雙層高壓儲氫瓶概念設計與增容分析

于芳芳，曾霞光

雙層高壓儲氫瓶概念設計與增容分析

于芳芳1，曾霞光2

（1.佛山職業技術學院 智能制造學院，廣東 佛山 528199； 2.佛山科學技術學院 機械與自動化學院，廣東 佛山 528199）

由馮米塞斯屈服準則可知靜水壓力通常對材料屈服強度無影響，文章對一般高壓瓶進行保持內外壓差的增壓加載過程模擬，得到等壓差總是導致相同應力場的強度的結論。針對高壓儲氫瓶既能保持材料強度又能提高內壓和容量的目標，利用該結論進行雙層高壓儲氫瓶的概念設計。文中設計的雙層瓶比常用儲氫瓶增加了一層內瓶，瓶內形成兩個壓力分層，因此增加了一個可調控的內部壓差。保持一定壓差，調整內外層相對尺寸，分析雙層瓶在相同屈服應力條件下的單位體積儲氫量。結果表明，在相同屈服應力條件下的單位體積儲氫量最大可比對應單層瓶提高約25%。文中設計和分析結果，對提高儲氫瓶的儲存能力具有較好參考價值。

雙層高壓儲氫瓶；儲氫能力；屈服強度；增容分析

氫能因其儲量大、獲取技術成熟、燃燒值高且無污染，已成為人類社會的理想潔凈能源，也是當今世界能源工業的主要發展方向[1-4]。在汽車領域，氫能以其零排放的特點被認為是汽車的終極能源[5]。當前，很多汽車生產商推出了氫燃料電池汽車和概念車，其中包括豐田的Miria、本田的Clarity、現代的IX35和上汽集團的榮威E950等[5]。這些新能源車輛中的儲氫瓶承受巨大的氫氣壓力，屬于特種承壓設備，在安全強度方面有嚴格的工業標準[3]。高壓儲氣瓶共有4種基本類型，分別是I型金屬氣瓶、II型金屬內膽環向纏繞氣瓶、III型金屬內膽全纏繞氣瓶和IV型塑料內膽全纏繞氣瓶，其中III型瓶和IV型瓶采用輕質高強度纖維，不僅有效降低了氣瓶質量，還能承受更高壓力，因此被廣泛采用為車載儲氫氣瓶[5]。隨著氫燃料電池汽車續航里程、安全標準和乘載空間要求越來越高，車載高壓儲氫瓶的儲氫量必須增大但其整體尺寸不能增加，即人們必須提高車載儲氫瓶的單位體積儲氫量。提高儲氫量，同時控制其體積大小，對氫燃料電池汽車具有重要意義[5-7]。當前，人們常用增加內壓的辦法提高儲氫瓶的單位體積儲氫量，因此III型瓶的內壓是35 MPa，而且IV型瓶的內壓高達70 MPa。如此高壓下進一步增加內壓來提高儲氫量將對儲氫瓶材料強度提出巨大挑戰，因此需要另辟蹊徑的設計理念。

根據材料屈服強度破壞的馮米塞斯屈服準則，即靜水壓力不是很大時，對材料的強度破壞沒有影響[8]。基于該強度校核原則，本文提出一種保持壓差的高壓容器設計方法并應用于儲氫瓶設計，已獲得國家發明專利[9]。在此，作者將利用有限元數值模擬詳細解釋該發明專利涉及的強度設計規律，并分析出雙層高壓儲氫瓶的強度和其單位儲氫量增容程度。

1 等壓差一般高壓儲氫瓶強度分析

以標準內壓為35 MPa的一般III型瓶為例，利用有限元法分析其強度問題。根據瓶體的軸向等對稱特性、常見工況和典型尺寸[10]，并參考瓶體復合材料相關材料參數[12-13]，建立簡化的1/4模型力學分析模型如圖1(a)所示，其中瓶體長為0.9 m、外徑為0.4 m、壁厚為0.03 m，等效材料的彈性模量為100 GPa、泊松比為0.3、失效強度為400 MPa，載荷包括35 MPa的內壓和0.1 MPa的外壓（即標準大氣壓）。圖1(b)給出了上述情況下瓶體的米塞斯應力場，其中最大值發生在中部內壁，約為214 MPa，小于400 MPa的失效強度，故瓶體滿足強度要求。

