高压氢循环试验系统温度控制与能耗优化设计方法研究

摘要

面对能源短缺、环境污染、生态恶化不断加剧的巨大挑战，发展清洁、高效的新能源势在必行。氢能以其来源广泛、零污染、燃烧值高等优点，被认为是21世纪最具发展潜力的清洁能源之一。氢能燃料电池汽车是氢能的重要应用领域，也是中国《节能与新能源汽车产业发展规划》的重点研究方向。高压气态储氢因其设备结构简单、压缩能耗低、充放速度快等优点，是目前氢能燃料电池汽车普遍采用和重点发展的储氢方式。
　　燃料电池汽车的高压储氢系统（包含气瓶、截止阀、单向阀、TPRD等）在其服役过程中，经受着剧烈的压力、温度变化以及氢气侵蚀作用，传统的水压循环试验方法无法模拟上述工况，需要利用氢气作为介质进行循环试验，以模拟真实加注、行驶、停靠等工况下储氢系统的性能演化，这种试验即为氢循环试验，该试验已被联合国经济社会理事会UN-ESC、国际标准化组织ISO、美国汽车联合会SAE、加拿大标准协会CSA、日本自动车研究所JARI等组织制定的标准所采纳，成为保障高压储氢系统安全的重要手段。
　　由于氢循环试验在国际上起步时间不长，目前仅在日本、欧盟、加拿大等地搭建有少数试验设备进行探索性研究，国内尚没有满足相关标准的试验系统，并且存在着试验过程中温度普遍超限、温度控制方法空白、系统搭建和运行成本高昂等问题，因此在国家高技术研究计划目标导向课题（“863”计划）项目“高压储氢、输氢、加氢安全保障技术装备与应用示范”（项目编号:2012AA051504）、国家重点基础研究发展计划（“973”计划）课题“高压常温氢气环境下承载件损伤的演化机制”(项目编号:2015CB057601)等的支持下，本文从氢循环过程温度变化预测及控制、系统优化设计、氢循环系统研制等方面开展研究，主要的研究内容和取得的创新成果如下:
　　(1)氢循环温度变化的预测模型。首先以真实氢气状态方程为基础，基于质量守恒、能量守恒、对流换热、热传导等方程，建立了循环过程中温度变化的热力学预测模型;为了验证模型的精度，在攻克了组合阀设计、气瓶端口的密封（包括组合阀与气瓶、热电偶引出线与气瓶的接口密封）、氢气预冷、加注控制和数据采集等关键技术难题的基础上，搭建了国内首套70MPa高压氢气充放试验装置，并进行了相应的试验，得到快充和泄放过程的温度变化数据;通过对比快充、泄放、循环过程的试验和模拟数据，表明建立的热力学模型在氢循环温度预测方面具有较高的精度。
　　(2)氢循环过程温度变化规律及控制方法。利用建立的氢循环温度预测模型，对相关标准规定下的氢气温度变化情况进行了研究，发现在泄放速率没有明确要求的情况下，循环温度极易超出233K～358K的限定范围（最低温度甚至达到200K）;研究了气瓶类型、气瓶尺寸、试验参数（升压速率、泄放速率、环境温度、氢气预冷温度、循环模式等）等因素对温度变化的影响规律;基于以上研究成果，提出了不同气瓶在进行氢循环试验时的温度控制方法，为中国起草高压储氢系统氢循环试验标准提供了参考。
　　(3)多级自增压的氢循环试验系统优化设计方法。在分析氢循环试验系统运行过程的基础上，提出了多级自增压（高压储罐容积和压力分级、循环工艺优化）的系统优化策略;建立了氢循环系统的动态仿真模型，该模型可以模拟氢循环过程中各级气源储罐、被测工件、压力控制装置内氢气的压力和温度变化情况，以及预冷装置、回收压缩装置的能量消耗情况;利用该模型分别对各级气源储罐压力、容积对能耗的影响进行了分析，并对多级自增压系统与传统设计系统进行了对比，表明多级自增压系统在压缩过程中节能55.2％，在预冷过程中节能29.1％。
　　(4)小型氢循环试验系统的研制。由于氢循环试验压力高、循环介质易燃易爆，且目前国内还没有氢循环试验系统研制经验，为了保证安全，本文首先研制了小型氢循环试验系统，解决了增压系统设计、高低温环境箱设计、高压氢循环控制方法等关键技术难题;分别进行了截止阀、单向阀、低压氢化物储氢气瓶的氢循环试验，验证了系统的功能。该系统的搭建提升了中国临氢零部件的检测能力，并为大型氢循环试验系统的研制积累了经验。

