不同水容積的車載儲氫氣瓶快充溫升研究

劉 峻 周連勇 馬華慶 張志新 鄭水英 趙永志

（浙江大學能源工程學院 化工機械研究所）

氫能作為來源廣泛的二次能源，其單位質量含能多，燃燒產物清潔，因而在交通、電力及儲能等行業具有廣闊的發展前景［1］，但氫氣的密度低也成為氫能源應用和產業化的潛在限制因素［2］。在氫能產業鏈中廣泛布局、系統開發、深入研究，是構造、豐富、完善以氫能源為代表的清潔-多元能源供應體系的必然要求，為推動氫能應用的基礎設施建設的發展，我國近些年提出了《能源技術革命創新行動計劃 （2016-2030年）》、《關于做好可再生能源發展“十四五”規劃編制工作有關事項的通知》等具有代表性的國家層次的戰略規劃［3］。 實現安全性好、經濟性優、效能性強的儲氫技術是氫能應用與產業化的關鍵，考慮到液態儲氫、金屬氫化物儲氫及有機框架物儲氫等儲氫技術仍有關鍵技術瓶頸未解決［4，5］，對氫燃料電池車制造商而言，目前技術成熟度高、溫度適應性寬、集成能耗低的解決方案是在氣瓶中儲存被壓縮至35MPa，甚至70MPa的標稱工作壓力的氫氣，以實現高質量密度的儲能［6，7］。碳纖維增強復合材料氣瓶具有重量輕、強度高的特點，廣泛應用于車載高壓儲氫系統，根據現行標準的限定，中國大陸地區只允許使用Ⅲ型氣瓶（鋁合金內襯）：Ⅲ型氣瓶與國外較通行的Ⅳ型氣瓶（高密度聚乙烯內襯）相比，結構更穩定，能較好地規避泄漏、復合包覆材料分 層等問題［8，9］。 為提供舒適的用戶體驗，氫燃料電池車的加氫操作時間應與燃油車的加油操作時間相當。 在限定氣瓶水容積、限定加注時間的條件下： 氫氣被壓縮至高工作壓力［10］、氫氣的負焦-湯效應［11］、高速氫氣入射流的動能部分轉化為內能［12］等多重要素都使得儲氫氣瓶內產生較高的溫升，而過高的溫度會誘發環氧樹脂剝離、碳纖維失效［13］；與此同時，氫氣的密度將隨著溫度的上升而下降，這也可能造成儲氫氣瓶的欠充裝狀態［14］。 所以，準確預測快充溫升，并給定可靠的加注策略是保障車載高壓氫安全與效能的重要課題。

已有不少研究者從多個角度關注氫氣的加注參數（如質量流量、升壓方式及初始壓力等）對氣瓶快充溫升的影響， 并得到了一些重要結論。例如，Zhao L等呈現了不同質量流量、 初始壓力、環境溫度條件下35MPa快充過程中的Ⅲ型儲氫氣瓶內的溫升及其分布情況，研究表明：Ⅲ型儲氫氣瓶的最高溫升分布在瓶尾區，且最大溫升隨質量流量的增加而呈指數增長；最大溫升隨初始壓力的上升而線性下降，但環境溫度對最大溫升的影響程度不大；同時還基于5min的加注過程給定了溫升預測公式［15］。Zhao Y Z等對不同加注時間、升壓方式下的70MPa快充過程中的Ⅲ型儲氫氣瓶內流動和傳熱現象進行了數值模擬研究，結果表明：對于線性升壓，最終氣體溫升隨指定加注時間的減小而升高；而不同升壓方式下的最終氣體溫升差別較小［16］。Zheng J Y等在研究中簡略地分析了氣瓶尺寸對傳熱的影響，發現較小的氣瓶長徑比有利于加注安全［17］。

通用、簡便、可靠地預測快充過程的溫升，是車載高壓氫系統加注環節的一大重要課題，但不同的氣瓶生產廠家在氣瓶配件布置、 溫升檢測排線布置等諸多方面尚未形成統一的評價標準［18］，因而對于不同形式的氣瓶也難以制定統一化的溫升安全規范。 為此，筆者采用二維軸對稱模型，關注不同水容積的車載70MPa儲氫氣瓶的加注-靜置全過程，旨在探究氣瓶內部溫度場隨時間的演化過程，進而確定氫氣、環氧樹脂/碳纖維復合層壓板的最高溫升與水容積、 長徑比的關系，從而給定精度較高的基于水容積、長徑比的車載70MPa高壓儲氫氣瓶加注溫升預測公式。

