【甲醇重整制氢微反应器的装配方法研究现状的文献综述3000字】

甲醇重整制氢微反应器的装配方法研究现状的文献综述目前重整制氢微反应器的层叠制造装配方法主要有以下几种：键合连接基于硅和玻璃材料制造的甲醇制氢反应器多会用键合连接的方式，这是一种不可逆的连接方式，可分为硅热键合和阳极键合两种方式。热键合也称为直接键合，其键合温度和退火温度都比较高，需要800℃的温度以上，因此对基板材料的耐热性提出了更高的要求。而阳极键合需要施加一定的电压场，并且该方法只针对于特定的玻璃(Pyrex)，对较低熔点的其他玻璃，由于基底材料热膨胀系数和硅有较大的差别，会在键合基片内部产生较大的热应力，影响键合效果[43]。日本卡西欧公司的TsutomuTerazaki等研制了一种玻璃多层微反应器[44]。该微反应器由4个单元组成：1个甲醇重整室，1个催化燃烧室，1个CO去除室和2个汽化室，总体大小是22×21×11mm3，可以产生2.5W的电力。采用阳极键合法制备玻璃多层微反应器，因为玻璃和硅片的热膨胀系数不一样，采用阳极键合的方式可能受到热应力的影响，TsutomuTerazaki等人采用在玻璃上事先溅射沉积一层很薄的钽金属层，然后在400℃下施加300V至1000V的电压，即可制造出玻璃-硅-玻璃的夹层结构，以此方法他们制造出了多层玻璃夹层结构。图1-14多层玻璃甲醇制氢微反应器实物图[44]韩国科学技术学院燃料电池研究中心的SangHyunAhn等开发了一款以液化天然气为燃料的硅基反应器，以及他们早期的一项关于催化剂装在方式填充-干燥涂层方法的工作，都采用了类似的装配流程[45,46]，如图1-15所示。通过湿法刻蚀在硅基底上刻蚀出微流道，随后通过阳极键合方式和Pyrex耐热玻璃连接，作为腔室的隔离，随后在流道上涂覆氧化铝，氧化铝作为催化剂的多孔载体层，再在其上涂覆催化层，最后是加热膜的封装，反应器总体外部采用不锈钢框架封装。图1-15微重整器的制作工艺：(a)硅湿法刻蚀；(b)与耐热玻璃阳极键合；(c)氧化铝涂层；(d)催化剂涂层；(e)薄膜加热器沉积；(f)不锈钢端板封装[45]西班牙巴塞罗那加泰罗尼亚能源研究所的D.Pla等在2016年提出了一种新型的硅基乙醇制氢微重整反应器[47]。反应器包括一个嵌入式电阻式金属加热器和一个每平方厘米约2万个垂直排列的硅微通道阵列。采用阳极键合(T=450℃，V=1000V)的方法，在硅基微甲醇转化腔两侧粘结上相容的微型机械玻璃盖，实现器件封装。图1-16显示了封装后的微反应器。此外，他们通过对阳极键合过程中产生的牛顿干涉条纹的演化规律进行分析，确定了阳极键合的质量。使用共聚焦显微镜观测到粗糙度(RMS)值低于0.18nm。最后进行了简单的气体泄漏试验，确保系统的气密性良好。图1-16(a)封装的微重整器的顶部；(b)侧视图，在450°C和1000V下阳极键合将微型玻璃盖连接到硅器件上[47]密封垫片连接目前绝大多数甲醇重整制氢微反应器，包括常见的基于微通道的反应器及其配套的部件，大部分都采用不锈钢、铝和铜等金属制造。在装配过程中，将金属和密封垫片通过外力压实达到密封效果，可以通过螺栓加载，也可以通过钢带等其他形式。这种方式相对焊接和键合连接方式而言属于可逆的装配方式，便于拆卸、组装。伊朗巴博尔诺希瓦尼工业大学的OmidZahediTajrishi等人为了研究催化剂改性对重整反应的影响，采用了一种带有20个平行微通道的板式反应器(120mm×80mm×10mm)，流道尺寸为600μm×900μm×50mm。反应器只有一个甲醇重整腔，采用外部加热的方式，用软铜密封圈作为结构的密封，利用螺栓提供的夹紧力实现密封[48]，如图1-17。图1-17(a)微反应器板；(b)催化剂涂层微通道板；(c)反应器、加热棒、k型热电偶厦门大学的周伟团队设计制造了一种自热式的甲醇重整反应器[49]。反应器的结构如图1-18所示，甲醇燃烧气路首先进入的是液态甲醇，液态甲醇通过电加热棒汽化，随后在燃烧腔的催化剂作用下与氧气发生燃烧反应，靠近燃烧腔的两层先是用于重整的甲醇水混合溶液的汽化腔，汽化后的甲醇水溶液在重整腔发生重整反应。每层之间采用石墨垫片密封，外部四颗螺栓施加压力。图1-18自热反应器结构说明[49]2010年美国Connecticut大学的AngelaMMoreno等报道了一种陶瓷微通道网络自热型甲醇重整反应器[50]。这是一种管式的阵列通道结构的反应器，反应部分采用堇青石制造的蜂窝状结构。两端采用铜制的气体分流器使燃烧和重整气体呈现棋盘状的分布，多层气体分配器器件之间采用石墨垫片密封，用螺栓紧固。反应总成再用夹紧板和螺栓紧固，如图1-19所示。实验结果表明，该装置能够将甲醇燃烧和蒸汽重整相结合，用于自热制氢。在没有任何外部保温的情况下，在反应温度400℃时，甲醇转化率和产氢率分别达到了90%和70%，同时气流分配器端能保持在50℃，证明了这种分布封装陶瓷微通道的轴向自绝缘特性以及燃烧和重整反应之间有较好的热耦合图1-19陶瓷蜂窝状自热甲醇重整反应器的结构说明图[50]（3）焊接连接韩国能源研究所的Gu-GonPark等在2005报道了一种集燃烧、汽化和重整反应为一体的甲醇重整器[51]。该集成反应器的尺寸为60×40×30mm3，输出功率为59Wt。在500μm厚的不锈钢板上用湿法化学蚀刻形成微通道，流形板具有两个孔作为气体出入口和两个三角形流场用于均匀分布通过每个微通道的流量。所有的不锈钢板堆叠在一起，并通过钎焊连接成单元反应器，包括燃料蒸发腔体、燃烧腔体和重整腔体，如图1-20所示。图1-20通过钎焊连接的一体化板式反应器[51]东南大学的姚峰设计并制造了一种分形树状的甲醇重整制氢微反应器[52]。如图1-21，反应器采用不锈钢材料制造，分为基体和密封板两部分，基体正反面都铣出了树形结构的流道，树状密封板也是不锈钢材料，使用线切割方式从1mm厚的不锈钢板上抠出，用于盖在流道上方起到密封作用，边缘要比基体的树状流道宽度多预留0.5mm，作为方便激光焊接而预留的焊缝。