與 BMW 的合作表明立方體儲(chǔ)罐可以提供比多個(gè)小圓柱體更高的容積效率，慕尼黑工業(yè)大學(xué)開始了開發(fā)復(fù)合材料設(shè)計(jì)和可擴(kuò)展的制造工藝以進(jìn)行批量生產(chǎn)的項(xiàng)目。圖片來源：TU Dresden（左上），慕尼黑工業(yè)大學(xué)，碳復(fù)合材料 (LCC) 主席
由零排放的氫 (H2 ) 提供動(dòng)力的燃料電池電動(dòng)汽車 (FCEV)提供了實(shí)現(xiàn)凈零排放目標(biāo)的手段。以H2為動(dòng)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(jià)格更高。
降低成本的一種方法是為 BEV（純電動(dòng)汽車） 和 FCEV 車型使用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)。這目前是不可能的，因?yàn)橛糜谠?FCEV 中存儲(chǔ) 700 bar 壓縮氣體 H2 (CGH 2 )的 IV 型圓柱形儲(chǔ)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(gè)扁平的包裝空間。
慕尼黑工業(yè)大學(xué)（TUM，德國慕尼黑）的碳復(fù)合材料 (LCC) 主席 正在參與開發(fā)這一概念的兩個(gè)項(xiàng)目。第一個(gè)是 Polymers4Hydrogen (P4H)，由萊奧本聚合物能力中心（PCCL，萊奧本，奧地利）領(lǐng)導(dǎo)。LCC工作由研究助理 Elisabeth Gleis 領(lǐng)導(dǎo)。
第二個(gè)項(xiàng)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(lǐng)導(dǎo)。兩者都旨在生產(chǎn)制造過程的比例原型，以使用碳纖維復(fù)合材料生產(chǎn)適形的 CGH2儲(chǔ)罐。
P4H 已經(jīng)生產(chǎn)了一個(gè)概念驗(yàn)證的立方體儲(chǔ)罐，該儲(chǔ)罐使用熱塑性骨架和復(fù)合張力帶/支柱，并用碳纖維增強(qiáng)的環(huán)氧樹脂纏繞。HyDDen 將采用類似的設(shè)計(jì)，但使用自動(dòng)纖維鋪放 (AFP) 來生產(chǎn)全熱塑性復(fù)合材料罐。
適形儲(chǔ)罐簡(jiǎn)史
從 Thiokol 公司 1995 年的“復(fù)合材料適形壓力容器”專利申請(qǐng)，到 1997 年“可以具有任何幾何結(jié)構(gòu)”的壓縮氣體容器的德國專利DE19749950C2，對(duì)適形儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)進(jìn)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(qǐng)的“復(fù)合材料適形壓力容器”專利號(hào) 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(shí)驗(yàn)室 (LLNL) 于 2006 年發(fā)表的一篇論文描述了三種方法：一種細(xì)絲纏繞適形壓力容器；一種微晶格壓力容器，包含一個(gè)正交晶格內(nèi)部結(jié)構(gòu)（小單元尺寸為 2 厘米或更?。車h(huán)繞著一層薄外皮，用于 H2容器；以及一個(gè)復(fù)制容器，該容器包括一個(gè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，該內(nèi)部結(jié)構(gòu)由粘合的小部件（例如，六角形塑料環(huán)）和一個(gè)薄的外殼外殼組成。復(fù)制容器最適合傳統(tǒng)技術(shù)可能難以應(yīng)用的大尺寸容器。
大眾汽車 2009 年申請(qǐng)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(shí)提高空間利用率。矩形截面儲(chǔ)罐在兩個(gè)矩形相對(duì)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(shè)計(jì)。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(fù)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(xiàng)目的概念立方體復(fù)合罐的四個(gè)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(shí)現(xiàn)纏繞，該團(tuán)隊(duì)提出了一個(gè)新概念，該概念包含如上所示的四個(gè)基本步驟。拉桿（在圖中顯示為黑色柱子）位于預(yù)制骨架結(jié)構(gòu)中，該骨架結(jié)構(gòu)是使用MAI Skelett 項(xiàng)目中的方法制作的。在這個(gè)項(xiàng)目中，BMW 開發(fā)了一種用于擋風(fēng)玻璃框架的“骨架設(shè)計(jì)”，使用四根纖維增強(qiáng)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(chǔ)罐骨架構(gòu)建為模塊化結(jié)構(gòu)，”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(bǔ)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(jié)構(gòu)，然后用作芯軸或芯，用于纏繞儲(chǔ)罐的復(fù)合材料外殼。
TUM 將坦克骨架設(shè)計(jì)為立方體“枕頭”，具有堅(jiān)固的側(cè)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?duì)于我們最初的概念驗(yàn)證儲(chǔ)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?yàn)樗群?jiǎn)單又便宜，”Gleis 說。
