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储氢合金反应床吸/放氢应力积聚特性与缓解优化研究

储氢合金反应床吸/放氢应力积聚特性与缓解优化研究

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作者：吴浩然山东大学

学位级别：硕士

储、运环节是高效利用氢能的关键,固态金属储氢具有质量密度比与储氢体积比大、安全性好、氢气纯度高、可逆循环性好等显著优点,有望在未来氢经济中扮演重要角色。反应床是储氢合金实现热质传递和稳定效能的核心装备,但金属循环吸放氢... 详细信息

储、运环节是高效利用氢能的关键,固态金属储氢具有质量密度比与储氢体积比大、安全性好、氢气纯度高、可逆循环性好等显著优点,有望在未来氢经济中扮演重要角色。反应床是储氢合金实现热质传递和稳定效能的核心装备,但金属循环吸放氢反应过程中其周期涨缩会产生应力积聚,致使储氢容量逐步衰减,严重时导致反应床塑变失效。当前关于储氢合金吸放氢粉化特性及其引发的应力积聚与分布特性研究相对较少。本文设计并搭建了储氢合金反应床应变在线反馈并实时监测系统,研究了固态储氢合金反应床吸放氢循环过程中的应力积聚效应,解析了影响储氢反应床应变响应和可靠性的核心关键因素,提出了一种超低速旋转低应变高填充率储氢合金反应床新思路,有效缓解了常规竖置反应床的应力积聚问题,反应床循环使用寿命获得明显改善。借助实时应变测量分析系统与双轴电阻应变片,装填100g以LaNi5为代表的稀土系合金LaNi3.9Co0.6Al0.3Mn0.2,研究反应床循环吸放氢过程中床体的应变分布特征,并探讨了床体壁厚(1mm、1.5 mm)、合金特性(LaNi5系合金片、合金颗粒)、床体放置形式(竖置、倒置)等影响;将单个吸放氢循环过程床壁的表观应变分为应变极速升高、吸氢膨胀应变增长、合金自调整应变趋稳、释氢应变回落与应变复位五个阶段;对于传统竖置反应床,径向应变值高于轴向应变值的2倍以上,演化特性差异显著;储氢合金粒度、局部装填密度或孔隙率等,对床体应变特性影响显著;合金吸放氢过程晶格涨缩诱发宏观的颗粒粒度、表面形貌、壁面应变等变化,粉化合金在重力作用下向床体下部区域逐步运动沉积,使反应床底部区域合金粒度、孔隙率、积聚程度等发生明显变化,提升局部填充比和应力发生应力积聚最终导致反应床塑变失效。为缓解常规竖置反应床内合金吸放氢过程中产生的应力积聚特性,设计了新型超低速旋转反应床。在相同床体壁厚下,调整旋转频率6 r/h,12 r/h与1 rpm进行同参数条件下的循环吸放氢对比试验并分析应变响应异同点,最终1 rpm旋转反应床循环36次,超出竖置反应床17次运行次数近2倍。定点周长测量与dic形变分析系统监测的结果表明:新型反应床的应力积聚位置由底部向氢气进口侧偏移,明显消弱了粉化合金单向下沉积聚风险,使得粉化合金在新型反应床内实现相对较理想的漫分布,合金填充密度均匀,粉末板结现象得到改善,大幅缓解床体局部应力过大引发的塑变失效,延长反应床使用寿命。

关键词：金属储氢应力积累合金粉化与团聚旋转反应床 dic形变分析

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