總部位于英國的 DuraStor 和后續主機財團被動員起來，以找到一種安全有效的方式，在高壓下儲存足夠的氫氣或天然氣，使燃料電池驅動的電動汽車擁有與傳統液態石油燃料和內燃機相當的行駛里程。熱塑性復合材料提供了一種可能的解決方案。圖中所示為碳纖維/乙醛膠帶纏繞容器部分纏繞。
DuraStor 團隊設計了一個旋轉模塑乙醛內襯（圖中有四個內襯，每個內襯的氣體入口/出口硬件安裝在容器底部），該內襯與纏繞的乙醛/碳纖維膠帶兼容在從現在到 2025 年逐步實施嚴格的法規之前，世界上大多數汽車制造商都在爭先恐后地提高燃油效率和/或減少溫室氣體排放。為此，這些原始設備制造商正在減少車輛質量，并探索替代動力系統選項（要全面了解汽車制造商為制造更省油、符合排放標準的車輛所做的努力，請點擊右上角“編輯精選”下的“汽車碳纖維布：未來的形狀”）。后者中最有趣的是燃料電池。雖然在我們看到廣泛部署之前，必須清除主要的技術和后勤障礙，但是燃料電池的汽車（FCV- fuelcell vehicle ） 正在開發中或已經在進行道路測試。燃料電池電動動力裝置非常有趣，因為它們最常見的兩種燃料——氫氣（H2）和壓縮天然氣（英文稱CNG-compressed-natural gas） 的唯一燃燒副產品是水和熱，這使得零排放汽車（ZEV- zero-emissions vehicles）成為可能。
最大的障礙之一是氫氣燃料儲存。幾十年來，工業界一直在安全地處理氫氣，幾乎可以在任何地方從各種投入（生物質、煤炭、地熱、水電、核能、太陽能、風能、水電解，甚至 CNG 生產氫氣。從成本、能源安全和生命周期分析的角度來看，這種靈活性非常有益。但這種極輕的氣體（比空氣輕 14 倍）的能量密度（按重量計）是傳統液體石油燃料的三倍，但能量（按體積計）要少得多。此外，氫分子是世界上最小的，因此儲存容器的抗滲透性成為一個真正的問題，以免燃料泄漏。因此，很難在大多數汽車的小空間內裝足夠數量的 H2，以復制當今汽油動力汽車每油箱 500 公里的行駛里程，尤其是當目標是在不增加車輛質量的情況下實現這一點時。盡管有替代方案，但最實用、成本最低的車載 H2 儲存方法是將工作壓力為20-70 MPa 的壓縮氣體儲存在儲罐中，儲罐必須進行爆破強度為其額定壓力兩倍的試驗。今天氫氣儲存可使用四種類型的壓力容器
I 型（全鋼）容器既重又笨重。
II 型儲罐（用碳纖維/環氧樹脂纏繞的鋼或鋁內襯）它們更輕，但成本更高。每一個都能承受高達 30MPa 的工作壓力，用于散裝運輸或加油站的固定氣體儲存。
III 型儲罐與 II 型儲罐類似，但完全采用碳/環氧復合材料纏繞。它更輕，但成本更高，可承受更高的工作壓力（至 82.5 MPa，帶有鋁內襯），主要用于商用卡車上的 H2 或 CNG 儲存。
IV 型儲罐采用高密度聚乙烯（HDPE）或完全包裹碳纖維/環氧樹脂的橡膠襯里。最輕但最昂貴的是，它們的性能與 III 型坦克相似。不幸的是，某些金屬和合金往往會吸收 H2，導致脆化，從而降低油箱的耐久性。混合材料儲罐在混合材料界面處容易疲勞，這會限制其使用壽命。此外， 熱固性環氧樹脂基體使報廢回收變得復雜，這對銷往歐盟的汽車制造商來說是一個額外的難題。以前可用儲罐，儲存的燃油太少，無法滿足足夠的行駛里程，難以回收和/或缺乏足夠的耐久性，無法在汽車上大量使用。
2010 年，成立了一個名為低成本、耐用熱塑性儲氫罐（又叫“DuraStor” ）的多合作伙伴、多年研究項目，通過調查 IV 型儲氫罐替代品的減少來解決這些問題。DuraStor 的部分資金由 InnovateUK（英國威爾特郡斯溫頓）提供，于 2014 年初結束。英國一個名為氫能—存儲和傳輸優化（HOST）的項目在，部分資金由英國技術戰略委員會提供，同樣的目標和但成員的一些變化。據報道，選擇這兩個項目的成員不僅是因為他們的技術專長，還因為他們愿意和有能力在研究成果轉化為商業產品時形成可行的供應鏈。在市場研究得出最初的壓力容器設計規范后， DuraStor 團隊轉向材料和工藝。一項專利調查顯示，該領域的大多數知識產權涉及熱固性復合材料，但一名熟悉廉價熱塑性內襯材料抗滲透性的團隊成員說服團隊對其進行探索，因為它們不僅比金屬輕，而且加工速度更快，比熱固性材料具有更大的沖擊強度和再加工/回收能力。此外，熱塑性塑料可以重新熔化，提供了單獨生產內襯和外包覆的機會，然后將它們連接起來，形成一個整體式罐，可以避免現有金屬/復合材料混合材料中出現的疲勞問題，并促進回收。通過消除除耦合硬件外的所有金屬（可以隔離），可以減少或消除氫脆和電偶腐蝕。?
