車載液氫氣瓶設計技術的研究進展

郭晉，張耕，陳國華，朱鳴，譚粵，李蔚，夏莉，胡昆

（1 浙江大學工程師學院，浙江 杭州 310029；2 廣東省特種設備檢測研究院，廣東 廣州 510000；3 華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東 廣州 510000；4 中國特種設備檢測研究院，北京 100010）

對于以氫為能源載體的氫經濟來說，儲氫問題涉及到氫生產、運輸、儲存、最終應用等所有環節。許多學者研究了各種高性能、安全的儲氫方式，目前氫氣儲存方式主要有四種：高壓氣態儲氫、低溫液態儲氫、有機液態儲氫、固體材料儲氫。其中低壓、低溫的車載液氫儲存可以顯著提升安全性和儲能密度，液氫燃料電池汽車也可以解決復雜場景、多用途的氫純度、續航里程、大功率等方面的需求難題。然而，不管采用什么儲氫方式，一旦氫能儲運裝備失效，有可能導致泄漏、燃燒、爆炸，造成重大人員傷亡和財產損失，因此氫能儲運裝備安全不容忽視。在車載液氫氣瓶設計環節存在材料及結構可靠性驗證、高性能絕熱、增壓傳熱功能實現等技術難題，目前研究報道尚很少見。

兼具高性能與高可靠性的車載液氫氣瓶，以攻克車載液氫氣瓶的實際應用難題成為了研究熱點。本文對現有車載液氫氣瓶的發展歷程和國內外研究進展進行了詳細介紹，總結了車載液氫氣瓶的材料、結構、絕熱等設計方法，綜合比較了各類材料、結構的可靠性，以及不同傳熱和絕熱結構的性能有關的研究進展情況，總結了車載液氫氣瓶有關的研究趨勢，最后對車載液氫氣瓶的設計關鍵技術研究做出展望。

1 車載液氫氣瓶發展歷程及設計關鍵技術

1.1 車載液氫氣瓶發展歷程

氫氣在一定的低溫下，會以液態形式存在。因此，可以使用一種深冷的液氫儲存技術——低溫液態儲氫。液氫儲運技術是氫能發展的重要支柱，美、日等發達國家以及歐洲在20 世紀初就制定了詳細的氫能發展計劃，液氫的儲存與運輸方面形成了完整的規范化體系，并形成相關液氫儲運標準[1]。如國際標準化組織（ISO）發布的《液氫-道路車輛燃料罐》《液氫-道路車輛加注系統接口》等，美國壓縮氣體協會（CGA）執行的《低溫氫儲存標準》相關標準，歐洲工業氣體協會（EIGA）的《儲存、處理和分配液氫的安全性》，俄羅斯國家標準《液氫技術條件》。車載液氫氣瓶作為隨車燃料供給裝置，是液氫儲存與運輸技術發展的必要前提，國外已經進行了大量研究工作。

與空氣液化相似，低溫液態儲氫是先將氫氣壓縮，在經過節流閥之前進行冷卻，經歷焦耳-湯姆遜等焓膨脹后，產生一些液體。液體分離后，將其儲存在高真空的絕熱容器中，氣體繼續進行上述循環。由于液氫密度為70.78kg/m3，是標況下氫氣密度0.083kg/m3的近850 倍，即使將氫氣壓縮至15MPa，甚至35～70MPa，其單位體積的儲存量也比不上液態儲存。單從儲能密度上考慮，低溫液態儲氫是一種十分理想的方式。但由于常壓下液氫的沸點極低（20.37K），與環境溫差極大，對容器的絕熱要求很高，且液化過程耗能極大，液化1kg氫需耗電4～10kW·h，增加了儲氫和用氫的成本。因此對于大量、遠距離的氫氣儲運，采用低溫液態的方式才可能體現出優勢。另外，液氫儲存容器必須使用超低溫用的特殊容器同時需要提高儲存容器的絕熱性能并且選用優質輕材，由于液氫儲存的裝料和絕熱不完善容易導致較高的蒸發損失，因而其儲存成本較貴，安全技術也比較復雜。

