天然气重整制氢及其在燃料电池的应用

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1、第33卷第6期煤气与热力V()1．33No．62013年6月GAS&HEATJun．2Ol3天然气重整制氢及其在燃料电池的应用付维新，刘晓(中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北武汉430010)摘要：介绍质子交换膜燃料电池燃料氢气的几种天然气重整制备方法，包括蒸汽重整法、部分氧化重整法、自热催化重整法、催化裂解法。阐述氢气净化方法，包括脱硫以及水煤气变换、优化氧化、膜分离、变压吸附等去除一氧化碳的方法。介绍了天然气重整制氢质子交换膜燃料电池的研发及应用情况。关键词：质子交换膜燃料电池；天然气重整；制氢；氢气净化中图分类号：TU995文献标识码：B文章编号：1000—

2、4416(2013)06—0A16—06流道进入阴极，在阴极催化剂的作用下，空气中的氧和从阳极来的质子和电子发生反应生成水(式(2))，生成的水不稀释电解质，通过电极随反应尾气排出。阳极反应：H，—2H+2e一(1)1阴极反应：÷0+2H+2e一一H0(2)厶1总反应：H+÷O—HO(3)从现今的技术水平来看，化石燃料包括石油、煤炭以及天然气等重整制氢是氢气的主要来源，占工业制氢总量的90％E8]。天然气重整制氢与其他化作者简介：付维新(1981一)，男，陕西宝鸡人，工程师，石燃料重整制氢相比具有环境污染小、含氢量高、经大学，从事燃气工程设计和研究工作。济实惠、技术成熟、

3、安全可靠以及供应基础设施完善1概述等优点，不仅能集中制氢，还可以现场在线制氢，因燃料电池作为一种能量转化装置，具有高效率、而成为燃料电池燃料氢气来源的首选J。高可靠性、环境友好、无噪声、应用范围广等特点，有2天然气重整制氢着传统发电设备无法比拟的优势，其中，质子交天然气重整制氢是将甲烷转化为富含氢气的混换膜燃料电池(PEMFC)除了具有一般燃料电池的合气，其方法主要有：蒸汽重整、部分氧化重整、自热优势之外，还具有比功率高、工作温度低、结构简单、催化重整以及催化裂解¨“。体积小、无电解质损失、寿命长等突出优点而越来越2．1蒸汽重整受到广泛的关注，被誉为是继内燃机后具有能源革

4、甲烷蒸汽重整(SteamReformingofMethane)是命划时代重要意义的能源转化装置。目前技术较为成熟、工业应用最多的方法，其化学反PEMFC由阴极板、阳极板和膜电极组成，氢气应式为：从流道进入阳极，在催化剂的作用下被分解成电子CH4+H20—}C0+3H2，△H=+206kJ／tool和氢质子(式(1))，电子通过外电路到达阴极，形成(4)电流，而质子则穿过质子交换膜到达阴极。空气从△日为化学反应焓变，“+”为吸热反应，“一”为·A16·付维新，等：天然气重整制氢及其在燃料电池的应用第33卷第6期放热反应。化剂，金属组分通常为Ni和Rh，然而这两种催化剂这个反

5、应为强吸热反应，要求提供额外的热源，也会带来容易产生积碳和价格昂贵问题。Krum-通常在高温800℃以上进行，反应压力为1．5～3．1meacher等将Rh负载于载体A10上，用作甲烷MPal12]。反应除了生成H之外，还有CO，H和CO部分氧化制氢的催化剂，其反应温度大于800℃，甚的物质的量之比为3。甲烷蒸汽重整过程所使用的至会大于1000℃，同样需要解决热管理和安全问催化剂主要有两类：非贵金属催化剂(主要是Ni)以题。及贵金属催化剂(如Pt)，通常以MgO、A10等作为部分氧化重整法是放热反应，与蒸汽重整法相载体。由于甲烷蒸汽重整是工业制氢的主要途径，比反应速率快。

6、然而这种方法制氢甲烷的转化效率大量制氢必定大量使用催化剂，贵金属催化剂因成较低，其转化率为55％～65％14]。部分氧化重整法本过高而很少应用到实际的制氢过程，而价格相对可利用自身产生的热量反应，无需外界供热。然而便宜的Ni基催化剂在工业制氢中得到广泛的应用。过高的工作温度导致的热管理困难以及安全问题限然而使用Ni基催化剂在反应过程中除了主反应之制了部分氧化重整制氢的发展，对部分氧化制氢的外，还伴随着一系列副反应产生，CO和CH分解成研究还需寻求高效、低温的催化剂。固体碳形成积碳，会导致催化剂中毒，此外，高温容2．3自热催化重整易引起催化剂烧结而使得催化剂失效。为减少碳的

7、甲烷自热催化重整(AutothermalReformingof形成，避免催化剂中毒以及催化剂活性降低，在催化Methane)是在部分氧化反应中引入蒸汽，在部分氧剂中添加Mg、La、Ce等元素可以有效地：}(I】制积碳的化重整中产生热量，在蒸汽重整中吸收热量，使放热形成，提高催化剂的活性¨。的部分氧化重整和强吸热的蒸汽重整结合，并控制甲烷蒸汽重整从1926年开始应用至今，是目前放热和吸热使其达到热平衡的一种自热式重整法。技术较为成熟、工业应用最广的方法，甲烷的转化率其化学反应式为：可达85％【14]，是天然气重整制氢方法中转化率