燃料電池重組器觸媒對反應後氣體CO濃度的影響

The effect of catalysts of CO concentration on the methanol reformer for PEMFC

陳彥伊(Yan-Yi Chen)

指導教授 ： 蘇金佳

國立臺灣大學/工學院/機械工程學研究所/碩士(2006年)

https://doi.org/10.6342/NTU.2006.00735

摘要

燃料電池使用氫氣及氧氣為燃料，反應後產生電及水，幾乎無污染，為未來取代石化能源的選擇之一，而在各種型態的燃料電池中，質子交換膜燃料電池(PEMFC)，相對於其他種類的燃料電池，具有低污染、高能源轉換效率、高電能密度、低溫快速啟動、可模組化等優點，將是取代傳統發電最理想的裝置之一。
為解決PEMFC氫氣來源的問題，本研究第一階段已設計一甲醇重組器系統【8】，將甲醇水溶液轉化為氫氣、一氧化碳及二氧化碳；其中一氧化碳會造成PEMFC白金電極的毒化，最好將其濃度降低到10ppm以下，以提供PEMFC使用。因此在這階段的研究，將以重組器上使用不同觸媒對CO濃度的影響，為主要研究目標，其中包括PROX反應系統的設計及觸媒成分的配置。
實驗結果顯示，CuO-ZnO-Al2O3觸媒反應後氣體成分，相對於其他重組觸媒的H2濃度較高約為70.43%，CO濃度較低約為0.53%，且300℃以前轉化率也較高，當進料率約0.03 (mole/min)，溫度280℃時，轉化率約為89.5%。由實驗結果可以歸納得知，當進料率越大，氫氣產量就越多，轉化率就越差；另外溫度越高，轉化率就越好，但CuO-ZnO- Al2O3觸媒操作溫度最好不要超過300℃，否則容易因高溫而劣化，這個缺點可以添加Pt-Rh成分來改善。
另外PROX反應系統O2/CO比設定為3~4時，Pt觸媒溫度約在60~100℃，能將CO濃度控制在10ppm以下；Ru觸媒溫度約在100~ 140℃，能將CO濃度控制在30ppm以下，而添加Fe的Ru觸媒相對於添加Co的Ru觸媒具有較高的CO氧化活性，操作溫度約在100~ 160℃，能將CO濃度控制在30ppm以下。由實驗結果可以歸納得知，溫度提高可以使反應速率加快，增加CO的轉化，但當溫度超過觸媒本身適用溫度後，則會使其轉化率及選擇性下降，同時其他的副反應，如甲烷化與氫氣的氧化也會開始變得明顯，使氫氣損失；而與文獻的比較發現，O2/CO比增加使觸媒對CO的氧化活性變好，讓反應溫度能更低同時CO轉化率也提高。
本實驗可得到之最佳一組設定為: 甲醇重組器氫氣產率約0.045(mole/min)，PROX系統O2/CO比設定3~4，入口氣體成分: H2濃度約69% ，CO2濃度約28.7%，CO濃度約0.5% ，O2濃度約1.8%，使用5%Pt/Al2O3觸媒，溫度設定80℃，出口氣體成分: H2濃度約68% ，CO2濃度約29%，O2濃度約1.2％，CO濃度約4~8ppm，忽略系統殘留之少量水氣及 N2。

關鍵字

甲醇重組器 ； 優先氧化法

並列摘要

With the advantages of zero pollution, high efficiency, low noise, low vibration, fast start, and long life, fuel cell converts the chemical energy within the fossil fuel directly to electrical energy without combustion. There are several different kinds of fuel cells. Among them, proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) with the advantages of low temperature of reaction and high density of energy, has drawn the most attention recently.It is essential to make hydrogen supplying units in order to apply PEMFC.We developed a small methanol reformer with using the CuO-ZnO-Al2O3 catalysts.The catalyst was able to process a methanol water mixture into a hydrogen-rich steam composed of 70.43% H2, 29.04%CO2, and 0.53% CO on a dry basis.

It has been demonstrated that even traces of CO present in the hydrogen rich feed gas to proton exchange membrane fuel cells can poison the platinum anode electrode and reduce the power output.The tolerable level of CO is around 10ppm.We present the results of selective CO oxidation in reformate gas over single-step sol-gel prepared Pt/alumina, Ru/alumina, Ru-Fe/alumina and Ru-Co/alumina catalysts.The effect of CO and oxygen concentrations, temperature, Pt loading, and Ru loading on the activity are presented.Our results shows that a 5% Pt/alumina sol-gel catalyst can selective oxidize CO down to 10 ppm.

並列關鍵字

methanol reformer ； preferential oxidation

參考文獻

3. 李秋煌, 黃瓊輝, 林萃, “燃料重組器系統概論”, 石油季刊, 第39卷, 第4期, 45-62。(2003)

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2. A. Y. Tonkovich, J. L. Zilka, M. J. LaMont, Y. Wang, R. S. Wegeng, “Microchannel reactors for fuel processing applications. I. Water gas shift reactor”, Chemical Engineering Science, 54, 2947-2951.(1999)

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7. Y. Choi, H. G. Stenger, “Kinetics, simulation and insights for CO selective oxidation in fuel cell applications”, Journal of Power Sources, 129, 246-254.(2004)