（浙江大学能源工程学院化工机械研究所）
摘要高压气态储氢是氢能汽车的主流技术解决方案，氢能汽车加氢操作时间应与燃油车加油操作时间相近。但快充过程伴有较高温升，这将诱发环氧树脂剥离、碳纤维失效及气瓶欠充装等问题，故应准确预测温升并给定可靠的加注策略。因此需要关注不同水容积的储氢气瓶，揭示氢气、复合层压板的温升演化，并给定高精度、宽适用范围的温升预测公式。
关键词车载储氢气瓶水容积快充温升
中图分类号TQ051.5文献标识码A文章编号0254-6094（2021）02-0160-06
氢能作为来源广泛的二次能源，其单位质量含能多，燃烧产物清洁，因而在交通、电力及储能等行业具有广阔的发展前景#$$，但氢气的密度低也成为氢能源应用和产业化的潜在限制因素#2$。在氢能产业链中广泛布局、系统开发、深入研究，是构造、丰富、完善以氢能源为代表的清洁-多元能源供应体系的必然要求，为推动氢能应用的基础设施建设的发展，我国近些年提出了《能源技术革命创新行动计划（2016-2030年）》、《关于做好可再生能源发展“十四五”规划编制工作有关事项的通知》等具有代表性的国家层次的战略规划［3$。实现安全性好、经济性优、效能性强的储氢技术是氢能应用与产业化的关键，考虑到
液态储氢、金属氢化物储氢及有机框架物储氢等储氢技术仍有关键技术瓶颈未解决［4,5］，对氢燃料电池车制造商而言，目前技术成熟度高、温度适应性宽、集成能耗低的解决方案是在气瓶中储存被压缩至35MPa，甚至70MPa的标称工作压力的氢气，以实现高质量密度的储能［6'7］%碳纤维增强复合材料气瓶具有重量轻、强度高的特点，广泛应用于车载高压储氢系统，根据现行标准的限定，中国大陆地区只允许使用！型气瓶（铝合金内衬（：！型气瓶与国外较通行的"型气瓶（高密度聚乙烯内衬）相比，结构更稳定，能较好地规避泄漏、复合包覆材料分层等问题［8'9］%为提供舒适的用户体验，氢燃料电池车的加氢操作时间应与燃油车的加油操作时间相当％在限定气瓶水容积、限定加注时间的条件下：氢气被压缩至高工作压力［10］、氢气的负焦-汤效应［11］、高速氢气入射流的动能部分转化为内能［12］等多重要素都使得储氢气瓶内产生较高的温升，而过高的温度会诱发环氧树脂剥离、碳纤维失效［13］；与此同时，氢气的密度将随着温度的上升而下降，这也可能造成储氢气瓶的欠充装状态［14］%所以，准确预测快充温升，并给定可靠的加注策略是保障车载高压氢安全与效能的重要课题。
已有不少研究者从多个角度关注氢气的加注参数（如质量流量、升压方式及初始压力等）对气瓶快充温升的影响，并得到了一些重要结论%例如，ZhaoL等呈现了不同质量流量、初始压力、环境温度条件下35MPa快充过程中的！型储氢气瓶内的温升及其分布情况，研究表明：！型储氢气瓶的最高温升分布在瓶尾区，且最大温升随质量流量的增加而呈指数增长；最大温升随初始压力的上升而线性下降，但环境温度对最大温升的影响程度不大；同时还基于5min的加注过程给定了温升预测公式［15］%Zhao Y Z等对不同加注时间、升压方式下的70MPa快充过程中的！型储氢气瓶
基金项目：国家重点研发计划资助项目（2018YFB0105504）%
作者简介：刘峻（1996-），硕士研究生，从事高压车载氢系统加注安全的研究％
通讯作者：赵永志（1977-），教授，从事氢能安全及储输技术、离散单元法及颗粒技术的研究,**************
内流动和传热现象进行了数值模拟研究，结果表
明：对于线性升压，最终气体温升随指定加注时
间的减小而升高；而不同升压方式下的最终气体 温升差别较小Zheng J Y 等在研究中简略地分
析了气瓶尺寸对传热的影响，发现较小的气瓶长 径比有利于加注安全$17%。
通用、简便、可靠地预测快充过程的温升,
是车载高压氢系统加注环节的一大重要课题,
但不同的气瓶生产厂家在气瓶配件布置、温升
检测排线布置等诸多方面尚未形成统一的评价
标准$18%，因而对于不同形式的气瓶也难以制定 统一化的温升安全规范。为此，笔者采用二维轴
对称模型，关注不同水容积的车载70MPa 储氢气 瓶的加注-静置全过程，旨在探究气瓶内部温度
场随时间的演化过程，进而确定氢气、环氧树脂/
碳纤维复合层压板的最高温升与水容积、长径 比的关系，从而给定精度较高的基于水容积、长 径比的车载70MPa 高压储氢气瓶加注温升预测
