氢燃料电池汽车加氧站氧气压缩和冷却能耗研究

加氢站氢气压缩能耗和冷却能耗的统计、理论计算和评价分析是确定氢燃料电池汽车用加氢站的能耗和碳排放在交通基础设施中占比时急需开展的研究工作之一。首先对加氢站氢气压缩能耗和冷却能耗的数据进行了统计分析，获得了加氢站压缩能耗和冷却能耗的分布范围以及其所占氢气低热值的比例。其次，基于工程热力学基本理论，推导了加氢站压缩能耗和冷却能耗的计算公式，提出了加氢站最低极限压缩能耗和最低极限冷却能耗的概念及其计算方法。最后，提出了基于压缩能耗系数和冷却能耗系数的加氢站能耗评价方法，并将该方法用于加氢站压缩和冷却能耗评价。结果表明：目前加氢站的压缩能耗和冷却能耗占氢气低热值的比例约为4.6%～19.3%；加氢站的实际压缩能耗系数和冷却能耗明显高于其最低极限压缩能耗和最低极限冷却能耗，降低潜力很大。1、加氢站的能耗统计与分析目前国内外最常见的加氢站是高压氢气加氢站。根据额定加气压力的不同分为35MPa和70MPa两种。对35MPa加氢站而言，其主要能耗为氢气的压缩能耗；对70MPa加氢站而言，其主要能耗为氢气的压缩和冷却能耗。由于压缩和冷却装置几乎全部使用电能，故可认为加氢站的能耗均为电能消耗，并可采用电能的计量单位kW⋅h表示。对国外相关文献进行调研，其结果见表1和表2。表1和表2分别为国外加氢站氢气的压缩和冷却能耗等的调研结果。这些数据主要来自相关示范工程和加氢站的实际能耗统计数据，我国虽然也有加氢站的相关示范工程，但尚未见到其实际能耗相关统计数的公开报道，故表1和表2无我国加氢站的实际能耗数据。表1和表2中低压储气瓶压力pl一列中“-”表示相关文献没有有用数据，pe和pm依次表示车载储气瓶的额定压力和加氢站储氢瓶的最高充气压力。为了便于了解实际压缩和冷却能耗的大小，本文采用实际压缩能耗Esy和实际冷却能耗Esl占氢气低热值Hl百分比的评价方法，在计算时氢气的低热值Hl取为120MJ/kgH2或33.33kW⋅h/kgH2。表1所列结果表明：在不同初始压力和最高压力下，70MPa加氢站的氢气实际压缩能耗在1.53～6.44kW⋅h/kgH2，占氢气低热值的比例（Esy/Hl）为4.6%～19.3%；35MPa加气站的氢气实际压缩能耗在2～4kW⋅h/kgH2，占氢气低热值的比例为6%～12%。由于加氢站氢气的压缩受到低压储气瓶压力、高压储气瓶泄漏量及其连接管路压力损失、环境温度和加气量等因素影响，因此，不同加氢站的压缩能耗差异较大，致使部分35MPa加氢站氢气实际压缩能耗高于70MPa加氢站的这一不符合常规的现象。由表2知，70MPa加氢站的氢气实际冷却能耗Esl范围在0.18～1.37kW⋅h/kgH2，占氢气低热值的比例（Esy/Hl）为0.5%～4.2%。由于加氢站氢气的冷却能耗受到加气量及间隔时间、环境温度、高低温系统绝热性能和冷却系统启动性能等因素的影响，因此，不同加氢站的冷却能耗也出现了巨大差异。表1加氢站氢气压缩能耗调研结果表270MPa加氢站冷却能耗Esl调研结果值得说明的是，由于目前对加氢站的能耗一般采用单位质量的氢气能耗表示，因此，加氢站氢气的加气量对加氢站的能耗影响非常显著。SamSprik等对2014年3季度至2017年4季度美国34个加氢站的能耗进行了统计，其中高压氢气加氢站的统计结果表明：当氢气月销售量高于3500kg时，加氢站的能耗均低于3kW⋅h/kgH2；氢气月销售量低于500kg时，加氢站的能耗最大值达到50kW⋅h/kgH2；氢气月销量小于500kg时，氢气站的能耗随月销量的减少快速上升。