マグネシウムの設計最適化 | 広州ピンクローズグループ

Scientific Reports volume 12、記事番号: 13436 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

金属水素化物（MH）は、水素貯蔵容量が大きく、動作圧力が低く、安全性が高いため、水素エネルギー貯蔵に最適な材料群の一つとして知られています。ただし、水素吸収速度が遅いため、貯蔵性能が大幅に低下します。 MH 貯蔵庫からの熱除去を高速化することは、水素吸収率を高める上で重要な役割を果たし、その結果、貯蔵性能が向上します。これに関して、本研究は熱伝達性能を改善して、MH 貯蔵システムの水素吸収率にプラスの影響を与えることを目的としています。新しい半円筒形のコイルがまず水素貯蔵用に設計および最適化され、熱伝達流体 (HTF) として空気を使用する内部熱交換器として組み込まれます。新しい熱交換器構成の効果が分析され、さまざまなピッチサイズに基づいて通常の螺旋コイル形状と比較されます。さらに、MH ストレージと HTF の動作パラメータを数値的に調査し、最適な値を取得します。数値シミュレーションには ANSYS Fluent 2020 R2 が利用されます。この研究の結果は、半円筒形コイル熱交換器 (SCHE) を使用することで MH の貯蔵性能が大幅に向上することを示しています。通常のヘリカルコイル熱交換器に比べ、水素吸蔵期間が59％短縮されます。 SCHE の最も低いコイルピッチにより、吸収時間が 61% 短縮されます。 SCHE を使用した MH 貯蔵庫の動作パラメーターに関しては、選択されたすべてのパラメーターにより、水素吸収プロセス、特に HTF の入口温度が大幅に改善されます。

化石燃料ベースのエネルギー資源から再生可能エネルギーへの移行が世界規模で進行しています。多くの形式の再生可能エネルギーは動的に電力を供給するため、負荷のバランスをとるためにエネルギー貯蔵が必要です。水素ベースのエネルギー貯蔵は、その特性と可搬性により、特に「グリーン」代替燃料およびエネルギー貯蔵媒体として使用できるため、この目的で多くの注目を集めています1。さらに、水素は化石燃料と比較して質量あたりのエネルギー容量も高くなります2。水素エネルギー貯蔵には、圧縮ガス、地下貯蔵、液体貯蔵、固体貯蔵の 4 つの主なタイプがあります。バスやフォークリフトなどの燃料電池車には圧縮水素ガスが主に使用されています。ただし、この貯蔵では体積水素密度が低く (約 0.089 kg/m3)、高い動作圧力に関する安全上の懸念があります 3。液体貯蔵では、低温および周囲圧力での変換プロセスに基づいて、水素を液体の形で貯蔵します。ただし、液化プロセス中に約 40% のエネルギー損失が発生します。さらに、この技術は固体ストレージ技術と比較して、エネルギー消費が高く、時間がかかることでも知られています4。固体貯蔵は、吸収によって固体材料内に水素を結合させ、脱離によって水素を放出することによって水素を貯蔵する、水素経済のための実現可能な選択肢である。金属水素化物 (MH) は固体材料貯蔵技術の 1 つであり、定置用途と移動用途の両方において、液体貯蔵に比べて高い水素容量、低い動作圧力、低コストを備えているため、燃料電池用途で最近大きな関心を集めています6。 7。さらに、MH 材料は、大容量効率のストレージとして安全な性能も提供します8。しかし、MH の性能を制限する問題が 1 つあります。MH 反応器は熱伝導率が低いため9、その結果、水素の吸収と放出が遅くなります。

発熱反応および吸熱反応中に熱を適切に伝達することが、MH 反応器の性能を向上させる鍵となります。水素充填プロセスでは、最大の貯蔵容量で水素充填流量を所望の速度で制御するために、発生した熱を反応器から除去する必要があります10。対照的に、放電プロセス中の水素放出速度を向上させるには熱が必要です。熱および物質伝達の性能を向上させるために、多くの研究者が動作パラメータ、MH 構造、MH 最適化などのいくつかの要素に基づいた設計と最適化を研究してきました11。 MH の最適化は、金属発泡体などの高熱伝導率材料を MH ベッドに追加することによって行うことができます12、13。この方法により、実効熱伝導率を 0.1 W/mK10 から 2 W/mK10 まで高めることができます。ただし、固体材料を追加すると、MH 反応器の容量が大幅に減少します。動作パラメータについては、MH ベッドと熱伝達流体 (HTF) の初期動作条件を最適化することで改善を達成できます。 MH 構造は、反応器の形状と熱交換器設計の配置によって最適化できます 14。 MH 反応器の熱交換器の構成は 2 つのタイプに分類できます。これらは、MH ベッドに埋め込まれた内部熱交換器と、MH ベッドを覆うフィン、冷却ジャケット、ウォーターバスなどの外部熱交換器です15。外部熱交換器については、Kaplan16 が、冷却水をジャケットとして使用して原子炉内部の温度を下げることにより、MH 原子炉の性能を分析しました。結果は、22 個の円形フィンを備えた反応器と、自然対流によって冷却する別の反応器と比較されました。彼らは、冷却ジャケットを使用すると MH 温度が大幅に低下し、吸収率が向上すると主張しました。 Patil と Gopal によるウォータージャケットを備えた MH 原子炉の数値研究 17 では、水素供給圧力と HTF の温度が水素の吸収および脱着速度に影響を与える重要なパラメーターであることが示されました。

