CN110377951A - 一种深冷高压储氢系统的工况计量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种深冷高压储氢系统的工况计量方法，包括建立动力学模型的过程和建立热力学模型的过程。其中，建立动力学模型的过程包括以下步骤：S1：确定五个参数：耗氢流量q_mole、从燃料电池到车轮工作端的电力传输效率η₁、燃料电池的发电效率η₂、氢气的过量系数K以及燃料电池的放热量ΔH；S2：通过式(1)建立动力学模型，并将五个参数代入到式(1)中，从而计算出汽车任意时刻的瞬时功率P_车；建立热力学模型的过程包括以下步骤：S3：通过式(2)建立热力学模型；S4：通过热力学模型计算出各个时刻的氢气温度、密度以及深冷高压储氢系统中储氢内容器的压力。本发明能够对深冷高压储氢系统的工况进行有效的计量。

Description

一种深冷高压储氢系统的工况计量方法

技术领域

本发明涉及深冷高压储氢系统领域，特别是涉及一种深冷高压储氢系统的工况计量方法。

背景技术

氢可广泛应用于燃料电池发电、核聚变产能、直接燃烧产热等领域，目前，氢能应用的技术瓶颈主要在于氢的储存和运输，尤其是实现氢能的高效、安全、长期储存。

传统的储氢方式主要有高压气态储存、低温液态储存和金属化合物储氢三种。高压气态储氢能量密度低；低温液态储氢成本高，无损存储时间有限，小规模使用性价比低，多用于大型液氢工厂；化合物储氢因其吸放氢条件严苛、存储质量储氢密度过低等因素难以满足实际应用而难以推广。

为了优化物理储氢手段，科研工作者将高压气态储氢和低温液态储氢技术相结合，将传统车载液氢容器中工作压力较低的内层容器换成高压储氢中所用的耐高压复合材料气瓶，进而开发出低温高压复合储氢技术(即深冷高压储氢)。以美国劳伦斯利弗莫尔实验室开发的第三代深冷高压储氢储氢容器为例，它的质量和体积储氢密度分别可达7.4wt％H₂和0.045kgH₂/L(加注液氢时)，上述标准是现有储氢技术中唯一一个能达到美国能源部15年技术标准的储氢方式。因其内容器采用复合材料，承压能力显著提高即使容器内部液氢气化，短时间内容器压力也不会达到泄放值。相同传热速率下，深冷高压储氢容器的休眠期(无损储存时间)是传统液氢容器的5～10倍。与传统物理储氢方式相比，低温高压复合储氢有效提升了质量和体积储氢密度，延长了无损储氢时间，但是综合考虑目前低温高压复合储氢的成本、能量密度和休眠期等，这项技术距商业化市场推广仍需要多项关键技术的突破，但不可否认的是，其发展前景同样值得期待。

氢气在常温下爆炸极限为4.1％～74.2％，储存时，充装过多过少都容易发生危险，由于氢气的特殊性质，现有的储氢方式中，对于计量工具都提出了很高的要求。

在各种储氢方式的计量原理中，高压气态储氢主要依靠气体压力表测定常温下的气体压力，进而确定氢气含量。具体原理：压力表通过表内的敏感元件(波登管、膜盒、波纹管)的弹性形变，再由表内机芯的转换机构将压力形变传导至指针，引起指针转动来显示压力。这种方法精度等级高，计量误差小，高精度仪表的精度可达0.01％。

液氢是气态氢降温至20k以下形成的深冷液体，标准状态下液氢密度为71kg/m³。液氢在国内运输通常采用铁路槽车，其在运输过程中危险系数高，除了如气态氢一般易燃易爆外，还极易气化挥发而扩散，由于其沸点极低(33k)，受热易膨胀。其被铁路运输货物管理条例列为危险物品，规定其储存于真空绝热罐体时，充装率不得高于90％。否则可能会在紧急状况下，过量液氢过热膨胀罐内气象空间迅速减小，安全阀不能正常开启而造成氢气难以及时排出，此种状况极度危险，必须予以避免。

液氢的计量方式主要有两种，通过轨道衡进行直接计重和液位计计高再转化为重量。但这两种方式对于液氢计量都存在问题，轨道衡计量误差较大，出于安全考虑，目前多采用液位计，但液位计的液位常由于各种因素的影响无法准确获得。例如，液位计中液体温度与储罐内温度因罐体热容而差异明显，导致二者液面并不相同，此外筒体半径的变化率也会对液位获取造成影响。基于此，液氢计量更多时候需要依靠经验公式的修正。然而现有技术中还没有有效的深冷高压储氢系统的工况计量方法。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种深冷高压储氢系统的工况计量方法，能够对深冷高压储氢系统的工况进行有效的计量。

