从目前开始，到2025年以前，严格的燃油效率及温室气体排放法规将分阶段地得到实施。为此，全球的大多数汽车制造商都在抓紧研究相应的解决方案——这些汽车OEMs正在试图减轻汽车质量以及探索采用替代的动力系统选项。

就替代的动力系统选项而言，最有趣的一种是燃料电池。燃料电池电动力传动系统之所以具有吸引力，是因为只有H2和压缩天然气(简称“CNG”)这两种最常见的燃料，其最终的燃烧产物是水和热量，这意味着零排放汽车(简称“ZEVs”)有望实现。

目前最大的障碍之一是H2燃料的储存。H2在工业领域得到安全运输已有几十年，而且几乎能在任何地方进行本地生产，其来源也非常广泛，包括生物质、煤、地热、水电、核电、太阳能、风能、水电解或者甚至是CNG。这种灵活性很好地契合了“低成本、能源安全和生命周期分析”的理念。但相比传统的液态石油燃料，这种非常轻的气体(比空气轻14倍)却拥有3 倍的“质量比能量密度”以及更小的“体积比能量”。此外，由于氢分子是世界上最小的，导致储存容器的防渗透性成为一个真正受关注的问题，以免燃料泄漏。因此，要在大多数汽车可用的狭小空间中罐装足够的H2，以便其能够提供相当于今天的汽油汽车一样的动力——确保每箱燃料能够支持500km的运行里程，这是非常困难的，尤其是要在不增加汽车质量的情况下达到这一目标。虽然已有替代方案，但最实用且成本最低的车载储H2方法是，将H2作为一种工作压力在20~70MPa的压缩气体，储存在破裂强度必须达到其两倍额定压力的储罐中。

储存挑战

今天，已有4种类型的压力容器可用于储存H2。类型I(全钢)的容器重而庞大。类型II(钢或铝内衬，外部缠绕环氧碳纤维)较轻但成本也较高。这两种容器都能达到30MPa的工作压力，并可用于整批运输或在加油站固定储气。与类型II相似，类型III完全由环氧碳纤维复合材料缠绕而成，更加轻质而昂贵，能够承受更高的工作压力(采用铝内衬时，工作压力可达82.5MPa)，主要在商用卡车上用于储存H2或CNG。类型IV采用高密度聚乙烯(HDPE)或橡胶作内衬，外部完全缠绕环氧碳纤维，这种最轻质且最昂贵的储气罐提供了与类型III相似的性能。

遗憾的是，某些金属和金属合金具有吸收H2的倾向，从而导致脆化，降低储气罐的耐久性。而且混合材料的储气罐容易在混合材料界面产生疲劳，这会影响使用寿命。此外，环氧树脂是一种热固性的基体材料，这增加了产品生命周期结束后回收利用的复杂性——对于将汽车销往欧盟的汽车制造商而言，这显然是一件令人头痛的事情。总之，可用的储气罐提供的重量-成本效益不足，可储存的燃料太少，只能满足适当的运行里程需求，回收利用困难，而且针对在汽车上的大量应用，缺乏足够的耐久性。

制造更好的储气罐

2010 年，一个由多家合作伙伴参与的持续多年的研究项目被确定下来。该项目被命名为“低成本、耐用的热塑性储氢罐”或者“DuraStor”，目的是通过研究对类型IV储罐的直接替代来解决这些问题。该项目得到了Innovate UK (英国威尔特郡斯温登)的部分资助。虽然DuraStor项目在2014年早些时候就已结束，但一个被称作“氢——储存及运输优化”的英国独有项目(简称 “HOST”)，随后于2014年中期开始接手DuraStor后续的研究工作，它得到了英国技术战略委员会的部分资助，并采用了同样的章程，只是参与成员发生了一些变化。据介绍，入选成为这两个项目的成员的条件是，不仅要有技术专长，而且随着研究结果转变成商品，他们愿意并有能力形成一个可行的供应链。

英国的DuraStor联盟及随后的HOST联盟被动员起来，去寻找一种安全有效的方法，以在高压下储存足够的氢气或天然气，使燃料电池驱动的电动汽车达到的运行里程与传统的液体石油燃料及内燃机提供的里程完全等效，热塑性复合材料已为此提供了一种可行的解决方案。在此显示的是一种得到部分缠绕的碳纤维/乙缩醛带材缠绕容器(图片来自DuraStor联盟)

一项市场调研初步形成了压力容器的设计规范。之后，DuraStor团队转向对材料和工艺进行研究。一项专利性的调查表明，该领域中的大多数知识产权都与热固性复合材料有关。尽管如此，一名对“低成本的热塑性内衬材料的抗渗透性”较为熟悉的团队成员，却说服团队去开发热塑性内衬，因为它们不仅比金属轻，而且加工速度更快，并能够提供更大的抗冲强度。相比热固性材料，其再加工性与回收利用性也更好。此外，热塑性塑料能够重新熔化，从而为内衬与外壳的单独制造，然后再将它们组合成一个整体的罐，以避免“金属/复合材料”罐常见的疲劳问题以及有助于回收创造了条件。通过取消除耦合硬件(可被分离开)以外的所有金属，减少或消除了氢脆化及电化腐蚀问题。

