双层高压储氢瓶概念设计与增容分析

于芳芳，曾霞光

双层高压储氢瓶概念设计与增容分析

于芳芳1，曾霞光2

（1.佛山职业技术学院 智能制造学院，广东 佛山 528199； 2.佛山科学技术学院 机械与自动化学院，广东 佛山 528199）

由冯米塞斯屈服准则可知静水压力通常对材料屈服强度无影响，文章对一般高压瓶进行保持内外压差的增压加载过程模拟，得到等压差总是导致相同应力场的强度的结论。针对高压储氢瓶既能保持材料强度又能提高内压和容量的目标，利用该结论进行双层高压储氢瓶的概念设计。文中设计的双层瓶比常用储氢瓶增加了一层内瓶，瓶内形成两个压力分层，因此增加了一个可调控的内部压差。保持一定压差，调整内外层相对尺寸，分析双层瓶在相同屈服应力条件下的单位体积储氢量。结果表明，在相同屈服应力条件下的单位体积储氢量最大可比对应单层瓶提高约25%。文中设计和分析结果，对提高储氢瓶的储存能力具有较好参考价值。

双层高压储氢瓶；储氢能力；屈服强度；增容分析

氢能因其储量大、获取技术成熟、燃烧值高且无污染，已成为人类社会的理想洁净能源，也是当今世界能源工业的主要发展方向[1-4]。在汽车领域，氢能以其零排放的特点被认为是汽车的终极能源[5]。当前，很多汽车生产商推出了氢燃料电池汽车和概念车，其中包括丰田的Miria、本田的Clarity、现代的IX35和上汽集团的荣威E950等[5]。这些新能源车辆中的储氢瓶承受巨大的氢气压力，属于特种承压设备，在安全强度方面有严格的工业标准[3]。高压储气瓶共有4种基本类型，分别是I型金属气瓶、II型金属内胆环向缠绕气瓶、III型金属内胆全缠绕气瓶和IV型塑料内胆全缠绕气瓶，其中III型瓶和IV型瓶采用轻质高强度纤维，不仅有效降低了气瓶质量，还能承受更高压力，因此被广泛采用为车载储氢气瓶[5]。随着氢燃料电池汽车续航里程、安全标准和乘载空间要求越来越高，车载高压储氢瓶的储氢量必须增大但其整体尺寸不能增加，即人们必须提高车载储氢瓶的单位体积储氢量。提高储氢量，同时控制其体积大小，对氢燃料电池汽车具有重要意义[5-7]。当前，人们常用增加内压的办法提高储氢瓶的单位体积储氢量，因此III型瓶的内压是35 MPa，而且IV型瓶的内压高达70 MPa。如此高压下进一步增加内压来提高储氢量将对储氢瓶材料强度提出巨大挑战，因此需要另辟蹊径的设计理念。

根据材料屈服强度破坏的冯米塞斯屈服准则，即静水压力不是很大时，对材料的强度破坏没有影响[8]。基于该强度校核原则，本文提出一种保持压差的高压容器设计方法并应用于储氢瓶设计，已获得国家发明专利[9]。在此，作者将利用有限元数值模拟详细解释该发明专利涉及的强度设计规律，并分析出双层高压储氢瓶的强度和其单位储氢量增容程度。

1 等压差一般高压储氢瓶强度分析

以标准内压为35 MPa的一般III型瓶为例，利用有限元法分析其强度问题。根据瓶体的轴向等对称特性、常见工况和典型尺寸[10]，并参考瓶体复合材料相关材料参数[12-13]，建立简化的1/4模型力学分析模型如图1(a)所示，其中瓶体长为0.9 m、外径为0.4 m、壁厚为0.03 m，等效材料的弹性模量为100 GPa、泊松比为0.3、失效强度为400 MPa，载荷包括35 MPa的内压和0.1 MPa的外压（即标准大气压）。图1(b)给出了上述情况下瓶体的米塞斯应力场，其中最大值发生在中部内壁，约为214 MPa，小于400 MPa的失效强度，故瓶体满足强度要求。

