于芳芳，曾霞光

雙層高壓儲氫瓶概念設(shè)計(jì)與增容分析

于芳芳1，曾霞光2

（1.佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造學(xué)院，廣東 佛山 528199； 2.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械與自動化學(xué)院，廣東 佛山 528199）

由馮米塞斯屈服準(zhǔn)則可知靜水壓力通常對材料屈服強(qiáng)度無影響，文章對一般高壓瓶進(jìn)行保持內(nèi)外壓差的增壓加載過程模擬，得到等壓差總是導(dǎo)致相同應(yīng)力場的強(qiáng)度的結(jié)論。針對高壓儲氫瓶既能保持材料強(qiáng)度又能提高內(nèi)壓和容量的目標(biāo)，利用該結(jié)論進(jìn)行雙層高壓儲氫瓶的概念設(shè)計(jì)。文中設(shè)計(jì)的雙層瓶比常用儲氫瓶增加了一層內(nèi)瓶，瓶內(nèi)形成兩個壓力分層，因此增加了一個可調(diào)控的內(nèi)部壓差。保持一定壓差，調(diào)整內(nèi)外層相對尺寸，分析雙層瓶在相同屈服應(yīng)力條件下的單位體積儲氫量。結(jié)果表明，在相同屈服應(yīng)力條件下的單位體積儲氫量最大可比對應(yīng)單層瓶提高約25%。文中設(shè)計(jì)和分析結(jié)果，對提高儲氫瓶的儲存能力具有較好參考價值。

雙層高壓儲氫瓶；儲氫能力；屈服強(qiáng)度；增容分析

氫能因其儲量大、獲取技術(shù)成熟、燃燒值高且無污染，已成為人類社會的理想潔凈能源，也是當(dāng)今世界能源工業(yè)的主要發(fā)展方向[1-4]。在汽車領(lǐng)域，氫能以其零排放的特點(diǎn)被認(rèn)為是汽車的終極能源[5]。當(dāng)前，很多汽車生產(chǎn)商推出了氫燃料電池汽車和概念車，其中包括豐田的Miria、本田的Clarity、現(xiàn)代的IX35和上汽集團(tuán)的榮威E950等[5]。這些新能源車輛中的儲氫瓶承受巨大的氫氣壓力，屬于特種承壓設(shè)備，在安全強(qiáng)度方面有嚴(yán)格的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[3]。高壓儲氣瓶共有4種基本類型，分別是I型金屬氣瓶、II型金屬內(nèi)膽環(huán)向纏繞氣瓶、III型金屬內(nèi)膽全纏繞氣瓶和IV型塑料內(nèi)膽全纏繞氣瓶，其中III型瓶和IV型瓶采用輕質(zhì)高強(qiáng)度纖維，不僅有效降低了氣瓶質(zhì)量，還能承受更高壓力，因此被廣泛采用為車載儲氫氣瓶[5]。隨著氫燃料電池汽車?yán)m(xù)航里程、安全標(biāo)準(zhǔn)和乘載空間要求越來越高，車載高壓儲氫瓶的儲氫量必須增大但其整體尺寸不能增加，即人們必須提高車載儲氫瓶的單位體積儲氫量。提高儲氫量，同時控制其體積大小，對氫燃料電池汽車具有重要意義[5-7]。當(dāng)前，人們常用增加內(nèi)壓的辦法提高儲氫瓶的單位體積儲氫量，因此III型瓶的內(nèi)壓是35 MPa，而且IV型瓶的內(nèi)壓高達(dá)70 MPa。如此高壓下進(jìn)一步增加內(nèi)壓來提高儲氫量將對儲氫瓶材料強(qiáng)度提出巨大挑戰(zhàn)，因此需要另辟蹊徑的設(shè)計(jì)理念。

