新型鑲嵌結(jié)構(gòu)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(yīng)）將煤、汽油、柴油和天然氣等碳氫燃料直接轉(zhuǎn)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(yīng)過程中，會產(chǎn)生一些對燃料電池（特別是質(zhì)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(yīng)用最主要的障礙之一。鑒于此，需要對燃料重整反應(yīng)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(shè)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(guān)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(jié)構(gòu)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(yīng)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(jié)構(gòu)復合金屬氫分離膜，并對不同微肋結(jié)構(gòu)的復合膜進行強化氫傳

4、輸?shù)臄?shù)值模擬。其結(jié)果表明：在給定微肋結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)復合膜不僅具有比半圓微肋結(jié)構(gòu)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(jié)果的基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)的復合金屬氫分離膜。通過對該結(jié)構(gòu)復合膜的模擬對比分析，發(fā)現(xiàn)這種特殊結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)復合膜的熱穩(wěn)定性，建立了此種鑲嵌結(jié)構(gòu)復合膜與傳統(tǒng)夾層型平板結(jié)構(gòu)復合膜在不同溫度下的熱應(yīng)力有限元分析模型。分析結(jié)果表明：傳統(tǒng)平板結(jié)構(gòu)復合膜最大熱應(yīng)力集中在交界面的端面附近，且交界面鈀膜側(cè)主要承受拉應(yīng)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(jié)構(gòu)復合膜的最大熱應(yīng)力也出現(xiàn)在材料的交界面附近，但是在交界面上鈀膜側(cè)承受的是壓應(yīng)力，而這種交界面端面處向下逐漸減小的壓應(yīng)