真实气体条件下采用等效导热系数方法的多层结构车载氢气储存瓶热力学行为

《Fire》：Thermodynamic Behavior of Onboard Hydrogen Storage Cylinders Under Real-Gas Conditions Using an Equivalent Thermal Conductivity Method for Multi-Layered Structures

　　

车载氢气储存瓶快速加注过程的热力学预测面临着多层复合壁建模的复杂问题。基于热阻串联原理，研究人员引入了一种等效导热系数方法，将多层结构简化为均质材料。结合真实气体状态方程，开发了一个耦合零维气体动力学和一维瓶壁传热的的热力学框架。与70 MPa快速加注实验数据的对比验证表明，该模型对该问题具有足够的精度和鲁棒性。通过比较不同容积III型气瓶的温度上升变化，发现表面积与体积比(A/V)是主要几何因素——控制温升行为的关键几何参数。较大容积气瓶由于散热效率较低而表现出更显著的温升。对III型和IV型瓶热响应特性的进一步比较表明，等效导热系数是决定温升行为的主导参数：该系数越低，对气瓶散热能力的限制越强，温升越显著。所提出的方法不仅保证了精度，而且降低了建模过程的复杂性，为优化加注策略和进行车载氢气储存系统的热安全评估提供了高效的理论工具。

氢能作为清洁高效的二次能源，是推动全球能源转型和碳减排的关键载体。车载氢气储存瓶是氢燃料电池汽车的核心部件，其热力学行为直接影响系统运行效率与安全性能。当前III型（金属内衬+复合材料缠绕）和IV型（聚合物内衬+复合材料缠绕）气瓶工作压力已达35–70 MPa。快速加注过程中，气体压缩效应和焦耳-汤姆逊效应（Joule-Thomson effect）会引发瓶内温度急剧升高，可能导致材料热损伤或疲劳失效；而快速泄放时的温度骤降则可能引起内衬开裂或密封失效。因此，精确预测充放气全过程中的动态温度与压力响应，对保障充氢安全、优化加注策略、延长气瓶寿命至关重要。然而，现有研究面临以下问题：（1）多层复合壁的热传递建模过于简化，缺乏物理清晰、计算高效且普适的等效表征方法；（2）气瓶关键结构参数（如几何尺寸、层厚比等）对热力学行为的影响机制尚未系统阐明；（3）简化模型与详细分层模型的对比验证不足，适用边界与精度范围有待明确。为此，研究人员基于热阻串联原理引入等效导热系数方法，将多层复合壁简化为单一均质材料，结合真实气体状态方程，建立了零维气体/一维瓶壁耦合热力学框架（0D/1D模型），并通过70 MPa快速加注实验数据验证了模型精度与鲁棒性。研究揭示：对于同类型气瓶，表面积体积比（surface area-to-volume ratio, A/V）是温升行为的主要几何因素；对于不同类型气瓶，等效导热系数（λ_eq）是温升行为的主导参数。该模型在保证精度的同时降低了建模复杂度，为车载氢气储存系统的加注策略优化和热安全评估提供了高效理论工具。该论文发表在《Fire》期刊。

研究人员采用了三项关键技术方法：（1）基于热阻串联原理推导出多层结构等效导热系数公式（λ_eq = Σδ_i / Σ(δ_i/λ_i)），将复合瓶壁简化为均质材料；（2）建立零维气体/一维瓶壁耦合热力学模型（0D/1D模型），气体区域视为均匀温度场，瓶壁沿厚度方向离散求解非稳态热传导方程；（3）采用适用于高压氢的真实气体状态方程（p = RT/(V/n - αp) + βp2）描述非理想行为。模型验证所使用的实验数据来源于文献Zheng等[33]的74 L III型瓶70 MPa快速加注测试。

