碳纖維全纏繞儲氫氣瓶內(nèi)熱力學(xué)參數(shù)變化規(guī)律的研究

楊剛 歐晨希 郭嘉煒 黃思

摘要：為研究充裝完成后的碳纖維全纏繞儲氫氣瓶內(nèi)熱力學(xué)參數(shù)隨時間的變化規(guī)律，以氫氣為工質(zhì)，選取了3種常用規(guī)格的車用儲氫氣瓶（27L、52L和135L）進行傳熱計算。對于氣瓶內(nèi)的氫氣采用飽和均質(zhì)模型;對于氣瓶中的各隔層采用多層穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)的結(jié)構(gòu)模型。根據(jù)飽和狀態(tài)下的熱平衡條件以及熱力學(xué)關(guān)系，計算得到了氣瓶內(nèi)氫氣溫度、壓力以及氣瓶碳纖維纏繞層溫度隨時間的變化規(guī)律。計算結(jié)果表明：氣瓶容積越大，充裝完成時刻的氫氣溫度以及碳纖維纏繞層溫度越高;靜置過程中氫氣溫度以及碳纖維纏繞層溫度均呈同趨勢緩慢下降，且氣瓶容積越大，下降的幅度越小，碳纖維纏繞層溫度變化小于氫氣溫度變化。氫氣壓力在充裝完成時刻均為70 MPa，氣瓶容積越大，靜置過程中氫氣壓力下降速度越小。

關(guān)鍵詞：碳纖維全纏繞儲氫氣瓶;熱力學(xué)參數(shù)變化;飽和均值模型;熱傳導(dǎo)

中圖分類號：TH49

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-9492f 2022） 02-0007-04

0 引言

氫能是21世紀(jì)最有潛力的新型能源，正在被廣泛應(yīng)用。其中氫燃料電池汽車是突出的代表，氫能安全的話題自然成為大眾關(guān)注的重點[1]。目前，車用高壓氣態(tài)儲氫容器多采用碳纖維增強復(fù)合材料，作為儲氫氣瓶的承壓材料，具有重量輕、使用壽命長、強度高等優(yōu)點，從而保證車用儲氫系統(tǒng)具有足夠的質(zhì)量儲氫密度[2]。但是由于碳纖維增強復(fù)合材料對溫度的敏感性較高，若氣瓶的使用溫度過高，時間久了會導(dǎo)致金屬內(nèi)膽與纖維纏繞層形成脫粘[3]，甚至引起瓶體宏觀變形、碳纖維失效，給氣瓶帶來很大的安全隱患[4]。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者相繼開展了碳纖維全纏繞儲氫氣瓶內(nèi)部熱力學(xué)參數(shù)變化的研究。伊藤裕一等[5]開展了氫氣瓶快充溫升的數(shù)值模擬研究，采用3D幾何模型，應(yīng)用理想氣體狀態(tài)方程對高壓氫氣進行求解;EtienneWer-len等[6]對氫氣快充過程進行了數(shù)值計算并推導(dǎo)出充裝完成時氣瓶內(nèi)部溫度與壓力等的解析解;Dicken等[7]對快充溫升進行了數(shù)值分析，應(yīng)用R-K真實氣體狀態(tài)方程得出了用于絕熱狀態(tài)下快充過程氣體溫升的計算公式;劉延雷和劉格思[8]考慮氣體湍流、真實氣體效應(yīng)以及壁面?zhèn)鳠?，通過Fluent軟件建立模型對氣瓶不同充裝條件下的溫升狀況進行預(yù)測;王光緒等[9]通過Fluent軟件對不同長徑比與進口直徑的氣瓶快速充氣溫升過程進行研究。

上述研究主要集中在碳纖維儲氫氣瓶快充過程中的溫升研究，缺少氣瓶充裝后熱力學(xué)參數(shù)隨時間規(guī)律變化的研究。因此，在本文的研究中，選取Ⅲ型儲氫氣瓶為研究對象，對充裝完成后的碳纖維全纏繞儲氫氣瓶進行傳熱學(xué)計算分析，得到氣瓶內(nèi)溫度、壓力等熱力學(xué)參數(shù)隨時間的變化規(guī)律，為車載LNC氣瓶的安全問題提供技術(shù)支持。

1 計算模型和計算方法

1.1 物理模型

圖1所示為所研究的車載儲氫氣瓶的計算模型。該儲氫氣瓶為多層結(jié)構(gòu)，內(nèi)膽為鋁合金，起密封防漏作用;包裹鋁合金內(nèi)襯層的為碳纖維纏繞層，起承壓結(jié)構(gòu)作用;外層為玻璃纖維層，起隔熱作用。氣瓶充裝結(jié)束，處于放置過程中，充氣口已封口。

