摘 要 通過零維氫氣物性和一維壁面散熱相結(jié)合的方法，建立了燃料電池車載儲(chǔ)氫瓶加注仿真模型，驗(yàn)證了加氫溫升仿真的準(zhǔn)確性。運(yùn)用加注仿真模型，研究了儲(chǔ)氫瓶壁面結(jié)構(gòu)對(duì)加氫溫升的影響規(guī)律。仿真結(jié)果表明，對(duì)于鋁合金為內(nèi)襯材料的III型儲(chǔ)氫瓶，加氫過程中，瓶?jī)?nèi)氫氣產(chǎn)生的熱量絕大部分被壁面材料導(dǎo)熱吸收，僅有約2%的熱量通過儲(chǔ)氫瓶壁面散出至環(huán)境。由于內(nèi)襯層鋁合金材料比纏繞層碳纖維復(fù)合樹脂材料具有更高的導(dǎo)熱系數(shù)，內(nèi)襯層的徑向溫度梯度幾乎不存在，相比之下，纏繞層的徑向溫度梯度較大，導(dǎo)致內(nèi)襯層導(dǎo)熱對(duì)氫氣散熱的貢獻(xiàn)更大。內(nèi)襯層越薄，氫氣總散熱量越小，加氫溫升越顯著；當(dāng)內(nèi)襯層厚度由7 mm減薄至3 mm時(shí)，加氫溫升增加約10 ℃。與內(nèi)襯層相比，纏繞層厚度對(duì)加氫溫升影響較小；當(dāng)纏繞層厚度由12 mm減薄至8 mm時(shí)，加氫溫升增加約1.8 ℃。因此，III型瓶加氫時(shí)，可以根據(jù)其壁面結(jié)構(gòu)，尤其是內(nèi)襯層厚度，定制化加氫速率，從而實(shí)現(xiàn)不超溫條件下的快速加氫。
關(guān)鍵詞：儲(chǔ)氫瓶；內(nèi)襯層；纏繞層；加氫；溫升
燃料電池車載高壓儲(chǔ)氫系統(tǒng)采用碳纖維纏繞的多層復(fù)合氣瓶，其內(nèi)襯材料為鋁合金（III型瓶）或聚合物（IV型瓶）。當(dāng)進(jìn)行氫氣加注時(shí)，高壓氫氣快速進(jìn)入氣瓶，存在顯著的熱效應(yīng)，導(dǎo)致氣瓶?jī)?nèi)氫氣溫度快速升高。為保障加氫過程的安全性，加注結(jié)束時(shí)，氣瓶?jī)?nèi)氫氣溫度不應(yīng)超過85 ℃[1]。燃料電池車載儲(chǔ)氫系統(tǒng)所采用的儲(chǔ)氫瓶結(jié)構(gòu)，包括其內(nèi)襯材料種類、壁厚等，直接決定氫氣經(jīng)壁面的散熱量，從而導(dǎo)致氣瓶?jī)?nèi)氫氣溫升迥異。國(guó)際上，燃料電池車載儲(chǔ)氫系統(tǒng)主要采用以聚合物為內(nèi)襯的IV型儲(chǔ)氫瓶，其加氫溫升特性已有較多研究[2,3,4]；目前，國(guó)內(nèi)車載儲(chǔ)氫系統(tǒng)則主要采用以鋁合金為內(nèi)襯的III型儲(chǔ)氫瓶，其加氫溫升特性也有一定研究[5]，但缺乏系統(tǒng)性的加氫安全邊界條件研究。另一方面，由于氣瓶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)差別，即使采用同一種類型的儲(chǔ)氫瓶，其內(nèi)襯或纏繞層材料的厚度和物理特性差異也導(dǎo)致加氫溫升特性不同。隨著我國(guó)氫能行業(yè)的快速發(fā)展，燃料電池車載儲(chǔ)氫系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料上的差異對(duì)加氫操作的溫升管理和安全性保障提出了新的挑戰(zhàn)，因此研究?jī)?chǔ)氫瓶結(jié)構(gòu)對(duì)加氫溫升的影響規(guī)律，指導(dǎo)建立基于儲(chǔ)氫瓶結(jié)構(gòu)的安全加氫方法具有重要意義。本文采用一維傳熱模型與氫氣物性數(shù)據(jù)庫(kù)相結(jié)合的方法，建立了車載儲(chǔ)氫瓶加注模型，經(jīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證可靠性后，系統(tǒng)性研究了儲(chǔ)氫瓶結(jié)構(gòu)對(duì)加氫溫升的影響規(guī)律，為加氫過程溫升控制和安全管理提供指導(dǎo)。
