一种消除环境空气中杂质对PEMFC性能影响的方法技术

本发明专利技术涉及含有杂质的空气对质子交换膜燃料电池的性能影响，具体地说是提出了一种测试质子交换膜燃料电池在一定的环境气氛中的性能变化方法，并根据其变化机理提出相应的解决方案。根据环境空气三级标准浓度的三倍配备标准气，分别测定了空气中主要污染物以及与环境气氛中的混合杂质气体对电池的性能影响。最后，根据杂质气体对电池性能影响的实验数据，提出活性炭吸附处理的方法。经过活性炭吸附处理后电池的性能明显提高，与纯净空气运行的电池相比性能几乎没有下降。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及环境空气中杂质对质子交换膜燃料电池的影响及解决方法，主要测试了环境空气中的主要污染物——NOx、SO2PEMFC(质子交换膜燃料电池)性能的影响，通过电池性能变化曲线和100小时后的电化学测试结果分析电池中毒机理，最后，针对环境杂质造成的电池性能衰减提出活性炭吸附的解决方案。
技术介绍
随着燃料电池技术的发展和应用，电池的寿命和可靠性是其商业化所面临的巨大挑战之一。而环境空气对燃料电池的影响就在于降低了电池的寿命和可靠性，因此研究环境空气中杂质对燃料电池性能的影响是提高电池抗大气污染能力，从而加速燃料电池产业化的前提之一。Moore et al.(J.M.Moore，P.L.Adcock，J.B.Lakeman，G.O.Mepsted，J.Power Sour.85(2001)254-260.)研究了空气中NO2、SO2对PEMFC性能的影响，他们认为低浓度的NO2、SO2对PEMFC没有明显影响。R.Mohtadi et al.(R.Motadi，W.-k.Lee，J.W.Van Zee，J.Power Sour.138(2004)216-225.)的研究结果表明空气中2.5ppm的NO2导致电池在运行25小时后性能下降50％左右，但是以纯净空气运行24小时后电池完全恢复；而空气中含有2.5ppm的SO2时电池的性能在45小时后下降53％，通入纯净空气运行20小时后性能没有明显恢复。通常情况下PEMFC所在的环境气氛中杂质浓度均比较低，根据中华人民共和国国家标准GB 3095-1996号文件《环境空气质量标准》，(环境空气质量标准，中华人民共和国国家标准，GB 3095-1996，ICS 13.040.20 Z50.)环境空气中二氧化硫(SO2)和氮氧化物(NOX)的三级标准见下表：表一：空气中污染物三级标准浓度限值注：年平均值：指任何一年的日平均浓度的算术值；日平均值：指任何一日的平均浓度；1小时平均值：指任何一小时的平均浓度。根据此数据，考察电池在低浓度杂质气氛下长时间运行过程中的性能衰减可以真实反映电池抗大气污染能力。针对空气中两种主要污染物-NOx(主要成分为NO和NO2)、SO2，通常采用吸附氧化或吸附还原的方法。在干法处理方面，选择性催化还原被认为是一个行之有效的方案，(H.Iwamoto，T.Zengyo，A.M.Hernandez，H.Araki，Appl.Catal.B：Environ.17(1998)259-266；A.Esposite，A.Del Borghi，F.Araki，Waste-->Manage，22(2002)937-943.)此方法在高温条件下效果较好，但是随着温度降低吸附效果也大大降低。另外，在湿法处理方面Young Sun Mok et al.(Y.S.Mok，H-J.Lee，Fuel Processing Technology，87(2006)591-597.)采用注氧的方法先将NO氧化为NO2，然后采用硫化钠溶液吸附还原的方法将NO2还原为N2的同时SO2被氧化为硫。然而，在实际的操作条件下吸附是目前认为处理含有NOx、SO2废气最有效的方法。硅酸盐以及金属修饰的硅酸盐被认为是比较有效的NOx吸附剂(J.Despres，M.Koebel，O.Krocher，Micropor Mesopor Mater，58(2003)175-183；K.Hafjiivanov，D.Klissurski，G.Busca，Appl.Catal.B：Environ.7(1996)251-267.)，而金属氧化物(R-G Artuto，A-A Jesús，G-C Antonio，D.Gabriela，Catal.Today 107-108(2005)168-174.)