根據(jù)材料屈服強(qiáng)度破壞的馮米塞斯屈服準(zhǔn)則，即靜水壓力不是很大時，對材料的強(qiáng)度破壞沒有影響[8]?；谠搹?qiáng)度校核原則，本文提出一種保持壓差的高壓容器設(shè)計(jì)方法并應(yīng)用于儲氫瓶設(shè)計(jì)，已獲得國家發(fā)明專利[9]。在此，作者將利用有限元數(shù)值模擬詳細(xì)解釋該發(fā)明專利涉及的強(qiáng)度設(shè)計(jì)規(guī)律，并分析出雙層高壓儲氫瓶的強(qiáng)度和其單位儲氫量增容程度。

1 等壓差一般高壓儲氫瓶強(qiáng)度分析

以標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)壓為35 MPa的一般III型瓶為例，利用有限元法分析其強(qiáng)度問題。根據(jù)瓶體的軸向等對稱特性、常見工況和典型尺寸[10]，并參考瓶體復(fù)合材料相關(guān)材料參數(shù)[12-13]，建立簡化的1/4模型力學(xué)分析模型如圖1(a)所示，其中瓶體長為0.9 m、外徑為0.4 m、壁厚為0.03 m，等效材料的彈性模量為100 GPa、泊松比為0.3、失效強(qiáng)度為400 MPa，載荷包括35 MPa的內(nèi)壓和0.1 MPa的外壓（即標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）。圖1(b)給出了上述情況下瓶體的米塞斯應(yīng)力場，其中最大值發(fā)生在中部內(nèi)壁，約為214 MPa，小于400 MPa的失效強(qiáng)度，故瓶體滿足強(qiáng)度要求。

圖1 III型單層瓶強(qiáng)度分析

在標(biāo)準(zhǔn)工況基礎(chǔ)上，改變作用于瓶體的內(nèi)外壓力，但壓差仍然保持約35 MPa，另外分析了內(nèi)壓45 MPa，外壓10 MPa；內(nèi)壓55 MPa，外壓20 MPa；內(nèi)壓65 MPa，外壓30 MPa；內(nèi)壓75 MPa，外壓40 MPa等4組不同內(nèi)外壓作用下瓶體的馮米塞斯應(yīng)力場和水平應(yīng)力場。如圖2所示，圖2(a)－圖2 (d)分別為上述幾組等壓差作用時的分析結(jié)果。

為確認(rèn)靜水壓力作用在其他壓差時仍然不影響瓶體材料的米塞斯強(qiáng)度，進(jìn)一步將壓差減小為20 MPa，得到了兩組不同內(nèi)外壓作用下瓶體的米塞斯應(yīng)力場，再將壓差增大到50 MPa，得到兩組不同內(nèi)外壓作用下瓶體的米塞斯應(yīng)力場，結(jié)果如圖3所示，圖3(a)為內(nèi)壓20 MPa、外壓0 MPa時的結(jié)果；圖3(b)為40 MPa、外壓20 MPa時的結(jié)果；圖3(c)為50 MPa、外壓0 MPa時的結(jié)果；圖3(d)為100 MPa、外壓50 MPa時的結(jié)果。

圖2和圖3表明，只要保持瓶壁內(nèi)外壓差一定，內(nèi)壓和外壓的大小不會影響瓶體的米塞斯應(yīng)力場。因此，瓶壁的強(qiáng)度破壞取決于瓶體內(nèi)外的壓差，與內(nèi)壓和外壓的具體壓力值無關(guān)，該結(jié)論可稱為高壓容器的等壓差等應(yīng)力強(qiáng)度規(guī)律。下面就保持一個不破壞瓶體強(qiáng)度的特定壓差，而通過提高瓶體內(nèi)外壓力值的方法來設(shè)計(jì)新型高壓容器。

圖3 不同壓差單層瓶應(yīng)力分析

2 雙層高壓儲氫瓶設(shè)計(jì)與強(qiáng)度分析

2.1 雙層儲氫瓶結(jié)構(gòu)

