液氢制-储-运-加关键技术发展现状及展望

【目的】液态储运是实现氢气大规模、远距离储运,保证氢能规模化应用的有效途径之一。目前,我国针对液氢制备、储运及加注领域的研究相对较少,为此,对该领域关键技术发展现状进行了分析。【方法】对比了高压气态、液态及固态储氢技术的优缺点;综述了液氢制备过程中的主要液化方法、液氢储存绝热技术与关键材料;分析了不同液氢运输方式与装备的特点;梳理了液氢加氢站建设情况,并对比了液氢加注技术;阐述了液氢主要应用领域和产业化模式,并对近年来我国液氢储运专利技术进行了统计分析。【结论】提出了我国液氢储运发展面临的“卡脖子”难点及亟需技术攻关的方向。研究结果可为液氢关键技术的研究与装备的研制提供参考。

液氢海上运输关键技术发展

液氢作为一种高密度的储氢手段,其储运过程能否满足安全、低损耗和大规模要求,将直接影响氢能的发展进程。作为液氢跨洋运输的重要途径,本文介绍了液氢海上运输的发展现状,总结和梳理了液氢储运中的绝热技术、零蒸发技术、晃荡抑制技术和安全防护技术等关键技术,提出了我国液氢储运尤其是大规模液氢海运的发展建议。

车用液氢气瓶快充过程数值研究

车用液氢气瓶加注过程中,因加注速度快且气瓶容积小,极易造成过充现象,导致安全事故发生。针对设有气包防过充装置的车载液氢气瓶建立三维对称模型,采用CFD方法对气瓶快速加注过程开展数值仿真。分析了开孔孔径、加注速率、初始充满率和防过充装置容积对防过充装置性能的影响规律。结果表明:开孔孔径是影响防过充装置性能的主要因素,其限制了液体的流通能力;采用6 mm孔径和初始充装量为50%的状况下,充装结束后气瓶都将过充,最大充装率可达98.4%;采用大容积的防过充装置可以为气瓶预留更多的气相安全空间,但同时也会导致充装量不足等问题,当防过充装置容积为100 L时,最终充装量仅有77.2%。

车载液氢气瓶发展综述

在倡导低碳环保、绿色发展的大背景下,社会对氢能源汽车的需求量正逐年增加,低温液态储氢作为一种重要的车载储氢方式,其具备能量密度高、载氢质量大、安全可靠等优势,获得了快速发展。介绍了车载液氢气瓶的基本构造和系统运行原理,梳理归纳了当前几种具有代表性的车载液氢气瓶的研究进展和技术参数,同时提出了车载液氢气瓶的未来发展趋势,为车载液氢气瓶的设计制造以及优化改良提供了参考。

车载液氢瓶绝热性能和可靠性试验研究

车载液氢储供系统作为燃料电池汽车的燃料系统,装载到汽车前,要经过一系列严格的测试试验。液氢瓶是车载液氢储供系统的关键装备。本文对车载液氢瓶进行了绝热性能和可靠性试验验证,具体包括蒸发试验、泄漏试验和真空失效试验。蒸发试验采用液氢介质,加注率90%,静置36h,测得日静态蒸发率为4.83%。泄漏试验采用正压气密方法,介质为氦气,试验压力为最高工作压力1.6MPa,采用涂液法进行检验,结果表明液氢瓶合格。真空失效试验在气瓶的真空夹层中充入绝对压力0.1MPa的氮气进行验证。本试验所采用的试验方法及试验结果可为今后车载液氢储供氢系统的开发优化以及性能试验验证提供参考。

基于低损耗热压缩的新型液氢加氢站工艺系统构建

为解决国内现有液氢加氢站中核心设备短期内无法实现国产化以及液氢站加注过程中氢浪费量过大等问题,基于机械压缩增压和热压缩增压机理,构建了基于低损耗热压缩的新型液氢加氢站工艺系统,并利用Aspen HYSYS软件对该新型液氢加氢站工艺系统进行了稳态模拟,得出了系统运行工况参数,确定了优化工艺方案。在此基础上对现有液氢加氢站和新型液氢加氢站系统及其热压缩模块分别进行了能耗分析,结果表明,现有的“增压与汽化并行”式液氢加氢站系统比能耗为0.912 kWh/kg,而低损耗热压缩的新型液氢加氢站系统比能耗为0.322 kWh/kg,其比能耗比现有液氢加氢站降低了64.8%。这表明基于低损耗热压缩的新型液氢加氢站系统更节能,系统中关键部件的[火用]效率也更高。

