华盛顿州立大学的研究人员开发了一个数学模型和一套建议，以改善液氢储罐的作用，有朝一日可能会使氢成为为车辆和其他工业过程提供动力的更可行的替代品。

研究人员使用真实世界的储罐数据来确定氢气沸腾和损失的运行状态，这可能占输送到储罐的氢气的 25%。该工作发表在《低温学》杂志上。

“如果我们想减少对化石燃料的依赖，并想出清洁且由可再生能源生产的燃料，那么液氢是实现这一目的的最合适候选者，”机械与材料工程学院教授、该论文的合著者康斯坦丁·马特维耶夫说。“现在我们有了一种工具，可以对液氢供应链的重要部分进行建模，使用该工具，我们可以使这项绿色经济技术更加可行。”

氢动力汽车是汽油或柴油动力内燃机的替代品，因为它们不会排放有害的温室气体。它们对于重型机械特别有吸引力，例如叉车或卡车运输，因为电动汽车需要太多电池。一家名为 Plug Power 的公司目前运营着约 250 个液氢罐，为全球 70,000 辆氢动力叉车提供动力，为美国约 30% 的杂货提供运输。

但储存和运输氢气是该行业面临的重大挑战。液态氢是大多数工业用途中最方便的氢气形式，但保持液态意味着它必须储存在极低的温度下。每当氢气遇到正常气温时，它都会很快沸腾。为了保持氢气液体并将其移入和移出储罐，采用了大量的结构元件和机构，例如绝缘壳、压力阀、流体回路和泵，以最大限度地减少蒸发损失。

“有几个复杂的过程同时发生，这使得开发一个理论模型非常重要，不仅对于了解当前的作，而且对于投资技术来改进这些作，”该论文的通讯作者、机械与材料工程学院教授杰克·利奇曼说。

发生大量损失的一个领域是氢气的转移。

“传输管线必须冷却，在此过程中，大约 13% 的以液体形式储存的氢分子会因蒸发而损失，不能用作液态氢燃料，”该论文的第一作者、机械与材料工程学院最近获得硕士学位的凯尔·阿佩尔 （Kyle Appel） 说。

在他们的工作中，WSU 研究团队开发了真实世界储罐性能的理论模型，并使用 Plug Power 在役储罐车队的数据对其进行了验证。研究人员表明，液氢罐作的变化可以显著减少蒸发损失，并且通过额外的系统修改可以达到零蒸发。例如，他们表明，在安全阀启动时改变压力限制可以减少约 26% 的氢气损失。

“这只是改变阀门的设定参数，这非常简单，”阿佩尔说。

Matveev 说，他们开发的数学模型在运行时也具有计算效率。以前，更复杂的模型需要几天才能运行，需要超级计算机，并且只能模拟坦克的运行几个小时。根据真实测试数据校准的 WSU 新的简化模型可以在几分钟内模拟数百小时的运行。

“使用这个工具，您可以有效地探索各种运营变化，因此我们在这方面的贡献还在于开发一种高效的数学模型，该模型可用于工业、客户、设计师和政府实体，”Matveev 说。

研究人员正在继续与 Plug Power 合作，寻找实施他们对液氢罐建议的方法。他们还希望改进他们的模型，以更好地了解氢气系统中的传输作、泵和其他设备。研究人员正在为美国联邦航空管理局进行额外的研究，评估和模拟机场液氢的储存。

模拟液氢罐运行对蒸发损失的影响

突出：

液氢储罐的运行会导致蒸发损失。

开发了一个数值模型来考虑运营对损失的影响。

该模型通过 NASA 测试台和在役储罐压力数据进行验证。

参数分析研究了减少运营蒸发损失的方法。

抽象：

储存散装氢气的流行选择包括保存在低温罐中的 100 bar 气体、200 bar 气体 （GH2） 和液体 （LH2）。LH2 的体积密度比 GH2 更大，尽管环境热负荷会导致氢气蒸发和自加压。尽管文献中有许多用于自加压的模型，但很少有研究将这些模型应用于现实世界的储罐作场景，例如填充或排气，以确定最佳储罐设置。为了满足这一需求，利用 NASA 综合制冷和储存系统 （IRAS） 的实验数据和工业上正在使用的 LH2 储罐开发并验证了非热平衡降阶模型。通过5项参数化研究探讨了初始储罐液位、储罐充填条件、蒸汽回流百分比、蒸汽回流温度和饱和液体回流对蒸发损失的影响。一项参数研究估计，与循环排气基线研究相比，通过从储罐中提取氢气作为蒸汽回流率为 30% 的液体，蒸发减少了 15%。结果表明，LH2储罐的运行模式相对于初始储罐设计考虑因素对蒸发损失有显著影响，在LH2储罐的实施中应予以考虑。

