BEV 和 FCEV 的标准平台储罐采用热塑性和热固性复合材料，其骨架结构可增加 25% 的氢气存储量。 #氢#趋势
在与宝马的合作表明，一个立方体罐可以比多个小气缸提供更高的容积效率后，慕尼黑工业大学开始了一个项目，开发复合材料结构和可扩展的批量生产制造工艺。图片来源：德累斯顿工业大学（左上）、慕尼黑工业大学碳复合材料系 (LCC)
由零排放（H2）氢气驱动的燃料电池电动汽车（FCEV）为实现零环境目标提供了额外的手段。配备H2发动机的燃料电池乘用车可在5-7分钟内充满，续航里程为500公里，但由于产量较低，目前价格较高。降低成本的一种方法是使用 BEV 和 FCEV 车型的标准平台。目前这是不可能的，因为 FCEV 中用于存储 700 bar 压缩氢气 (CGH2) 的 4 型圆柱形储罐不适合为电动汽车精心设计的车身底部电池室。然而，枕头和立方体形式的压力容器可以装入这个平坦的包装空间中。
“复合材料保形压力容器”专利US5577630A，由Thiokol Corp.于1995年申请（左），以及宝马于2009年申请的矩形压力容器专利（右）。
慕尼黑工业大学（TUM，德国慕尼黑）碳复合材料系 (LCC) 参与了两个项目来开发这一概念。第一个是 Polymers4Hydrogen (P4H)，由莱奥本聚合物能力中心（PCCL，奥地利莱奥本）领导。 LCC 工作包由伊丽莎白·格莱斯 (Elizabeth Glace) 研究员领导。
第二个项目是氢示范和开发环境 (HyDDen)，LCC 由研究员 Christian Jaeger 领导。两者的目的都是对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。
当小直径圆柱体安装在扁平电池单元（左）和由钢衬里和碳纤维/环氧树脂复合外壳制成的立方体 2 型压力容器（右）中时，体积效率有限。图片来源：图3和图6来自Ruf和Zaremba等人的“带有内张力腿的II型压力箱容器的数值设计方法”。
P4H 制造了一个实验性立方体储罐，该储罐使用热塑性框架，并带有复合张力带/支柱，并包裹在碳纤维增强环氧树脂中。 HyDDen 将使用类似的设计，但将使用自动纤维铺放 (AFP) 来制造所有热塑性复合材料储罐。
从 1995 年 Thiokol 公司申请的“复合材料保形压力容器”专利到 1997 年的德国专利 DE19749950C2，压缩气体容器在连接到壳体支撑的空腔中“可以具有任何几何形状”，尤其是平坦和不规则的形状。使用的元件能够承受气体的膨胀力。
2006 年劳伦斯利弗莫尔国家实验室 (LLNL) 的一篇论文描述了三种方法：纤维缠绕保形压力容器、包含内部正交晶格结构（2 厘米或更小的小单元）的微晶格压力容器，周围环绕着薄壁氢气容器，复制器容器，由由胶合小部件（例如六角形塑料环）组成的内部结构和薄外壳皮的组合物组成。重复容器最适合传统方法可能难以应用的较大容器。
大众汽车于 2009 年提交的专利 DE102009057170A 描述了一种车载压力容器，该压力容器将提供高重量效率，同时提高空间利用率。矩形储罐在两个矩形相对的壁之间使用张力连接器，并且拐角是圆形的。
Gleiss 在 Gleiss 等人的论文“带有拉伸杆的立方压力容器的工艺开发”中引用了上述和其他概念。 ECCM20（2022 年 6 月 26-30 日，瑞士洛桑）。在这篇文章中，她引用了 Michael Roof 和 Sven Zaremba 发表的 TUM 研究，该研究发现，具有连接矩形侧面的张力支柱的立方体压力容器比适合扁平电池空间的几个小圆柱体更有效，可提供大约 25 ％ 更多的。存储空间。
Gleiss表示，在扁平箱体中安装大量小型4型气瓶的问题在于“气瓶之间的体积大大减小，而且系统还具有非常大的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要少。”
然而，坦克的立方体设计还存在其他问题。 “显然，由于压缩气体，你需要抵消平坦墙壁上的弯曲力，”格莱斯说。 “为此，您需要一个在内部连接到罐壁的加固结构。但这对于复合材料来说很难做到。”
Glace 和她的团队尝试以适合纤维缠绕工艺的方式将加强拉杆集成到压力容器中。 “这对于大批量生产非常重要，”她解释道，“并且还允许我们设计容器壁的缠绕模式，以优化该区域中每个负载的纤维方向。”
