镁基储氢材料系统数值模拟

镁基储氢材料于装置系统中的集成化应用构成了实现高效氢气存储与释放的核心环节。镁基储氢材料在储氢装置内的实际应用，涵盖了大规模的氢气吸收与解吸过程，其效率与性能深受储氢容量、动力学响应特性及热力学属性的综合制约。

镁基储氢材料的反应动力学迟缓及热导率低等问题，导致镁基储氢容器内部反应温度难以均匀分布，储氢容器的吸氢与放氢速率减弱，难以满足实际工程应用。此外，储氢床层的结构特性，热传导性能和气体渗透性在氢气的吸收与释放过程中发挥着重要的作用。由于储氢材料在床层中的堆积通常会导致热传递和气体扩散的效率降低，在吸放氢过程中会产生显著的温度梯度和压力变化，会对系统稳定性和效率产生影响。固态储氢罐的优化会导致储氢罐的容积减小，降低了储氢密度，使系统控制过程复杂化。因此，未来应该研发热导率高和体积损失小的镁基储氢罐。

有研究团队提出了一维与三维耦合的数值模型，探究了镁基固态储氢系统在直管换热条件下的放氢过程，建立了基于不同温度和放氢压下的Mg-Ni合金放氢动力学模型，并将油流简化为一维非等温管道流，以提高计算效率。该模型成功模拟了1212kg Mg-Ni储氢合金罐的放氢行为，并验证了实验数据。在对关键参数，如油速、油温和储氢合金床层初始温度等，进行探索和优化后，提出了实际工况下的具体工程操作建议。

有研究学者将储氢材料粉体限制在圆柱储氢罐床层中，并引入新型氢热耦合模型来研究各种运行条件下的吸氢和放氢过程。通过分析0.9和 0.1这两个典型初始氢化物反应分数，探讨了氢气入口温度、氢气入口流速和结构参数比高的影响。通过数值模拟研究发现，在冷启动时，不同初始氢量条件下，均可提供参数优化，实现完全的吸放氢控制。在仿真结果的指导下，阐述了该类型镁基储氢罐的工程控制策略并指出了其潜在工业应用场景。

在镁基固态储氢罐中设计了螺旋盘管传热管。通过模拟分析了包括初始条件、导热液体传热系数和螺旋线圈几何形状等的参数。在优化螺旋盘管传热管的几何参数后，系统的吸氢过程可以在大约1000 s内完成。比较了传统直管传热管、翅片传热管及其螺旋盘管的性能，结果表明，在这几种换热管中，螺旋盘管的提升效果最好。

镁基储氢材料吸放氢反应的焓变绝对值较高，与相变材料或热化学材料耦合可以提高能量利用率，构建更高效的镁基固态储氢系统。将镁基储氢罐与NaNO3 相变材料相耦合，通过使用导热流体的同心直管换热器和周围的相变材料同时传递反应热。数值模拟研究表明，该储氢系统具有更好的传热性能，与不含相变材料的储氢系统相比，吸氢时间缩短了60.2%。

将镁基储氢材料与热化学材料(Mg(OH)2/MgO + H2O)相结合，开发了一种绝热的固态储氢系统。他们利用数值模拟研究发现，该系统可在132 min内完成放氢，较高的水蒸气压有利于传 热和加快放氢过程。

镁基储氢材料与热化学材料(Mg(OH)2/MgO + H2O)的耦合系统，并提出了一种新型夹层结构系统装置。传统结构与夹层结构的对比，H2 从顶部进入镁基储氢材料床层，通过多孔床层渗透并与之发生反应。通过数值模拟，确定了热化学材料分布的最佳体积比(内层热化学材料与总体积之比)为0.4。与传统的外层包裹热化学材料的结构相比，夹层结构传热面积增大了约3倍，热阻更小，因此传热更快，反应速度更快，储氢时间缩短了61.1%。

镁基固态储氢装置也可作为一种高效的热化学储能模块，应用于集中式太阳能电站中，以确保在夜间及阴天能够持续稳定发电，满足基本负荷需求。其工作原理如下：高温金属氢化物(HTMH)，如镁基固态储氢材料，与太阳能集热系统及发电循环进行热能交换。在日照充足时，太阳能集热器有效吸收太阳能，并通过导热流体以热能方式传递能量。这部分能量不仅可用于即时发电，还能将多余部分储存在HTMH中。当太阳能不可用时，系统则利用余热从HTMH中回收并释放储存的能量。

参考文献

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原创  储氢材料  2025年06月23日  陕西