车载储氢瓶内充氢温度对充氢温度的影响

车载储氢瓶内充氢温度对充氢温度的影响

0氢能的社会应用近年来，世界积极应对气候变化，将氢气作为清洁高效的双次能源加以关注。2019年3月，氢能源首次写入我国《政府工作报告》，明确将推动加氢等设施建设。2020年4月，国家能源局发布《中华人民共和国能源法（征求意见稿）》，氢能被列入能源范畴。2020年6月，氢能先后被写入《2020年国民经济和社会发展计划》、《2020年能源工作指导意见》。在这些政策的鼓励下，氢燃料电池汽车获得了巨大的发展机遇针对这个问题国内外学者都进行了相关研究。安刚基于以上研究，可以得出对气源氢气进行预冷处理是解决温升现象的方法之一，因此本文旨在建立在车载储氢瓶中氢气充入质量与氢气状态参数的预测模型，揭示充氢温度与环境温度对充入气体的质量与气瓶内最终温度的影响，从而进一步探究在不同充气状态下的最佳充氢温度并使用该预测模型为加氢机控制系统提供设计依据。1预测模型的构建1.1车载储氢瓶建模分析在加氢站中，将不同来源的氢气经过压缩机增压储存在站内的高压罐中。加注时，氢气从高压储氢瓶中流出，经过冷却器进行预冷处理后，通过加氢机加注到汽车的车载储氢瓶中，具体加注过程如图1所示。加注过程中管道中存在阀门与传感器，可以控制气源氢气保证压力基本不变，并且可以随时监控气源氢气的状态参数。因此在建模分析前，进行了以下假设：1)气瓶内的气体状态是均匀的，各点的温度,压力完全一致；2)快速充气时间短，充气过程中由环境吸收的热量很少，忽略不计；3)气体在管路中的流动视为绝热过程；4)车载储氢气瓶视为绝热，气体不会通过壁面与外界有热量交换；5)气体视为理想气体。1.2充气过程建模由上述假设1-4，充氢过程可简化为图2所示的开口热力学系统，充氢过程中充氢温度与充氢压力恒定，车载气瓶内初始压力与气体质量为气体剩余状态，初始温度为环境温度；充氢结束后车载气瓶内最终压力为目标充入压力（气瓶额定压力），车载气瓶内气体质量与温度为预测模型所需预测值。图中T把热力学第一定律用于上述充气过程，则充氢过程的能量变化方程式为：式(1)中u指气体比内能，J/kg;h对(1)式积分得：式中m由假设5）可得：式中C把式(3)代入式(2)有：把理想气体状态方程式pV=mR式中R则充入氢气瓶的气体质量为：由于理想气体比热容比为绝热指数k(值为1.4)，则充气质量预测公式为：把理想气体状态方程用于充气前后的气体，有：式中T则最终气体预测公式为：令T以上即为车载储氢瓶内充气状态预测模型。当加氢站以恒定的充氢温度与充氢压力，目标压力为气瓶额定压力进行充气时，该预测模型可以预测车载气瓶内最终气体质量与温度。1.3证模型合理性分析本文通过将实际加氢过程所得到的实验数据与预测模型计算所得的预测值进行对比来验证模型的合理性。验证用实验数据取自日本汽车研究所气瓶实际温升实验基于表1中的实际初始参数，依照本文预测模型所得车载储氢瓶内充气最终温度(T模型预测值与实验数据处于一个合理的偏差范围内，说明建立的模型是合理的、并可以满足工程需求。2预测模型应用2.1车载储氢瓶初始压力的确定在国外，目前车载储氢瓶，由于技术限制其额定承受压力为70MPa，最高可承受温度为85℃。同时SAEJ2601中提出，车载高压储氢罐氢气加注过程中应满足高压储氢罐内氢气的温度不能超过85℃的要求。因此本节应用预测模型研究在满足填充质量的要求下充氢温度与车载气瓶内气体最终温度的关系。本文参照丰田Mirai在不同车载储氢瓶初始压力下对车载储氢瓶内充气质量的预测结果如图3所示；在不同车载储氢瓶初始压力下车载气瓶内气体最终温度的预测结果如图4所示。其中水平线表示气瓶能承受的最大温度值，85℃。由图3可以看出随着充氢温度的升高，气体填充质量在减少，并且随着初始气体压力的升高，填充质量随充氢温度变化的趋势逐步平稳，可以得出初始压力越大，充氢温度对可填充气体质量影响就越低。由图4可以看出随着充氢温度的升高气体，初始气体压力较低时气瓶内最终气体温度升高率越大，充氢温度对温升的影响也就越大。同时从图4可以看出当车载气瓶内气体剩余较少时充氢温度在-10℃以上会导致车载气瓶内气体的最终温度都会超过温度限制，因此在70MPa加氢时需要将气源氢气预冷至-10℃以下。而当车载气瓶内气体剩余较多时(如30MPa所示)，可以不对氢气进行预冷处理。因此将填充质量与车载气瓶内最终温度结果拟合后可以初步判断最佳充氢温度，拟合结果如图5所示。图5中我们可以找出在不同初始压力下在不超过车载气瓶最大温度限值与满足充入质量的前提下，最佳充氢温度。如当环境温度为20℃，汽车处于最低充气压力(6MPa)状态时，在满足温度与质量的要求下充氢温度选取-30℃为宜。2.2将明确为车载气不稳定，将降低车载储氢瓶内最终温度国内目前建成的加氢站主要服务燃料电池公共汽车和物流卡车，加注压力以35MPa为主本节应用预测模型，研究随环境温度的变化对气体充满时车载储氢瓶内气体最终温度的影响。参照海格氢燃料电池根据预测模型所得结果如图6所示。从图6可以看出，环境温度越高车载储氢瓶内最终温度越高；初始气体压力越低，气体温升率越低，环境温度对温升现象影响也就越小。2.3最高充氢温度对于最佳充氢温度的选择,一般在不超过车载气瓶最大温度限值与满足充入质量的前提下，最高充氢温度。基于上述条件由预测模型可以得到如下方程组：式中△m解方程组(11)得：故最佳充氢温度值为满足不等式(12)的最大值。方程组(12)即为最佳充氢温度预测模型。3验证模型的合理性本文应用工程热力学基本理论建立了车载储氢瓶中氢气充入质量与氢气状态参数的预测模型，并依照实验数据对模型进行了验证，证明了模型的合理性。应用预测模型得出如下主要结论：(1)车载气瓶内初始压力