公式。
1 70MP&高压储氢气瓶结构及计算模型
车载储氢气瓶大致可分为流场域和固体域&
具体来说，流场域充满加压氢气，固体域包括铝
合金衬里、环氧树脂/碳纤维复合层压板、环氧树 脂/玻璃纤维复合层压板和支撑用钢&不同水容积
车载储氢气瓶由于力学支撑作用的区别，气瓶外
围固体材料的厚度、体积等参数是不相同的&车
载储氢气瓶的主要材料参数见表1，不同水容积 储氢气瓶结构示意图如图1所示&
表1车载储氢气瓶的主要材料参数
材料名称
密度/kg-m"3比热容/J ・（kg ・！ ）-1
热导率/W ・（m 代）-1
铝合金衬里
2 700902.0238.000
环氧树脂/碳纤维复合层压板1 513
920.0
3.720环氧树脂/玻璃纤维复合层压板
2 051878.4
0.133
钢8 030
502.516.270
层压
•
!!''■: 复人II 假定加注前气瓶与环境之间有充分的热交
换，高压储氢气瓶内的初始温度与环境温度一
致，均给定为20! &笔者使用美国国家标准技术研
究所（NIST ）的热力学和制冷剂的传输特性数据
875
a. 27L 气瓶
c. 135L 气瓶
图1不同水容积的车载储氢气瓶的结构示意图
库（REFPROP v7.0）来评估高压氢气,NIST 模型所 描述的真实气体流动比许多常用状态方程描述
的实际气体流动要更贴合实际工况物性，适用于 温度边界条件随时间变化的非稳态传热凹。
考虑到70MP1标称工作压力需要高质量流量
（质量流量大于9g/s ），可将车载储氢气瓶的加注
与静置过程简化为二维轴对称的瞬态过程何。同
时还考虑到不同压力上升模式对氢气最终温升
影响小如，且国际上关于高压氢系统的充装要求 体现在质量能量密度上^，因此笔者给定恒定的
质量流量入口边界条件，数值与换算的平均质量
流量相同，包含传热、湍流和真实气体效应的连
续性方程和动量方程：
连续性方程阻』
dt
(1
)
动量方程—(p u)+——(r p uu)+——(卩#")二一也+——[r("+"t)(2如—2(V-())]+丄—[%!"+"t)(2"+也)](2)
d t r d x r d r d x r d x d x3r d r d r d x
式(1)、(2)均是二维轴对称惯性参考系框架下的公式，其中,p为密度,t为时间$u为轴向速度，#为径向速度,x为轴向距离,r为径向距离，&为压力，为动态粘度，仏为湍流粘度％
文中用到基于湍流动能'及其耗散率#的输运修正标准'-#模型，与标准模型相比,C1s从1.44变为1.52，使得渗透率对动量、时间及密度等变量的关联性描述更为精确九23'。湍流动能'及其 耗散率#由以下输运方程得出：
it仏)+!(psu)=!
$"+；11；啧-(2#吟(4)
,k/~pu，v，(5)
d x
2
Y)*2p#M t(6)式中—
—
平均速度梯度产生的湍流动能；
M)——马赫数；
u$,#$-----脉动量；
—
—可压缩湍流中的脉动膨胀对总耗散
率的贡献；
-puV——雷诺应力张量。
2车载储氢气瓶加注-静置过程温升及其预测公式
2.1快充-静置过程温升数值模拟结果与分析
目前，各种水容积、各种型式车载储氢气瓶的快充温升研究已经有很多，也有一些研究者对加注-泄放全过程温升进行探究。但是，为充分保障高压氢加注安全，潜在的极端危险工况应作为考察对象：氢燃料车加注操作完成后，存在未必即刻行驶的现实可能性，加注及之后的静置组合过程应作为参考阶段网。
图2为Fluent计算得到的3种水容积的气瓶内的加注终了时刻的温度云图，可发现与以往许多气瓶温升研究不同的是：70MPa标称压力#3min时长的加注过程，瓶内最高温升在瓶肩与内筒体交界区，而不是瓶尾区。这种现象归因于高加注流量条件下，气瓶内压缩产生大量热&24'；同时，相较于35MPa气瓶加注过程，瓶内的高压会进一步抑制加注后续的压力增加。两个因素相结合，使得氢气浮力效益逐渐占据主导作用，从而使瓶内再循环流受到抑制&25'。考虑到国际上通行的储氢气瓶的关键评价指标之-----充装状态(SOC)是衡量高压氢系统经济性&26'、效能&27'的重要指标，而SOC与氢气的最高温升不存在必然关联，却与氢气的质量平均温升密切相关&28'；还考虑到经济性和效能的前提是确保高压氢系统不会因气瓶包层材料热力学性能的削弱而发生安全事故，而过 高温升会诱发环氧树脂剥离、碳纤维失效旳，因此，将氢气的质量平均温升演化、环氧树脂/碳纤维复合层压板的最高温升演化呈现出来。
