CN105702992A - 一种基于熔融碳酸盐燃料电池合成氨的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于熔融碳酸盐燃料电池合成氨的方法，其具体步骤为：1、组装熔融碳酸盐燃料电池堆；2、按照预定的升温程序进行焙烧电池堆，焙烧过程中阳极通入空气，阴极不通气；3、待电池堆升温至650℃后，阳极将空气改通为氢气进行原位还原镍电极；4、电池还原完毕后，阴极通入空气和二氧化碳，阳极通入氢气，电池堆即可进行发电；5待电池堆稳定输出电能后，在阳极缓慢通入少量氮气，随着反应的进行，阳极尾气侧即可获得副产品氨气；本发明方法易于操作，在熔融碳酸盐燃料电池阳极通入氢气和氮气的混合气，既可以有效的保护纯氢对镍电极寿命的影响，又可以在不影响熔融碳酸盐燃料电池发电的前提下获得副产品氨，将熔融碳酸盐燃料电池发电与合成氨结合起来，具有重要的实际应用价值。

Description

一种基于熔融碳酸盐燃料电池合成氨的方法
技术领域
本发明涉及熔融碳酸盐燃料电池发电技术领域，特别涉及一种基于熔融碳酸盐燃料电池合成氨的方法。
背景技术
燃料电池是一种不经过燃烧而以电化学反应方式将燃料的化学能直接变为电能的发电装置，其最大特点是反应过程不涉及燃烧，因此能量转化效率不受“卡诺循环”的限制，效率高达50％～60％。熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)是20世纪50年代后期发展起来的一种高温燃料电池，工作温度在650℃左右。与低温燃料电池相比，高温燃料电池具有明显的优势：(1)可以使用化石燃料，燃料重整温度较高，可以与温度较高的电池实现热量耦合，甚至可以直接在电池内部进行燃料的重整，使系统得到简化；(2)温度较高的电池产生的废热具有较高的利用价值，可以实现热电联供；(3)低温下CO容易使催化剂中毒，而在高温下，CO却是一种燃料；(4)在较高温度下，氢气的氧化反应和氧气的还原反应活性足够高，不需要使用贵金属作为电催化剂；(5)电池反应中载流子不需要水作为介质，避免了低温电池复杂的水管理系统；(6)在MCFC中，CO2作为一种阴极进气来消耗，这对于当前减少温室气体(主要是CO2)的排放具有重要的环保意义。
常规的氨的工业生产中，使用来自空气中的氮气与来自氢源的氢气进行催化反应，这种合成工业需要较大量的机械能来供给用于配气和进行再循环的压缩机、工艺空气压缩机和制冷压缩机。
熔融碳酸盐燃料电池发电过程属于高温(650℃)高压，且电池堆内部的阴极(NiO)、阳极(Ni)以及不锈钢双极板提供了一个很好的催化反应场所，如果在熔融碳酸盐燃料电池阳极同时如含氢燃料气和氮气，在燃料电池阳极侧就会有合成氨反应的进行。
发明内容
为了改进常规合成氨工艺高耗能等缺陷，本发明提供一种基于熔融碳酸盐燃料电池合成氨的方法。
为了达到上述目的，本发明的具体方案为：
一种基于熔融碳酸盐燃料电池合成氨的方法，包括如下步骤：
(1)组装熔融碳酸盐燃料电池堆；
(2)按照预定的升温程序进行焙烧电池堆，焙烧过程中阳极通入空气，阴极不通气；温度达到450℃后，关闭阳极空气，直到温度达到650℃；这一阶段为电池堆碳酸盐熔解浸入隔膜阶段，为电池焙烧的关键；
(3)待电池堆升温至650℃后，阳极将通入空气改为通入氢气进行原位还原镍电极；
(4)电池还原完毕后，阴极通入空气和二氧化碳，阳极通入氢气，电池堆即可进行发电；
(5)待电池堆稳定输出电能后，在阳极缓慢通入少量氮气，随着反应的进行，阳极尾气侧即可获得副产品氨气。
所述的五个步骤最终的判断标准是：熔融碳酸盐燃料电池阳极尾气侧获得副产品氨气，且熔融碳酸盐燃料电池输出电功率损耗不得大于1％～5％。
优选地，步骤(1)所述组装的熔融碳酸盐燃料电池堆阳极为镍电极，阴极为氧化镍电极，双极板为316L不锈钢轻型双极板；电池堆功率在5kW以上。
优选地，步骤(3)在改通氢气前，需要用氮气进行吹扫阳极气路中的空气，以防氢气与空气的直接接触。
优选地，步骤(4)所述电池还原完毕的标志是电池堆平均单电池电压在1V～1.2V。
优选地，步骤(5)所述通入少量氮气，通入氮气的量的依据为阳极尾气侧检测不到氢气为止，这样电池堆没有利用的氢气就全部与氮气合成为氨气。
和现有技术相比较，本发明具备如下优点：
本发明方法易于操作，在熔融碳酸盐燃料电池阳极通入氢气和氮气的混合气，既可以有效的保护纯氢对镍电极寿命的影响，又可以在不影响熔融碳酸盐燃料电池发电的前提下获得副产品氨，将熔融碳酸盐燃料电池发电与合成氨结合起来，具有重要的实际应用价值。
具体实施方式
本发明是一种基于熔融碳酸盐燃料电池合成氨的方法，在MCFC的研究领域具有重要的指导意义，下面结合具体实施例对本发明做详细叙述：
1、组装100节、单电池有效面积为0.1m2的熔融碳酸盐燃料电池堆。根据相关公式计算可得：电池堆运行时需要通入的气体流量为：阳极氢气是164L/min(70％利用率)、阴极二氧化碳是191L/min(60％利用率)、阴极空气是477L/min(60％利用率)；
2、从室温至450℃，按照5min/℃的升温速率给电池堆进行加热升温，阳极侧通入100L/min的空气进行焙烧隔膜；从450℃至650℃，升温速率调为10min/℃，同时关闭阳极进气，保证碳酸盐熔解后浸满LiAlO2隔膜；
3、电池堆温度达到650℃后，阳极侧先用氮气进行吹扫，然后通入100L/min的氢气进行还原镍电极；
4、当电池堆开路电压达到30V(平均单电池开路电压达到0.3V)时，阴极侧通入100L/min的二氧化碳和200L/min的空气。当电池堆开路电压达到110V(平均单电池开路电压达到1.1V)时，标志电池堆还原完全，随后将阳极氢气流量调为164L/min、阴极二氧化碳流量调为191L/min、阴极空气流量调为477L/min，即可进行放电测试；
5、待电池堆功率输出稳定后，在阳极缓慢通入氮气，直至阳极尾气侧检测不到氢气为止，随后在阳极尾气即可得到副产品氨气。

