BEV 和 FCEV 的标准平台储罐使用具有骨架结构的热塑性和热固性复合材料，可提供多 25% 的氢气储存量。#hydrogen #trends
在与 BMW 合作表明立方罐可以提供比多个小圆柱体更高的容积效率后，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，但由于产量低，目前价格更高。降低成本的一种方法是为 BEV 和 FCEV 模型使用标准平台。这目前是不可能的，因为用于在 FCEV 中存储 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精心设计的车身底部电池舱。然而，枕形和立方体形式的压力容器可以放入这个扁平的包装空间。
“复合保形压力容器”专利 US5577630A，Thiokol Corp. 于 1995 年提交的申请（左）和宝马于 2009 年申请的矩形压力容器（右）。
慕尼黑工业大学（TUM，德国慕尼黑）的碳复合材料系 (LCC) 参与了两个项目来开发这一概念。第一个是由 Leoben 聚合物能力中心（PCCL，Leoben，奥地利）领导的 Polymers4Hydrogen (P4H)。LCC 工作包由研究员 Elizabeth Glace 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。两者都旨在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。
当小直径圆柱安装在扁平电池（左）和由钢衬和碳纤维/环氧树脂复合材料外壳制成的立方体 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 制造了一个实验性立方体水箱，该水箱使用热塑性塑料框架和包裹在碳纤维增强环氧树脂中的复合张力带/支柱。HyDDen 将使用类似的设计，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 Thiokol Corp. 于 1995 年申请的“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“可以具有任何几何构造”，但特别是扁平和不规则形状，位于连接到壳支撑的空腔中.使用的元件可以承受气体的膨胀力。
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：细丝缠绕保形压力容器、包含内部正交晶格结构（2 厘米或更小的小单元）、被薄壁 H2 容器包围的微晶格压力容器，和一个复制器容器，由一个内部结构组成，该内部结构由粘合的小部件（例如，六角形塑料环）和薄外壳组成。复制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，该容器将提供高重量效率，同时提高空间利用率。矩形罐在两个矩形相对壁之间使用张力连接器，并且角是圆角的。
Gleiss 在 Gleiss 等人的论文“带有拉伸杆的立方体压力容器的工艺开发”中引用了上述和其他概念。在 ECCM20（2022 年 6 月 26 日至 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，带有连接矩形边的张力支柱的立方体压力容器比几个适合扁平电池空间的小圆柱体更有效，提供大约 25 ％ 更多的。储存空间。
根据 Gleiss 的说法，在扁平外壳中安装大量小型 4 型气缸的问题在于“气缸之间的体积大大减小，并且系统还具有非常大的 H2 气体渗透表面。总的来说，该系统提供的存储容量低于立方罐。”
然而，坦克的立方体设计还有其他问题。“显然，由于压缩气体，你需要抵消平壁上的弯曲力，”格莱斯说。“为此，你需要一个内部连接到罐壁的加固结构。但复合材料很难做到这一点。”
Glace 和她的团队试图以适合长丝缠绕工艺的方式将加强拉杆结合到压力容器中。“这对于大批量生产很重要，”她解释说，“而且还允许我们设计容器壁的缠绕模式，以优化区域中每个负载的纤维方向。”
为P4H项目制作试制立方体复合罐的四个步骤。图片来源：“带支撑的立方体压力容器生产工艺的开发”，慕尼黑工业大学，Polymers4Hydrogen 项目，ECCM20，2022 年 6 月。
为了实现链上，该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。在台阶上以黑色显示的拉杆是一种预制框架结构，采用 MAI Skelett 项目中的方法制造。对于这个项目，宝马使用四根纤维增强拉挤棒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。由 TUM 使用未增强的 PLA 长丝（顶部）3D 打印的六角形骨骼部分，插入 CF/PA6 拉挤棒作为张力支架（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，您可以将立方体水箱的框架构建为模块化结构，”Glace 说。“然后将这些模块放置在模具中，将拉杆放置在框架模块中，然后在支柱周围使用 MAI Skelett 的方法将它们与框架部件集成在一起。”批量生产方法，产生一种结构，然后用作心轴或芯子来包裹储罐复合材料外壳。
TUM 将水箱框架设计为立方体“垫子”，具有实心边、圆角和顶部和底部的六边形图案，可以插入和连接系带。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，“只是将垫片插入 3D 打印的蜂窝芯框架中，然后用环氧树脂胶将它们粘在一起。然后，这提供了一个用于缠绕油箱的心轴。”她指出，虽然这些鱼竿相对容易缠绕，但存在一些稍后将描述的重大问题。
“在第一阶段，我们的目标是展示设计的可制造性并确定生产概念中的问题，”Gleiss 解释道。“因此，张力支柱从骨架结构的外表面突出，我们使用湿长丝缠绕将碳纤维连接到这个核心上。之后，在第三步中，我们将每个拉杆的头部弯曲。热塑性塑料，所以我们只用加热来重塑头部，使其变平并锁定在第一层包裹中。然后我们继续包裹结构，使扁平推力头在几何上封闭在水箱内。层压在墙上。
用于缠绕的间隔帽。TUM 在张力杆的末端使用塑料帽，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。
Glace 重申，这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，在卷绕过程中，长丝被张力杆的末端卡住，造成纤维断裂、纤维损坏，减少纤维量来应对。我们使用了一些塑料帽作为制造辅助工具，在第一次缠绕步骤之前将它们放在电线杆上。然后，在制作内部层压板时，我们移除了这些保护帽，并在最终包裹之前重新塑造了电线杆的末端。”
该团队试验了各种重建场景。“那些环顾四周的人工作得最好，”格蕾丝说。“此外，在原型制作阶段，我们使用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，可以同时将支柱的所有端部成型并形成内部饰面层压板。.”
