摘 要

在当前，全球变暖、温室效应以及能源危机等都是全世界人民所共同面对的难题。为了解决掉这些问题，许多科研人员通过研究高效洁净的清洁能源来代替传统的石油等化石等能源。如今风能、太阳能。水力资源等都被大量使用，其中氢气以一种高效、洁净、可循环使用、资源丰富的特点被许多国家所重视。但是，氢气是一种易燃易爆的气体，如何安全有效的对氢气进行储存和运输是现在科学界仍需要解决的重大难题。而本文主要是建立一个高压储氢罐快充过程的传热模型，简要研究在传热过程中的热效应以及影响因素。

论文主要通过对热力学、流体力学等相关理论的研究，结合质量守恒方程、能量守恒方程建立了关于高压储氢在快充过程的的数学物理模型，并在此基础上适当简化提出了单区集总参数解析解和双区集总参数解析解，并将解析解与参考文献的数据进行了比较，从而说明解析解建立的合理性。最后利用单区和双区模型进行参数研究，讨论了环境温度、进气温度以及气瓶进口直径等对储氢罐内氢气温度压力的热效应影响。

本文的研究结果对于在高压储氢的过程中避免温升过高，影响储氢罐结构以及提高氢能源汽车行驶里程具有一定的意义。

关键词：高压储氢，快速充气，集总参数模型，热效应

Abstract

At present, global warming, greenhouse effect and energy crisis are the common problems faced by people all over the world. In order to solve these problems, many researchers have replaced traditional fossil energy sources such as petroleum by studying efficient and clean energy sources. Now wind and solar energy. Hydraulic resources are widely used, among which hydrogen is highly efficient, clean, recyclable and resource-rich. However, hydrogen is a flammable and explosive gas. How to store and transport hydrogen safely and effectively is still a major problem to be solved in the scientific community. The main purpose of this paper is to establish a heat transfer model for the rapid charging process of high pressure hydrogen storage tank, and briefly study the heat effect and influencing factors in the process of heat transfer.

In this paper, the mathematical and physical models of high pressure hydrogen storage in fast charging process are established by studying the related theories of thermodynamics and hydrodynamics, combining the mass and energy conservation equations. On this basis, the analytical solutions of single-zone lumped parameters and two-zone lumped parameters are simplified appropriately, and the analytical solutions are compared with the reference data. The rationality of establishing analytical solutions is clarified. On this basis, the definiion of SOC filling rate is also proposed, and the influencing factors are briefly analyzed. Finally, the thermal effects of ambient temperature, inlet temperature and cylinder inlet diameter on temperature and pressure of hydrogen in hydrogen storage tank are discussed by using single-zone and double-zone models.

The results of this study have certain significance for avoiding excessive temperature rise, affecting filling efficiency and increasing driving mileage of hydrogen-powered vehicles in the process of high-pressure hydrogen storage.

Key words: High pressure hydrogen storage , Fast gas-charging , Lumped parameter model ,Thermal effect

目 录

摘要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第1章 绪论 1

1.1研究的背景及意义 1

1.2国内外研究现状分析 2

1.3研究内容与研究方法 6

1.3.1研究内容 6

1.3.2研究方法 6

第2章 充气过程的热力学分析 8

2.1 单区集总参数解析解 8

2.2 双区集总参数解析解 9

2.3 三区集总参数模型 11

2.4 本章小结 12

第3章 储氢罐快充过程的热效应分析 13

3.1 单区、双区及三区集总参数模型的热效应比较 13

3.2 环境温度对充气过程的热效应影响 16

3.3 进气温度对充气过程的热效应影响 19

3.4 高压储氢罐快充过程的模拟 21

3.5 充气速率对快充过程的影响 22

3.6 初始压力对快充过程的影响 24

3.7 本章小结 25

第4章 结论 27

4.1 研究总结 27

4.2 研究展望 27

参考文献 29

致 谢 30

第1章 绪论

1.1 研究的背景及意义

正如大家有目共睹的，现在几乎全世界的人们都已经意识到环境问题的严重性了，于是乎世界各国都在想方设法的想要净化环境，来维护我们赖以生存的绿色家园。在此中，世界各国对于温室气体的排放将会对环境造成的的影响这一方面是尤为关注的，而且非常重视。而其中温室气体中的一个主要来源就是汽车尾气；在另一方面，地球上还剩余的能供给我们人类开采的能源资源并不是特别丰富了，简而言之，能源总是会有用完的那一天的，因此需要寻找替代能源。正是在上述背景下，氢能源汽车应运而生。而且氢气作为一种高效、洁净、可循环使用、资源丰富的车用替代燃料，前景十分诱人^[1]。

