《International Journal of Hydrogen Energy》：Numerical study on structural optimization of a sinusoidal corrugated tube metal hydride hydrogen storage reactor
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金属氢化物储氢技术因高密度和安全性受关注，但低传热效率导致储氢速率下降。本研究提出正弦波纹管结构，通过三维瞬态数值模型分析波纹管周期、振幅和入口半径对储氢性能的影响，发现波纹管能显著降低床层温度梯度，优化后储氢时间减少865.5秒，储氢容量损失仅0.307g，确定最优参数为周期8mm、振幅2.5mm、入口半径7mm。
张浩哲|王胜杰|陈泽琦|宋佳佳|高明
山东大学核科学与能源动力工程学院高效储能与氢能利用工程研究中心，中国山东省济南市，250061
摘要
金属氢化物储氢技术因其高体积密度和安全性而受到广泛关注。然而，床层较低的有效热导率导致严重的热量积聚，这显著阻碍了反应速率。反应器设计的核心挑战在于在最大化氢储存容量的同时提高热传递效率。本研究提出了一种采用正弦波纹管结构的储氢反应器，旨在在不对总体积储存容量产生显著影响的情况下提升氢的充放电性能。基于多孔介质和局部热平衡假设，建立了一个三维瞬态数值模型，系统研究了波纹周期（T_be）、振幅（A）和入口半径（r_2）对反应器性能的影响。分析表明，正弦波纹管通过增加有效热传递面积并在冷却介质中引入周期性扰动，显著降低了床层核心的温度梯度。结果表明，与传统的直管结构相比，优化后的波纹管反应器将氢饱和时间缩短了865.5秒，氢储存容量仅损失了约0.307克。此外，研究发现氢吸收速率与波纹振幅和入口半径呈正相关，而与波纹周期呈负相关。这些最佳结构参数（T_be = 8毫米，A = 2.5毫米，r_2 = 7毫米）突显了正弦波纹结构在储氢中的优势，为金属氢化物储氢反应器的工程应用提供了指导。
引言
氢作为一种高质量的清洁能源载体，具有高能量密度、零碳排放以及与可再生能源高度兼容的特性。其开发和利用被认为是替代化石燃料的关键途径[[1], [2], [3]]。然而，在常温条件下氢的密度极低，因此开发高效、安全且经济的储氢技术是氢能大规模应用的核心前提[4]。金属氢化物（MH）储氢技术因其高体积储氢密度、高安全性以及在接近常温和低压条件下可逆吸附和释放氢的能力而成为重要的研究方向[5]。尽管如此，这项技术在实际应用中仍面临诸多挑战。例如，储氢过程中释放的大量反应热会导致MH床层温度升高，从而提高平衡压力，最终导致储氢速率下降甚至停滞[6]。经过多次氢吸收/释放循环后，储氢合金倾向于发生晶格膨胀和收缩，导致粉末化并增加氢扩散阻力。因此，提高金属氢化物反应器的热传递效率对于优化储氢系统的性能至关重要。
储氢合金对系统性能的影响尤为显著，该领域已取得实质性进展。Wallace等人[7]通过实验揭示了LaNi_5在储氢过程中的阶梯式位点占据和相变行为，阐明了晶格位点、扩散路径和相界面演变对氢吸收速率和滞后现象的影响，为通过稀土替代、表面活化或限制调节来改进AB_5型合金提供了微观框架。Friedrichs等人[8]证明，高表面积的Nb_2O_5在球磨和循环过程中可以促进低价活性金属物种的形成和氢传输通道的生成，显著提升了Mg基材料的储氢和释放动力学。Ma等人[9]提出并通过实验验证了TiO_2催化剂的晶面可以显著降低MgH_2的脱氢活化能，从而加速氢的储存和释放速率。Bogdanovi?等人[10]首次系统报道了在NaAlH_4中添加微量Ti化合物可以在温和条件下实现可逆的氢吸收和释放，显著改善了NaAlH_4的储氢动力学和循环可逆性。Ha等人[11]发现，在AB型储氢合金中添加微米/纳米级的Ce颗粒可以优化其储氢动力学。