从以上加氢站运行中的氢气实际压缩能耗运行数据来看，加氢站氢气的压缩和冷却能耗占氢气低热值的比例不容忽视，减少加氢站的能耗对汽车行业的节能减排具有重要作用。2、加氢站氢气理论压缩能耗的计算目前加氢站广泛使用的氢气压缩机可分为机械式和非机械式压缩机两类，其中机械式压缩机在加氢站应用最多。对于采用机械式压缩机的加氢站而言，其氢气的理论压缩能耗可以采用热力学方法计算。由热力学的基本理论可知，气体压缩所需能耗可由图1所示的气体压力-比容（p-v）曲线图计算得到。图1中符号p、T、v依次表示气体的压力、温度和比容。若假定氢气为理想气体，其压缩过程为多变指数等于n的多变过程，则压缩始点1、压缩过程任意时刻和压缩至终点2的气体状态参数之间的关系如式（1）所列。由初始压力p1压缩至终点压力p2时所需的压缩功（即理论压缩能耗）W1-2可采用公式（2）计算。图1压缩过程的p-v图公式（2）可用于计算多变和绝热压缩过程的能耗，但无法计算等温过程的能耗。对于等温过程（n=1）而言，由初始压力p1压缩至终点压力p2时所需的压缩功则由公式（3）计算。于是，由公式（2）和（3）即可得到氢气多变、绝热和等温压缩过程的压缩能耗。表3列出了n依次为1、1.2和1.4时的理论压缩能耗，计算时假定压缩始点压力和温度分别为5MPa和288K。为了了解由公式（2）和（3）得到的压缩能耗的大小，表3中还列出了理论压缩能耗W1-2占氢气低热值Hl的百分比，此处氢气的Hl取为120MJ/kg。该结果表明：等温压缩过程的压缩功W1-2最低，绝热压缩过程最大，n=1.2的多变过程居中。因此，可以说由公式（3）计算得到的等温压缩过程的压缩能耗W1-2是加氢站实际压缩能耗的最低极限值，故本文将等温压缩过程的压缩能耗作为加氢站的氢气理论压缩能耗，用于评价加氢站实际压缩能耗的先进性。表3理论压缩能耗W1-2与n的关系3、加氢站氢气冷却能耗的计算SAEJ2601标准规定，冷却装置喷嘴出口处氢气温度有0℃、−20℃和−40℃三种。对70MPa的车载气瓶加气时，为了保证车载气瓶能充入足够质量的氢气，一般要求将氢气冷却至−40℃（233.15K）。因此，计算70MPa加氢站中氢气冷却能耗时，其初始温度和终止温度分别为环境温度和−40℃。由热力学第一定律可知，氢气冷却所需最小能耗EL为氢气环境温度下内能与−40℃下内能之差。气体的内能可视为温度的函数，其数值等于氢气的温度与其定容比热的乘积。故计算EL时，首先需要确定氢气定容比热随温度变化的经验公式。图2表示温度在−48℃至102℃范围内氢气的定容比热cv与温度的关系，菱形记号为由文献中定压比热计算得到的定容比热值，多项式曲线为定容比热随温度变化的拟合曲线。可见，氢气的定容比热cv可以用温度的三次函数曲线表示，其方程式为：图2氢气定容比热cv与温度T的关系当氢气由环境温度T冷却至233.15K（−40℃）时需要的冷却能耗为：对（5）式积分，即可得到环境温度T下的氢气冷却到−40℃时理论上所需最小能耗EL（kJ/kgH2）的计算公式（6）。表4列出了由公式（6）计算的把氢气由环境温度t冷却到−40℃时所需的冷却能耗。