燃料電池車載儲氫瓶結構對加氫溫升的影響
來源：儲能科學與技術 2020-05-12
摘 要
通過零維氫氣物性和一維壁面散熱相結合的方法，建立了燃料電池車載儲氫瓶加注仿真模型，驗證了加氫溫升仿真的準確性。運用加注仿真模型，研究了儲氫瓶壁面結構對加氫溫升的影響規律。仿真結果表明，對于鋁合金為內襯材料的III型儲氫瓶，加氫過程中，瓶內氫氣產生的熱量絕大部分被壁面材料導熱吸收，僅有約2%的熱量通過儲氫瓶壁面散出至環境。由于內襯層鋁合金材料比纏繞層碳纖維復合樹脂材料具有更高的導熱系數，內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，導致內襯層導熱對氫氣散熱的貢獻更大。內襯層越薄，氫氣總散熱量越小，加氫溫升越顯著；當內襯層厚度由7 mm減薄至3 mm時，加氫溫升增加約10 ℃。與內襯層相比，纏繞層厚度對加氫溫升影響較小；當纏繞層厚度由12 mm減薄至8 mm時，加氫溫升增加約1.8 ℃。因此，III型瓶加氫時，可以根據其壁面結構，尤其是內襯層厚度，定制化加氫速率，從而實現不超溫條件下的快速加氫。
關鍵詞：儲氫瓶；內襯層；纏繞層；加氫；溫升
燃料電池車載高壓儲氫系統采用碳纖維纏繞的多層復合氣瓶，其內襯材料為鋁合金（III型瓶）或聚合物（IV型瓶）。當進行氫氣加注時，高壓氫氣快速進入氣瓶，存在顯著的熱效應，導致氣瓶內氫氣溫度快速升高。為保障加氫過程的安全性，加注結束時，氣瓶內氫氣溫度不應超過85 ℃[1]。燃料電池車載儲氫系統所采用的儲氫瓶結構，包括其內襯材料種類、壁厚等，直接決定氫氣經壁面的散熱量，從而導致氣瓶內氫氣溫升迥異。國際上，燃料電池車載儲氫系統主要采用以聚合物為內襯的IV型儲氫瓶，其加氫溫升特性已有較多研究[2,3,4]；目前，國內車載儲氫系統則主要采用以鋁合金為內襯的III型儲氫瓶，其加氫溫升特性也有一定研究[5]，但缺乏系統性的加氫安全邊界條件研究。另一方面，由于氣瓶結構設計差別，即使采用同一種類型的儲氫瓶，其內襯或纏繞層材料的厚度和物理特性差異也導致加氫溫升特性不同。隨著我國氫能行業的快速發展，燃料電池車載儲氫系統在結構設計和材料上的差異對加氫操作的溫升管理和安全性保障提出了新的挑戰，因此研究儲氫瓶結構對加氫溫升的影響規律，指導建立基于儲氫瓶結構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據庫相結合的方法，建立了車載儲氫瓶加注模型，經試驗數據驗證可靠性后，系統性研究了儲氫瓶結構對加氫溫升的影響規律，為加氫過程溫升控制和安全管理提供指導。
1 建模方法
1.1?模型與熱力學方程
采用0維氫氣模型和1維儲氫瓶壁面模型對加氫過程進行建模。對儲氫瓶內氫氣進行質量與能量衡算，存在如下關系方程
為獲得加氫過程中瓶內氫氣溫度的變化，還需要求解出瓶內氫氣的散熱量。假設儲氫瓶是兩端半球、中間管狀的結構，氫氣經壁面對外散熱時，瓶壁只存在徑向的溫度梯度。瓶壁包括內襯和纏繞兩層，如圖1所示。
圖1 儲氫瓶建模結構示意
