摘要
氢能作为可再生清洁能源，对构建低碳高效的现代能源体系具有重要意义。为推动氢能产业发展，我国形成了以交通运输行业为驱动的氢能发展国家战略，高效安全的车载储氢技术成为车载氢能应用的关键。深冷高压氢利用低温、高压环境将氢以超临界态储存，以突出的储氢效率和安全性，成为运输装备使用清洁能源的最优方案。但是深冷高压氢所需的深冷高压储氢瓶工作在低温高压复合条件下，原位测试工况获取难度大，急需能够形成低温、高压复合试验环境的测试装置支撑性能测试与产品开发。因此，开展深冷高压储氢瓶试验平台及加注技术的研究具有十分重要的意义。 面对当前国内深冷高压储氢技术研究需求和发展现状，试验平台设计重心是满足深冷高压储氢瓶在温度、压力双重作用下的充装疲劳测试。综合考虑可行性、安全性和经济性，本文针对深冷高压储氢瓶试验平台的系统设计、深冷高压工况建立和试验加注策略等关键问题展开研究，主要工作如下： （1）基于深冷高压储氢瓶压力、温度循环疲劳试验的测试需求，采用液氮预冷、压缩氮气加压的方法设计了最大工作压力20 MPa、最低工作温度77 K的深冷高压储氢瓶试验平台。对试验平台深冷高压工况的实现方式进行了研究，给出了试验平台工作原理，完成了系统设计及关键装备选型。 （2）基于计算流体力学方法（CFD），对试验平台深冷高压工况建立过程进行了数值模拟研究。建立了60 L、140 L和210 L三种规格的深冷高压储氢瓶CFD 模型，给出了模型设计参数及边界条件，验证了模型的网格无关性及有效性。 （3）以 CFD 模型为基础，模拟了不同加注策略对储氢瓶建立深冷高压工况的影响，针对储氢瓶的加注时间、耗气量和壁面温升进行了对比分析。仿真结果验证了基于液氮预冷、压缩氮气加压的加注工艺的有效性，采用恒定质量流量和变质量流量加注策略可以在储氢瓶内建立深冷高压复合环境，满足试验平台设计技术要求。其中恒定质量流量加注策略更适用于60 L储氢瓶等小型气瓶，变质量流量加注策略更适用于140 L和 210 L储氢瓶等大容积气瓶。在此基础上，提出了一种加注工况评价方法，得出了不同容积储氢瓶的最优试验加注工况。 （4）基于 CFD 仿真结果，确定试验平台的加注工艺与加注策略，并将试验平台系统组合集成，完成了深冷高压储氢瓶试验平台系统搭建。最后，对试验平台开展低温加压、保压和泄压试验，验证了试验平台的功能。试验结果表明试验平台功能符合设计技术要求，可以满足深冷高压储氢瓶及相关零部件的测试需求。
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