MH の内部に埋め込まれたフィンや熱交換器を追加して熱伝達面積を増やすことは、MH の貯蔵性能の向上につながる熱および物質伝達特性を改善するための鍵となります18。 MH 反応器全体に冷却流体を循環させるために、いくつかの内部熱交換器構成 (直線管および螺旋コイル管) が開発されています 19、20、21、22、23、24、25、26。内部熱交換器を使用すると、水素収着プロセス中に冷却または加熱流体が MH 反応器内の局所的な熱を伝達します。 Raju と Kumar27 は、MH の性能を向上させるために熱交換器として複数の直管を採用しました。彼らの結果は、熱交換器として直管を使用すると吸収時間が短縮されることを示しました。同様に、直管を使用すると水素脱着時間も短縮されました28。冷却液の流量が増加すると、水素の充填率と排出率が増加します29。ただし、冷却チューブの数を増やすことは、冷却液の流量よりもむしろ MH の性能にプラスの影響を与えます 30,31。 Raju et al.32 は、MH 材料として LaMi4.7Al0.3 を使用して、反応器内の多管熱交換器の性能を調査しました。彼らは、動作パラメータ、特に供給圧力、続いて HTF 流量が吸収プロセスに大きく影響すると報告しました。ただし、吸収温度はそれほど重要ではないことが判明しました。

MH リアクターの性能は、ヘリカルコイル熱交換器を利用することで、直管と比較して熱伝達が向上するため、さらに向上しました。これは、二次循環により反応器からの熱除去が向上するためです25。さらに、螺旋管は、MH ベッドから冷却液へ熱を除去するためのより多くの表面積を提供します。この方法では、伝熱管が反応器内に埋め込まれている場合にも、伝熱管がより均一に分布します 33。 Wang et al.34 は、MH 反応器にヘリカルコイルを追加することによる水素吸収期間の影響を研究しました。彼らの結果は、熱伝達流体の熱伝達係数が増加すると吸収時間が減少することを示しました。 Wu ら 25 は、Mg2Ni とヘリカルコイル熱交換器をベースとした MH 反応器の性能を研究しました。彼らの数値研究では、反応時間の短縮が示されました。 MH 反応器における熱伝達機構の強化は、らせん直径および無次元ピッチに対するらせんピッチの比率が小さいことに基づいています。 Mellouli et al.21 による内部熱交換器としてヘリカルコイルを使用する実験研究では、HTF の初期温度が水素の吸収および放出時間の改善に大きく影響することが証明されました。さまざまな内部熱交換器の組み合わせがいくつかの研究によって行われています。 Aisapour et al.35 は、水素吸収プロセスを改善するために、中央リターンチューブとともにヘリカルコイル熱交換器を使用することによる MH 貯蔵を研究しました。彼らの結果は、らせん状のチューブと中央の戻りチューブが冷却液と MH の間の熱交換を大幅に改善することを示しました。螺旋管のピッチが小さくなり、管の直径が大きくなると、熱と物質の移動速度が増加しました。 Ardahaie et al.36 は、反応器内の熱伝達を高めるための熱交換器として平らな螺旋管平面を使用しました。彼らは、平坦な螺旋管の面の数を増やすことによって吸収期間が短縮されたと報告しました。さまざまな内部熱交換器の組み合わせがいくつかの研究によって行われています。 Dhaou et al.37 は、ヘリカルコイル熱交換器とフィンの両方を採用することで MH の性能を改善しました。彼らの結果は、この技術により水素の再充填時間が短縮され、フィンなしの場合と比較して 2 倍の短縮であることが示されました。環状フィンは冷却管と一体化され、MH 反応器の内部に埋め込まれました 38。この研究の結果は、この組み合わせ技術により、フィンを使用しない MH 反応器と比較してより均一な熱伝達が得られることを示しました。ただし、さまざまな熱交換器を組み合わせると、MH 反応器の重量および容積に悪影響を及ぼします。異なる熱交換器構成の比較は、Wu らによって行われました 18。これらには、直管、フィン、螺旋コイルが含まれます。著者らは、ヘリカルコイルが熱伝達と物質伝達の改善に最も効果があると報告しました。同様に、二重コイル管は、直管、スパイラル管、およびスパイラル管を組み込んだ直管と比較して、熱伝達の向上に優れた効果を発揮します39。 Sekhar らの研究 40 では、内部熱交換器としてヘリカルコイルを使用し、フィン付きの外部冷却ジャケットを使用すると、水素吸収において同様の改善が得られることが証明されました。

前述の例から、内部熱交換器としてヘリカルコイルを使用すると、他の熱交換器、特に直管やフィンと比較して熱と物質の伝達が向上します。したがって、本研究の目的は、伝熱性能を高めるためにヘリカルコイルをさらに開発することです。新しい半円筒形コイルは、MH ストレージ用の従来の螺旋形コイルから初めて開発されました。本研究では、MH ベッドと HTF チューブの体積を一定に考慮し、より良好な伝熱面積配置を実現する新しい熱交換器の構造により、水素貯蔵性能の向上が期待されます。次に、この新しい熱交換器の貯蔵性能を、さまざまなコイルピッチに基づいて通常のヘリカルコイル熱交換器と比較します。入手可能な文献によると、運転条件とコイルピッチが MH 原子炉の性能に影響を与える主な要因です。この新しい熱交換器の設計を最適化するために、水素吸収時間と MH 体積に対するコイルピッチの影響が調査されました。さらに、新しい半円筒形コイルと運転条件との関係を理解するために、本研究の第二の目的は、さまざまな運転パラメータ範囲に基づいてリアクトルの性能を調査し、各運転パラメータの適切な値を特定することです。

