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自热式甲醇重整制氢微反应器放大与集成研究

俞炜  
【摘要】:随着能源转型的快速推进,以氢作为能源的应用飞速发展。然而传统储氢方式仍存在储氢密度不够高、储运成本高等问题。为了给大功率氢燃料电池动力器件提供持续的在线氢源,本文提出大功率甲醇自热式重整制氢反应器的设计,分析了甲醇重整制氢反应放大性能,测试研究了甲醇催化燃烧的换热性能、热控制和热分布情况,并进行了自热制氢性能的测试,论文主要研究内容如下:(1)甲醇重整制氢微反应器尺寸和数增放大的CFD数值仿真利用SolidWorks建立了两种不同尺寸和串并式装配放大微反应器模型,结合Fluent仿真对微反应器的流体速度分布、压降、温度和氢气浓度进行分析,通过对比不同类型微反应器的性能,得出小尺寸和并联式微反应器有较好的传质传热特性和较低的压降且具有高的甲醇转化率。(2)甲醇重整制氢微反应器尺寸和数增放大性能的实验研究选择泡沫铜作为催化剂反应载体,对其进行表面形貌分析及催化剂负载强度测试,开展了制氢微反应器的放大模型的实验研究,重点探究经过尺寸放大和串并联装配的微反应器在不同流速和反应温度下的制氢性能,证实了较小尺寸反应腔的并联式装配微反应器具有较好的氢气流速,并呈现线性增长的规律。(3)催化燃烧反应室换热性能测试与温度控制研究了换热介质在换热腔的流动方式及多孔泡沫铜反应载体的布置方式对燃烧室的换热能力的影响,分析了甲醇催化燃烧室的供热能力,证实燃烧室有足够的反应热来满足甲醇重整制氢的热需要。通过单片机PID参数整定优化实现燃烧室温度较快响应时间、无静差和无震荡的温度稳定控制。(4)催化燃烧反应室温度分布的分析及其耦合制氢性能的研究为了获得催化燃烧室均匀供热的能力,设计出催化剂在燃烧室内部的三种布置方式,观察分析不同燃烧室内部及壁面在不同反应物流速下的温度时间曲线及其分布情况,最后将催化燃烧反应与甲醇水蒸气重整制氢反应进行耦合设计并测试了其制氢性能,得出泡沫铜渐变式催化剂填充燃烧室具有较好的耦合制氢性能。


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