晃动条件下大型液氢舱罐的动力学及热力学特性

大型液氢舱罐在不同海况下会呈现出复杂的动力学响应及热力学响应,并在很大程度上影响舱罐的安全,因此,建立一个数值模型来研究晃动条件下船用大型低温舱罐中液氢的动力学特性及热动力学特性。应用流体体积(VOF)方法捕获晃动过程中自由表面的波动,使用Lee相变模型来描述晃动过程中的蒸发冷凝现象并与已有试验进行对比验证。研究不同充注水平和晃动条件下液氢的自由表面形状和面积变化,舱壁压力变化,舱罐内气液温度变化以及相变引发的降压现象。结果表明:固有频率附近的晃动伴随着射流和破碎液面的产生,会对舱壁产生抨击压力;液面破碎程度越剧烈,液位越高,舱内压力下降速率越快;舱罐内气液温度演化经历了热分层、晃动混合和总体温升等3个阶段。研究结果对进一步理解非等温低温舱罐中流体的晃动动力学及热力学特性具有重要意义。

液氢加氢站加注过程[火用]分析

氢能作为清洁无污染的高效绿色能源,正在逐步替代化石燃料成为能源结构发展转型的重要一员。相较于气氢,液氢密度高,是一种理想的储运方式。液氢加氢站则是氢能产业链中重要的一环,是连接供给侧与需求侧的重要基础设施。而国内对液氢加氢站研究较少,目前我国仅在平湖建成一座液氢加氢站。通过对液氢加氢站加氢过程中各部件造成的[火用]损失进行分析,得以对加氢全过程造成的能量损失进行评估,指导未来液氢加氢站及加氢站重要组成部件的优化设计方向。

化工用低温液氢泵密封相变性能分析及验证

低温液氢泵在石油、空分等装置中起着输送低温产品的作用,低温泵用机械密封是确保低温泵安全运转、影响低温泵工作性能的关键因素。为满足低温泵用机械密封长期可靠使用的要求,采用动压型非接触式机械密封方案,建立考虑相变的流固热耦合数值分析模型,对低温液氢泵密封的相变和密封特性进行分析,给出密封端面结构的推荐值;并通过试验验证数值模型的正确性。

航空机载液氢储罐绝热性能及轻量化研究

对航空机载液氢储罐进行绝热结构的绝热性能及轻量化综合研究是提高飞机续航能力的关键解决路径。本文以液氢储量为1450kg的液氢储罐为例,对泡沫/冷屏复合绝热结构(SOFI/VCS)及变密度多层真空夹套绝热结构(VD-MLI真空夹套)进行绝热及轻量化对比研究。当两种绝热结构的绝热性能一致,储罐日蒸发率≤4%时,VD-MLI真空夹套绝热结构重量相较于SOFI/VCS复合绝热结构减轻50%,此时适合采用双胆储罐结构;当储罐日蒸发率增大到6%左右时,两种绝热结构的重量相差较小,SOFI/VCS复合绝热结构仅比VD-MLI真空夹套绝热结构重约50kg;而当储罐的日蒸发率>7%时,SOFI/VCS复合绝热结构在轻量化方面更具优势,此时储罐宜采用单壁结构,且日蒸发率越大,单壁储罐轻量化优势越明显。本文通过探究两种绝热结构绝热性能与重量的对应变化规律,为航空机载液氢储罐绝热结构及轻量化的方案设计提供理论依据,同时为液氢的高效长时间存储技术发展奠定一定的基础。

真空绝热液氢压力容器超低温冲击韧性国内外标准及规定探讨

液氢压力容器是重要的氢能储运设备,本文对液氢真空绝热压力容器常用材料奥氏体不锈钢开展超低温冲击韧性研究,依据国外标准和文献对典型国标和美标的奥氏体不锈钢的奥氏体稳定性系数和奥氏体-马氏体转变温度进行了计算,结果表明,316的奥氏体稳定性系数Δ更大,马氏体转变温度Ms更低,相较304、304L、316L作为液氢用材料更为安全。在此基础上,列举了ASME标准、国家标准和团标对液氢容器液氢温区冲击韧性的要求,从对比中发现我国团标对冲击性能的要求比国外标准更为严格。

