交通运输领域压缩氢气储罐材料、制造、设计和开发的工业前景与挑战综述
本文来源：A Review on Industrial Perspectives and Challenges onMaterial, Manufacturing, Design and Development ofCompressed Hydrogen Storage Tanks for theTransportation Sector；
摘要：
氢燃料电池技术正在先进交通和能源革命中占据一席之地，工程师们在寻求脱碳的过程中探索着多条路径。氢燃料电池汽车的可行性尤其依赖于安全、轻量化且具有成本竞争力的储氢解决方案的开发。在数百辆原型车展示之后，如今商用氢燃料罐正处于市场引入的初级阶段，采用复合材料结构。然而，生产率仍然低下，成本高昂。本文旨在深入探讨交通领域氢存储解决方案的发展现状，涵盖不同交通部门的当前应用，重点关注其各自的需求。此外，本文还探讨了生产具有经济吸引力的复合罐的努力，讨论了材料选择和制造实践方面的挑战，以及研发团队所追求的前沿趋势。文中还讨论了氢燃料罐设计和分析中的关键问题。最后，由于测试和认证要求在行业接受度中起着至关重要的作用，本文也对其进行了探讨。
点评：摘要清晰概述了研究背景、核心问题及文章结构。亮点在于明确指出复合材料储氢罐的市场现状（初期阶段、高成本），并强调材料、制造、设计、测试等多维度挑战，为全文奠定技术经济双视角的分析基调。
关键词：氢；储存；运输；纤维缠绕
点评：关键词精准定位研究领域，“纤维缠绕” 突出制造工艺重点，与后文大量技术细节呼应。
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。在旨在减轻化石燃料燃烧产生的温室气体排放所造成的环境影响的背景下，可持续和创新的燃料及动力系统不断涌现并走向成熟。我们的能源供应系统的演变似乎包含了以清洁能源和零排放车辆为中心的不同且非排他性的移动解决方案。
以氢为动力的燃料电池（FC）电动汽车已引起全球关注，被认为是交通脱碳的可行绿色替代方案。氢已被公认为一种先进的能量载体，提供清洁和循环利用，且供应无限。迄今为止，已有多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化物储氢。
储氢系统曾经是限制氢能广泛应用的技术障碍，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。如今的氢燃料罐是完全商业化和精密的产品，并且处于一个竞争非常激烈的市场。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。本文追溯了这一新兴技术的最新发展现状，从而抓住其在多个交通相关部门的主要应用和工业前景。它还涉及与材料选择、制造和成本相关的特殊性，这些材料选择、制造和成本是通过纤维缠绕生产复合罐的关键。设计和认证过程也被涵盖其中。
点评：引言部分构建了 “环境压力→技术需求→储氢关键作用” 的逻辑链。值得注意的是，文中将储氢系统从 “技术障碍” 到 “关键技术” 的转变，凸显其产业重要性。对学术与工业双重挑战的提及，预示后文将兼顾理论研究与工程实践。
2. 交通领域压缩氢罐的应用
氢燃料电池在交通领域的应用为一个仅自身就占温室气体排放最大份额的活动部门的脱碳提供了巨大的可能性。这对低碳燃料选择有限的部门，如航空和海运部门来说尤其有吸引力。本综述仅讨论近几十年来面向应用的发展，重点介绍当前的研究和开发（R&D）趋势。
点评：段落作为章节引言，点明交通领域脱碳的紧迫性，特别指出航空、海运等 “硬骨头” 领域，体现研究的现实针对性。
2.1 轻型车辆
包括汽车、公共汽车和卡车在内的公路运输占交通部门温室气体排放量的四分之三。如今，氢燃料电池轻型车辆正处于商业化的早期阶段，世界各地的不同汽车制造商推出了多种车型，以取代内燃机车型。然而，这些车辆的销售成本尚不具竞争力，基础设施问题如缺乏分散的加氢站网络，成为燃料电池车辆广泛商业化的制约因素。
丰田、现代和本田是乘用车燃料电池的领先制造商，表 1 比较了它们最畅销车型的各种技术规格。它们都采用了复合材料罐（IV 型分类，如第 3.1 节所述并如图 1 所示），这些罐已证明有能力解决车载压缩氢储存所带来的技术问题，并且在考虑技术成熟度、重量效率和成本时，是目前行业的选择。这种配置由一个完全包裹着纤维缠绕层的薄聚合物衬里组成。最先进的车载储氢技术在高压下运行，压缩氢气通常储存在 35 或 70 兆帕的压力下。
表1.三种最畅销的FC车型规格对比
点评：以数据（75% 排放占比）强调公路运输脱碳重要性，通过具体车企案例和技术参数（如 35/70MPa 压力）展现产业进展。IV 型罐的技术优势（重量、成本、成熟度）与实际应用结合紧密。
2.2 重型车辆
重型市场在氢燃料电池的应用方面也显示出巨大的潜力，尽管它呈现出不同的运行条件和驾驶循环。这些车辆对功率输出有更高的要求，同时对耐久性和燃油效率也有更高的要求。虽然用于典型短途低速行驶的轻型乘用车可以使用电池和增程器装置，但长途重型车辆如卡车和公共汽车则需要更高的利用率，并且很可能需要氢气。
图2 现代Nexo氢气罐的剖面图
随着许多主要城市中心计划禁止柴油卡车，曼恩、斯堪尼亚、VDL 和现代等多家车辆供应商已经开发了氢燃料电池卡车。燃料电池电动卡车车载储氢的设计空间评估表明，采用 IV 型罐来满足不同市场部门的续航需求是可行的，同时探索了不同的工作压力和车辆包装。
