介绍了一种利用纤维贴片放置（FPP）技术生产H₂储氢罐的创新方法。

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Cevotec、Roth Composite Machinery和CIKONI三家公司合作发布的白皮书，介绍了一种利用纤维贴片放置（FPP）技术生产H₂储氢罐的创新方法。以下是主要内容总结：

1. 项目背景

市场需求

欧盟为应对气候变化，制定了一系列战略目标。其中，欧盟绿色协议明确了在2030年前将温室气体排放量相较于1990年降低55%，并在2050年达成气候中和的愿景。在此背景下，欧盟氢能战略凸显了氢能在减少二氧化碳排放方面的关键作用，这推动了氢燃料电池汽车市场的迅猛发展，预计2022 - 2030年氢运输市场的年复合增长率将高达95%。

- 在重型和长途运输等难以实现纯电动化的领域，氢能成为了重要的能源解决方案。由于其特殊的物理性质，氢可以通过多种方式储存，而对于移动应用而言，通常以压缩气体的形式储存在复合罐中，且压力可高达700 bar，这种Type 4罐借助先进的复合材料，具备出色的储存能力。

- 技术挑战

- 传统的纤维缠绕技术是制造Type 4复合压力容器的主流方法，但它存在一些固有缺陷。在纤维缠绕过程中，大量的螺旋层使得纤维材料在圆柱部分的利用效率欠佳，导致机械强度未得到充分发挥，进而增加了不必要的重量和成本。此外，随着氢能市场的快速增长，对储氢罐的性能和效率提出了更高的要求，传统技术已难以满足这些需求。

2. 研究目标

- 优化设计

- 运用数值方法对复合罐的层压板设计进行优化，重点关注罐的穹顶部分。通过在穹顶区域应用局部增强材料，旨在减少碳纤维的使用量，同时确保或提升容器的机械性能。

- 调整纤维缠绕的螺旋取向，合理利用穹顶增强材料替代部分纤维缠绕层，从而降低整体复合材料的需求，实现资源的高效利用。

- 验证制造

- 将纤维贴片放置（FPP）技术与传统的纤维缠绕技术相结合，开发一种高效且可重复的生产工艺，用于制造具有创新设计的储氢罐。

- 在实际的工业环境中验证这种组合技术的可行性和可制造性，确保能够稳定、高效地生产出符合质量和性能要求的储氢罐产品。

3. 材料与工艺

- 材料选择

- 内衬材料：选用适合Type 4压力容器的热塑性内衬，这种材料能够满足容器对氢气的密封和容纳要求，同时具备一定的机械性能和化学稳定性。

- 基体材料：对于缠绕和FPP工艺，分别采用了工业级环氧基树脂（用于缠绕）和TCR树脂系统（用于FPP），二者的固化温度均可达到120°C。这些树脂能够为纤维提供良好的粘结环境，确保复合材料在固化后具有足够的强度和稳定性。

- 纤维材料：选用Toray T700碳纤维用于缠绕和FPP工艺。这种碳纤维具有高强度、低密度等优良性能，能够满足储氢罐对材料强度和重量的要求。

- 纤维缠绕技术

- 纤维缠绕是一种成熟的制造技术，其原理是将经过树脂浴的预浸渍纤维带或连续股（“粗纱”或“丝束”）按照特定的模式缠绕在旋转的心轴上。在缠绕过程中，通过精确控制缠绕轴和平移滑架轴的相对速度，可以实现不同的缠绕角度，从而形成具有特定性能的层压板结构。树脂基体在其中起到了关键作用，它确保了复合材料在固化后能够充分粘结，形成一个坚固耐用的结构。

- 详细介绍了压力容器中常见的纤维取向类型，包括低角度螺旋（LAHL）、高角度螺旋（HAHL）和“环向”（HOOP）模式。LAHL模式的角度通常在8 - 15°之间，HAHL模式的角度在15 - 80°之间，HOOP模式的角度在80 - 89°之间，这些角度都是相对于罐体的纵向轴而言。为了提高生产效率，在制造较大批量的产品时，可以增加纺锤的数量。同时，通过使用机器人系统自动化产品转换过程（如装载和卸载），能够有效缩短生产周期，提高生产效率。此外，采用预浸渍纤维（towpreg fibers）还可以进一步提高生产速度，减少缠绕时间。

