天然气蒸汽重整试验系统设计及PEMFC燃料电池试验研究

【摘要】： 能源短缺、能源消费结构单一、环境污染严重,已经成为当今社会面临的重大问题。研究洁净、高效、低成本的氢燃料电池发电技术以及配套的天然气制氢技术,对改善能源结构、提高能源利用率、缓解环境污染具有积极的意义。 本文设计了一套适用于1～3kW燃料电池的高效天然气蒸汽重整制氢系统,提出了内热式催化燃烧与蒸汽重整一体化的设计思想,并利用高效板式换热技术,将多路换热介质整体优化设计和高水碳比相结合,使系统设备更加紧凑,并大大提高了整体系统的热利用效率。以热力计算为基础,对其工艺和结构进行了优化,组建了小型的PEMFC(The proton exchange membrane feul cell)天然气蒸汽重整制氢装置,该试验装置的研制对小型化高效天然气制氢研究工作具有积极地推动作用。热力计算结果表明:天然气制氢转化率达99.5%,干合成气中氢含量达到72.0 %,系统整体能量利用效率达到79.5%。这说明系统热利用效率较高,整体性能良好。此外,为确保系统热源的可靠性和安全性,进行了天然气催化预燃烧试验,试验结果表明:本文设计的催化燃烧工艺可为后续的天然气转化反应提供足够的热量和安全保证。 了解燃料电池的特性对构建高效、稳定、经济的天然气燃料电池发电系统具有重要意义。为此,本文设计了燃料电池加热增湿器及负载测试装置,通过试验手段研究了温度、压力、湿度、过量空气系数等状态参数对燃料电池性能的影响,并对气体不增湿与增湿条件下的PEMFC性能进行了对比试验研究。研究表明:温度升高、压力增大,PEMFC的性能也随之提高;过量空气系数λ应维持在2～3之间;气体不增湿情况下,PEMFC存在着一个最佳工作温度,超过这一温度时,电池性能反而会下降;气体不增湿与增湿条件下的PEMFC性能相差较大;在压力为0.2MPa、温度为67℃、过量空气系数为2.5、饱和增湿的条件下,燃料电池性能较好,最大输出功率可达850W。该研究工作为进一步研究燃料电池发电技术提供了某些相关的基础数据。 【关键词】：氢 燃料电池 天然气 甲烷 重整 质子交换膜
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2006
【分类号】：TM911.4
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-7
• 第一章 绪论7-19
• 1.1 本文研究的背景及意义7-8
• 1.2 国内外研究综述8-18
• 1.2.1 天然气制氢的方法8-9
• 1.2.2 小型化天然气制氢反应器的研究9-11
• 1.2.3 催化剂的研究现状11-12
• 1.2.4 水汽变换的研究12-14
• 1.2.5 选择性催化氧化的研究14-15
• 1.2.6 CO_2 的减排与吸收15
• 1.2.7 质子交换膜燃料电池（PEMFC）研究进展15-18
• 1.3 本文主要研究内容18
• 1.4 本章小节18-19
• 第二章 天然气重整制氢工艺及热力计算19-36
• 2.1 天然气蒸汽重整制氢工艺19-23
• 2.1.1 原料脱硫19-20
• 2.1.2 天然气催化燃烧和蒸汽重整20-22
• 2.1.3 余热高效换热22
• 2.1.4 一氧化碳水汽变换22-23
• 2.1.5 CO 选择性催化氧化23
• 2.2 天然气蒸汽重整制氢系统热力计算23-35
• 2.2.1 总反应计算23-24
• 2.2.2 天然气催化燃烧计算24-28
• 2.2.3 天然气转化反应计算28-30
• 2.2.4 变换反应及氧化反应热力计算30-34
• 2.2.5 系统总热效率计算34-35
• 2.3 本章小结35-36
• 第三章 天然气制氢试验台及预燃烧试验36-48
• 3.1 天然气制氢试验台36-44
• 3.1.1 天然气脱硫反应器37-38
• 3.1.2 天然气催化燃烧与转化反应器38-39
• 3.1.3 高效换热器39-40
• 3.1.4 高低变反应器40-41
• 3.1.5 催化氧化CO 反应器41-42
• 3.1.6 测量系统及数据采集42-44
• 3.1.7 启动装置44
• 3.2 天然气预燃烧试验及结果44-47
• 3.2.1 预燃烧器试验系统45-46
• 3.2.2 预燃烧试验步骤46-47
• 3.2.3 预燃烧试验结果与分析47
• 3.3 本章小结47-48
• 第四章 燃料电池特性研究48-59
• 4.1 试验装置及流程48-51
• 4.2 试验步骤51-52
• 4.3 试验结果与讨论52-58
• 4.3.1 压力对电池性能的影响52-53
• 4.3.2 温度对电池性能的影响53
• 4.3.3 湿度对燃料电池性能的影响53-56
• 4.3.4 过量空气系数λ对电池性能的影响56-57
• 4.3.5 各节单电池的均匀性57
• 4.3.6 燃料电池的稳定性试验57-58
• 4.4 本章小节58-59
• 第五章 全文总结59-61
• 参考文献61-65
• 致谢65-66
• 攻读硕士期间发表论文66

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