可见，随着t增加，把氢气从t冷却到−40℃时所需冷却能耗增加；当t为40℃时，氢气冷却到−40℃时所需冷却能耗为816.82kJ/kgH2，仅为氢气低热值Hl的0.68%。与表3所列压缩能耗比较，冷却能耗对加氢站总能耗的影响较小。由于公式（6）计算得到的冷却能耗没有考虑冷却装置启动及待机维持低温时的能量损失，故由公式（6）计算得到的冷却能耗可以视为加氢站的实际冷却能耗的最低极限值。表4不同环境温度下氢气冷却到−40℃时所需能耗4、氢气压缩及冷却能耗的评价参数及其应用分析表1和表2中所列加氢站氢气压缩及冷却能耗实际统计值，以及所占氢气低热值的比例，直观反映了加氢站实际能耗的高低，便于评价和比较不同加氢站氢气压缩及冷却能耗的水平。但对于同一加氢站而言，特别是实际氢气压缩及冷却能耗处于领先水平或最低水平的加氢站，则无法得知该加氢站的能耗是否还有降低的可能，其节能潜力还有多大。为了解决上述问题，本文提出了采用压缩能耗系数cy和冷却能耗系数cl这两个参数进行加氢站能耗评价的新型方法。cy和cl分别表示加氢站的实际压缩和冷却能耗与其对应条件下最低极限压缩能耗和冷却能耗的比值。如cy和cl的数值为1，则表明加氢站实际的压缩和冷却能耗是其最低极限压缩能耗和冷却能耗的1倍。显然，cy和cl的值越大，说明该加氢站的能耗越高，其降低潜力越大。cy和cl可分别由公式（7）和（8）计算：式中，Esy、Esl分别表示加氢站压缩和冷却能耗的实际统计值；Ejy、Ejl分别表示由公式（3）和（6）计算得到的最低极限压缩能耗和最低极限冷却能耗。此处，应该说明的是：压缩和冷却能耗系数的倒数1/cy和1/cl也可以用于加氢站的能耗评价，不同的是：cy和cl的最小值为1，而1/cy和1/cl的最大值为1，1/cy和1/cl为最大值时，加氢站的实际压缩和冷却能耗与其最低极限压缩能耗和冷却能耗相等；另外，1/cy和1/cl的值越小，说明该加氢站的能耗越大，其降低潜力越大。由式（7）和（8），以及压缩能耗和冷却能耗最低极限值的含义可知，cy和cl的最小值为1，此时，压缩能耗和冷却能耗的实际统计值达到了其最低极限值。cy和cl的数值越大，说明加氢站实际能耗的降低潜力越大，cy和cl越接近1，说明该加氢站的能耗越小。为了了解运行中的加氢站的实际压缩能耗和冷却能耗的水平，表5和表6分别列出了由公式（7）和（8）得到的几个加氢站的cy和cl的计算结果。表5列出了5个相关文献中给出的加氢站Esy、低压储氢瓶压力p1、额定充气压力pe和最高充气压力p2，以及Ejy和cy的计算结果。表5中Esy采用了文献中统计数据的中间值；由公式（3）计算Ejy时，p1、p2使用了表5中的数值。表5所列结果表明：目前实际运行中的加氢站的cy值在1.53～4.17之间，压缩能耗最小的加氢站的实际压缩能耗为其最低极限压缩能耗的1.53倍，仍然具有降低潜力。压缩能耗最大的加氢站的实际压缩能耗为其最低极限压缩能耗的4.17倍，降低潜力巨大。表5加氢站的压缩能耗系数cy表6列出了4个额定加氢压力均为70MPa加氢站的Esl，以及Ejl和cl的计算结果。由于相关文献中没有冷却能耗统计阶段的环境温度数值，故计算Ejl时环境温度采用了标准状态的气体温度293.15K；Esl为文献中统计数据的中间值。该结果表明，目前实际运行中的加氢站的cl值在1.12～7.08之间，其变化范围非常大，出现这种现象的原因主要有两点，一是Esl是一段时间之内的统计