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| 石油推动了20世纪世界的经济发展,然而随着石油峰值的来临,石油经济无疑将面临终结。因此,以新能源为基础的经济得到了世界范围经济学家和政客的青睐和支持。多年来,过分依赖于石油的汽车业也一直受到社会各界的口诛笔伐,此外在环保问题上亦是非议不断。包括氢气在内的多种替代动力燃料受到了广泛的关注和研究,前景广阔的氢动力汽车是汽车业走出困境的选择之一。近年来,世界各大汽车制造商均致力于氢动力汽车(包括燃料电池汽车和氢内燃机汽车)的商业化应用,然而车用储氢系统仍然是其主要瓶颈。低温吸附储氢系统是目前少数几个能够较好达到美国能源部(DOE)轻型车辆储氢系统目标的解决方案之一。因此,通过系统分析来设计和优化吸附储氢系统势在必行。本文基于基本热力学定律建立了吸附储氢系统集总参数模型,采用修正的Dubinin-Astakhov (D-A)模型描述活性炭吸附氢气等温线,并采用基于D-A方程的变化吸附热描述储氢过程吸附热变化。在此基础上,基于MATLAB/SIMULINK平台建立了吸附储氢过程仿真模型。吸附储氢系统集总参数模型得到了加拿大三河城魁北克大学氢能研究所(IRH)的实验验证。首先,吸附储氢系统集总参数模型应用于常温水冷却储氢系统,通过与两种不同冷却条件(冰水和室温水冷却)下的实验对比,标定了模型参数。仿真压力结果与实验数据吻合良好。此外,本文通过热容平均温度比较了0维集总参数模型与2D COMSOL模型的仿真结果,同样获得了良好的吻合度。因此,吸附储氢系统集总参数模型能够很好地预测储氢过程压力和温度的变化。在此基础上,通过参数化研究验证了变化吸附热正确性、换热系数的有效性,并分析了储氢压力对储氢量的影响。然后吸附储氢系统集总参数模型得到了低温吸附附储氢实验的验证。仿真结果显示,在同等储氢压力下,该低温吸附储氢系统储氢量近7倍于常温活性炭吸附储氛系统。随后,近一步研究了充气流率、气源温度、储氢系统孔隙率以及储氢压力对储氢系统性能的影响。研究表明需要最低200SLPM的充气流率和最小150L的储氢罐容积才能满足DOE轻型车辆储氢系统目标。最后,本文基于MATLAB/GUI和MATLAB/SIMULINK开发了高效的车用储氢系统储氢过程仿真平台并将此应用于车用吸附储氢系统的性能预测和优化。通过研究储氢环境温度、气源温度以及储氢系统有效储氢量对车用低温吸附储氢系统性能的影响,优化了车用储氢系统设计。 |
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