摘要
氢能作为清洁能源的代表之一，具有能量密度高和温室气体排放少等传统能源不具备的优点，而燃料电池则是对氢能最高效的利用方式之一。固体氧化物燃料电池（SOFC）作为燃料电池中技术比较成熟的一种类型，在重型汽车、卡车和轮船等可移动载具上有良好的应用前景。而制约其应用的一个重要难题就是氢气的储存，为了避免使用昂贵的储氢罐，使用载具自身携带的柴油进行现场制氢是一个有效的解决途径。本课题就使用蜂窝陶瓷催化剂载体的圆柱型制氢反应器开展实验与数值模拟的研究。 建立了蜂窝陶瓷内蒸汽重整反应的数值模拟模型，在商用CFD软件COMSOL上进行蜂窝陶瓷内物质传递、流动、化学反应和传热的多物理场耦合数值计算。经过网格无关性验证，排除网格数量对计算结果的影响。 为了提高水蒸气和正十六烷的雾化和混合效果，设计了预热管道，使反应物在进入反应器前均预热到沸点以上汽化，然后配合柴油喷嘴和喷管，实现两者的均匀混合及雾化。利用浸渍法以蜂窝陶瓷为载体制备了Ni基催化剂。在此基础上，设计了原料供给及产气分析系统，完成了制氢实验台的搭建。 使用正十六烷作为柴油替代物在搭建好的制氢实验台上开展实验研究，分别研究了水碳比、正十六烷液体空速、反应温度和催化剂成分对正十六烷转化率、产气成分和产气量等制氢性能参数的影响。总结实验规律并确定了本系统最适宜的催化剂组成和工况为：催化剂组成为NiO0.13/(La2O3)0.1/K2O0.03/(γ-Al2O3)0.15，水碳比为3.5，正十六烷液体空速为156.3h-1，反应温度为800℃。在此工况下进行了制氢系统的稳定性测试，结果表明在190min内，正十六烷转化率保持在100%左右，氢气产量在7500mL/min以上；在460min内，正十六烷转化率保持在90%以上，氢气产量在7000mL/min以上。验证了重整制氢-SOFC集成系统的可行性。 使用模拟模型进行计算，将计算结果通过与实验数据进行对比，验证了模型的正确性。分析了蜂窝陶瓷内各物质浓度场、反应速率场和温度场的分布，对正十六烷蒸汽重整反应的机理研究奠定了基础，同时为制氢系统的优化提供了理论依据。 本文的实验和数值模拟研究，一定程度上揭示了蜂窝陶瓷内正十六烷蒸汽重整反应的特性和原理，为制氢系统中操作条件的确定和反应器的优化提供了合理的建议，具有实际的工程意义。
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