燃料电池公共汽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，特别是由于实施了多个政府行动和资助项目。这包括欧洲 CUTE（欧洲清洁城市交通）公共汽车项目、美国国家燃料电池公共汽车项目、韩国氢经济路线图等。车载储罐通常储存在公共汽车的车顶上，更高的空间可用性允许在 35 兆帕的压力下储存，从而降低储罐和压缩成本。表 2 描述了不同主要制造商开发的燃料电池公共汽车的技术规格。
表2.欧洲城市目前使用的FC公交车主要特点概述[30]。
点评：对比轻重型车辆需求差异，突出重型车对氢能的必要性。通过政策案例（如欧洲 CUTE 项目）和技术参数（车顶储氢、35MPa）体现应用场景适配性，数据与案例结合较好，但可补充更多区域市场差异分析。
2.3 管式拖车
高压管式拖车是氢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，广泛的加氢站可用性成为高效运行的关键问题。如今，现有的管道基础设施非常有限，主要集中在大型工业用户，如炼油厂和化肥厂。管式拖车的使用为距离生产地点（小于 100 英里）合理距离的低需求客户和加氢站提供了一种更经济的运输方式。这一策略在早期广泛部署加氢站方面发挥了重要作用，因为它需要较低的初始资本投资，从而优化了与气体压缩和储存相关的成本。
典型的管式拖车使用捆绑成 6 至 15 个一组的长压力容器，它们的出口被汇流在一起。这些压力容器可以由钢或复合材料制成。钢制管式拖车（使用 I 型罐）是一种更常见的配置，尽管可能会应用限制其容量的道路重量限制。它们的最大氢气有效载荷约为每辆拖车 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低重量的解决方案，尽管成本更高。III 型和 IV 型配置都已被采用，它们可以交付超过 1000 公斤的有效载荷。
在全球范围内，有几个关键工业参与者参与了通过管式拖车输送气态氢的活动。空气产品和化学公司可能是领先的公司，它与美国运输部（DOT）以及欧洲城市氢运输（HyTEC）项目合作，开发和验证了复合管式拖车。它运营着不断增长的管式拖车车队，在高压下输送大量氢气。ILJIN HYSOLUS 是现代 Nexo 氢燃料罐的执行供应商，其 IV 型氢管式拖车已获得全球认证。川崎集团在其国家研究开发机构 NEDO 的支持下，开发了日本第一辆使用 III 型复合气瓶的氢管式拖车。其氢管式拖车的工作压力为 45 兆帕。
点评：详细拆解管式拖车的技术分类（钢 / 复合材料、I/III/IV 型罐）、载荷能力及区域案例（美 / 欧 / 日企业），物流成本与技术优势结合紧密。但对复合材料拖车的成本劣势与环保效益的平衡分析不足。
2.4 加油站
可靠的加油基础设施的发展是交通领域使用氢能的基石。压缩、储存和分配是气态氢加注过程的关键阶段，直接影响客户支付的最终燃料成本。在加氢站中，储存系统不仅在日常运营中局部储存压缩气体，解决燃料供需不匹配的问题，而且在加速加注过程和避免压缩机频繁启停方面也发挥着作用。
加氢站的设计有不同的可能方法，特别是储存系统可以采用两种类型，即缓冲储存和级联储存。两者通常都使用多个压力容器组，尽管也可以找到单罐配置。在缓冲储存中，所有燃料储存缸始终连接在一起并保持相同的压力。在级联储存中，气体通常被分为低压、中压和高压三级的储层，在车辆加注过程中，车载储罐按压力升序依次连接到不同的储层。级联储存系统在高压加注场景中显示出较低的能耗，而缓冲储存可能呈现较短的加注时间。
储存罐是加氢站的核心元件。考虑到为工作压力为 70 兆帕的轻型车辆加注，级联系统中的高压储存通常可以在 90-100 兆帕的压力下进行，从而确保短加注时间所需的充电压力差。在如此高的工作压力下，II 型（通常是用碳纤维增强的钢）或 IV 型罐是常见的选择，因为 I 型罐成为不经济和沉重的选择，而 III 型可能由于大量的加注循环而容易疲劳。低压（约 20 兆帕）和中压储存（约 40 兆帕）可使用 I 型钢罐。
点评：深入解析加氢站储存技术（缓冲 / 级联）的原理与优劣，结合压力参数（如 90-100MPa 高压储存）和罐型选择（II/IV 型为主），技术细节丰富。若能补充实际站点运营数据（如能耗对比）会更具说服力。
2.5 铁路
传统的使用柴油推进系统的机车一直是工业化国家铁路运输的基础，无论是货物运输还是客运。然而，燃料电池驱动的机车被认为是实现快速和持续脱碳的有前途的环保选择。燃料电池火车和电车预计在长距离和高功率需求的场景中表现特别好，并且与接触网电动和混合柴油电动配置相比，基础设施成本可能更低。
第一台功能性氢燃料机车是 2002 年在魁北克省 Val-d'Or 展示的 3.6 吨 / 17 千瓦地下采矿车。它使用 3 公斤金属氢化物储存，是美国和加拿大政府与一家后来名为 Vehicle Projects LLC 的私营公司合作项目的一部分。作为最初的关键发展里程碑，在 2006/2008 年，东日本铁路公司在实际服务线上试运行了一辆混合动力客车（一节车厢，130 千瓦 FC 系统 / 19 千瓦时电池，储存的气态氢为 35 兆帕）；2006 年，日本铁路技术研究所以及美国 / 意大利的 Nuvera 燃料电池公司制造的 FC 轨道车进行了运行测试（两节车厢，120 千瓦 FC 系统，36 千瓦时电池 / 18 公斤气态 H₂储存于 35 兆帕）。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铁路应用的燃料电池电池混合开关机车原型（130 吨，240 千瓦 FC 系统 / 最大功率 1.2 兆瓦，70 公斤 H₂在 35 兆帕下）。