- 纤维贴片放置技术

- FPP技术的工艺流程较为复杂。首先，将干纤维带（含粘结剂）或预浸带输入系统。接着，由自动切割单元利用超声波刀将纤维带切割成特定长度的贴片。在切割完成后，第一检查相机立即对贴片质量进行检查，如果发现贴片存在诸如起伏、边缘磨损等偏差或缺陷，这些贴片将被筛选出来，不会进入后续流程。合格的贴片会通过皮带被输送到带有专用夹具的放置机器人处。该夹具由柔性材料制成，能够很好地适应工具表面的形状。当机器人通过真空吸盘拾取贴片后，第二相机将对贴片在夹具上的位置进行检查，系统会自动纠正任何可能出现的偏差，以确保贴片能够按照预定计划准确放置。根据胶带材料的不同，夹具内的加热单元（用于干纤维）或外部红外加热站（用于预浸带）会对贴片的粘性进行调整，以达到最佳的放置效果。最后，贴片将被直接放置在固定或可移动支架上的工具上，该工具通常是一个旋转轴，用于接收内衬组件进行贴片操作。

- 本项目中的演示器是在Cevotec的FPP能力中心的SAMBA Pro制造系统上制造的。为了实现该技术的工业化应用，Cevotec正在开发一种专门用于压力容器增强制造的FPP制造系统。SAMBA Pro PV系统是一个专门用于压力容器增强的纤维贴片放置系统，它由2个6轴放置机器人、2个自动进料和切割单元以及一系列相关辅助设备组成。其中，自动进料和切割单元能够提供经过质量检查的纤维贴片给放置机器人进行拾取和后续放置操作。在放置过程中，放置单元会在贴片被放置到夹具上后进行第二次检查，以确保贴片的精确位置，从而实现整个贴片放置过程的全自动化。该系统还配备了一个旋转轴，该轴上设有可调节长度的工具架，能够适应不同尺寸的压力容器。此外，系统中的材料存储区域具有温度控制功能，能够确保材料的性能稳定。同时，系统还配备了一个外部红外加热系统，用于在贴片放置之前对贴片进行预处理，提高贴片的粘性和贴合效果。整个系统的设计经过精心优化，能够确保在容器内衬上实现快速的贴片放置周期，同时保持对不同内衬和容器尺寸的灵活性，并且可以与现有生产线无缝集成。

4. 储氢罐优化设计

- 概念设计

- Type 4压力罐概念：所选用的压力容器基于Type 4压力罐的基本设计理念，它包含一个内部的热塑性内衬，用于有效地容纳氢气，以及一个外部的复合壳，用于承受载荷并提供冲击保护。在容器的两端，还安装有两个铝制凸台，这些凸台的作用是方便连接氢气管道。在设计过程中，充分考虑了CIKONI在复合压力容器概念设计方面的丰富行业知识以及相关的国际标准和规范。

- 穹顶局部增强：由于纤维缠绕过程本身是连续的，传统的缠绕方式要求每层都要完全包裹在内衬周围，这导致在圆柱部分大量的螺旋层存在，使得纤维材料的利用效率不高。虽然这些螺旋层能够防止穹顶区域的失效，但在圆柱部分它们的机械强度却未得到充分利用，从而造成了不必要的重量和成本增加。通过在穹顶部分引入FPP层，可以有选择性地省略圆柱区域的一些螺旋层，根据容器的最优应力状态来设计层压板。这样一来，不仅能够降低容器的重量和成本，还能够提高材料的利用效率。

- 工程方法：在项目初期，首先基于湿缠绕材料特性创建了一个较为稳健的设计。在这个过程中，利用了CIKONI内部的软件和方法，选择了符合国际压力容器标准的爆破压力安全系数为3.0，并采用了非测地线纤维缠绕路径。这种路径选择有助于更全面地利用材料的性能。在创建了参考设计之后，通过详细的有限元分析，对那些可能被消除或修改的层进行了深入研究。根据分析结果，将穹顶增强层压板的FPP贴片准确地定位在容器表面，以应对由于省略螺旋层而导致的应力变化。由于整个模型较为复杂，在后续的实验迭代过程中，对一些材料特性和分析区域不得不进行假设和校准。

- 应力分析

- 对储氢罐进行应力分析是优化设计的关键环节。由于复合材料具有复杂的、与方向相关的机械性能，其在纤维方向和横向方向的失效行为存在差异，因此需要对复合材料和压力容器的特性有深入的了解。在考虑到制造工艺参数（如几何形状和工艺参数）对复合材料性能的影响时，这种复杂性进一步增加。特别是在引入FPP穹顶增强技术后，对设计的分析变得更加复杂。

