車載液氫氣瓶設(shè)計(jì)技術(shù)的研究進(jìn)展

郭晉，張耕，陳國(guó)華，朱鳴，譚粵，李蔚，夏莉，胡昆

（1 浙江大學(xué)工程師學(xué)院，浙江 杭州 310029；2 廣東省特種設(shè)備檢測(cè)研究院，廣東 廣州 510000；3 華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州 510000；4 中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院，北京 100010）

對(duì)于以氫為能源載體的氫經(jīng)濟(jì)來(lái)說(shuō)，儲(chǔ)氫問(wèn)題涉及到氫生產(chǎn)、運(yùn)輸、儲(chǔ)存、最終應(yīng)用等所有環(huán)節(jié)。許多學(xué)者研究了各種高性能、安全的儲(chǔ)氫方式，目前氫氣儲(chǔ)存方式主要有四種：高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫、低溫液態(tài)儲(chǔ)氫、有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫、固體材料儲(chǔ)氫。其中低壓、低溫的車載液氫儲(chǔ)存可以顯著提升安全性和儲(chǔ)能密度，液氫燃料電池汽車也可以解決復(fù)雜場(chǎng)景、多用途的氫純度、續(xù)航里程、大功率等方面的需求難題。然而，不管采用什么儲(chǔ)氫方式，一旦氫能儲(chǔ)運(yùn)裝備失效，有可能導(dǎo)致泄漏、燃燒、爆炸，造成重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，因此氫能儲(chǔ)運(yùn)裝備安全不容忽視。在車載液氫氣瓶設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)存在材料及結(jié)構(gòu)可靠性驗(yàn)證、高性能絕熱、增壓傳熱功能實(shí)現(xiàn)等技術(shù)難題，目前研究報(bào)道尚很少見(jiàn)。

兼具高性能與高可靠性的車載液氫氣瓶，以攻克車載液氫氣瓶的實(shí)際應(yīng)用難題成為了研究熱點(diǎn)。本文對(duì)現(xiàn)有車載液氫氣瓶的發(fā)展歷程和國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展進(jìn)行了詳細(xì)介紹，總結(jié)了車載液氫氣瓶的材料、結(jié)構(gòu)、絕熱等設(shè)計(jì)方法，綜合比較了各類材料、結(jié)構(gòu)的可靠性，以及不同傳熱和絕熱結(jié)構(gòu)的性能有關(guān)的研究進(jìn)展情況，總結(jié)了車載液氫氣瓶有關(guān)的研究趨勢(shì)，最后對(duì)車載液氫氣瓶的設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究做出展望。

1 車載液氫氣瓶發(fā)展歷程及設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

1.1 車載液氫氣瓶發(fā)展歷程

氫氣在一定的低溫下，會(huì)以液態(tài)形式存在。因此，可以使用一種深冷的液氫儲(chǔ)存技術(shù)——低溫液態(tài)儲(chǔ)氫。液氫儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)是氫能發(fā)展的重要支柱，美、日等發(fā)達(dá)國(guó)家以及歐洲在20 世紀(jì)初就制定了詳細(xì)的氫能發(fā)展計(jì)劃，液氫的儲(chǔ)存與運(yùn)輸方面形成了完整的規(guī)范化體系，并形成相關(guān)液氫儲(chǔ)運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)[1]。如國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）發(fā)布的《液氫-道路車輛燃料罐》《液氫-道路車輛加注系統(tǒng)接口》等，美國(guó)壓縮氣體協(xié)會(huì)（CGA）執(zhí)行的《低溫氫儲(chǔ)存標(biāo)準(zhǔn)》相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，歐洲工業(yè)氣體協(xié)會(huì)（EIGA）的《儲(chǔ)存、處理和分配液氫的安全性》，俄羅斯國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《液氫技術(shù)條件》。車載液氫氣瓶作為隨車燃料供給裝置，是液氫儲(chǔ)存與運(yùn)輸技術(shù)發(fā)展的必要前提，國(guó)外已經(jīng)進(jìn)行了大量研究工作。

與空氣液化相似，低溫液態(tài)儲(chǔ)氫是先將氫氣壓縮，在經(jīng)過(guò)節(jié)流閥之前進(jìn)行冷卻，經(jīng)歷焦耳-湯姆遜等焓膨脹后，產(chǎn)生一些液體。液體分離后，將其儲(chǔ)存在高真空的絕熱容器中，氣體繼續(xù)進(jìn)行上述循環(huán)。由于液氫密度為70.78kg/m3，是標(biāo)況下氫氣密度0.083kg/m3的近850 倍，即使將氫氣壓縮至15MPa，甚至35～70MPa，其單位體積的儲(chǔ)存量也比不上液態(tài)儲(chǔ)存。單從儲(chǔ)能密度上考慮，低溫液態(tài)儲(chǔ)氫是一種十分理想的方式。但由于常壓下液氫的沸點(diǎn)極低（20.37K），與環(huán)境溫差極大，對(duì)容器的絕熱要求很高，且液化過(guò)程耗能極大，液化1kg氫需耗電4～10kW·h，增加了儲(chǔ)氫和用氫的成本。因此對(duì)于大量、遠(yuǎn)距離的氫氣儲(chǔ)運(yùn)，采用低溫液態(tài)的方式才可能體現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)。另外，液氫儲(chǔ)存容器必須使用超低溫用的特殊容器同時(shí)需要提高儲(chǔ)存容器的絕熱性能并且選用優(yōu)質(zhì)輕材，由于液氫儲(chǔ)存的裝料和絕熱不完善容易導(dǎo)致較高的蒸發(fā)損失，因而其儲(chǔ)存成本較貴，安全技術(shù)也比較復(fù)雜。

