【摘 要】
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现在全球变暖问题日益加剧,其主要原因就是化石能源的过度开采,而为了减少碳氢能源的影响,必须转变能源政策。氢气属于清洁能源,其通过燃烧将化学能转化为电能,并且反应产物只有水,是未来能源发展的主要方向。而现在固态储氢合金因为其储氢密度高、安全性能好,被认为是一种最具有应用前景的氢气存储方式。现在固态储氢合金的应用多是采用La Ni5等低密度储氢合金与燃料电池耦合,制约了固态储氢合金与燃料电池的应用和发
【基金项目】
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国家重点研发项目2018YBF1502100；
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现在全球变暖问题日益加剧,其主要原因就是化石能源的过度开采,而为了减少碳氢能源的影响,必须转变能源政策。氢气属于清洁能源,其通过燃烧将化学能转化为电能,并且反应产物只有水,是未来能源发展的主要方向。而现在固态储氢合金因为其储氢密度高、安全性能好,被认为是一种最具有应用前景的氢气存储方式。现在固态储氢合金的应用多是采用La Ni5等低密度储氢合金与燃料电池耦合,制约了固态储氢合金与燃料电池的应用和发展前景。所以探索多种储氢合金与燃料电池的耦合的可能性对新能源的发展有着推动作用。本论文主要针对储氢系统与燃料电池间的氢热耦合,提出高密度储氢系统的设计方案,同时对低温型燃料电池的储氢合金进行设计与改良。本论文第一部分使用COMSOL Multiphysics软件对储氢系统与燃料电池进行传热传质数值模拟,探索固态储氢合金与燃料电池其内部温度和反应的变化,随着工作温度增加会导致整个电池模型温度分布不均匀,同时在质子交换膜处达到温度峰值;电流密度也随之下降,在阴极侧出口处的氧含量逐步增加;扩散层孔隙率的增加导致了燃料电池膜温度的升高,与之相反的是质子交换膜的温度会随着催化层孔隙率的增加而降低;阴阳两极的电流交换密度的增大会导致膜温差加剧;换热流体温度的增加、出口压力值的降低、换热系数的升高都能够增强合金的放氢性能。第二部分将Mg-3 wt.%Ti0.16Cr0.24V0.6储氢合金作为高密度储氢系统的目标材料,在300℃、条件下可逆吸氢容量达7.08 wt.%,可逆放氢容量达6.95 wt.%,装填在体积规格为φ105×1×1050 mm的储氢容器,储氢系统的总容量为6880 SL;设计的镁基储氢-燃料电池一体化电源系统,其常温储氢装置的储氢量应该达到1215 NL以上,系统所需升温时间可能要1.5小时以上。第三部分针对低温型燃料电池匹配的快速吸放氢储氢合金,确定了根据原子半径参数、热力学参数以及价电子浓度三大限制条件能够设计出在室温下完成吸放氢反应的高熵合金的可行性。Ti Zr Cr Mn Co M（M=Fe、Ni、Cu）三种高熵合金都形成了以C14相为主相的固溶体结构,其中Ti Zr Cr Mn Co Fe具有最高的储氢容量1.50 wt.%。添加V元素后,Ti1.1Zr0.9Cr Mn1.1Fe0.5Co V0.4、Ti1.2Zr0.8Cr Mn1.5Fe0.3Co0.8V0.4、Ti1.4Zr0.6Cr1.1Mn1.8Fe0.3Co0.4V0.4三种高熵合金都是简单的C14相。随着Ti-Zr元素比例提高,Mn含量的增加以及Fe、Co含量的减少,储氢容量得到提升,在室温下最大容量为1.75 wt.%,吸放氢平台稳定。
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