- 在应力分析过程中，通过有限元分析方法，对压力容器在不同工况下的应力分布情况进行了详细研究。重点关注了穹顶区域的应力状态，因为该区域在整个容器结构中是应力较为集中的部位。为了优化设计，确定了需要调整的关键部位，例如需要调整低角度和高角度螺旋层的顺序，以减少穹顶区域的弯曲力矩，从而提高容器的整体性能。

- 优化结果

- 通过一系列的优化设计措施，最终实现了显著的优化效果。在圆柱部分，层压板的厚度相比优化前减少了22%，然而在模拟预测中，爆破压力却保持不变。从整体来看，容器的质量降低了15%，这对于提高储氢罐的性能和效率具有重要意义。此外，优化后的设计还提高了容器的储氢效率。在相同的外部尺寸条件下，与参考容器相比，储氢效率提高了17%，这意味着在相同的空间内能够储存更多的氢气，提高了储氢罐的使用价值。

5. 测试与验证

- 测试方法

- 按照EN12245:2009 + A1:2011标准进行液压爆破测试。测试环境严格控制，在环境条件下进行测试，同时确保圆柱体的外表温度严格保持在低于50°C的范围内。加压速率也有明确规定，不超过10 bar/s，并且测试持续时间至少为40秒。在测试过程中，密切关注并记录最大压力，将其定义为爆破压力，同时对爆破压力、失效类型和时间 - 压力曲线进行详细监测。

- 测试过程在一个封闭的室内进行。首先，将圆柱体充满水至最大容量，然后使用泵以受控的速率逐渐对流体进行加压。在测试要求方面，规定最小爆破压力必须超过测试压力的两倍，也就是工作压力的三倍（本项目中工作压力为300 bar，所以最小爆破压力应为900 bar）。此外，要求爆破必须发生在圆柱部分，并且内衬最多分解为三块。

- 测试结果

- 进行了三次不同迭代的测试（包括对演示器容器的爆破测试），每次迭代都生产三个容器进行测试，以确保测试结果的准确性和可靠性。参考容器v00完全采用纤维缠绕工艺，并已经过测试。后续的迭代容器v01、v02和v03则是在采用FPP进行穹顶增强之后，再进行纤维缠绕。

- 在第一次迭代v01中，实现了27%的CFRP材料节省，但爆破压力仅达到所需爆破压力的79%。在第二次迭代v02中，实现了22%的CFRP材料节省，但爆破压力仅达到所需爆破压力的91%。在第三次迭代v03中，通过优化模拟结果以及对层压板在纤维缠绕（FW）和纤维贴片放置（FPP）方面的调整，实现了15%的CFRP材料节省和平均108%的爆破性能提升。同时，储氢效率也达到了6.1%，相比参考容器的5.2%提高了17%。这些测试结果表明，随着迭代次数的增加，容器的性能逐渐优化，最终达到了项目预期的目标。

6. 结论与展望

- 技术优势

- FPP技术与纤维缠绕技术的结合为储氢罐制造带来了多方面的优势。首先，通过优化设计和工艺，实现了容器的减重。在穹顶部分应用FPP技术进行局部增强，减少了不必要的螺旋层，从而降低了容器的重量。其次，成本得到了有效降低。由于材料使用量的减少，直接降低了材料成本，同时也减少了生产过程中的能源消耗和设备损耗等间接成本。此外，容器的性能得到了显著提升。在保持或提高爆破压力的同时，提高了储氢效率，使得在相同的空间内能够储存更多的氢气，提高了储氢罐的使用价值。而且，材料节省带来的另一个重要好处是减少了二氧化碳排放。假设每个容器使用的碳纤维重量为75kg（以中型商用车辆使用的容器为例），每年生产10,000个容器，如果采用这种技术能够实现材料节省，那么每年仅这一个产品线就能够节省9吨碳纤维。由于制造1千克碳纤维大约会产生26千克的二氧化碳排放，所以每年能够减少234吨的二氧化碳排放，这对于环境保护具有重要意义。

- 应用前景

- 这种创新的技术方法不仅适用于新开发的压力容器类型，还可以用于优化现有产品。对于新开发的产品，可以从一开始就采用这种优化设计和工艺，提高产品的性能和竞争力。对于现有产品，可以通过对其进行改造和升级，应用这种技术方法来提高其性能和效率，延长其使用寿命。这为未来高性能、可持续的压力容器制造提供了一种可行的技术路线，有助于应对碳纤维可能短缺的问题，推动复合罐制造业朝着更加高效、可持续的方向发展。