目前液氫主要作為低溫推進(jìn)劑用于航天中，對(duì)于以液氫為動(dòng)力的汽車與無(wú)人機(jī)的液氫氣瓶也有一些研究，但到目前為止還沒(méi)有實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。美國(guó)勞倫斯利弗摩爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）連續(xù)研制幾代車載高壓低溫氫容器，創(chuàng)造了最長(zhǎng)行駛里程、最大儲(chǔ)氫密度和最長(zhǎng)維持時(shí)間，同時(shí)降低了儲(chǔ)氫容器的成本[2]。林德（Linde）公司為城市公交車建造了一個(gè)液氫儲(chǔ)存系統(tǒng)，質(zhì)量?jī)?chǔ)氫比約為7.1%，維持時(shí)間超過(guò)100h，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該液氫容器具有較好的絕熱性能[3]。寶馬（BMW）公司計(jì)了一款鋁合金液氫氣瓶，蒸發(fā)率低于3%/d[4]。

液氫儲(chǔ)存工藝特別適宜于儲(chǔ)存空間有限的運(yùn)載場(chǎng)合，如航天飛機(jī)用的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)和洲際飛行運(yùn)輸工具等，汽車主要以氣瓶的形式儲(chǔ)存液氫。國(guó)外液氫氣瓶技術(shù)的發(fā)展說(shuō)明了液氫氣瓶的可行性，但我國(guó)需要開(kāi)展液氫氣瓶技術(shù)自主研發(fā)，打破技術(shù)封鎖。Aziz 等[5]總結(jié)了液氫的特性、液化技術(shù)、儲(chǔ)運(yùn)方法以及處理液氫的安全標(biāo)準(zhǔn)，提出液氫使用的主要挑戰(zhàn)是極低的溫度條件和正仲氫轉(zhuǎn)化技術(shù)。Morris 等[6]比較了不同車載儲(chǔ)氫方式的儲(chǔ)氫密度和純度的現(xiàn)狀，提出了不同車載儲(chǔ)氫方式的技術(shù)難點(diǎn)和發(fā)展方向的預(yù)測(cè)。

1.2 液氫氣瓶材料韌脆轉(zhuǎn)變

液氫氣瓶相比于其他低溫氣瓶，選材需要著重考慮液氫溫區(qū)材料穩(wěn)定性和力學(xué)性能，因此對(duì)制造液氫氣瓶的材料性能要求更為嚴(yán)苛[7]，應(yīng)同時(shí)具備較好的韌性、強(qiáng)度及低溫穩(wěn)定性。當(dāng)前，液氫氣瓶常用的低溫材料有奧氏體不銹鋼、鋁合金、鈦合金。針對(duì)液氫氣瓶用材料韌脆轉(zhuǎn)變特性，研究的主要方法包括拉伸實(shí)驗(yàn)、Charpy沖擊實(shí)驗(yàn)等低溫力學(xué)性能測(cè)試，通過(guò)分析抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、吸收功等參數(shù)，分別得出材料的強(qiáng)度、韌性規(guī)律，結(jié)合金相。采用SEM等分析手段進(jìn)行了一定的研究工作，但大多集中在液氮溫區(qū)，關(guān)于液氫溫區(qū)材料韌脆轉(zhuǎn)變特性的研究工作較少。開(kāi)展基于材料脆斷失效模式的液氫溫區(qū)材料性能研究對(duì)于液氫氣瓶設(shè)計(jì)的第一步選材十分必要，而國(guó)內(nèi)外研究也是逐漸由液氮溫區(qū)向更低溫度的液氫溫區(qū)過(guò)渡。

