内科大&上海交大&北科大《JMA》：镁-稀土合金反应器实现低品位余热高效热化学储能

导读：本研究采用低成本机械制备路线开发出镁-稀土合金Mg87Ni10(La,Ce)3（简称Mg-RE），研制了1.48 kg级镁-稀土合金热化学储能反应器，在240 ℃低品位热源驱动下实现峰值温度272.2 ℃、最大能量释放效率61.4%，并借助经实验验证的三维有限元模型解析床层结构对传热传质的影响，为低品位余热高效回收提供定量设计指导。

背景介绍：

工业是全球能源消耗的核心部门，生产过程中约有50%的能源以废热形式损失。钢铁生产在焦化、烧结、炼铁、轧制等工序中普遍存在产热与用热在时间、空间上的不匹配，产生大量余热，其中200–350 ℃的中低温余热品位有限、回收利用不足。利用储能（TES）技术对渣冷却、高温烟气等余热进行回收再利用，对降低能耗、减少碳排放具有重要意义。在显热储热、潜热储热和热化学储能（TCES）三类储能技术中，热化学储能储热密度高、储热阶段热损失小；在各类气固反应中，金属氢化物的吸氢/放氢反应备受关注，镁基材料可逆性好、资源储量丰富，被认为是最具前景的热化学储热材料之一。

本文亮点：

镁基材料工作温度偏高，氢化物床层本征导热系数低，会抑制内部传热与反应速率；将材料压实成型虽可提高床层密度、构建导热通道，却会降低渗透率、阻碍氢气输运，导致吸放氢过程热损失增大、反应热难以高效回收，而高性能储氢合金成本高、制备工艺复杂，成为规模化应用的关键障碍。针对上述问题，本研究引入镍（Ni）和廉价的镧铈混合稀土（RE），采用低成本机械制备路线开发了Mg-RE合金，并在系统表征材料吸放氢动力学、储热容量与循环结构演化的基础上，研制了镁-稀土合金热化学储能反应器并完成中温余热回收实验验证，同时建立经实验校验的三维有限元模型，解析反应器内温度与反应进度的空间分布，揭示床层孔隙率对反应动力学与有效储热能力的耦合影响，实现从材料性能到反应器系统应用的贯通。

全文速览：

针对工业低品位余热回收难题，内蒙古科技大学李永治与北京科技大学白敬国（共同第一作者）联合上海交通大学、北京科技大学等单位，以低成本机械制备路线开发出镁-稀土合金Mg87Ni10(La,Ce)3（简称Mg-RE），研制了1.48 kg级镁-稀土合金热化学储能反应器，在240 ℃低品位热源驱动下峰值温度达272.2 ℃、最大能量释放效率达61.4%；并建立经实验校验的三维有限元模型，解析反应器内温度与反应进度的空间分布，为热化学储能反应器的设计优化与低品位余热高效回收提供定量指导。相关成果以“High-efficiency thermochemical energy storage for low-grade waste heat recovery using a Mg–RE alloy reactor”为题，在线发表于Journal of Magnesium and Alloys（2026, 25: 102337）。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.jma.2026.102337

该研究从材料制备、储热性能、循环结构演化，到反应器装置实验与数值模拟，实现了全链条系统研究。

1 镁-稀土合金的制备与储热性能

1.1 合金制备与物相演化

研究者以纯度99.8%的镁、99.8%的镍以及镧铈混合稀土（La与Ce原子比为1∶2）为原料，压制成质量约0.6 g的Mg-RE合金圆柱压片。X射线衍射（XRD）分析表明，铸态合金由Mg、Mg2Ni、CeMg12、Ce2Mg17和La2Mg17等多相组成；吸氢后生成MgH2、Mg2NiH4、CeH2.29和LaH3.05等物相。

1.2 储热性能与热力学

合金在初始循环中经历逐步活化，仅需3个循环即可达到稳定活化状态、获得最大储氢容量。循环测试表明，即使经过1020次循环，合金储氢容量保持率仍高达97.4%，最大储氢容量达5.22 wt.%；在170 ℃下吸氢2 h即可达到4.1 wt.%的吸氢容量，具有较好的反应动力学。

