航空业氢燃料存储技术综述：现状、挑战与展望
“A survey on hydrogen tanks for sustainable aviation” 聚焦航空业氢燃料存储技术，鉴于航空碳排放问题严峻，氢燃料因能量与环保优势备受关注，但存储技术是应用关键。文章详述机载氢存储各方面，对比气、液态氢存储，涵盖材料、制造、设计分析等内容，探讨氢脆问题与提升效率途径，介绍相关项目，评估特定储罐技术，为航空业氢燃料应用提供全面参考。
可持续航空用氢气罐的调查
航空业的氢燃料存储挑战与机遇
航空业现状与氢燃料的兴起：航空业对全球经济至关重要，但面临严重环境问题，其碳排放虽占比目前约 3 - 4%，但增长趋势明显。为实现可持续发展，氢燃料成为研究热点，其供应潜力大且燃烧不产生二氧化碳，但在生产、存储和应用方面存在诸多挑战，如不同生产方法的碳排放差异、机场设施改造需求等。
氢燃料在航空史上的应用：氢在航空领域早有应用，从早期飞艇到现代飞机的研发项目，如美国、苏联及欧盟的相关项目，这些实践为氢燃料在航空业的进一步应用积累了经验，同时也凸显了技术和后勤保障方面的难题。
图1氢燃料飞机布局的变化：（左）机翼内储存燃料的常规动力飞机；（右）氢燃料飞机，尽量减少表面体积比，以限制热交换和应力浓度。
机载氢存储技术
飞机布局考虑
总体布局：氢燃料飞机因氢的能量密度特性，在布局上与传统燃油飞机显著不同。氢储罐需特殊设计以满足隔热和加压要求，通常置于机身内部，这虽限制了客货容量，但在现有技术下是较可行的方案。此外，新型飞机设计概念如 BWB 和 HWB 虽有优势，但商业应用尚需时日。
储罐结构类型： integral 储罐与机身结构集成，能高效利用空间且便于检查，但对设计和制造要求高；non-integral 储罐结构相对独立，便于模块化设计和维护，但在空间利用效率上稍逊一筹。
存储效率：存储效率是衡量氢储罐性能的关键指标，通过 gravimetric efficiency（eta_{tank）和 storage system gravimetric efficiency（eta_{system}）来衡量。提高存储效率可通过增加单位储罐重量的储氢量或减轻储罐重量实现，这对氢燃料飞机的性能和经济性至关重要。
图2整体VS非整体储罐：（左）机身结构作为储罐结构的一部分来储存燃料；（右）非整体储罐，储罐结构与飞机分离并与其他系统固定在飞机上。
气态氢存储
特点与应用场景：气态氢存储需高压（350 - 700 bar）以提高能量密度，其储罐在常温下工作，虽降低了热管理复杂性，但高压要求导致储罐重量大，gravimetric efficiency 低，通常适用于小型飞机或对航程要求不高的应用场景。
材料与制造：材料包括复合材料（如 CFRP、GRP）和金属（如钢、钛、铝），复合材料储罐常需内衬防止氢气泄漏。制造工艺涉及内衬制作、纤维缠绕、安全测试和组装等环节，filament winding 是常用制造技术，Automated Fibre Placement（AFP）则是更先进的制造工艺。
设计与分析方法：设计需兼顾安全性和轻量化，常见形状为球形和圆柱形，同时研究者也在探索 toroidal、super ellipsoids 等新型形状。数值模型（如有限元法）在设计中广泛应用，用于预测储罐结构响应和损伤情况，不同的 damage models 被用于描述复合材料在复杂工况下的失效行为。
液态氢存储
优势与挑战：液态氢存储能显著提高体积能量密度，降低储罐结构质量，使 gravimetric efficiency 可达 50%及以上，但需极低温度（约 20 K），这带来了严重的热管理和隔热挑战，同时还需考虑氢的蒸发（boil-off）问题。
材料与隔热：储罐材料需具备高强度、低渗透性等特性，铝和复合材料是主要候选材料。隔热是关键，常用方法包括 multilayer、vacuum 和 foam insulation，未来 aerogels 也有应用潜力，不同隔热方法在导热性、密度和成本等方面各有优劣，需综合考虑。
系统设计要点：液态氢存储系统需配备专门的燃料输送和热管理系统，将液态氢转化为气态氢并控制温度后注入燃烧室。储罐设计还需考虑与飞机系统的集成，利用氢的冷却能力提高系统效率，同时要确保管道和周边设备能耐受低温。
图4 不同类型压力容器的储罐质量与储存的GH2燃料的对比图。
表4储罐壁施工的候选材料。
氢脆问题与储罐效率提升
氢脆现象及影响：氢脆是氢存储中的关键问题，氢分子在拉伸应力下易渗透金属材料，导致材料屈服应力和延展性下降，增加材料断裂风险，影响储罐安全性和可靠性，多种金属材料如钢、钛等易受氢脆影响，而铝等材料相对较耐氢脆。
图5多层绝缘层示意图。它采用了多种垂直的热辐射屏蔽，如反射箔，金属辐射屏蔽，和绝缘材料，如玻璃纤维，丝绸组织，或聚酯。
提升储罐效率的方法
新型材料应用：研究聚焦于石墨烯、碳纳米管（CNTs）、金属 - 有机框架（MOFs）和空心玻璃微球（HGMs）等材料。石墨烯可与其他材料复合提升储罐性能；CNTs 具有高储氢潜力但仍处于研发阶段；MOFs 能通过物理吸附高效储氢且可调控吸放氢过程；HGMs 可降低储罐重量，但存在加热耗能等问题。
图6真空绝缘系统示意图，其中连接到通风系统的真空护套隔离低温罐
结构健康监测（SHM）：为降低安全系数、提高储罐效率，可采用 SHM 系统。该系统面临低温和热循环等挑战，目前研究集中在寻找合适的传感器材料（如 PZT、optical fibres）和优化传感器布局，以实现对储罐结构的有效监测。
图7泡沫绝缘罐示意图，其中由于i）外墙；ii)绝缘泡沫；iii)内壁。
氢航空相关项目与储罐技术评估
项目进展： 多个政府和企业资助的项目正在推进氢燃料在航空领域的应用，如 Airbus ZEROe、Universal Hydrogen、H2FLY 等公司的项目，涵盖了飞机设计、氢存储系统开发、发动机改造和基础设施建设等方面，目标是在未来实现氢动力飞机的商业化运营。
表5过去和正在进行的航空氢项目摘要
储罐技术评估： passively insulated cryogenic composite sandwich pressure vessels 被认为是近期较有潜力的技术。其结构由内铝衬、隔热层和复合外壳组成，在几何形状、集成策略和性能评估方面需综合考虑应力分布、热管理、gravimetric efficiency 和 boil-off rate 等因素，通过优化绝缘层厚度等参数可提升储罐性能。
图8被动绝缘低温复合材料夹层压力容器的概念设计
研究总结与展望
氢燃料存储技术是氢动力航空应用的关键瓶颈，解决该问题需要综合运用多种技术和材料创新，深入研究氢脆现象和应用 SHM 技术。液态氢存储及相关复合材料技术在未来航空业具有重要应用前景，同时需要政府、研究机构和企业协同合作，推动氢动力飞机在商业运营中的应用，实现航空业的可持续发展。