1991 年法國(guó)里爾一大（Universite de Lille Ⅰ）Vogt等[8]研究確定了液氮溫度-196℃下316L不銹鋼材料的力學(xué)性能研究方法。1985 年日本東京大學(xué)的Shibata等[9]開(kāi)展了液氮與液氨溫度下的材料力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)。Qiu 等[10]提出材料在液氫環(huán)境中的適應(yīng)性、氫脆特性、力學(xué)性能以及液氫溫度的熱物性等均是影響儲(chǔ)運(yùn)容器的安全可靠設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素。因此，系統(tǒng)掌握低溫材料的種類和性能對(duì)液氫儲(chǔ)運(yùn)容器的發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。Gauder等[11]提出了損傷力學(xué)模型能夠較準(zhǔn)確地描述試件的變形和破壞行為，裂紋相互作用行為強(qiáng)烈依賴于溫度和裂紋的排列方式。1991年中國(guó)西南交通大學(xué)黨霆等[12]開(kāi)發(fā)了液氮溫度-196℃下材料力學(xué)性能測(cè)試的裝置。2010年蘭州理工大學(xué)李廣等[13]進(jìn)行了材料韌脆轉(zhuǎn)變溫區(qū)的延伸區(qū)寬度變化及韌性陡升的機(jī)理研究，提出了韌脆轉(zhuǎn)變溫度區(qū)臨界值與韌脆轉(zhuǎn)變低溫度區(qū)的線性關(guān)系。2018年江蘇省鋼鐵研究院褚峰等[14]通過(guò)對(duì)奧氏體低溫鋼開(kāi)展常溫至液氮溫區(qū)Charpy 沖擊實(shí)驗(yàn)，得到了船用奧氏體低溫鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度、脆性斷口形貌及晶粒度，為液氮溫區(qū)金屬材料韌脆轉(zhuǎn)變特性實(shí)驗(yàn)方法研究提供了參考。新興能源裝備股份有限公司趙翠釵[15]提出了化學(xué)成分、變形率、成型溫度對(duì)奧氏體不銹鋼S30408 中鐵素體含量的影響規(guī)律，為液氮溫區(qū)深冷容器材料制備技術(shù)提供了數(shù)據(jù)參考。屈莎莎等[16]總結(jié)了液氫儲(chǔ)運(yùn)容器常用的低溫材料的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，提出需要對(duì)不同成分的低溫材料的性能進(jìn)行系統(tǒng)的研究和深入的分析。不同液氫氣瓶常用的低溫材料的特點(diǎn)如表1所示。奧氏體不銹鋼、鋁合金是面心立方結(jié)構(gòu)，在低溫下不存在明顯的韌脆轉(zhuǎn)變溫度，適合在液氫溫區(qū)下使用的鈦合金一般為α鈦合金，在低溫環(huán)境具有較好的韌性。2022 年，中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所謝秀娟[17]指出液氫容器的材料需要保證基本安全技術(shù)要求。

表1 不同的液氫氣瓶常用低溫材料的特點(diǎn)

1.3 車載液氫氣瓶靜動(dòng)力學(xué)分析

液氫氣瓶主要由內(nèi)膽、外殼、絕熱系統(tǒng)、內(nèi)膽與外殼之間的連接件、閥門管路系統(tǒng)、保護(hù)閥門管路系統(tǒng)的保護(hù)裝置、底座等組成。在液氫氣瓶材料可靠性得到驗(yàn)證的情況下，根據(jù)液氫燃料電池汽車的環(huán)境使用要求，車載液氫氣瓶需滿足在復(fù)雜路況條件和極端條件下正?？煽抗ぷ?。因液氫介質(zhì)泄漏擴(kuò)散后爆炸可能性高、危害后果嚴(yán)重，車載液氫氣瓶需實(shí)現(xiàn)本質(zhì)安全及較高結(jié)構(gòu)可靠性。而基于失效模式的低溫氣瓶設(shè)計(jì)方法國(guó)內(nèi)外研究較少，國(guó)內(nèi)外已有的少量對(duì)于車載低溫氣瓶的靜動(dòng)力學(xué)分析的研究無(wú)法滿足車載液氫氣瓶的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)安全可靠性的要求。