最近，阿尔斯通推出了世界上第一辆由氢燃料电池驱动的客运列车 Coradia iLint（图 2），开创了可持续交通解决方案。2018 年，这辆两节车厢的车型在德国投入商业服务，从那时起，iLint 已经在奥地利、荷兰和瑞典成功进行了试运行。东日本铁路公司在 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 2021 年进行试验，2024 年商业化。西门子正在开发 Mireo，这是一种计划与巴拉德合作的燃料电池变体。巴拉德计划提供两个 200 千瓦的燃料电池模块，安装在一辆两节车厢的客运列车上，在巴伐利亚进行试运行。斯塔德勒正在生产美国第一辆氢动力列车，预计 2024 年在加利福尼亚州圣贝纳迪诺县投入使用。TIG/m 目前正在向迪拜和阿鲁巴政府提供世界上第一批使用氢燃料电池技术推进的市政电车。自 2012 年以来，已经交付了三辆混合电池 / 燃料电池车辆。现代 Rotem 宣布进入氢火车市场，目前正在为蔚山市的城市铁路网络开发韩国第一辆氢动力轻轨车辆。
目前的氢动力客运列车项目采用了不同的车载储存系统解决方案。压缩气态氢系统是最常见的，工作压力值在 30 到 70 兆帕之间。市场可用性和低成本重型车辆的成功应用使 35 兆帕系统成为铁路中最常用的配置，实现了约 1000 公里的续航里程。例如，阿尔斯通的 Coradia iLint 使用了由 Xperion 制造的 24 个车顶安装的 35 兆帕 IV 型气瓶。斯塔德勒的项目将使用由 Hexagon 提供的 35 兆帕 IV 型罐。英国第一辆全尺寸氢动力示范列车 HydroFLEX 项目使用了 36 个 Luxer III 型氢罐。东日本铁路公司和丰田的合作计划使用 70 兆帕 IV 型罐。
点评：从早期采矿车到现代客运列车，梳理铁路氢能应用的技术演进。案例覆盖多国家（德 / 日 / 美 / 韩），压力参数（30-70MPa）与续航里程（1000 公里）结合，体现技术适配性。
2.6 海运
先进的氢移动性也开始渗透到海运部门，随着几个示范项目的发展。在过去的 20 年里，欧洲已经测试了各种各样的海运燃料电池项目。这些项目从不同的研究角度探讨了燃料电池技术在海运中的适用性，包括可行性调查、设计概念开发和原型演示（表 3）。
自 2000 年以来，值得注意的使用 H₂作为燃料的船舶燃料电池系统示范项目（改编自 [68]）。
点评：段落为海运部分引言，强调欧洲示范项目的多样性。
2.7 航空
全球民航业已制定了到 2050 年实现净零碳排放的长期气候承诺，氢等可持续航空燃料在其能源转型战略中发挥着重要作用，因为电池对于航空用途来说仍然太重。氢在航空中的预测应用可以分为两个主要方向：第一个涉及氢作为煤油的替代品用于大型飞机的燃烧，第二个涉及使用氢和燃料电池系统为小型飞机提供动力。燃料电池还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整合到航空业的可行方式。
氢和燃料电池在有人驾驶飞机上的使用的主要里程碑可以追溯到过去的二十年。2008 年，波音研究与技术公司对第一架有人驾驶燃料电池飞机 —— 钻石 DA20（改装的双座机动滑翔机，混合动力：H₂燃料电池 / 锂离子电池）进行了飞行测试。空客紧随其后，成功地将燃料电池系统应用于为空客 320 的辅助液压和电气系统提供动力，启动副翼、方向舵和其他飞行控制系统。2009 年，德国航空航天中心（DLR）开发了机动滑翔机 Antares，这是世界上第一架仅使用高性能燃料电池（25 千瓦，5 公斤 H₂@35 巴）起飞的有人驾驶飞机。由都灵理工大学协调的欧盟 ENFICA-FC 项目中开发的 RAPID 200 - 燃料电池飞机，使用完全电动混合动力系统（20 千瓦 FC，35 兆帕 H₂储存和 20 千瓦锂聚合物电池）完成了几次飞行测试，打破了电动飞机的世界速度记录。DLR 开发的四座氢燃料电池动力 HY4 于 2016 年完成首飞（9 公斤 H2，4×11 千瓦 FC 和 2×10 千瓦时电池）。
如今，几个研发小组正致力于进一步开发用于航空的燃料电池推进系统。HyFlyer 项目旨在通过优化高功率燃料电池使中小型客机脱碳。由加州初创公司 ZeroAvia 领导，与英国政府航空技术研究所（ATI）计划合作，完成了第一架由氢燃料电池驱动的商业级飞机的飞行，这是一架改装的螺旋桨派珀 M 级六座飞机，与 FC 和电池耦合。该项目将以 2023 年初具有里程碑意义的 19 座氢电动飞机 350 英里飞行结束。2021 年，通用汽车和利勃海尔航空航天公司开始联合开发用于飞机应用的氢燃料电池动力系统。该项目侧重于商用飞机，不侧重于推进，而是打算用燃料电池驱动的系统取代运行飞机电气系统的辅助动力装置。空客 ZEROe 项目公布了三种世界上第一架零排放商用飞机的概念，使用氢作为主要动力源。它们旨在利用氢燃料电池来补充改进的燃气轮机，提供一种高效的混合电力推进系统，可能在 2035 年投入使用。
燃料电池作为主要能源推进源的使用也在无人驾驶飞行器（UAV）和自主及遥控飞机中变得非常流行，能够执行越来越困难和多样的任务。燃料电池的采用减轻了传统无人机推进系统的重量，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对应物低 3.5 倍。表 4 总结了开发的氢燃料电池无人机的应用。虽然早期的研究主要集中在固定翼配置上，但如今正在研究多旋翼和直升机无人机。
3. 制造、材料与成本
