BEV 和 FCEV 的标准平板罐采用热塑性和热固性复合材料，骨架结构可增加 25% 的 H2 存储量。#hydrogen #trends
慕尼黑工业大学与宝马合作，证明立方体油箱比多个小圆柱体油箱拥有更高的容积效率。此后，该大学启动了一个项目，旨在开发一种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）
以零排放 (H2) 氢为动力的燃料电池电动汽车 (FCEV) 为实现零排放环境目标提供了更多途径。搭载 H2 发动机的燃料电池乘用车可在 5-7 分钟内加满，续航里程为 500 公里，但由于产量低，目前价格较高。降低成本的一种方法是为 BEV 和 FCEV 车型使用标准平台。目前这无法实现，因为 FCEV 中用于储存 700 bar 压缩氢气 (CGH2) 的 4 型圆柱形储罐不适用于专为电动汽车设计的底部电池仓。然而，枕形和立方体形状的压力容器可以装入这种扁平的封装空间。
1995 年 Thiokol 公司提交的“复合共形压力容器”专利 US5577630A（左）和宝马于 2009 年获得专利的矩形压力容器（右）。
慕尼黑工业大学（TUM，德国慕尼黑）碳复合材料系（LCC）参与了两个开发这一概念的项目。第一个项目是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Elizabeth Glace研究员领导。
第二个项目是氢能演示与开发环境（HyDDen），LCC 由研究员 Christian Jaeger 领导。这两个项目都旨在大规模演示使用碳纤维复合材料制造合适的 CGH2 储罐的制造工艺。
当小直径圆柱体安装在扁平电池单元（左）和由钢内衬和碳纤维/环氧复合材料外壳制成的立方体2型压力容器（右）中时，容积效率有限。图片来源：图3和图6出自Ruf和Zaremba等人撰写的《带内部张力腿的II型压力箱容器的数值设计方法》。
P4H 已制造了一个实验性的立方体储罐，该储罐采用热塑性框架，并配有碳纤维增强环氧树脂包裹的复合材料拉力带/支柱。HyDDen 将采用类似的设计，但将使用自动纤维铺层 (AFP) 来制造所有热塑性复合材料储罐。
从1995年Thiokol公司申请的“复合保形压力容器”专利到1997年的德国专利DE19749950C2，压缩气体容器“可以具有任何几何形状”，特别是扁平和不规则的形状，在与壳体支撑连接的腔体中使用元件，以便它们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：一种纤维缠绕适形压力容器；一种微晶格压力容器，其内部包含正交晶格结构（2厘米或更小的小单元），周围环绕着薄壁H2容器；以及一种复制容器，其内部结构由粘合的小部件（例如六边形塑料环）和薄外壳组成。复制容器最适合用于传统方法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，该容器可在提高空间利用率的同时，实现较高的重量效率。矩形罐体在两个相对的矩形壁之间使用拉力连接器，并且边角呈圆角。
Gleiss 等人在 ECCM20（2022 年 6 月 26 日至 30 日，瑞士洛桑）上发表的论文《带拉伸杆的立方体压力容器工艺开发》中引用了上述及其他概念。在这篇文章中，她引用了 Michael Roof 和 Sven Zaremba 发表的一项慕尼黑工业大学 (TUM) 研究，该研究发现，带有连接矩形侧面的拉伸支柱的立方体压力容器比装入扁平电池空间的多个小圆柱体效率更高，可提供约 25% 的额外存储空间。
Gleiss 表示，在扁平容器中安装大量小型 4 缸储氢罐的问题在于，“储氢罐之间的容积会大大减小，而且系统的氢气渗透面也会非常大。总体而言，该系统的储氢容量比立方罐要小。”
然而，这种储罐的立方体设计还存在其他问题。“显然，由于压缩气体的作用，你需要抵消平坦壁上的弯曲力，”格莱斯说。“为此，你需要一个内部连接到储罐壁的增强结构。但这很难用复合材料来实现。”
Glace 和她的团队尝试将加强拉杆融入压力容器中，使其更适合纤维缠绕工艺。“这对于大批量生产至关重要，”她解释说，“并且还能让我们设计容器壁的缠绕模式，从而优化区域内每个载荷的纤维取向。”
为P4H项目制造立方体复合材料试验罐的四个步骤。图片来源：“带支撑的立方体压力容器生产工艺开发”，慕尼黑工业大学，Polymers4Hydrogen项目，ECCM20，2022年6月。