在基体结构上多了一级阶梯结构，方便在焊接时预置密封板。图1-21阶梯式结构和树状反应器实物图[52]其他连接方式中国科学院大连化学物理研究所的GuangwenChen等为了研究微通道反应器中，壁附催化剂的性能，详细研究了壁附催化剂的制备方法，即溶胶-凝胶法和溶液-涂覆法[53]。他们采用的微通道反应器的装配方式是，将沉积在微通道内的干燥、煅烧完催化剂的不锈钢片用耐热无机胶组装成微反应器，并用螺栓拧紧，保证了微反应器的密封性。微通道反应器的外部结构如图1-22所示。图1-22采用耐热胶和螺栓实现密封的反应器[53]釜山国立大学的EunSangJung在2019年报道了一种内置硅化铬热电偶的甲醇和过氧化氢自热重整微催化反应器，如图1-23所示[54]。首先将玻璃晶片放在铬掩模下紫外线曝光，强度为2J/cm2。随后在585℃温度下热处理1小时，使紫外处理过的玻璃结晶。将玻璃的结晶部分溶解于10%的HF溶液中，用于制作刻蚀率为20的单层膜。将表面不均匀的玻璃抛光，之后在500℃下，以1000Pa的压力进行热压连接，粘接后在10%HF溶液中脱膜。接着，在转化层中插入氧化铝催化剂载体。一根1/16英寸的不锈钢管连接在玻璃重整腔上。1/16英寸不锈钢管安装到前端和端套。最后，将安装好的不锈钢管锁紧在反应器上。最后，通过热粘接蚀刻玻璃层装配连接整个装置。不锈钢管和玻璃之间的间隙填充了聚二甲基硅氧烷(PDMS)，PDMS是一种透明、无毒、不燃、耐热的材料，是一种广泛用于MEMS设备的密封胶。图1-23内置硅化铬热电偶的玻璃反应器实物图[54]参考文献BP.StatisticalReviewofWorldEnergy[R].UK:BP,2020.WangX-C,KlemešJJ,DongX,etal.Airpollutionterrainnexus:Areviewconsideringenergygenerationandconsumption[J].RenewableandSustainableEnergyReviews,2019,105:71-85.YuanX,LiH,ZhaoJ.ImpactofEnvironmentalPollutiononHealth-EvidencefromCitiesinChina[J].SocWorkPublicHealth,2020,35(6):413-430.SuM,ZhangM,LuW,etal.ENA-basedevaluationofenergysupplysecurity:ComparisonbetweentheChinesecrudeoilandnaturalgassupplysystems[J].RenewableandSustainableEnergyReviews,2017,72:888-899.ZhaoC,ChenB.China’soilsecurityfromthesupplychainperspective:Areview[J].AppliedEnergy,2014,136:269-279.RenX,DongL,XuD,etal.ChallengestowardshydrogeneconomyinChina[J].InternationalJournalofHydrogenEnergy,2020,45(59):34326-34345.WangL,ZhengC,WeiS,etal.Thermo-mechanicalinvestigationofcompositehigh-pressurehydrogenstoragecylinderduringfastfilling[J].InternationalJournalofHydrogenEnergy,2015,40(21):6853-6859.FrancescatoP,GilletA,LehD,etal.Comparisonofoptimaldesignmethodsfortype3high-pressurestoragetanks[J].CompositeStructures,2012,94(6):2087-2096.JiangZ,PanQ,XuJ,etal.Currentsituationandprospectofhydrogenstoragetechnologywithneworganicliquid[J].InternationalJournalofHydrogenEnergy,2014,39(30):17442-17451.KojimaY.Hydrogenstoragematerialsforhydrogenandenergycarriers[J].InternationalJournalofHydrogenEnergy,2019,44(33):18179-18192.Sang-KunO,YiK-W,ChoS-W.Numericalsimulationofhydrogendesorptionfromhigh-densitymetalhydridehydrogenstoragevessels[J].MetalsandMaterialsInternational,2017,23(4):764-769.WangY,WangY.Recentadvancesinadditive-enhancedmagnesiumhydrideforhydrogenstorage[J].ProgressinNaturalScience:MaterialsInternational,2017,27(1):41-49.RusmanNaA,DahariM.Areviewonthecurrentprogressofmetalhydridesmaterialforsolid-statehydrogenstorageapplications[J].InternationalJournalofHydrogenEnergy,2016,41(28):121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