运输用压缩储氢罐材料、制造、设计与开发的行业前景与挑战综述
摘要
氢燃料电池技术正在确保在未来先进交通和能源革命中占有一席之地，因为工程师们在寻求脱碳的过程中探索了多种途径。氢基燃料电池汽车的可行性尤其依赖于开发安全、轻量化和具有成本竞争力的储氢解决方案。在演示了数百辆原型车之后，如今，商用氢气罐正处于市场引入的第一阶段，采用使用复合材料的配置。然而，生产率仍然很低，成本很高。本文旨在深入了解运输部门储氢解决方案的演变情况。涵盖了不同运输部门的当前应用，重点关注其个性化要求。此外，这项工作还讨论了生产具有经济吸引力的复合罐的努力，讨论了围绕材料选择和制造实践的挑战，以及研发团队追求的前沿趋势。还讨论了氢气罐设计和分析中的关键问题。最后，一旦测试和认证要求在行业接受中发挥至关重要的作用，就会进行辩论。
关键词：氢气;储存;运输;长丝缠绕
1. 引言
如今，交通部门面临着应对气候变化和环境污染威胁的新范式。可持续和创新的燃料和动力总成不断涌现和成熟，以减轻化石燃料燃烧引起的温室气体排放产生的环境影响[1]。我们的能源供应系统的演变似乎包括以清洁能源和零排放车辆为中心的不同和非排他性的移动解决方案。以氢为动力的燃料电池 （FC） 电动汽车引起了全世界的关注，被认为是交通脱碳中可行的绿色替代品。从那时起，氢气已成为一种先进的能源载体，提供清洁和循环利用，并无限供应[2]。迄今为止，有几种化学和物理储氢方法，如高压气态储氢、液态储氢、金属固态储氢和复合氢氢储氢[3]。储氢系统曾经是制约氢能广泛使用的技术障碍，如今已成为确保良好安全性能、成本竞争力和重量效率的关键使能技术。如今，氢气罐是完全商业化的复杂产品，是竞争激烈的市场的一部分[4,5,6]。本文总结了燃料电池汽车储氢在学术和工业工程背景下所面临的挑战。追溯了这种新兴技术的最新技术的广阔视角，从而捕捉了其在与运输相关的几个领域的主要应用和工业前景。它还解决了与材料选择、制造和成本相关的特殊性，用于用长丝缠绕生产的复合罐。还涵盖了设计和认证过程。
2. 压缩氢气罐在运输中的应用
氢燃料电池在交通运输中的应用为活动部门脱碳提供了很大的可能性，仅该活动部门就占温室气体排放的最大份额[7]。这对低碳燃料选择有限的行业特别有吸引力，例如航空和海事部门[8]。本综述仅涉及近几十年来以应用为导向的发展，强调当前的研发（R&D）趋势。
2.1. 轻型车辆
公路运输，包括汽车，公共汽车和卡车，占运输部门温室气体排放量的四分之三[9]。如今，氢燃料电池轻型汽车正处于商业化的早期阶段，全球不同汽车制造商开发的多款车型已经推出，以取代内燃机车型。尽管如此，这些车辆的销售成本尚不具有竞争力，并且基础设施问题（例如缺乏扩散加氢站网络）是FC车辆广泛商业化的制约因素[10]。丰田、现代和本田是乘用车的主要制造商[11]，表1比较了其畅销车型的各种技术规格。它们都采用由复合材料组成的储罐（IV 型分类，如第 3.1 节所述，如图 1 所示），这些储罐已显示出解决车载压缩储氢所引发的技术问题的能力，并且目前是行业在考虑技术成熟度时的选择， 其重量效率及其成本[12,13,14,15]。这种配置由完全包裹有纤维缠绕层的薄聚合物衬里组成。最先进的机载储氢技术在高压下运行，压缩氢气通常储存在35或70 MPa[16]。
表 1.FC车型3款畅销车型规格对比[17]。
2.2. 重型车辆
重型市场也显示出氢燃料电池采用的巨大潜力，尽管它呈现出不同的运行条件和驾驶周期。这些车辆具有更高的功率输出需求，以及提高耐用性和燃油效率的要求[20]。虽然用于典型短途低速旅行的轻型乘用车可以使用电池和增程器设备进行管理，但卡车和公共汽车等长途重型车辆需要更高的利用率，并且可能需要氢气[21]。随着许多主要城市中心计划禁止柴油卡车[22]，一些车辆供应商，如曼恩，斯堪尼亚，VDL和现代，已经开发了氢燃料电池卡车[23]。燃料电池电动卡车车载储氢的设计空间评估表明，在探索不同工作压力和车辆套件的同时，采用IV型储罐来满足不同市场领域的续航里程需求的可行性[24]。燃料电池客车同样引起了极大的关注，并成为全面验证的公共示范工具和研发数据来源[25\u2012226]，特别是由于实施了一些政府行动和资助项目。这包括欧洲 CUTE（欧洲清洁城市交通）公交计划 [27]、美国国家燃料电池公交计划 [28]、韩国氢经济路线图 [29] 等。车载储罐通常存放在公交车的车顶，更高的空间可用性允许以35 MPa的速率存储，从而降低储罐和压缩成本[21]。表2列出了不同主要制造商开发的FC总线的技术规格。
比利时公司Van Hool凭借A330车型确立了自己作为市场领导者的地位，在欧洲和美国都有公交车[31]。丰田与日野汽车合作开发了Sora，在2021年东京奥运会和残奥会之前在日本公共交通车队中引入了100多辆公共汽车[32]。在韩国，现代汽车自2019年以来一直在商业化Elec City燃料电池，已有100多个单元投入运营，并由不同的欧洲公交运营商进行了在役试验[33]。Wrightbus在英国开发了世界上第一辆双层FC巴士[34]。VDL Bus & Coach 于 2011 年交付了 FC 作为其演示活动的一部分，自 2020 年以来，在荷兰部署了车辆，为电池巴士增加了拖车，采用了用于扩展续航里程的燃料技术 [35]。
2.3. 管拖车
高压管式拖车是氢气运输物流的重要组成部分。随着氢燃料电池电动汽车的推出，加油站的广泛可用性成为高效运营的关键问题。今天，管道的可用基础设施非常有限，主要集中在大型工业用户，如炼油厂和化肥厂[36]。管式拖车的使用为低需求客户和距离生产现场合理距离（小于 100 英里）的加油站提供了更经济的交付模式。一旦需要较低的初始资本投资，该策略在实现加氢站的早期和广泛部署方面发挥了重要作用，从而优化了与气体压缩和储存相关的成本[37\u201238]。
