Ⅳ 型储氢罐在火灾中的性能：充氢状态的影响_燃烧_汽车_UM_理论

Ⅳ 型储氢罐在火灾中的性能：充氢状态的影响

该研究聚焦IV型氢存储罐在火灾中的性能，重点探究充电状态（SoC）对其耐火等级（FRR，即无热激活泄压装置或装置堵塞时的破裂时间）的影响，通过实验与数值模拟发现，当初始压力低于1/3额定工作压力（NWP，文中NWP=70MPa）时，罐体会泄漏而非破裂，这是因复合包覆层传入的热量足以熔化聚合物内衬（如HDPE），使氢气通过复合层微泄漏；同时还分析了罐壁厚度不均匀（穹顶区域更薄，导致FRR降低34%）、爆破压力比（BPR）（从2增至2.5时FRR提升43%）及复合树脂热分解温度（Td）与分解热（Hd）（Td升高16%时FRR提升27%，Hd翻倍时FRR提升23%，Td影响更显著）对FRR的作用，最终为罐体制备与安全设计提供参考。

01.研究背景与核心定义

车载氢存储罐在火灾中需满足FRR>50min以保证安全，此前研究多聚焦100% SoC（NWP=70MPa）场景，而实际行驶中SoC<100%，且实验发现初始压力低于1/3NWP时IV型罐会泄漏而非破裂，需探究其机制及多因素对FRR的影响。

依据SAE J2601，定义为压缩氢存储系统（CHSS）的氢密度与15℃下NWP时氢密度的比值×100%，即SoC=[ρ(P,T)/ρ(NWP,15℃)]×100%。

指热激活泄压装置（TPRD）未触发或被堵塞时，氢存储罐在火灾中的破裂时间，是衡量罐体火灾安全性的核心指标。

根据UN GTR#13等法规，碳纤维增强聚合物（CFRP）包覆罐的最小爆破压力（Pb.min）需≥2.25×NWP（70MPa罐Pb.min≥157.5MPa），BPR为Pb.min与最大加注压力（87.5MPa）的比值，区别于安全系数（SF，如70MPa罐SF=157.5/87.5=1.8）。

文中统一设定为70MPa，normative documents规定加注时压力范围为0.5MPa~87.5MPa（1.25×NWP）。

02.实验与模拟基础

36L、62.4L、244L三种容积的IV型氢存储罐，内衬材质为高密度聚乙烯（HDPE，熔点118-135℃）或聚酰胺（PA，熔点129℃），结构层为CFRP。

两组实验分别采用0.96m²的庚烷盘火焰、由4根管道组成的氢氧预混燃烧器（从两侧对准罐体）。

初始压力（70MPa、52.5MPa、35.6MPa、25MPa、17.8MPa、10MPa等）、火灾类型（engulfing fire、localised fire）。

36L罐70.3MPa（engulfing fire）6min32s破裂，70.6MPa（localised fire）5min20s破裂；17.8MPa（25% NWP）11min4s泄漏，且环氧树脂消失、碳纤维未燃烧。

采用已验证的“非绝热排放-火灾失效模型”，基于欠膨胀射流理论，考虑复合树脂热降解、内衬熔化及非稳态热传递。

固定热释放率/面积（HRR/A）=1MW/m²（此条件下FRR基本稳定，高于该值时火焰长度超出罐体，FRR不再降低），热流密度遵循公式q''=(-11.81・ln (t)+113.97)×10³；初始温度统一为293.15K（此时70MPa对应SoC=99%，288.15K时为100%）。

能准确复现实验中氢温度、压力变化、降压时间及FRR，如36L罐17.8MPa时700s泄漏的实验结果。

03.关键影响因素及实验/模拟结果

（1）SoC对FRR的影响

SoC通过改变初始压力影响罐体负载承受壁厚（Sload b），初始压力越低，Sload b越薄，树脂分解前沿需更长时间到达Sload b，FRR更长或内衬先熔化导致泄漏。不同容积罐体的临界状态如下表：

（2）罐壁厚度不均匀对FRR的影响

复合罐采用filament winding工艺制造，侧壁（圆柱区）因螺旋+环向层叠加更厚，穹顶（尤其是圆柱端与凸台颈部之间）仅螺旋层，厚度更薄，导致穹顶更易在火灾中失效，具体差异如下表（以36L罐为例）：

（3）BPR对FRR的影响

BPR通过改变罐体壁厚影响FRR，BPR越高，相同压力下Sload b占比越低，“负载+”（可热降解部分）越厚，FRR越长。以36L罐为例，不同BPR的性能如下表：

