摘 要

氢能的规模化利用，除了氢气的制备之外，还有氢气的储存问题有待解决。目前氢气主要通过风力水力等发电形式进行电解水制备，还不具备理想的生产方式。氢气日常是以二次能源的形态暂时将能量储存起来，再进行利用。可见，氢气的储存技术是氢能广泛利用的一个关键节点。对于汽车行业来说，新能源汽车的兴起是时代发展潮流的大势所趋，而储氢技术是氢能源应用于交通运输领域所要客服的关键技术。目前的储氢形式为一种钢制的耐高压容器瓶，但其容量较小，而且还存在高压、爆炸的安全隐患。人们为解决氢气的储存问题不断探索之时，关于储氢用途的金属材料的最新研究成果给我们带来了希望。这些金属具有捕捉氢的能力和特性，人们称之为储氢金属。在一定的温度和比平衡分解压力高的压力下，这样的金属能够吸收大量的氢气，反应以形成金属氢化物，此时氢气便以固态的形式得以大量储存，在加热条件下可以释放出来使用。

本文首先阐述了在能源短缺和环境问题比较突出的时代背景下，发展的氢能源的意义。在氢能源推广和使用的两大限制条件上，已有国内外众多学者专注于氢气的储存解决方案。目前金属氢化物储氢的研究是氢气储存技术的研究热点。金属氢化物储氢在使用时如同电池的充放电一般便捷，通过热量的转移即可以储存和释放。因此，对于金属氢化物储氢技术的研究具有巨大的现实意义。

对于金属氢化物储氢，其储存方式是将填充材料置于储氢罐内，通过氢气与金属氢化物反应来实现。本文在热力学定律和质量、动量、能量守恒的基础之上,同时将金属储氢罐简化为二维轴对称模型，运用多物理场耦合分析软件COMSOL建立金属氢化物储氢的有限元模型,将模拟值与参考文献中的实验结果进行了对比，完成了模型的有效性验证。通过对吸氢过程的模拟,可得到储氢罐内温度分布以及储氢量的变化图。进一步分析冷却液温度、入口压力和导热系数对金属氢化物储氢罐温度场分布及储氢性能的影响。最终得出金属氢化物的储氢能力与储存温度和压力两大影响因素有很大关系。认为COMSOL有限元模型可以为提高金属氢化物储氢性能实提供指导。

关键词：氢能；金属氢化物；储氢罐；COMSOL软件；模拟

Abstract

In addition to the preparation of hydrogen, there is still a problem of hydrogen storage to be solved in the large-scale utilization of hydrogen energy. At present, hydrogen is mainly prepared by electrolytic water through wind power and other forms of power generation, and there is no ideal mode of production. Hydrogen stores energy temporarily in the form of secondary energy and then we can makes use of it. It can be seen that hydrogen storage technology is a key node in the wide use of hydrogen energy. For the automobile industry, the rise of new energy vehicles is the trend of the times, and hydrogen storage technology is the key technology for the application of hydrogen energy in the field of transportation. At present, the hydrogen storage form is a kind of high pressure resistant container bottle made of steel, but its capacity is small, and there are still hidden dangers of high pressure and explosion. While people are exploring the problem of hydrogen storage, the latest research results on metal materials for hydrogen storage give us hope. These metals have the ability and characteristics to capture hydrogen, which is known as hydrogen storage metals. At a certain temperature or at a pressure higher than the equilibrium decomposition pressure, such metal can absorb a large amount of hydrogen and react to form metal hydrogenates, at which time hydrogen can be stored in a large amount in the form of a solid state. It can be released for use under heating conditions.

This paper first expounds the significance of hydrogen energy development under the background of energy shortage and environmental problems. In the two limitations of hydrogen energy promotion and wide use, many scholars at home and abroad have focused on hydrogen storage solutions. At present, the research of hydrogen storage by metal hydride is a hot spot in hydrogen storage technology. Hydrogen storage it is as convenient as the charge and discharge of batteries, which can be stored and released through the transfer of heat. Therefore, it is of great practical significance to study the hydrogen storage technology of metal hydride.