来源：气瓶设计的小工程师

一种实现了更安全、更经济的氢燃料加氢站的综合设计方法

这篇论文《AnintegratedapproachforsaferandeconomicaldesignofHydrogenrefuelingstations》发表于InternationalJournalofHydrogenEnergy作者是NileshAde、BenjaminWilhite和HenryGoyette。论文提出了一种综合模型，用于设计更安全、更经济的加氢站，该模型考虑了加氢站设计中的关键因素，如安全性、经济性和人口变化等，并通过实例验证了模型的有效性。图1HRS设计的集成模型研究背景随着对替代能源需求的增长，氢因其在车辆应用中的零排放潜力以及支持燃料电池电动汽车（FCEV）的基础设施发展而受到关注。全球FCEV销量在增加，加氢站（HRS）的部署也在推进，但氢经济发展受到安全事故的阻碍，如2019年挪威加氢站爆炸事件该事件导致3人受轻伤，10个周边国家的加氢站被暂时关闭，丰田和现代也暂停了向挪威交付FCEV。目前HRS设计主要考虑经济因素和通过定量风险评估（QRA）来满足相关规范标准，但早期设计阶段缺乏安全视角可能导致过度设计，影响经济性。研究目的提出一种综合模型，用于设计更安全和经济的加氢站，该模型要考虑到设计、安全和经济之间的关系，并评估人口变化对风险的影响。研究对象加氢站（Hydrogenrefuelingstations，HRS）的设计及相关安全和经济因素。研究方法1.综合模型构建排队理论子模型基于顾客到达模式和服务时间的概率分布来估计加氢站的需求和人口分布。将氢dispenser视为服务器，顾客到达假设为指数分布模式，服务时间（填充时间和非填充时间之和）也假设为指数分布。以一个基础设计为例，设定填充时间为5分钟（依据SAEJ2601加油协议），非填充时间为3分钟，得出平均服务时间为8分钟，加氢站配备2个dispenser，根据一天中汽油小时需求的变化来估计顾客到达率，进而得到顾客分布情况。计算时还考虑每辆车有单个司机，加氢站有2名员工以及相邻便利店有2名顾客等因素来估计总人数，同时根据每辆车剩余燃料和容量情况计算加氢站的所需容量。图2离散客户到达概况，最多6辆车到达过程合成子模型根据排队理论子模型得到的容量和设定的操作条件，确定关键设备的尺寸和物流流量。所考虑的HRS过程是通过低温液态油罐车供氢，氢气存储在绝热液氢储存罐中，经低温泵输送到汽化器，汽化后的氢气存储在缓冲罐中，再供应给dispenser。在模型中，假设液体物流密度恒定，气体物流密度通过Abel-Nobel方程计算。根据所需卸载时间确定液体储存罐的填充流量，考虑部分氢气从液体储存罐排出以防止超压，根据所需填充时间确定dispenser的操作流量，通过质量平衡计算将整个过程分为液体储存罐到缓冲罐以及缓冲罐到dispenser两个阶段来确定设备尺寸和流量。图3排队理论在HRS（容量为300kg/天）基础设计中的应用。定量风险评估子模型（QRA）基于HyRAM方法，结合NFPA2性能要求，考虑爆炸和喷射火两种危险场景，评估风险。对于爆炸场景，假设HRS有地下管道网络，而通风管和dispenser软管在地上，需进行QRA。根据过程合成子模型得到的流量和密度以及排队理论子模型得到的人口分布，将危险情况分为不同泄漏比例（0.01%、0.1%、1%、10%和100%）的5种场景。对于爆炸，采用TNO多能量模型计算泄漏氢气量、爆炸能量、超压和冲量，进而通过probit方程计算死亡概率，结合设备故障概率和事件概率得到潜在生命损失（PLL），最终根据平均个人风险（AIR）为$10^{-6}$致命ities/年评估风险距离。对于喷射火，采用Houf和Schefer模型，先计算氢气泄漏速度，再根据一系列物理参数计算火焰维度、密度、辐射功率等，进而计算热辐射通量和热剂量，最后通过probit方程计算死亡概率和风险距离（考虑轴向和径向距离）。图4描述主要设备的HRS工艺流程图。经济分析子模型基于设备尺寸和人口分布，估计加氢站的盈利能力，包括总资本投资、年运营成本、毛利润和年回报率等。设备成本根据化学工程工厂成本指数（CEPCI）进行估算，经济损失考虑了顾客排队等待时间。