目前液氫主要作為低溫推進劑用于航天中，對于以液氫為動力的汽車與無人機的液氫氣瓶也有一些研究，但到目前為止還沒有實質性的進展。美國勞倫斯利弗摩爾國家實驗室（LLNL）連續研制幾代車載高壓低溫氫容器，創造了最長行駛里程、最大儲氫密度和最長維持時間，同時降低了儲氫容器的成本[2]。林德（Linde）公司為城市公交車建造了一個液氫儲存系統，質量儲氫比約為7.1%，維持時間超過100h，實驗結果表明該液氫容器具有較好的絕熱性能[3]。寶馬（BMW）公司計了一款鋁合金液氫氣瓶，蒸發率低于3%/d[4]。

液氫儲存工藝特別適宜于儲存空間有限的運載場合，如航天飛機用的火箭發動機、汽車發動機和洲際飛行運輸工具等，汽車主要以氣瓶的形式儲存液氫。國外液氫氣瓶技術的發展說明了液氫氣瓶的可行性，但我國需要開展液氫氣瓶技術自主研發，打破技術封鎖。Aziz 等[5]總結了液氫的特性、液化技術、儲運方法以及處理液氫的安全標準，提出液氫使用的主要挑戰是極低的溫度條件和正仲氫轉化技術。Morris 等[6]比較了不同車載儲氫方式的儲氫密度和純度的現狀，提出了不同車載儲氫方式的技術難點和發展方向的預測。

1.2 液氫氣瓶材料韌脆轉變

液氫氣瓶相比于其他低溫氣瓶，選材需要著重考慮液氫溫區材料穩定性和力學性能，因此對制造液氫氣瓶的材料性能要求更為嚴苛[7]，應同時具備較好的韌性、強度及低溫穩定性。當前，液氫氣瓶常用的低溫材料有奧氏體不銹鋼、鋁合金、鈦合金。針對液氫氣瓶用材料韌脆轉變特性，研究的主要方法包括拉伸實驗、Charpy沖擊實驗等低溫力學性能測試，通過分析抗拉強度、伸長率、吸收功等參數，分別得出材料的強度、韌性規律，結合金相。采用SEM等分析手段進行了一定的研究工作，但大多集中在液氮溫區，關于液氫溫區材料韌脆轉變特性的研究工作較少。開展基于材料脆斷失效模式的液氫溫區材料性能研究對于液氫氣瓶設計的第一步選材十分必要，而國內外研究也是逐漸由液氮溫區向更低溫度的液氫溫區過渡。

1991 年法國里爾一大（Universite de Lille Ⅰ）Vogt等[8]研究確定了液氮溫度-196℃下316L不銹鋼材料的力學性能研究方法。1985 年日本東京大學的Shibata等[9]開展了液氮與液氨溫度下的材料力學性能實驗。Qiu 等[10]提出材料在液氫環境中的適應性、氫脆特性、力學性能以及液氫溫度的熱物性等均是影響儲運容器的安全可靠設計的關鍵因素。因此，系統掌握低溫材料的種類和性能對液氫儲運容器的發展具有重要的現實意義。Gauder等[11]提出了損傷力學模型能夠較準確地描述試件的變形和破壞行為，裂紋相互作用行為強烈依賴于溫度和裂紋的排列方式。1991年中國西南交通大學黨霆等[12]開發了液氮溫度-196℃下材料力學性能測試的裝置。2010年蘭州理工大學李廣等[13]進行了材料韌脆轉變溫區的延伸區寬度變化及韌性陡升的機理研究，提出了韌脆轉變溫度區臨界值與韌脆轉變低溫度區的線性關系。2018年江蘇省鋼鐵研究院褚峰等[14]通過對奧氏體低溫鋼開展常溫至液氮溫區Charpy 沖擊實驗，得到了船用奧氏體低溫鋼的韌脆轉變溫度、脆性斷口形貌及晶粒度，為液氮溫區金屬材料韌脆轉變特性實驗方法研究提供了參考。新興能源裝備股份有限公司趙翠釵[15]提出了化學成分、變形率、成型溫度對奧氏體不銹鋼S30408 中鐵素體含量的影響規律，為液氮溫區深冷容器材料制備技術提供了數據參考。屈莎莎等[16]總結了液氫儲運容器常用的低溫材料的特點和優勢，提出需要對不同成分的低溫材料的性能進行系統的研究和深入的分析。不同液氫氣瓶常用的低溫材料的特點如表1所示。奧氏體不銹鋼、鋁合金是面心立方結構，在低溫下不存在明顯的韌脆轉變溫度，適合在液氫溫區下使用的鈦合金一般為α鈦合金，在低溫環境具有較好的韌性。2022 年，中國科學院理化技術研究所謝秀娟[17]指出液氫容器的材料需要保證基本安全技術要求。

