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机载压缩氢储存:快速填充实验和模拟

摘要：

技术安全是汽车工业中氢的商业使用的一个关键因素。在过去几年中，大量的规范性前和规范性研究工作已经在国家、欧洲和全球各级以及国际标准中制定了法规。他们的认可正在走向国际。还需要进一步的研究来完善这一监管和标准化框架，这也有望对成本和产品优化产生有益的影响。本文介绍了高压板载存储安全性能的实验评估和建模结果。为了模拟氢燃料车的使用寿命，商用氢燃料车已经经历了包括快速加注阶段在内的加注-排空循环，这是欧洲氢燃料车型式认证规定的。对罐内局部温度历史进行了测量，并与罐内金属凸台处的温度进行了比较，这是规定中确定的测量位置。实验活动由快速填充过程的计算流体动力学(CFD)建模补充，通过先前验证的数值模型。这些活动的结果是一套基于科学的数据，这些数据将作为未来法规和标准改进的输入。

关键词:压缩氢气;类型4罐;快速填充;实验活动;CFD模拟

1. 介绍

利用氢作为能源载体，目前被认为是解决世界气候变化问题的解决方案的一部分，有助于实施有效的低碳经济。特别是，氢是未来汽车应用最有前途的替代燃料之一: 当它由可再生资源生产时，它提供了无污染的运输——没有二氧化碳排放，减少了我们对日益减少的化石燃料储量的依赖。然而，氢在汽车工业中的引入和商业化对安全的各个方面提出了很高的要求。其中，储氢应被视为确保氢运输应用的安全性、性能和最终使用效率的关键因素之一。人们普遍认为，氢是一种能源载体，可以帮助解决温室气体排放、空气污染和能源供应安全等问题。然而，为了切实实施“氢经济”，必须对与氢在商业系统中的实际应用有关的所有安全方面进行评估:除了生产和使用氢之外，所有其他的市场阶段，如包装、储存、运输和运输，都应该谨慎处理。特别是，储氢是广泛使用氢作为能量载体的关键技术。在所有可用的技术中，压缩气体是目前车载储氢的主要选择:高压氢(35e70 MPa)储存在车内包装的圆柱形储罐中。目前有四种不同的罐设计可供选择，但由于重量最小化，主要使用了其中的两种:第3种罐，由复合碳纤维和内铝内衬复合材料构成;第4种罐，采用相同的外复合材料和内塑料内衬。为了在商业上与现有技术竞争，氢燃料加注需要满足三个主要目标:加注时间短，加注率高，安全性和可靠性高。首先,氢动力汽车的广泛采用,加油时间应该可比常规燃料,这意味着加油轿车在不到4分钟。练习场的氢燃料汽车是一个主要的问题,因为由于氢体积能量密度低、高存储压力(70 MPa)需要与汽油车的自治权。当高压和短填充相结合时随着时间的推移，由于气体的近绝热压缩，在加注过程中可以达到较高的温度。

命名

L 长度

P 压力

P_in 初始压力

P_fin 最终压力

t 时间

t_filing 填充时间

T 温度

T_amb 环境温度

Ti 始温度

Phi; 直径

缩略词

3D三维次封盖最佳实践指导方针

CFD计算流体动力学欧盟欧盟

GasTeF油箱测试设施

GTR HFV氢燃料汽车全球技术管理专业研究所能源和交通

ISO国际标准化组织联合研究中心联合研究中心

RCS法规规范和标准

SAE汽车工程师学会设置能源技术战略计划联合国

ECE联合国经济委员会对欧洲

氢可以以多种方式储存，例如在金属氢化物容器中，作为压缩气体，或者冷冻液化。压缩气体(35-70MPa)是目前氢储存的首选解决方案由于坦克的技术准备就绪，以及车辆和车辆的成本预测基础设施应用程序。气体压力储存实际上是一项众所周知的技术;然而，处理高压氢气需要严格的法规和安全保障性能研究:罐内不安全的温度升高可能是由近绝热引起的压缩气体时，高储存压力(70MPa)与快速灌装(~3分钟)相结合达到较短的加油时间和较长的驾驶里程[1][2]的竞争目标。第一个要求SAE已经制定了适用于公路客运车辆的氢储存系统国际和ISO委员会(分别为SAE-J2579[3]和ISO15869 [4]);在欧洲水平，a委员会条例颁布于2010年，对氢动力汽车[5]的类型批准。氢燃料汽车全球技术法规(GTR HFV)已经起草并正在实施在联合国-欧洲经委会[6]框架下进行审查。该GTR考虑了最近的情况国际规范前和标准化发展。的发展和标准化在大规模商业化之前对氢储存的安全要求不仅仅是以确保道路安全为需要，这是公认的最高优先事项，也是被高度重视的需要迅速将新技术投入市场，以符合欧洲的要求战略能源技术(SET)计划[7]的二氧化碳减排目标。