基于上述等壓差等強(qiáng)度設(shè)計(jì)規(guī)律可以設(shè)計(jì)具有不同壓力階梯的分層儲氫瓶，這里以典型的雙層瓶設(shè)計(jì)為例進(jìn)行說明。對比現(xiàn)有35 MPa標(biāo)準(zhǔn)單層儲氫瓶的結(jié)構(gòu)，在上述III型瓶的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加了一層內(nèi)瓶，設(shè)計(jì)出雙層高壓儲氫瓶概念結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

圖4 單、雙層瓶概念設(shè)計(jì)

雙層瓶在充氣時先充瓶體內(nèi)腔或同時充內(nèi)外腔，然后氫氣從內(nèi)腔進(jìn)入外腔充氣到內(nèi)外腔的壓力相等，如圖5(a)所示。之后再繼續(xù)向內(nèi)腔充氣，當(dāng)內(nèi)腔與外腔之間的壓差達(dá)到相同或某一特定值時，充氣完成。放氣時，如圖5(b)所示，先將內(nèi)腔氣體向外輸出，當(dāng)內(nèi)腔壓力降低到與外腔的壓力相同時，外腔氣體補(bǔ)充進(jìn)入內(nèi)腔，使內(nèi)腔繼續(xù)向外放氣或者內(nèi)外同時放氣。外層儲存空間與容器外部之間的壓差等于內(nèi)儲存層和外儲存層之間的壓差時，瓶體的材料承壓能力無需額外增加；內(nèi)儲存層可以承受更高壓力時，便能儲存更多高壓氣體。

圖5 雙層瓶充氣放氣過程

2.2 強(qiáng)度分析

假設(shè)雙層瓶外層的壓差保持標(biāo)準(zhǔn)III型單層瓶常規(guī)的工作壓力35 MPa，而內(nèi)層內(nèi)壓從35 MPa逐步增加到75 MPa，現(xiàn)對上文中設(shè)計(jì)的雙層儲氫瓶進(jìn)行相應(yīng)的強(qiáng)度分析。根據(jù)瓶體的軸向等對稱特性和對應(yīng)III瓶的工況和尺寸，建立簡化的1/4模型力學(xué)分析模型如圖6(a)所示，其中外層瓶體長為0.9 m、外徑為0.4 m、壁厚為0.03 m，內(nèi)層瓶體長為0.74 m、外徑為0.24 m、壁厚為0.02 m，等效材料的彈性模量為100 GPa、泊松比為0.3、失效強(qiáng)度為400 MPa，載荷包括35 MPa的外層內(nèi)壓和0.1 MPa的外壓（即標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）和按照35 MPa、45 MPa、55 MPa、65 MPa、75 MPa逐步變化的內(nèi)層內(nèi)壓。

圖6 雙層瓶強(qiáng)度分析

圖6給出了上述情況下瓶體的米塞斯應(yīng)力場，可以看到，隨著內(nèi)層壓力增加，內(nèi)層瓶壁的米塞斯應(yīng)力從幾乎為零逐步增加，而外壁的應(yīng)力不變。最后，在內(nèi)層壓力為75 MPa時，內(nèi)壁的米塞斯應(yīng)力增大到與外壁應(yīng)力場幾乎相同，其中最大值發(fā)生在內(nèi)瓶中部，約為218 MPa，小于400 MPa的材料失效強(qiáng)度。因此，整個雙層瓶的瓶體在75 MPa的高壓下仍然滿足強(qiáng)度要求。

3 雙層瓶儲氫能力分析

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況，氫氣瓶所處環(huán)境的溫度取常溫20 ℃，瓶內(nèi)氫氣的密度與壓力的呈現(xiàn)是非線性的[14]，此時的密度可用簡單擬合公式近似計(jì)算：

