CN111947022B - 一种燃料电池汽车车载储氢瓶加注方法 - Google Patents

一种燃料电池汽车车载储氢瓶加注方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池汽车车载储氢瓶加注方法，包括以下步骤：设定温度阈值；对不同的氢气质量流量进行仿真，得到加注过程中不同的氢气质量流量的温度‑时间变化曲线；根据不同的氢气质量流量的温度‑时间变化曲线选定温升与加注时间均居中的优势质量流量，在温度不超过温度阈值的条件下，利用优势质量流量对储氢瓶进行设定时长延时加注。与现有技术相比，可使温升更小，且总加注时间较短。

Description

一种燃料电池汽车车载储氢瓶加注方法
技术领域
本发明涉及燃料电池汽车车载储氢瓶加注领域，尤其是涉及一种燃料电池汽车车载储氢瓶加注方法。
背景技术
为满足燃料电池汽车商业化的需求，车载储氢瓶的氢气加注时间必须缩短至合理的范围，然而过大的加注流量将导致瓶内温度急剧上升，当瓶内温度超过一定温度时将会对储氢瓶材料的安全性能产生影响，造成安全隐患。
计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)是以电子计算机为工具，应用各种离散化的数学方法，对流体力学的各类问题进行数值实验、计算机模拟和分析研究的方法。应用该方法，可精确、有效地对储氢瓶加注过程进行仿真模拟，是研究流体力学的有效工具。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种燃料电池汽车车载储氢瓶加注方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种燃料电池汽车车载储氢瓶加注方法，该方法包括以下步骤：
步骤S1：设定温度阈值；
步骤S2：对不同的氢气质量流量进行仿真，得到加注过程中不同的氢气质量流量的温度-时间变化曲线；
步骤S3：根据不同的氢气质量流量的温度-时间变化曲线选定温升与加注时间均居中的优势质量流量，在温度不超过温度阈值的条件下，利用优势质量流量对储氢瓶进行设定时长延时加注。
所述步骤S2中仿真的过程包括：
步骤S21：获取储氢瓶的几何参数和储氢瓶的材料参数；
步骤S22：根据储氢瓶的几何参数建立储氢瓶的有限元网格模型；
步骤S23：在Fluent软件中导入有限元网格模型与材料参数；
步骤S24：设定不同的氢气质量流量，通过计算流体动力学模型得到加注过程中不同的氢气质量流量的温度-时间变化曲线。
所述的有限元网格模型在Hypermesh软件中建立。
所述的材料参数包括密度、比热和热传导率。
在Fluent软件中，湍流模型选用标准k-ε模型。
Fluent软件中设置初始温度和环境温度为20℃，初始压力为2Mpa。
所述的步骤S3中对优势质量流量进行设定时长延时加注的过程包括：
在加注过程中设置多个延时点，在各延时点处暂停加注设定时长，所述加注设定时长通过在多个预设加注设定时长中以温度不超过温度阈值且总加注时间最短为条件选取。
所述多个延时点的位置设定以温升最小为条件。
对于70Mpa、134L的III型储氢瓶，若储氢瓶总长1750mm、内径333mm、铝内衬层厚9.5mm且多层高性能碳纤维增强复合材料外包裹层厚24mm，则氢气质量流量为40g/s，在加注进行到第30s和第85s时分别进行15s的延时，总加注时间155s。
所述的高温阈值为85℃。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)对优势质量流量进行设定时长延时加注，可使温升更小，且总加注时间较短。
(2)设定时长的选取以温度不超过温度阈值，且总加注时间最短为条件，可保证温度不超过温度阈值，且总加注时间最短。
(3)多个延时点的位置设定以温升最小为条件，可保证温度不超过温度阈值同时，温升最小。
(4)整个过程利用计算机进行仿真，在实施前可预先得到最优加注方法。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明实施例的有限元网格模型；
图3为本发明实施例不同的氢气质量流量的温度-时间变化曲线；
图4为本发明实施例不同的延时加注设定时长；
图5为本发明实施例不同的延时加注设定时长对应的温度-时间变化曲线；
图6为本发明实施例多个延时点的不同位置设定；
图7为本发明实施例多个延时点的不同位置设定对应的温度-时间变化曲线；
图8为本发明实施例选取加注方法对应的温度-时间变化曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例
本实施例中，设定温度阈值为85℃，对一种70MPa的134L的III型储氢瓶进行快速加注分析，储氢瓶总长1750mm，内径333mm，铝内衬层厚9.5mm，CFRP(carbon fiberreinforced plastic，多层高性能碳纤维增强复合材料)外包裹层厚24mm。
在Hypermesh软件中划分有限元网格如图2，网格由氢气、铝内衬、CFRP外包裹及喷嘴部分组成。
在Fluent中导入有限元网格，并将材料参数输入计算流体动力学模型中。材料参数如表1所示：
表1材料参数
铝 CFRP
密度(kg/m3) 2700 1570
比热(J/kg·K) 902 840
热传导率(W/m·K) 238 1.77
表1的材料参数均由实验测得。
在Fluent中，湍流模型选用标准k-ε模型，设置初始条件和边界条件：初始温度和环境温度为20℃，初始压力2Mpa，以模拟普通环境下从空瓶开始加注的过程。
首先设置不同的质量流量进行仿真，根据每种质量流量下的总加注时间和最高温度，获得优势质量流量。如图3，是对20g/s、40g/s、60g/s三种质量流量进行仿真所得到的整个加注过程中最高温度的变化曲线。
质量流量越大，所需要的加注时间越短，但导致的温升会更高。如图可见20g/s的质量流量下温升较低，但加注时间过长。60g/s时加注时间较短但温升过高不易控制，因此选用40g/s的质量流量作为快速加注控制策略的质量流量，应用该质量流量完成加注共需要125s。
延时加注是指在整个加注过程中设置若干延时点，在各点处暂停加注设定时长，使储氢瓶有一个自然冷却的过程，然后再继续进行加注，以达到抑制温升的目的。本实施例采取一个三级延时的加注方案，将整个加注过程分为三段，首先较为平均地将整个加注过程分为40s，45s和40s三段，如图4所示。为了确定合适的设定时长，分别进行设定时长为25s、20s、15s和10s四组仿真，结果如图5所示。选用不超过温度阈值且总加注时间最短的c2方案，即设定时长为15s。
接下来对三段设定时长的分配进行优化，提出如图6所示的六种方案。六种方案加注结束时最高温度如表2：
表2最高温度
方案 温度/℃
c5 81.2
c6 82.1
c7 83.3
c8 84.6
c9 86.2
c10 85.8
如图7所示，不同组合下最高温度的差值不超过5℃。尽管如此，c9和c10两种情况的最高温度超过了85℃的温度阈值，采用先短时间加注、后长时间加注的方案c5有利于抑制温升。
综上，应用40g/s的恒定质量流量进行加注，在加注进行到第30s和第85s时分别进行两次15s的延时，加注总计共用时155s，温升曲线如图8。

