摘 要

随着科学技术的进步和生产力的大大发展，能源短缺逐渐成为威胁人类社会的大问题。为了解决这一迫在眉睫的问题，从上世纪开始，各国科学家都纷纷致力于新能源的开发和研究。在众多种类纷杂的新能源中，氢能源无疑是一种储量大，污染小，热值高的优质能源。但在氢能源的储存运输方面，仍有不少的困难需要解决。在当今主流的几种储氢方式中，本文选取金属氢化物储氢技术作为研究对象，将具体介绍金属氢化物储氢技术的原理和储氢材料的种类。利用软件comsol5.1以A₂B型金属LaNi₅为例建立理想的金属储氢罐模型，对金属储氢技术中放气过程的热效应和动力性能进行有限元分析，归纳放气过程中各个参数的变化规律，总结出理想的储氢条件和储氢罐模型。

在整个过程中，根据储氢材料的性质和氢气的性质，我们选用三个物理场对储氢罐模型进行阐述，这三个物理场包含了充放氢过程中的质量守恒，动量守恒和能量守恒。同样的，根据实验材料的特质，我们选用5组探针，其中4组分别测量整个实验过程中各个空间点温度，压强和氢气密度的变化，还有一组则测量整个储氢罐模型场域內各项参数的平均值。在得到实验数据的同时，本文将对比实验结果和理论计算值，对储氢罐的各项参数不断进行优化，直到得出一个各方面性能均可以达到一定要求的模型。

关键词：金属氢化物储氢，充放氢，LaNi_5，有限元，新能源，热力学性能，动力学性能。

Abstract

With the advancement of science and technology and the great development of productive forces, energy shortages have become a major threat to human society. In order to solve this imminent problem, from the last century, scientists have committed to the development of new energy and research. In many types of complex new energy, hydrogen is undoubtedly a large reserves, pollution, high calorific value of high-quality energy. But in the storage and transportation of hydrogen energy, there are still many difficulties to be solved. In this paper, the hydrogen storage technology of metal hydride is selected as the research object, and the principle of hydrogen storage technology of metal hydride and the kind of hydrogen storage material will be introduced in detail. The ideal metal hydrogen storage tank model was established by taking the A2 type metal LaNi5 as the software comsol5.1. The thermal effect and dynamic performance of the deflagration process in the metal hydrogen storage technology were analyzed by finite element method. The variation rules of the parameters , Summed up the ideal hydrogen storage conditions and hydrogen storage tank model.

In the whole process, according to the nature of the hydrogen storage material and the nature of hydrogen, we use three physical fields to describe the hydrogen storage tank model, which contains the mass conservation, momentum conservation and energy Conservation. Similarly, according to the characteristics of the experimental material, we selected five groups of probes, of which four groups were measured throughout the experimental process of the various spatial point temperature, pressure and density changes, and a group of the whole storage tank model field The average of the item parameters. In the experimental data, this paper will compare the experimental results and theoretical calculation values, the parameters of the hydrogen storage tank continue to be optimized until a variety of performance can be achieved to achieve certain requirements of the model.

Key words: metal hydride hydrogen storage, charge and discharge, LaNi5, finite element, new energy, thermodynamic properties, kinetic properties

目 录

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 储氢方式 2

1.3 金属储氢材料 2

1.4 金属储氢反应原理 4

1.5 储氢反应器类型 4

1.6 课题研究内容 6

1.7 本章小结 7

第2章 储氢罐模型建立 8

2.1 储氢金属的热力学性质 8

2.2 金属氢化物储氢中的守恒 9

2.3金属储氢罐物理模型 11

2.3.1 多孔介质传热传质模型 11

2.3.2 Darcy定律和域常微分和微分代数方程 12

2.4 储氢罐材料LaNi₅的性质 13

2.5 反应器尺寸设计 15

2.6 本章小结 16

第3章 金属氢化物储氢放气特性 17

3.1 探针的布置 17

3.2 储氢合金性能分析 17

3.2.1 温度梯度 17

3.2.2 压力梯度 20

3.2.3 质量分数 21

3.2.4 影响储氢反应两个进程的因素 22

3.3 金属氢化物储氢放气过程的优化 23

3.3.1 综合型换热流体循环供热结构 24

3.3.2 电加热热补偿结构 25

3.4 本章小结 25

第4章 总结和展望 27

4.1 工作总结 27

4.2 金属氢化物储氢技术的展望 27

参考文献 29

第1章 绪论

1.1 引言

自第二次工业革命后，各个生产行业都在自己的领域取得了巨大的发展。随着劳动力的解放，机器代替工人参与到生产当中，产品的质量和生产效率都有了质的飞跃。但是生产力的提升是伴随着化石能源的大量使用，化石能源的巨大消耗带来的温室效应和环境污染日趋严重。而且化石能源也在人类社会发展的进程中被无节制地开采着，据2008年的《世界能源展望报告》表明，人类的化石能源需求量正在以每年百分之一点六的比率整长，并将在2030年达到每年170亿吨，这些化石能源燃烧产生的污染物对环境的危害是毁灭性的。所以，开发一种储量大、无污染的新能源是当务之急.

从上个世纪开始，对于新能源的探索和研究从未间断过。根据所设计的不同领域，研究者们提出了各种各样的可能性，并取得了一定的成果。这些成果表明，如今有希望代替化石能源成为主流能源的主要有氢能源，太阳能，潮汐能，生物质能，核能等等。在这些能源当中，氢能源无疑是一种储量巨大的能源，地球上的陆地和海洋总面积约5.1亿平方千米，其中海洋面积约3.61亿平方千米，占全球总面积的71％，海洋中的主要成分水又可以作为氢能源的主要来源。据研究表明，一克氢燃烧能产生142千焦耳的热量，是同质量汽油完全燃烧所放出热量的3倍，作为一种万众瞩目的优质能源，氢能源主要具有以下优点：

1. 燃烧性能好：在满足燃烧条件的情况下，点燃极快，与空气混合时有广泛的可燃范围，而且燃点高，火焰扩散速度快；
2. 构成简单：相比于成分复杂的化石能源，氢能源的主要使用形态H₂拥有结构上的优异性，且其循环过程简单储量丰富；
3. 发热值高：在当今主流的几种能源当中，除了核能之外，氢能的单位发热量与化石燃料等相比是最高的；
4. 耗损少：若氢能源取代其他能源成为主流能源，可取消高压输电网建设氢气管道，这种管道不仅安全性较高，而且沿程能量损失少；
5. 无毒、无污染：氢气完全燃烧后几乎只会生成水，生成的水也可以作为原料参与到其他生产环节中；
6. 拥有多种形态：可以以气态、液态或固态的金属氢化物的形式出现，能够适应贮运及各种工作环境的要求；
7. 运输方便：相比于传统的化石能源，氢能源质量低，在使用过程中可以减少燃料的自重，着相当于降低了工作机的负载，即使是在情况多变的运输环节中，氢能源也具有同样的优势。

1.2 储氢方式

对于氢能源的研究，各国早已提上日程，美国的《国家氢能发展前景和指南》当中，以及我国的“国家中长期科学技术发展规划纲要2006—2020年”都把氢能列为核心的研究对象。氢能的使用，主要困难在于储存和运输等几个方面，目前几个主要的研究方向有：氢能源的廉价制取；氢能源的安全运输；氢能源的安全储存以及开发出可大量储氢的容器。关于氢能源储存方面，目前较为流行的方法有：吸附储存，氢气液化储存，氢气压缩储存和金属氢化物储存等。