关于氢气气瓶的综合文献综述：储存、安全和结构完整性
本文来源：A Comprehensive Literature Review on Hydrogen Tanks: Storage, Safety, and Structural Integrity
摘要：
近年来，由于迫切需要摆脱碳密集型能源，氢的研究显着增加。这种转变凸显了储氢技术的关键作用，其中储氢罐对于实现更清洁的能源解决方案至关重要。本文旨在从机械角度提供氢气处理的一般概述，并创建一个综合评论，整合氢气安全和储存的概念。本研究探讨了氢应用作为清洁能源替代品的潜力及其在各个领域的作用，包括工业、汽车、航空航天和海洋领域。该综述还讨论了设计技术、安全措施、材料改进、社会影响以及储氢罐和安全技术的监管环境。这项工作提供了截至 2014 年的历史文献综述和 2014 年至今的系统文献综述，以填补储氢与安全之间的空白。特别是，这项工作的一个基本特点是利用系统的程序技术进行公正的审查研究，以提供对当代进步的详细分析。这种创新方法与传统的综述方法有很大不同，因为它涉及一个可复 制、科学和透明的过程，最终最大限度地减少了偏见，并允许突出有关感兴趣主题的基本问题和参考领域专家的主要结论。本文采用的系统方法分析了 55 篇科学文章，从而确定了六个主要类别。这项审查工作的主要发现强调了改进材料、增强安全协议和强大基础设施以支持氢能采用的必要性。更重要的是，本综述分析的基本结果之一是确定了复合材料在向基于薄壁工业容器的氢应用过渡期间将发挥的核心作用。论文还提出了未来的研究方向，从而强调了跨学科合作对于克服现有挑战并促进氢安全高效利用的重要性。
关键词：氢;氢气罐;储氢;氢安全;高压;低压;复合材料;结构完整性;文献计量分析
1. 引言
1.1. 一般背景
氢气目前被认为是一种非常有前途的化石燃料替代品，用于减少排放，包括导致气候变化的污染物和试剂，特别是在涉及道路车辆和许多其他领域的应用中。它可以被认为是一种灵活的能源载体，可以解决几个基本的能源供应和使用问题。它主要由煤炭和天然气等化石燃料生产，每年产生大量的 CO2排放量逐年增加 [1]（图 1）。为了促进能源转型，必须提供清洁氢气。利用碳捕获技术从可再生或核能或化石燃料中生产清洁氢气，有可能为减少一系列行业的碳排放做出重大贡献。这包括具有挑战性的行业，如长途运输、化工生产和钢铁制造，在这些领域中，减排一直具有挑战性。氢动力汽车的引入可以提高空气质量并有助于能源安全。此外，氢气有可能促进波动的可再生能源并入电网，是数天、数周或数月长期储能的少数选择之一 [2,3]。
由于其独特的特性，氢气是一种有前途但具有挑战性的能源载体。从积极的一面来看，氢气拥有令人印象深刻的更高热值 （HHV），约为 140 MJ/kg，是常见材料中最高的，这使其成为高效能源储存和运输应用的诱人候选者。这种高能量含量意味着相对较小的氢质量可以提供大量的能量输出（表 1）。此外，该值大约是汽油和柴油等传统燃料的3倍[4,5]。然而，这个等式的另一面是氢的低体积密度，这构成了物流障碍。在标准条件下，它的密度约为 0.08988 kg/m3（所有元素中密度最低的），因此需要大量储存大量气体：这使得储存大量氢气具有挑战性，因为与汽油或柴油等密度较大的燃料相比，它需要更多的空间。尽管氢气的体积有限，但其令人印象深刻的比能量强调了它在推进可持续能源解决方案中的关键作用 [6]。
1.2. 问题陈述和研究问题的制定
纵观历史，许多研究都集中在氢安全和储存上。Wurster等[8]概述了在储存系统中使用氢气的潜在危害，用于不同的应用：车辆、火车、飞机、轮船和固定应用。使用氢气最相关的危险是爆炸的可能性、看不见的火焰、瞬时点火、脆化和高渗透率。这与氢气与碳氢化合物的行为不同有关：它可以在很宽的范围内燃烧和爆炸，只需要很少的能量来点燃和爆炸，产生不发光的火焰，并且具有高度扩散性和浮力，这会导致易燃云迅速传播。Buttner等[9]更详细地研究了使用传感器确保安全使用氢气和防止泄漏的重要性。Kotchourko等[10]和Skjold等[11]分析了通风不良区域可能发生的爆炸问题。Chen等[12]和Wu等[13]专注于氢-铝合金衬垫接触引起的脆化。其他重要问题，如点火（Mueschke等[14]、Myilsamy等[15]、Mironov等[16]）、氢气泄漏和扩散（Ishimoto等[17]、Kobayashi等[18]、周等[19]、Sobhaniaragh等[20]）等，已经深入理解氢如何成为未来的能源。在这种情况下，很容易认识到氢储存可以成为成功商业化氢基能源应用的关键技术。氢气的储存方式多种多样，具体取决于应用领域和其他几个因素[5,21]。
对于汽车领域，氢气可用于在车辆中产生机械能的主要方式：氢气内燃机汽车 （HICEV） 在传统内燃机中使用氢气作为燃料，而燃料电池电动汽车 （FCEV） 通过燃料电池发电，氢气与氧气反应，产生水蒸气作为唯一的排放物 [22].由于氢气的密度低，FCEV 面临的一个重大挑战是储氢。一种方法涉及液态氢 （LH2） 储存，其中氢气在低于 20 K 的温度下液化，从而显着增加其密度。这种方法体积容量大，系统成本低，但需要高能量进行液化，并且会因蒸发而遭受燃料损失[23,24]。另一种方法是气态氢 （GH2） 储存，在高压（通常为 350 bar 或 700 bar）下压缩氢气。这种成熟的技术能耗低，但体积容量较低，单位成本较高，由于高压存在严重的安全问题[25]。第三种方法是冷冻压缩储氢，它结合了高压和低温来提高密度并减少蒸发[26,27]。虽然这种方法提供了高存储容量和燃料补充灵活性，但它涉及高成本和高能耗[24,25,28]。使用复合材料是减轻重量和提高效率的基础[29,30]，特别是在航空航天应用中[31,32,33]。
近年来，储氢技术，特别是在汽车行业，取得了重大进展，但在实现广泛商业采用之前，仍然存在一些关键挑战 [34]。目前的高压氢气罐在设计上相对成熟，并已成功集成到丰田 Mirai 和现代 Nexo 等燃料电池汽车中 [35]。然而，需要克服几个障碍。首先，储氢罐的高成本（通常由昂贵的复合材料构成）仍然是一个重大挑战[24,30]。在保持安全性和耐久性标准的同时降低这些储罐的成本对于广泛采用至关重要[34]。此外，高压氢气罐的重量和体积能量密度仍低于汽油和柴油，与传统燃料系统相比，导致行驶里程更短，油箱更大、更重[34,36]。这直接影响车辆设计，需要空间优化和轻量化工作，以确保氢能汽车在续航里程和性能方面保持竞争力。除了成本和能量密度外，在如此高压下储存氢气的安全问题也至关重要[37,38]。传感器技术、泄漏检测系统和储罐材料的进步对于提高安全性至关重要，但严格的测试和认证协议仍需要在整个市场中实现标准化 [39]。最后，氢气的加氢基础设施仍然不发达，限制了燃料电池汽车 （FCV） 在许多地区的实际应用 [34\u201240]。
在航空航天领域，复合材料，尤其是玻璃纤维增强塑料（GFRP），对其轻质和耐高温至关重要[41,42]。GFRP 于 1960 年代出现，用于军事和航空航天用途，后来扩展到民用市场。到 1990 年，250 bar 的甲烷复合罐问世，并发展为 700 bar 的储氢系统。主要挑战包括管理、重量、体积和热行为。氢气的单位重量能量含量高，有利于小型军用飞机和长时间飞行。然而，氢燃料（一种强效温室气体）排放的水蒸气仍然是一个问题[36]。航空航天中的氢气储存使用液态或气态形式。LH 系列2因其高能量密度而受到青睐，尽管它需要管理热损失和安全问题，改进的 B-57 轰炸机和波音公司的幻影之眼无人机就说明了这一点。生长激素2储存涉及高压气瓶，但面临材料限制、加注时间长和放电动力学改善等挑战[36,43]。飞艇的历史用途和持续的进步突出了航空航天中储氢的演变和复杂性[38,42,44]。