典型的管式拖车使用长压力容器捆绑在一起，每组6至15个，其出口被歧管连接在一起[39]。这些压力容器可以由钢或复合材料组成。钢制管式拖车（使用 I 型油箱）是一种更常见的配置，尽管可能会应用限制其容量的公路重量限制。每辆拖车的最大氢气有效载荷约为 250 公斤。另一方面，使用复合压力容器的管式拖车提供了更高强度和更轻的解决方案，尽管成本更高。III型和IV型配置均已采用，它们可以提供超过1000公斤的有效载荷[36]。
在全球范围内，有几个主要的工业参与者参与通过管式拖车输送气态氢气。空气产品公司（Air Products and Chemical Inc.）可能是领先的公司，与美国交通部（DOT）以及欧洲城市氢气运输（HyTEC）项目合作，参与了复合材料管拖车的开发和验证计划[40,41,42]。它运营着一支不断增长的管式拖车车队，在高压下输送大量氢气。现代Nexo氢气罐的执行供应商ILJIN HYSOLUS的IV型氢气管拖车已获得全球认证[43,44]。川崎集团在其国家研发机构NEDO的支持下，开发了日本第一辆带有III型复合气瓶的氢气管拖车。其氢气管拖车在45MPa的压力下运行[45\u201246]。
2.4. 加油站
开发可靠的加油基础设施是氢能在运输中使用的基石。压缩、储存和分配是气态加氢过程的关键阶段，直接影响到客户支付的最终燃料成本。在加氢站中，储氢系统不仅可以局部储存压缩气体，解决日常运行中燃料供需不匹配的问题，还可以加速加注过程，避免压缩机频繁启动/停止[47\u201248]。
氢站设计有不同的可能方法，特别是储能系统可以采用两种类型，即缓冲储能和级联储能[49]。两者通常都使用几组压力容器，尽管也可以找到单罐配置。在缓冲储存中，所有储油罐气缸连接在一起，并始终保持相同的压力。在梯级储存中，气体通常在低压、中压和高压水平下在三个储层之间分配，在车辆加注过程中，车载储罐按压力升序交替连接到不同的储层。在高压加油场景中，级联存储系统显示出较低的能耗，而缓冲存储可能具有更短的加油时间。
储罐是加氢站的核心要素。考虑到在70 MPa下运行的轻型车辆的点胶，级联系统中的高压存储通常可以在90-100 MPa下进行，从而确保在短时间内加油所需的充电压差。II型（通常用碳纤维增强钢）或IV.型储罐是常用的配置，一旦I型储罐变得不经济且沉重，并且III型可能由于大量加油循环而容易疲劳，因此在这种升高的工作压力下储存[47,51]。低压（约20MPa）和中压储存（约40MPa）可采用I型钢罐。
2.5. 铁路
采用柴油推进系统的传统机车一直是工业化国家铁路运输的基础，无论是用于商品运输还是乘客运输。然而，燃料电池动力机车被认为是实现快速和持续脱碳的有前途的环保选择。FC列车和有轨电车在长距离和大功率需求场景中的表现尤其出色，与接触网式电动和混合柴油-电动配置相比，基础设施成本更低。
2002 年，在魁北克省 Val-d'Or 展示了第一台功能性氢燃料机车，这是一辆 3.6 吨/17 kW 的地下采矿车辆。使用3公斤金属氢化物储存，它是美国和加拿大政府与后来称为Vehicle Projects LLC的私人公司联合项目的一部分[54]。2006/2008年，东日本旅客铁道株式会社在实际服务线路上试验了混合动力乘用车（一辆轨道车，130 kW FC系统/19 kWh电池，气态氢气储存在35 MPa[55]）;2006 年，同样位于日本的铁路技术研究所对其 FC 轨道车进行了运行测试，该轨道车由美国/意大利的 Nuvera Fuel Cells 制造（两辆轨道车，120 kW FC 系统，36 kWh 电池/18kg 气态 H2储存在35 MPa）[56]。由BNSF铁路公司和美国国防部资助的北美合作伙伴关系推出了用于城市轨道应用的原型燃料电池电池混合动力道岔机车（130吨，240 kW FC系统/最大功率1.2 MW，70 kg H2在35 MPa）[56]。
最近，阿尔斯通推出了世界上第一列由氢燃料电池驱动的客运列车Coradia iLint，开创了可持续交通解决方案的先河（图2）。2018年，两辆车的车型在德国投入商业服务，从那时起，iLint在奥地利、荷兰和瑞典进行了成功的试运行[57]。JR东日本在2019年宣布，它正在开发一种使用丰田氢燃料电池技术的两节车厢列车，预计将于2021年进行试验，并于2024年商业化[58]。西门子正在与巴拉德合作开发燃料电池变体 Mireo。巴拉德计划提供两个 200 kW 燃料电池模块，安装在两节车厢的客运列车上，用于在巴伐利亚州进行试运行 [59]。Stadler正在生产美国第一辆氢动力列车，预计将于2024年在加利福尼亚州圣贝纳迪诺县投入使用[60]。TIG/m 目前正在向迪拜和阿鲁巴政府提供世界上第一辆使用氢燃料电池技术推进的市政有轨电车。自2012年以来，已经交付了3辆混合动力电池/燃料电池汽车[61]。现代Rotem宣布进入氢列车市场，目前正在开发韩国第一辆氢动力轻轨车辆，用于蔚南市的城市铁路网络[62]。目前的氢动力客运列车项目为车载存储系统采用了不同的解决方案。压缩气态氢系统是最常见的，工作压力值范围为 30 至 70 MPa。市场可用性和低成本重型车辆的成功应用使35 MPa系统成为铁路中最常用的配置，可实现约1000公里的续航里程[63]。例如，阿尔斯通的Coradia iLint使用Xperion制造的24个安装在车顶的35 MPa IV型气缸[64]。Stadler的项目将拥有由Hexagon提供的35 MPa IV型储罐[64]。HydroFLEX项目使用了36个Luxer III型氢气罐，这是英国第一辆全尺寸氢动力演示列车[65]。JR-East和丰田的合作伙伴关系打算使用70 MPa IV型气瓶[58]。
2.6. 海事
随着几个示范项目的开发，先进的氢能交通也开始渗透到海事领域。在过去的 20 年里，欧洲各地已经测试了各种各样的海上燃料电池项目。这些项目从不同的研究角度探讨了燃料电池技术在海上运输中的适用性，包括可行性调查、设计概念开发和原型演示（表3）
