丙烷催化部分氧化重整反应器（清华大学内部资料）.ppt

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中科院宁波材料所燃料电池事业部丙烷催化部分氧化丙烷催化部分氧化重整反应器的研究重整反应器的研究报告人：

程宏辉报告人：

程宏辉2009年4月中科院宁波材料所燃料电池事业部军事目的和意义国内外研究进展研究目标、成果形式及主要技术指标研究内容和拟解决的关键问题拟采取的研究方法、技术路线报告内容中科院宁波材料所燃料电池事业部军事目的和意义n燃料电池技术具有高能、环保、低噪音等特点，在军事行动中，与二次电池相比具有无法比拟的优势。

q固体氧化物燃料电池（对燃料适应性最强，能够使用丙烷、JP-8、柴油等各种常规军用燃料，正被美国军方重点发展）q质子膜燃料电池（使用高纯氢，纯度99.99%，对S、CO杂质非常敏感）q直接甲醇燃料（甲醇有毒，对使用者和环境不利）n燃料重整技术是军用燃料电池系统中关键的核心技术q此项研究将解决SOFC系统中关键部件丙烷催化部分氧化重整器开发和应用过程中存在的一些关键的技术基础问题。

q研究的最终目标是为军用SOFC便携式高能量密度电源提供关键的燃料处理部件。

q此项研究有利于提高我军部署电子设备的长期服役性，提高我军整体作战能力。

中科院宁波材料所燃料电池事业部国内外研究进展Mesoscopic:

MesoGenTM-75丙烷丙烷MesoGenTM-250JP-8士兵作战电源士兵作战电源无人驾驶机无人驾驶机辅助电源辅助电源坦克辅助电源坦克辅助电源AdaptiveMaterials:

Amie25丙烷丙烷Amie150丙烷丙烷Nanodynamics:

Revolution50H丙烷丙烷Revolution60C丙烷丙烷拆爆机器人辅助电源拆爆机器人辅助电源中科院宁波材料所燃料电池事业部MesoGenTM-75内部内部结构和热区实物图结构和热区实物图电堆电堆空气空气丙烷气体丙烷气体点火器点火器预热及混合预热及混合CPOXCPOX重整器重整器热交换器热交换器尾气燃烧器尾气燃烧器热区热区丙烷丙烷CPOXCPOX重整器重整器中科院宁波材料所燃料电池事业部u从经费来源看，目前美国便携式SOFC研究的经费资助主要来自军方，说明这项技术具有很强的军事应用价值。

u从发展历程看，功率正从十瓦级向千瓦级迈进，燃料从最初单一的丙烷向柴油、JP-8、Jet-A、生物柴油、丁醇等多种燃料发展，其目的是满足多种作战场合需要、降低对进口石油的依赖和对军队后勤供给的压力。

这些都对重整技术的发展不断提出了更高的要求。

u国内在SOFC领域的研究水平与国外差距较大，目前大部分工作停留在电池堆单元材料和基础科学问题研究，而涉及到SOFC电池系统配套的燃料重整技术的研究还是空白。

u对于便携式SOFC系统来说，CPOX是普遍接受的重整方式，丙烷是普遍接受的燃料。

C3H8+3/2O23CO+4H2H=-227.5kJ/mol丙烷丙烷CPOX重整反应重整反应中科院宁波材料所燃料电池事业部u便携式SOFC系统中的丙烷CPOX重整反应器主要是固定床式反应器。

u便携式SOFC系统中的丙烷CPOX重整反应器所使用的催化剂材料，重整器点火启动、维持、停止等运行过程以及O2/C,燃料流速等关键运行参数未见详细资料报道。

这是该项目亟需弄清楚的问题。

中科院宁波材料所燃料电池事业部研究目标、成果形式及技术指标研究目标研究目标n研制一套丙烷CPOX重整器。

为重整器的结构设计和加工，催化剂的筛选和填充方式，燃料丙烷的挥发和空气混合过程，重整器的安全点火启动、维持和停止等动作过程，提供一整套初步方案，同时详细研究O2/C比和燃料气流速对输出重整气的成分变化影响。