，焦炭、草木灰等碳化物吸附剂(Goutam Chattopadhyaya，Douglas G.Macdonald，Narendra N.Bakhshi，Jafar S.Soltan Mohammadzadeh，Ajay K.Dalai，Fuel，85(2006)1803-1810；K.T.Lee，A.R.Mohamed，S.Bhatia，K.H.Chu，Chemical Engineering Journal，114(2005)171-177.)被广泛的用作脱硫吸附剂。因此，若要通过吸附的方法同时除去空气中的NOx、SO2污染物，需要对吸附剂做进一步改进。J.L.Zhu(J.L.Zhu，Y.H.Wang，J.C.Zhang，R.Y.Ma，Energy Conversion and Management，46(2005)2173-2184.)等用该性活性炭吸附的方法处理天然气中的NOx、SO2废气，结果表明活性炭经过该性后得到的ACNaK2.5吸附剂对天然气中的杂质气体有很好的吸附作用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于通过考察环境污染三倍标准的杂质气体对质子交换膜燃料电池性能的影响，通过实验数据和电化学测试方法分析环境空气中各种杂质气体对PEMFC性能的影响机理。根据此机理研究解决电池性能衰减的方法，最后通过合理的措施使电池在正常空气污染的条件下能够长时间稳定的运行，从而达到提高其寿命和可使用性的目的。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：消除环境空气中杂质对PEMFC性能影响的方法，其特征在于：使含杂质的空气在质子交换膜燃料电池的入口处，经活性炭柱吸附处理后再通入质子交换膜燃料电池。所述活性炭为一种经过改性处理的干法催化氧化活性炭脱硫吸附剂，采用独创的干法催化氧化脱硫新技术。该脱硫剂无毒、高效、高硫容。常温操作，无需二次脱硫、脱硫产物为单质硫，环境友好。所述活性炭脱硫剂以NaCO3作改性剂的改性活性炭脱硫剂。其改性工艺为：将30-40目的媒质活性炭用蒸馏水煮沸、洗涤，然后在100-110℃下干燥4小时。配制一定浓度的NaCO3溶液，将称量好的活性炭浸入NaCO3溶液中并搅拌，然后再100-110℃下烘干，制得的改性活性炭含约8.9％的NaCO3改性剂。所述为脱硫剂型号为3018干法脱硫剂。外观：圆柱状颗粒；粒度(φ1-2mm)：≥90％；强度：≥85％；堆密度：0.68-0.78kg/L；工作硫容：≥30％。所述活性炭柱为有机玻璃反应器中填充所制得的活性炭脱硫剂作为吸附剂。柱长：30厘米；直径为：6cm；操作空速：600-3000mL min-1(随净化指标而定)；操作温度：5-50℃；操作压力：-->不限；出口硫含量：0.1-20mg/Nm3。本专利技术具有如下优点1)测试了由于环境污染引入的杂质气体对PEMFC性能的影响，提出以环境空气污染三倍标准的杂质气体为阴极反应气，结果表明这些杂质均对电池性能有一定的负面影响；2)以环境空气中主要污染物的混合气为主要考察对象，根据环境空气质量标准提出以混合气(ppm SO2&0.8ppmNO2&0.2ppmNO)模拟环境气氛，可真实的反映电池在实际操作环境中出现的问题；3)电池组装以柔性石墨为流场，与PEMFC电堆的组装条件一致，这样得到的数据可用于燃料电池电堆。同时，此流场还为以后在流场上做进一步研究奠定了基础；4)本专利技术针对对电池本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种消除环境空气中杂质对ＰＥＭＦＣ性能影响的方法，其特征在于：使含杂质的空气在质子交换膜燃料电池的入口处，经活性炭柱吸附处理后再通入质子交换膜燃料电池。

【技术特征摘要】
1.一种消除环境空气中杂质对PEMFC性能影响的方法，其特征在于：使含杂质的空气在质子交换膜燃料电池的入口处，经活性炭柱吸附处理后再通入质子交换膜燃料电池。2.按照权利要求1所述方法，其特征在于：所述活性炭为经过改性处理的干法催化氧化活性炭脱硫吸附剂。3.按照权利要求1所述方法，其特征在于：所述活性炭脱硫剂以NaCO3作改性剂的改性活性炭脱硫剂，其改性工艺为：将30-40目的媒质活性炭用蒸馏水煮沸、洗涤，然后在100-110℃下干燥4小时。配制一定浓度的NaCO3溶液，将称量好的活性炭浸入NaCO3溶液中并搅拌，然后再100-11...

【专利技术属性】
技术研发人员：景粉宁，候明，石伟玉，傅杰，俞红梅，明平文，衣宝廉，
申请(专利权)人：新源动力股份有限公司，
类型：发明
国别省市：91[中国|大连]