この研究における水素エネルギー貯蔵の性能は、2 つの熱交換器構成 (ケース 1 からケース 3 の螺旋管とケース 4 からケース 6 の半円筒管を含む) および動作パラメーターの感度分析に基づいて調査されています。 MH 反応器の性能は、まず熱交換器としての螺旋管に基づいて検査されます。 HTF チューブと MH 反応器の外殻は両方ともステンレス鋼で作られています。 MH 反応器のサイズと HTF チューブの直径はすべての場合で一定ですが、HTF ピッチサイズは変化することに注意してください。このセクションでは、HTF コイルのピッチサイズの影響を分析します。反応器の高さは１１０ｍｍ、外径は１５６ｍｍである。 HTFチューブの直径は6mmに固定されています。螺旋管と 2 つの半円筒管を備えた MH 反応器の概略図に関する詳細は、補足セクションに記載されています。

図 1a は、螺旋管を備えた MH 反応器とその寸法を示しています。すべての幾何学的パラメータを表 1 に示します。らせん管の総体積と MH の体積は、それぞれ約 100 cm3 と 2000 cm3 です。この MH 反応器からは、螺旋管を通って多孔質 MH 反応器の底部から HTF としての空気が注入され、反応器の上面から水素が注入されます。

金属水素化物反応器用に選択された形状の特徴。 (a) ヘリカルチューブ熱交換器を使用した場合、および (b) 半円筒チューブ熱交換器を使用した場合。

第 2 部では、熱交換器としての半円筒管に基づいて MH 反応器の性能を調査します。図 1b は、2 つの半円筒形チューブを備えた MH 反応器とその寸法を示しています。表 1 は、ピッチサイズを除いて一定に保たれる半円筒管のすべての幾何学的パラメーターを示しています。ケース 4 の半円筒形チューブは、らせん状チューブ (ケース 3) の HTF チューブと MH 合金の一定体積を考慮して設計されたことに注意してください。図 1b に関して、空気は両方の HTF 半円筒管の底部からも注入されますが、水素は MH 反応器の反対方向から注入されます。

熱交換器の新しい設計のため、このセクションの目的は、SCHE に組み込まれた MH 反応器の動作パラメータの適切な初期値を特定することです。すべての場合において、反応器から熱を除去するために空気が HTF として使用されます。 HTF の中でも、低コストで環境への影響が少ない空気と水が MH 原子炉の HTF として一般的に選択されます。マグネシウムベースの合金は動作温度範囲が高いため、本研究では HTF として空気が選択されています。さらに、他の液体金属や溶融塩と比較して優れた流動特性も備えています41。表 2 は、573 K での空気の特性を示しています。感度解析では、MH-SCHE パフォーマンスケース (ケース 4 ～ケース 6 のうち) の最良の構成のみがこのセクションに適用されます。このセクションは、MH 反応器の初期温度、水素の装填圧力、HTF の入口温度、HTF の速度を変化させることによって計算されるレイノルズ数などのさまざまな運転パラメーターに基づいて評価されます。感度分析のすべての動作パラメータは表 3 に含まれています。

このセクションでは、水素吸収プロセス、乱流、および熱伝達流体の熱伝達に必要なすべての支配方程式について説明します。

水素吸収反応の解を単純化するために、次の仮定を立てて提供します。

吸収プロセス中、水素と金属水素化物の熱物理的特性は一定です40。

金属水素化物反応器では輻射熱伝達は無視されます42。

水素は理想気体と考えられているため、局所的な熱平衡状態が考慮されます 43,44。

水素注入による圧力勾配の影響は無視できます45。

ここで、\({L}_{gas}\) はタンクの半径、\({L}_{heat}\) はタンクの軸方向の高さです。 N が 0.0146 未満の場合、タンク内の水素の流れは大きな誤差を生じることなくシミュレーションで省略できます。この現在の研究から、N は 0.1 よりもはるかに低いです。したがって、圧力勾配の影響は無視できます。

すべての場合の反応器の壁は十分に断熱されています。したがって、反応器と周囲との間に熱伝達は存在しない47。

マグネシウムベースの合金は、有利な水素生成特性と、最大 7.6 wt% という高い水素貯蔵容量を有することで知られています8。固体水素貯蔵用途の観点からは、これらの合金は軽量材料としても知られています。また、耐熱性にも優れ、リサイクル性にも優れています8。いくつかのマグネシウムベースの合金の中でも、Mg2Ni ベースのマグネシウムニッケル合金は、最大 6 wt% の水素吸蔵容量があるため、MH 貯蔵に最も適した選択肢の 1 つです。また、Mg2Ni 合金は、水素化マグネシウムと比較して、吸収および脱着プロセスの反応速度が速くなります 48。したがって、この研究では金属水素化物材料として Mg2Ni を選択します。