1 70MPa高壓儲氫氣瓶結構及計算模型

車載儲氫氣瓶大致可分為流場域和固體域。具體來說，流場域充滿加壓氫氣，固體域包括鋁合金襯里、環氧樹脂/碳纖維復合層壓板、環氧樹脂/玻璃纖維復合層壓板和支撐用鋼。不同水容積車載儲氫氣瓶由于力學支撐作用的區別，氣瓶外圍固體材料的厚度、體積等參數是不相同的。 車載儲氫氣瓶的主要材料參數見表1， 不同水容積儲氫氣瓶結構示意圖如圖1所示。

表1 車載儲氫氣瓶的主要材料參數

圖1 不同水容積的車載儲氫氣瓶的結構示意圖

假定加注前氣瓶與環境之間有充分的熱交換， 高壓儲氫氣瓶內的初始溫度與環境溫度一致，均給定為20℃。筆者使用美國國家標準技術研究所（NIST）的熱力學和制冷劑的傳輸特性數據庫（REFPROP v7.0）來評估高壓氫氣，NIST模型所描述的真實氣體流動比許多常用狀態方程描述的實際氣體流動要更貼合實際工況物性，適用于溫度邊界條件隨時間變化的非穩態傳熱［19］。

考慮到70MPa標稱工作壓力需要高質量流量（質量流量大于9g/s）， 可將車載儲氫氣瓶的加注與靜置過程簡化為二維軸對稱的瞬態過程［15］。 同時還考慮到不同壓力上升模式對氫氣最終溫升影響小［20］，且國際上關于高壓氫系統的充裝要求體現在質量能量密度上［21］，因此筆者給定恒定的質量流量入口邊界條件，數值與換算的平均質量流量相同，包含傳熱、湍流和真實氣體效應的連續性方程和動量方程：

式（1）、（2）均是二維軸對稱慣性參考系框架下的公式，其中，ρ為密度，t為時間，u為軸向速度，v為徑向速度，x為軸向距離，r為徑向距離，p為壓力，μ為動態粘度，μt為湍流粘度。

文中用到基于湍流動能k及其耗散率ε的輸運修正標準k-ε模型， 與標準k-ε模型相比，C1ε從1.44變為1.52，使得滲透率對動量、時間及密度等變量的關聯性描述更為精確［22，23］。湍流動能k及其耗散率ε由以下輸運方程得出：

2 車載儲氫氣瓶加注-靜置過程溫升及其預測公式

2.1 快充-靜置過程溫升數值模擬結果與分析

目前，各種水容積、各種型式車載儲氫氣瓶的快充溫升研究已經有很多，也有一些研究者對加注-泄放全過程溫升進行探究。 但是，為充分保障高壓氫加注安全，潛在的極端危險工況應作為考察對象：氫燃料車加注操作完成后，存在未必即刻行駛的現實可能性，加注及之后的靜置組合過程應作為參考階段［19］。

圖2為Fluent計算得到的3種水容積的氣瓶內的加注終了時刻的溫度云圖，可發現與以往許多氣瓶溫升研究不同的是：70MPa標稱壓力、3min時長的加注過程，瓶內最高溫升在瓶肩與內筒體交界區，而不是瓶尾區。 這種現象歸因于高加注流量條件下，氣瓶內壓縮產生大量熱［24］；同時，相較于35MPa氣瓶加注過程， 瓶內的高壓會進一步抑制加注后續的壓力增加。 兩個因素相結合，使得氫氣浮力效益逐漸占據主導作用，從而使瓶內再循環流受到抑制［25］。 考慮到國際上通行的儲氫氣瓶的關鍵評價指標之一——充裝狀態（SOC）是衡量高壓氫系統經濟性［26］、效能［27］的重要指標，而SOC與氫氣的最高溫升不存在必然關聯， 卻與氫氣的質量平均溫升密切相關［28］；還考慮到經濟性和效能的前提是確保高壓氫系統不會因氣瓶包層材料熱力學性能的削弱而發生安全事故，而過高溫升會誘發環氧樹脂剝離、碳纖維失效［29］，因此，將氫氣的質量平均溫升演化、環氧樹脂/碳纖維復合層壓板的最高溫升演化呈現出來。

