翅片式镁基固态储氢罐的传热与传质及结构优化

《Journal of Energy Storage》：Heat and mass transfer and structural optimization of finned magnesium-based solid-state hydrogen storage tanks

　　

• 构建了固态储氢反应器的多物理场模型 • 翅片-泡沫金属策略提升镁基储氢罐的传热和吸氢性能 • 通过田口-方差分析方法实现多参数优化 • 确定了结构设计中的关键吸氢影响因素 • 所提结构展现出优异的工程适用性

引言

随着煤、石油和天然气等不可再生化石燃料的加速消耗，全球能源危机日益凸显。当前研究重点倾向于风能、太阳能和潮汐能等可再生能源，而非核能或热核聚变能，主要旨在实现安全清洁的能源利用[1]，[2]。清洁可再生能源已成为未来技术发展的关键方向。然而，太阳能和风能等典型可再生能源的空间随机性和间歇性构成了其发展的重大制约，使其并网接入面临挑战。储能技术能够将太阳能等可再生能源储存起来以便在需要时使用，从而有效解决可再生能源固有的随机性和间歇性问题。此外，这些技术为提高电力系统性能和实现供需平衡提供了重要手段[3]。

作为清洁的二次能源，氢气具有诸多优势，包括高质量能量密度、无毒、零排放和可再生性[4]，[5]，[6]。氢能储能够克服太阳能和风能固有的随机性和间歇性，同时确保储存过程完全无污染[6]。与其他储能技术相比，氢能展现出与电力系统更强的兼容性，解决了可再生能源电力的储存难题，能够实现大规模、长时和跨季节储能，促进了可再生能源作为低碳电源融入新型电力系统，使氢能成为最具前景且发展潜力巨大的储能解决方案[7]，[8]，[9]，[10]。

氢气在标准温度和压力下密度极低。因此，尽管其质量能量密度极高，但体积能量密度仍然很低，这是制约其广泛应用的主要因素。主要解决方案包括高压气态储氢技术，将氢气压缩储存于高压容器中[11]，[12]，[13]；低温液态储氢技术，将氢气液化在超低温下储存[14]，[15]，[16]；以及金属氢化物储氢技术，通过化学吸收将氢原子固定在金属中。这三种储氢方式各有优缺点。高压气态储氢技术较为成熟但存在安全隐患，具有一定的危险性且体积储存密度有限。低温液态储氢需要维持低温条件，能耗高且易蒸发[17]。金属氢化物储氢技术工作压力低、体积储存密度高、氢吸收和释放可逆、操作简便且安全性优异[18]，[19]。此外，热管理性能是决定储氢系统功率密度、循环稳定性和运行安全性的共同关键因素。考虑到不同储氢方法的热物性特征和反应热效应，设计合适的传热强化结构、优化温度场分布以及调控热流路径已成为储氢技术研究的关键领域和工程优化的核心焦点[20]，[21]。在储氢材料中，镁基材料因其高储氢容量而被认为最具大规模应用潜力。特别是，与纯镁和其他常见镁基复合材料相比，Mg?Ni相在焓变和平衡压力方面更适合工程应用：从热力学角度看，MgH?的焓为74-76 kJ/mol H?，平衡温度约为350°C；而Mg?Ni的焓为63-65 kJ/mol H?，反应温度低于300°C。从动力学角度看，纯镁中氢扩散的活化能为120-160 kJ/mol，远高于Mg?Ni的49.7 kJ/mol。在循环性能方面，纯镁在100次循环后容量下降超过20%，而Mg?Ni结构稳定，几乎没有容量损失。Mg?Ni的循环稳定性使其特别适合用于设计需要长期重复运行的储氢反应器。

常见的金属氢化物储氢罐结构主要包括管式反应器、盘式反应器和罐式反应器。罐式反应器容量较大，是目前最普及的储氢反应器，但其较差的传热性能使得结构设计优化成为重要的研究方向。鉴于实验条件的局限性，数值模拟在为更复杂工况和结构提供设计细节和适当参数方面具有明显优势。在先前的研究中，已建立并验证了金属氢化物的反应方程，证实了气相能量方程中若干假设的有效性，即忽略对流项并假设局部气体温度等于床层温度[22]，[23]。这些结论已广泛应用于相关研究中。