圖1 III型單層瓶強度分析

在標準工況基礎上，改變作用于瓶體的內外壓力，但壓差仍然保持約35 MPa，另外分析了內壓45 MPa，外壓10 MPa；內壓55 MPa，外壓20 MPa；內壓65 MPa，外壓30 MPa；內壓75 MPa，外壓40 MPa等4組不同內外壓作用下瓶體的馮米塞斯應力場和水平應力場。如圖2所示，圖2(a)－圖2 (d)分別為上述幾組等壓差作用時的分析結果。

為確認靜水壓力作用在其他壓差時仍然不影響瓶體材料的米塞斯強度，進一步將壓差減小為20 MPa，得到了兩組不同內外壓作用下瓶體的米塞斯應力場，再將壓差增大到50 MPa，得到兩組不同內外壓作用下瓶體的米塞斯應力場，結果如圖3所示，圖3(a)為內壓20 MPa、外壓0 MPa時的結果；圖3(b)為40 MPa、外壓20 MPa時的結果；圖3(c)為50 MPa、外壓0 MPa時的結果；圖3(d)為100 MPa、外壓50 MPa時的結果。

圖2和圖3表明，只要保持瓶壁內外壓差一定，內壓和外壓的大小不會影響瓶體的米塞斯應力場。因此，瓶壁的強度破壞取決于瓶體內外的壓差，與內壓和外壓的具體壓力值無關，該結論可稱為高壓容器的等壓差等應力強度規律。下面就保持一個不破壞瓶體強度的特定壓差，而通過提高瓶體內外壓力值的方法來設計新型高壓容器。

圖3 不同壓差單層瓶應力分析

2 雙層高壓儲氫瓶設計與強度分析

2.1 雙層儲氫瓶結構

基于上述等壓差等強度設計規律可以設計具有不同壓力階梯的分層儲氫瓶，這里以典型的雙層瓶設計為例進行說明。對比現有35 MPa標準單層儲氫瓶的結構，在上述III型瓶的結構基礎上增加了一層內瓶，設計出雙層高壓儲氫瓶概念結構，如圖4所示。

圖4 單、雙層瓶概念設計

雙層瓶在充氣時先充瓶體內腔或同時充內外腔，然后氫氣從內腔進入外腔充氣到內外腔的壓力相等，如圖5(a)所示。之后再繼續向內腔充氣，當內腔與外腔之間的壓差達到相同或某一特定值時，充氣完成。放氣時，如圖5(b)所示，先將內腔氣體向外輸出，當內腔壓力降低到與外腔的壓力相同時，外腔氣體補充進入內腔，使內腔繼續向外放氣或者內外同時放氣。外層儲存空間與容器外部之間的壓差等于內儲存層和外儲存層之間的壓差時，瓶體的材料承壓能力無需額外增加；內儲存層可以承受更高壓力時，便能儲存更多高壓氣體。

圖5 雙層瓶充氣放氣過程

2.2 強度分析

假設雙層瓶外層的壓差保持標準III型單層瓶常規的工作壓力35 MPa，而內層內壓從35 MPa逐步增加到75 MPa，現對上文中設計的雙層儲氫瓶進行相應的強度分析。根據瓶體的軸向等對稱特性和對應III瓶的工況和尺寸，建立簡化的1/4模型力學分析模型如圖6(a)所示，其中外層瓶體長為0.9 m、外徑為0.4 m、壁厚為0.03 m，內層瓶體長為0.74 m、外徑為0.24 m、壁厚為0.02 m，等效材料的彈性模量為100 GPa、泊松比為0.3、失效強度為400 MPa，載荷包括35 MPa的外層內壓和0.1 MPa的外壓（即標準大氣壓）和按照35 MPa、45 MPa、55 MPa、65 MPa、75 MPa逐步變化的內層內壓。

圖6 雙層瓶強度分析

圖6給出了上述情況下瓶體的米塞斯應力場，可以看到，隨著內層壓力增加，內層瓶壁的米塞斯應力從幾乎為零逐步增加，而外壁的應力不變。最后，在內層壓力為75 MPa時，內壁的米塞斯應力增大到與外壁應力場幾乎相同，其中最大值發生在內瓶中部，約為218 MPa，小于400 MPa的材料失效強度。因此，整個雙層瓶的瓶體在75 MPa的高壓下仍然滿足強度要求。

