重點(diǎn)分析低溫液氫儲(chǔ)存的現(xiàn)狀及存在問(wèn)題

1、重點(diǎn)分析低溫液氫儲(chǔ)存的現(xiàn)狀及存在問(wèn)題1能源始終是人類進(jìn)展的永恒話題，也是國(guó)家進(jìn)展的重要 戰(zhàn)略資源。人類的進(jìn)展史也是能源的更迭史。自 18 世紀(jì)拉瓦錫給氫命名以來(lái)，對(duì)氫的爭(zhēng)辯已有 200 多年的歷史。氫能具有儲(chǔ)量大、熱值高、零污染等無(wú)與倫比的優(yōu)勢(shì)，能很好解 決人類社會(huì)能源短缺、環(huán)境污染等迫在眉睫的問(wèn)題。目前， 氫能已由曾經(jīng)所謂的“將來(lái)能源”開(kāi)頭逐步應(yīng)用于低溫液體 火箭、汽車、船舶和飛機(jī)的動(dòng)力源，以及燃料電池中。目前有兩個(gè)重要問(wèn)題制約著氫能進(jìn)展，一是氫的制取， 二是氫的儲(chǔ)存。對(duì)于氫的制取，目前工業(yè)大規(guī)模使用的制取方法主要以 電解水和甲烷水蒸氣重整制氫(Steammethanereforming，S

2、M)為主，也有一些生物制氫方面的爭(zhēng)辯，主要問(wèn)題是電解水耗能太大，本錢太高，顯得得不償失；而甲烷重整相對(duì)CO 及 CO2溫室氣體不利于環(huán)境友好對(duì)于氫的儲(chǔ)存，目前獲得廣泛關(guān)注的儲(chǔ)氫技術(shù)主要有高 壓儲(chǔ)氫、低溫液態(tài)儲(chǔ)氫以及金屬氫化物儲(chǔ)氫。固然也不乏一 些的儲(chǔ)氫技術(shù)，主要是一些型的儲(chǔ)氫材料，包括有機(jī)溶 液儲(chǔ)氫以及納米碳管儲(chǔ)氫等，其在試驗(yàn)室爭(zhēng)辯中具有肯定的 優(yōu)越性能，表現(xiàn)出巨大潛力。但由于難以批量生產(chǎn)、本錢過(guò) 高、脫氫效率低等緣由，目前距大規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用還有肯定 距離。主要儲(chǔ)氫技術(shù)高壓儲(chǔ)氫是常溫下將氣態(tài)的氫壓縮至高壓狀態(tài)而儲(chǔ)存在氣罐中。目前儲(chǔ)氫氣罐的壓力主要有 153570MPa 三種。15MPa 的高壓

3、儲(chǔ)氫氣罐為一般的鋼制儲(chǔ)氫氣罐，其設(shè)計(jì)制造技術(shù)成熟，本錢相對(duì)較低，對(duì)壓縮機(jī)的壓力要求低，能耗也相應(yīng)較低，但其氣罐質(zhì)量很大，單位儲(chǔ)氫密度小，儲(chǔ)氫效率低。隨著氫能開(kāi)頭在汽車燃料電池中取得應(yīng)用，對(duì)儲(chǔ)氫罐的儲(chǔ)氫密度與儲(chǔ)氫效率提出了更高要求，一般的鋼制儲(chǔ)氫氣罐不再適用，輕質(zhì)高壓儲(chǔ)氫容器成為爭(zhēng)辯重點(diǎn)。輕質(zhì)高壓儲(chǔ)氫容器多為金屬內(nèi)膽纖維纏繞復(fù)合材料儲(chǔ)氫罐，目前 35MPa 已是較成熟的技術(shù)，70MPa2022 年年底上市的氫燃料電池汽車 Mirai70MPa目前國(guó)內(nèi)也有很多企業(yè)完成了 70MPa 高壓氫燃料電池汽車儲(chǔ)氫罐的研發(fā)工作。低溫液態(tài)儲(chǔ)氫是先將氫氣液化，然后儲(chǔ)存在低溫絕熱容 70.78kg/m3，是標(biāo)況下

