董文利* 宋高峰 鄭楊艷

（江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院）

0 引言

氫能源具有可再生、無污染等優(yōu)點，已成為重要的清潔能源。常溫常壓條件下，氫氣的體積能量密度相對較低，為提高其體積能量密度，目前已研發(fā)出材料儲氫、液態(tài)儲氫以及高壓氣態(tài)儲氫等方式[1]。高壓氣態(tài)儲氫常采用輕質(zhì)碳纖維增強復(fù)合材料（CFRP）作為主要承壓材料，以此保證足夠的儲氫密度。該材料制造的氣瓶具有結(jié)構(gòu)簡單、充裝速度快等優(yōu)點，是目前應(yīng)用相對較廣泛的車用儲氫方式。

車用儲氫系統(tǒng)的商業(yè)化應(yīng)用是需要在規(guī)定時間內(nèi)完成充裝工作。例如，為了滿足500 km 的氫能源車的續(xù)航里程，一般需要在180 s 以內(nèi)將氣瓶充裝至70 MPa，總裝量約5 kg。但在快速充裝過程中，因壓縮、節(jié)流以及射流效應(yīng)等因素同時作用，使氣瓶內(nèi)的氫氣產(chǎn)生了較大溫升[2]。而由于CFRP 材料對溫度的敏感性較強，較高的氫氣溫度容易使材料失效，直接影響儲氫系統(tǒng)安全，一般CFRP 氣瓶的最大使用溫度不能超過85 ℃。研究表明，快充溫升與儲氣罐狀態(tài)、氣瓶結(jié)構(gòu)（體積、長徑比及入口角度等）、氫氣初始狀態(tài)、氣瓶外壁面散熱量、充裝速率以及加載方式等有關(guān)[3-10]。氣瓶長徑比和進(jìn)氣口直徑越小，瓶內(nèi)的溫升幅度就越低，溫度分布也較為均勻，但調(diào)整氣瓶的長徑比會直接影響其承載能力，并且長徑比受到汽車結(jié)構(gòu)限制較大；進(jìn)氣口直徑減小，充裝速率有所降低，充裝時間就會延長。氣瓶內(nèi)氫氣溫度分布主要依賴于瓶內(nèi)氣體的流動狀況，隨意調(diào)整氣瓶結(jié)構(gòu)并不能有效降低溫升?，F(xiàn)有的研究大多集中于瓶內(nèi)氫氣的溫升規(guī)律，而溫升的控制方法缺乏系統(tǒng)研究。

針對CFRP 氣瓶的快速充裝過程，采用計算流體動力學(xué)方法，建立70 MPa 儲氫氣瓶快速充裝數(shù)值模型，研究充裝初始條件對溫升和溫度分布的影響規(guī)律，同時探討溫升的控制策略，提出了控制方法，為車用儲氫系統(tǒng)的快充溫升控制以及加氫站充裝工藝條件優(yōu)化等提供理論與應(yīng)用基礎(chǔ)。

1 數(shù)值模型

假設(shè)儲氫罐內(nèi)氫氣壓力、溫度和比焓分別為p0，T0以及h0，儲氫氣瓶內(nèi)初始?xì)錃鈮毫?、溫度、質(zhì)量分別為p1，T1以及m1，充裝完成后氫氣壓力、溫度、質(zhì)量分別為p2，T2以及m2。儲氫氣瓶呈軸對稱結(jié)構(gòu)，當(dāng)充裝速度大于9 g/s 時，可忽略重力對內(nèi)部流場的影響[5]，可將氣瓶簡化為二維旋轉(zhuǎn)軸對稱模型，如圖1 所示。

圖1 氣瓶幾何模型（單位：mm）

1.1 控制方程

連續(xù)性方程為：

動量方程為：

式中：ρ——密度；

μ——黏度；

p——壓力；

t——時間。

湍流方程為：式中：R——氣體狀態(tài)常數(shù)；

T——氣體溫度；

α——真實氣體狀態(tài)系數(shù)，為1.915 5×10-6K/Pa。

氫氣狀態(tài)參數(shù)如密度ρ、導(dǎo)熱系數(shù)λ、比熱容Cp等引用NIST 數(shù)據(jù)。

1.2 充裝參數(shù)

快充初始，氣瓶所處環(huán)境溫度、氫氣入口溫度與瓶內(nèi)初始溫度均相同；氣瓶入口邊界為壓力入口，壓力線性遞增，背壓時恒定。氣瓶外壁玻璃纖維與空氣對流傳熱系數(shù)為10 W/（m2·K），氣瓶各壁面參數(shù)可見表1[5]。氣瓶初始條件包括快充時間、初始壓力以及初始溫度，詳細(xì)參數(shù)如表2 所示。