复合材料（主要是玻璃纤维）的加入显著提高了许多海上船舶的性能，包括摩托艇、帆船、双体船、游艇和渡轮。这些材料提高了速度和阻力，同时减轻了重量和油耗。此外，氢气正在成为海事领域一种有前途的可再生能源。氢燃料电池将氢气转化为电能，为船舶和船载系统的推进和供电提供了一种清洁能源替代品，唯一的副产品是水。尽管氢燃料电池具有高效、低排放等巨大优势，但由于缺乏氢气生产、运输和储存的基础设施，这项技术在海运业的广泛采用受到了阻碍。在船上储存大量氢气需要实施强大的基础设施和安全措施。采用一系列储氢技术，包括高压、LH2、金属合金和化学品储存对于确保海上船舶的安全和稳定至关重要。储氢罐的性能和安全性受多种因素影响，包括氢气的气态特性、释放过程中产生的热量以及船舶上的应力负荷和环境条件等外部因素。这些因素有可能影响船上储氢系统的耐用性和安全性，因此需要进一步研究以优化其设计并延长其使用寿命 [45]。
1.3. 本作品的范围和贡献
自 21 世纪初以来，氢气一直受到关注。图 2 显示了发表的与安全和储存相关的氢气罐科学论文的数量越来越多。
由于文献中可用的文章相对较少且相当一般，因此有必要进行综述，通过文献计量分析评估现有研究，以提供氢安全和储存的全面综合概述。为了实现这一目标，突出趋势和模式使读者能够获得有关该主题最相关和最有价值的信息，这是本研究的主要目标[46]。本文旨在提供氢的一般概述，并创建整合氢安全和储存概念的全面综述。随着氢能的使用越来越成为全球可持续发展工作的核心，确保这种能源的安全高效储存仍然是一项重大挑战。本着这种精神，这项综述工作整合了当前的研究，确定了差距，并突出了未来的方向，为研究人员、工程师和政策制定者提供了宝贵的资源。它与从事能源基础设施、运输和材料科学的各方以及参与监管和安全框架的利益相关者尤其相关，这需要全面概述氢储存技术及其对大规模实施的影响。因此，这篇综述为学术界、工业界和治理部门的广泛受众提供了重要的见解。目前，据作者所知，这种方法以前从未使用过;事实上，文献倾向于将这两个主题分开处理，要么关注氢安全 [47] 要么关注储存解决方案 [48]，但不是两者放在一起。通过解决这一差距，本文将探讨氢作为清洁能源替代品的潜力及其在各个领域（包括运输和工业应用）中的作用。此外，它将强调氢储存技术的挑战和进步，强调它们对氢基能源系统的成功商业化和安全实施的重要性。通过这种方法，本文试图为安全和储存的双重方面提供有价值的见解，这对于推动氢能成为可持续和安全的能源载体至关重要。因此，基于 Scopus，进行了文献计量分析，以收集文献综述和论文，并提供 2014 年至 2024 年期间氢安全和储存的全面评估。
1.4. 分类
本文的组织结构如下。第 1 节介绍了本研究主要感兴趣的主题。第 2 节描述了储罐的类型，以大致了解氢气的储存方式和位置。此分类在文献综述之前提供，以提供上下文并阐明该调查领域中使用的术语。第 3 节概述了氢气储存和安全发展的历史。采用叙述性方法来强调氢气罐随着时间的推移而演变和实施。第 4 节描述了用于系统文献综述、后续文献计量分析的方法以及从所选论文中获得的结果。该审查过程涵盖从 2014 年至今的时间段。第 5 节对分析的论文进行了分类系统化。第 6 节总结了整个研究，以及未来氢安全和储存发展研究的主要方向。最后，第 7 节介绍了关于氢气安全和储罐的结论。
2. 氢气罐分类
2.1. 高压氢气罐
用于储氢的初始技术基于气体压缩。大约 140 年前，最初的氢气罐是为军事应用而开发的。这些储罐完全由金属材料（特别是钢）制成，可以承受 120 bar 的工作压力。在60年代初，最初的玻璃纤维复合材料系统被开发用于军事和航空航天应用，并扩展到民用市场[36]。大约在九十年代，引入了用于 250 bar 甲烷储存的初始复合罐。随后，对材料优化和生产工艺的持续研究促进了复合罐技术向储氢的扩展，最终出现了 700 bar 的现代系统 [23]。如图 3 所示，表 2 中详细说明，当前高压储气罐的分类基于工程应用中使用的材料和采用的不同结构解决方案。这些类型包括以下5种[49,50,51]：
I型：完全由金属材料（钢或铝）制成的水箱[51,52]。
II 型：具有主要金属结构的水箱，增加了复合材料的圆周包裹。它们是 I 型坦克的进化版。复合增强材料提供了更大的强度，可以减少金属壁的厚度，从而减少重量[51\u201252]。
III 型：以复合结构为主覆盖整个表面的储罐。它们具有较薄的内部金属层（钢或铝），可提供结构支撑和气体密封性[24,38]。
IV 型：由全复合材料结构制成的水箱。它们包括一层薄的聚合物材料内层，具有防止系统气体泄漏的功能[24,25,38,53]。
V 型：完全由复合材料制成的储罐，没有任何内部涂层，其特点是特定的树脂和纤维取向选择。这是目前为航空航天应用保留的最现代存储系统[36,43,50,52]。
型和 II 型储罐成本低。尽管生产成本较高，但 III 型和 IV 型储罐由于其卓越的性能，目前被商用 FCEV 采用 [24,25,38,50]。V型储罐专为航空航天应用而设计，在重量和成本方面具有卓越的性能[50,52\u201255]。
2.2. I 型复合罐
I 型储罐广泛用于工业 [49] 和潜艇应用 [54] 中的储氢，但它们在燃料电池汽车中的应用非常不利。首先，它们表现出小于 0.010 kgH 的系统重量能力2/公斤系统，这意味着要储存 5.6 公斤的压缩气态氢（足够车辆行驶约 500 公里），需要一个重达 560 公斤的存储系统。其次，由于氢扩散到金属中，它们存在抗疲劳问题，称为氢脆[23]。I 型气瓶的唯一优点是成本较低 [56]。
2.3. II 型复合罐
II 型储罐使用单向复合纤维的圆周包裹来减少所需的金属质量。根据圆柱形压力容器的理论，已知圆周应力大约是轴向应力的两倍。在这些系统的设计阶段，确定适当的壁厚以支持轴向压力载荷。然后，计算要添加的复合材料的量，以使结构能够承受圆周应力。就其重量能力而言，II 型储罐代表了 I 型和 III 型系统之间的中间解决方案。虽然比I型气瓶更昂贵，但由于使用的复合材料量较少，它们比III型或IV型系统便宜[50\u201252]。II 型气瓶仍作为具有不同泄压装置 （PRD） 的 3 个大容量环状包裹复合气瓶进行测试，重点关注火灾条件下的性能以及爆破片和爆破片易熔合金组件装置，以优化其结构并提高安全装置 [57]。
2.4. III 型复合罐
III 型储罐具有内部金属外壳，上面覆盖着一层厚厚的复合材料。内部零件（衬垫）可以是铝或钢。它的主要功能是使系统不受氢气泄漏的影响，并提供结构支撑，维持至少 5% 的内部压力负荷。衬套厚度根据材料类型、工作压力和所需的复合材料量而变化。更高的内部压力和合金强度导致所需的衬板更厚。另一方面，较厚的复合涂层降低了衬垫上的负载百分比，从而减少了必要的厚度[58\u201259]。螺纹阀体连接将存储系统与设备的其余部分连接起来，直接集成到衬板的顶部。
在现代燃料电池汽车装置中，外部结构涂层主要由碳纤维增强聚合物 （CFRP） 复合材料制成，该复合材料以其高刚度和非凡的机械强度而闻名 [22]。或者，可以使用玻璃纤维或芳纶纤维 （Kevlar），但它们会导致结构过厚;因此，需要超重的水箱 [60]。这是由于材料的性质，通常具有较低的弹性模量，特别是较低的抗断裂性。碳纤维强度高，其中 T700 是最常见的，在机械强度性能和成本之间提供了很好的折衷方案。使用的典型树脂是环氧树脂，它非常适合所采用的生产过程，并具有良好的机械性能。纤维应用（粗纱）通常通过自动长丝缠绕工艺进行。树脂浸渍后，将纤维以精确的方向涂覆到衬垫表面，直到达到所需的厚度。圆形包装的适当组合，能够承受圆周应力，低螺旋角包装 （约 10°）用于轴向应力支撑，以及大螺旋角包覆 （约 50°），在两个方向上提供贡献 [61]。
采用纤维缠绕薄壁工艺是复合压力容器储存氢气最成熟的技术。尽管如此，关键的挑战是准确检查高压下的机械行为并创建先进的模型来预测复合材料损伤 [37]。关于复合材料-氢的相互作用和行为，已经进行了多项研究，特别是采用了氢增强剥离模型 （HEDE） [62] 和氢增强局部塑性模型 （HELP）。这两种组合模型可以促进更好、更安全的复合氢气罐的开发 [20]。