Claims (4)

1.一种燃料电池汽车车载储氢瓶加注方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤S1：设定温度阈值；
步骤S2：对不同的氢气质量流量进行仿真，得到加注过程中不同的氢气质量流量的温度-时间变化曲线；
步骤S3：根据不同的氢气质量流量的温度-时间变化曲线选定温升与加注时间均居中的优势质量流量，在温度不超过温度阈值的条件下，利用优势质量流量对储氢瓶进行设定时长延时加注；
所述步骤S2中仿真的过程包括：
步骤S21：获取储氢瓶的几何参数和储氢瓶的材料参数；
步骤S22：根据储氢瓶的几何参数建立储氢瓶的有限元网格模型；
步骤S23：在Fluent软件中导入有限元网格模型与材料参数；
步骤S24：设定不同的氢气质量流量，通过计算流体动力学模型得到加注过程中不同的氢气质量流量的温度-时间变化曲线；
所述的步骤S3中对优势质量流量进行设定时长延时加注的过程包括：
在加注过程中设置多个延时点，在各延时点处暂停加注设定时长，所述加注设定时长通过在多个预设加注设定时长中以温度不超过温度阈值且总加注时间最短为条件选取；
所述多个延时点的位置设定以温升最小为条件；
所述的材料参数包括密度、比热和热传导率；
在Fluent软件中，湍流模型选用标准k-ε模型；
Fluent软件中设置初始温度和环境温度为20℃，初始压力为2Mpa。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池汽车车载储氢瓶加注方法，其特征在于，所述的有限元网格模型在Hypermesh软件中建立。
3.根据权利要求1所述的一种燃料电池汽车车载储氢瓶加注方法，其特征在于，对于70Mpa、134L的III型储氢瓶，若储氢瓶总长1750mm、内径333mm、铝内衬层厚9.5mm且多层高性能碳纤维增强复合材料外包裹层厚24mm，则氢气质量流量为40g/s，在加注进行到第30s和第85s时分别进行15s的延时，总加注时间155s。
4.根据权利要求1所述的一种燃料电池汽车车载储氢瓶加注方法，其特征在于，所述的温度阈值为85℃。
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