活性炭吸附储氢过程的热力学分析与模拟

储氢过程中热效应的不利影响是氢气吸附储存应用于新能源汽车需要解决的关键问题之一。本文以车用吸附储氢罐为研究对象,在吸附等温线模型、气体状态方程等热力学分析模型基础上,利用有限元软件COMSOL及动态系统仿真工具Matlab/Simulink,建立了COMSOL多维模型及Matlab/Simulink系统模型对活性炭吸附储氢过程进行模拟,研究储氢过程中的热质传递。并针对加拿大三河城魁北克大学氢能研究所进行的低温吸附储氢实验,研究了低温条件下吸附储氢热效应的影响及热力学优化控制方法。 文章首先介绍了活性炭吸附储氢过程的热力学分析模型,包括吸附等温线模型,吸附热的热力学计算以及气体状态方程。对吸附等温线模型的研究意义及选取、吸附过程中产生吸附热的数值确定方法、不同储氢条件下气体状态方程的适用性及选取进行了探讨。 然后基于有限元求解法,建立了COMSOL模型对活性炭吸附储氢过程进行模拟,研究储氢过程中的热质传递。重点考虑了充气过程中高速流体的惯性阻力、活性炭床与不锈钢罐体之间的接触热阻以及活性炭床有效热导率对活性炭吸附储氢热效应的影响。并利用Matlab/Simulink,通过动态集总参数模型模拟了活性炭的吸附储氢过程,对充气过程中储氢罐内压力及温度的变化进行了分析,同时研究了储氢过程中的动态吸附曲线,对吸附储氢过程有了较直观的了解。 最后针对加拿大三河城魁北克大学氢能研究所进行的低温吸附储氢实验,在吸附储氢COMSOL多维模拟及Simulink系统分析模拟基础上,进行了活性炭低温吸附储氢热效应的仿真模拟,并与实验结果进行了对比。在此基础上,研究了充气速度、活性炭床有效热导率对低温吸附储氢热效应的影响,初步探索了低温条件下活性炭吸附储氢热效应的优化控制方法。