摘 要

化石燃料仍然在经济社会中扮演着重要的地位，然而化石燃料作为不可再生能源无法满足经济社会持续发展对能源的需求。同时由于化石燃料的大量燃烧也带来了一系列环境问题，逐步摆脱化石燃料的制约而转向新能源是未来社会的必由之路。氢能源作为一种清洁高效的能源，能有效解决这一问题。而要实现氢能源的广泛使用，必须要解决好氢能的储存问题。本文对金属氢化物储氢技术作了探讨。

本文利用comsol软件建立了金属储氢罐二维轴对称模型，对比模拟数据和实验数据验证了模型的有效性。通过对吸氢过程的模拟，研究了储氢罐的各项物理参数对储氢过程中的热效应和储氢反应速率的影响。储氢过程中金属储氢罐的温度和储氢反应效率息息相关，因此提升储氢罐的散热系数能有效改善储氢罐的储氢能力。

进一步地，本文建立了翅片型储氢罐模型，对翅片的不同安装位置进行了模拟分析，发现罐壁翅片型结构能大大加快储氢罐中心高温区域的热量传递，提升储氢罐的散热效应和储氢性能。在此基础上，本文对翅片尺寸作了模拟优化，结果发现在翅片总体积保持不变的前提下，翅片越长，储氢罐散热能力越强，储氢性能越好。最优的罐壁翅片型结构相对于原始模型其降温时间大大缩短，储氢性能也大大提升。

关键词：氢气储存，金属氢化物，翅片，优化

Abstract

Fossil fuel still plays an important role in the economic society, however, as a non renewable energy, fossil fuel can not meet the demand of sustainable economic and social development for energy. At the same time, the massive combustion of fossil fuels also brings a series of environmental problems. It is the only way for the future society to gradually get rid of the restriction of fossil fuels and turn to new energy. As a clean and efficient energy, hydrogen energy can effectively solve this problem. In order to achieve the widespread use of hydrogen energy, we must solve the problem of hydrogen energy storage. The hydrogen storage technology of metal hydride is discussed in this paper.

In this paper, a two-dimensional axisymmetric model of metal hydrogen storage tank is established by using COMSOL software. The validity of the model is verified by comparing simulation data with experimental data. Through the simulation of hydrogen absorption process, the effects of physical parameters of hydrogen storage tank on the thermal effect and reaction rate of hydrogen storage were studied. In the process of hydrogen storage, the temperature of metal hydrogen storage tank is closely related to the reaction efficiency of hydrogen storage, so improving the heat dissipation coefficient of hydrogen storage tank can effectively improve the hydrogen storage capacity of hydrogen storage tank.

Furthermore, the fin type hydrogen storage tank model is established in this paper, and the different installation positions of the fins are simulated and analyzed. It is found that the fin type structure of the tank wall can greatly accelerate the heat transfer in the high temperature area of the center of the hydrogen storage tank, and improve the heat dissipation effect and hydrogen storage performance of the hydrogen storage tank. On this basis, the size of the fins is simulated and optimized. The results show that the longer the fins are, the stronger the heat dissipation capacity of the hydrogen storage tank is, and the better the hydrogen storage performance is. Compared with the original model, the cooling time and hydrogen storage performance of the optimal tank wall fin structure are greatly shortened.

Key Words: hydrogen storage, metal hydride, fins, optimization

目录

摘 要 I

Abstract II

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 6

2.1 金属氢化物储氢罐基本理论模型 6

2.1.1 膨胀体积区基本方程 6

2.1.2 储氢合金区基本方程 7

2.1.3 翅片换热区基本方程 7

2.1.4 平衡压力方程 7

2.1.5 反应动力学方程 8

2.1.6 理想气体状态方程 8

2.2金属氢化物储氢罐模型验证 8

2.2.1金属氢化物储氢罐的几何模型 8

2.2.2物理参数与初始条件 8

2.2.3 模型有效性验证 9

2.3 参数研究 10

2.3.1 冷却液温度 10

2.3.2 注氢压力 11

2.3.3 膨胀区体积 12

2.3.4 导热系数 13

2.4 本章小结 14

第3章 金属储氢罐散热结构优化 15

3.1 翅片换热型储氢罐模型 15

3.1.1翅片几何参数 15

3.1.2模拟结果分析 15

3.2翅片位置对储氢性能的影响 17

3.2.1不同结构的翅片储氢罐 17

3.2.2模拟结果分析 18

3.3罐壁翅片型储氢罐几何尺寸优化 23

3.3.1翅片几何尺寸 23

3.3.2 结果分析 24

3.4 翅片结构储氢罐与原始储氢罐的性能对比 25

3.5本章小结 26

第4章 总结与展望 27

4.1 全文总结 27

4.2 研究展望 27

参考文献 28

致 谢 30

第1章 绪论

1.1 研究背景及研究意义

当今社会，化石能源依然是支撑社会经济发展的关键引擎之一，化石能源随处可见，涉及人类生活的方方面面。就汽车而言，虽然目前国内的汽车市场销量呈下降趋势，但汽车的总体保有量数据仍然非常大，而汽车的燃料就目前而言仍是以石油和天然气为主。同时，化石能源的大量消费也带来一系列诸如酸雨、温室效应、空气污染、水污染等环境问题，伴随改革开放进入新时代，人民对环境质量有了更高的要求，传统的粗犷的化石燃料的使用急需改革。而且化石燃料本身作为不可再生能源无法满足人类社会长期可持续发展对能源的需求。据研究表明，石油的储量将在45到50年左右消耗殆尽，天然气则是50到60年，煤炭的储量略丰富，大约是200到220年。在石油资源及可燃矿物燃料日趋减少的时候，必须及早找到他们的取代办法^[1]。目前正在开发和使用的新能源有氢能、风能、太阳能、潮汐能、生物质能等。相较于其他能源，氢能源具有许多得天独厚的优势。首先，氢能源来源广泛，目前的主要制氢原料包括水、醇类、水煤气、天然气、煤等。而地球上的水资源通过水循环，可以说是取之不竭、用之不尽的状态，因此氢能源的储量也可以说是极为庞大的。其次，氢能源是一种清洁能源，氢的燃烧产物主要是水，不会对环境产生危害，而氢燃烧产生的水又可以作为制氢而得到循环利用。若氢能源能取代化石能源而成为汽车燃料的主要来源，那么温室气体的排放将会得到进一步控制。就目前而言，氢燃料电池的发展也在如火如荼地进行着，其不仅有利于推动新能源汽车的发展，更有望在火箭动力、家用燃料电池等诸多方面扮演重要的地位。再次，氢具有很高的热值，其发热值大约是汽油的3倍。最后，氢能源具有多种储存形态，氢气能以固、液、气三种形态储存，还能作为其他能源的载体，能适应各种工况要求。正是基于氢能源的诸多优良特性，它有望在能源转型过程中扮演重要的角色^[2-4]。

氢能源的利用要解决氢的制备、储存、运输三个问题。目前在工业上主要采用的制氢手段包括但不限于水电解制氢、煤气化制氢、水蒸气-铁法制氢、甲烷裂解制氢、天然气蒸汽转化制氢。制氢成本问题是制约氢能发展的重要因素之一，目前工业上主要采取的是天然气蒸汽转化制氢和矿物制氢的方式。伴随着制氢工艺的不断发展，人类社会必将能以更优良更经济的方式制得氢气。