放氢速率对车载氢气罐温度演变的影响
The effect of defueling rate on the temperature evolution of on-board hydrogen tanks文章研究了车载氢罐在不同放气速率下的温度变化，旨在确保氢罐在各种工况下的安全运行，主要内容包括：
1. 背景
减排目标与FCEV的优势：欧盟和G8领导人提出减排目标，道路运输部门需大幅脱碳。燃料电池电动汽车（FCEV）兼具电动汽车和传统燃油汽车的优点，众多汽车制造商计划商业化推广，如丰田Mirai和现代ix35已上市。
氢存储与相关要求：氢气常用70MPa高压压缩存储在车载氢罐中，氢罐由内到外包括内衬、外层和相关部件，需满足性能和设计要求，供应足够氢气满足车辆功率需求，且要遵守温度限制（-40°C至+85°C）。
2. 实验条件
实验设备与测量仪器：实验采用29L的Type IV和40L的Type III两种70MPa氢罐，每个罐装有8个热电偶（TC）、4个电阻温度探测器（RTD）和1个压力传感器（PT），使用3mm直径氢气注射器。
实验过程控制：通过压缩机控制放气速度，将氢罐放空至2MPa，计算平均质量流量（AMFR），考虑多种放气速率，从稳态城市驾驶到车辆最大燃料需求率，实验在氢罐温度与环境平衡（25°C）后开始，此时SOC在90% - 100%。
表1 测试的IV型29升和III型40升储罐的特性。
3. 结果与讨论
不同类型氢罐的影响：在1.8g/s的高AMFR放气速率下，Type IV氢罐内气体温度比Type III更低，这与其内衬材料（Type IV为聚乙烯，Type III为铝合金）的热扩散率有关，且Type III氢罐外表面温度下降幅度更大。
图2 在快速放气过程中，III型40升罐的压力（MPa）、SOC（%）和质量流量率（MFR）的演变。
图1 测试罐中压力和温度测量仪器的布置。
放气速率的影响：放气越快，罐内垂直温度梯度越大，气体温度下降越大，罐外表面温度下降越小；极端放气速率下，底部气体温度可能低于 -40°C，但罐外表面温度降幅有限，仅靠近内衬内表面的气相部分受低温影响；标准和法规规定的 -40°C最低温度限制适用于罐体材料，极端放气情况虽罕见，但紧急释放时可能出现更低温度。
- 气体与表面温度变化的比较：计算气体与罐外表面温度下降量的比值（DTgas/DTsurface），Type III呈线性关系，Type IV需二阶多项式回归；在平均驾驶条件（0.2 - 0.4g/s）下，该比值约为2，即罐表面温度下降约为内部气体温度下降的一半，连续放气至20% SOC时，汽车到达加氢站时氢罐系统温度比环境温度低至少20°C，影响加氢后的最终温度和SOC。
图3 在AMFR为1.8 g/s的Type III 40 L罐(a)和Type IV 29 L罐(b)放气过程中气体和外部表面温度的演变
4. 结论
车载氢罐放气时，气体膨胀冷却，与环境热交换使罐表面温度下降，浮力导致罐内垂直温度梯度，底部温度最低。
- Type IV氢罐因塑料内衬热扩散率低，垂直温度梯度更大，温度更低且分层更明显，两种罐型放气越快，垂直温度梯度越大。
图4 在质量流量为1.8 g/s (a) 和 0.2 g/s (b) 时，IV型罐从满电状态放电至20% SOC过程中顶部和底部的气体及外部表面温度的演变。
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极端快速放气时，罐外表面温度变化不大，放气越慢，外表面温度下降越大；平均驾驶条件下连续放气，汽车到达加氢站时氢罐温度比环境温度低至少20°C；极端加速或紧急释放时，罐内可能达极低温度，超过 -40°C设计极限，罐外表面温度变化小，但气 - 衬界面、衬 - 复合界面和复合包裹层厚度方向温度更低。
图7 e 在不同排放速率下，从满状态降至20% SOC时，III型和IV型储罐顶部和底部气体温度降低与外部表面温度降低的比例。