1 建模方法
1.1 模型與熱力學(xué)方程
采用0維氫氣模型和1維儲(chǔ)氫瓶壁面模型對(duì)加氫過程進(jìn)行建模。對(duì)儲(chǔ)氫瓶?jī)?nèi)氫氣進(jìn)行質(zhì)量與能量衡算，存在如下關(guān)系方程
為獲得加氫過程中瓶?jī)?nèi)氫氣溫度的變化，還需要求解出瓶?jī)?nèi)氫氣的散熱量。假設(shè)儲(chǔ)氫瓶是兩端半球、中間管狀的結(jié)構(gòu)，氫氣經(jīng)壁面對(duì)外散熱時(shí)，瓶壁只存在徑向的溫度梯度。瓶壁包括內(nèi)襯和纏繞兩層，如圖1所示。
圖1 儲(chǔ)氫瓶建模結(jié)構(gòu)示意
瓶?jī)?nèi)氫氣散熱量與內(nèi)襯層內(nèi)表面溫度Tliner_in存在如下關(guān)系
1.2 模型驗(yàn)證
根據(jù)美國(guó)能源部公布的III型瓶加氫結(jié)果[6]，采用相同的儲(chǔ)罐參數(shù)和加注條件，模擬獲得的氫氣溫升曲線與文獻(xiàn)報(bào)道值基本重合（圖2），說明建立的仿真模型具有可靠性。
圖 2 加氫溫升仿真結(jié)果對(duì)比
1.3 加氫仿真
選取典型的加氫工況，儲(chǔ)罐初始?jí)毫? MPa，在室溫和瓶體初始溫度25 ℃下，按照10 g/s進(jìn)行恒流量加注，入口氫氣溫度與室溫一致且假設(shè)恒定不變，當(dāng)加注至儲(chǔ)罐內(nèi)氫氣密度達(dá)到24 g/L，即為100%加滿狀態(tài)時(shí)停止。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道[2,3,4]，在加氫過程中，儲(chǔ)氫瓶?jī)?nèi)壁對(duì)流換熱系數(shù)取200 W/(m2·K)，外壁自然對(duì)流散熱系數(shù)取8 W/(m2·K)。儲(chǔ)氫瓶壁面溫度一般不超過氫氣的安全上限溫度85 ℃，可以近似認(rèn)為鋁合金內(nèi)襯和碳纖維纏繞層材料的密度、導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容保持不變[1]。
2 結(jié)果與討論
2.1 加氫熱效應(yīng)
國(guó)內(nèi)典型III型儲(chǔ)氫瓶的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示，仿真結(jié)果表明，加氫結(jié)束后儲(chǔ)氫瓶?jī)?nèi)氫氣溫度為73.5 ℃，溫升48.5 ℃。氫氣加注過程中儲(chǔ)氫瓶?jī)?nèi)氫氣溫度逐漸升高，向儲(chǔ)氫瓶壁面散熱，首先與內(nèi)壁發(fā)生傳熱使得鋁內(nèi)膽內(nèi)襯溫度升高，然后內(nèi)襯層將熱量傳導(dǎo)至纏繞層，最后經(jīng)外壁面散熱至環(huán)境。在氫氣加注的280 s時(shí)間內(nèi)，儲(chǔ)氫瓶?jī)?nèi)氫氣對(duì)壁面的總散熱量為2317 kJ，其中鋁內(nèi)膽內(nèi)襯吸收熱量1319 kJ，碳纖維纏繞層吸收熱量956 kJ，經(jīng)儲(chǔ)氫瓶壁面向環(huán)境散熱量42 kJ，這說明加氫過程中瓶?jī)?nèi)氫氣的換熱量有98%被儲(chǔ)氫瓶體吸收，僅有2%熱量散出儲(chǔ)氫瓶，因此，儲(chǔ)氫瓶壁面的導(dǎo)熱特性對(duì)加氫溫升有直接影響。
表 1 國(guó)內(nèi)III型儲(chǔ)氫瓶結(jié)構(gòu)參數(shù)