式中，為密度，kg/m3；為壓強(qiáng)，MPa。將式（1）代入以下公式，就能得到儲氫瓶的總儲氫量1和單位體積儲氫量1，如式（2）、式（3）所示。

式中，i為儲氫瓶儲存空間體積；o為瓶體總體積。

按照上述III型單層瓶體長、外徑、壁厚、工作壓力，計(jì)算可得其氫氣總儲量為1.53 kg，單位體積儲量為15.9 kg/m3。同樣按照上述雙層瓶外層瓶體長、外徑、壁厚，內(nèi)層瓶體長、外徑、壁厚，外層壓力，對內(nèi)層和外層分別應(yīng)用上述公式，計(jì)算以下5種不同內(nèi)層壓力情況下的該雙層瓶的總儲氫量和單位體積儲氫量：內(nèi)瓶的直徑分別為0.12 m、0.16 m、0.20 m、0.24 m、0.28 m、0.32 m時，內(nèi)層壓力分別為35 MPa、45 MPa、55 MPa、65 MPa、75 MPa時總儲氫量和單位體積儲氫量分析結(jié)果如圖7所示。

圖7 雙層瓶總儲存量和單位儲氫量

圖7表明隨著內(nèi)層壓力的增加，雙層瓶的總儲量和單位體積儲氫量都將增加，同時，在內(nèi)層壓力大于外層壓力時，增大內(nèi)層瓶直徑也能增加該瓶的總儲量和單位體積儲氫量。當(dāng)內(nèi)層瓶體直徑為0.32 m、壓力為75 MPa時，該雙層瓶的單位體積儲氫量比單層瓶的最大可提高約25%。

4 結(jié)論

本文利用有限元數(shù)值模擬詳細(xì)計(jì)算了單層儲氫瓶在保持壓差，改變其內(nèi)外壓力值時瓶壁的米塞斯應(yīng)力場，證實(shí)靜水壓力對材料的強(qiáng)度破壞應(yīng)力場沒有影響，總結(jié)出等壓差導(dǎo)致等強(qiáng)度應(yīng)力場的高壓瓶體強(qiáng)度設(shè)計(jì)規(guī)律。基于該規(guī)律，設(shè)計(jì)了一種代表性雙層高壓儲氫瓶，并分析了不同內(nèi)層壓力時其米塞斯應(yīng)力場，發(fā)現(xiàn)雙層瓶內(nèi)層瓶的壓力到達(dá)外層瓶的2倍時瓶體仍然滿足強(qiáng)度要求。進(jìn)一步分析了不同的壓差和內(nèi)層瓶直徑時，雙層儲氫瓶的總儲量和單位儲氫量，發(fā)現(xiàn)與現(xiàn)有單層儲氫瓶相比，新型雙層儲氫瓶在米塞斯應(yīng)力不增加的情況下最大可增加單位體積儲氫量約25%。

應(yīng)用上述強(qiáng)度設(shè)計(jì)規(guī)律，本文從基本理念層面設(shè)計(jì)了一種雙層儲氫瓶，很多細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制造工藝還需要大量工作。另外，本文工作從概念設(shè)計(jì)層面突破傳統(tǒng)的高壓容器設(shè)計(jì)思路，對相關(guān)高壓儲存設(shè)備設(shè)計(jì)具有示范啟發(fā)作用，未來可進(jìn)一步在多層高壓容器的設(shè)計(jì)開發(fā)方面參考該雙層瓶的設(shè)計(jì)理念。

[1] 段志祥,黃強(qiáng)華,薄柯,等.我國固定式儲氫壓力容器發(fā)展現(xiàn)狀綜述[J].中國特種設(shè)備安全,2022,38(4):5-10.

[2] 鄭津洋,馬凱,葉盛,等.我國氫能高壓儲運(yùn)設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀及挑戰(zhàn)[J].壓力容器,2022,39(3):1-8.

