面向甲醇重整供氢系统的自热式CO去除微反应器

摘要

21世纪以来，化石能源危机与大气污染成为人类社会面临的两大考验。在此背景下，以质子交换膜燃料电池为代表的燃料电池技术受到国内外研究者的广泛关注。质子交换膜燃料电池以高效、清洁的氢能作为燃料，目前，一种较有前景的供氢方式为甲醇水蒸气重整制氢。然而通过甲醇水蒸气重整供应的氢气中含有微量CO，它会使质子交换膜燃料电池中的铂基催化剂中毒，这极大地限制了质子交换膜燃料电池的大规模推广与使用。为保证质子交换膜燃料电池正常工作，必须将甲醇重整富氢产物气体中微量CO的浓度降低至10 ppm以下。为此，本学位论文在国家自然科学基金面上项目(资助号:51575482)、国家自然科学基金青年科学基金项目(资助号:51505420)与浙江省杰出青年基金项目(资助号:R14E050004)的资助下，提出并设计了一种用于去除甲醇重整富氢产物气体中微量CO成分的自热式CO去除微反应器;制备了掺杂氯元素的CO选择甲烷化反应催化剂;制定了一套面向自热式CO去除微反应器的测控模块总体方案;开展了自热式CO去除微反应器的CO选择甲烷化反应实验的研究工作。研究成果对于解决车载等移动设备上燃料电池的现场重整供氢问题有重要的参考价值。
　　第一章阐述了论文的研究背景与意义，介绍了面向甲醇重整供氢系统的CO去除方式与CO去除微反应器的国内外研究现状，分析了现有研究中的问题与不足，介绍了论文总体框架。
　　第二章提出并设计了一种用于去除甲醇重整富氢产物气体中微量CO成分的自热式CO去除微反应器，利用商用软件Fluent分析了微通道间的流速分布与温度分布，研究了微通道结构参数与均布腔结构参数对微通道内流体流速分布均匀性的影响，以微通道内流速分布的均匀性为目标对微通道结构与均布腔结构进行了优化。
　　第三章制备了一款掺杂氯元素的CO选择甲烷化反应催化剂Ni/CeO2，以CO转化率和CO选择性作为评价指标对其进行了活性评价，研究了负载工艺对催化剂性能的影响，获得了该催化剂的最佳负载工艺。
　　第四章制定了一套面向自热式CO去除微反应器的测控模块总体方案，搭建了硬件系统，设计了用于控制微反应器温度的温度自适应PID控制算法，开发了CO选择甲烷化反应控制软件。
　　第五章完成了自热式CO去除微反应器反应载体板的制造，完成了催化剂的负载、反应器的密封与装配，搭建了CO选择甲烷化反应实验系统，进行了CO选择甲烷化反应实验，验证了自热式CO去除微反应器去除CO的有效性，最后分析了热动力学参数对自热式CO去除微反应器CO去除性能的影响规律。
　　第六章总结本论文的研究内容与成果，并展望了未来的研究方向。

目录

声明

致谢

摘要

1．绪论

1．1 论文研究的背景与意义

1．2 面向甲醇重整供氢系统的CO去除技术研究现状及分析

1．2．1 面向甲醇重整供氢系统的CO去除方式研究现状

1．2．2 面向甲醇重整供氢系统的CO去除反应器的研究现状

1．2．3 目前有待深入研究的问题

1．3 论文主要研究内容与框架

1．4 本章小结

2．自热式CO去除微反应器的结构设计及优化

2．1 引言

2．2 自热式CO去除微反应器结构设计

2．3 自热式CO去除微反应器有限元建模

2．3．1 自热式CO去除微反应器几何模型

2．3．2 微反应器CO选择甲烷化过程流动与传热理论建模

2．4 自热式CO去除微反应器流动与传热分析

2．4．1 自热式CO去除微反应器流速分布

2．4．2 自热式CO去除微反应器温度分布

2．5 自热式CO去除微反应器流场优化与结构参数选择

2．5．1 微通道结构对流速分布均匀性的影响

2．5．2 均布腔结构对流速分布均匀性的影响

2．5．3 自热式CO去除微反应器结构参数选择

2．6 本章小结

3．自热式微反应器的CO选择甲烷化催化剂制备与负载工艺研究

3．1 引言

3．2 自热式微反应器CO选择甲烷化催化剂的制备

3．2．1 实验试剂及仪器

3．2．2 催化剂的制备

3．3 自热式微反应器CO选择甲烷化催化剂的活性评价

3．3．1 催化剂活性评价

3．3．2 催化剂最佳工艺参数选择

3．4 自热式微反应器CO选择甲烷化催化剂的负载工艺研究

3．4．1 粘附剂的影响

3．4．2 焙烧工艺的影响

3．5 本章小结

4．自热式CO去除微反应器的测控模块开发

4．1 引言

4．2 自热式CO去除微反应器测控模块总体方案

4．2．1 测控模块总体方案设计

4．2．2 测控模块硬件配置

4．3 自热式CO去除微反应器的温度自适应PID控制算法

4．3．1 微反应器的温度自适应PID控制算法设计

4．3．2 微反应器的温度自适应PID控制器设计

4．3．3 微反应器的温度自适应PID参数整定

4．3．4 微反应器的温度自适应PID控制算法控制效果验证

4．4 自热式CO去除微反应器测控模块软件开发

4．4．1 测控模块软件整体架构设计

4．4．2 温度自适应PID控制程序设计

4．4．3 气体入口流量控制程序设计

4．4．4 反应停止模块程序设计

4．4．5 测控模块软件用户界面设计

4．5 本章小结

5．自热式CO去除微反应器实验研究

5．1 引言

5．2 自热式CO去除微反应器制作

5．2．1 自热式CO去除徼反应器的加工与装配

5．2．2 CO选择甲烷化反应催化剂负载

5．3 自热式CO去除微反应器CO去除系统搭建

5．4 自热式微反应器CO去除实验

5．4．1 自热式微反应器CO去除实验过程

5．4．2 自热式微反应器CO去除实验结果

5．5 热动力学参数对CO去除性能的影响

5．5．1 反应温度对CO去除性能的影响

5．5．2 入口流量对CO去除性能的影响

5．6 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