為進(jìn)一步考察內(nèi)襯層和纏繞層在加氫過程中的換熱行為，對(duì)儲(chǔ)氫瓶壁面的徑向溫度分布隨時(shí)間的變化進(jìn)行研究，結(jié)果如圖3所示。加注起始時(shí)刻（t=0 s時(shí)刻），儲(chǔ)氫瓶壁面沿徑向溫度一致，加注30s后，內(nèi)襯層溫度升高，在7 mm徑向厚度內(nèi)基本無溫度梯度。相比之下，纏繞層在徑向出現(xiàn)明顯的溫度梯度，其內(nèi)壁和外壁溫差已經(jīng)達(dá)到約6 ℃。隨著加氫時(shí)間的進(jìn)行，瓶?jī)?nèi)氫氣與壁面發(fā)生換熱，導(dǎo)致內(nèi)襯層溫度逐漸升高，與此同時(shí)，其徑向仍然無明顯的溫度梯度，說明內(nèi)襯層材料導(dǎo)熱快；纏繞層沿徑向表現(xiàn)出更加顯著的溫度梯度，當(dāng)加注結(jié)束時(shí)，纏繞層的內(nèi)外壁溫差已提高至8 ℃，這是纏繞層材料導(dǎo)熱較慢所致。另一方面，加注結(jié)束時(shí)，儲(chǔ)氫瓶外壁溫度為48 ℃，與室溫形成了23 ℃溫差，這是由于瓶壁向環(huán)境散熱受到自然對(duì)流過程控制，加注時(shí)間內(nèi)散熱量很小。因此，加氫過程中，儲(chǔ)氫瓶?jī)?nèi)氫氣對(duì)外散熱經(jīng)內(nèi)襯層的導(dǎo)熱速度快，在纏繞層導(dǎo)熱慢、形成顯著的溫度梯度，瓶外壁與環(huán)境的換熱量很小，儲(chǔ)氫瓶壁面各層材料的厚度和導(dǎo)熱特性對(duì)加氫溫升有重要影響。
圖 3 儲(chǔ)氫瓶加氫過程中瓶壁溫度分布變化
2.2 內(nèi)襯層厚度及導(dǎo)熱系數(shù)影響
對(duì)III型瓶的加氫溫升和換熱特性研究表明，內(nèi)襯材料導(dǎo)熱吸收了氫氣的大部分散熱量?？紤]到不同制造商生產(chǎn)的III型瓶可能壁面結(jié)構(gòu)有所區(qū)別，有必要進(jìn)一步研究III型瓶?jī)?nèi)襯和纏繞層厚度不同時(shí)，加氫溫升的變化規(guī)律，以便指導(dǎo)開發(fā)安全快速的加氫操作條件。如圖4所示，當(dāng)儲(chǔ)氫瓶?jī)?nèi)襯厚度不同時(shí)，在同一加氫操作條件下，氫氣散熱量有顯著變化。對(duì)于內(nèi)襯層較厚的儲(chǔ)氫瓶，加氫過程中氫氣總散熱量較大，這主要是由于內(nèi)襯層材料質(zhì)量更大、吸收的熱量更多，促進(jìn)了儲(chǔ)氫瓶?jī)?nèi)氫氣的對(duì)外換熱過程；當(dāng)內(nèi)襯層厚度減小時(shí)，內(nèi)襯層吸收的熱量減少，導(dǎo)致氫氣總散熱量下降。盡管對(duì)于內(nèi)襯層較薄的儲(chǔ)氫瓶，仿真結(jié)果表明其纏繞層吸收了更多的熱量，但由于纏繞層相對(duì)于內(nèi)襯層導(dǎo)熱能力顯著較低，纏繞層多吸收的熱量無法抵消內(nèi)襯層減薄導(dǎo)致的吸熱量下降。對(duì)于內(nèi)襯厚度為3 mm的儲(chǔ)氫瓶，加氫結(jié)束后瓶?jī)?nèi)氫氣溫度為83.1 ℃，顯著高于內(nèi)襯厚度為7 mm的儲(chǔ)氫瓶（加注結(jié)束瓶?jī)?nèi)氫氣溫度73.5 ℃）。因此，對(duì)于內(nèi)襯層更厚的III型瓶，氫氣散熱效果更好，更有利于控制加氫溫升。
圖4 內(nèi)襯層厚度對(duì)儲(chǔ)氫瓶?jī)?nèi)氫氣散熱量的影響
對(duì)于國(guó)外常用的IV型瓶，其內(nèi)襯材料為聚合物，導(dǎo)熱系數(shù)[0.5W/(m·K)]顯著低于III型瓶的鋁合金內(nèi)襯。假設(shè)儲(chǔ)氫瓶其他結(jié)構(gòu)和材料均不變，對(duì)采用聚合物內(nèi)襯和鋁合金內(nèi)襯的儲(chǔ)氫瓶進(jìn)行加氫仿真，操作條件與2.1節(jié)完全一致。結(jié)果表明，采用聚合物內(nèi)襯的儲(chǔ)氫瓶?jī)?nèi)氫氣溫升更加顯著，加氫時(shí)間內(nèi)，儲(chǔ)氫瓶?jī)?nèi)氫氣的散熱量?jī)H為鋁內(nèi)襯瓶的23%。進(jìn)一步研究表明，聚合物內(nèi)襯層在徑向方向存在顯著的溫度梯度，這導(dǎo)致氫氣經(jīng)內(nèi)壁對(duì)外的散熱量顯著下降，因此加氫結(jié)束時(shí)瓶?jī)?nèi)氫氣的溫升更劇烈。
