面对能源短缺、环境污染、生态恶化不断加剧的巨大挑战,发展清洁、高效的新能源势在必行。氢能以其来源广泛、零污染、燃烧值高等优点,被认为是21世纪最具发展潜力的清洁能源之一。氢能燃料电池汽车是氢能的重要应用领域,也是我国《节能与新能源汽车产业发展规划》的重点研究方向。高压气态储氢因其设备结构简单、压缩能耗低、充放速度快等优点,是目前氢能燃料电池汽车普遍采用和重点发展的储氢方式。燃料电池汽车的高压储氢系统(包含气瓶、截止阀、单向阀、TPRD等)在其服役过程中,经受着剧烈的压力、温度变化以及氢气侵蚀作用,传统的水压循环试验方法无法模拟上述工况,需要利用氢气作为介质进行循环试验,以模拟真实加注、行驶、停靠等工况下储氢系统的性能演化,这种试验即为氢循环试验,该试验已被联合国经济社会理事会UN-ESC、国际标准化组织ISO、美国汽车联合会SAE、加拿大标准协会CSA、日本自动车研究所JARI等组织制定的标准所采纳,成为保障高压储氢系统安全的重要手段。由于氢循环试验在国际上起步时间不长,目前仅在日本、欧盟、加拿大等地搭建有少数试验设备进行探索性研究,国内尚没有满足相关标准的试验系统,并且存在着试验过程中温度普遍超限、温度控制方法空白、系统搭建和运行成本高昂等问题,因此在国家高技术研究计划目标导向课题(“863”计划)项目“高压储氢、输氢、加氢安全保障技术装备与应用示范”(项目编号:2012AA051504)、国家重点基础研究发展计划(“973”计划)课题“高压常温氢气环境下承载件损伤的演化机制”(项目编号:2015CB057601)等的支持下,本文从氢循环过程温度变化预测及控制、系统优化设计、氢循环系统研制等方面开展研究,主要的研究内容和取得的创新成果如下:(1)氢循环温度变化的预测模型。首先以真实氢气状态方程为基础,基于质量守恒、能量守恒、对流换热、热传导等方程,建立了循环过程中温度变化的热力学预测模型;为了验证模型的精度,在攻克了组合阀设计、气瓶端口的密封(包括组合阀与气瓶、热电偶引出线与气瓶的接口密封)、氢气预冷、加注控制和数据采集等关键技术难题的基础上,搭建了国内首套70MPa高压氢气充放试验装置,并进行了相应的试验,得到快充和泄放过程的温度变化数据;通过对比快充、泄放、循环过程的试验和模拟数据,表明建立的热力学模型在氢循环温度预测方面具有较高的精度。(2)氢循环过程温度变化规律及控制方法。利用建立的氢循环温度预测模型,对相关标准规定下的氢气温度变化情况进行了研究,发现在泄放速率没有明确要求的情况下,循环温度极易超出233K～358K的限定范围(最低温度甚至达到200K);研究了气瓶类型、气瓶尺寸、试验参数(升压速率、泄放速率、环境温度、氢气预冷温度、循环模式等)等因素对温度变化的影响规律;基于以上研究成果,提出了不同气瓶在进行氢循环试验时的温度控制方法,为我国起草高压储氢系统氢循环试验标准提供了参考。(3)多级自增压的氢循环试验系统优化设计方法。在分析氢循环试验系统运行过程的基础上,提出了多级自增压(高压储罐容积和压力分级、循环工艺优化)的系统优化策略;建立了氢循环系统的动态仿真模型,该模型可以模拟氢循环过程中各级气源储罐、被测工件、压力控制装置内氢气的压力和温度变化情况,以及预冷装置、回收压缩装置的能量消耗情况;利用该模型分别对各级气源储罐压力、容积对能耗的影响进行了分析,并对多级自增压系统与传统设计系统进行了对比,表明多级自增压系统在压缩过程中节能55.2%,在预冷过程中节能29.1%。(4)小型氢循环试验系统的研制。由于氢循环试验压力高、循环介质易燃易爆,且目前国内还没有氢循环试验系统研制经验,为了保证安全,本文首先研制了小型氢循环试验系统,解决了增压系统设计、高低温环境箱设计、高压氢循环控制方法等关键技术难题;分别进行了截止阀、单向阀、低压氢化物储氢气瓶的氢循环试验,验证了系统的功能。该系统的搭建提升了我国临氢零部件的检测能力,并为大型氢循环试验系统的研制积累了经验。