4、氫氣密度008342kg/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)氫是一種格外抱負(fù)的方式。但 由于液氫的沸點(diǎn)極低(2037K)，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。因此對(duì)于大量、遠(yuǎn) 距離的儲(chǔ)運(yùn)，承受低溫液態(tài)的方式才可能表達(dá)出優(yōu)勢(shì)。目前 液氫主要作為低溫推動(dòng)劑用于航天中，而對(duì)于以液氫為動(dòng)力 的汽車與無(wú)人機(jī)的液氫貯箱也有一些爭(zhēng)辯，但到目前為止還 沒(méi)有實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。金屬氫化物儲(chǔ)氫是承受某些金屬或合金與氫氣形成化 合物，而對(duì)形成的氫化物加熱又會(huì)釋放出氫氣，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)氫的儲(chǔ)存與釋放

5、。這種方式安全性好、氫氣純度高、單位體 該項(xiàng)技術(shù)目前存在兩大關(guān)鍵問(wèn)題，一是在大規(guī)模應(yīng)用中提高儲(chǔ)氫材料的儲(chǔ)氫量，二是降低材料本錢并節(jié)約貴重金屬。目前來(lái)看，金屬氫化物儲(chǔ)氫還處在試驗(yàn)爭(zhēng)辯階段。表 1 總結(jié)歸納了以上三種主要儲(chǔ)氫方式的優(yōu)缺點(diǎn)以及目前主要的應(yīng)用。橫向比照三種主要的儲(chǔ)氫技術(shù)，高壓儲(chǔ)氫目前進(jìn)展最為 成熟，應(yīng)用也最為廣泛，但在儲(chǔ)氫密度及安全性方面存在瓶 頸；金屬氫化物儲(chǔ)氫技術(shù)則表現(xiàn)出巨大潛力，但目前還處在 爭(zhēng)辯階段；低溫液態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)具有單位質(zhì)量和單位體積儲(chǔ)氫 密度大確實(shí)定優(yōu)勢(shì)，但目前儲(chǔ)存本錢過(guò)高，主要表達(dá)在液化 過(guò)程耗能大，以及對(duì)儲(chǔ)氫容器的絕熱性能要求極高兩個(gè)方面，目前低溫液氫技術(shù)多用于航天，

6、但也越來(lái)越有向民用發(fā) 展的趨勢(shì)。本文將著重探討低溫液化儲(chǔ)氫技術(shù)的進(jìn)展及其主要的技術(shù)手段，包括低溫絕熱技術(shù)與低溫儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)，指出目前存 在的問(wèn)題與將來(lái)的進(jìn)展趨勢(shì)。低溫絕熱技術(shù)低溫絕熱技術(shù)是低溫工程中的一項(xiàng)重要技術(shù)，也是實(shí)現(xiàn) 低溫液體儲(chǔ)存的核心技術(shù)手段，依據(jù)是否有外界主動(dòng)供給能量可分為被動(dòng)絕熱和主動(dòng)絕熱兩大方式。被動(dòng)絕熱技術(shù)已廣 泛運(yùn)用于各種低溫設(shè)備中；而主動(dòng)絕熱技術(shù)由于需外界的能 量輸入，雖能到達(dá)更好的絕熱效果，甚至做到零蒸發(fā)存儲(chǔ)(Zeroboiloff，ZBO)，但也勢(shì)必帶來(lái)一些問(wèn)題，如需要其 他的附加設(shè)備而增加整套裝置的體積與重量，制冷機(jī)效率低、能耗大、得不償失，本錢高、經(jīng)濟(jì)性差。被動(dòng)技術(shù)被動(dòng)