エネルギー方程式は、水素と Mg2Ni 水素化物の熱平衡に基づいて次のように表されます。

ここで、有効熱容量と伝導率は次のように与えられます。

Mg2Ni 床の水素化反応 (\(\Delta H\)) は次のように求められます。

X は金属表面の水素吸収量 \(wt\%\) であり、吸収過程 \(\frac{dX}{dt}\) の速度方程式から次のように計算されます49。

ここで、\({C}_{a}\) は反応速度を示し、\({E}_{a}\) は活性化エネルギーを示します。 \({P}_{a,eq}\) は、吸収プロセスにおける金属水素化物反応器内の平衡圧力であり、次のような Van't Hoff 方程式を使用して決定されます 25:

ここで、\({P}_{ref}\) は基準圧力 0.1 MPa です。 \(\Delta H\) と \(\Delta S\) は、それぞれ反応エンタルピーと反応エントロピーです。 Mg2Ni 合金と水素の特性を表 4 に示します。命名規則のリストは補足セクションにあります。

流体の流れは、その速度とレイノルズ数 (Re) がそれぞれ 78.75 ms−1 と 14,000 であるため、乱流であると考えられます。本研究では実現可能な k-ε 乱流モデルを選択した。この方法は、他の k-ε 法と比較して精度が高く、RNG k-ε 法よりも計算時間が短いことが観察されました 50,51。熱伝達流体の支配方程式の詳細については、補足セクションを参照してください。

初期時、MH 反応器内の温度は平均水素濃度 0.043 の均一条件が適用されます。 MH 原子炉の外側境界は十分に断熱されていると想定されます。マグネシウムベースの合金は、通常、反応器で水素を貯蔵したり、反応器から水素を放出したりするために、高い動作温度を必要とします。 Mg2Ni の場合、この合金は最大吸収を達成するために 523 ～ 603 K の温度範囲を必要とし、脱着を完了するには 573 ～ 603 K の温度範囲を必要とします52。しかし、Muthukumar らによる実験研究 53 では、573 K の動作温度を使用すると、理論上の容量と等しい Mg2Ni 貯蔵の最大水素貯蔵容量を達成できることが証明されました。したがって、本研究では MH 炉の初期温度として 573 K の温度を選択しました。

リアクターのシェルで:

熱媒体入口にて

熱媒体出口にて

信頼性の高い結果を検証して達成するために、さまざまなグリッドサイズが確立されています。 4 つの異なる要素番号からの水素吸収プロセスの選択された場所の平均温度が図 2 に示されています。同様の形状を持つため、グリッドの独立性チェックには各構成の 1 つのケースのみが選択されることに注意してください。同じメッシュ化方法が他の場合にも適用されます。したがって、螺旋管の場合はケース 1、半円筒管の場合はケース 4 が選択されます。図 2a、b は、それぞれケース 1 とケース 4 の反応器内の平均温度を示しています。選択された 3 つの位置は、反応器の上部、中央、下部の床温度等高線を表します。選択した位置の温度等高線から、平均温度は安定し、ケース 1 とケース 4 の要素番号 428,891 と 430,599 でそれぞれ小さな変化を示します。したがって、これらのグリッドサイズは、さらなる計算のために選択されます。さまざまなメッシュサイズでの水素吸収プロセスの平均床温度と、これら 2 つのケースで連続的に改良されたグリッドの詳細については、補足セクションを参照してください。

さまざまなグリッド番号での金属水素化物反応器内の水素吸収プロセスの選択された場所での平均床温度。 (a) ケース 1 の場合は選択した場所の平均温度、(b) ケース 4 の場合は選択した場所の平均温度。

この研究によるマグネシウムベースの金属水素化物反応器は、Muthukumar らの実験結果と照らし合わせて検証されています 53。彼らの研究では、ステンレス鋼管を備えた水素貯蔵用に Mg2Ni 合金を採用しました。銅製のフィンは、リアクター内の熱伝達を改善するために使用されました。図 3a は、実験研究と本研究の間の吸収プロセスの平均床温度の比較を示しています。この実験から選択された動作条件は、初期 MH 温度が 573 K、供給圧力が 2 MPa です。図３ａによれば、平均床温度に関して、この実験結果と現在の結果との間に良好な一致があることが明確に示されている。

モデルの検証。 (a) 本研究と Muthukmar らの実験研究の比較による Mg2Ni 金属水素化物反応器のコード検証 52、(b) 本研究と Kumar らの実験研究の比較によるらせん管内の乱流モデルの検証研究.54。

乱流モデルを検証するために、この研究の結果は、選択された乱流モデルを検証するために、Kumar et al.54 の実験結果と比較されます。 Kumar ら 54 は、チューブインチューブのヘリカル熱交換器内の乱流を研究しました。反対方向から注入される温流体と冷流体の両方として水を使用しました。熱い流体と冷たい流体の温度はそれぞれ 323 K と 300 K でした。熱い流体のレイノルズ数は 3100 ～ 5700、冷たい流体のレイノルズ数は 21,000 ～ 35,000 でした。熱い流体のディーン数は 550 ～ 1000、冷たい流体のディーン数は 3600 ～ 6000 でした。内管（高温流体用）および外管（低温流体用）の直径は、それぞれ０．０２５４ｍおよび０．０５０８ｍであった。螺旋コイルの直径とピッチは０．７６２μｍと０．１００μｍであった。図 3b は、内管の高温流体のさまざまなヌッセルト数とディーン数に関する実験結果と現在の結果の比較を示しています。 3 つの異なる乱流モデルを実行し、実験結果と比較しました。図3bに示すように、実現可能なk-ε乱流モデルの結果は実験データとよく一致しています。したがって、このモデルが今回の研究のために選択されました。

