高压储氢气瓶放氢问题的数值模型研究进展分析

摘 要 采用70MPa车载高压储氢是保证燃料电池汽车续驶里程的有效方法。但对70MPa储氢瓶，其在向燃料电池供氢时会因气体膨胀而产生显著的放氢温降。而一旦该温度低于高压储氢瓶的-40℃安全温度下限，便很可能导致储氢瓶密封元件失效和塑料内衬玻璃化等安全问题，导致氢气泄漏事故。为此，急需开发能用于放氢问题研究的数值模型。本文对已有的高压储氢瓶放氢问题数值模型进行了系统的总结和回顾，指明了高压储氢瓶放氢问题数值模型的未来研究方向。

关键词 高压储氢瓶;放氢;集总参数;计算流体动力学;模型

引言

氢能具有清洁无污染、可利用可再生能源制取、原料来源广泛、氢燃料电池能量转换效率高突出等优点，对解决“能源短缺”和“环境污染”两大世界性难题具有重要意义，被誉为21世纪的能源[1]。近年来，随着氢能技术和产业的快速发展，氢燃料电池汽车以其绿色环保、加注燃料快捷、能量转换效率高等优点引起了世界各国的高度重视[2]。目前，在氢燃料电池汽车的各种车载储氢方式中，高压储氢以其质量储氢密度高、制备能耗明显低于液氢、结构形式简单、充放氢便捷等优点，成为当前最为普遍的车载储氢方式[3]。

为了达到商业化要求的车辆续驶里程，采用70MPa车载高压储氢已成为一种趋势[4]。车载高压储氢瓶主要由内层的铝合金/塑料内衬、外部的碳纤维-环氧树脂复合材料增强层组成。高压储氢瓶由于储氢压力高、复合材料层热导率低等特点，在向燃料电池供氢时其内部氢气会由于不断地对外膨胀做功而产生显著的温降[5]。而一旦高压储氢瓶内部温度低于-40℃安全温度下限[6]，便很可能由于温度过低导致瓶口密封元件失效[7]，或达到塑料内衬材料的玻璃化温度而使得塑料内衬材料脆化[8]，从而引发氢气泄漏等严重的安全事故，严重制约和影响了氢燃料电池汽车的安全使用。因此，美国汽车协会在其制定的氢能源汽车加注标准SAE J2601中明确规定高压储氢瓶在使用过程中的实际温度不得低于-40℃[9]。为确保氢燃料电池汽车在低温环境下的安全使用，急需围绕高压储氢瓶放氢过程的热物理学特性和有效的温降抑制方法展开研究。

高压储氢瓶放氢问题属于实际气体放气问题。针对该类问题，已有的研究主要围绕气瓶内壁面对流传热系数的实验关联式、放气过程的集总参数模型、放气过程的CFD模型、放气过程气瓶内部的温度分布特性等展开研究。本文将从以上几个方面进行综述，通过分析指明高压储氢瓶放氢问题未来的研究方向。

1研究进展综述

1.1 集总参数模型

集总参数模型假设气瓶内部气体的温度、压力等热力学状态参数均一，通过对流传热关联式描述气体与壁面之间的传热速率，用于在实际工程应用中快速计算瓶内的压力和平均温度。该类模型以其计算效率高的优点引起了国内外学者的广泛关注。Clark（1983）等多位学者针对高压氮气和高压氦气瓶快速放气过程的集总参数模型进行了研究：其假设容器快速放气时内壁面温度来不及变化而保持恒定，采用自然对流传热关联式描述内壁面对流传热系数，建立了容器快速放气过程的集总参数模型[10-13]。Xia（1993）和Zhou（1997）等基于气瓶内壁面对流传热系数为常数的假设构建了理想气体放气问题的集总参数模型，并分析了对流传热系数的取值对计算所得瓶内压力和温度的影响[14-15]。Rothuizen（2013）和郭进兴等（2014）考虑了針对高压储氢瓶放氢问题，综合考虑了瓶内氢气与内壁面之间的自然对流传热、瓶壁内部的径向热传导、气瓶外壁面与外部环境之间的自然对流传热，分别采用Daney[16]提出的自然对流传热关联式和常数描述内、外壁面对流传热系数，采用径向与轴向热导率的合成值描述碳纤维-树脂复合材料增强层的各向导热，建立了高压储氢气瓶放氢过程的集总参数模型[17，18]。Gao等（2015）针对高压气动元件，考虑到其内部流速明显高于气瓶内部而需要考虑强制对流对传热的影响，采用同时考虑自然对流与强制对流的混合对流传热关联式描述高压气动元件内壁面的传热，同时考虑放气过程很快而假设放气过程中气动元件壁温维持恒定，建立了高压气动元件放气过程的集总参数模型[19]。Sakoda等（2016）基于其实验测得的对流传热系数与时间的函数关系，建立了100MPa / 1L高压储氢气瓶放氢过程的热力学模型[20]。由于以上考虑放气过程中瓶壁传热的集总参数模型中均假设气瓶外壁面的对流传热系数为常数，无法反映外壁面传热系数随温差变化的自然对流本质，因而在模拟长时间输氢时会产生较大偏差。为克服以上不足，赵磊等（2016）在高压储氢瓶放氢过程的集总参数模型中进一步考虑了外壁面的真实自然对流特性[21]。通过以上对高压气体放气过程集总参数模型的研究，目前已经能够对气瓶快速和慢速放气问题本身进行有效的描述。然而，目前尚缺少考虑强化传热手段或装置的放气过程集总参数模型，因而难以对高压储氢瓶放氢过程中的温降抑制方法进行有效的研究。

