PEMFC甲醇自热重整制氢体系关键过程优化

论文摘要

本论文以PEMFC甲醇自热制氢体系优化为目的,用有效能分析方法对PEMFC甲醇自热制氢体系全系统进行了分析,指出甲醇自热重整过程和催化燃烧蒸发器是主要的有效能损失单元,然后,分别对甲醇自热重整过程和催化燃烧蒸发器进行了分析和优化。应用Gibbs自由能最小化法对甲醇自热重整过程进行了热力学平衡计算,计算结果表明甲醇自热重整最佳的操作条件为: A/M=1.5和W/M=1.52.0。在该条件下,每mol甲醇能生成约1.932.04molH2,而且消除了结碳。在此基础上,对甲醇自热重整过程的有效能进行了详细的分析,并指出减小损应采取的措施。鉴于目前复杂体系热力学平衡计算存在的问题,提出了一种新型的热力学平衡计算方法。应用多孔介质模型对催化燃烧蒸发器燃烧腔进行了冷态和热态模拟,结果表明该模型能够较准确地预测燃烧腔内的浓度场和温度场分布。实验和模拟结果均表明先前的分布方式存在较大的不均匀性。为此,开发了一种新型的气体分布器,实验结果表明它能够极大地优化流体分布,并且其已成功应用于5kW甲醇自热重整制氢体系。通过对催化燃烧蒸发器蒸发腔内的相变传热研究,揭示了催化燃烧蒸发器蒸发腔内以对流沸腾为主的传热机理,并且提出了水和甲醇在一定误差范围内的沸腾传热膜系数计算关联准式。理论分析和实验表明低热通量下小通道中的沸腾传热在过冷沸腾区存在较强的流动沸腾不稳定性;当沸腾为饱和沸腾时,流动沸腾不稳定现象几乎不发生。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 文献综述
• 1.1 甲醇自热重整制氢的背景和意义
• 1.2 甲醇自热重整制氢体系的组成及优化
• 1.2.1 甲醇自热重整制氢体系的组成
• 1.2.2 甲醇自热重整制氢体系的热力学分析优化方法
• 1.2.3 制氢体系有效能分析进展
• 1.3 重整过程优化
• 1.4 催化燃烧蒸发器的优化
• 1.4.1 催化燃烧蒸发器的应用背景
• 1.4.2 催化燃烧蒸发器的优点
• 1.4.3 催化燃烧蒸发器结构优化
• 1.4.4 板翅式催化燃烧蒸发器组成及流场分布优化
• 1.4.4.1 板翅催化燃烧蒸发器的基本元件
• 1.4.4.2 分布方式优化
• 1.4.5 催化燃烧蒸发器内相变传热优化
• 1.4.5.1 结构参数和流体物性的影响
• 1.4.5.2 沸腾传热机理
• 1.4.5.3 沸腾传热经验模型
• 1.4.5.4 微/小通道中沸腾传热系数研究
• 1.5 论文工作设计
• 参考文献
• 第二章 甲醇自热重整制氢全系统有效能分析
• 2.1 流程简述
• 2.2 计算方法
• 2.3 计算结果
• 2.4 讨论
• 2.5 小结
• 参考文献
• 第三章 甲醇自热重整过程优化
• 3.1 热力学平衡计算的原理
• 3.2 甲醇自热重整过程热力学平衡组成计算
• 3.3 A/M 和W/M 对重整过程损的影响
• 3.4 新型热力学平衡计算方法的开发
• 3.4.1 计算方法
• 3.4.2 甲醇自热重整过程反应机理推导
• 3.5 小结
• 参考文献
• 第四章 催化燃烧蒸发器冷态研究
• 4.1 实验部分
• 4.1.1 实验装置
• 4.1.2 实验方法
• 4.2 数学模型
• 4.2.1 燃烧腔的结构
• 4.2.2 控制方程
• 4.2.3 边界条件设定
• 4.3 数值模拟结果和讨论
• 4.3.1 不同空速时的浓度场分布
• 4.3.2 不同出口位置时的浓度场分布
• 4.4 实验结果和讨论
• 4.4.1 不同空速对浓度场分布的影响
• 4.4.2 不同的尾气出口位置对浓度场分布的影响
• 4.5 新型分布器的开发
• 4.6 小结
• 参考文献
• 第五章 催化燃烧蒸发器热态研究
• 5.1 宏观动力学实验部分
• 5.1.1 实验条件
• 5.1.2 实验流程
• 5.1.3 分析测试方法
• 5.1.4 氮平衡计算法
• 5.1.5 预实验
• 5.1.5.1 空白实验
• 5.1.5.2 消除外扩散的实验
• 5.1.5.3 催化剂的稳定性实验
• 2 转化率的因素'>5.1.6 影响H₂转化率的因素
• 5.1.6.1 水含量的影响
• 2 浓度的影响'>5.1.6.2 O₂浓度的影响
• 5.1.7 实验方法
• 5.1.8 实验设计
• 5.1.9 实验结果
• 5.1.10 模型参数的估计
• 5.1.11 模型的检验
• 5.1.12 模型与实验数据的比较
• 5.2 催化燃烧蒸发器热态实验研究
• 2 完全转化实验研究'>5.2.1 不同空速下H₂完全转化实验研究
• 5.2.2 低空速下过热蒸汽换热实验研究
• 5.2.3 蒸发腔液体流速对燃烧腔温度场分布的影响
• 5.2.4 不同流体沸腾传热对燃烧腔内温度分布的影响
• 5.2.5 两种分布方式对燃烧腔温度场分布的影响
• 5.2.6 不同分布方式在5kW 甲醇自热制氢反应器中的应用
• 5.3 催化燃烧蒸发器热态模拟
• 5.3.1 模型方程的建立
• 5.3.2 网格生成
• 5.3.3 计算的边界条件
• 5.3.4 模拟结果和讨论
• 5.3.5 模拟和实验结果的比较
• 5.4 小结
• 参考文献
• 第六章 催化燃蒸发器内相变传热实验研究
• 6.1 矩形小通道中沸腾传热分析
• 6.1.1 板翅式催化燃烧蒸发器传热模式
• 6.1.2 不同输入功率下的热损实验
• 6.1.3 单相热传递过程
• 6.1.4 沸腾热传递过程
• 6.2 实验部分
• 6.2.1 实验流程
• 6.2.2 误差分析
• 6.3 实验结果和讨论
• 6.3.1 不同工艺条件对壁温的影响
• 6.3.2 沸腾传热曲线
• 6.3.3 入口过冷度对沸腾传热的影响
• 6.3.4 不同输入功率对沸腾传热的影响
• 6.3.5 液体流速对沸腾传热的影响
• 6.3.6 不同流体的沸腾传热过程
• 6.4 实验数据和经验沸腾传热关联式的比较
• 6.5 沸腾流动不稳定性研究
• 6.5.1 过冷沸腾不稳定性的研究
• 6.5.2 饱和沸腾不稳定性的研究
• 6.6 小结
• 参考文献
• 第七章 结论
• 进一步工作设想
• 作者简介
• 致谢