本研究における数値シミュレーションはANSYS Fluent 2020 R2を利用して実行されます。ユーザー定義関数 (UDF) が作成され、吸収プロセスの運動特性を計算するためにエネルギー方程式のソース項として適用されました。圧力速度連成および圧力補正には、さきがけ方式55およびPISO法56が採用されています。変数の勾配には、グリーンガウスセルベースが選択されます。運動量とエネルギー方程式は 2 次風上法によって解きます。アンダー緩和係数は、圧力、速度成分、エネルギーに対してそれぞれ0.5、0.7、0.7を設定しています。標準的な壁関数が乱流モデルの HTF に適用されました。

このセクションでは、水素吸収プロセスにヘリカルコイル熱交換器 (HCHE) および半円筒コイル熱交換器 (SCHE) を使用することによる、MH 原子炉内の熱伝達の改善に関する数値シミュレーションの結果を示します。反応器床温度と吸収期間に対する HTF ピッチの影響が分析されます。吸収プロセスの重要な動作パラメータは、感度分析セクションで調査および提示されます。

MH 反応器内の熱伝達に対するコイルピッチの影響を研究するために、ピッチの異なる 3 つの熱交換器構成を調べました。ケース 1 には 15 mm、ケース 2 には 12.86 mm、ケース 3 には 10 mm の 3 つの異なるピッチが割り当てられています。なお、いずれの場合も初期温度573K、負荷圧力1.8MPaにおいてチューブ径は6mmに固定している。図 4 は、ケース 1 からケース 3 までの水素吸収プロセス中の MH ベッドの平均床温度と水素濃度を示しています。一般に、金属水素化物と水素の間の反応は、吸収プロセスにおいて発熱を伴います。その結果、水素が最初に反応器に注入される初期の瞬間により、床温度が急速に上昇します。床温度は最大値に達するまで上昇し続けますが、温度が低く冷却流体として機能する HTF によって熱が除去されるため、徐々に低下します。図4aに示すように、前述の説明により、床温度は急速に上昇し、継続的に低下します。吸収プロセスの水素濃度は通常、MH 反応器の床温度に基づきます。平均床温度が特定の温度まで低下すると、金属表面が水素を吸収します。これは、反応器内での水素の物理吸着、化学吸着、拡散およびその水素化物の形成が加速されるためです36。図4bからわかるように、ケース3からの水素吸収速度は、コイル熱交換器のピッチ値が低いため、他のケースよりも低いことがわかります。これにより、チューブの全長が長くなり、HTF チューブの伝熱面積が大きくなります。ケース 1 の吸収時間は、平均水素濃度が 90% の場合、46,276 秒です。ケース 1 の吸収期間と比較すると、ケース 2 とケース 3 の吸収期間はそれぞれ 724 秒と 1263 秒減少します。 HCHE-MH 床の選択された位置における温度等高線と水素濃度等高線は、補足セクションに記載されています。

平均床温度と水素濃度に対するコイルピッチの影響。 (a) ヘリカルコイルピッチの平均床温度、(b) ヘリカルコイルピッチの水素濃度、(c) 半円筒コイルピッチの平均床温度、(d) 半円筒コイルピッチの水素濃度。

MH 反応器の熱伝達性能を向上させるために、ケース 3 の MH (2000 cm3) とヘリカルコイル熱交換器 (100 cm3) の一定体積の下で 2 つの SCHE が設計されています。このセクションでは、コイルピッチの効果も 15 mm として考慮しています。ケース 4 の場合は 12.86 mm、ケース 5 の場合は 12.86 mm、ケース 6 の場合は 10 mm です。図 4c、d は、573 K の初期温度と 1.8 MPa の負荷圧力に基づく水素吸収プロセスの平均床温度と濃度を示しています。図4cの平均床温度によれば、ケース6のコイルピッチが低いと、他の2つのケースに比べて温度が大幅に低くなります。ケース 6 では、床温度が低いほど水素濃度が高くなります（図 4d を参照）。ケース 4 の水素吸収時間は 19,542 秒で、ケース 1 ～ 3 として HCHE を使用した場合の 2 倍以上短いです。さらに、ケース 5 およびケース 6 のより低いピッチ値での吸収時間も、ケース 4 と比較して 378 秒および 1515 秒短縮されています。SCHE-MH ベッドの選択された位置における温度等高線と水素濃度等高線は、補足セクションに記載されています。。

