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氢具有无毒、无污染、能量密度高、来源广泛等优点，在新能源汽车和航天领域具有广阔的应用前景。但是，氢能利用的一个很大局限是氢的高效贮存。相较于其他贮存方式，液氢贮存具有能量密度高和安全的优势。由于沸点低、易蒸发的特点，液氢贮存对贮箱的绝热系统提出了严苛的要求。目前，应用于液氢贮存的绝热材料主要有泡沫绝热(SOFI)、多层绝热(MLI)和变密度多层绝热(VDMLI)，此外空心玻璃微球(HGMs)近年来也受到重视。在载人登月、深空探测等活动中，对液氢在轨贮存时间提出了更长要求，伴随着低温制冷机技术的不断发展，零蒸发贮存的相关研究也成为本领域的热点。
本文以液氢的高效贮存为背景，针对其低温绝热系统中的泡沫绝热、多层绝热、冷屏绝热等被动绝热技术和以小型低温制冷机为核心的主动制冷技术等关键科学问题，开展了理论分析、数值模拟和实验验证相结合的研究，主要工作及结论如下:
针对液氢长期贮存的需求，对液氢贮存复合绝热系统(SOFI、MLI、VDMLI和VCS)进行了热力学建模，对复合绝热系统的绝热性能和流体贮存效果进行了预测和优化:(1)阐明了SOFI和MLI/VDMLI的耦合匹配方法，能够有助于地面和在轨状态绝热系统的设计;(2)对自蒸发冷屏进行了热力学优化，对其绝热性能进行了定量分析，解释了自蒸发冷屏应用于液氢贮存时绝热效果的热力学极限;(3)对比了自蒸发冷屏对MLI和VDMLI的不同影响，揭示并解释了自蒸发冷屏与VDMLI相互促进的现象，特别探究了真空失效等恶劣工况下复合绝热系统的安全性问题;(4)针对包含自蒸发冷屏的复合绝热系统，定量分析了不同因素（MLI参数、冷热边界温度和真空度等）对其绝热性能的影响。
搭建了低温贮箱蒸发量测试装置，基于55L贮箱，以液氮为测试工质，开展了低温液体贮存复合绝热系统的蒸发量长期稳态实验:(1)采用SOFI和MLI组成的复合绝热系统，分别测试了其在高真空和大气压下绝热性能，证实了该复合绝热系统满足在轨和地面阶段的基本要求（绝热性能和安全性）;(2)采用加工预制模块的方式，针对MLI与VDMLI的绝热性能开展了对照实验，VDMLI获得了较好的绝热性能;(3)设计并制造了一款冷屏（铜屏+铜管），安装在SOFI+MLI复合绝热系统中，测试了自蒸发冷屏的效果，结果显示，该冷屏能够有效回收贮箱蒸发气体的显热冷量，使得贮箱漏热量显著降低(12％～14％)。
针对液氢零蒸发贮存的需求，设计了一套基于制冷机和冷屏的零蒸发系统。考虑到低温制冷机工作温度越高效率越高的工作特性，提出在液氢贮箱外绝热层中安装一冷屏，自制冷机中间级获得冷量，使得进入贮箱漏热量减少，由此实现制冷机功耗的降低。针对该系统，完成了热力学建模，揭示了该系统在降低制冷机功耗方面的潜力。通过对冷屏参数、制冷机运行参数进行了耦合优化，初步核算可降低制冷机功耗60％以上。该系统在减少制冷机功耗，降低制冷机体积和重量方面具有明显优势，有利于未来的空间应用。
搭建了一套基于30L储罐和脉冲管制冷机的零蒸发实验装置。首先，测试了30L储罐的静态热力学性能（漏热量，自增压特性），然后测试了脉冲管制冷机的冷量输出特性;开展了液氮零蒸发稳压实验和液氮过冷贮存实验，验证了无损贮存和压力控制的效果，获得了不同贮存参数下制冷机的工作特点;最后对比了制冷机连续工作和间歇工作等不同工作策略，对制冷机功耗和零蒸发贮存效果的影响。对制冷机功耗进行了系统优化，分析了贮存过程中的热分层现象、制冷机附加热问题对长期贮存的影响。
在热力学模型优化和实验结果的基础上，提出了两种复合绝热系统，以适应不同场景下的液氢贮存:(1)基于空心玻璃微球(HGMs)和自蒸发冷屏(VCS)的复合绝热系统:通过对储罐排出的低温氢气显热冷量的回收，相比原HGMs性能大幅提升，同时保留其安装维护简易的特点，能够应用于地面大型液氢贮存。通过热力学建模和优化计算，该“HGMs+VCS”系统可比HGMs绝热性能提升50％～70％。(2)基于热声制冷机和冷屏的液氢贮存绝热系统:储罐内蒸发氢气流经冷屏(流动过程中其显热冷量被冷屏回收，VCS)，然后进入燃烧室，氢气燃烧产生的热量驱动热声制冷机工作，制冷机冷量通过低温换热器传给冷屏(TRS)。该复合绝热系统可以回收储罐蒸发低温氢气的显热和燃烧热，从而降低液氢蒸发损耗。该复合绝热系统应用于液氢的长期贮存，无需额外电力供应，不向外部环境排放氢气，实现环保，安全贮存。通过热力学建模和优化计算，对比了对SOFI、HGMs和MLI不同影响，该复合系统可比原系统降低80％～90％的氢蒸发损耗。
