金属氢化物高温蓄热技术的研究进展

金属氢化物高温蓄热技术在太阳能热发电、工业余热利用和电力调峰等场合具有广阔的应用前景。本文介绍了金属氢化物高温蓄热装置的各种系统形式,总结了其在试验样机、高温金属氢化物材料和理论与数值模拟研究3个方面的研究进展。最后总结了现有研究在材料开发与匹配、反应器仿真与优化设计以及蓄热系统动态分析中存在的问题,并对未来的金属氢化物高温蓄热技术研究进行了展望。     

利用金属氢化物的冷暖房系统

日本民用能源近1/3是消耗在冷暖房方面。为了节省能源,最近日本正在研究将金属和氢的可逆反应用于太阳热等低温热源的集中冷暖房系统。利用金属氢化物的冷暖房系统由反应器、太阳能集热器、风机、盘管器、散热器等组成。当用作冷房时,是利用金属氢化物M_1H分解时产生的吸热现象进行致冷。在反应室V_1中,金属氢化物M_1H进行分解反应生成金属M_1和氢气,同时吸热,使     

强化金属氢化物传热的研究

本文通过分析金属氢化物的传热特点,论述了金属氢化物本身强化传热的方法及发展动态,以及反应器的强化传热设计研究方向。现在世界各国都在积极开展金属氢化物的开发和利用研究,其主要原因是氢作为洁净的二次能源而越来越受到人们的重视。金属氢化物作为能量转换材料的出现,给目前存在的大量低品位能量的利用带来了希望。例如以低品位能量作为加热介质,利用金属氢化物组成氢压缩器,能够产生高压氢,将其作为动力用于发电;以低品位能量作为加热介质,通过金属氢化物化学热泵,可用于制冷;也可通过金属氢化物化学热泵,把低品位热提高到较高的温度加以利用等。但是,由于金属氢化物的导热性能差和反应器的设计欠佳,因此导致金属氢化物的氢化反应时间较长,成本也高。只有当这两个问题能得到合理的解决,金属氢化物才会具有实际应用价值。     

基于金属氢化物固态氢源的氢燃料电池动力系统特性的研究

以基于金属氢化物的固态储氢技术，与质子交换膜燃料电池(PEMFC)耦合，搭建了基于金属氢化物固态氢源的氢燃料电池动力系统试验台，测试了吸氢压力、放氢温度、氢流量等关键操作参数对氢燃料电池动力系统性能的影响。结果表明，当吸氢压力大于等于0.60 MPa时，固态储氢反应器放氢流量稳定的时间最长可达4500 s以上。当放氢温度大于60℃时，储氢反应器能完全释放氢气，且放氢时间基本相同。放氢流量越小，氢燃料电池动力系统稳定工作的时间越长。     

金属氢化物床内传热过程的理论研究

金属氢化物床内的传热过程的研究,对于研究强化金属氢化物床的传热过程和优化设计金属氢化物反应器很重要。在已发表的有关其传热过程的研究中,仅考虑了金属氢化物的有关物理性质为常数的情况。为此本文提出了含内热源的变系数非稳态一维传热过程的数学模型,该模型不仅包含了系统压力和氢浓度对氢化物床有效导热系数的影响,而且考虑了金属氢化物的物理性质以及其它操作条件的影响。通过本模型计算TiMn1.5环形氢化物床的放氢反应过程表明,金属氢化物的反应在整个床内进行,但主要反应却发生在一个较窄的区域内,强化金属氢化物床的传热过程可以缩短反应时间。已有的实验数据表明与该模型的计算结果基本一致。     

太阳能分解水制氢技术研究进展

介绍了传统氢的获取方式;综述了以太阳能为能源分解水制氢技术的研究进展;概述了光伏法、光热法、光电化学法及光热电化学耦合制氢技术的基本原理及技术关键;评述了反应器材料、半导体催化剂材料、光强、反应温度、反应压力等工艺条件对制氢效率的影响。展望了目前太阳能制氢技术的研究前景。     

耦合相变储热的金属氢化物反应器吸氢过程模拟

基于金属氢化物储氢反应,建立了相变材料蓄热的固体储氢反应器模型,模拟研究了吸氢压力等操作参数及相变材料的相变温度、固(液)态导热系数、相变潜热等物性参数对固体储氢反应器工作过程的影响. 结果表明,相变材料的固态导热系数和相变潜热对固体储氢反应器性能的影响较小,相变温度和液态导热系数对反应器性能影响较大. 相变温度越低,液态导热系数越大,储氢反应器性能越好. 在使用最优的相变材料储能时,提高充入氢气的压力可加快反应速率,强化相变材料的传热,有助于进一步优化反应器的储氢性能.     

