摘 要

氢气是一种非常有潜力的能源，但是现在氢气的大规模使用尚且面对很多问题。其中一个需要解决的问题就是氢气的储存和运输，在众多氢气储存方式中，金属氢化物储氢最具有发展潜力，要使金属氢化物反应器（储氢罐）在吸收氢气和放出氢气过程中实现有效利用，对储氢合金罐充放氢气的过程进行模拟分析就非常地重要，这样可以帮助提高储氢合金罐的储氢性能。在分析现有的储氢合金充放氢气过程中的数学模型的基础上，本文建立了储氢合金的集总参数模型，并利用了数学软件该模型进行了仿真，将仿真结果与实验数据对比之后验证了该模型的可行性。并且可以利用该模型对储氢合金罐的参数进行分析，发现合金罐内部的氢气压力，冷却温度等因素会对充放氢气的速度以及最终的储氢能力都会产生一定的影响。

本文的研究结果表明：在储氢合金吸收氢气时，降低冷却液的温度可以提高反应速率，在储氢合金放出氢气时，提高冷却液的温度可以提高反应速率。

本文的特色：本文在现有储氢合金的数学模型的基础上，建立了储氢合金罐的零维参数模型，利用了MATLAB软件验证了模型的可行性，表明了该模型的可行性，该模型比现有的模型更加简单，可以快速的反映出储氢合金充放氢气过程中的温度、反应速率等因素的变化。

关键词：氢气；储氢合金；集总参数模型；MATLAB

Abstract

In many ways of hydrogen storage, metal hydride hydrogen storage has the best prospects for development. In order to improve the performance of hydrogen storage alloys, it is especially important to analyze the complex heat and mass transfer in the metal hydride reactor. Based on the existing mathematical model, in this paper, I established the lumped parameter model of the hydrogen storage alloy, and the Simulink module of the MATLAB software was used in the simulation of the model, by the comparison of the experimental data to verify the feasibility of the model. And the parameters of hydrogen storage alloys were analyzed by using this model.

This study shows that when hydrogen is absorbed by hydrogen storage alloys, reducing the temperature of the coolant can increase the reaction rate. When the hydrogen storage alloy releases hydrogen, increasing the temperature of the coolant can increase the reaction rate.

The lumped parameter model of the hydrogen storage alloy was established in this thesis. And I used MATLAB software to verify the feasibility of the model. This model is better than the existing model, it can quickly reflect changes in hydrogen storage alloy during charge and discharge process such as hydrogen temperature, reaction rate, and other factors.

Key Words：Hydrogen; hydrogen storage alloys; lumped parameter model; MATLAB

目 录

第1章 绪论 1

1.1研究问题的提出和研究意义 1

1.2文献综述 2

1.2.1储氢合金的研究现状 2

1.2.2储氢合金容器的研究现状 3

1.2.3 储氢合金储氢过程数学模型的研究现状 3

1.2.4 综述总结 5

1.3论文的研究内容与技术路线 6

1.3.1论文的研究内容 6

1.3.2 论文的研究方法 6

1.4总体构思 6

第2章 金属储氢的相关理论基础 7

2.1 金属氢化物P-C-T曲线和参数研究 7

2.1.1 金属氢化物P-C-T曲线 7

2.1.2平衡P-C-T曲线的预测模型 8

2.2质量守恒方程 11

2.3 能量守恒方程 12

2.4 储氢合金的动力学模型 12

2.5 MATLAB介绍 13

第3章 储氢合金罐的集总参数模型研究 15

3.1 金属氢化物反应器吸放氢气过程集总参数模型 15

3.1.1气相氢气质量守恒方程 16

3.1.2 金属氢化物的质量守恒方程 16

3.1.3 能量守恒方程 16

3.1.4 反应动力学方程 17

3.1.5 平衡压力方程 17

3.1.6 辅助方程 18

3.1.7 初始条件和离散化 18

3.2 金属氢化物吸放氢气过程的Simulink集总参数模型 18

3.2.1 Simulink模型 19

3.2.2 模型验证 21

3.2.3模拟结果 24

3.2.4参数研究 27

第4章 总结与展望 32

4.1 本文总结 32

4.2展望 33

参考文献 34

第1章 绪论

1.1研究问题的提出和研究意义

人类现在主要消耗的能源是石油^[1]，煤和天然气，但是随着这些能源的消耗增加，开采的难度也在越来越大，开采的成本也越来越大，2020年左右，全球石油的年产量将达到最大值，接着煤和天然气的年产量峰值也将会相继到达，人类将面对能源缺少的问题。在大量使用这几类能源的时候，也带来了很严重的环境问题，比如空气污染，全球变暖等，给人类的健康带来很大的损害。为了应对能源问题，人们需要寻找其它能源，其中氢气能源具有良好的发展前景。

氢气具有良好的清洁性和高效性，能够有效的解决能源问题，因而人们对于氢气的开发和利用进行了广泛的研究。氢气具备多种功能^[2]：氢气的燃烧值高达121061kJ/kg，液氢可以作为燃料用在火箭，卫星和航天飞船的发射上，氢气也可以用在燃料电池上，替代汽车上使用的传统的化石能源；氢气还可以用在环境保护上，比如现在的空气污染主要是石油中的硫燃烧引起的，而氢气能够用于燃料的加氢脱硫，减少了环境的污染；氢气也可以用在石化工业，比如对煤的深加工中需要用到氢气；氢气也可以用在电子工业中，比如一些稀有金属的加工中需要利用到氢气作为还原气。目前地球上存在的氢元素规模巨大^[3]，但是在自然界中只存有很少一部分氢气，因此如果人类要利用氢气还需要制取，氢气易燃易爆，安全性问题也是氢气使用过程中的一个难题,因而氢气的储存和运输也是氢气能源大规模使用过程中需要解决的问题。储氢方法很多^[4]，但主要的储氢方法是高压、液化、吸附、金属化合物等方式进行储氢。其中金属氢化物储氢是所有储氢方式中储氢效率最高的，其储氢的体积密度可以达到100kg/m³,因而具有很好的发展潜力。