7、絕熱技術(shù)不依靠外界能量輸入來(lái)實(shí)現(xiàn)熱量的轉(zhuǎn)移， 而是通過(guò)物理構(gòu)造設(shè)計(jì)，來(lái)削減熱量的漏入而削減冷損。一 種明顯的思路是通過(guò)增加熱阻來(lái)削減漏熱，如傳統(tǒng)的積存絕 熱、真空絕熱等。此外，一種型的變密度多層絕熱技術(shù)類似的根本思路來(lái)削減漏熱。傳統(tǒng)技術(shù)常用的傳統(tǒng)低溫絕熱主要有積存絕熱、高真空、真空粉 2變密度多層絕熱對(duì)于常規(guī)多層絕熱的爭(zhēng)辯說(shuō)明，在高溫側(cè)輻射熱流占主 導(dǎo)，而在低溫側(cè)輻射屏之間的固體導(dǎo)熱熱流顯著增加。HastingsLJ 等和MartinJJ 等首先提出 VDMLI(變密度多層絕熱)構(gòu)造，認(rèn)為可在輻射熱流占主導(dǎo)的高溫側(cè)使用較大的層密度來(lái)削減輻射換熱，而在低溫側(cè)使用較小的層密度 來(lái)削減固體材料導(dǎo)熱，

8、來(lái)優(yōu)化多層絕熱材料的整體性能。國(guó)內(nèi)的一些學(xué)者也對(duì) VDMLI 進(jìn)展了一些相關(guān)爭(zhēng)辯。朱浩唯等爭(zhēng)辯了多層絕熱構(gòu)造的最優(yōu)化層密度分布方式與絕 熱系統(tǒng)各參數(shù)之間的關(guān)系；王瑩等對(duì)火箭低溫推動(dòng)劑儲(chǔ)罐外 的 VDMLI 構(gòu)造進(jìn)展了傳熱爭(zhēng)辯，認(rèn)為VDMLI 比 MLI 構(gòu)造具有更輕的質(zhì)量和更好的絕熱效果，且熱邊界溫度對(duì) VD MLI 的絕熱性能有主要影響；王田剛等通過(guò)正交試驗(yàn)法對(duì) VDMLI 的層密度設(shè)計(jì)了不同的組合方案，并通過(guò)傳熱模型分析，確定了不同的熱端溫度下所需的最小厚度。相比于傳統(tǒng)的多層絕熱，VDMLI 技術(shù)有更好的絕熱性能，且在重量上也更具優(yōu)勢(shì)，相關(guān)爭(zhēng)辯說(shuō)明，在低溫推動(dòng)劑長(zhǎng)期在軌儲(chǔ)存方面，承受VDM

9、LI 技術(shù)與傳統(tǒng)的多層絕熱相 比，推動(dòng)劑蒸發(fā)量削減近 60%，而絕熱材料質(zhì)量削減近 40%。輻射制冷輻射傳熱是一種重要的傳熱方式，尤其在空間中更顯得 尤為重要。SunXW 等通過(guò)理論計(jì)算認(rèn)為，在軌液氫低溫儲(chǔ)罐可通過(guò)輻射向空間的深冷環(huán)境放熱，從而做到液氫在兩年時(shí) 間內(nèi)的零蒸發(fā)儲(chǔ)存。利用飛行器姿勢(shì)與構(gòu)造，將向空間約27K 的冷背景傳熱的輻射制冷機(jī)作為一種非機(jī)械制冷機(jī)， 也有諸多優(yōu)點(diǎn)，如無(wú)運(yùn)動(dòng)部件、無(wú)振動(dòng)、牢靠性高、無(wú)需主 動(dòng)耗能、不產(chǎn)生額外熱量，但由于太空環(huán)境簡(jiǎn)單，太陽(yáng)照耀 處可達(dá)近 6000K 高溫，而背陽(yáng)處則直接面對(duì)宇宙深冷背景，因此輻射制冷對(duì)飛行器的飛行姿勢(shì)要求很高。主動(dòng)技術(shù)主動(dòng)絕熱技術(shù)是通

