基于超高温气冷堆的氢电联产系统设计分析

超高温气冷堆耦合碘硫循环制氢是一种极具发展前景的核能制氢技术。本文提出了一种基于超高温气冷堆的新型氢电联产系统,采用碘硫循环和氦气透平循环来制氢和发电,建立了能量分析的热力学模型,分析了氦气透平循环总压比和反应堆出口温度对系统性能的影响。然后本文以系统氢电效率最大为目标,在总压比、反应堆入口温度、系统净输出功等参数的约束条件下,对系统进行关键参数优化,并分析了反应堆出口温度对优化结果的影响。结果表明：950?C、1000?C、1050?C三种反应堆出口温度下,建议的氦气分流比控制范围分别为0.031～0.750、0.112～0.750、0.181～0.750,对应的产氢率变化范围分别为17.4～295.6 mol·s^-1、61.4～298.0 mol·s^-1和96.5～299.8 mol·s^-1。     

新型甲醇重整–化学链氢电联产系统热力学分析

本文提出了一种新颖的甲醇重整–化学链发电制氢联产系统。该系统利用化学链燃烧氧化反应的显热给甲醇重整制氢部分提供反应热,充分利用了甲醇重整制氢的驰放气,同时实现了Fe_2O_3高温热的合理利用,使新系统内部能量品位的匹配变得更加合理。重整反应部分温度为250℃左右时,该新型联产系统的效率达到了61.8%,展现出了良好的热力学性能。本文对该系统进行了分析,并以常规制氢和化学链燃烧耦合发电系统为参照进行了对比,研究了其性能。新系统的效率较高,同时实现了CO_2的无能耗分离。     

超声波光生物制氢反应器启动及产氢特性

实验研究了超声波光生物制氢反应器的启动工艺以及反应器的产氢特性,探讨了超声时间和超声功率对反应器产氢性能的影响。超声波光生物反应器的启动实验进行了96 h,此时反应器光合细菌生物量和反应液pH值趋于稳定,启动完成。在系统稳定运行后,随着超声时间、超声功率的增大,超声波光生物制氢反应器的产氢速率和产氢得率呈先增加后降低的趋势,然而葡萄糖去除率却随着超声时间的增加而增大。     

室温合成非晶三硫化钼析氢催化剂的性能调制以及其在串联制氢器件中的应用

高催化活性、低成本、良好工艺兼容性以及高稳定性的析氢催化剂是实现一体化光电化学水解制氢器件的关键, 然而传统的贵金属催化剂由于储量稀缺、成本高昂而严重限制了光电化学水解制氢器件的产业化进程. 本文在室温下通过湿法化学合成法制备了高催化活性、成本低廉以及工艺兼容性好的非金属非晶三硫化钼析氢催化剂, 并研究了不同催化剂滴涂量对其催化活性以及串联制氢器件制氢性能的影响. 结果表明, 存在最优化非晶三硫化钼催化剂滴涂量以获得最佳催化活性(10 mA/cm²电流密度对应电势达260 mV vs. RHE(可逆氢电极), 塔菲尔斜率达68 mV/dec), 其粗糙表面以及多孔结构可获得更大的电化学接触面积以促进析氢反应. 进一步将其作为光阴极应用于串联制氢器件, 可有效降低过电势损失和提高光生电流密度输出, 与光阳极结合有望提高制氢效率.     

甲酸盐储氢载体制氢特性研究

基于甲酸盐–碳酸氢盐的可逆循环技术可实现一体化制氢-储氢,具有储运便捷、安全性高等显著优势。然而,该技术的推广应用受限于碳酸氢盐储氢量及甲酸盐放氢性能。本文对甲酸盐制氢催化剂开展深入探究,将Pd-M(M=Co, Cu, Ni)合金催化剂应用于反应体系中,并结合X射线衍射、透射电子显微镜等表征与性能测试,揭示催化剂结构与制氢性能之间的构效关系。本论文的研究成果可对甲酸盐制氢体系的推广和应用提供理论指导。     

固体氢在极端压强下的超导性能

氢元素在常压下具有最简单的晶体结构和物理性质。随着压强增加,氢单质发生相变,由绝缘体转变为金属,被称为金属氢。数值模拟表明,金属氢具有高温超导电性,因此,金属氢研究也被称为高压物理领域的“圣杯”课题。利用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,对固体氢在极端高压(0.5～5.0 TPa)下的结构和超导电性开展了系统研究。研究结果表明：固体氢的高压相变序列为I4₁/amd→oC12→cI16;对于同一种结构,随着压强增加,电声耦合系数减小,费米面处电子态密度减小,特征振动频率增加,超导转变温度发生小幅变化;在2.0 TPa压强下,固体氢的超导转变温度高达418 K(库伦赝势经验值μ^*=0.10)。研究工作将为金属氢及其超导电性的后续理论和实验研究提供参考。     