瓶內氫氣散熱量與內襯層內表面溫度Tliner_in存在如下關系
1.2?模型驗證
根據美國能源部公布的III型瓶加氫結果[6]，采用相同的儲罐參數和加注條件，模擬獲得的氫氣溫升曲線與文獻報道值基本重合（圖2），說明建立的仿真模型具有可靠性。
圖 2 加氫溫升仿真結果對比
1.3?加氫仿真
選取典型的加氫工況，儲罐初始壓力5 MPa，在室溫和瓶體初始溫度25 ℃下，按照10 g/s進行恒流量加注，入口氫氣溫度與室溫一致且假設恒定不變，當加注至儲罐內氫氣密度達到24 g/L，即為100%加滿狀態時停止。根據文獻報道[2,3,4]，在加氫過程中，儲氫瓶內壁對流換熱系數取200 W/(m2·K)，外壁自然對流散熱系數取8 W/(m2·K)。儲氫瓶壁面溫度一般不超過氫氣的安全上限溫度85 ℃，可以近似認為鋁合金內襯和碳纖維纏繞層材料的密度、導熱系數和比熱容保持不變[1]。
2 結果與討論
2.1?加氫熱效應
國內典型III型儲氫瓶的結構參數如表1所示，仿真結果表明，加氫結束后儲氫瓶內氫氣溫度為73.5 ℃，溫升48.5 ℃。氫氣加注過程中儲氫瓶內氫氣溫度逐漸升高，向儲氫瓶壁面散熱，首先與內壁發生傳熱使得鋁內膽內襯溫度升高，然后內襯層將熱量傳導至纏繞層，最后經外壁面散熱至環境。在氫氣加注的280 s時間內，儲氫瓶內氫氣對壁面的總散熱量為2317 kJ，其中鋁內膽內襯吸收熱量1319 kJ，碳纖維纏繞層吸收熱量956 kJ，經儲氫瓶壁面向環境散熱量42 kJ，這說明加氫過程中瓶內氫氣的換熱量有98%被儲氫瓶體吸收，僅有2%熱量散出儲氫瓶，因此，儲氫瓶壁面的導熱特性對加氫溫升有直接影響。
表 1 國內III型儲氫瓶結構參數
為進一步考察內襯層和纏繞層在加氫過程中的換熱行為，對儲氫瓶壁面的徑向溫度分布隨時間的變化進行研究，結果如圖3所示。加注起始時刻（t=0 s時刻），儲氫瓶壁面沿徑向溫度一致，加注30s后，內襯層溫度升高，在7 mm徑向厚度內基本無溫度梯度。相比之下，纏繞層在徑向出現明顯的溫度梯度，其內壁和外壁溫差已經達到約6 ℃。隨著加氫時間的進行，瓶內氫氣與壁面發生換熱，導致內襯層溫度逐漸升高，與此同時，其徑向仍然無明顯的溫度梯度，說明內襯層材料導熱快；纏繞層沿徑向表現出更加顯著的溫度梯度，當加注結束時，纏繞層的內外壁溫差已提高至8 ℃，這是纏繞層材料導熱較慢所致。另一方面，加注結束時，儲氫瓶外壁溫度為48 ℃，與室溫形成了23 ℃溫差，這是由于瓶壁向環境散熱受到自然對流過程控制，加注時間內散熱量很小。因此，加氫過程中，儲氫瓶內氫氣對外散熱經內襯層的導熱速度快，在纏繞層導熱慢、形成顯著的溫度梯度，瓶外壁與環境的換熱量很小，儲氫瓶壁面各層材料的厚度和導熱特性對加氫溫升有重要影響。
圖 3 儲氫瓶加氫過程中瓶壁溫度分布變化
2.2?內襯層厚度及導熱系數影響