重塑拉杆头。TUM 尝试了不同的概念并修改了焊缝以对齐复合材料连接件的末端以连接到储罐壁层压板。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后固化，柱子重新定形，TUM 完成细丝的第二次缠绕，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衬里作为气体屏障。请参阅下面“后续步骤”部分中的讨论。
“我们将第一个演示切成横截面并绘制连接区域，”Glace 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。”
解决罐体内外壁层板之间的缝隙问题。修改后的拉杆头在实验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 80mm 坦克于去年夏天完成。“从那时起我们取得了很大进步，但我们在内部和外部层压板之间仍然存在差距，”Glace 说。“所以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。“测试槽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，”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来满足这个压力容器中的负载。我们仍在寻找解决此问题的方法，但目前市场上的软件并不容易。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，今天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。这种混合方法会用于最终的示范坦克吗？“是的，”格雷斯说。“我们在 Polymers4Hydrogen 项目中的合作伙伴正在开发具有更好氢气阻隔性能的环氧树脂和其他复合基体材料。”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种保形复合材料压力容器，”Jaeger 说。“这是 TUM 航空航天和大地测量系 - LCC 和直升机技术系 (HT) 的两个部门之间的合作。该项目将于 2024 年底完成，我们目前正在完成压力容器。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，下一步是进行详细的结构建模并预测墙体结构的阻隔性能。”
“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 团队已经拥有一架研究无人机，并重新设计了动力系统以同时使用电池和燃料电池，”Yeager 说。“他们还购买了一个 CGH2 油箱来测试这种传输。”
“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。“更平坦的坦克不能提供那么大的抗风能力。所以你可以获得更好的飞行性能。”坦克尺寸约。830 x 350 x 173 毫米。
全热塑性 AFP 兼容罐。对于 HyDDen 项目，TUM 的 LCC 团队最初探索了一种与 Glace（上图）使用的方法类似的方法，但随后转向使用多个结构模块组合的方法，然后使用 AFP 过度使用这些方法（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，“在血管壁上应用张力支架以补偿高弯曲力。但是，我们使用 AFP 而不是使用缠绕工艺来制造水箱。因此，我们考虑创建一个压力容器的单独部分，其中已经集成了机架。这种方法使我能够组合这些集成模块中的几个，然后在最终 AFP 绕组之前使用端盖密封所有部件。”
“我们正试图最终确定这样一个概念，”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 H2 气体渗透阻力非常重要。为此，我们主要使用热塑性材料，并正在研究材料如何影响 AFP 机器中的这种渗透行为和加工。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堆是否会影响氢气通过压力容器的渗透。”
该罐将完全由热塑性塑料制成，条带将由 Teijin Carbon Europe GmbH（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 [低熔点聚芳基酮] 材料，”Yager 说。“然后进行比较，看看哪一个最适合渗透保护和生产性能更好的零件。”他希望在明年内完成测试、结构和工艺建模以及首次演示。
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的 COMET 计划内的 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（高分子工程与科学学院、高分子材料化学系、材料科学与聚合物测试系）、坦佩雷大学（工程学院）材料）。) Science)、Peak Technology 和 Faurecia 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。
用于承重结构的预加固板材包含连续纤维——不仅来自玻璃，还来自碳和芳纶。
制造复合零件的方法有很多种。因此，特定零件的方法选择将取决于材料、零件的设计以及最终用途或应用。这里有一份选择指南。
Shocker Composites 和 R&M International 正在开发一种可回收碳纤维供应链，该供应链提供零屠宰、比原生纤维成本更低，并且最终将提供在结构性能方面接近连续纤维的长度。
发布时间：Mar-15-2023