面向PEMFC的自热型甲醇重整制氢反应器的研发

摘要

21世纪以来，能源需求的刚性增长和节能减排的双向压力迫使人类寻找和开发清洁可再生的新能源。现有的新能源中，氢能具有燃烧热值高、污染低、可再生等优势，有望成为化石燃料的理想替代能源。然而目前氢能经济的商业化进程，却受制于当前移动储氢技术的发展水平。现有的移动储氢技术在质量能量密度、体积能量密度、安全性、成本等方面离商业化应用仍有一定差距。为此，本文在NSFC-浙江两化融合联合基金“多孔金属-波纹基板层叠型自热重整制氢微反应器设计与制造基础研究”(项目编号:U1809220)和浙江省自然科学基金杰出青年项目基金“层叠自热型醇类制氢微重整器反应载体的热耦合设计及多尺度制造”(项目编号:LR14E050002)的资助下，开发了一种面向PEMFC（质子交换膜燃料电池）的自热型甲醇重整制氢反应器。采用数值仿真分析与实验研究相结合的方法，完成了自热型甲醇重整制氢反应器的可行性验证，建立了自热型甲醇重整制氢微反应器的传热传质数值模型，研究了面向PEMFC的自热型甲醇重整制氢反应器的CO去除技术和层叠方案，开展了面向PEMFC的自热型甲醇重整制氢反应器的甲醇重整制氢实验和甲醇重整制氢-PEMFC集成发电实验。研究成果对于推进甲醇重整制氢技术在PEMFC中的应用具有重要参考价值。 第1章，介绍了本论文的研究背景与意义，详细综述了国内外在甲醇重整制氢工艺、甲醇重整制氢反应器结构设计和甲醇重整制氢CO处理方法等方面的研究现状，并在此基础上，提出了论文的主要研究内容。 第2章，阐述了自热型甲醇重整制氢反应器的工作原理，提出并制作了一种具有微凸台阵列的自热型甲醇重整制氢微反应器，开展了自热型甲醇重整制氢微反应器的可行性验证实验。自热型甲醇重整制氢微反应器在实验中实现了室温下启动和自热重整制氢。 第3章，使用有限元仿真软件Fluent建立了自热型甲醇重整制氢微反应器的三维传热传质模型，分析了反应器内流速分布、温度分布、反应物浓度分布，为自热型甲醇重整反应器的结构设计提供了理论指导。 第4章，针对PEMFC的供氢要求，研究了自热型甲醇重整制氢反应器的CO去除技术，制备并测试了CO选择甲烷化催化剂，将富氢重整气中的CO含量降低至10 ppm以下;提出了一种面向PEMFC的自热型甲醇重整制氢反应器，研究了该反应器的层叠方案，在反应器内集成了甲醇重整制氢、甲醇燃烧供热和CO去除功能。 第5章，使用面向PEMFC的自热型甲醇重整制氢反应器，开展了甲醇重整制氢实验研究，分析了工艺参数对反应器制氢性能与CO去除效果的影响;搭建了甲醇重整制氢-PEMFC集成发电系统，验证了甲醇水蒸气重整技术用于PEMFC的可行性。 第6章，总结了论文的主要研究工作，并展望了未来的研究工作。

目录

声明

致谢

摘要

1绪论

1．1论文研究的背景和意义

1．1．1氢能经济发展前景

1．1．2当前移动供氢技术瓶颈

1．2甲醇重整制氢相关技术研究现状与分析

1．2．1甲醇重整制氢工艺研究现状

1．2．2甲醇重整制氢反应器结构设计研究现状

1．2．3甲醇重整制氢CO处理方法研究现状

1．2．4有待深入的问题

1．3论文主要研究内容与框架

1．4本章小结

2自热型甲醇重整制氢反应器原理与可行性验证

2．1引言

2．2自热型甲醇重整制氢反应器工作原理

2．3自热型甲醇重整反应器催化剂选型

2．3．1甲醇水蒸气重整催化剂的选型

2．3．2甲醇催化燃烧催化剂的选型

2．4自热型甲醇重整制氢微反应器结构设计

2．5自热型甲醇重整制氢微反应器的制作与装配

2．6自热型甲醇重整制氢微反应器可行性验证实验

2．6．1可行性验证实验系统搭建

2．6．2可行性验证实验步骤

2．6．3可行性验证实验结果

2．7本章小结

3自热型甲醇重整制氢微反应器的传热传质数值分析

3．1引言

3．2自热型甲醇重整制氢微反应器传热传质数值建模

3．2．1反应器几何模型构建

3．2．2克努森数与雷诺数计算

3．2．3传热传质理论建模

3．2．4边界条件设置

3．2．5有限元仿真步骤

3．3自热型甲醇重整制氢微反应器传热传质特性分析

3．3．2自热型甲醇重整制氢微反应器反应速率分布

3．3．3自热型甲醇重整制氢微反应器反应物浓度分布

3．3．4自热型甲醇重整制氢微反应器温度分布

3．4基于传热传质分析的反应器设计思路

3．5本章小结

4自热型甲醇重整制氢反应器CO去除与层叠技术研究

4．1引言

4．2自热型甲醇重整制氢反应器CO去除方案的研究

4．2．1重整制氢CO去除方案的选择

4．2．2 CO选择甲烷化催化剂选型与制备

4．2．3 CO选择甲烷化催化剂测试

4．3面向PEMFC的自热型甲醇重整制氢反应器层叠方案研究

4．3．1反应腔结构设计

4．3．2反应器层叠方案研究

4．4面向PEMFC的自热型甲醇重整制氢反应器制作与装配

4．5本章小结

5面向PEMFC的自热型甲醇重整制氢反应器实验研究

5．1引言

5．2面向PEMFC的自热型甲醇重整制氢反应器的重整制氢实验

5．2．1面向PEMFC的自热型甲醇重整制氢系统的搭建

5．2．2反应器自热启动实验

5．2．3反应器重整制氢实验结果

5．3甲醇重整制氢-PEMFC集成发电实验

5．3．2甲醇重整制氢-PEMFC集成发电实验结果

5．4本章小结

6总结与展望

6．1工作总结

6．2研究展望

参考文献

作者简历