图1 III型单层瓶强度分析

在标准工况基础上，改变作用于瓶体的内外压力，但压差仍然保持约35 MPa，另外分析了内压45 MPa，外压10 MPa；内压55 MPa，外压20 MPa；内压65 MPa，外压30 MPa；内压75 MPa，外压40 MPa等4组不同内外压作用下瓶体的冯米塞斯应力场和水平应力场。如图2所示，图2(a)－图2 (d)分别为上述几组等压差作用时的分析结果。

为确认静水压力作用在其他压差时仍然不影响瓶体材料的米塞斯强度，进一步将压差减小为20 MPa，得到了两组不同内外压作用下瓶体的米塞斯应力场，再将压差增大到50 MPa，得到两组不同内外压作用下瓶体的米塞斯应力场，结果如图3所示，图3(a)为内压20 MPa、外压0 MPa时的结果；图3(b)为40 MPa、外压20 MPa时的结果；图3(c)为50 MPa、外压0 MPa时的结果；图3(d)为100 MPa、外压50 MPa时的结果。

图2和图3表明，只要保持瓶壁内外压差一定，内压和外压的大小不会影响瓶体的米塞斯应力场。因此，瓶壁的强度破坏取决于瓶体内外的压差，与内压和外压的具体压力值无关，该结论可称为高压容器的等压差等应力强度规律。下面就保持一个不破坏瓶体强度的特定压差，而通过提高瓶体内外压力值的方法来设计新型高压容器。

图3 不同压差单层瓶应力分析

2 双层高压储氢瓶设计与强度分析

2.1 双层储氢瓶结构

基于上述等压差等强度设计规律可以设计具有不同压力阶梯的分层储氢瓶，这里以典型的双层瓶设计为例进行说明。对比现有35 MPa标准单层储氢瓶的结构，在上述III型瓶的结构基础上增加了一层内瓶，设计出双层高压储氢瓶概念结构，如图4所示。

图4 单、双层瓶概念设计

双层瓶在充气时先充瓶体内腔或同时充内外腔，然后氢气从内腔进入外腔充气到内外腔的压力相等，如图5(a)所示。之后再继续向内腔充气，当内腔与外腔之间的压差达到相同或某一特定值时，充气完成。放气时，如图5(b)所示，先将内腔气体向外输出，当内腔压力降低到与外腔的压力相同时，外腔气体补充进入内腔，使内腔继续向外放气或者内外同时放气。外层储存空间与容器外部之间的压差等于内储存层和外储存层之间的压差时，瓶体的材料承压能力无需额外增加；内储存层可以承受更高压力时，便能储存更多高压气体。

图5 双层瓶充气放气过程

2.2 强度分析

假设双层瓶外层的压差保持标准III型单层瓶常规的工作压力35 MPa，而内层内压从35 MPa逐步增加到75 MPa，现对上文中设计的双层储氢瓶进行相应的强度分析。根据瓶体的轴向等对称特性和对应III瓶的工况和尺寸，建立简化的1/4模型力学分析模型如图6(a)所示，其中外层瓶体长为0.9 m、外径为0.4 m、壁厚为0.03 m，内层瓶体长为0.74 m、外径为0.24 m、壁厚为0.02 m，等效材料的弹性模量为100 GPa、泊松比为0.3、失效强度为400 MPa，载荷包括35 MPa的外层内压和0.1 MPa的外压（即标准大气压）和按照35 MPa、45 MPa、55 MPa、65 MPa、75 MPa逐步变化的内层内压。

图6 双层瓶强度分析

图6给出了上述情况下瓶体的米塞斯应力场，可以看到，随着内层压力增加，内层瓶壁的米塞斯应力从几乎为零逐步增加，而外壁的应力不变。最后，在内层压力为75 MPa时，内壁的米塞斯应力增大到与外壁应力场几乎相同，其中最大值发生在内瓶中部，约为218 MPa，小于400 MPa的材料失效强度。因此，整个双层瓶的瓶体在75 MPa的高压下仍然满足强度要求。