2.5. IV 型复合罐
IV.型储罐与III.型储罐相似，但内衬为聚合物基[63]。通常，使用厚度约为 5 毫米的高密度聚乙烯 （HDPE）。目前正在研究HDPE的替代材料，以提高氢的抗渗性，以减少衬垫厚度[42]。实验测试表明，与标准 HDPE 相比，PA66（一种尼龙）可以将通过衬里的气体泄漏减少 92-95%。主要问题是它的成本。事实上，使用 PA66 可能会使整个储罐的制造成本增加一倍 [56]。衬垫包括一个金属附件（凸台），需要作为储罐和系统其余部分（阀门、导管）之间的连接元件[50]。金属凸台通常由铝合金 6061-T6 制成，但正在评估具有更好机械性能的替代合金 [22]。与 III 型储罐类似，IV 型储罐的外部涂层是 CFRP，利用前面提到的纤维类型 （T700）。一些研究正在调查应用其他更高性能、更昂贵的纤维类型作为替代方案的可能性。例如，最近对高压氢气 IV 型系统的优化研究表明，与标准 T700 配置相比，采用 T720 和 T800 光纤可分别减轻 6.7% 和 10.1% 的油箱重量。由于聚合物基衬垫没有结构贡献，因此IV.型储罐的复合涂层通常比III.型储罐的复合涂层更厚（在相同的内部压力和尺寸下）[59\u201264]。
另一项工作介绍了一个将机器学习 （ML） 与有限元 （FE） 分析相结合的框架，以优化额定值为 70 MPa 的 IV 型储氢容器的设计。由于它们有许多薄层复合材料和复杂的圆顶形状，这些容器的复杂性使传统的数值分析非常耗时。这就是为什么这种方法将详细的有限元模型与人工神经网络（ANN）相结合，解决了圆柱形和圆顶区域的不规则材料分布问题，优化了容器设计，并将爆破压力从145 MPa提高到157.74 MPa [53]。
2.6. III 型和 IV 型气瓶的比较
要了解 III 型和 IV 型水箱的区别和各自的优势，直接比较它们的关键特性是有帮助的。表 3 提供了详细的比较，突出了 III 型和 IV 型储罐在重量、系统重量容量、成本、压力循环阻力、容积容量和耐温性方面的优缺点。
III 型储氢罐的低储氢密度和自重金属衬里使得实现高效和经济的目标具有挑战性。相比之下，IV型氢气罐的内衬由塑料制成，具有重量轻、成本低、使用寿命长、耐腐蚀和抗疲劳等优点[50,65]。
这种比较突出了两种水箱类型之间的权衡，从而更容易根据它们的不同特性确定最适合特定应用的选择。
2.7. V 型复合罐
V 型储氢罐是最先进的储氢技术。这些储罐由复合材料制成，可承受所需的极端压力。与前几代产品不同，它们采用无内衬设计，这意味着它们不需要内部金属内衬，这使得它们能够更高效地长期储存和运输氢气（图 3）。它们重量轻、耐用，并针对高能量密度进行了优化[43\u201255]。V型充氢罐是目前正在开发和研究的尖端储存解决方案，它们仍处于研究和测试阶段，特别是在航空航天领域[36,43\u201267]。
3. 历史视角
3.1. 小节概述
储存氢气的概念由来已久，约翰·道尔顿 （John Dalton） 等有远见的人都是先驱者。道尔顿在 19 世纪研究了氢的特性，为未来研究氢的储存和用作能源奠定了基础。尽管这些概念在他的时代没有完全实现，但它们为探索安全高效的储氢可能性奠定了基础。本节采用叙述性文献综述方法来阐明截至 2014 年氢气罐概念的演变。据推测，通过观察氢罐概念的时间演变，读者可以更好地理解使氢储存成为有形现实的事实基础。
3.2. 20 世纪初
19 世纪是理解和应用储氢原理的关键时代，主要受到 William Grove 爵士和 Christian Friedrich Schönbein 等科学家的开创性工作的影响 [6,68]。Grove 通常被认为是燃料电池的先驱，他通过证明氢通过化学反应发电的能力为氢的利用奠定了基础 [69]。Schönbein 在 1830 年代发现的过氧化氢催化分解对推进氢气的产生和储存方法至关重要 [70\u201271]。这些早期研究为氢储存技术的后续发展奠定了基础，文献中引用的后续研究证明了这一点 [72]。
在 20 世纪初，人们对氢作为潜在能量载体的兴趣日益浓厚，这促使人们研究有效的储存方法 [73]。Walther Nernst 和 Max Bodenstein 等化学家的工作在阐明控制储氢的热力学原理方面发挥了重要作用 [74\u201275]。能斯特提出的热力学第三定律为气体在低温下的行为提供了宝贵的见解[76]，为低温储氢技术奠定了基础[77]。Bodenstein 对气体反应和动力学的研究进一步加深了我们对储氢过程的理解，为大容量储氢材料的开发做出了贡献 [78]。
在接下来的几十年里，从 1920 年代到 1930 年代，研究工作加强了，重点是提高储氢系统的效率和安全性 [79]。这一时期的显著进步包括詹姆斯·杜瓦（James Dewar）的开创性工作，他在1892年发明了真空瓶，彻底改变了低温储存方法[80]。Dewar 的创新方法使 LH 得以长期保存2在极低温度下，为其在科学研究和工业应用中的广泛应用铺平了道路[23]。同时，研究人员探索了替代存储技术，包括金属氢化物和化学存储化合物，旨在克服低温存储的局限性并促进氢的实际利用[81,82\u201283]。
在1940年代和1950年代，由于对氢作为各种工业过程原料的需求不断增长，以及在航空航天和能源领域的应用出现，氢储存技术取得了相当大的进展[84]。研究人员专注于优化存储材料和系统，以满足不同最终用户不断变化的需求[85]。
这一时期一个值得注意的进展是金属氢化物基存储系统的改进[86]。在20世纪中叶Boris Mamyrin和George Olah等研究人员进行的早期实验[87\u201288]的基础上，科学家和工程师探索了具有改进储氢能力和动力学的新型金属氢化物成分[89]。某些金属（如钛和镁）形成具有高氢吸收能力的氢化物的能力引起了相当大的兴趣，从而为便携式和固定应用开发了紧凑高效的储氢解决方案[90,91]。
3.3. 20 世纪末
20世纪末，人们齐心协力解决阻碍氢作为能源载体广泛采用的技术挑战[49]。在此期间，研究人员和工程师探索了多种存储技术，旨在提高存储容量、安全性和成本效益 [22,84]。
20世纪末的主要关注领域之一是先进的金属氢化物存储系统的发展[92]。金属氢化物具有较高的储氢密度和可逆的氢吸收和解吸特性[93]。研究人员研究了各种金属氢化物成分，包括复杂的氢化物和金属间化合物，目的是优化储氢性能[94,95\u201296]。在增强金属氢化物材料的氢吸收动力学和稳定性方面取得了重大进展，为将其集成到实际存储系统中铺平了道路。这是通过开发新材料和改进合成技术来实现的，B. Sakintuna 等人 [82] 和 Q. Li 等人 [97] 的工作证明了这一点。
与此同时，氢压缩技术的进步在扩大可行的储存选择范围方面发挥了关键作用[92]。高压储氢罐越来越普遍，为压缩氢气的储存提供了一种紧凑而高效的方法[98]。压缩机设计、材料和控制系统的创新使轻质耐用的压缩装置得以开发，能够在超过 700 bar 的压力下安全储存氢气 [98,99,100]。这些进步有助于支持燃料电池汽车和固定动力应用的加氢基础设施的部署[101,102,103]。此外，政府机构、研究机构和行业利益相关者之间的合作倡议，如美国能源部（DOE）在1970年代后期发起的氢能计划[63]，刺 激了压缩氢储存技术的进步，促进了氢动力汽车和固定储能系统的商业化[104,105]。
此外，20 世纪末纳米技术的出现彻底改变了氢储存研究，为增强储存能力和动力学提供了新的途径。科学家们探索了纳米材料，如碳纳米管、金属有机框架（MOF）和纳米多孔材料在氢吸附和储存中的应用[106,107]。纳米材料的高表面积和可调特性为设计轻量级和高容量储氢系统提供了前所未有的机会，推动了学术界和工业界的创新[108]。