海事部门面临的挑战包括恶劣的工作环境和与机载储能空间相关的限制，这些限制最终会影响有效载荷[69]。海上车辆的适用功率范围需求可能在几千瓦到几兆瓦之间，因此使用氢气（一种低体积能量密度的燃料）可能不适合长途旅行，而适用于内陆和短途航运[70]。
用于水下应用的氢燃料电池在商业和军事用途方面也引起了人们的关注[11,71]。用于海底航行器的燃料电池系统不仅必须储存氢气作为燃料，还必须储存氧气，以便它们可以催化结合以产生水、热和有用的电力[72]。AREWA可再生能源子公司HELION 测试了其用于推进 Idef 的燃料电池技术x，由法国海洋科学研究所Ifremer运营的自主海底航行器。它携带了 100 升 H2在 30 MPa 和 50 L O 时2在25 MPa时[73]。美国海军正在与通用汽车公司合作开展一个项目，以使其氢燃料电池技术适应自主机器人潜艇[74]。英国初创公司Oceanways目前正在开发一种氢燃料自主货运潜艇，以从海洋中收集微塑料，这是一项清洁航运研究的努力[75]。212型是新一代德国潜艇，旨在用作侦察艇和猎船船，其空气独立推进系统使用氢燃料电池。它的特点是几乎无声无息地潜入水中，可以持续三周，而且几乎无法被发现。氢燃料储存在外压壳和内压壳之间[76]。
2.7. 航空
全球民航业已经制定了到2050年实现净零碳排放的长期气候承诺，一旦电池对于航空目的来说仍然太重，氢气等可持续航空燃料在其能源转型战略中发挥着重要作用[77]。氢气在航空业的预测应用可分为两个主要方向：第一个方向涉及氢气燃烧作为大型飞机煤油的替代品，而第二个方向则使用氢气和燃料电池系统来推进小型飞机。燃料电池也有可能取代柴油作为飞机辅助动力装置的燃料，并取代为其他设备和系统供电的电池。为机场地面支持设备供电也被认为是将燃料电池技术集成到航空业中的可行方式[78]。
氢气和燃料电池在有人驾驶飞机中的应用的主要里程碑可以追溯到过去二十年。2008年，波音研究与技术公司对第一架载人燃料电池飞机Diamond DA20（一种改进的双座机动滑翔机，混合动力：H2燃料电池/锂离子电池[79]）。随后，空中客车公司成功应用燃料电池系统为空中客车320的辅助液压和电力系统提供动力，激活了副翼、方向舵和其他飞行控制系统[80]。2009 年，德国航空航天中心 （DLR） 开发了电动滑翔机 Antares，这是世界上第一架仅使用高性能燃料电池（25 kW，5kg H2@ 35 bar） [81]。RAPID 200-Fuel Cell是一架在都灵理工大学协调的欧盟ENFICA-FC项目中开发的飞机，使用全电动混合动力系统（20 kW FC，35 MPa H2存储和20 kW锂聚合物电池），打破了电动飞机的世界速度记录[82]。HY4 是一款由氢燃料电池驱动的四座飞机，同样由 DLR 开发，于 2016 年完成首飞（9 公斤 H2，4×11 kW FC和2× 10 kWh电池）[83]。
如今，一些研发团队致力于进一步开发航空燃料电池推进系统。HyFlyer 项目旨在通过优化大功率燃料电池使中型/小型客机脱碳。在ZeroAvia的带领下，总部位于加利福尼亚的初创公司与英国政府的航空航天技术研究所（ATI）计划合作，完成了一架由氢燃料燃料电池驱动的商用级飞机的首飞，一架改进的螺旋桨Piper M级六座飞机，加上一个FC和电池。该项目将在2023年初以一架突破性的19座氢电飞机结束，飞行350英里[84,85]。2021年，通用汽车和利勃海尔宇航开始联合开发用于飞机应用的氢燃料电池动力系统。该项目以商用飞机为重点，不关注推进，而是打算将运行飞机电气系统的辅助动力装置替换为燃料电池动力装置[86]。空中客车ZEROe计划公布了世界上第一架零排放商用飞机的三个概念，采用氢气作为主要动力源。它们旨在利用氢燃料电池为改进的燃气轮机提供互补动力，提供高效的混合动力推进系统，该系统可在2035年投入使用[87]。
在无人驾驶飞行器（UAV）以及自主和遥控飞机中，FC作为主要能源推进源的使用也变得非常流行，能够执行越来越困难和多样化的任务[88,89,90]。燃料电池的采用减轻了传统无人机推进系统的重量，并降低了噪音和振动，同时解决了环境问题。例如，氢燃料电池无人机的重量可以比具有相同能量容量的锂基电池低3.5倍[91]。表4总结了氢燃料电池无人机的应用情况。虽然早期的研究主要集中在固定翼配置上，但今天正在研究多旋翼和直升机无人机[92]。
3. 制造、材料和成本
用于各种应用的氢气罐采用复合材料作为最成熟的解决方案，这些氢气罐通常使用缠绕方法制造。反过来，绕组制造在很大程度上取决于材料的选择;因此，研究人员不仅探索了树脂基体系统的几种材料选择，还探索了衬垫系统的几种材料选择。制造方法在传统和成熟的湿式绕线和更新和创新的卷带之间有所不同。在绕线设备技术方面，有几种工业选择，其特点是光纤导向和芯轴运动的适用自由度。所有这些选择都是相互关联的，深深地影响着储罐的最终制造成本，并且必须由设计师在规划可行的制造时创建。
3.1. 工业氢气罐式分类
市场上用于一般应用的压力容器采用不同的结构，目前分为五种主要类型，从I到IV进行数字分类。随着先进的氢气解决方案在交通工具中的日益普及，研发工作现在正在寻求具有成本效益的轻质材料、设计和生产技术，以进一步推动氢气罐的发展。图 3 和表 5 介绍了氢气罐子类型的分类，旨在了解最新进展和未来设计趋势，并在增强类型、基体类型和缠绕方法之间建立了额外的区别。
V型储罐必将成为氢气罐演进的最终步骤，也是目前深入研究的重点[96\u201297]。这种全复合材料无衬里配置有望提供最轻的解决方案，更有效地利用体积，同时由于其固有的结构更简单，还降低了制造成本、运营风险和维护成本[98]。然而，一旦氢气是一种分子非常小的气体，通常储存在高压下，避免渗透就构成了一个重大挑战。目标解决方案包括抗微裂纹结构树脂和/或阻隔涂层的开发[99,100]。例如，Composite Technology Development， Inc.在其V型压力容器的基质中加入了纳米增强材料，以降低其渗透性并实现更好的机械性能[101]。