目前的压缩储氢技术水平包括35mpa (350bar)和70mpa(700bar)容器，根据使用的材料分为第1类至第4类。目前类型3而第4类是最常用的解，因为它们都是由a构成的复合碳纤维和内部金属(铝，铬合金)内衬层压外部包装，和塑料(高分子聚合物)内衬。4型血管是最近发展起来的，但由于其轻量化、耐久性和相对稳定性等特点，其应用逐渐增多简单的可制造性。4型储罐还需要进行有关氢渗透性的专门测试塑料衬垫，以及特别注意在填充过程中温度的发展，由于低塑料衬垫的导热性。

因此，快速灌装的缺点(超压、超温和超/不足)应该是通过实验和数值研究进行适当的研究，以便得到适当的解决根据相关法规、规范和标准(RCS)。

2. GasTeF描述

JRC-IET压缩氢气罐测试设施(GasTeF)的设计目的是对全尺寸的高压汽车氢气(或天然气)罐或任何其他高压元件(如阀门和管道)进行性能验证测试。GasTeF[7]位于半埋地的强筋混凝土仓内(见图1)，附外储气区。在测试室内(10 x 7.5 x 3 m3)，用气态N2惰化，一个压力容器包含了要测试的组件。燃料箱被放置在一个充满惰性气体的容器中，这个容器既是安全室，也是用来测量氢气通过燃料箱壁的渗透情况。套筒温度可在环境温度范围内变化-100℃，而槽内压力可提高至约80 MPa。GasTeF代表欧盟参考实验室在高压氢气储罐的安全性和性能评估通过骑自行车和渗透测试[8]:

·快速充气自行车、储罐的快速填充(3 - 5分钟),缓缓流出(典型的持续时间从10到60分钟)使用加压氢(70 MPa),一生至少1000次模拟道路车辆。在试验过程中，为了评估储罐的性能，需要监测几个参数:外部温度、储罐壁的温度和变形以及可能的氢气泄漏或渗透;还测量了罐内几个位置的内部气体温度，以作为所开发的CFD快速充装过程模型的验证数据集。

·在温度为85°C(或385 K, ISO 15869规定的最高允许温度)、温度为70 MPa的储罐上，也可以进行静态渗透率随时间变化的测量。

实验和数值结果旨在提供氢气罐长期的机械和热行为及其安全性能方面仍然缺失的信息，从而识别当前RCS中潜在的安全问题和可能的差距，并使其得以改进。

3.实验结果

GasTeF快速填充和渗透实验提出了以下使用29日升类型执行4罐(L = 828毫米和Phi;= 235毫米)。公称工作压力为70mpa。如图2(左侧)所示，内外部温度测量用12个热电偶对内外部温度进行测量。内部热电偶放置在专门设计的阵列上;1-4热电偶可以通过支撑结构的部分水平位移在三个不同的轴向位置上进行位移。在进口/出口和罐内的气体压力测量使用压力传感器(见[8]的更多细节)。压力和温度数据记录的时间间隔为0.6秒。进行了初步的氦测试，以检查连接的紧密性、热电偶和压力传感器的操作以及高压下容器的行为。氦气的使用还可以确保在充氢过程中罐内不留下氧气。每一次氢测试都将热电偶阵列放置在三个不同的轴向位置(即从1到3远离储箱入口)进行重复。每个位置在不同的天数内至少进行了三个快速填充循环(图2)，以检查其重复性，并将实验结果作为对应CFD模型[9]的输入/基准。

在2号和3号位置的循环序列之后进行了静压测量，主要是为了检查稳定罐内气体的压力和温度所需的时间。因此，在室温条件下，用套管法测定了短时间内氢气的透过率。在不同的填充率下，考虑了不同的起始和结束压力(Pi和Pf);其中两个试验也用CFD[9]和[10]进行了模拟。

