金属氢化物储氢传热技术综述外文翻译资料

英语原文共 22 页

金属氢化物储氢传热技术综述外文翻译

Mahvash Afzal, Rohit Mane, Pratibha Sharma

能源科学与工程系、印度孟买印度理工学院

摘要

金属氢化物作为一种良好的储氢介质一直受到人们的关注。金属氢化物反应器床层的传热是储存过程的主要控制参数之一。因此，为了提高系统的性能，到目前为止已经采用了多种传热技术。本文，我们努力总结到目前为止已取得的发展，评估各种传热技术的有效性，并从研究中得出一些推论，从而有助于更有效地设计传热系统。在对现有文献进行全面研究的基础上，尝试对传热技术进行分类，并对其相对于系统规模的有效性进行了评估。研究表明，仅提高系统的导热系数或换热系数并不能改善系统的性能。有效的设计应同时考虑这两个参数的影响。

内容目录

介绍

氢作为一种可再生的能源载体，具有很高的能量密度，具有广阔的应用前景。虽然它是地球上最丰富的元素，但却很少以分子形式存在。其中大部分与水或碳氢化合物结合在一起。此外，作为最轻的元素，压缩或液化形式储存氢耗能且成本较高。因此，氢作为能源载体的利用面临着生产、循环和储存等方面的挑战。对于氢气的储存，金属氢化物的使用提供了一种可行的选择。由于工艺的可逆性，具有较低的贮存压力和较高的体积密度的特性。然而，金属氢化物储氢系统进一步发展的主要障碍是其传热特性差。本文将对金属氢化物储氢系统中的各种传热技术进行讨论。

金属氢化物是将氢吸附到金属/金属间化合物中形成的化合物。最初，氢溶解到宿主金属中，形成固溶体。当固溶体中的氢压和氢浓度开始增大时，金属氢化物的形成开始于(b相)。这一过程的热力学可以通过压力组成等温线(P-C-T)理解。当a相和b相共存时，P-C-T曲线呈现出一个平台。氢气的吸收是一个放热反应，而解吸是一个吸热过程。前者只在供给压力大于平衡压力和后期发生时发生。只有当压力低于平衡压力时，r才会发生。反应可以写成：

当需要氢时，将热量供应到金属氢化物床，并反转反应。释放的热量的耗散和所提供的热量的吸收控制着化学平衡，从而控制了氢的吸收/解吸速率。所产生的热量的大小可以从这样一个事实来评估：对于球磨的样品来说，掺杂MgH 2 2 kJ/mol的氢必须每秒去除，才能使样品保持恒定温度。因此，提高传热速率是改善金属氢化物储存系统性能的关键。对金属氢化物床内的传热传质现象已经进行了较为详细的研究。许多综述文章讨论了金属氢化物储氢系统的发展，然而，以往的研究已经有了更广泛的基础，包括各种类型的储氢技术、反应堆设计和几何结构等。本文旨在研究金属氢化物储氢系统中传热技术的发展。

在介绍金属氢化物储氢罐中的传热技术之前，详细地给出了金属氢化物吸收/解吸的控制方程。让读者了解反应堆内发生的过程。这些方程已成功地用于模拟储氢系统的行为。当氢的吸收释放热量时，金属氢化物床的温度升高，平衡压力也随之升高，而平衡压力是温度的函数。平衡压力的变化由参考文献给出：

其中，DS和DH分别为反应熵和反应温度；R为通用气体常数，T为温度。除非供给压力增加或床层冷却，否则不会发生吸收。由于，不可能无限地增加供气压力，所以采用一种取暖机构来去除氢。可以确保反应继续以令人满意的速度进行。控制与金属氢化物床中的氢的吸收/解吸相关的热传递的方程由下式给出：

由此，我们观察到金属氢化物床的传热特性取决于金属和气体的比热容、金属的导热系数和金属的导热系数。在上述方程中，辐射的影响被忽略。然而，当处理诸如MgH2的高温金属氢化物时，它可以被引入。