3.2. 缠绕方法：湿式与胶带式
纤维缠绕是一种成熟的复合材料零件制造工艺，被认为是最节能的方法之一，加工成本相对较低[102,103]。由于速度快，它适用于大规模生产，应用在多个行业分支中，提供具有高纤维含量（通常大于 60%）和优异机械性能的产品。缠绕部件的常见尺寸为直径可达1.0 m，长度可达5.0 m，但也可以找到更大的部件[104]。纤维缠绕特别适用于轴对称形状的制造，例如储罐。
长丝缠绕中的树脂浸渍步骤可以在制造过程的不同步骤中采用不同的技术进行。基本上有两种不同类型的长丝缠绕，即湿式缠绕和胶带缠绕。在湿法缠绕中，可能是最可靠的方法，在干纤维束通过树脂浴与芯棒接触之前，先涂上熔化的树脂。胶带缠绕使用先前浸渍的材料，例如预浸料和胶带。这些方法各有优缺点[103,105,106,107]。
湿法绕组的主要资产是整体制造成本，主要是与原材料以及纤维和树脂的储存和处理相关的成本，之后通常不需要冷藏。缺点是更难严格控制树脂含量，因此预计会有更大的可变性，并且沉积过程存在固有的物理速度限制。不遵循规定路径的不需要的特征，如树脂袋、空隙、纤维起皱、密度变化甚至纤维，可能会更频繁地引入，从而影响机械响应。固化过程中可防止局部滴落。机器及其安装空间的清洁需要大量使用溶剂。此外，操作人员还暴露于危险化学品和“干蝇”纤维中，因此，这是一个令人担忧的环境问题。
胶带缠绕工艺基于使用已经经过严格质量控制的工业化原材料。因此，结果呈现出更精确的树脂含量和更高的均匀性，从而产生具有更好机械性能的最终零件。沉积速率可以大大提高（甚至高出一个数量级），从而提高生产效率。由于没有液态树脂滴，机器保持清洁，为操作员的健康和环境提供了更好的劳动条件。另一方面，所有这些优势都是有代价的。对机器的投资以及预浸料产品本身都非常昂贵。后者通常需要冷藏，外壳寿命相对较短。
在纤维缠绕类型之间进行选择来制造特定产品与材料选择密切相关。近年来，预浸料胶带缠绕技术经历了巨大的发展，因此现在越来越多的材料系统以更低的成本商业化。长丝缠绕的最初应用仅限于使用热固性树脂，使用树脂浴进行浸渍，树脂浴是一种处于低粘度状态的未固化聚合物化合物。在完成纤维放置操作后，需要进行固化程序，根据树脂类型，该过程可以在室温或高温下进行，也可以长时间进行。需要一个烤箱，包括一个进一步的加工阶段，并作为最大组件尺寸的限制[104]。
在用热塑性胶带缠绕的长丝中（图4），在缠绕过程中会发生完整的原位固结，不需要烘箱。因此，热塑性损伤零件可以在一个生产步骤中加工。热塑性预浸料的在线固结以瞬时方式进行，持续几分之一秒，几乎是在类似焊接的工艺中。这允许在不使用胶带桥接的情况下制造可能的几何形状，包括扁平和凹形。另一个可能的改进涉及局部钢筋定向的可能性。热塑性固结可避免纤维滑移，因此除了测地线轨迹外，还可以实现不同蜿蜒路径的稳定性。
重要的是要明确指出，尽管热固性基质材料系统化合物的长丝缠绕通常与湿技术（如IV-FSW罐）相关，但也可以使用热固性预浸料（IV-FST型）进行带丝缠绕。当使用高度自动化的系统并试图从一般预浸料形式的固有优势中受益时，这一点变得特别有趣。Cui等[108]使用T300/环氧预浸料胶带制造了带长丝缠绕的复合轴承。该研究旨在通过实验研究绕组张力对轴承精加工以及机械和物理性能的影响。Chang等[109]提出了一种使用碳纤维/环氧预浸料胶带缠绕制造三通管的设计方法。Kang等[110]将胶带长丝缠绕技术应用于使用玻璃/环氧预浸料胶带的圆柱体结构，重点研究了测定残余应力的方法。
3.3. 传统绕线与机器人绕线
数控和自动化带来的技术发展已经大大改变了灯丝绕组。这种用于复合材料的制造工艺于1940年代初为航空航天计划[111]开发，在过去二十年中取得了重大进展，旨在创建复杂的几何形状以及轴对称结构的制造优化。在光纤引导和芯棒运动的自由度方面，有杰出的设备技术[103]。此后，工业机器人的引入可以更好地控制工艺参数，并改善可重复性和制造时间[112]。
传统的长丝缠绕是一种较低的工艺流程，在整个行业中相当普遍，仅限于缠绕轴对称形状，如管子、管道或压力容器。两轴绕线机是最简单的制造布置，控制心轴旋转和滑块水平行程，因此只能生产纤维增强管材。此外，传统的四轴机床是通用收卷机，也能够制造压力容器。受控运动自由度通常包括心轴旋转、滑块水平行程、滑块垂直行程（交叉进给）和安装在交叉进给轴上的旋转纤维出料头[113]。然而，这种解决方案仍然可靠，操作员在绕线过程的不同操作中不断干预，这极大地影响了生产率。
机器人长丝缠绕的出现可以追溯到在生产线上加入拟人化机器人，从而为制造引入了额外的自由度。虽然典型的机器人设备提供六轴（3个线性运动和3个旋转）的计算机控制，但可以进行更多自由度的布置[114,115]。机器人长丝缠绕主要用于高级应用，非常适合胶带缠绕，实现更高质量的零件。在这种技术中，以前手动执行的辅助操作也可以自动化，例如芯棒放置、长丝的绑扎和切断、将湿纤维覆盖的心轴加载到固化炉中、芯棒提取等[116]。根据柔性机器人头的安装位置，可用于制造复合罐的不同设备设置[117,118]（图5）
第三种可能的设置包括采用多机器人制造系统，其中一个机器人头旋转心轴，而另一个机器人头操纵出气眼单元。然而，这种复杂的布置尚未被用于储罐结构，主要用于三维刚性框架结构的空间缠绕[121]。所有设置组合都可以使用标准或定制机器人，以 ABB、KUKA 和 Fanuc 为主要供应商，设备投资与使用机器人的数量及其定制程度直接相关。
