摘要：金屬氫化物固態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)由于其體積儲(chǔ)氫密度高、狀態(tài)穩(wěn)定和損耗低，適合于大規(guī)模、長(zhǎng)時(shí)間的能量存儲(chǔ)。建立了小型氫儲(chǔ)能金屬氫化物反應(yīng)器的有限元仿真模型，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度研究了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)金屬氫化物反應(yīng)器性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明：在相同換熱結(jié)構(gòu)體積和合金質(zhì)量的前提下，翅片數(shù)量越多，反應(yīng)器半徑越細(xì)，冷卻管半徑越粗，傳熱能力越好，吸氫性能越好。

關(guān)鍵詞：金屬氫化物儲(chǔ)氫反應(yīng)器；翅片換熱結(jié)構(gòu)；燃料電池微電網(wǎng)；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；性能仿真

中圖分類號(hào)：TK91；TH122 收稿日期：2024-06-28

DOI：1019999/jcnki1004-0226202408023

1 前言

氫能作為一種高效、清潔的能源儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)換形式備受關(guān)注[1]，安全高效的氫儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)是氫能利用的關(guān)鍵，固態(tài)儲(chǔ)氫與高壓氫氣和低溫液氫相比，具有體積儲(chǔ)能密度高、儲(chǔ)氫壓力低、安全性高、運(yùn)維成本低、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)勢(shì)，是最具潛力的規(guī)模化儲(chǔ)氫解決方案。

然而，金屬氫化物在吸氫過程會(huì)釋放熱量，放氫過程會(huì)吸收熱量[2]，如果不能及時(shí)移除與供給這部分能量，則會(huì)嚴(yán)重影響金屬氫化物吸/放氫性能，甚至?xí)?dǎo)致金屬氫化物的燒結(jié)。因此，實(shí)現(xiàn)金屬氫化物高效儲(chǔ)氫的關(guān)鍵在于金屬氫化物儲(chǔ)氫裝置的熱管理[3]。

近年來，眾多學(xué)者利用軟件模擬和數(shù)值分析的手段，研究不同類型金屬氫化物儲(chǔ)氫裝置性能。George等[4]利用有限元建模軟件模擬NaAlH4合金在類蜂窩型換熱結(jié)構(gòu)內(nèi)的脫附和吸收過程并計(jì)算出最佳長(zhǎng)厚比；Wang等[5]利用能積耗散原理優(yōu)化變截面翅片結(jié)構(gòu)和金屬氫化物儲(chǔ)氫裝置體的尺寸，得到最佳的傳熱效率；Sharma等[6]在不同氣候條件下提高光伏電解制氫-固態(tài)儲(chǔ)氫-燃料電池微電網(wǎng)的性能和效率。

綜上所述，本文針對(duì)帶軸向翅片換熱結(jié)構(gòu)的金屬氫化物儲(chǔ)氫反應(yīng)器建立了多物理場(chǎng)耦合數(shù)值模型，在儲(chǔ)氫合金裝填量、換熱結(jié)構(gòu)體積占比和運(yùn)行參數(shù)等條件相同的前提下，研究吸氫過程中裝置不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下儲(chǔ)氫反應(yīng)器儲(chǔ)氫性能的影響規(guī)律，以及最優(yōu)結(jié)構(gòu)的放氫性能，為制氫-固態(tài)儲(chǔ)氫-燃料電池耦合系統(tǒng)實(shí)踐提供理論指導(dǎo)。

2 模型介紹

21 幾何模型

本文針對(duì)帶軸向翅片的換熱結(jié)構(gòu)的金屬氫化物儲(chǔ)氫容器進(jìn)行研究。圖1為儲(chǔ)氫容器示意圖，中心有換熱管，管中通過換熱流體，管外換熱翅片直接焊接在換熱管上，翅片式換熱結(jié)構(gòu)可以帶走吸氫過程反應(yīng)床合金化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量。

設(shè)定儲(chǔ)氫反應(yīng)器高度L為100 mm，半徑R為40 mm，換熱結(jié)構(gòu)材質(zhì)選用316L不銹鋼，厚度100 mm，采用水作為換熱流體，反應(yīng)器內(nèi)部填充的合金材料選用LaNi5。

22 主要假設(shè)

a.氫氣和LaNi5的物性參數(shù)假定為恒定。

b.氫氣視為理想氣體，換熱流體不可壓縮。

c.反應(yīng)器中床層存在局部熱平衡。

c.反應(yīng)器外壁與空氣自然對(duì)流。

d.忽略吸氫過程LaNi5的膨脹。

23 控制方程

金屬氫化物儲(chǔ)氫反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型基于控制方程，包括質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒方程，反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程、平衡壓力狀態(tài)方程。

對(duì)于氫氣，質(zhì)量守恒方程可表示為：

[??tεbρg+?ρgv=Sg] （1）

式中，[εb]為金屬氫化物床的孔隙率；[ρg]為氫氣的密度；[v]為達(dá)西速度；[Sg]為氫氣的質(zhì)量源項(xiàng)。

對(duì)于LaNi5，質(zhì)量守恒方程可表示為：

[1-εb?ρs?t=Ss] （2）

式中，[ρs]為L(zhǎng)aNi5的密度；[Ss]為L(zhǎng)aNi5的質(zhì)量源項(xiàng)。

達(dá)西速度[v]可表示為：

[v=-bu?p] （3）

式中，b為反應(yīng)床的滲透率；k為氫氣的動(dòng)力粘度；[?p]為壓力梯度。

金屬氫化物儲(chǔ)氫反應(yīng)器的能量守恒方程可表示為：

[ρcgeff?T?t+ρcgv?T=] （4）

[?keff?T+SsΔH+Tcg-cs]

