與 BMW 的合作表明立方體儲罐可以提供比多個小圓柱體更高的容積效率，慕尼黑工業(yè)大學開始了開發(fā)復合材料設計和可擴展的制造工藝以進行批量生產(chǎn)的項目。圖片來源：TU Dresden（左上），慕尼黑工業(yè)大學，碳復合材料 (LCC) 主席
由零排放的氫 (H2 ) 提供動力的燃料電池電動汽車 (FCEV)提供了實現(xiàn)凈零排放目標的手段。以H2為動力的 FC 乘用車可在 5-7 分鐘內(nèi)加滿一次燃料，行駛里程為 500 公里，但目前由于產(chǎn)量低而價格更高。
降低成本的一種方法是為 BEV（純電動汽車） 和 FCEV 車型使用一個標準平臺。這目前是不可能的，因為用于在 FCEV 中存儲 700 bar 壓縮氣體 H2 (CGH 2 )的 IV 型圓柱形儲罐不適合 BEV 的底部電池外殼。然而，枕形、立方體的壓力容器可以放入那個扁平的包裝空間。
慕尼黑工業(yè)大學（TUM，德國慕尼黑）的碳復合材料 (LCC) 主席 正在參與開發(fā)這一概念的兩個項目。第一個是 Polymers4Hydrogen (P4H)，由萊奧本聚合物能力中心（PCCL，萊奧本，奧地利）領導。LCC工作由研究助理 Elisabeth Gleis 領導。
第二個項目是 氫示范和開發(fā)環(huán)境(HyDDen)，LCC 工作由研究助理 Christian J?ger 領導。兩者都旨在生產(chǎn)制造過程的比例原型，以使用碳纖維復合材料生產(chǎn)適形的 CGH2儲罐。
P4H 已經(jīng)生產(chǎn)了一個概念驗證的立方體儲罐，該儲罐使用熱塑性骨架和復合張力帶/支柱，并用碳纖維增強的環(huán)氧樹脂纏繞。HyDDen 將采用類似的設計，但使用自動纖維鋪放 (AFP) 來生產(chǎn)全熱塑性復合材料罐。
適形儲罐簡史
從 Thiokol 公司 1995 年的“復合材料適形壓力容器”專利申請，到 1997 年“可以具有任何幾何結構”的壓縮氣體容器的德國專利DE19749950C2，對適形儲罐的設計進行了數(shù)十年的研究，尤其是扁平和不規(guī)則形狀，使用空腔中的支撐元件連接到包覆層，以便它們承受氣體的膨脹力。
Thiokol Corp. 于 1995 年申請的“復合材料適形壓力容器”專利號 US5577630A（左），BMW 于 2009 年獲得專利的矩形壓力容器（右）。
勞倫斯利弗莫爾國家實驗室 (LLNL) 于 2006 年發(fā)表的一篇論文描述了三種方法：一種細絲纏繞適形壓力容器；一種微晶格壓力容器，包含一個正交晶格內(nèi)部結構（小單元尺寸為 2 厘米或更?。?，周圍環(huán)繞著一層薄外皮，用于 H2容器；以及一個復制容器，該容器包括一個內(nèi)部結構，該內(nèi)部結構由粘合的小部件（例如，六角形塑料環(huán)）和一個薄的外殼外殼組成。復制容器最適合傳統(tǒng)技術可能難以應用的大尺寸容器。
大眾汽車 2009 年申請的專利 DE102009057170A描述了一種安裝在車輛中的壓力容器，該容器將提供高重量效率，同時提高空間利用率。矩形截面儲罐在兩個矩形相對壁部分之間使用拉伸連接器，而角是圓形的。
帶有集成張力支柱的立方體罐的設計。圖片來源：TU Munich LCC
將小直徑圓柱體裝入扁平電池空間的體積效率有限（左），由鋼內(nèi)襯和碳纖維/環(huán)氧樹脂復合外包裝制成的2 型立方體壓力容器（右）。圖片來源https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2021.11.005
制造 P4H 項目的概念立方體復合罐的四個步驟。圖片來源：“Development of a manufacturing process for a cuboidal pressure vessel with tension struts”, TU Munich, Polymers4Hydrogen project, ECCM20, June 2022.