For metal hydride hydrogen storage, the filling material is placed in a hydrogen storage tank and realized by the reaction of hydrogen with metal hydrogen. In this paper, on the basis of thermodynamic law and conservation of mass, momentum and energy, the metal hydrogen storage tank is simplified to a two-dimensional axisymmetric model, and the finite element model of metal hydrogen storage is established by using the multi-physical field coupling analysis software COMSOL. The simulation results are compared with the experimental results in the reference, and the validity of the model has been verified. Through the simulation of hydrogen absorption process, the temperature distribution and the change diagram of hydrogen storage capacity in hydrogen storage tank can be obtained. The effects of coolant temperature, inlet pressure and thermal conductivity on the temperature field distribution and hydrogen storage performance of metal hydride hydrogen storage tank were further analyzed. Finally, it is concluded that the hydrogen storage capacity of metal hydrogenates is closely related to the storage temperature and pressure. It is considered that the COMSOL finite element model can provide guidance for improving the hydrogen storage performance of metal hydrogenates.

Keywords：Hydrogen energy; metal hydride; hydrogen storage tank; COMSOL software; simulation

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 选题背景和研究意义 1

1.1.1选题背景 1

1.1.2研究意义 2

1.2国内外研究现状 3

1.2.1国内外研究现状和相关政策 4

1.2.2金属氢化物储氢材料 5

1.2.3储氢罐的设计 6

1.2.4金属氢化物储氢的模拟 7

1.3本文工作 8

第2章 金属氢化物氢气储存的模拟 9

2.1理论基础 9

2.1.1质量守恒方程 9

2.1.2动量守恒方程 10

2.1.3能量守恒方程 10

2.2金属储氢罐Comsol模型 11

2.2.1储氢罐中各组分的物性参数 11

2.2.2储氢罐的几何模型 12

2.3 模型验证 13

2.3.1验证模型有效性 13

2.4本章小结 15

第3章 金属氢化物储氢影响参数讨论 16

3.1影响因素的分析 16

3.1.1冷却介质温度Tf的影响。 16

3.1.2进口压力Pin的影响 18

3.1.3导热系数对结果的影响 21

3.2本章小结 23

第4章 结论与展望 24

4.1结论 24

4.2展望与不足 25

参考文献 26

致谢 28

第1章 绪论

本章主要介绍金属氢化物储氢研究在什么样时代背景开始的，阐述本次研究课题的意义在哪里。在此基础上,引出国内外对于金属氢化物氢气储存的各个方面的研究成果，在这个前提下做出课题选择，确定了对于金属氢化物储氢的研究方向。

1.1 选题背景和研究意义

本小节聚焦于目前人类的面临的一系列传统能源短缺及其导致的问题，作为一个汽车人，我对目前汽车行业的发展势头定为新能源方向，新能源汽车行业中，氢燃料动力电池是最有希望的模块。最后提出此次课题金属氢化物氢气储存过程的研究对新能源领域中氢气的广泛使用解决了难题。