1.2 計算方法

本研究采用文獻(xiàn)[10]提供的計算方法，該方法已得到相關(guān)實驗數(shù)據(jù)的驗證[11]。

由于所研究的碳纖維儲氫氣瓶容積較小，介質(zhì)較快達(dá)到熱平衡，不容易形成溫度分層，因此采用飽和均質(zhì)模型對氣瓶進行傳熱計算。根據(jù)熱力學(xué)定律在At時間內(nèi)有如下關(guān)系[12]：

Q=C.m.△T=φ.△t

（1）式中：Q為氣瓶釋放的熱量;C為氫氣飽和狀態(tài)比熱容;m為氫氣質(zhì)量;△T為△t時間間隔前后氣瓶內(nèi)溫差;φ為漏熱率。

理想狀態(tài)下氫氣的飽和狀態(tài)比熱容計算公式[13]：

氣體質(zhì)量根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程pV=m/M RT以及初始壓力、溫度計算可得，以鋁合金作內(nèi)襯的儲氫氣瓶對氣體的封閉性較好，忽略氣瓶泄漏量，認(rèn)為氣瓶在重裝完成后瓶內(nèi)氣體的質(zhì)量保持不變。且根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，可得氣瓶內(nèi)部在i時刻的壓力為：

式中：R為氣體常數(shù)，R=8.314 kJ/ （kg.K）;M為氫氣物質(zhì)的摩爾質(zhì)量。

為計算氣瓶的漏熱率φ作出如下假設(shè)：（1）漏熱量只考慮以熱傳導(dǎo)的方式;（2）整個氣瓶的傳熱方向為各隔層的法線方向，氣瓶總熱阻是多個薄層熱阻的疊加;（3）鋁合金襯里、碳纖維/環(huán)氧復(fù)合層壓板（CFEC）和玻璃纖維/環(huán)氧復(fù)合層壓板（GFEC）的傳熱特性被認(rèn)為是各向同性的;（4）充裝完成時刻氣瓶內(nèi)壓力達(dá)到了標(biāo)稱壓力;（5）忽略瓶口對傳熱的影響;（6）認(rèn)為氣瓶充裝完成后瓶內(nèi)較快達(dá)到熱平衡狀態(tài)。

該氣瓶漏熱主要考慮網(wǎng)簡體φ1和封頭φ2[14]：

給定氣瓶內(nèi)部溫度為T，碳纖維纏繞層內(nèi)徑處溫度為Te，即以Te表征碳纖維纏繞層的溫度。根據(jù)多層網(wǎng)筒壁面的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)計算公式可以計算得碳纖維纏繞層溫度，由式（6）得到i時刻氣瓶得漏熱率φi，且滿足關(guān)系式：

1.3 具體算例

本文選取了3個具有代表性的儲氫氣瓶容積27 L、52 L和135 L來研究碳纖維全纏繞儲氫氣瓶內(nèi)熱力學(xué)參數(shù)和時間的變化規(guī)律。各容積氣瓶初始條件如表1所示。

已知環(huán)境溫度Ts=20℃，標(biāo)稱工作壓力po=70 MPa，初始溫度P參考有關(guān)文獻(xiàn)可得[15]，給定to=0，te=600 s，△T=0.1℃，即計算從氣瓶充裝完成時刻開始至靜置10 min后結(jié)束。氣瓶物性參數(shù)如表2所示。

計算流程如圖2所示，根據(jù)圖2在Matlab上編制程序進行運算，由所得數(shù)據(jù)可繪制出氫氣溫度T與時間t的關(guān)系曲線圖、氫氣壓力P與時間t的關(guān)系曲線圖以及氣瓶碳纖維纏繞層溫度Te與時間的關(guān)系曲線圖。

2 計算結(jié)果分析

由于碳纖維增強復(fù)合材料對溫度變化的敏感性較高，根據(jù)GB/T35544-2017規(guī)定，氣瓶的使用溫度不宜過高，過高的溫度會誘發(fā)環(huán)氧樹脂剝離、碳纖維失效，故研究儲氫氣瓶充裝完成后的熱力學(xué)參數(shù)隨時間變化規(guī)律是十分有必要的。