10、過(guò)以耗能為代價(jià)來(lái)主動(dòng)實(shí)現(xiàn)熱量轉(zhuǎn)移，常見(jiàn)的手段是承受制冷機(jī)來(lái)主動(dòng)供給冷量，與外界的漏熱平衡，從而實(shí)現(xiàn)更高水平的絕熱效果。主動(dòng)技術(shù)常用在一些閃蒸氣(Boiloffgas，BOG)再液化流程中，如LNG 船的再液化流程及核磁共振儀中液氦的再 液化等。航天技術(shù)中主動(dòng)絕熱技術(shù)常用來(lái)供給低溫液體推動(dòng)劑的零蒸發(fā)儲(chǔ)存(Zeroboiloff，ZBO)，在被動(dòng)絕熱根底上， 通過(guò)制冷機(jī)主動(dòng)耗能供給冷量來(lái)進(jìn)展熱量轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)低溫液NASA20星探測(cè)而需低溫推動(dòng)劑長(zhǎng)期在軌儲(chǔ)存。目前這項(xiàng)技術(shù)在地面上已能實(shí)現(xiàn)液氧及液氫的 ZBO 儲(chǔ)存，但在空間中受限于低溫制冷機(jī)的效率問(wèn)題，液氫在軌 ZBO 還沒(méi)取得突破，但也能大大削減其蒸

11、發(fā)量。零蒸發(fā)技術(shù)進(jìn)展2022NASAGlenn儲(chǔ)存進(jìn)展了試驗(yàn)，來(lái)驗(yàn)證使用當(dāng)時(shí)的技術(shù)實(shí)現(xiàn) ZBO 概念的可1承受高真空多層絕熱，儲(chǔ)罐頂部配有一臺(tái)兩級(jí) GM一級(jí)供給 20W35K 制冷量，其次級(jí)供給 175W18K 制冷 量。二級(jí)冷頭與儲(chǔ)罐中的冷凝器相連，一級(jí)冷頭與銅葉片相連制冷機(jī)工作時(shí)，當(dāng)排氣閥關(guān)閉后，罐內(nèi)壓力持續(xù)而穩(wěn)定 下降，制冷機(jī)工作 8h 后，可實(shí)現(xiàn)罐內(nèi)液氫的零蒸發(fā)，但冷凝換熱器存在高達(dá) 8K 的溫度梯度，這就需冷頭供給更低的溫度，從而導(dǎo)致制冷機(jī)功率的上升及效率的下降。且這項(xiàng)試 驗(yàn)在地面環(huán)境下進(jìn)展，主要是通過(guò)自然對(duì)流來(lái)?yè)Q熱，而該種 方式在空間中無(wú)法實(shí)現(xiàn)，此外試驗(yàn)中使用的是工業(yè)制冷機(jī)。在隨后

12、的 2022 年，Marshall 空間飛行中心承受噴桿與制冷機(jī)相結(jié)合，承受強(qiáng)制對(duì)流換熱的方式，實(shí)現(xiàn)了液氫的零 2K2 所示，儲(chǔ)罐容積 18m3，制冷機(jī)安裝在柱狀儲(chǔ)罐底部，能供給 30W20K 制冷量，液氫在循環(huán)泵的作用下，從罐體底部流經(jīng)制冷機(jī)冷頭獲得冷量后，經(jīng)噴桿噴射進(jìn)入儲(chǔ)罐中，與罐中液體進(jìn)展強(qiáng)制對(duì)流換熱，帶走罐內(nèi)熱量，實(shí)現(xiàn)零蒸發(fā)儲(chǔ)存。2022 年，Glenn 爭(zhēng)辯中心使用航天用脈管制冷機(jī)、而非工業(yè)制冷機(jī)來(lái)進(jìn)展液氮的 ZBO 試驗(yàn)。試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖 3，球型儲(chǔ)罐直徑 142m，外側(cè)布置有多層絕熱，制冷機(jī)位于儲(chǔ)罐頂 10W95K 制冷量。儲(chǔ)罐底部布置有浸沒(méi)式混流泵進(jìn)展混流，破壞熱分層。系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)

