微通道反应器内甲醇蒸汽重整制氢的数值研究.pdfVIP

中国工程热物理学会 传 热 传 质 学 第 于 一 屁 年 会 编 号:053140 微通道反应器内甲醇蒸汽重整制氢 的数值研究t 赵翔，崔文智，李隆健，陈清华 重庆大学动力工程学院，重庆，400044 联系电话:023 E-mail:wzcui@cqu.edu.cn 摘要:甲醇蒸汽重整制氢是姗料电池氢源供应技术之一，本文以自行设计的层叠 !之‘板微通道催化 重整反应器为研究对象，对单个反应单元的二维稳态流动、传输和化学反应过程进行了数值模拟。 在固定反应接触时间为300ms的条件下分析了反应器几何尺寸和进u参数改变对反应进程的影1响， 并从中得出最佳参数分别为:加热流体进口速度3m/s,进口温度650K:反应物进 口温度523K，水 醇比为1.3. 关键词:燃料电池，蒸汽重蔡，制氧,数值模拟 1引言 由于能源与环境的因素，燃料电池作为一种清洁高效的能源动力系统近年来成为研 究热点。适用于中小型移动和分布式供电系统的质子交换膜燃料电池 (PEMFC)以氢气 为燃料，但由于氢气存储困难、供应基础设施缺乏等问题，故大多以甲醇等碳氢燃料为 原料现场制氢以解决燃料电池的氢源供应。甲醇制氢通常有二种基本方式:甲醇分解 (DE)、甲醇部分氧化 (POX)和甲醇蒸汽重整 (SRM)aDE反应产物中CO的浓度偏高， 会引起燃料电池电极催化剂中毒;POX为强放热反应，局部形成的高温 (即热点)会引 起催化剂烧结而降低其活性。SRM不仅能产生含氢量高达75%的富氢气体，且保持很高 的C仇选择性，所以SRM比前两者更具优势。但SRM为强吸热反应，存在反应速度受传 热速率的限制、启动和负载变化响应慢、反应器体积和质量偏大、系统复杂等不足hl 针对这些问题，目前的研究结果认为:采用微通道技术可将反应热快速送入反应区域: 采用高性能催化剂，强化传质，可使重整器体积减小2[1 本文设计了一种平板式微通道反应器，采用数值模拟的方法，研究其中的流动、传 输和化学反应过程特性，为实现燃料重整制氢反应器的小型化和轻量化奠定理论基础。 2微通道重整反应器 采用多片薄铝板层叠，分别形成0.5mm高的反应物和加热流体流动的通道，如图1 AyY}o.}4e 图1微通道重整器结构示意 国家自然科学纂金资助项d (No 726 所示。根据反应容量的要求，再将若干个通道并联起来，用螺栓紧IN形成微通道反应器。 反应所需催化剂用冷气体动力喷涂工艺131沉积在铝板上。加热通道板和反应通道板分别 布置在催化层板的两侧。空气被加热后通入加热通道内，提供重整反应需要的热量:反 应物混合气体流过反应通道，并在催化膜表面发生表面催化反应。与常规填料床反应器 相比，此形式的反应器克服了内扩散的传输阻力，肴利于反应快速进行。 3数值计算 取单个反应通道与加热通 道的组合作为研究对象，如图 20因为对称关系，反应通道只 Catalystplate 取一半。反应物进入通道并沿x Heatingchannel 方向流动，同时在Y方向上向催 Inlet Outelt 化剂层扩散，发生催化反应以 eactinnchannel Catalyst 后，产物反向扩散到气相空间 Symmetrysi由 m em brane 并随主流一起沿X方向流出。 图2 计算区域示怠图 对图2所示计算区域内的 流动、扩散和反