图片来源：TUD-ILK、BRYSON项目、APUS Zero Emission

利用氢气（H2）实现航空脱碳的想法正在不断向前推进。根据《复合材料世界》的报道，凭借领先优势，ZeroAvia公司（英国肯布尔和美国加利福尼亚州霍利斯特）获得了空客的投资与认证合作，额外的订单使其订单总量超过2000，并获得了美国联邦航空管理局（FAA）420万美元的资助，用以进一步开发并验证其2-5兆瓦的电动动力系统，该系统将于2025年用于10-20座的飞机，到2027年将用于40-80座的飞机。同时，该公司还将继续开发用于压缩气体（CGH2）的复合材料储罐和液态H2（LH2）储罐。

具体项目包括：

1.COCOLIH2T，目标是到2025年推出两个热塑性复合材料（TPC）的示范件和达到TRL 4;

2. Lockheed Martin 和 Omni-Tanker在4型和5型储罐上的合作;

3. OVERLEAF，目标是将热塑性复合材料液态氢储罐的储存效率提升40%、重量减轻60%、储存容量增加25%;

4. 空中客车公司位于德国施塔德的新ZEROe开发中心（ZEDC）将开发CFRP的低温液态氢储罐;

5. LeiWaCo（2022-2025），目标是实现热塑性复合材料液态氢储罐的低成本大批量生产;

6. THOR，已于2022年完成，实现了4.5型热塑性复合材料储罐的工业化生产;

7. 英国国家复合材料中心和荷兰液态氢复合材料储罐联盟合作努力。

为更好地适应电动汽车的电池空间，BRYSON项目展示了热塑性复合材料压力容器的制造方法（图片来源：BRYSON 项目, TUD-ILK）

另一个关键项目是由德国联邦经济和能源部资助的BRYSON（具有最佳使用性能的节省空间的储氢）（03ETB019D）。该项目执行期为2020年至2023年，由一个德国联盟完成，成员包括:BMW AG、德累斯顿工业大学（TUD）轻量化工程与聚合物技术研究所（TUD-ILK）、由ILK分拆出来的工程和开发公司 Leichtbau-Zentrum Sachsen （LZS） GmbH（德累斯顿）、由ILK 衍生的热塑性复合材料制造商 herone GmbH（德累斯顿）、复合材料经销商WELA Handelsgesellschaft mbH（Geesthacht）、慕尼黑应用科学大学机械、汽车和航空工程系。

该项目的研究工作已在多篇论文中得到了描述，包括：用于未来移动应用的热塑性复合材料和内衬系统的氢渗透性（2023年4月）、用于储氢的热塑性塑料多腔压力容器-设计、制造和测试（2022年6月），在2023年SAMPE 欧洲会议上推出的“多腔压力容器的新型设计方法…”。

该项目的目标是，开发新的4型储氢罐，该储氢罐可以放入与电动汽车（EV）电池大小相同的空间内。该项目采用了两个概念——慕尼黑应用科学大学开发的一种由拉伸支柱加固的适形储罐，来自德累斯顿的合作伙伴公司（LZS、herone 和 ILK）开发的一种多单元存储方法。“我们的想法是使用多个小型压力容器。”ILK 的研究员兼项目经理 Jan Condé-Wolter 解释道，“根据巴洛公式，压力容器的壁厚与直径呈线性关系。因此，如果我们只看管子部分而忽略凸台的区域效应，就会发现，如果我们在许多较薄的小管中存储相同数量的氢气，理论上它们的重量与可以存储相同体积的更大、更厚的储罐相同，但较小的存储容器却可以更有效地利用可用的安装空间。”

自动化地制造热塑性复合材料的管子

遗憾的是，虽然这种方法的容积效率较高，但要制造所需的大量单个压力容器，制造工作量是非常大的。为最大程度地减少因使用众多较小存储容器带来的重量和成本，BRYSON项目探索了一种设计方法，该设计可以利用ILK已为管状热塑性复合材料结构而开发并由其衍生公司 herone GmbH 商业化的一种自动化生产工艺。这项技术包括在编织过程中对碳纤维增强热塑性复合材料带材进行自动加工，并在内部气囊辅助成型工艺中进行固结。Herone已经展示了飞机支柱和用于运输氢气的线段，它们都由100%的热塑性复合材料制成。由于可以对热塑性复合材料的管材和型材进行注射包覆成型，因此可以集成热塑性复合材料的载荷传递元件，如外插螺纹凸台。

herone的自动化热塑性复合材料生产工艺被用于制造BRYSON项目的示范容器，该工艺可以包覆成型出用于凸台的热塑性复合材料螺纹外插入物（图片来源：BRYSON项目，TU Dresden ILK）

