节能汽车输氢系统分析

摘要：文章介绍了燃料电池汽车的优越性，分析了气体充填和排放的过程，运用气体流过阀口的流量与压力的方程式及理想气体状态方程，建立气体氢气充填和排放过程数学模型，分析了气体充填和排放时的压力-时间特性，并进行Matlab建模仿真。

关键词：燃料电池车 质量流量方程 理想气体状态方程 压力-时间特性

传统汽车以汽油、柴油为主要燃料。中国石油资源已不能满足日益增加的能源需求，且这些碳含量高的燃料会释放大量二氧化碳，造成“温室效应”，危害人类健康。因此，开发新能源汽车显得日益重要。清华大学、浙江大学、同济大学分别对新能源汽车进行研究。清华大学主要是开发氢能源客车；同济大学主要开发氢能源轿车；浙江大学主要开发压缩空气动力汽车。他们分别成立了实验室，引进了大量高科技研究设备，建立了高质量的研究队伍。

氢能源汽车，采用可燃烧气体——氢气，作为燃料。燃料电池汽车技术与传统汽车、纯电动汽车技术相比，具有以下优势：一是效率高。燃料电池的工作过程是化学能转化为电能的过程，能量转换效率较高。1999年戴姆勒-克莱斯勒推出的燃料电池概念车NECAR 4从油箱到车轮的能量效率为37.7%，而高效汽油机和柴油机汽车整车效率分别为16-18%和22-24%。二是续驶里程长。采用燃料电池系统作为能量源，克服了纯电动汽车续驶里程短的缺点，其长途行驶能力及动力性已经接近于传统汽车。三是绿色环保。燃料电池没有燃烧过程，以纯氢作燃料，生成物只有水，属于零排放。采用其他富氢有机化合物用车载重整器制氢作为燃料电池的燃料，生产物除水之外还可能有少量的二氧化碳，接近零排放。四是过载能力强。燃料电池除了在较宽的工作范围内具有较高的工作效率外，其短时过载能力可达额定功率的200%或更大。五是低噪音。燃料电池属于静态能量转换装置，除了空气压缩机和冷却系统以外无其他运动部件，因此与内燃机汽车相比，运行过程中噪音和振动都较小。六是设计方便灵活。燃料电池汽车可以按照X-By-Wire（交叉式数据线）的思路进行汽车设计，改变传统的汽车设计概念，可以在空间和重量等问题上进行灵活的配置。在燃料电池汽车国际大开发的背景下，根据中国汽车工业发展的战略需要，中国国家高技术研究发展计划（863计划）的“十五”计划把燃料电池城市客车列为电动汽车重大专项中的一个重要子课题。

燃料电池城市客车项目从2002年初启动，清华大学汽车安全与节能国家重点实验室为研究工作的主要承担单位，第一辆原型车已经在2002年底通过国家验收。

氢气从加氢站的储氢容器中，经由喷嘴、气动系统，输入到氢能源汽车的燃料电池中。同济大学新能源中心的试验结果表明，氢能源汽车每行驶100公里，耗氢量约1千克左右。大量的氢气以高压的形式储存在气罐中，大约为35MPa。汽车行驶时，由燃料电池提供动力。在燃料电池内，氢气和氧气发生化学反应，生成水，并释放大量能量。燃料电池内的氢气的压力大约在0.16MPa左右。氢气从35MPa到0.16MPa，需设计一个气动系统，使其减压。目前，同济大学新能源汽车中心，已完成了该气动系统的设计，氢气经过开关阀、分级减压阀以及流量阀、过滤器等气动设备的串联，即可达到要求。

对气动系统的时间特性，温度特性进行分析仿真，以获得具体参数，对汽车性能的改进具有重要的意义。本文基于氢能源汽车的氢气输送气动系统，应用MatLab软件，对氢气输送过程的时间特性、温度特性进行分析和仿真，以获取参数，以找到改进系统的突破口，便于研制高科技、高性能节能汽车。

输氢系统模型

氢能源汽车的氢气从加氢站到燃料电池的过程如图1所示：

氢气从加氢站的储氢设备输出，充气到节能汽车的储氢气罐中，使节能车的储氢气罐内氢气的压力达到35MPa（甚至70MPa）以上，以高压形式储存；在节能车行驶时，高压氢气从储氢气罐内排出，经开关阀、分级减压阀，输送并减压到燃料电池工作所需的压力0.16MPa。