为了实现链上制造，团队开发了一个由四个主要步骤组成的新概念，如上图所示。步骤中以黑色表示的拉力支柱是一个预制框架结构，其制造方法借鉴了 MAI Skelett 项目。针对该项目，宝马开发了一个挡风玻璃框架“框架”，采用四根纤维增强拉挤棒，然后将其模制成塑料框架。
实验性立方体容器的框架。慕尼黑工业大学 (TUM) 使用未增强 PLA 材料 (上) 3D 打印的六边形骨架部分，插入 CF/PA6 拉挤棒作为拉力支撑 (中)，然后将材料 (下) 缠绕在支撑上。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成模块化结构，”Glace说道。“然后，将这些模块放入成型工具中，将张力支柱放置在框架模块中，然后围绕支柱使用MAI Skelett的方法，将它们与框架部件集成在一起。” 这是一种大规模生产方法，最终形成了一种结构，该结构随后可用作心轴或芯体，包裹储罐复合材料壳体。
慕尼黑工业大学将水箱框架设计成一个立方体“垫子”，其侧面坚固，边角圆润，顶部和底部有六边形图案，可以通过六边形图案插入和连接扎带。这些支架的孔也是3D打印的。“对于我们最初的实验水箱，我们使用聚乳酸（PLA，一种生物基热塑性塑料）3D打印了六边形框架部分，因为它简单易用且价格低廉，”格莱斯说道。
该团队从德国迈廷根的西格里碳素公司（SGL Carbon）购买了68根拉挤碳纤维增强聚酰胺6 (PA6) 棒，用作连接件。“为了测试这个概念，我们没有进行任何成型，”格莱斯说道，“只是简单地将垫片插入3D打印的蜂窝芯框架中，并用环氧胶将它们粘合在一起。这样就形成了一个缠绕储罐的心轴。” 她指出，虽然这些棒相对容易缠绕，但也存在一些重要的问题，稍后会进行阐述。
“在第一阶段，我们的目标是展示设计的可制造性，并找出生产方案中存在的问题，”格莱斯解释道。“因此，张力支柱从骨架结构的外表面伸出，我们采用湿法纤维缠绕技术将碳纤维附着到这个核心上。之后，在第三步，我们弯曲每个拉杆的头部。由于是热塑性材料，我们只需加热即可重塑头部，使其变平并锁定在第一层包裹层中。然后，我们继续再次包裹结构，使扁平的推力头以几何形状包裹在油箱内。层压板固定在油箱壁上。”
用于缠绕的垫圈盖。慕尼黑工业大学在拉杆末端使用塑料盖，以防止纤维在缠绕过程中缠结。图片来源：慕尼黑工业大学LCC。
Glace 重申，这第一个水箱只是一个概念验证。“3D 打印和胶水的使用只是初步测试，让我们了解到一些遇到的问题。例如，在缠绕过程中，细丝会被拉杆末端卡住，导致纤维断裂、纤维损坏，并导致纤维用量减少。我们使用了一些塑料盖作为制造辅助工具，在第一步缠绕之前将它们放在杆子上。然后，在制作内部层压板时，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。”
团队尝试了各种重建方案。“善于观察的人工作效率最高，”格雷斯说道。“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。在量产方案中，我们会使用一个更大的工具，可以同时将所有支柱端成型为内饰层压板。”
牵引杆头重新设计。慕尼黑工业大学 (TUM) 尝试了不同的方案，并修改了焊缝，使复合材料拉杆的末端对齐，以便将其连接到罐壁层压板上。图片来源：“带支撑的立方体压力容器生产工艺开发”，慕尼黑工业大学，Polymers4Hydrogen 项目，ECCM20，2022 年 6 月。
因此，在第一次缠绕步骤后，层压板会进行固化，柱子会进行重塑，TUM 会完成细丝的第二次缠绕，然后外罐壁层压板会进行第二次固化。请注意，这是 5 型罐设计，这意味着它没有塑料内衬作为气体阻隔。请参阅下文“后续步骤”部分的讨论。
“我们把第一个样车切割成横截面，并绘制了连接区域，”格莱斯说。“特写显示，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。”
解决储罐内外壁层压板之间的间隙问题。改进的拉杆头在实验储罐的第一圈和第二圈之间产生了间隙。图片来源：慕尼黑工业大学LCC。
这个最初的450 x 290 x 80毫米的储罐于去年夏天完工。“从那时起，我们取得了很大进展，但内外层压板之间仍然存在缝隙，”格莱斯说道。“所以我们尝试用一种干净的高粘度树脂来填充这些缝隙。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。”
