镁基合金储氢反应器结构与运行参数优化显著提升吸氢性能

针对镁基合金储氢反应器(MH reactor)吸氢过程中放热导致性能下降的问题，研究人员通过设计螺旋翅片换热结构(5ST-SFR)，结合氢压、温度、流体速度参数优化，使吸氢时间缩短27.5%，换热流体质量流量降低47.6%，为大规模固态储氢技术提供重要技术支撑。

　　

氢能因其清洁高效特性被视为未来能源体系的核心，但大规模储运技术仍是瓶颈。传统高压气态储氢能耗高且危险，液态储氢需超低温环境，而镁基合金凭借高储氢密度(7.6 wt%)和常温安全性成为理想选择。然而Mg₉₂Ni₄La₁Mn₃等合金吸氢时剧烈放热（焓变ΔH达-74.5 kJ/mol H₂），导致床层温度上升、平衡压力升高，严重制约反应速率。华北电力大学团队在《Progress in Natural Science: Materials International》发表研究，通过创新反应器结构设计与多参数优化，突破镁基储氢工程化应用的关键技术障碍。

研究采用感应熔炼法制备Mg₉₂Ni₄La₁Mn₃合金，通过PCT（压力-组成-温度）测试建立动力学模型，结合计算流体力学模拟对比直管、螺旋翅片等换热结构性能。最终构建含5根换热管与螺旋翅片的5ST-SFR三维模型，系统考察氢压(2.0 MPa)、初始温度(513 K)、换热流体(HTF)流速(2.0 m/s)等参数影响。

【氢存储性能测试】
通过573-633K温度区间的PCT曲线测定，结合van't Hoff方程拟合，证实La/Ni/Mn多元合金化使平台压力降低15%，滞后系数缩小至1.08，显著改善Mg基合金热力学性能。

【反应器结构优化】
对比直管+垂直翅片(ST-VFR)、直管+螺旋翅片(ST-SFR)、直管+环形翅片(ST-RFR)三种结构，发现ST-SFR因二次环流效应使换热面积增加37%，床层最高温度降低19.2K，吸氢速率提升31%。

【参数敏感性分析】
当氢压从1.0 MPa提升至2.0 MPa时，t_95%（95%吸氢时间）缩短42%；HTF流速超过2.0 m/s后出现传热"饱和效应"；初始温度513K时反应动力学与热力学达到最佳平衡。

【5ST-SFR性能验证】
优化后的5管螺旋翅片结构使t_95%降至260.3秒，较基础5ST-R结构提升27.5%，同时HTF质量流量需求减少47.6%。床层温度场模拟显示螺旋翅片使径向温差缩小至8.4K，显著优于传统结构的23.7K。

该研究通过多尺度优化策略，首次实现镁基储氢反应器传热-传质协同强化。Gaowei Li等建立的数学模型证实螺旋翅片产生的涡流可破坏热边界层，使Nu数(Nusselt number)提升2.1倍。Ying Wu团队指出该设计使大型反应器（>50kg合金）的工程放大成为可能，为氢能运输车辆、分布式储能等场景提供关键技术方案。研究同时揭示Mg基合金在513-633K温区的特殊动力学规律，填补高温数值模拟研究空白。未来需进一步研究循环稳定性与成本控制，推动该技术走向商业化应用。