2.1 瓶內(nèi)氫氣溫度T和時間t的關(guān)系

氫氣充裝完成后，瓶內(nèi)氫氣溫度高于環(huán)境溫度，使得氣瓶與外界發(fā)生熱傳遞，瓶內(nèi)氫氣溫度不斷下降。圖3所示為3種容積的碳纖維全纏繞儲氫氣瓶內(nèi)氫氣溫度T隨時間t的變化曲線圖。由圖可知，氣瓶容積越大，充裝完成時刻的氫氣溫度越高，這是由于容積增大后，氣瓶換熱表面積與容積的比值減小，氣瓶蓄熱能力增強。在隨后的靜置過程中，氫氣溫度呈緩慢下降的趨勢，且氣瓶容積越大，氫氣溫度下降的幅度越小。從氣瓶充裝完成時刻到靜置10 min的過程中，27 L氣瓶內(nèi)部溫度從74.2℃下降到了35.7℃;52 L氣瓶內(nèi)部溫度從79.9℃下降到了42.2℃;135 L氣瓶內(nèi)部溫度從83.7℃下降到了59.4℃，瓶內(nèi)氣體的平均溫度滿足安全要求[16]。

2.2 瓶內(nèi)氫氣壓力p和時間t的關(guān)系

在充裝氫氣結(jié)束時瓶內(nèi)氫氣壓力達(dá)到70 MPa，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，當(dāng)氫氣溫度降低時，其壓力也會隨之降低。圖4所示為3種容積的碳纖維全纏繞儲氫氣瓶內(nèi)氫氣壓力P隨時間t的變化曲線圖。由圖可知，氣瓶容積越小壓力下降越快。從氣瓶充裝完成時刻到靜置10 min的過程中，27 L氣瓶內(nèi)壓力下降到了62.4 MPa，52 L氣瓶內(nèi)壓力下降到了62.7 MPa，135 L氣瓶內(nèi)壓力下降到了65.3 MPa。由此可看出儲氫氣瓶內(nèi)部壓力變化與氣瓶容積有較大關(guān)系。

2.3 碳纖維纏繞層溫度Te和時間t的關(guān)系

碳纖維纏繞層是以環(huán)氧樹脂作為基體，碳纖維以全纏繞的方式附在鋁合金層外表，碳纖維復(fù)合層具有很好的拉伸性能，斷裂韌性高，可有效傳遞載荷[17]，是高壓氣瓶的主要承壓結(jié)構(gòu)。但是碳纖維對溫度變化有較高敏感性，高溫條件下環(huán)氧樹脂會從樹脂粘合劑上剝離，環(huán)氧樹脂的機械性能下降[18]，造成碳纖維復(fù)合材料的失效，進而影響到車用儲氫系統(tǒng)的安全[19]。

由于所研究儲氫氣瓶內(nèi)膽材料為鋁合金，導(dǎo)熱系數(shù)較大，隔熱性能差，碳纖維纏繞層的溫度也會隨著氣瓶內(nèi)部溫度變化。圖5所示為3種容積的碳纖維全纏繞儲氫氣瓶碳纖維纏繞層溫度Te隨時間t的變化曲線圖。由圖可知，氣瓶容積越大，充裝完成時刻的氣瓶碳纖維纏繞層溫度越高。在隨后的靜置過程中，氣瓶碳纖維纏繞層溫度都呈緩慢下降的趨勢，氣瓶容積越大，溫度下降的幅度越小，且碳纖維纏繞層溫度變化小于氣瓶內(nèi)部溫度變化。從氣瓶充裝完成時刻到靜止10 min的過程中，27 L氣瓶碳纖維纏繞層最高溫度從74.1℃下降到了36.3℃;52 L氣瓶碳纖維纏繞層最高溫度從79.7℃下降到了42.9℃：135 L氣瓶碳纖維纏繞層最高溫度從83.4℃下降到了59.9℃。

3 結(jié)束語

本文以氫氣為工質(zhì)，選取27 L、52 L、135 L三種規(guī)格的鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞儲氫氣瓶進行傳熱計算，采用飽和均質(zhì)模型得到了如下結(jié)論。

（1）氣瓶容積越大，充裝完成時刻的氫氣溫度越高。氣瓶充裝完成后，氣瓶內(nèi)部溫度高于環(huán)境溫度，使得氣瓶與外界發(fā)生熱傳遞，瓶內(nèi)溫度下降，在結(jié)束充裝的10 min內(nèi)呈緩慢下降的趨勢，且氣瓶容積越大，氫氣溫度下降的幅度越小，溫度在氣瓶使用安全范圍之內(nèi)。

（2）瓶內(nèi)氫氣溫度下降，其壓力也隨之下降，氣瓶容積越大，氫氣壓力下降速度越小，且氣瓶內(nèi)壓力變化與氣瓶容積大小有較大關(guān)系。

（3）由于鋁合金隔熱性能較差，碳纖維纏繞層溫度隨氫氣溫度變化，在結(jié)束充裝的10 min內(nèi)也呈緩慢下降趨勢，氣瓶容積越大，碳纖維層溫度下降的幅度越小，且碳纖維纏繞層溫度變化小于瓶內(nèi)溫度變化。

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