[论文解读] 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 3

一句话总结

本研究提出了一种热集成策略，将700 °C的固体氧化物燃料电池（SOFC）与圆柱形镁氢化物（MgH₂）储罐耦合，以增强氢气脱附性能。基于三维验证过的数学模型，评估了四种加热情景——外部加热器、SOFC辐射、SOFC阴极排气以及混合方法，结果表明，排气空气和混合加热方式可实现更均匀的温度分布并提升脱附容量。

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.

研究动机与目标

• 研究固体氧化物燃料电池（SOFC）与镁金属氢化物（MgH₂）储罐之间的热集成策略，以提升氢气储存与释放性能。
• 解决金属氢化物储罐在氢气脱附过程中加热效率低下且不均匀的挑战。
• 评估除传统外部加热外的替代热源——SOFC辐射、阴极排气以及混合系统。
• 通过利用SOFC余热进行热管理，优化脱附性能。
• 基于实验数据验证三维数学模型，以准确模拟氢气脱附动力学。

提出的方法

• 开发并验证用于圆柱形MgH₂储罐中氢气脱附的三维瞬态数学模型。
• 模拟四种加热情景：(1) 仅使用外部加热器，(2) 以SOFC辐射作为热源，(3) 以SOFC阴极排气作为热源，(4) 外部加热器与排气空气联合使用。
• 整合储罐内部及SOFC与氢化物组件之间的导热、对流和辐射传热机制。
• 应用能量与质量守恒方程，模拟在不同热边界条件下MgH₂中氢气释放的热力学行为。
• 基于SOFC工作温度（700 °C）以及排气空气的温度和流量设定边界条件。
• 通过实验数据验证模型，确保其在预测温度分布与脱附动力学方面的准确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过热集成将SOFC与MgH₂储罐耦合，对氢气脱附的均匀性与速率有何影响？
• RQ2 将SOFC辐射作为热源，对MgH₂储罐内部的温度分布有何影响？
• RQ3 SOFC阴极排气能否作为MgH₂中氢气脱附的有效且均匀的热源？
• RQ4 将外部加热与SOFC排气空气结合使用，与单一热源加热相比，对脱附性能有何改善？
• RQ5 热集成在多大程度上可减少MgH₂基氢气储存系统对外部能源的需求？

主要发现

• 与仅使用外部加热相比，使用SOFC阴极排气作为热源可在MgH₂储罐内实现更均匀的温度分布。
• 混合加热方法——结合外部加热器与SOFC排气空气——实现了最均匀的温度分布，并提升了脱附容量。
• 仅通过SOFC辐射进行热耦合会导致非均匀加热，从而限制脱附效率。
• 经验证的三维模型能准确预测脱附动力学，证实了仿真框架的可靠性。
• 当有效利用SOFC余热时，脱附性能显著提升，减少了对外部能源的依赖。
• 本研究证明，SOFC的热集成可同时提升MgH₂氢气储存系统的效率与容量。