多孔金属-波纹基板层叠型自热重整制氢微反应器设计与制造基础研究

There is a broad prospect for the hydrogen fuel cell in new energy car, tramcar and unmanned plane, but its development is enslaved to the technology of mobile hydrogen supply. In-situ reforming hydrogen production is an effective way to solve the problem of mobile hydrogen supply for fuel cell. In allusion to the problem of slow dynamic response, low power density and caducous catalyst layer in the current in-situ reforming micro-reactor for hydrogen production, the project is aimed at the key scientific and technical issues about the design and manufacturing of micro-reactor. The main innovation includes: 1) in allusion to the different demand of catalyst loading for the reforming chamber and burning chamber in the in-situ reforming reactor for hydrogen production, a new structure of thermally autonomous reforming micro-reactor for hydrogen production with laminated porous metal and corrugated sheet is proposed; 2) In allusion to multi-scale structure of porous metal catalyst support, micro fractal element for porous metal coated with catalyst layer is established to realize the multi-scale modelling of the reforming micro-reactor for hydrogen production; 3) In allusion to the problem of predicting the springback deformation in the micro-bending forming of corrugated sheet, the Voronoi tessellation method and polycrystal plasticity theory are adopted to modelling the micro-bending forming process of corrugated sheet with comprehensive consideration of crystal structure, micro-structure evolution and size effect. The project outcome will offer theoretical basis for the design and manufacturing of in-situ hydrogen supply system for hydrogen fuel cell and effectively promote the development of fuel cell related industries in Zhejiang province, even in the whole country.

氢燃料电池在新能源汽车、有轨电车、无人机等领域具有广阔的应用前景，但其发展严重受制于移动供氢技术，现场重整制氢是解决燃料电池移动供氢的一种有效方法。本项目为攻克当前重整制氢微反应器存在的动态响应慢、功率密度低、催化层易脱落等技术瓶颈，围绕重整制氢微反应器设计与制造过程中的关键科学问题开展研究，主要创新点包括：1）针对重整制氢微反应器内重整腔和燃烧腔催化剂所需量的差异性，提出一种多孔金属-波纹基板层叠型自热重整制氢微反应器新结构；2）针对负载催化层多孔金属的多尺度结构，构建其微观分形单元，建立重整制氢微反应器的多尺度数值模型；3）针对波纹基板微弯曲成形的回弹变形预测难题，综合考虑晶粒组织、微观组织演化、尺度效应的影响规律，采用Voronoi分割法与多晶塑性理论构建波纹基板微弯曲成形三维数值模型。项目成果将为现场重整制氢系统的设计与制造提供理论基础，促进浙江省乃至我国燃料电池相关产业的发展。

氢燃料电池具有清洁无污染、能量效率高等优点，已经在新能源汽车、分布式发电等领域得到了广泛应用，但其发展严重受制于移动供氢技术，现场重整制氢是解决燃料电池移动供氢的一种有效途径。本项目为攻克当前重整制氢微反应器存在的动态响应慢、功率密度低、催化层易脱落等技术瓶颈，围绕重整制氢微反应器设计和制造开展研究，包括制氢微反应器及催化剂载体结构创新设计、金属薄板微冲压成形制造工艺、微反应器连接及稳健性装配方法、重整制氢系统样机研制等，取得的主要创新成果如下：. 1) 提出了多孔金属-波纹基板层叠型自热重整制氢微反应器的结构新设计，通过建立微反应器的跨尺度多物理场仿真模型，研究了催化剂负载量对微反应器传热与制氢性能的影响规律，研制的微反应器可在9 min内实现自热启动，体积能量密度高达395 W/L。2) 针对金属薄板微成形过程中的回弹预测及补偿难题，建立了波纹基板的微弯曲成形过程数值模型，研究了微冲压成形过程中材料参数、模具参数、工艺参数等对波纹基板成形质量的影响规律，进而提出面向波纹基板微冲压成形的多步成形工艺方法，有效提高了金属基波纹基板微冲压成形的尺寸精度。3) 提出了泡沫铜载体与不锈钢波纹板的钎焊连接方法，研究了钎焊工艺参数对连接强度的影响，有效提升了泡沫铜载体与不锈钢波纹板的传热面积，泡沫铜载体与波纹板间的热阻值降低19.6%。4) 研制了大功率甲醇重整制氢系统与甲醇重整-燃料电池发电系统原理样机，重整制氢系统最大重整气产量达1.8m3/h，发电系统能量效率>70%。. 项目研究共发表期刊论文42篇(SCI检索36篇），申请国家发明专利38件（已授权24件），制定国家及团体标准3项；获国家科技进步二等奖1项，省部级科学技术奖2项。项目执行期间共培养博士后3名，博士研究生7名，硕士研究生17名；项目团队成员入选国家杰青、万人计划创新领军人才、青年长江各1名。