金属氢化物的合成与应用概况

自然界中的氢气取之不尽、用之不竭,并且清洁无毒,已经广泛地应用在化工、金属热处理、半导体元件制造、食品加工等工业中。从发展的角度来看,它将是最有希望的二次能源和原料。利用某些金属或合金与氢反应,可以形成金属氢化物。这些金属或合金(主要是合金)具有吸收氢的能力,它们在适当的温度和压力下可与氢反应生成金属氢化物,吸收了氢并将氢储存起来。反之,在减压、加热的条件下,金属氢化物可以分解     

考虑多对耦合源阱的氢网络优化方法及其应用

在氢网络中,氢源氢阱通常连接于同一个耗氢反应器,为耦合源阱;反应器操作参数的改变影响该耦合源阱参数。在同一个氢网络中可能存在多对耦合源阱,考虑多对耦合源阱的氢网络优化能够进一步为炼厂降低氢耗,提高经济效益。通过分析氢网络的公用工程与多对耦合源阱的关系,推导确定了公用工程迁量与反应器耗氢以及耦合源阱之间的方程。据此建立了耗氢反应器参数和氢网络图像集成优化方法。案例研究表明,该方法简单、容易理解,能够直观给出公用工程迁量与反应器进口温度之间的关系。     

考虑多对耦合源阱的氢网络优化方法及其应用

在氢网络中,氢源氢阱通常连接于同一个耗氢反应器,为耦合源阱;反应器操作参数的改变影响该耦合源阱参数。在同一个氢网络中可能存在多对耦合源阱,考虑多对耦合源阱的氢网络优化能够进一步为炼厂降低氢耗,提高经济效益。通过分析氢网络的公用工程与多对耦合源阱的关系,推导确定了公用工程迁量与反应器耗氢以及耦合源阱之间的方程。据此建立了耗氢反应器参数和氢网络图像集成优化方法。案例研究表明,该方法简单、容易理解,能够直观给出公用工程迁量与反应器进口温度之间的关系。     

太阳能热化学储能研究进展

太阳能热发电技术对缓解全球资源紧张和改善环境有广阔的应用前景,大规模高温无损储热是太阳能热发电系统的关键。本文通过对显热储能、潜热储能和热化学储能3种热能储存方式的比较,认为热化学储能方法由于储能密度高,且可长期在环境温度下无热损储存,因而为太阳能热发电中的高温热能储存提供了一种潜在的方法。并对热化学储能在太阳能热力发电的应用上进行了技术经济分析,综述了几种有前景的热化学储能体系的研究进展,总结了各种储能体系的现存问题。根据热化学储能方法在实用化过程中存在的技术经济问题,指出了热化学储能技术的未来研究方向是储能反应器的设计、能量储存/释放循环性能探究、储能体系的选择及热化学储能系统的中试放大研究等。     

Application of Danckwerts-type boundary conditions to the modeling of the thermal behavior of metal hydride reactors

The paper presents a model-based investigation of a metal hydride reactor applied as a solid state hydrogen storage device. The elements of a metal hydride reactor are hydrogen supply duct, internal hydrogen distribution, hydride bed, reactor shell and the flow domain of the heat transfer fluid. Internal hydrogen distribution and hydride bed are porous media. Therefore, hydrogen flows through non-porous and porous regions during its reversible exothermic absorption and endothermic desorption, respectively. The interface between porous and non-porous regions is a discontinuity with respect to energy transport mechanisms. Hence, Danckwerts-type boundary conditions for the energy balance equation are introduced. Application of the first and second law of thermodynamics to the interface reveals that temperature jumps may occur at the hydrogen inlet but are not allowed at the hydrogen outlet. Exemplarily the loading behavior of a metal hydride storage tank based on sodium alanate is analyzed. It is demonstrated and experimentally validated that only Danckwerts-type boundary conditions predict the important cooling effect of the inlet hydrogen on the exothermic absorption process correctly.     

Operability of a thermally driven magnesium oxide/water chemical heat pump

The operability of a thermally driven chemical heat pump using the magnesium oxide/water reaction system was demonstrated experimentally. The heat pump system, consisting of a packed bed reactor and a water reservoir, was operated thermally with no mechanical work. The thermal output performance of the reactor bed was measured under pressures between SO and 202 kPa. The heat pump was expected to be applicable as a heat storage system for high efficiency energy utilization in cogeneration.     