各种应用的氢燃料罐已采用复合材料作为最成熟的解决方案，这些罐通常使用缠绕方法制造。缠绕制造反过来高度依赖于材料的选择；因此，研究人员不仅对树脂基体系统，而且对衬里系统也探索了多种材料选择。制造方法在传统且成熟的湿法缠绕和较新的创新型胶带缠绕之间有所不同。在缠绕设备技术方面，有几种工业选择，其区别在于纤维引导和芯轴运动的自由度程度。所有这些选择都是相互关联的，深刻影响着罐的最终制造成本，并且在规划可行的制造时必须由设计者考虑。
点评：此段为制造工艺章节的总起，点明复合材料 + 缠绕工艺的核心地位，强调材料选择与制造方法的关联性。
3.1 工业氢罐类型分类
市场上用于一般应用的压力容器采用不同的架构，目前分为五种主要类型，按数字从 I 到 IV 分类 [93,94]。随着先进氢解决方案在移动性中的日益普及，研发工作现在正追求经济高效的轻量化材料、设计和生产技术，以进一步推动氢燃料罐的发展。
图 3 和表 5 介绍了氢燃料罐子类型的分类，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额外的区别。
点评：引入罐型分类体系（I-IV 型），结合图表（图 3、表 5）暗示后文将展开技术对比。
3.2 缠绕方法：湿法与胶带法
纤维缠绕是复合材料零件的成熟制造工艺，被认为是提供相对低成本加工的最节能方法之一 [102,103]。由于速度快，它适用于大规模生产，应用于多个工业领域，可生产纤维含量高（通常大于 60%）和机械性能优异的产品。缠绕部件的常见尺寸直径可达 1.0 米，长度可达 5.0 米，但也有更大的部件 [104]。纤维缠绕特别适合于制造轴对称形状，如储罐的情况。
纤维缠绕中的树脂浸渍步骤可以在制造过程的不同阶段使用不同的技术进行。基本上有两种不同类型的纤维缠绕，即湿法缠绕和胶带缠绕。在湿法缠绕中（可能是最成熟的方法），干纤维束在与芯轴接触之前通过树脂浴涂上熔融树脂。而胶带缠绕则使用预先浸渍的材料，如预浸料和胶带。每种方法都有其优缺点 [103,105-107]。
湿法缠绕的主要优点是总体制造成本，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，因此预期会有更大的可变性，并且沉积过程存在固有的物理速度限制。可能会更频繁地引入不需要的特征，如树脂口袋、空隙、纤维起皱、密度变化甚至纤维不遵循规定的路径，从而影响机械性能。固化过程中可以防止局部滴落。 machinery 的清洁及其安装空间需要大量使用溶剂。此外，操作人员会接触到有害化学物质和 “干飞” 纤维，因此构成一个令人担忧的环境问题。
胶带缠绕工艺基于使用已经过严格质量控制的工业化原材料。因此，缠绕结果具有更精确的树脂含量和更高的均匀性，产生的最终零件具有更好的机械性能。沉积速率可以显著提高（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，机械保持清洁，为操作人员的健康和环境提供了更好的劳动条件。另一方面，所有这些优点都是有代价的。机器的投资相当昂贵，预浸料产品本身也是如此。后者通常需要冷藏储存，并且保质期相对较短。
制造特定产品时在纤维缠绕类型之间的选择与材料选择密切相关。预浸带缠绕技术近年来经历了巨大的发展，因此现在市场上有越来越多的材料系统以更低的成本提供。纤维缠绕的初始应用仅限于热固性树脂的使用，浸渍使用树脂浴进行，树脂浴是低粘度状态的未固化聚合物的化合物。在纤维放置操作完成后，需要进行固化程序，这可能根据树脂类型在室温或高温下进行很长时间。需要一个烤箱，这构成了一个进一步的加工阶段，并限制了最大部件尺寸 [104]。
在使用热塑性胶带的纤维缠绕中（图 4），完整的原位固结发生在缠绕过程中，不需要烤箱。因此，热塑性缠绕部件可以在单一生产步骤中加工。热塑性预浸料的在线固结以瞬间的方式发生，持续不到一秒钟，几乎像焊接过程一样。这允许制造没有胶带桥接的可能几何形状的扩展自由，包括平面和凹形。另一个可能的改进涉及局部增强方向的可能性。热塑性固结避免了纤维滑动，因此可以实现除测地线轨迹之外的不同缠绕路径的稳定性。
点评：详细对比湿法与胶带法的工艺细节（树脂浸渍方式、固化条件）、成本（设备投资、材料成本）及环境影响（溶剂使用、劳动条件）。热塑性胶带法的 “原位固结” 优势突出，但对两种方法的适用场景（如湿法适合复杂形状？胶带法适合大规模？）需进一步明确。
3.3 传统与机器人缠绕
数控和自动化带来的技术进步极大地改变了纤维缠绕。这种用于复合材料的制造工艺开发于 20 世纪 40 年代初的航空航天计划 [111]，在过去的二十年中取得了重大进展，旨在创造复杂的几何形状以及轴对称结构的制造优化。有不同的设备技术，其纤维引导和芯轴运动的自由度程度不同 [103]。工业机器人的引入从此允许更好地控制工艺参数，以及提高重复性和制造时间 [112]。
传统的纤维缠绕是一种技术含量较低的工艺，在行业中相当普及，仅限于缠绕轴对称形状，如管子、管道或压力容器。两轴缠绕机是最简单的制造装置，控制芯轴旋转和滑架水平移动，因此只能生产纤维增强的管道和管子。此外，传统的四轴机器是通用缠绕机，也能够制造压力容器。受控的运动自由度通常包括芯轴旋转、滑架水平移动、滑架垂直移动（横向进给）和安装在横向进给轴上的旋转纤维 payout 头 [113]。然而，这些解决方案在缠绕过程的不同操作中仍然依赖于操作人员的持续干预，这显著影响了生产率。