高压液氢泵行业研究现状及关键技术问题

将氢气液化,以液态氢的方式进行储运、加注是降低用氢总成本的重要方式之一,并有望成为未来面对更大用氢需求的更优选择。高压液氢泵作为液氢产业链中的核心设备,其国产化水平对于降低成本和提高产业链自主可控至关重要。为此,系统调研了高压液氢泵在加氢站的应用现状及国内外研发情况,分析了高压液氢泵研究中亟需解决的关键技术问题,提出了液氢泵国产化的技术攻关方向及主要路径。研究结果表明:①液氢加氢站主要有低压汽化压缩、液氢泵增压汽化和直接加注等3种技术模式,其中液氢泵增压汽化是液氢存储型加氢站的主流技术模式;②中国有关高压液氢泵研发的公开研究成果较少,高压液氢泵的国产化研发仍处在初级阶段,产品的稳定性和成熟度还有待验证;③高压液氢泵国产化研发亟需解决结构型式选择与设计、低温绝热性能、材料选择、活塞密封与泄漏控制等关键技术问题,并针对性地提出了液氢泵国产化的建议。结论认为,高压液氢泵设计需要在技术与性能,生产与维护之间综合考量,以确保其在极端低温环境下稳定、可靠运行;随着氢能产业的快速发展,氢能的跨境运输将成为现实,届时液氢将成为重要储运方式,高压液氢泵将在国际液氢物流运输船舶接收、储罐转注、液氢槽车充装、液氢加注等环节发挥更大的作用。

液氢在无人机中应用展望

分析了传统气氢燃料电池的运作机制及性能局限,引入液氢作为替代能源,阐述了液氢燃料电池的工作原理。为了实证液氢燃料电池的续航能力,通过飞行测试数据对气氢与液氢燃料电池在续航能力方面进行了对比分析。测试结果表明:与传统气氢燃料电池相比,液氢燃料电池在续航能力上具有显著优势,采用液氢燃料电池作为动力系统的无人机能够实现更长的飞行距离与时间。液氢在无人机领域拥有广阔的应用前景,其高能量密度与出色的续航能力使其有望成为未来无人机燃料的首选,但储存与运输的安全性等问题应进一步研究。

液氢中仲氢检测的质量控制研究与实践

氢能是一种清洁高效的未来能源,氢以其来源广、可储存、可再生、可电可燃、应用过程零污染、零排放的特性,广泛应用在国防工业、航天航空技术、氢能产业等尖端技术中,被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源。液氢是经过气态氢纯化、正仲氢转化、预冷和节流膨胀等工艺过程而获得,氢气的液化是将常温状态下的氢气降温至-253℃变成液态氢的过程。通常的氢是正氢和仲氢两种形式氢分子的混合物,正仲氢之间的平衡百分比仅与温度有关。

液氢储运技术发展现状与展望

液氢具有储运密度大、能量密度高的特点,应用前景广阔,受限于液氢的物理特性,低温储运技术制约了液氢大规模应用。该文对当前国内外固定及移动式液氢储存设备进行调研,针对目前所面临的技术难点,从储氢材料、低温绝热、热力特性、配套设备、标准体系等方面总结液氢储运环节的关键技术,分析液氢储运现状与发展趋势,提出未来液氢储运技术重点发展方向,能有力促进中国高性能液氢储运设备研发,保障未来液氢规模化安全使用。

防波板对液氢罐式集装箱罐体结构强度的影响

针对液氢罐式集装箱在公路运输条件下,运载车辆加速、转弯、刹车时会导致内部液体大幅晃动,给罐体结构带来冲击,造成失效等问题,基于液氢罐式集装箱的防波板设置,建立了罐体和内部流体域全尺寸分析模型,分析了防波板、充装率及防波板数量对罐体薄弱位置应力的影响规律。结果表明:未设置防波板时,液体晃动会导致结构的应力水平提高20%;设置防波板可减小液体晃动程度,大幅降低流体冲击压力,最大可降低50%以上;设置防波板可降低由于液体晃动引起的应力增幅,其中3个薄弱位置最高可降低31.9%,52.8%和34.2%,有利于提高结构薄弱位置的使用寿命,并且在罐内均匀设置2块防波板时,对于降低罐体结构应力的效果最佳,是工程设计的优选形式。