图1示出了热传导和对流的简化版本，以突出支配简单传热过程的因素。基于这些因素的反应器分类如下可以观察到,传热过程在金属氢化物床中取决于材料的热导率、床半径、发生传热的区域、d运行参数，如传热系数“h”和冷却/加热流体温度“T”。虽然在金属氢化物储氢的情况下存在蓄热项,然而,，这只是一个简化的例子。

根据图1，应用于该系统的任何传热改进技术可分为：(A)改善金属氢化物床的导热性能，包括在合金床中加入金属泡沫和ENG等技术。(B)增加传热面积，通过添加散热片、冷却管等完成。(C)改进操作参数，如降低传热流体的温度和提高传热系数，通过增加传热流体的质量流量来实现。如果不研究提高系统效率的方法，则传热技术的分类将是不完整的。因此，这些问题将在本次审查的非常规方法专题下讨论。

图2显示了覆盖每一种不同传热机制的研究的百分比。显然，冷却管和散热片的使用远远超过任何其他已知的传热机制。也可以从图3中观察到，实验室规模的系统研究远远超过了在大规模系统上进行的研究。因此，关于实际生活中大规模储氢系统的性能，缺乏数据。而对吸附和解吸的研究具有可比性，但对吸附的研究比对解吸的研究更为普遍。一些有代表性的研究被总结在表一（通过原文查找）。

20世纪80年代所做的大部分工作集中于探索氢的反应动力学和吸收。人们已经认识到，反应床之间的传热对系统的性能有很大的影响。目前正在努力通过引入泡沫、金属屑等来改善传热。然而，在此期间，对系统行为的理解仍然有限。在90年代和21世纪初，随着计算设备的日益普及，储氢系统的建模和仿真成为主要的研究领域。利用二维和三维模型对系统行为进行了模拟，揭示了气体在氢化物床内的运动，膨胀体积对系统性能的影响，系统内对流和辐射的影响等。自21世纪末以来，由于成熟的建模软件的提供，巨大的探索成为可能，重点是通过实验几乎是不可能的各种反应堆配置的类型。对各种设计进行了研究、优化和比较。这大大增加了对金属氢化物储氢反应动力学、反应床传热传质、系统开发等方面的理解。设计了最佳翅片尺寸或最佳冷却管数的反应器设计。研究探讨了螺旋线圈、带翅片的螺旋线圈、热管等的应用。在接下来的一节中，我们根据下面的传热改进对不同的反应器结构进行了分类，如图1所示。

图1-基于传热参数的金属氢化物反应器的分类

图2-研究的传热机理比较

图3-研究的基于规模和过程的系统比较

提高导热系数

对傅里叶热传导定律的简单观察表明，对于改善任意体积的热传导，高导热系数和低路径半径是理想的性能。崔和米尔斯曾致力于热泵应用中的金属氢化物，他们强调了床层半径作为增加导热系数的决定性参数的重要性。Gopal和Murthy建议，为了有效的传热，床层的导热系数应最大化，半径最小。然而，在此基础上可以确定床层半径的范例一直是模糊不清的，并且随着金属氢化物和反应器设计的不同而变化。主要的瓶颈还是氢化物床的内部热阻。为此，Nagel等人。建立了一个铜线网络，这些铜线可以并入金属氢化物床。其主要思想是提出一种提高导热系数的经济有效的方法。提高的导热系数为0.4W/m/K。作为另一种具有成本效益的解决方案，Chen等。泡沫镍对AB2基金属合金性能影响的研究。他们发现床的导热系数提高了10倍。泡沫结构也为粉末提供了结构支撑，观察到粉末没有流过床层。他们还将结果与非连续镀铜金属合金粉末压块进行了比较。与镀铜合金相比，泡沫结构金属氢化物床具有更好的性能。