机器人绕线提供的高度灵活性可能具有提供大规模市场渗透的潜力，从而实现纤维增强产品的多样化和在新领域的应用。然而，可能会有一些缺点[118,122]。机器人绕线的图案精度可能低于常规机器，因为雄性机器人的整体刚度较小，并且可能会出现机器人与其他设备单元之间的运动同步问题。因此，芯轴的尺寸和产品受到工业机器人工作单元空间限制的限制。与成熟的传统绕组相比，制造简化几何形状时的工艺生产率较低。
使用机器人绕组制造复合罐的发展前景不断涌现。一个综合趋势是采用自动化和集成的工业单元和生产线进行复合罐制造，因此，在制造中提供了完整的交钥匙解决方案。例如，Mikrosam在俄罗斯完成了其最新自动化生产线的调试，该生产线旨在建造容量在40至350 L之间的储罐，用于储存压缩天然气和氢气[123]。另一项技术突破可能表现为与其他工艺（如3D打印和自动纤维放置）的缠绕杂交，这可以快速、精确和几乎零浪费地将纤维添加到需要的地方[119]。
3.4. 材料选择
3.4.1. 树脂：热固性与热塑性塑料
热固性基质历来主导纤维增强复合材料市场。这包括源自各种复合材料制造技术的产品，例如树脂传递模塑 （RTM）、树脂灌注、拉挤成型和长丝缠绕。然而，纤维增强热塑性塑料相对于热固性复合材料的使用在不同的工业应用中越来越受欢迎，这主要是由于它们的固结周期短，从而缩短了生产时间。与热固性制造相比，热固性制造的其他优势包括更长的保质期、易于维修和回收利用的潜力——后者对环境可持续性驱动的项目特别有吸引力。
然而，制造问题限制了热塑性树脂的广泛使用，因为它们的加工往往比热固性树脂更复杂。热塑性塑料具有特别高的分子量，其熔体粘度至少比热固性塑料高两个数量级，这使得它们的浸渍难度明显增加[124]。尽管如此，人们还是投入了大量精力来开发新技术和更易于加工的热塑性塑料。通过取代过程中的纤维浸渍步骤，开发了一种提高热塑性塑料可制造性的有趣策略[111]。因此，用热塑性树脂浸渍纤维首先通过开发一种特殊的预浸渍丝束或胶带，通常以单向排列的宽片或窄带的形式提供，在分离过程中进行。预浸料产品具有低空隙率和高纤维体积分数，市场上有不同配置的热塑性塑料选择（碳/PEEK、碳/PA6和碳/PPS）[125]。
新材料系统研究仍在进行中。Elium是阿科玛的新型液态甲基丙烯酸甲酯（MMA）树脂，是一种热塑性塑料，具有在氢气罐中的应用潜力[126]。通过应用这些半成品形式，当施加热量和压力以形成整体结构时，固结步骤可能仅在局部发生，即所谓的原位固结[127]。®
热塑性塑料的使用已成为一种绿色趋势，因为它在部分甚至全部回收原材料方面具有潜力。碳纤维增强热塑性塑料的当前报废选项包括[128]：
机械回收：热塑性复合材料和热固性复合材料都可以粉碎成小颗粒甚至细粉。之后，热塑性塑料可以通过加热和压力进行多次再加工。热固性塑料只能用作水泥、混凝土和类似材料的填料或加固材料。
热回收：适用于热固性塑料和热塑性塑料，没有实质性差异。它通常包括去除复合材料系统的基质，并进行旨在纤维回收的热处理。
化学回收：它通过溶剂分解或溶解在适当的溶剂中去除基质，也适用于热固性和热塑性塑料。然而，热固性塑料通常具有更高的化学稳定性，因此纤维回收更难。此外，热塑性塑料可以溶解和回收，而热固性基质通常会降解。
此后，大量的研究工作致力于开发使用热塑性基质的氢气罐。HYPE/OSIRHYS 项目汇集了法国原子能和替代能源委员会 （CEA）、东丽和雪铁龙，以改进由全热塑性复合材料组成的结构容器的设计、计算、制造和测试，旨在以 70 MPa 的功率在船上储存氢气。研究的材料是CarbostampTM公司T700碳纤维嵌入的聚酰胺基体[12,129]。DuraStor 财团（后来转变为 HOST 项目）是英国的一项尝试，旨在提出一种整体式和可回收的 IV 型热塑性氢气罐，用于在 70 MPa 下运行。提出并研究了一种使用滚塑POM衬里和碳纤维/POM复合系统的配置[130,131]。自 2019 年以来，来自整个储氢供应链的欧洲代表联合开发了一种具有成本效益的热塑性氢气复合罐，组成了 THOR 联盟 [132]（热塑性氢气罐优化和可回收）。
3.4.2. 纤维
氢气罐项目的一个重要方面是为内衬选择增强外包装，为储罐提供高箍强度，这是直接影响爆破和抗穿刺性的高压应用的关键品质[130]。如今，碳纤维因其较高的比拉强度而成为最先进的氢气罐解决方案的综合选择。它们还兼具出色的疲劳性能、抗蠕变性和耐大多数化学品性。然而，碳纤维本身就代表了储氢系统的主要成本驱动因素，预计其需求将大幅增加，因此替代增强纤维一直是旨在优化储罐成本的研发研究的重点[133,134,135]。
玻璃纤维通常用作压缩天然气（CNG）储罐的增强外包装，压缩天然气储罐在压力明显较低的情况下运行，也作为外层存在于氢气储罐中，提供电偶腐蚀和抗损伤性[136]。玻璃是一种相对便宜的材料，但在暴露于湿气/化学品和持续负载下容易发生强度下降。
玄武岩纤维是一种环保、具有成本竞争力的纤维，其机械性能和热化学稳定性略高于E-玻璃纤维[137]。相比之下，玄武岩的刚度可以估计为碳纤维的一半，而其成本约为十分之一。据估计，玄武岩压力容器的重量比相同强度的类似E-玻璃容器低15%[138]，尽管这种配置仍然比碳容器重得多。许多公司，尤其是来自俄罗斯的公司，都有兴趣将玄武岩纤维引入储罐制造，从CNG储存开始。
引入由碳纤维组成的昂贵储罐的现实替代方案的一种新方法可能是引入超高强度钢丝作为加固。WireTough Cylinders LLC开发了II型MSW压力容器，用于在45至87.5MPa的压力范围内储存氢气[139]。虽然很重，但这种配置有望用于固定应用，例如加油站，同时仍比普通的II型油箱轻20%。
3.4.3. 衬垫
在复合压力容器中，内衬是其功能在流体和结构外包装之间充当机械屏障的组件，防止复合层基材中存在的几个微裂纹的渗透性[140]。氢气罐建造中使用的材料不仅应安全、可靠且具有成本效益，而且不应与气体相互作用或反应。
