综述：金属氢化物储氢中的传热强化：相变材料与混合式热管理方法的综合综述

《International Journal of Hydrogen Energy》：Heat transfer enhancement in metal hydride hydrogen storage: A comprehensive review of phase change material and hybrid thermal management approaches

　　

# 摘要

金属氢化物（MH）系统是有前景的氢储存技术，但其性能受到较差的传热特性的严重限制。本综述系统性地评估了金属氢化物反应器（MHR）设计的演变，这些设计集成了相变材料（PCM），通过先进的混合系统克服热导率限制。分析涵盖了多种配置，从基准反应器到通过被动方法（金属泡沫（MF）、纳米添加剂和翅片）以及主动热流体的增强系统。定量基准测试表明了一个性能等级：先进的几何构型可缩短高达81.5%的反应时间，而优化的30翅片铜配置和金属泡沫分别达到97.3%和84%的最高改善幅度。主动热流体系统的有效性范围为33.5%至94%。通过综合数值（2D/3D）和实验结果，本工作强调了一个趋势：向结构更复杂的混合设计方向发展，并评估了动力学、复杂性和储存容量之间的权衡，为下一代系统提供了路线图。

# 引言

当前能源格局的特点是化石燃料储量的减少。此外，全球人口和不断上升的生活水平正在推动能源需求的增加。目前，煤炭、天然气和石油等化石燃料占全球能源消费的近80% [1,2]。然而，燃烧这些化石燃料会导致大量温室气体排放和严重的环境污染 [3,4]。由于这些紧迫的挑战，研究人员密集研究了可靠的可再生和可持续能源资源，以满足日益增长的能源需求，同时最大限度地减少环境影响 [5]。为了解决这一能源问题，通过多条途径对各种情景进行了调查：i）减少温室气体排放（如1998年《京都议定书》所述），ii）降低能源消耗，iii）增强可再生能源（RES）的整合，如风能、太阳能和水力发电 [6]。将可再生能源整合到能源系统对于实现欧盟委员会2050年能源路线图 [7] 和联合国17个可持续发展目标 [8] 设定的气候和能源目标至关重要。在此背景下，国际可再生能源署（IRENA）建议全球可再生能源份额应到2030年上升至57%，以满足《巴黎协定》将全球平均气温升幅控制在2°C以下的目标。经过这些重大努力，基于可再生能源的发电量显著增加了超过8%，2021年达到8300 TWh，可再生能源份额达到30%。然而，预计将贡献三分之二可再生能源增长量的太阳能和风能具有间歇性特征 [9,10]。因此，电力系统的稳定性和运行受到不利影响 [11]。这突显了支持电力系统稳定性的创新解决方案的必要性。

氢能作为能源载体 [12] 和储能介质 [13] 展现出相当大的潜力。它有可能在工业、交通和建筑等各个领域提供清洁且安全的能源 [[14], [15], [16], [17]]。氢利用技术涉及将氢转化为有用的能量或将其整合到各种应用中。这些技术包括燃料电池（FCs）、氢燃烧、工业过程、储能和电网平衡 [18]。到2050年，氢及其基燃料预计将满足10%的最终能源需求 [19]。氢运输技术，如气态氢、液态氢和氢载体，涉及各种方法用于从生产地点到终端用户的安全高效氢运输，这对于支持氢作为能源载体的大规模采用至关重要 [18]。氢储存技术（HSTs）对于有效利用氢作为能源载体至关重要，提供安全可靠氢系统。氢的质量能量密度是汽油衍生能量的3倍 [20]。HSTs分为气态、液态和固态氢储存。氢大规模应用的主要挑战是找到安全高效储存的方法 [21]。高效、经济、安全和可及的HSTs将为更具可行性的氢经济铺平道路 [22,23]。在标准条件下，氢密度为0.089 kg/m3 [24]。因此，氢通常储存在高压下，高达700 bar [25]，或低温下，低于20 K，以实现高能量密度。储存容器内的高压增加了相关风险。而液化氢需要高度耗能的过程并维持在极低温，这非常具有挑战性，即使使用先进的隔热材料也是如此 [26,27]，因此这两种方法在满足社会对可持续发展的需求方面都显示出局限性 [28]。