2007年，LaurentCelle和Goyette研究了添加铝泡沫的效果，如图4中所示。在反应器内对模拟结果进行了实验验证。

图4-(a)提高导热系数的铝网(b)NaAlH4压块

结果表明，小反应器(直径lt;8mm)可以在一定的时间间隔内不使用泡沫来完成反应，而较大的反应器(直径为6cm)则需要泡沫铝在同一时间内达到反应。由于导热系数的提高是以增加系统重量为代价，从而降低了总重量，人们认识到需要确定导热系数的最佳值。Raju和Kumar建立了一个高压金属氢化物(Hpmh)，即铝酸钠为基础的体系，使铝酸钠板上储氢系统的热导率从2提高到24W/m/K。氢的质量分数在12W/m/K时表现出最大的性能。但在8.5W/m/K和12W/m/K之间，性能没有明显改善。这表明，导热系数虽然是主要的控制因素，但并不是唯一的因素。弗伦尼等人也报告了类似的结果。这表明，导热系数虽然是主要的控制因素，但并不是唯一的因素，在具有多个冷却管的基于LaNi5的圆柱形氢化物系统上执行模拟，弗伦尼等人也报告了类似的结果。计算了不同床层导热系数值的反应器填充时间，在电导率为10W/m/K时，反应器填充时间为12 min。该值进一步增加到15W/m/K，但填充时间没有明显减少。

利用Wang等人对导热系数与冷却环境的关系进行了研究，并对其形状进行了研究。他们利用ansys FLUENT进行了参数化研究，量化了三个参数的影响：提高金属氢化物的有效导热系数，优化储罐的形状，介绍了主动冷却环境，对储罐性能的影响。他们观察到，当内部电导率较低时，储罐的高宽比是一个关键参数。但是，通常的一致性问题会对高宽比造成限制。那是一个LSO发现，在自然对流下最大限度地提高性能所需的泡沫铝量要高于在外表面主动冷却时所需的泡沫铝量。

Ferekh等人研究了强化内部传热的影响，如翅片和金属泡沫。结果表明，金属泡沫的设计优于散热片化设计。应注意的是，这些发现可能受到诸如压力和温度等操作条件的影响，更重要的是氢被吸收/解吸的浓度的影响，Madaria等人也证明了这一点。虽然基于网格的系统似乎比FINS表现得更好，尽管如此，它们也降低了系统的体积和重量容量，这可能是非常关键的，特别是在移动系统中。为了在不增加体积和重量密度的情况下获得导热系数高的金属氢化物，采用高导热金属添加剂制备多孔金属氢化物。该想法是减小颗粒之间的间隙，并且还增加铝、铜、镍的刨花，以进一步增加压块的导热率。

Sanchez等人LmNi4.85Sn0.15与石墨片和泡沫铝电导率的比较，由此产生的数值接近一致(大约19 W/m/K)。Pohlmann等人的一项研究显示，在高压实压力下，热导率可以提高到45W/m/K。它材料如锂酰胺、铝酸钠、氢化镁、过渡金属氢化物C5与膨胀天然石墨有相似的结果。虽然，这个值可能似乎过高，但正如Dietrich et a所证明的那样，热导率随循环使用而降低，他们观察到，250次循环后，导热系数从40 W/m/K下降到12.5 W/m/K。除此之外，它在10 W/m/K到15 W/m/K的范围内保持不变。应该注意的是，导热系数的提高被认为是ENG含量和压实压力的强大作用。

Bellosta von Colbe等人。扩大了研究范围，并对含4.4kg铝酸盐的轻质NaAlH 4基储罐的性能进行了实验研究。如图4所示，夹套的罐体充满了球团化的密实，与膨胀石墨混合，提高了热导率。颗粒化压块的使用在提高系统的性能、体积和重量方面是非常有效的。

增加传热

添加散热片

在金属氢化物系统中加入传热区可以通过添加冷却管或像散热片

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