但是，要对压力容器使用相同的制造技术，需要进行一些调整。“即使我们将容器单元的直径减小到50毫米或100毫米，但对于700 bar的压力容器而言，与大多数的支柱和传动轴相比，我们最终得到的结构是相当厚的。为确保良好的固结和纤维取向，我们需要在固结过程中减少纤维的移动。”Condé-Wolter 解释道。

这可以通过采用ILK开发的预压实（debulking）工艺来实现。该工艺减小了编织预制件的厚度，从而有助于限制固结过程中纤维的移动并提高层压质量。“在此之前，我们直径100毫米的容器示范件，其某些位置的壁厚高达7毫米，如果没有预压实工艺，预制件就会太厚而无法获得良好的固结质量。”Condé-Wolter说道。

使用热塑性复合材料还可以直接将附加功能或部件集成到结构中。“从本质上讲，我们的工艺是基于共固结，我们可以在预制件中添加嵌件、外插入物甚至内衬，它们将通过共固结被整合到最终结构中。”他解释道，比如，将挤出的短纤维增强热塑性复合材料管子添加到编织的管状预制件的外部，然后将该预坯组件放入匹配的模具型腔中，并在内部安装气囊的情况下加热到热塑性复合材料的熔融温度。

可能的端部配件设计和挤出的短纤维增强PA6螺纹外插入物（顶部、中心）以及螺纹插入物（底部）的示例，它们可以共固结到热塑性复合材料的压力容器管中（图片来源：BRYSON 项目，Herone）

在随后的气囊辅助成型工艺中，嵌件或外插入物与编织的连续纤维增强结构相融合，从而在部件之间实现了材料的互扩散，创建出一个一体化的结构。虽然这并不要求各部件拥有相同的基体，但的确要求具有基体兼容性。然后，可以对短纤维增强区域进行螺纹连接，以利用可拧紧的凸台概念来关闭单个的存储单元。

两个示范概念

为了对生产成本的增加进行补偿，BRYSON项目必须采用连续的生产工艺，意味着大多数纤维缠绕容器传统的强颈设计将难以制造。“我们必须在有颈的心轴上进行编织，然后想办法从有颈的预制件上取出这个心轴。让所有这些都尽可能得笔直，就会容易得多。”Condé-Wolter 解释道。最终的两个示范概念是直径50毫米的直管和螺纹嵌件，以及直径100毫米且带有螺纹外插入物的略带颈的管子。

直管的制造非常简单，而略带颈的管子需要一些开发，它采用具有恒定直径尺寸的多层预制件来实现最终的缩颈直径。这种预制件还拥有专门设计的纤维角度，比54.7°的目标纤维角度更小。“在固结过程中，气囊使管段中的容器膨胀，达到所需的100毫米外径，编织角度达到所需的54.7°，以承受内部压力。”Condé-Wolter 解释道，“这种设计和工艺使我们能够使用连续编织，而且仍能通过气囊辅助成型工艺获得所需的复杂形状、壁厚和纤维角度。”

他表示，这很复杂，因为一切都在同时发生变化。“我们的预制件越来越短、越来越宽，编织角度也发生了变化——但对于某些直径，它非常适合我们的机器和工艺。我们甚至可以在外部添加短纤维增强的螺纹，从而为我们的压力容器使用简单的螺纹端盖。”

材料和示范件

由于成本高，BRYSON项目没有考虑将PAEK和类似的聚合物用作热塑性复合材料带材的基体，而是将眼光投向了聚酰胺（PA）和聚邻苯二甲酰胺（PPA）。这两者都拥有良好的力学性能，熔化温度为200-300℃，并且具有良好的抗渗透性，这对于储氢极为重要。

“我们做了大量的材料测试，确定了一种玻璃化转变温度（Tg）约为130℃的PPA，该材料在成本和性能方面达到了很好的平衡。但在项目期间，该材料仍处于原型阶段。”Condé-Wolter表示，他们正在针对各种应用对PPA材料进行深入研究，因为该材料的价格与PA的相似，但玻璃化转变温度更高，从而可以消除蠕变问题，扩展使用温度范围。而对生产工艺的开发主要是采用TUD-ILK完全表征的 PA6带材来进行的。

