マグネシウムの設計最適化

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

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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。