2 つの熱交換器構成のパフォーマンスを調査するために、このセクションでは、選択した 3 つの場所での温度プロファイルを作成して示します。ケース 3 の HCHE を備えた MH 反応器は、一定の MH 体積と管体積を有するケース 4 の SCHE を組み込んだ MH 反応器と比較するために選択されます。この比較の動作条件は、初期温度として 573 K、負荷圧力として 1.8 MPa です。図 5a、b は、それぞれケース 3 とケース 4 から温度プロファイルに対して選択された 3 つの場所すべてを示しています。図5cは、20,000秒の水素吸収プロセス後の温度プロファイルと床濃度を表しています。図5cの線1によれば、ケース3とケース4のHTF周囲の温度は、冷却流体からの対流熱伝達により低下します。これにより、この領域の周囲の水素濃度が高くなります。ただし、2 つの SCHE を使用すると、ベッド濃度が高くなります。ケース 4 では、HTF 領域の周囲でより急速な反応速度が見られました。さらに、この領域の周囲で 100% の最大濃度も見つかりました。反応器の中央部分に位置するライン 2 から、ケース 4 の温度は、反応器の中心を除くすべての場所でケース 3 の温度よりも大幅に低くなります。これにより、HTF から遠く離れた反応器の中心付近を除いて、ケース 4 の水素濃度が最大になります。ただし、ケース 3 の濃度はほとんど変化しません。温度と層濃度の大きな違いは、HTF 入口近くのライン 3 で観察されました。ケース 4 の床温度は大幅に低下し、この領域で完全な水素濃度が得られますが、ケース 3 の濃度線は依然として変動しています。これは、SCHE からの熱伝達の加速によるものです。ケース 3 とケース 4 の間の MH ベッドと HTF チューブの平均温度の比較に関する詳細と議論は、補足セクションに記載されています。

金属水素化物反応器の選択された位置における温度プロファイルと床濃度。 (a) ケース 3 の選択された場所、(b) ケース 4 の選択された場所、(c) ケース 3 とケース 4 の 20,000 秒の水素吸収プロセス後の選択された場所の温度プロファイルと層濃度。

図 6 は、HCHE と SCHE の吸収プロセス中の平均床温度 (図 6a を参照) と水素濃度 (図 6b を参照) の比較を示しています。この図から、伝熱面積の増加により MH 床温度が大幅に低下することが明らかです。反応器からの熱除去速度が高くなると、水素吸収速度が速くなります。どちらの熱交換器構成も同様の体積を持っていますが、ケース 4 として SCHE に基づく水素吸収時間は、ケース 3 として HCHE を使用した場合と比較して 59% と大幅に短縮されています。詳細な分析のために、両方の熱交換器構成からの水素濃度が次の図に等高線として表示されます。図 7. この図は、どちらの場合も HTF 入口付近の底部で水素が吸収され始めることを示しています。 HTF 領域ではより高い濃度が観察されましたが、MH 反応器の中心では熱交換器から遠く離れているため、より低い濃度が観察されました。 10,000 秒では、ケース 4 の水素濃度はケース 3 よりも大幅に高くなります。20,000 秒では、反応器内の平均水素濃度はケース 4 では 90% に上昇しますが、ケース 3 では水素が 50% しかありません。これは次のように考えられます。これは、2 つの SCHE を組み込むことでより効果的な熱除去が可能となり、MH ベッド内の温度が低下するという理由によって説明されます。したがって、MH 床内の平衡圧力がさらに低下し、水素吸収が速くなります。

ケース 3 とケース 4 の 2 つの熱交換器構成間の平均床温度と水素濃度の比較。

ケース3とケース4の水素吸蔵開始後500秒、2000秒、5000秒、10,000秒、20,000秒における水素濃度の比較。

表 5 は、すべての場合の水素吸収時間をまとめたものです。さらに、この表には水素吸収時間もパーセンテージで示されています。割合はケース 1 の吸収時間に基づいて計算されます。この表から、HCHE を使用した MH 反応器からの吸収時間は約 45,000 ～ 46,000 秒であるのに対し、SCHE を組み込んだ吸収時間は約 18,000 ～ 19,000 秒です。ケース 1 と比較すると、ケース 2 とケース 3 の吸収時間はそれぞれ 1.6% と 2.7% しか短縮されません。 HCHE の代わりに SCHE を採用することにより、吸収時間はケース 4 からケース 6 までに 58 ～ 61% 大幅に短縮されました。MH 反応器内に SCHE を組み込むと、水素吸収プロセスと MH 反応器の性能が大幅に向上することは明らかです。 MH 反応器内に熱交換器を挿入すると貯蔵容量は減少しますが、この技術は他の技術と比較して大幅な熱伝達の改善が得られます。さらに、ピッチ値を下げると SCHE ボリュームが増加し、MH ボリュームの減少につながります。最も高い SCHE ボリュームを持つケース 6 では、最も低い HCHE ボリュームを持つケース 1 と比較して、MH ボリューム容量の減少は 5% だけです。さらに、吸収プロセス中、ケース 6 は吸収期間が 61% 短縮され、より高速で優れたパフォーマンスを示しています。したがって、感度分析に関してさらに調査するためにケース 6 が選択されます。水素吸収時間が長いのは、約 2000 cm3 の MH 体積を含む貯蔵容量によるものであることに注意してください。

反応プロセス中の運転パラメータは、実際の使用における MH 反応器の性能にプラスまたはマイナスの影響を与える可能性がある重要な要素です。この研究では、SCHE が組み込まれた MH 原子炉の動作パラメータの適切な初期値を特定するために感度解析が考慮されています。このセクションでは、ケース 6 の最適な原子炉構成に基づいて 4 つの主要な動作パラメータを調査します。すべての動作条件の結果は次のとおりです。図8に示します。