概念驗(yàn)證立方體儲(chǔ)罐的骨架。TUM 3D 打印的六邊形骨架部分使用未增強(qiáng)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(tuán)隊(duì)從SGL Carbon （德國邁廷根）購買了 68 根拉擠碳纖維增強(qiáng)聚酰胺 6 (PA6) 棒，用作拉桿?！皩?duì)于這個(gè)概念驗(yàn)證，我們沒有進(jìn)行任何包覆成型，”Gleis 說，“而是簡(jiǎn)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(chǔ)罐提供了纏繞細(xì)絲的心軸。” 她指出，雖然繞這些桿相對(duì)容易，但也存在一些重大問題，稍后將對(duì)此進(jìn)行描述。
“第一步，我們的目標(biāo)是展示該設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)的外表面突出，我們使用濕長(zhǎng)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(gè)拉桿的頭部。因?yàn)橹е怯蔁崴苄运芰现瞥傻模晕覀兒?jiǎn)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(jié)構(gòu)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(gè)儲(chǔ)罐是概念證明。“使用 3D 打印和粘合劑只是為了初步驗(yàn)證，讓我們對(duì)面臨的幾個(gè)挑戰(zhàn)有了深刻的認(rèn)識(shí)。例如，在長(zhǎng)絲纏繞過程中，纖維被張力桿的末端卡住，導(dǎo)致纖維斷裂、纖維損壞和層壓板數(shù)量減少。為了解決這個(gè)問題，我們使用了一些塑料蓋作為制造輔助工具，在第一個(gè)纏繞步驟之前將其放置在支柱上。然后，當(dāng)內(nèi)部層壓板生產(chǎn)出來后，我們移除了這些保護(hù)帽，并在最終纏繞之前對(duì)支柱端部進(jìn)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(zhǎng)絲纏繞過程中被纏住。圖片來源：TU Munich LCC
該團(tuán)隊(duì)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?！按送猓谠椭谱麟A段，我們使用改進(jìn)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(gè)更大的工具，可以同時(shí)將所有支柱末端成型并包覆成型到內(nèi)壁層壓板中?！?/p>
重塑拉桿頭。TUM 嘗試了多種設(shè)計(jì)改進(jìn)焊接頭，用于壓平復(fù)合材料拉桿的末端，以實(shí)現(xiàn)在儲(chǔ)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(duì)該外罐壁層壓板進(jìn)行第二次固化。請(qǐng)注意，這是 5 型儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)，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(gè)演示器切成橫截面并對(duì)連接區(qū)域進(jìn)行成像，”Gleis 說?！霸谔貙戠R頭中，您可以看到我們?cè)趯訅喊遒|(zhì)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(yàn)證儲(chǔ)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(gè)最初的儲(chǔ)罐是去年夏天完成的?！皬哪菚r(shí)起，我們?nèi)〉昧撕艽筮M(jìn)步，但我們?cè)趦?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(bǔ)這些空白。這實(shí)際上改善了支柱和層壓板之間的連接，從而顯著提高了機(jī)械負(fù)載能力。”
該團(tuán)隊(duì)繼續(xù)開發(fā)儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)和工藝，包括所需纏繞模式的解決方案?！案拍铗?yàn)證儲(chǔ)罐的側(cè)面沒有完全纏繞，因?yàn)楹茈y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(fù)載。我們?nèi)栽趯ふ医鉀Q此問題的方法，但使用目前市場(chǎng)上的軟件并不容易。這可能是一個(gè)后續(xù)項(xiàng)目?！?/p>
全熱塑性塑料，符合 AFP 標(biāo)準(zhǔn)的儲(chǔ)罐。對(duì)于 HyDDen 項(xiàng)目，TUM 的 LCC 團(tuán)隊(duì)最初研究了一種類似于 Gleis 使用的方法?（上圖），但隨后轉(zhuǎn)變?yōu)槭褂枚鄠€(gè)結(jié)構(gòu)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(gè)想法與 Elisabeth（Gleis）的方法類似，”J?ger 說，“在容器壁上應(yīng)用張力支柱來補(bǔ)償高彎曲力。但是，我們不是使用纏繞工藝制造儲(chǔ)罐，而是使用 AFP（自動(dòng)鋪絲）。因此，我們考慮創(chuàng)建壓力容器的單個(gè)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(gè)，然后在最終 AFP 繞組之前應(yīng)用端蓋來封裝所有內(nèi)容。”
“我們正試圖最終確定這樣一個(gè)概念，”他繼續(xù)說道，“同時(shí)也開始測(cè)試材料的選擇，這對(duì)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(jī)器中的加工。重要的是要了解處理是否會(huì)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(huì)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(diǎn)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(cè)試、結(jié)構(gòu)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(hào)（艾邦復(fù)合材料網(wǎng)）：TU Munich 使用碳纖維復(fù)合材料開發(fā)立方體適形儲(chǔ)氫罐