“在推进这些项目的过程中，我们与那些对燃料电池技术感兴趣但又对当前储氢罐的长期耐久性缺乏信心的汽车制造商作了许多讨论。”EPL Composite Solutions公司研发负责人、DuraStor及HOST项目的领导Matthew Turner博士解释说，“我们的联盟成员确信，热塑性复合材料能够提供比热固性复合材料更好的耐久性。”

DuraStor 项目评估了聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚苯硫醚和聚甲醛(POM，或乙缩醛)这3种半结晶热塑性树脂材料，这些材料由联盟成员、位于美国德克萨斯州达拉斯的塞拉尼斯公司提供，它们在力学性能及抗化学与抗渗透性方面拥有众所公认的良好优势。由于两名团队成员以往的工作，以及在汽车燃料处理部件和低压燃料储存中长期应用的历史，POM最终被选用。为优化抗渗透性，内衬将完全采用POM，但外壳必须得到增强以最大程度地提高容器的环向强度和抗爆裂性与抗穿刺性。该团队选用了连续碳纤维而不是无碱玻璃纤维(E-glass)，因为前者能够提供更大的强度/重量比，而且许多的罐制造商已将其与环氧树脂一起使用。单向带被认为是最实用的纤维形式，它能确保很低的孔隙率而且无干点，这对于抗渗透性是两个关键因素。

在工艺选择上，一开始采用的是中空内衬。因为泄漏是不可接受的，因此该团队想要生产出一个整体的内衬而不是将多个部分连接起来。吹塑成型、铸造和滚塑(旋转模塑)都在考虑之中。由于具有较低的模具成本、较低的成型应力(可减少成型后的翘曲变形)以及能够生产出拥有良好表面质量并可控制壁厚的大型部件，再加上方便燃料流进、流出的螺纹线能够被模塑到耦合硬件中，以及嵌件能够得到应用从而最大程度地减少模后处理，最终选用了滚塑成型。与大多数其他的热塑性成型方式相比，虽然滚塑的成型周期较慢，但组合模具以及采用旋转台，能够以比其他选项相对低的成本来提高产量。

已为罐制造商们所采用的长丝缠绕技术，将成为外壳制造工艺，但该团队有可能需要修改缠绕头，以处理预浸渍的热塑性带材。

有了材料和工艺，该团队还要同时着手试验项目。一些成员对注塑成型的纯POM试样以及真空/热压罐固化的POM/碳纤维层压材料做了小型力学测试(依据 ISO 527-3、ISO 178和ASTM D3410M)和渗透测试(依据ISO 5869) 。另一个小组设计了内衬、与内衬相耦合的硬件以及滚塑模具。几种内衬设计在2011~2013年期间得到了试验。将每一批次成型的内衬切下，然后对它们做进一步的力学测试和渗透测试。为验证初步试验结果的准确性：采用一种POM级别材料以及专为注塑成型而设计的添加剂组合，注塑成型试样，并对该试样进行力学测试和渗透测试;然后，采用一种类似的但不完全一样的POM级别以及不同的添加剂组合，滚塑成型试样，并对该试样进行力学测试和渗透测试。通过相互对比，该团队得出结论：配方和工艺上的区别不会对聚合物的行为带来不利影响。

DuraStor团队设计了一种滚塑成型的乙缩醛内衬(图示的4个内衬，每个都拥有气体进/出口硬件，它们被安装在容器底部)，能与缠绕的乙缩醛/碳纤维带材相兼容(图片来自DuraStor联盟)

初步结果

2014 年，DuraStor团队首次对其2010~2013年间的研究作了公开报道，该报道表明，由于内衬的公称壁厚≥5mm，内衬和外壳材料满足或者超越了目前的性能要求。之后，一项针对回收的研究，以及另外做的内衬成型试验和初期的外壳缠绕试验，均获得了一些数据。HOST团队将利用这些数据来完成一种为 UD带材而设计的缠绕方式。接下来的研究重点是，通过对内衬与外壳的合并，来生产一种单体容器。其他计划中的项目包括修改长丝缠绕头，以及开发交钥匙的机器人制造单元以便于混合材料容器的制造商们采纳DuraStor技术。HOST联盟将在H2驱动的FCVs上继续开展一个真实的示范项目，以验证这两种材料和工艺技术，以及建立一个完全有能力的供应链。

在这一得到完全缠绕的容器上所作的初步试验表明，该容器满足或者超越了所有的要求(图片来自DuraStor联盟)

“处在氢经济前沿的许多组织都是拥有有限预算的小型创新体。”Turner补充道，“这就是为什么我们的机器人制造单元将被设计成适合于订制和原型部件的生产。我们充满了信心——它将推动氢经济的更快发展。”