“我们用我们的PA6材料完成了对这两个概念的制造，而且由于直管不那么复杂，我们还用所需的PPA材料制造了它。”Condé-Wolter表示，未来，他们将对这种PPA直管进行爆破测试，但直径100毫米的概念更适合未来的应用需求，这是因为50毫米直径的直管存储单元的数量对于每辆汽车来说太大了。

“目前，我们证明了该生产工艺的有效性。”他补充道，herone 的工艺路线能够实现循环时间较短的大批量生产。“在BRYSON项目中，大多数的初步测试都是在ILK 的实验室中完成的。之后，我们切换到herone 的工艺生产线上，并表明这种方法在实验室之外也是有效的。”除了为热塑性复合材料压力容器开发新的设计和制造工艺外，该团队还研究了复合材料和内衬材料的渗透性，并建立了一个测试台，用于对小型 PA 管示范件进行爆破测试。

渗透性研究

所有的氢压力容器都面临着渗透性问题，但该问题对于较长、直径较小的储存容器而言会更加严峻，因为气体可渗透的表面积更大。“表面积/体积比较大的存储概念需要更厚的内衬或阻隔性能更好的材料。”Condé-Wolter说道，一般来说，储氢罐的氢损失应低于46毫升/小时。满足这一要求所需的内衬厚度可能会占据大量的容器存储直径，尤其是对于多单元存储系统中的较薄容器。

因此，BRYSON联盟决定，采用标准的PA6内衬是不可行的。“对于我们的50毫米直径概念，PA6 内衬需要几毫米的厚度，我们的编织复合材料结构的壁厚可达3毫米。如果内衬厚度与这种复合材料的壁厚具有相同的数量级，就会损失太多的存储容量，我们的概念也会效率太低。”Condé-Wolter说道，“因此，我们对多种不同的聚合物进行了高压渗透性测试，以确定更适合的材料。我们用氢并在我们内部开发的氦气渗透性测试台上对它们进行了外部测试。”

在BRYSON项目期间开发的渗透性测试数据（图片来源：BRYSON 项目，TUD-ILK）

作为聚乙烯（PE）和聚乙烯醇（PVA）的共聚物，EVOH实现了最佳性能。Condé-Wolter解释说，EVOH具有极性分子结构，意味着它对氢的溶解率非常低。“你可能会遇到受湿问题，但对于所有极性气体来说，EVOH都是一种非常好的阻隔材料。我认为开发多层复合材料结构是可能的，其中EVOH层可以提供渗透屏障，而PPA或其他材料可以保护它免受外部湿气的影响。由于EVOH的阻隔性能是 PA6的25倍，因此所需的内衬厚度将显著减小—从毫米级下降到微米级。所以，由内衬引起的容积损失和重量增加等问题会显著降低，几乎可以忽略不计。在我们进行的粘接测试中，EVOH与我们的 PA6 材料粘接良好。”

Condé-Wolter还表示，在对含有和不含有碳纤维增强材料的PPA进行的比较中发现，后者的阻隔性能提高了2.5-3倍。“通过添加几乎不透水的碳纤维，可以为氢气创造一条曲折的扩散路径，这会降低渗透性。”

爆破测试和其他开发

当BRYSON项目内部的其他合作伙伴在开发阻燃涂层和燃烧测试时，ILK、LZS 和 herone 的团队则在开发一种测试夹具和方法，以对管状试样进行1700bar的爆破测试。采用最大1200 bar的压力对4个试样进行了测试，而设计压力为1400 bar。虽然没有达到预期的爆破效果，但该团队却确定了存在的主要问题，即在测试夹紧过程中对内衬带来的损坏，因此他们计划进行后续的改进和进一步的测试。

其他应用

BRYSON项目展示的新型4型压力容器概念不仅限于汽车应用。ILK研究所的所长 Gude 教授说：“我们已经朝着未来的可持续移动概念迈出了重要的一步，比如，在Saxonhy和SWAT项目中，我们已与我们的合作伙伴APUS（德国Strausberg）一起，为航空应用开发了类似的概念。”

细长的压缩气体容器将被用于APUS i-2飞机的翅膀上（图片来源：APUS i-2手册）

APUS正在开发零排放的氢动力飞机，目前该飞机系列包括i-2和i-5，它们的使用场景是，不需要液态氢，而是在这些飞机的机翼中安装压缩气体容器。据该公司介绍，这种获得专利的结构集成式储氢系统与标准的储氢罐相比，比能量密度提高了25%，能量密度是电池电动飞机的10倍。APUS还参与了2022年7月宣布的SaxonHY项目，TUD-ILK也参与了该项目联盟。该项目的目标是，研究无内衬的5型储罐，以提高重量储存密度。