基于变核模型的La-Ni系合金氢化动力学的数值模拟和实验研究

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在气固反应中经常会有反应物颗粒尺寸发生变化的现象,如金属氢化物(Metal Hydride,简称MH)在吸放氢时分别伴随着颗粒的膨胀和收缩,尤其以La-Ni系MH的体积变化明显。而常用的储氢动力学缩核模型(Shrinking-Core Model,SCM),由于没有考虑颗粒膨胀/收缩的因素导致模拟结果与实验数据的偏差较大。因此,本文基于La-Ni合金加氢时颗粒膨胀的实际情况,引入反映MH反应动力学过程固相体积变化的晶格变形因子Ψ,对颗粒半径及密度项等参数进行了修正,提出了变核模型(Varying-SizeModel,VSM)。分别得出了基于氢气解离化学吸附,氢原子内扩散和表面反应三种控制机理的动力学方程。本文完成了六种典型的La-Ni系合金LaNi5和LaNi5-x-yMxNy(x=0.5,y=0,M=A1,Co,Fe;x=0.25,y=0.25,M=Fe,N=Co;x=0.5,y=0.5,M=Fe,N=Co)分别在 30℃,50℃,70℃和1.2MPa,0.8MPa,0.4MPa下的动力学实验,探究了反应温度和供氢压力对氢化速率和吸氢量的影响,得出能使得各合金储氢性能更优异的条件是在低温高压下。对比不同种元素取代Ni元素的效果,发现在较低温时Al、Fe、Co取代Ni元素可以增加MH吸氢容量。在实验结果的基础上,利用SCM和VSM确定了六种合金氢化反应的控速步骤为氢原子的内扩散,所得VSM的扩散方程为:LaNi5:1.426-1.419(1-X)2/3-0.046(1-X)5/3-0.95X+0.038(1-X)2=t/τ’diffLaNi5-x-yMxNy:1.362-1.35(1-X)2/3-0.069(1-X)5/3-0.90X+0.057(1-X)2=t/τ’diff分别用四种动力学模型包括JMA,JDM,SCM和VSM来模拟计算各合金的速率常数k,并获取了各合金的动力学参数值Ea、A、ED和D0。对比了几种模型与实验数据间的拟合度,验证了 VSM不仅具有普适性且精度最高。最后对VSM模型中的多种参数进行了灵敏度分析,得出颗粒粒径和温度能显著影响反应速率,而压力变化影响最不敏感。
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