表1 氣瓶不同材料物性參數(shù)

表2 氣瓶初始條件

1.3 模型有效性驗證

采用20 種網(wǎng)格試算并與已有實驗結(jié)果對比，氣瓶整體主要采用四邊形網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量為27 804，圖2 a）所示為模型整體網(wǎng)格。內(nèi)部氣體區(qū)域網(wǎng)格尺寸大多為4 mm×4 mm，進(jìn)口處網(wǎng)格細(xì)化為2 mm×2 mm 并適當(dāng)延伸至氣瓶內(nèi)部，將鋁內(nèi)膽區(qū)域網(wǎng)格細(xì)化為1.5 mm×2 mm，碳纖維-樹脂區(qū)域網(wǎng)格細(xì)化為2 mm×2 mm，玻璃纖維-樹脂區(qū)域網(wǎng)格細(xì)化為0.5 mm×2 mm，圖2 b）所示為進(jìn)口區(qū)域局部網(wǎng)格，時間步長設(shè)置為1×10-4s。為了驗證模型的準(zhǔn)確性，對比實驗參數(shù)初始壓力為2 MPa，終止壓力為70 MPa，快充時間為188 s，氣瓶初始溫度與環(huán)境溫度均為288 K。圖3所示為實驗與數(shù)值模擬的溫升曲線對比，數(shù)值模擬結(jié)果與實驗吻合較好，快充最高溫度Tr誤差小于2 K[12]。

圖2 模型網(wǎng)格劃分示意圖

圖3 實驗測量與數(shù)值模擬氫氣溫升過程

2 結(jié)果與討論

2.1 瓶內(nèi)氫氣速度與溫度分布

圖4 與圖5 分別為快充過程中氫氣在4 個時刻的速度分布與溫度分布情況，其中p0=3 MPa，T0=283 K，t=60 s。從圖4可以看出，隨著快充進(jìn)行，氫氣進(jìn)入氣瓶后的射流深度逐漸減小，氫氣最大速度降低，當(dāng)快充時間從15 s增加至60 s時，最大速度從3.55 m/s降至1.2 m/s?？斐溟_始階段，氫氣進(jìn)入氣瓶后，在氣瓶前部與尾部同時形成局部回流。隨著快充持續(xù)進(jìn)行，由于氣瓶內(nèi)壁面反射以及瓶內(nèi)壓力共同作用，前部回流區(qū)域逐步擴大，尾部回流因內(nèi)部壓力增大而消失。從圖5可以看出，隨著快充持續(xù)進(jìn)行，瓶內(nèi)溫度以及內(nèi)壁溫度均逐漸升高，且氫氣溫度最高區(qū)域始終在氣瓶尾部。當(dāng)快充至60 s時，氣瓶內(nèi)最高溫度升至356 K，已接近85 ℃。結(jié)合圖4與圖5可以看出，氫氣在快充過程中，低溫區(qū)域始終與射流深度范圍重合，存在2個較大的溫差區(qū)域，一是進(jìn)入氣瓶前部的氫氣與瓶內(nèi)已有氫氣的直接接觸面，二是氣瓶尾部氫氣與內(nèi)壁的接觸面。氣瓶內(nèi)氫氣溫度分布主要依賴于瓶內(nèi)氣體的流動狀況，在相同的快充條件下，縮小氣瓶的長徑比有助于控制瓶內(nèi)溫度分布以及溫升。

圖4 不同時刻氫氣速度分布圖

圖5 不同時刻氫氣溫度分布圖

2.2 瓶內(nèi)氫氣溫升規(guī)律

2.2.1 充裝時間的影響

圖6 所示為快充時間對溫升的影響。從圖6 可以看出，增加充裝時間（即降低充裝速率），瓶內(nèi)溫升逐漸降低，且降低速度逐漸減小，溫升與充裝時間之間近似呈對數(shù)關(guān)系，增加充裝時間可有效降低瓶內(nèi)溫升。如在初始壓力分別為3 MPa 和30 MPa，終止壓力為70 MPa，初始溫度為293 K 的條件下，充裝時間從60 s 增加至180 s，瓶內(nèi)溫升從356 K、331 K 分別降至346 K、321 K，降溫幅度達(dá)到10 K。其原因在于，控制充裝時間可延長系統(tǒng)的散熱時間，一定程度上能將瓶內(nèi)溫升有效控制在允許范圍內(nèi)。但在較高室溫條件下，瓶內(nèi)氫氣溫度在快充時很可能超過85 ℃，所以單純延長充裝時間，可能無法完全保證快充的安全性和滿足商業(yè)化要求。

