随着氢燃料电池技术的不断发展,以氢燃料电池为动力的新能源汽车和无人机等产业也迅速兴起。然而,氢燃料电池在这些移动场合的应用,严重受制于移动供氢技术的发展。采用液态低碳醇作为氢源载体,并在移动设备中实现快速高效的现场重整制氢,则有望在氢燃料电池移动氢源问题上实现突破。制氢微反应器作为现场重整制氢系统的核心部件之一,需要满足动态响应快、功率密度高等要求。因此,为了提高制氢微反应器的体积功率密度与能量效率,需要设计一种比表面积大、传热传质速率高、催化剂涂覆性能好的制氢微反应器新结构,并对制氢微反应器的制氢性能与结构优化进行研究。为此,本论文结合国家自然科学基金项目“表面多孔化微通道跨尺度结构的粉末分层半固态烧结溶解制造方法研究”(资助号:51575482)、NSFC-浙江省两化融合联合基金项目“多孔金属-波纹基板层叠型自热重整制氢微反应设计与制造基础研究”(资助号:U1809220)和浙江省自然科学基金杰出青年项目“层叠自热型醇类制氢微重整器反应载体的热耦合设计及多尺度制造”(资助号:LR14E050002),采用理论建模、数值模拟与实验研究相结合的方法,开展了表面多孔微通道制氢反应器的结构设计与制造工艺研究,主要包括表面多孔微通道制氢反应器的制氢性能仿真、催化载体的分层粉末冷压成形多颗粒有限元建模、制造工艺参数影响规律以及催化载体的半固态烧结溶解工艺研究等工作。第1章,阐述了本论文的研究背景与意义,综述了当前国内外重整制氢微反应器的结构设计、制造工艺与理论研究方面的研究现状、发展动态分析和有待深入研究的问题;在此基础上,提出了本论文的主要研究内容。第2章,为了改善制氢微反应器的综合制氢性能,提出并设计了一种表面多孔微通道制氢反应器新结构;为了分析表面多孔结构对制氢性能的影响机理,采用流体动力学仿真软件Fluent,建立了表面多孔微通道制氢反应器流体流动、传热与反应过程的三维流体动力学数值模型,通过改变温度、流速等反应动力学参数,研究比表面积、深径比与分布状态等表面多孔结构参数对甲醇转化率、制氢速率的影响规律。结果发现表面多孔微通道内温度分布均匀,表面多孔结构可以有效地提高催化反应面积与传热传质速率,最终可以获得更好的制氢性能。第3章,针对表面多孔微通道催化剂载体跨尺度结构的一次成形,研发了一种分层粉末烧结溶解制造工艺,并对制造出的表面多孔微通道结构进行表面形貌分析。为了分析表面多孔结构的成形机理,基于多颗粒有限元法和内聚力区域法,采用有限元软件ABAQUS建立成形过程的数值模型,对成形过程中的颗粒应力、应变与断裂过程进行分析,获得压制过程的相对密度-压制压强曲线,并对数值模型进行了实验验证。结果表明提出的分层粉末烧结溶解制造工艺成功实现了表面多孔微通道催化剂载体跨尺度结构的一次成形,同时建立的数值模型可实现对分层复合粉末冷压过程与表面多孔结构成形过程的准确模拟。第4章,为了改善表面多孔微通道催化剂载体的比表面积与机械性能,对分层粉末烧结溶解制造过程的工艺参数进行研究。采用建立的基于内聚力区域法的多颗粒有限元数值模型,研究颗粒初始随机排放结构、颗粒尺寸大小与氯化钠含量对分层复合粉末冷压过程的影响。同时,针对分层粉末的热压烧结过程,研究压制压强、烧结温度和颗粒大小等工艺参数对制造的表面多孔结构性能的影响规律,为后续制造出综合性能更佳的表面多孔微通道催化剂载体,提供了工艺基础。第5章,为了降低表面多孔微通道催化剂载体成形过程中的压制压强与烧结时间,提出分层粉末半固态烧结溶解工艺。为了实现铝合金与氯化钠分层复合粉末半固态下的热压过程相对密度预测,对Shima-Oyane模型进行扩展并建立了分层粉末半固态热压成形过程模型,同时对模型结果进行了实验验证,并采用Cooper-Eaton方程对分层粉末半固态热压的致密化过程进行了分析。结果表明采用半固态烧结溶解工艺可以有效降低成形过程中的压制压强和烧结时间,并制造出基体全致密化的表面多孔结构,同时建立的理论模型可以准确实现分层复合粉末半固态热压的相对密度预测。第6章,采用分层粉末半固态烧结溶解工艺完成了表面多孔微通道催化剂载体的制造,并对其催化剂涂覆性能展开了研究。研制出表面多孔微通道制氢反应器系统,对表面多孔微通道制氢反应器的制氢性能进行了实验研究,分析了表面多孔结构、反应温度、入口流速等对制氢性能的影响规律,同时也验证了表面多孔微通道反应器制氢过程的数值模拟。第7章,总结了论文的主要研究工作和创新点,并展望了未来的研究工作。