當(dāng)前，關(guān)于低溫氣瓶靜動(dòng)力學(xué)分析的方法主要以數(shù)值模擬為主，以不同工況的氣瓶實(shí)驗(yàn)為補(bǔ)充，研究復(fù)雜和極端工況下的氣瓶應(yīng)力應(yīng)變、位移、振動(dòng)加速度等動(dòng)力學(xué)規(guī)律。Islam 等[24]總結(jié)了目前工程靜力學(xué)分析的方法，為本文開(kāi)展車載液氫氣瓶的靜力學(xué)研究提供了較好的借鑒意義。北京航天實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究院妙叢等[25]基于車載LNG氣瓶提出了未來(lái)車載液氫氣瓶結(jié)構(gòu)組成的設(shè)想，總結(jié)了車載低溫氣瓶的經(jīng)典工藝系統(tǒng)流程以及基本工作原理和常用的增壓方式和安全系統(tǒng)的設(shè)置。目前在車載低溫絕熱氣瓶動(dòng)力學(xué)特性方面已開(kāi)展一定的研究工作。西南交通大學(xué)魯麗等[26]采用有限元模型作為變壓器在運(yùn)輸過(guò)程中承受路面振動(dòng)下的隨機(jī)振動(dòng)分析以及受沖擊載荷作用下的瞬態(tài)分析，給出了變壓器各構(gòu)件的應(yīng)力分布情況，并采用第三強(qiáng)度理論校核。Chung等[27]結(jié)合運(yùn)輸船舶用C型儲(chǔ)罐運(yùn)輸液化氫各種參數(shù)的影響與液氫介質(zhì)（-253℃）超低的溫度影響，伴隨介質(zhì)晃動(dòng)和熱流動(dòng)，對(duì)晃動(dòng)流動(dòng)通過(guò)數(shù)值方法進(jìn)行分析，通過(guò)仿真測(cè)量了液艙內(nèi)部的晃蕩沖擊壓力，并定量評(píng)估了晃動(dòng)流動(dòng)對(duì)安裝在C型罐（加筋環(huán)和斜置艙壁）內(nèi)部附體的影響。提出在低溫條件下長(zhǎng)時(shí)間反復(fù)經(jīng)歷這種晃蕩沖擊力，必須從疲勞和脆性破壞的角度分析液艙和附件的行為。合肥工業(yè)大學(xué)杜明廣[28]采用有限元方法對(duì)LNG氣瓶進(jìn)行靜力學(xué)及動(dòng)力學(xué)分析，對(duì)氣瓶不同破壞形式進(jìn)行了模擬，動(dòng)力特性方面計(jì)算了氣瓶的固有頻率，對(duì)其振動(dòng)特性進(jìn)行了探索，并與汽車振動(dòng)頻率進(jìn)行了對(duì)比。大連理工大學(xué)劉培啟團(tuán)隊(duì)[29-31]對(duì)車載LNG氣瓶采用數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)的方法，對(duì)不同類型、不同容積、不同長(zhǎng)徑比的LNG 氣瓶進(jìn)行了研究，優(yōu)化了頸管支撐結(jié)構(gòu)、頸管長(zhǎng)度和外殼前封頭開(kāi)孔連接結(jié)構(gòu)。同時(shí)采集重型卡車行駛在不同等級(jí)路面譜激勵(lì)，分析了不同路面譜激勵(lì)下車載氣瓶的應(yīng)力分布、位移振幅以及加速度動(dòng)態(tài)響應(yīng)。最后提出一種新型防晃結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化了氣瓶剛度，能夠有效降低液體對(duì)壁面的沖擊力。天津大學(xué)李佳[32]將隨機(jī)疲勞與結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性相結(jié)合，重點(diǎn)對(duì)基于結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的隨機(jī)疲勞壽命估算進(jìn)行分析。蘭州理工大學(xué)劉德玉[33]對(duì)車載LNG 氣瓶進(jìn)行了靜力學(xué)及動(dòng)力學(xué)分析，用等效密度法將瓶?jī)?nèi)LNG 的質(zhì)量等效到氣瓶?jī)?nèi)膽殼體，研究了氣瓶?jī)?nèi)膽及支撐整體結(jié)構(gòu)在緊急剎車、路面凹坑等工況下的應(yīng)力分布，分析了不同液位高度下氣瓶?jī)?nèi)膽的固有頻率和模態(tài)振型，結(jié)果表明隨著儲(chǔ)液量的增加，氣瓶?jī)?nèi)膽固有頻率逐漸降低。

1.4 車載液氫氣瓶疲勞壽命

振動(dòng)疲勞失效問(wèn)題存在于航空航天、機(jī)械電子、能源化工等各行業(yè)，即使振動(dòng)過(guò)程中應(yīng)力幅值遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力，但在長(zhǎng)時(shí)間的載荷作用下使得結(jié)構(gòu)極易引起疲勞破壞。在設(shè)備的失效事故中，疲勞失效約占60%～80%，實(shí)際工程中的振動(dòng)疲勞失效問(wèn)題存在較多難點(diǎn)，如研究方法較少、理論不完善，實(shí)際振動(dòng)工況更加復(fù)雜，并且涉及機(jī)械振動(dòng)、有限元、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)等多學(xué)科。針對(duì)本文研究的車載液氫氣瓶，如何防止由于車體振動(dòng)與氣瓶振動(dòng)相耦合產(chǎn)生的自振激勵(lì)對(duì)瓶體自身造成的危害，合理預(yù)測(cè)氣瓶的振動(dòng)疲勞壽命是當(dāng)前車載液氫氣瓶亟需解決的問(wèn)題。

隨機(jī)振動(dòng)一般具有隨機(jī)性，不能用特定的函數(shù)描述載荷值的大小，但其仍然具有一定的統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律，只能采用概率統(tǒng)計(jì)的方法描述載荷值并計(jì)算結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，因此從20 世紀(jì)50 年代起就對(duì)隨機(jī)振動(dòng)疲勞開(kāi)始了相應(yīng)的研究工作。大連市鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院古海波等[34]總結(jié)了振動(dòng)過(guò)程中車用LNG氣瓶的失效模式，并分析了失效原因。Bhuyan等[35]實(shí)驗(yàn)研究了氣瓶靜水壓實(shí)驗(yàn)對(duì)后續(xù)裂紋擴(kuò)展的滯止效應(yīng)的影響規(guī)律，提出滯止期取決于裂紋尺寸，裂紋尺寸越小，裂紋擴(kuò)展滯止期越大。廣東省特種設(shè)備檢測(cè)研究院楊樹(shù)斌等[36]分析了目前已有的對(duì)振動(dòng)和沖擊載荷作用下車載LNG 氣瓶失效研究存在的不足之處，以及車載LNG 氣瓶失效模式，針對(duì)失效模式提出風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)措施。Zhang 等[37]提出了一種新的基于機(jī)器學(xué)習(xí)的三維裂紋試件疲勞壽命預(yù)測(cè)方法，考察了不同的神經(jīng)單元數(shù)和層數(shù)對(duì)訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有效性的影響，并與其他回歸模型進(jìn)行了比較。德陽(yáng)中科先進(jìn)制造數(shù)字化設(shè)計(jì)服務(wù)中心楊興[38]提出了一種基于疲勞損傷理論的氣瓶壽命的計(jì)算方法，再針對(duì)車用鋼制天然氣氣瓶使用過(guò)程中會(huì)對(duì)氣瓶強(qiáng)度產(chǎn)生影響的因素進(jìn)行探討，最后在某型車用氣瓶強(qiáng)度分析的基礎(chǔ)上依據(jù)損傷理論以及計(jì)算方法給出了該型氣瓶的使用壽命情況，同時(shí)也系統(tǒng)地分析了一些使用因素對(duì)氣瓶壽命的影響。大連理工大學(xué)李偉[39]提出車載低溫絕熱氣瓶在使用中會(huì)隨著行駛路面不平度影響而發(fā)生沒(méi)有規(guī)律的隨機(jī)振動(dòng)，這種隨機(jī)振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致氣瓶產(chǎn)生裂紋，影響氣瓶的疲勞壽命。并模擬了扁長(zhǎng)型車載低溫氣瓶的振動(dòng)規(guī)律，可為隨機(jī)振動(dòng)條件下車載低溫絕熱氣瓶的設(shè)計(jì)提供參考。

