理论教育 运行条件对性能的影响的影响结果

运行条件对性能的影响的影响结果

时间:2023-11-19 理论教育 版权反馈
【摘要】:实验表明,在中等的电流密度250mA/cm2下,在PAFC运行的温度区间180~250℃内电池电动势随着温度升高而线性升高,测得的温度系数为1.15mV/℃。随着对空气中O2利用率的升高,氧电极的极化作用明显增强,典型的商用PAFC的O2利用率为50%,因此引起的氧电极极化为19mV。

运行条件对性能的影响的影响结果

1.压力的影响

提高反应的气体压力有利于提高电池电动势。压力对电池热力学电压的影响可以用Nernst方程表示,对于PAFC,有

压力系数在190℃下为138mV,ΔV同时还是电流密度的函数。实验表明在190℃下压力从4.7atm增长到9.2atm,若电流密度为100mA/cm2,ΔV=35mV;当电流密度为400mA/cm2时,ΔV=43mV。

2.温度的影响

虽然热力学方程给出PAFC的热力学电动势随温度升高而降低,但是温度升高能减小电极的极化,提高电池性能。实验表明,在中等的电流密度250mA/cm2下,在PAFC运行的温度区间180~250℃内电池电动势随着温度升高而线性升高,测得的温度系数为1.15mV/℃。温度升高对于氢氧化反应作用甚微,然而提高温度有利于氢电极对CO的耐受性,商用化的PC25PAFC的工作温度为207℃。

3.气体利用率的影响

当反应气体供应不足时会使电极的极化作用增大,其作用对于氧电极更为明显,当以空气代替纯氧时,电流密度将下降至1/3。随着对空气中O2利用率的升高,氧电极的极化作用明显增强,典型的商用PAFC的O2利用率为50%,因此引起的氧电极极化为19mV。而氢的还原反应基本是可逆的,明显的极化作用仅在很高氢气利用率(>90%)的情况下发生。由于气体分压导致的极化可由经验公式(13-7)表示:(www.daowen.com)

Δη=blg(p2/p1) (13-7)

式中,p1p2表示气体的平均分压。

对于H2b=55mV,对于O2b=148mV(当氧气分压为0.04~0.20atm时),b=96(当氧气分压为0.20~1.00atm时)。当气体利用率低,特别是空气利用率低的时候电池性能较好,但过低的气体利用率在实用中同样会增加成本,较为合理的利用率是H285%,O250%。

PAFC的一大优势是可以用纯氢之外的燃料气体,例如重整气作为燃料,其中大多数含碳气体如CO2和CH4是惰性成分,然而其中的CO对于Pt催化剂具有很强的毒性,主要原因是CO能与过渡金属形成较强的p-p共轭配位键,在Pt表面CO的吸附能力远高于H2,即使含量仅为H2的2.5%,CO也能占据Pt表面30%的吸附位点。CO的这种失活能力随着温度的升高降低。

含硫的气体如H2S和COS(氧硫化碳)同样会使催化剂中毒,因此在引入PAFC之前必须除去。PAFC的燃料气中含硫化合物的总含量应小于50ppm,H2S的含量应小于20ppm,而煤重整气中H2S的含量在100~200ppm之间。此外H2S与CO对电极极化的影响并非是简单相加,而是有协同作用,即两者的共同的极化作用大于各组分单独极化作用之和。

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