半円筒コイル熱交換器を使用した場合の、各種運転条件における水素濃度線図。 (a) 負荷圧力、(b) 初期床温度、(c) 熱伝達流体のレイノルズ数、および (d) 熱伝達流体の入口温度。

573 K の一定の初期温度とレイノルズ数 14,000 の HTF 流速に基づいて、1.2 MPa、1.8 MPa、2.4 MPa、および 3.0 MPa の 4 つの異なる負荷圧力が選択されました。図 8a は、時間に対する負荷圧力と SCHE が水素濃度に及ぼす影響を示しています。吸収時間は負荷圧力の増加により短縮されます。１．２ＭＰａの作用水素圧力を使用することは、水素吸収プロセスにとって最悪のケースであり、水素吸収の９０％を達成するために２６，０００秒を超える吸収期間を伴う。ただし、負荷圧力が高くなると、吸収時間は 1.8 MPa から 3.0 MPa まで 32 ～ 42% 短縮されます。これは、水素の初期圧力が高いため、平衡圧力と加えられた圧力との差が大きくなることが原因です。したがって、これにより、水素吸収速度のより大きな推進力が生成されます25。初期の瞬間には、平衡圧力と加えられた圧力との間の差がより大きいため、水素は急速に吸収される57。 3.0 MPa の負荷圧力では、水素の 18% が最初の 10 秒以内に急速に貯蔵されます。水素は、15,460 秒の最終段階で反応器の 90% に貯蔵されます。ただし、吸収時間は 1.2 ～ 1.8 MPa の負荷圧力に比べて 32% 大幅に短縮されます。他のより高い圧力では、吸収時間の改善にはあまり効果がありません。したがって、MH-SCHE 反応器には 1.8 MPa の装填圧力が推奨されます。 15,500 秒におけるさまざまな負荷圧力に対する水素濃度等高線は、補足セクションに記載されています。

MH 反応器の適切な初期温度の選択は、水素化物生成反応の駆動力に影響を与えるため、水素収着プロセスに影響を与える主な要因の 1 つです。 MH 反応器の初期温度に対する SCHE の影響を研究するために、1.8 MPa の一定負荷圧力および 14,000 の HTF のレイノルズ数の下で 4 つの異なる温度が選択されました。図 8b は、473 K、523 K、573 K、623 K などのさまざまな初期温度の比較を示しています。実際、Mg2Ni 合金は、温度が 230 ℃ または 503 K58 を超えると、水素吸収プロセスに対して効果的な性能を発揮します。ただし、水素を注入した瞬間に温度が急激に上昇します。したがって、MH 床の温度は 523 K を超えます。このため、吸収速度の向上により水素化物の形成が促進されます 53。図８ｂから、ＭＨ床の初期温度が低下すると、水素はより速く吸収される。初期温度が低いと、より低い平衡圧力が生成されます。平衡圧力と作用圧力との間の圧力差が大きいほど、水素吸収プロセスが速くなる。初期温度 473 K までに、水素は最初の 18 秒以内に 27% まで急速に吸収されます。さらに、より低い初期温度での吸収時間も、623 K の初期温度と比較して 11 から 24% 短縮されます。473 K での最低初期温度での吸収時間は 15,247 秒であり、負荷圧力の最良の場合と同様です。。しかしながら、反応器の初期温度を下げると、水素貯蔵能力が低下する。 MH 反応器の初期温度は 503 K53 以上でなければなりません。さらに、573 K53 の初期温度を使用すると、最大 3.6 wt% の水素貯蔵容量を達成できます。水素貯蔵能力と吸収期間に注目すると、523 ～ 573 K の温度では 6% の時間短縮しかありません。したがって、MH-SCHE 反応器の初期温度には 573 K の温度が推奨されます。ただし、吸収プロセスに対する初期温度の影響は、負荷圧力に比べてそれほど重要ではありません。 15,500 秒におけるさまざまな初期温度の水素濃度等高線は、補足セクションに記載されています。

流速は、水素化および脱水素化プロセスに関する乱流および熱除去または熱供給に影響を与える能力があるため、水素化および脱水素化の両方にとって重要なパラメーターの 1 つです59。流速が大きいと乱流ステージが発生し、HTF チューブを通る流体の流れが速くなります。この反応により、熱伝達が速くなります。 HTF のさまざまな入口速度は、レイノルズ数に基づいて 10,000、14,000、18,000、22,000 として計算されます。 MH 床の初期温度は 573 K、負荷圧力は 1.8 MPa に固定されています。図８ｃの結果は、ＳＣＨＥに組み込まれたより高いレイノルズ数を利用すると、より速い吸収速度につながることを証明している。レイノルズ数が 10,000 から 22,000 に増加すると、吸収時間は約 28 ～ 50% 減少します。 22,000 のレイノルズ数からの吸収時間は 12,505 秒で、さまざまな初期温度と負荷圧力に基づく吸収時間よりも短くなります。 12,500 秒における HTF のさまざまなレイノルズ数の水素濃度等高線は、補足セクションに示されています。

