甲烷制燃料电池氢源催化剂的设计改进

【摘要】： 质子交换膜燃料电池是一种利用氢能的新型能源系统,它以氢气为燃料,通过化学反应放出电能和产生热能,并且排入环境的是无污染的水。甲烷因其资源丰富,含氢量高,输配管网四通八达,作为制造燃料电池的氢源有很现实的意义。甲烷的部分氧化制氢不仅在资源利用和环境保护方面有重大意义,而且可简化生产过程,降低成本。 本论文系统地研究了甲烷部分氧化的工艺过程和反应机理,提出利用空气与城市天然气进行部分氧化反应,制取燃料电池用氢源的实验工艺;并设计和改进了甲烷部分氧化所需的以γ-Al_2O_3为载体的Ni基催化剂;确定了实验流程中的相关条件参数。 在POM反应的流程中,用空气替代纯氧,在固定床反应器上进行催化剂评价实验。实验结果表明:在Ni基催化剂体系中,以γ-Al_2O_3为载体,以La为添加助剂的催化剂,在Ni含量在8%左右具有最好的反应性能;助剂La可以在较低的温度下进行引发POM反应,在5%左右的La含量既可满足Ni基催化剂引发POM反应的条件,也能保证催化剂具备较高的活性;在改进各元素搭配比例并检验活性后,Ca-Ce-Ni-La/Al_2O_3催化剂,床层温度800℃,6L·g~(-1)·h~(-1)的空速下,air/CH4比在3.0~3.5之间具有较高活性和抗积炭能力。 温度升高,甲烷转化率增加,但是H_2选择性在800℃以后基本保持不变,温升会对催化剂产生烧结和蒸发流失而效率降低。催化剂稀释前后反应性能相差不大,但石英砂稀释要略优于Al_2O_3稀释。 【关键词】：甲烷 部分氧化 镍基催化剂 空气
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：TM911.4
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 1 绪论9-14
• 1.1 课题研究的背景9-10
• 1.2 燃料电池及其氢源发展现状10-12
• 1.2.1 燃料电池的发展现状10-12
• 1.2.2 PEMFC 氢源的制取12
• 1.3 主要研究内容12-14
• 2 天然气制氢技术14-21
• 2.1 天然气制氢方法15
• 2.2 甲烷水蒸气重整（SRM）15-16
• 2.3 甲烷部分氧化（POM）16-17
• 2.4 自热重整17-18
• 2.5 催化裂解18-19
• 2.6 本章小结19-21
• 3 POM 反应原理与存在问题21-32
• 3.1 POM 的反应机理21-24
• 3.2 CH4+空气反应原理和特点24-26
• 3.3 催化剂存在的问题26-30
• 3.3.1 催化剂的热稳定性26-27
• 3.3.2 催化剂的积炭27-29
• 3.3.3 催化剂的流失与烧结29-30
• 3.4 实验的意义30-32
• 4 POM 中催化剂的设计制备32-46
• 4.1 催化剂32-36
• 4.1.1 贵金属催化剂（Rh、Pt、Ru、Ir）32-34
• 4.1.2 非贵金属催化剂（Fe、Co、Ni）34-35
• 4.1.3 其他体系催化剂35
• 4.1.4 确定催化剂35-36
• 4.2 助剂的添加36-38
• 4.3 载体的种类及选择38-40
• 4.4 确定制备方法40-43
• 4.4.1 沉淀法40-41
• 4.4.2 浸渍法41-42
• 4.4.3 离子交换法42-43
• 4.5 催化剂的制备43-44
• 4.5.1 主要原料与试剂43
• 4.5.2 制备方法43-44
• 4.6 本章小结44-46
• 5 催化剂性能评价实验46-60
• 5.1 实验与活性评价46-48
• 5.1.1 实验反应装置46-47
• 5.1.2 催化剂活性评价公式47-48
• 5.2 实验影响因素48-50
• 5.2.1 甲烷空气混合比48
• 5.2.2 反应空速48-49
• 5.2.3 反应压力49
• 5.2.4 反应温度49-50
• 5.2.5 反应条件小结50
• 5.3 实验结果及讨论50-60
• 5.3.1 最佳Ni 含量50-51
• 5.3.2 各种助剂的作用51-53
• 5.3.2.1 La 助剂的添加51-52
• 5.3.2.2 其他助剂的添加（Ce，Cu，Ca，K）52-53
• 5.3.3 反应温度的控制与影响53-54
• 5.3.4 催化剂装填量54-55
• 5.3.5 催化剂的稀释55
• 5.3.6 混合气的流量的影响55-57
• 5.3.7 调节air/CH_4 比例57-58
• 5.3.8 本章小结58-60
• 6 结论与展望60-62
• 6.1 结论60-61
• 6.2 展望61-62
• 致谢62-63
• 参考文献63-67
• 附录 1 攻读硕士学位期间发表的论文目录67

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