此外，20 世纪后期为提高储氢系统的安全性和可靠性做出了重大努力。研究计划侧重于降低与氢气处理、储存和运输相关的风险，包括为氢气储存设施和基础设施制定安全标准和指南[109]。政府机构、研究机构和行业利益相关者之间的合作促进了知识共享和技术转让，加速了氢储存技术的成熟 [110]。
总体而言，20 世纪后期是氢罐储存密集研发的时期，人们越来越认识到氢是一种清洁和多功能的能源载体。这一时期的进步为 21 世纪氢储存技术的持续发展奠定了基础，为向氢经济过渡铺平了道路。
3.4. 从 2000 年到 2014 年
2000 年至 2014 年期间，随着全球对清洁和可持续能源解决方案需求的认识不断提高，氢储存技术的开发和商业化显著加速 [111]。这个时代在提高储氢系统的效率、安全性和可负担性方面取得了重大进展，为它们在各个领域的广泛部署铺平了道路。
这一时期最重要的创新领域之一是金属氢化物储存材料和系统的优化[112]。在20世纪末取得的进展基础上，研究人员专注于提高金属氢化物合金的储氢能力和动力学，旨在满足汽车和固定应用的严格要求[113,114]。探索了新型合金成分和纳米结构技术来提高氢的吸收和解吸速率，使氢燃料电池汽车能够快速加注燃料并延长行驶里程。这是通过结合新型合金成分和纳米结构技术实现的，该技术被探索用于提高氢的吸收和解吸速率，从而实现氢燃料电池汽车的快速加注燃料和延长行驶里程[95,115]。
与此同时，氢气压缩技术的进步在实现实用的储氢解决方案方面继续发挥着关键作用。研究工作旨在开发轻质高效的压缩系统，以满足加氢站和工业设施的苛刻性能要求[22,38,116]。通过压缩机设计、材料和控制算法的创新，具有更高可靠性和成本效益的高压储氢罐的商业化成为可能。J. Jepsen等[117]的工作证明了这一点，他们证明这些储罐的可靠性可以通过结合使用先进材料和控制算法来提高。
此外，在此期间，将储氢技术整合到新兴能源系统（如可再生能源储存和电网平衡）中的发展势头强劲 [118]。氢基储能解决方案，包括氢电解与地下洞穴或盐丘的储存相结合，提供了一种可扩展且灵活的方法来储存多余的可再生能源以备后用[119]。研究计划和试点项目证明了储氢的可行性和潜在优势，可实现可再生能源大规模并入电网。这些好处包括能够储存多余的可再生能源以备后用，这对于维持可靠和可持续的能源供应至关重要[120,121]。
此外，政府机构、研究机构和行业利益相关者之间的合作努力在推进氢储存技术方面发挥了至关重要的作用。这些努力有助于开发和实施可集成到现有能源系统中的储氢解决方案。公私合作，如2003年发起的美国能源部氢储存大挑战[122]，为旨在克服关键技术障碍和加速氢储存解决方案商业化的创新研究项目提供了资金和支持[105]。
总之，2000 年至 2014 年期间，在技术创新、行业合作和市场对清洁能源解决方案不断增长的需求的推动下，氢气罐储存技术加速发展和成熟。
4. 系统文献综述方法
4.1. 通用性
文献综述对于提供对特定领域的全面和现代理解至关重要，尤其是在科学和技术研究不断进步的背景下。研究人员经常依靠历史回顾和专家意见来更新他们对某个主题或问题的了解[123]。本文最初采用叙述性文献综述来探讨与本次调查相关的主题的历史背景。随后，进行了系统的文献综述，以对氢气罐技术发展的过去和最近的发展进行公正和全面的分析。如[124,125]所述，系统文献综述方法和叙述方法之间存在显著差异。系统文献综述方法与叙述方法有很大不同，它强调可复 制、科学和透明的过程[126]，后者涉及全面的文献检索，以尽量减少偏倚并记录综述者的决定和结论[127]。本节概述了 2014 年以后用于系统评价的方法以及文献计量分析。历史文献综述可能受到综述者的经验、信念和主观性的影响[128]，这可能会影响证据的选择和表示，可能导致对当前知识的不完整表示[124]并引入样本选择偏倚。另一方面，系统性文献综述采用可靠的方法提取事实和定量信息，确保透明度和科学严谨性[123,124]。本节还介绍了用于收集、提炼、处理和分析有关氢气罐的出版物的标准化方法，包括用于定量评估主要作者、出版物、主题和研究小组的文献计量分析。
4.2. 方法的实施
遵循 [3,129] 所示的系统评价方法，使用系统评价和荟萃分析的首选报告项目 （PRISMA） 标准程序 [130] 来获取数据（图 4）。
此外，使用相同的关键字进行了补充 Google 搜索。此外，过滤器中还选择了几个关键词，例如“储氢”、“氢安全”、“压缩氢”、“碳纤维增强塑料”、“结构完整性”和“复合材料”。然后对合并结果进行过滤，以排除与本综述目标无关的任何文献。
4.3. 书目分析
使用 R 软件 4.3.3 中的 Bibliometrix 工具对 Web of Science 和 Scopus 中索引的所有文献进行书目分析[131]。表 4、表 5 和表 6 提供了有关所收集文献的初步信息，包括详细信息，例如期刊数量、平均出版年、每篇文献的平均引用次数和作者总数等指标。
图 5 说明了前 10 位作者在本研究所涵盖的期间的科学成果。使用多重对应分析 （MCA） 技术进行因子分析，使用所选文章中作者的关键字。图 5 显示了已发布文档的数量，气泡的大小表示数量。特别是，较小的气泡代表一个出版物，而较大的气泡代表两个出版物。颜色强度与每年的总引用次数成正比。作者按相关性降序排列。分析的相关性是根据指定时间范围内的出版物数量进行评估的。
图 6 显示了这项工作中涵盖的研究主题的概念结构图。该图根据使用单词作为关键字的文档比例说明了单词之间的关系，表明了它们的相似性 [129]。研究领域的中心表示为轴的原点，它表示所有柱形的平均位置 [129,131]。Dim 1 （43.8%） 和 Dim 2 （27.34%） 轴上的百分比表示降维导致的数据变化。K-means 算法标识了四个聚类，每个聚类都以不同的颜色显示。紫色是指储氢罐和安全技术;蓝色表示与温度升高相关的填充物;绿色涵盖燃料电池汽车的设计和分析;红色涉及氢气容器的设计。
图 7 通过合著网络说明了研究领域的社会结构，突出了本综述论文中系统收集的文件的作者之间的关联。每个作者都使用“姓氏 + 他们名字的第一个首字母”的格式来提及。使用了 Kamada-Kawai 网络布局，并使用 Salton 指数执行归一化，并使用 Louvain 算法执行聚类。边缘的粗细与连接作者之间共享作品的数量成正比。颜色表示已识别的共同合著者群集。图 7 有助于确定有影响力的研究小组和作者。在这种情况下，Wang X.、Li B.、Jin X.、Guo C.、Han B. 和 Bi M. 被确定为分析期内最有影响力的作者。
总之，本研究中采用的系统方法有助于确定文献中最重要的研究论文。这一过程使人们认识到与氢气及其储存和安全问题相关的核心挑战。后续部分将深入探讨这些关键问题。
5. 基本问题
5.1. 总结
本节详细分析了之前系统文献综述中确定的有关氢储存和安全的主要问题。为了实现这一目标，已经对收集到的文件进行了更彻底的审查。根据本综述的结果，已经确定了几种研究途径，并使用 MCA 和 K-Means 聚类算法生成了概念图。通过系统评价确定并在本文中讨论的主要问题与氢气罐技术、高压储氢以及与填充和使用相关的安全问题有关。
5.2. 储罐设计技术
储氢罐设计的主要挑战之一是在高存储容量和安全性之间实现必要的平衡 [8]。自 2014 年以来，储氢罐取得了重大技术进步。研究人员专注于提高这些储罐的效率、安全性和存储容量，从而开发了高压复合储罐和碳纤维增强聚合物等先进材料的集成。这些创新实现了更高的储氢密度和更轻的储氢罐，使其更适合各种应用，包括汽车和航空航天[35,36]。尽管取得了这些进步，但仍然存在重大挑战，例如确保储罐在极端条件下的长期耐用性和可靠性，管理与先进材料相关的高成本，以及解决与氢气的高易燃性和潜在泄漏相关的安全问题。这些问题继续推动该领域的持续研究和开发 [150,151]。创新的设计解决方案可以在保持性能标准的同时优化空间 [53]。此外，在满足需求的规模下制造这些储罐同时保持成本可控至关重要，因为先进的材料和制造技术可能很昂贵。Molkov等[135]强调了这些设计考虑在确保储氢系统的安全性和有效性方面的重要性。