13、儲(chǔ)罐內(nèi)液氮的零蒸發(fā)，但制冷機(jī)與低溫液體間存在高達(dá) 69K 的溫度梯度，且混流泵會(huì)帶來(lái)額外的熱量。此后，通過(guò)液體罐內(nèi)冷卻的方式被擱置，試圖查找制冷此后，通過(guò)液體罐內(nèi)冷卻的方式被擱置，試圖查找制冷機(jī)與儲(chǔ)罐更好的連接方式。2022 年，PlachtaDW 等提出一種的流程來(lái)削減低溫液體的蒸發(fā)，認(rèn)為儲(chǔ)罐外布置一個(gè)大面積氣體冷卻屏，能大大削減蒸發(fā)量，被稱為大面積冷卻屏(Boardareacooled，BAC)技術(shù)，該流程示意圖如圖 4 所示。低溫液體儲(chǔ)罐外布置有多層絕熱與大面積冷屏，冷屏是 由多根氣體管路纏繞布置組成，冷屏與制冷機(jī)構(gòu)成制冷回路，給儲(chǔ)罐內(nèi)的液體供給冷量，制冷機(jī)為布雷頓制冷機(jī)，循 環(huán)工質(zhì)為低

14、溫氦氣，壓縮后的氦氣經(jīng)透平膨脹機(jī)膨脹獲得冷 量。這種BAC 技術(shù)的獨(dú)特之處在于罐內(nèi)的熱量通過(guò)布置在儲(chǔ)罐外部、與制冷機(jī)相連的氣體循環(huán)回路轉(zhuǎn)移，相比于以往將 換熱器布置在儲(chǔ)罐內(nèi)部的方法更有效，溫度梯度大大削減。由此，ZBO 技術(shù)依據(jù)使用的制冷機(jī)不同而分為兩類:逆布雷頓式(everseturboBraytoncycle，TBC)與分別式(斯特林、脈管、GM 等)。分別式制冷機(jī)的冷指一般較小，很難與較大的儲(chǔ)罐集成；而TBC 通過(guò)壓縮機(jī)供給動(dòng)力，可將冷量通過(guò)布置在儲(chǔ)罐外部的冷屏較均勻分布，且冷屏中的介質(zhì)與制冷機(jī)工質(zhì)一樣，無(wú)需額外的換熱器。此后，針對(duì)BAC 技術(shù)用于空間在軌飛行的低溫推動(dòng)劑貯箱，NASA

15、進(jìn)展了大量爭(zhēng)辯，通過(guò)這項(xiàng)技術(shù)，已實(shí)現(xiàn)了液氮液氧的零蒸發(fā)。但對(duì)于液氫，受限于 20K 溫區(qū)制冷機(jī)技術(shù)的效率等問(wèn)題，雖未能做到零蒸發(fā)，但也大大削減了蒸發(fā)量。2022 年，NASA 完成了地面上集制冷儲(chǔ)存一體式大型液氫貯槽(IAS)的測(cè)試，如圖 5 所示。該系統(tǒng)用來(lái)給航天飛行器供給液氫，系統(tǒng)使用低溫氦氣來(lái)冷卻氫，承受的林德L1620 閉式逆布雷頓制冷循環(huán)在 20K 供給 390W經(jīng)測(cè)試成功完成了三個(gè)主要目標(biāo):液氫的零損失儲(chǔ)存和轉(zhuǎn) 移、推動(dòng)劑的致密化及氫氣液化。該系統(tǒng)是 ZBO 技術(shù)在地面上的一次應(yīng)用，對(duì)今后 ZBO 技術(shù)從空間到地面，乃至從航天軍工向民用轉(zhuǎn)移均具有重要意義。問(wèn)題與難點(diǎn)主動(dòng)絕熱技術(shù)是在