机器人纤维缠绕的出现可以追溯到将拟人机器人纳入生产线，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（三个线性运动和三个旋转）的计算机控制，但具有更多自由度的配置是可能的 [114,115]。机器人纤维缠绕主要用于先进应用，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的自动化也是可能的，如芯轴放置、灯丝的系紧和切断、湿纤维覆盖的芯轴加载到固化炉中、芯轴提取等 [116]。
根据柔性机器人头的安装位置，有不同的复合材料罐制造设备设置 [117,118]（图 5）。
点评：梳理缠绕技术的自动化演进（传统→数控→机器人），对比设备自由度（两轴→四轴→六轴）与生产效率。机器人缠绕的 “高质量” 与 “自动化辅助操作” 优势明确，但对精度不足（如运动学同步问题）的描述需与优势平衡，体现客观分析。
3.4 材料选择
3.4.1 树脂：热固性与热塑性
热固性基体在历史上一直主导着纤维增强复合材料的市场。这包括来自各种复合材料制造技术的产品，如树脂传递模塑（RTM）、树脂灌注、拉挤成型和纤维缠绕。然而，纤维增强热塑性塑料在不同工业应用中的使用正在获得动力，主要是由于它们的短固结周期，这减少了生产时间。与热固性制造相比，其他优点包括更长的保质期、易于修复和回收潜力 —— 后者对于由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应用，因为它们往往比热固性树脂更难加工。热塑性塑料具有特定的高分子量，熔体粘度至少比热固性塑料中观察到的高两个数量级，这使得它们的浸渍明显更加困难 [124]。然而，已经付出了巨大的努力来开发新的技术和更易于加工的热塑性塑料。一种改善热塑性塑料可制造性的有趣策略是通过开发特殊的预浸渍丝束或胶带，通常以宽幅片材或窄带的形式提供，具有单向排列，取代了过程中的纤维浸渍步骤 [111]。预浸料产品具有低孔隙率和高纤维体积分数，热塑性选项在市场上有不同的配置（碳 / PEEK、碳 / PA6 和碳 / PPS）[125]。
新的材料系统研究仍在进行中。Arkema 公司的新型液态甲基丙烯酸甲酯（MMA）树脂 Elium® 就是一个有可能应用于氢燃料罐的热塑性塑料例子 [126]。通过应用这些半成品形式，固结步骤（当施加热和压力以形成整体结构时）可能只在局部发生，即所谓的原位固结 [127]。
由于热塑性塑料在原材料的部分甚至完全回收方面的潜力，其应用已成为一种绿色趋势。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施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增强材料。 热回收
：适用于热固性和热塑性塑料，没有实质性差异。它通常包括通过热处理去除复合系统的基体，旨在回收纤维。 化学回收
：通过溶剂分解或在适当的溶剂中溶解来去除基体，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，因此纤维回收更加困难。此外，热塑性塑料可以溶解和回收，而热固性基体通常会降解。
点评：从回收潜力（机械 / 热 / 化学回收）、加工难点（高粘度浸渍）、技术突破（原位固结、Elium® 树脂）多角度分析热固性与热塑性树脂的竞争态势，环保趋势与工业应用的矛盾凸显。
3.4.2 纤维
氢燃料罐项目的一个重要方面是为衬里选择增强包裹层，为罐提供高环向强度，这是高压应用的关键质量，直接影响抗爆破和抗穿刺能力 [130]。碳纤维由于其高比拉伸强度，已成为最先进氢燃料罐解决方案的成熟选择。它们还结合了出色的疲劳性能以及对蠕变和大多数化学物质的抵抗力。然而，碳纤维本身是储氢系统的主要成本驱动因素，预计其需求将显著增加，因此替代增强纤维已成为旨在优化罐成本的研发研究的重点 [133-135]。
玻璃纤维通常用作压缩天然气（CNG）罐的增强包裹层，CNG 罐在显著较低的压力下运行，也作为外层存在于氢燃料罐中，提供电偶腐蚀和损伤阻力 [136]。玻璃是一种相对便宜的材料，但在暴露于湿气 / 化学物质和持续负载下可能容易出现强度下降。
玄武岩纤维作为一种环保的成本竞争性纤维被引入，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，玄武岩的刚度估计为碳纤维的一半，而成本约为十分之一。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纤维容器重得多。许多公司，尤其是俄罗斯公司，对将玄武岩纤维引入罐制造感兴趣，从 CNG 储存开始。
一种引入昂贵的碳纤维罐的现实替代方案的新方法可能是引入超高强度钢丝作为增强材料。WireTough Cylinders LLC 开发了用于储存压力在 45 至 87.5 兆帕之间的氢的 II 型 MSW 压力容器 [139]。尽管重量较重，但这种配置预计在固定应用中具有潜力，如加油站，同时仍比平均 II 型罐轻 20%。
点评：对比碳纤维（高性能高成本）、玻璃纤维（低成本低强度）、玄武岩纤维（折中方案）及钢丝（固定应用）的技术经济特性，数据支撑充分（如玄武岩成本为碳纤维 1/10）。
3.4.3 衬里
在复合压力容器中，衬里是作为流体和结构包裹层之间的机械屏障的组件，防止复合材料层基材中存在的多个微裂纹的渗透 [140]。用于氢燃料罐构造的材料不仅应该安全、可靠和具有成本效益，而且不应该与气体相互作用或反应。
