碳纖維全纏繞復(fù)合材料高壓儲(chǔ)氫氣瓶耐局部火燒性能研究.pdf

1、氫能具有來(lái)源多樣、潔凈環(huán)保、可儲(chǔ)運(yùn)、可被高效轉(zhuǎn)換利用等優(yōu)點(diǎn)，將成為與電能同樣重要的二次能源。氫能與氫燃料電池汽車的發(fā)展已成為世界主要汽車生產(chǎn)國(guó)的國(guó)家戰(zhàn)略，也是我國(guó)中長(zhǎng)期科學(xué)與技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要的重點(diǎn)基礎(chǔ)研究?jī)?nèi)容。高壓儲(chǔ)氫因具有設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、壓縮氫氣制備能耗低、充裝和排放速度快等優(yōu)點(diǎn)，已成為氫燃料電池汽車普遍采用的儲(chǔ)氫方式。
　　高壓儲(chǔ)氫氣瓶作為氫燃料電池汽車的重要儲(chǔ)能部件，因儲(chǔ)存介質(zhì)為易燃易爆的高壓氫氣(35～70MPa)，且具有可

2、燃的碳纖維/樹脂復(fù)合材料層，其在汽車起火等意外事故中的安全性能已成為氫燃料電池汽車被公眾廣泛接受和市場(chǎng)化推廣的關(guān)鍵。汽車意外起火往往導(dǎo)致高壓儲(chǔ)氫氣瓶受局部火作用，其在壓力泄放裝置（PRD）開啟前發(fā)生爆炸的危險(xiǎn)大大增加。目前高壓儲(chǔ)氫氣瓶在局部火燒環(huán)境下的耐火性能尚不明確，更缺乏失效預(yù)測(cè)方法，亟待開展研究。
　　本文在國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（“863”計(jì)劃）課題“高壓儲(chǔ)氫、輸氫、加氫安全保障技術(shù)裝備與應(yīng)用示范”（項(xiàng)目編號(hào):2012AA

3、051504）的支持下，針對(duì)碳纖維全纏繞復(fù)合材料高壓儲(chǔ)氫氣瓶的耐局部火燒性能開展了研究。主要研究?jī)?nèi)容和取得的創(chuàng)新成果如下:
　　(1)開展了高壓儲(chǔ)氫氣瓶局部火燒試驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)研究，形成了自冷卻氣體快速增壓、火源擴(kuò)展遠(yuǎn)程控制、熱響應(yīng)參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、試驗(yàn)安全保障等高壓儲(chǔ)氫氣瓶局部火燒試驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)，研制了高壓儲(chǔ)氫氣瓶局部火燒試驗(yàn)裝置。開展了高壓儲(chǔ)氫氣瓶局部火燒試驗(yàn)與火燒殘余強(qiáng)度試驗(yàn)研究，重點(diǎn)研究了氫氣與空氣分別作為氣瓶充裝介質(zhì)時(shí)的熱響應(yīng)與泄

4、放規(guī)律，以及氫氣與空氣泄放對(duì)氣瓶火燒殘余強(qiáng)度的影響規(guī)律。研究表明:氫氣與空氣在局部火燒試驗(yàn)時(shí)的熱響應(yīng)差異較小，但氫氣的泄放速率遠(yuǎn)大于空氣的泄放速率;受氫氣泄放后發(fā)生爆燃的影響，充裝介質(zhì)為氫氣的局部火燒試驗(yàn)氣瓶的火燒殘余強(qiáng)度更小。
　　(2)基于高壓儲(chǔ)氫氣瓶局部火燒試驗(yàn)研究結(jié)果，建立了高壓儲(chǔ)氫氣瓶局部火燒試驗(yàn)過程數(shù)值模型，實(shí)現(xiàn)了不同火源類型的高壓儲(chǔ)氫氣瓶局部火燒試驗(yàn)過程模擬?；谒鶚?gòu)建的數(shù)值模型，開展了局部火燒條件下高壓儲(chǔ)氫氣瓶傳熱

5、特性研究，揭示了充裝介質(zhì)、充裝壓力、局部火燒時(shí)間、局部火燒部位等對(duì)PRD動(dòng)作時(shí)間的影響規(guī)律;對(duì)比分析了鋁內(nèi)膽（Ⅲ型瓶）與塑料內(nèi)膽（Ⅳ型瓶）碳纖維全纏繞高壓儲(chǔ)氫氣瓶在局部火燒環(huán)境下的傳熱特性差異。研究表明:僅內(nèi)膽材料不同時(shí)，在相同的局部火燒環(huán)境下，Ⅲ型瓶?jī)?nèi)的氫氣平均溫升與壓升速率高于Ⅳ型瓶;當(dāng)氣瓶局部火燒部位遠(yuǎn)離瓶口PRD時(shí)，Ⅲ型瓶的瓶口氫氣溫升速率高于Ⅳ型瓶，熱量能更快地傳遞至其PRD。
　　(3)解決了高壓儲(chǔ)氫氣瓶局部火燒試驗(yàn)過

6、程數(shù)值模型與有限元分析模型間的熱響應(yīng)數(shù)據(jù)耦合傳遞問題，建立了局部火作用下氣瓶熱載荷分析方法，實(shí)現(xiàn)了高壓儲(chǔ)氫氣瓶熱-結(jié)構(gòu)耦合邊界條件的有效傳遞。構(gòu)建了高壓儲(chǔ)氫氣瓶鋁內(nèi)膽與碳纖維/樹脂復(fù)合材料層的材料力學(xué)性能退化模型，結(jié)合氣瓶熱載荷分析結(jié)果，建立了熱-結(jié)構(gòu)耦合作用下氣瓶力學(xué)響應(yīng)分析方法;在此基礎(chǔ)上，通過求解氣瓶在局部火燒各時(shí)刻下的爆破壓力，揭示了氣瓶爆破壓力隨局部火燒時(shí)間的退化規(guī)律，進(jìn)而建立了氣瓶爆破壓力-瓶?jī)?nèi)氣體壓力-局部火燒時(shí)間的關(guān)聯(lián)關(guān)