衬里可以使用金属或塑料制成。II型和III型压力容器采用金属衬里，通常由钢或铝合金组成，具体取决于重量要求。金属衬里的制造通常通过深冲板材、拉丝加热坯料或热纺管来实现，然后进行热处理以确保所需的最终机械性能[16]。金属材料，尤其是钢，在氢气存在下可能存在脆化和应力腐蚀开裂的风险，导致过早开裂的发生和随之而来的机械性能下降。
IV型压力容器的塑料衬里通常采用一层薄薄的高密度聚乙烯或脂肪族聚酰胺[141]。它们的制造是通过滚塑成型、吹塑成型或通过将注射的圆顶焊接到挤出的聚合物管上来获得的[16]。然而，聚合物衬里比金属衬里具有更高的渗透性，因此需要在高压环境下进行氢渗透测试[142]。聚合物衬里在储罐装卸过程中也可能容易塌陷和起泡[14]，聚合物吸水可能会影响燃料电池的性能[20]。
复合氢气罐的整体设计过程与衬里形状定义密切相关，尤其是圆顶区域。用于运输的储罐空间受到严重限制，因此，其尺寸必须具有有限的总长度和直径，同时仍能提供尽可能大的燃料容量[143]。此外，衬垫的形状受到纤维缠绕工艺施加的限制的极大影响，影响纤维滑移和提供完全覆盖所需的最小层数。优化衬板形状是最大化储罐容积和最小化其总质量的第一步。
3.5. 成本分析
复合压力容器的代表性成本估算需要对与制造过程相关的所有成本进行彻底检查。确定影响最终总成本的所有变量是一项耗时的任务。仅考虑直接劳动力和原材料费用是不够的。为了真实地了解最终产品成本，必须考虑制造吞吐量、废料、清理时间和环境合规费用等因素[106]。储罐成本降低策略可能侧重于提高生产率和/或降低材料成本。
生产/产出率对最终产品有重大影响。生产系统的产出率被定义为单位时间生产大量零件的能力，是氢气罐制造的一个重要特征。由于机器需要资本投入和操作员，因此产出率对最终零件成本有重大影响[144]。输出速率越高，储罐的最终成本就越低。
在灯丝绕组中，输出速率取决于绕组速度。传统湿式卷绕的最大卷绕速度约为 1600 mm/s，而热塑性胶带卷绕工艺的最大卷绕速度可达 2000 mm/s。Weiler [144]给出了纤维贴装速度与单位制造零件重量成本之间的比较，如图6所示。绘制图 6 中图表的假设是：250 个工作日/年，三班倒操作（24 小时覆盖），绕线操作员成本为 50,000 欧元/年，500,000 欧元的胶带贴放机械折旧 5 年。此外，还评估了25 mm宽的胶带和250 mm/s的处理速度以及0.19 EUR/kWh的总功率（2 kW光功率和4 kW冷却功率）的能源成本。由于轻微的热浸泡，能量需求实际上随着放置速度的增加而降低。鉴于这种成本结构，工艺速度的优化成为磁带贴装的关键问题，因为它会显著影响最终产品成本。
至于原材料成本问题，碳纤维是氢气罐中成本最高的单一组成部分[145]。例如，图 7 中显示的成本明细显示，碳纤维占每年 500K 系统总系统成本的 62%。考虑到这一点，人们可以很容易地得出结论，需要一种替代的更便宜的纤维来降低氢气罐的成本[146]。另一个主要因素是工厂平衡 （BOP），其中包括储罐运行所需的设备和组件。预计随着系统生产率的提高，它将减少。
4. 氢气罐的设计与分析
4.1. 总则
燃料箱是储氢系统中最昂贵和最关键的部件。氢气罐的工程设计实践必须考虑产品的整个运行生命周期，以实现长期安全性能。储罐的储存、运输、装卸、多次加注、检查和维护是需要考虑的重要场景。最终，该设计的目的是实现质量更小、成本更低、性能更高的储罐解决方案。储罐性能目标可以提出多种定义，例如空间限制下的最大容积、最大爆破压力、最大性能系数等。
燃料电池汽车行业氢气罐商业化的几个障碍包括最小化灯丝缠绕的循环时间、安全设计、轻量化、低成本等。认识到这些挑战后，美国能源部（DOE）燃料电池技术办公室[147]启动了氢气罐的设计和开发项目。该项目通过研究基体树脂、碳纤维和储罐形状的替代品来采取措施提高氢气罐的性能[148]。然而，在树脂替代品中，他们没有考虑热塑性树脂，这种树脂既环保又有助于缩短制造周期。
研究人员研究了III型储罐中衬垫的行为[149]。Park研究了半测地线路径上螺旋绕组的变化[150]。类似地，Roh等人通过在穹顶部分提供doilies来研究端盖的设计[151]。使用多瓦利似乎减少了碳纤维的使用，但由于一些制造技术问题，制造商拒绝使用碳纤维。后来，研究人员还尝试通过用低粘度乙烯基酯代替环氧树脂来减轻罐体重量，乙烯基酯也是一种热固性树脂[152]。
4.2. 设计和分析方法
复合氢气罐的完整设计周期如图 8 所示。氢气罐的设计周期从第1步开始，该步骤定义了项目的一般特性，如储罐容量、工作压力、材料属性和安全系数。设计人员可以使用此信息来计算储罐几何定义所需的其他参数，例如气缸半径、凸台半径和储罐长度。
第1步的一个重要阶段是找出氢气罐复合材料层层的初步尺寸，这可以使用复合层压理论（CLT）或网状分析[153]来完成。使用CLT评估层层序列定义和每层的厚度。一些研究人员采用了网状分析[151,152]，该分析应用了静态平衡原理，假设所有纤维都处于张力状态并且没有剪切和弯曲应力。它还忽略了树脂的贡献[154]。根据净额分析，螺旋（𝑡∝)和箍 （𝑡90）层厚由公式（1）和（2）给出：
其中 P 表示爆破压力，R 表示储罐半径，并且σ𝑓，α和σ𝑓，90分别是螺旋层和箍层中纤维的设计允许应力。
与网状分析相比，CLT可以更准确地预测复合材料结构的机械和结构性能，因为它还考虑了树脂系统的影响。基于CLT计算，可以进行有限元分析，得到复合氢罐的优化结构。
4.3. 穹顶轮廓设计
复合罐的圆顶形状对其机械性能有重大影响。基于测地线绕组轨迹的等张圆顶几何是一种常见的圆顶几何。在这种类型的剖面中，层级的剪切应力设置为零[154]。Vasiliev等人还表明，为了获得船舶的最大性能，剪切应力必须为零[155]。
步骤1中定义的参数，如储罐容量、工作压力和材料特性，是圆顶轮廓方程的输入参数，如图9a所示。这些参数可以转换为无量纲参数，如下所示：