式中，[ρcgeff]為床層的有效熱容；[keff]為床層的有效熱導(dǎo)率。

儲(chǔ)氫反應(yīng)器內(nèi)的吸/放氫反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程表示為：

[Ss=Cae-EaRTlnppeffρs-ρemp] （5）

[Ss=-Cde-EdRTp-peqapeqaρsat-ρs] （6）

式中，[p]為供氫壓力；T為反應(yīng)床溫度。

平衡壓力[peqa]由Van’t Hoff方程計(jì)算：

[lnpeqapref=A-BT] （7）

燃料電池發(fā)電功率[P]與氫氣流速[vH2]的關(guān)系可表示為：

[P=nQvH2] （8）

式中，η為燃料電池平均功率；Q為氫氣熱值，J/g；[vH2]為氫氣流速，g/s。

3 結(jié)果與討論

31 翅片數(shù)量

設(shè)定換熱結(jié)構(gòu)總體積不變，即當(dāng)改變翅片數(shù)量增加時(shí)，翅片會(huì)相對(duì)應(yīng)減薄，儲(chǔ)氫密度隨時(shí)間的變化時(shí)間如圖2所示，初始階段，由于反應(yīng)器內(nèi)溫度較低，放氫過程會(huì)吸收熱量，造成合金反應(yīng)床溫度下降，放氫平臺(tái)壓升高，降低了反應(yīng)速度。翅片數(shù)量從3～8達(dá)到90%吸氫量的時(shí)間分別為2 6944 s、1 7203 s、1 7281 s、1 5272 s、1 3639 s、1 2825 s，4片翅片和5片翅片達(dá)到90%吸氫量的時(shí)間接近，隨著翅片數(shù)量增加，吸氫量達(dá)到總吸氫量90%的時(shí)間逐漸減少。

32 反應(yīng)器半徑

固定8片翅片且翅片總體積不變，通過改變反應(yīng)器半徑，而且中心管和外壁的高度跟隨反應(yīng)器半徑變化而變化并保證總體積不變，儲(chǔ)氫密度隨時(shí)間的變化時(shí)間如圖3所示，半徑從20～70 mm達(dá)到90%吸氫量的時(shí)間分別為2071 s、5757 s、7524 s、1 2825 s、2 0628 s、2 7604 s，隨著半徑的減少，反應(yīng)器高度增大，中心水管和換熱結(jié)構(gòu)的換熱面積增大，換熱能力增強(qiáng)，合金內(nèi)部的熱量可以更好地傳遞出來，吸氫速度逐漸增大。

33 冷卻管尺寸

固定為8片翅片，翅片總體積及合金總量不變，改變冷卻管內(nèi)徑，中心管和外壁的高度跟隨反應(yīng)器半徑變化而變化，保證合金總體積不變，冷卻管內(nèi)流體流動(dòng)速度不變，儲(chǔ)氫密度隨時(shí)間的變化時(shí)間如圖4所示，半徑從小到大達(dá)到90%吸氫量的時(shí)間分別為32519 s、1 9634 s、1 7201 s、1 3234 s、1 1308 s、1 0433 s，隨著冷卻管半徑的增大，冷卻水與換熱結(jié)構(gòu)之間的面積增大，熱傳遞能力增強(qiáng)，吸氫速度逐漸增大。

34 耦合燃料電池研究

選擇其中的吸氫最快的結(jié)構(gòu)研究其放氫性能，即8片翅片，反應(yīng)器半徑為5 mm，翅片長(zhǎng)度為10 mm，翅片材料為銅，水溫和合金初始溫度為60 ℃，燃料電池入口壓力01 MPa，裝置放氫速度和反應(yīng)床平均溫度變化如圖5所示。90%放氫時(shí)間為4193 s，90%放氫量的平均發(fā)電功率為49976 W。

4 結(jié)語

本文針對(duì)氫儲(chǔ)能微電網(wǎng)中的儲(chǔ)氫裝置，建立裝填LaNi5合金的小型氫儲(chǔ)能金屬氫化物反應(yīng)器計(jì)算模型，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度研究不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)反應(yīng)器性能的影響規(guī)律，得出以下結(jié)論：

a.金屬氫化物儲(chǔ)氫反應(yīng)器的性能取決于反應(yīng)器換熱結(jié)構(gòu)的換熱能力，主要體現(xiàn)在換熱結(jié)構(gòu)的換熱面積和導(dǎo)熱系數(shù)上，當(dāng)換熱結(jié)構(gòu)體積和合金質(zhì)量相同的前提下，翅片數(shù)量越多，反應(yīng)器半徑越細(xì)，冷卻管半徑越粗，傳熱能力越好，可以更好地帶走化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量變化，反應(yīng)器結(jié)構(gòu)具有更好的性能，同時(shí)具有最佳的吸/放氫性能。

b.通過吸氫過程模擬最佳結(jié)構(gòu)后，模擬其放氫過程并耦合燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，得到其發(fā)電功率，為提升固態(tài)儲(chǔ)氫-燃料電池耦合系統(tǒng)性能提供有效的理論和工程指導(dǎo)。

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作者簡(jiǎn)介：

方王剛，男，1999年生，工程師，研究方向?yàn)楣虘B(tài)儲(chǔ)氫裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與系統(tǒng)優(yōu)化。

黃靜（通訊作者），男，1991年生，工程師，研究方向?yàn)槭b置風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、氫能儲(chǔ)運(yùn)裝備試驗(yàn)裝置研發(fā)。

基金項(xiàng)目：安徽省重大產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新計(jì)劃（AHZDCYCX-LSDT2023-07）；國(guó)機(jī)集團(tuán)重大科技專項(xiàng)（ZDZX2024-11）；合肥通用院青年科技基金（2024011174）