氢能具有清洁环保、可再生、来源广泛、用于燃料电池时能源转化效率高等优点,是一种极具发展前景的二次能源,对缓解环境污染和能源危机具有重要意义。随着氢能与燃料电池技术的不断发展与日趋成熟,美、日、德等国家已将其上升为国家战略;我国也将其列入中长期科学与技术发展规划纲要的重点基础研究内容。在氢的储运技术中,高压储氢凭借其设备结构简单、制备能耗较低(相对于液氢)、可实现快速充放等优点,成为目前氢燃料电池汽车和加氢站中的主要储氢方式。高压氢气在充装过程中显著的温升效应决定了燃料电池汽车与CNG汽车在充装过程的物理特性、控制要求以及加氢站系统组成上有明显的区别,使得现有的CNG加气站设计方法难以直接用于加氢站设计。为了满足燃料电池汽车充装要求,并保证加氢站建设的经济性,有必要对加氢站设计中的主要环节进行研究。本论文在国家高技术研究计划目标导向课题(“863”计划)项目“70MPa高压氢气储存加注系统关键技术及装置研究(项目编号:2009AA05Z118)等的支持下,针对加氢站的核心——由压缩、储气、预冷及加注系统组成的高压供氢系统,从加氢机配置、压缩与储气系统配置以及高压氢气预冷器设计等方面,研究了加氢站高压供氢系统的优化问题,主要研究内容及成果如下:(1)基于加氢站加气排队过程的统计学特性、加气过程的热力学特性以及燃料电池汽车充装要求,建立了加氢站加气排队过程的数学模型。在此基础上,提出了加氢机最优化配置问题的数学模型——以车辆平均等待时间和平均排队长度为约束条件、以加氢机数量最小为优化目标。采用所建立的方法对70MPa加氢站进行分析,研究了平均日供气量与加氢机数量对车辆平均等待时间和平均队长的影响规律,通过优化得到了不同日供气量下的最优加氢机数量。研究发现:最优的加气枪利用率总体上随加氢站规模的增大而升高,对于规模较大的加氢站而言,该数值一般高于50%。与现有的经验方法相比,所提出的方法能够明显改善小规模加氢站的加气排队现象,并在解决加气排队问题的基础上有效缩减大规模加氢站的加氢机数量及建站成本。(2)针对采用拖车自增压工艺的加氢站,根据车载储氢系统充氢过程、加氢站高压储罐与长管拖车充放氢过程的热力学特性、隔膜压缩机流量特性以及燃料电池汽车充装要求,建立了加氢站供氢全过程的热力学模型。基于所构建的模型,研究了压缩机与高压储罐按其总成本最低进行匹配时的压缩机排量影响因素。在此基础上,揭示了拖车操作策略、高压储罐分级方式以及长管拖车分级数量对压缩机与高压储罐总成本及加氢站能耗的影响规律,并对以上参数进行了优化。研究表明:拖车操作策略对成本影响较大,为使压缩机与高压储罐总成本最低,应在高压储罐低于其额定工作压力时采用当前压力最高的长管通过压缩机为其增压,否则采用当前压力最低的长管通过压缩机对当前压力最高的长管增压,加气时应采用当前压力最高的长管对车辆进行初始充装;增加高压储罐分级数量可降低加氢站储气成本及能耗,最佳的高压储罐分级数量应结合管路成本确定;压缩机与高压储罐的总成本总体上随拖车分级数量的增加呈下降趋势,但其下降幅度随拖车分级数量的增加迅速减小,当拖车分级≥4时,继续增加分级数量反而可能引起成本的局部上升,建议将拖车分为4级。(3)针对采用液体乙醇冷却氢气的套管结构高压氢气预冷器,根据冷热流体流动与传热特性、高压氢气真实气体特性以及乙醇物性参数随温度的变化规律,建立了高压氢气预冷过程的数值模型,并基于火积耗散理论对预冷器的传热性能进行表征。对预冷器热负荷与氢气质量流量随时间的变化规律以及影响因素进行了研究,确立了预冷器热负荷与氢气侧压降最大时的充装工况,为预冷器传热面积的确定与阻力性能的评价提供了依据。在此基础上,开展了充装前期氢气预冷温度的影响因素研究,揭示了环境温度、加气枪下游管阻、车载储氢系统初始压力与额定储氢量等充装参数以及套管环径比、高压氢气换热管管径、载冷剂入口流速与温度、预冷支路数量及传热面积裕度等预冷器参数对预冷温度的影响规律。研究表明:在环境温度较高、加气枪下游管阻较大且车载储氢系统初始压力较低的充装工况下,充装前期的氢气预冷温度较高,此时套管环径比、载冷剂入口流速以及传热面积裕度对预冷温度影响较小,而预冷支路数量、高压氢气换热管管径以及载冷剂入口温度的增加均会导致充装前期的预冷温度升高。最终,以火积耗散率和预冷器内部氢气压降为优化目标,以预冷温度和乙醇侧压降为约束条件,对预冷器主要参数进行了优化,为其设计提供了依据。