多尺度微通道制造及其重整制氢性能研究

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随着燃料电池技术的发展,微反应器制氢技术越来越受重视。相对于催化材料技术的突破,微通道结构的设计和制造逐渐成为移动制氢技术的阻碍。对此本文根据甲醇重整制氢的反应需求,设计并制造了一种多尺度微通道反应载体板,以提升催化剂的负载强度与通道传热传质性能,进而改善微通道的制氢性能。主要研究内容如下:(1)本文首先对多尺度微通道中的各尺度结构对微反应器性能的影响进行了基础理论分析,然后根据反应过程对载体结构的需求,提出了一种多尺度微通道载体板,并对其表面结构与肋板结构等关键尺寸参数进行了初步设计。(2)针对微通道表面微槽结构的加工,本文提出了电极丝低频辅助振动电火花线切割加工的新方法,研究了脉间、脉宽、平均电流、振动频率等加工参数对微槽结构成形的影响。通过利用Φ180μm电极丝的低频振动,直接在载体板表面加工出了细小的微槽阵列结构,提高了载体板表面微槽结构的加工效率。(3)利用线切割分别加工了具有表面亚微结构与表面微槽结构的载体板,并分别对其进行了催化剂负载性能实验研究。实验结果表明,相比于表面亚微结构,表面微槽结构能够显著提升载体板表面的催化剂负载强度。(4)通过数值仿真研究了微通道肋板结构的几何参数(形状、尺寸、间距、倾斜角度)对微通道传热传质性能的影响。仿真结果表明,肋板结构产生的混合效应可以显著提高微通道的传热传质性能,而且合理的肋板结构参数在强化传热传质的同时并不会显著增加流体的压降损失。其中具有梯形肋板结构的微通道表现出最优的传热传质性能。(5)通过甲醇蒸汽重整制氢实验研究了各尺度结构对制氢性能的影响,实验结果表明,表面微槽结构与肋板结构均有利于改善微通道的制氢性能,其中肋板结构对制氢性能的影响更大,当气时空速为48757 ml/(g·h)时,具有肋板结构的微通道其甲醇转化率比普通矩形微通道结构高25.2%。此外,对不同结构的微通道进行了制氢性能的对比,结果表明多尺度微通道表现出最佳的制氢性能,当气时空速为43340ml/(g·h)时,其甲醇转化率比普通矩形微通道高出32.4%。
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