70 MPa车载Ⅳ型储氢气瓶关键技术及标准化研究

随着燃料电池汽车产业的发展,大容积70 MPa车载Ⅳ型储氢瓶已成为现阶段氢能应用的重要任务之一。本文通过对国内外70MPa车载Ⅳ型储氢气瓶研发和应用现状的调研,系统地描述了车载Ⅳ型储氢瓶各项关键技术的研制进展,对比分析国内外车载Ⅳ型瓶标准化现状及检验检测技术要求,为70MPa车载Ⅳ型储氢气瓶国产化研制、标准制定提供参考。

70MPa车载Ⅳ型储氢气瓶瓶口密封技术研究

高压氢气密封技术是保障车载Ⅳ型瓶安全可靠储氢的关键技术。本文针对车载Ⅳ型瓶瓶口密封难题,结合国内外最新的IV型储氢瓶密封技术发展现状,设计了一种Ⅳ型储氢瓶瓶口组合密封结构,并利用ANSYS有限元软件分析验证了该密封结构的可行性,并基于该模型研究了预压缩率、配合间隙公差及密封介质压力等对密封结构密封性能的影响规律。

面向车载深冷高压供氢系统的控制策略研究

提出一种深冷高压储供氢系统的实时控制策略,用于管理控制燃料电池卡车的氢能储供过程。首先,基于流体热力学模型建立深冷高压储氢瓶泄放模型,预测氢的状态参数变化。其次,结合车辆热管理系统,设计一种新型深冷高压氢供给系统,综合利用燃料电池"废热"和深冷高压"冷能"。最后,通过数值建模对换热器运行参数进行定量研究,优化了控制策略。整体动态响应机制既满足了燃料电池正常运行的要求,又提升了整车能量利用率。

液氮、液氢加注系统数值仿真与试验研究

以低温液氮加注系统为研究对象,通过FLUENT仿真与试验研究,结果表明:数值仿真与试验结果吻合良好,小流量预冷液氮温度升高约5 K,一定过冷度与低漏热率对单相加注具有重要作用。以低温储液瓶为研究对象,对“加注过程”进行仿真与试验,结果表明:加注初期液位高度低于临界液位,加注对整个流场扰动较大,加剧了储液瓶内部对流换热,液相区有气泡形成,部分气相二次液化,瓶内暂无温度分层;加注中后期,气液交界面趋于稳定,液相区无明显气泡,气相区无明显二次液化且温度逐渐形成分层;数值仿真与试验的液氮蒸发率分别约为1.7%和1.5%,具有较好一致性。基于液氮分析经验,对液氢“加注过程”进行仿真预测,结果表明:液氮、液氢加注过程储液瓶内部液相率与温度具有相似变化规律,液氮加注分析对液氢加注具有一定参考意义。

车载深冷高压氢节流过程冷能研究

对重型卡车储氢和供氢系统进行数值模拟,利用热力学模型描述卡车耗氢过程,对卡车行驶过程中的热力学工况进行监测,开展节流过程及冷能转移过程的研究。首先,针对深冷高压氢特点和重型卡车动力学参数建立面向低温流体的热力学模型,包括整车物理模型、储罐热扩散模型、供氢导热模型、供氢流动换热模型的构建,并对热力学预测模型的准确性进行验证;其次通过ANSYS Fluent流体仿真模型验证换热系数准确性。研究显示,供氢节流过程会使氢气发生液化导致供氢压力不足。为了改变这种现象,提高深冷高压氢的利用效率,对加热策略及其影响进行了研究,从能量角度对其进行了解释。

Ⅳ型瓶变温度变流量快速充注分析研究

针对气瓶快充易超温问题,本文以35 MPa IV型60 L瓶为研究对象,借助CFD方法研究不同工况气瓶各层温度分布,并对充装率进行评估,结果表明:试验与仿真结果保持一致;加注过程压力近线性增加,加注初期温度迅速增加,随后斜率降低;流量较大时,压力上升较快,加注时间明显缩短,加注完成时温度相差不大,但充装率明显降低。综上,变温度变流量加注是一种提高充装率和减少加注时间的有效措施,对快速加注具有一定的参考意义。

70 MPa车载瓶口阀的研究与优化

以70 MPa车载瓶口阀为研究对象,对瓶口阀的功能以及国内外的发展现状进行梳理,并提出将瓶口阀和多级减压阀集成的方案。重点阐述供氢过程中多级减压阀的结构与降压原理。最后文中通过FLUENT仿真计算供氢通道的流动变化并进行试验验证,结果表明,压降的仿真与试验结果误差控制在2%以内,证明多级降压阀与瓶口阀耦合是可行方案,耦合可进一步提高瓶口阀的集成度,对车载供氢系统的设计具有参考意义。

车载深冷高压储供氢过程预测和影响因素研究

针对应用深冷高压储氢技术的车载系统,为补充现有研究中缺乏的描述系统实时运行状态的方法,提出利用储氢密度确定工况的预测模型。基于丰田Mirai氢燃料电池车型建立动力学部分的模型。电堆功率和氢气流量的相对误差分别不超过7%和1.3%。基于Refprop物性软件建立热力学部分的模型。储氢密度的相对误差不超过1%,从而验证储供氢过程预测模型的精度。此外,还研究储氢容器的初始温度和压力工况对汽车续驶里程和容器休眠期的影响。结果表明,35 MPa下,容器初温由40 K变为70 K,车辆的续航里程减少约18%。同时,增加容器初压可以延长续航里程,但在35 MPa左右的高压时,增压的效果很不明显。而初温70 K、初压5~35 MPa的常见工况范围内,行驶过程中容器压力变化很大,易发生疲劳破坏。为达到固定的休眠期,对漏热量更大的储罐,加注后需实现更低的初温来满足使用需求。

液化天然气船用储罐形貌对流体晃动特性影响的数值分析

为了分析浮式液化天然气平台薄膜式储罐底部斜坡对流体晃动的影响规律,建立了仿真模型用于描述晃动储罐内的流体行为.流体自由液面运动通过流体体积法和k-ε湍流模型进行模拟,利用文献中的实验数据和仿真结果对该模拟的准确性进行验证.为了研究底部斜坡对流体晃动的影响,对不同斜坡尺寸、填充率以及储罐低阶固有频率下的流体晃动过程进行了仿真模拟.结果显示,固有频率可由水力参数的平均峰值决定,固有频率和储罐壁面压力载荷随着斜坡尺寸的增大而减小,当斜坡占比从5%增加到20%,壁面峰值压力下降了5.45 kPa.但该壁面峰值压力的变化只在填充率较低时明显,当填充率较高,如60%时,流体运动特性稳定,受斜坡结构改变的影响很小.流体仿真建模与分析结果对薄膜式液化天然气储罐的优化设计和运行提供了数据支撑.