在设计氢气罐时，应考虑有效达到所需压力水平（第 5.2.1 节），以及耐用性（第 5.2.2 节）和有效热管理（第 5.2.3 节）的需求。多级金属氢化物氢压缩 （MHHC） 系统为在指定温度范围内实现高压缩比提供了一种有前途的解决方案。对三阶段 MHHC 循环的数值研究表明，有可能达到高达 22：1 的压缩比，在 315 bar 的压力下输送氢气。这强调了为每个压缩阶段选择合适的材料以优化压缩特性、最大限度地减少能耗并缩短循环时间的重要性。然而，实现这些目标需要对具有改进压缩性能的材料进行持续研究，包括快速动力学、低平台斜率、磁滞和适当的热管理策略。将 MHHC 系统集成到氢气罐设计中可以提高整体性能和效率，同时满足各种应用的严格压力要求 [137]。
江 et al. [152] 提出了一种分析模型，该模型集成了复合材料铺层的生成和力学评估，允许以最小的计算成本快速灵活地设计水箱。这种方法提供了高度的透明度和易于实施性，代表了设计 IV 型储氢罐的重大进步。更详细地说，作者从 Clairaut 方程 [153] 开始，重点研究了测地线蜿蜒路径（方程 （1））。江 et al. [152] 提出了一种分析模型，该模型集成了复合材料铺层的生成和力学评估，允许以最小的计算成本快速灵活地设计水箱。这种方法提供了高度的透明度和易于实施性，代表了设计 IV 型储氢罐的重大进步。更详细地说，作者从 Clairaut 方程 [153] 开始，重点研究了测地线蜿蜒路径（方程 （1）
其中 r 和分别是圆柱半径和缠绕角度。由于圆柱体上的圆柱半径 r 不会改变，因此卷绕角度在此区域中保持不变。然而，绕组角度的快速变化由于半径减小，圆顶区域很明显。由于旋转对称，圆顶可以被视为旋转壳，表明形状是通过绕中心轴旋转曲线获得的。此曲线 （子午线） 定义南方向。虽然圆柱体具有笔直的子午线并且只有一个曲率，但圆顶子午线的弯曲性质引入了壳的第二个曲率。该研究基于经典层压板理论 （CLT），这意味着 [154,155,156]
其中 s 标识经向，标识圆周方向。根据方程 （2），CLT 将应力-力矩合力和有拉伤和曲率在各自的方向。用,和是复合材料层压板的刚度矩阵，可以从转换后的刚度矩阵中获得的单个合成层。矩阵，从而得到矩阵的集 合,,和，在很大程度上取决于局部缠绕角度.膜理论提供了应力合力的第一个近似估计，单位为 s 和方向。该理论的主要假设是忽略了弯曲效应。以这种方式获得的应力合力用于计算，从而应用了Calladine [157]的方法。对于一般的旋转壳，膜理论预测以下应力合力：
其中星号 （*） 表示膜理论的理想性质，p 表示水箱的压力，而和分别代表壳的两个主半径 [152,157]。为了紧凑和简单，我们参考 [152] 了解更多细节。
5.2.1. 储罐压力
专为高压设计的储罐可以在高达 700 bar 的压力下容纳压缩氢气。此外，氢气可以在6-350 bar的压力下在隔热罐中低温冷却至约20 K[158]。实际上，700 bar 和 350 bar 储氢罐的主要区别在于储氢的压力，这对车辆设计具有重大影响。一个 700 bar 的储氢罐在更高的压力下储存氢气，从而获得更大的能量密度，从而在不增加储氢罐尺寸的情况下转化为更长的行驶里程 [36,43\u201298]。这使得 700 bar 油箱成为空间有限的乘用车的理想选择。然而，更高的压力需要更坚固的材料和先进的制造技术，这可能会增加储罐的成本和复杂性。另一方面，通常用于公共汽车或卡车等大型车辆的 350 bar 油箱的制造和维护成本较低，但由于能量密度较低，行驶里程较短。700 bar 和 350 bar 系统之间的选择会影响车辆设计的重量、成本和可用存储空间，轻型车辆通常喜欢 700 bar 的油箱，而重型车辆通常喜欢 350 bar 的油箱 [159]。表 9 显示了主要的不同压力级别属性。
在非常高的压力（汽车应用高达 700 bar）下储存氢气，要求储罐的设计结构能够承受这些压力而不影响安全性。此外，确保储罐足够轻便且坚固以防止泄漏或破裂是一项重大的工程挑战。设计能够在极端条件下保持完整性的储罐的复杂性，包括快速的温度和机械应力变化，使这个问题进一步复杂化。另一个问题是，储罐的形状和尺寸需要能够轻松集成到车辆或其他应用中，而不会占用太多空间或增加过多的重量。Ho Nguyen [160] 的研究展示了一种创新方法，用于汽车应用（专门为 FCEV 设计）创建符合这些条件的氢气罐。它是一个利用基于材料的存储的便携式氢气罐。三层绝缘系统可在没有外部冷却的情况下有效保持低温超过 12 天。该储罐在低于 100 bar 的压力和 77 K 的温度下运行，比在 700 bar 下运行的传统 IV 型储罐更安全。通过利用有限元法 （FEM） 分析进行应力分布和传热数值模拟，仿真结果表明，与传统的 IV 型储氢罐相比，它减轻了 31%，容量提高了 11%，成本降低了 42% [150]。应力分析表明，最内层的壳承受着最高的 Von Mises 应力，尽管它保持在安全范围内。热传递分析整合了传导和辐射模型，表明多层绝缘 （MLI） 有效地最大限度地减少了辐射热量的进入 [140]，允许在不冷却的情况下延长储存时间。
正如Cowan等[161]所强调的那样，FCEV氢气罐的设计必须符合几个基本的工艺设计要求，并且必须使用高压惰性气体和氢气进行不同的泄漏、渗透和压力循环测试，以获得批准，从而建立安全基础。通过有限元分析（FEA），可以获得储罐在不同载荷情景下的结构行为，包括内压、外力和热效应，并有可能通过设计优化提高效率和安全性[53,150,162,163]。计算流体动力学 （CFD） 软件也被用于支持储罐的设计，使数值研究能够获得创新的储氢罐 [164]。Choi等[140]专注于LH的设计策略和重载轨道案例研究2油箱。该研究涉及结构设计、绝缘性能（用于绝缘的 MLI）和材料选择。该研究强调了大型储罐的经济可行性挑战，并建议扩大 法规和附加标准，以优化设计和安装空间效率。
已经对 LH 的使用进行了其他研究2.Oh等[165]研究了以液态形式储存和运输氢气的优势和挑战（LH2） 而不是其高压气体形式。LH 的用途2，其体积可以压缩到比气态小 800 倍的体积，密度大约是高压氢气 （700 bar） 的 10 倍，在储存和运输效率方面具有显著优势[150]。然而，将氢保持在液态需要先进的绝缘技术，以将温度保持在低温水平（20 K）[165]。主要在航空航天领域，对储罐、压力和氢气形式的设计优化仍在研究中 [44,150,166]。
由于三种主要的储存方法（高压气体储存、低温液体储存和固态储存），每种方法都有优点和缺点。此外，目前正在研究新技术。高压气体储存提供高能量密度，但由于保持高压，这是一种成本高昂且存在安全风险的方法。虽然 LH2存储提供了最佳密度，它本质上是易挥性的，并且在生产过程中需要大量的能量输入。利用氢化物的固态存储提供了高水平的安全性和高体积密度，尽管重量密度相对较低。一种很有前途的方法是高压混合储存容器，它结合了气态和固态方法[167]。
5.2.2. 材料的耐久性
储氢罐所用材料的耐用性是另一个关键问题。高压环境，加上氢气容易使某些金属和合金脆化，对存储系统的长期完整性构成了重大风险[13]。应用于高压氢气罐内衬材料的铝合金显示出几个问题 [168]。对于汽车，以及航空航天和船舶领域，由于金属的存在较少，III 型，尤其是 IV 型氢气罐而不是 II 型氢气罐的使用正在迅速增加（第 2.1 节）。
