厦门大学周伟教授团队：集成余热回收的在线式自热型甲醇重整制氢系统性能研究 | CJME论文推荐

引用论文

Yuchen Zhong, Weilong Lin, Kun Dong, Xiaomeng Chen, Yuzhi Ke, Wei Zhou,Performance Prediction of a Compact On-Site Autothermal Methanol Reforming Hydrogen Production System with Integrated Waste Heat Recovery,

Chinese Journal of Mechanical Engineering,2026,100213,https://doi.org/10.1016/j.cjme.2026.100213.

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关于文章

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研究背景及目的

甲醇作为理想液态氢载体，其在线重整技术是构建分布式氢能体系的关键。自热式重整系统通过燃烧与反应的内部耦合实现能量自维持，但其高效运行面临废热精准管理的核心挑战。现有系统存在三方面突出问题：催化燃烧产生的高品位热能未能有效回收，导致系统能效低下与制氢成本攀升；热管理失衡制约重整反应深度，降低甲醇转化率与产氢量，并推高CO选择性而影响氢气品质；粗放的热利用模式造成显著㶲损，既降低能源品位利用率，又因额外燃料消耗加剧碳排放。为此，本研究开展自热式甲醇重整系统内部废热回收研究，通过构建稳态仿真模型，评估不同热集成方案对产氢性能、热力学效率及经济性的影响规律，以确立最优操作参数与热回收架构，为高效低碳的现场制氢系统开发提供关键技术支撑。

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试验方法

本研究基于 Aspen Plus V11.0 构建自热式甲醇重整制氢系统的稳态流程模型，并利用原型系统实验数据对模型进行验证。在此基础上，规划了六种热集成策略（I-VI），通过重构换热网络与物流分配，实现催化燃烧尾气与高温纯氢显热的梯级回收利用，目标覆盖进料预蒸发、重整反应供热及二者协同。研究系统考察了水/甲醇摩尔比（1.1-1.5）和空气/甲醇–水混合物摩尔比（1.2-1.4）等关键参数，通过求解系统质量与能量平衡，建立了涵盖甲醇转化率、产氢速率、CO选择性、能量/㶲效率及单位产氢CO₂排放量的多维评估体系，为系统优化与工程应用提供了理论依据和数据支撑。

图1 具有余热回收功能的自热型甲醇重整制氢系统

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结果

本研究提出了一种集成余热回收的紧凑型自热式甲醇重整制氢系统，系统探究了运行参数与热回收策略对制氢性能的影响规律。研究结果表明：以W/M=1.4、A/M=1.4为最优工况，采用策略VI（催化燃烧尾气用于原料预蒸发，纯氢余热用于重整反应供热）时，系统可实现97.3%的甲醇转化率和11.3 L/min的产氢速率，系统能量效率与㶲效率分别达到73.5%和67.3%，单位产氢的二氧化碳排放量降至8.18 kg。该策略通过系统内部热量的合理分配与梯级利用，实现了热量品位与用热需求的更优匹配。经济性分析表明，尽管该策略初始投资较高，但制氢成本可降至2.472 USD/kg H₂，预计投资回收期为8年，展现出良好的技术经济性。该系统为开发高效、低碳的分布式氢能装备提供了可靠的技术方案。

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结论

本研究构建的集成余热回收自热式甲醇重整制氢系统，是一种高效的在线式氢能制备新方法。通过采用策略VI（催化燃烧尾气用于原料预蒸发、纯氢余热用于重整反应供热），实现了系统内部能量的梯级利用与热力学品位匹配，有效提升了制氢效率并降低了碳排放强度。研究阐明了操作参数与热回收策略的协同作用机制，揭示了甲醇水摩尔比与空气燃料摩尔比对系统性能的调控规律，确立了最优热管理方案，为发展高效紧凑型甲醇制氢系统提供了重要的理论支撑和技术途径。

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前景与应用

本研究工作为在线自热式甲醇重整制氢系统的能效提升与集成优化提供了重要的理论基础和技术方案，为实现在线式制氢装备制氢产率提升、碳排放强度降低及系统能效优化提供了关键的技术路径。

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相关文章/图书推荐

[1] Salem O. H., Hassan H. A comprehensive review on mainly hydrogen production based on waste heat recovery for single and multigeneration energy systems. Applied Energy, 2026, 402(Part B): 126991.[2] Rostami S. M. R., Al-Shibaany Z., Kay P., Karimi H. R. Deep reinforcement learning and fuzzy logic controller codesign for energy management of hydrogen fuel cell powered electric vehicles. Scientific Reports, 2024, 14: 30917

关于作者

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作者介绍

周伟教授，厦门大学萨本栋微米纳米科学技术研究院副院长、国家杰青、国家重点研发计划首席科学家，团队学术带头人，长期从事于功能微结构精密制造技术、氢燃料电池、智能传感等领域的研究工作，主持国家杰青、优青等项目50余项，获教育部技术发明二等奖（排名第一），福建省科技进步一等奖。

所带领的厦门大学功能微结构精密加工研究团队长期致力于精密制造技术、功能微结构制造、新能源与节能技术、智能传感器领域的研究工作。团队瞄准新能源、智能传感领域对微结构制造的亟迫需求，围绕三维多孔微结构、有序化微结构等，重点开展了微结构加工机理、形性调控与精密制造研究及在新能源装备、智能传感器等高端装备与器件的推广应用工作。近年来，团队主持/牵头了国家杰出青年科学基金、国家重点研发计划项目、福建省科技重大专项等50余项项目；在以Nat. Commun.、INT J MACH TOOL等为代表的国内外权威期刊上累积发表论文200余篇；获得2020年度教育部技术发明二等奖，2020年度福建省科技进步一等奖，2020年度厦门市科技进步一等奖。

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近年团队代表性文章

[1] Xu, Wenjun, et al. "Adaptative two-phase thermal circulation system for complex-shaped electronic device cooling." Nature Communications 16 (2025): 1713.

[2] Chen, Rui, et al. "Model-driven 3D laser focus shifting for precision fabrication of microstructures in transparent flexible polymers." International Journal of Machine Tools and Manufacture (2025): 104310.

[3] Li, Xinying, et al. "Fabrication of super hydrophilic surface on FeCrAl-WM with ridged microstructure for Joule-heating catalyst support by UV-laser microprocessing." Journal of Manufacturing Processes 109 (2024): 447–459.

[4] Gao, Chao, et al. "Enhanced Regenerative Cooling Performance with Conformal TPMS Channels" Energy (2025). 322: 135530.

[5] Chen, Rui, et al. "Nonlinearity synergy: An elegant strategy for realizing high-sensitivity and wide-linear-range pressure sensing." Nature Communications 14 (2023): 6641.

作 者：周 伟

责任编辑：恽海艳

责任校对： 向映姣

审 核：张 彤

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