表1 不同的液氫氣瓶常用低溫材料的特點

1.3 車載液氫氣瓶靜動力學分析

液氫氣瓶主要由內膽、外殼、絕熱系統、內膽與外殼之間的連接件、閥門管路系統、保護閥門管路系統的保護裝置、底座等組成。在液氫氣瓶材料可靠性得到驗證的情況下，根據液氫燃料電池汽車的環境使用要求，車載液氫氣瓶需滿足在復雜路況條件和極端條件下正常可靠工作。因液氫介質泄漏擴散后爆炸可能性高、危害后果嚴重，車載液氫氣瓶需實現本質安全及較高結構可靠性。而基于失效模式的低溫氣瓶設計方法國內外研究較少，國內外已有的少量對于車載低溫氣瓶的靜動力學分析的研究無法滿足車載液氫氣瓶的結構設計和結構安全可靠性的要求。

當前，關于低溫氣瓶靜動力學分析的方法主要以數值模擬為主，以不同工況的氣瓶實驗為補充，研究復雜和極端工況下的氣瓶應力應變、位移、振動加速度等動力學規律。Islam 等[24]總結了目前工程靜力學分析的方法，為本文開展車載液氫氣瓶的靜力學研究提供了較好的借鑒意義。北京航天實驗技術研究院妙叢等[25]基于車載LNG氣瓶提出了未來車載液氫氣瓶結構組成的設想，總結了車載低溫氣瓶的經典工藝系統流程以及基本工作原理和常用的增壓方式和安全系統的設置。目前在車載低溫絕熱氣瓶動力學特性方面已開展一定的研究工作。西南交通大學魯麗等[26]采用有限元模型作為變壓器在運輸過程中承受路面振動下的隨機振動分析以及受沖擊載荷作用下的瞬態分析，給出了變壓器各構件的應力分布情況，并采用第三強度理論校核。Chung等[27]結合運輸船舶用C型儲罐運輸液化氫各種參數的影響與液氫介質（-253℃）超低的溫度影響，伴隨介質晃動和熱流動，對晃動流動通過數值方法進行分析，通過仿真測量了液艙內部的晃蕩沖擊壓力，并定量評估了晃動流動對安裝在C型罐（加筋環和斜置艙壁）內部附體的影響。提出在低溫條件下長時間反復經歷這種晃蕩沖擊力，必須從疲勞和脆性破壞的角度分析液艙和附件的行為。合肥工業大學杜明廣[28]采用有限元方法對LNG氣瓶進行靜力學及動力學分析，對氣瓶不同破壞形式進行了模擬，動力特性方面計算了氣瓶的固有頻率，對其振動特性進行了探索，并與汽車振動頻率進行了對比。大連理工大學劉培啟團隊[29-31]對車載LNG氣瓶采用數值模擬及實驗的方法，對不同類型、不同容積、不同長徑比的LNG 氣瓶進行了研究，優化了頸管支撐結構、頸管長度和外殼前封頭開孔連接結構。同時采集重型卡車行駛在不同等級路面譜激勵，分析了不同路面譜激勵下車載氣瓶的應力分布、位移振幅以及加速度動態響應。最后提出一種新型防晃結構，強化了氣瓶剛度，能夠有效降低液體對壁面的沖擊力。天津大學李佳[32]將隨機疲勞與結構的動力特性相結合，重點對基于結構動力特性的隨機疲勞壽命估算進行分析。蘭州理工大學劉德玉[33]對車載LNG 氣瓶進行了靜力學及動力學分析，用等效密度法將瓶內LNG 的質量等效到氣瓶內膽殼體，研究了氣瓶內膽及支撐整體結構在緊急剎車、路面凹坑等工況下的應力分布，分析了不同液位高度下氣瓶內膽的固有頻率和模態振型，結果表明隨著儲液量的增加，氣瓶內膽固有頻率逐漸降低。