等张圆顶子午线剖面（公式（3））可以通过数值积分技术求解，结果如图9b所示。参数 k 表示材料的正交各向异性度。对于各向同性材料 （k = 1），子午线轮廓几乎是半球形的。当k = 0时，树脂对力学性能的贡献被忽略，即材料的横向力学性能被忽略。
复合压力容器的圆顶几何形状也可以近似于传统的几何形状，最常见的是半球形或椭球形。尽管半球形圆顶在内部压力下具有很高的承载能力，并且由于曲率半径恒定而导致的最大应力较低，但在给定的容器长度下，半球形圆顶的体积较小[158]。因此，也可以使用椭圆形子午线绘制初始圆顶轮廓，以达到最佳形状。Liang等[159]证明，最佳圆顶形状可以近似为准椭圆曲线。最重要的设计参数是椭圆穹顶的深度。当穹顶深度在 0.6 到 0.775 之间时，设计的穹顶呈现出更坚固的结构和更大的内部容积。
4.4. 氢气罐的有限元分析
复合氢气罐的解析设计解决方案基于对载荷和边界条件的广泛假设，不考虑极凸台附近的刚度不连续性。必须使用有限元分析 （FEA） 来正确模拟这些效应和其他效应，以便准确预测纤维缠绕压力容器的行为。大多数纤维缠绕压力容器表现出一阶非线性几何效应，只能通过有限元分析捕获。
Wound Composite Modeler （WCM） [160] 和 WoundSIM [161] 是用于氢气罐有限元分析的软件平台。这些工具允许用户创建具有结构几何形状和绕组参数详细规格的模型，并有助于结果的后处理。WoundSIM提供了进一步的高级功能，例如优化，参数化设计和实验设计。
有限元分析中的平移效率定义为观察到的破坏应变与理论复合拉伸应变之间的比率。这是由于实际结构和模型之间的纤维质量、缠绕特性和制造可变性（例如，空隙、纤维错位、树脂袋等）的差异造成的。每个储罐制造商的翻译效率都是独一无二的，并且是根据经验确定的。必须校准有限元分析模型以获得转换效率，以便它隐含地包含上述所有可变性。
数值分析的精度主要取决于建模技术和分析条件。表6总结了文献中提出的一些方法。三维实体模型被认为在预测爆破压力方面更准确，但考虑到其仿真时间，可能对优化效率不高。壳模型最适合薄到中等厚度的结构。轴对称模型相当准确，并且计算机耗时较少。
华等[152]使用了WCM（Wound Composite Modeler）[160]构建的轴对称模型。使用交替的箍和螺旋绕组。每层的标称厚度为0.34 mm或0.68 mm，并利用四节点轴对称单元。衬垫和凸台之间应用了拉杆约束。衬里和复合材料之间的接触摩擦系数为0.3。Leh等[162,163]提出了两种不同的有限元模型来表示储罐的渐进式失效。模型 A 是用壳和实体单元开发的，而模型 B 是完全使用实体单元构建的。由于计算效率高，模型A更适合设计优化。
4.4.1. 绕组层的建模
复合材料罐使用交替箍和螺旋绕组的组合缠绕，其主要特点总结在表7中。使用交替的螺旋/箍绕组方案来去除多余的树脂，并在卷绕过程中获得目标纤维体积分数。由于强度方面的原因，一些研究人员在内层采用了集中的箍缠绕[166]。然而，这种缠绕可能容易在环/螺旋界面处分层，华[152]也得出了这一结论。
4.4.2. 测地线路径上的螺旋绕组
测地线路径是曲面上任意两个点之间的最短路径。测地线轨迹上的纤维是稳定的，不需要外力来避免滑倒。测地线路径可以用Clairaut关系式[167]表示，如公式（5）所示
𝑅是容器的圆柱半径和α是绕组角度。
4.4.3. 非测地线路径上的螺旋绕组
非测地线缠绕是一种技术，其中光纤沿着表面上两个位置之间的任意路径（不包括最短的位置）进行。与独特的测地线路径不同，可以有多个非测地线路径可以覆盖给定表面。Zu等[168]提出了一种基于非测地线缠绕模式的纤维缠绕容器设计新方法。在非测地线缠绕中，为避免滑移趋势，始终建议确定衬里表面和纤维纱线之间的所需摩擦力。Koussios和Bergsma提供了一种确定这种摩擦的经验方法[169]。
可以使用公式 （6） 放置非测地线路径上的螺旋层。详细的推导可以在 [3] 中找到。方程（6）是一个非线性微分方程，可以使用数值积分技术（如Runge-Kutta方法）在绕组过程的初始条件的帮助下求解。
其中 α 是光纤丝束与穹顶子午线方向之间的角度，r 是穹顶中的半径，z 是沿容器轴的位置，r′ 和 r“ 分别是 r 相对于 z 和 λ（支撑面上纤维丝束的滑移系数）的一阶和二阶导数。
通过改变λ的值，可以得到圆顶面上不同的周转半径值，如图10所示。从该图中可以明显看出，只需改变滑移系数λ的值，就可以获得同一穹顶表面和相同初始绕角的不同非测地线轨迹。
但是，对于非测地线螺旋绕组，ABAQUS使用公式（7）。它是两个不同测地线轨迹的线性插值;通过将 δ = 0，它可以与测地线方程相同：
在公式（7）中，R是从压力容器轴到层中当前点的径向距离，r0是从轴到转弯点的径向距离，δ是控制绕组测地线的参数。为了在ABAQUS中模拟非测地线螺旋绕组，虚构系数的值不是输入参数之一，这是控制穹顶表面纤维粗纱的可操作性所必需的。相反，只需要初始绕组角和周转半径。以这种方式，由用户的知识来定义这两个参数的正确对，以确保纤维纱线的缠绕性而不会打滑。®
4.5. 工作压力和气缸尺寸
在高压氢气瓶加注过程中，气体温度可能迅速升高，导致储氢罐失效[170]。此外，高温会影响储罐中的氢密度，导致最终质量输送下降，从而降低氢能汽车的工作范围。加氢过程中的温度升高是氢安全的一个重要问题[171]。为了有效地控制罐端气体和壁温保持在85°C以下，初始压力、初始气体温度、环境温度、填充速率和气瓶尺寸都至关重要。然而，这篇评论只涉及加油压力和气缸尺寸，因为这两个参数都与氢气罐的设计有关。
4.5.1. 工作压力的影响