1.3 循环结构演化与传热传质

循环过程中，材料在反复吸放氢过程中发生明显膨胀和粉化，初期产生的微裂纹有助于氢扩散，但过度粉化会导致床层致密化并降低机械稳定性。由于受到反应器径向约束，材料主要沿轴向膨胀，表现出明显的各向异性变形；同时合金内部组织逐渐细化、孔隙减少，使氢气渗透阻力增加、渗透性能下降。热导率测试表明，径向热导率高于轴向；随着温度升高，材料热导率均呈下降趋势。上述结构变化共同影响反应动力学和储热系统长期运行稳定性。

2 镁-稀土热化学储能装置实验

2.1 装置结构与组成

镁-稀土合金热化学储能装置主要由供氢释氢系统、监测控制系统和热化学储能反应器组成。反应器为圆柱形SS-316不锈钢结构，半径110 mm、壁厚5 mm，合金床长度800 mm，内部布置19根换热管，填充1.48 kg镁-稀土合金，外部采用18 kg二甲基硅油作为换热流体，并设置膨胀缓冲空间以保证循环运行稳定。反应器内布置3个温度测点用于监测温度变化。

2.2 实验过程

活化过程中，反应器在310 ℃下预热，并在2.5 MPa氢压下进行吸氢，随后在310 ℃、0.001 MPa条件下进行解吸，经过3个循环后装置达到稳定运行状态。在240 ℃、2.5 MPa条件下进行吸氢放热测试，反应初期释放的热量使反应器温度快速升高，最高温度达到约275 ℃，表现出良好的自加热能力；在310 ℃条件下进行放氢储热测试，初期因吸热反应导致温度下降，随后通过补热维持反应温度，系统稳定运行。结果表明，该装置可在不同温压条件下实现稳定的吸放氢热化学储能过程。

2.3 不同起始温度与热效率

在2.5 MPa、25 NL·min⁻¹条件下，分别以240 ℃和290 ℃作为吸氢起始温度，两种工况下温度变化规律基本一致，均表现为快速升温后缓慢下降；提高初始温度使峰值温度达到时间缩短约6%，但240 ℃下仍可实现氢化，表明系统具有良好的低温适应性。为评价储热性能，研究定义了能量释放效率（EER）和储能效率（EES）。结果表明，放热过程中EER快速提升，最大值约61%；储热过程中EES在初期保持较高水平，随后随放氢反应减缓和热损失增加而逐渐降低。

3 数值模拟

3.1 数值模型与实验验证

研究采用COMSOL Multiphysics对反应器的热-氢行为进行模拟，控制方程包括基于达西定律的气体流动方程、连续性方程、能量守恒方程和反应动力学方程，将气体流动、质量输运、传热与化学反应等物理场完全耦合。模型预测峰值温度为272.1 ℃，与实测值接近；模拟吸氢量与实验结果基本一致，验证了三维传热传质模型的可靠性。

3.2 模拟分析

模拟结果表明，240 ℃吸氢过程中，换热管附近合金首先发生反应，释放的反应热提高局部温度并促进周围区域进一步氢化，形成热反馈作用；氢化过程由换热管附近向内部区域逐步推进，实现床层均匀反应。进一步分析不同孔隙率（0.27–0.57）对性能的影响发现，提高孔隙率可降低氢扩散阻力、加快反应速率，使反应时间明显缩短，但过高孔隙率会削弱固体导热能力、降低储热效率；较低孔隙率具有更好的热传递和储能性能，而较高孔隙率更有利于动力学提升。因此，反应器设计需在传质增强与传热保持之间进行优化。

图1镁-稀土合金的制备及其吸放氢过程中的微观结构演化：(a)由镁合金薄片制备压片的流程示意图；(b)不同状态下的XRD图谱，展示吸氢后由Mg、Mg2Ni向MgH2、Mg2NiH4及稀土氢化物（REH）的物相转变；(c)吸氢后合金的TEM图像；(d)放氢后合金的TEM图像，展示脱氢后晶格结构变化