1.4 車載液氫氣瓶疲勞壽命

振動疲勞失效問題存在于航空航天、機械電子、能源化工等各行業，即使振動過程中應力幅值遠小于材料的許用應力，但在長時間的載荷作用下使得結構極易引起疲勞破壞。在設備的失效事故中，疲勞失效約占60%～80%，實際工程中的振動疲勞失效問題存在較多難點，如研究方法較少、理論不完善，實際振動工況更加復雜，并且涉及機械振動、有限元、結構動力學等多學科。針對本文研究的車載液氫氣瓶，如何防止由于車體振動與氣瓶振動相耦合產生的自振激勵對瓶體自身造成的危害，合理預測氣瓶的振動疲勞壽命是當前車載液氫氣瓶亟需解決的問題。

隨機振動一般具有隨機性，不能用特定的函數描述載荷值的大小，但其仍然具有一定的統計學規律，只能采用概率統計的方法描述載荷值并計算結構的疲勞壽命，因此從20 世紀50 年代起就對隨機振動疲勞開始了相應的研究工作。大連市鍋爐壓力容器檢驗研究院古海波等[34]總結了振動過程中車用LNG氣瓶的失效模式，并分析了失效原因。Bhuyan等[35]實驗研究了氣瓶靜水壓實驗對后續裂紋擴展的滯止效應的影響規律，提出滯止期取決于裂紋尺寸，裂紋尺寸越小，裂紋擴展滯止期越大。廣東省特種設備檢測研究院楊樹斌等[36]分析了目前已有的對振動和沖擊載荷作用下車載LNG 氣瓶失效研究存在的不足之處，以及車載LNG 氣瓶失效模式，針對失效模式提出風險應對措施。Zhang 等[37]提出了一種新的基于機器學習的三維裂紋試件疲勞壽命預測方法，考察了不同的神經單元數和層數對訓練好的神經網絡有效性的影響，并與其他回歸模型進行了比較。德陽中科先進制造數字化設計服務中心楊興[38]提出了一種基于疲勞損傷理論的氣瓶壽命的計算方法，再針對車用鋼制天然氣氣瓶使用過程中會對氣瓶強度產生影響的因素進行探討，最后在某型車用氣瓶強度分析的基礎上依據損傷理論以及計算方法給出了該型氣瓶的使用壽命情況，同時也系統地分析了一些使用因素對氣瓶壽命的影響。大連理工大學李偉[39]提出車載低溫絕熱氣瓶在使用中會隨著行駛路面不平度影響而發生沒有規律的隨機振動，這種隨機振動會導致氣瓶產生裂紋，影響氣瓶的疲勞壽命。并模擬了扁長型車載低溫氣瓶的振動規律，可為隨機振動條件下車載低溫絕熱氣瓶的設計提供參考。

1.5 使用過程及真空喪失后的絕熱性能

移動式低溫絕熱氣瓶相比于固定式壓力容器，需要額外承受來自地面以及機器的振動激勵載荷，因此移動式低溫絕熱氣瓶內膽及支撐應滿足較高的強度要求，同時還應具有較好的抗沖擊性能。針對移動式低溫絕熱氣瓶，許多學者采用有限元分析方法進行了較多的研究工作，但大多集中在LNG 氣瓶方面，關于液氫氣瓶的研究工作較少。結合液氫高效存儲、利用對低溫高性能絕熱的需求，車載液氫氣瓶高性能絕熱的研究成為了設計環節的關鍵難題。同時，由于氫燃料電池汽車使用條件復雜、社會影響較大，基于車載液氫氣瓶失效模式，存在由內漏、外漏等導致的真空失效的風險，真空喪失后絕熱性能的好壞直接影響了事故處理時間和后果的嚴重度，故開展此極端條件下的絕熱性能研究更是保障車載氣瓶安全、高效利用的關鍵科學問題。

