新型鑲嵌結構復合金屬氫分離膜的數(shù)值模擬.pdf

1、由于氫氣燃燒熱值高、對環(huán)境無污染等諸多優(yōu)勢，既可直接用于汽車、船舶、火箭、宇宙飛船發(fā)動機，也可供燃料電池用于集中式發(fā)電和分布式電源等場合，因此氫能被認為是一種極為優(yōu)越的新能源載體。目前世界上絕大部分的氫氣生產(chǎn)主要是采用熱化學法（即：燃料重整反應）將煤、汽油、柴油和天然氣等碳氫燃料直接轉換成含有一定氫氣組分的混合燃料。然而，在碳氫燃料重整反應過程中，會產(chǎn)生一些對燃料電池（特別是質子交換燃料電池PEMFC）有害的氣體（如：一氧化碳等），造成

2、燃料電池電極催化劑中毒，使催化劑活性減弱，從而大幅降低燃料電池發(fā)電效率，縮短其使用壽命，這是目前制約清潔、高效燃料電池實際推廣應用最主要的障礙之一。鑒于此，需要對燃料重整反應后的含氫混合氣體進行處理，以獲得高純度的氫氣，供燃料電池或其他設備使用。
　　金屬鈀膜因其獨特的氫氣選擇透過性，可耦合于氫氣生產(chǎn)過程中，獲得高純度的氫氣。采用釩、鉭或鈮等金屬作為膜基材的傳統(tǒng)復合膜，相對以前純金屬鈀膜成本大大降低，且具有優(yōu)良的氫選擇性和透過能力

3、，引起了人們的關注。但因不同金屬材料間熱膨脹系數(shù)不一致，常規(guī)夾層型平板結構的復合金屬氫分離膜經(jīng)過長期反復高低溫運行后，會導致熱應力集中，在鈀及鈀合金沉積層中出現(xiàn)破裂、與基板材料分離、甚至脫落等現(xiàn)象，最終使失去保護的基體材料在高溫條件下快速氧化，生成氫原子難以穿透的致密氧化層，大大地影響到常規(guī)復合金屬氫分離膜的實際使用壽命。
　　針對傳統(tǒng)復合膜的缺點與不足，本文提出了一種鑲嵌結構復合金屬氫分離膜，并對不同微肋結構的復合膜進行強化氫傳

4、輸?shù)臄?shù)值模擬。其結果表明：在給定微肋結構參數(shù)條件下，隨著入口混合氣體速度的增加，復合金屬氫分離膜的氫強化傳輸效率有所下降；矩形微肋結構復合膜不僅具有比半圓微肋結構復合膜有更好的流場擾動效果，而且有更多的氫氣突破了壁面的濃度邊界層，強化復合膜的氫傳輸性能。在分析比較前面數(shù)值模擬結果的基礎上，借鑒微肋強化流動傳熱的機理，提出了一種新型矩形肋片結構的復合金屬氫分離膜。通過對該結構復合膜的模擬對比分析，發(fā)現(xiàn)這種特殊結構能夠大大提高復合膜的氫分離

5、效率。此外，為驗證本文所提出鑲嵌結構復合膜的熱穩(wěn)定性，建立了此種鑲嵌結構復合膜與傳統(tǒng)夾層型平板結構復合膜在不同溫度下的熱應力有限元分析模型。分析結果表明：傳統(tǒng)平板結構復合膜最大熱應力集中在交界面的端面附近，且交界面鈀膜側主要承受拉應力，是導致復合膜在高溫運行時出現(xiàn)破裂、與基體材料分離、甚至脫落等現(xiàn)象的根本原因；雖然鑲嵌結構復合膜的最大熱應力也出現(xiàn)在材料的交界面附近，但是在交界面上鈀膜側承受的是壓應力，而這種交界面端面處向下逐漸減小的壓應