金属氢化物（MHs）被认为是最有前景的选择之一，适用于各种能源相关技术。它们是固定和移动氢系统的关键介质 [29,30]。除了其在加热/冷却 [31,32] 等能源利用方法中的作用外，MHs对于燃料电池应用中的氢储存尤其重要 [33,34]。此外，其多功能性还延伸到其他能源利用领域，包括聚光太阳能（CSP）[35,36] 和水泵系统 [37,38]。与其他储存方法相比，MHs的主要优势包括其高体积氢密度，范围为70至150 gH?/L [[39], [40], [41], [42]]。除了具有相对较低的操作压力外，能够在室温下工作且成本相对较低 [43,44]，它们相比气体和液体储存方法具有安全优势 [43]。然而，由于MHs的质量氢储存能力较差 [45,46]，它们在汽车应用中的吸引力较低。MH系统表现出优异的循环稳定性，在数千次循环后仍能保持氢储存容量且损失极小 [[47], [48], [49]]。因此，每种技术都有其自身的优势、局限性和可能各自的应用领域 [50]。MHs在氢吸收过程中释放热量，需要外部热量输入以促进连续的氢解吸。除了其氢储存能力外，MHs在工业应用中也有前景的机会，尤其是能源领域。MHs的特点是动力学缓慢以及在氢吸收和释放过程中难以管理热量。因此，有效的热管理（TM）对于在安全和最佳条件下推进吸收或解吸过程至关重要 [51,52]。MHs通常根据其操作温度分为低温金属氢化物（LTMH）（20–100°C）和高温金属氢化物（HTMH）（200–400°C）[53]，例如LaNi? [[54], [55], [56], [57]] 和Mg [[59], [60]]，分别对应。

先进的热管理对于改善MH性能至关重要 [[61], [62], [63]]。为维持氢吸收和解吸性能，最大化储存容量、减少充电时间以及增强所支持的氢系统的整体能量效率是重要的。尽管增加MH罐的储存容量可能提供一种快速解决方案以增强氢充放电速率 [64,65]，但这种方法也会导致更高的资本成本和增加的系统质量和体积。因此，各种主动和被动的热管理方法已被实施以解决此问题。主动热管理方法涉及使用外部或内部换热器，利用热流体（HTF）促进传热。在被动热管理方法中，储罐与其环境之间的热传递不需要额外能量（如HTF）来加热或冷却系统 [66]。为直接克服MH床固有的差热导率（通常为0.1–1 W/m·K），而又不引入主动冷却的代价，相变材料（PCMs）被部署为最优的被动热缓冲器。PCMs的特点是窄的融化和凝固温度范围 [[67], [68], [69]]、高储存密度、在相变过程中维持恒定温度以及在热回收过程中低压降 [70]。PCMs被广泛用于各种热能储存应用，包括太阳能 [[71], [72], [73], [74], [75], [76], [77]]、绿色建筑 [78,79]、热调节纺织品 [80] 和电子设备冷却 [81,82]。此外，它们被用于MH储存系统中，在氢吸收/解吸过程中储存/释放热量 [83]。此过程增强了氢动力学反应，从而显著减少了吸收和解吸持续时间。

虽然现有的综述为个别的热管理技术提供了有价值的见解，但大多数将其孤立处理，缺乏对新兴混合策略的统一视角。本综述的主要动机是超越基准配置，系统地探索最近设计中的复杂相互作用，如网状和仿生反应器，通过定义反应时间减少百分比作为关键性能指标（KPI）以实现一致的记录。本工作的意义在于提供主动和被动方法的广泛概述，提供结构化的建筑权衡检查，以支持下一代氢储存系统的开发。为区分本研究与现有文献，表1提供了近期相关工作的映射。虽然以前的综述已经涵盖了基本的金属氢化物反应器（MHR）设计和个别的热管理技术，但本研究独特地专注于主动和被动热管理方法的混合化。下表概述了当前综述的范围、局限性和主要要点，突出了本工作的特定贡献。

需要注意的是，由于操作条件（压力、温度）和反应器规模的差异，跨文献直接比较绝对性能指标具有挑战性。为解决此问题，本综述将系统分为HTMH和LTMH，确保评估在一致的热力学窗口内进行。此外，由于大型反应器（高MH质量）很少被研究，大多数研究集中在实验室规模装置上，我们的分析优先关注相对性能改善（如达到90%氢饱和的时间（t?.?））而不是绝对值，以标准化质量和操作参数的差异。因此，此相对t?.?作为主要KPI，用于数学上隔离和基准测试各种传热几何实现的动力学增强速率，而绝对容量和体积储存密度（VSD）在后续章节中保留以评估相关的体积代价。

