文档介绍：富氢合成气中杂质气体对质子交换膜燃料电池性能的影响*
    钟 莹,李 专,尹 蕾,夏小宝,解东来
    ( 华南理工大学传热强化与过程节能教育部重点实验室,广东 广州 510640)
    摘 要:质子交换膜燃料电池以其高效、清洁的优点在微型热电联产中广泛应用。利用天然气重整反应制氢是燃料电池最经济的氢气来源之一。研究重整合成气中的杂质气体对燃料电池性能的影响至关重要。设计、搭建了测试合成气体中杂质气体成分对质子交换膜燃料电池性能影响的实验测试系统,研究、考察了含氢合成气中杂质气体 CO2,CH4,N2对质子交换膜燃料电池性能的影响。测试结果表明: 对于所采用的 PEM 燃料电池及试验所采用的杂质气体的浓度范围,这些气体对于燃料电池的性能都有影响。其中 N2对燃料电池的影响是可逆的,CH4和 CO2会对电池造成永久性的损坏。
    关键词:质子交换膜燃料电池; 氢气; 极化曲线; 合成气
    近几年燃料电池得到了快速发展,相比于其他的能量转换系统,燃料电池具有较高的能量转化率和极少的有害物质排放。目前,燃料电池的主要用途之一是家庭和小型商业的微型热电联产[1 -2],其中,质子交换膜燃料电池( Proton Exchange Mem-brane Fuel Cell,简称 PEMFC) 在微型热电联产中的应用非常广泛[3]。考虑到目前已有成熟的天然气和液化石油气输配网络,对于微型热电联产,最经济的氢气气源是现场的由天然气或液化石油气通过重整制氢。我课题组目前正在设计和研发 kW 级的基于燃料电池的微型热电联产系统。该系统由燃料处理单元、PEM 燃料电池单元和辅助单元组成[4]。氢气来源是天然气通过氧化重整产生的合成气。合成气中的 CO 通过高温和低温水汽变换反应净化,其浓度分别降低至 2. 0% ~4. 0% ( 体积比,下同) 和 0. 3% ~0. 6%,继而通过选择性氧化反应使 CO 的浓度降低到 10 ×10- 6以下。在系统的工艺设计中,通过上述净化所产生的天然气重整合成气的体积组成如下: CO: 10 × 10- 6,CH4: 0. 4%,CO2: 14. 1%,H2: 42. 7%,H2O: 14. 9% ,N2:27. 9%[4]。由上述体积组成可以看书,合成气中除含有 H2外,还有少量的 CO,CH4及大量的 CO2和 N2,这些杂质气体是否会影响 PEM 燃料电池的性能是 kW 级燃料电池设计和使用中的一个关键问题。
    目前国内外对于富氢合成气中 CO 对 PEM 燃料电池性能影响的研究比较充分。大家普遍认为 CO 会吸附在燃料电池的催化剂中,导致燃料电池性能的严重下降。为防止 CO 影响燃料电池的性能,合成气中 CO 的体积含量需控制在 10 × 10- 6以内[5 -8],这也是在本课题组所研发的 kW 级燃料电池热电联产系统中,将 CO 含量控制在 10 ×10- 6以内的依据。美国 Argonne 国家实验室的 Ahluwalia 会和 Wang 研究了杂质气体 CO2对燃料电池的影响,提出在燃料电池中,CO2与 H2发生逆水汽变换反应,产生 CO,从而影响燃料电池性能,其研究中所采用的原料气中的 CO2的体积分数在0. 25%以内[5]。我国大连物理化学研究所的俞红梅等人采用模拟重整气研究了