3 双层瓶储氢能力分析

根据实际应用情况，氢气瓶所处环境的温度取常温20 ℃，瓶内氢气的密度与压力的呈现是非线性的[14]，此时的密度可用简单拟合公式近似计算：

式中，为密度，kg/m3；为压强，MPa。将式（1）代入以下公式，就能得到储氢瓶的总储氢量1和单位体积储氢量1，如式（2）、式（3）所示。

式中，i为储氢瓶储存空间体积；o为瓶体总体积。

按照上述III型单层瓶体长、外径、壁厚、工作压力，计算可得其氢气总储量为1.53 kg，单位体积储量为15.9 kg/m3。同样按照上述双层瓶外层瓶体长、外径、壁厚，内层瓶体长、外径、壁厚，外层压力，对内层和外层分别应用上述公式，计算以下5种不同内层压力情况下的该双层瓶的总储氢量和单位体积储氢量：内瓶的直径分别为0.12 m、0.16 m、0.20 m、0.24 m、0.28 m、0.32 m时，内层压力分别为35 MPa、45 MPa、55 MPa、65 MPa、75 MPa时总储氢量和单位体积储氢量分析结果如图7所示。

图7 双层瓶总储存量和单位储氢量

图7表明随着内层压力的增加，双层瓶的总储量和单位体积储氢量都将增加，同时，在内层压力大于外层压力时，增大内层瓶直径也能增加该瓶的总储量和单位体积储氢量。当内层瓶体直径为0.32 m、压力为75 MPa时，该双层瓶的单位体积储氢量比单层瓶的最大可提高约25%。

4 结论

本文利用有限元数值模拟详细计算了单层储氢瓶在保持压差，改变其内外压力值时瓶壁的米塞斯应力场，证实静水压力对材料的强度破坏应力场没有影响，总结出等压差导致等强度应力场的高压瓶体强度设计规律。基于该规律，设计了一种代表性双层高压储氢瓶，并分析了不同内层压力时其米塞斯应力场，发现双层瓶内层瓶的压力到达外层瓶的2倍时瓶体仍然满足强度要求。进一步分析了不同的压差和内层瓶直径时，双层储氢瓶的总储量和单位储氢量，发现与现有单层储氢瓶相比，新型双层储氢瓶在米塞斯应力不增加的情况下最大可增加单位体积储氢量约25%。

应用上述强度设计规律，本文从基本理念层面设计了一种双层储氢瓶，很多细节设计和生产制造工艺还需要大量工作。另外，本文工作从概念设计层面突破传统的高压容器设计思路，对相关高压储存设备设计具有示范启发作用，未来可进一步在多层高压容器的设计开发方面参考该双层瓶的设计理念。

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Conceptual Design and Capacity Enhancement Analysis of Double Layer High Pressure Hydrogen Storage Bottles

YU Fangfang1, ZENG Xiaguang2

( 1.College of Intelligent Manufacturing, Foshan Polytechnic, Foshan 528199, China; 2.School of Mechatronic Engineering and Automation, Foshan University, Foshan 528199, China )

Inspired by the well-known fact that hydrostatic pressure usually has no influence on the yield strength of the material according to von mises yield criterion, the present paper simulates the pressuring processes maintaining the internal and external pressure difference for the common high-pressure bottles, and obtains the strength analysis conclusion that equal pressure difference always produces the same yield stress field. To maintain material strength and to improve internal pressure and storage capacity of the high-pressure hydrogen bottle, the double-layer high-pressure hydrogen storage bottle is conceptually designed according to this conclusion. The double-layer bottle has an additional inner bottle compared to the existing hydrogen storage bottle, forming two pressure layers inside the bottle, and thus adds an adjustable internal pressure difference. Maintaining a certain pressure difference, adjusting the relative size of the inner and outer layers, the hydrogen storage capacity per unit volume is analyzed under the same yield stress condition. It is found that the maximum storage capacity of the double-layer bottle can be increased by about 25% than the corresponding single-layer bottle. The present design and analysis results are a good reference to enhance the storage capacity of the hydrogen storage bottles.

Double layer high pressure hydrogen storage bottles; Hydrogen storage capacity; Yield strength; Capacity enhancement analysis

U463.99

A

1671-7988(2023)19-98-06

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.019.019

于芳芳（1985－），女，硕士，工程师，研究方向为机械设计及理论教学，E-mail:yufangfangjiayou@163.com。