Experimental and numerical study of magnesium hydride tanks
Etude expérimentale et numérique de réservoirs d?hydrure de magnésium
Résumé
The target of this thesis was to study the feasibility of solid hydrogen storage in magnesium hydride (MgH2).
At first, kinetic, thermodynamic and thermal properties of activated MgH2 powder have been investigated. Powders sorption kinetics are very sensitive to air exposure.
The heat released by the very exothermic absorption reaction needs to be removed to load a tank with hydrogen in a reasonable time. In order to increase the thermal conductivity, a compression process of the material with expanded natural graphite (ENG) has been developed. Owing to that process, tough and drillable disks of MgH2 can be obtained with a reduced porosity and twice the volumetric storage capacity of the free powder bed. Handling those disks is easier and safer.
Heat and mass transfer analysis has been carried out with a first small capacity tank (90 Nl), which is adapted to different experimental configurations. A second tank has been designed to fit disks of "MgH2 + ENG". This tank can absorbed 1200 Nl (105 g H.) in 45 minutes, with a volumetric storage density equivalent to 480 bar compressed hydrogen.
At the same time, a numerical modeling of MgH2 tanks has been achieved with Fluent® software. Numerical simulations of sorption process fit experiments and can be used for a better understanding of the storage material thermal and chemical behavior.
At first, kinetic, thermodynamic and thermal properties of activated MgH2 powder have been investigated. Powders sorption kinetics are very sensitive to air exposure.
The heat released by the very exothermic absorption reaction needs to be removed to load a tank with hydrogen in a reasonable time. In order to increase the thermal conductivity, a compression process of the material with expanded natural graphite (ENG) has been developed. Owing to that process, tough and drillable disks of MgH2 can be obtained with a reduced porosity and twice the volumetric storage capacity of the free powder bed. Handling those disks is easier and safer.
Heat and mass transfer analysis has been carried out with a first small capacity tank (90 Nl), which is adapted to different experimental configurations. A second tank has been designed to fit disks of "MgH2 + ENG". This tank can absorbed 1200 Nl (105 g H.) in 45 minutes, with a volumetric storage density equivalent to 480 bar compressed hydrogen.
At the same time, a numerical modeling of MgH2 tanks has been achieved with Fluent® software. Numerical simulations of sorption process fit experiments and can be used for a better understanding of the storage material thermal and chemical behavior.
L'objectif de la thèse était d'étudier la faisabilité du stockage solide de l'hydrogène sous forme d'hydrure de magnésium (MgH2).
Dans un premier temps la poudre de MgH2 activé a été caractérisée d'un point de vue cinétique, thermodynamique, et thermique. Les cinétiques d'absorption / désorption de l'hydrogène s'avèrent très sensibles à une exposition des poudres à l'air.
La réaction d'hydruration, très exothermique, nécessite d'évacuer très rapidement la chaleur pour charger un réservoir dans un temps raisonnable. Afin d'augmenter la conductivité thermique, un procédé de mise en forme du matériau avec ajout de graphite naturel expansé (GNE) a été développé. Cette mise en forme permet d'obtenir des disques solides et usinables d'MgH2 activé de porosité réduite, présentant une densité volumique de stockage deux fois plus élevée que la poudre libre, et dont la manipulation est plus facile et sûre.
L'analyse du comportement thermique et des flux gazeux a d'abord été menée avec un réservoir de faible capacité (90 Nl d'H2) mais permettant de s'adapter à des configurations expérimentales variées. Un second réservoir a été conçu pour répondre aux spécificités des composites "MgH2 + GNE". Ce réservoir permet d'absorber 1200 Nl (105 g d'H.) en 45 minutes, avec une densité volumique système équivalente à celle d'une bouteille d'hydrogène comprimé à 480 bars.
Simultanément, un modèle numérique du comportement des réservoirs de MgH2 a été développé à l'aide du logiciel Fluent®. Les simulations numériques des chargements et des déchargements concordent avec l'expérience et expliquent le comportement réactionnel du matériau.
Dans un premier temps la poudre de MgH2 activé a été caractérisée d'un point de vue cinétique, thermodynamique, et thermique. Les cinétiques d'absorption / désorption de l'hydrogène s'avèrent très sensibles à une exposition des poudres à l'air.
La réaction d'hydruration, très exothermique, nécessite d'évacuer très rapidement la chaleur pour charger un réservoir dans un temps raisonnable. Afin d'augmenter la conductivité thermique, un procédé de mise en forme du matériau avec ajout de graphite naturel expansé (GNE) a été développé. Cette mise en forme permet d'obtenir des disques solides et usinables d'MgH2 activé de porosité réduite, présentant une densité volumique de stockage deux fois plus élevée que la poudre libre, et dont la manipulation est plus facile et sûre.
L'analyse du comportement thermique et des flux gazeux a d'abord été menée avec un réservoir de faible capacité (90 Nl d'H2) mais permettant de s'adapter à des configurations expérimentales variées. Un second réservoir a été conçu pour répondre aux spécificités des composites "MgH2 + GNE". Ce réservoir permet d'absorber 1200 Nl (105 g d'H.) en 45 minutes, avec une densité volumique système équivalente à celle d'une bouteille d'hydrogène comprimé à 480 bars.
Simultanément, un modèle numérique du comportement des réservoirs de MgH2 a été développé à l'aide du logiciel Fluent®. Les simulations numériques des chargements et des déchargements concordent avec l'expérience et expliquent le comportement réactionnel du matériau.
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