Claims (6)

1.一种基于熔融碳酸盐燃料电池合成氨的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)组装熔融碳酸盐燃料电池堆；
(2)按照预定的升温程序进行焙烧电池堆，焙烧过程中阳极通入空气，阴极不通气；温度达到450℃后，关闭阳极空气，直到温度达到650℃；这一阶段为电池堆碳酸盐熔解浸入隔膜阶段，为电池焙烧的关键；
(3)待电池堆升温至650℃后，阳极将通入空气改为通入氢气进行原位还原镍电极；
(4)电池还原完毕后，阴极通入空气和二氧化碳，阳极通入氢气，电池堆即可进行发电；
(5)待电池堆稳定输出电能后，在阳极缓慢通入少量氮气，随着反应的进行，阳极尾气侧即可获得副产品氨气。
2.根据权利要求1所述基于熔融碳酸盐燃料电池合成氨的方法，其特征在于，所述的五个步骤最终的判断标准是：
熔融碳酸盐燃料电池阳极尾气侧获得副产品氨气，且熔融碳酸盐燃料电池输出电功率损耗不得大于1％～5％。
3.根据权利要求1所述基于熔融碳酸盐燃料电池合成氨的方法，其特征在于，步骤(1)所述组装的熔融碳酸盐燃料电池堆阳极为镍电极，阴极为氧化镍电极，双极板为316L不锈钢轻型双极板；电池堆功率在5kW以上。
4.根据权利要求1所述基于熔融碳酸盐燃料电池合成氨的方法，其特征在于，步骤(3)在改通氢气前，需要用氮气进行吹扫阳极气路中的空气，以防氢气与空气的直接接触。
5.根据权利要求1所述基于熔融碳酸盐燃料电池合成氨的方法，其特征在于，步骤(4)所述电池还原完毕的标志是电池堆平均单电池电压在1V～1.2V。
6.根据权利要求1所述基于熔融碳酸盐燃料电池合成氨的方法，其特征在于，步骤(5)所述通入少量氮气，通入氮气的量的依据为阳极尾气侧检测不到氢气为止，这样电池堆没有利用的氢气就全部与氮气合成为氨气。
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