35 MPa/70 MPa加氢机加注性能综合评价研究

图1 加氢机硬件系统示意图

Fig.1 Schematic diagram of hydrogen dispenser system

其中调压阀主要用来升压控制，调节车载储氢瓶加注压力变化。流量计在加氢机中起到计量的作用，同时系统管路中还有压力和温度传感器，检测加注过程中的压力温度变化。

优异的加氢机性能表现为能够快速完成加注且能够加满。加氢机在对氢燃料电池车加注时，典型的加注性能曲线如图2所示。图2表示35 MPa加氢机的工作性能曲线，图3表示70 MPa加氢机的工作性能曲线。4条温度-压力曲线分别表示在不同的加注初始状态和不同的环境温度以及不同的加注算法下的加注性能。曲线①、②和③表示在同一初始参数下不同的加氢机的加注性能曲线，从图中可看出加注过程①引入的热效应较小，加注过程③引入了较大的热效应，同时也暗含着加注过程①的加注时间可能较长，而加注过程③加注时间较短。这是因为虽然加注过程①的目标压力低，但是加注的质量要求是一样的，故加注同等质量的氢气，降低了加注速率，降低了充注的温升，加注时间长了，而加注过程③虽然目标压力较高，但加注速率提高了，增加了充注的温升，加注时间短了。加氢机除了满足不超温、不超压和不过充的限制条件外，还应实现快速加注，增加用户体验。在评价加氢机性能时须考虑这三方面的因素，综合全面做出评价。

图2

图2 35 MPa加氢机加注性能示意图

Fig.2 Schematic diagram of refueling performance of 35 MPa hydrogen dispensers

图3

图3 70 MPa加氢机加注性能示意图

Fig.3 Schematic diagram of refueling performance of 70 MPa hydrogen dispensers

2 加氢机综合加注性能评价指标定义

评判加氢机加注性能的优劣，仅依靠定性的判断，还无法做到全面、综合和客观的评价，本文提出定量评价加氢机性能的指标。该指标简单直接，且能综合体现加注性能与安全评价结果。

综合分析35 MPa/70 MPa加氢机加注过程，结合车载储氢瓶的限制条件，在不过温、不超压和不过充的前提下，引入一个指标 $η$ ，用来表示加氢机加注性能，命名为“加氢机加注性能指数”。具体表示见式(1)

η = f (S O C, ∆ T, t) = \frac{S O C}{\frac{∆ T}{85 - T_{A t m}} ∙ \frac{t}{t_{0}}}

（1）

式中，SOC为加满度，一般取90%～100%；∆T为加注过程温升，一般取值为35～125 ℃，t为加注时间，min，85 ℃为储氢瓶最高温度； $t_{0}$ 为氢燃料电池车的名义加注时间，一般大巴车或物流车的名义加注时间取10 min，乘用车的名义加注时间取为5 min。 $t_{0}$ 依据氢燃料电池车的类型取值。这样很好的把针对乘用车和大巴车或物流车的加氢机统一起来，便于对加氢机做出定量评价。

式(1)所涉及的物理量均进行了无量纲化，分母代表加注氢气质量，分子代表温升和加注时间。从物理意义上讲，加注性能指数是指单位时间单位温升加注氢气的质量当量。从此指标定义可得，加氢机加注性能指数 $η$ ＞0.9，即可满足相关规定，同时兼顾客户体验。同时也可看出不同加氢机加注同一车载储氢瓶时， $η$ 越大，加氢机的加注性能越优。 $η$ 能综合全面反映加氢机在不同的加注初始状态下的加注性能。

3 加注试验及结果分析

本部分针对35 MPa/70 MPa加氢机分别开展了氢燃料电池车的加注实验。在某加氢站首先开展了35 MPa加氢机的加注实验，加注对象为国内的物流车和大巴车。由于实验条件的限制，只能获得到车内储氢瓶的终态参数，而没有获得加注过程中的温度升高曲线，但不影响评价加氢机的加注性能。开展的实验系统如图4所示。

图4

图4 加氢机加注系统

Fig.4 System of hydrogen dispensers

3.1　35 MPa加氢机加注性能实验

35 MPa加氢机加注物流车是在国内某加氢站进行，加注对象为35 MPa氢燃料电池物流车，配有3个140 L储氢瓶（Type-Ⅲ）。表1为车载储氢瓶加注初始状态参数。

表1 加氢机加注初始状态参数

Table 1 Initial state parameters of 35 MPa hydrogen dispensers

车载储氢瓶体积	初始压力	初始温度	气源压力	气源温度
3×140 L	2.2 MPa	64 ℃	43 MPa	26 ℃

图5为35 MPa加氢机加注过程压力质量流率随时间的变化曲线，从图中压力曲线可看出35 MPa加氢机经历了测体积、一次检漏、二次检漏等环节，由于加氢机系统安全的考量在初始阶段和加注过程中均须开展系统检漏测试。加氢站也经历了高低压力切换等环节。继而反映到加氢机的瞬时流量曲线上，呈现出瞬时质量流量为0和突变的时刻。整个加注过程历时470 s，即不到8 min加注完成，加注过程的平均升压速率为4.45 MPa/min。

