选题背景及意义

现代工业依赖的传统化石燃料储量有限、不可再生，而且存在二氧化碳排放污染环境等问题，因此寻找可再生的绿色能源势在必行。氢能源作为一种资源丰富、清洁无污染、可再生、高效的二次能源，被认为是替代传统化石燃料的理想能源。氢在常温常压下为气态，密度仅为空气的7.14%，因此氢的储存是关键。作为传统化石燃料消耗和二氧化碳排放的主要行业之一，汽车行业也在大力发展新能源汽车，新能源汽车将会逐渐取代传统燃料汽车。氢燃料电池汽车具有“零排放，无污染”的优点，是未来新能源汽车发展的主要方向之一，具有光明的前景。在氢能系统中，氢气的安全储存是最关键的环节。氢能作为一种零碳能源，具有来源广、燃烧值高、无污染等优点，被视为2l世纪最具发展潜力的清洁能源。因此，各国对新氢能能源开发投入的比重逐年上升。氢能的使用主要包括氢的生产、储存和运输、应用等方面，而限制氢燃料电池汽车发展的主要技术之一就是车载储氢技术。目前，氢气的储存有高压气态储氢、低温液态储氢和金属氢化物储氢、碳纳米管吸附储氢、有机液体氢化物储氢等方法心。目前大规模应用的方法是高压气态储存。储氢气瓶的发展已有50多年的历史，从钢瓶到 全复合材料气瓶的研制成功，实现了向产品结构合理、质量轻的巨大转变。近年来，70MPa储氢复合材料气瓶已经进人示范使用阶段。高压气态储氢是一种最常见、最广泛应用的储氢方式：车用气瓶共分为四种类型：全金属气瓶(I型)、金属内胆纤维环向缠绕气瓶(Ⅱ型)、金属内胆纤维全缠绕气瓶(Ⅲ型)、非金属内胆纤维全缠绕气瓶(Ⅳ型)。I型和Ⅱ型气瓶重容比较大，难以满足单位质量储氢密度要求，用于车载供氢系统 并不理想。Ⅳ型气瓶在高压下，气体易从非金属内胆向外渗透，且金属阀座与非金属结构的连接强度 难以保证。基于氢燃料电池车必需满足高效、安全、低成本等要求，车载储氢技术的改进是氢燃料电池车发展的重中之重。目前，氢燃料电池车车载储氢技术主要包括高压气态储氢、低温液态储氢、高压低温液态储氢、金属氢化物储氢及有机液体储氢等。衡量储氢技术的性能参数有体积储氢密度、质量储氢密度、充放氢速率、充放氢的可逆性、循环使用寿命及安全性等，其中质量储氢密度、体积储氢密度及操作温度是主要评价指标。

研究目的

燃料电池汽车直接利用氢和氧发生化学反应产生电能，排出纯水，是高效、清洁的新能源汽车。氢能源汽车多采用高压储氢。为保证一次加氢后行驶距离达到500km，储氢压力则要求高达70MPa。为此，国内外各大汽车厂商正在加紧研制和推出能够承受70MPa超高压的氢气瓶。本课题重点研究满足以上要求的燃料电池车辆的车载金属内胆纤维全缠绕氢气瓶的结构设计及分析。

国内外研究现状

储氢气瓶的发展已有50多年的历史，从钢瓶到全复合材料气瓶的研制成功，实现了向产品结构合理、质量轻的巨大转变。近年来，70MPa储氢复合材料气瓶已经进人示范使用阶段。国外从事复合材料 氢气瓶研发与生产的代表性企业和科研机构有美国 Quantum公司、美国通用汽车、美国Impeo公司、加拿大Dynetek公司、法国空气化工产品公司、日本汽车研究所和日本丰田公司等。美国、加拿大等国凭 借其设备、技术、人才、经验等优势均已成功研制 70MPa车载纤维缠绕高压氢气瓶，处于国际领先地位。我国于“十五”期间开始对储氢气瓶的研究，在 “十一五”863计划中提出“新能源汽车专用装置与加注站成套设备开发”研究，开展了工作压力为35MPa压缩氢气金属内胆复合材料气瓶结构设计，奠定了国产高压储氢气瓶的研究基础。目前，国内从事复合材料储氢气瓶研发与生产的企业和科研机构有中材(苏州)科技有限公司、北京化工大学和浙江大学等。美国Quantum公司目前在车载氢气供应系统研 究与开发方面具有比较领先的技术优势。美国Quantum公司通过与美国国防部的合作，研制出了Hy．Hauler移动加氢系统，分为HyHauler普通型和Hy．Hauler改进型。普通型系统通过把储氢气瓶输送至异地现场，其工作压力一般为35MPa或70MPa。改进型系统为自带电解装置电解水制氢，同时通过高压快充技术，能够把单辆车的加注时间缩短至三分钟内。美国国防部已经将HyHauler系统成功应用到部分车辆上。2010年，浙江大学成功研制70MPa轻质铝内胆纤维缠绕储氢瓶，解决了高抗疲劳性能的缠绕线形匹配、超薄（0.5mm）铝内胆成型等关键技术，其单位质量储氢密度达5.7%，实现了铝内胆纤维缠绕储氢瓶的轻量化。目前，中国70MPa瓶III型的使用标准GBT35544—2017《车用压缩氢气铝内胆碳纤维全缠绕气瓶》已经颁布，并开始在轿车中小范围应用。高压气态储氢以气瓶为储存容器，其优点是成本低、能耗少，可以通过减压阀调节氢气释放速度，充气、放气速度快，动态响应好，能在瞬间开关氢气，满足氢燃料电池车车用要求。同时，其工作温度范围较宽，可在常温和零下几十度的低温环境下正常工作。高压气态储氢是目前较为成熟的车载储氢技术，但其体积储氢密度还很小，未达到美国能源部制定的发展目标。今后，高压气态储氢还需向着轻量化、高压化、低成本、质量稳定的方向发展。

2. 研究的基本内容与方案

基本内容

1. 选择合适的储氢技术。对于高压储氢，目前车用气瓶有四种类型全金属气瓶(I型)、金属内胆纤维环向缠绕气瓶(Ⅱ型)、金属内胆纤维全缠绕气瓶(Ⅲ型)、非金属内胆纤维全缠绕气瓶(Ⅳ型)结合课题要求相比较选择合适的类型，本文采用金属内胆的Ⅲ型气瓶，高压储氢。

2. 瓶身总体结构物理模型初步构建，基于储氢压力则要求高达70MPa与保证一次加氢后行驶距离达到500km设计出合符实际的气瓶：

a.瓶身形状设计