BEV（バッテリー式電気自動車）およびFCEV（燃料電池車）向けの標準的なフラットプラットフォーム型タンクは、熱可塑性樹脂と熱硬化性樹脂の複合材料を使用し、骨格構造により水素貯蔵量を25%増加させています。#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体積効率を実現できることが実証された後、ミュンヘン工科大学は、量産に適した複合構造と拡張可能な製造プロセスの開発プロジェクトに着手した。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、ゼロエミッション環境目標達成のための新たな手段を提供する。H2エンジンを搭載した燃料電池乗用車は5～7分で燃料を充填でき、航続距離は500kmだが、生産量が少ないため、現状では高価である。コスト削減の一つの方法は、BEVとFCEVモデルに共通のプラットフォームを使用することである。しかし、FCEVで700バールの圧縮水素ガス（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、電気自動車用に綿密に設計された車体下部のバッテリーコンパートメントには適していないため、現状ではこれは不可能である。ただし、枕型や立方体型の圧力容器であれば、この平らなパッケージスペースに収まる可能性がある。
1995年にThiokol Corp.が出願した「複合コンフォーマル圧力容器」に関する米国特許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、このコンセプトの開発に向けた2つのプロジェクトに関わっています。1つ目は、レオベン高分子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）プロジェクトです。LCCのワークパッケージは、研究員のElizabeth Glace氏が率いています。
2つ目のプロジェクトは、LCCがクリスチャン・イェーガー研究員の主導で進める水素実証・開発環境（HyDDen）です。どちらのプロジェクトも、炭素繊維複合材を用いて適切なCGH2タンクを製造するための製造プロセスの大規模な実証を目指しています。
小径シリンダーを平型バッテリーセル（左）や、鋼製ライナーと炭素繊維/エポキシ複合材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、体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」からのものです。
P4H社は、熱可塑性樹脂製のフレームに炭素繊維強化エポキシ樹脂で包まれた複合材製の張力ストラップ／支柱を用いた実験用立方体タンクを製作した。HyDDen社も同様の設計を採用するが、熱可塑性樹脂複合材製のタンクはすべて自動繊維積層法（AFP）を用いて製造する予定である。
1995年のチオコール社による「複合コンフォーマル圧力容器」に関する特許出願から、1997年のドイツ特許DE19749950C2に至るまで、圧縮ガス容器は「あらゆる幾何学的形状」を持つことができるが、特に、シェル支持部に接続された空洞内に平らで不規則な形状の要素が使用され、ガスの膨張力に耐えることができるようになっている。
2006年のローレンス・リバモア国立研究所（LLNL）の論文では、3つのアプローチが紹介されている。フィラメント巻きのコンフォーマル圧力容器、内部に斜方格子構造（2cm以下の小さなセル）を持つマイクロラティス圧力容器を薄壁の水素容器で囲んだもの、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ある。複製容器は、従来の方法では適用が難しい大型容器に最適である。
フォルクスワーゲンが2009年に出願した特許DE102009057170Aは、重量効率を高めながらスペース利用率を向上させる車両搭載型圧力容器について記載している。長方形のタンクは、対向する2つの長方形の壁の間に張力コネクタを使用し、角は丸みを帯びている。
上記およびその他の概念は、Gleiss らが ECCM20 (2022 年 6 月 26 ～ 30 日、スイス、ローザンヌ) で発表した論文「ストレッチ バーを備えた立方体圧力容器のプロセス開発」の中で Gleiss によって引用されています。この論文の中で、彼女は 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的で、約 25% 多く収納できることがわかりました。
グライス氏によると、小型のタイプ4シリンダーを多数平らなケースに収める際の問題点は、「シリンダー間の容積が大幅に減少し、システム全体の水素ガス透過面積が非常に大きくなる」ことだという。「全体として、このシステムは立方体容器よりも貯蔵容量が少なくなる」。
しかし、タンクの立方体形状には他にも問題がある。「圧縮ガスのため、平らな壁にかかる曲げ力に対抗する必要があるのは明らかだ」とグライス氏は述べた。「そのためには、タンクの壁と内部で接続する強化構造が必要となる。しかし、複合材料でそれを実現するのは難しい。」
グレース氏と彼女のチームは、フィラメントワインディングプロセスに適した方法で、圧力容器に補強用の張力バーを組み込むことを試みた。「これは大量生産にとって重要であり、また、容器壁の巻き付けパターンを設計して、ゾーン内の各積載物に対して最適な繊維配向を実現することも可能になります」と彼女は説明する。