成果形式成果形式n项目完成后，将形成我国的自主知识产权，预期申报发明专利2项以上，在国际杂志、一级学报发表论文12篇，培养博士生1人，硕士生1-2人。

n项目实施后将完成国内第一套SOFC专用小型丙烷CPOX重整器，为SOFC便携式移动电源提供关键的核心部件。

主要技术指标主要技术指标n冷启动时间4minn稳定运行时输出重整气大致成分H220%,CO21%,CO22%,H2O3%,C1-C3烷烃50%n稳定运行时间96小时n出口气体流速25sccmnC3H8转化率95%n启动方式电子点火中科院宁波材料所燃料电池事业部n制备丙烷CPOX重整催化剂并对其催化性能、使用寿命进行评价。

通过调节活性组分的成分和添加助剂优化催化剂的性能以满足反应器的设计要求，为反应器提供合格的催化剂。

n通过流体力学数值模拟软件研究丙烷预热挥发与空气混合过程以及混合气在催化剂床层的流动过程，优化反应器腔体结构和催化剂填充方式，确保丙烷与空气的充分混合，确保催化剂床层能够发挥出最优催化效果，保证电子点火器在反应器中的合理布置。

n通过三维造型软件以及数值模拟获得的优化参数，研究如何进行丙烷CPOX重整反应器的三维结构设计。

依据三维结构通过二维零件绘图软件设计重整器各个零件图，并加工实现整个反应器。

n通过反应器试验台，研究重整器的点火启动、维持和停止等动作过程，以及O2/C比、燃料流速对重整器性能的影响，摸清重整器整体运行规律。

研究内容和拟解决的关键问题中科院宁波材料所燃料电池事业部拟采取的研究方法、技术路线研究方法研究方法n通过XRD,TEM,SEM研究催化剂的微观结构，通过TPO、TG研究催化剂的抗积碳性能，通过催化性能综合测试台研究催化剂的活性和使用寿命，通过催化剂结构和组成的调变优化催化剂的性能。

n通过流体力学数值模拟软件Fluent研究丙烷挥发气与空气混合，点火启动、维持、停止过程重整器内部的浓度场、流场和温度场情况。

n通过三维造型软件Solidworks研究如何进行各零部件的空间布局，使反应器结构更加紧凑小巧。

通过二维绘图软件Autocad进行重整器的零部件设计。

n采用试验手段测试获得O2/C，燃料流速等关键参数对重整器性能的影响规律，为确定重整器最佳运行方案提供依据。

中科院宁波材料所燃料电池事业部技术路线技术路线n催化剂的制备和性能优化以共沉淀法或浸渍法分别制备氧化物负载的贵金属催化剂，如Pt催化剂，和非贵金属催化剂，如Ni催化剂。

通过催化剂综合性能测试台和TPO、TG装置对催化剂的活性，使用寿命，抗积碳性能进行评测，优化催化剂组分以使之性能满足使用要求。

n反应器结构仿真和优化通过Fluent软件详细研究丙烷预热挥发与空气混合过程以及混合气在催化剂床层的流动过程的浓度场、温度场和流场分布情况，并据此优化反应器腔体结构、催化剂填充方式、合理布置电子点火器在反应器中的位置。

中科院宁波材料所燃料电池事业部n反应器的结构设计和组装成型根据数值仿真结果，采用Solidworks软件对反应器进行三维造型，通过对各零件合理的空间布局使得反应器在满足性能要求的情况下所占空间最小。

依据反应器的三维造型图，通过Autocad软件完成各零件图。

依据各零件图和三维造型图实现整个反应器的加工组装以及催化剂的填充。

n反应器的性能评价搭建反应器性能评价台，研究重整器的点火启动、维持和停止等动作过程，以及O2/C比、燃料流速对重整器性能的影响，摸清重整器整体运行规律，为反应器的应用提供关键运行参数。

中科院宁波材料所燃料电池事业部