《Journal of Alloys and Compounds》：Advanced Metal Hydride Reactor Design Using Multi-Domain Triply Periodic Minimal Surface for Enhanced Volumetric and Absorption Performance of Hydrogen Storage
编辑推荐：
本文针对金属氢化物储氢技术中吸收动力学缓慢与存储容量难以兼顾的难题，提出了一种创新的多域三周期极小曲面结构反应器设计。研究人员通过数值模拟分析了三域和五域Gyroid及Diamond结构反应器的性能，结果表明五域Gyroid结构在实现储氢容量提升17.6%的同时，吸收时间缩短55.3%，有效突破了传统设计的性能瓶颈。该研究为高功率移动式储氢系统提供了新的设计范式。
氢能作为清洁能源载体，在交通领域的应用备受关注，然而安全高效的储氢技术仍是制约其发展的关键瓶颈。金属氢化物凭借其高体积储氢密度和本征安全性成为颇具潜力的解决方案，但传统金属氢化物反应器存在吸放氢速率慢、热管理困难等挑战。近年来，基于三周期极小曲面结构的反应器设计通过其独特的周期性多孔结构显著提升了比表面积和传热效率，但如何在有限空间内同时实现高储氢容量和快速反应动力学，仍是该领域亟待突破的难题。
在这项发表于《Journal of Alloys and Compounds》的研究中，东京大学的研究团队创新性地提出了多域TPMS反应器设计理念。该研究通过构建三域和五域结构的Gyroid和Diamond型TPMS反应器，系统探究了多域设计对储氢性能的提升效果。研究采用数值模拟与有限元分析相结合的方法，建立了包含质量守恒、动量守恒和能量守恒方程的多物理场模型，并考虑了金属氢化物反应动力学特性。
关键技术方法包括：基于TPMS数学方程的多域几何建模（使用nTop软件）、多物理场耦合数值模拟（COMSOL Multiphysics 6.2）、结构力学有限元分析。研究选用LaNi5作为储氢合金，其具有适宜的操作温度压力平台和优良的反应动力学特性。分析过程考虑了弯曲、扭转和压缩三种典型载荷工况，以评估反应器的机械完整性。
3.1. 氢吸收/脱附性能
3.1.1. 氢吸收分析
研究结果显示，五域Diamond结构表现最优，在290秒内达到1.2 wt%的储氢量，较传统Diamond结构吸收时间减少47.6%，同时金属氢化物容积增加21.5%。五域Gyroid结构同样显著，吸收时间减少55.3%，容积提升17.6%。多域设计通过增加传热面积和缩短热传导距离，有效改善了反应器内部温度分布的均匀性，避免了传统设计中因金属氢化物层过厚导致的中心区域反应延迟问题。
3.1.2. 氢脱附分析
在脱附过程中，多域结构同样展现出优势。以333K加热温度模拟燃料电池余热利用场景时，多域反应器实现了更快速彻底的氢释放。值得注意的是，虽然三域Gyroid结构传热面积更大，但Offset 0 mm Diamond结构因更优的内部热传导路径，脱附完成时间略短，这表明反应器性能是几何结构与热传导特性共同作用的结果。
3.2. TPMS基MHR的有限元分析
力学性能评估表明，随着域数量的增加，结构刚度略有下降，特别是在压缩载荷下更为明显。然而，所有模型在弯曲、扭转和压缩载荷下的最大位移均小于0.15 mm，低于增材制造工艺典型公差范围（0.1-0.43 mm）。最大von Mises应力低于100 MPa，远低于AlSi10Mg的屈服强度（198 MPa），证明多域设计在满足机械强度要求的同时，实现了性能优化。
3.3. 吸收速率与储氢容量关系
研究首次揭示了多域TPMS结构中储氢容量与吸收速率的协同提升规律。通过增加域数量，既扩大了金属氢化物容纳空间，又通过减薄金属氢化物层厚度改善了热管理效率，成功打破了传统设计中容量与速率此消彼长的技术瓶颈。
研究结论表明，多域TPMS金属氢化物反应器设计通过智能空间划分，实现了储氢容量与吸收速率的协同优化。五域结构在保持良好机械强度的前提下，显著提升了反应器的综合性能。这种设计策略不仅为高性能储氢系统开发提供了新思路，还可拓展至多材料集成（如相变材料）和多功能化设计，为未来移动式储氢应用奠定了技术基础。该研究通过结构创新与多物理场优化的深度融合，推动了金属氢化物储氢技术向实用化迈进。
