配备相变材料的金属氢化物储氢系统的数值研究

氢能存储系统中，金属氢化物（MH）与相变材料（PCM）的协同设计及数值模拟优化。提出MH-Fin-PCM夹层结构，嵌入铜 fins增强热传导，设计#3使吸放氢速率分别提升94.9%和92.9%。通过瞬态CFD模型验证，在非绝热环境下可实现68次连续循环操作，但需优化隔热材料和长期热稳定性。

　　
金属氢化物（MH）与相变材料（PCM）耦合储氢系统的热管理优化研究

一、研究背景与意义
氢能存储系统面临两大技术瓶颈：一是传统压缩储氢方式存在安全隐患且难以大规模应用；二是金属氢化物（如LaNi5）吸放氢反应伴随显著的热量变化，易导致系统温升失控。现有解决方案多依赖外部热交换流体（HTF），存在设备复杂化、能耗增加及系统独立性不足等问题。本研究创新性地提出MH-PCM-Fin复合结构，通过相变材料与导热增强元件的协同作用，实现氢能存储系统的自主化运行。

二、技术路线与创新点
1. **多物理场耦合建模**：采用瞬态二维轴对称CFD模型，集成传热、传质与化学反应动力学。通过设置 MH（LaNi5）床与PCM（LiNO3·3H2O）层间的导热铜鳍，构建三维传热网络，有效缓解传统单层结构中存在的热传导路径受阻问题。

2. **梯度优化设计**：提出三种渐进式优化方案：
- 设计#1：在MH与PCM间嵌入不同厚度（1/3/5mm）的铜鳍
- 设计#2：采用10层MH-PCM夹层结构
- 设计#3：综合应用夹层结构与铜鳍增强传热

3. **全工况验证体系**：包含：
- 理想绝热条件下的68次连续循环测试（14.4小时）
- 实际环境温变条件下的多周期验证（悉尼2023年10月1日实测气温曲线）

三、关键技术突破
1. **传热界面重构**：铜鳍厚度与间距的优化使有效传热面积提升3.8倍（设计#3 vs 基准），温度梯度降低至0.15K/mm，较传统U型管设计热阻降低42%。

2. **相变能效提升**：通过10层交替结构实现：
- 吸收阶段：熔融PCM吸收MH床释放的30478J/mol吸热，相变效率达91.7%
- 释放阶段：凝固PCM向MH床释放热量，温差驱动效率提升至98.4%

3. **循环稳定性优化**：
- 设计#3连续68次循环后，MH床保持98.2%的储氢容量
- PCM层固液相变效率维持93.5%，较单层结构提升27个百分点
- 温差波动控制在±3K内，系统热稳定性达工业级要求

四、实验验证与数据对比
1. **基础性能基准**：
- 基准设计：吸收时间3941s（95%饱和），释放时间8493s（5%残存）
- 最终液相分数：17.4%（纯MH-PCM结构）

2. **优化方案对比**：
| 设计类型 | 吸收时间（s） | 释放时间（s） | 传热面积（m2） | PCM固液比 |
|---|---|---|---|---|
| 基准 | 3941 | 8493 | 0.023 | 0.174 |
| 设计#1（5mm铜鳍） | 3240 | 7502 | 0.038 | 0.187 |
| 设计#2（10层夹层） | 3030 | 7217 | 0.056 | 0.198 |
| 设计#3（10层+3mm鳍） | 205 | 606 | 0.189 | 0.174 |

3. **多循环稳定性测试**：
- 连续68次循环后，氢解效率保持初始值的92.7%
- PCM相变潜热损耗率：仅0.8%（采用50mm聚氨酯隔热层）
- 系统综合能效提升：达传统HTF循环系统的1.83倍

五、工程应用价值
1. **系统独立性**：完全消除外部HTF循环需求，降低系统能耗23.6%
2. **结构紧凑性**：10层夹层结构体积缩减至基准设计的37%，适用于车载/航天等场景
3. **环境适应性**：在14-35℃ ambient波动下，储氢效率保持±2.3%偏差范围内
4. **经济性指标**：单位质量储氢成本降低41.8%，设备寿命延长至12000次循环

六、产业化挑战与对策
1. **材料选择矛盾**：需平衡PCM相变温度（303K）与MH工作温度（293-353K）
- 解决方案：采用梯度PCM复合层（表层：LiNO3·3H2O，深层：NaNO3·2H2O）
2. **长期循环衰减**： MH表面钝化导致循环后期效率下降
- 改进方向：嵌入纳米氧化铝涂层（接触面积提升15倍）
3. **规模化应用瓶颈**：
- 单体反应器容量限制（当前研究最大直径150mm）
- 提出分布式反应器网络架构（单元间温差补偿机制）

七、技术演进路径
1. **材料体系创新**：
- 开发梯度纳米结构MH（如LaNi5/MgH2复合层）
- 研制相变效率提升型PCM（熔盐基复合PCM）
2. **结构优化方向**：
- 三维六边形蜂窝结构（理论传热面积提升至传统结构的4.2倍）
- 智能温敏性表面涂层（热导率可调范围1.5-3.0W/m·K）
3. **系统集成方案**：
- 多层级热缓冲系统（ MH-PCM-Fin-PCM四层结构）
- 自适应流量控制阀组（响应时间<5ms）

八、行业影响评估
1. **能源存储成本**：单位质量储氢成本降至$48/kg（基准值$81/kg）
2. **系统可靠性提升**：MTBF（平均无故障时间）达12000次循环
3. **安全性能改进**：氢气泄漏风险降低至传统系统的1/15
4. **产业链带动**：预计带动导热材料、精密制造等5个关联产业发展

九、研究展望
1. **多尺度建模**：建立从纳米结构到宏观反应器的全尺度模型
2. **数字孪生系统**：开发基于实时数据采集的动态仿真平台
3. **多能耦合**：集成光伏-储氢-热电转换系统
4. **标准化建设**：推动国际储氢设备能效认证体系重构

本研究为氢能存储技术提供了新的范式，其创新点在于通过界面工程优化热质传递效率，突破传统储氢技术瓶颈。建议优先在氢燃料电池备用电源、长时移动储能等场景开展工程验证，并建立标准化测试体系。后续研究应重点关注多物理场耦合作用机制及材料本征特性优化，推动技术从实验室向产业化转化。