車載儲(chǔ)氫瓶?jī)?nèi)充氫溫度對(duì)充氫溫度的影響

車載儲(chǔ)氫瓶?jī)?nèi)充氫溫度對(duì)充氫溫度的影響

0氫能的社會(huì)應(yīng)用近年來(lái)，世界積極應(yīng)對(duì)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(guó)《政府工作報(bào)告》，明確將推動(dòng)加氫等設(shè)施建設(shè)。2020年4月，國(guó)家能源局發(fā)布《中華人民共和國(guó)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(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展計(jì)劃》、《2020年能源工作指導(dǎo)意見》。在這些政策的鼓勵(lì)下，氫燃料電池汽車獲得了巨大的發(fā)展機(jī)遇針對(duì)這個(gè)問(wèn)題國(guó)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(duì)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(chǔ)氫瓶中氫氣充入質(zhì)量與氫氣狀態(tài)參數(shù)的預(yù)測(cè)模型，揭示充氫溫度與環(huán)境溫度對(duì)充入氣體的質(zhì)量與氣瓶?jī)?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(cè)模型為加氫機(jī)控制系統(tǒng)提供設(shè)計(jì)依據(jù)。1預(yù)測(cè)模型的構(gòu)建1.1車載儲(chǔ)氫瓶建模分析在加氫站中，將不同來(lái)源的氫氣經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)增壓儲(chǔ)存在站內(nèi)的高壓罐中。加注時(shí)，氫氣從高壓儲(chǔ)氫瓶中流出，經(jīng)過(guò)冷卻器進(jìn)行預(yù)冷處理后，通過(guò)加氫機(jī)加注到汽車的車載儲(chǔ)氫瓶中，具體加注過(guò)程如圖1所示。加注過(guò)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(shí)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?jī)?nèi)的氣體狀態(tài)是均勻的，各點(diǎn)的溫度,壓力完全一致；2)快速充氣時(shí)間短，充氣過(guò)程中由環(huán)境吸收的熱量很少，忽略不計(jì)；3)氣體在管路中的流動(dòng)視為絕熱過(guò)程；4)車載儲(chǔ)氫氣瓶視為絕熱，氣體不會(huì)通過(guò)壁面與外界有熱量交換；5)氣體視為理想氣體。1.2充氣過(guò)程建模由上述假設(shè)1-4，充氫過(guò)程可簡(jiǎn)化為圖2所示的開口熱力學(xué)系統(tǒng)，充氫過(guò)程中充氫溫度與充氫壓力恒定，車載氣瓶?jī)?nèi)初始?jí)毫εc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?jī)?nèi)最終壓力為目標(biāo)充入壓力（氣瓶額定壓力），車載氣瓶?jī)?nèi)氣體質(zhì)量與溫度為預(yù)測(cè)模型所需預(yù)測(cè)值。圖中T把熱力學(xué)第一定律用于上述充氣過(guò)程，則充氫過(guò)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(duì)(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(cè)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(cè)公式為：令T以上即為車載儲(chǔ)氫瓶?jī)?nèi)充氣狀態(tài)預(yù)測(cè)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(shí)，該預(yù)測(cè)模型可以預(yù)測(cè)車載氣瓶?jī)?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(guò)將實(shí)際加氫過(guò)程所得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與預(yù)測(cè)模型計(jì)算所得的預(yù)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比來(lái)驗(yàn)證模型的合理性。驗(yàn)證用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取自日本汽車研究所氣瓶實(shí)際溫升實(shí)驗(yàn)基于表1中的實(shí)際初始參數(shù)，依照本文預(yù)測(cè)模型所得車載儲(chǔ)氫瓶?jī)?nèi)充氣最終溫度(T模型預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處于一個(gè)合理的偏差范圍內(nèi)，說(shuō)明建立的模型是合理的、并可以滿足工程需求。2預(yù)測(cè)模型應(yīng)用2.1車載儲(chǔ)氫瓶初始?jí)毫Φ拇_定在國(guó)外，目前車載儲(chǔ)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(shí)SAEJ2601中提出，車載高壓儲(chǔ)氫罐氫氣加注過(guò)程中應(yīng)滿足高壓儲(chǔ)氫罐內(nèi)氫氣的溫度不能超過(guò)85℃的要求。因此本節(jié)應(yīng)用預(yù)測(cè)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?jī)?nèi)氣體最終溫度的關(guān)系。本文參照豐田Mirai在不同車載儲(chǔ)氫瓶初始?jí)毫ο聦?duì)車載儲(chǔ)氫瓶?jī)?nèi)充氣質(zhì)量的預(yù)測(cè)結(jié)果如圖3所示；在不同車載儲(chǔ)氫瓶初始?jí)毫ο萝囕d氣瓶?jī)?nèi)氣體最終溫度的預(yù)測(cè)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(shì)逐步平穩(wěn)，可以得出初始?jí)毫υ酱?，充氫溫度?duì)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(shí)氣瓶?jī)?nèi)最終氣體溫度升高率越大，充氫溫度對(duì)溫升的影響也就越大。同時(shí)從圖4可以看出當(dāng)車載氣瓶?jī)?nèi)氣體剩余較少時(shí)充氫溫度在-10℃以上會(huì)導(dǎo)致車載氣瓶?jī)?nèi)氣體的最終溫度都會(huì)超過(guò)溫度限制，因此在70MPa加氫時(shí)需要將氣源氫氣預(yù)冷至-10℃以下。而當(dāng)車載氣瓶?jī)?nèi)氣體剩余較多時(shí)(如30MPa所示)，可以不對(duì)氫氣進(jìn)行預(yù)冷處理。因此將填充質(zhì)量與車載氣瓶?jī)?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?jí)毫ο略诓怀^(guò)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(shí)，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(chǔ)氫瓶?jī)?nèi)最終溫度國(guó)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(cè)模型，研究隨環(huán)境溫度的變化對(duì)氣體充滿時(shí)車載儲(chǔ)氫瓶?jī)?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(cè)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(chǔ)氫瓶?jī)?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(duì)溫升現(xiàn)象影響也就越小。2.3最高充氫溫度對(duì)于最佳充氫溫度的選擇,一般在不超過(guò)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。基于上述條件由預(yù)測(cè)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(cè)模型。3驗(yàn)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(chǔ)氫瓶中氫氣充入質(zhì)量與氫氣狀態(tài)參數(shù)的預(yù)測(cè)模型，并依照實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證，證明了模型的合理性。應(yīng)用預(yù)測(cè)模型得出如下主要結(jié)論：(1)車載氣瓶?jī)?nèi)初始?jí)毫?/p>