氢时代的 “储氢密码”：无内胆复合储氢罐的探索之路

引言

随着全球对气候变化的关注日益增加，氢能作为一种清洁能源备受瞩目。特别是在航空领域，氢能因其高能量密度和零碳排放的特性，被视为未来替代化石燃料的理想选择。然而，液态氢（LH2）的储存和运输面临着巨大的技术挑战，尤其是在极低温（-253°C）和高压（4 bar）条件下。为了应对这些挑战，研究人员正在开发新型的复合材料储罐，以替代传统的金属储罐，从而减轻重量并提高耐久性。

本文将介绍一项由瑞典RISE研究所主导的研究项目，该项目旨在设计和制造一种无衬里的复合材料储罐，用于液态氢的储存。文章将详细讨论储罐的设计、制造过程以及低温测试结果，并探讨其在未来航空应用中的潜力。

氢能的高能量密度使其成为航空领域的理想燃料，但为了减少储罐体积，氢必须以液态形式储存。液态氢的储存温度极低（-253°C），且需要保持一定的压力（4 bar）。传统的金属储罐虽然能够满足这些要求，但其重量较大，且长期使用中容易出现氢脆问题。相比之下，碳纤维增强聚合物复合材料（CFRP）具有轻质、高强度的特点，是未来航空储罐的理想选择。

然而，CFRP储罐在低温环境下也面临一些挑战。例如，纤维与基体之间的裂纹可能在远低于纤维破坏应力的情况下出现，导致气体泄漏和压力损失。为了防止泄漏，通常需要在储罐内部添加金属或聚合物衬里，但这会增加重量，并可能因热膨胀差异导致衬里疲劳或与储罐壁分离。因此，无衬里（Type V）复合材料储罐成为了研究的重点。

2. 设计与材料选择

2.1 设计需求

液态氢储罐的设计需要考虑多个因素，包括储存温度、压力、循环使用次数以及热应力等。在本次研究中，储罐的设计目标是能够承受每天至少3次充放循环，持续20年（约20000次循环）。此外，储罐在正常操作中不会完全排空或加热超过110°C，只有在年度维护时才会完全排空和加热。

2.2 材料选择

储罐的复合材料部分采用了Oxeon公司生产的TeXtreme®薄层单向（UD）带材，纤维为Pyrofil™ TR50S碳纤维，基体为适合低温应用的环氧树脂。通过湿法纤维缠绕工艺制造，最终的单层厚度约为0.10 mm。为了确保材料的低温性能，研究人员在室温和-253°C条件下对材料进行了详细的力学性能测试，并确定了热膨胀系数（CTE）。

钛合金（Ti-6Al-4V）被选为端盖材料，因其低密度和与复合材料相近的热膨胀系数。端盖通过增材制造（3D打印）技术生产，以确保复杂的双曲面形状和均匀的厚度。

3. 设计过程

3.1 设计概念

储罐的设计采用了复合材料圆柱体与钛合金端盖结合的方式。复合材料圆柱体通过湿法纤维缠绕工艺制造，而钛合金端盖则通过增材制造技术生产。这种设计旨在最大限度地减少热应力，并确保在低温条件下的结构完整性。

3.2 初步设计

为了减少钛合金端盖与复合材料圆柱体之间的热应变不匹配，研究人员选择了±41°的缠绕角度，以使复合材料的热膨胀系数与钛合金相匹配。通过经典层压板理论（CLT）计算，确定了在-253°C条件下的热应力和失效压力。

3.3 详细设计与有限元分析

为了进一步优化设计，研究人员使用有限元分析（FEA）模拟了储罐在热载荷和内部压力下的应力分布。分析结果表明，粘接接头是设计的薄弱环节，尤其是在低温条件下，粘接层的应力可能超过其强度极限。因此，设计中对粘接接头的长度进行了调整，以确保在10 bar压力下的安全性。

4. 制造与组装

4.1 复合材料圆柱体的制造

复合材料圆柱体通过湿法纤维缠绕工艺制造，采用了20 mm宽的薄层带材。为了确保低孔隙率和高纤维体积分数，研究人员在缠绕过程中使用了干法压缩层和干法环向缠绕层。最终，圆柱体的纤维体积分数达到了51%。

概览装配图

4.2 金属端盖的制造

钛合金端盖通过直接能量沉积（DED）技术进行增材制造。制造过程中，端盖的复杂形状和均匀厚度得到了保证。为了释放内部应力，端盖在加工前进行了退火处理。

a端盖采用 5 级钛合金DED 打印，b管、端盖和外环之间的粘合接头。蓝色源于加工前的退火

4.3 组装与粘接

复合材料圆柱体与钛合金端盖通过环氧树脂粘接剂进行连接。组装过程中，研究人员对粘接表面进行了清洁和处理，以确保粘接质量。组装完成后，储罐通过了真空泄漏测试，确保无泄漏。

5. 测试与结果

5.1 循环测试

两个储罐在西班牙的INTA-CEAES设施中进行了20次充放循环测试，使用了液氮（LN2）模拟液态氢的储存条件。测试过程中，储罐的内部压力达到了4 bar，未发现泄漏或损坏迹象。

循环试验开始时的压力、重量、温度和应变历史

5.2 爆破测试

其中一个储罐在爆破测试中达到了近30 bar的压力，最终在29.4 bar时发生破裂。测试结果表明，储罐的复合材料部分在高压下表现出良好的强度，破裂发生在圆柱体的中央部分，而非粘接接头处。

爆破试验的压力、温度和应变历史

6. 未来设计与开发的启示

本次研究展示了无衬里复合材料储罐在液态氢储存中的潜力。与传统的金属储罐相比，复合材料储罐的重量减轻了60%，且能够承受高达30 bar的压力。未来的设计可以进一步优化端盖的重量，并探索全复合材料储罐的可能性。此外，还需要对粘接剂在低温条件下的性能进行更深入的研究，以确保储罐的长期可靠性。

7. 结论

通过本次研究，研究人员成功设计、制造并测试了一种无衬里复合材料储罐，用于液态氢的储存。储罐在循环测试和爆破测试中表现出优异的性能，证明了其在未来航空应用中的潜力。

在未来的设计和发展中，金属端盖和全复合材料储氢罐各有优劣。金属端盖虽然有一些缺点，比如需要粘结接头、比重大、热应变匹配困难，但它也有很多优势，如可作为标准部件生产，设计灵活性高，便于连接各种设备等。而全复合材料储氢罐虽然有望进一步减轻重量、减少热应变，但在制造工艺上还面临挑战，不同部件的制造和连接需要更深入的研究。

此外，目前的研究还存在一些不足。比如，测试循环次数远远低于实际应用所需的 20000 次，这意味着我们对储氢罐长期性能的了解还不够。而且，在低温条件下，粘合剂的性能研究还不够充分，薄铺层复合材料的原位强度测试方法也有待进一步开发。未来，我们需要更好地理解储氢罐与其他系统的相互作用和集成，明确设计载荷和安全系数，考虑材料性能的变化，不断优化储氢罐的设计和制造工艺。

无内胆复合储氢罐为氢能源在航空领域的应用带来了新的希望。虽然目前还面临诸多挑战，但随着科研人员不断深入研究和技术的持续进步，相信在不久的将来，它能够克服这些难题，为航空业的绿色发展注入强大动力，助力全球氢能源产业迈向新的高度。

参考文献：

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