初期 HTF 温度に対する SCHE の影響が分析され、図 8d に表示されます。この解析では、初期 MH 温度 573 K、水素装填圧力 1.8 MPa の下で、373 K、473 K、523 K、および 573 K の 4 つの初期温度が選択されます。図 8d は、入口 HTF 温度の低下により吸収時間が短縮されることを示しています。入口温度が 573 K の基本ケースと比較して、入口温度が 523 K、473 K、および 373 K の場合、吸収時間はそれぞれ約 20%、44%、および 56% 短縮されます。 HTF の初期温度が 373 K の 6917 秒では、反応器内の水素濃度は 90% になります。これは、MH 床と HTF の間の対流熱伝達の強化によって説明できます。 HTF 温度が低いほど熱除去速度が増加し、水素吸収速度が向上します。すべての操作パラメーターの中で、吸収プロセスの終了時間が 7000 秒未満であるのに対し、他の方法の最小吸収時間は 10,000 秒を超えるため、HTF の入口温度を上昇させて MH-SCHE 反応器の性能を向上させることが最も適切な方法です。。 7000 秒における HTF のさまざまな初期温度に対する水素濃度等高線は、補足セクションに示されています。

本研究ではまず、金属水素化物貯蔵ユニット内に埋め込まれた新しい半円筒形コイル熱交換器を導入します。提案されたシステムの水素吸収能力は、さまざまな熱交換器構成の下で調査されます。新しい熱交換器による金属水素化物貯蔵の最適条件を見つけるために、金属水素化物床と熱伝達流体の間の動作パラメータが熱交換に及ぼす影響を調べた。この研究から得られた主な結果は次のように要約されます。

半円筒形コイル熱交換器を使用すると、マグネシウム床反応器内での熱分布がより均一になり、その結果、水素吸収率が向上するため、熱伝達性能が向上します。伝熱管と水素吸蔵合金の容積が一定の場合、通常のヘリカルコイル熱交換器と比較して吸収反応時間を59%大幅に短縮します。

コイル熱交換器のピッチサイズを小さくすると、熱伝達面積が増えるため、吸収期間にプラスの影響を与えます。他のピッチ値の中でも、ピッチサイズ 10 mm の半円筒形コイル熱交換器を使用すると、水素吸収時間が 61% 短縮されます。このサイズでは、最も高いピッチのサイズと比較して、金属水素化物の体積容量が約 5% 減少します。したがって、10mmピッチサイズの半円筒型コイル熱交換器の使用を推奨します。

水素注入の負荷圧力を高めると、水素吸収時間の短縮につながります。負荷圧力が 1.8 MPa の場合は、1.2 MPa に比べて吸収期間が 32% 大幅に短縮されます。ただし、他のより高い値は吸収期間にあまり影響を与えません。したがって、新品の熱交換器を使用して保管する場合は、負荷圧力 1.8 MPa を推奨します。

金属水素化物床の初期温度が低いほど、水素吸収速度が速くなります。ただし、Mg2Ni 基合金での貯蔵容量を維持するには、初期温度を 503 K 以上にする必要があります。貯蔵容量と吸収期間を考慮すると、半円筒形合金での貯蔵の場合は、初期温度 573 K が推奨されます。コイル熱交換器。

熱媒体の初期条件は、新しい熱交換器による貯蔵性能の向上に大きく影響する主なパラメータです。熱伝達流体のレイノルズ数が高くなると、流体の流速が高くなるため、水素吸収期間にプラスの影響を与えます。さらに、熱伝達流体の入口温度が低いと、床と冷却流体の間の対流熱伝達も改善されます。これら 2 つのパラメータにより、吸収期間は 50 ～ 56% 大幅に短縮されます。

この研究の結果は、最適化された動作条件を備えた新しい熱交換器構成の下で、マグネシウムベースの水素エネルギー貯蔵の吸収プロセスに関する熱伝達の改善を提供します。この提案されたシステムに関する包括的な研究は、産業上の応用に役立つ可能性があります。水素吸収持続時間を改善するために、新しい半円筒形コイル熱交換器を備えた金属水素化物貯蔵装置は、次の研究で他の熱交換器とさらに組み込まれる予定である。さらに、新しい熱交換器の使用が水素脱着プロセスに及ぼす影響をさらに検討します。

現在の研究中に使用および/または分析されたデータセットは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

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著者らは、シドニー工科大学 (UTS) の高性能コンピューティング施設を認めています。

シドニー工科大学 (UTS) 機械・メカトロニクス工学部、15 Broadway、ウルティモ、ニューサウスウェールズ州、2007 年、オーストラリア

プチャニー・ラルプルエンルーディー、ニック・S・ベネット、ロバート・フィッチ、モハマド・S・イスラム

クイーンズランド工科大学工学部機械・医療・プロセス工学部、ブリスベン、4000、オーストラリア

袁東九

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PLのコンセプト、シミュレーション、メソッド、設計、検証、分析、ライティング。 NBコンセプト、レビュー、執筆、監修。 YTGコンセプト、レビュー、執筆、監修。 RFコンセプト、レビュー・執筆、監修。 MSIのコンセプト、シミュレーション、検証、レビューと執筆、監修。

モハマド・S・イスラムへの通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

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転載と許可

Larpruenrudee、P.、Bennett、NS、Gu、Y. 他。マグネシウムベースの金属水素化物水素エネルギー貯蔵システムの設計の最適化。 Sci Rep 12、13436 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-17120-3

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受領日: 2022 年 5 月 31 日

受理日: 2022 年 7 月 20 日

公開日: 2022 年 8 月 4 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-17120-3

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