Jiang 等[40]利用CFD 軟件VOF 方法模擬了液氫罐內的介質相變過程，提出了液位和夾層真空度差異對氣液兩相界面穩定性的影響規律。Jiang 等[41]建立了瞬態仿真模型，發現MLI/VCS 絕緣材料的瞬態傳熱特性有助于優化液氫儲存的操作參數，為液氫裝置絕熱設計提供了參考依據。2014 年韓國Jewoo 公司[42]通過常規設計結構及有限元方法，對支撐桿不同內徑、外徑以及容器內部結構尺寸進行計算，以優化LNG 氣瓶的整體結構設計。同時采用了MSC/MARC 程序評估了支撐結構的溫度分布和熱應力，開發的LNG 氣瓶滿足標準設計要求，通過了振動測試和熱性能測試。2012 年上海交通大學李陽[43]建立低溫絕熱氣瓶傳熱與熱力耦合模型，采用實驗和數值模擬的方法，分析了穩態導熱與共軛傳熱模型的誤差。同時探究了不同頸管尺寸、高徑比、沖擊載荷下低溫絕熱氣瓶的應力分布，找出最優尺寸參數，探討了頸管開孔補強的重要性，對低溫絕熱氣瓶頸管的結構設計提供了理論依據。2015年北京航空航天大學[44-45]設計了一種機載液氫儲罐的新型絕熱支撐，通過氧化鋯陶瓷小球與內膽點接觸，降低支撐接觸面積，解決了傳統支撐結構熱流量過大的問題。同時通過赫茲接觸理論與有限元數值模擬方法對絕熱支撐進行應力分析，驗證了該支撐結構的可行性，得到點接觸式支撐的應力遠大于常規支撐結構，但其應力滿足強度要求。2016年荷蘭德爾夫特理工大學Tapeinos等[46]提出一種由相交球殼組成的可增壓車載液氫儲罐。該液氫儲罐采用塑料內襯，內襯材料與罐壁存在較大熱膨脹系數，從而導致了結構的變形及熱應力過大，因此需使內襯材料能夠靈活地壓在罐壁表面以傳遞壓力載荷。通過有限元方法分析了絕熱材料在內襯及罐壁不同部位的傳熱現象，同時在不同熱應力下對殼體應力及應變進行分析，得到球形結構的應力比較均勻，在膜交叉存在局部應力集中，比較后發現在內襯和復合材料之間使用隔熱材料，液氫儲罐的結構完整性得到了增強。2022 年韓國科學技術研究所Choi等[47]研究了重型卡車液氫燃料儲罐設計相關規范和標準，提出設計原則和設計程序。按照設計規范和程序提出540馬力級重力卡車液氫罐模型，采用了強度重量比高、熱導率低的環氧玻璃鋼作為支撐材料，選用高真空多層絕熱作為絕熱材料，在正常行駛、垂直及加速的8種組合載荷工況下，對液氫儲罐的傳熱及應力進行分析。傳熱結果顯示液氫儲罐的日蒸發率為2.51%/d，其中支撐部位漏熱占總漏熱量的82%，應力結果表明結構具有足夠的安全系數。Yao和Yang[48]模擬了多種低溫絕熱型式對液氮、液氫和液化天然氣介質的保溫效果，通過實驗和不同的熱力學模型預測了低溫裝置的無損儲存時間和漏熱量。中國計量大學計量測試工程學院高云飛等[49]以真空多層材料為主要研究內容，總結了液氫溫區真空多層材料的絕熱性能測試數據，為液氫溫區絕熱設計提供了一定的參考依據。

浙江大學羅若尹等[50]提出了真空喪失作為低溫裝備的典型失效模式，針對特定的LNG 罐箱開展了真空完全喪失的測試實驗，得到了維持時間及罐內壓力、充滿率、液相溫度隨時間變化的數據，對LNG 罐式集裝箱的安全使用與應急處理有重要的實用價值。中國石油大學楊帆等[51]開展了液化天然氣（LNG）低溫儲罐夾層真空喪失后，內殼應力-應變及裂紋尖端原子變化規律研究，揭示了該狀態下低溫容器內殼微裂紋擴展的微觀機制。上海交通大學謝高峰[52]在原有真空喪失后驗證設備安全性和絕熱性能指標的基礎上，系統地開展了高真空多層絕熱低溫容器真空喪失實驗和傳熱機理研究，為全面了解發生完全真空喪失事故對高真空多層絕熱低溫容器絕熱夾層絕熱及低溫液體貯存過程的影響規律積累了研究經驗。

