摘 要

氢能因为他的取之不尽，零污染，高效等等诸多特点成为了我们日益关注的焦点，氢气的存储在氢能的广泛应用中起到了重要的作用，高效的氢气存储在氢能经济中占有重要的地位，氢气可以通过化学的办法来进行储存，利用金属氢化物，可以很好地完成氢气储存这一任务，本文通过建立储氢模型，利用文献中的数据来进行一个验证，进一步模拟和优化储氢系统。

我们可以利用分布参数模型研究氢化过程中热效应对其系统性能的影响。由于氢化的过程往往伴随着大量反应热的释放，可以尝试将换热器用于金属氢化物的储氢系统，用来降低金属氢化物储氢罐的罐内温度。

相变材料可用于储热。我们以石蜡R35作为相变材料，试着将其与铜制和铝制金属泡沫相结合，以此来提高复合相变材料的有效热导率。本文将传统的相变材料与金属泡沫相结合，应用在金属氢化物储氢罐中，通过模拟研究，优化系统性能，为提升金属氢化物储氢罐的储氢效率提供了一个非常好的方法。

关键词：氢气储存，金属氢化物，相变材料，优化

Abstract

Hydrogen energy has become the focus of our attention because of its inexhaustible, zero pollution and high efficiency. Hydrogen storage plays an important role in the wide application of hydrogen energy. Efficient hydrogen storage plays an important role in hydrogen energy economy. Hydrogen can be stored by chemical methods, and hydrogen storage can be well completed by using metal hydride. In this paper, the hydrogen storage model is established, and the data in the literature is used for a verification to further simulate and optimize the hydrogen storage system.

In addition, the distributed parameter model is also established to study the influence of thermal effect on the performance of hydrogenation system. Because the process of hydrogenation is often accompanied by the release of a lot of reaction heat, we can try to use the heat exchanger in the hydrogen storage system of metal hydride to reduce the temperature in the tank of metal hydride hydrogen storage tank.

Phase change materials can be used for heat storage. Using paraffin R35 as phase change material, we try to combine it with copper and aluminum foam to improve the effective thermal conductivity of composite phase change materials. In this paper, the traditional phase change materials are combined with metal foam to be used in metal hydride storage tanks, and the system performance is optimized through simulation study.

Key Words: hydrogen storage, metal hydride, phase change material, optimization

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及研究意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 研究内容与方法 4

第2章 金属氢化物储氢相关理论 5

2.1 金属氢化物储氢系统的数学模型 6

2.2 金属氢化物储氢系统的热力学模型 7

2.2.1 质量守恒方程 8

2.2.2 反应动力学方程和平衡压力方程 10

2.2.3 能量守恒方程 10

2.2.4 理想气体状态方程 11

2.3 金属氢化物储氢系统的模型参数 11

2.3.1 几何模型 11

2.3.2 边界条件和初始条件 12

2.4 结果与讨论 12

2.5 本章小结 14

第3章 相变材料换热器对金属氢化物储氢的优化 15

3.1 数学模型 16

3.2 模型参数 17

3.3 结果与讨论 18

3.3.1 相变材料对金属氢化物储氢性能的影响 18

3.3.2 相变材料的热导率，质量以及潜热对储氢性能的影响 21

3.3.3 金属泡沫复合相变材料对储氢性能的影响 26

3.4 本章小结 29

第4章 总结与展望 30

4.1 全文总结 30

4.2 主要的创新点 30

4.3 研究展望 31

参考文献 32

致 谢 35

第1章 绪论

1.1 研究背景及研究意义

为保证未来社会的可持续发展，我们要认真地应对能源方面的挑战，比如有限的化石燃料储备、日益严重的环境污染以及全球变暖等问题。包括水力能、太阳能、风能、地热能在内等可再生能源，是解决这些问题的有效途径。目前世界能源消费的主体仍然是化石燃料，但是现如今世界对于能源的需求量不断扩大，一些关于能源方面的问题，比如能源危机，全球变暖以及环境污染等问题日益严重，所以我们的关注焦点放在了太阳能，水力能，地热能，风能等可再生能源上面，同时，氢能也因其取之不尽，高效，零污染的特性逐渐受到重视。氢能作为一种可持续发展的新型能源，它可以从化石燃料以及一些我们熟知的可再生能源中来进行一个产生^[1]，它的发展前景不可估量，但是我们可以看到它的应用其实并不理想，如何实现高效的氢气存储就是我们当下急需解决的问题。

我们目前常用的储氢方法有四种，其中包括压缩储氢和液化储氢，再加上物理吸附储氢以及化学吸收储氢。近年来，低温压缩储氢和低温吸附储氢等先进的储氢方法也慢慢进入了我们的视野^[2]，压缩储氢系统的结构是比较简单的，相关的一些应用做的也比较完善，现在，利用高压储氢这一技术的氢燃料电池汽车在美国以及日本已经进入了相关的市场，液化储氢的成本比较高一些，并且整个系统需要在低温的环境下进行一个保存，通常使用在航空航天等领域。至于物理吸附储氢，在低温的条件下，储氢量本文主要讨论的是化学吸附储氢中的利用金属氢化物的特性用来储存氢气的一个方法。

金属氢化物，为氢气和碱金属、除铍(Be)以外的碱土金属、某些d区域的金属或者是f区金属之间进行的化合反应而产生的一个化合物，其中他们大多数是可逆的。当外界有热量施加给氢化物时，它就会因此而发生反应分解为相应的金属单质并释放出氢气。目前来说，工业上用来储存氢气的金属材料大多是由多种金属混合而成的合金。氢气与多数金属都能够发生一个化合反应生成金属氢化物，即多数金属都能够实现储氢的功能。与其它的储氢方式相比，金属氢化物储氢具有压力平稳、充氢简单、安全方便等等非常多的优点，单位体积储氢的密度可达相同温度、压力条件下气态氢的1000倍。该储氢方式同样也存在着一些问题，就是如何提高储氢材料对于氢气的一个储存量以及降低我们所需要的成本并节约贵重金属。基于金属氢化物的储氢方法，它的整个系统在重量上较重，充放气循环的次数还有改进的空间。