TU Munich 使用碳纤维复合材料开发立方体适形储氢罐

与 BMW 的合作表明立方体储罐可以提供比多个小圆柱体更高的容积效率，慕尼黑工业大学开始了开发复合材料设计和可扩展的制造工艺以进行批量生产的项目。图片来源：TU Dresden（左上），慕尼黑工业大学，碳复合材料 (LCC) 主席

由零排放的氢 (H2 ) 提供动力的燃料电池电动汽车 (FCEV)提供了实现净零排放目标的手段。以H2为动力的 FC 乘用车可在 5-7 分钟内加满一次燃料，行驶里程为 500 公里，但目前由于产量低而价格更高。

降低成本的一种方法是为 BEV（纯电动汽车） 和 FCEV 车型使用一个标准平台。这目前是不可能的，因为用于在 FCEV 中存储 700 bar 压缩气体 H2 (CGH 2 )的 IV 型圆柱形储罐不适合 BEV 的底部电池外壳。然而，枕形、立方体的压力容器可以放入那个扁平的包装空间。

慕尼黑工业大学（TUM，德国慕尼黑）的碳复合材料 (LCC) 主席 正在参与开发这一概念的两个项目。第一个是 Polymers4Hydrogen (P4H)，由莱奥本聚合物能力中心（PCCL，莱奥本，奥地利）领导。LCC工作由研究助理 Elisabeth Gleis 领导。

第二个项目是 氢示范和开发环境(HyDDen)，LCC 工作由研究助理 Christian Jäger 领导。两者都旨在生产制造过程的比例原型，以使用碳纤维复合材料生产适形的 CGH2储罐。

P4H 已经生产了一个概念验证的立方体储罐，该储罐使用热塑性骨架和复合张力带/支柱，并用碳纤维增强的环氧树脂缠绕。HyDDen 将采用类似的设计，但使用自动纤维铺放 (AFP) 来生产全热塑性复合材料罐。

适形储罐简史

从 Thiokol 公司 1995 年的“复合材料适形压力容器”专利申请，到 1997 年“可以具有任何几何结构”的压缩气体容器的德国专利DE19749950C2，对适形储罐的设计进行了数十年的研究，尤其是扁平和不规则形状，使用空腔中的支撑元件连接到包覆层，以便它们承受气体的膨胀力。

Thiokol Corp. 于 1995 年申请的“复合材料适形压力容器”专利号 US5577630A（左），BMW 于 2009 年获得专利的矩形压力容器（右）。

劳伦斯利弗莫尔国家实验室 (LLNL) 于 2006 年发表的一篇论文描述了三种方法：一种细丝缠绕适形压力容器；一种微晶格压力容器，包含一个正交晶格内部结构（小单元尺寸为 2 厘米或更小），周围环绕着一层薄外皮，用于 H2容器；以及一个复制容器，该容器包括一个内部结构，该内部结构由粘合的小部件（例如，六角形塑料环）和一个薄的外壳外壳组成。复制容器最适合传统技术可能难以应用的大尺寸容器。

大众汽车 2009 年申请的专利 DE102009057170A描述了一种安装在车辆中的压力容器，该容器将提供高重量效率，同时提高空间利用率。矩形截面储罐在两个矩形相对壁部分之间使用拉伸连接器，而角是圆形的。

带有集成张力支柱的立方体罐的设计。图片来源：TU Munich LCC

将小直径圆柱体装入扁平电池空间的体积效率有限（左），由钢内衬和碳纤维/环氧树脂复合外包装制成的2 型立方体压力容器（右）。图片来源https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2021.11.005

制造 P4H 项目的概念立方体复合罐的四个步骤。图片来源：“Development of a manufacturing process for a cuboidal pressure vessel with tension struts”, TU Munich, Polymers4Hydrogen project, ECCM20, June 2022.

为了实现缠绕，该团队提出了一个新概念，该概念包含如上所示的四个基本步骤。拉杆（在图中显示为黑色柱子）位于预制骨架结构中，该骨架结构是使用MAI Skelett 项目中的方法制作的。在这个项目中，BMW 开发了一种用于挡风玻璃框架的“骨架设计”，使用四根纤维增强拉挤成型杆，然后将它们包覆成型在塑料框架中。

“我们的想法是，您可以将立方体储罐骨架构建为模块化结构，”Gleis 说。“然后将这些模块放入包覆成型工具中，将张力支柱放入骨架模块中，然后使用 MAI Skelett 方法在支柱周围注塑成型，将它们与骨架部分整合在一起。” 她补充说，这可能是批量生产的一种有效方法，从而产生一种结构，然后用作芯轴或芯，用于缠绕储罐的复合材料外壳。

TUM 将坦克骨架设计为立方体“枕头”，具有坚固的侧面、圆角和顶部和底部的六角形图案，通过它可以插入和连接拉杆。这些支柱的孔也是 3D 打印的。“对于我们最初的概念验证储罐，我们使用聚乳酸 （PLA，一种生物衍生的热塑性塑料） 3D 打印六角形骨架部分，因为它既简单又便宜，”Gleis 说。

概念验证立方体储罐的骨架。TUM 3D 打印的六边形骨架部分使用未增强的 PLA 丝线（上图），插入拉挤 CF/PA6 杆作为张力支柱（中图），然后将丝线缠绕在支柱上（下图）。图片来源：TU Munich LCC