技术方案：为达到此目的，本发明采用以下技术方案：

本发明所述的深冷高压储氢系统的工况计量方法，包括建立动力学模型的过程和建立热力学模型的过程；

所述建立动力学模型的过程包括以下步骤：

S1：确定五个参数：耗氢流量q_mole、从燃料电池到车轮工作端的电力传输效率η₁、燃料电池的发电效率η₂、氢气的过量系数K以及燃料电池的放热量ΔH；

S2：通过式(1)建立动力学模型，并将步骤S1得到的五个参数代入到式(1)中，从而计算出汽车任意时刻的瞬时功率P_车；

所述建立热力学模型的过程包括以下步骤：

S3：通过式(2)建立热力学模型；

式(2)中，T_i为第i时刻氢气的温度，T_i-1为第i-1时刻氢气的温度，ΔT_i＝Q/(C_pj-1·M_i-1)，ΔT_i为第i时刻与第i-1时刻氢气的温度之差，ΔT_i＞0，T_i＞T_i-1，Q为环境传热流量，C_p,i-1为第i-1时刻的热容，M_i-1为第i-1时刻氢气的质量，M_i为第i时刻氢气的质量，V_容器为深冷高压储氢系统中储氢内容器的体积，P_i为深冷高压储氢系统中储氢内容器第i时刻的压力，D_i为第i时刻氢气的密度，i≥2；

S4：通过热力学模型计算出各个时刻的氢气温度、密度以及深冷高压储氢系统中储氢内容器的压力。

进一步，所述步骤S1中，耗氢流量q_mole通过式(3)计算得到：

式(3)中，q为输氢流量，M_H2为氢气的摩尔质量。

进一步，所述步骤S1中，从燃料电池到车轮工作端的电力传输效率η₁通过式(4)计算得到：

η₁＝η₁₁·η₁₂·η₁₃·η₁₄ (4)

式(4)中，η₁₁为燃料电池系统中DC/DC转换器的效率，η₁₂为燃料电池系统中蓄电池的充电效率或者放电效率，η₁₃为车轮工作端的机械传动效率，η₁₄为车辆驱动电机的效率。

进一步，所述步骤S1中，燃料电池的发电效率η₂通过式(5)计算得到：

η₂＝η₂₁ (5)

式(5)中，η₂₁为燃料电池的发电效率。

进一步，所述步骤S1中，氢气的过量系数K为1.5。

进一步，所述步骤S1中，燃料电池的放热量ΔH通过式(6)计算得到：

ΔH＝W_FC+Q_FC (6)

式(6)中，W_FC为燃料电池反应消耗的化学能中转化为电能的部分，Q_FC为燃料电池反应消耗的化学能中转化为热能的部分。

有益效果：本发明公开了一种深冷高压储氢系统的工况计量方法，能够对深冷高压储氢系统的工况进行有效的计量，从而推动低成本、高效安全的深冷高压储氢系统的发展。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中的一组工况下的D-t、M-t状态曲线图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的介绍。

本具体实施方式公开了一种深冷高压储氢系统的工况计量方法，包括建立动力学模型的过程和建立热力学模型的过程；

建立动力学模型的过程包括以下步骤：

S1：确定五个参数：耗氢流量q_mole、从燃料电池到车轮工作端的电力传输效率η₁、燃料电池的发电效率η₂、氢气的过量系数K以及燃料电池的放热量ΔH；

S2：通过式(1)建立动力学模型，并将步骤S1得到的五个参数代入到式(1)中，从而计算出汽车任意时刻的瞬时功率P_车；

建立热力学模型的过程包括以下步骤：

S3：通过式(2)建立热力学模型；

式(2)中，T_i为第i时刻氢气的温度，T_i-1为第i-1时刻氢气的温度，ΔT_i＝Q/(C_pj-1·M_i-1)，ΔT_i为第i时刻与第i-1时刻氢气的温度之差，ΔT_i＞0，T_i＞T_i-1，Q为环境传热流量，C_p,i-1为第i-1时刻的热容，M_i-1为第i-1时刻氢气的质量，M_i为第i时刻氢气的质量，V_容器为深冷高压储氢系统中储氢内容器的体积，P_i为深冷高压储氢系统中储氢内容器第i时刻的压力，D_i为第i时刻氢气的密度，i≥2；Refpropm是数据库软件REFPROP里的函数；

S4：通过热力学模型计算出各个时刻的氢气温度、密度以及深冷高压储氢系统中储氢内容器的压力。

燃料电池和深冷高压储氢系统都是安装在汽车上的。

步骤S1中，耗氢流量q_mole通过式(3)计算得到：

式(3)中，q为输氢流量，M_H2为氢气的摩尔质量。

步骤S1中，从燃料电池到车轮工作端的电力传输效率η₁通过式(4)计算得到：

η₁＝η₁₁·η₁₂·η₁₃·η₁₄ (4)

式(4)中，η₁₁为燃料电池系统中DC/DC转换器的效率，η₁₂为燃料电池系统中蓄电池的充电效率或者放电效率，η₁₃为车轮工作端的机械传动效率，η₁₄为车辆驱动电机的效率。

