CN103438349A - 能够控制高压氢气快充温升的储氢气瓶及方法 - Google Patents

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赵永志
李静媛
花争立
刘骁
周池楼
郑津洋
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Abstract

本发明涉及高压氢气快充温升的控制技术，旨在提供一种能够控制高压氢气快充温升的储氢气瓶及方法。该储氢气瓶的内胆以金属铝制成，外侧包裹碳纤维复合材料层；在内胆中放置了螺旋状的铝带作为填充物，该填充物具备弹性且其外缘与内胆的内壁保持接触。本发明中通过在储氢气瓶内填充蓄热材料，主动控制温度升高，可以满足降温要求；避免使用预冷系统，节省不必要的额外投资及能源消耗，经济性好；蓄热材料结构简单，填充方便；根据不同地区的全年最高气温，可以填充不同的蓄热材料，可调节性强。

Description

能够控制高压氢气快充温升的储氢气瓶及方法
技术领域
本发明涉及一种高压氢气快充温升的控制技术，更具体是说，涉及基于强化换热和增加热容的能够控制高压氢气快充温升的储氢气瓶及方法。
背景技术
氢燃料电池汽车以其清洁、能量利用率高和无温室气体排放等优点被广泛视为解决能源、环境问题的下一代机动车。高压气态储氢由于具有结构简单、质量储氢密度高、充装和排放速度快等突出优点成为占主导地位的车载储氢方式。为提高燃料电池车的续驶里程（500km），采用70MPa的高压气态储氢成为一种趋势。此外，为了使氢燃料电池汽车商业可行，通常将燃料加注时间限定为3-5min。
然而，对于70MPa储氢气瓶，快速充装过程中，由于气体压缩效应等因素会使气瓶各部位的温度骤升，如温度超过85℃便很可能造成储氢气瓶外层碳纤维复合材料剥离失效，进而影响车载储氢系统的安全。因此往往需要采用一些方法来控制氢气高压快充的温度升高。
对氢气进行预冷，即在加注枪上游设置低温预冷装置，是最直接并且最常用的方法，但是预冷系统需要大量的固定设备及额外的能量消耗，这部分投资及能量消耗很大程度上降低了车载高压储氢的经济性。此外，环境温度比较低时，例如冬天，快充结束后，储氢气瓶内的最高温度甚至低于85℃，不需要控制温升，此时预冷装置的经济性和实用性进一步下降。
然而，目前国内外已有的加氢站及氢气高压快充实验均使用预冷系统，尚无采用其他温升控制方法，避免预冷系统的报道。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种能够控制高压氢气快充温升的储氢气瓶及方法。
为解决技术问题，本发明的解决方案是：
提供一种能够控制高压氢气快充温升的储氢气瓶，其内胆以金属铝制成，外侧包裹碳纤维复合材料层；在内胆中放置了螺旋状的铝带作为填充物，该填充物具备弹性且其外缘与内胆的内壁保持接触。
所述填充铝的质量mAl按如下公式计算获得：
Δt=tH2-tamb                                             （1）
tH2，M=Δt+tamb，M                                    （2）
cH2mH2Δt=cH2mH2(tH2，M-85)=cAlmAl(85-tamb，M)         （3）
式中，Δt：氢气温升值；tH2：储氢气瓶内氢气的温度；tamb：环境温度；tH2，M：储氢气瓶内氢气的最高温度；tamb,M：当地全年最高环境温度；cH2：氢气的热容；mH2：储氢气瓶额定充装质量；cAl：铝的热容；mAl：填充铝的质量。
本发明进一步提供了一种能够控制储氢气瓶高压氢气快充温升的方法，使用内胆以金属铝制成、外侧包裹碳纤维复合材料层的储氢气瓶用于充入高压氢气；该方法具体包括以下步骤：
（1）获取加注要求、储氢气瓶中氢气的初始状态参数及环境参数，包括：cH2：氢气的热容；cAl：铝的热容；mH2：储氢气瓶额定充装质量；mAl：填充铝的质量；PH2：储氢气瓶内初始压力；P：储氢气瓶额定充装压力；tamb：环境温度；tamb,M：当地全年最高环境温度；tH2：储氢气瓶内氢气的温度；tH2，M：储氢气瓶内氢气的最高温度；tAl：填充铝的平均温度；Δt：氢气温升值；T：加注时间；V：储氢气瓶的容积；ρH2：氢气的密度；
（2）对于确定的加注时间T、储氢气瓶初始充装压力PH2及额定充装压力P，快充时产生的热量一定，氢气温升值Δt不随环境温度tamb的变化而变化。则根据已知充装过程，计算得氢气温升值Δt：