复合材料，如 CFRP 和 GFRP，由于其强度和更轻的重量，通常可以解决其中一些问题。然而，这些材料也会随着时间的推移而磨损和降解，尤其是在反复加压和减压循环中。环境因素，如暴露于潮湿、极端温度和紫外线辐射，会进一步加速降解过程。此外，氢与材料在微观层面上的相互作用会产生微裂纹和其他结构弱点[20,29,132]。GFRP在汽车[135]、航空航天[41,42]和航空[45]领域迅速普及。
确保材料在存储系统的整个生命周期内保持其强度和完整性，需要持续的研究和开发，并在各种操作条件下进行严格的测试[163]。Zhang等[141]强调了精确建模技术在高压储氢应用中预测材料性能和寿命的必要性。用于汽车高压储氢容器的HDPE的温度依赖性机械性能表明，HDPE的杨氏模量和拉伸强度随着温度的降低而显著增加[169]。
Takemoto等[170]提出了一种准确预测燃料电池汽车用CFRP制成的高压氢气罐爆破压力的新方法。它侧重于油箱的复杂分层结构，包括碳纤维束和基体树脂。该研究利用十字形试样来模拟 CFRP 层内纤维束的条件。结果表明，CFRP 的断裂过程受应变速率依赖性、树脂的拉伸压缩不对称性和纤维强度等因素的显著影响。
Multhoff等[171]讨论了复合压力容器（CPV）有限元建模的局限性和进步，特别是那些使用纤维缠绕技术创建的容器。基于 CLT 的传统模型将复合材料层压板简化为具有一致厚度、方向和机械性能的均匀层堆栈。对于纤维缠绕的 CPV，每层通常由两个具有相反纤维角度的单向层表示。然而，这种简化并不能准确捕捉到真实的纤维几何形状，其中多个层可能会重叠，并且整个层压板的纤维角度会发生变化。为了解决这个问题，该研究提出了一种增强的纤维缠绕仿真，该仿真可以跟踪有限宽度纤维带的沉积，从而提供更详细的实际纤维路径和重叠表示。将这些详细信息转换为基于 CLT 的有限元模型具有挑战性，因为它需要复杂的网格布局来准确表示每层的独特角度和厚度。最终目标是改进汽车应用高压氢气罐的安全性和经济性设计。
尽管复合材料具有优势，但它们还是面临巨大挑战，主要与它们的热响应有关[172,173]。事实上，在火灾条件下，平均破坏压力下降到 41.5 MPa，大约是其爆破压力的三分之一 [172]。本研究结果强调，环氧树脂分解发生在 100 °C 至 600 °C 之间，具有四个不同的反应相。相比之下，碳纤维分解发生在 600 °C 至 950 °C 之间，失重速度最快，为 849 °C。 爆炸现场的碳纤维残留物表现出脆性、分层断裂，表明有严重的机械损伤。这项研究还强调了火灾条件下储氢罐强度的急剧降低，并详细介绍了III型储氢罐的热降解和损伤机制[172]。不同的研究也获得了类似的结果[174]。在这种情况下，使用锥形量热仪和先导点火器在各种热通量下研究了高压全包裹复合储氢罐外部材料的热分解行为。复合材料由碳纤维-环氧树脂复合材料组成，上面覆盖着一层薄薄的玻璃纤维，被发现遵循热厚模型。热通量高达 30 kW/m2，碳纤维-环氧树脂复合材料没有点燃。然而，当热通量高于该值时，会检测到玻璃纤维和碳纤维-环氧树脂复合材料的多层快速燃烧。
另一方面，Benelfellah等[175]认为，在热暴露期间施加机械载荷不会显著改变复合材料的热机械性能。无论机械载荷如何，温度分布、质量损失和残余拉伸强度都保持一致，这主要是由于材料中的快速应力松弛。这表明复合材料在火灾条件下的性能主要取决于其热性能，而不是额外的机械应力。
此外，开发不影响性能的成本效益材料也是一项挑战。使用高性能复合材料会显著增加储氢解决方案的成本，这是开发具有成本效益的解决方案时需要考虑的另一个因素[152,176]。此外，必须设计可靠的监测和维护策略，以检测和解决材料降解并防止储氢系统故障。这一领域需要进一步研究以找到创新的解决方案[177]。
5.2.3. 热性能
与氢气罐的设计和材料的选择（第5.2.1节和第5.2.2节）密切相关，热性能和管理是关于高压氢气罐的储存和安全研究最多的因素之一[140,173,174]。
最令人印象深刻的研究之一是 Wang et al. [178] 进行的。LH 的热性能2储罐，特别是在最大限度地减少热量进入以减少蒸发气体损失方面，揭示了储罐设计之间的显著差异。球形储罐的表面积比同等存储量的圆柱形储罐小，由于高效的传热，在自加压过程中的压力增加最慢。卧式圆柱形储罐的压力增加速度比立式圆柱形储罐慢，因为它们有助于更有效地在气相和液相之间传递热量，从而减少温差。因此，在最大允许工作压力保持不变的情况下，球形储罐的保持时间最长，而立式圆柱形储罐的保持时间最短。由于热质量惯性更大，储罐中较高的液位会导致蒸发速率降低，蒸发速率按照从水平圆柱形到球形再到垂直圆柱形储罐的升序排列。在大气压下，气相和液相的温度保持准稳态，蒸发引起的液面持续下降对蒸发速率的影响最小。卧式和立式圆柱形储罐在液相温度、液位和蒸发速率方面表现出相似的热性能。然而，由于减少了来自环境的热传递，球形罐以最低的蒸发速率脱颖而出，气相体积的膨胀对蒸发速率的影响可以忽略不计。Oh等[165]对LH蒸发分析的研究2不同热流条件下的储罐表明，内部压力随着热通量率的增加而增加，绝缘分析表明，随着真空压力的降低，热导率的降低可以有效抑制蒸发并降低内部压力。在设计氢气罐时，绝缘仍然是一个关键问题[150]。
周等[139]研究了将铬（Cr）和钒（V）取代ZrFe的影响2基合金的平衡压力和储氢热力学，证明 ZrFe2基合金是与高压压缩氢气罐复合的有前途的候选者，从而降低了高压罐的工作压力和体积。
Gonin等[179]分析了GH的安全使用2在车辆中使用CFD分析，证明油箱温度不得超过85 °C [180]，并揭示了在水平油箱加注过程中可能存在垂直热分层。
Mahl等[169]详细研究了汽车高压储氢容器中HDPE的温度依赖性机械性能。实验研究表明，HDPE 的 Young 模量和拉伸强度随着温度的降低而显著增加，Young 模量范围为 83 N/mm2在 373 K 至 2381 N/mm 时2在 223 K 时，拉伸强度从 4.9 N/mm 增加到2在 373 K 至 40.1 N/mm 时2在 223 K 处。压缩-拉伸应力比表现出非线性行为，具体取决于温度和应变范围。使用具有各向同性硬化的弹塑性模型和超弹性模型的有限元模拟表明，与实验应力-应变数据具有良好的一致性，在拉伸和压缩载荷条件下的相对误差最小。
与热管理相关的另一个关键问题是油箱填充。在他们的研究中，Li 等 [132] 研究了储氢系统和燃料电池汽车快速加注技术的发展。高压储存（350 bar 或 700 bar）因其技术简单、可靠、高效和经济性而成为运输的首选选择。然而，高压储氢钢瓶加注过程中发生的温度快速升高有可能降低充电状态 （SOC） 并导致罐壁损坏，从而构成安全风险。温度波动引起的热应力会导致树脂中形成微裂纹，并在气缸中形成复合材料失效。温升和 SOC 受几个参数的影响，包括初始温度、圆柱体类型和初始压力 [181]。
初始进气温度和填充速率的最佳控制至关重要，预冷 hyprecooledlping 可降低初始进气温度。将冷却温度和填充速率控制相结合，可以实现温度和填充时间目标。基于实验数据的数值模拟验证了计算流体动力学 （CFD）。快速加注策略包括速率控制、多级压力加注以及根据加注参数确定预冷。将这些策略耦合可以创建一个最佳的多阶段填充策略，以减少温度上升和能耗[181]。
已经研究了由膨胀氢冷却的车载冷热储能（CTES）系统，以提高能源效率并解决安全问题，避免了快速填充过程中的显著温度升高，从而带来安全风险[164,182]。在过去十年中，对储罐填充和相关热问题进行了大量分析，例如快速填充 [134,183]、火灾测试期间的破裂 [136,175]、循环过程中的热行为 [40,133]、温度和热边界升高 [152,184]、与填充压力的相关性 [185,186] 以及与极限承压能力的相关性 [60]。
5.3. 安全和风险