圖6 快充時間對溫升的影響

2.2.2 初始壓力的影響

圖7 所示為充裝初始壓力對瓶內(nèi)最高溫度的影響情況，其中充裝時間為60 s 和180 s，初始溫度為293 K。從圖7 可以看出，最大溫升與初始壓力近似呈線性遞減關(guān)系。如在充裝時間分別為60 s 和180 s，初始溫度為293 K 的條件下，充裝壓力從3 MPa 增加至30 MPa，瓶內(nèi)溫升從356 K、346 K 分別降低至331 K 以及321 K，降溫幅度接近25 K，即初始壓力每增加1 MPa，溫升約降低0.92 K，增加充裝初始壓力可有效降低最大溫度。但商業(yè)化過程中要求車載儲氫系統(tǒng)需要保證在單次加注條件下?lián)碛幸欢ǖ睦m(xù)航里程，即初始充裝壓力不能太低，因此快充初始壓力的可控實際范圍相對較小。

圖7 快充初始壓力對溫升的影響

2.2.3 初始溫度的影響

圖8 所示為充裝初始溫度對瓶內(nèi)最高溫度的影響，其中充裝時間分別為60 s 和180 s，初始壓力為3 MPa。與初始壓力對溫升的影響相似，最高溫度與初始溫度間近似呈線性遞增關(guān)系，但初始溫度的影響相對較小。如在充裝時間分別為60 s 和180 s，初始壓力為3 MPa 的條件下，初始溫度從263 K 增加至303 K，瓶內(nèi)最高溫度從352.4 K、342.5 K 分別升至357.3 K 以及347.2 K，溫升約為4.7 K，即初始溫度每增加1 K，溫升約增大0.12 K，因此初始溫度對溫升的影響程度相對較小。與初始壓力的影響相似，初始溫度在商業(yè)化應(yīng)用中的可控范圍也相對較小。在實際快充時，可以設(shè)置預(yù)冷環(huán)節(jié)以降低充裝氫氣溫度，使得瓶內(nèi)最終溫升得以降低。

圖8 快充初始溫度對溫升的影響

2.3 氫氣溫升控制方法

氫氣快速充裝要求氣瓶壁面溫度不超過85 ℃，但考慮到氣瓶的安全性，應(yīng)控制瓶內(nèi)氫氣溫度在快充過程中不超過85 ℃。綜上可知，快充溫升主要由充裝時間、初始壓力以及初始溫度決定。基于數(shù)值模擬結(jié)果，建立了瓶內(nèi)氫氣最高溫度與快充參數(shù)間的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，詳見式?）。以式（6）為基礎(chǔ)，將初始溫度設(shè)定為313 K，可得到瓶內(nèi)溫升與充裝參數(shù)間的關(guān)系，如圖9 所示。其中，初始壓力為0～30 MPa，充裝時間為30～180 s，從圖9 可以看出，當(dāng)初始壓力較低時，快充溫升極有可能超過85 ℃（358 K），尤其是在炎熱的夏天。由于快充初始壓力和溫度的可控范圍相對較小，建議通過控制充裝時間或者氫氣初始溫度來有效控制溫升；同時，可以合理優(yōu)化氣瓶結(jié)構(gòu)，改善內(nèi)部氣體流動狀況，從而調(diào)控瓶內(nèi)氫氣溫度分布情況。

圖9 快充溫升與充裝參數(shù)間的關(guān)系

3 結(jié)論

本文針對CFRP 氣瓶的快速充裝過程，建立了70 MPa 儲氫氣瓶的快充數(shù)值模型，研究了不同充裝參數(shù)對瓶內(nèi)氫氣溫升的影響情況。

（1）在一定的充裝條件下，氣瓶快充溫升主要由充裝時間、氣瓶初始壓力以及初始溫度決定，初始充裝壓力提升對降低溫升有顯著影響。

（2）提出了溫升控制方法，充裝初始壓力和初始溫度與溫升呈線性關(guān)系；充裝時間與溫升呈對數(shù)關(guān)系，延長充裝時間，溫升呈非線性降低，但降低速率逐漸減小。

（3）基于模擬數(shù)據(jù)，建立了快充過程中瓶內(nèi)最高溫度與充裝參數(shù)間的經(jīng)驗關(guān)系，當(dāng)初始壓力為3～30 MPa，初始溫度為263～303 K，充裝時間為60～180 s時，可采用本文提出的模型來預(yù)測快速充裝最高溫度。