對III型瓶的加氫溫升和換熱特性研究表明，內襯材料導熱吸收了氫氣的大部分散熱量。考慮到不同制造商生產的III型瓶可能壁面結構有所區別，有必要進一步研究III型瓶內襯和纏繞層厚度不同時，加氫溫升的變化規律，以便指導開發安全快速的加氫操作條件。如圖4所示，當儲氫瓶內襯厚度不同時，在同一加氫操作條件下，氫氣散熱量有顯著變化。對于內襯層較厚的儲氫瓶，加氫過程中氫氣總散熱量較大，這主要是由于內襯層材料質量更大、吸收的熱量更多，促進了儲氫瓶內氫氣的對外換熱過程；當內襯層厚度減小時，內襯層吸收的熱量減少，導致氫氣總散熱量下降。盡管對于內襯層較薄的儲氫瓶，仿真結果表明其纏繞層吸收了更多的熱量，但由于纏繞層相對于內襯層導熱能力顯著較低，纏繞層多吸收的熱量無法抵消內襯層減薄導致的吸熱量下降。對于內襯厚度為3 mm的儲氫瓶，加氫結束后瓶內氫氣溫度為83.1 ℃，顯著高于內襯厚度為7 mm的儲氫瓶（加注結束瓶內氫氣溫度73.5 ℃）。因此，對于內襯層更厚的III型瓶，氫氣散熱效果更好，更有利于控制加氫溫升。
圖4 內襯層厚度對儲氫瓶內氫氣散熱量的影響
對于國外常用的IV型瓶，其內襯材料為聚合物，導熱系數[0.5W/(m·K)]顯著低于III型瓶的鋁合金內襯。假設儲氫瓶其他結構和材料均不變，對采用聚合物內襯和鋁合金內襯的儲氫瓶進行加氫仿真，操作條件與2.1節完全一致。結果表明，采用聚合物內襯的儲氫瓶內氫氣溫升更加顯著，加氫時間內，儲氫瓶內氫氣的散熱量僅為鋁內襯瓶的23%。進一步研究表明，聚合物內襯層在徑向方向存在顯著的溫度梯度，這導致氫氣經內壁對外的散熱量顯著下降，因此加氫結束時瓶內氫氣的溫升更劇烈。
2.3?纏繞層厚度影響
儲氫瓶的纏繞層一般由碳纖維和環氧樹脂復合材料構成，對于不同制造商生產的III型瓶，其纏繞層的厚度可能不同，有必要研究其對加氫溫升的影響。圖5是不同纏繞層厚度下，加氫過程中儲氫瓶內氫氣的散熱量對比，加氫條件與2.1節所描述一致。結果表明，當纏繞層厚度由12 mm減薄至8 mm時，加氫過程中瓶內氫氣總散熱量由2317 kJ降低為2255 kJ，加氫結束后瓶內氫氣溫度由73.5 ℃上升至75.2 ℃。當儲氫瓶的纏繞層厚度減小時，加氫過程中氫氣的散熱量有所降低，但降低幅度不如內襯層厚度減薄時明顯。這是由于纏繞層材料導熱系數顯著低于內襯層，其貢獻的氫氣散熱量低于內襯層；另一方面，當纏繞層厚度減薄后，纏繞層材料質量減少、吸收總熱量減少，因此貢獻的氫氣散熱量降低。此外，儲氫瓶壁面至環境的自然對流散熱量十分有限，纏繞層厚度減薄導致的外壁面對流散熱量增加可忽略不計。
圖 5 纏繞層厚度對儲氫瓶內氫氣散熱量的影響
3 結論
（1）III型儲氫瓶加氫過程中，瓶內氫氣的散熱量絕大部分被壁面導熱吸收，僅有約2%的熱量散出儲氫瓶；內襯層導熱比纏繞層導熱對氫氣散熱的貢獻更大。
（2）III型儲氫瓶內襯層越薄，加氫溫升越顯著。當內襯厚度由7 mm減薄至3 mm時，加氫溫升增加約10 ℃。
（3）IV型瓶因內襯材料的導熱系數低，加氫過程中瓶內氫氣散熱量顯著低于III型瓶，氫氣溫升更劇烈。
（4）III型儲氫瓶纏繞層厚度對加氫溫升影響較小。當纏繞層厚度由12 mm減薄至8 mm時，加氫溫升增加約1.8 ℃。
（5）為實現安全快速加注，需要考慮儲氫瓶結構對加氫溫升的影響。（作者：許壯）