团队继续开发储罐设计和工艺，包括针对所需缠绕模式的解决方案。“测试储罐的侧面没有完全卷曲，因为这种几何形状很难形成缠绕路径，”Glace 解释道。“我们最初的缠绕角度是 75°，但我们知道需要多个回路才能满足该压力容器的负载。我们仍在寻找这个问题的解决方案，但目前市面上的软件并不容易。这可能会成为一个后续项目。”
“我们已经证明了这一生产理念的可行性，”格莱斯说道，“但我们需要进一步改进层压板之间的连接，并重塑拉杆的形状。在试验机上进行外部测试。将垫片从层压板中拉出，测试这些接头能够承受的机械载荷。”
Polymers4Hydrogen 项目的这一部分将于 2023 年底完成，届时 Gleis 希望能够完成第二个示范罐。有趣的是，目前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罐中采用吗？“是的，”Grace 说道。“我们在 Polymers4Hydrogen 项目中的合作伙伴正在开发具有更佳氢阻隔性能的环氧树脂和其他复合基质材料。”她列举了两个正在从事这项工作的合作伙伴：PCCL 和坦佩雷大学（芬兰坦佩雷）。
Gleiss 和她的团队还与 Jaeger 就 LCC 保形复合材料储罐的第二个 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一个共形复合材料压力容器，”Jaeger说道。“这是慕尼黑工业大学航空航天与大地测量系（LCC）和直升机技术系（HT）两个部门的合作项目。该项目将于2024年底完成，我们目前正在完成压力容器的制造。其设计更偏向于航空航天和汽车行业。在初步概念阶段之后，下一步是进行详细的结构建模，并预测壁面结构的阻隔性能。”
“我们的整个想法是开发一架配备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（例如起飞和降落）期间使用电池，然后在轻负载巡航期间切换到燃料电池。“HT团队已经拥有一架研究型无人机，并重新设计了动力系统，使其能够同时使用电池和燃料电池，”耶格尔说。“他们还购买了一个CGH2油箱来测试这种传动系统。”
“我的团队的任务是制造一个合适的压力罐原型，但不是圆柱形罐，因为圆柱形罐会带来封装问题，”他解释道。“扁平的罐子不会产生太大的风阻。因此飞行性能更好。” 罐子尺寸约为 830 x 350 x 173 毫米。
完全热塑性AFP兼容储罐。在HyDDen项目中，慕尼黑工业大学LCC团队最初探索了与Glace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，而这些方法后来被过度使用AFP（下图）。图片来源：慕尼黑工业大学LCC。
“其中一个想法与伊丽莎白[格莱斯]的方法类似，”亚格尔说道，“即在容器壁上施加拉力支撑，以补偿较高的弯曲力。然而，我们采用的是AFP工艺，而不是缠绕工艺来制造储罐。因此，我们考虑创建一个单独的压力容器部分，其中已经集成了支架。这种方法让我能够将多个集成模块组合在一起，然后在最终的AFP缠绕之前用端盖将所有部件密封起来。”
“我们正在努力完善这一概念，”他继续说道，“同时也开始测试材料的选择，这对于确保必要的抗氢气渗透能力至关重要。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这种渗透行为以及在AFP设备中的加工过程。重要的是要了解处理是否会产生效果以及是否需要进行任何后处理。我们还想知道不同的堆叠方式是否会影响氢气在压力容器中的渗透。”
该储罐将完全由热塑性塑料制成，所有条带均由帝人碳素欧洲有限公司（位于德国伍珀塔尔）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说道。“我们会进行比较，以确定哪种材料最适合穿透防护，并生产出性能更佳的部件。”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、交通、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。作者感谢参与的合作伙伴 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（工程材料学院）、Peak Technology 和 Faurecia 对这项研究工作的贡献。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