介绍：

这家美国领先的氢气供应商目前运营着约 300 个液氢储存站，利用 38 米3和 68 米3用于给车辆加油的油箱，每天使用近 40 吨 [1]。预计到 2070 年，全球氢气需求将超过 5 亿吨 [2]。包括氨、钢铁、炼油厂和水泥在内的生产部门以及交通运输和电力行业的脱碳努力是氢气作用增强的主要驱动力[3,4]。随着需求的增长，可靠储存大量氢气的需求也在增加。在LH2存储系统中，压力制造电路、液体提取和随后的过热蒸汽返回、塔科尼斯振荡和自然热渗透等作效应会导致300 W左右的总热泄漏，从而导致液体蒸发[5]。当氢气蒸发时，氢气可以从-253 °C的饱和液体膨胀到饱和蒸气[6,7]。这种大的膨胀导致储罐自压，因为蒸汽需要更多的空间，而热分层是低密度的蒸汽聚集在储罐顶部（称为空隙）。

自加压现象导致储罐压力呈增加趋势，如图 1 所示，该图显示了使用中的液氢储罐随时间变化的压力轨迹。这个过程将一直持续到没有 LH2 占据储罐，或者当储罐破裂时，没有使用泄压阀 （PRV），泄压阀将蒸汽从储罐顶部排放到大气中。排气通常在达到一定的高压极限时开始，在达到低限时停止。关闭 PRV 会重新启动自加压过程，直到压力再次达到上限。PRV相对频繁的打开和关闭称为循环排气，如图1所示为短周期（数小时）循环。排气的循环时间可能会因热泄漏、压力限制和储罐的其他作（例如 LH2 萃取）而异。

提取 LH2 会降低储罐的整体液位，增加储罐中的可用空间，并导致压力降低。然而，泵效率低下会导致 LH2 蒸发，并且必须将这种蒸汽排出或过热返回罐中。这导致空压的较小峰值，如图 1 的右侧子图所示。当高温过热蒸汽返回储罐时，在压力迹线中可以看到初始压力峰值。当回流管冷却时，压力会降低，返回质量为两相混合物，使蒸气压崩溃。图2c显示了在役储罐的这种作框架的储罐示意图以及其他作场景。在所考虑的在役 LH2 系统的运行期间，需要重新填充储罐，从而导致两个阶段的过程。首先，通过手动放气降低罐体压力，然后将来自罐车的LH2送入罐体。这对应于大压降，如图1所示，接近75小时。进料可以通过底部填充进入，随着 LH2 液位的升高，压力会增加，也可以通过顶部填充喷杆进入，从而降低蒸气压。这种LH2罐作导致在储存过程中每天损失0.1-3%的总质量，在整个分配过程中有7-25%的总氢未利用[1，[8]，[9]，[10]，[11]，[12]，[13]]。这项工作中描述的降阶模型可用于表征储罐运行对平均每日蒸发损失的影响，以达到零蒸发储存。

回顾以前的出版物揭示了几种非热平衡模型 （NTEM），也称为降阶或集总单元模型，这些模型已被用于预测低温储罐中的压力演变。非热平衡在这里是指空压和液体的不同温度，而两相的特征温度代表它们的平均值。其中许多模型可用于预测实验测试罐的自压、压力控制和排气。Hastings等[14]描述的多用途氢气试验台（MHTB）就是这样一种储罐。MHTB 是一个垂直罐，直径为 3.05 m，具有 2：1 的椭圆形端盖，总高度为 3.05 m。Hastings等[15]使用其热力学排气系统收集了MHTB中的实验数据来控制压力。数据是在多个填充水平和施加的热载荷下获取的。该储罐的测试数据通常用于模型验证 [[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]]。例如，Matveev和Leachman [23‒24]用MHTB测试数据验证了他们的模型，然后将其应用于探索储罐尺寸对自加压和储罐排气的影响。Majumdar等[25]创建了一个使用8个节点的NTEM来预测MHTB的自压。Bolshinskiy等[26]使用13节点NTEM来预测MHTB测试数据。

另一个经常用于建模的LH2实验罐是集成制冷和储存系统（IRAS），它与Swanger等[27]描述的肯尼迪航天中心的液氢地面作战示范单元（GODU-LH2）集成在一起。IRAS 是水平的 125 m3总 LH2 水箱可在 20 K 时从水箱中提取高达 850 W 的总热量。该罐长 21.3 m，内容器直径为 2.90 m。Al Ghafri等[15]创建了一种NTEM，该NTEM使用IRAS实验数据进行了验证。

目前的工作描述了Matveev和Leachman[25]的三节点降阶模型的适应，以研究在役储罐，这些储罐的作会改变每日蒸发损失[28]。没有其他模型评估过来自 LH2 加气站的油箱数据并包括正在发生的独特作。使用来自 IRAS 和 MHTB 测试台的实验数据以及来自在役储罐的压力迹线数据，该模型针对在役储罐进行了调整。该模型可以预测自加压和排气状态，同时阐明填充液位、带和不带蒸汽返回的液体提取以及填充程序对平均每日蒸发损失的影响。

使用校准的降阶模型，可以快速有效地开发仿真，能够探索许多不同的在役存储场景。由于使用了校准系数，该模型受到需要调整实验数据集的限制。由于缺乏用于预测液体和蒸汽中温度梯度的集成热分层模型，需要额外的假设，例如排气氢气的温度，以及考虑“闪蒸发”的需要。