1.5 使用過(guò)程及真空喪失后的絕熱性能

移動(dòng)式低溫絕熱氣瓶相比于固定式壓力容器，需要額外承受來(lái)自地面以及機(jī)器的振動(dòng)激勵(lì)載荷，因此移動(dòng)式低溫絕熱氣瓶?jī)?nèi)膽及支撐應(yīng)滿足較高的強(qiáng)度要求，同時(shí)還應(yīng)具有較好的抗沖擊性能。針對(duì)移動(dòng)式低溫絕熱氣瓶，許多學(xué)者采用有限元分析方法進(jìn)行了較多的研究工作，但大多集中在LNG 氣瓶方面，關(guān)于液氫氣瓶的研究工作較少。結(jié)合液氫高效存儲(chǔ)、利用對(duì)低溫高性能絕熱的需求，車載液氫氣瓶高性能絕熱的研究成為了設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的關(guān)鍵難題。同時(shí)，由于氫燃料電池汽車使用條件復(fù)雜、社會(huì)影響較大，基于車載液氫氣瓶失效模式，存在由內(nèi)漏、外漏等導(dǎo)致的真空失效的風(fēng)險(xiǎn)，真空喪失后絕熱性能的好壞直接影響了事故處理時(shí)間和后果的嚴(yán)重度，故開(kāi)展此極端條件下的絕熱性能研究更是保障車載氣瓶安全、高效利用的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。

Jiang 等[40]利用CFD 軟件VOF 方法模擬了液氫罐內(nèi)的介質(zhì)相變過(guò)程，提出了液位和夾層真空度差異對(duì)氣液兩相界面穩(wěn)定性的影響規(guī)律。Jiang 等[41]建立了瞬態(tài)仿真模型，發(fā)現(xiàn)MLI/VCS 絕緣材料的瞬態(tài)傳熱特性有助于優(yōu)化液氫儲(chǔ)存的操作參數(shù)，為液氫裝置絕熱設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。2014 年韓國(guó)Jewoo 公司[42]通過(guò)常規(guī)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及有限元方法，對(duì)支撐桿不同內(nèi)徑、外徑以及容器內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行計(jì)算，以優(yōu)化LNG 氣瓶的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。同時(shí)采用了MSC/MARC 程序評(píng)估了支撐結(jié)構(gòu)的溫度分布和熱應(yīng)力，開(kāi)發(fā)的LNG 氣瓶滿足標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)要求，通過(guò)了振動(dòng)測(cè)試和熱性能測(cè)試。2012 年上海交通大學(xué)李陽(yáng)[43]建立低溫絕熱氣瓶傳熱與熱力耦合模型，采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法，分析了穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱與共軛傳熱模型的誤差。同時(shí)探究了不同頸管尺寸、高徑比、沖擊載荷下低溫絕熱氣瓶的應(yīng)力分布，找出最優(yōu)尺寸參數(shù)，探討了頸管開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)的重要性，對(duì)低溫絕熱氣瓶頸管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。2015年北京航空航天大學(xué)[44-45]設(shè)計(jì)了一種機(jī)載液氫儲(chǔ)罐的新型絕熱支撐，通過(guò)氧化鋯陶瓷小球與內(nèi)膽點(diǎn)接觸，降低支撐接觸面積，解決了傳統(tǒng)支撐結(jié)構(gòu)熱流量過(guò)大的問(wèn)題。同時(shí)通過(guò)赫茲接觸理論與有限元數(shù)值模擬方法對(duì)絕熱支撐進(jìn)行應(yīng)力分析，驗(yàn)證了該支撐結(jié)構(gòu)的可行性，得到點(diǎn)接觸式支撐的應(yīng)力遠(yuǎn)大于常規(guī)支撐結(jié)構(gòu)，但其應(yīng)力滿足強(qiáng)度要求。2016年荷蘭德?tīng)柗蛱乩砉ご髮W(xué)Tapeinos等[46]提出一種由相交球殼組成的可增壓車載液氫儲(chǔ)罐。該液氫儲(chǔ)罐采用塑料內(nèi)襯，內(nèi)襯材料與罐壁存在較大熱膨脹系數(shù)，從而導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)的變形及熱應(yīng)力過(guò)大，因此需使內(nèi)襯材料能夠靈活地壓在罐壁表面以傳遞壓力載荷。通過(guò)有限元方法分析了絕熱材料在內(nèi)襯及罐壁不同部位的傳熱現(xiàn)象，同時(shí)在不同熱應(yīng)力下對(duì)殼體應(yīng)力及應(yīng)變進(jìn)行分析，得到球形結(jié)構(gòu)的應(yīng)力比較均勻，在膜交叉存在局部應(yīng)力集中，比較后發(fā)現(xiàn)在內(nèi)襯和復(fù)合材料之間使用隔熱材料，液氫儲(chǔ)罐的結(jié)構(gòu)完整性得到了增強(qiáng)。2022 年韓國(guó)科學(xué)技術(shù)研究所Choi等[47]研究了重型卡車液氫燃料儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，提出設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)程序。按照設(shè)計(jì)規(guī)范和程序提出540馬力級(jí)重力卡車液氫罐模型，采用了強(qiáng)度重量比高、熱導(dǎo)率低的環(huán)氧玻璃鋼作為支撐材料，選用高真空多層絕熱作為絕熱材料，在正常行駛、垂直及加速的8種組合載荷工況下，對(duì)液氫儲(chǔ)罐的傳熱及應(yīng)力進(jìn)行分析。傳熱結(jié)果顯示液氫儲(chǔ)罐的日蒸發(fā)率為2.51%/d，其中支撐部位漏熱占總漏熱量的82%，應(yīng)力結(jié)果表明結(jié)構(gòu)具有足夠的安全系數(shù)。Yao和Yang[48]模擬了多種低溫絕熱型式對(duì)液氮、液氫和液化天然氣介質(zhì)的保溫效果，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和不同的熱力學(xué)模型預(yù)測(cè)了低溫裝置的無(wú)損儲(chǔ)存時(shí)間和漏熱量。中國(guó)計(jì)量大學(xué)計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院高云飛等[49]以真空多層材料為主要研究?jī)?nèi)容，總結(jié)了液氫溫區(qū)真空多層材料的絕熱性能測(cè)試數(shù)據(jù)，為液氫溫區(qū)絕熱設(shè)計(jì)提供了一定的參考依據(jù)。