如前几节所述，氢气可以带来显著的环境效益，但也带来了独特的安全挑战和风险，特别是在储存方面[47]。如果管理不当，低点火能量、宽可燃性范围和高扩散性会导致泄漏和爆炸（第 1.2 节）。高压储氢对 FCEV 等应用至关重要，但由于加氢过程中压力和温度可能快速变化，因此会增加这些风险 [40,132,181,182]。研究表明，先进的存储技术，例如 III 型和 IV 型复合气瓶，可以减轻一些风险（第 2 节）。尽管如此，热应力和材料疲劳等问题仍然存在问题[135,187]。此外，人们正在探索车载冷热储能系统和相变材料等创新，通过管理氢气填充过程中的温度峰值来提高安全性[22,181]。确保氢安全需要一种全面的方法，包括稳健的工程解决方案、严格的安全标准以及对材料行为和风险缓解策略的持续研究[188]。
5.3.1. 爆炸
与氢气罐安全相关的一个重大风险是爆炸的可能性 [8\u201216]。Molkov等[189]专注于开发和验证CFD模型，以模拟火灾中高压氢气罐破裂后冲击波和火球的动力学。总体目标是加强对氢气罐破裂后果的理解，并加强与氢气储存相关的安全工程和基础设施开发。本研究改进了以前关于同一波的工作[135]，将实验数据与数值分析相结合，以深入了解这些现象。它发现燃烧过程中化学能的释放会显著影响冲击波的压力和冲量。主要发现包括氢气燃烧对冲击波强度的定量影响以及不同储罐破裂方式的影响。Kim et al. [190] 在类似的分析中也使用了 CFD。
在同一主题上，已经分析了火灾环境中的爆炸和火球，以制定氢气罐的安全策略[138]。Wang等[191]研究了高压储氢罐在火灾环境中的灾难性破裂，强调了物理和化学爆炸危险的结合。他们发现，火灾条件显着降低了 6.8 L–30 MPa 储罐的失效压力，从而导致短暂的爆燃和巨大的火球。碎片以高动能分散，在大面积上构成风险。该研究提出了一种标准化程序来评估冲击波超压，并根据实验数据定义风险区域，以提高高压储氢系统的安全性。Li等[173]和Makarov等[192]也获得了类似的结果。它们提供了对高压储氢罐在火灾下的热性能和危害评估的全面见解。Li等[173]对210 L、35 MPa复合III型氢气罐进行了三次篝火测试，以研究它们在火灾情况下的响应，结果显示失效压力范围为41.1至41.8 MPa，在热条件下的承载能力显著降低。他们的结果表明，耐火等级 （FRR） 各不相同，没有热压释放装置 （TPRD） 的储罐表现出更长的 FRR，但在氢气排污前暴露于吞噬火灾时会降低 [57,173]。作为对这些发现的补充，Makarov 等 [192] 提出了工程相关性，用于评估 LH 之后火球大小定义的危险距离2泄漏或高压氢气罐破裂。他们的理论和实验分析考虑了氢质量和火球几何形状等因素，为火球大小提供了保守的相关性。总之，这些研究强调了了解储罐失效机制和火球动力学对于加强储氢系统的安全措施和设计考虑的重要性。
此外，Myilisamy等[15]研究了35 MPa、72.4 L氢气罐在不同高度和方向的爆炸情况，发现氢气罐的高度和位置对爆炸超压强度和传播有显著影响。他们的数值预测表明，由于马赫茎现象，靠近地面的氢气爆炸会自动点燃，这导致径向爆炸效果更危险。该研究进一步得出结论，距离爆炸中心最远 2 m 的人类死亡可能发生，严重伤害可达 7 m，超出此范围的轻伤。与水平放置的储氢罐相比，倾斜储氢罐会增加潜在的爆炸危险和伤害，这凸显了储氢罐位置在降低爆炸风险方面的重要性。
5.3.2. 泄漏
由于氢气的分子尺寸小，储氢罐中的泄漏现象是一个关键问题，这使得它比大分子更快地渗透到材料和配件中。这可能导致潜在的安全隐患，包括火灾和爆炸风险（第 5.3.1 节），以及存储系统的效率损失。了解和减少氢气泄漏对于安全有效地部署氢气技术至关重要，尤其是在高压环境中。Ishimoto等[17]对高压罐中的反应性氢泄漏进行了全面研究，开发了一种先进的计算方法来分析流固耦合。该方法集成了粒子和欧拉方法，以模拟裂纹扩展、氢湍流扩散和燃烧现象。他们的研究结果表明，由于过量的氢燃料，导管中心附近明显没有燃烧反应，这增加了标量耗散。相反，燃烧反应在进行过程中发生在不同的上部和下部区域。
周等[19]开发了一个综合模型来模拟高压储气系统（包括储罐和管道）的泄漏过程，这可能导致危险的喷射火灾和随后的灾难性事件。他们根据范德华状态方程构建了一个泄漏过程模型。该模型与名义喷嘴和火焰大小模型相结合，可预测泄漏事件期间的气体状态属性、流动参数和喷射火焰高度。他们提出，绝热材料的设计应防止泄漏实验期间储罐与其周围环境之间的热交换，从而提高模型的准确性和可靠性，从而更好地进行等熵过程近似。这项研究为氢气泄漏和燃烧的行为提供了重要见解，强调了精确建模对高压储氢系统安全性和效率的重要性。在航空航天领域[44]和FCEVs分析[161]也进行了类似的研究。
5.3.3. 脆化
氢脆问题对储氢罐的开发和维护提出了重大挑战[8,140]。氢脆是指由于氢原子渗透和扩散到材料结构中而使金属变脆和断裂的过程[23,193]。这种现象对于用于各种应用的高压储氢系统尤其重要，包括 FCEV 和工业储存。氢脆会损害储罐的机械完整性，导致灾难性故障并带来严重的安全风险 [13]。最近的研究侧重于了解氢脆机制、开发抗性材料以及实施设计策略以减轻其影响。
对于 IV 型氢气罐，每天使用钢制凸台进行阀门安装，氢脆过程会显着影响钢的性能。Patra等[62]专注于316L不锈钢凸台的螺纹部分，这对于固定70 MPa压缩氢气罐中的阀门至关重要。他们使用分析方法来了解有和没有氢脆影响的裂纹扩展。裂纹扩展模型可以写成如下，同时考虑氢扩散和 f危急 [194]：
在方程 （4） 中，（da/dN）空气疲劳是空气存在下的疲劳裂纹扩展 （FCG），而 （da/dN）HAC是由于氢辅助裂化而产生的 FCG。对于极性凸台的厚度 （h0），引入了两种失效条件 [62]：第一种是由于弯矩（方程 （5）），第二种是由于横向剪切应力（方程 （6））：
其中 P 是内部压力载荷，是材料强度，是直径最大的极地凸台，是归一化的弯矩。作用在螺纹上的轴向力的表达式为
是工作压力，是最大螺纹直径。剪应力平衡轴向力。假设它均匀分布在区域的螺纹表面上，作用的剪力为
是极限剪切强度，t 是螺纹啮合长度并将方程 （7） 和 （8） 放入方程 （9） 中，得到 t 的表达式 [62]：
在评估了螺纹处的组合应力和应力强度因子后，应用了氢脆模型，特别是 HEDE 模型 [20]。我们参考 [62] 了解紧凑性和任何其他详细信息。他们的结果表明，临界裂纹长度（裂纹变得不稳定的阈值）随着加载循环次数的增加而增加，当考虑到氢脆时，临界裂纹长度高出 2% 到 4%，这凸显了材料在高压氢条件下对裂纹的敏感性增加。因此，在设计和维护高压氢气罐以确保其安全性和耐用性时，考虑氢脆的影响至关重要。在这条生产线上，特别是对于 FCEV 的高压氢气罐，必须探索具有轻质特性、高强度和出色抗氢脆性的金属材料。
在相同的背景下，Owaga等[195]进行了一项研究，以评估高强度、沉淀硬化铝合金7075-T6的相容性。该评估涉及四种类型的机械测试：慢应变速率拉伸、疲劳寿命、FCG 和高压 GH 中的断裂韧性测试2室温环境。尽管之前报道称 7075-T6 在氢化环境（如潮湿大气）中显着降解，但本研究发现在氢气中的慢应变速率拉伸测试中，拉伸强度和柔韧性没有下降。合金的疲劳寿命、FCG 和断裂韧性性能没有受到影响。这些发现表明 7075-T6 对高压 GH 表现出优异的抵抗力2，表明其可用于 FCEV 储氢罐的潜力。
5.3.4. 自增强
该工艺包括使储罐的内表面承受受控压力，以产生残余压应力，增强其抗疲劳和抗应力腐蚀开裂能力。鉴于高压氢气环境的严格安全要求，了解和优化自紧技术至关重要。焊接和自紧过程引起的残余应力的复杂分布可以通过数值建模来检查。焊接会导致沿焊缝中心线和热影响区的应力分布不均匀，对结构稳定性构成挑战。为了减轻这种影响，在焊接后应用自紧，从而使沿罐壁的应力分布更加均匀，并减少焊接引起的应力。因此，通过战略性地实施自紧技术，提高了高压储氢罐的安全性和可靠性[196]。
5.3.5. 安全技术的进步
