目前，世界正面临着能源生产和消费的深刻变革，氢能因其绿色环保被视为全球能源技术革命的重要方向之一。世界各国政府和主流车企都将氢燃料电池系统作为新能源汽车动力转型升级的技术制高点，积极开展相关基础研究、深度实施产业配套扶持和大举加大基础设施建设。

中国规划了三纵三横的新能源汽车发展路线，从“九五”开始就从科研项目领域支持燃料电池研发。近年来，随着各部委和地方政府对氢燃料电池领域的规划和扶持力度的增加，推广政策的出台也愈加密集。在国家倡导和产业明确政策支持下，氢燃料电池汽车正蓬勃走向一条积极的发展道路。

车载储氢系统

燃料电池 是一种通过电化学反应将燃料的化学能转变为电能的高效发电装置，氢气作为其主要的燃料，通常以高压气态（35 MPa/70 MPa）或以液氢的形式储存在车载储氢系统内。

车载储氢系统 是燃料电池车的重要组成部分，储存方式包括高压气态储氢、液态储氢、固态储氢等。

目前，主流的方向为高压气态储氢，以下内容也是针对这类储氢方案进行讨论。燃料电池汽车车载氢系统主要用于实现氢气的加注、储存与供应，其关键部件包括高压储氢瓶、集成瓶阀、加注口、单向阀、过滤器、减压阀、高压与低压压力传感器、氢气管路等零部件，其主要功能是为燃料电池系统提供具有稳定压力和流量的氢气。

车载氢系统结构分类

氢已经广泛应用于许多工业应用中，大众在日常接触或暴露在氢气下的可能性较小。氢能源在交通领域上的广泛应用，需要安全问题上投入大量努力。作为氢能源在交通应用上的主要的应用形式，燃料电池汽车有着巨大的发展潜力，同时也需要各方机构对此发展更全面的氢安全应对措施。

针对高压储氢瓶 主要需要考虑到的氢安全问题包括材料氢脆、氢气泄漏、主被动泄压装置及部件材料的损坏等等。其中由于高压储氢瓶为两层或以上结构，内胆材质的损伤无法通过外部检查进行辨识。内胆的损坏会造成系统结构的变化，可能会影响氢气储罐、管路接口及其附件的结构特性，并可能造成泄漏，将会带来严重的安全隐患，因此需对氢气瓶进行定期检测。

采用无损检测的方式对车载储氢系统状态进行确认是有必要的。可以考虑的无损检测方式有很多，如光学应变测量、计算机断层扫描、热成像、超声波、涡流或声发射检测等。

高压储氢瓶多层结构图

使用复合材料制造的高压储氢瓶结构，通常需要使用监测系统的典型缺陷包括：分层、基质中的微裂纹及其导致的纤维断裂、脱粘、不同结构之间二次粘合的丧失和分层，吸水率、材料老化以及热机械疲劳引起的裂纹。高压氢罐的复合材料中存在多种损伤模式，例如由冲击引起的分层和纤维断裂，很难通过传统方法检测到。

SHM结构健康监测

Structural Health Monitoring

声发射检测是基于对材料在缺陷传播和扩散时的测量。检测系统对材料破损时由裂纹、分层、冲击等产生的非固有材料声音作出反应。是一种用于固定点测量的被动动态方法。

兰姆波是在固体板内部传播的引导弹性波，仅出现在相对薄的板上的横波和纵波的组合。其行为取决于材料密度、弹性特性、几何形状和频率。

基于声发射的监测技术与基于兰姆波的监测技术的工作方式相同，不同之处在于，声发射监测的传感器检测到的信号是由损伤本身产生的，并且仅在损伤扩散时产生。

声发射是一种非常敏感的技术，对微裂纹及其他潜在的结构危险非常敏感，但是该技术对正常操作条件下产生的机械振动不敏感。

(a) 平板样品的检测

(b) 弧板样品的检测

声发射测量原理简图

超声波检测是通过换能器发射在介质上传播的超声波，当检测到不连续或缺陷时，信号会变形并被传感器捕获。该系统可以通过比较信号确定结构损坏的程度和位置。

而使用超声导波检查细长的工程结构（如管道、板、轨道和电缆等）已有大量研究，因为它们具有长距离传播的能力。

带演示器的超声波试验装置

结构健康监测面临的困难与挑战

传感器的选择：理论上最合适的传感器是可以在制造过程中嵌入结构中而不影响任何功能特性的传感器，但由于高压气瓶的气密性要求及瓶阀不适用于频繁拆卸操作的原因，需要考虑传感器的尺寸和可靠性，以及能承受的正常操作条件。

光纤要求：将光纤嵌入复合材料的过程是需要通过手工非常精细地进行的。可以挑战尝试根据储罐的类型使这个过程自动化。存在的困难点是要满足单一的光纤输入/输出到外部的要求，以便连接坚固可靠的检测设备。

储罐的形状和传感器的嵌入。

传感器附件对耐腐蚀性要求高。

来源：中国汽研新能源中心