IV储氢气瓶快速泄放讨论

摘要：  

  本文主要讨论了IV储氢气瓶的快速泄放问题。IV型储氢气瓶具有储氢密度高、疲劳安全可靠性好等优点，在氢燃料电池汽车等领域具有广泛应用前景。然而，在气瓶泄放过程中，储氢气瓶内胆受到内外压差的影响，一旦泄放速率超过一定的阈值，气瓶内胆便会发生屈曲和鼓包现象，从而导致气瓶的损伤。因此，在研究气瓶泄放速率时，应将气瓶向燃料电池供气速率纳入考虑范围，以更真实地反映气瓶在实际应用中的性能。此外，气瓶安全泄放面积对泄放速率的影响至关重要，气瓶的安全泄放面积与容积直接相关，容积越大，所需的泄放速率越高，从而对气瓶内胆性能提出更高要求。  

1.概述  

   碳中和及碳达峰的“双碳”政策实施，为新能源行业带来大量政策和经济支持。氢能源，以其清洁高效的特点，备受关注。在此背景下，氢气的储运成为行业研究重点。IV型储氢气瓶凭借其独特优势，成为氢能储运领域的研发热点。该类型气瓶采用塑料内胆全缠绕结构，具有储氢密度高、疲劳安全可靠性好等特性，相较于传统高压储氢气瓶，重量更轻，储氢容量更大。因此，IV型储氢气瓶在氢燃料电池汽车等领域具有广泛应用前景。然而，尽管IV型储氢气瓶在技术优势上明显，我国在高压储氢气瓶领域的研究仍处于起步阶段。塑料内胆材料、缠绕工艺的创新、安全性能研究、氢气泄露检测与控制技术、系统集成与优化等均为研发重点。本文将围绕气瓶的快速泄放进行讨论。  

2.燃料电池与气瓶供氢量  

   储氢气瓶是氢能源燃料电池汽车的核心部件之一，其安全性至关重要。在气瓶泄放过程中，储氢气瓶内胆受到内外压差的影响，一旦泄放速率超过一定的阈值，气瓶内胆便会发生屈曲和鼓包现象，从而导致气瓶的损伤。这种现象在气瓶设计、制造和使用过程中都需要高度重视。

                    图1 内胆屈曲、鼓包、示意图  

   近年来，关于IV型储氢气瓶泄放速率的研究，我国相关科研人员已经做了大量的工作。然而，目前的研究成果大多聚焦于气瓶内压力的变化、材料性能等方面，而较少考虑气瓶安全泄放面积和气瓶向燃料电池供气速率这两个关键因素。这使得研究结果在实际应用中可能存在一定的局限性。  

2.1电堆功率与气瓶  

  气瓶向燃料电池供气速率也是影响泄放速率的重要因素。燃料电池汽车在行驶过程中，对氢气的需求量会不断变化。这就要求气瓶在满足安全性能的同时，还要具备适应不同供气速率的能力。因此，在研究气瓶泄放速率时，应将气瓶向燃料电池供气速率纳入考虑范围，以更真实地反映气瓶在实际应用中的性能。车载储氢气瓶终端需向燃料电池进行供气，这是氢能源汽车运行的核心环节。研究发现，氢燃料电池系统的功率对供气需求有显著影响。以功率为120 kW的氢燃料电池系统为例，其喷射器的理论耗氢总流量为2.52 g/s。当功率降至110 kW时，耗氢总流量为2.29 g/s。这就意味着，每当燃料电池功率增加1 kW，气瓶的供气速率就需要提高0.02 g/s，以防止“氢饥饿”现象的发生。

  根据2022年新公告车型数据统计，我们可以看到，专用车12 t以下车型的燃料电池动力系统功率均值为77.33 kW；12 t至25 t车型的功率均值为113 kW；25 t以上车型的功率均值为118.7 kW。这些数据充分展示了燃料电池动力系统在各类车型中的广泛应用。值得一提的是，骥翀氢能发布的MH170电堆，其功率高达376  kW，足以匹配300  kW的系统这意味着气瓶需要更高的供气速率去

表1 电堆功率与耗氢量

    接下来，我们来分析丰田Mirai二代储氢系统的性能。根据设计，该系统采用3个IV 70 MPa的高压气瓶，总容量为141升（前64升+52升+25升）。在理想情况下，三个气瓶均匀向储氢系统供气。首先，我们计算每个气瓶需要供应的气体流量。根据公式，每个气瓶需供气0.85克/秒，其次，从气瓶容积的角度来分析其供气速率，三个气瓶的供气速率分别为1.16克/秒、0.94克/秒和0.45克/秒。

2.气瓶安全泄放面积的考虑  

气瓶安全泄放面积对泄放速率的影响至关重要。根据我国标准GB/T33215的规定，在气瓶遭遇火灾或压力异常的情况下，迅速打开阀门进行气体排放，以防止高压导致气瓶爆炸。气瓶的安全泄放面积与容积直接相关，容积越大，所需的泄放速率越高，从而对气瓶内胆性能提出更高要求。  

2.1气瓶安全泄放量计算  

  计算气瓶安全排放量可参考GB/T 33215气瓶安全泄压装置进行计算，本文将不进行赘述。

2.2气瓶安全泄放量实际算例

   我们同样以丰田Mirai二代气瓶为例，64L容积的气瓶安全泄放量达到Ws为407g/s，若以390L气瓶，则其要求的安全泄放量2485g/s,如此高的泄放量，是平时气瓶向电堆供气的两千多倍，而在此情况下，内胆发生失效的概率极大，意味着气瓶阀门的安全泄放口径一旦打开（紧急情况、阀门损伤打开），则意味的气瓶将无法二次使用，这对气瓶所有者来说是不可接受的。

3.结论

      在IV储氢气瓶气体泄放速率的研究中，虽然国内外学者已经进行了大量研究，但针对国内IV气瓶内胆屈曲鼓包的研究尚不够深入。此外，这些研究在很大程度上并未考虑气瓶的实际应用终端。随着燃料电池功率的增大，如何提高气瓶供氢速率成为了一个亟待解决的问题。为此，研究人员需要深入探讨多瓶组布置和大容积气瓶布置等方案，以应对这一挑战。在气瓶供氢速率方面，多瓶组布置和大容积气瓶布置是两种可能的解决方案。多瓶组布置可以提高氢气的总体供应能力，但同时也会增加系统的复杂性和成本。大容积气瓶布置则可以提高单瓶的储氢容量，从而提高供氢速率，但大容积气瓶的设计和制造难度较大，安全性也需要充分论证。