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水氢发电机原理:甲醇重整制氢+质子膜电池

来源:开户送38体验金不限id 编辑:James&Ani 时间:2018-12-20 10:45:05

说是水氢汽车发电机,其实是甲醇水蒸气或水相重整制氢+质子膜燃料电池的发动机原理,之前提到过的水素车其实就是氢动力电池,而车载氢氧发生器是用普通电解的方法值得氢气和氧气,把氢气氧气与汽油混合来提升动力性能。那么甲醇重整制氢的原理是什么呢。

■水氢发电机原理:水与甲醇的比例

液态的醇类化合物易于储存和输运,且具有较高的储氢量;大部分醇类无毒,安全性和环境友好性均较高,适合用作制取氢气的原料。

液态醇类可作为分布式的小型制氢单元的原料,微型化的甲醇、乙醇制氢机还可能直接为燃料电池供氢,发展燃料电池车等技术。

在目前的甲醇水蒸气重整反应( methanol steam reforming MSR)中,水与甲醇的比例一般为1-1.5,采用乙醇重整,水醇比可以更加高。

MSR具有反应温度低、氢气选择性好、CO浓度低等优点,是为燃料电池汽车供氢的较理想方法。但此反应是一个强的吸热反应,反应过程中需要额外的热源为其供热,所以水氢发电机有的是采用内部重整,此过程将甲醇重整制氢过程和燃料电池部分高效结合在起,主要涉及它们两者间的热量和物质的交换。

■关于水氢发电机的原理方程式

水氢发电机甲醇重整制氢一般认为该反应依如下步骤进行:

703.jpg

MSR具有反应温度低、氢气选择性好、CO浓度低等优点,是为燃料电池汽车供氢的较理想方法。但此反应是一个强的吸热反应,反应过程中需要额外的热源为其供热。自热重整( methanol autothermal reforming,ARM)或者部分氧化( methanol partial oxidation,POM)可解决此问题:

部分氧化:

705.jpg

POM和ARM通常使用空气为氧化剂,反应为放热反应,转化率高,对原料变化的响应时间也比较短。但由于空气的引入,尾气中H2的浓度降低,CO的浓度较高。

基于Gibs最小自由能,对水醇比值为0~10,压力为0.5~3am(1atm=101325Pa)和温度为25~1000℃范围内的甲醇蒸汽重整进行了热力学分析。他们指出在S/C比为1,和1atm时,当温度高于200℃,甲醇完全转化,氢气的纯度和产率分别为75%和100%。进一步他们给出的优化操作区间为温度为100~225°C,SC为1.5~3,1atm,并且压力对于甲醇的完全转化几乎没有影响。

■关于水氢发电机原理的催化剂

甲醇蒸汽重整制氢反应通常发生在中低温(423~573K),因此对催化剂的活性要求较高。主流的甲醇制氢催化剂是Cu基催化剂和贵金属催化剂。

1、song等对比了浸渍法、共沉淀法和水热合成三种方法制备的Cu/Zn/Al催化剂的甲醇重整制氢性能。结果表明共沉淀法制备得到的催化剂性能最好,在水醇比值为1.43和温度230℃的条件下,甲醇基本完全转化(99%~100%),氢气的产率为71%~76%,CO浓度可以低至0.05%。

2、贵金属催化剂Pd、Pt、Ru、I等都有催化甲醇重整制氢活性,其中以Pd的活性最高。chin等探索了 Pd/zno催化剂的MSR活性,在GHSV=3600h-1次方、醇水质量比1:1、300℃的条件下,9.0%Pd/ZnO催化剂能将甲醇100%转化,CO的选择性小于8%,作者认为Pd-zn合金是活性组分。 Datye等也认为ZnO的引入为Pd-zn合全的形成提供Zn源,并与催化剂的活性组分发生相互作用,提高CO2的选择性和甲醇的转化率。

3、除了Cu基催化剂和贵金属催化剂外,Zn-Ti、 Zno-Cr2O3-CeO2-zrO2、Ni、Mo2C等也具有一定MSR活性。但这些催化剂的活性不够高,即使温度达到400℃以上,其催化活性也不及上述两类催化剂,产物中往往还有CH4等副产物出现,降低了H2的产率。

■总结

恰当比例的甲醇(或乙醇)与水通过重整反应产生氢气,氢气提供给燃料电池,燃料电池产生动力,这一进程具有非凡的意义。随着制氢工艺和技术的发展,水氢发电机也会逐步降低成本,并与高效的燃料电池耦合,将会对汽车行业产生重大的影响。

标签:氢燃料电池   原理  新闻

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