1.6 車載液氫氣瓶增壓設計和增壓傳熱

有別于傳統車載低溫氣瓶，車載液氫氣瓶可靠性和性能要求更為嚴苛。針對基于疲勞失效的車載液氫氣瓶結構設計，結合在役車載低溫氣瓶失效規律，現有增壓方式無論是發動機冷卻水和電加熱聯合增壓、熱氣回流增壓、真空壓力控制增壓方式均無法滿足車載液氫氣瓶的結構可靠性以及燃料電池供氫條件溫度、壓力和流量的需求。如何實現車載液氫氣瓶穩定、高效的增壓汽化及結構安全可靠，如何預測車載液氫氣瓶的增壓傳熱性能，國內外均處于研究起步階段，這也是目前車載液氫氣瓶最棘手的技術瓶頸。

20 世紀90 年代開始，國外就已經開始了對液氫燃料電池汽車的供氫方式的研究工作，其中車載液氫氣瓶穩定增壓傳熱技術難以滿足規模生產的需求[53-55]。但隨著LNG汽車和高壓氫燃料電池汽車的規模應用和持續研究，車載液氫氣瓶的增壓傳熱設計有了新的思路和突破。Wang 等[56]基于燃料電池用氫條件，模擬了高壓儲氫氣瓶的供氫規律，提出了壓力、流量控制的方法。上海交通大學齊超等[57]通過CFD 方法對長期在軌運行的新型液氧燃料箱的壓力、溫度、氣液相界面進行了模擬，建立了均相模型和低溫燃料箱性能預測規律。蘭州理工大學金樹峰等[58]提出了氣瓶穩定供氣的條件，并建立了穩定供氣過程中空溫式汽化器汽化量與發動機燃料流量的關系式，為LNG 汽車自增壓系統設計提供了參考。中國航天科技集團公司趙康[59]從傳熱學、熱力學和流體力學的角度，對車載液態儲氫供氫系統中的汽化器開展了理論和實驗研究，提出了適合不同換熱區的換熱關聯式和汽化器設計計算方法，得到了該形式的外置汽化器在不同供氣流量和循環水流量下流體溫度、流動壓降和管壁最低溫度等參數，得到了車載液氫汽化器換熱規律。增壓設計和增壓傳熱研究的核心是供氫過程中的溫度、壓力和流量變化規律，通過實驗與模擬得出適用性強的經驗模型，進而指導設計。

2 存在的問題

2.1 液氫氣瓶材料韌脆轉變

根據以上相關研究發現，液氮溫區材料力學性能研究和韌脆轉變特性研究已經比較成熟。但對于液氫氣瓶所用材料的研究仍存在較多難點，主要表現為液氫溫區材料力學性能數據嚴重缺乏，材料成分與韌脆轉變溫度之間的關系不明確，低溫裝備設計選材時未考慮韌脆轉變特性。未來只有積累足夠的基礎數據，形成液氫溫區材料行為退化和組織演變規律，得到基于材料脆斷失效的材料行為預測方法和力學性能數據庫，才能實現液氫環境選材的可靠策略和材料的本質安全。

2.2 車載液氫氣瓶靜動力學分析

目前研究領域大多是對低溫絕熱氣瓶動力學特性的研究，針對車載液氫氣瓶的靜動力學分析較少，主要以模態分析為主來確定結構的固有頻率和振型，防止與環境激勵相近而產生較大共振現象。液氫氣瓶的存儲溫度越低，對內膽、外殼以及絕熱支撐的要求也就越高。后續對車載液氫氣瓶的強度計算、靜力學分析具有較為迫切的需求，同時在靜態結構應力的基礎上進行動力學特性分析十分必要。

2.3 車載液氫氣瓶疲勞壽命

目前振動特性的研究僅針對車載LNG 氣瓶，疲勞壽命的研究僅在少量高壓化工機械中有所研究，缺乏針對車載液氫氣瓶的振動特性的理論和實驗研究經驗，與車載液氫氣瓶實際失效模式和可靠性高度相關的疲勞壽命缺乏有效的預測手段。液氫氣瓶的振動破壞是實際行駛過程中主要破壞方式之一，建立車載液氫氣瓶的疲勞壽命預測方法，掌握氣瓶實際行為規律，進一步優化氣瓶結構，提高液氫氣瓶的抗疲勞破壞能力。