氢氘物态方程研究进展

针对近二十多年的氢氘物态方程理论研究工作进行了综述分析,结合本课题组改进的自由能模型、直接量子蒙特卡洛和量子分子动力学方法的模拟结果,对多个研究小组采用不同方法获得的氢氘宽区物态方程数据进行了定量评估分析。结果表明:在当前理论框架下,仅基于第一原理数值模拟得到的氢氘物态方程能够描述的热力学相空间有限;多模型集成的H-REOS.3数据库在105K以下温度与数值模拟结果的相对差别较大,且数据稀少,二者均不能满足工程应用需求。建议采用基于半经验模型的宽区域物态方程研究方法,即结合高精度的实验研究、数值模拟和解析模型,构建满足工程应用需求的氢氘宽区实用物态方程。     

蓄热式催化重整氢发生器的研究

本文提出了一种可用于内燃机的新的制氢方案。以往的研究者只关心一方面,主要研究催化重整制氢,或者是蓄热式换热等。蓄热式催化重整氢发生器是将这两点结合,即蜂窝状蓄热体与重整反应结合起来所设计的。它既有催化重整反应器的优势,又有蓄热体的优势,可以利用蓄热体的快速换热性质,快速地产生氢气,是一种新型氢发生器。     

氢氘物态方程研究进展北大核心CSCD

针对近二十多年的氢氘物态方程理论研究工作进行了综述分析,结合本课题组改进的自由能模型、直接量子蒙特卡洛和量子分子动力学方法的模拟结果,对多个研究小组采用不同方法获得的氢氘宽区物态方程数据进行了定量评估分析。结果表明:在当前理论框架下,仅基于第一原理数值模拟得到的氢氘物态方程能够描述的热力学相空间有限;多模型集成的H-REOS.3数据库在105K以下温度与数值模拟结果的相对差别较大,且数据稀少,二者均不能满足工程应用需求。建议采用基于半经验模型的宽区域物态方程研究方法,即结合高精度的实验研究、数值模拟和解析模型,构建满足工程应用需求的氢氘宽区实用物态方程。     

氢的高压奇异结构与金属化

在极端压缩状态下,氢呈现出丰富的物理及化学变化,其结构与相图揭示了凝聚态物质高压行为的典型特征,在天体物理和新材料研究中有重要应用。本文简要回顾了金属氢概念的提出,以及直至最近几年的研究进展,分析总结了高密度氢研究中的一些核心问题和发展态势。利用密度泛函理论计算和状态方程模型分析,综合探讨了氢在高压下复杂的原子结构、分子氢离解区域附近的复杂行为、金属氢的亚稳定性和可回收性,以及"DAC+冲击"加载方法在金属氢研究中的优势与不足等问题。结果表明:通过快速或缓慢的压力释放回收金属氢的高压相到常压是几乎不可能的;高压下氢的复杂行为给实验和理论研究带来了巨大挑战,特别是离解区域附近理论与理论、实验与实验、以及理论与实验之间的结果都存在巨大差异,暗示当前通用的实验测试方法和常用的多电子理论计算方法还存在很大的改进空间。     

固定化光合细菌光生物制氢填充床产氢特性研究

实验研究了凝胶材料制备的光合细菌包埋颗粒构成的光生物制氢填充床在连续操作条件下底物浓度、光照强度以及进口流量等参数影响下的产氢和降解有机物的性能.实验结果表明:填充床产氢速率和底物降解速率随进口葡萄糖浓度的增加而增大,且达到最佳的进口底物浓度后填充床产氢和底物降解速率呈下降趋势,表明光合细菌代谢底物为产氢提供还原力氢;光照强度低于光能饱和度时,随着光照强度的增大,产氢速率和底物降解速率呈递增趋势,光照强度超过光能饱和度则对填充床光合产氢和底物消耗产生明显抑制作用;进口流量较低时,随进口流量的增大,填充床产氢和底物降解速率明显增大,进口流量较高时,填充床产氢和底物降解速率趋于相对稳定.     

含碳能源直接制氢的热力学分析与实验研究

本文在对构建的含碳能源直接制氢体系进行热力学分析的基础上,建造了含碳能源直接制氢近零排放定容实验系统,并进行了不同参数下的实验研究。热力学分析表明本文构建的系统不仅存在合适的反应条件,而且在此反应条件下可以实现体系的热平衡。实验结果表明了该系统的可行性,实现了气态产物中氢含量大于80％,二氧化碳及一氧化碳含量均小于0.1％,达到了直接制氢和近零排放的目标。     

厌氧包埋细胞填充床反应器产氢特性实验

采用厌氧包埋细胞填充床反应器制氢技术,对反应器在不同的进口底物浓度与流量下产氢性能和底物降解特性,以及温度和pH值对产氢速率的影响进行了实验研究.结果表明:包埋颗粒填充床反应器受到流量和浓度的影响较大.结果表明反应器内最适产氢环境为温度35℃左右,pH为6.0,进口底物浓度为30 g/L.在上述条件下,当流量为0.000336m~3/h时,反应器有最高的产氢速率1.659 mmol/L/h.结果亦表明该产氢菌对以葡萄糖为碳源的底物降解效率较高.     

