氢

Aenert. Research Laboratory news
氢被认为是即将到来的能源转型的支柱之一。然而，这种气体带来了安全运输方面的一些挑战，因为它具有高度爆炸性，因此必须在高压罐中运输。这些储罐的压力为 700 巴，由纤维增强复合材料 (FRC) 制成。与金属罐相比，由于其质量轻，它们非常适合用于移动和运输领域。
为了确保最高的安全性，H₂压力罐在首次使用之前经过了广泛的测试。同样重要的是，储罐在面临因加油和取出氢气而引起的反复应力或发生损坏（例如追尾碰撞）时保持其完整性。为了防止这种情况发生，高压存储系统的定期维护也至关重要。然而，每两年进行一次的储罐检查仅包括外部目视检查。使用这种传统的检查方法无法检测到储罐内部的损坏。或者，可以通过持续监测压力容器来避免损坏——这一过程称为结构健康监测，简称 SHM。

现在（ 2023 年），在联合研究项目 HyMon 的过程中，弗劳恩霍夫结构耐久性和系统可靠性研究所 LBF 的研究人员正在开发一种基于传感器的机载结构监测系统，能够连续监测 H₂压力罐，旨在为氢汽车提供高水平的安全性。

该机载结构监测系统具有合适的传感器和评估电子设备，其主要目的之一是为服务和维修提供数据。在那里，声发射传感器发挥着关键作用。其工作原理基于传感器检测高频声波。如果单根碳纤维在压力罐中撕裂，就会产生穿过纤维传播的声波。然后传感器确定断裂纤维的数量。特殊负载情况（例如追尾碰撞）可能会损坏储罐的局部区域，导致大量纤维在很短的时间内断裂。测量信号由评估电子设备处理，以提供有关储罐健康状态的信息。Fraunhofer LBF 正在开发检测光纤断裂所需的算法和方法。例如，这些包括声波频率分析。

除了声发射传感器之外，储罐中还集成了光纤应变传感器。它们由导光玻璃纤维组成，其中集成了光纤布拉格光栅传感器。玻璃纤维在制造过程中被包裹到储罐的 FRC 层中，或者随后应用到表面，以便能够连续或定期自动监测氢气罐的应变。与传统的应变传感器不同，这些玻璃纤维由于其对高材料应变和负载循环的弹性而特别适合监测碳纤维增强塑料。应变传感器的测量数据首先用于验证压力罐的计算模型，其次用于深入了解材料行为在罐的整个使用寿命期间如何变化，从而得出有关材料疲劳状态的结论。

测试过程的第一阶段将包括在弗劳恩霍夫 LBF 的测试装置中借助配备传感器的碳纤维扁平样品产生各种类型的损坏，例如纤维断裂、基体断裂或分层。传感器将记录损坏信号。接下来，将评估传感器是否能够以足够的质量记录信号，以及算法是否可以根据信号正确地对损坏机制进行分类。下一步，整个传感器系统将在薄壁罐模型内进行测试，然后在高压氢气罐上进行测试，高压氢气罐在内压下承受循环应力，直至发生故障。研究团队希望找出结构监测需要多少个传感器、它们需要放置在哪里，以及哪种粘合剂最适合将它们固定到氢气罐上。最终，测试车辆将配备传感器和车载结构监控，并通过将虚拟碰撞与现实测试设置相结合进行验证。

鉴于当前能源危机，高效储能已成为众多行业的重中之重。2020年科学家们制作了一个模型，并对储氢容器进行了分析，并进行了完整的结构和热分析。他们在本次研究中完成了机载低温液氢储罐的基本结构设计。通过创建新型隔热支撑结构，解决了传统支撑结构漏热过多的问题。然后，他们评估了设计的储罐的热性能。采用薄膜容器理论与有限元数值模拟方法相结合的方法对罐体结构进行了分析。利用赫兹接触理论和数值模拟方法对绝热支撑结构进行了分析。创建了一种简单的结构分析方法来设计类似的容器结构和点接触支撑结构。也为氢罐进一步结构优化设计提供依据。使用钛、镍合金和一些涂层粉末（如氧化铝、二氧化钛和氧化锆）等材料进行分析。

Image: (from left to right) Titanium, nickel, zirconium



Source: Siddharth Senthil Kumar, Bibin Chidambaranathan, Ramachandran Manickam/ Design and Analysis of Hydrogen Storage Tank with Different Materials by Ansys/ IOP Conference Series Materials Science and Engineering 810(1):012016, May 2020/ DOI:10.1088/1757-899X/810/1/012016/ Open Access This is an Open Access article is distributed under the terms of the CC BY 3.0 Deed Attribution 3.0 Unported

2020 年，压缩氢气的行为分析氢气罐中的排放情况。检查气体模型的影响，以解释氢气在排放温度和压力条件下的行为。分析湍流模型效果以考虑每个模型的准确性，并在湍流强度方面进行比较。通过对气体模型效应的研究，Redlich-Kwong 方程（一种与气体温度、压力和体积相关的经验代数方程）被发现是放电气流的现实气体模型之一。在这一领域，剪应力输运模型和雷诺应力模型可以更准确地分析压缩气体的行为，显示出比可实现群模型和重正化群模型更低的湍流强度。

Image: The cross-section of a 74-L Type III hydrogen tank



Source: Moo-Sun Kim, Joon-Hyoung Ryu, Seung-Jun Oh, Jeong-Hyeon Yang/ Numerical Investigation on Influence of Gas and Turbulence Model for Type III Hydrogen Tank under Discharge Condition/ Energies 13(23):6432, December 2020/ DOI:10.3390/en13236432/ Open Access This is an Open Access article is distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0)

在储罐上使用传感器有几个优点：它们可以在纤维断裂时捕获高频声波，从而使算法能够检测断裂的纤维并对其进行计数。如果纤维断裂率突然增加，则氢气罐已达到其使用寿命。此外，持续的车载结构监测可确保提高氢燃料汽车的安全水平，因为即使在轻微撞击（例如撞到护柱）的情况下也可以评估潜在损坏，并且可以估计储罐的剩余使用寿命。此外，全面的质量保证还可以避免不必要的氢罐更换。

项目合作伙伴的目标是将整个系统开发为未来应用的标准状态监控系统。研究团队坚信他们的系统将为可持续氢经济做出宝贵贡献。

编委会