图2活化后镁-稀土合金的储氢性能：(a)快速活化动力学，材料在三个循环内达到最大储氢容量；(b)优异的循环稳定性，1020次循环后容量几乎无衰减；(c)不同温度下的最大吸/放氢容量；(d) 300–380 ℃的压力-组分-温度（PCT）等温线；(e)基于PCT数据的ln(Peq)对1/T范特霍夫图

图3镁-稀土合金压片循环过程中的多尺度结构退化及其对传热传质的影响：(a) 9次循环后的压片形貌，显示膨胀与开裂；(b)轴向与径向膨胀随循环次数的变化，呈现各向异性膨胀（轴向＞径向）；(c)循环过程中孔隙率演化；(d)颗粒粉化导致微裂纹的SEM图像；(e)粉化后裂纹堆积引起的渗透率衰减；(f)热导率随循环的下降，呈各向异性（径向＞轴向）；(g)单颗粒中影响传热传质的退化机理

图4实验构建的镁-稀土合金热化学储能装置示意图：(a)反应器三维示意图，展示合金床与换热流体（HTF）的空间布置；(b)装置实物照片；(c)单根管束合金反应床的结构与设计尺寸；(d)反应器内19根换热管排布的俯视图；(e)反应器内热电偶位置，用于监测反应过程中的温度变化

图5镁-稀土热化学储能装置的系统级性能：(a)活化循环过程中的吸氢动力学；(b)活化过程中的储氢容量，确认稳定运行；(c)吸氢过程中换热流体温度演化与放热功率；(d)吸氢过程中氢气流量与累积吸氢量；(e)放氢过程中换热流体温度演化与热输入功率；(f)脱氢过程中氢气流量与累积放氢量

图6不同运行条件下的系统性能：(a)不同初始温度（240 ℃和290 ℃）下放热吸氢过程的换热流体出口温度演化，相似的温度曲线表明系统在不同热源条件下具有稳健的储热能力；(b)对应的累积吸氢量，表明两种初始温度下吸氢动力学相当、反应利用率高；(c)吸氢过程的能量释放效率；(d)放氢过程的能量储存效率，展示系统在外加热条件下输出储存热能的能力

图7数值模型建立与实验验证：(a)模型所考虑的多物理场耦合现象示意图；模拟与实验结果的对比：(b)换热流体出口温度演化；(c)累积吸氢量

图8储能反应器模拟结果：(a)反应器内模拟的换热流体温度分布，展示吸氢过程中的传热特征；(b)镁-稀土合金床模拟的反应分数分布

图9床层孔隙率对反应器性能的影响：(a)换热流体平均温度；(b)吸氢动力学，揭示孔隙率引起的热阻影响；(c)换热流体中储存的热量；(d)储能效率（EES）

总结与展望

该研究实现了从材料性能到反应器系统应用的贯通，系统评估了镁-稀土合金热化学储能体系在低品位余热回收中的应用潜力。镁-稀土合金表现出较高储氢性能，最大容量达到5.22 wt.%并具有良好的循环稳定性（1020次循环后容量保持率97.4%），循环过程中产生的膨胀、粉化以及传热传质性能变化，是影响反应器长期运行的重要因素；1.48 kg级热化学储能反应器实现了中低温余热驱动运行，在240 ℃热源条件下反应器峰值温度达到272.2 ℃、最大能量释放效率为61.4%，不同热源温度下相近的反应性能表明反应释放热量能够促进周围区域反应、实现自加热热反馈；实验验证的数值模型揭示了床层结构对系统性能的影响规律，提高孔隙率可降低传质阻力、加快反应过程，但会削弱传热能力并降低储能效率，反应器设计需综合优化传质与传热性能。未来研究将进一步优化合金性能与反应器结构，通过改善床层传热路径和缓解循环膨胀影响，推动镁基热化学储能系统向工业低品位余热回收应用发展。

本文来自“材料科学与工程”公众号，感谢论文团队支持。

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