图2不同水容积储氢气瓶快充终了时刻
温度云图
如图3所示，分别是3种水容积的气瓶内氢气的质量平均温升。可以直观地发现，氢气质量平均温升的最高值都不超过85!%无论是快充还是静置过程，在长径比相差不是很悬殊时(长径比都小于4)&12'，随着气瓶水容积的增大，氢气的质量平均温升增加，这可归因于水容积增大后，换热实际表面积与水容积的比值减小，气瓶蓄热能力增强％如图4所示，分别是3种水容积的气瓶的环氧树脂/碳纤维复合层压板的最
高温升%对于快充过程，与图3中的氢气质量平均温升的变化趋势类似，随着气瓶水容积增大，环氧树脂/碳纤维复合层压板的最高温升也随之增加，最高值不超过50!%静置过程则有较多的不同之处,27L气瓶的环氧树脂/碳纤维复合层压板的温升缓慢上升，最终趋于一个稳定值;52L气瓶的环氧树脂/碳纤维复合层压板的温升一直缓慢下降；而135L气瓶的环氧树脂/
碳纤维复合层压板的温升是先下降
再缓慢上升，最终趋于一个稳定值图3不同水容积储氢气瓶氢气质量
平均温升演化示意图
图4 不同水容积储氢气瓶环氧树脂/碳纤维
复合层压板最高温升演化示意图
纵观快充-静置全过程，不难发现气瓶的环氧
树脂/碳纤维复合层压板最高温升的最大值是随
着气瓶水容积的增加而增大的；同时还应注意到: 仅以水容积变量为出发点制定出的加注策略是不
全面的，水容积、包层材料体积及长径比等变量都
是影响温升演化的重要因素。就本研究的侧重点
来说，将水容积、长径比两个影响因素与温升预测 定量结合起来，才能为大巴车车载高压氢系统加
氢提供适用度广、实用性强的加注策略。
2.2与水容积、长径比相关的温升预测公式
鉴于不同气瓶生产商的制造工艺差别极大,
自变量若直接取气瓶水容积，限定程度大&3('，因
此，这里给定一个新变量：容比系数。容比系数为 气瓶水容积与3种气瓶中最小气瓶的水容积之
比。考虑到常用车载储氢气瓶的最小水容积约在
20〜30L 左右，这样构造的无量纲化参数在消除特
定水容积限制的基础上，还能紧密贴合国内外气
瓶制造的实际情况&31'。图3的纵坐标表示不同水 容积气瓶的氢气质量平均温升的最大值，图4的
纵坐标表示不同水容积气瓶的环氧树脂/碳纤维
复合层压板最高温升的最大值，都分别定为因变
量"如图5、6所示，水容积%容比系数与因变量之
间的关系用一次拟合平面可在数值上形成较好
的近似。
:V
赳十
58
容比系数
图5 氢气质量平均温升最大值拟合平面示意图
•环氧树脂/碳纤维复合层压板最高温升的最大值
容比系数
图6 环氧树脂/
碳纤维复合层压板最高温升值拟合平面示意图
对于本研究中涉及的气瓶，图5、6中的一次平面所表征的温升表达式具有较高的精度，并表示如下：
!&=42.3+1.59"”-0.95"”(7)
!34=85.4+0.05心-2.54"”(8)式中"ar-----------气瓶的长径比(即瓶身总长与气瓶
公称直径之比)；
"ir—气瓶的容比系数(即气瓶水容积与
指定最小气瓶的水容积之比)；
—环氧树脂/碳纤维复合层压板最高
温升值；
几4—氢气质量平均温升的最大值。
由式(7)可知，长径比)水容积对气瓶的环氧树脂/碳纤维复合层压板的最高温升值影响程度相近，长径比影响略大；由式(8)可知，对于瓶内氢气的质量平均温度，或者说对于瓶内SOC而言，长径比的影响较小，而水容积影响则较大。上述两个表达式适用于给定加注时间(3min)、给定标称工作压力(70MP-)条件下的高压氢系统的加氢操作。
3结论
3.1对于70MP-标称压力、3min时长加注的快充终了时刻，气瓶内最高温升在瓶肩与气瓶内筒体的交界区。
3.2对于快充过程和静置过程，在长径比相差不是很悬殊时(长径比都小于4)，随着气瓶水容积增大，氢气的质量平均温升、环氧树脂/碳纤维复合层压板的最高温升都随之增加。
3.3仅根据水容积变量制定出的加注策略是不全面的，水容积、包层材料体积、长径比等变量都是影响温升演化的重要因素。
3.4得到了基于不同水容积、不同容比系数的环氧树脂/碳纤维复合层压板最高温升值和氢气质量平均温升最大值的温升预测公式。
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