在当前世界环境下，包括美洲和欧洲在内的一些发达国家，他们在过去五六年的时间里在关于氢气能源的开发上投入了大量的精力和财力,而且这些国家对于如何利用好氢气能源，并在此基础上能够更好地发展氢气能源有了一套属于自己的比较科学的体系。于是在这个建立好的逐渐完善的科学体系的基础上,有很多国家性和地方性的组织也应运而生了。在2003年的时候，以美国为代表的的一些发达国家的政府联合他们各自的能源部在综合了他们各自国家的基本情况之后，在一番研究探讨后，他们提出了符合自己国家国情的氢气能源发展的总计划路线图^[2]。在这个总计划里，包含着关于氢气如何制备，以及运送和保存等的相关技术。更为重要的，他们对于如何进行公众教育也非常重视，这个在总计划路线图里也是可以看出的。同时也明确了各个领域的发展目标,并对基本技术路线进行了非常详细的说明。

毫无疑问，燃料电池汽车的发展将会进一步推动氢能源的广泛使用，但是氢气的高效储存是制约氢动力燃料电池汽车推广的瓶颈之一。在当前技术条件下，氢气储存的方式还是有蛮多的，譬如液化气体储氢、高压气体储氢、吸附气体储氢以及化学储氢等，而且也是比较常见的^[3]。但是在众多的储氢方式里，高压气体储存的储存方式是目前公认的比较可靠，实际并且持久的储存方式。而对于氢燃料车而言，其车载氢气瓶也是高压的，就像原来这些汽油车一样，在燃料耗尽时需要加油一样，车载高压氢气瓶也是需要在氢气用完的时候进行充气的。而关于氢气瓶的充气方法有两种，即慢速充气和快速充气。首先是慢速充气，就其字面意思，其充气的速度非常的慢，一般是直接用高压压缩机来直接对气瓶充气的，但是由于进口流量太小，所以将充气瓶充满氢气需要很长的时间；而快速充气则不一样了，它采用高压的大容量气罐来对车载氢气瓶直接供气的方式，进气流量大，可在几分钟之内就将氢气瓶充满气，这也可以极大的缩短消费者的等候时间，也符合消费者的消费心理。也正因此，快速充气是现在氢燃料汽车的主要的充气方式。但另一方面由于充气速度太快，充气过程中的气体温度便会急剧上升，而这将会是的氢气瓶内的储氢密度降低，从而会缩短氢能源汽车的可续驶里程，这也是一个会制约氢能源汽车发展的因素，也丞需解决。但是它的优点也是绝对的，而且目前该技术也已经成功运用到了商业化的燃料电池汽车中，这可以参见日本Honda公司的Clarity。没有规矩不成方圆，技术有了，还要能达到制定的标准才行。像较高的质量密度、体积密度以及足够长的行驶里程等一些比较基本的条件。早在2015年，美国能源部就提出了储氢气瓶的氢气质量密度、体积密度以及行驶里程的一些基本要求。而中国这些年也在大力发展氢能源。中国已建建立了许多的加氢基础设施，而且结合具体情况制定了很多法规和标准^[4]。时代继续发展，技术不断完善，加氢基础设施在发展的同时，对于移动加氢燃料设施也出台了相应的技术规范。在氢能源发展这一块提出了些许要求，不断地完善了加氢基础设施。

正如上面谈到的氢燃料车还存在的这一些问题，因此现在设计生产的氢燃料汽车的车载储氢气瓶要能够在短时间能充满气，同时能够保证它的行驶里程数，并且还要保证氢气瓶内的温度上升的不是特别高，避免产生爆炸等安全隐患。与此同时还要能让广大的消费者相信氢燃料汽车并且进行使用，因此对于快速充气过程的研究是一个迫切需要解决的问题。而本文则主要是对高压储氢罐在快充过程的传热特性进行研究，找到可以解决该问题的方法。