為了實現(xiàn)纏繞，該團隊提出了一個新概念，該概念包含如上所示的四個基本步驟。拉桿（在圖中顯示為黑色柱子）位于預制骨架結構中，該骨架結構是使用MAI Skelett 項目中的方法制作的。在這個項目中，BMW 開發(fā)了一種用于擋風玻璃框架的“骨架設計”，使用四根纖維增強拉擠成型桿，然后將它們包覆成型在塑料框架中。
“我們的想法是，您可以將立方體儲罐骨架構建為模塊化結構，”Gleis 說?！叭缓髮⑦@些模塊放入包覆成型工具中，將張力支柱放入骨架模塊中，然后使用 MAI Skelett 方法在支柱周圍注塑成型，將它們與骨架部分整合在一起?！?她補充說，這可能是批量生產(chǎn)的一種有效方法，從而產(chǎn)生一種結構，然后用作芯軸或芯，用于纏繞儲罐的復合材料外殼。
TUM 將坦克骨架設計為立方體“枕頭”，具有堅固的側面、圓角和頂部和底部的六角形圖案，通過它可以插入和連接拉桿。這些支柱的孔也是 3D 打印的?！皩τ谖覀冏畛醯母拍铗炞C儲罐，我們使用聚乳酸 （PLA，一種生物衍生的熱塑性塑料） 3D 打印六角形骨架部分，因為它既簡單又便宜，”Gleis 說。
概念驗證立方體儲罐的骨架。TUM 3D 打印的六邊形骨架部分使用未增強的 PLA 絲線（上圖），插入拉擠 CF/PA6 桿作為張力支柱（中圖），然后將絲線纏繞在支柱上（下圖）。圖片來源：TU Munich LCC
該團隊從SGL Carbon （德國邁廷根）購買了 68 根拉擠碳纖維增強聚酰胺 6 (PA6) 棒，用作拉桿。“對于這個概念驗證，我們沒有進行任何包覆成型，”Gleis 說，“而是簡單地將支柱插入 3D 打印的蜂窩骨架芯中，并使用環(huán)氧樹脂粘合劑將它們粘合起來。這為儲罐提供了纏繞細絲的心軸?！?她指出，雖然繞這些桿相對容易，但也存在一些重大問題，稍后將對此進行描述。
“第一步，我們的目標是展示該設計的可制造性并揭示制造概念中的挑戰(zhàn)，”Gleis 解釋道?！皬埩χе鶑墓羌芙Y構的外表面突出，我們使用濕長絲纏繞將碳纖維連接到該核心上。在此之后，在第三步中，我們彎曲每個拉桿的頭部。因為支柱是由熱塑性塑料制成的，所以我們簡單地使用熱量來重塑頭部，使其變平并固定在第一層纏繞中。然后我們繼續(xù)圍繞結構再次纏繞，使拉桿的扁平頭在幾何上被封裝在罐壁層壓板內(nèi)?！?/p>
錐形帽，重塑支柱和纏繞
Gleis 重申這第一個儲罐是概念證明。“使用 3D 打印和粘合劑只是為了初步驗證，讓我們對面臨的幾個挑戰(zhàn)有了深刻的認識。例如，在長絲纏繞過程中，纖維被張力桿的末端卡住，導致纖維斷裂、纖維損壞和層壓板數(shù)量減少。為了解決這個問題，我們使用了一些塑料蓋作為制造輔助工具，在第一個纏繞步驟之前將其放置在支柱上。然后，當內(nèi)部層壓板生產(chǎn)出來后，我們移除了這些保護帽，并在最終纏繞之前對支柱端部進行了重塑?！?/p>
用于纏繞的張力支柱帽。TUM 在張力桿的末端使用了塑料蓋，以防止纖維在長絲纏繞過程中被纏住。圖片來源：TU Munich LCC
該團隊嘗試了不同的重塑方案?！澳切┛雌饋韴A形的效果最好，”格雷斯說。“此外，在原型制作階段，我們使用改進的焊接工具來引入熱量并重塑拉桿末端。在批量生產(chǎn)概念中，將需要一個更大的工具，可以同時將所有支柱末端成型并包覆成型到內(nèi)壁層壓板中。”
重塑拉桿頭。TUM 嘗試了多種設計改進焊接頭，用于壓平復合材料拉桿的末端，以實現(xiàn)在儲罐壁層壓板中的錨固。圖片來源：“Development of a manufacturing process for a cuboidal pressure vessel with tension struts”, TU Munich, Polymers4Hydrogen project, ECCM20, June 2022.
