Li-Mg-N-H材料固态储氢系统传热与传质特性研究

发布时间：2017-04-26 20:13

  本文关键词：Li-Mg-N-H材料固态储氢系统传热与传质特性研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：氢能因具有储量丰富、燃烧热值高、应用污染小等优点,被认为是最有应用前景的新能源,而制约其规模化应用的主要瓶颈是高效、安全、经济的储氢技术。Li-Mg-N-H材料因具有可逆储氢容量高、热力学性能适中等优点,成为最有望实用化的车载氢源储氢材料。目前,对Li-Mg-N-H材料的研究主要集中在吸放氢性能及其反应机理等方面,而有关Li-Mg-N-H材料固态储氢系统的研究还不充分。储氢系统研究需要解决的系列问题为：(1)探索出储氢性能优异且稳定的Li-Mg-N-H材料的批量制备工艺和条件。 (2)制定改善材料堆密度和有效热导率的方案,并明确这些方案对材料的基本物理性能和储氢性能的影响。 (3)充分认识压实体体积变化、及空气和水等因素对储氢材料的影响,以指导材料的安全使用。 (4)深入了解储氢系统的吸放氢过程、及传热传质性能等特征,并建立该系统的储氢特性数值模型以指导储氢系统的优化设计。本论文工作主要集中于Mg(NH2)2-2LiH-0.07KOH储氢材料的批量制备和储氢性能研究、材料集成到储氢系统中后的吸放氢性能研究、及储氢系统的数值模拟与优化。具体工作内容如下：首先,采用机械球磨法批量制备得到储氢性能优异的Mg(NH2)2-2LiH-0.07KOH材料。其次,对不同成型压力和膨胀石墨(ENG)添加量下,材料的基本物理性能(如堆密度、孔孔隙率、有效热导率和氢气渗透率等)、储氢性能及应用安全性能等进行详细研究。再次,设计构建一个圆柱形Li-Mg-N-H储氢系统,对材料集成到储氢系统中后的吸放氢性能、及储氢材料反应床体的传热、传质性能对系统放氢性能的影响规律进行详细研究。最后,在充分考虑Li-Mg-N-H储氢系统热传递、氢气传输及放氢热力学及动力学特性的基础上,创建出温度场、压力场等多场耦合下的Li-Mg-N-H储氢系统放氢特性数值模型,并用此模型来有效指导Li-Mg-N-H储氢系统的优化设计。材料批量制备：以Mg粉、LiNH2和KOH为主要原料,批量制备得到储氢性能优异的Mg(NH2)2-2LiH-0.07KOH材料,且单批次材料制备量达百克级以上。该材料在75℃左右开始吸氢,145℃时吸氢速率达到最大；在100℃左右开始放氢,215℃时放氢速率达到最大,且可逆储氢容量达4.64+0.04 wt%。材料储氢性能研究：压制成型和添加ENG对Mg(NH2)2-2LiH-0.07KOH材料储氢性能影响显著。成型压力仅影响材料前5次的放氢动力学性能,随吸放氢循环反应进行,材料发生体积膨胀,放氢动力学逐渐加快。5次吸放氢循环后,不同成型压力下制备的压实体显示出相同的放氢动力学性能。ENG添加量对材料放氢动力学的影响始终存在,随ENG添加量增大,材料有效热导率显著增大,放氢动力学明显加快。材料应用安全性能研究：压制成型可显著提高材料的应用安全性能。粉末样品与水发生剧烈反应,且其在空气中暴露后不再具有放氢性能。压实体与水反应较为温和,且与空气接触后,仅压实体表面的物质与空气中的O2和H20发生反应,其放氢容量由暴露空气前的4.68 wt%降至3.32 wt%,放氢动力学也相应减慢。储氢系统吸放氢性能研究：在吸氢过程中,储氢系统床体温度先急剧升高,然后逐渐降低并恢复至反应初始温度。且吸氢压力对系统吸氢性能影响显著,随吸氢压力增大,床体温升程度逐渐增大,储氢系统吸氢动力学逐渐加快,吸氢容量逐渐增大。在放氢过程中,储氢系统表现为三个阶段,材料放氢主要发生在第二阶段,并伴随有床体温度的显著降低。且放氢流量对系统放氢性能影响很大,随放氢流量增大,床体温降程度逐渐加大,系统定流量放氢容量逐渐减小。增大ENG添加量可显著提高反应床体的有效热导率,从而使得放氢过程中床体温降程度明显减小,系统定流量放氢时间明显延长。增大成型压力可显著降低反应床体的氢气渗透率,但对储氢系统放氢性能影响不明显。模型建立及系统优化：储氢系统的优化设计主要在圆柱形储氢系统长径比、床体有效热导率,储氢系统与外部换热强度及床体氢气渗透率四方面开展。A.随储氢系统长径比增大,放氢过程中床体温降程度逐渐降低,储氢系统定流量放氢完成率逐渐增大。B.提高床体有效热导率和储氢系统与外部换热强度均可增大储氢系统定流量放氢完成率。C.床体氢气渗透率也影响储氢系统的放氢性能,随床体氢气渗透率增大,储氢系统定流量放氢完成率显著增大。