圖2 不同水容積儲氫氣瓶快充終了時刻溫度云圖

如圖3所示，分別是3種水容積的氣瓶內氫氣的質量平均溫升。 可以直觀地發現，氫氣質量平均溫升的最高值都不超過85℃。 無論是快充還是靜置過程，在長徑比相差不是很懸殊時（長徑比都小于4）［12］，隨著氣瓶水容積的增大，氫氣的質量平均溫升增加， 這可歸因于水容積增大后，換熱實際表面積與水容積的比值減小，氣瓶蓄熱能力增強。 如圖4所示，分別是3種水容積的氣瓶的環氧樹脂/碳纖維復合層壓板的最高溫升。對于快充過程， 與圖3中的氫氣質量平均溫升的變化趨勢類似，隨著氣瓶水容積增大，環氧樹脂/碳纖維復合層壓板的最高溫升也隨之增加，最高值不超過50℃。 靜置過程則有較多的不同之處，27L氣瓶的環氧樹脂/碳纖維復合層壓板的溫升緩慢上升，最終趨于一個穩定值；52L氣瓶的環氧樹脂/碳纖維復合層壓板的溫升一直緩慢下降；而135L氣瓶的環氧樹脂/碳纖維復合層壓板的溫升是先下降再緩慢上升，最終趨于一個穩定值。

圖3 不同水容積儲氫氣瓶氫氣質量平均溫升演化示意圖

圖4 不同水容積儲氫氣瓶環氧樹脂/碳纖維復合層壓板最高溫升演化示意圖

縱觀快充-靜置全過程，不難發現氣瓶的環氧樹脂/碳纖維復合層壓板最高溫升的最大值是隨著氣瓶水容積的增加而增大的；同時還應注意到：僅以水容積變量為出發點制定出的加注策略是不全面的，水容積、包層材料體積及長徑比等變量都是影響溫升演化的重要因素。 就本研究的側重點來說，將水容積、長徑比兩個影響因素與溫升預測定量結合起來， 才能為大巴車車載高壓氫系統加氫提供適用度廣、實用性強的加注策略。

2.2 與水容積、長徑比相關的溫升預測公式

鑒于不同氣瓶生產商的制造工藝差別極大，自變量若直接取氣瓶水容積，限定程度大［30］，因此，這里給定一個新變量：容比系數。 容比系數為氣瓶水容積與3種氣瓶中最小氣瓶的水容積之比。 考慮到常用車載儲氫氣瓶的最小水容積約在20～30L左右，這樣構造的無量綱化參數在消除特定水容積限制的基礎上，還能緊密貼合國內外氣瓶制造的實際情況［31］。 圖3的縱坐標表示不同水容積氣瓶的氫氣質量平均溫升的最大值， 圖4的縱坐標表示不同水容積氣瓶的環氧樹脂/碳纖維復合層壓板最高溫升的最大值，都分別定為因變量。 如圖5、6所示，水容積、容比系數與因變量之間的關系用一次擬合平面可在數值上形成較好的近似。

圖5 氫氣質量平均溫升最大值擬合平面示意圖

圖6 環氧樹脂/碳纖維復合層壓板最高溫升值擬合平面示意圖

對于本研究中涉及的氣瓶， 圖5、6中的一次平面所表征的溫升表達式具有較高的精度，并表示如下：

式中 Rar——氣瓶的長徑比（即瓶身總長與氣瓶公稱直徑之比）；

Rvr——氣瓶的容比系數（即氣瓶水容積與指定最小氣瓶的水容積之比）；

TC——環氧樹脂/碳纖維復合層壓板最高溫升值；

THA——氫氣質量平均溫升的最大值。

由式（7）可知，長徑比、水容積對氣瓶的環氧樹脂/碳纖維復合層壓板的最高溫升值影響程度相近，長徑比影響略大；由式（8）可知，對于瓶內氫氣的質量平均溫度，或者說對于瓶內SOC而言，長徑比的影響較小，而水容積影響則較大。 上述兩個表達式適用于給定加注時間（3min）、給定標稱工作壓力（70MPa）條件下的高壓氫系統的加氫操作。

3 結論

3.1 對于70MPa標稱壓力、3min時長加注的快充終了時刻，氣瓶內最高溫升在瓶肩與氣瓶內筒體的交界區。

3.2 對于快充過程和靜置過程， 在長徑比相差不是很懸殊時（長徑比都小于4），隨著氣瓶水容積增大，氫氣的質量平均溫升、環氧樹脂/碳纖維復合層壓板的最高溫升都隨之增加。

3.3 僅根據水容積變量制定出的加注策略是不全面的，水容積、包層材料體積、長徑比等變量都是影響溫升演化的重要因素。

3.4 得到了基于不同水容積、 不同容比系數的環氧樹脂/碳纖維復合層壓板最高溫升值和氫氣質量平均溫升最大值的溫升預測公式。