熔融态金属铝与水反应联产氢、热过程的基本特性及作用机理

Aluminum, the metal element with the most abundant reserves in the earth, has become one of the promising materials of energy storage and energy conversion. Hydrogen production by aluminum and water reaction is attracted more and more attention of the researchers as a most promising way to generate hydrogen and utilize energy in aluminum. Putting aside the traditional hydrogen production way in aqueous solution, the project will innovatively carry out the fundamental researches on hydrogen and heat cogeneration by molten aluminum and water at high temperature and provide a new method to realize high-efficient energy system by aluminum water reaction. Focusing on the two key scientific problems, the coupling mechanism of the metal oxide formation, condensation, precipitation process and the hydrogen production process in the high temperature reactor containing molten aluminum and water, and the coupling mechanism of the hydrogen generation exothermic process and the heat absorption process of cooling medium, it is going to be investigated by experiments, theory analysis and numerical simulation that the characteristics and mechanism of these processes: the hydrogen generation process, the process of metal oxide formation, condensation, precipitation, and heat release and transfer process. The basic properties and characteristics of molten aluminum-water reaction will be achieved, and the inherent law and control mechanism of the reaction will be revealed. The advanced nature and sustainability of molten aluminum-water reaction is going to be verified and described after the project finishs. The thermodynamic cycle processes of the hydrogen and water cogeneration system by molten aluminum are going to be constructed, researched and evaluated to explore and find out a method to to improve the cycle efficiency of the cogeneration systems using aluminum as fuel.

铝作为地球储量最丰富的金属元素，已成为一种很有前景的储能和能源转换材料，铝水制氢被认为是一种很有前途的氢能制备和铝能源利用方法，日益受到研究人员关注。本项目撇开铝-水溶液的传统制氢方式，拟率先开展高温下熔融态铝与水反应联产氢气和热的基础研究，为铝基水反应高效能源系统的实现提供一种新方法。围绕熔融态铝水反应器内的金属氧化物生成\凝聚\沉淀过程和产氢过程之间的耦合作用机理、产氢放热过程与冷却工质吸热过程之间的耦合特性及作用机制这两个关键科学问题，开展实验、理论和数值模拟，研究熔融态铝水反应器内的氢气产生过程、氧化物生成\凝聚\沉淀过程和系统放热传热过程等的基本特性。获得熔融态铝基金属与水反应的基本性能和特性，揭示熔融态铝水反应过程的内在规律和控制机制，验证熔融态铝水反应的可持续性和先进性。研究构建熔融态铝基金属与水反应氢、热联产系统和热力循环过程，探索并得到提高循环效率的方法。

铝作为地球储量最丰富的金属元素，已成为一种很有前景的储能和能源转换材料，铝水制氢被认为是一种很有前途的氢能制备和铝能源利用方法，日益受到研究人员关注。本项目撇开铝—水溶液的传统制氢方式，开展了高温下熔融态铝与水反应联产氢气和热的基础研究，为铝基水反应高效能源系统的实现提供了一种新方法。提出了三种基于铝水反应的热电联产系统的概念构型，系统包含的设备有铝水反应器、汽轮机、供热交换器、燃料电池和泵，计算研究了关键参数如汽轮机进口温度、燃料电池利用效率、压力等对整个系统性能的影响，得到系统总能量利用率在70%左右。围绕熔融态铝水反应器内的金属氧化物生成\凝聚\沉淀过程和产氢过程之间的耦合作用机理、产氢放热过程与冷却工质吸热过程之间的耦合特性及作用机制这两个关键科学问题，开展实验、理论和数值模拟，研究熔融态铝水反应器内的氢气产生过程、氧化物生成\凝聚\沉淀过程和系统放热传热过程等的基本特性。研究了铝粉中添加锂、镁、锌、铋和锡后的样品与水反应特性，发现了低熔点金属对铝在水蒸气中反应的影响规律，从原理上解释了形成铝锂二元合金和铝锂镁三元合金二元合金对铝水反应的促进作用，从而为铝基金属作为能源的利用打下基础。 通过对反应给水方式的研究发现，给水方式对系统放热、产物生成及迁移有着重要影响等。建立了熔融态铝水反应器的传热模型、反应过程模型，实现熔融态铝水反应器内工作过程的三维数值模拟，得到水滴蒸发过程、铝-水气液反应过程、氧化物生成运动过程、氢气析出过程和冷却介质吸热过程等各过程的基本特性，揭示氢气析出过程与其他过程之间的耦合作用机制。在项目的资助下，发表了SCI/EI论文11篇（其中SCI论文8篇），参与了国内外学术会议4次，培养研究生8名，获得了2项发明专利授权，2项软件著作权。