金属氢化物储氢罐中晶格结构的热管理优化研究：55%充电效率提升与温度均匀性调控

本研究针对金属氢化物(MH)储氢系统热传导效率低、充电时间长等瓶颈问题，创新性地采用晶格结构(lattice structure)优化设计。通过COMSOL Multiphysics? CFD模拟证实，晶格结构使储氢罐充电时间缩短55%至700秒，同时实现更均匀的温度分布，虽牺牲4.96%储氢容量，但为车载储氢系统热管理提供了新思路。

　　

在全球能源转型背景下，氢能作为零碳能源载体备受关注，但储氢技术仍是制约其发展的关键瓶颈。传统高压气态储氢需700巴以上压力，液态储氢则需-253°C超低温，均存在安全隐患和能耗过高问题。金属氢化物(Metal Hydride, MH)固态储氢虽能在近常温常压下工作，却因材料固有特性面临两大挑战：一是MH床层有效热导率(Effective Thermal Conductivity, ETC)仅0.1-0.3 W/(m·K)，远低于理想值2 W/(m·K)；二是氢化反应放热导致温度梯度，使充电时间延长至1561秒，难以满足车载应用需求。

为突破这些限制，法国勃艮第-弗朗什孔泰大区支持的研究团队创新性地将增材制造的晶格结构(lattice structure)引入MH储氢罐设计。通过COMSOL Multiphysics?构建三维模型，对比分析传统结构与晶格结构储氢罐的性能差异。研究发现，晶格结构通过增大换热面积和优化流体路径，使充电时间从1561秒锐减至700秒，降幅达55%。温度场模拟显示，晶格结构使罐内最大温差从无结构时的14.3°C降至5.1°C，显著改善温度均匀性。这种改进源于晶格结构双重作用：既作为导热骨架提升整体ETC，又通过湍流增强效应使冷却水换热系数接近理想值1000-1200 W/(m²·K)。值得注意的是，这种热管理优化以4.96%的储氢容量损失为代价，因晶格结构占据了部分MH填充空间。

研究采用多物理场耦合建模方法，主要技术包括：(1)基于实际几何尺寸构建三维CFD模型，包含铝制罐体、中央冷却水管和氢气流道；(2)设置边界条件模拟2 MPa氢压环境；(3)通过瞬态分析追踪2000秒内温度场和氢浓度场演变；(4)使用MATLAB?进行数据后处理。

Mathematical modeling
建立12 cm长、4 cm半径的圆柱形MH罐模型，中央布置冷却水管，顶部设氢气入口。晶格结构与冷却水管直接接触，采用铝材质以兼顾导热性和轻量化需求。

Results and discussion
关键发现包括：① 晶格结构使70%氢化时间从1050秒缩短至450秒；② 温度标准差从4.7°C降至1.8°C，证明热均匀性提升；③ 冷却水出口温度曲线显示，晶格结构使换热效率提升2.3倍；④ 储氢容量从2.15 wt%降至2.04 wt%，验证了"容量-速度"的权衡关系。

Conclusions
该研究证实晶格结构可有效解决MH储氢系统的热管理难题。Andrea Ambrosino等学者指出，这种设计特别适合需要快速加氢的车载场景，虽然轻微牺牲储氢容量，但通过55%的充电加速显著提升实用性。研究为下一代储氢设备开发提供了新思路：未来可探索梯度孔隙晶格或复合相变材料(PCM)以进一步优化性能。

这项发表于《Journal of Energy Storage》的成果，标志着固态储氢技术向工程化应用迈出重要一步。正如Daniel Hissel等作者强调的，晶格结构的模块化特性使其易于适配不同规模储氢系统，而增材制造技术则为复杂结构的精确制备提供了可能。该研究不仅为氢能汽车储氢瓶颈提供解决方案，其热管理策略对燃料电池(PEMFC)热回收系统设计也有借鉴价值。