因此，層壓板在第一次纏繞步驟后固化，支柱重新定形，TUM 完成第二次纖維纏繞，然后對該外罐壁層壓板進行第二次固化。請注意，這是 5 型儲罐設計，這意味著它沒有塑料襯里作為氣體滲透的屏障。
“我們將第一個演示器切成橫截面并對連接區(qū)域進行成像，”Gleis 說?！霸谔貙戠R頭中，您可以看到我們在層壓板質量方面存在一些問題，支柱頭沒有平放在內(nèi)部層壓板上?！?/p>
解決內(nèi)外罐壁層壓板之間的間隙問題。改造后的拉桿頭在概念驗證儲罐的第一圈和第二圈之間產(chǎn)生了間隙。圖片來源：TU Munich LCC
這個最初的儲罐是去年夏天完成的?！皬哪菚r起，我們?nèi)〉昧撕艽筮M步，但我們在內(nèi)外層壓板之間仍然存在間隙，”Gleis 說?！耙虼?，我們嘗試使用高粘度純樹脂來填補這些空白。這實際上改善了支柱和層壓板之間的連接，從而顯著提高了機械負載能力?！?/p>
該團隊繼續(xù)開發(fā)儲罐設計和工藝，包括所需纏繞模式的解決方案。“概念驗證儲罐的側面沒有完全纏繞，因為很難為這種幾何形狀生成蜿蜒的路徑，”Gleis 解釋道?！拔覀兊某跏祭p繞角度為 75°，但我們知道需要多種模式才能滿足此壓力容器中的負載。我們?nèi)栽趯ふ医鉀Q此問題的方法，但使用目前市場上的軟件并不容易。這可能是一個后續(xù)項目?！?/p>
全熱塑性塑料，符合 AFP 標準的儲罐。對于 HyDDen 項目，TUM 的 LCC 團隊最初研究了一種類似于 Gleis 使用的方法?（上圖），但隨后轉變?yōu)槭褂枚鄠€結構模塊組合的方法，然后使用 AFP 包覆（下圖）。圖片來源：TU Munich LCC
“一個想法與 Elisabeth（Gleis）的方法類似，”J?ger 說，“在容器壁上應用張力支柱來補償高彎曲力。但是，我們不是使用纏繞工藝制造儲罐，而是使用 AFP（自動鋪絲）。因此，我們考慮創(chuàng)建壓力容器的單個部分，其中已經(jīng)集成了支柱。這種方法能夠組合這些集成模塊中的幾個，然后在最終 AFP 繞組之前應用端蓋來封裝所有內(nèi)容?！?/p>
“我們正試圖最終確定這樣一個概念，”他繼續(xù)說道，“同時也開始測試材料的選擇，這對于H2 氣體滲透阻力非常重要。為此，我們主要使用熱塑性材料，我們正在研究不同的材料將如何影響這種滲透行為以及 AFP 機器中的加工。重要的是要了解處理是否會產(chǎn)生影響以及是否需要任何后處理。我們還想知道不同的疊層是否會影響氫氣通過壓力容器的滲透?！?/p>
該罐將是完全熱塑性塑料，采用Teijin Carbon Europe GmbH（德國伍珀塔爾）提供的膠帶材料?！拔覀儗⑹褂盟麄兊?PPS（聚苯硫醚）、PEEK（聚醚醚酮）?和 LM PAEK （低熔點聚芳基酮）材料，”J?ger 說?！叭缓笫潜容^，看看哪一種最適合抗?jié)B透性以及生產(chǎn)具有最佳性能的零件。” 他希望完成測試、結構和工藝模擬，并在明年內(nèi)完成首批演示。
原文始發(fā)于微信公眾號（艾邦氫科技網(wǎng)）：TU Munich 開發(fā)立方體適形儲氫罐