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。“对于这个概念验证，我们没有进行任何包覆成型，”Gleis 说，“而是简单地将支柱插入 3D 打印的蜂窝骨架芯中，并使用环氧树脂粘合剂将它们粘合起来。这为储罐提供了缠绕细丝的心轴。” 她指出，虽然绕这些杆相对容易，但也存在一些重大问题，稍后将对此进行描述。

“第一步，我们的目标是展示该设计的可制造性并揭示制造概念中的挑战，”Gleis 解释道。“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该核心上。在此之后，在第三步中，我们弯曲每个拉杆的头部。因为支柱是由热塑性塑料制成的，所以我们简单地使用热量来重塑头部，使其变平并固定在第一层缠绕中。然后我们继续围绕结构再次缠绕，使拉杆的扁平头在几何上被封装在罐壁层压板内。”

锥形帽，重塑支柱和缠绕

Gleis 重申这第一个储罐是概念证明。“使用 3D 打印和粘合剂只是为了初步验证，让我们对面临的几个挑战有了深刻的认识。例如，在长丝缠绕过程中，纤维被张力杆的末端卡住，导致纤维断裂、纤维损坏和层压板数量减少。为了解决这个问题，我们使用了一些塑料盖作为制造辅助工具，在第一个缠绕步骤之前将其放置在支柱上。然后，当内部层压板生产出来后，我们移除了这些保护帽，并在最终缠绕之前对支柱端部进行了重塑。”

用于缠绕的张力支柱帽。TUM 在张力杆的末端使用了塑料盖，以防止纤维在长丝缠绕过程中被缠住。图片来源：TU Munich LCC

该团队尝试了不同的重塑方案。“那些看起来圆形的效果最好，”格雷斯说。“此外，在原型制作阶段，我们使用改进的焊接工具来引入热量并重塑拉杆末端。在批量生产概念中，将需要一个更大的工具，可以同时将所有支柱末端成型并包覆成型到内壁层压板中。”

重塑拉杆头。TUM 尝试了多种设计改进焊接头，用于压平复合材料拉杆的末端，以实现在储罐壁层压板中的锚固。图片来源：“Development of a manufacturing process for a cuboidal pressure vessel with tension struts”, TU Munich, Polymers4Hydrogen project, ECCM20, June 2022.

因此，层压板在第一次缠绕步骤后固化，支柱重新定形，TUM 完成第二次纤维缠绕，然后对该外罐壁层压板进行第二次固化。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渗透的屏障。

“我们将第一个演示器切成横截面并对连接区域进行成像，”Gleis 说。“在特写镜头中，您可以看到我们在层压板质量方面存在一些问题，支柱头没有平放在内部层压板上。”

解决内外罐壁层压板之间的间隙问题。改造后的拉杆头在概念验证储罐的第一圈和第二圈之间产生了间隙。图片来源：TU Munich LCC

这个最初的储罐是去年夏天完成的。“从那时起，我们取得了很大进步，但我们在内外层压板之间仍然存在间隙，”Gleis 说。“因此，我们尝试使用高粘度纯树脂来填补这些空白。这实际上改善了支柱和层压板之间的连接，从而显着提高了机械负载能力。”

该团队继续开发储罐设计和工艺，包括所需缠绕模式的解决方案。“概念验证储罐的侧面没有完全缠绕，因为很难为这种几何形状生成蜿蜒的路径，”Gleis 解释道。“我们的初始缠绕角度为 75°，但我们知道需要多种模式才能满足此压力容器中的负载。我们仍在寻找解决此问题的方法，但使用目前市场上的软件并不容易。这可能是一个后续项目。”

全热塑性塑料，符合 AFP 标准的储罐。对于 HyDDen 项目，TUM 的 LCC 团队最初研究了一种类似于 Gleis 使用的方法 （上图），但随后转变为使用多个结构模块组合的方法，然后使用 AFP 包覆（下图）。图片来源：TU Munich LCC

“一个想法与 Elisabeth（Gleis）的方法类似，”Jäger 说，“在容器壁上应用张力支柱来补偿高弯曲力。但是，我们不是使用缠绕工艺制造储罐，而是使用 AFP（自动铺丝）。因此，我们考虑创建压力容器的单个部分，其中已经集成了支柱。这种方法能够组合这些集成模块中的几个，然后在最终 AFP 绕组之前应用端盖来封装所有内容。”

“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H2 气体渗透阻力非常重要。为此，我们主要使用热塑性材料，我们正在研究不同的材料将如何影响这种渗透行为以及 AFP 机器中的加工。重要的是要了解处理是否会产生影响以及是否需要任何后处理。我们还想知道不同的叠层是否会影响氢气通过压力容器的渗透。”

该罐将是完全热塑性塑料，采用Teijin Carbon Europe GmbH（德国伍珀塔尔）提供的胶带材料。“我们将使用他们的 PPS（聚苯硫醚）、PEEK（聚醚醚酮） 和 LM PAEK （低熔点聚芳基酮）材料，”Jäger 说。“然后是比较，看看哪一种最适合抗渗透性以及生产具有最佳性能的零件。” 他希望完成测试、结构和工艺模拟，并在明年内完成首批演示。

原文始发于微信公众号（艾邦复合材料网）：TU Munich 使用碳纤维复合材料开发立方体适形储氢罐