P4Hプロジェクト用の試作立方体複合タンクを製作するための4つのステップ。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、チームは上記の図に示す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。ステップ上で黒色で示されているテンションストラットは、MAI Skelettプロジェクトから採用された手法を用いて製造されたプレハブフレーム構造です。このプロジェクトでは、BMWは4本の繊維強化プルトルージョンロッドを使用してフロントガラスフレームの「フレームワーク」を開発し、そ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フィラメントを使用して3Dプリントした六角形の骨組み部分（上）、CF/PA6引抜成形ロッドを張力ブレースとして挿入し（中）、フィラメントをブレースに巻き付けた（下）。画像提供：ミュンヘン工科大学LCC。
「このアイデアは、立方体タンクのフレームをモジュール構造として構築できるというものです」とグレース氏は述べた。「これらのモジュールは成形ツールに配置され、テンションストラットがフレームモジュールに配置され、次にMAI Skelettの方法がストラットの周囲で使用され、フレーム部品と統合されます。」大量生産方法により、貯蔵タンクの複合シェルを包むマンドレルまたはコアとして使用される構造が完成します。
TUMは、タンクのフレームを、側面がしっかりしていて角が丸く、上下に六角形のパターンがあり、そこに紐を通したり固定したりできる立方体の「クッション」として設計した。これらのラック用の穴も3Dプリントで作られた。「最初の実験用タンクでは、簡単で安価だったため、ポリ乳酸（PLA、バイオベースの熱可塑性樹脂）を使用して六角形のフレーム部分を3Dプリントしました」とGlace氏は語った。
チームは、タイとして使用するために、SGL Carbon（ドイツ、マイティンゲン）から68本の引抜成形炭素繊維強化ポリアミド6（PA6）ロッドを購入した。「コンセプトをテストするために、成形は一切行わず、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」とグライス氏は言う。「これでタンクを巻き取るためのマンドレルができます。」彼女は、これらのロッドは比較的簡単に巻き取ることができるが、後述する重大な問題がいくつかあると指摘している。
「最初の段階では、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が目標でした」とグライス氏は説明しました。「そのため、張力支柱は骨格構造の外面から突き出ており、湿式フィラメントワインディングを使用してこのコアに炭素繊維を取り付けます。その後、3 番目のステップで、各タイロッドのヘッドを曲げます。熱可塑性樹脂なので、熱を使用してヘッドを再成形し、平らにして最初のラッピング層に固定します。次に、平らな推力ヘッドがタンクの壁のラミネート内に幾何学的に囲まれるように、構造を再度ラッピングします。
フィラメント巻き取り用スペーサーキャップ。ミュンヘン工科大学（TUM）では、フィラメント巻き取り時に繊維が絡まるのを防ぐため、張力ロッドの両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。
グラース氏は、この最初のタンクは概念実証のためのものであることを改めて強調した。「3Dプリンティングと接着剤の使用は初期テストのみであり、私たちが遭遇したいくつかの問題点を把握するのに役立ちました。例えば、巻き取り中にフィラメントが張力ロッドの端に引っかかり、繊維の破損や損傷を引き起こし、それを補うために繊維の量を減らす必要がありました。そこで、最初の巻き取り工程の前にポールに取り付ける製造補助として、いくつかのプラスチックキャップを使用しました。その後、内部の積層材が完成したら、これらの保護キャップを取り外し、最終的な巻き取りの前にポールの端を再成形しました。」
チームは様々な再構築シナリオを試した。「周囲をよく観察する方式が最も効果的だった」とグレースは言う。「また、試作段階では、改良した溶接ツールを使ってタイロッドエンドに熱を加え、形状を変えた。量産体制では、より大きなツールを使って、ストラットのすべての端部を同時に内装仕上げラミネートに成形することになるだろう。」
ドローバーのヘッド形状を変更。ミュンヘン工科大学は様々なコンセプトを試行錯誤し、タンク壁積層材に取り付けるための複合材製タイの端部を揃えるように溶接部を修正した。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、最初の巻き取り工程後に積層板が硬化し、支柱が再成形され、TUMがフィラメントの2回目の巻き取りを完了し、その後、タンク外壁の積層板が2回目の硬化を受けます。なお、これはタイプ5のタンク設計であり、ガスバリアとしてプラスチック製のライナーは使用されていません。詳細については、下記の「次のステップ」セクションをご覧ください。
「最初のデモ機を断面に切断し、接続部分をマッピングしました」とグレース氏は語った。「拡大してみると、ラミネート材に品質上の問題があり、支柱の頭部が内側のラミネート材に平らに接し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材間の隙間に関する問題を解決します。改良されたタイロッドヘッドにより、実験用タンクの1段目と2段目の間に隙間が生じます。画像提供：ミュンヘン工科大学LCC。
この最初の450×290×80mmのタンクは昨年の夏に完成しました。「それ以来、私たちは多くの進歩を遂げましたが、内側と外側のラミネートの間にはまだ隙間があります」とグレース氏は語りました。「そこで、その隙間を清潔で高粘度の樹脂で埋めることにしました。これにより、スタッドとラミネートの接合部が実際に強化され、機械的応力が大幅に増加します。」
チームは、望ましい巻き取りパターンを実現するための解決策を含め、タンクの設計とプロセスの開発を続けました。「この形状では巻き取り経路を作るのが難しかったため、試験タンクの側面は完全には巻き取られませんでした」とグレースは説明しました。「当初の巻き取り角度は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が、ラミネート間の接続を改善し、タイロッドの形状を変更するために、さらに作業を進める必要があります」とグライス氏は述べています。「試験機を使った外部試験です。スペーサーをラミネートから取り外し、それらの接合部が耐えられる機械的負荷をテストします。」
