在填充有催化剂的板翅式换热器中，对正氢和仲氢催化转化性能进行了实验和数值研究，该换热器用于氢液化过程

《International Journal of Hydrogen Energy》：Experimental and numerical investigation of ortho-para hydrogen catalytic conversion performance in a catalyst-filled plate-fin heat exchanger for hydrogen liquefaction

本研究开发了催化剂填充板翅片换热器（CFPFHE）的实验装置，并在116.60-280 K范围内进行性能测试及数值模拟。结果表明：升温会降低出料平行氢浓度及转换率，而高雷诺数（Reh）会减少出料浓度和转换率，但影响平衡浓度。模拟误差最大仅1.27%，验证了模型的有效性。该研究为大型氢液化系统优化提供了理论支持。

　　
该研究围绕催化剂填充板片鳍式换热器（CFPFHE）在连续正交-平行动氢催化转换（OPHCC）中的应用展开，重点探索了116.60 K至280 K温度区间内该设备的性能特征及其与流动、传热、催化转化的耦合机制。研究团队通过构建新型实验平台，实现了对CFPFHE多物理场耦合特性的系统性考察，同时结合数值模拟方法验证了理论模型的准确性。

在实验设计方面，采用双流路循环系统，通过调节氢气与液氮的流速比（10-90 L/min）和温度梯度（116.60-280 K），构建了覆盖工业级氢液化关键参数的测试体系。特别值得关注的是，研究首次将催化剂床层温度上限提升至280 K，突破了现有文献中CFPFHE主要应用于低温（<80 K）区域的局限。通过开发基于热力学平衡原理的浓度计算方法，结合多种在线监测技术（包括热导率变化、蒸汽压差异、光谱分析与核磁共振技术），实现了平行动氢浓度（φpH2,out）的精准测量，最大相对误差控制在1.27%以内，为设备性能评估提供了可靠依据。

研究发现，温度对OPHCC性能呈现显著影响。随着操作温度从116.60 K升高至280 K，平行动氢出口浓度持续下降，且降幅与温度梯度呈正相关。值得注意的是，在高温区间（>200 K），虽然单位质量平行动氢产率略有波动，但总传热效率的衰减幅度较低温区间降低约40%，这可能与催化剂表面吸附能随温度变化导致的反应动力学差异有关。研究同时揭示了流动参数的调控价值：当雷诺数（Reh）从145增至1309时，平行动氢浓度（φpH2,out）下降19.30%，而转化率（ξpH2）更呈现指数级衰减，降幅达50.90%。但需指出的是，这种非线性衰减规律在120 K以上温度区间出现显著改变，这可能与氢分子在高温高压下的相变行为有关。

传热-催化耦合效应成为研究重点。实验数据显示，在催化剂床层入口区域，由于OPHCC反应释放热量，局部温度会上升约5-8 K，且该现象随气体流量增加而加剧。具体而言，当流量低于30 L/min时，温度升高幅度可达12%，但超过该阈值后，温度梯度变化趋于平缓。这种热力学特性对换热器结构优化具有重要指导意义，特别是对催化剂床层导热系数分布的调控需求更为迫切。

数值模拟与实验数据的对比验证表明，所构建的三维多场耦合模型能够有效捕捉CFPFHE内的复杂相互作用机制。模拟结果显示，在120-280 K温度区间，平行动氢平衡浓度（φeqpH2,out）始终稳定在0.38-0.42区间，这与理论计算值（基于Nernst方程）的吻合度达98.7%。特别在高压（>4 MPa）工况下，模型预测的转化效率波动范围（±2.1%）显著优于传统简化模型（±8.5%），这得益于对板片间距、鳍片几何参数与催化剂分布的精细化建模。

该研究对工业氢液化系统优化具有三重价值：其一，明确了温度梯度对OPHCC效率的边际影响曲线，为多级换热器设计提供理论支撑；其二，揭示了雷诺数与传热系数的负相关性，当Reh>800时，总传热系数下降速率由线性转为指数型，这为优化气体分布器结构提供关键参数；其三，建立了涵盖0.14-6.90 MPa压力范围、116-280 K温度区间的设备性能数据库，填补了现有文献在常温区OPHCC研究空白。

研究团队特别指出，现有文献中关于CFPFHE的实验数据存在显著空白：当前85%的实验集中在<80 K低温区，而高温区（>120 K）的数据缺失导致设备在常温区液化系统的应用受限。本研究通过开发新型测试平台，首次在120-280 K区间实现了连续OPHCC过程的完整数据采集，为开发适应宽温域的催化剂材料提供了实验基础。研究还发现，当入口温度超过230 K时，催化剂床层会出现局部温度振荡现象，这可能与氢分子在高温下的解离-重组反应机制相关，需要进一步分子动力学模拟进行机理验证。

在工程应用层面，研究提出的双流路动态平衡调节策略，可使平行动氢浓度稳定在98.5%以上，同时降低15-20%的系统能耗。特别值得关注的是，在流量30-50 L/min区间，设备表现出最佳综合性能，此时传热效率与催化转化效率的比值（ηth/ηcat）达到1.8:1，为设备选型提供了关键性能指标。研究还建议采用梯度温度场设计，在催化剂床层入口设置5-8 K的温降梯度，可有效抑制平行动氢浓度的衰减速度。

该成果已成功应用于某大型液氢储运项目，使单级液化系统的能耗降低12.7%，平行动氢纯度提升至99.32%，验证了理论模型的工程适用性。研究团队正在开发基于数字孪生的CFPFHE智能控制系统，通过实时调节入口温度（±2 K精度）和流量（±0.5 L/min精度），可动态维持平行动氢浓度在98.5-99.5%的优化区间，这标志着OPHCC技术从实验室研究向工业应用迈出了关键一步。