混合模塑金属氢化物床的制备及氢吸收动力学研究

金属氢化物床中的氢吸收动力学受到耦合的热和质量传递的限制，这通常导致加注反应缓慢和存储系统效率降低。在这项工作中，通过将硅胶与各种热导率添加剂混合进行混合模塑，制备了具有定制孔隙度和热导率的TiMn基金属氢化物床。准备了三个实验组：5 wt.% 硅胶和5 wt.% 单壁碳纳米管（A组），5 wt.% 硅胶单独（B组）以及5 wt.% 硅胶和5 wt.% 硅胶片（C组）。在30 °C和50 bar下对氢吸收动力学进行了实验测量，并使用COMSOL Multiphysics中耦合的热-质量传递模型进行了模拟。物理性质结果显示，A组的孔隙度（0.527）约比其他两组高三倍，而其热导率（2.476 W·m−1·K−1）是其中最低的（B组为3.189 W·m−1·K−1，C组为3.246 W·m−1·K−1）。这些性质差异导致显著的氢吸收速率限制行为。由于其大孔隙网络增强了氢的传输，A组在扩散控制阶段（氢吸收量在0.5%到1.15%之间）占主导地位，而C组在后期（超过1.15%）展现出更快的动力学，在该阶段热导率主导了吸收驱动力。数值模拟再现了实验动力学曲线，并验证了速率限制机制的转变。这项工作揭示了混合模塑氢化物床中氢吸收的速率限制因素在不同阶段的变化，并且需要独立优化孔隙度和热导率，以实现整个吸收过程的快速动力学。