低温液氢加注技术研究进展

液氢的安全高效加注是对其进行转移、储存和使用的关键。从加注模式、加注结构和加注工艺等方面综述了国内外液氢加注技术的研究进展。在常重力环境下,有排气和无排气加注均能通过加注结构和工艺的合理设计实现加注目的。典型的无排气顶部加注过程包含初始快速升压、相对稳定加注和末期快速升压3个阶段,而无排气底部加注无明显的阶段性特征。对于常重力加注,不同的顶部加注结构主要影响加注初期接收罐内的压力和温度变化,而不同的底部加注结构还显著影响加注初期的流场特征。不同加注工艺主要通过初始闪蒸、壁面沸腾、液相蒸发、气相冷凝及气相压缩等机制对加注过程产生影响。对于微重力环境下的液氢无排气加注,加注位置和加注结构对加注过程的影响小于不同加注工艺的影响。加注过程中内胆壁面的热变形程度与其冷却程度呈正相关,热应力集中区域不依赖于热变形的分布。为加快实现在更广泛的应用场景下的安全、高效加注液氢,还需进一步深化对加注过程的理论分析、仿真研究和实验研究,同时结合经济性,加强系统性加注工艺流程的仿真研究。

含固氧颗粒的液氢传输管路中静电积聚仿真研究

为探究含固态氧颗粒的液氢管道传输中静电积聚规律,基于COMSOL Multiphysics软件,开展了液氢-固氧体系荷电规律仿真预示。采用拉格朗日颗粒轨道法与计算流体动力学分别描述连续液氢流与离散固氧颗粒的运动,采用Materials Studio软件计算获得固氧电学性质,并通过电容器法描述固氧颗粒碰撞起电规律,实现固液两相流与静电场的耦合求解。仿真结果发现,当液氢流速为10 m·s^(-1),固氧颗粒粒径为1000μm时,固氧颗粒比电荷达10μC·kg^(-1),颗粒饱和电量约为84 pC,两相流电荷密度为2.84×10^(-4)C·m^(-3),较纯液氢流静电大8个量级。随着颗粒-壁面碰撞次数增多,颗粒荷电量趋于饱和。管流参数对荷电规律影响显著,颗粒比电荷随颗粒质量流量增加略有降低,随管长增加和管径减小而增大,随液氢流速增加呈现先减小后增大的趋势,即存在极小值。颗粒物性也会对荷电量产生影响,颗粒比电荷随粒径增大存在极小值和极大值,颗粒杨氏模量、电阻率、密度等也对荷电规律具有一定影响。研究工作可为液氢传输系统设计与安全防护提供理论支撑。

多孔平衡式液氢流量计的流动特性研究

设计并加工了一种具有流阻小、无运动部件的多孔平衡流量计,在使用初步实验数据验证建立的仿真模型准确性基础上,仿真分析了入口流速、液氢过冷度、内壁面粗糙度、入口气相含率对流出系数、压力损失系数和空化特性的影响。结果表明,在孔板结构和取压方式一定时,雷诺数决定了流体的流态和空化现象,过冷度影响了空化的发生条件,粗糙度影响了流体的摩擦阻力,气相含率影响了流体的密度。

液氢储存低温绝热技术研究进展

液氢储存具有单位体积储氢密度高、长距离输送成本低等优势。但液氢储存是将氢气冷却到-253℃进行液化后储存在绝热容器中,故对储存容器的低温绝热性能要求极高。围绕液氢储存被动绝热和主动绝热技术,通过文献调研的方式回顾了当前液氢储存低温绝热技术的研究进展,介绍了不同绝热技术的原理,比较了不同绝热技术的适用范围,分析了目前不同绝热技术中存在的瓶颈问题和不足之处,总结了各绝热技术未来的发展趋势。为液氢储存低温绝热技术的发展提供参考。