車載儲氫瓶內(nèi)充氫溫度對充氫溫度的影響

車載儲氫瓶內(nèi)充氫溫度對充氫溫度的影響

0氫能的社會應(yīng)用近年來，世界積極應(yīng)對氣候變化，將氫氣作為清潔高效的雙次能源加以關(guān)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(shè)施建設(shè)。2020年4月，國家能源局發(fā)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(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展計劃》、《2020年能源工作指導(dǎo)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(fā)展機(jī)遇針對這個問題國內(nèi)外學(xué)者都進(jìn)行了相關(guān)研究。安剛基于以上研究，可以得出對氣源氫氣進(jìn)行預(yù)冷處理是解決溫升現(xiàn)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(zhì)量與氫氣狀態(tài)參數(shù)的預(yù)測模型，揭示充氫溫度與環(huán)境溫度對充入氣體的質(zhì)量與氣瓶內(nèi)最終溫度的影響，從而進(jìn)一步探究在不同充氣狀態(tài)下的最佳充氫溫度并使用該預(yù)測模型為加氫機(jī)控制系統(tǒng)提供設(shè)計依據(jù)。1預(yù)測模型的構(gòu)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(jīng)過壓縮機(jī)增壓儲存在站內(nèi)的高壓罐中。加注時，氫氣從高壓儲氫瓶中流出，經(jīng)過冷卻器進(jìn)行預(yù)冷處理后，通過加氫機(jī)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(jiān)控氣源氫氣的狀態(tài)參數(shù)。因此在建模分析前，進(jìn)行了以下假設(shè)：1)氣瓶內(nèi)的氣體狀態(tài)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(huán)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(shè)1-4，充氫過程可簡化為圖2所示的開口熱力學(xué)系統(tǒng)，充氫過程中充氫溫度與充氫壓力恒定，車載氣瓶內(nèi)初始壓力與氣體質(zhì)量為氣體剩余狀態(tài)，初始溫度為環(huán)境溫度；充氫結(jié)束后車載氣瓶內(nèi)最終壓力為目標(biāo)充入壓力（氣瓶額定壓力），車載氣瓶內(nèi)氣體質(zhì)量與溫度為預(yù)測模型所需預(yù)測值。圖中T把熱力學(xué)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(nèi)能，J/kg;h對(1)式積分得：式中m由假設(shè)5）可得：式中C把式(3)代入式(2)有：把理想氣體狀態(tài)方程式pV=mR式中R則充入氫氣瓶的氣體質(zhì)量為：由于理想氣體比熱容比為絕熱指數(shù)k(值為1.4)，則充氣質(zhì)量預(yù)測公式為：把理想氣體狀態(tài)方程用于充氣前后的氣體，有：式中T則最終氣體預(yù)測公式為：令T以上即為車載儲氫瓶內(nèi)充氣狀態(tài)預(yù)測模型。當(dāng)加氫站以恒定的充氫溫度與充氫壓力，目標(biāo)壓力為氣瓶額定壓力進(jìn)行充氣時，該預(yù)測模型可以預(yù)測車載氣瓶內(nèi)最終氣體質(zhì)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(shù)據(jù)與預(yù)測模型計算所得的預(yù)測值進(jìn)行對比來驗證模型的合理性。驗證用實驗數(shù)據(jù)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(shù)，依照本文預(yù)測模型所得車載儲氫瓶內(nèi)充氣最終溫度(T模型預(yù)測值與實驗數(shù)據(jù)處于一個合理的偏差范圍內(nèi)，說明建立的模型是合理的、并可以滿足工程需求。2預(yù)測模型應(yīng)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(shù)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(yīng)滿足高壓儲氫罐內(nèi)氫氣的溫度不能超過85℃的要求。因此本節(jié)應(yīng)用預(yù)測模型研究在滿足填充質(zhì)量的要求下充氫溫度與車載氣瓶內(nèi)氣體最終溫度的關(guān)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(nèi)充氣質(zhì)量的預(yù)測結(jié)果如圖3所示；在不同車載儲氫瓶初始壓力下車載氣瓶內(nèi)氣體最終溫度的預(yù)測結(jié)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(zhì)量在減少，并且隨著初始?xì)怏w壓力的升高，填充質(zhì)量隨充氫溫度變化的趨勢逐步平穩(wěn)，可以得出初始壓力越大，充氫溫度對可填充氣體質(zhì)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?xì)怏w壓力較低時氣瓶內(nèi)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(dāng)車載氣瓶內(nèi)氣體剩余較少時充氫溫度在-10℃以上會導(dǎo)致車載氣瓶內(nèi)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(yù)冷至-10℃以下。而當(dāng)車載氣瓶內(nèi)氣體剩余較多時(如30MPa所示)，可以不對氫氣進(jìn)行預(yù)冷處理。因此將填充質(zhì)量與車載氣瓶內(nèi)最終溫度結(jié)果擬合后可以初步判斷最佳充氫溫度，擬合結(jié)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(zhì)量的前提下，最佳充氫溫度。如當(dāng)環(huán)境溫度為20℃，汽車處于最低充氣壓力(6MPa)狀態(tài)時，在滿足溫度與質(zhì)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(wěn)定，將降低車載儲氫瓶內(nèi)最終溫度國內(nèi)目前建成的加氫站主要服務(wù)燃料電池公共汽車和物流卡車，加注壓力以35MPa為主本節(jié)應(yīng)用預(yù)測模型，研究隨環(huán)境溫度的變化對氣體充滿時車載儲氫瓶內(nèi)氣體最終溫度的影響。參照海格氫燃料電池根據(jù)預(yù)測模型所得結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出，環(huán)境溫度越高車載儲氫瓶內(nèi)最終溫度越高；初始?xì)怏w壓力越低，氣體溫升率越低，環(huán)境溫度對溫升現(xiàn)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(zhì)量的前提下，最高充氫溫度?；谏鲜鰲l件由預(yù)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(yù)測模型。3驗證模型的合理性本文應(yīng)用工程熱力學(xué)基本理論建立了車載儲氫瓶中氫氣充入質(zhì)量與氫氣狀態(tài)參數(shù)的預(yù)測模型，并依照實驗數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行了驗證，證明了模型的合理性。應(yīng)用預(yù)測模型得出如下主要結(jié)論：(1)車載氣瓶內(nèi)初始壓力