衬里可以使用金属或塑料制造。II 型和 III 型压力容器采用通常由钢或铝合金制成的金属衬里，具体取决于重量要求。金属衬里的制造通常通过板材深冲、加热坯料拉伸或管材热旋压，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，在氢存在下可能有脆化和应力腐蚀开裂的风险，导致过早裂纹的发生和机械性能的随之退化。
IV 型压力容器的塑料衬里通常使用一层薄的高密度聚乙烯或脂肪族聚酰胺 [141]。它们的制造通过滚塑、吹塑或通过将注入的圆顶焊接到挤出的聚合物管上获得 [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]。聚合物衬里在罐充放电过程中也可能容易塌陷和起泡 [14]，聚合物吸水可能影响燃料电池的性能 [20]。
复合氢燃料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。运输用罐受到严重的空间限制，因此必须尺寸化为呈现有限的总长度和直径，同时仍提供最大的燃料容量 [143]。此外，衬里的形状受到纤维缠绕工艺施加的限制的极大影响，影响纤维滑动和提供完全覆盖所需的最小层数。因此，优化衬里形状是最大化罐体积和最小化其总质量的第一步。
点评：解析金属与塑料衬里的材料特性（金属易腐蚀，塑料易渗透）、制造工艺（深冲 vs 滚塑）及设计挑战（空间限制、纤维覆盖）。衬里形状优化与罐性能的关联明确。
3.5 成本分析
复合压力容器的代表性成本估算需要彻底检查与制造过程相关的所有成本。识别影响总最终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。为了真实了解最终产品的成本，必须考虑诸如生产吞吐量、废品、清洁时间和环境合规费用等因素 [106]。降低罐成本的策略可能侧重于提高生产率和 / 或降低材料成本。
生产率对最终产品有重大影响。生产系统的生产率定义为每时间单位生产大量零件的能力，这是氢燃料罐制造中的一个重要特征。由于机器需要资本投入和操作人员，生产率对最终零件成本有重大影响 [144]。生产率越高，罐的最终成本越低。
在纤维缠绕中，生产率取决于缠绕速度。传统湿法缠绕的最大缠绕速度约为 1600 毫米 / 秒，而热塑性胶带缠绕工艺的最大缠绕速度可达 2000 毫米 / 秒。Weiler [144] 比较了纤维放置速度与每制造零件重量的成本，如图 6 所示。
绘制图 6 中的图表时的假设是：每年 250 个工作日，三班制（24 小时覆盖），缠绕操作人员成本为 50,000 欧元 / 年，500,000 欧元的胶带放置机械，折旧 5 年。还评估了能源成本，考虑到 25 毫米宽胶带和 250 毫米 / 秒工艺速度的总功率为 6 千瓦（2 千瓦光学和 4 千瓦冷却），以及 0.19 欧元 / 千瓦时。由于较少的热浸泡，能源需求实际上随着放置速度的增加而减少。在这种成本结构下，工艺速度的优化成为胶带放置的关键问题，因为它显著影响最终产品成本。
至于原材料成本问题，碳纤维是氢燃料罐中成本最高的单一组件 [145]。例如，图 7 所示的成本分解表明，在每年 50 万套系统的情况下，碳纤维占系统总成本的 62%。考虑到这一点，可以很容易地得出结论，需要一种更便宜的替代纤维来降低氢燃料罐的成本 [146]。另一个主要因素是设备成本（BOP），包括罐运行所需的设备和组件。预计随着系统生产率的提高，这一成本会降低。
最后，为了成功实现商业部署，压缩氢燃料罐需要在重量和成本要求之间建立权衡。潜在的成本节约策略集中在降低原材料和 / 或制造成本上。在车载应用中，复合材料的使用对于减轻重量仍然是强制性的；因此，优化纤维结构或甚至找到替代碳纤维的更便宜材料可能构成降低成本的有效替代方案。从制造的角度来看，考虑到成熟和新兴技术，生产率的依赖性可能是需要追求的主要途径。
点评：从成本构成（碳纤维 62%、BOP）、生产率影响（速度与成本负相关）、替代材料潜力（便宜纤维）多角度剖析成本瓶颈。图表数据（图 6、图 7）的支撑增强了分析的科学性。
4. 氢燃料罐的设计与分析
4.1 概述
燃料罐是储氢系统中最昂贵和最关键的组件。氢燃料罐的工程设计实践必须考虑产品的整个生命周期，旨在实现长期安全性能。罐的储存、运输、处理、多次加注；
4. 氢燃料罐的设计与分析
4.1 概述
燃料罐是储氢系统中最昂贵且最关键的组件。氢燃料罐的工程设计需考虑产品的整个生命周期，以实现长期安全性能。储罐的储存、运输、处理、多次加注、检查和维护都是需要考虑的重要场景。最终，设计的目的是实现储罐解决方案的质量减轻、成本降低和性能提升。储罐性能目标可以有多种定义，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。
氢燃料电池汽车用氢燃料罐商业化面临的几个障碍包括纤维缠绕中的循环时间最小化、安全设计、轻量化、低成本等。认识到这些挑战，美国能源部（DOE）燃料电池技术办公室 [147] 启动了一项氢燃料罐设计和开发项目。该项目通过研究基体树脂、碳纤维和罐设计形状的替代方案，采取措施提高氢燃料罐的性能 [148]。然而，在树脂替代方案中，他们没有考虑环保且有助于减少制造周期的热塑性树脂。
研究人员已经对 III 型罐中的衬里行为进行了研究 [149]。Park 研究了半测地线路径上螺旋缠绕的变化 [150]。同样，Roh 等人通过在圆顶部分提供加强层来研究端盖的设计 [151]。使用加强层似乎减少了碳纤维的使用，但制造商由于某些制造技术问题拒绝了其使用。后来，研究人员还尝试通过用低粘度乙烯基酯（也是一种热固性树脂）替代环氧树脂来减轻罐的重量 [152]。
4.2 设计与分析方法