浙江大學(xué)羅若尹等[50]提出了真空喪失作為低溫裝備的典型失效模式，針對(duì)特定的LNG 罐箱開(kāi)展了真空完全喪失的測(cè)試實(shí)驗(yàn)，得到了維持時(shí)間及罐內(nèi)壓力、充滿率、液相溫度隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)，對(duì)LNG 罐式集裝箱的安全使用與應(yīng)急處理有重要的實(shí)用價(jià)值。中國(guó)石油大學(xué)楊帆等[51]開(kāi)展了液化天然氣（LNG）低溫儲(chǔ)罐夾層真空喪失后，內(nèi)殼應(yīng)力-應(yīng)變及裂紋尖端原子變化規(guī)律研究，揭示了該狀態(tài)下低溫容器內(nèi)殼微裂紋擴(kuò)展的微觀機(jī)制。上海交通大學(xué)謝高峰[52]在原有真空喪失后驗(yàn)證設(shè)備安全性和絕熱性能指標(biāo)的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)地開(kāi)展了高真空多層絕熱低溫容器真空喪失實(shí)驗(yàn)和傳熱機(jī)理研究，為全面了解發(fā)生完全真空喪失事故對(duì)高真空多層絕熱低溫容器絕熱夾層絕熱及低溫液體貯存過(guò)程的影響規(guī)律積累了研究經(jīng)驗(yàn)。

1.6 車載液氫氣瓶增壓設(shè)計(jì)和增壓傳熱

有別于傳統(tǒng)車載低溫氣瓶，車載液氫氣瓶可靠性和性能要求更為嚴(yán)苛。針對(duì)基于疲勞失效的車載液氫氣瓶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)合在役車載低溫氣瓶失效規(guī)律，現(xiàn)有增壓方式無(wú)論是發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水和電加熱聯(lián)合增壓、熱氣回流增壓、真空壓力控制增壓方式均無(wú)法滿足車載液氫氣瓶的結(jié)構(gòu)可靠性以及燃料電池供氫條件溫度、壓力和流量的需求。如何實(shí)現(xiàn)車載液氫氣瓶穩(wěn)定、高效的增壓汽化及結(jié)構(gòu)安全可靠，如何預(yù)測(cè)車載液氫氣瓶的增壓傳熱性能，國(guó)內(nèi)外均處于研究起步階段，這也是目前車載液氫氣瓶最棘手的技術(shù)瓶頸。