得到的TC5(位于罐体上部区域)的结果如图3所示，与文献[11]和[12]中已有的实验结果一致。可以观察到，对于低填充率，氦和氢的温度升高是相当的。在较高的填充率下，氢的热导率提高19.3%变得很重要，并导致趋势曲线的分离和氢的低值。影响快速充型过程温升的主要因素是充型速率和初始压力。充注时间越长，最终气体温度越低;同样地，容器内的初始压力越高，最终气体温度越低。高温(gt;100°C)是在一个空罐充满后获得的(压力变化从0到72 MPa)。这一现象在Kim等人的实验中也得到了注意;然而，高温峰值在超过85°C(或358 K)阈值的时间非常短。长期的静态对完全充满的储罐进行了压力试验，评价了充装后的压力衰减和气体温度变化。一旦灌装完成温度大幅降低由于坦克内部的传热从其外表面,以低得多的温度(最大55°C或328 K)自袖保存在室温下(而不是85°C或358 K需要静态渗透测量标准)。随着温度的降低，压力也随之降低;温度和压力均在10小时内达到平衡值(更多详情见[7])。

4. CFD

模拟选择了上述两种GasTeF测试作为CFD模拟的参考。将罐内特定点的实测温度数据(见图2所示热电偶布置)与充装过程的预测值进行对比;首先对所建立的CFD快速加油过程[9]模型进行了验证，然后将其应用于模拟不同于实验[10]的新型快速加油场景。所述试验的工作条件概述于下表。

如图4所示的3 d计算域包括两种流体(蓝色)和固体区域(老板的灰色,白色的衬管和黑色碳纤维纸),,它允许通过固体材料热传导耦合预测与计算工作流体的温度。利用ANSYS CFX 12.1进行了瞬态仿真，求解了各控制方程的非定常形式。在储罐入口施加瞬态压力和温度实验剖面，重现快速灌装条件。初始条件由氢气在罐内的初始温度和压力来定义，假设氢气的初始温度和压力是均匀的，认为罐壁与气体的温度相同。模型验证了根据一般的最佳实践指南(次封盖)使用CFD代码[14]:为了评估模型功能,敏感性分析进行网格细化,湍流模型,在进口压力边界条件,入口管几何、外墙传热系数和材料属性[9]。所预测的槽内温度分布与两种模拟试验的实验数据非常吻合(见图5)，误差小于6%。图6为试验101灌装结束时罐内和罐体结构上的温度分布。可以观察到，测量和预测的最高温度超过了85°C (358K)的允许极限，但值得注意的是，实验的目的是测试极端情况下的坦克能力，而不是专门验证这一要求的满足。采用相同的CFD模型来研究与实验不同的快速填充场景:模拟不同的压力上升速率、绝热和冷填充速率，以评估其对桶内最大氢气温度的影响。结果表明，冷充(初步预冷至270k)使最大氢气温度显著降低，且不超过85℃的允许范围，如图7所示。

5. 结论

给出了不同快速充填条件下的温度演化实验结果，为JRC-IET开发的CFD模型提供了验证数据集。实验结果与文献一致。接下来的步骤将是在GasTef设施中安装一个气体冷却器和一个流量计，以执行冷灌装试验，并允许在灌装和排放周期中对质量流量进行更精确的控制。CFD快速充型模型验证成功后，应用相同的模型对完全绝热充型、不同入口压力分布的充型以及氢预冷冷充型不同工况进行了研究。结果表明，在所研究的方案中，只有冷填充的情况下，氢的最高温度被降低到85℃的允许范围内。结果表明，所建立的CFD模型是一种适用于预测试验数据尚未获得的快速充装方案的方法，为今后的油罐设计和充装工艺优化提供了很好的支持。

感谢

这项工作是在联合研究中心能源和运输研究所的主持下进行的，是由欧洲委员会提供财政支助的体制活动的一部分。

参考文献

[1] Pregassame S., Barth F., Allidiers L., Barral K., Hydrogen Refueling Station: Filling Control Protocols Development, Proceedings of the Sixteenth World Hydrogen Energy Conference, 13-16 June 2006, Lyon.

[2] Colom S., Allidiers L., Vinard T., Bur S., Trompezinski S., Hydrogen Refueling Stations: Benchmark of Storage Systems to Define Fueling Protocols, Proceedings of the Seventeenth World Hydrogen Energy Conference, 15-19 June 2008, Queensland.

[3] SAE J2579 Technical Information Report for Fuel Systems in Fuel Cell and other Hydrogen Vehicles, SAE International, Issue 2008.

[4] ISO/CD 15869-Gaseous hydrog

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