Polymers4Hydrogen プロジェクトのこの部分は 2023 年末に完了する予定で、その頃には Gleis 氏は 2 つ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、フレームに純粋な強化熱可塑性樹脂、タンク壁に熱硬化性複合材が使用されている。このハイブリッド方式は最終的な実証タンクでも使用されるのだろうか。「はい」と Grace 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。」彼女は、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) を挙げている。
グライス氏と彼女のチームは、LCCコンフォーマル複合タンクを用いた2番目のHyDDenプロジェクトについても、イェーガー氏と情報交換や意見交換を行った。
「研究用ドローン向けに、コンフォーマル複合材製の圧力容器を製造する予定です」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（LCC）とヘリコプター技術学科（HT）の2つの部門による共同プロジェクトです。プロジェクトは2024年末までに完了する予定で、現在、圧力容器の設計を進めています。この設計は、航空宇宙や自動車分野のアプローチを踏襲したものです。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、壁構造の遮蔽性能を予測することです。」
「この計画の目的は、燃料電池とバッテリーを組み合わせたハイブリッド推進システムを備えた探査ドローンを開発することです」と彼は続けた。高出力負荷時（離着陸時など）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するように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。「また、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、円筒形のタンクが引き起こす梱包上の問題ではなく、搭載可能な圧力タンクのプロトタイプを製作するという任務を負っていました」と彼は説明する。「平らなタンクの方が風の抵抗が少ないため、飛行性能が向上します。」タンクの寸法は約830 x 350 x 173 mm。
完全熱可塑性樹脂AFP準拠のタンク。HyDDenプロジェクトにおいて、ミュンヘン工科大学（TUM）のLCCチームは当初、Glace（上図）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、AFP（下図）を用いて過剰に利用するアプローチへと移行しました。画像提供：ミュンヘン工科大学LCC。
「一つのアイデアは、エリザベス・グライス氏のアプローチに似ていて、容器の壁に張力ブレースを取り付けて、高い曲げ力を補償するというものです」とイェーガー氏は語る。「ただし、タンクの製造に巻線プロセスではなく、AFP（自動成形）プロセスを採用しています。そのため、ラックがすで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複数組み合わせ、最終的なAFP巻線を行う前にエンドキャップを取り付けてすべてを密閉することができました。」
「私たちは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、「同時に、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な材料の選定テストも開始しています。このために、主に熱可塑性材料を使用し、材料が透過挙動やAFP装置での処理にどのように影響す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理解することが重要です。さらに、異なるスタック構成が圧力容器を通る水素透過に影響を与えるかどうかも知りたいと考えています。」
タンクは完全に熱可塑性樹脂製で、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）から供給される。「同社のPPS（ポリフェニレンスルフィド）、PEEK（ポリエーテルケトン）、LM PAEK（低融点ポリアリールケトン）材料を使用する予定です」とイェーガー氏は述べた。「そして、貫通防止とより優れた性能を持つ部品の製造に最適な材料を比較検討します。」同氏は、今後1年以内に試験、構造およびプロセスモデリング、最初のデモンストレーションを完了したいと考えている。
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・テクノロジー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）内で実施されました。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・科学学部、高分子材料化学部門、材料科学・高分子試験部門)、University of Tampere (工学材料学部)、Peak Technology、および Faurecia がこの研究に貢献したことに感謝します。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によって資金提供されています。
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投稿日時：2023年3月15日