16、低溫制冷機(jī)技術(shù)的根底上進(jìn)展而來(lái)， 也受限于低溫制冷機(jī)技術(shù)。目前存在的主要問(wèn)題與難點(diǎn)有:低溫制冷機(jī)的效率問(wèn)題還需進(jìn)一步突破，特別是對(duì)于航天用的 20K 或更低溫區(qū)小型低溫制冷機(jī)，效率較低，且需考慮散熱、能耗、重量及振動(dòng)等問(wèn)題。對(duì)于儲(chǔ)罐自增壓與熱分層機(jī)理與模型有待進(jìn)一步完善。自增壓與熱分層是低溫儲(chǔ)罐中的重要現(xiàn)象，直接影響到 儲(chǔ)罐的熱力學(xué)性能。針對(duì)兩者機(jī)理與模型的爭(zhēng)辯很多，對(duì)于 自增壓使用較為廣泛的模型主要是多區(qū)域模型，目前對(duì)于熱 分層模型，使用較為廣泛的是 DaigleMT 等提出的簡(jiǎn)化熱力學(xué)模型，使用了集總參數(shù)法。此外，針對(duì)儲(chǔ)罐的自增壓與熱 分層現(xiàn)象還有一些 CFD 爭(zhēng)辯，但目前的理論模型與試驗(yàn)

17、結(jié)果符合程度有限，且泛用性不高，還有待進(jìn)一步爭(zhēng)辯。在航天方面，還需考慮空間中簡(jiǎn)單的微重力傳熱問(wèn)題。目前微重力傳熱理論還不完善，且缺少在微重力環(huán)境下 的傳熱爭(zhēng)辯數(shù)據(jù)，試驗(yàn)難度大。兩者比較主動(dòng)絕熱技術(shù)一般建立在被動(dòng)絕熱根底上，但其中的被動(dòng)絕熱構(gòu)造無(wú)需像單純使用被動(dòng)絕熱那樣要求高。主動(dòng)絕熱 ZBO 儲(chǔ)存，但需額外配備低溫制冷機(jī)系統(tǒng)。相比于被動(dòng)絕熱，一是會(huì)增加能耗，產(chǎn)生熱量，航天中由于對(duì)熱量、空間及重量的要求格外嚴(yán)格，及航天用低溫制冷機(jī)效率低下等緣由，對(duì)主動(dòng)技術(shù)增加了不小難度；二是增加額外低溫設(shè)備，本錢提高，系統(tǒng)簡(jiǎn)單化，效率較低，但考慮能做到更好的絕熱，更 但其液體日蒸發(fā)較高。兩者相比而言，承受主動(dòng)絕

18、熱技術(shù)而增加的那局部本錢，來(lái)實(shí)現(xiàn)更少的低溫液體日蒸發(fā)率，從而削減液體損失是否值得，這是一個(gè)值得權(quán)衡的問(wèn)題，其選擇也因不同的場(chǎng)合(空間或者地面)，不同的低溫工質(zhì)(液氧、而不同。在航天方面，基于主動(dòng)絕熱技術(shù)的低溫液體 ZBO 技術(shù)主要目的，是為了實(shí)現(xiàn)低溫推動(dòng)劑的長(zhǎng)期在軌儲(chǔ)存，執(zhí)行長(zhǎng)期外太空的飛行任務(wù)，削減放射本錢。當(dāng)承受被動(dòng)技術(shù)時(shí)，一般把握液體的日蒸發(fā)率在肯定范圍內(nèi)，但無(wú)論被動(dòng)絕熱效果多好，總會(huì)有低溫液體損失，為滿足長(zhǎng)期在軌的需要，須考慮到損失量以裝載更多的低溫推動(dòng)劑，這就增加了飛行器的PlachtaD 等指出，對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間在軌飛行，ZBO 技術(shù)才具有優(yōu)勢(shì)，而對(duì)于短期在軌任務(wù)，ZBO技術(shù)則無(wú)必要。劉

