基于金属氢化物的液氢蒸发气体回收系统概念设计：提升可持续航空氢能效率新策略

《The Aeronautical Journal》：Conceptual design of a metal hydride system for the recovery of gaseous hydrogen boil-off losses from LH2 tanks

本刊推荐：为解决液氢(LH2)储运过程中蒸发气体(BOG)排放导致的能源损失和安全风险问题，德国宇航中心团队开展了金属氢化物(MH)回收系统的概念设计研究。研究提出了基于可交换MH罐体的BOG捕获-存储-再利用方案，通过热管理系统(TMS)实现氢气的低温吸收和废热驱动释放。该设计突破了传统管道回收的基建限制，为氢能机场提供了紧凑高效的BOG处理新范式。

　　

随着全球航空业加速推进脱碳进程，液氢(LH₂)因其零碳排放特性成为最具潜力的替代燃料。然而，液氢在-253°C的超低温储存中会持续吸收环境热量产生蒸发气体(BOG)，传统泄压处理不仅造成15%的燃料损失，更会带来机场安全风险。如何高效回收这些"逃逸"的氢气，成为氢能航空商业化必须攻克的技术瓶颈。

德国宇航中心(DLR)的F.Franke和S.Kazula在《The Aeronautical Journal》发表研究，提出了一种基于金属氢化物(MH)的创新型BOG回收系统。该设计巧妙利用MH材料独特的化学吸附特性，将低温低压的BOG转化为稳定安全的固态存储形式，再通过燃料电池(FC)废热触发氢气释放，实现能源的闭环利用。这种"变废为宝"的技术路径，为氢能机场建设提供了基础设施依赖度低的解决方案。

研究团队采用系统工程方法，遵循VDI 2221设计准则展开概念设计。通过建立功能结构树明确系统需求，重点突破热管理接口、罐体构型和物流方案三大技术模块。针对LaNi_4.6Al_0.4合金材料的特性，推导出单个罐体2kg储氢容量和30分钟吸收时间的核心参数。通过热力学计算验证了液冷方案在20kW热功率下的可行性，并创新提出棱柱形罐体设计以平衡存储密度与热传导效率。

关键实验技术方法包括：基于氢化物平衡压力-温度曲线的热力学分析、针对不同BOG产生场景（加注过程/停场蒸发）的差异化热管理策略（强制液冷/自然对流）、模块化罐体的接口标准化设计，以及基于机场实际运营数据的容量规划（如加油车集成方案需处理13.5-32.5kg BOG）。

4.1 需求分析

基于LaNi_4.6Al_0.4合金1.3wt%储氢容量，计算出单个300kg罐体可实现2kg氢存储。通过堆积密度60%和材料密度7.44kg/L参数，确定罐体有效容积为35L，奠定系统紧凑化设计基础。

4.2 功能结构树

研究建立的功能结构树揭示系统需实现BOG捕获、氢化物存储、热管理、氢气释放四大核心功能，其中热管理子系统对反应速率起决定性作用。

4.3 工作原理创新

4.3.1 接口设计：提出三种热传输流体(HTF)方案，通过总传热系数U_total计算证明液冷方案在ΔT=5K时仅需空气方案1/200的传热面积，特别适用于加注过程的高BOG流量场景。

4.3.2 罐体构型：对比圆柱形、环形和棱柱形设计后，优选棱柱形方案因其堆叠优势和平整外表面便于附加散热鳍片。通过降低氢化物材料行程距离s_MH和添加膨胀石墨，同步优化热传导和材料膨胀应力问题。

4.3.3 物流方案：创新提出"移动捕获+固定缓冲"模式，通过可交换罐体实现飞机、加油车、地面设施间的氢能流转。利用LH2拖车27吨的载重余量（较化石燃料拖车轻7吨），为车载集成提供可能。

4.4 系统集成方案

最终方案采用混合热管理策略：高流量场景（如加注过程）采用加油车集成式液冷，低流量场景（如停场蒸发）采用自带鳍片的自然冷却。通过缓冲仓库与氢气管网联通，实现供需平衡调节和再液化功能。

研究结论表明，该概念设计成功突破现有MH技术的应用局限：通过标准化罐体实现跨部门氢能流转（飞机→地面车辆）、适配不同压力水平的BOG源与用户、依托移动式存储消解基建依赖。特别是将飞机休眠时间要求与地面回收能力解耦，可降低机载储罐隔热要求，带来显著的重量收益。讨论部分指出，下一步需通过小规模示范验证技术可行性，并建议将应用场景拓展至海事、汽车等领域。这项研究为氢能航空基础设施提供关键技术支持，使液氢供应链的整体效率提升成为可能。