BEV和FCEV的标准平台储罐使用骨架结构的热塑性和热固性复合材料，可提供25％的H2存储。 ＃氢＃趋势
与宝马合作表明，与多个小型缸相比，立方储罐可以提供更高的体积效率，慕尼黑技术大学开始了一个项目，以开发复合结构和可扩展的串行生产制造过程。图片来源：Tu Dresden（左上）），慕尼黑技术大学，碳复合材料系（LCC）
由零发射（H2）供电的燃料电池电动汽车（FCEV）提供了实现零环境目标的其他手段。带有H2发动机的燃料电池乘用车可以在5-7分钟内填充，范围为500 km，但由于生产量较低，目前更昂贵。降低成本的一种方法是为BEV和FCEV模型使用标准平台。目前这是不可能的，因为用于在FCEV中以700 bar存储压缩H2气体（CGH2）的4型圆柱储罐不适合精心设计用于电动汽车的车身电池室。但是，枕头和立方体形式的压力容器可以适合这个平坦的包装空间。
专利US577630A针对Thiokol Corp.于1995年（左）提交的“复合共形压力容器”和2009年BMW专利的矩形压力容器（右）。
慕尼黑技术大学（德国TUM，德国）碳复合材料（LCC）参与了两个项目来开发这一概念。第一个是由Leoben聚合物能力中心（PCCL，Leoben，Austria）领导的Polymers4氢（P4H）。 LCC工作包由伊丽莎白·格拉斯（Elizabeth Glace）的同伴领导。
第二个项目是氢示范和开发环境（Hydden），其中LCC由研究员Christian Jaeger领导。两者都旨在为制造使用碳纤维复合材料制造合适的CGH2储罐的制造过程进行大规模演示。
当将小直径圆柱安装在平坦的电池电池（左）和由钢衬里和碳纤维/环氧复合复合材料外壳（右）的2型压力容器（右）中（右）安装时，容量效率有限。图像来源：图3和6来自RUF和Zaremba等人的“具有内部张力腿的II型压力箱容器的数值设计方法”。
P4H制造了一个实验立方体罐，该储罐使用具有复合张力带/支柱包裹在碳纤维增强环氧树脂中的热塑性框架。 Hydden将使用类似的设计，但将使用自动纤维上色（AFP）来制造所有热塑性复合罐。
从1995年的Thiokol Corp.的专利申请到1997年的“复合共形压力容器”到1997年的德国专利DE197499950C2，压缩气体“可能具有任何几何构型”，但尤其是平坦的不规则形状，在连接到壳体支撑的空腔中。使用元素，以便它们可以承受气体膨胀力。
2006年劳伦斯·利维尔莫尔国家实验室（LLNL）的一份论文描述了三种方法：一种灯丝伤口的结合压力容器，一种含有内部骨质晶格结构的微层压力容器（2厘米或更少的小单元），包围着薄壁的H2容器，包括薄壁的H2容器，以及包含的内部结构，包括一个薄壁的内部结构，以及一个综合的繁殖层，该组合的繁殖率（包括）均包含了较小的繁殖层（薄外壳皮肤的组成。重复的容器最适合可能难以应用传统方法的较大容器。
大众汽车于2009年提交的专利DE102009057170A描述了一种车辆安装的压力容器，该压力容器将提供高体重效率，同时改善空间利用率。矩形储罐使用两个矩形对面壁之间的张力连接器，拐角处圆润。
Gleiss在Gleiss等人的“立方压力容器的过程开发”中引用了上述概念和其他概念。在ECCM20（2022年6月26日至30日，瑞士洛桑）。在本文中，她引用了Michael Roof和Sven Zaremba发表的一项TUM研究，该研究发现，连接矩形侧面的张力支柱的立方压力容器比几个适合平坦电池空间的小圆柱体更有效，可提供大约25％。存储空间。
根据格里斯（Gleiss）的说法，在平坦的情况下安装大量小型4级圆柱体的问题是：“气缸之间的体积大大减少，并且系统也具有很大的H2气体渗透表面。总体而言，该系统提供的存储容量比立方罐较少。”
但是，坦克的立方设计还有其他问题。格里斯说：“显然，由于压缩气体，您需要抵消平墙上的弯曲力。” “为此，您需要一个内部连接到水箱墙壁的增强结构。但这与复合材料很难。”
格拉斯（Glace）和她的团队试图以适合细丝绕组过程的方式将加强张力杆纳入压力容器。她解释说：“这对于大批量生产很重要，还允许我们设计容器壁的绕组模式，以优化区域中每个负载的纤维方向。”