目录

声明

致谢

摘要

插图和附表清单

符号说明

1．1引言

1．1．1氢能研究现状

1．1．2储氢方法现状

1．2车载高压储氢系统与安全保障

1．2．1基本组成

1．2．2系统的安全保障

1．2．3预期性能试验

1．2．4氢循环试验

1．3氢循环试验系统的研究进展

1．3．1试验系统的搭建

1．3．2系统优化设计

1．4氢循环过程中的温度变化研究进展

1．4．1快充研究

1．4．2泄放研究

1．4．3氢循环温度变化研究

1．5目前存在的问题

1．6研究内容和技术路线

1．6．1课题来源

1．6．2研究内容

1．6．3技术路线

2．1引言

2．2氢循环热力学模型

2．2．1模型选择

2．2．2模型的基本假设

2．2．3控制方程

2．2．4微分方程的求解

2．3氢气充放试验系统

2．3．1系统构成和工作原理

2．3．2快充方法

2．3．3预冷系统

2．3．4组合阀设计

2．3．5密封结构的设计

2．3．6控制与数据采集系统

2．3．6系统搭建

2．4氢循环温度变化试验研究

2．4．1试验气瓶及测温装置

2．4．2快充试验

2．4．3泄放试验

2．5模型验证

2．5．1快充过程的验证

2．5．2泄放过程的验证

2．5．3循环过程的验证

2．6本章小结

3．1引言

3．2标准规定下的温度变化

3．2．1相关标准的技术要求

3．2．2标准规定下的温度变化

3．3试验参数对氢循环温度的影响

3．3．1氢气温度变化规律

3．3．2循环模式的影响

3．3．3升压速率的影响

3．3．4泄放速率的影响

3．3．5环境温度的影响

3．3．6加注氢气温度的影响

3．4气瓶结构对氢循环温度的影响

3．4．1气瓶类型的影响

3．4．2气瓶容积的影响

3．5氢循环温度控制方法

3．5．1平衡温度计算方法

3．5．2试验参数表

3．6本章小结

4．1引言

4．2氢循环系统动态仿真模型

4．2．1模型基本假设

4．2．2升压控制系统前后的氢气状态变化

4．2．3预冷能耗

4．2．4压缩能耗与出口温度

4．2．5气动增压机工作过程

4．2．6动态仿真软件开发

4．3系统优化设计

4．3．1系统优化设计策略

4．3．2系统优化设计

4．4优化设计方案的仿真模拟

4．5系统关键参数对能耗的影响

4．5．1气源系统级数对能耗的影响

4．5．2气源系统压力对能耗的影响

4．5．3气源系统各级容积对能耗的影响

4．6本章小结

5．1引言

5．2试验系统的功能与技术指标

5．2．1临氢零部件氢循环试验的要求

5．2．2试验系统的指标

5．3试验系统关键组成的设计

5．3．1系统总体设计

5．3．2增压系统

5．3．3管路系统

5．3．4温控系统

5．3．5气源和回收系统

5．3．6控制和数据采集系统

5．3．7安全保障系统

5．4系统搭建

5．5系统功能验证

5．5．1截止阀氢循环试验

5．5．2单向阀氢循环试验

5．5．3低压氢化物储氢气瓶氢循环试验

5．5．4温控系统试验

5．6本章小结

6．1主要研究内容与结论

6．2主要创新点

6．3展望

参考文献

在读期间取得的科研成果

在读期间参与科研项目

在读期间获得奖项