3.1 热力学行为分析：III型瓶
3.1.1 III型瓶结构简介：III型瓶采用金属内衬（铝合金）加碳纤维增强复合材料（CFRP）缠绕层和玻璃纤维增强复合材料（GFRP）保护层的多层复合结构。
3.1.2 研究对象与计算参数：选取27 L、52 L和135 L三种典型容积的III型瓶，基于相同加注条件（5.5–70 MPa，预冷温度270 K，环境温度288.15 K，加注时间180 s）进行数值模拟。
3.1.3 不同容积III型瓶温度响应对比：通过对比温升曲线发现，三种气瓶均呈现相似趋势：初期温度快速上升，后期逐渐稳定。但135 L瓶最终温度（近60 °C）显著高于27 L瓶（约53.7 °C）。
3.1.4 尺寸效应的内在逻辑分析：计算得到A/V值分别为27 L: 47.2 m^-1、52 L: 38.5 m^-1、135 L: 31.6 m^-1。A/V越小，散热效率越低，温升越显著。此外，大容积气瓶所需氢气质量更大，质量流率更高，导致初期冷却更剧烈、后期压缩温升更突出。大容积气瓶的壁面热惯性（质量和比热乘积）更大，对气体温度波动有缓冲作用，但整体上A/V是决定性几何参数。

3.2 热力学行为分析：IV型瓶
3.2.1 IV型瓶结构简介：IV型瓶采用高密度聚乙烯（HDPE）内衬加CFRP缠绕层，聚合物内衬具有良好气密性和抗氢脆性，但其导热系数远低于金属。
3.2.2 研究对象与计算参数：选取24 L IV型瓶，内衬为HDPE（厚4.0 mm），CFRP层厚9.5 mm，热物性参数来自文献[36]，加注条件与III型瓶相同。
3.2.3 加注过程温度响应：温升曲线显示初期（0–40 s）温度从约15 °C急剧升至50 °C以上，后期（40–180 s）增速减缓并趋近65–70 °C。此行为由焦耳-汤姆逊效应、压缩功与壁面传热的动态平衡共同控制。
3.2.4 III型与IV型瓶对比分析：尽管24 L IV型瓶A/V值（21.5 m^-1）高于27 L III型瓶（47.2 m^-1），但IV型瓶的等效导热系数（λ_eq = 0.42 W/(m·K)）远低于III型瓶（1.65–2.52 W/(m·K)），导致其最终温度（65.7 °C）和峰值温升速率（0.282 °C/s）均高于III型瓶（53.7 °C, 0.258 °C/s）。这表明等效导热系数是跨类型气瓶温升的主导瓶颈参数：聚合物内衬形成显著热障，即使几何上有利于散热，热量仍被束缚在瓶内。

总结讨论：研究系统揭示了快速加注过程中温升由焦耳-汤姆逊加热、压缩加热和传热限制三者耦合控制，并明确了A/V（同类型内）和λ_eq（跨类型间）的关键作用。该等效导热系数0D/1D方法为工程优化提供了精简而准确的工具。研究结论部分翻译如下：
（1）研究人员引入基于经典多层壁热阻串联原理的等效导热系数方法，通过解析公式将复合瓶壁处理为等效均质材料，简化了建模过程，降低了参数研究的计算成本。基于真实气体状态方程构建的0D/1D耦合模型与70 MPa快速加注实验数据高度吻合，验证了该方法的有效性与工程精度。
（2）系统模拟揭示了瞬态温升本质上由焦耳-汤姆逊加热、压缩加热和传热限制三者耦合控制。两个结构参数主导该耦合：几何尺寸（以表面积体积比A/V表征）和多层结构的等效导热系数。对于III型瓶，容积增大导致A/V减小，散热效率降低，135 L瓶的最终温度（近60 °C）显著高于27 L瓶（约53.7 °C），表明A/V是决定同类型气瓶尺寸效应的核心几何参数。进一步对比III型和IV型瓶发现，尽管仅从几何角度而言24 L IV型瓶应比更大容积的III型瓶散热更快，但其聚合物内衬使等效导热系数（1.65–2.52 W/(m·K)）显著低于III型瓶，这一热障效应压倒了任何几何优势，导致IV型瓶温升更高（65.7 °C）且散热更慢——表明等效导热系数是跨类型气瓶传热限制的关键瓶颈，凸显了材料-结构协同优化对热管理的重要性。
总之，该研究展示了等效导热系数方法与0D/1D热力学模型相结合，可为不同类型和容积气瓶的快速加注模拟提供高效且经过验证的工程工具，支持加注策略优化与热安全评估，是对复杂分层建模方法的实用替代。