1.2 国内外研究现状分析

通过查阅各种网站上的资源，发现现如今已经发表的关于储氢罐快充过程的研究并不是特别的多。但是还是有许多进展的。目前世界上的一些发达国家以及他们国家在该方面的领军人物们都已经完成了一部分的快充实验的研究。之所以这个方面的研究不是很多，很重要的一个原因是因为对车用的高压储氢气瓶进行快速充气的实验需要耗费大量的财力和精力，如果资金不雄厚，是无法进行的；另一方面，已经发表的关于此方面的实验数据太少，没有对比。因此，为了能够促进氢燃料车的商业化进程，就不得不尽快攻克这些技术瓶颈。关于利用氢能源主要包括三个方面：制备氢气、运输氢气以及储备氢气。而这每一个环节都需要做到安全、高效和经济。因此这一些技术都需要进一步的优化和改进。并且要不断完善这些方面并使它们标准化。

在目前，已经有了许多研究氢燃料电车的研究机构和组织，他们在这一领域极为活跃，例如位于日本的自动车研究所，便是这其中的一个。该组织在很早之前便与日本经济产业省达成了合作共识，他们通过日本的经济产业省的关于氢能燃料电池这一示范项目的资助以及隶属于日本能源机构下的关于氢能源技术综合开发机构提供的技术支持，他们很顺利的完成了非常多的快充实验和模拟，并且得到了许多有用的数据。2011年Matsuno等人围绕体积为130L的Ⅲ型储氢气瓶和体积42L的Ⅳ型储氢气瓶进行了许多的研究，其中包括多次的循环快速充气和放气实验，这两种储氢气罐都是在工作压力为70MPa下进行实验的。他们在对储氢气瓶不断反复的进行快速充气和放气的实验中，通过研究在这个过程中氢气温度的变化情况，探究出了氢气温升的规律^[5]。他们发现氢气温度会受到很多因素的影响，例如不同的进气温度，不同的环境温度，不同的充气速率等都会不同程度的影响到储氢气罐内的氢气温度。但是在不断循环的整个过程过，当充放循环次数达到一定次数后，储氢罐内的氢气温度变化也会趋向于一个稳定状态了。

第二个在氢燃料电车方面研究比较活跃的一个机构便是位于加拿大温哥华的英属不列颠哥伦比亚大学清洁能源研究中心，他们也对车载高压储氢气瓶的研究也很感兴趣，他们积极地争取，最后在加拿大联邦政府的资金资助下也完成了许多关于储氢气罐在快充过程的传热研究。而位于欧洲的欧盟委员会联合研究中心能源与交通研究所（JRC-IET：Institute for Energy and Transport, Joint Research Centre of the European Commission）则利用GasTeF测试装置对车载高压储氢罐充气循环和放气循环过程进行了大量的实验，他们研究了高压储氢罐在充放气循环过程中热效应，还分析了可能会对储氢罐产生安全影响的一些因素。

在欧洲也有在氢燃料汽车研究方面很有权威的机构组织，即联合研究中心的能源研究所（JRC-IE,Institute for Energy, Joint Reasearch Center for the European Commission），该机构隶属于位于荷兰的欧盟委员会，在受到属于欧盟新能源战略的一个研究计划的资金资助下，他们也对车载储氢气瓶在快速充气过程中的温度变化进行了大量研究。随后他们整合分析得到的结果然后发表了一些理论成果；在2010年Heitsch等人利用前述Dicken等人在几年前完成的关于35MPa储氢气瓶的快充试验数据，进行了大量的三维模拟，他们主要描述了浮力等物理效应对其产生的影响^[6]。在2011年JRC-IE在ICHS4(International Conference on Hydrogen Safety)发表了两篇关于此方面的研究论文：在这两篇论文中，他们描述了Acosta等人所在的组织开发出的专门用于研究储氢气罐快充过程的高压气体快速充放试验台。并且还提供了一部分容积为70MPa的车载储氢气瓶在快速充气和放气的循环试验中得到了宝贵数据（每个循环过程都包含两个阶段，即一个约2.5min的充气过程和一个长约42min的放气过程）；在同一阶段， Galassi等人为了对70MPa的储氢气罐在快充过程的热效应进行预测，他们提出了一种基于模型基础的比较可靠的三维数值模拟模型，最后，他们通过对起始压力为0.02MPa，终止压力为71.8MPa的Ⅳ型储氢气瓶进行实验，最终验证了他们模型的正确性^[7]。