步骤S1中，燃料电池的发电效率η₂通过式(5)计算得到：

η₂＝η₂₁ (5)

式(5)中，η₂₁为燃料电池的发电效率。

步骤S1中，氢气的过量系数K为1.5。

步骤S1中，燃料电池的放热量ΔH通过式(6)计算得到：

ΔH＝W_FC+Q_FC (6)

式(6)中，W_FC为燃料电池反应消耗的化学能中转化为电能的部分，Q_FC为燃料电池反应消耗的化学能中转化为热能的部分。

图1为一组工况下的D-t、M-t状态曲线图，也即储氢密度—行驶时间、储氢质量—行驶时间的状态曲线图。它表示一辆载有深冷高压储氢容器的氢燃料客车在60km/h匀速行驶在平直路面上时，容器中的储氢密度和容器中的储氢质量随时间的变化情况。接近满填充的储氢车辆处于理想的匀速行驶状态下，在行驶过程中耗氢流量保持不变直至燃料过少而停止(储氢内容器的压力低于燃料电池的最低压力，供氢系统无法正常工作)。

储氢容器的初始填充工况取典型值:

车型实例：亚星YBL6818氢燃料客车

容器初始温度：60K(30-100K)

内容器压力：34.5MPa(储氢手段性能测试的统一压力标准)34MPa左右

内容器容积：151L(110-160L)

由图可知，初始状态容器的储氢密度为71.8g/L，储氢质量10.85kg，理论上可使得一辆空载的6.6t的8米级氢燃料客车续航里程约256km。单位功率耗氢流量为0.02118(g/(s·kW))百公里耗氢量4.24kg.续航时间4.3h。

该模拟结果符合氢燃料汽车的相关技术标准，在给定整车实例的情况下输入容器的初始温度、初始压力即可准确得到其密度和质量，并根据汽车的行驶状态分析汽车任意时刻的耗氢状况。

Claims (6)

1.一种深冷高压储氢系统的工况计量方法，其特征在于：包括建立动力学模型的过程和建立热力学模型的过程；

所述建立动力学模型的过程包括以下步骤：

S1：确定五个参数：耗氢流量q_mole、从燃料电池到车轮工作端的电力传输效率η₁、燃料电池的发电效率η₂、氢气的过量系数K以及燃料电池的放热量ΔH；

S2：通过式(1)建立动力学模型，并将步骤S1得到的五个参数代入到式(1)中，从而计算出汽车任意时刻的瞬时功率P_车；

所述建立热力学模型的过程包括以下步骤：

S3：通过式(2)建立热力学模型；

式(2)中，T_i为第i时刻氢气的温度，T_i-1为第i-1时刻氢气的温度，ΔT_i＝Q/(C_pj-1·M_i-1),ΔT_i为第i时刻与第i-1时刻氢气的温度之差，ΔT_i＞0，T_i＞T_i-1，Q为环境传热流量，C_p,i-1为第i-1时刻的热容，M_i-1为第i-1时刻氢气的质量，M_i为第i时刻氢气的质量，V_容器为深冷高压储氢系统中储氢内容器的体积，P_i为深冷高压储氢系统中储氢内容器第i时刻的压力，D_i为第i时刻氢气的密度，i≥2；

S4：通过热力学模型计算出各个时刻的氢气温度、密度以及深冷高压储氢系统中储氢内容器的压力。

2.根据权利要求1所述的深冷高压储氢系统的工况计量方法，其特征在于：所述步骤S1中，耗氢流量q_mole通过式(3)计算得到：

式(3)中，q为输氢流量，M_H2为氢气的摩尔质量。

3.根据权利要求1所述的深冷高压储氢系统的工况计量方法，其特征在于：所述步骤S1中，从燃料电池到车轮工作端的电力传输效率η₁通过式(4)计算得到：

η₁＝η₁₁·η₁₂·η₁₂·η₁₄ (4)

式(4)中，η₁₁为燃料电池系统中DC/DC转换器的效率，η₁₂为燃料电池系统中蓄电池的充电效率或者放电效率，η₁₃为车轮工作端的机械传动效率，η₁₄为车辆驱动电机的效率。

4.根据权利要求1所述的深冷高压储氢系统的工况计量方法，其特征在于：所述步骤S1中，燃料电池的发电效率η₂通过式(5)计算得到：

η₂＝η₂₁ (5)

式(5)中，η₂₁为燃料电池的发电效率。

5.根据权利要求1所述的深冷高压储氢系统的工况计量方法，其特征在于：所述步骤S1中，氢气的过量系数K为1.5。

6.根据权利要求1所述的深冷高压储氢系统的工况计量方法，其特征在于：所述步骤S1中，燃料电池的放热量ΔH通过式(6)计算得到：

ΔH＝W_FC+Q_FC (6)

式(6)中，W_FC为燃料电池反应消耗的化学能中转化为电能的部分，Q_FC为燃料电池反应消耗的化学能中转化为热能的部分。