掺氢天然气在燃料电池中的应用.pdf

1、书书书?第一作者简介?袁逸军?男?工程师?本科?主要从事油气与化学品储运?管道检测与施工?氢能等方向技术研究和产品开发工作?通信作者简介?潘伟滔?男?硕士?主要从事氢能技术及设备的研究及应用推广工作?收稿日期?修回日期?氢生产与储运?加氢站技术?氢能利用?掺氢天然气在燃料电池中的应用袁逸军?李参军?潘伟滔?佛燃能源集团股份有限公司?广东 佛山?佛山环境与能源研究院?广东 佛山?摘?要?介绍了掺氢天然气用于燃料电池的两种方法?掺氢天然气在燃料电池中的应用包括用于直接供给原料气以及分离出氢气作为燃料?直接供给原料气适用于固体氧化物燃料电池?系统?以掺氢天然气作为?系统原料气?系统不仅表现出良好的稳

2、定性?热电联供总效率也得到了提升?而分离出氢气作为燃料的质子交换膜燃料电池?系统?基于膜分离和变压吸附结合工艺?可得到纯度符合?要求的氢气?关键词?掺氢天然气?燃料电池?固体氧化物燃料电池?质子交换膜燃料电池中图分类号?文献标志码?文章编号?概述自?世纪初开始?伴随着全球能源需求的急速增长?二氧化碳排放的影响加重和工业化发展对化石能源的依赖增长?化石能源时代的限制越来越明显?目前?世界各国依然严重依赖化石能源?包括中国在内的许多国家在积极开发可再生能源市场?投资比重也在逐年加大?可再生能源制氢技术利用弃电制氢解决庞大弃电量难题?大大减少了碳排放?得到了中国和国际社会的广泛认同?通过引入可再生能

3、源?如风能?太阳能等?再加上电解水等技术?可以生产出绿氢?产出的绿氢可以通过传统的天然气管网来输送?这是推广可再生能源的关键手段?根据已有示范项目的报道?氢气体积分数为?的掺氢天然气可以安全应用于天然气管道和终端设备中?然而不同掺氢比例对其他设备尤其是燃料电池的影响尚不清楚?燃料电池技术发展燃料电池通过电化学反应连续地将燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能?一般以氢气?甲烷?甲醇等为燃料?以氧气为氧化剂?根据电解质的不同?燃料电池可以分为碱性燃料电池?质子交换膜燃料电池?磷酸燃料电池?熔融碳酸盐燃料电池?和固体氧化物燃料电池?目前市场上最主要的燃料电池是?和?因此本文重点介绍掺氢天然气在这?种

4、燃料电池中的应用?的反应温度在?能量转换是通过电极上的电化学过程来进行的?以纯氢气作为燃料为例?其工作原理见图?电解质采用固体氧化物陶瓷?通常为氧化锆?介质?起传递?离子及分离空气和燃料的双重作用?电堆阳极燃料来自碳氢化合物重整得到的氢气?通过阳极的多孔结构扩散到阳极与电解质的界面?电堆阴极持续通入空气?具有多孔结构的阴极表面吸附氧气?由阴极本身的催化作用?使?得到电子变为?进入电解质?由浓度梯度引起扩散?到达阳极界面?与阳极燃料发?第?卷?第?期?年?月煤 气 与 热 力?生反应?失去的电子通过外电路回到阴极?发出电能?燃料除了采用纯氢气?还可以采用以?为组分的合成气?系统在发电过程中还能提

5、供高品位的余热?结合压缩式或者吸收式热泵技术?能较好地实现热电联产?综合能量利用率高?图?工作原理图?由质子交换膜和电极构成?其核心是一层高效的质子交换膜?氢气在阳极处被氧化成质子和电子?质子穿过质子交换膜?电子则通过外部电路流动到阴极处?与氧气反应生成水?工作原理见图?工作温度低?体积小?效率高?启动快?环保性好?响应速度快?很适于用作电动汽车的动力源?被业内公认为电动汽车的未来发展方向?图?工作原理?掺氢天然气在燃料电池中应用的可行性?掺氢天然气用于直接供给燃料在?系统中?可采用氢气?天然气?掺氢天然气以及煤气等多种气体作为原料气?适应性强?在进入电堆前?原料气会经过一系列的化工装置转化为

6、合成气?一氧化碳与氢气的混合物?合成气作为燃料进入电堆中发生电化学反应?容易出现阳极积碳?性能衰减等问题?为了分析掺氢天然气对?性能的影响?等人?通过约?的实验?研究了掺氢天然气直接内重整平管型固体氧化物燃料电池电堆的长期稳定性和衰减机理?实验结果显示?以掺氢天然气为燃料直接内重整平管型固体氧化物燃料电池电堆具有良好的稳定性?等人?探究了以不同氢含量掺氢天然气为原料气的?性能?对比使用纯甲烷作为原料气的?采用掺氢天然气作为原料气可以提高?热电联供系统的总效率?包括发电效率和供热效率?综上?以掺氢天然气作为?系统原料气?系统具备良好的稳定性?且掺入氢气可以提升?热电联供系统总效率?掺氢天然气分离出氢气作为燃料相比于?对氢气纯度要求高?对混合燃料杂质含量的要求也比较严格?根据?质子交换膜燃料电池汽车用燃料氢气?的要求?燃料中?的纯度?物质的量分数?应大于?非?组分的物质的量分数须小于?其中?的物质的量分数不得超过?以免造成?催化剂中毒?因此需要将掺氢天然气中的氢气分离出来后再作为燃料供给?系统使用?目前常用的氢气分离方法有低温分离?膜分离?变压吸附?和电化学氢分离等方法?其中?在提纯高纯度