摘 要

化石能源的大量使用所造成了严重的空气污染，这对人类的生活带来了极大的困扰。与此同时化石能源的日渐枯竭也对人类生存、发展产生了极大的威胁。寻求一种清洁、可再生的清洁能源是世界各国科学家的研究方向。目前使用的最广泛的清洁能源主要有太阳能、风能、水力资源、氢能等。氢气作为一种理想的能源，它具有燃烧产物洁净、燃烧效率高、可再生等优点被认为是新世纪的重要二次能源，逐渐被人们重视起来。高压储氢是最常用和最直接的储氢方式。高压储氢对环境，充气设备的要求较低，只需要打开开关就能释放氢气,并且储氢罐的结构也十分简单，可以在短时间内完成氢气的充装。因此高压储氢已成为目前最通用的氢气储存方式。在目前掌握的储氢方式中，高压储氢动态响应最好，能保证汽车在任何工况下获得充足的氢气，也能在瞬间关闭进气开关，停止供气[47]。本文主要的研究内容是在高压储氢罐快充过程中的热效应。

本文将根据热力学、流体力学和传热传质学的相关理论，运用质量守恒定律和能量守恒定律和实际气体状态方程，建立一个数学物理模型。利用Matlab/Simulink仿真平台分别建立了双区双温集总参数模型，并运用该模型研究不同初始压力、不同环境温度、不同进气温度以及不同充气速率对罐内气体温度和罐壁温度的影响。

关键词：高压储氢 快充过程 热效应

Abstract

Extensive use of fossil fuels has caused serious air pollution, which bothered our life extremely. Meanwhile gradual depletion of fossil fuels also produce a tremendous threat to the survival and development of human-beings. Searching for a clean, renewable, clean energy is the common direction to study for scientists around the world. Nowadays, the clean energy that being most widespread used are mainly solar energy, wind energy, water resources, and hydrogen, etc. As an ideal energy, hydrogen has advantages such as clean products of combustion, high combustion efficiency and being renewable, which are considered as an important secondary energy of the new century and that people gradually pay attention to. High-pressure hydrogen storage is the most common and direct way to store hydrogen. High-pressure hydrogen storage can be realized at room temperature, which also can be released directly through adjusting the valve, featuring in the simple structure of hydrogen storage tank, less compression energy produced hydrogen, high filling speed, etc., at the present stage, it has become the main choice of hydrogen transportation. In the existing hydrogen storage system, high-pressure hydrogen storage possess the best dynamic response that is capable of providing adequate hydrogen to assure the hydrogen fuel car can travel at high speed or climb, but also can close the valve in an instant, to stop gas supply [47].

However, hydrogen is a flammable gas, making the production, purification, storage under a safe condition is still a problem to be studied. The main study contents of this paper is the thermal effect of fast-filling process in the high-pressure hydrogen storage tank.

This paper will be based on the theory of thermodynamics, fluid mechanics, heat and mass transfer, using conservation of mass, conservation of energy and real gas equation of state, to establish a mathematical model. By using Matlab / Simulink simulation platform, we set up dual-zone dual temperature lumped parameter model, and with the use of which we study the effect on gas tank temperature and the temperature of the tank wall under conditions like the initial pressure, different temperatures, different intake air temperatures or different rates of inflation.

Key words: high pressure hydrogen storage fast-filling process thermal effect

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景和研究意义 1

1.2 文献综述 2

1.2.1 高压储氢的研究现状 2

1.3 论文的研究内容与技术路线 4

1.3.1 论文的研究内容 4

1.3.2 论文的技术路线 5

第2章 高压储氢的理论基础 6

2.1 高压储氢过程的质量守恒方程 6

2.2 高压储氢过程的能量守恒方程 6

2.3 Matlab/Simulink软件介绍 7

第3章 高压储氢的集总参数模型研究 9

3.1 高压储氢过程的集总参数模型 9

3.2 参数研究 10

3.2.1 不同环境温度下的快充过程热效应模拟 10

3.2.2 不同初始压力下的快充过程热效应模拟 12

3.2.3 不同进气温度下的快充过程热效应模拟 14

3.2.4 不同充气速率下的快充过程热效应模拟 16

第4章 结论与展望 18

4.1 结论 18

4.2 展望 18

参考文献 20

致 谢 23

1. 绪论
   1. 研究背景和研究意义

能源是人类社会存在与发展的物质基础，未来世界对能源的需求将持续增长。随着化石能源的广泛使用和逐步耗尽，人类所面临的环境问题以及能源危机也将日益严重。因此，寻找一种清洁高效的可再生能源迫在眉睫。作为可再生、清洁能源的载体，氢能展现出了未来世界理想替代能源的潜质。因此，氢能也成为近些年世界各国学者关注的焦点之一。氢能的开发与利用涉及氢气的制备、纯化、储存、运输及使用等过程。车载氢气的储存与其它各个环节密切相关，对于氢能利用系统的安全、高效、可靠、耐久运行具有非常重要的意义。

燃料电池汽车是有效利用氢能的重要途径之一。而相比于其他储氢方式，高压储氢由于其系统结构简单、充气时间快、成本较低以及储氢质量较高成了最有效的储氢方式之一[1]。目前它被广泛应用于燃料电池汽车上，例如日本丰田在Mirai上运用高压储氢系统[2]。高压储氢罐必须满足质量密度、体积密度以及行驶里程要求。2015年，美国能源部（DOE）就提出高压储氢罐的质量密度以及体积密度不应低于9wt%和81kgH₂/m³，而且为了满足汽车行驶里程需求，单次充气行驶里程不低于500km[3]。在过去十年的燃料电池汽车示范过程中，中国已建成多项加氢基础设施。为了方便加氢基础设施的发展，国家氢能标准化管理委员会（SAC/TC309）在与氢技术相关的法规，规范和标准的制定做了很多努力。其中涉及到氢能基础设施所取得的成就是氢燃料加油站GB50516-2010技术规范，这是针对固定的氢燃料设施，但并不包括移动氢燃料设施[4]。所以对于移动设施加氢相关标准的制定迫在眉睫。