炼厂 的氢制
废、氢回收与 氢气 管理
”
学交流术会论文 集
家用 天然气 料燃电 池的 用应
李港
华 投有资限 公
,司
广 东 深帆圳,
!∀# ∃ %
提要
介绍了 庭家天 然气燃料 电池 的用概 念基和 原本
理,。
家 燃用 料电 池最 大优 的点在于它 高
的
,效
率环和性 保其能 源综 合 效达 到率 ! 既,
计
算 示
显,
与 力发 火电较
。比
一次 能源 的消费削量减# &
温 ,气室体 ∋ ∀放排量 减 # 削 &大气 污染物 )∗ 质排 量 放削减∃ # ∃ + (&
文章分 了家庭析 用燃 电料池实 用 化。
程面临的成 过
本、
效率 久耐性等课题 天然气
、
,
提
了出 我发国展家用庭料燃 电 池的想构
键关词
燃料 池
电料燃重 整制氢
天
气作为城市然清洁源能
,对
我的国能源 约节“
,
环
境护
,
保
,
人
民生 活平的水 高和社 提经会济 发展∀
。
起到
重 要的促了 作进用
,
目
前
,西
东气输
”
工 程建 成 通气
每 有 年
#
亿时的天 然 从新气疆轮 南输广 .东) 。
∀ 长往 三江角 地 洲区, − 耐 的天 亿然 气 重从忠县输庆往北湖 省和南 湖
省/
项
目已建 成气通
,
、
每将 进 年 口 ∀ 万− 吨 .) 目和
“ ”
项
0年
/( 约
−为
21 、
亿
0时 年% 气 珠江化三 洲角 区 福地建 . /项 目) 4
动之 中启
。3。
“
海气
上
岸”
俄气南
项供目 也在论 证研
究,
些这项 目 建的 将构成 我成 国城市 燃 以气天 然
气为
气主源的局格
现 实城市 气燃 天气化然
随,着 内天 然气国的 大发展
力却系和 统热 泵等新术 技的应
用,
天然 气 占一次 能源 的比 例年逐上 升 近 年 来
,
以天,然 气动力的冷为。
已
使 天 然气这 优种能质 源传统向 电的 优势 力提挑 战出
、燃 料电 池作
。为
布分式 能
源
,
其以环 性 能保优 良发 效率电 等高 势
优,
成
为 国 际源能 域领 的研究和 发热开点
淇 电池料 原理 及 的分类
料 燃电池 一 是化种 学 电
池
,图
它 利用
物 质生 化学 反发 时 应放 出释的能
量
,、
直
将接变其 换 电为能
。
如。
所示
。
从
一 这点
,
看它
其他 化学 电池和 如锰 干 池电 起 反 的应物 %质燃 和料氧化
剂,,
铅电蓄 池是 类等 似 但 的是
,
它工
时需作
。要
连 续 地其向给 供 活物质
这 又
和其他普 通 学化电池 大一 不
。
由样于它
、
是燃料把 通过化 反应释 出的能学量 接变为 电能输 直
出所以被称 燃为料 电池
燃料
池电 由正是极
负。
极
和 在正夹 极负 中间电解 质板所 组成的
。
工 作 时
向 极负给供燃料
,
氢%
,
正向 极给氧化供 空 气剂
。
%氢
负在分解成极 离子 『 和正
电子。
5
一
。
氢 离子 进
入 电解液 中而 电 子则沿 外 部路 电移向正
极,
用
电
的负 就接在外部 电载路 在中 正极 上
成 形水。
空 气中 的氧同 电 解液中 的 离子氢吸 收抵达 正 上极的 电子
这
正 是 水 的解 反电 的逆应 程过“
利用。 这 个原理
,
燃 电池料便 可 工在作 时源 不源 断地向外
,
部
输 电所以 也 可 它称 一为种 发电机
,
”
。
一 与般 池 一电样
燃
料电 池是由 极 阳 极和阴 解电 质构
成
、
。
厂的炼制氢
、
氢废收回与氢管气
”理
学术交流论会集
文# 图# 给 出了典 型 单个 %的 燃料电 池构造的
3
。图
燃 料池 直接 发电 与传电统 接 间发电比较的
图
赫#料电池 的构 造示 意 图
料 电燃池 的分类法方是 以 料 燃电池中 最 重要的 组成 分部即电 解来划分
。
质。
解电质 类型 决定了的 燃料电池 的 工 温 作 度电极上
、
所
用采催的化 以剂及发 生应 反的学物化 质料燃 电可池按 解质电划为五 分 如类
,
表所
示
。
表 类型 电解
质质导 电
电4
嫩料
电池 分类 及 其特性燃 料料 技术态 态状
可应能用 域
领工
作温度
离
子
性碱6 7
8
78
9
室温 :
! ∀
纯℃氢
高
发度 展 高效 效
展
航天
; ∋ %磷酸
> 刊∋%
8− ∗ =2
殊地 特应用面
特求殊 需
区域求供 电性
『∃
∀一 #∀ ℃
重整 气
气
高发展 度成本高 高 余利用热价低值低
熔融碳酸
盐 ∋ Δ∋
%. ?
