氫燃料汽車級聯(lián)加氫系統(tǒng)的綜合能耗優(yōu)化

近年來，歐洲和美國等相繼出現(xiàn)許多氫燃料汽車和加氫站。絕大多數(shù)加氫站都根據(jù)汽車工程師學(xué)會制定的協(xié)議而建設(shè)，且使用級聯(lián)加氫系統(tǒng)為氫燃料汽車加氫。由于加氫站中氫氣罐的大小和壓力有限，因此加氫罐必須不斷地被重新加滿。氫燃料汽車加滿氫氣后，將加氫罐放回至加氫站并恢復(fù)至原來的壓力是一個完整的加氫周期。

由于加氫罐最高壓力的選擇受其尺寸和價格制約，因此從投資成本角度看，小的高壓罐成本更低，但是級聯(lián)加氫系統(tǒng)在加氫過程中的能耗卻是未知的。級聯(lián)加氫系統(tǒng)中加氫靠壓縮機(jī)完成，在一個完整的加氫過程中，壓縮機(jī)占了將近一半的能耗。通過考慮加氫過程的能耗，再綜合考慮加氫罐的尺寸、壓力、數(shù)量等因素，從而尋找一個最佳能耗點。

在Dymola軟件中，基于熱力學(xué)第一定律建立熱力學(xué)模型。該模型考慮了加氫罐的傳熱損失、整個系統(tǒng)的氫氣壓力損失、冷卻需求等因素。研究發(fā)現(xiàn)，①在儲氫量一定的情況下，當(dāng)加氫罐的數(shù)量為1個或2個時最節(jié)能，可節(jié)能18%；減少每個罐的容量，同時減小罐內(nèi)氫氣壓力，只能略微減少整個加氫過程的能量消耗；②保持加氫罐體積為1m3不變，罐內(nèi)氫氣壓力從35MPa開始每次增加1MPa，研究不同氫氣壓力下一個完整加氫過程的能耗，發(fā)現(xiàn)氫氣壓力為95MPa時能耗比40MPa時能耗降低5%。綜合分析各種因素得出：級聯(lián)加氫系統(tǒng)中最佳的儲氣罐數(shù)量為3～4個，為確定加氫罐中氫氣的壓力，必須考慮整個加氫系統(tǒng)的壓力損失這個重要因素。而加氫站的設(shè)計應(yīng)按照加滿一輛車的最大壓力損失量來進(jìn)行。

設(shè)計加氫站可以考慮以上分析結(jié)果，但加氫罐數(shù)量、容積、壓力等的具體設(shè)計還需要考慮特定的實際條件。因此，所有加氫站都必須被單獨(dú)地檢測，以獲得級聯(lián)加氫系統(tǒng)的最佳加氫罐數(shù)量、容量和壓力等參數(shù)。

刊名：International Jurnal of Hdrogen Eergy（英）

刊期：2014年第1期

作者：E.Rothuizen et al

編譯：皮恒志