含氢气体混合物的热扩散：在地下储氢中的应用

《Sustainable Energy & Fuels》：Thermal diffusion of hydrogen-containing gas mixtures: applications to underground hydrogen storage

地下氢气储存中氢气与甲烷的热扩散系数研究表明，α_T随氢摩尔分数（0.3-0.7）和温度（250-450K）升高而增大，需建立温度相关焓值修正模型以匹配实验数据，并发现添加二氧化碳等缓冲气体可提升混合均匀性。

　　

地下氢（H?）储存（UHS）的建模需要理解在储存过程中，含有H?的气体混合物在受到温度梯度和重力分离作用时接近局部平衡状态时的热力学特性。以往基于不可逆热力学的模型研究表明，有必要通过实验测量天然气中氢的热扩散行为，以更好地了解UHS过程中氢的组成与深度之间的关系。本研究对不同温度和成分条件下甲烷（CH?）中H?的热扩散进行了测量，并讨论了其对热力学建模的影响，同时也探讨了二氧化碳（CO?）等其他缓冲气体对此的影响。对于H?–CH?系统，研究发现热扩散系数（αT）随成分和温度的变化而变化，当H?摩尔分数在0.3–0.7之间时，αT的取值范围为0.22–0.36。在H?和CH?各占50%的固定成分条件下，当介质温度在250 K至450 K之间变化时，αT的取值范围为0.21至0.29。为了使模型与实验观测结果在恒定介质温度下保持一致，需要将CH?的参考理想气体焓设定为3.5 kJ mol?1，而将H?的参考理想气体焓设定为0 kJ mol?1。对于在不同介质温度下进行的实验，需要建立CH?的参考理想气体焓与介质温度偏离参考状态温度之间的关系，以便使模型能够准确反映实验数据。这些热力学因素的考虑使得H?与其缓冲气体的混合更加均匀，超出了之前的预期。未来对UHS运行的进一步研究可以包括考虑关井时间对生产周期中气体纯度的影响。