Δt=tH2-tamb                                                  （1）
（3）所需填充物的质量按环境温度达到最高计算，此时，快充结束后，储氢气瓶内氢气的温度最高，为最危险情况。对应情况下，储氢气瓶内能被接受的氢气的最高温度tH2，M：
tH2，M=Δt+tamb，M                                         （2）
（4）根据能量守恒定律，计算填充铝的质量mAl：
cH2mH2Δt=cH2mH2(tH2，M-85)=cAlmAl(85-tamb，M)                （3）
（5）向储氢气瓶的内胆中放入螺旋状铝带作为填充物，该填充物具备弹性且其外缘与内胆的内壁保持接触。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
在储氢气瓶内填充蓄热材料，主动控制温度升高，可以满足降温要求；避免使用预冷系统，节省不必要的额外投资及能源消耗，经济性好；蓄热材料结构简单，填充方便；根据不同地区的全年最高气温，可以填充不同的蓄热材料，可调节性强。
附图说明
图1是本发明的热力学原理图。
图2是内置螺旋铝带储氢气瓶。
图3是螺旋铝带示意图。
图中附图标记为：1内胆，2碳纤维复合材料层，3螺旋状铝带。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰，以下结合附图及实施例，对本发明做进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明采用的技术方案，其关键点在于：在储氢气瓶中填充导热和蓄热性能良好的螺旋状金属铝带材料。一方面，填充物起到翅片的作用，强化氢气之间的对流传热，使得快充时，由于受气体压缩效应、节流效应及动能转化为内能三方面因素影响，短时间内产生的大量热量尽可能多的通过气瓶壁面扩散到环境中，达到控制温升的目的；另一方面，蓄热能力良好的填充物，增加了气瓶的热容，可以吸收快充时产生的热量，进一步降低温度升高，实现对温升的控制。
如附图2及附图3所示，能够控制高压氢气快充温升的储氢气瓶，包括Ⅲ型储氢气瓶本体及填充物。Ⅲ型储氢气瓶的内胆1采用金属铝制成，外层包裹碳纤维复合材料层2用以减轻储氢气瓶质量，提高质量储氢密度；所述填充物是螺旋状铝带3，通过瓶口置入内胆1中。填充物保持一定的弹性使其能与壁面接触。螺旋状铝带3一方面充当翅片强化气瓶内换热，另一方面作为额外增加的热容吸收一部分热量从而控制温升。所需填充物的质量按以下步骤确定。
（1）此Ⅲ型储氢气瓶的额定充装压力P=70MPa，储氢气瓶初始充装压力PH2=2MPa，当环境温度tamb=15℃时，3min内完成充装后，氢气的温度tH2=75℃。
（2）对于确定的加注时间T、储氢气瓶初始充装压力PH2及额定充装压力P，快充时产生的热量一定，氢气温升值Δt不随环境温度tamb的变化而变化。则根据以上充装过程，计算得相同充装条件下，氢气温升值Δt：
Δt=tH2-tamb=75-15=60℃。
（3）所需填充物的质量按环境温度达到最高计算，此时，快充结束后，储氢气瓶内氢气的温度最高，为最危险情况。假设此Ⅲ型储氢气瓶在杭州地区使用，杭州全年历史最高气温平均为40℃，则储氢气瓶内氢气的最高温度tH2，M：
tH2，M=Δt+tamb，M=60+40=100℃。
（4）加注结束时，氢气温度tH2=tH2，M=100℃，额定充装压力P=70MPa，氢气密度ρH2=33.35kg/m3，热容cH2=14.96×103J/kg·K；储氢气瓶的容积V=74L；铝的热容cAl=902J/kg·K。根据能量守恒定律，计算填充物的质量mAl：
cH2mH2Δt=cH2mH2(tH2，M-85)=cAlmAl(85-tamb，M)
=14.96×103×33.35×74×10-3×(100-85)=902×mAl×(85-40)
mAl=13.6kg。
因此，只要在储氢气瓶中填充质量为13.6kg的螺旋铝带，即可在环境温度高达40℃时，将温升控制在85℃以下，避免设置预冷装置，减少投资和能量消耗，提高加氢系统的安全性。
以上所述，仅是本发明的一个实施案例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，可被当作是利用上述揭示的结构及技术内容做出更动或修改而成为等同变化的等效实施案例。

