摘 要

人类文明的前进，离不开能源的开采与利用，在这一进程中，化石燃料扮演者不可或缺的重要角色，但随着时间的流逝，长年对化石燃料的大量开采，不仅使得化石燃料出现了能源短缺的危机，而且对环境也造成了巨大的伤害。

幸运的是人类的最大的优点就是善于学习，在科技水平发展越来越高的今天，人类已经将目光投向了其他可再生能源，其中，氢——元素周期表之首的元素，正在作为低碳和零碳能源，脱颖而出。这种二次能源，成为了理想的新的合能体能源，也是目前世界各国对能源开发的首要研究目标。我国已经在氢能源研究领域取得多方面进展，其中的金属氢化物储氢技术，就是对氢能源运输问题的突破性的成果。

在众多的金属氢化物中，LaNi5合金的应用尤为广泛，因为其具有储氢量大，充放气速度快，反应的条件温和，平衡压力低等优点。本文旨在用商业软件comsol 5.5建立一个储氢能力与以LaNi5合金为载体的储氢罐相当的氢气瓶，并且应用计算流体力学，多孔介质传热与Darcy定律，建立一个物理与数学模型。具体通过规定时间内，在保证一定压力值的情况下，对建立的储氢罐模型内部进行氢气充放气的有限元模拟的过程，得到压力与温度的三维绘图与二维绘图,研究在温度与压力作为变量的情况下，对储氢罐模型内部3个不同位置的点采样取探针，得以看出对充放气过程的影响。

关键字：储氢罐 ；充气 ；LaNi5 ；压力平衡

Abstract

The progress of human civilization can not be separated from the exploitation and utilization of energy. In this process, fossil fuel plays an indispensable role, but with the passage of time, many years of large-scale exploitation of fossil fuels, not only fossils Fuel has a crisis of energy shortage, but also caused great damage to the environment.

Fortunately, the greatest advantage of mankind is good at learning, and where the level of science and technology is growing, mankind has turned its attention to other renewable energy sources, where the elements of the hydrogen-element periodic table are being used as low Carbon and zero carbon energy, stand out. This secondary energy, has become the ideal of the new energy sources of energy, is currently the world's energy development of the primary research objectives. China has been in the field of hydrogen energy research made many progress, including metal hydride hydrogen storage technology, is the hydrogen energy transport problem breakthrough results.

Among the many metal hydrides, LaNi5 alloy is widely used because it has the advantages of large hydrogen storage capacity, fast charging and discharging speed, mild reaction condition and low equilibrium pressure. The purpose of this paper is to establish a hydrogen and hydrogen reservoir with a hydrogen storage capacity equivalent to a hydrogen storage tank with LaNi5 alloy as a carrier, and to establish a physical and mathematical model using computational fluid dynamics, porous media heat transfer and Darcy's law. In this paper, the finite element simulation of the hydrogen charge and discharge in the built-in hydrogen storage tank model is carried out, and the three-dimensional drawing and two-dimensional drawing of pressure and temperature are obtained through the specified time. Under the condition of ensuring a certain pressure value, And the pressure as a variable in the case, the hydrogen storage tank model inside the three different locations of the sample sampling probe, we can see the impact of the charge and discharge process.

Key words:hydrogen storage tank; inflatable; LaNi5; pressure balance

第1章 绪 论 1

1.1引言 1

1.2储氢技术 1

1.2.1高压压缩储氢 1

1.2.2深冷液化 1

1.2.3金属氢化物储氢 1

1.2.4化学氢化物储存技术 2

1.2.5配位氢化物储存技术 2

1.3储氢合金的分类 2

1.3.1钛系储氢合金 2

1.3.2镁系储氢合金 3

1.3.3稀土储氢合金  3

1.4金属储氢技术的现状 3

1.4.1金属氢化物的反应机理 4

1.4.2金属氢化物的性质 4

1.5金属氢化物反应器 5

1.6反应器优化传热 7

1.7课题研究内容 7

第2章 模型的建立与参数的设定 9

2.1金属氢化物反应器的研究进展 9

2.2物理模型的建立 9

2.3数学模型的建立 10

2.3.1氢质量守恒方程为 11

2.3.2金属氢化物质量平衡 11

2.3.3能量平衡方程 11

2.4反应动力学 12

2.5平衡压力 13

2.6辅助表达式 14

第3章 LaNi5储氢合金充气热效应的模拟 15

3.1储氢材料LaNi5的性质 15

3.2探针与变量的选取 16

3.3达西定律和域常微分和微分代数方程 17

3.4多孔介质传热传质 18

3.5本章小结 18

第4章 储氢罐的充气特性 19

4.1储氢罐的尺寸 19

4.2充气过程的温度梯度 19

4.3反应温度对吸氢性能的影响 21

4.4反应压力对吸氢性能的影响 22

4.5充气过程中质量分数的变化 24

4.6 本章小结 25

第5章 反应器的优化 26

5.1结构优化 26

5.2其他优化思路 26

5.3本章小结 27

第6章 结论与展望 28

6.1结论 28

6.2 展望 28

第1章 绪 论

1.1引言

化石燃料——石油，天然气和煤炭。在人类的历史上扮演者及其重要的角色，正是因为它，促成了工业的大规模发展。按照全世界对化石燃料的消耗的速度计算得出，石油与天然气还可供人类使用60年，煤炭还可使用200年。据世界能源展望报告所知，在2030年，人类对化石燃料的需求量将达到170亿。由于化石燃料属于一次不可再生能源，所以人类面临历史上空前绝后的能源危机。因此，开发利用新的能源成为人们首要解决的问题。