19、欣等對(duì)兩種方式的分析說(shuō)明，對(duì)于 50t 規(guī)模日蒸發(fā)率為 05%的液氧儲(chǔ)罐，在軌時(shí)間5d 時(shí)，基于主動(dòng)技術(shù)的 ZBO 技術(shù)在把握系統(tǒng)重量上具有優(yōu)勢(shì)，當(dāng)在軌時(shí)間5d 時(shí)，被動(dòng)絕熱技術(shù)更具優(yōu)勢(shì)；對(duì)于 9t 規(guī)模日蒸發(fā)率為 1%的液氫儲(chǔ)罐，分界時(shí)間為 62d，對(duì)于更長(zhǎng)時(shí)間的在軌時(shí)間，ZBO低溫儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)構(gòu)造設(shè)計(jì)外型外形儲(chǔ)罐的日蒸發(fā)率一般隨著儲(chǔ)罐的尺寸增大而減小，對(duì)于 同規(guī)模的儲(chǔ)罐，球型容器的日蒸發(fā)率最小。一般認(rèn)為儲(chǔ)罐漏 熱量與容器的比外表積成正比。常見(jiàn)的儲(chǔ)罐外型有球型和柱 形兩類。由幾何學(xué)可知，球型比外表積最小，同時(shí)也具有應(yīng)力分 制造難度大。相對(duì)而言，柱形儲(chǔ)罐比外表積稍大，相比于球型儲(chǔ)罐， 漏熱量與日蒸

20、發(fā)率也相應(yīng)較大。柱形容器通常作為大路或鐵路車輛運(yùn)輸容器，是由于運(yùn)輸對(duì)容器的高度、寬度有嚴(yán)格要 求。支撐構(gòu)造支撐構(gòu)造主要指內(nèi)膽和外殼之間的支撐，這局部構(gòu)造是 主要的漏熱途徑，該局部的導(dǎo)熱漏熱量往往超過(guò)總漏熱量的30%。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選用導(dǎo)熱系數(shù)低的材料，盡量削減支撐截面面積、增大支撐有效絕熱長(zhǎng)度，以盡可能削減漏熱。低溫材料工程材料在低溫環(huán)境(120K)中表現(xiàn)出來(lái)的特有性質(zhì)， 對(duì)低溫儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)選材至關(guān)重要，下面就工程材料的低溫性 能與目前常用的液氫低溫材料兩方面進(jìn)展闡述。工程材料的低溫性能低溫環(huán)境下，工程材料的物理及力學(xué)性能與常溫下有很 大差異，對(duì)工程材料低溫性能的爭(zhēng)辯，在保障系統(tǒng)牢靠、減 少事故發(fā)生等

21、方面具有重要意義。陳國(guó)邦從自身爭(zhēng)辯閱歷出 發(fā)，結(jié)合中外爭(zhēng)辯成果，總結(jié)了工程材料在低溫下的主要性 能:極限強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度:隨著溫度降低，材料原子振動(dòng) 減弱，需更大的力才能將位錯(cuò)從合金中分開(kāi)，因此材料的極限強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度將增大。疲乏強(qiáng)度和長(zhǎng)久極限:疲乏現(xiàn)象的產(chǎn)生是由于裂紋 因此材料的疲乏強(qiáng)度和長(zhǎng)久極限將增大。沖擊強(qiáng)度:抗沖擊性的表現(xiàn)好壞大局部取決于材料的晶體構(gòu)造。面心立方晶格在低溫下抗沖擊性較好，體心立 方晶格較差。碳鋼在低溫下沖擊強(qiáng)度急劇下降，而玻璃鋼材 料在低溫下沖擊強(qiáng)度卻會(huì)提高。硬度和延展性:與極限強(qiáng)度一樣，溫度降低，金屬材 料硬度將增大。對(duì)無(wú)低溫塑脆性轉(zhuǎn)變現(xiàn)象的材料，延展性 隨溫度下降而上