Claims (2)

1.能够控制高压氢气快充温升的储氢气瓶，其内胆以金属铝制成，外侧包裹碳纤维复合材料层；其特征在于，在内胆中放置了螺旋状的铝带作为填充物，该填充物具备弹性且其外缘与内胆的内壁保持接触；
所述螺旋状的铝带的质量mAl按如下公式计算获得：
Δt=tH2-tamb                                                  （1）
tH2，M=Δt+tamb，M                                               （2）
cH2mH2Δt=cH2mH2(tH2，M-85)=cAlmAl(85-tamb，M)         （3）
式中，Δt：氢气温升值；tH2：储氢气瓶内氢气的温度；tamb：环境温度；tH2，M：储氢气瓶内氢气的最高温度；tamb,M：当地全年最高环境温度；cH2：氢气的热容；mH2：储氢气瓶额定充装质量；cAl：铝的热容；mAl：填充铝的质量。
2.一种能够控制储氢气瓶高压氢气快充温升的方法，其特征在于，使用内胆以金属铝制成、外侧包裹碳纤维复合材料层的储氢气瓶用于充入高压氢气；该方法具体包括以下步骤：
（1）获取加注要求、储氢气瓶中氢气的初始状态参数及环境参数，包括：cH2：氢气的热容；cAl：铝的热容；mH2：储氢气瓶额定充装质量；mAl：填充铝的质量；PH2：储氢气瓶内初始压力；P：储氢气瓶额定充装压力；tamb：环境温度；tamb,M：当地全年最高环境温度；tH2：储氢气瓶内氢气的温度；tH2，M：储氢气瓶内氢气的最高温度；tAl：填充铝的平均温度；Δt：氢气温升值；T：加注时间；V：储氢气瓶的容积；ρH2：氢气的密度；
（2）对于确定的加注时间T、储氢气瓶初始充装压力PH2及额定充装压力P，快充时产生的热量一定，氢气温升值Δt不随环境温度tamb的变化而变化；则根据已知充装过程，计算得氢气温升值Δt：
Δt=tH2-tamb                                                    （1）
（3）所需填充物的质量按环境温度达到最高计算，此时，快充结束后，储氢气瓶内氢气的温度最高，为最危险情况；对应情况下，储氢气瓶内能被接受的氢气的最高温度tH2，M：
tH2，M=Δt+tamb，M                                             （2）
（4）根据能量守恒定律，计算填充铝的质量mAl：
cH2mH2Δt=cH2mH2(tH2，M-85)=cAlmAl(85-tamb，M)                 （3）
（5）向储氢气瓶的内胆中放入螺旋状铝带作为填充物，该填充物具备弹性且其外缘与内胆的内壁保持接触。
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