复合氢燃料罐的完整设计周期如图 8 所示。氢燃料罐的设计周期从步骤 1 开始，该步骤定义项目的一般特性，如罐容量、工作压力、材料属性和安全系数。设计人员可以使用此信息计算罐几何形状定义所需的其他参数，如圆柱半径、凸台半径和罐长度。
步骤 1 的一个重要阶段是找出氢燃料罐复合铺层的初步尺寸，这可以通过复合材料层合理论（CLT）或净分析 [153] 来完成。铺层顺序定义和每层厚度使用 CLT 进行评估。一些研究人员采用了净分析 [151,152]，该分析应用静态平衡原理，假设所有纤维均受拉且不承受剪切和弯曲应力。它还忽略了树脂的贡献 [154]。根据净分析，螺旋和环向层厚度由公式（1）和（2）给出：
与净分析相比，CLT 考虑了树脂系统的影响，因此能更准确地预测复合结构的机械和结构性能。基于 CLT 计算，可以进行有限元分析以获得复合氢燃料罐的优化结构。
4.3 圆顶轮廓设计
复合罐的圆顶形状对其机械性能有重大影响。基于测地缠绕轨迹的等张力圆顶几何形状是一种常见的圆顶几何形状。在这种类型的轮廓中，层水平的剪切应力设定为零 [154]。Vasiliev 等人还表明，要获得容器的最大性能，剪切应力必须为零 [155]。
步骤 1 中定义的参数，如罐容量、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：
等张力圆顶子午线轮廓（方程 3）可以使用数值积分技术求解，结果如图 9b 所示。参数 k 表示材料的正交各向异性程度。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，忽略树脂对机械性能的贡献，即忽略材料的横向机械性能。
复合压力容器的圆顶几何形状也可以近似为传统几何形状，最常见的是半球形或椭圆形。尽管半球形圆顶在内部压力下具有高承载能力，且由于其恒定的曲率半径而具有最小的最大应力，但对于给定的容器长度，其容积较小 [158]。因此，初始圆顶轮廓也可以使用椭圆子午线绘制，以寻求最佳形状。Liang 等人 [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圆顶的深度。当圆顶深度在 0.6 到 0.775 之间时，设计的圆顶呈现出更强的结构和更大的内部容积。
点评：从几何原理（等张力轮廓、无量纲参数）到优化方法（椭圆深度 0.6-0.775），详细阐述圆顶设计的技术要点。公式与图表结合紧密。
4.4 氢燃料罐的有限元分析
复合氢燃料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，未考虑极凸台附近的刚度不连续性。必须使用有限元分析（FEA）正确建模这些和其他效应，以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，这只能通过 FEA 捕捉。
Wound Composite Modeler (WCM)[160] 和 WoundSIM [161] 是用于氢燃料罐有限元分析的软件平台。这些工具允许用户创建具有详细结构几何和缠绕参数规格的模型，并便于结果的后处理。WoundSIM 提供了进一步的高级功能，如优化、参数化设计和实验设计。
FEA 中的转换效率定义为观察到的破坏应变与理论复合拉伸应变之比。这是实际结构与模型之间纤维质量、缠绕特性和制造可变性（如空隙、纤维未对准、树脂口袋等）差异的结果。每个罐制造商的转换效率是唯一的，需通过实验确定。校准 FEA 模型以获得转换效率至关重要，因为它隐含包含上述所有可变性。
数值分析的准确性主要取决于建模技术和分析条件。表 6 总结了文献中开发的一些方法。三维实体模型在预测爆破压力方面被认为更准确，但考虑到其模拟时间，可能不利于优化。壳模型最适合薄到中等厚度的结构。轴对称模型相当准确，且计算机耗时较少。
Hua 等人 [152] 使用 WCM（Wound Composite Modeler）[160] 构建的轴对称模型。使用交替的环向和螺旋缠绕。每层的标称厚度为 0.34 毫米或 0.68 毫米，使用四节点轴对称单元。在衬里和凸台之间应用绑定约束。衬里和复合材料之间的接触摩擦系数为 0.3。Leh 等人 [162,163] 提出了两种不同的有限元模型来表示罐的渐进破坏。模型 A 由壳单元和实体单元开发，而模型 B 完全由实体单元构建。由于计算效率，模型 A 更适合设计优化。
点评：对比不同建模方法（3D 实体 / 壳 / 轴对称）的优劣，列举具体软件工具（WCM、WoundSIM）和案例（Hua、Leh 的研究），技术细节丰富。
4.5 工作压力与 cylinder 尺寸
在高压氢气瓶的加注过程中，气体温度可能会迅速升高，导致储氢罐失效 [170]。此外，高温会影响罐内氢气密度，导致最终质量输送量下降，从而缩短氢动力车辆的续航里程。加注过程中的温度升高是氢安全的一个重要问题 [171]。为了有效控制罐内气体和壁温最终保持在 85°C 以下，初始压力、初始气体温度、环境温度、加注速率和 cylinder 尺寸都是关键因素。然而，本综述仅讨论加注压力和 cylinder 尺寸，因为这两个参数都与氢燃料罐的设计相关。
4.5.1 工作压力的影响
由于技术简单、可靠、经济高效和能源效率高，高压罐似乎是最合适的氢气输送方式。然而，初始压力对最终氢气温度有重大影响。根据 Zheng 等人 [172] 的实验研究，初始压力每增加 5 兆帕，气体最终温度降低约 4.5 开尔文。同样，Kim 等人 [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。更高的压力意味着在加注过程开始时罐中储存了更多的氢气，以及最终压力与初始压力之间的压力比更低，这两者都有助于减少加注过程中的温度升高 [174]。
