摘 要

随着环境污染、能源危机等问题的不断涌现，人们开始探索解决这些问题的方案。一方面，管理人员通过制定规定来控制污染物的排放以及能源的消耗速度；另一方面，科研人员积极寻找安全可靠的清洁能源来替代传统的化石能源。近年来，随着氢能技术的不断发展，氢气慢慢走进了大众的视野。氢气作为一种易燃易爆物，在生产、运输与储存过程中如何保证安全是首先要解决的问题。在汽车行业，如何对车载高压储氢罐进行安全高效地充气是一个重大课题。安全充气必须要满足两个条件，一是充气过程中罐内最高温度不能超过85℃，二是充气终了时压力不能超过额定工作压力的125%。高效充气是指，充气时间不大于5分钟，且最终的充装率达到90—100%。

本文根据质量与能量守恒定律、气体状态方程以及传热理论来建立充气过程的数学模型并求出解析解，然后基于此，通过Matlab/Simulink仿真平台建立单区集总参数模型与双区双温集总参数模型。在对模型进行修正与验证后，使用双区双温模型分析环境温度、进气温度、充气速率以及初始压力等参数对充气过程的影响。研究结果表明，以上四个充气参数均会对罐内温度与压力变化造成较大影响，其中充气速率与进气温度为关键影响因素。因此，本文又选取充气速率与进气温度两个参数，讨论变化的参数对充气过程的影响。最后基于以上的参数研究，给出合适的充气建议。

本文的工作可以较为准确地反映充气过程中罐内温度与压力的变化规律，可以给优化高压储氢罐的充气过程提供理论依据，并为后续的进一步研究打下基础。

关键词：氢气；充气过程；双区模型；数值解

Abstract

With the continuous emergence of environmental pollution, energy crisis and other issues, people began to explore solutions to these problems. On one hand, managers establish regulations to control the discharge of pollutants and the speed of energy consumption. On the other hand, researchers are actively seeking safe and reliable clean energy in replace of fossil fuels. In recent years, with development of hydrogen energy, hydrogen has gradually entered an area of public concern. Hydrogen is an inflammable and explosion-prone object. Thus, the first problem to use hydrogen is how to make it safe in the production, transportation and storage. In the automotive industry, how to safely and efficiently fill the vehicle-mounted high-pressure hydrogen storage tank is a major issue. Safe fast-filling must meet two standards. First, the maximum temperature in the tank during the fill cannot exceed 85°C. Second, the pressure at the end of fill cannot exceed 125% of the nominal working pressure. Efficient filling means that the filling time is no more than 5 minutes and the final state of charge should be in the 90-100%.

This paper will establish the mathematical model of the gas filling process based on the theories of mass and energy balance equations, gas state equations, and heat transfer theories to find the analytical solution. Then, based on this, a single zone lumped parameter model and a dual zone lumped parameter model are established by Matlab/Simulink. After the model is optimized and verified, the dual zone lumped parameter model will be used to analyze the effects of ambient temperature, intake hydrogen temperature, filling rate, and initial pressure during the filling. The results of the study indicate that the above four parameters have a great influence on the temperature and pressure changes in the tank. The filling rate and intake hydrogen temperature are the key influencing factors. Therefore, this paper selects these two parameters and analyzes the influence of the changing parameters during the filling. Finally, based on the study of parameters, suitable suggestions of filling are proposed.

The work of this paper can accurately reflect the variation law of temperature and pressure in the tank during the filling. It can provide theoretical basis for optimizing the filling process of high-pressure hydrogen storage tanks and lay the foundation for further research.

Keywords: Hydrogen, Refueling process, Dual zone model, Numerical solution

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景与意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 国内外相关标准 2

1.4 本文研究内容与方法 3

1.4.1 研究内容 3

1.4.2 研究方法 3

第2章 充气过程热力学分析 5

2.1 单区模型解析解 5

2.2 双区模型解析解 6

2.3 本章小结 7

第3章 充气过程数值模拟 8

3.1 单区集总参数模型 8

3.1.1 单区模型的建立 8

3.1.2 单区模型的修正 10

3.1.3 单区模型的验证 14

3.2 双区双温集总参数模型 15

3.2.1 双区双温模型的建立 15

3.2.2 双区双温模型的验证 16

3.3 本章小结 20

第4章 充气过程参数研究 21

4.1 环境温度对充气过程的影响 21

4.2 进气温度对充气过程的影响 22

4.2.1 恒定进气温度 22

4.2.2 可变进气温度 24

4.3 充气速率对充气过程的影响 25

4.3.1 恒定充气速率 26

4.3.2 可变充气速率 27

4.4 初始压力对充气过程的影响 29

4.5 充气速率与进气温度对充气过程的共同影响 30

4.6 本章小结 32

第5章 结论 34

5.1 研究结论 34

5.2 研究展望 34

参考文献 36

致谢 38

第1章 绪论

本章主要介绍本文的研究背景与意义，同时阐述国内外研究现状以及相关加氢标准的制定与使用。另外，本章还将对涉及的研究内容以及研究过程中所使用的研究方法进行具体说明。

1.1 研究背景与意义

随着化石燃料的开采与消耗，人类面临的能源与环境问题也在不断增加。2015年巴黎气候变化大会通过的《巴黎协定》指出，各国应把全球平均气温较工业化前水平升高控制在2℃以内，并在本世纪下半叶实现温室气体净零排放。近年来，世界各国一方面高效环保地利用传统能源，另一方面加紧开发核能、风能等清洁能源^[1]，氢能也是其中必不可少的一部分。随着氢能应用技术发展逐渐成熟，氢气产业的发展在世界各国开始备受关注，尤其是车用氢气方面，可部分替代石油与天然气^[2]，从而达到减排的目的。

车用氢气必须满足质量密度、体积密度以及行驶里程要求。按照美国能源部制定的标准，成熟的商业车用储氢系统要达到单位质量储氢密度7.5wt%和体积储氢密度70kg H2/m3 ^[3],并且续航里程不低于500km。目前汽车制造商最常用的储氢方式是高压储氢^[4]。为了满足车用，现在储氢罐额定压力可以达到35MPa至70MPa^[5]；相对的，加氢站的加氢压力则要达到40MPa至75MPa。目前，本田、丰田等汽车公司已推出多款可以投入使用的氢能汽车，同时各国也积极开展加氢站等氢能基础设施的建设。对于加氢站而言，如何实现安全高效的氢气加注，是现在所面临的主要问题。