2.3 纏繞層厚度影響
儲(chǔ)氫瓶的纏繞層一般由碳纖維和環(huán)氧樹脂復(fù)合材料構(gòu)成，對(duì)于不同制造商生產(chǎn)的III型瓶，其纏繞層的厚度可能不同，有必要研究其對(duì)加氫溫升的影響。圖5是不同纏繞層厚度下，加氫過程中儲(chǔ)氫瓶?jī)?nèi)氫氣的散熱量對(duì)比，加氫條件與2.1節(jié)所描述一致。結(jié)果表明，當(dāng)纏繞層厚度由12 mm減薄至8 mm時(shí)，加氫過程中瓶?jī)?nèi)氫氣總散熱量由2317 kJ降低為2255 kJ，加氫結(jié)束后瓶?jī)?nèi)氫氣溫度由73.5 ℃上升至75.2 ℃。當(dāng)儲(chǔ)氫瓶的纏繞層厚度減小時(shí)，加氫過程中氫氣的散熱量有所降低，但降低幅度不如內(nèi)襯層厚度減薄時(shí)明顯。這是由于纏繞層材料導(dǎo)熱系數(shù)顯著低于內(nèi)襯層，其貢獻(xiàn)的氫氣散熱量低于內(nèi)襯層；另一方面，當(dāng)纏繞層厚度減薄后，纏繞層材料質(zhì)量減少、吸收總熱量減少，因此貢獻(xiàn)的氫氣散熱量降低。此外，儲(chǔ)氫瓶壁面至環(huán)境的自然對(duì)流散熱量十分有限，纏繞層厚度減薄導(dǎo)致的外壁面對(duì)流散熱量增加可忽略不計(jì)。
圖 5 纏繞層厚度對(duì)儲(chǔ)氫瓶?jī)?nèi)氫氣散熱量的影響
3 結(jié)論
（1）III型儲(chǔ)氫瓶加氫過程中，瓶?jī)?nèi)氫氣的散熱量絕大部分被壁面導(dǎo)熱吸收，僅有約2%的熱量散出儲(chǔ)氫瓶；內(nèi)襯層導(dǎo)熱比纏繞層導(dǎo)熱對(duì)氫氣散熱的貢獻(xiàn)更大。
（2）III型儲(chǔ)氫瓶?jī)?nèi)襯層越薄，加氫溫升越顯著。當(dāng)內(nèi)襯厚度由7 mm減薄至3 mm時(shí)，加氫溫升增加約10 ℃。
（3）IV型瓶因內(nèi)襯材料的導(dǎo)熱系數(shù)低，加氫過程中瓶?jī)?nèi)氫氣散熱量顯著低于III型瓶，氫氣溫升更劇烈。
（4）III型儲(chǔ)氫瓶纏繞層厚度對(duì)加氫溫升影響較小。當(dāng)纏繞層厚度由12 mm減薄至8 mm時(shí)，加氫溫升增加約1.8 ℃。
（5）為實(shí)現(xiàn)安全快速加注，需要考慮儲(chǔ)氫瓶結(jié)構(gòu)對(duì)加氫溫升的影響。
引用本文： 許壯, 楊康, 董文平，等. 燃料電池車載儲(chǔ)氫瓶結(jié)構(gòu)對(duì)加氫溫升的影響[J].儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù),2020,9(3): 679-683.
XU Zhuang, YANG Kang, DONG Wenping, et al.Effect of tank structure on hydrogen refueling temperature rise for fuel cell vehicles[J]. Energy Storage Science and Technology,2020,9(3):679-683.
第一作者及聯(lián)系人：許壯（1986—），男，博士，主要從事氫能技術(shù)開發(fā)，E-mail：zhuang.xu.a@chnenergy.com.cn。