最后，对全文进行了总结，归纳了本文工作的创新点，指出了研究中的不足之处，并对后续研究进行了展望。
本文以液氢的高效贮存为背景，针对其低温绝热系统中的泡沫绝热、多层绝热、冷屏绝热等被动绝热技术和以小型低温制冷机为核心的主动制冷技术等关键科学问题，开展了理论分析、数值模拟和实验验证相结合的研究，主要工作及结论如下:
针对液氢长期贮存的需求，对液氢贮存复合绝热系统(SOFI、MLI、VDMLI和VCS)进行了热力学建模，对复合绝热系统的绝热性能和流体贮存效果进行了预测和优化:(1)阐明了SOFI和MLI/VDMLI的耦合匹配方法，能够有助于地面和在轨状态绝热系统的设计;(2)对自蒸发冷屏进行了热力学优化，对其绝热性能进行了定量分析，解释了自蒸发冷屏应用于液氢贮存时绝热效果的热力学极限;(3)对比了自蒸发冷屏对MLI和VDMLI的不同影响，揭示并解释了自蒸发冷屏与VDMLI相互促进的现象，特别探究了真空失效等恶劣工况下复合绝热系统的安全性问题;(4)针对包含自蒸发冷屏的复合绝热系统，定量分析了不同因素（MLI参数、冷热边界温度和真空度等）对其绝热性能的影响。
搭建了低温贮箱蒸发量测试装置，基于55L贮箱，以液氮为测试工质，开展了低温液体贮存复合绝热系统的蒸发量长期稳态实验:(1)采用SOFI和MLI组成的复合绝热系统，分别测试了其在高真空和大气压下绝热性能，证实了该复合绝热系统满足在轨和地面阶段的基本要求（绝热性能和安全性）;(2)采用加工预制模块的方式，针对MLI与VDMLI的绝热性能开展了对照实验，VDMLI获得了较好的绝热性能;(3)设计并制造了一款冷屏（铜屏+铜管），安装在SOFI+MLI复合绝热系统中，测试了自蒸发冷屏的效果，结果显示，该冷屏能够有效回收贮箱蒸发气体的显热冷量，使得贮箱漏热量显著降低(12％～14％)。
针对液氢零蒸发贮存的需求，设计了一套基于制冷机和冷屏的零蒸发系统。考虑到低温制冷机工作温度越高效率越高的工作特性，提出在液氢贮箱外绝热层中安装一冷屏，自制冷机中间级获得冷量，使得进入贮箱漏热量减少，由此实现制冷机功耗的降低。针对该系统，完成了热力学建模，揭示了该系统在降低制冷机功耗方面的潜力。通过对冷屏参数、制冷机运行参数进行了耦合优化，初步核算可降低制冷机功耗60％以上。该系统在减少制冷机功耗，降低制冷机体积和重量方面具有明显优势，有利于未来的空间应用。
搭建了一套基于30L储罐和脉冲管制冷机的零蒸发实验装置。首先，测试了30L储罐的静态热力学性能（漏热量，自增压特性），然后测试了脉冲管制冷机的冷量输出特性;开展了液氮零蒸发稳压实验和液氮过冷贮存实验，验证了无损贮存和压力控制的效果，获得了不同贮存参数下制冷机的工作特点;最后对比了制冷机连续工作和间歇工作等不同工作策略，对制冷机功耗和零蒸发贮存效果的影响。对制冷机功耗进行了系统优化，分析了贮存过程中的热分层现象、制冷机附加热问题对长期贮存的影响。
在热力学模型优化和实验结果的基础上，提出了两种复合绝热系统，以适应不同场景下的液氢贮存:(1)基于空心玻璃微球(HGMs)和自蒸发冷屏(VCS)的复合绝热系统:通过对储罐排出的低温氢气显热冷量的回收，相比原HGMs性能大幅提升，同时保留其安装维护简易的特点，能够应用于地面大型液氢贮存。通过热力学建模和优化计算，该“HGMs+VCS”系统可比HGMs绝热性能提升50％～70％。(2)基于热声制冷机和冷屏的液氢贮存绝热系统:储罐内蒸发氢气流经冷屏(流动过程中其显热冷量被冷屏回收，VCS)，然后进入燃烧室，氢气燃烧产生的热量驱动热声制冷机工作，制冷机冷量通过低温换热器传给冷屏(TRS)。该复合绝热系统可以回收储罐蒸发低温氢气的显热和燃烧热，从而降低液氢蒸发损耗。该复合绝热系统应用于液氢的长期贮存，无需额外电力供应，不向外部环境排放氢气，实现环保，安全贮存。通过热力学建模和优化计算，对比了对SOFI、HGMs和MLI不同影响，该复合系统可比原系统降低80％～90％的氢蒸发损耗。
最后，对全文进行了总结，归纳了本文工作的创新点，指出了研究中的不足之处，并对后续研究进行了展望。