车载火花放电等离子体重整制氢系统的优化设计理论及方法

安全、高效地车载制氢技术是新能源汽车动力技术领域具有挑战性的研究课题。本课题围绕车载火花放电等离子体重整制氢的生成机理及系统的优化设计理论与方法两个关键科学问题，采用理论、计算与实验相结合的方法开展研究工作。首先，设计与研制车载火花放电等离子体制氢系统，利用该系统进行不同碳氢燃料火花放电等离子体重整制氢的实验研究，分析电极材料和间隙、等离子体重整器的结构、放电波形、环境温度等对氢气生成速度、氢产率、系统能耗的影响。其次，根据实验结果和等离子体重整制氢的基本理论，建立火花放电等离子体重整制氢的反应动力学模型，揭示碳氢燃料火花放电等离子体重整制氢反应中氢气的生成机理，找到提高氢气生成速度、氢产率和降低系统能耗的基本途径。最后，建立火花放电等离子体重整制氢系统的数学模型，提出适用于车载的火花放电等离子体重整制氢系统的优化设计理论与方法。研究结果将为火花放电等离子体制氢系统的车载应用提供参考依据。

安全、高效的车载制氢技术限制了氢能在汽车上的应用。本项目对火花放电等离子体重整制氢进行了试验研究和理论分析，并对滑动旋转弧、介质阻挡放电等离子体重整制氢进行了初步的试验研究。完善了火花放电等离子体二甲醚部分氧化重整制氢试验系统，开发了滑动旋转弧等离子体重整制氢器、介质阻挡放电等离子体重整制氢器，并自制了蜂窝陶瓷Ni基催化剂，将等离子体重整与化学重整结合起来。火花放电等离子体二甲醚部分氧化重整制氢试验研究表明：加热温度和催化剂对于火花放电等离子体重整制氢性能的影响最大，而放电频率和初级线圈充电时间对制氢能耗起到了决定性作用。当温度为550℃时，单独使用催化剂和火花放电等离子体时氢产率分别为19.6%和22.1%，相同条件下二者同时使用时氢产率可达28.1%，但是当温度高于620℃时，联合重整的氢产率小于化学重整。当使用12g催化剂，温度为600℃时，氢产率为65.8%。首次对二甲醚火花放电等离子体重整制氢反应进行机理分析，结果表明：若要增大H2的产量，则必会增大CO和CO2的产量。对多种等离子体重整制氢技术进行了试验探索研究，为开发更加节能、更加可靠有效的车载等离子体制氢装置提供理论基础。