22、升。有低溫塑脆性轉(zhuǎn)變的材料，延展性在 低溫下會(huì)急劇下降，不應(yīng)用于低溫環(huán)境。彈性模量:彈性模量是原子和分子間作用力的表達(dá)， 因此當(dāng)溫度下降時(shí)，彈性模量增大。常用的低溫材料對(duì)于液氫容器的選材，一是要考慮材料在 20K 低溫的力學(xué)性能，二是要考慮內(nèi)膽材料的氫脆問(wèn)題。依據(jù)鋼制壓力容ASME304304L316316L、321347 等鉻鎳奧氏體不銹鋼可用于 20K容器。國(guó)內(nèi)“50100m3 液氫儲(chǔ)罐內(nèi)膽承受了 304 鋼，而海南大運(yùn)載放射場(chǎng)的 300m3 液氫運(yùn)321安全問(wèn)題壓力安全低溫容器的安全性相比于其他機(jī)械設(shè)備，除設(shè)備強(qiáng)度的 校核外，壓力安全是其安全性保證的重要一環(huán)。為保證低溫 容器安全牢靠工作

23、，須在容器上設(shè)有超壓泄放裝置，常用的 超壓泄放裝置有安全閥和爆破片。實(shí)際工程中常將兩者組合使用，組合方式主要有三種， 6安全閥與爆破片并聯(lián)。安全閥作為一級(jí)泄壓裝置用于操作條件下可能發(fā)生的超壓泄放，爆破片作為意外條件情 6(a)所示。安全閥出口側(cè)串聯(lián)爆破片。爆破片可免受壓力以及 6(b)所示。安全閥入口側(cè)串聯(lián)爆破片?？杀Ｗo(hù)安全閥免受腐蝕、 堵塞、凍結(jié)，避開(kāi)罐內(nèi)介質(zhì)在爆破片產(chǎn)生作用后的損失，如6(c)所示。氫安全對(duì)于儲(chǔ)氫容器，由于氫的一些獨(dú)特性質(zhì)，除壓力安全外 還要考慮易燃易爆及氫脆問(wèn)題。氫氣在空氣中的爆炸極限是40%756%(體積濃度)，范圍極大，極易發(fā)生爆炸，且氫氣分子微小，易發(fā)生泄露。對(duì)于錳

24、鋼、鎳鋼等，由于長(zhǎng)期 暴露在氫氣中，特別在高溫高壓環(huán)境下易發(fā)生氫脆而使強(qiáng)度 降低。結(jié)論與展望至今，氫能的進(jìn)展已到了一個(gè)關(guān)鍵時(shí)期，從過(guò)去的“未 來(lái)能源”，如今正一步步走向大規(guī)模應(yīng)用，氫能城市也正在 規(guī)劃建設(shè)。就三種主流的儲(chǔ)氫方式而言，高壓儲(chǔ)氫技術(shù)較為成熟，將來(lái)將朝著更高壓力、更輕質(zhì)的方向進(jìn)展，目前在燃料 電池車中已有應(yīng)用；金屬氫化物儲(chǔ)氫在將來(lái)一段時(shí)間，將仍 處于試驗(yàn)爭(zhēng)辯階段，但也表現(xiàn)出巨大潛力；低溫液態(tài)儲(chǔ)氫由 于氫液化耗能巨大，且對(duì)低溫絕熱容器性能要求極高，導(dǎo)致 其儲(chǔ)氫本錢昂貴，目前多用于航天方面。絕熱技術(shù)是低溫容器的核心技術(shù)。傳統(tǒng)的被動(dòng)絕熱技術(shù)在低溫系統(tǒng)中均有廣泛應(yīng)用，在此根底上進(jìn)展而來(lái)的變 密度多層絕熱技術(shù)