煤浆电解制氢的动力学研究.pdf

第41卷第2期
燃料化学学报
Vol 41 No. 2
2013年2月
Journal of Fuel Chemistry and Technology
Feb.2013
文章编号:0253-2409(2013)02-0139-05
煤浆电解制氢的动力学研究
贾杰,隋升,朱新坚,黄波
上海交通大学燃料电池研究所,上海200240)
摘要:研究了煤浆电解过程中电压、温度、H2SO4浓度、Fe浓度等因素的影响,并进行了电解前后煤粉样品的热重测试和
电解后溶液的成分分析。结果表明,电压、温度、添加的Fe浓度、H2SO浓度等参数对电解过程的电流密度有较大影响。其
中,温度对电流密度的影响符合阿伦尼乌斯方程,在电解电压1V条件下煤浆电解活化能为31.87k』/mol。TGA和ICP分析
表明,电解后煤中的部分金属离子溶入溶液,导致结构和灰分成分发生了较显著的变化。
关键词:电解;煤浆;制氢;动力学;二氧化碳
中图分类号:TQ531
文献标识码:A
Effect of kinetic factors on hydrogen production by coal slurry electrolysis
JIA Jie, SUI Sheng, ZHU Xin-jian, HUANG Bo
(Institute of Fuel Cell, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China
Abstract: For understanding the influence of kinetic factors on coal slurry electrolysis, the voltage
temperature, and H, SO and Fe"concentration were studied. The samples of electrolyzed coal and fresh coal
and composition of the supernatant iquid after electrolysis were analyzed respectively by TGA and ICP.
results show that the parameters of voltage, temperature, Fe"and H,SO concentration have effect on the current
density in the electrolysis. Furthermore, the relationship between the temperature and current density follows the
Arrhenius equation. The apparent activation energy of the coal slurry electrolysis is 31.87 KJ/mol at 1 V voltage
TGA and CP characterization prove that some metal elements in the coal are dissolved into the solution. The
coal structure and ash content have obvious difference before and after the electrolysis
Key words: electrolysis; coal slurry; hydrogen production; kinetics; carbon dioxide
中国煤炭存储丰富,能源消费长期以煤炭为主。
C(s)+2H2O(1)→CO2(g)+4H'+4e(1)
据统计,煤炭在中国一次能源消耗中占比达75%,
阴极反成:4H'+4e→2H2(g)
2
且存在着利用效率低、浪费严重等问题。因此,基于
总的反应
未来能源安全及环境保护的考虑,研究新型的煤炭
C(s)+2H2O(1)→CO2(g)+2H12(g)(3
利用方式,提高煤炭利用效率,对中国有着积极
2004年 Patil s等2在美国电化学会议上的报
意义。
告,以及其后所作系列研究推动了这一技术的快速
水煤浆电解是一个非常有应用前景的解决方发展。反应速率低是该技术存在的主要『问题。 Patil
案,一方面,它提供了煤清洁利用的新途径;另一方等测试了一系列贵金属合金作为阳极时的煤浆
面,氢气可用于燃料电池发电,对于电力安全有重要电解效果,发现P-r电极具有最好的电解效果,在
意义。具体来讲,其主要优点包括:生产过程能耗加入铁离子的情况下电流密度可达30mA/cm2
低,其理论电解电压为0.21V,明显低于水电解的 Sathe等通过恒压电镀的方式在碳纤维上镀P、
1.23V;生产过程清洁无污染,煤中S、N等经电解Rh、PR-Rh、Pt-Ir、Pt-Ir-Rh等贵金属,再将其缠绕到
后会转化为相应的酸留在电解液中而不排人大气;Ti网上制备出一系列新型电极,并且研发出一种新
装置流程简单、反应条件温和;阳极制得的H2纯度型的电解裝置,明显提高了电解效率。印仁和
高,无需进一步提纯;阴极产生的纯净CO2副产物,等S*8也相继开发出一系列新型电极,在电极寿命、
可以直接利用或出于碳减排目的封存处理。
活性、成本等方面都得到了改进。 Hesenov等,I0
早在1979年, Coughlin等提出这一技术,并研究了电解过程中H2和CO2的关系及铁离子的作
将煤电解反应机理归结如
用,之后进一步研究了不同因素对反应过程的影响,
阳极反应
并提出了新的反应机理。Jin等?总结了他人的研
收稿日期:2012-08-06;修回日期:2012-10-08
联系作者:隋升,Tel,Fax:021-34206249,E-mail:sui@sjtu.cdu.cn。