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，慕尼黑工業大學開始了開發復合材料設計和可擴展的制造工藝以進行批量生產的項目。圖片來源：TU Dresden（左上），慕尼黑工業大學，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 分鐘內加滿一次燃料，行駛里程為 500 公里，但目前由于產量低而價格更高。
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。
慕尼黑工業大學（TUM，德國慕尼黑）的碳復合材料 (LCC) 主席 正在參與開發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 氫示范和開發環境(HyDDen)，LCC 工作由研究助理 Christian J?ger 領導。兩者都旨在生產制造過程的比例原型，以使用碳纖維復合材料生產適形的 CGH2儲罐。
P4H 已經生產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十年的研究，尤其是扁平和不規則形狀，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部結構（小單元尺寸為 2 厘米或更?。車h繞著一層薄外皮，用于 H2容器；以及一個復制容器，該容器包括一個內部結構，該內部結構由粘合的小部件（例如，六角形塑料環）和一個薄的外殼外殼組成。復制容器最適合傳統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），由鋼內襯和碳纖維/環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，這可能是批量生產的一種有效方法，從而產生一種結構，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?！皩τ谶@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，”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?！?/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，當內部層壓板生產出來后，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。”
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。“那些看起來圓形的效果最好，”格雷斯說?！按送?，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壁層壓板中?！?/p>
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域進行成像，”Gleis 說。“在特寫鏡頭中，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部層壓板上?！?/p>
解決內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，我們取得了很大進步，但我們在內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。”
該團隊繼續開發儲罐設計和工藝，包括所需纏繞模式的解決方案?！案拍铗炞C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。我們仍在尋找解決此問題的方法，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），但隨后轉變為使用多個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，我們考慮創建壓力容器的單個部分，其中已經集成了支柱。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容?！?/p> “我們正試圖最終確定這樣一個概念，”他繼續說道，“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。“我們將使用他們的 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滲透性以及生產具有最佳性能的零件。” 他希望完成測試、結構和工藝模擬，并在明年內完成首批演示。 原文始發于微信公眾號（艾邦復合材料網）：TU Munich 使用碳纖維復合材料開發立方體適形儲氫罐
