70MPa储氢气体容器的快速加注研究

摘要

文章讨论了氢燃料车辆中复合材料压力容器的技术挑战，特别是在高压储存氢气时的温度管理。为解决氢气快速加注导致的容器内温度升高问题，提出了冷却加注过程的方案。实验显示，预冷氢气至-40°C可使容器内温度显著降低，并找到经济平衡点。此外，研究还探讨了抑制气瓶内局部温升的方法。最后，介绍了空气液化公司开发的加注程序和建模工具，旨在实现高效且安全的氢燃料加注，提高氢燃料车辆的安全性和实用性。

正文

复合材料压力容器被视为当前存储压缩氢气于车辆上的最优技术。然而，鉴于氢气本身的低密度特性，要想使氢燃料车辆在储存容量上与现行汽油车辆竞争，就必须采用较高的储存压力。此外，加注站需要在类似消费者为汽油车辆加油的时长内（目前目标为不超过4分钟），为这些车辆加注至最大储存容量。  

在如此高压的环境下，对环境温度下的氢气进行“快速加注”可能导致车载储氢容器内温度急剧升高，这是由于气体近绝热压缩所引起的。快速加注过程中的温度上升进而引发了一系列问题。  

1.高温和高压循环会损坏容器并导致其破裂。  

2.较高的充装温度需要通过较高的充装压力来补偿相同的能量密度。较高的压力要求在加气站进行压缩和更高压力储存的投资成本更高。  

为了确保安全，必须在气瓶规格（温度和压力限制）内停止充填，以保持材料完整性。这并不容易控制，因为它取决于容器内的温度变化和可能的温度梯度。此外，储存在车辆中的氢气质量不足，这对车辆的自主性能是不令人满意的。  

目前的高压储存系统受现有标准（SAE、CSA、ISO）限制，最高温度为85°C。这一上限温度限制了加注速率（影响总加注持续时间）、峰值加注压力（影响储存质量和车辆续航里程）和材料选择（影响系统设计）。  

处理所有这些不同问题的一个解决方案是冷却加注过程，其目标是在加注气体流入车载储存容器之前将其冷却到低于环境温度。  

空气液化公司通过在欧洲资助的项目StorHy中进行冷加注实验来解决这个问题。  

空气液化公司进行了四次实验，使用了10000 psi（70 MPa）的III型气瓶，它们在不同温度（环境温度、-40°C、-70°C和-110°C）和起始压力（0.9 MPa和1.1 MPa）下填充氢气容器。如果满足以下三个条件之一，实验将停止：  

1）容器材料的温度超过85°C或低于-40°C；  

2）最大充装压力为76 MPa；  

3）或3）相当于15°C时在容器内达到70 MPa的氢气质量。  

实验结果与空气液化公司开发的模拟工具进行了比较，该工具可以根据充装条件预测最终容器的状态（压力和气体温度）。他们发现，模拟预测的条件与实验过程中测得的数据非常接近。  

实验结果显示：  

未经预冷的气缸中的最高气温可达100°C以上。  

当氢气预冷至-40°C时，容器内的平均温度约为-30°C。在这种情况下，为了达到最终压力为76兆帕而必须停止充填。  

当氢气冷却至-70°C和-110°C时，容器内的气温低于-40°C。  

空气液化公司普遍发现，从能源成本角度来看，压缩能耗和冷却能耗之间的最佳平衡点可以在-40°C的灌装温度下达到。冷却设备的投资成本预计将低于压缩设备。然而，从材料角度来看，冷灌装测试表明气体在容器中很快升温。即使对于灌装气体温度低于约-85°C的情况，材料温度仍保持在-40°C以上。  

然而，容器入口（容器颈部，O形圈可能受影响的地方和容器肩部）可能暴露于低于平均气体温度的温度，因此应该进行特别控制。未来，空气液化公司计划研究冷灌装对于IV型容器的影响，其中热扩散比III型罐要低得多。  

加注过程中的温度梯度  

        JARI一直在进行氢燃料加注研究，以确定抑制气瓶内局部温升的方法。他们研究不同喷嘴直径（10、8.5、7和4.5毫米）以及氢气喷射方向（变化90°）对Type IV气瓶气体温升的影响。  

他们还调查了内衬表面温度与Type III和Type IV气瓶内部气体温度之间的关系，包括不同的充装时间（Type III：60秒、120秒和300秒；Type IV：300秒和600秒）。  

JARI从这些实验中发现，当充装时间缩短时，储罐内部衬里表面温度低于附近气体温度，并且温度梯度更大。  

对于IV型气瓶，上部气瓶区域出现局部温升，附近衬里表面温度也上升并超过了储罐中心处的气体温度。当喷嘴直径减小时，他们能够抑制局部温度升高，使得填充速度更快。  

  对于小型喷嘴直径，气体温度升高速率不受气体喷射方向的影响。加拿大的Powertech实验室还参与了对氢燃料车辆的10000 psi（70 MPa）压力容器进行测试和开发。Powertech进行的研究考察了在不同环境温度下在10000 psi（70 MPa）储存系统中加注过程中产生的温度梯度以及提高上限温度限制的好处。研究还考察了提高高压储存系统组件上限温度对实现更高充电状态的影响。  

        ISO-15869目前规定了气瓶的平均气温在-40°C至85°C之间，而SAE和CSA HGV2规定，超出这些限制的瞬时气温应为局部的或持续时间较短的。实验证明，加注燃料时气温的变化可达15°C，气温传感器在加注燃料期间可能显示比某些材料温度更低的数值，存在局部温度峰值的可能性。这引发了对用于组件的材料温度限制的疑问，以及组件是否暴露在高于设计限制允许的温度之上的问题。  

          Powertech发现，在加注过程中增加温度限制似乎并不实际，因为存在材料问题（气瓶树脂和衬套降解、塑料焊接和法兰/衬套界面）和组件问题（PRD共晶蠕变、阀门密封材料），这可能需要重新设计。因此，实现高充氢状态而不增加组件温度限制的可用选项包括增加目标加注时间、对气态氢燃料进行预冷，或者创建一个车载冷却系统，在加注过程中增加燃料箱内的热量传递。

   法国的空气液化公司开发了安全加注程序，包括一种建模工具，根据气瓶的温度和压力优化填充速度。车辆加注过程中存在的主要风险包括过度填充、过压、过热（超过85°C）和过低温度（低于-40°C）。由于  

1）容器中的温度传感器可能会导致气密性问题；  

2）车辆和加注站之间应安装第二个连接线进行数据交换；  

3）加注过程中气体温度可能不均匀，使得寻找适当的温度传感器位置变得复杂，因此温度相关风险的信息通常不易获得。  

   空气液化公司开发的工具能够预测加注站操作员何时停止加注，以保持压力容器的“操作窗口”，而不需要使用来自车辆的信息（初始气罐压力、外部温度、加注速度、加注气体温度和最终气罐压力）。该工具已经通过高压氢进行了快速填充的验证，准确性良好。目前仍在进行研究，以开发更通用的填充工具，因为现有工具依赖于容器类型和几何形状。  

建立加气目标  

   加注目标为在3分钟内以98至100％的密度加注燃料，且不超过压力和温度限制。  

   进行或将要进行的测试包括氢燃料加注器到喷嘴的脱离测试；-40°C至+50°C的恒定温度条件《数据来源：Analysis of Published Hydrogen Vehicle Safety Research》；