多区相变热管理加速LaNi5合金储氢

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Multi-zone phase change thermal management for accelerating hydrogen storage in LaNi 5 alloy

　　

摘要

LaNi₅合金因其在常温常压条件下即可工作，在氢储能领域具有重要前景。然而，吸氢反应的放热特性会导致系统温度升高，严重限制了氢的吸收速率。本研究提出了一种多区域相变热管理策略，将相变材料（PCM）与嵌入式翅片相结合，通过在相变材料中采用高热导率翅片建立高效传热路径，显著增强潜热储存，从而加速储氢过程。本研究开发了一个数值模型，旨在研究相变材料数量、翅片几何形状和相变材料热物性参数对储氢性能的协同优化机制。在研究的参数范围内，15 mm的相变材料床径向厚度在传热增强与氢吸收速率之间提供了最佳平衡。重要的是，对于翅片配置，由两根水平翅片和三根垂直翅片组成的布局通过形成的传热网络将储氢时间减少了约29%。对相变材料的参数分析以及不同相变材料之间的比较进一步表明，LiNO₃·3H₂O在氢吸收速率与热管理性能之间提供了最佳匹配。

引言

氢能源因其优异的环境效益和高能量密度，被认为是未来能源系统的重要组成部分[1]。储氢技术作为氢气生产和终端应用之间的关键环节[2]，直接影响着氢能工业化进程的发展[3]。此外，储氢技术还有助于解决风能、太阳能等可再生能源的间歇性和不稳定问题[4]，为可再生能源的高效并列提供了关键支持[5]。在众多储氢技术中，金属氢化物（MH）储氢凭借其低压运行[6]、高体积储氢密度[7]、优异的安全性和良好的循环稳定性[8]等优势，已成为研究热点。储氢反应器是集成MH储氢和热化学储能技术的核心设备，主要由MH反应床和热管理系统组成[9]。由于MH床的吸氢过程是放热的[10]，反应热的积累会升高床温，进而抑制进一步的氢吸收[11]。因此，开发高效稳定的热管理策略对于推动这项技术的发展至关重要[12]。

通常，目前的热管理策略主要集中于优化MH床结构以改善传热。例如，Mellouli等人[13]通过在床内布置螺旋管并循环传热流体（HTF）来增强传热过程。此外，为了解决MH床热导率低导致传热不均匀的问题，Askri等人[14]设计了带有HTF循环的外部翅片结构。这种设计允许反应热通过翅片快速传导至HTF管道并被移除。在此基础上，更多地探索了翅片几何形状，包括环形翅片[15]和仿生树状翅片结构[16]。其中，树状翅片的实施使氢吸收时间减少了约20.7%[16]。然而，这类方法通常依赖于复杂的外部流体循环系统，这损害了反应器的结构紧凑性。此外，将反应热直接排放到外部环境也会导致能源浪费。相反，通过相变材料储热实现的热管理，通过促进反应热的就地储存和循环再利用，显示出广阔的前景[17]。通过相变吸收大量潜热，相变材料促进了构建温度稳定性更强的MH-PCM复合反应器[18]。这种策略不仅抑制了氢吸收过程中的温升，还可回收储存的热量用于后续的脱氢过程。因此，它提高了整体能效[19]，并实现了从单纯的传热增强到主动能量管理的转变。

人们投入了大量精力改进MH床内的传热。例如，Dong等人[20]利用翅片增强MH床内的传热，并将反应热引导至PCM床储存，从而通过利用潜热快速移除初始热量。然而，在完全熔化后，PCM固有的低热导率严重限制了随后的显热传递过程。这导致热量向未熔化区域的传导缓慢，阻碍了PCM储热潜力的充分利用[21]。为应对这些挑战，优化研究主要从提高热导率的材料改性[22]、[23]和快速热量运输的系统优化[24]、[25]两方面进行。据报道，PCM分层结构使每一层PCM能够在相应的温度范围内依次高效吸收潜热[26]，从而提高了传热的连续性。此外，增加PCM与MH之间的接触面积是另一种有效的方法[27]。Zhang等人[28]设计了一种将PCM以网状图案均匀嵌入的反应器。这种设计不仅确保了足够的PCM用于吸热，还创造了额外的传热面积和路径，实现了更均匀高效的传热。同样，Ye等人[29]将PCM置于两个MH床之间，这提高了氢吸收和脱附速率。相关研究考察了PCM与MH质量比和PCM热物性参数对储氢性能的影响[30]、[31]。此外，还探索了将MH床同时与HTF和PCM结合的方法，以进一步减少氢吸收时间[32]。

这些热管理策略主要侧重于MH床内的传热增强，随后进行相对简单的基于PCM的热调节，这忽视了对PCM床内部主动传热调节的潜力。为了填补这一空白，本研究采用具有优异动力学性能和循环稳定性的LaNi₅合金作为储氢材料，设计了一种带有集成翅片结构的MH-PCM复合储氢反应器（图1）。该设计通过在PCM中引入水平和垂直翅片建立高效传热路径，从而促进多区域同步相变，并增强以潜热为主导的热管理过程。这将优先揭示复合反应器内的耦合传热传质机制。然后，将阐明翅片结构如何调节温度场分布、相变界面迁移和储氢动力学。此外，还将研究相变材料熔点、潜热和数量等关键热物性参数对系统性能的影响，以确定最佳匹配方案。

章节摘要

模型描述

图2a展示了无翅片MH-PCM反应器的结构尺寸，其由内MH床和外PCM床组成。MH床顶部中心设有氢气入口，压力为0.8 MPa。采用圆柱坐标系进行描述，其中r表示径向坐标，z表示轴向高度。MH床的半径r₁ = 25 mm，高度z₁ = 60 mm，填充LaNi₅合金作为储氢材料。PCM为

PCM热储存区传热边界的确定

LaNi₅合金在高于平衡压力的压力下吸氢，释放大量热量。当热量积累时，会阻碍进一步的氢吸收。因此，有效的热管理对于提高储氢反应速率至关重要，其关键在于尽快散发吸收过程中产生的热量。作为换热介质，PCM可以吸收并储存MH床在储氢阶段释放的反应热，同时

结论

总之，本研究开发了一个仿真模型，该模型将PCM热管理策略与翅片结构相结合，旨在解决LaNi₅合金储氢过程中由于放热反应热导致温度升高从而抑制储氢动力学这一关键问题。本研究系统研究了PCM热管理对储氢性能的增强效应和优化路径。主要结论如下：

• (1)
  增加PCM

CRediT作者贡献声明

Bizhou Hu：撰写——初稿，可视化，验证，方法论，调查，形式化分析，数据整理，概念化。Hao Wang：验证，方法论，调查，形式化分析，概念化。Haoran Li：撰写——审阅与编辑，可视化，监督，资源，资金支持，概念化。Jingrui Lan：验证，监督，方法论，概念化。Wenpeng Hong：撰写——审阅与编辑，资源，项目管理，

利益冲突声明

作者声明，他们没有任何已知的竞争财务利益或个人关系，这些关系可能会影响本文所报告的工作。

致谢

本研究由中国国家自然科学基金（编号：52506179）和吉林省自然科学基金（编号：20260102061JC）共同资助。

Bizhou Hu|Hao Wang|Haoran Li|Jingrui Lan|Wenpeng Hong

东北电力大学能源与动力工程学院，吉林 132012，中国