为了解决MH储氢反应器的热管理问题，研究人员提出了多种提高热传递效率的策略。一方面，可以通过在MH床层中加入复合膨胀石墨和金属泡沫等高导热材料来提高热导率：Bao等人[12]研究了多层MH床层结构，发现当石墨含量梯度与热流方向一致时，储氢反应器的性能显著提升。Wang等人[13]研究了铝泡沫掺杂对MH床层储氢性能的影响，发现在自然对流条件下30%的铝泡沫掺杂可实现最大储氢容量，而在主动冷却条件下10%的掺杂效果更好。Bai等人[14]将分级孔隙率的金属泡沫引入反应器，并利用遗传算法优化了床层的热传递能力，结果表明优化后的反应器比均匀金属泡沫反应器的储氢性能提高了11.5%。另一方面，通过在反应器内加入翅片、冷却管和螺旋管等结构来增加换热接触面积也可以提高热传递效率：Tong等人[15]比较了不同换热结构对储氢性能的影响，发现单一直管换热反应器的储氢时间比无换热管设计减少了33.9%。Bai等人[16]采用了拓扑优化的树状翅片结构，使反应器的储氢时间减少了约20.7%。通过优化换热通道的结构参数和空间分布，可以进一步提升热传递性能：Li等人[17]优化了螺旋管束的结构参数，使四管束换热器的储氢时间减少了30.77%；Chandra等人[18]减小了LaNi_5-MH反应器的罐体直径并将内部铜翅片数量增加到60个，与传统直管设计相比，达到90%氢饱和所需的时间减少了58%。Meng等人[19]研究了在保持换热管体积不变的情况下，不同数量微通道换热管对储氢速率的影响，结果表明更多的换热管带来了更大的热传递面积、更薄的床层和更好的储氢性能。Chang等人[20]研究了螺旋翅片对MH反应器储氢性能的影响，发现将翅片螺旋周期数从1/4增加到1，氢吸收和释放时间分别减少了29.8%和29.2%。此外，多种换热结构的协同设计可以有效克服单一结构的局限性，提供更优的解决方案，以提升床层热传递效率并确保储氢稳定性：Dhaou等人[21]实验表明，结合内部翅片的螺旋冷却管反应器将氢注入时间减少了约50%。Krishna等人[22]设计了一种带有中央圆管和叶脉状翅片的换热通道，优化后的叶脉翅片反应器在145.0秒内可储存124克氢。
除了上述主动增强方法外，通过引入相变材料（PCMs）来被动管理反应热也是一种重要的技术手段。Shrivastav等人[23]发现，在MH床层周围包裹PCM或在换热管中集成PCM可以在放热储氢阶段吸收多余的热量，在吸热释氢阶段释放储存的热量，从而有效维持储氢速率的稳定性。Arslan等人[24]通过实验进一步验证了这种方法，证明在LaNi_5-MH反应器中使用基于石蜡的PCM显著提高了储氢和释放速率，混合MH-PCM系统在储氢效率和总储氢容量方面均优于纯MH系统。
尽管上述增强策略已在MH储氢领域得到广泛应用和研究，但传统的直管换热方法仍存在热量分布不均和局部热应力等固有缺点。为了克服这些限制，本研究创新性地提出了波纹管设计。波纹管通过增加管表面面积和扰动流体流动来提高热传递性能。为此，本研究构建了包含直管和波纹管的三维圆柱形反应器模型，基于氢吸收时间、平均储氢速率和总储氢容量等关键指标，系统评估了波纹管反应器在热传递和储氢性能方面的潜力。
模型构建
本研究采用垂直圆柱形反应器，换热管沿反应器轴线布置。当换热管为直管时，反应器称为直管反应器；当换热管为正弦波纹管时，称为正弦波纹管反应器。MH储氢反应器的3D示意图如图1所示。
换热流体通过反应器顶部的入口进入直管或正弦波纹管
结果与讨论
在正弦波纹管反应器的优化过程中，本研究旨在最小化金属氢化物含量的变化。为此，系统研究了几何参数（如波纹周期、振幅和管径）对储氢时间的影响，同时要求换热结构的体积分数不超过10%。这有助于确定最佳的波纹参数配置。
结论
为了解决金属氢化物储氢反应器热传递性能不足的问题，本研究提出了一种新型的正弦波纹管换热器配置。开发了一个三维瞬态数值模型，系统研究了关键几何参数（波纹周期、振幅和管径）对储氢性能的影响机制。
作者贡献声明
张浩哲：撰写——原始草案、软件开发、方法论设计、数据分析、概念构建。
王胜杰：撰写——审稿与编辑、资源协调、数据分析。
陈泽琦：数据可视化、验证、数据整理。
宋佳佳：项目管理、实验设计。
高明：项目监督、方法论设计、资金争取、概念构建。
致谢
本研究得到了中国山东省自然科学基金（编号：ZR2023ME025）的支持。
