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COMSOL在金属氢化物贮氢罐传热传质模拟中的应用
Published in 2018
氢能燃烧值高且无污染，被认为是人类社会摆脱对化石能源依赖的理想能源。目前氢能应用的主要瓶颈是氢存储。而氢存储的主要方式中，金属氢化物因其安全性高，循环性能好的优点，得到广泛的研究。但由于金属氢化物吸放氢反应的热效应、粉末床的传热和传质特性较差等问题，贮氢罐的吸放氢速率下降，成为限制应用的主要因素。最近十几年，贮氢罐吸放氢过程的数值模拟及相关模型得到广泛的研究。通过数值模拟方法可以优化设计贮氢罐，以期满足实际应用中的需求，同时节约设计成本。本文面对贮氢罐的实际指标(吸氢速率1.5 L min-1)，采用COMSOL软件中的多孔介质传热、地下流动以及数学模块，构建吸氢过程中的传热、传质及反应动力学方程，并进行耦合求解。贮氢罐中填充的合金为ZrCo合金，通过与实验数据的对比，验证计算模型的准确性和可靠性。通过参数化扫描的手段，得到贮氢罐不同直径d (4<d<8 cm)、高度L (4<L<8m)、粉末床孔隙率 (0.4<ε<0.6)下，贮氢罐整体吸氢速率分布。发现随着d和L的增加，吸氢速率逐渐增加，在d=L=8 cm时具有最大吸氢速率6.04 NL min-1(ε=0.6)。而在d= L=8 cm时，随着孔隙率从0.4增加到0.6，吸氢速率从3.01增加到6.04 NL min-1。通过计算的分布，筛选出符合速率指标的贮氢罐直径和高度和孔隙率的组合，后期进行实验验证。
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