微米铜粉增强多螺旋AB5 储氢反应器的实验研究：挑战与优化设计路径

本研究针对金属氢化物储氢系统中热管理效率低的核心问题，创新设计了四螺旋铜管结构的AB5 基储氢反应器，并首次引入3%微米铜粉（5 μm）作为导热增强材料。实验表明，该策略使吸氢时间缩短27.37%，热功率提升43.4%，且保持0.65的重量比。通过数值模拟验证的改进设计进一步将体积储氢密度提高6.35%，为清洁能源存储系统提供了经济高效的解决方案。

　　

随着氢能成为清洁能源技术的关键载体，金属氢化物固态储氢因其高体积密度和安全性备受关注。然而，AB₅
型合金（如LaNi₅
）在吸放氢过程中的热管理难题长期制约其实际应用——反应放热导致局部过热，不仅降低储氢效率，还可能损害材料寿命。尽管已有研究尝试通过螺旋管换热器或添加膨胀石墨（ENG）等材料改善导热性能，但现有设计普遍存在重量比（反应器自重与储氢质量比）过高、换热效率不足等问题。更棘手的是，传统焊接式反应器一旦内部滤网失效便会整体报废，而大直径单螺旋管（>4 mm）又难以实现均匀温度分布。

针对这些挑战，来自国家研究基金会资助项目团队的研究人员基于前期多目标优化成果，开发了全球首个四螺旋铜管结构的AB₅
储氢反应器，并通过掺入微米级铜粉开创性提升热传导性能。这项发表于《International Journal of Hydrogen Energy》的研究，通过实验与数值模拟结合，证实该设计在25 bar、298 K条件下实现25.81 kg_H
/m³
体积储氢密度，更突破性地将热功率提升至164.65 W/kg_h
，为同类装置树立了新标杆。

研究采用三项关键技术：1）多目标优化指导的四螺旋铜管（4×1.6 mm）反应器设计；2）3 wt%微米铜粉（5 μm）与LaNi₅
合金的复合床层制备；3）基于实验数据的计算流体动力学（CFD）模型验证与改进设计预测。

Novel multi-helical tube configured hydrogen storage reactor
通过优化设计的四螺旋铜管反应器，其0.65的重量比显著优于传统结构。自由膨胀体积达30.84%的设计，使5 kg LaNi₅
填充量下仍保持结构稳定性。独特的可拆卸氢滤网设计解决了焊接式反应器不可维修的痛点。

Experimental findings
掺入3%铜粉使吸氢时间从1582秒缩短至1149秒，热功率跃升43.4%。在40 bar、293 K条件下，第三活化循环实现1.43 wt%储氢容量。特别值得注意的是，铜粉增强使热提取效率提升5-6%，且所有实验案例均保持重量比不变。

Computational thermal modeling
数值模拟与实验结果偏差<8%，验证模型可靠性。改进设计预测显示，15 kg和25 kg级放大系统可分别实现27.69%重量比优化和20.87%热功率提升。

Application: hybrid thermal energy storage in low-temperature applications
将反应热用于加热4.96 L水至343 K的模拟显示，10000次循环的平准化能源成本仅0.26美元/kWh，为住宅热水系统提供商业化可能。

Decisive outcomes
该研究突破性地证明：微米铜粉是迄今最经济高效的导热增强材料，其43-58%的热功率提升幅度远超金属泡沫等传统方案。改进设计通过优化螺旋管布局，在保持吸氢时间减少13.65%的同时，使体积储氢密度提升6.35%，为下一代储氢系统设立性能基准。

这项工作的核心价值在于：首次将螺旋管几何优化与微米材料增强相结合，既解决了AB₅
合金热管理的关键科学问题，又通过可量产的设计方案推动氢能存储技术向实用化迈进。特别是铜粉增强策略，以不足5%的成本增幅实现性能飞跃，对发展中国家清洁能源转型具有特殊意义。