20 世紀(jì)90 年代開(kāi)始，國(guó)外就已經(jīng)開(kāi)始了對(duì)液氫燃料電池汽車的供氫方式的研究工作，其中車載液氫氣瓶穩(wěn)定增壓傳熱技術(shù)難以滿足規(guī)模生產(chǎn)的需求[53-55]。但隨著LNG汽車和高壓氫燃料電池汽車的規(guī)模應(yīng)用和持續(xù)研究，車載液氫氣瓶的增壓傳熱設(shè)計(jì)有了新的思路和突破。Wang 等[56]基于燃料電池用氫條件，模擬了高壓儲(chǔ)氫氣瓶的供氫規(guī)律，提出了壓力、流量控制的方法。上海交通大學(xué)齊超等[57]通過(guò)CFD 方法對(duì)長(zhǎng)期在軌運(yùn)行的新型液氧燃料箱的壓力、溫度、氣液相界面進(jìn)行了模擬，建立了均相模型和低溫燃料箱性能預(yù)測(cè)規(guī)律。蘭州理工大學(xué)金樹(shù)峰等[58]提出了氣瓶穩(wěn)定供氣的條件，并建立了穩(wěn)定供氣過(guò)程中空溫式汽化器汽化量與發(fā)動(dòng)機(jī)燃料流量的關(guān)系式，為L(zhǎng)NG 汽車自增壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了參考。中國(guó)航天科技集團(tuán)公司趙康[59]從傳熱學(xué)、熱力學(xué)和流體力學(xué)的角度，對(duì)車載液態(tài)儲(chǔ)氫供氫系統(tǒng)中的汽化器開(kāi)展了理論和實(shí)驗(yàn)研究，提出了適合不同換熱區(qū)的換熱關(guān)聯(lián)式和汽化器設(shè)計(jì)計(jì)算方法，得到了該形式的外置汽化器在不同供氣流量和循環(huán)水流量下流體溫度、流動(dòng)壓降和管壁最低溫度等參數(shù)，得到了車載液氫汽化器換熱規(guī)律。增壓設(shè)計(jì)和增壓傳熱研究的核心是供氫過(guò)程中的溫度、壓力和流量變化規(guī)律，通過(guò)實(shí)驗(yàn)與模擬得出適用性強(qiáng)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，進(jìn)而指導(dǎo)設(shè)計(jì)。

2 存在的問(wèn)題

2.1 液氫氣瓶材料韌脆轉(zhuǎn)變

根據(jù)以上相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，液氮溫區(qū)材料力學(xué)性能研究和韌脆轉(zhuǎn)變特性研究已經(jīng)比較成熟。但對(duì)于液氫氣瓶所用材料的研究仍存在較多難點(diǎn)，主要表現(xiàn)為液氫溫區(qū)材料力學(xué)性能數(shù)據(jù)嚴(yán)重缺乏，材料成分與韌脆轉(zhuǎn)變溫度之間的關(guān)系不明確，低溫裝備設(shè)計(jì)選材時(shí)未考慮韌脆轉(zhuǎn)變特性。未來(lái)只有積累足夠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，形成液氫溫區(qū)材料行為退化和組織演變規(guī)律，得到基于材料脆斷失效的材料行為預(yù)測(cè)方法和力學(xué)性能數(shù)據(jù)庫(kù)，才能實(shí)現(xiàn)液氫環(huán)境選材的可靠策略和材料的本質(zhì)安全。

2.2 車載液氫氣瓶靜動(dòng)力學(xué)分析

目前研究領(lǐng)域大多是對(duì)低溫絕熱氣瓶動(dòng)力學(xué)特性的研究，針對(duì)車載液氫氣瓶的靜動(dòng)力學(xué)分析較少，主要以模態(tài)分析為主來(lái)確定結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，防止與環(huán)境激勵(lì)相近而產(chǎn)生較大共振現(xiàn)象。液氫氣瓶的存儲(chǔ)溫度越低，對(duì)內(nèi)膽、外殼以及絕熱支撐的要求也就越高。后續(xù)對(duì)車載液氫氣瓶的強(qiáng)度計(jì)算、靜力學(xué)分析具有較為迫切的需求，同時(shí)在靜態(tài)結(jié)構(gòu)應(yīng)力的基礎(chǔ)上進(jìn)行動(dòng)力學(xué)特性分析十分必要。

2.3 車載液氫氣瓶疲勞壽命

目前振動(dòng)特性的研究?jī)H針對(duì)車載LNG 氣瓶，疲勞壽命的研究?jī)H在少量高壓化工機(jī)械中有所研究，缺乏針對(duì)車載液氫氣瓶的振動(dòng)特性的理論和實(shí)驗(yàn)研究經(jīng)驗(yàn)，與車載液氫氣瓶實(shí)際失效模式和可靠性高度相關(guān)的疲勞壽命缺乏有效的預(yù)測(cè)手段。液氫氣瓶的振動(dòng)破壞是實(shí)際行駛過(guò)程中主要破壞方式之一，建立車載液氫氣瓶的疲勞壽命預(yù)測(cè)方法，掌握氣瓶實(shí)際行為規(guī)律，進(jìn)一步優(yōu)化氣瓶結(jié)構(gòu)，提高液氫氣瓶的抗疲勞破壞能力。

