瓦斯成分对燃料电池性能的影响研究论文

 

　　关键词：瓦斯化学成分,燃料电池,瓦斯处理技术

 

 

　　燃料电池能直接将化学能转换为电能，具有高能量转换效率、低排放等优点，是实现能源可持续发展关键技术。但燃料电池性能与稳定性受到多种因素影响，其中，瓦斯成分影响尤为关键。瓦斯中化学成分、杂质及其纯化程度直接影响电池电化学反应速率、反应效率及长期运行稳定性[1]。因此，深入研究瓦斯成分对燃料电池性能影响，探索有效的瓦斯处理技术，对提升燃料电池应用价值与推动可持续能源技术发展具有重要意义。本研究通过系统实验设计，旨在揭示瓦斯成分对燃料电池性能影响的内在机理，为燃料电池技术的进一步优化提供科学指导。

 

 

 

　　实验材料包括多种燃料电池组件与化学试剂，以确保实验的全面性。首先，使用质子交换膜燃料电池（PEMFC）作为主要测试平台，包括碳纸作为电极基底、铂碳（Pt/C）催化剂作为阳极和阴极活性层材料，Nafion作为质子交换膜。瓦斯样品通过标准氢气和空气供应系统提供，其中，氢气用作燃料，空气用作氧化剂。为研究杂质的影响，向氢气中引入特定浓度的CO、CO2、SO2和H2S等杂质气体，杂质气体由标准气体瓶提供，并通过精密流量控制器进行混合与调节，以获得所需杂质浓度。实验中还使用了各种化学分析与测试试剂，包括用于气相色谱—质谱联用（GC-MS）分析的标准气体混合物，用于红外光谱（IR）分析的气体吸收剂。瓦斯处理实验采用活性炭、分子筛和特定金属有机框架（MOFs）作为吸附剂，钯基和铂基催化剂用于催化反应，采用聚合物和陶瓷基分离膜技术进行瓦斯分离与纯化[2]。

 

 

　　实验设备包括燃料电池测试系统、气相色谱—质谱联用仪（GC-MS）、红外光谱仪（IR）、电化学工作站及气体供应与控制系统。燃料电池测试系统由电流—电压（I-V）测试仪、温控装置、湿度控制器和气体流量控制器组成，用于精确测量燃料电池在不同操作条件下的性能。气相色谱—质谱联用仪用于分析瓦斯样品中具体化学成分与浓度，以评估瓦斯纯化效果、杂质含量。红外光谱仪用于监测瓦斯中特定化合物吸收特征，可验证化学成分分析准确性。电化学工作站配备电化学阻抗谱（EIS）、循环伏安法（CV），用于分析电池的电化学性质与催化活性。实验开始前，首先将质子交换膜燃料电池组装完毕，并连接至燃料电池测试系统。通过气体供应系统分别向阳极和阴极供应预定浓度氢气与空气，调节湿度控制器与温控装置，确保电池在理想温湿度条件下运行。实验过程中，通过电化学工作站记录电池性能参数，如开路电压、极化曲线和电化学阻抗等[3]。对瓦斯进行处理实验，将吸附剂或催化剂加入到气体预处理模块中，并通过流量控制器调节含杂质氢气通过处理模块，以评估瓦斯处理技术效果。所有实验数据均通过计算机系统收集和分析，以确保结果的准确性与可重复性。

 

 

　　电化学阻抗谱（EIS）用于内部阻抗分析；极化曲线测试测定电流—电压关系，揭示反应动力学；循环伏安法（CV）评估电极电化学活性；功率密度与能量密度测量确定输出性能，质量传递系数通过气体渗透实验评价瓦斯传输效率；气相色谱—质谱联用（GC-MS）与红外光谱（IR）分析化学成分变化；长期稳定性测试使用连续充放电评估性能退化；电子显微镜（SEM）与X射线光电子能谱（XPS）探究电极腐蚀；电化学阻抗谱追踪内阻变化；开路电压（OCV）测试衡量理论性能；能量转换效率基于实测数据计算；气体色谱（GC）分析燃料电池反应产物[4]。

 

 

 

　　实验中，通过电化学阻抗谱（EIS）、极化曲线测试及循环伏安法（CV）等方法，详细分析了不同化学成分对燃料电池反应速率影响。将燃料电池暴露于含有不同浓度的CO、CO2、SO2和H2S的氢气环境中，以模拟瓦斯中的杂质影响。EIS结果显示，在加入1％CO的氢气中运行时，燃料电池的电荷转移阻抗从50Ω增加到70Ω,增加了40％，表明CO显著降低了反应速率。而CO2、SO2和H2S的影响较小，电荷转移阻抗分别增加了10％、15％和20％。极化曲线测试表明，含CO气体的燃料电池最大功率密度从0.75 W/cm2降低到0.45 W/cm2，减少了40％，进一步证实CO的负面影响。在含有CO2、SO2和H2S的环境下，最大功率密度分别降低了5％、10％和15％。CV分析显示，在含CO的环境中，阳极峰电流密度从1.2 mA/cm2降低到0.7 mA/cm2，表明CO显著抑制了氧化反应。对于CO2、SO2和H2S，阳极峰电流密度降低程度较小，分别为0.2、0.3、0.4 mA/cm2，如表1所示。因此，在燃料电池设计和操作中应考虑瓦斯纯化和杂质管理的重要性，以确保电池高效、稳定运行。