换热器结构可基于传热机制分为冷却管式或翅片式。其基本目的通过增大散热结构与反应床之间的接触面积来优化储氢罐设计。冷却管传热通常通过直管式和螺旋管式配置实现。Eisapour等人[24]提出了一种由螺旋盘管和中心回管组成的新型换热结构；结果表明，增加中心回管使吸氢时间减少了24%。Lin等人[25]将多直管换热器引入储氢罐中，模拟表明当油流速小于或等于4 m/s时，放氢速率随流速升高显著增加；但当油流速超过4 m/s时，增加速率放缓。在散热翅片的结构设计方面，最简单且最常见的方案是在反应器内部引入径向盘状翅片或轴向翅片。Wang等人[26]通过模拟对比了优化翅片、线性锥形翅片和等厚翅片，结果显示优化翅片的传热性能最佳，使氢化时间减少了23%。Parida等人[27]利用数值模拟对比了纵向翅片、横向翅片和螺旋翅片，发现纵向翅片在吸氢初期提供了更好的传热强化效果，而横向翅片在放氢阶段表现更优；但随着时间推移，三种翅片结构在不同操作温度下性能趋于收敛。Chang等人[28]提出了一种多螺旋翅片金属氢化物反应器；数值模拟优化表明，采用八个翅片、单螺旋盘管和1 mm厚度时可实现最佳传热性能。He等人[29]采用拓扑优化设计了一种新型纵向翅片，结果表明拓扑优化翅片的传热均匀性优于传统矩形翅片。这些配置通过增大传热面积实现了优异的传热性能。其他研究者则在自然界中寻求高效传热结构，设计了仿生翅片，如叶脉[30]和蜂窝图案[31]，[32]等模型。研究表明，这些仿生翅片形状比传统几何形状翅片散热更有效。简单地添加翅片可以显著增强罐内散热，但增加翅片数量会减少罐内金属氢化物的质量。

为了解决翅片式反应器中传热与储存密度之间的权衡问题，金属泡沫被提出作为同时强化传热和保留容量的先进结构。Xu等人[33]研究了梯度泡沫金属在固态储氢过程中的作用，将低孔隙率泡沫金属添加到传热差和反应慢的区域，以增加金属含量并提高热导率。Bai等人[34]使用遗传算法优化了泡沫金属的孔分布、体积分数和分层结构，优化后的梯度泡沫金属显著降低了床层热阻。Ferekh等人[35]对比研究了翅片式和泡沫金属式储氢床，结果表明与翅片相比，泡沫金属能更均匀地提高床层的等效热导率。

综上所述，储氢反应器热管理结构设计和传热增强方法已成为该领域的关键研究方向[22]，[36]。现有研究尝试通过向反应器中集成传热结构或将储氢材料嵌入梯度泡沫金属来增强金属氢化物反应器的传热性能，但大多数研究主要侧重于传热强化，忽略了泡沫金属对氢气质量传递的贡献，未能实现传热和传质的协同优化。本文建立了金属氢化物反应器的三维传热和传质模型，并设计了侧壁翅片与环形泡沫金属结合的传热结构。该结构采用分区布置，实现传热和传质过程的同时增强。与传统翅片-泡沫或多孔插入式结构相比，该结构利用侧壁翅片建立高效的径向传热通道，并在中心区域布置环形泡沫金属，兼具促进径向传热和作为氢气扩散通道的双重作用，克服了全区域泡沫填充导致的储氢容量降低和纯翅片结构传质能力不足的双重问题。侧壁翅片可使用渐进模具在一次操作中完成翻边和冲孔，整体装配复杂度相对较低，这不仅保证了制造可行性，还增强了反应床的整体性能。

章节片段

几何模型

本研究考察的储氢罐为充满Mg?Ni储氢合金的圆柱形容器。其基本结构由外圆柱体和顶部法兰组成，如图1所示。储氢罐半径R = 20 mm，高度H = 250 mm，顶部设有直径5 mm的氢气入口通道。在储氢罐入口放置一层金属泡沫，以确保氢气进入时均匀分散，从而促进轴向均匀渗透。

不同结构的吸氢性能对比

图4展示了原始模型和三种结构设计在吸氢过程中罐内平均温度和吸氢反应分数随时间的变化。图4(a)表明，对于所有四种结构，反应开始时罐内平均温度呈快速上升趋势，达到峰值后逐渐降低至初始温度。这一行为源于初始阶段的剧烈反应释放热量。

结论

吸氢过程中的传热不足和热量积聚是镁基固态储氢材料的关键瓶颈。本研究通过创新的结构设计和系统参数优化，有效克服了传统反应器的传热局限，显著提升了储氢罐的整体传热传质性能和运行安全性。

本研究设计并对比了传统翅片式...

CRediT作者贡献声明

Wenjie Song：撰写–审阅与编辑，监督，获取经费。Zhengpeng Yin：撰写–原稿，软件，方法学，数据整理。Feng Wu：撰写–审阅与编辑。Yuzhi Li：撰写–审阅与编辑，监督。Yuejin Yuan：撰写–审阅与编辑，概念化。Xuebin Yu：撰写–审阅与编辑。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的可能影响本文所述工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究得到国家自然科学基金（52201265）、陕西省重点研发计划（科技创新引导专项，2024ZC-YYDP-29；核心关键技术攻关项目，2024CY2-GJHX-02；秦创源'科学家+工程师'团队，2023KXJ-060）以及陕西省海外引进人才科技活动选择性资助方案（2024011）的支持。

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