2.4 車載液氫氣瓶使用過(guò)程及真空喪失后的絕熱性能

針對(duì)低溫絕熱氣瓶、低溫絕熱容器的絕熱性能研究已經(jīng)比較成熟。但研究車載液氫氣瓶仍存在較多難點(diǎn)，主要表現(xiàn)為液氫瓶更加注重使用中的安全性能，包括過(guò)載、振動(dòng)、真空失效、火燒、撞擊、槍擊等測(cè)試工作，這就決定了液氫瓶的絕熱形式以及性能與常規(guī)低溫絕熱氣瓶有所差異。建立車載液氫氣瓶的絕熱設(shè)計(jì)方法，得到真實(shí)介質(zhì)下及真空喪失后的車載液氫氣瓶絕熱性能影響規(guī)律，才能解決車載液氫氣瓶實(shí)際工程應(yīng)用環(huán)節(jié)的關(guān)鍵難題。

2.5 車載液氫氣瓶增壓設(shè)計(jì)和增壓傳熱

現(xiàn)階段關(guān)于車載低溫氣瓶增壓性能的研究，主要研究對(duì)象為液化天然氣氣瓶的外置氣化器增壓工藝。雖然車載液氫氣瓶屬于車載低溫氣瓶，但其氣化潛熱、介質(zhì)溫度更低，結(jié)構(gòu)型式和以前的車載低溫氣瓶有較大差別。由于氫燃料電池進(jìn)氣條件對(duì)于氣體流量、壓力、溫度有更高的要求，進(jìn)一步改進(jìn)增壓設(shè)計(jì)，掌握車載液氫氣瓶增壓傳熱規(guī)律，車載液氫氣瓶才能滿足實(shí)際工程應(yīng)用的要求。

綜上可知，在液氫氣瓶材料韌脆轉(zhuǎn)變性、車載液氫氣瓶靜動(dòng)力學(xué)分析、車載液氫氣瓶疲勞壽命、車載液氫氣瓶使用過(guò)程及真空喪失后的絕熱性能、車載液氫氣瓶增壓設(shè)計(jì)和增壓傳熱等方面，高性能的液氫材料選擇、運(yùn)行中液氫氣瓶的穩(wěn)定性、液氫氣瓶的抗疲勞性能、極端工況下的液氫氣瓶絕熱性能維持時(shí)間、液氫氣瓶的增壓設(shè)計(jì)準(zhǔn)則等將為液氫氣瓶更加安全、可靠地滿足使用要求提供前期基礎(chǔ)。

3 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，氫能源發(fā)展十分迅猛，低溫液氫氣瓶具備便于利用、儲(chǔ)氫密度高、無(wú)損儲(chǔ)存時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)，目前已成為國(guó)內(nèi)外熱門的研究方向。作為一種既需要結(jié)構(gòu)本質(zhì)安全又需要良好的絕熱保溫性能的新型氣瓶，其儲(chǔ)用過(guò)程的真空穩(wěn)定性、絕熱平衡性能、使用過(guò)程中狀態(tài)參數(shù)變化規(guī)律均尚未探明。只有在現(xiàn)有基礎(chǔ)上，把各個(gè)技術(shù)難題攻克才能真正推動(dòng)液氫上車的民用進(jìn)程。

現(xiàn)階段一些文獻(xiàn)對(duì)低溫液氫氣瓶存儲(chǔ)性能開(kāi)展了初步的研究，也取得了一些進(jìn)展和技術(shù)積累，但仍然存在一些問(wèn)題。

（1）國(guó)內(nèi)外對(duì)低溫絕熱氣瓶的儲(chǔ)存性能和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度開(kāi)展了理論與實(shí)驗(yàn)研究，但對(duì)低溫液氫氣瓶?jī)?chǔ)用過(guò)程中性能缺乏基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)際性能與理論匹配程度上缺乏實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。尤其對(duì)于新型車載液氫氣瓶，其材料可靠性、結(jié)構(gòu)本質(zhì)安全、超低溫高性能絕熱、增壓傳熱特性等關(guān)鍵設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)存在較大的研究空白。

（2）盡管歐美等國(guó)提出了車載液氫氣瓶的設(shè)計(jì)和制造思路，并開(kāi)展了一些存儲(chǔ)性能的研究，但還主要集中在理論模型上。對(duì)于該類氣瓶，儲(chǔ)用過(guò)程中的性能規(guī)律研究處于起步階段，尚未形成相應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)驗(yàn)方法和評(píng)價(jià)指標(biāo)更是基本空白，相應(yīng)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)非常缺乏。

未來(lái)基于車載液氫氣瓶低溫脆斷、疲勞失效、真空喪失等典型失效模式，從材料韌脆轉(zhuǎn)變特性、結(jié)構(gòu)安全可靠性、絕熱性能、增壓設(shè)計(jì)及增壓傳熱特性等方面，開(kāi)展車載液氫氣瓶設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)的研究具有十分重要的研究?jī)r(jià)值。只有攻克這類設(shè)計(jì)關(guān)鍵問(wèn)題，不僅可以為車載液氫氣瓶的高性能安全使用打下良好的基礎(chǔ)，也對(duì)車載液氫氣瓶的進(jìn)一步發(fā)展完善有實(shí)際的指導(dǎo)意義。未來(lái)隨著研究和產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程，車載低溫氣瓶形式的液氫儲(chǔ)存方式在節(jié)能、安全方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，相關(guān)研究的發(fā)展健全更是具有重要的科學(xué)意義、普遍的現(xiàn)實(shí)需要和廣泛的應(yīng)用前景。