高压氢气罐安全协议和技术的最新进展显着改善了安全措施。一个值得注意的进展是泄漏检测系统的增强，该系统现在利用先进的传感器来检测比以前技术低得多的氢气浓度。Qanbar等[39]分析了氢传感技术及其性能。商用氢气传感器主要是电化学或催化的，尽管设计相似，但不同制造商的性能存在显著差异。电化学传感器因其高灵敏度和快速响应时间而被广泛使用，通常可检测浓度低至 10 ppm 的氢气。催化传感器更适合检测爆炸下限的可燃气体，但可能缺乏单独检测氢气的特异性。基于电阻的传感器提供了一种使用固态或半导体材料的替代方案，可提供稳定的氢气检测，对其他气体的交叉敏感性低。选择合适的传感器取决于具体的应用要求和环境条件[39,197]。
5.4. 成本和经济管理
在氢气罐技术中，对成本进行最佳管理至关重要，因为这是确保该技术广泛采用和商业可行性的关键因素。这需要全面了解各种成本因素，包括材料 [152,160,195]、制造工艺 [151]、测试 [176,177]、整体系统成本 [63] 和安全标准合规性 [198]。氢气罐的经济管理包括优化这些因素，以最大限度地降低生产费用，同时确保高性能、可靠性和安全性[176]。创新方法，例如先进材料开发、自动化制造技术和简化的测试程序，有助于在不影响质量或安全的情况下降低成本。此外，通过增加产量和标准化设计来利用规模经济可以降低单位成本[197]。专注于降低成本策略的持续研发工作对于提高氢气罐的可及性和竞争力至关重要。通过有效应对成本挑战，氢能行业可以加速向可持续和氢能经济的过渡。
5.5. 基础设施
建立强大的氢安全和储存基础设施对于支持氢作为能源载体的广泛采用至关重要 [138]。这些基础设施包括存储设施、运输网络和加油站，所有这些都必须遵守严格的安全标准。存储设施的范围从高压罐到地下洞穴，每种设施都有其安全考虑。例如，适当的通风和泄漏检测系统在室内储存设施中至关重要，以降低氢气积聚和潜在爆炸的风险 [135,189]此外，建立密集的加氢站网络对于支持氢燃料电池汽车的部署至关重要。这些加氢站必须具有最先进的安全功能，包括自动截止阀和应急响应系统，以保护用户和周围社区[40,184]。通过投资强大的基础设施并遵守严格的安全标准，我们可以增强公众对氢技术的信心，并加速其融入我们的能源格局 [34]。
5.6. 社会考虑
除了技术考虑外，社会因素在成功实施氢气安全和储存措施方面也起着重要作用。公众认为氢是一种安全可行的能源对于广泛接受和采用至关重要 [199]。因此，有效的沟通和教育活动对于解决围绕氢技术的任何误解或担忧至关重要 [200]。此外，社区参与和利益相关者参与是关键的基础设施规划和部署方面。居民和企业应该在氢能设施的选址和设计方面拥有发言权，以确保他们的需求和担忧得到解决 [2]。公平获得氢基础设施对于促进社会公平和环境正义至关重要 [34]。应努力确保服务不足的社区能够获得清洁氢技术及其相关好处 [63]。通过考虑社会因素和技术考虑，我们可以为所有社会成员建立一个安全、包容和可持续的氢能基础设施。
5.7. 规定
氢气罐和储存的监管对于确保安全和促进氢技术的采用至关重要。这些法规旨在解决与氢气的高易燃性和储存高压相关的独特风险。在美国，美国交通部 （DOT） [201] 和职业安全与健康管理局 （OSHA） [202] 制定了氢气安全处理和运输指南。美国能源部通过其能源效率和可再生能源（EERE）部门，一直积极参与可再生能源研究和能源效率[122]。在过去的二十年里，美国能源部与众多公司和研究机构合作，对开发 FCEV 表现出了浓厚的兴趣 [63]。DOE 的一个重点是优化储氢系统，这对于 FCEV 的广泛采用至关重要（表 10）。这些目标指导研发工作，以改进氢储存技术，确保它们符合严格的安全和效率标准。此外，美国汽车工程师协会（SAE）已经制定了SAE J2601等标准，这些标准为加氢提供了协议，以确保车辆储氢和加氢系统的安全和性能[161,179]。
在国际上，国际标准化组织 （ISO） 制定了 ISO 13985 和 19884 等标准，这些标准规定了氢存储系统的安全要求，两者都是 GH2和 LH2 [140,198]。所有这些法规和标准确保氢存储系统的设计、建造和运营能够最大限度地降低风险并保护公共安全，从而促进氢作为清洁能源的发展。
6. 总结和研究视角
作者的一般研究框架建立在三个主要支柱之上，每个支柱都与其他支柱相互关联，涉及氢储存、氢安全和能源转型中的氢 [47,48,199]。在此背景下，本文对氢储存和安全性进行了文献综述，特别是在汽车领域，也适用于工业、航空航天和海洋应用。这项审查调查的一个重要结果突出了复合材料在向依赖薄壁压力容器的氢气应用转变中预期发挥的关键作用。
与前十年相比，该领域的科学出版物数量增加了三倍。鉴于该领域的指数级增长，这项工作中进行的审查分为两部分。第一部分旨在通过历史文献综述统一截至 2014 年的文件、文章和研究来提供背景。第二部分涉及从 2014 年至今的系统文献综述，以更好地了解当前的研究前景。为了实现这一目标，采用了文献计量学方法来系统地分析研究领域，确定关键文献、参考文献和作者。最后，对收集到的论文进行了深入分析，对氢储存和安全技术发展的现状进行了分类和确定。
为了总结本研究的基本结果，本文确定了有关氢气储存和安全的三个关键问题：
设计储罐的技术，以确保压力、材料和热梯度之间的适当平衡。
研究和理解 LH2和 GH2避免储罐爆炸、氢气泄漏、材料脆化和自磨损等风险的特性，以提高和保证安全性。
管理成本以鼓励这项技术的发展，并使氢成为未来能源的主要形式。
下面讨论了未来研究的一些可能方向，并评估了开放的主要问题。首先，需要能够承受与储氢相关的高压和潜在脆化的增强型材料 [62,161,162]。对先进复合材料和涂层的研究可以为这些挑战提供解决方案[135,170]。此外，开发更高效、更具成本效益的储氢系统仍然是一个关键关注领域，因为它直接影响氢作为主流能源的可行性。储存方法的创新，如金属氢化物和冷冻压缩氢，提供了有前途的途径，但需要进一步探索和优化[24,25,167]。
此外，安全协议和风险缓解策略必须不断更新和完善。这包括改进用于泄漏检测的传感器技术和开发更强大的密封系统。监管机构和行业利益相关者之间的合作对于建立与技术进步保持同步的综合安全标准至关重要 [9,17]。另一个关键领域是支持广泛采用氢能所需的基础设施。这涉及物理基础设施，例如加氢站和运输网络，以及将实现氢能经济增长的监管和经济框架。政策制定者和研究人员必须共同努力，制定激励措施和法规，促进氢能的安全和可持续利用[40,199]。
最后，公众对氢技术的看法和接受度在其成功实施中起着至关重要的作用。关于氢能的好处和风险的教育计划和透明沟通有助于在消费者和利益相关者之间建立信任和支持。通过有针对性的研究和合作努力解决这些悬而未决的问题，对于推进氢安全和储存至关重要，最终有助于实现更可持续和更安全的能源未来。
7. 结论
本系统文献综述强调了储氢系统在促进更广泛地采用氢气作为清洁能源方面的关键作用。该评论对氢气罐技术的当前进展进行了详尽的检查，强调了与存储效率、安全问题和结构完整性相关的挑战。研究结果表明，虽然在高压和低温储存方法方面取得了长足的进步，但仍有重大障碍需要克服，特别是在材料耐用性、泄漏预防和成本效益方面。储氢的安全性仍然是首要问题，材料科学和工程的进步在减轻与压力遏制、火灾隐患和环境暴露相关的风险方面发挥着关键作用。
储罐的结构完整性与创新材料的进步密不可分，包括复合层和金属氢化物，这些材料已证明在极端条件下具有提高性能的潜力。然而，还需要进行额外的研究来优化这些材料的长期使用，尤其是在恶劣的操作环境中。此外，本综述还强调了更强大的监管框架和标准化安全协议的必要性，以促进氢存储系统的广泛实施。
总之，这篇综述通过全面概述氢储存技术的现状、确定研究差距并提出有助于弥合这些差距的未来研究方向，为该领域做出了贡献。从本次审查中得出的见解有望指导正在进行的研究并为行业实践提供信息，最终支持氢能安全有效地融入全球能源系统。