为 P4H 项目制作立方复合材料试验箱的四个步骤。图片来源：“带支撑的立方体压力容器生产工艺的开发”，慕尼黑工业大学，Polymers4Hydrogen 项目，ECCM20，2022 年 6 月。
为了实现链上，团队开发了一个新概念，包括四个主要步骤，如上所示。台阶上以黑色显示的张力支柱是一种预制框架结构，采用 MAI Skelett 项目的方法制造。在该项目中，宝马使用四根纤维增强拉挤杆开发了挡风玻璃框架“框架”，然后将其模制成塑料框架。
实验立方罐的框架。 TUM 使用未增强的 PLA 长丝（顶部）3D 打印六角形骨架部分，插入 CF/PA6 拉挤杆作为张力支架（中），然后将长丝缠绕在支架上（底部）。图片来源：慕尼黑工业大学 LCC。
“我们的想法是，你可以将立方体储罐的框架构建为模块化结构，”格莱斯说。 “然后将这些模块放置在成型工具中，将张力支柱放置在框架模块中，然后在支柱周围使用 MAI Skelett 的方法将它们与框架部件集成。”大规模生产方法，产生一种结构，然后用作心轴或芯来包裹储罐复合材料外壳。
慕尼黑工业大学将储罐框架设计为立方体“垫子”，具有实心侧面、圆角以及顶部和底部的六边形图案，可以通过该垫子插入和连接系带。这些架子的孔也是 3D 打印的。 “对于我们最初的实验罐，我们使用聚乳酸 [PLA，一种生物基热塑性塑料] 3D 打印六角形框架部分，因为它既简单又便宜，”Glace 说。
该团队从 SGL Carbon（德国迈廷根）购买了 68 根拉挤碳纤维增强聚酰胺 6 (PA6) 棒用作拉杆。 “为了测试这个概念，我们没有进行任何成型，”Gleiss 说道，“只是将垫片插入 3D 打印的蜂窝芯框架中，并用环氧树脂胶将它们粘合起来。这样就提供了一个用于缠绕油箱的心轴。”她指出，虽然这些杆相对容易缠绕，但存在一些重大问题，稍后将进行描述。
“在第一阶段，我们的目标是展示设计的可制造性并找出生产概念中的问题，”Gleiss 解释道。 “因此，张力支柱从骨架结构的外表面突出，我们使用湿法长丝缠绕将碳纤维附着到该核心上。之后，在第三步中，我们弯曲每个拉杆的头部。热塑性塑料，因此我们只需使用热量来重塑头部，使其变平并锁定到第一层包裹物中。然后，我们再次包裹该结构，使扁平推力头在几何上封闭在油箱内。层压板在墙上。
用于缠绕的间隔帽。 TUM 在拉杆末端使用塑料帽，以防止纤维在长丝缠绕过程中缠结。图片来源：慕尼黑工业大学 LCC。
格莱斯重申，第一辆坦克是概念验证。 “3D 打印和胶水的使用仅用于初步测试，让我们了解了遇到的一些问题。例如，在缠绕过程中，长丝被张力杆的端部卡住，导致纤维断裂、纤维损坏，并减少纤维量来应对这种情况。 “我们使用了一些塑料盖作为制造辅助工具，在第一次缠绕步骤之前将其放置在杆子上。然后，当制作内部层压板时，我们取下这些保护盖并在最终缠绕之前重新塑造杆子的末端。”
该团队尝试了各种重建场景。 “那些环顾四周的人工作效果最好，”格蕾丝说。 “此外，在原型设计阶段，我们使用了改进的焊接工具来加热并重塑拉杆端部。在大规模生产概念中，您将拥有一个更大的工具，可以将支柱的所有端部同时成型并形成内部饰面层压板。 。 ”
牵引杆头经过改造。慕尼黑工业大学尝试了不同的概念，并修改了焊缝，以对齐复合材料拉杆的端部，以便连接到罐壁层压板。图片来源：“带支撑的立方体压力容器生产工艺的开发”，慕尼黑工业大学，Polymers4Hydrogen 项目，ECCM20，2022 年 6 月。
因此，层压板在第一次缠绕步骤之后固化，柱被重新成形，TUM完成长丝的第二次缠绕，然后外罐壁层压板被第二次固化。请注意，这是 5 型储罐设计，这意味着它没有塑料内衬作为气体屏障。请参阅下面“后续步骤”部分中的讨论。
“我们将第一个演示切割成横截面并绘制了连接区域的地图，”格莱斯说。 “特写镜头显示，我们的层压板存在一些质量问题，支柱头没有平放在内部层压板上。”
解决罐内壁和外壁层压板之间的间隙问题。改进后的拉杆头在实验罐的第一圈和第二圈之间形成了间隙。图片来源：慕尼黑工业大学 LCC。
这个最初的 450 x 290 x 80mm 水箱于去年夏天完工。 “自那时以来，我们已经取得了很大进展，但我们在内部和外部层压板之间仍然存在差距，”格莱斯说。 “所以我们尝试用干净、高粘度的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连接，从而大大增加了机械应力。”
