車載儲氫瓶內充氫溫度對充氫溫度的影響

0氫能的社會應用近年來，世界積極應對氣候變化，將氫氣作為清潔高效的雙次能源加以關注。2019年3月，氫能源首次寫入我國《政府工作報告》，明確將推動加氫等設施建設。2020年4月，國家能源局發布《中華人民共和國能源法（征求意見稿）》，氫能被列入能源范疇。2020年6月，氫能先后被寫入《2020年國民經濟和社會發展計劃》、《2020年能源工作指導意見》。在這些政策的鼓勵下，氫燃料電池汽車獲得了巨大的發展機遇針對這個問題國內外學者都進行了相關研究。安剛基于以上研究，可以得出對氣源氫氣進行預冷處理是解決溫升現象的方法之一，因此本文旨在建立在車載儲氫瓶中氫氣充入質量與氫氣狀態參數的預測模型，揭示充氫溫度與環境溫度對充入氣體的質量與氣瓶內最終溫度的影響，從而進一步探究在不同充氣狀態下的最佳充氫溫度并使用該預測模型為加氫機控制系統提供設計依據。1預測模型的構建1.1車載儲氫瓶建模分析在加氫站中，將不同來源的氫氣經過壓縮機增壓儲存在站內的高壓罐中。加注時，氫氣從高壓儲氫瓶中流出，經過冷卻器進行預冷處理后，通過加氫機加注到汽車的車載儲氫瓶中，具體加注過程如圖1所示。加注過程中管道中存在閥門與傳感器，可以控制氣源氫氣保證壓力基本不變，并且可以隨時監控氣源氫氣的狀態參數。因此在建模分析前，進行了以下假設：1)氣瓶內的氣體狀態是均勻的，各點的溫度,壓力完全一致；2)快速充氣時間短，充氣過程中由環境吸收的熱量很少，忽略不計；3)氣體在管路中的流動視為絕熱過程；4)車載儲氫氣瓶視為絕熱，氣體不會通過壁面與外界有熱量交換；5)氣體視為理想氣體。1.2充氣過程建模由上述假設1-4，充氫過程可簡化為圖2所示的開口熱力學系統，充氫過程中充氫溫度與充氫壓力恒定，車載氣瓶內初始壓力與氣體質量為氣體剩余狀態，初始溫度為環境溫度；充氫結束后車載氣瓶內最終壓力為目標充入壓力（氣瓶額定壓力），車載氣瓶內氣體質量與溫度為預測模型所需預測值。圖中T把熱力學第一定律用于上述充氣過程，則充氫過程的能量變化方程式為：式(1)中u指氣體比內能，J/kg;h對(1)式積分得：式中m由假設5）可得：式中C把式(3)代入式(2)有：把理想氣體狀態方程式pV=mR式中R則充入氫氣瓶的氣體質量為：由于理想氣體比熱容比為絕熱指數k(值為1.4)，則充氣質量預測公式為：把理想氣體狀態方程用于充氣前后的氣體，有：式中T則最終氣體預測公式為：令T以上即為車載儲氫瓶內充氣狀態預測模型。當加氫站以恒定的充氫溫度與充氫壓力，目標壓力為氣瓶額定壓力進行充氣時，該預測模型可以預測車載氣瓶內最終氣體質量與溫度。1.3證模型合理性分析本文通過將實際加氫過程所得到的實驗數據與預測模型計算所得的預測值進行對比來驗證模型的合理性。驗證用實驗數據取自日本汽車研究所氣瓶實際溫升實驗基于表1中的實際初始參數，依照本文預測模型所得車載儲氫瓶內充氣最終溫度(T模型預測值與實驗數據處于一個合理的偏差范圍內，說明建立的模型是合理的、并可以滿足工程需求。2預測模型應用2.1車載儲氫瓶初始壓力的確定在國外，目前車載儲氫瓶，由于技術限制其額定承受壓力為70MPa，最高可承受溫度為85℃。同時SAEJ2601中提出，車載高壓儲氫罐氫氣加注過程中應滿足高壓儲氫罐內氫氣的溫度不能超過85℃的要求。因此本節應用預測模型研究在滿足填充質量的要求下充氫溫度與車載氣瓶內氣體最終溫度的關系。本文參照豐田Mirai在不同車載儲氫瓶初始壓力下對車載儲氫瓶內充氣質量的預測結果如圖3所示；在不同車載儲氫瓶初始壓力下車載氣瓶內氣體最終溫度的預測結果如圖4所示。其中水平線表示氣瓶能承受的最大溫度值，85℃。由圖3可以看出隨著充氫溫度的升高，氣體填充質量在減少，并且隨著初始氣體壓力的升高，填充質量隨充氫溫度變化的趨勢逐步平穩，可以得出初始壓力越大，充氫溫度對可填充氣體質量影響就越低。由圖4可以看出隨著充氫溫度的升高氣體，初始氣體壓力較低時氣瓶內最終氣體溫度升高率越大，充氫溫度對溫升的影響也就越大。同時從圖4可以看出當車載氣瓶內氣體剩余較少時充氫溫度在-10℃以上會導致車載氣瓶內氣體的最終溫度都會超過溫度限制，因此在70MPa加氫時需要將氣源氫氣預冷至-10℃以下。而當車載氣瓶內氣體剩余較多時(如30MPa所示)，可以不對氫氣進行預冷處理。因此將填充質量與車載氣瓶內最終溫度結果擬合后可以初步判斷最佳充氫溫度，擬合結果如圖5所示。圖5中我們可以找出在不同初始壓力下在不超過車載氣瓶最大溫度限值與滿足充入質量的前提下，最佳充氫溫度。如當環境溫度為20℃，汽車處于最低充氣壓力(6MPa)狀態時，在滿足溫度與質量的要求下充氫溫度選取-30℃為宜。2.2將明確為車載氣不穩定，將降低車載儲氫瓶內最終溫度國內目前建成的加氫站主要服務燃料電池公共汽車和物流卡車，加注壓力以35MPa為主本節應用預測模型，研究隨環境溫度的變化對氣體充滿時車載儲氫瓶內氣體最終溫度的影響。參照海格氫燃料電池根據預測模型所得結果如圖6所示。從圖6可以看出，環境溫度越高車載儲氫瓶內最終溫度越高；初始氣體壓力越低，氣體溫升率越低，環境溫度對溫升現象影響也就越小。2.3最高充氫溫度對于最佳充氫溫度的選擇,一般在不超過車載氣瓶最大溫度限值與滿足充入質量的前提下，最高充氫溫度?；谏鲜鰲l件由預測模型可以得到如下方程組：式中△m解方程組(11)得：故最佳充氫溫度值為滿足不等式(12)的最大值。方程組(12)即為最佳充氫溫度預測模型。3驗證模型的合理性本文應用工程熱力學基本理論建立了車載儲氫瓶中氫氣充入質量與氫氣狀態參數的預測模型，并依照實驗數據對模型進行了驗證，證明了模型的合理性。應用預測模型得出如下主要結論：(1)車載氣瓶內初始壓力