（一）充填过程

加氢站有以下氢气压缩加注方案：一是分级充气，这是传统的压注方式，为了使车载储氢瓶内压力达到35MPa，加氢站储氢罐的压力需要高达40-45MPa才能获得快速加气。二是增压压缩，此时，加氢站中间储氢罐的压力可以比较低（如25MPa），用此氢气对车载储氢瓶部分冲压后，启动增压压缩机，使车载储氢瓶达到35MPa。采用前一技术的优点是加气速度快，加氢站的利用率高；而后一种技术可以降低加氢站储氢罐的耐压级别，同时可以降低加注成本。但为了达到快速加气，压缩机的容量要求更高，当系统维修保养时，要么停止加气，要么增加1台备用机组，使设备投资大大增加。市场上的加氢站一般采用快速加氢方式。快速加气站采用高压大容量站内气瓶组对车载气瓶直接供气的形式。在这种工作方式下，对燃料电池汽车加气的过程实际上相当于由高压大容量容器向刚性低压小容积放气的过程。由高压刚性容器向低压空间自由放气或由恒压气源向低压刚性容器充气过程已有较多的研究。由同济大学新能源中心试验结果，储氢气瓶从0MPa充满到35MPa，所需时间约几分钟。这个充气过程极短，气体来不及与外界进行热量交换，因此，可将此过程视为绝热过程。应用理想气体绝热方程，和流体质量方程，即可建立时间和压力的数学方程。

（二）排放过程

储氢气瓶的开关阀打开，将氢气排放到燃料电池中。由同济大学新能源中心试验结果，储氢气瓶从35MPa排气到0.16MPa，所需时间约1个多小时。这个排气过程耗时比较久，气体可充分与外界进行热量交换，因此，可将此过程视为等温过程。应用理想气体等温方程和流体质量方程，即可建立时间和压力的数学方程。

数学模型

（一）充气过程

若给定容积为150L的气瓶，用横截面积为1mm2喷嘴使其压力由0MPa增加到35MPa。

由理想状态气体方程可知，绝热充气过程中，定积气瓶的充气时间与压力之间的关系为：

dt=dMB/Qm=Vdp/（kRTAQm）（1）

式中，MB为充气质量，Qm为气体质量流量，V为气瓶容积，P为气瓶内压力，k为氢气比热系数，R为氢气气体常数，TA为气源温度。

（二）排气过程

给定容积为150L的气瓶，用横截面积为1mm2喷嘴使其压力由35MPa减小到0.16MPa。

在等温放气过程中，定积气瓶中排气时间与压力之间的关系为：

dt=dMA/Qm=-Vdp/（RTBQm） （2）

式中，MA为排气质量，TB为气瓶出口温度。

（三）通过单个节流口的质量流量

气体通过一定横截面积的孔，气体的质量流量和孔前后气体压差的关系如下所示：

亚音速流动时（0.5283≤po/pi≤1.0），通过面积为So的单个节流口的质量流量为：

Qmo=fs（So，pi，po，T）

=CSo （3）

式中，C为节流口的流量系数（0.68），pi、po为节流口的入口压力和出口压力，k为气体的绝热比系数（1.4）。

超音速流动时（0≤po/pi＜0.5283），质量流量为：

Qmo=fc（So，pi，T）

=CSo（4）

实验仿真

由上述的数学模型和具体参数，建立氢气充填和排放过程的matlab模型。

（一）充气过程

据实验结果，气瓶容积为150L，加氢的喷嘴流量系数和面积分别为0.63、1mm2时，气瓶氢气压力由0MPa充气到35MPa的过程，所需的时间约为308s，充气到极限压力70MPa所需的时间也约为308s。

（二）排气过程

据实验结果，气瓶容积为150L，加氢的喷嘴流量系数和面积分别为0.63、1mm2时，气瓶氢气压力由极限压力35MPa排气0.16MPa，所需的时间约为1760s，由70MPa排气到0.16MPa的过程，所需的时间约为1990s。

由仿真结果可知，氢气由0MPa加到35MPa和氢气由0MPa加到70MPa的时间相当；而排气过程中，氢气由35MPa排放到0MPa和氢气由70MPa排放到0MPa的时间差较大。据同济大学嘉定校区新能源实验中心的试验结果显示，氢气由0MPa加到35MPa和氢气由0MPa加到70MPa的时间相当；而排气过程中，氢气由35MPa排放到0MPa和氢气由70MPa排放到0MPa的时间差较大。

结论

燃料电池汽车技术与传统汽车、纯电动汽车技术相比，具有节能环保、效率高等多种优势。先进适用的高压氢气控制技术是氢能利用的关键之一。氢能源汽车多采用35MPa甚至70MPa的高压储氢方式，因此，氢气的充填和排放等气动技术是解决氢能源技术的重要部分。分析燃料电池汽车的参数，对系统的分析和改进具有重大影响。本课题利用微积分，Simulink建模仿真，建立了气瓶内气体压力随时间的变化关系，分析了气体充填和排放特性。气瓶压力从0MPa充气到35MPa和70MPa的时间均约308s。气瓶压力从35MPa排气到0.16MPa的时间约1760s，气瓶压力从70MPa排气到0.16MPa的时间约1990s。

＊本文为国家“863”高科技计划项目。

（作者单位：同济大学）

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