面向PEMFC的甲醇现场重整制氢系统设计与应用研究

摘要

随着化石能源的大量消耗以及由此产生的环境污染的不断加剧，迫使人们改变现有的能源利用方式。氢能作为一种环保高效的可再生能源，有望在未来取代化石能源，而受到了广泛的关注。氢燃料电池是氢能利用的主要方式，其中质子交换膜燃料电池因其转化效率高、工作温度低、功率密度高等优点，非常适合作为汽车等移动场合的动力来源，但是目前常采用的高压气瓶贮氢存在贮氢密度低的不足，限制了氢能技术的进一步推广。现场制氢技术以碳氢化合物为原料通过化学反应制备产生氢气，具有更高的能量储存密度，同时可以避免气态氢气的储运从而降低燃料的加注成本，有望在燃料电池移动领域氢源问题上实现突破。 为此，本文基于“甲醇水蒸气重整+一氧化碳选择甲烷化+甲醇催化燃烧”的技术路线设计搭建了一套应用于低温质子交换膜燃料电池的甲醇现场重整制氢系统。本论文的主要研究内容如下: 1)对甲醇现场重整制氢系统内的反应进行热力学分析并通过实验对所选用的催化剂性能进行测试，设计甲醇现场重整制氢系统的工艺流程并在Aspen Plus中对系统进行建模仿真，对系统内的物料和能量进行衡算。 2)基于集成有甲醇水蒸气重整、一氧化碳选择甲烷化和甲醇催化燃烧的反应器设计系统的装配结构，搭建了甲醇现场重整制氢系统;设计基于PLC的控制模块硬件结构，并制定控制算法实现系统的自动控制。 3)测试搭建的甲醇现场重整制氢系统的制氢性能，研究不同工艺参数下系统的启动过程和稳态工作过程并优化工艺参数减少系统启动过程甲醇消耗量，提高系统稳态运行时的能量效率，通过实验对系统的动态响应特性和运行稳定性进行测试。 4)将甲醇现场重整制氢系统应用于低温质子交换膜燃料电池系统中，对燃料电池系统进行改进以提高系统的发电功率与发电能效，实现了以重整制氢系统产物气作为原料驱动燃料电池进行发电，并通过实验测试了整个系统运行的稳定性及能量效率。

目录

声明

致谢

摘要

1绪论

1．1课题背景

1．2国内外研究现状

1．2．1甲醇现场制氢工艺研究现状

1．2．2甲醇现场制氢产物气中CO处理技术研究现状

1．2．3甲醇现场重整制氢系统研究现状

1．2．4国内外研究现状总结

1．3论文主要研究内容与框架

1．4本章小结

2甲醇现场重整制氢系统工艺设计与流程模拟

2．1甲醇现场重整制氢系统反应热力学分析

2．1．1甲醇水蒸气重整反应热力学分析

2．1．2一氧化碳选择甲烷化反应热力学分析

2．2甲醇现场重整制氢系统催化剂性能测试

2．2．1甲醇水蒸气重整催化剂性能测试

2．2．2一氧化碳选择甲烷化催化剂性能测试

2．2．3甲醇催化燃烧催化剂性能测试

2．3甲醇现场重整制氢系统工艺设计

2．4甲醇现场重整制氢系统流程模拟

2．5本章小结

3甲醇现场重整制氢系统结构设计与控制实现

3．1甲醇现场重整制氢系统结构设计

3．1．1甲醇现场重整制氢系统反应器结构

3．1．2甲醇现场重整制氢系统装配结构设计

3．2甲醇现场重整制氢系统控制设计

3．2．1甲醇现场重整制氢系统控制需求分析

3．2．2控制模块硬件设计

3．2．3控制模块软件设计

3．3本章小结

4甲醇现场重整制氢系统性能测试与工艺参数优化

4．1重整制氢系统启动过程工艺参数优化研究

4．1．1重整制氢系统启动过程测试

4．1．2甲醇现场重整制氢系统启动方案优化

4．2甲醇现场重整制氢系统稳态运行工艺参数优化研究

4．2．1水醇比和反应温度对系统稳态运行性能的影响

4．2．2重整制氢系统能量流动分析

4．2．3不同反应物流量下重整制氢系统性能测试

4．3甲醇现场重整制氢系统动态性能测试

4．4甲醇现场重整制氢系统稳定性测试

4．5本章小结

5甲醇现场重整制氢系统燃料电池发电性能实验研究

5．1甲醇现场重整制氢系统燃料电池发电性能测试

5．1．1重整制氢系统燃料电池发电实验装置

5．1．2甲醇现场重整制氢系统燃料电池发电实验

5．2以重整制氢系统产物气为原料的燃料电池结构改进

5．2．1燃料电池供气结构改进

5．2．2燃料电池尾气处理设计

5．2．3燃料电池测试负载设计

5．3改进后的甲醇现场重整制氢系统燃料电池发电性能测试

5．3．1甲醇现场重整制氢系统燃料电池发电稳定性测试

5．3．2甲醇现场重整制氢系统燃料电池发电能效测试

5．4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

附录

作者简历