1.1.1选题背景

能源危机和汽车行业发展趋势

纵观历史，人类社会每一次巨大进步往往源于一场能源的变革。自人类步入工业革命以来，煤炭、石油和天然气等化石能源被大量开菜和使用，不得不说这推进了人类工业文明的进程。然而随着工业化、全球化的快速发展和世界人口基数的不断增长，一次化石能源的消耗速度不断增大，能源与环境问题已成为当今世界必须解决的焦点问题。社会经济发展始终要有一种充足的能源作为源源不断的动力，因此一种取之不尽、可以二次利用、清洁环保的能源才是未来能源的形态。我们知道，化石能源的总量是有限的，若以已探明的化石能源的储量和目前人类对化石能源的消耗速度进行预测，石油的使用期限大概是45到50年，天然气为50到60年，煤炭则为200到220年。因此，传统化石能源己不能满足全人类对能源的需求。在如此巨大和快速的能源消耗的背景下，工厂和汽车释放出的大量的氮氧化物和温室气体、可吸入固体颗粒物等污染物，造成了生态系统的超负荷，面临奔溃的边缘，人类的居住环境受到污染，身体健康受到威胁，还造成大量生物将面临灭绝的危险。人类过于依赖化石能源问题引出的一个又一个新问题，得不偿失。因此，解决当前能源问题的只能通过能源的高效利用及开发和利用可再生能源来进行解决。

我们不得不把目光放在汽车行业。汽车行业是目前化石能源消耗量较多和排放问题比较突出的一个行业，传统内燃机的备受人们争议。现在汽车行业是时候需要做出一些改变来适应时代的发展潮流。在挑战与机遇面前，全球各大汽车制造商纷纷开始投入新能源汽车的研发和生产，以氢气为燃料的动力电池技术具备节能高效、零排放物、低震动噪音、快充、续驶里程较高的优点，被认为是未来汽车最理想动力方式。同时，世界各国也纷纷提出减能减排、开发新能源、未来禁售燃油车等一系列口号和政策。一些国家禁售燃油车的未来时间，挪威：挪威是目前推动全球电动车购买使用和的主要推动者。据统计，挪威电动车的销量在2017年占所有新车销量的39%。并计划于2026年禁售燃油车。荷兰是地势低，能源匮乏的国家，因此成为全球第一个提出禁售燃油车计划的国家，公开宣布2030年所有的新车都要实现零排放，也就是说2030年荷兰的汽车市场不会再有传统燃油车的面孔。以色列计划把禁售燃油车的时间安排在2030年后，同时开始加油站变充电站，此外，政府还会对电动车实行减税政策。英国和法国：2040年后停止销售柴油及汽油车。印度：2030年后只卖电动车。西班牙：2040年起禁售汽油、柴油和混动汽车。对于我国来说，禁售燃油车也开始有了迹象。最近几年，技术的进步与政策的扶持共同推动了我国新能源车替代燃油车的进程。工信部根据国际形势，再有我国作为世界最大的汽车消费国，我国也开始禁售燃油车时间节点的研究。根据初步分析结果，认为这一时间大致在2040年左右，具体时间的还需要进一步待定。从世界各国禁售燃油车的时间节点可以看出，未来汽车的发展的必然趋势是新能源汽车替换传统内燃机汽车。

依据汽车行业的往新能源方向发展的趋势，寻找和开发一种可再生的清洁能源是我们解决能源危机的第一步。可再生能源大部分是之间来自大自然的能源，截止目前，所发现和开发的可再生能源主要包含太阳能、风能、水能、潮汐能、地热能、氢能等，虽然这些是可以循环无限多次使用的清洁能源，但是上述各种可再生能源均不能与一次化石能源一样方便、廉价的当作燃料，遏制了他们规模化使用。氢能在这些新能源中，可以适应能源利用的多种不同工况和要求，具有普适性，同时氢能不同于电能和热能的重要一点就是它可以是能源载体，大规模存储。作为储蓄方式，氢气热值较高，是汽油的三倍；氢元素含量丰富，存于水分子中。氢能源具备许多优势，它将成为化石燃料理想的替代品。

1.1.2研究意义

综上所述，氢能作为最为理想的二次能源，是未来最合适的能源载体。因此，氢能的研究与利用对人类的可持续发展、解决环境问题、解决能源争端、促进社会的和谐稳定发展具有深远意义。对于氢能源，如何实现安全又经济的储存运输是关键技术之一。虽然目前氢气的储存问题阻碍了氢气的的普及使用，但是随着科学技术的发展，金属合金储氢已经取得了明显的进展。

