适用于民用燃料电池的二甲醚水蒸气微型重整器的开发

针对目前燃料电池重整器开发中出现的：成本高、催化剂寿命低和缺少燃料生产的问题，本项目选用环保型的清洁安全液体燃料二甲醚作为水蒸气重整制氢原料气，结合目前国内外研究的先进板状催化剂制备技术，开发易塑形，高活性的重整催化剂制备工艺，设计易于催化剂拆装，高热量利用率的新型微型反应器。本研究突破目前的简单重叠式微型反应器组合模式，提出列管式微型重整反应器的构想，通过燃烧重整反应的耦合技术优化反应器温度分布，同时糅合新颖的启动方案，实现反应器体积微型化，同时达到密封性好、结构优化、成本较低、启动快、负荷应答性强的新型微型重整器的开发，为适合中国国情的燃料电池实用化提供科学依据和实验基础。

二甲醚作为一种新型的清洁燃料，具有含氢量高，易压缩，环境友好等优点，在重整反应制氢技术方面非常具有优势。其中二甲醚重整制氢反应（DME SR）包括二甲醚水解和甲醇重整制氢两个连续反应。目前，开发高效的重整催化剂是二甲醚重整制氢中的研究热点。.本研究中，以阳极氧化铝膜（AAO）作为板状催化剂载体。其具有导热性良好、机械强度高、压降小的优点，在催化反应中很具应用前景。首先考察了阳极氧化法制备有序多孔阳极氧化铝膜的工艺路线，考察了阳极氧化温度、 阳极氧化时间等条件对阳极氧化铝膜多孔有序性、膜厚、比表面积的影响，得到了最佳的氧化工艺条件。研究了水合后处理的时间、温度对多孔氧化铝膜晶型的影响。并通过XRD、BET、SEM和NH3-TPD等分析手段，对制备出的γ-Al2O3/Al的结构、物理化学属性参数以及晶型稳定性进行表征。研究结果表明，最佳水合温度为80℃，水合时间为60min，非晶态氧化铝发生反应生成AlOOH，经过500℃焙烧4h可以完全转化为γ-Al2O3，其稳定性良好。. 比较了不同固体酸在二甲醚水解反应中的活性，并考察了阳极氧化铝和ZSM-5催化剂的寿命和积碳行为。其次，通过浸渍法制备Cu/γ-Al2O3/Al一体化板状催化剂，考察了制备条件对催化剂及反应活性的影响；同时，考察了Cu/γ-Al2O3/Al催化剂的稳定性，系统地分析了铜催化剂失活的原因。最后，提出了竞争吸附法制备复合催化剂，研究了硝酸铜在氧化铝载体上的浸渍机理，有效的提高了催化剂的活性，通过添加助剂Ni促进活性组分的分布，成功地改善重整催化剂的稳定性。 实验结果表明，与其他固体酸相比，γ-Al2O3/Al具有较高的水解活性和较低的副反应以及很好的抗积碳能力。通过浸渍法制备的Cu/γ-Al2O3/Al催化剂具有较好的活性。但是，稳定性实验表明Cu基催化剂350°C以上容易失活，主要由Cu颗粒聚集引起的。通过醋酸预浸渍制备的Ni-Cu双金属催化剂上，即使温度高于375°C，二甲醚转化率和氢气收率分别稳定在100%和65%左右。.最后，通过热力学计算分析了二甲醚水蒸气重整反应体系的平衡组成，讨论了压力、温度、S/C对其影响，得到了优化的操作参数。同时建立了2维3维模型。讨论了反应器内的流场分布及反应性能随反应器形状的变化，这些参数对反应器的设计具有重要的参考意义。