摘 要

随着化石能源的逐渐枯竭和使用化石能源造成的环境污染问题，能源问题成为全球人类发展面临的共同难题。为了解决能源问题，科研人员正积极研究寻求可再生且清洁无污染的新型能源以代替传统化石能源。目前研究较多的清洁无污染且可再生的新型能源有太阳能、风能、氢能、潮汐能等，而氢能源作为未来新型能源的一种，具有分布广泛、无毒、利用形式广等诸多优点，且在利用后也可再次循环制取，故受到世界各国的重点关注。但另一方面，氢气的易燃易爆特性也使得氢气的安全有效制取、使用、储存和运输成为氢能大规模应用所必须解决的根本问题。本文将选取氢能源汽车的高压储氢罐作为研究对象，通过Matlab/Simulink仿真集总参数模型讨论高压储氢罐充气过程中储氢罐的热效应及其影响因素。

通过对工程热力学和传热传质学等相关理论的研究，文章根据质量守恒方程、能量守恒方程以及理想气体状态方程建立了高压储氢罐充气过程的数学物理方程，并求出单区集总参数解析解和双区集总参数解析解，将解析解与文献数据比较说明了解析解的合理性。为了更方便有效地研究高压储氢罐在充气过程中的热效应，文章基于单区和双区集总参数的数学物理方程和解析解，通过Matlab/Simulink仿真平台搭建了单区集总参数模型和双区集总参数模型，在比较试验数据的基础上发现双区集总参数模型的模拟效果优于单区集总参数模型，之后利用双区集总参数模型模型对充气过程中储氢罐内部氢气温度和压力、储氢罐壁温度进行了模拟，并进一步讨论了不同的充气条件和不同的储氢罐体积、不同的初始温度对于上述参数的影响，对高压储氢罐充气过程的各条件、各参数进行了充分研究。

基于Matlab/Simulink开发的车用高压储氢罐充气过程集总参数模型能够极大地提高仿真分析和参数化研究的效率，可以研究高压储氢充气过程储氢罐内的热效应机理，并可用于车用高压储氧罐的性能预测和优化。在此基础上，研究充气过程中各条件等对车用高压储氢系统性能的影响，可用于优化车用高压储氢系统设计和车用高压储氢罐的安全问题，并为建立汽车加氢站提供理论帮助。

关键词：高压储氢罐 集总参数模型 充气过程

Abstract

With the depletion of fossil energy and environmental pollution caused by fossil fuels, energy has become a common problem faced by global human development. In order to solve the energy problem, researchers are actively studying new energy sources that are renewable, clean and pollution-free instead of traditional fossil fuels. There are many new clean and renewable energy sources, such as solar energy, wind energy, hydrogen energy, tidal energy and so on. Hydrogen energy, as a new type of energy in the future, has many advantages, such as wide distribution, non-toxic, widely used form and many other advantages, and can be recycled again after utilization, so it is the key point of the world. Note. On the other hand, the flammable and explosive properties of hydrogen also make the safe and effective production, use, storage and transportation of hydrogen the fundamental problem that must be solved in the large-scale application of hydrogen energy. In this paper, the high pressure hydrogen storage tank of hydrogen energy vehicle is selected as the research object. Through the Matlab/Simulink simulation lumped parameter model, the thermal effect and the influencing factors of the hydrogen storage tank in the high-pressure hydrogen storage tank are discussed.

Through the study of engineering thermodynamics, heat and mass transfer and other related theories, the mathematical physical equations of the high-pressure hydrogen storage tank are established on the basis of the mass conservation equation, the energy conservation equation and the ideal gas state equation, and the analytical solution of the single region lumped parameter and the analytical solution of the two region lumped parameters are obtained. Data comparison shows the reasonableness of the analytical solution. In order to study the thermal effect of high pressure hydrogen storage tank in the process of aeration more conveniently and effectively, based on the analytical solution of the lumped parameter of single and double zone, a single area lumped parameter model and a two zone lumped parameter model are built through the Matlab/Simulink simulation platform. The model of the two Zone lumped parameter model is found on the basis of the comparison test data. The proposed effect is better than the single area lumped parameter model. Then the two zone lumped parameter model model is used to simulate the changes of hydrogen temperature and pressure inside the storage tank and the change of the temperature of the hydrogen storage tank wall during the aeration process, and the different inflating conditions and different volume of hydrogen storage tanks are further discussed. The conditions and parameters of hydrogen tank filling process were fully studied.