目前，储氢技术主要有以下几种：压縮储氢、液化储氧、化学储氢和物理吸附储氢等。

其中，压縮储氢和液化储氢的技术已经成熟，已经应用于实际生活中。但高压储氢的储氢罐的体积较大，存在安全隐患；而液化储氢在液化过程中会消耗大量能量，并且会因液氢蒸发而存在损失。化学储氢是指氢和金属或其他物质发生化学反应，生成金属氢化物或络合氢化物。物理吸附储氢主要是借助于材料高比表面积（物体的表面积与体积之比称为比表面积），利用分子间作用力，将氢原子吸附于其表面。储氢合金的储氢能力很强。金属氢化物的能量密度可以超过液氢。单位体积下的金属氢化物储氢的密度，是同温、同压条件下气态氢的1000倍，也就相当于储存了1000个大气压的高压氢气。

金属氢化物的用处不仅可以用于储氢。一般将储氢合金（一般为AB5型、AB2型、AB型、镁系的储氢材料）以一定的方式装填到容器内，利用储氢合金的可逆吸放氢能力，达到储存、净化氢气的目的。与高压气态储氢相比，金属氢化物储氢是一种固态储氢技术，具有储氢压力低、体积储氢密度高、安全性能好、吸放氢过程简单的优点。衡量一种氢气储运技术好坏的依据有储氢成本、储氢密度和安全性等几方面。储氢合金不愧是一种极其简便易行的理想储氢方法。

金属氢化储氢和放氢的过程中，我们还可以进行热量的利用。根据金属氢化物储氢原理的反应方程式，金属合金在储氢罐内发生反应时，会伴随放热和吸热现象。在吸氢形成金属氢化物过程中放热，这部分反应热量需要及时被排出系统，避免堆积，通过增加储氢罐的换热装置，可以降低温度，提高储氢压力，提高系统吸氢量速率，从而避免终止吸氢的糟糕情况发生。故在吸氢过程中采取一定的散热措施可以提高储氢效率与储氢容量。吸氢与放氢可以看成是逆过程，情况则是相反，若要触发放氢反应，需要提供热量，否则温度过低，氢气的释放会受到抑制。故需要给储氢系统提供热量，使氢气的释放得以按正常的速率释放。在吸氢与放氢伴随带走热量和提供热量的过程中，利用这种放热—吸热的循环，我们可以充分规划利用这部分热量，进行热的储存和运输，如用于制冷设备。

1.2国内外研究现状

本节主要说明了发达国家发展氢能源的相关政策和储氢技术在国内外的研究现状。 首先，根据发达国家的发展氢能计划，指出发展氢能源具有光明的政策前景。我国应该参考国外的发达国家对于发展氢能源的相关政策和计划蓝图，跟上新能源时代的步伐，并同外国开展技术交流和项目合作，增加对国内新能源领域研究的投资力度，占领科能源技的制高点。其次总结出和本课题相关的金属氢化物储氢相关研究成果，分为三个方面来介绍，第一是对金属氢化物储氢材料的研究，第二是金属氢化物储氢罐的设计，第三是金属氢化物储氢的计算和模拟。这部分的内容为本文的工作打下坚实的文献基础。

1.2.1国内外研究现状和相关政策

氢能具有的优异特性，被称为“能源货币”，可以实现可再生能源的存储。可由多种能源转化，保障国家能源安全供应；通用性强，可用于大多数终端燃烧设备；化学活性高，燃料电池避开热机转换循环可实现能量高效转化；可望实现低损耗输运，实现分布式利用。

许多国家都在加紧部署、实施氢能战略。如美国出台的针对运输机械的“FreedomCAR”计划和针对规模制氢的“FutureGen”计划，日本的“NewSunshine”计划及“We－NET”系统，欧洲的“Framework”计划中关于氢能科技的投入也呈现指数上升趋势。

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