总资本投资通过对各个设备（如低温泵、汽化器、缓冲罐、dispenser等）成本的计算累加得到，年运营成本包括油罐车运输次数相关成本、储存罐租赁成本、维护成本、电力成本、租金等，年回报率通过计算总收入、税收、毛利润等得出。2.模型应用与分析将综合模型应用于一个基础的加氢站设计，通过改变设计变量（如液体储存容量、dispenser软管直径、dispenser压力和汽化器出口温度），采用本质更安全设计（ISD）理念，研究其对风险距离和加氢站经济的影响。对每个变量在一定范围内（5-20%）进行参数分析，观察其相对影响。对QRA结果进行不确定性分析，考虑人口变化和设备故障率的影响。通过对一天中不同时间的风险距离评估来研究人口变量的影响，通过计算爆炸和喷射火危险情况下风险距离的误差界限（分别对应5%、50%和95%的故障频率）来评估设备故障率的影响。图6a：ISD替代方案对HRS经济的影响。b:ISD替代方案对爆炸风险距离的影响。c:ISD替代方案对喷射-火灾风险距离的影响。研究结论1.综合模型有效性综合模型能够综合考虑加氢站设计中的多个因素，通过应用ISD理念，可以找到既能提高安全性又能兼顾经济性的设计方案。2.设计变量影响减少液体储存容量可使爆炸风险距离大幅降低，同时因存储过量液氢成本较高，减少储存量反而会使加氢站经济性略有提高；减少dispenser软管直径能显著降低喷射火风险距离，但会因填充时间增加导致顾客排队时间变长，对加氢站经济性有轻微损害。减少dispenser压力和增加汽化器出口温度也会降低喷射火轴向风险距离，但都会对加氢站经济产生不利影响，且会使填充时间偏离SAEJ2601协议推荐值。3.不确定性分析结果人口变化对爆炸和喷射火的风险距离影响不显著，而设备故障率对QRA模型的认知不确定性贡献较大，在爆炸风险距离评估中，由于罐通风口故障频率变化大，这种影响更为明显。图7ISD备选方案对一天内风险距离的影响4.模型验证对于基础设计，经济子模型得出的结果（约200万美元资本投资，300kg/天的容量）与过去研究相符，安全分析表明dispenser对顾客和员工有显著风险，这与其他相关研究结果一致，通过综合模型得到的风险距离（爆炸小于40m，喷射火小于200m）也与过去基于QRA的HRS设计研究结果相符，且与其他能源载体的加油站风险距离相当，说明HRS相对于传统能源载体的加油站可能不会带来额外风险。研究创新点1.综合考虑多因素所构建的综合模型全面整合了排队理论、过程合成、QRA和经济分析，系统地考虑了加氢站设计中的安全性、经济性以及人口变化等多个关键因素及其相互关系，为加氢站设计提供了更全面的视角。2.应用本质更安全设计理念将本质更安全设计理念创新性地应用于加氢站设计过程中，通过改变不同的设计变量，深入研究其对风险距离和经济可行性的影响，为加氢站的安全设计提供了一种新的、系统的方法和思路。3.考虑人口变化的影响在定量风险评估中充分考虑了人口变化这一因素的影响，通过敏感性分析和误差界限评估等方法，更准确地分析了人口变化对风险距离的影响，从而提高了模型的准确性和实用性。研究局限性1.经济分析子模型精度有限经济分析子模型在加氢站设计的早期阶段是适用的，但随着设计过程的推进，当有更多详细设计信息（如加氢站位置、氢源位置、设备供应商成本、当地氢需求的时间变化等）可用时，该模型可进一步改进。可以采用更准确的经济分析方法，如HOMER软件，或美国能源部提供的平台（HRSAM和HDSAM）以及其他独立的经济建模方法（CHREC和HSCM）。2.未考虑部分风险模型没有考虑液态氢从油罐车转移到储存罐过程中的风险，由于这是一个瞬态操作，可能具有较高风险，减少液体储存容量可能会增加转移操作次数，导致风险从储存罐转移到油罐车，增加整体风险。此外，模型也未考虑人为错误和过程偏差对风险的影响，而实际上约70%的氢相关事故是由人为和组织因素导致的。3.风险评估存在不确定性QRA子模型在评估爆炸和喷射火的风险距离时存在不确定性，主要是由于设备故障率的认知不确定性。可以通过使用特定场地的故障率数据，识别与QRA问题相关的故障模式，以及考虑操作和天气等条件对不确定性的影响来降低这种不确定性。来源：气瓶设计的小工程师