氢是能源和交通领域成功转型的希望灯塔。然而，这种气体也具有高度爆炸性，如果要安全使用氢气，需要采取严格的安全预防措施。最新的燃料电池汽车在加压罐中携带气态氢气。即使在最大运行负载下， H 2驱动系统的这些核心元件也必须保持安全。

为了防止危险情况发生，必须定期维护高压存储系统。然而，目前每两年需要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。

在联合研究项目 HyMon 中，弗劳恩霍夫结构耐久性和系统可靠性研究所 LBF 的研究人员正在与合作伙伴合作开发基于传感器的机载结构监测系统，该系统将能够连续监测 H 2 压力罐，从而确保氢汽车的高安全水平。

目前，氢气以气态形式储存在由纤维增强复合材料 (FRC) 制成的储罐中，压力高达 700 巴。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。出于安全原因，H 2压力罐在首次使用之前要经过大量测试，以确保在整个使用寿命期间安全运行。还必须确保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。

目前指定用于检查储罐外部损坏的目视检查无法做到这一点。作为替代方案，可以通过持续监测压力容器来检测损坏情况，这一过程称为结构健康监测或简称 SHM。作为 HyMon 项目的一部分，达姆施塔特 Fraunhofer LBF 的研究人员正在与合作伙伴密切合作，开发一种专用智能系统，用于连续监控氢气罐的状态。该机载结构监测系统由合适的传感器和评估电子设备组成，其目的之一是为服务和维修提供数据。

“举个例子，我们的技术为德国技术检验协会 (TÜV) 的检验人员提供了事故发生后储罐所受压力的客观信息，使他们能够客观地决定储罐是否可以重复使用或需要更换，” Johannes Käsgen，弗劳恩霍夫 LBF 科学家。另一个功能是帮助降低维护成本并确保储罐在整个使用寿命期间安全使用。

声发射和应变传感器检测储罐的损坏情况

研究工作重点是声发射传感器。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。传感器检测到这种高频声波，从而使它们能够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，”卡斯根解释道。“测量信号由评估电子设备处理，以提供有关储罐健康状况的信息。”

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。“当纤维断裂时，储罐上的传感器会拾取高频声波，算法会检测到断裂的纤维，然后对断裂的纤维进行计数。如果纤维断裂率突然增加，则表明氢气罐处于危险状态。”其使用寿命已结束，”研究人员说。

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，这种全面的质量保证方法意味着可以避免不必要的氢气罐更换。

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。

完整的系统在测试车辆上进行测试

测试过程的第一阶段是在 Fraunhofer LBF 的测试装置中使用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。损坏信号由传感器记录。接下来，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，整个传感器系统在薄壁罐模型上进行测试，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，直到发生故障。

研究团队正在调查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连接到氢气罐上。最后，测试车辆配备了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。项目合作伙伴的目标是将整个系统开发成未来的标准状态监控系统。