6 % 仇∋
,
Α≅
Χ
Β 5
∃
∀∀ : ∃ ∀℃
化净煤气天 然 正 行现 场进验实气
、
、
区域供性电
. ? ) ∋ Ε7−
%,
重
整气气
、
需
延长 命 寿 电命 结构池择 选择区
域 电供
体氧化固
Φ物 7
氧
忆 稳 定 化氧的错化错 全
氟 酸磺膜
膜
少9
!
∀ :∀
∀
∀ ∀
℃化煤净
气天然气 气
开廉发制备价术技联 合循环 发电 术电
质 子 交膜 换
膜= ΔΗ
8
Γ
温 室:
∀∀℃
氢
气
、
高 发度 需展低降成本 本
电
汽动车 车区 域
供
可电移 动 动力源
重 氢 氢
整#
质
子交换 膜 料燃 池电
质
交换子 燃料膜电 池
=Ι
ϑ ∗∗
Κ
+ΗΛ ΕΜΔ 5 ΟΝ≅ Κ5
Κ
ΕΙ
5
4 Π 4 5
,
是,以固体电 质膜 做解
Θ ∀#
厂炼制的氢废 氢 回收氢与管气理
、”
术交流学论文会集
电 解 质 这膜不 是种 常通意义 上的 体导
。
,
它
传不导 子电
,
,
是 氢但子 离优 良的导体
。
。目前用
的成膜材料
,是在类
聚似四氟 乙 的烯 碳氟聚合 物骨架上
Γ加上 酸基 磺团 酸分磺 固定在子架上骨不 移动 但 8能可
以膜在内 自由 移动=Η
∋
。
Ρ的 主要点有
% 4 优固电体 质解腐蚀无 # 电池制, 造 简, 单
− 压对力变 不化 感敏 ,% %,
2
%电。
池寿命
长
但。是
,
=Η Δ ∋
膜的
,
=Η
Δ
∋
面示剖意 图 图 − 如所 示膜极 是电 Η Δ =
。
Ρ
在8 极氧化阳成 8并 放出 电子
十Ρ
—# Γ
一
8Γ,
ΒΓ5
十8离 子 过膜通 移 到转 极阴一 ∀ 0
#
Ρ与 Ρ 。 和邻相电池 电子反应的 生成水
Β8Γ
Γ
Β5
—
一 8
Β
∗
的电池总 应为反
Ρ
8
Β
Γ
4
0∀ #
#
—
一8∀#
8令
−图
Η= ∋ 剖面 娜图,
的作膜 用是 双 重
的
,作为 解电质供提氢 子离通 道 ,
作 为
膜隔 隔 两极 反应离 气
体。
化优膜的离 和
子
水传 ,性输 能及适 当的管 水
理
是 保证电池 性能 关的
。键
。
脱水 降低膜质 子导 率电 Ρ 水 分过 多淹 电没
极这
两种 情都将 导况致 电性 池下能 降=Η Δ
,
般一 有都 石 双 极板 与墨 电极 膜密紧接触 双极板 刻上许 多纹路有,
。,
向极传电 反应送气体
。
其
电导 能好
性
并 可相邻 电池传向送 电
流。
−
家用
天然 气烘 电池 料统系1
−
家用 然气燃料 天电池 系统 概念的 用 燃 家 电料池 从是 城市 天 然 气等化 石 燃料 制得氢 气
,
氢气 与空气 中 的氧气发 生 电化 学反应 产而
,
生
电的发 电 系统
。
为发 因的 同时产 电 的废生热可 以 到得热水 一
所
以也 可称
为“
发 能电 热水的器
”
,其
效
率
#
Θ9
炼
的制 氢
厂、
废氢回
收氢气与理
管”
学
术流会论交集
文可高 ! & 以上达
∀
。
电的发核 部 分采心 质子用交膜换燃料电池 ,
。
= ΗΔ
具有下优如点
Ρ
%
# % % −%2
易得
高到 流 电度
密,
小型易化
、
轻量化 , ,
在可温常下 发 电 运行 温在度 ℃∀以
使下 得停开简方单便 ,
不
满负在下 荷也可 高效发电, 能 受经短间的时负荷运超行 。
家
天用然气燃料 电池系统构成概图如念 2 所图
示
。
水储热雄
备后水炉热
品商
电 …一崛 瓢赢二Σ
Τ少一,
>0
热
收回里装 交直流 变器 换图2
一
… 图圆
:
一 :
:一 一妥
认
:
招
一
,
4供热管
水
卜
:
一
—
9
Σ
洲家
用料姗电 池 系统构成概念图
家用 天 然气料燃电 池 统 系 艺 工程 流如图 所图示作
燃为 的料 天然 与水气混合
∋8Γ 2
,
。在 改质
器变 换成 中氢
∋:∀
#。
称为水
蒸改质气反
应
如。下 所示
式
Β8Ρ Β
,
7
—、
Γ
#8,#
,
该反 为 应热吸 应反 加热能源
,
为
需外 部从接间 加 启动时间较长 但热 可是燃将 料电池 关闭燃 的气余剩氢 气 作发 效 电高率的 系
统
#
因而。构成 质 效改率高
∋ 82Γ
,
另
外
,
有也部分氧 化改质反应
Ρ
∀
#
—。
一 ∋
∀
Γ
8##,
这 个
反 应是放反热应要 使系统 效 高就率必 须有在利 效产 用生热的 量 下上 夫功 于不由从外需加
部热
,所 具 以有启时间短的优 动点
炼的制厂
氢
、氢废收回氢与 管气
理”
学术交流
论会集
∋文7换 变器
7选∋ 择化 氧
放热器热回
收置装
Τ
—
>到>竺 塑.