[3] 蘇紅艷,何春輝,金碧輝,等.70 MPa車載Ⅳ型儲氫氣瓶關(guān)鍵技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)化研究[J].中國特種設(shè)備安全, 2023,39(5):1-8.

[4] 張杰,蔣文杰,楊銳,等.70 MPa碳纖維纏繞儲氫氣瓶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與力學(xué)性能研究[J].壓力容器,2023,40(3): 28-37.

[5] 陳明和,胡正云,賈曉龍,等.Ⅳ型車載儲氫氣瓶關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展[J].壓力容器,2020,37(11):39-50.

[6] 于海泉,楊遠(yuǎn),王紅霞,等.國產(chǎn)碳纖維纏繞氣瓶的研發(fā)[J].壓力容器,2019,36(11):74-78.

[7] 惠虎,柏慧,黃淞,等.纖維纏繞復(fù)合材料壓力容器的研究現(xiàn)狀[J].壓力容器,2021,38(4):53-63.

[8] 楊桂通.彈塑性力學(xué)引論(第2版)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2013.

[9] 曾霞光,于芳芳,張忠波,等.一種新型高壓儲氫瓶: CN113483252B[P].2022-09-13.

[10] 張明,呂洪,康懷镕,等.Ⅳ復(fù)合高壓儲氫瓶參數(shù)化有限元分析(英文)[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2019, 47(S1):154-158,182.

[11] 楊冬林,呂洪,張存滿.復(fù)合材料儲氫瓶的有限元參數(shù)化設(shè)計(jì)研究[J].佳木斯大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2019, 37(2):240-242.

[12] LI J,ZHANG L X,LI R Y,et al.High-pressure Gaseous Hydrogen Storage Vessels:Current Status and Prosp- ects[J].Energy Storage Science and Technology,2021, 10(5):1835-1844.

[13] HOECKE L,LAFFINEUR L,CAMPE R,et al.Challenges in the Use of Hydrogen for Maritime Applications[J]. Energy & Environmental Science,2021,14(2):815-843.

[14] BEZRUKOVS V,KONUHOVA M,BEZRUKOVS D,et al.Hydrogen Hydraulic Compression System for Refuelling Stations[J].Latvian Journal of Physics and Technical Sciences,2022,59:96-105.

Conceptual Design and Capacity Enhancement Analysis of Double Layer High Pressure Hydrogen Storage Bottles

YU Fangfang1, ZENG Xiaguang2

( 1.College of Intelligent Manufacturing, Foshan Polytechnic, Foshan 528199, China; 2.School of Mechatronic Engineering and Automation, Foshan University, Foshan 528199, China )

Inspired by the well-known fact that hydrostatic pressure usually has no influence on the yield strength of the material according to von mises yield criterion, the present paper simulates the pressuring processes maintaining the internal and external pressure difference for the common high-pressure bottles, and obtains the strength analysis conclusion that equal pressure difference always produces the same yield stress field. To maintain material strength and to improve internal pressure and storage capacity of the high-pressure hydrogen bottle, the double-layer high-pressure hydrogen storage bottle is conceptually designed according to this conclusion. The double-layer bottle has an additional inner bottle compared to the existing hydrogen storage bottle, forming two pressure layers inside the bottle, and thus adds an adjustable internal pressure difference. Maintaining a certain pressure difference, adjusting the relative size of the inner and outer layers, the hydrogen storage capacity per unit volume is analyzed under the same yield stress condition. It is found that the maximum storage capacity of the double-layer bottle can be increased by about 25% than the corresponding single-layer bottle. The present design and analysis results are a good reference to enhance the storage capacity of the hydrogen storage bottles.

Double layer high pressure hydrogen storage bottles; Hydrogen storage capacity; Yield strength; Capacity enhancement analysis

U463.99

A

1671-7988(2023)19-98-06

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.019.019

于芳芳（1985－），女，碩士，工程師，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)及理論教學(xué)，E-mail:yufangfangjiayou@163.com。