 

　

 

 

　　本研究评估了吸附剂、催化剂和分离膜技术等瓦斯处理技术对燃料电池性能的影响。通过使用活性炭、分子筛和金属有机框架（MOFs）作为吸附剂，钯基和铂基催化剂进行化学处理，聚合物和陶瓷基分离膜进行物理分离，对含杂质的瓦斯进行了预处理，旨在减少杂质对电池性能负面影响。结果显示，活性炭吸附处理后，燃料电池最大功率密度相比未处理前提高了20％，电荷转移阻抗减少了15％。使用分子筛处理的电池，功率密度提升25％，电荷转移阻抗降低20％。而采用MOFs的电池性能最为显著，功率密度提升了30％，电荷转移阻抗降低了25％。钯基催化剂处理，功率密度提升了约15％，铂基催化剂处理则提升了约18％。分离膜技术也表现出对提升电池性能的积极效果，聚合物基分离膜使功率密度提升了10％，而陶瓷基分离膜提升了12％。结果表明，瓦斯处理技术能改善燃料电池的性能，吸附剂和分离膜技术对于提升电池性能尤其有效，这为燃料电池在面对杂质挑战时的操作和管理提供了有价值的策略。

 

 

　　通过长期稳定性测试、电子显微镜（SEM）与X射线光电子能谱（XPS）分析，本研究评估了瓦斯杂质暴露对燃料电池稳定性影响。将燃料电池在含有不同浓度CO、CO2、SO2和H2S的氢气中运行1 000 h，监测其性能参数，如功率密度和内阻变化，监测结果如表2所示。暴露于1％CO的电池功率密度从1.2 W/cm2下降到0.6 W/cm2，内阻从0.5Ω增加到0.65Ω。而CO2、SO2和H2S暴露的电池功率密度从1.2 W/cm2分别下降到0.96、0.90、0.84 W/cm2，内阻从0.5Ω增加到0.55、0.575、0.60Ω。通过SEM、XPS分析发现，长期暴露于CO环境的电池电极表面出现了明显的腐蚀与结构退化，其他杂质暴露的电池电极损伤相对较轻。结果表明，杂质暴露影响着燃料电池的长期稳定性，CO的存在对电池稳定性的负面影响最为严重。

 

　

 

 

　　通过开路电压（OCV）测试、能量转换效率计算及气体色谱（GC）分析，实验中使用未处理的含杂质氢气和经过纯化处理的氢气作为燃料对燃料电池分别进行测试，测试结果如表3所示。使用未处理的氢气作为燃料，燃料电池的开路电压为0.9 V，能量转换效率为40％。而使用纯化后的氢气作为燃料，电池的开路电压提高到了1.0 V，能量转换效率提升到了50％。气体色谱分析结果进一步证实，纯化处理显著降低了氢气中的CO、CO2、SO2和H2S等杂质含量。测试结果表明，瓦斯纯化能有效提高燃料电池的开路电压和能量转换效率，降低杂质对电池性能的负面影响，从而提升燃料电池的整体效率。实验证明了瓦斯纯化在提高燃料电池性能和稳定性中的重要作用，为燃料电池的应用提供了有力的技术支持。

　

 

　　本研究探讨了瓦斯成分、瓦斯处理技术、杂质暴露及瓦斯纯化对燃料电池性能与稳定性的影响。结果显示，化学杂质如CO、CO2、SO2和H2S能够显著影响电池的反应速率与长期稳定性，且CO的影响最为显著。因此，在燃料电池设计和操作中要进行瓦斯纯化与杂质管理。瓦斯处理技术包括吸附剂、催化剂和分离膜技术的应用，能够提升电池的性能。吸附剂和分离膜技术对提升电池性能尤其有效。瓦斯纯化不仅能提高燃料电池的开路电压与能量转换效率，还能降低杂质对电池性能的负面影响，从而提升电池的整体效率。研究发现为燃料电池的优化设计和操作提供了重要的科学依据。

 

 

　　[1]边秀玲.瓦斯成分对燃料电池性能的影响研究[J].山西化工，2023，43（11）：76-78.

 

　　[2]杨洋.高温燃料电池镍基直孔阳极的制备及其对瓦斯催化机理研究[D].徐州：中国矿业大学，2023.

 

　　[3]魏康伟.低浓度煤矿瓦斯常压真空变压吸附脱氧富集及燃料电池利用[D].徐州：中国矿业大学，2022.

 

　　[4]包航.基于固体氧化物燃料电池的低浓度瓦斯燃料阳极重整过程与清洁利用研究[D].徐州：中国矿业大学，2022.