口
,
一
∃ ∀:( ∀ 热水℃
一
,
匕望竺
些竺
」一补
交流
电图
家用然料
电 系池统 艺流工图程
任何
质改 反应
,
反应 平当衡 改时质气体 都会中含 百分之 有 几的 7∋
。
于 由 ∋7会 附吸 =在Η Δ
过∋7 变换反应 降
催低化上剂而 使 性其 能低降
这至 水平个 困难是的
Χ 反Υ 应4
Ρ
式
中毒,% 因 必而将须
,
7∋
浓度降 至低
∀=Δ
。=
此为 进应 步一通过 ∋ 7 选 择化器氧来除 去 ∋7
∋
7变换
反 式和 应 ∋7选 择 氧
化∋7Γ
7 Γ =∋ΗΔ
8∋∀#
4 ∀0#
#
∀的 发反应电在 ∀℃ 下以低温 的下 运行 电发同 时排放的废 热可 回获收 ∃
得,。
—
一 —
:
Β8Γ
7Β
∋∋Β7一
∀( ℃ 左右 的
热水 用采于和 暖生热水活 根各据家个庭的 活生规 律
,
和热 电的使用 因时间量 异而
,
因此
有 必要 在 热
回
装收 置的段后设置热 水储 槽
。
−
1
#
家用 料燃电池 效的率∀ 家
燃用 电料池的最 大 优 点于它在 的效 高率输 入 燃料能 源 的
。−
一
−& 为作电能
,
2
∀
一 &2变为 热
水
,
∀ 合效率综达 到 !& ,
。
用家燃料电池 导 入率计效算 其提 是 家前燃用料电池 的电 力输 调出整到 合 符
。
电力 要求
废
热作 为热水 储存 在槽储然后作 为家用热水符 使合用 。
计算 显 示
,
与
力 火电发比 较
一 次能
,
。源 的消 费 量减削# &
温
室 气 体 ∗≅Ρ 排 放 削减 # & 量(
大。气 污物染质) ∗
+
Υ ’
排放量 减削∃ & 3
如图∃
所
。
示
炼厂的制氢 废氢回 与氢气管收理
、”
学
交术会流文论集
鱼
燮二壑 遨矛
Ι
尸一:
电
一一发一、一
、
、鞭 龄龄
〕石 〕
一
烹产胃
.今里 一一二 一
市鲤电
电一
「市电
ς
Σ、
4 Σ
应〕
家
用 坦庭料 池
电,
。
、
第 热器
水Ρ
、 二瓤团…
‘域
…
一 可
产
采暖 暖
∃图
家用
姗 电料池 效 比率较示 意图
、注
Ρ
发 电站 均值 为平
次能源消一量耗# ∗ Ω ≅2Ε Ω
∋ 仇排 放量
! (Θ 一℃ Ω0 ΞΛ
# Θ一
℃、
)
+ ∗1 放排量∀
−
ΘΘ一 )
ΩΛ 咖 Ξ、
,
Ρ
料 燃电 效池率 发 为效率 − &
电综合
效率 !& 城, 市气燃≅ ∗ Β排放量 ∃ 2
,∀Ν 0
,
热水器的 ) 7 +浓 为度 ∃ 即Ν∀
燃
电
料池 的) ∗浓 度 Χ为 +Ψ
Ν
。
−
1
−
家用燃 料池电实 化过程用面 临的题 课实 用过化程 中存在成 效率
本
、 、
,Η =Δ
耐Υ久等问题 3性,
。
关于成 问本题
Η Δ= ∋
的行 温度运并不 高
,
极选电 择范围应 该比 Φ7
Δ、
,
,
但实
际
上质子 换膜交是酸 性 的 一对般金 属有蚀 作用腐 而现 因电在极催剂 化能使用只金铂 属的本较高
成。
从
使 而Η= Δ
,∋
现
已在 开 始使用铂 的碳 体和载 向电极 导 内 入解电 质目
前
,
,使
化活 催面性 积大增
从 使而 铂的
。
用使量降 低
,
非铂系
列 催的化 的开 剂正发在 进
=行 ΗΔ
,
但
至今 还 发现 性能优未于 的铂化剂催、
家用燃
电池料除
体本外 还包 改含系统 质力电变换装
置、
热
利用能装 置 等
。
,
这周 边设
备些成本降 也是 低不 可少缺 的
降周低 边 器机设备的 本成也 是 个重要 一课
电池题运行 温 的高温度化
。
效 率化 高的手有段提 高化催 剂能 构性造 提来 催 化 高剂 的用 利率以降低
反 应 过电压
,
。关于第一 点,
,
可通
过 改良电
极,
并开
发 新 型出催 化剂 和催化剂体 关 载于第 二点运 行温度 的高温 可化
。
减少和化催剂 的中毒如前所 述
,,
!∀# ∃ %