“在這些項目的前期工作中，我們與汽車制造商進行了多次討論，這些制造商顯然對燃料電池技術感興趣，但對當前儲氫容器的長期性能缺乏信心，”但項目負責人解釋道。“我們的聯合體成員相信，熱塑性復合材料比熱固性塑料具有更好的耐久性。”DuraStor 評估了三種半結晶熱塑性樹脂（由美國德克薩斯州達拉斯塞拉尼斯聯合會成員提供），它們具有良好的機械性能和耐化學和滲透性：聚對苯二甲酸丁二醇酯（polybutylene terephthalate） 、 聚苯硫醚（polyphenylene sulfide）和聚甲醛（POM 或縮醛）（POM, or acetal）。
POM 的選擇基于兩名團隊成員之前的工作，以及其在汽車燃料裝卸組件和低壓燃料儲存中的長期使用歷史。襯里應為整潔的 POM，以優化滲透阻力，但必須加強外包層，以最大限度地提高容器的環向強度和耐爆裂和耐穿刺性。該團隊選擇了連續碳纖維而不是 e 玻璃纖維，因為前者具有更大的重量比強度，并且已經被許多儲罐制造商與環氧樹脂一起使用。單向膠帶被認為是最實用的纖維形式，可確保非常低的空隙率和無干點，這兩種材料對抗滲透性都至關重要。工藝選擇從空心內襯開始。由于泄漏是不可接受的，該團隊希望生產一個整體的內襯，而不是組裝內襯。為了管理成本，該過程需要在研究量上成本低廉，并可擴展到汽車生產量。考慮了吹塑、鑄造和旋轉模塑（旋轉模塑）。后者的選擇基于其較低的模具成本；其低成型應力（減少模后翹曲）；能夠生產具有良好表面光潔度和受控壁厚的大型部件；事實上，螺紋可以模壓在耦合硬件（允許燃料流入和流出）和嵌件中，可以用來最小化模后加工。盡管旋轉模塑循環比大多數其他熱塑性成型方法慢，但與其他方法相比，家庭工具和旋轉站的使用可以以相對較低的成本增加產量。已經被儲罐制造商使用的長絲纏繞將是外層工藝，但該團隊可能必須修改纏繞頭，以處理預浸熱塑性膠帶。在掌握材料和工藝的情況下，該團隊進行了并行測試項目。一些成員對干凈的注塑POM 和真空/高壓固化 POM/碳層壓板進行了小規模機械試驗（根據 ISO 527-3、 ISO 178 和 ASTM D3410M）和滲透試驗（根據 ISO 5869）。另一個小組設計了襯套、聯軸器硬件和旋轉模塑工具。2011 年至 2013 年間，幾項襯里設計進行了試驗。每批中的一些模制襯里被切割，并接受進一步的機械和滲透測試。重要的是，通過測試旋轉
模塑工藝中生產的樣品，使用類似但不完全相同的 POM 等級和不同的添加劑包覆，驗證初步測試結果的準確性。初步測試結果是在具有 POM 等級和添加劑包覆的注塑樣品上進行的。相關性非常好，研究小組得出結論，配方和加工差異不會對聚合物的行為產生負面影響。
初步結果
2014 年， DuraStor 團隊關于其 2010-2013 年研究的第一份公開報告表明，只要內襯的標稱壁厚足夠大， 內襯和外包裝材料就滿足或超過當前的性能要求≥5 毫米。報告后的工作——一項回收研究、額外的襯墊成型試驗和初步的外包裝纏繞試驗——已經產生了數據，將由主辦團隊用于確定 UD 膠帶的纏繞路徑。下一步，研究將集中在通過鞏固班輪和外包裝生產整體式船舶上。其他計劃中的項目包括對纖維纏繞頭進行改造，以及開發嵌入式/交鑰匙機器人制造單元，使混合容器制造商能夠采用 DuraStor 技術。隨后， HOST 將在 H2 動力的燃料電池汽車（FCV- fuel-cell vehicle ） （上進行一個真實世界的示范項目，以驗證材料和工藝技術，并建立一個完全有能力的供應鏈。?
特納補充道：“許多處于氫經濟前沿的組織都是預算有限的小型創新者”。“這就是為什么我們的機器人制造單元需要設計成能夠適應定制和原型組件的原因。我們相信，它將促進氫經濟的更快發展。”
編后語：
此文件是 2015 年 2 月報道的。編譯此文件， 一是再次引起對復合材料壓力容器的關注。二是注意熱塑性復合材料，已經進入這個行業了。三是液氫儲存罐的難度遠大于此類產品。
楊超凡簡介：飛機制造高級專家，近年專攻民機復合材料。原航空工業部首批研究員級高級工程師，享受國務院特殊津貼
原文始發于微信公眾號（復材網）：專家楊超凡：熱塑性復合材料儲氫罐的發展及在航空領域的嘗試
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