新型鑲嵌結(jié)構(gòu)復(fù)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(duì)環(huán)境無(wú)污染等諸多優(yōu)勢(shì)，既可直接用于汽車、船舶、火箭、宇宙飛船發(fā)動(dòng)機(jī)，也可供燃料電池用于集中式發(fā)電和分布式電源等場(chǎng)合，因此氫能被認(rèn)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(xué)法（即：燃料重整反應(yīng)）將煤、汽油、柴油和天然氣等碳?xì)淙剂现苯愚D(zhuǎn)換成含有一定氫氣組分的混合燃料。然而，在碳?xì)淙剂现卣磻?yīng)過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生一些對(duì)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(shí)際推廣應(yīng)用最主要的障礙之一。鑒于此，需要對(duì)燃料重整反應(yīng)后的含氫混合氣體進(jìn)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(dú)特的氫氣選擇透過(guò)性，可耦合于氫氣生產(chǎn)過(guò)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(fù)合膜，相對(duì)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(guò)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(fù)合金屬氫分離膜經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期反復(fù)高低溫運(yùn)行后，會(huì)導(dǎo)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(hù)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(fù)合金屬氫分離膜的實(shí)際使用壽命。
　　針對(duì)傳統(tǒng)復(fù)合膜的缺點(diǎn)與不足，本文提出了一種鑲嵌結(jié)構(gòu)復(fù)合金屬氫分離膜，并對(duì)不同微肋結(jié)構(gòu)的復(fù)合膜進(jìn)行強(qiáng)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(fù)合金屬氫分離膜的氫強(qiáng)化傳輸效率有所下降；矩形微肋結(jié)構(gòu)復(fù)合膜不僅具有比半圓微肋結(jié)構(gòu)復(fù)合膜有更好的流場(chǎng)擾動(dòng)效果，而且有更多的氫氣突破了壁面的濃度邊界層，強(qiáng)化復(fù)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(qiáng)化流動(dòng)傳熱的機(jī)理，提出了一種新型矩形肋片結(jié)構(gòu)的復(fù)合金屬氫分離膜。通過(guò)對(duì)該結(jié)構(gòu)復(fù)合膜的模擬對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)這種特殊結(jié)構(gòu)能夠大大提高復(fù)合膜的氫分離

5、效率。此外，為驗(yàn)證本文所提出鑲嵌結(jié)構(gòu)復(fù)合膜的熱穩(wěn)定性，建立了此種鑲嵌結(jié)構(gòu)復(fù)合膜與傳統(tǒng)夾層型平板結(jié)構(gòu)復(fù)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(fù)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(dǎo)致復(fù)合膜在高溫運(yùn)行時(shí)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(fù)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)