日渐枯竭的石油资源和日益增长的交通能源需求,迫使世界各国开始大力发展氢燃料电池汽车并建立与之相配套的加氢站。分散的加氢站不可避免地涉及到氢气的存储和分配等问题。现阶段缺乏廉价且安全可靠的氢气存储技术,导致难以构建起氢气分配网络。利用易于存储和富含氢的甲醇,在加氢站或在汽车上重整制氢的方法可以解决氢气的存储和分配问题。相比于传统的催化重整技术,等离子体重整技术具有响应迅速和结构紧凑等优势,更适合于分布式制氢和车载制氢等中小规模场所,但也存在着能量效率低,产物选择性差以及能耗高等问题。等离子体催化重整可同时具有等离子体和催化技术的优点,为实现甲醇重整高效制氢提供了一种可行的途径。本论文针对分布式制氢和车载制氢的应用需求,开展了滑动弧等离子体催化甲醇重整制氢的研究。对于固定场所的分布式制氢,研究了滑动弧等离子单独作用(无催化剂)下的甲醇裂解重整反应,以及滑动弧等离子体催化甲醇裂解-水汽重整反应。对于车载制氢更为苛刻的低能耗要求,开展了单独滑动弧等离子体(无催化剂)甲醇氧化-裂解重整反应,以及等离子体链式催化甲醇氧化-裂解-水汽重整反应的研究。主要研究内容和结果如下:1.以气化的甲醇和水为进料气体,研究了滑动弧等离子体单独作用下的甲醇裂解重整反应。在实验考察范围内,当进料成分不变时,甲醇的转化率主要取决于能量密度(SEI)。当SEI固定,甲醇浓度的变化对产物选择性的影响显著:在低甲醇浓度(高水汽浓度)下,产物以H2、CO和CO2为主;随着甲醇浓度增加,CO2选择性急剧下降,CO与烃类选择性增加。采用发射光谱对不同甲醇浓度下的滑动弧等离子体进行了诊断,发现弧通道温度和电子密度不随甲醇浓度变化而改变,分别为2500K和3～4×1014 cm-3。采用商业HSC v7.0软件,计算了甲醇裂解重整反应体系在弧通道温度下的热力学平衡产物分布。计算所得的热力学平衡值与实验结果,在所考察的甲醇浓度范围内较吻合,表明重整反应主要发生在弧通道中。结合产物分布与发射光谱所检测到的辐射物种,探讨了滑动弧等离子体甲醇重整反应机理。2.为解决单独滑动弧等离子体甲醇裂解重整制氢转化率和能量效率低的问题,在无外加热源的保温反应器中,研究了滑动弧等离子体与催化剂耦合甲醇裂解-水汽重整用于分布式制氢,考察了输入功率和空速的影响。实验中所用的Fe-Cu/Al2O3催化剂能够在重整过程中自还原,在该催化剂上主要发生甲醇水汽重整和水汽变换反应。在催化剂用量为20g,进料气中的水/甲醇(S/C)比为1.5,输入功率(Pin)为140 W,进料流量(Fin)为2.5 SLM的条件下,相比于单独等离子体,甲醇转化率和能量效率分别由48%和67%提高到94%和84%,能耗由1.69kWh/Nm3降低至0.85 kWh/Nm3,同时CO选择性也由82%降低至22%。3.为了进一步降低能耗以满足车载制氢的应用需求,研究了滑动弧等离子体(无催化剂)甲醇氧化-裂解重整反应。在甲醇重整体系中引入氧气(以空气作氧源),有助于滑动弧等离子体在较低的能量密度下稳定运行,降低了维持等离子体所需的电能。氧气/甲醇(O2/C)比的提高,能促进更多的甲醇通过裂解重整反应途径转化,从而大幅提高甲醇的转化率。增加S/C 比或SEI都会导致能量效率降低和能耗增加。在02/C=0.30、S/C=0.5、SEI=24 kJ/mol条件下,甲醇转化率为88%,能量效率和能耗分别为74%和0.45 kWh/Nm3。4.为了充分利用等离子体和甲醇部分氧化所释放的热量,设计了两段进料滑动弧等离子体链式催化甲醇重整的保温反应器。根据甲醇自热重整反应的化学计量比和单独等离子体的反应结果,优化设定了两段进料气的相应组成与流量分配。将滑动弧等离子体与甲醇高温C1(Ni-Cu/Al2O3,5克)和中温C2(Fe-Cu/Al2O3,27克)重整两段催化剂顺次耦合,在输入功率为60 W、总进料量为4.8 SLM、总进料气中02/C和S/C 比分别为0.16和0.7条件下,甲醇和水的转化率分别为92%和42%,氢原子利用率和氢气干基浓度分别为88%和59vol.%,能量效率高达91%,制氢能耗低至0.22kWh/Nm3。综合反应结果,分析了等离子体、C1和C2催化剂对等离子体链式催化总过程的各自贡献。