鉴于其技术简单性、可靠性、成本效益和能源效率，高压储罐似乎是最适合的氢气输送方式。然而，初始压力对最终的氢气温度有很大影响。根据Zheng等[172]的实验研究，当初始压力增加5 MPa时，气体的最终温度降低约4.5 K。同样，Kim等[173]也证实，当初始气体压力升高时，最高温度几乎呈线性下降。较高的压力意味着在加油过程开始时，储罐中储存了更多的氢气，以及最终压力和初始压力之间的压力比较低，这两者都有助于减少加油过程中的温度升高[174]。
4.5.2. 气缸尺寸的影响
Zheng等[172]研究了长径比（长径比）对氢气罐内氢气温度场的影响。他们比较了两个不同纵横比气瓶内氢气的温度曲线，如图11所示。与坦克B相比，坦克A的长宽比更高。从温度曲线可以看出，气缸A中的气体温度分布不均匀，沿轴向逐渐升高。尾部区域的温度最高，而入口区域的温度最低。相比之下，圆柱体B的温度均匀性明显，也与实验结果相吻合。根据这些结果，较高的纵横比可能会导致局部温度过高，因此，降低长径比可以提高储罐的安全性。
5. 测试和认证
在过去的十年中，国际氢能界不仅包括推动氢经济的国家，如欧盟、美国、加拿大、日本和中国，还包括国际标准化组织（ISO）和联合国（UN），一直在努力制定车载气态储氢复合罐的规范和标准[175].这些法规和标准通过确保氢复合储罐的安全性和可靠性，有助于克服商业化的技术限制。它们还提供有关其设计、制造、检验、测试和认证的指南和规范。目前，有多种适用于复合氢气罐的法规和规范：EN 12245：2002 （E） [176]、EC 法规 406 [177]、UN GTR 13 [178]、ANSI HGV 2 [179]、GB/T 35544 [180]、SAE J2579 [181]、ISO 19881 [182] 和 ASME 规范 [183]。
由于本审查文件的范围无法对所有条例和守则进行全面审查。但是，简要介绍了EN 12245：2002（E）[176]的一些显着特征。这是一项欧洲标准，于2001年获得CEN成员的批准。该标准的目标是为可再填充和可运输的全包装复合气瓶的设计、制造、检查和测试建立规范。以下是氢气罐鉴定所需的测试列表，其中最重要的安全测试以粗体突出显示：
（1）复合材料测试;（2）衬板材料测试;（3）衬板在环境温度下的爆破试验;（4）成品气缸在环境温度下的水力（验证）试验;（5）气缸爆破试验;（6）试验压力和环境温度下对压力循环的抵抗力;（7）浸泡在盐水中;（8）在试验压力下暴露于高温;（9）跌落试验;（10）有缺陷的气缸试验;（11）极端温度循环试验;（12）耐火试验;（13）高速冲击（子弹）试验;（14）带非金属或无衬套的气缸的渗透性试验;（15）热塑性内衬与氧化性气体相容性试验;（16）扭矩测试;（17）颈部强度;（18）气缸稳定性;（19）颈环。
5.1. 静水压爆破试验
进行静水压爆破试验以确定储罐的爆破压力。爆破压力 （BP） 的测定对于复合储罐的安全性和可靠性至关重要。这是氢气罐最主要和最重要的资格测试。表8列出了不同类型纤维的爆破压力比的最小值。
根据UN GTR 13 [178]进行静压爆破试验的试验程序如图12a所示。对于爆破测试，使用20（5）°C的非腐蚀性流体。当压力高于额定工作压力的150%时，加压速率小于等于1.4MPa/s。当压力速率等于或大于 0.35 MPa/s 时，则在 157.5 MPa 处必须有 5 s 的停顿，如图 12a 所示。然后应记录容器的爆破压力。被测容器的爆破压力应大于或等于最小爆破压力（BPmin为225% NWP）。
5.2. 火焰暴露测试
进行火焰暴露测试以评估氢气罐承受火灾的能力。根据UN GTR 13 [178]进行火灾暴露测试的温度曲线如图12b所示，测试程序如下：
• 储罐加压至工作压力（70 MPa）;
• 容器组件位于离地面 100 毫米处;
• 根据火灾暴露循环，储罐暴露在火中;
• 总的来说，在局部区域（温度≤900°C）施加1至10分钟的火;
• 总共，暴露在火中的10至12分钟吞没区域（温度≤1100°C）;
• 储罐不应爆裂，并应通过泄压装置排气。
5.3. 性能耐久性（液压/气体顺序测试）
储氢容器的循环试验或性能耐久性试验按图12c，d进行。三个容器必须液压加压 22,000 次循环，或直到在 （20 ± 5） °C 至 125% NWP （+2/−0 MPa） 下发生泄漏而不会破裂。考虑到 15 年的使用寿命，必须在 11,000 次循环内防止泄漏。如果压力循环寿命测量值大于 11,000 次循环，或者它们之间的距离都在 25% 以内，则仅评估一个容器。如果没有，则应检查三个容器。更多细节可以在R134CE [178]中找到。
6. 结论
作为全球环境议程的一部分，采用燃料电池系统的创新应用不断涌现于整个运输部门。此后，学术界和工业界一直关注克服与高压氢储存相关的多重技术挑战，这是燃料电池汽车发展的关键问题。此后，复合材料被用于轻量化储罐设计。氢气罐解决方案已证明技术成熟，并在各种原型发布后进行了测试。
安全评估研究对于证明燃料电池汽车可以与传统燃料汽车一样安全至关重要。事实证明，实际评估对于确保氢气罐的可靠性至关重要，并适当关注安装、操作、维护和事故管理。如今，汽车行业的研究围绕着实现更长的耐火时间间隔，即使在温度激活的泄压装置发生故障的情况下也是如此，并围绕着进一步证明耐撞性，确保燃料电池系统在不同冲击后的完整性。
轻质结构仍然是氢气罐开发的目标。尽管如此，重量效率取决于所讨论的应用。重型车辆的质量灵敏度可能会降低，但不容忽视。同时，它对于航空等行业至关重要，它将极大地影响航程性能。
然而，一旦氢气罐的建造依赖于昂贵的碳纤维的高利用率，成本效益仍然是一个主要挑战。此后，研究工作集中在不同材料系统的潜在用途上，例如纤维和热塑性塑料的不同选择，以及设计参数的变化。与目前采用热固性树脂和湿式绕线的解决方案相比，对制造创新（例如使用卷带）的进一步研究具有技术潜力和经济优势。最后，重量和成本之间的权衡是将氢气罐部署为竞争技术的唯一途径。来源：
