基于复合储氢体系的氢源系统中流动-反应耦合的热质传递过程研究

The research of high-capacity hydrogen source system is a key point to promote the utilization of hydrogen energy. In the composite hydrogen storage system, the synergistic effects on the improvement of hydrogen storage properties exist between the components. However, the composite system is completely different with the traditional single-component. Because the hydrogen storage process of the composites is controlled by the coupling interaction between the two-phase flow and solid-solid reaction, which makes the heat and mass transfer behaviors more complicated. Thus, the previous models used for the single-component cannot be applied to accurately describe the working process of the composite system. In that context, this study focuses on the synergistic improvement effects as well as the heat and mass transfer behaviors of the coupling processes based on the Mg-based composite system. Through the mechanism analysis, simulation and experiment, the coupling interaction of the composite system during the hydrogen absorption/desorption processes is investigated in multi scales by the means of first-principle calculation, multi-physics coupled-field analysis and others. The mathematical models for describing the coupling processes of flow-reaction will be established for the purpose of getting the strengthening mechanism of the heat and mass transfer, thus conducting the optimal design of the hydrogen source system based on the composite hydrogen storage reactor. Our ultimate goal is to master the rules for improving the overall hydrogen storage properties of the composite system and its hydrogen storage reactor. The research results will benefit in the application of the hydrogen source system for fuel cell vehicle, which is very valuable and significant in the aspects of both the scientific research and engineering application.

高容量氢源系统的研发是推动氢能规模化利用的关键环节。复合体系储氢时各组元之间存在协同效应，可有效促进储氢性能的改善。然而，不同于传统的单组元储氢，复合体系在吸放氢过程中由于气-固两相流与固-固反应之间相互耦合，原有的基于单组元储氢的热质传递过程已不能准确描述复合体系。基于此，本项目拟基于镁基复合储氢体系对流动-反应耦合过程的协同改善作用机制和热质传递特性进行系统研究。通过机理分析、第一性原理计算、多物理场耦合分析和实验验证等技术手段，多尺度分析各组元在吸放氢反应中的协同作用，建立流动-反应耦合过程数学模型，通过模型解析研究耦合过程的传热传质行为及其影响因素，揭示复合体系及其反应器的热质传递强化机制，掌握复合体系储氢反应器的性能改善规律，优化设计基于复合体系储氢的氢源系统，实现理论与技术的创新。研究成果将为复合储氢技术应用于车载氢源系统提供理论指导和技术支撑，具有重要的科学价值和工程意义。

高容量氢源系统的研发是推动氢能规模利用的一个关键环节，而高效、经济、安全储氢的技术瓶颈限制了其快速的发展。固态复合储氢技术在储氢性能上的可变性和可操作性使其成为氢源系统研究的热点，被视为未来最有可能实现氢能规模化利用的储氢技术之一。复合体系储氢时各组元之间存在协同效应，可有效促进储氢性能的改善。然而，不同于传统的单组元储氢，复合体系在吸放氢过程中由于气-固两相流与固-固反应之间相互耦合，原有的基于单组元储氢的热质传递过程已不能准确描述复合体系。基于此，本项目基于镁基复合储氢体系对流动-反应耦合过程的协同改善作用机制和热质传递特性进行系统研究。通过机理分析、第一性原理计算、多物理场耦合分析和实验测试等技术手段，多尺度分析各组元在吸放氢反应中的协同作用，建立流动-反应耦合过程数学模型，揭示复合体系及其反应器的热质传递强化机制，掌握复合体系储氢反应器的性能改善规律，优化设计基于复合体系储氢的氢源系统。研究结果显示：过渡金属+非金属共掺杂时存在的交互作用效应协同改善了镁基储氢性能，使其可于85 ℃下释放约9.7wt%的氢容量；机械合金化+碱洗的改进制备方法可获得表面高度发展的镁基介孔复合材料，实现高温镁基储氢体系在室温下储放氢气；超堆叠结构的镁基A2B7型氢化物体系由于镁的热稳定性，避免了吸放氢过程的歧化和非晶化，有利于吸放氢循环稳定化；建立了镁基储氢反应器内流动-反应耦合的吸放氢过程多物理场模型，提出了螺旋盘管式热交换器耦合的镁基储氢反应器设计，以强化反应器内热质传递过程，使镁基反应时间缩短了近75%；此外，基于氢化物储氢反应器的氢源系统为氢燃料电池动力系统的供氢效率可达90%以上。研究成果将为金属氢化物储氢技术应用于氢源系统提供理论指导和技术支撑，具有重要的科学价值；设计的高效氢源系统有望促进新能源氢能在无人机、便携式电源、交通工具等国民经济领域上的应用和推广，具有一定的工程意义和应用前景。