[論文レビュー] Coupling Thermal Integration of a Solid Oxide Fuel Cell with a Magnesium Metal Hydride Tank

Evangelos I. Gkanas, Sofoklis S. Makridis+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 2, 2014

Hydrogen Storage and Materials被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、700 °Cで運転する固体酸化物燃料電池（SOFC）と円筒形マグネシウム水素化物（MgH₂）貯蔵タンクを熱的統合する戦略を提案し、水素脱吸を向上させる。3次元で検証された数学的モデルを用いて、外部ヒーター、SOFC放射熱、SOFC自己酸化反応排気空気、ハイブリッド方式の4つの加熱シナリオを評価し、排気空気およびハイブリッド加熱が均一な温度分布と向上した脱吸容量をもたらすことを示した。

ABSTRACT

The dehydrogenation behaviour of a cylindrical Mg metal hydride tank is simulated and examined in the case where the tank is thermally coupled with an operating Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) at 7000C. A three-dimensional validated mathematical model is utilized to simulate the hydrogen desorption from a cylindrical Mg hydride tank. Four scenarios are simulated: a base case where the heat source for the desorption process is an external heater surrounding the tank. The second case examines the effect of the radiation heat transfer from the SOFC to the metal hydride as a possible heat source for the desorption procedure. The third scenario uses the exhaust air from the SOFC cathode as the heating source which is driven to the hydride and the fourth scenario is a combination of both the exhaust air from the SOFC cathode and the external heater as the heat source for the desorption. According to the results, the exhaust air from the SOFC and the combination of external heater and the exhaust heat have a uniform temperature distribution within the tank and enhance the desorption capacity.

研究の動機と目的

• 固体酸化物燃料電池（SOFC）とマグネシウム水素化物（MgH₂）タンクの間の熱的統合戦略を調査し、水素貯蔵および放出を改善すること。
• 水素脱吸中に金属水素化物タンク内で非効率的かつ非均一な加熱が生じるという課題に対処すること。
• 従来の外部加熱に代わる代替熱源（SOFC放射熱、自己酸化反応排気空気、ハイブリッドシステム）を評価すること。
• SOFCからの廃熱を活用した熱管理により脱吸性能を最適化すること。
• 実験データとの照合を経て、正確な水素脱吸ダイナミクスのシミュレーションが可能な3次元数学的モデルの検証を行うこと。

提案手法

• 円筒形MgH₂タンク内での水素脱吸を対象とした3次元一時的数学的モデルの構築および検証。
• 4つの加熱シナリオのシミュレーション：（1）外部ヒーターのみ、（2）SOFC放射熱を熱源とする、（3）SOFC自己酸化反応排気空気を熱源とする、（4）外部ヒーターと排気空気の併用。
• タンク内およびSOFCと水素化物部品間の伝導、対流、放射熱伝達メカニズムを組み込み。
• エネルギー収支および質量保存の式を用いて、変化する熱的境界条件下でのMgH₂からの水素放出の熱力学をモデル化。
• SOFCの運転温度（700 °C）および排気空気の温度と流量に基づく境界条件の適用。
• 実験データとの照合を通じて、温度分布および脱吸キネティクスの予測精度を確認し、モデルの信頼性を確保。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SOFCとMgH₂タンクを熱的統合することで、水素脱吸の均一性および速度にどのような影響を与えるか？
• RQ2 SOFC放射熱を熱源として用いる場合、MgH₂タンク内の温度分布にどのような影響を与えるか？
• RQ3 SOFC自己酸化反応排気空気は、MgH₂からの水素脱吸に有効かつ均一な熱源として機能できるか？
• RQ4 外部加熱とSOFC排気空気を併用することで、単一熱源加熱に比べて脱吸性能がどのように向上するか？
• RQ5 熱的統合により、MgH₂ベースの水素貯蔵システムにおける外部エネルギー供給の必要性はどの程度低減されるか？

主な発見

• 外部加熱のみに比べ、SOFC自己酸化反応排気空気を熱源として用いることで、MgH₂タンク内での温度分布がより均一になる。
• 外部ヒーターとSOFC排気空気を併用するハイブリッド加熱方式が、最も均一な温度プロファイルを達成し、脱吸容量が向上する。
• SOFC放射熱による熱的結合のみでは非均一な加熱が生じ、脱吸効率が制限される。
• 3次元で検証されたモデルは、脱吸ダイナミクスを正確に予測でき、シミュレーションフレームワークの信頼性を裏付けた。
• SOFCからの廃熱を効果的に活用することで、脱吸性能が顕著に向上し、外部エネルギー源への依存が低減される。
• 本研究では、SOFCとの熱的統合が、MgH₂水素貯蔵システムの効率および容量の両方を向上させられることを示した。