームをモジュール構造として構築するというアイデアです」とグレイス氏は述べた。「これらのモジュールを成形ツールに配置し、フレームモジュールに張力支柱を配置します。そして、MAI Skelett法を用いて支柱の周囲をフレーム部品と一体化させます。」この大量生産方式によって得られる構造は、貯蔵タンクの複合シェルを包むためのマンドレルまたはコアとして使用される。
TUMは、タンクフレームを立方体の「クッション」として設計しました。側面は固く、角は丸みを帯びており、上部と下部には六角形のパターンがあり、そこにタイを挿入して固定できます。これらのラック用の穴も3Dプリントで作成しました。「最初の実験用タンクでは、ポリ乳酸（PLA、バイオベースの熱可塑性プラスチック）を使って六角形のフレームセクションを3Dプリントしました。これは簡単で安価だったからです」とグレイス氏は言います。
チームは、SGL Carbon（ドイツ、マイティンゲン）から、タイとして使用するために、引抜成形された炭素繊維強化ポリアミド6（PA6）ロッド68本を購入しました。「このコンセプトをテストするために、成形は一切行いませんでした」とグレイス氏は言います。「3Dプリントされたハニカムコアフレームにスペーサーを挿入し、エポキシ接着剤で接着しただけです。これで、タンクを巻き付けるための芯棒ができました。」グレイス氏は、これらのロッドは比較的巻きやすいものの、後述するいくつかの重大な問題があると指摘しています。
「第一段階の目標は、設計の製造可能性を実証し、生産コンセプトの問題点を特定することでした」とグレイス氏は説明する。「テンションストラットは骨格構造の外面から突出しており、このコアにウェットフィラメントワインディング法を用いてカーボンファイバーを接着します。その後、第三段階では、各タイロッドのヘッドを曲げます。タイロッドは熱可塑性プラスチックなので、熱でヘッドを整形し、平らにして最初のラッピング層に固定します。次に、平らなスラストヘッドがタンク内に幾何学的に収まるように、構造を再度ラッピングします。タンクの壁にはラミネートを貼ります。
巻き取り用のスペーサーキャップ。TUMは、フィラメントワインディング中に繊維が絡まるのを防ぐため、テンションロッドの端にプラスチック製のキャップを使用しています。画像提供：ミュンヘン工科大学LCC。
グレイス氏は、この最初のタンクは概念実証であると改めて強調した。「3Dプリントと接着剤の使用は初期テストのみで、私たちが直面したいくつかの問題を把握することができました。例えば、巻き取り工程では、フィラメントがテンションロッドの端に引っ掛かり、繊維の破損や損傷が発生し、繊維の量が減少しました。これに対処するため、最初の巻き取り工程の前に、製造補助としてプラスチック製のキャップをいくつかポールに取り付けました。その後、内部のラミネートが製造された後、これらの保護キャップを取り外し、最終的な巻き取り工程の前にポールの端を整えました。」
チームは様々な再構築シナリオを試しました。「周囲を見渡す人が最もうまく機能します」とグレースは言います。「また、試作段階では、改造した溶接ツールを使ってタイロッドエンドに熱を加えて成形しました。量産コンセプトでは、ストラットの端部全てを一度に成形し、内装仕上げ用のラミネートにできる、より大型のツールが1つ必要になるでしょう。」
ドローバーヘッドの形状変更。ミュンヘン工科大学（TUM）は様々なコンセプトを試し、タンク壁ラミネートへの接合において複合材タイの端部を揃えるため溶接部を改良した。画像提供：「ブレース付き立方体圧力容器の製造プロセスの開発」、ミュンヘン工科大学、Polymers4Hydrogenプロジェクト、ECCM20、2022年6月。
このように、ラミネートは最初の巻き付け工程後に硬化され、ポストが再成形され、TUMがフィラメントの2回目の巻き付けを完了した後、タンク外壁ラミネートが2回目の硬化処理を受けます。これはタイプ5のタンク設計であり、ガスバリアとしてのプラスチックライナーが使用されていないことにご注意ください。詳細は、以下の「次のステップ」セクションをご覧ください。
「最初のデモを断面に切り分け、接合部をマッピングしました」とグレイス氏は述べた。「拡大してみると、積層板に品質上の問題があり、ストラットヘッドが内部の積層板に平らに載っていないことが分かりました。」
タンクの内壁と外壁の積層板間の隙間の問題を解決する。改良されたタイロッドヘッドにより、実験用タンクの1回転目と2回転目の間に隙間が生じる。画像提供：ミュンヘン工科大学LCC。
この最初の450 x 290 x 80mmのタンクは昨年の夏に完成しました。「それ以来、かなり進歩しましたが、内外装のラミネートの間にはまだ隙間があります」とグレイス氏は言います。「そこで、この隙間を高粘度のきれいな樹脂で埋めることにしました。こうすることで、スタッドとラミネートの接合部が実際に改善され、機械的応力が大幅に軽減されます。」
チームは、望ましい巻き線パターンの解決策を含め、タンクの設計とプロセスの開発を続けました。「テストタンクの側面は完全にカールしていませんでした。この形状では巻き線経路を形成するのが難しかったからです」とグレイス氏は説明します。「当初の巻き線角度は75°でしたが、この圧力容器の負荷に対応するには複数の回路が必要であることは分かっていました。この問題の解決策をまだ模索中ですが、現在市販されているソフトウェアでは容易ではありません。これは後続プロジェクトになるかもしれません。」