的运行温
度取 于 决解 电质 膜若 !∀# ∃%
。
可 以加 热或不少量加 热运
行可 不则 要热 装加置
,从
使系统 更而 加洁简凑紧
,。
加高更效 化率
。
长
时 间 行运
下
,
材料 的稳,定 是性常重 非要 的若每天 开停开 作停为催 化 剂铂微粒的 子 有就可能 。
。
,
会
析 出到 膜 中而使 反活 应降低 而且性 电 内池 残 的存水有 可引能 材起料腐蚀 电极和与电解质 的 剥
∋离 作为 型产 品定其寿应 命 在& 万小 时以
上
。
(
)语
燃 料结池电 具有广 阔发展 的 景前,
美
国、
本 日己 发展把燃 料池 作电其 为国家发展 战略
,
并燃将 料
电
池 车 汽和 用家料燃 电池 作为 点 重展发领
域
。
于燃基料 电池需要 氢气作为燃料 一
,
氢源技 术已成为燃 料电
∗
+(
,
厂炼 制的
氢、
氢废收回与氢管气理
”
术学 流交论会集文
池
业商化技的 术瓶颈
而在, 世上 研 界开究发的 氢原料制中,
,
天
然 被气 认是 为适最宜的料原
我。国展发
天
气然燃料电 池 技应术结 合实情况际
赶超国外先 水进
平。
政 相府关 门部应制定鼓研 发励 推 与广 家用燃料 电 池的 政 策投 研入 究经 费 走官产学 研协 之作路
,
,
牵,组头燃气
利 的 发展织之路
、
暖
通 空行业
调,
高等
校及学科 研院 所行进 研攻 关科走 分工协 多方 作投资互 助
互
。
。
、
、
,
进家用天推然气 料电燃进池 千入万家户
参 文考 献Ρ李 帆周彪英 城天 市然 气工程 武汉 华 中 科技学大 版出
社
1,1
,
#
∀
#
∀李瑛
,
王
山林
1
1
燃
料 电池
1
1
北
京本
−日%
Ρ
Ρ
金 工冶 业出版社
,
∀, #
,
− 2
∀田
健
烟燃 料
改技衍
臂久
,,
工
不
竿沙 学一会 能
∀
#∀
!
Ρ
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一
二
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子金彰 一 都市万
工
燃
处料理 技衍 含 遭用 .
2 ∀卜
亡家庭用 燃料雷 池
,
木
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夕
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夕 夕 久于
人
1
省
木
沙竿一
1# − %
∀“
” 太 健田一 郎 地 瑕 球保境 全。 , 札 燃切雷池料
八
。
期待 省
工 木 沙 竿 一
1
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−
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Ρ
# 企Θ#
作者简介 李帆 男
,
,
Θ−∃
年
月2出
,生
,
,
中华技大 学热科 工 能专程业
华港投 资 有公司 工限 程部
讯通地
Ρ
Ρ
址
学工博士
,
究研及发展 总监
∀(
。
∗广
东深 省 圳福 田市 区福中一 路
∀−∀∃−
∀∃
地铁 号厦
,大
Κ
楼
,
!∀
∃
# 电
话
2电 ΘΘ
∃
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∀
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邮
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1
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ϑ∗Ξ 叽 Μ Ε 1 Χ≅
Ν
」