2.4 車載液氫氣瓶使用過程及真空喪失后的絕熱性能

針對低溫絕熱氣瓶、低溫絕熱容器的絕熱性能研究已經比較成熟。但研究車載液氫氣瓶仍存在較多難點，主要表現為液氫瓶更加注重使用中的安全性能，包括過載、振動、真空失效、火燒、撞擊、槍擊等測試工作，這就決定了液氫瓶的絕熱形式以及性能與常規低溫絕熱氣瓶有所差異。建立車載液氫氣瓶的絕熱設計方法，得到真實介質下及真空喪失后的車載液氫氣瓶絕熱性能影響規律，才能解決車載液氫氣瓶實際工程應用環節的關鍵難題。

2.5 車載液氫氣瓶增壓設計和增壓傳熱

現階段關于車載低溫氣瓶增壓性能的研究，主要研究對象為液化天然氣氣瓶的外置氣化器增壓工藝。雖然車載液氫氣瓶屬于車載低溫氣瓶，但其氣化潛熱、介質溫度更低，結構型式和以前的車載低溫氣瓶有較大差別。由于氫燃料電池進氣條件對于氣體流量、壓力、溫度有更高的要求，進一步改進增壓設計，掌握車載液氫氣瓶增壓傳熱規律，車載液氫氣瓶才能滿足實際工程應用的要求。

綜上可知，在液氫氣瓶材料韌脆轉變性、車載液氫氣瓶靜動力學分析、車載液氫氣瓶疲勞壽命、車載液氫氣瓶使用過程及真空喪失后的絕熱性能、車載液氫氣瓶增壓設計和增壓傳熱等方面，高性能的液氫材料選擇、運行中液氫氣瓶的穩定性、液氫氣瓶的抗疲勞性能、極端工況下的液氫氣瓶絕熱性能維持時間、液氫氣瓶的增壓設計準則等將為液氫氣瓶更加安全、可靠地滿足使用要求提供前期基礎。

3 結語

近年來，氫能源發展十分迅猛，低溫液氫氣瓶具備便于利用、儲氫密度高、無損儲存時間長的特點，目前已成為國內外熱門的研究方向。作為一種既需要結構本質安全又需要良好的絕熱保溫性能的新型氣瓶，其儲用過程的真空穩定性、絕熱平衡性能、使用過程中狀態參數變化規律均尚未探明。只有在現有基礎上，把各個技術難題攻克才能真正推動液氫上車的民用進程。

現階段一些文獻對低溫液氫氣瓶存儲性能開展了初步的研究，也取得了一些進展和技術積累，但仍然存在一些問題。

（1）國內外對低溫絕熱氣瓶的儲存性能和結構強度開展了理論與實驗研究，但對低溫液氫氣瓶儲用過程中性能缺乏基礎實驗研究，實際性能與理論匹配程度上缺乏實驗數據支撐。尤其對于新型車載液氫氣瓶，其材料可靠性、結構本質安全、超低溫高性能絕熱、增壓傳熱特性等關鍵設計環節存在較大的研究空白。

（2）盡管歐美等國提出了車載液氫氣瓶的設計和制造思路，并開展了一些存儲性能的研究，但還主要集中在理論模型上。對于該類氣瓶，儲用過程中的性能規律研究處于起步階段，尚未形成相應實驗裝置，實驗方法和評價指標更是基本空白，相應數據和經驗非常缺乏。

未來基于車載液氫氣瓶低溫脆斷、疲勞失效、真空喪失等典型失效模式，從材料韌脆轉變特性、結構安全可靠性、絕熱性能、增壓設計及增壓傳熱特性等方面，開展車載液氫氣瓶設計關鍵技術的研究具有十分重要的研究價值。只有攻克這類設計關鍵問題，不僅可以為車載液氫氣瓶的高性能安全使用打下良好的基礎，也對車載液氫氣瓶的進一步發展完善有實際的指導意義。未來隨著研究和產業化的進程，車載低溫氣瓶形式的液氫儲存方式在節能、安全方面具有明顯的優勢，相關研究的發展健全更是具有重要的科學意義、普遍的現實需要和廣泛的應用前景。