摘 要

随着科学技术的快速发展，社会生产力在不断提高，对于能源的需求也日渐增加，能源问题已经逐渐成为人类迫在眉睫的一项重大问题，传统的化石能源存在储量短缺和环境污染等众多缺点。为克服这一困难，自上世纪起，各类新能源渐渐浮现在人们的视野当中，其中氢能源，更是因其储量巨大，环境友好，热值高，运输方便等优点，得到企业和科学家们的广泛关注。

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，本文以多物理场耦合软件Comsol5.0为基础，基于能量守恒，动量守恒，质量守恒等方程，建立金属储氢罐的有限元模型，通过对金属储氢罐的吸氢过程模拟，验证模型的合理性和有效性。再分析吸氢反应模拟过程中的数据，我们发现导热系数，注氢压力和冷却液温度对金属储氢罐性能的影响最大，而我们通过增减肋片和冷却液管道可以有效地改变金属储氢罐的这些参数。

通过分析金属储氢罐配置肋片和冷却液管道时的吸氢反应模拟过程，从储氢反应器的温度变化和金属氢化物内储氢容量的变化两个方面，通过优化金属氢化物储氢罐内的换热结构，我们得到增加不规则肋片或者冷却液管道，可以有效提高金属储氢反应器的导热系数，注氢压力和冷却液温度，从而提高储氢罐的储氢性的结论。

关键词：金属储氢，吸氢反应，肋片，导热系数，冷却水管。

Abstract

With the rapid development of science and technology, the energy problem has gradually become an urgent problem of human being. There are many shortcomings in the traditional fossil energy shortage, such as the shortage of reserves and environmental pollution. In order to overcome this difficulty, since the last century, various new energy sources have gradually floated in the field of vision. The hydrogen energy, which has the advantages of huge reserves, friendly environment, high calorific value, convenient transportation and so on, has received extensive attention from enterprises and scientists.

However, there are still many difficulties to be solved in the storage and transportation of hydrogen energy. In the current main current hydrogen storage methods, this paper selects metal hydride hydrogen storage technology as the research object. Based on the multi physical field coupling software Comsol5.0, based on energy conservation, momentum conservation, mass conservation and other equations, the finite element model of metal hydrogen storage tank is established, through the hydrogen absorption process of metal hydrogen storage tank. Simulation, verify the rationality and effectiveness of the model. It is found that thermal conductivity, hydrogen injection pressure and coolant temperature have the greatest impact on the performance of metal hydrogen storage tanks, and we can effectively change the parameters of the metal hydrogen storage tank by adding or reducing the ribs and coolant pipes.

Through the analysis of the simulation process of hydrogen absorption reaction when the metal hydrogen storage tank is configured with the fin and the coolant pipe, from the two aspects of the temperature change of the hydrogen storage reactor and the change of the hydrogen storage capacity in the metal hydride, by optimizing the heat transfer structure in the hydrogen storage tank of the metal hydride, we can get the irregular rib or the coolant pipe to be increased. In order to effectively improve the thermal conductivity, hydrogen injection pressure and coolant temperature of the metal hydrogen storage reactor, the hydrogen storage capacity of the hydrogen storage tank can be improved.

Key words: metal hydrogen storage, hydrogen absorption reaction, fin, thermal conductivity, cooling water pipe.

目 录

摘要 I

Abstract II

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 金属储氢罐类型 4

1.6 本文研究内容 6

1.7 本章小结 7

第2章 模型的建立与检验 8

2.1 金属储氢罐研究发展 8

2.2 建立物理模型 8

2.3 建立数学模型 9

2.3.1 氢气质量守恒方程 10

2.3.2 能量平衡方程 11

2.4 反应动力学方程 11

2.5 平衡压力方程 12

2.6 其他方程 13

2.7 金属氢化物储氢罐模型的验证 13

2.7.1 金属储氢罐模型的参数 13

2.7.2 验证储氢罐模型的有效性 14

2.8 本章小结 15

第3章 换热结构对金属储氢性能的影响 16

3.1 影响金属储氢性能的参数 16

3.1.1 导热系数 16

3.1.2 注氢压力 17

3.1.3 冷却液温度 18

3.2 不同换热结构对金属储氢性能的影响 19

3.2.1 正常肋片换热结构 19

3.2.2 不规则肋片换热结构 22

3.2.3 带有冷却水管的正常肋片换热结构 25

3.3 本章小结 28

第4章 总结和展望 29

4.1 工作总结 29

4.2 研究展望 30

参考文献 32

致谢 34

第1章 绪论

1.1 引言

蒸汽机的发明标志着十八世纪工业革命的开端，一直延续到二十世纪初期，内燃机的出现取代了蒸汽机在动力机领域的地位，成为了世界上普遍使用的动力机。内燃机的工作原理是在气缸的内部燃烧燃料，通过活塞结构将燃料燃烧的热能转化为机械能，从而为外部提供动力。虽然内燃机极大的提高了生产力，但是它主要使用的燃料是煤、石油和天然气这类化石能源，对于全球气候和环境造成了极大的污染危害。随着社会的进步和科技的发展，主要由于工业方面的需求，人们对化石能源的开采程度愈演愈烈。在2008年发表的《世界能源展望报告》中举出了一些数据：截至文章发表全球对于化石能源需求量每年的增长比率已经达到了1.6%，虽然乍看之下增长率并不高，但是结合巨大的化石能源总需求量得到的结果十分可观。如果继续按照这种趋势发展下去，预计在2030年全球对化石能源的需求总量将会达到每年170亿吨，随着如此大量的化石能源消耗所产生的污染物无疑会对全球气候和环境造成剧烈影响。由此可见，现在我们急需研究出一种燃烧产物更为清洁同时储量也能跟上全球巨大需求的新能源。

从二十世纪开始，全世界各国的科研机构都意识到了开发新能源的重要性，在此方面的研究一直持续至今。不同领域的研究者对于新能源的研发方向各不相同，由此得到了适用范围各异的研究结果。初步总结归纳这些研究成果我们得知，目前具有开发潜力和前景的几种新能源主要有氢能源，太阳能，潮汐能，生物质能，核能等等。这些能源在开采和使用方面有着各自的优缺点，太阳能、潮汐能和核能的应用技术近乎成熟，已经能做到在工业和日常生活中广泛使用，而在氢能源方面的研究也日趋深入，人们正逐步挖掘着它的巨大发展潜力。氢能源的主要生产来源是水，在地球上海洋所占的面积大约为3.61亿平方千米，占比达到了全球总面积的71％，同时氢能源消耗后的产物中也包含水，这说明氢能源不仅储量大，同时在生产消耗的过程中形成了一定的循环。根据实验数据发现，完全燃烧一克的氢将会产生142千焦耳的热量，而一克的汽油完全燃烧后产生的热量只有它的三分之一，由此可见氢能源的燃烧热值极高。在参考了大量文献和科研成果后，理论上氢能源的优点可以总结为以下几点：

（1）优异的燃烧性能：氢气和空气的可燃混合物有着宽泛的燃烧范围，一旦温度达到了可燃混合物的燃点，氢气将被迅速点燃，同时燃烧火焰也会迅速扩散；

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