甲烷催化燃烧反应工艺研究进展

甲烷催化燃烧是一种清洁高效的甲烷燃烧技术,在节能减排中具有重要的应用价值。从催化剂、反应工艺和过程强化等方面对近年来甲烷催化燃烧技术进行综述,重点介绍颗粒催化剂固定床反应工艺、整体式催化剂反应工艺、流化床反应工艺和吸放热耦合反应工艺研究进展。用于固定床反应器的颗粒催化剂主要为负载型贵金属催化剂和非贵金属氧化物催化剂。贵金属催化剂活性好,起燃温度低,适合低浓度甲烷的催化燃烧。非贵金属氧化物催化剂耐高温性好,适合较高浓度甲烷燃烧体系。整体式催化剂的甲烷催化燃烧反应工艺中,最常用的是蜂窝陶瓷和金属合金等整体式催化剂的多段式催化燃烧反应器的设计。设计直接采用多段式整体催化剂,催化剂的位置不同,发挥的催化作用也不同。流化床催化燃烧装置具有燃烧过程接触面积广、热容量大和换热效率高等特点,可有效避免传统的固定床催化燃烧反应工艺存在的问题,非常适合应用于低浓度甲烷的催化燃烧过程。利用甲烷催化燃烧强放热的特点,将催化燃烧产生的热量进行时间或空间的耦合,可以开发出吸-放热耦合反应工艺。其中,固定床催化反应器中的流向变换强制周期操作作为一种高效的过程强化技术,在节约反应器成本的同时,可以提高反应热量的利用率。     

基于太阳能蓄热过程的甲烷二氧化碳重整研究进展

热化学储能技术因为其储能密度高、热损小、能长距离运输等优点而成为保证太阳能长久稳定供应的关键技术。本文对基于甲烷二氧化碳重整反应的太阳能热化学储热系统研究现状进行了回顾,重点讨论了甲烷重整催化剂、重整反应器以及储能系统整体的传热特性等3个方向的研究进展。指出新型高效催化剂以及反应器开发和性能测试是目前该领域的主要研究方向。发现辐射热损失、非均匀温度分布特性、辐射热流的时变波动特性,以及由此造成的能量与化学反应的不匹配限制了热化学系统能量储存效率的进一步提高,并提出催化剂的催化特性与物性/结构参数依变关系,反应器辐射吸收特性、传热传质特性和反应特性之间的相互作用机制,以及系统时变动态特性与反应物流/辐射能流的匹配关系是建立甲烷重整热化学储能系统优化设计理论亟待解决的关键问题。     

Activated carbon fibres and composites on its base for high performance hydrogen storage system

To obtain high hydrogen sorption capacity and reduce the time of the cycle (adsorption/desorption) in the gas storage system a new composite material (metal hydride particles on the activated carbon fibre matrix) was suggested. Different adsorbent materials such as activated carbon fibre “Busofit”, granular activated carbon and new composite sorbent (metal hydride La_0.5Ni₅Ce_0.5 particles on the activated carbon fibre “Busofit”) were tested. Effect of the carbon sorbent nature and metal hydride content is important to choose the optimal sorbent bed.In this paper, a thermally regulated storage system for hydrogen was numerically analyzed and experimentally validated. A two-dimensional transient model was used to analyze the influence of the thermal control on the operating characteristics of the flat sectional vessel. The evolution of the temperature, pressure and volumetric density of hydrogen inside the vessel during the charging/discharging is discussed. It was shown that heat pipe based thermal control of the process increase the efficiency of the hydrogen storage. Such vessels are interesting to be applied in fuel cells used for vehicle or dual-fuel engine car (hydrogen/gasoline, hydrogen/methane).     

Wasserstoff-Energiewirtschaft aus kritischer Sicht

A critical view of the hydrogen economy . The goal of the hydrogen economy is to replace electrical energy, petroleum products, and natural gas wherever feasible by hydrogen as secondary energy. Apart from the coal the only primary energy source which be available in the near future will be nuclear energy, preferentially for supplying process heat for coal gasification (high temperature reactor). There will hardly be a future for thermochemical cyclic processes for cleavage of water; development of electrolytic process utilizing electrical energy from nuclear reactors appears technically and economically more promising. Exploitation of solar energy for generation of hydrogen appears unlikely in this century. The original concept of the hydrogen economy was associated with the discovery of hydrides of intermetallic compounds which are suitable for reversible storage of hydrogen. During the ensuing 15 years since the pioneering studies on this topic extensive detailed knowledge has accrued about the thermodynamic behaviour of hydride storage systems, their lattice structure, and the uptake and release of hydrogen. In any case, the hydrogen economy will be expensive with regard to both development and the necessary investment in this application.