为P4H项目制作试验的立方储罐的四个步骤。图片来源：“用支架的立方压力容器开发生产过程”，慕尼黑技术大学，Polymers4Hydrogen Project，ECCM20，2022年6月。
为了实现链子，团队已经开发了一个新概念，该概念由四个主要步骤组成，如上所示。台阶上以黑色显示的张力支柱是使用Mai Skelett项目采集的方法制造的预制框架结构。对于这个项目，宝马使用四个纤维增强的纯净杆子开发了挡风玻璃框架“框架”，然后将其模制成塑料框架。
实验立方储罐的框架。 TUM使用未增强的PLA细丝（顶部）打印的六边形骨骼截面3D，将CF/PA6 pultrusion杆插入张力支架（中间），然后将细丝包裹在牙套周围（底部）。图片来源：慕尼黑技术大学LCC。
格莱斯说：“这个想法是，您可以将立方储罐的框架作为模块化结构。” “然后将这些模块放在模制工具中，将张力支撑放在框架模块中，然后将Mai Skelett的方法围绕支撑杆与框架零件集成在一起。”质量生产方法，导致结构，然后用作包装储罐复合壳的mandrel或核心。
TUM将储罐框架设计为具有固体侧面，圆角和顶部和底部的六角形图案的立方“垫子”，可以插入和连接领带。这些架子的孔也打印了3D。 Glace说：“对于我们最初的实验水箱，我们使用二乳酸[PLA，一种基于生物的热塑性塑料]打印了3D打印的六边形框架截面，因为它易于易。”
该团队从SGL Carbon（德国Meitingen）购买了68个纯纤维纤维增强聚酰胺6（PA6）杆作为纽带。格里斯说：“为了测试这个概念，我们没有进行任何成型，但是只需将垫片插入一个3D打印的蜂窝核心框架，然后将它们粘在环氧胶中。然后，这为缠绕坦克提供了一个曼德尔。”她指出，尽管这些杆相对容易风，但是有一些重大问题将在后面描述。
Gleiss解释说：“在第一阶段，我们的目标是证明设计的制造性并确定生产概念中的问题。” “因此，张力从骨骼结构的外表面伸出，并使用湿丝绕组将碳纤维连接到该芯上。之后，在第三步中，我们弯曲了每个拉杆的头部。热塑性塑料，因此我们只使用热量重塑头部，以使其变平并锁定到包装的第一层。然后，我们继续将结构包裹起来，以便将平坦的推力头被几何封闭在水箱内。在墙壁上层压。
用于绕组的垫片帽。 TUM在张力杆的末端使用塑料盖，以防止纤维缠绕过程中的纤维缠结。图片来源：慕尼黑技术大学LCC。
格莱斯重申，第一个坦克是概念的证明。 “使用3D打印和胶水仅用于初步测试，并使我们了解了一些我们遇到的问题。例如，在绕组过程中，细丝被张力杆的末端捕获，从而导致纤维断裂，纤维损坏，并减少纤维量以对抗这一点。我们使用了一些塑料帽作为在第一个绕组步骤之前放置在杆上的制造辅助物。
团队试验了各种重建方案。格蕾丝说：“那些环顾四周的人。” “此外，在原型制作阶段，我们使用了修改后的焊接工具来施加热量并重塑拉杆端。在大规模生产概念中，您将拥有一个更大的工具，可以同时将支柱的所有末端塑造成内部饰面。 。透明
拉杆头重塑。 TUM实验了不同的概念，并修改了焊缝以对齐复合线的末端，以连接到储罐壁层压板上。图片来源：“用支架的立方压力容器开发生产过程”，慕尼黑技术大学，Polymers4Hydrogen Project，ECCM20，2022年6月。
因此，在第一个绕组步骤后，层压板固化，柱子进行了重塑，TUM完成了丝的第二个缠绕，然后第二次将外罐壁层压板固化。请注意，这是5型油箱设计，这意味着它没有塑料衬里作为气势屏障。请参阅下面的下一步部分中的讨论。
格拉斯说：“我们将第一个演示切成横截面并绘制了连接区域。” “特写镜头表明，我们在层压板上遇到了一些质量问题，而支柱头部没有平放在内部层压板上。”
解决储罐内壁和外壁的层压板之间的缝隙解决问题。修饰的绑带头会在实验箱的第一和第二圈之间造成差距。图片来源：慕尼黑技术大学LCC。
这个最初的450 x 290 x 80mm储罐于去年夏天完成。格拉斯说：“从那以后，我们取得了很大的进步，但是内部和外部层压板之间仍然存在差距。” “因此，我们试图用干净的高粘度树脂来填补这些空白。这实际上改善了螺柱和层压板之间的联系，这大大增加了机械应力。”