【关键词】：Li-Mg-N-H 储氢系统 吸放氢动力学 传热 传质 数值模型
【学位授予单位】：北京有色金属研究总院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB34
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 1 绪论13-36
• 1.1 引言13
• 1.2 固态储氢材料13-23
• 1.2.1 固态储氢材料分类13-16
• 1.2.2 Li-Mg-N-H储氢材料研究进展16-20
• 1.2.3 储氢材料工作特性20-23
• 1.3 固态储氢系统23-33
• 1.3.1 固态储氢系统分类23
• 1.3.2 固态储氢系统优化设计23-33
• 1.4 选题意义和研究内容33-36
• 2 实验方法36-39
• 2.1 实验原料及设备36
• 2.1.1 实验原料36
• 2.1.2 实验设备36
• 2.2 样品制备36-37
• 2.3 吸放氢性能测试37-38
• 2.4 其他测试方法38-39
• 3 Li-Mg-N-H储氢材料制备及性能研究39-46
• 3.1 储氢材料合成39-42
• 3.1.1 MgH_2材料制备39-40
• 3.1.2 Mg(NH_2)_2-2LiH-0.07KOH材料制备40-42
• 3.2 Mg(NH_2)_2-2LiH-0.07KOH材料吸放氢性能42-43
• 3.3 Mg(NH_2)_2-2LiH-0.07KOH材料吸放氢循环稳定性能43-45
• 3.4 本章小结45-46
• 4 压制成型对Li-Mg-N-H材料储氢性能影响研究46-67
• 4.1 实验方法46-47
• 4.1.1 Mg(NH_2)_2-2LiH-0.07KOH+x wt% ENG压制成型46
• 4.1.2 压实体储氢性能研究46-47
• 4.1.3 压实体应用安全性能研究47
• 4.2 压实体物理性能47-49
• 4.3 压实体储氢性能49-56
• 4.3.1 放氢性能49-55
• 4.3.2 压制成型对储氢材料体积储氢密度影响55-56
• 4.4 压实体应用安全性能56-65
• 4.4.1 压实体吸放氢循环体积变化56-57
• 4.4.2 压实体吸放氢循环前后微观形貌变化57-58
• 4.4.3 压实体与空气、水反应安全性能58-60
• 4.4.4 空气暴露对压实体和粉体储氢性能影响60-65
• 4.5 本章小结65-67
• 5 Li-Mg-N-H储氢系统传热与传质性能研究67-83
• 5.1 实验方法67-71
• 5.1.1 传热与传质性能参数确定67-69
• 5.1.2 传热传质性能测试方法69-71
• 5.2 给定ENG添加量和成型压力下储氢系统吸放氢性能71-76
• 5.2.1 吸氢过程71-74
• 5.2.2 放氢过程74-76
• 5.3 不同ENG添加量和成型压力下储氢系统的放氢性能76-82
• 5.3.1 ENG添加量影响76-80
• 5.3.2 成型压力影响80-82
• 5.4 本章小结82-83
• 6 Li-Mg-N-H储氢系统储氢特性数值模拟与优化设计83-102
• 6.1 Li-Mg-N-H储氢系统储氢特性数值模拟83-95
• 6.1.1 物理结构83-85
• 6.1.2 数值模型85-92
• 6.1.3 初始条件和边界条件92-94
• 6.1.4 模型验证94-95
• 6.2 Li-Mg-N-H储氢系统优化设计95-101
• 6.2.1 圆柱形储氢系统长径比96-98
• 6.2.2 储氢材料床体有效热导率98-99
• 6.2.3 储氢系统与外部换热强度99-100
• 6.2.4 储氢材料床体氢气渗透率100-101
• 6.3 本章小结101-102
• 结论102-104
• 参考文献104-118
• 攻读博士学位期间取得的学术成果118-119
• 致谢119-120
• 作者简介120

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前5条

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本文编号：329148