The lumped parameter model of high pressure hydrogen storage tank based on Matlab/Simulink can greatly improve the efficiency of simulation analysis and parameterized research. It can study the thermal effect mechanism in the hydrogen storage tank of high pressure hydrogen storage and discharge cycle, and can be used to predict and optimize the performance of high pressure oxygen storage tank for vehicle. On this basis, the influence of various parameters on the performance of high voltage hydrogen storage system for vehicle is studied. It can be used to optimize the design of high voltage hydrogen storage system for vehicle and the safety of high pressure hydrogen storage tank for vehicle, and provide theoretical help for the establishment of the vehicle hydrogenation station.

Key words: High pressure hydrogen storage tank，Lumped parameter model ，Inflation process

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 引言 1

1.1 研究背景与意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 文献总结 4

1.4 研究内容与研究方法 5

1.4.1 研究内容 5

1.4.2 研究方法 6

第2章 高压储氢罐充气过程的热力学分析 7

2.1 单区集总参数解析解 7

2.2 双区集总参数解析解 9

2.3 本章小结 11

第3章 充气过程仿真模型的建立 12

3.1 单区集总参数模型的建立 12

3.2 双区集总参数模型的建立 16

3.3 本章小结 22

第4章 充气过程的热效应模拟 23

4.1单区和双区集总参数模型对比 23

4.2 环境温度对充气过程的热效应影响 26

4.3 进气温度对充气过程的热效应影响 28

4.4 充气速率对充气过程的热效应影响 32

4.5 储氢罐对充气过程的热效应影响 35

4.6 不同充气速率下不同储氢罐的热力学分析 38

4.7 不同初始温度下不同储氢罐的热力学分析 41

4.8 本章小结 43

第5章 总结与展望 45

5.1 研究总结 45

5.2 研究展望 45

参考文献 47

致 谢 49

第1章 引言

1.1 研究背景与意义

能源是人类社会生存和发展的根本动力。自从工业革命以来，石油、煤炭、天然气便成为人类工业社会发展前进的主要能源，推动人类工业迅猛发展。但化石能源的储量是有限的，目前的化石能源储量仅能维持人类社会百年左右的消耗，故能源问题将成为人类社会前进过程中必须解决的难题。另外，化石能源在带给人类工业社会前进的动力的同时，也产生了大量二氧化碳、二氧化硫等气体，对自然环境造成了不可估量的损失。因此，寻求可再生且清洁无污染的新型能源成为全球研究的主要问题之一。目前研究和开发较多的清洁无污染且可再生的新型能源主要有太阳能、风能、氢能、潮汐能、地热能等，而氢能源作为未来新能源的一种，具有分布广泛、无毒、利用形式广等诸多优点，且氢气在利用后也可再次循环制取，故受到世界各国的重点关注。但另一方面，氢气的易燃易爆特性也使得氢气的安全有效制取、使用、储存和运输成为氢能大规模开发应用所必须解决的根本问题，氢能利用系统的安全、高效运行具有十分重要的意义。

汽车作为依赖于石油燃料的人类社会的主要代步工具，在使用过程中造成了严重的环境污染，这使得汽车行业成为环境污染问题的众矢之的。因此，制造发展新能源汽车便成为汽车行业未来发展的主要方向之一。近年来，世界上大多数发达国家均已制定氢能源战略，全球各大汽车制造商则不停加快氢能源汽车的设计改进和优化。日本将氢能源作为国家战略，并积极推广氢能源汽车，建立了大量储氢站支持氢能源汽车发展，日本Toyota公司的Mirai和Honda公司的Clarity目前均取得了良好的市场反应；韩国现代也开发出ix35FX氢燃料汽车抢占市场先机；德国宝马则将在2021年小批量投产氢能源汽车，德国政府对加氢站等设施的建设也在大力推行中；英国于2017年3月宣布投资2300万英镑来改善氢能源汽车基础设施推动氢能源汽车发展；车载高压储氢必须满足较高的质量密度、体积密度以及较长的行驶里程要求，美国能源部DOE（Department of Energy）就提出了高压储氢罐氢气的质量密度以及体积密度在2017年应达到不低于5.5wt%和4kg(100L)^-1，而且充气时间小于3.3分钟，单次充气行驶里程不低于500km的基本要求，旨在于保证氢能源汽车具有足够的续航里程。为了加强氢能源汽车的推广，近年来日本、英国、美国等发达国家均不遗余力地大量建造加氢站等基础设施，相比来说我国的氢能源汽车发展则相对缓慢。