在上述的这些各个地区具有代表性的组织和机构进行了大量的实验研究后，对于后续的科研人员关于此方面的研究铺好了道路，他们也有了可供参考的实验数据和模型，甚至也可以在他们的基础上进行更深一步的研究。而这些研究数据也为本文将要进行的关于高压储氢罐在快充过程的传热模型的研究提供了对比参考的理论依据，使得本文建立的模型在模拟之后有数据可供参照。

世界上现在也有很多的工业气体公司，而位于法国的AirL气体公司便是其中一个^[8,9]。他们也在储氢气罐的快充研究方面花费了很多功夫。在2006年，法国AirL气体公司的Pregassame等人对氢气预冷程度方面进行了研究，他们采用的是70MPa车载储氢气瓶，并且其工作在初始压力为70MPa的工作环境中，实验采用的是容积为34L的Ⅲ型储氢气瓶。让该储氢罐在288k(室温）、233k、203k和163k这四种不同的预冷方案下进行实验^[10,11]，然后通过得到的实验数据进行比较分析后发现在低于常温40℃的预冷条件下工作是最为完美的，这因为样可以非常好的控制储氢罐在快充过程的快速温升；但在另一方面，当预冷温度更低的时候，构成储氢罐的材料可能会出现劣化，从而会从另一方面影响到储氢罐的热效应。

以上所介绍的关于储氢罐在快速充气过程中的温度升高的研究，都是目前国外很具有代表性的。看完了国外，再将视线移至国内，国内也有许多组织和机构进行了大量的试验。在国内，以安刚为代表的一行人发现以氢能源作为燃料的汽车从满气状态到行驶至氢燃料耗尽的整个过程中，该氢燃料汽车所能行驶的实际里程数会比预计的里程数少，而且两者相差的特别多^[12]。产生这个现象后，他们对其进行了分析，最终他们发现车载储氢气罐在快速充气的过程中会使得气体温度急剧上升，从而会导致储氢密度的降低。于是他们在这个发现的基础上，结合气体动力学理论、能量守恒方程和质量守恒方程等理论知识对该现象进行了解释。他们在分析研究的过程中，建立了一个数学模型，并且采用实际气体状态方程来分析，使得研究的结果可以和实际工况的更加接近。以此同时，他们还进行了仿真分析，并由此得到了一些车载储氢罐在快充过程中罐内的氢气温度和氢气压力的变化规律。他们取得的以上的成果为后续的研究提供了参考。

因为氢能源汽车是在世界可用能源逐渐枯竭的大背景下应运而生的，因此不论是对哪个国家而言，在车用氢能源方面的研究都是一块香馍馍，正因为其存在着巨大的商业化价值，所以有很大一部分的关于这个方面的研究都是以专利的形式产生的。例如日本著名本田汽车公司就是其中的一个代表，他们为了能够在对车载高压储氢罐进行快充的时候将氢气预先冷却，他们设计开发出了许多专用设备，并在全球范围内申请专利。

而在国内，浙江大学化工机械研究所高压过程装备实验室也在车用高压储氢气瓶的快充技术方面取得了一些专利：郑津洋和杨健等人开发了一些加注系统及其相应的控制方法，例如中国专利ZL 2008 20120132.8、ZL 2008 10063584.1和ZL 2010 10190460.7。

大约在2007年的时候，中国已经成为了世界第三大汽车生产国和第二大汽车市场。与之相对应的，汽车燃油消耗量也非常多，达到了约8000万吨,差不多占了中国石油总需求的一大半，这么大的能源消耗肯定是吃不消的。因此在能源供应日益紧张的今天,发展新能源汽车己经迫在眉睫。而在众多的新能源中，氢能则是最好的一个选择。近些年来，我国也投入了大量的物力和财力，随着科技发展的不断提高，我国在氢能源方面的研究取得了卓越的效果。但是和那些传统的发达国家相比，我国在氢气能源方面的研究还处于刚刚起步的状态，虽然差距很大，但是取得的进展也不少。