该团队继续开发油箱设计和工艺，包括所需缠绕模式的解决方案。 “测试水箱的侧面没有完全卷曲，因为这种几何形状很难形成蜿蜒的路径，”格莱斯解释道。 “我们最初的缠绕角度为 75°，但我们知道需要多个回路来满足该压力容器中的负载。我们仍在寻找解决这个问题的方法，但对于目前市场上的软件来说这并不容易。它可能会成为一个后续项目。
“我们已经证明了这种生产概念的可行性，”Gleiss 说，“但我们需要进一步努力，以改善层压板之间的连接并重塑拉杆。 “在测试机上进行外部测试。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，Gleis 希望届时完成第二个示范罐。有趣的是，当今的设计在框架中使用纯增强热塑性塑料，在罐壁中使用热固性复合材料。这种混合方法会在最终的示范坦克中使用吗？ “是的，”格蕾丝说。 “我们在 Polymers4Hydrogen 项目中的合作伙伴正在开发环氧树脂和其他具有更好氢阻隔性能的复合基质材料。”她列出了从事这项工作的两个合作伙伴：PCCL 和坦佩雷大学（芬兰坦佩雷）。
Gleiss 和她的团队还与 Jaeger 就 LCC 保形复合材料罐的第二个 HyDDen 项目交换了信息并讨论了想法。
“我们将为研究无人机生产保形复合材料压力容器，”耶格说。 “这是 TUM 航空航天和大地测量系的两个部门 – LCC 和直升机技术系 (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容器。这种设计更像是航空航天和汽车领域的方法。在这个初始概念阶段之后，下一步是进行详细的结构建模并预测墙体结构的屏障性能。”
“整个想法是开发一种具有混合燃料电池和电池推进系统的探索性无人机，”他继续说道。它将在高功率负载（即起飞和着陆）期间使用电池，然后在轻负载巡航期间切换到燃料电池。 “HT 团队已经拥有了一架研究无人机，并重新设计了动力系统，以使用电池和燃料电池，”耶格尔说。 “他们还购买了一辆 CGH2 坦克来测试这种变速箱。”
“我的团队的任务是建造一个适合的压力罐原型，但不是因为圆柱形罐会产生包装问题，”他解释道。 “较扁平的水箱无法提供那么多的风阻。这样你就能获得更好的飞行性能。”水箱尺寸约830 x 350 x 173 毫米。
完全符合 AFP 标准的热塑性塑料罐。对于 HyDDen 项目，TUM 的 LCC 团队最初探索了与 Glace 使用的方法类似的方法（上图），但后来转向使用多个结构模块组合的方法，而 AFP 则过度使用了该方法（下图）。图片来源：慕尼黑工业大学 LCC。
“一个想法类似于 Elisabeth [Gleiss] 的方法，”Yager 说，“在血管壁上应用拉力支架来补偿高弯曲力。然而，我们没有使用缠绕工艺来制造坦克，而是使用了 AFP。因此，我们考虑创建压力容器的一个单独部分，其中已经集成了机架。这种方法使我能够组合多个集成模块，然后在最终 AFP 缠绕之前应用端盖来密封所有部件。”
“我们正在努力敲定这样一个概念，”他继续说道，“并开始测试材料的选择，这对于确保必要的氢气渗透阻力非常重要。为此，我们主要使用热塑性材料，并正在研究该材料如何影响 AFP 机器中的渗透行为和加工。了解治疗是否有效以及是否需要任何后处理非常重要。我们还想知道不同的烟囱是否会影响氢气通过压力容器的渗透。”
该储罐将完全由热塑性塑料制成，带材将由帝人碳欧洲有限公司（德国伍珀塔尔）提供。 “我们将使用他们的 PPS（聚苯硫醚）、PEEK（聚醚酮）和 LM PAEK（低熔点聚芳酮）材料，”Yager 说。 “然后进行比较，看看哪一种最适合渗透保护并生产性能更好的零件。”他希望在明年完成测试、结构和工艺建模以及首次演示。
该研究工作是在联邦气候变化、环境、能源、流动性、创新和技术部以及联邦数字技术和经济部 COMET 计划的 COMET 模块“Polymers4Hydrogen”（ID 21647053）内进行的。 。作者感谢参与合作伙伴 Polymer Competence Center Leoben GmbH（PCCL，奥地利）、Montanuniversitaet Leoben（聚合物工程与科学学院、聚合物材料化学系、材料科学与聚合物测试系）、坦佩雷大学（工程学院）材料）。 ）科学）、匹克科技和佛吉亚对这项研究工作做出了贡献。 COMET-Modul 由奥地利政府和施蒂利亚州政府资助。
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发布时间：2023年3月15日