本综述结构如下：第2节概述MH系统的热管理。第3节分析MHs的PCM选择，随后在第4节总结所研究的MH-PCM反应器配置，第5节讨论热导率增强的被动技术。然后，第6节讨论整体热管理的主动技术。最后，第7节提出关键讨论和未来展望，第8节给出结论。

## 第2节 金属氢化物的热管理片段

MH热管理分为两类。在主动系统中，HTF管嵌入反应器中以调节氢解吸/吸收期间的加热/冷却 [96]。已开发了各种换热器设计以优化氢储存性能 [97]。Pandey等人 [98] 进行了数值分析，评估了HTF管数量对吸收期间反应器性能的影响，如图1所示。90%氢吸收的时间从985 s减少至

## 第3节 金属氢化物的相变材料选择片段

PCM选择过程取决于MH填充/放电过程中的温度变化。MHs分为LTMH和HTMH。在LTMHs中，LaNi?已被深入研究 [5,63,66,164,177,182,183,186,[192], [193], [194], [195], [196], [197], [198], [199], [200], [201], [202], [203], [204], [205], [206], [207], [208]]。适合LaNi?的PCMs包括rubitherm(salt)SP29Eu [186] 和盐类水合物，如LiNO?·3H?O [63,164,183,193,196,197,[199], [200], [201], [202],[205], [206], [207],

## 第4节 MH-PCM反应器配置的进展片段

MH-PCM反应器的建筑设计是决定其整体热性能的关键因素。文献中提出了多种配置以优化MH和PCM之间的接触和热交换。

需要注意的是，本研究报告的定量百分比改善表明的是每项特定研究相对于其自身基准配置所实现的相对热增强。由于综述文献涉及显著差异

## 第5节 MH-PCM系统中热导率增强的被动技术片段

为克服PCMs的低热导率，一种主要策略是将被动增强材料直接集成到反应器中。这些方法在不消耗辅助功率的情况下改善整体热性能，通常可分为2种主要方法：使用多孔介质和纳米添加剂，以及集成翅片几何形状。定量地，本节综述的文献表明这些被动增强显著提升了

## 第6节 MH-PCM系统中整体热管理的主动技术片段

除了被动方法外，涉及HTF的主动热管理技术提供了更直接的控制器温手段。定量地，这种方法将主导传热机制从自然对流转变为强制对流，实现显著更高的传热系数，根据流配置不同可从100 [38] 到1800 [223] W/m2·K。

本节所综述的文献表明，这些主动干预措施提供了一种 批判性讨论与未来展望 在整个综述文献中，可以观察到一个明显的趋势，即金属氢化物-相变材料反应器的架构演变，从简单的、外围的传热管理逐步发展为复杂的、深度集成的系统。早期的构型采用外部相变材料夹套，尽管这些设计有其益处，但受限于热路径过长以及热源（金属氢化物）与热阱（相变材料）之间的间接接触。针对这些局限性，研究逐步转向创新的内部几何结构，因为 结论 金属氢化物传热管理的架构演变显示出一条清晰的轨迹，从基本的换热器发展为深度集成的混合相变材料系统。通过综合近期的文献资料，一个基本核心原则浮出水面，即克服相变材料固有的低导热性，不仅依赖于材料特性的改进，同样也依赖于结构和几何方面的创新。在不同反应器尺度上记录的速率改进表明，经过智能优化的被动结构，例如 CRediT作者贡献声明 Moaz A. Ereba：调查研究、方法论、论文撰写——初稿、论文撰写——审稿与编辑。Ahmed M. Abdellatif：概念构思、方法论。Ahmed H. Osman：可视化、论文撰写——审稿与编辑。Islam A. Hassan：概念构思、方法论、指导监督、论文撰写——审稿与编辑。 利益冲突声明 作者声明，他们不存在任何已知的可能影响本论文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。 致谢 本研究未获得公共、商业或非营利部门资助机构的任何专项资助。 Moaz A. Ereba | Ahmed M. Abdellatif | Ahmed H. Osman | Islam A. Hassan 埃及扎加齐格大学工程学院机械动力工程系，扎加齐格，44519，埃及