2.1　氢气高压储存原理

氢气在高温低压时可看作理想气体,通过理想气体状态方程:

pV=nRT(2⁃1)

来计算不同温度和压力下气体的量。式中,p为气体压力;V为气体体积;n为气体的物质的量,R为气体常数[R=8.314J/(K·mol];T为热力学温度。如图2⁃1所示,理想状态时,氢气的体积密度与压力呈正比。然而,由于实际分子是有体积的,且分子间存在相互作用力,随着温度的降低和压力的升高,氢气逐渐偏离理想气体的性质,式(2⁃1)不再适用,范德华方程修正为:

p=-(2⁃2)

式中,a为偶极相互作用力或称斥力常数(a=2.476×10-2m6Pa/mol2);b为氢气分子所占体积(b=2.661×10-5m3/mol)[1]。真实氢气的体积密度与压力的变化曲线见图2⁃1。

真实气体与理想气体的偏差在热力学上可用压缩因子Z表示,定义为:

Z=(2⁃3)

图2⁃2列举了几种气体在0℃时压缩因子随压力变化的关系,可见氢气的压缩因子随压力的增加而增大。

通过美国国家标准技术所(National Institute of Standards and Technology,NIST)材料性能数据库提供的真实氢气性能数据进行拟合,可得到简化的氢气状态方程:

Z==(2⁃4)

其中,α=1.9155×10-6K/Pa[2]。在173K<T<393K范围内,最大相对误差为3.80%;在253K<T<393K范围内,最大相对误差为1.10%。

图2⁃1　压缩氢气的压力与体积储氢密度(左纵坐标)和高压气罐壁厚/外径比(右纵坐标)的关系

(高压气罐的抗拉强度为460MPa,右下插图为高压气罐的示意图)[1]

图2⁃2　0℃时几种气体的Z⁃p曲线[3]