液氢级联加注系统气液混合预冷配置优化与能耗机理研究

《International Journal of Hydrogen Energy》：Configuration research and optimization of liquid hydrogen cascade refueling system utilizing gas-liquid hydrogen mixed precooling

本文针对采用气液氢混合预冷（gas–liquid hydrogen mixed pre-cooling）的液氢（LH2>）级联加注系统，通过建立热力学模型，以利用率（UR）和比能耗（SEC）为关键指标，优化了级联储氢（CSCs）配置。研究揭示了系统在300 kg和600 kg总储氢容量下，可实现低至0.365 kWh/kg-H2>>和0.369 kWh/kg-H2>>的比能耗，为高效低碳氢能基础设施建设提供了重要理论依据与设计框架。

　　

系统操作过程描述

图1展示了液氢（LH₂>>）级联加注系统的完整流程。液氢储存在LH₂>>储罐中，作为整个系统的初始热力学状态。它首先由一台LH₂>>泵加压，导致温度轻微升高，压力升至高压范围（20–90 MPa）。高压LH₂>>流随后被一个质量流量阀分流：一部分进入气液氢混合点，另一部分流经环境换热器完全气化，转化为高压气态氢（GH₂>>）。这两股流在混合点汇合，形成特定比例的低温氢混合物，用于对最终加注到车辆车载储氢罐的氢气进行预冷。

操作模拟与模型验证

为了进一步说明LH₂>>级联加注系统的操作逻辑，使用流程图（图2）来描述连续加注和压力恢复的热力学循环。该过程首先初始化关键系统参数，包括氢储存容器（CSCs和车载储罐）的材料和几何特性、环境温度、平均压力恢复速率（APRR）以及目标加注压力。级联系统分为三个压力等级。先前的研究[44,45]为模型的关键假设和初始条件提供了基础。

结果与讨论

在级联加注系统中，压力容器规格通常标准化为90 MPa和45 MPa [46,47]。为确保可靠的70 MPa加注性能，CSCs的高压级必须采用90 MPa规格。中压级和低压级可配备45 MPa容器，在保证系统功能的同时降低资本投入[48,49]。

根据SAE J2601协议，减压阀后的下游氢气最大压力可达87.5 MPa [50]。考虑到...

结论

本研究考虑了连续加注-补压条件，并开发了一个采用气液混合预冷的LH₂>>级联加注系统的热力学模型。该模型根据文献报道的实验数据进行了验证。利用利用率（UR）和比能耗（SEC）作为评估指标，该热力学模型评估了不同CSCs配置的影响。研究结果为未来采用气液混合预冷的LH₂>>加注站的设计提供了有用的参考和指导。

贡献者声明

Jingcheng Yang: 撰写初稿，方法论，数据整理，概念化。 Ying Yu: 监督，资源。 Yanbin Wang: 可视化。 Chenyang Zhang: 资源。 Mingyue Zhao: 软件。 Hao Wu: 形式分析。 Mingzhe Xue: 审阅编辑，项目管理。 Cunman Zhang: 项目管理，资金获取。

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，可能影响本报告的工作。

致谢

这项工作得到了国家重点研发计划（No. 2022YFB4002800）的支持。