「この生産コンセプトの実現可能性は実証済みです」とグレイスは語る。「しかし、積層板間の接合部の改善とタイロッドの形状変更には、さらなる作業が必要です。試験機による外部試験です。積層板からスペーサーを引き抜き、接合部が耐えられる機械的負荷を試験します。」
Polymers4Hydrogenプロジェクトのこの部分は2023年末に完了する予定で、グレイス氏はその時点で2基目の実証タンクを完成させたいと考えている。興味深いことに、現在の設計では、フレームには強化熱可塑性樹脂を、タンク壁には熱硬化性複合材料を使用している。このハイブリッドアプローチは最終的な実証タンクにも採用されるのだろうか？「はい」とグレイス氏は答えた。「Polymers4Hydrogenプロジェクトのパートナーは、より優れた水素バリア特性を持つエポキシ樹脂やその他の複合マトリックス材料を開発しています。」グレイス氏は、この研究に取り組んでいる2つのパートナーとして、PCCLとタンペレ大学（フィンランド、タンペレ）を挙げた。
Gleiss 氏と彼女のチームはまた、LCC コンフォーマル複合タンクからの 2 番目の HyDDen プロジェクトについて、Jaeger 氏と情報交換し、アイデアを議論しました。
「研究用ドローン用のコンフォーマル複合材圧力容器を製造します」とイェーガー氏は語る。「これは、ミュンヘン工科大学（TUM）の航空宇宙・測地学科の2つの部門、LCCとヘリコプター技術部門（HT）の共同研究です。プロジェクトは2024年末までに完了する予定で、現在、圧力容器の完成に取り組んでいます。この設計は、航空宇宙と自動車のアプローチをより重視しています。この初期コンセプト段階の後、次のステップは詳細な構造モデリングを行い、壁構造のバリア性能を予測することです。」
「全体的な構想は、燃料電池とバッテリーのハイブリッド推進システムを搭載した探査用ドローンを開発することです」と彼は続けた。このドローンは、高電力負荷時（離着陸時など）にはバッテリーを使用し、低負荷巡航時には燃料電池に切り替える。「HTチームは既に研究用ドローンを所有しており、バッテリーと燃料電池の両方を使用できるパワートレインを再設計しました」とイェーガー氏は述べた。「彼らはこのトランスミッションをテストするために、CGH2タンクも購入しました。」
「私のチームは、円筒形のタンクがもたらすパッケージングの問題を気にすることなく、ぴったり収まる圧力タンクのプロトタイプを作るという課題を負っていました」と彼は説明する。「タンクが平らであれば風圧抵抗が少なくなるため、飛行性能が向上するのです。」タンクの寸法は約830 x 350 x 173 mm。
完全に熱可塑性のAFP準拠タンク。HyDDenプロジェクトにおいて、ミュンヘン工科大学のLCCチームは当初、Glace社が採用したアプローチ（上）と同様のアプローチを検討しましたが、その後、複数の構造モジュールを組み合わせたアプローチに移行し、最終的にAFPを多用しました（下）。画像提供：ミュンヘン工科大学LCC
「エリザベス（グレイス）のアプローチに似たアイデアがあります」とヤガーは言う。「容器の壁に張力ブレースを適用して、高い曲げ力を相殺するというものです。ただし、タンクの製造に巻き取り工程を用いる代わりに、私たちはAFPを使用します。そこで、ラックが既に組み込まれた圧力容器の別セクションを作成することを考えました。このアプローチにより、これらの統合モジュールをいくつか組み合わせ、最終的なAFP巻き取り工程の前にエンドキャップで全体を密閉することができました。」
「現在、そのようなコンセプトを最終決定しようとしています」と彼は続けた。「また、材料選定の試験も開始しています。これは、水素ガスの透過に対する必要な耐性を確保するために非常に重要です。このため、私たちは主に熱可塑性材料を使用し、材料が透過挙動やAFP装置における処理にどのような影響を与えるかを様々な角度から検討しています。処理が効果を発揮するかどうか、また後処理が必要かどうかを把握することが重要です。また、異なるスタックが圧力容器を通過する水素透過に影響を与えるかどうかも把握したいと考えています。」
タンクは完全に熱可塑性樹脂で作られ、ストリップは帝人カーボン・ヨーロッパ社（ドイツ、ヴッパータール）から供給されます。「PPS（ポリフェニレンサルファイド）、PEEK（ポリエーテルケトン）、LM PAEK（低融点ポリアリールケトン）といった材料を使用します」とヤガー氏は述べました。「その後、どの材料が貫通防止に最も適しているか、そしてより高性能な部品を製造できるかを比較検討します。」ヤガー氏は、来年中に試験、構造およびプロセスモデリング、そして最初のデモンストレーションを完了させたいと考えています。
この研究は、連邦気候変動・環境・エネルギー・モビリティ・イノベーション・技術省および連邦デジタル技術・経済省のCOMETプログラム内のCOMETモジュール「Polymers4Hydrogen」（ID 21647053）で実施されました。著者は、参加パートナーであるPolymer Competence Center Leoben GmbH（PCCL、オーストリア）、Montanuniversitaet Leoben（高分子工学科学部、高分子材料化学学科、材料科学・高分子試験学科）、University of Tampere（工学材料学部）に感謝の意を表します。Science）、Peak Technology、Faureciaがこの研究に貢献しました。COMETモジュールは、オーストリア政府およびシュタイアーマルク州政府の資金提供を受けています。
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投稿日時: 2023年3月15日