3 雙層瓶儲氫能力分析

根據實際應用情況，氫氣瓶所處環境的溫度取常溫20 ℃，瓶內氫氣的密度與壓力的呈現是非線性的[14]，此時的密度可用簡單擬合公式近似計算：

式中，為密度，kg/m3；為壓強，MPa。將式（1）代入以下公式，就能得到儲氫瓶的總儲氫量1和單位體積儲氫量1，如式（2）、式（3）所示。

式中，i為儲氫瓶儲存空間體積；o為瓶體總體積。

按照上述III型單層瓶體長、外徑、壁厚、工作壓力，計算可得其氫氣總儲量為1.53 kg，單位體積儲量為15.9 kg/m3。同樣按照上述雙層瓶外層瓶體長、外徑、壁厚，內層瓶體長、外徑、壁厚，外層壓力，對內層和外層分別應用上述公式，計算以下5種不同內層壓力情況下的該雙層瓶的總儲氫量和單位體積儲氫量：內瓶的直徑分別為0.12 m、0.16 m、0.20 m、0.24 m、0.28 m、0.32 m時，內層壓力分別為35 MPa、45 MPa、55 MPa、65 MPa、75 MPa時總儲氫量和單位體積儲氫量分析結果如圖7所示。

圖7 雙層瓶總儲存量和單位儲氫量

圖7表明隨著內層壓力的增加，雙層瓶的總儲量和單位體積儲氫量都將增加，同時，在內層壓力大于外層壓力時，增大內層瓶直徑也能增加該瓶的總儲量和單位體積儲氫量。當內層瓶體直徑為0.32 m、壓力為75 MPa時，該雙層瓶的單位體積儲氫量比單層瓶的最大可提高約25%。

4 結論

本文利用有限元數值模擬詳細計算了單層儲氫瓶在保持壓差，改變其內外壓力值時瓶壁的米塞斯應力場，證實靜水壓力對材料的強度破壞應力場沒有影響，總結出等壓差導致等強度應力場的高壓瓶體強度設計規律。基于該規律，設計了一種代表性雙層高壓儲氫瓶，并分析了不同內層壓力時其米塞斯應力場，發現雙層瓶內層瓶的壓力到達外層瓶的2倍時瓶體仍然滿足強度要求。進一步分析了不同的壓差和內層瓶直徑時，雙層儲氫瓶的總儲量和單位儲氫量，發現與現有單層儲氫瓶相比，新型雙層儲氫瓶在米塞斯應力不增加的情況下最大可增加單位體積儲氫量約25%。

應用上述強度設計規律，本文從基本理念層面設計了一種雙層儲氫瓶，很多細節設計和生產制造工藝還需要大量工作。另外，本文工作從概念設計層面突破傳統的高壓容器設計思路，對相關高壓儲存設備設計具有示范啟發作用，未來可進一步在多層高壓容器的設計開發方面參考該雙層瓶的設計理念。

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Conceptual Design and Capacity Enhancement Analysis of Double Layer High Pressure Hydrogen Storage Bottles

YU Fangfang1, ZENG Xiaguang2

( 1.College of Intelligent Manufacturing, Foshan Polytechnic, Foshan 528199, China; 2.School of Mechatronic Engineering and Automation, Foshan University, Foshan 528199, China )

Inspired by the well-known fact that hydrostatic pressure usually has no influence on the yield strength of the material according to von mises yield criterion, the present paper simulates the pressuring processes maintaining the internal and external pressure difference for the common high-pressure bottles, and obtains the strength analysis conclusion that equal pressure difference always produces the same yield stress field. To maintain material strength and to improve internal pressure and storage capacity of the high-pressure hydrogen bottle, the double-layer high-pressure hydrogen storage bottle is conceptually designed according to this conclusion. The double-layer bottle has an additional inner bottle compared to the existing hydrogen storage bottle, forming two pressure layers inside the bottle, and thus adds an adjustable internal pressure difference. Maintaining a certain pressure difference, adjusting the relative size of the inner and outer layers, the hydrogen storage capacity per unit volume is analyzed under the same yield stress condition. It is found that the maximum storage capacity of the double-layer bottle can be increased by about 25% than the corresponding single-layer bottle. The present design and analysis results are a good reference to enhance the storage capacity of the hydrogen storage bottles.

Double layer high pressure hydrogen storage bottles; Hydrogen storage capacity; Yield strength; Capacity enhancement analysis

U463.99

A

1671-7988(2023)19-98-06

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.019.019

于芳芳（1985－），女，碩士，工程師，研究方向為機械設計及理論教學，E-mail:yufangfangjiayou@163.com。