碳纖維全纏繞復合材料高壓儲氫氣瓶耐局部火燒性能研究.pdf

1、氫能具有來源多樣、潔凈環(huán)保、可儲運、可被高效轉換利用等優(yōu)點，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國的國家戰(zhàn)略，也是我國中長期科學與技術發(fā)展規(guī)劃綱要的重點基礎研究內容。高壓儲氫因具有設備結構簡單、壓縮氫氣制備能耗低、充裝和排放速度快等優(yōu)點，已成為氫燃料電池汽車普遍采用的儲氫方式。
　　高壓儲氫氣瓶作為氫燃料電池汽車的重要儲能部件，因儲存介質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化推廣的關鍵。汽車意外起火往往導致高壓儲氫氣瓶受局部火作用，其在壓力泄放裝置（PRD）開啟前發(fā)生爆炸的危險大大增加。目前高壓儲氫氣瓶在局部火燒環(huán)境下的耐火性能尚不明確，更缺乏失效預測方法，亟待開展研究。
　　本文在國家高技術研究發(fā)展計劃（“863”計劃）課題“高壓儲氫、輸氫、加氫安全保障技術裝備與應用示范”（項目編號:2012AA

3、051504）的支持下，針對碳纖維全纏繞復合材料高壓儲氫氣瓶的耐局部火燒性能開展了研究。主要研究內容和取得的創(chuàng)新成果如下:
　　(1)開展了高壓儲氫氣瓶局部火燒試驗關鍵技術研究，形成了自冷卻氣體快速增壓、火源擴展遠程控制、熱響應參數(shù)遠程監(jiān)測、試驗安全保障等高壓儲氫氣瓶局部火燒試驗關鍵技術，研制了高壓儲氫氣瓶局部火燒試驗裝置。開展了高壓儲氫氣瓶局部火燒試驗與火燒殘余強度試驗研究，重點研究了氫氣與空氣分別作為氣瓶充裝介質時的熱響應與泄

4、放規(guī)律，以及氫氣與空氣泄放對氣瓶火燒殘余強度的影響規(guī)律。研究表明:氫氣與空氣在局部火燒試驗時的熱響應差異較小，但氫氣的泄放速率遠大于空氣的泄放速率;受氫氣泄放后發(fā)生爆燃的影響，充裝介質為氫氣的局部火燒試驗氣瓶的火燒殘余強度更小。
　　(2)基于高壓儲氫氣瓶局部火燒試驗研究結果，建立了高壓儲氫氣瓶局部火燒試驗過程數(shù)值模型，實現(xiàn)了不同火源類型的高壓儲氫氣瓶局部火燒試驗過程模擬?；谒鶚嫿ǖ臄?shù)值模型，開展了局部火燒條件下高壓儲氫氣瓶傳熱

5、特性研究，揭示了充裝介質、充裝壓力、局部火燒時間、局部火燒部位等對PRD動作時間的影響規(guī)律;對比分析了鋁內膽（Ⅲ型瓶）與塑料內膽（Ⅳ型瓶）碳纖維全纏繞高壓儲氫氣瓶在局部火燒環(huán)境下的傳熱特性差異。研究表明:僅內膽材料不同時，在相同的局部火燒環(huán)境下，Ⅲ型瓶內的氫氣平均溫升與壓升速率高于Ⅳ型瓶;當氣瓶局部火燒部位遠離瓶口PRD時，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)解決了高壓儲氫氣瓶局部火燒試驗過

6、程數(shù)值模型與有限元分析模型間的熱響應數(shù)據耦合傳遞問題，建立了局部火作用下氣瓶熱載荷分析方法，實現(xiàn)了高壓儲氫氣瓶熱-結構耦合邊界條件的有效傳遞。構建了高壓儲氫氣瓶鋁內膽與碳纖維/樹脂復合材料層的材料力學性能退化模型，結合氣瓶熱載荷分析結果，建立了熱-結構耦合作用下氣瓶力學響應分析方法;在此基礎上，通過求解氣瓶在局部火燒各時刻下的爆破壓力，揭示了氣瓶爆破壓力隨局部火燒時間的退化規(guī)律，進而建立了氣瓶爆破壓力-瓶內氣體壓力-局部火燒時間的關聯(lián)關