碳纤维全缠绕储氢气瓶内热力学参数变化规律的研究

杨刚 欧晨希 郭嘉炜 黄思

摘要：为研究充装完成后的碳纤维全缠绕储氢气瓶内热力学参数随时间的变化规律，以氢气为工质，选取了3种常用规格的车用储氢气瓶（27L、52L和135L）进行传热计算。对于气瓶内的氢气采用饱和均质模型;对于气瓶中的各隔层采用多层稳态热传导的结构模型。根据饱和状态下的热平衡条件以及热力学关系，计算得到了气瓶内氢气温度、压力以及气瓶碳纤维缠绕层温度随时间的变化规律。计算结果表明：气瓶容积越大，充装完成时刻的氢气温度以及碳纤维缠绕层温度越高;静置过程中氢气温度以及碳纤维缠绕层温度均呈同趋势缓慢下降，且气瓶容积越大，下降的幅度越小，碳纤维缠绕层温度变化小于氢气温度变化。氢气压力在充装完成时刻均为70 MPa，气瓶容积越大，静置过程中氢气压力下降速度越小。

关键词：碳纤维全缠绕储氢气瓶;热力学参数变化;饱和均值模型;热传导

中图分类号：TH49

文献标志码：A

文章编号：1009-9492f 2022） 02-0007-04

0 引言

氢能是21世纪最有潜力的新型能源，正在被广泛应用。其中氢燃料电池汽车是突出的代表，氢能安全的话题自然成为大众关注的重点[1]。目前，车用高压气态储氢容器多采用碳纤维增强复合材料，作为储氢气瓶的承压材料，具有重量轻、使用寿命长、强度高等优点，从而保证车用储氢系统具有足够的质量储氢密度[2]。但是由于碳纤维增强复合材料对温度的敏感性较高，若气瓶的使用温度过高，时间久了会导致金属内胆与纤维缠绕层形成脱粘[3]，甚至引起瓶体宏观变形、碳纤维失效，给气瓶带来很大的安全隐患[4]。

近年来，国内外学者相继开展了碳纤维全缠绕储氢气瓶内部热力学参数变化的研究。伊藤裕一等[5]开展了氢气瓶快充温升的数值模拟研究，采用3D几何模型，应用理想气体状态方程对高压氢气进行求解;EtienneWer-len等[6]对氢气快充过程进行了数值计算并推导出充装完成时气瓶内部温度与压力等的解析解;Dicken等[7]对快充温升进行了数值分析，应用R-K真实气体状态方程得出了用于绝热状态下快充过程气体温升的计算公式;刘延雷和刘格思[8]考虑气体湍流、真实气体效应以及壁面传热，通过Fluent软件建立模型对气瓶不同充装条件下的温升状况进行预测;王光绪等[9]通过Fluent软件对不同长径比与进口直径的气瓶快速充气温升过程进行研究。

上述研究主要集中在碳纤维储氢气瓶快充过程中的温升研究，缺少气瓶充装后热力学参数随时间规律变化的研究。因此，在本文的研究中，选取Ⅲ型储氢气瓶为研究对象，对充装完成后的碳纤维全缠绕储氢气瓶进行传热学计算分析，得到气瓶内温度、压力等热力学参数随时间的变化规律，为车载LNC气瓶的安全问题提供技术支持。

1 计算模型和计算方法

1.1 物理模型

图1所示为所研究的车载储氢气瓶的计算模型。该储氢气瓶为多层结构，内胆为铝合金，起密封防漏作用;包裹铝合金内衬层的为碳纤维缠绕层，起承压结构作用;外层为玻璃纤维层，起隔热作用。气瓶充装结束，处于放置过程中，充气口已封口。

1.2 计算方法

本研究采用文献[10]提供的計算方法，该方法已得到相关实验数据的验证[11]。

由于所研究的碳纤维储氢气瓶容积较小，介质较快达到热平衡，不容易形成温度分层，因此采用饱和均质模型对气瓶进行传热计算。根据热力学定律在At时间内有如下关系[12]：

Q=C.m.△T=φ.△t

（1）式中：Q为气瓶释放的热量;C为氢气饱和状态比热容;m为氢气质量;△T为△t时间间隔前后气瓶内温差;φ为漏热率。

理想状态下氢气的饱和状态比热容计算公式[13]：

气体质量根据理想气体状态方程pV=m/M RT以及初始压力、温度计算可得，以铝合金作内衬的储氢气瓶对气体的封闭性较好，忽略气瓶泄漏量，认为气瓶在重装完成后瓶内气体的质量保持不变。且根据理想气体状态方程，可得气瓶内部在i时刻的压力为：

式中：R为气体常数，R=8.314 kJ/ （kg.K）;M为氢气物质的摩尔质量。

为计算气瓶的漏热率φ作出如下假设：（1）漏热量只考虑以热传导的方式;（2）整个气瓶的传热方向为各隔层的法线方向，气瓶总热阻是多个薄层热阻的叠加;（3）铝合金衬里、碳纤维/环氧复合层压板（CFEC）和玻璃纤维/环氧复合层压板（GFEC）的传热特性被认为是各向同性的;（4）充装完成时刻气瓶内压力达到了标称压力;（5）忽略瓶口对传热的影响;（6）认为气瓶充装完成后瓶内较快达到热平衡状态。