甲醇自热式耦合反应器集成方案的实验研究

为了解决重整器吸热的问题,将催化燃烧反应耦合在反应器内,重整反应的热量由燃烧反应供给,这种耦合反应器可以提高系统热效率。但是由于两种反应的化学反应速率不同,吸放热反应的匹配程度影响着制氢效率。加强过程耦合,研究催化燃烧腔与重整腔之间热量匹配才能制造出结构紧凑、能效高的集成反应器。针对这个问题,本文展开了相关实验研究,探究了两个反应腔在不同的流动方向以及催化燃烧腔不同的壁面涂覆方式下最佳的耦合方案,结果表明：无论选用哪种集成方式,应保证重整器前段的温度高,壁面温度均匀;其中,垂直布置方式具有较大的优势,产氢含量可以达到74%以上;当催化燃烧腔使用泡沫金属作为催化剂载体时产氢含量可以达到60%以上。     

重复频率电磁脉冲对氢闸流管栅极的触发干扰

针对重复频率电磁脉冲（EMP）干扰,以氢闸流管的栅极触发电路为研究对象,进行了氢闸流管悬置与共地两种不同的条件下氢闸流管第一栅极与第二栅极的电磁干扰研究。结果表明,两种条件下两个栅极均存在较强烈的电磁干扰,干扰主要来源于空间电磁辐射与共地耦合两个方面;针对重复频率EMP环境下氢闸流管触发的可靠性,分别进行了不同重复频率EMP数量与不同重复频率EMP时间间隔下氢闸流管的输出实验。结果表明,两种情况均对氢闸流管的触发产生影响,重复频率EMP数量增多与间隔减小均使氢闸流管误触发的可能性增大,对比理论分析与实验结果,认为该现象是由于重复频率EMP累积效应与重复频率EMP高频分量增强从而导致交互作用耦合增强所引起。     

太阳能甲醇重整制氢-发电联产系统

基于不同用能系统整合和能的综合梯级利用思路,研究提出一种新颖的太阳能甲醇重整制氢-发电联产系统.将太阳能甲醇重整制氢与发电有机整合,不仅合理地利用中低温太阳能,同时实现甲醇重整制氢弛放气的综合利用.新的联产系统具有优良的热力性能,化石能源的相对节能率达到29%,制氢单位能耗降低为0.85 GJ/GJ-H2.研究表明,减小能量转化传递过程的品位差和合理利用太阳能热是系统节能的关键所在.研究成果将为太阳能多功能能源系统发展提供新方案与新思路.     

道路热力融雪速率的试验测定及融雪过程动态特性

在寒冷冬季,西北高寒地区存在着降雪多且大、道路长期积冰(雪)等严重影响交通运输和经济发展的不利因素,如何高效、快速、环保地解决道路积冰(雪)的融化问题成为道路工程的研究热点。本文在自行搭建的道路热力融雪试验平台上,获得了道路热力融雪速率与表层温度的实验关联式,并建立热管-路基-积雪的道路实时融雪耦合仿真模型,通过对复杂结构形式及环境条件下,道路融雪系统的路面耦合传热规律的瞬态数值分析,获得了埋管深度、管道间距、加热温度、环境条件等对融雪总时间的影响规律,上述结论为高寒地区道路热力融雪的结构设计及热力优化提供了可靠的理论依据。     

化学势在钨表面氢平衡浓度计算中的应用

化学势是热力学与统计物理中重要的物理量,能够表征系统中粒子转移的趋势.本文以钨材料表面氢平衡浓度这一实际问题为例,在氢平衡浓度计算过程中逐步引入化学势的概念,通过分析环境氢分子系统和钨表面系统中氢化学势的变化,给出不同温度、压强下钨表面的氢平衡浓度.在热力学与统计物理教学中,通过平衡浓度的计算促进学生对于化学势等概念的...     

一种新型微镜式光纤氢传感器的研究

介绍了光纤氢传感器的应用背景和工作原理,分析了其中的微镜式传感器。针对在垂直入射、单次反射方式下工作的微镜式光纤氢传感器,提出了多次反射的传感器模型。从金属光反射模型出发,研究了入射角、反射次数对探测灵敏度的影响。论证了通过多次反射来提高传感器探测灵敏度的可行性。     

太阳能甲醇重整制氢过程催化剂颗粒床特性及综合性能数值分析

针对太阳能甲醇重整制氢系统的数值研究,以往受限于网格划分和计算资源,多采用假设均匀的多孔介质模型,但难以准确描述微观结构下的多组分热-质传输和化学反应过程。本文结合催化剂颗粒床模型和多孔介质模型各自优势,建立了基于实际催化剂颗粒床孔隙率分布的太阳能甲醇重整制氢系统三维综合数值模型,并将计算结果与传统模型进行对比,发现孔隙率分布对系统性能有着较大的影响,而本文所建的基于实际孔隙率分布的模型更接近于系统真实情况。基于此,本文进一步考察了催化剂颗粒尺寸和运行参数对整个系统流动传热和化学反应综合性能的影响规律。