目前在众多的新能源中，氢能源大放异彩。作为元素周期表之首的元素，氢在常温常压下呈现气态，在超低温高压下呈现固态。由于其在自然界的含量巨大，氢能源当之无愧成为了新能源开发与利用的第一选择。作为能源，氢能源有一下几大优点：重量最轻：标准状态下，氢气的密度仅有0.0899g/l。导热性高：与大多数气体相比，其导热系数高出10倍。普遍元素：氢元素构成了宇宙质量的75%，除了空气中的氢气，也以化合物的形式储存于水，而水是地球上最广泛，因此氢能源可以说是取之不竭。可回收：氢能源被使用后的产物以水为主，在此分解可回收利用。发热值高：氢除了核燃料外，其发热值是化石燃料，化工燃料和生物燃料中最高的，是汽油发热值的3倍之多。因此各国科学研究人员都对氢能源展开了研究，其中，氢气的储存于运输成为了当之无愧的解决要务。

1.2储氢技术

1.2.1高压压缩储氢

高压储氢是目前应用最广泛的储氢手段，因为压缩速度快，压缩消耗的能量少，储氢罐的结构非常简单等优点。氢气的密度小，在储氢罐中的压力达到15Mpa，如此巨大的压力使得对储氢罐的要求较高，而耐高压的材料重量又很大，在储氢的总体重量重，氢气仅占1%。为了解决这个问题，近期科学研究者们有研究出了一种新的耐高压材料，其承载压力可达30Mpa,使得储氢罐的质量储氢量达到2%。可由于价格昂贵，并未广泛投入使用。

1.2.2深冷液化

深冷液化就是氢气在20k的低温环境下液化，并储存于真空瓶中。但由于其复杂的过程与高昂的成本，并且有储氢罐内外温差过大使得对储氢罐材料的要求也非常严苛。目前，这个技术仅是在火箭，卫星领域成熟使用。

1.2.3金属氢化物储氢

氢与氢化金属之间可进行可逆反应，在有热量的外界条件下，它可分解为氢化金属并释放出氢气。金属氢化物储氢是将氢气储存在晶体的缝隙之中，储氢体积可达其自身的上千倍，并且由于其储氢充放气条件比较容易达到，金属氢化物储氢技术成为了目前主要研究的方向。

1.2.4化学氢化物储存技术

化学氢化物储氢的材料密度较小，因此其质量吸氢比较大，但由于化学氢化物储氢是靠其储氢的材料与氢元素结合形成共价键，因此放气过程的条件尤为苛刻。其中化学氢化物的材料较为典型的有BH₃NH₃，它有着非常可观的质量储氢量，可达19wT%以上，并且有着稳定性强与可再生利用的优点。由于放氢速度极其缓慢，在1400℃以下才能完全放出，因此需要致力于研究和开发催化剂使得氢气释放过程变快。

1.2.5配位氢化物储存技术

所谓的配位氢化物，即含碱性的金属阳离子与阴离子结合形成的化合物，其质量吸氢量较高，由于其较差的吸放氢能力，并未使得有着高质量吸氢量这一优势的配位氢化物在实际应用中被广泛应用。

1.3储氢合金的分类

现如今，世界上已经研究出了多种储氢合金，为了方便记录，人们把这些储氢合金分为以下几类：

1）按组成元素的主要种类分为: 稀土系、钛系、锆系、镁系；

2）按主要组成元素的原子比分为:AB5 型、AB2 型、AB 型、A2B 型；

3）按晶态与非晶态, 粉末与薄膜进行分类。

这些储氢合金都有以下几种基本特征，在1970 年前后相继发现的储氢合金，基本上都是二元储氢合金(或金属间化合物) 。这些二元储氢合金可分为AB5 型，也就是稀土系合金；AB2 型，也就是Laves 相合金 ；AB 型，也就是钛系合金；和A2B 型，也就是镁基合金,其中A 为氢化物稳定性元素(发热型金属) ,B 为氢化物不稳定元素(吸热型金属) ,经研究测得，A 原子半径大于B 原子半径. 由于氢元素在金属和合金中比液态氢的密度高,所以氢能够在反应环境相对温和的情况下可逆吸放,并且伴随放热和吸热.。经过科研人员的大量实验检测和模拟计算,证明了氢主要以原子形式存在,部分带有负电荷。

1.3.1钛系储氢合金