[發明專利]一種深冷高壓儲氫系統的工況計量方法

有效

• 申請號: 201910511459.0
• 申請日: 2019-06-13
• 公開（公告）號: CN110377951B
• 公開（公告）日: 2023-02-28
• 發明（設計）人: 倪中華;劉雨農;嚴巖;徐展
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F119/14
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 曾教偉

本發明公開了一種深冷高壓儲氫系統的工況計量方法，包括建立動力學模型的過程和建立熱力學模型的過程。其中，建立動力學模型的過程包括以下步驟：S1：確定五個參數：耗氫流量q_mole、從燃料電池到車輪工作端的電力傳輸效率η₁、燃料電池的發電效率η₂、氫氣的過量系數K以及燃料電池的放熱量ΔH；S2：通過式(1)建立動力學模型，并將五個參數代入到式(1)中，從而計算出汽車任意時刻的瞬時功率P_車；建立熱力學模型的過程包括以下步驟：S3：通過式(2)建立熱力學模型；S4：通過熱力學模型計算出各個時刻的氫氣溫度、密度以及深冷高壓儲氫系統中儲氫內容器的壓力。本發明能夠對深冷高壓儲氫系統的工況進行有效的計量。

技術領域

本發明涉及深冷高壓儲氫系統領域，特別是涉及一種深冷高壓儲氫系統的工況計量方法。

背景技術

氫可廣泛應用于燃料電池發電、核聚變產能、直接燃燒產熱等領域，目前，氫能應用的技術瓶頸主要在于氫的儲存和運輸，尤其是實現氫能的高效、安全、長期儲存。

傳統的儲氫方式主要有高壓氣態儲存、低溫液態儲存和金屬化合物儲氫三種。高壓氣態儲氫能量密度低；低溫液態儲氫成本高，無損存儲時間有限，小規模使用性價比低，多用于大型液氫工廠；化合物儲氫因其吸放氫條件嚴苛、存儲質量儲氫密度過低等因素難以滿足實際應用而難以推廣。

為了優化物理儲氫手段，科研工作者將高壓氣態儲氫和低溫液態儲氫技術相結合，將傳統車載液氫容器中工作壓力較低的內層容器換成高壓儲氫中所用的耐高壓復合材料氣瓶，進而開發出低溫高壓復合儲氫技術(即深冷高壓儲氫)。以美國勞倫斯利弗莫爾實驗室開發的第三代深冷高壓儲氫儲氫容器為例，它的質量和體積儲氫密度分別可達7.4wt％H₂和0.045kgH₂/L(加注液氫時)，上述標準是現有儲氫技術中唯一一個能達到美國能源部15年技術標準的儲氫方式。因其內容器采用復合材料，承壓能力顯著提高即使容器內部液氫氣化，短時間內容器壓力也不會達到泄放值。相同傳熱速率下，深冷高壓儲氫容器的休眠期(無損儲存時間)是傳統液氫容器的5～10倍。與傳統物理儲氫方式相比，低溫高壓復合儲氫有效提升了質量和體積儲氫密度，延長了無損儲氫時間，但是綜合考慮目前低溫高壓復合儲氫的成本、能量密度和休眠期等，這項技術距商業化市場推廣仍需要多項關鍵技術的突破，但不可否認的是，其發展前景同樣值得期待。

氫氣在常溫下爆炸極限為4.1％～74.2％，儲存時，充裝過多過少都容易發生危險，由于氫氣的特殊性質，現有的儲氫方式中，對于計量工具都提出了很高的要求。

在各種儲氫方式的計量原理中，高壓氣態儲氫主要依靠氣體壓力表測定常溫下的氣體壓力，進而確定氫氣含量。具體原理：壓力表通過表內的敏感元件(波登管、膜盒、波紋管)的彈性形變，再由表內機芯的轉換機構將壓力形變傳導至指針，引起指針轉動來顯示壓力。這種方法精度等級高，計量誤差小，高精度儀表的精度可達0.01％。

液氫是氣態氫降溫至20k以下形成的深冷液體，標準狀態下液氫密度為71kg/m³。液氫在國內運輸通常采用鐵路槽車，其在運輸過程中危險系數高，除了如氣態氫一般易燃易爆外，還極易氣化揮發而擴散，由于其沸點極低(33k)，受熱易膨脹。其被鐵路運輸貨物管理條例列為危險物品，規定其儲存于真空絕熱罐體時，充裝率不得高于90％。否則可能會在緊急狀況下，過量液氫過熱膨脹罐內氣象空間迅速減小，安全閥不能正常開啟而造成氫氣難以及時排出，此種狀況極度危險，必須予以避免。

液氫的計量方式主要有兩種，通過軌道衡進行直接計重和液位計計高再轉化為重量。但這兩種方式對于液氫計量都存在問題，軌道衡計量誤差較大，出于安全考慮，目前多采用液位計，但液位計的液位常由于各種因素的影響無法準確獲得。例如，液位計中液體溫度與儲罐內溫度因罐體熱容而差異明顯，導致二者液面并不相同，此外筒體半徑的變化率也會對液位獲取造成影響。基于此，液氫計量更多時候需要依靠經驗公式的修正。然而現有技術中還沒有有效的深冷高壓儲氫系統的工況計量方法。

發明內容