4.5.2 cylinder 尺寸的影响
Zheng 等人 [172] 研究了纵横比（长径比）对氢燃料罐内氢气温度场的影响。他们比较了两种不同纵横比的 cylinder 内氢气的温度分布，如图 11 所示。与 cylinder B 相比，cylinder A 的纵横比更高。从温度分布可以看出，cylinder A 内的气体温度分布不均匀，沿轴向逐渐升高。尾部区域温度最高，而入口区域温度最低。相比之下，cylinder B 的温度均匀性明显，这也与实验结果一致。根据这些结果，较高的纵横比可能导致局部温度过高，从而降低安全性。因此，降低长径比可提高罐的安全性。
点评：分析工作压力（初始压力与温度负相关）和 cylinder 尺寸（长径比与温度均匀性）对加注安全的影响，结合实验数据（如 5MPa→4.5K 降温）和图表（图 11），逻辑清晰。
5. 测试与认证
在过去的十年中，国际氢社区，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氢储存复合罐的法规和标准 [175]。这些法规和标准通过确保氢复合罐的安全性和可靠性，帮助克服商业化的技术障碍。它们还提供了关于其设计、制造、检验、测试和认证的指导方针和规范。目前，有多个适用于复合氢燃料罐的法规和规范：EN 12245:2002 (E)[176]、EC Regulation 406 [177]、UN GTR 13 [178]、ANSI HGV 2 [179]、GB/T 35544 [180]、SAE J2579 [181]、ISO 19881 [182] 和 ASME Code [183]。
本综述的范围不允许对所有法规和规范进行全面审查。然而，简要介绍了 EN 12245:2002 (E)[176] 的一些显著特点。这是一项由 CEN 成员于 2001 年批准的欧洲标准。该标准的目标是为可再充装和运输的全包裹复合气瓶的设计、制造、检验和测试建立规范。以下是氢燃料罐认证所需的测试列表，其中最重要的安全测试用粗体突出显示：
复合材料测试； 衬里材料测试； 室温下衬里爆破测试； 室温下成品气瓶的液压（验证）测试； 气瓶爆破测试； 测试压力和室温下的压力循环抗性； 盐水浸泡； 测试压力下的高温暴露； 跌落测试； 有缺陷气瓶测试； 极端温度循环测试； 耐火测试； 高速冲击（子弹）测试； 非金属或无衬里气瓶的渗透性测试； 热塑性衬里与氧化性气体的相容性测试； 扭矩测试； 颈部强度； 气瓶稳定性； 颈环测试。
点评：列举主要国际标准（EN、UN GTR、ISO 等）和测试项目（如爆破、耐火、冲击测试），凸显认证对安全性和商业化的关键作用。
5.1 静水爆破测试
进行静水爆破测试以确定罐的爆破压力。爆破压力（BP）的确定对于复合罐的安全性和可靠性至关重要。这是氢燃料罐的主要和最重要的认证测试。不同类型纤维的最小爆破压力比最小值列于表 8。
根据 UN GTR 13 [178]，静水爆破测试的测试程序如图 12a 所示。对于爆破测试，使用 20（5）℃的非腐蚀性流体。当压力超过标称工作压力的 150% 时，加压速率小于或等于 1.4 兆帕 / 秒。当压力速率大于或等于 0.35 兆帕 / 秒时，必须在 157.5 兆帕下暂停 5 秒，如图 12a 所示。然后应记录容器的爆破压力。测试容器的爆破压力应大于或等于最小爆破压力（BPmin 为 225% NWP）。
点评：明确测试流程（加压速率、暂停条件）和标准（225% NWP）；
5.2 火焰暴露测试
进行火焰暴露测试以评估氢燃料罐承受火灾暴露的能力。根据 UN GTR 13 [178]，火灾暴露测试的温度曲线如图 12b 所示，测试程序如下：
罐加压至工作压力（70 兆帕）； 容器组件定位在离地面 100 毫米处； 罐根据火灾暴露循环暴露于火中； 总共 1-10 分钟的火灾应用于局部区域（温度≤900°C）； 总共 10-12 分钟的包围区域暴露于火中（温度≤1100°C）； 罐不应爆裂，并应通过泄压装置排气。 
6. 结论
氢燃料电池技术作为全球环境议程的一部分，正在交通领域占据一席之地。学术界和工业界已致力于克服与高压储氢相关的多重技术挑战，这是燃料电池车辆发展的关键问题。复合材料已用于轻量化罐设计。氢燃料罐解决方案已展示出技术成熟度，并在各种原型发布后进行了测试。
安全评估研究在证明燃料电池车辆可以与传统燃料车辆一样安全方面至关重要。事实证明，实际评估对于确保氢燃料罐的可靠性至关重要，重点关注安装、操作、维护和事故管理。如今，汽车行业的研究围绕着即使在温度激活的泄压装置失效的情况下，实现更长的耐火时间间隔，以及进一步展示碰撞安全性，确保燃料电池系统在不同冲击后的完整性。
轻量化构造仍然是氢燃料罐开发的目标。然而，重量效率取决于相关应用。对于重型车辆，质量敏感性可能降低，但不能忽视。同时，这对于航空等行业至关重要，因为它会极大影响续航性能。
然而，成本效益仍然是一个主要挑战，因为氢燃料罐的构造依赖于昂贵碳纤维的高利用率。研究工作已集中在不同材料系统的潜在使用上，如不同的纤维选项和热塑性塑料，以及设计参数的变化。关于制造创新的进一步研究，如胶带缠绕的使用，提供了优于当前使用热固性树脂和湿法缠绕解决方案的技术潜力和经济优势。最后，在重量和成本之间进行权衡是将氢燃料罐部署为竞争性技术的唯一途径。
点评：总结全文核心结论，强调技术成熟度与成本 / 安全挑战，提出材料（热塑性、替代纤维）和工艺（胶带缠绕）的创新方向。结尾的 “权衡论”