（4）树脂热性能（Td、Hd）对FRR的影响

树脂的热分解温度（Td）和分解热（Hd）决定分解前沿推进速度，进而影响FRR，且Td影响更显著。以36L罐（固定HRR/A=1MW/m²）为例，具体影响如下表：

04.研究结论与意义

IV型罐在SoC<1/3NWP（≈23MPa）时，火灾中会因内衬熔化泄漏而非破裂，Type III罐（金属内衬）无此安全特性。

罐壁厚度不均匀（穹顶薄）会显著降低FRR，制造商需优化缠绕工艺改善壁厚一致性。

FRR随BPR、Td、Hd的升高而提升，其中Td的影响最显著，BPR从2增至2.5时FRR提升幅度最大（43%）。

填补了“不同SoC下IV型罐火灾性能”的认知空白，扩展了非绝热排放模型的验证范围。

为罐体制备（如树脂选择、壁厚设计）和安全标准制定（如BPR取值）提供定量依据，助力氢燃料汽车安全推广。

提出后续研究方向：内衬聚合物类型（热固性vs热塑性）、火灾终止后泄漏行为、复合层纤维/树脂对泄漏的影响。

05.关键问题

问题1：IV型氢存储罐在火灾中“泄漏而非破裂”的核心机制是什么？该现象发生的临界条件（结合SoC、压力）是什么？

核心机制是当罐内初始压力较低时，火灾中从复合包覆层传入的热量足以使聚合物内衬（如HDPE，熔点118-135℃）熔化，熔化后的内衬失去氢气阻隔功能，氢气通过本身不密封氢气的复合层发生微泄漏，且此时复合层尚未因树脂分解失去承载能力，因此罐体仅泄漏不破裂。临界条件为初始压力低于1/3额定工作压力（NWP=70MPa），对应不同容积罐体的SoC与压力如下：36L罐为17.8MPa（SoC=32.6%）、62.4L罐为30MPa（SoC=51%）、244L罐为32MPa（SoC=54%），且该临界压力会随树脂热性能（Td升高则临界压力升至35MPa）、爆破压力比（BPR升高则临界压力升至23MPa）变化。

问题2：在影响IV型氢存储罐FRR的多个因素（SoC、罐壁厚度、BPR、树脂热性能）中，哪个因素对FRR的改变幅度最大？请结合具体数据说明。

在所有影响因素中，爆破压力比（BPR）对FRR的改变幅度最大。具体数据：以36L、NWP=70MPa的罐体为例，当BPR从2提升至2.5时（提升25%），罐体在70MPa初始压力下的FRR从296s（4min56s）增至519s（8min39s），提升幅度达43%；对比其他因素：树脂热分解温度（Td）升高16%时FRR提升27%，树脂分解热（Hd）翻倍时FRR提升23%，罐壁从穹顶（薄）变为侧壁（厚）时FRR提升34%，均低于BPR提升25%所带来的43% FRR增幅。此外，若法规将BPR从当前的2.25降至2，FRR会从402s降至296s，降幅达26%，进一步体现BPR对FRR的显著影响。

问题3：IV型氢存储罐的罐壁厚度不均匀问题具体体现在哪里？该问题对罐体火灾安全性（FRR、泄漏临界压力）有何影响？制造商需如何应对？

（1）厚度不均匀的具体体现：因采用filament winding工艺，罐体侧壁（圆柱区）由螺旋层与环向层叠加而成，厚度较厚；穹顶区域（尤其是圆柱端与凸台颈部之间）仅为螺旋层，厚度较薄。以36L罐为例，侧壁CFRP厚度27.75mm、内衬厚度3.81mm，而穹顶CFRP厚度22.26mm、内衬厚度5.27mm，穹顶CFRP厚度比侧壁薄约20%。（2）对火灾安全性的影响：①FRR差异：70MPa初始压力下，穹顶FRR为402s，侧壁FRR为540s，穹顶FRR比侧壁低34%，罐体火灾中更易从穹顶破裂；②泄漏临界压力差异：穹顶区域泄漏临界压力为17.8MPa（SoC=32.6%），侧壁为29MPa（SoC=50%），穹顶需更低的初始压力才能避免破裂，增加了低SoC工况下的安全风险。（3）制造商应对措施：优化filament winding工艺参数（如调整螺旋缠绕角度、增加穹顶区域的缠绕层数），减少穹顶与侧壁的厚度差异，确保罐体各区域壁厚均匀，从而提升整体FRR，降低火灾中从薄弱区域（穹顶）破裂的风险。

本文参考：Performance of Hydrogen Storage Tanks of Type IV in a Fire:Effect of the State of Charge

来源：气瓶设计的小工程师

气体流过喷嘴和声波扼流圈

关于气体的泄放，之前的文章写了好多，大家看看，今天继续我们的气体泄放通过喷嘴的最大气体流量由临界压力决定。是流动加速到等于流体中局部声速的速度的压力比临界流量喷嘴也称为声波扼流圈。通过建立冲击波，声波扼流圈建立了固定的流量，不受压差、下游压力的任何波动或变化的影响。声波扼流圈可以提供一种调节气流的简单方法。1喷嘴的临界压力与初始压力之间的比率喷嘴的临界压力与初始压力之间的比率可以表示为pc/p1=（2/（n+1））n/（n-1）（1）其中pc=临界压力（Pa）p1=入口压力（Pa）n=等熵膨胀或压缩指数-或多向常数对于经历绝热过程的完美气体，指数n是比热的比值-k=cp/cv，n没有唯一值。一些常见气体的值：大部分过程发生在潮湿区域的蒸汽：n=1.135蒸汽过热：n=1.30空气：n=1.4甲烷：n=1.31氦气：n=1.667示例-空气喷嘴和临界压力比空气喷嘴的临界压力比可以计算为pc/p1=（2/（1.4+1））1.4/（1.4-1）=0.528其他值-n的临界压力：2通过喷嘴的质量流量通过声波流喷嘴的质量流量，其中最小压力等于临界压力，可以表示为mc=Ac（np1ρ1）1/2（2/（n+1））（n+1）/2（n-1）（2）其中mc=声流质量流量（kg/s）Ac=喷嘴面积（m2）ρ1=初始密度（kg/m3来源：气瓶设计的小工程师