图5

图5 35 MPa加氢机加注过程压力质量流率曲线

Fig.5 Pressure and mass flow rate curve of 35 MPa hydrogen dispensers refueling

表2为加注结束后的状态参数。车载储氢压力到达35.4 MPa，车载储氢瓶温度为64 ℃，加注氢气质量为8.21 kg。加满度SOC为88%。

表2 车载储氢瓶加注终态参数

Table 2 The final state parameters of the vehicle hydrogen storage tank

车载储氢压力	车载储氢瓶体积	车载储氢瓶温度	加注质量	加注时间
35.4 MPa	3×140 L	64 ℃	8.21 kg	470 s

用上节定义的加氢机加注性能指数评估此加氢机的加注性能，采用加注试验的加满度、温升和加注时间等参数，此加氢机的加注性能指数计算如下

η = f (S O C, ∆ T, t) = \frac{S O C}{\frac{∆ T}{85 - T_{A t m}} ∙ \frac{t}{t_{0}}} = \frac{0.90}{\frac{64 - 26}{85 - 26} ∙ \frac{470}{600}} = 1.78

(2)

式中，SOC为0.9；∆T为加注过程储氢瓶最高温与环境温度的差值； $T_{A t m}$ 取26 ℃，由于是某品牌物流车， $t_{0}$ 取10 min，即600 s。

从加注性能指数可看出，此35 MPa加氢机性能比较优异。完全满足加氢机基本要求。用户体验良好。

3.2　70 MPa加氢机加注性能试验

70 MPa加氢机实验是在国内某加氢站进行，加注对象为70 MPa氢燃料电池乘用车。车载储氢瓶为4-型瓶，装备2个储氢瓶，储氢瓶总体积为122.4 L。氢燃料电池车储氢瓶和气源的初始状态参数如表3所示。

表3 车载储氢瓶加注初态参数

Table 3 Initial state parameters of vehicle hydrogen storage tank

车载储氢压力	车载储氢瓶体积	车载储氢瓶温度	气源压力	气源温度
1.7 MPa	122.4 L	2 ℃	85 MPa	-40 ℃

在各项安全条件确认后，开始提枪加氢，待加氢机自动停止后，采集并记录加氢机加注过程的压力、温度和流量等数据，同时记录加注过程车载储氢瓶的压力、温度和流量等数据。数据记录如图6所示。从图6可看出，整个加注过程持续了276 s，车载储氢瓶压力从1.7 MPa升高到81.6 MPa，整个过程加注升压速率为17.4 MPa/min，从图6中还可看出整个过程经历了一次检漏、二次检漏、三次检漏等过程。

图6

图6 加注过程升压曲线

Fig.6 The refueling pressure curve

从图7中可看出车载储氢瓶温度从4.1 ℃升高到65.8 ℃，整个过程温升为61.7 ℃。从图8可看出最高瞬时质量流量为36 g/s，图中出现瞬时质量流量为0的点，即为加氢机对车载储氢瓶进行检漏。图9显示了此台加氢机的加注性能曲线。表4为经过约5 min的加注，氢燃料电池车加注5.08 kg氢气，车载储氢瓶终态参数如表4所示。

图7

图7 加注过程温升曲线

Fig.7 The refueling temperature curve

图8

图8 加注过程流量曲线

Fig.8 The refueling mass flow rate curve

图9

图9 加注性能曲线

Fig.9 The refueling working performance curve

表4 车载储氢瓶加注终态参数

Table 4 Final state parameters of vehicle hydrogen storage tank

车载储氢压力	车载储氢瓶温度	加注质量	加注时间
81.6 MPa	65.8 ℃	5.08 kg	276 s

DOI:10.1016/j.egypro.2017.03.505 [本文引用: 1]

依然用第2部分定义的加氢机加注性能指数评估此70 MPa加氢机的加注性能，采用加注试验的加满度、温升和加注时间等参数，此加氢机的加注性能指数计算如下

η = f (S O C, ∆ T, t) = \frac{S O C}{\frac{∆ T}{85 - T_{A t m}} ∙ \frac{t}{t_{0}}} = \frac{0.99}{\frac{65.8 - 4.1}{85 - 4.1} ∙ \frac{276}{300}} = 1.41

(3)

式中，SOC为0.99，∆T为加注结束温升65.8 ℃与室温4.1 ℃的差值，由于加注对象为乘用车，故 $t_{0}$ 取5 min，即300 s。

从加注性能指数可看出，此70 MPa加氢机的 $η > 0.9$ ，性能比较优异。完全满足加氢机基本要求。用户体验良好。

以上35 MPa加氢机、70 MPa加氢机虽然压力等级不同，加注质量流量不一样，但两台加氢机加注性能指数 $η > 0.9$ ，均表现优异。若进一步比较二者加注性能的优劣，由于35 MPa加氢机的 $η$ 大于70 MPa加氢机 $η$ ，故35 MPa加氢机加注性能更优秀，客户体验感更优。

4 结论

本文在分析35 MPa/70 MPa加氢机工作性能，并结合氢燃料电池车用户的客户之声的基础上进行了加氢机加注性能的综合评价，定义了加注性能指数。此定义指标不仅考虑了加氢机的用户体验，而且兼顾了加氢机的内在限制要求，该指标计算简单，直观可行。

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