1.2 计算流体动力学模型

为掌握放气过程中高压气瓶内部的温度分布特性，一些学者对放气问题的计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics， CFD）模型进行了研究。杨丽红等（2007）针对内部填充金属丝的不锈钢容器，基于恒壁温与旋转轴对称假设，结合多孔介质模型、标准k-ε湍流模型与标准壁面函数建立了其放气过程的CFD模型[22]。丁风雷等（2014）针对潜水艇用氦气瓶的放气过程，基于恒壁温与理想气体假设，采用标准k-ε湍流模型与标准壁面函数构建了其三维CFD模型[23]，并对放气时的总体流量特性进行了分析。Gao等（2015）基于恒壁温与旋转轴对称假设采用RNG k-ε湍流模型与标准壁面函数建立了气动元件放气问题的CFD模型[24]，并对元件内部的速度场进行了分析。Melideo等（2016）针对高压储氢瓶放氢过程，采用轴向与径向热导率的合成值计算复合材料各向导热，假设气瓶外壁面对流传热系数为常数，基于k-ε湍流模型的射流修正模型和标准壁面函数建立了高压储氢瓶放氢过程的三维CFD模型;该模型在放气前期与实验吻合较好，随着放气的进行模型与实验结果间的差值呈逐渐增大的趋势[25]。综上可以看出，以上放气过程的CFD模型均采用标准壁面函数，然而标准壁面函数无法正确描述自然对流、冲击射流等复杂流动的边界层特性，在描述自然对流传热问题时会产生明显的失真，且现有的CFD模型均未考虑外部空气的真实自然对流特性，因此，难以正确描述高压储氢瓶放氢过程中的流动与传热。由于高压储氢瓶放氢过程本身问题复杂、过程较长，采用近壁区直接建模的方式会导致计算成本过高，因此，目前尚需采用能够描述自然对流等复杂流动问题的壁面函数构建CFD模型;同时外壁面对流传热系数可考虑采用自然对流传热关联式，以便在可接受的计算成本内对问题进行正确描述。

3結束语

本文针对高压放氢问题数值模型，从集总参数模型和CFD模型两个方面进行了研究进展的综述。通过比较分析，得到以下结论：

（1）目前的高压储氢瓶放氢问题集总参数模型中缺乏对于传热强化方式的建模，为能够有效抑制放氢温降，后续的集总参数模型可进一步考虑传热强化方式或元件的建模。

（2）目前的高压储氢瓶放氢问题CFD模型中均采用标准壁面函数，且尚未考虑气瓶外壁面对流传热系数随温差改变而不断变化的真实自然对流特性，难以正确描述气瓶内、外壁面自然对流边界层的传热，未来可考虑采用能适应复杂流动问题的壁面函数描述气瓶内壁面近壁区，采用自然对流传热系数关联式描述外壁面的对流传热系数，从而正确地反映高压储氢瓶放氢问题的耦合自然对流传热特性。

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作者簡介

赵磊（1985-），男，北京人;职称：讲师，现就职单位：北方工业大学机械与材料工程学院，研究方向：氢储运与氢安全。