该气瓶漏热主要考虑网简体φ1和封头φ2[14]：

给定气瓶内部温度为T，碳纤维缠绕层内径处温度为Te，即以Te表征碳纤维缠绕层的温度。根据多层网筒壁面的稳态热传导计算公式可以计算得碳纤维缠绕层温度，由式（6）得到i时刻气瓶得漏热率φi，且满足关系式：

1.3 具体算例

本文选取了3个具有代表性的储氢气瓶容积27 L、52 L和135 L来研究碳纤维全缠绕储氢气瓶内热力学参数和时间的变化规律。各容积气瓶初始条件如表1所示。

已知环境温度Ts=20℃，标称工作压力po=70 MPa，初始温度P参考有关文献可得[15]，给定to=0，te=600 s，△T=0.1℃，即计算从气瓶充装完成时刻开始至静置10 min后结束。气瓶物性参数如表2所示。

计算流程如图2所示，根据图2在Matlab上编制程序进行运算，由所得数据可绘制出氢气温度T与时间t的关系曲线图、氢气压力P与时间t的关系曲线图以及气瓶碳纤维缠绕层温度Te与时间的关系曲线图。

2 计算结果分析

由于碳纤维增强复合材料对温度变化的敏感性较高，根据GB/T35544-2017规定，气瓶的使用温度不宜过高，过高的温度会诱发环氧树脂剥离、碳纤维失效，故研究储氢气瓶充装完成后的热力学参数随时间变化规律是十分有必要的。

2.1 瓶内氢气温度T和时间t的关系

氢气充装完成后，瓶内氢气温度高于环境温度，使得气瓶与外界发生热传递，瓶内氢气温度不断下降。图3所示为3种容积的碳纤维全缠绕储氢气瓶内氢气温度T随时间t的变化曲线图。由图可知，气瓶容积越大，充装完成时刻的氢气温度越高，这是由于容积增大后，气瓶换热表面积与容积的比值减小，气瓶蓄热能力增强。在随后的静置过程中，氢气温度呈缓慢下降的趋势，且气瓶容积越大，氢气温度下降的幅度越小。从气瓶充装完成时刻到静置10 min的过程中，27 L气瓶内部温度从74.2℃下降到了35.7℃;52 L气瓶内部温度从79.9℃下降到了42.2℃;135 L气瓶内部温度从83.7℃下降到了59.4℃，瓶内气体的平均温度满足安全要求[16]。

2.2 瓶内氢气压力p和时间t的关系

在充装氢气结束时瓶内氢气压力达到70 MPa，根据理想气体状态方程，当氢气温度降低时，其压力也会随之降低。图4所示为3种容积的碳纤维全缠绕储氢气瓶内氢气压力P随时间t的变化曲线图。由图可知，气瓶容积越小压力下降越快。从气瓶充装完成时刻到静置10 min的过程中，27 L气瓶内压力下降到了62.4 MPa，52 L气瓶内压力下降到了62.7 MPa，135 L气瓶内压力下降到了65.3 MPa。由此可看出储氢气瓶内部压力变化与气瓶容积有较大关系。

2.3 碳纤维缠绕层温度Te和时间t的关系

碳纤维缠绕层是以环氧树脂作为基体，碳纤维以全缠绕的方式附在铝合金层外表，碳纤维复合层具有很好的拉伸性能，断裂韧性高，可有效传递载荷[17]，是高压气瓶的主要承压结构。但是碳纤维对温度变化有较高敏感性，高温条件下环氧树脂会从树脂粘合剂上剥离，环氧树脂的机械性能下降[18]，造成碳纤维复合材料的失效，进而影响到车用储氢系统的安全[19]。

由于所研究储氢气瓶内胆材料为铝合金，导热系数较大，隔热性能差，碳纤维缠绕层的温度也会随着气瓶内部温度变化。图5所示为3种容积的碳纤维全缠绕储氢气瓶碳纤维缠绕层温度Te随时间t的变化曲线图。由图可知，气瓶容积越大，充装完成时刻的气瓶碳纤维缠绕层温度越高。在随后的静置过程中，气瓶碳纤维缠绕层温度都呈缓慢下降的趋势，气瓶容积越大，温度下降的幅度越小，且碳纤维缠绕层温度变化小于气瓶内部温度变化。从气瓶充装完成时刻到静止10 min的过程中，27 L气瓶碳纤维缠绕层最高温度从74.1℃下降到了36.3℃;52 L气瓶碳纤维缠绕层最高温度从79.7℃下降到了42.9℃：135 L气瓶碳纤维缠绕层最高温度从83.4℃下降到了59.9℃。

3 结束语

本文以氢气为工质，选取27 L、52 L、135 L三种规格的铝内胆碳纤维全缠绕储氢气瓶进行传热计算，采用饱和均质模型得到了如下结论。

（1）气瓶容积越大，充装完成时刻的氢气温度越高。气瓶充装完成后，气瓶内部温度高于环境温度，使得气瓶与外界发生热传递，瓶内温度下降，在结束充装的10 min内呈缓慢下降的趋势，且气瓶容积越大，氢气温度下降的幅度越小，温度在气瓶使用安全范围之内。

（2）瓶内氢气温度下降，其压力也随之下降，气瓶容积越大，氢气压力下降速度越小，且气瓶内压力变化与气瓶容积大小有较大关系。

（3）由于铝合金隔热性能较差，碳纤维缠绕层温度随氢气温度变化，在结束充装的10 min内也呈缓慢下降趋势，气瓶容积越大，碳纤维层温度下降的幅度越小，且碳纤维缠绕层温度变化小于瓶内温度变化。

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