团队继续开发坦克的设计和流程，包括解决所需绕组模式的解决方案。格莱斯解释说：“测试箱的侧面没有完全卷曲，因为这种几何形状很难创建绕组路径。” “我们的初始绕组角度为75°，但我们知道需要多个电路来满足该压力容器中的负载。我们仍在寻找解决此问题的解决方案，但是当前市场上的软件并不容易。它可能成为一个后续项目。
格里斯说：“我们已经证明了这种生产概念的可行性，但是我们需要进一步努力，以改善层压板和重塑绑带杆之间的联系。 “测试机上的外部测试。您将垫片从层压板中拉出，并测试这些接头可以承受的机械载荷。”
Polymers4Hydrogen项目的这一部分将于2023年底完成，到那时，Gleis希望完成第二个示范池。有趣的是，当今的设计在框架中使用整洁的增强热塑性塑料和储罐墙中的热固性复合材料。这种混合方法会在最终的演示箱中使用吗？ “是的，”格蕾丝说。 “我们在Polymers4Hydrogen项目中的合作伙伴正在开发具有更好氢屏障特性的环氧树脂和其他复合基质材料。”她列出了PCCL和坦佩雷大学（芬兰坦佩雷）的两个合作伙伴。
格里斯（Gleiss）和她的团队还交换了信息，并与Jaeger讨论了从LCC保形复合罐中的第二个Hydden项目的想法。
Jaeger说：“我们将为研究无人机生产一个保形复合压力容器。” “这是航空航天两个部门与TUM的大地训练部 - LCC和直升机技术部（HT）之间的合作。该项目将于2024年底完成，我们目前正在完成压力船。一种更像是航空航天和汽车方法的设计。在这个初始概念阶段之后，下一步是执行详细的结构建模并预测墙壁结构的障碍性能。”
他继续说：“整个想法是使用混合燃料电池和电池推进系统开发探索无人机。”它将在高功率负载（即起飞和降落）期间使用电池，然后在轻载巡航过程中切换到燃料电池。 Yeager说：“ HT团队已经进行了研究无人机，并重新设计了动力总成使用电池和燃料电池。” “他们还购买了CGH2坦克来测试此变速箱。”
他解释说：“我的团队的任务是建造适合的压力箱原型，但这并不是因为圆柱坦克会产生的包装问题。” “一个平坦的坦克没有太多的防风能力。因此，您会获得更好的飞行性能。”储罐尺寸约830 x 350 x 173毫米。
完全兼容的AFP储罐。对于Hydden项目，TUM的LCC团队最初探索了与Glace（上）使用的方法相似的方法，但随后使用几个结构模块的组合移动到了一种方法，然后使用AFP（下）过度使用。图片来源：慕尼黑技术大学LCC。
Yager说：“一个想法与Elisabeth [Gleiss]的方法相似，将张力括号施加到容器壁上以补偿高弯曲力。但是，我们使用AFP，而不是使用绕组过程制作储罐。因此，我们考虑了创建压力容器的单独部分，该部分已经集成了架子。这种方法使我能够将这些集成的几个模块组合在一起，然后在最终的法新社绕组之前施加端盖以密封所有内容。”
他继续说：“我们正在努力最终确定这样的概念，并开始测试材料的选择，这对于确保对H2气体渗透的必要性非常重要。为此，我们主要使用热塑性材料，并正在研究各种材料将如何影响AFP机器中的渗透行为和处理。重要的是要了解治疗是否会产生影响以及是否需要进行任何后处理。我们还想知道不同的堆栈是否会影响氢渗透到压力容器中。”
该储罐将完全由热塑性塑料制成，并将由Teijin Carbon Europe GmbH（德国Wuppertal）提供。 Yager说：“我们将使用它们的PPS（聚苯基硫化物]，PEEK [聚醚酮]和LM Paek [低熔化的聚烯基酮]材料。” “然后进行比较，以查看哪种最适合渗透保护和生产更好的性能。”他希望在明年内完成测试，结构和过程建模以及首次演示。
研究工作是在联邦气候变化部，环境，能源，流动性，创新和技术和联邦数字技术和经济部的彗星模块“ Polymers4Hydrogen”（ID 21647053）中进行的。 。作者感谢参与的合作伙伴聚合物能力中心Leoben GmbH（奥地利PCCL），Montanuniversitaet Leoben（聚合物工程和科学学院，聚合物材料化学系，材料科学与聚合物学系化学系），材料科学和聚合物测试系），坦佩尔大学，工程材料学院。 ）科学），峰值技术和牛recia为这项研究工作做出了贡献。 Comet-Modul由奥地利政府和施蒂里亚州政府资助。
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