CN109057922A - 一种基于固体氧化物电解池的汽车尾气NOx分解装置 - Google Patents

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刘毅辉
陈鹏
陈昆
杨胜兵
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Abstract

本发明公开了一种基于固体氧化物电解池的汽车尾气NOX分解装置，包括固体氧化物电解池、生成气排气管、尾气进气管和蓄电池，所述固体氧化物电解池内置于汽车的生成气排气管内，尾气进气管的出口伸入生成气排气管的入口，与固体氧化物电解池的入口连通，固体氧化物电解池的出口与生成气排气管的出口连通；所述固体氧化物电解池与汽车的蓄电池相连。本发明的有益效果为：本发明利用管式固体氧化物电解池分解汽车尾气中的氮化物，不需要复杂的流道设计，可以直接将发动机排出的尾气通入装置中进行电化学反应，高温的尾气给电解池营造了很好的反应环境，使尾气中NOX转化为无害的N2和O2。

Description

一种基于固体氧化物电解池的汽车尾气NOX分解装置
技术领域
本发明涉及汽车尾气处理技术领域，特别是涉及一种基于固体氧化物电解池的汽车尾气 NOX分解装置。
背景技术
社会的发展加剧了环境污染，严重危害人类健康。因此，如何预防和控制污染已经成为当下刻不容缓的难题。在大气的各种污染物中，氮氧化物(NOX)需要被重点控制，NOX不仅会对人体及动物产生致毒作用，还会引起酸雨、光化学烟雾等灾害，对臭氧层产生破坏。由于汽车工业的发展，汽车数量的急剧增加，其尾气排放的NOX对环境的污染日趋加剧。鉴于此，对汽车尾气中的NOX进行有效的处理显得十分重要。目前消除汽车尾气中NOX的技术有废气再循环(EGR)和三元催化转化器，其中EGR技术容易对发动机的动力性和工作稳定性造成不好的影响，且控制较为复杂，三元催化转化器由于使用了Pt－Rh－Pd等贵金属材料，制造成本较高。
电解池是一种将电能直接转换为化学能的新型技术。以固体氧化物作为电极和电解质的电解池被称为固体氧化物电解池(SOEC)，它可看作是固体氧化物燃料电池的逆运行过程。与使用液体作为电解质的电解池相比，采用固体氧化物作为电解质具有高安全性，易于模块化和易于扩展等优点。汽车尾气温度很高，可以给固体氧化物电解池提供高温工作环境，使用固体氧化物电解池可以高效的电解汽车尾气中的NOX。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术的不足，提供一种安全稳定，降解效率高的基于固体氧化物电解池的汽车尾气NOX分解装置。
本发明采用的技术方案为：一种基于固体氧化物电解池的汽车尾气NOX分解装置，包括固体氧化物电解池、生成气排气管、尾气进气管和蓄电池，所述固体氧化物电解池内置于汽车的生成气排气管内，尾气进气管的出口伸入生成气排气管的入口，与固体氧化物电解池的入口连通，固体氧化物电解池的出口与生成气排气管的出口连通；所述固体氧化物电解池与汽车的蓄电池相连。
按上述方案，所述固体氧化物电解池为管式固体氧化物电解池，主要包括由内向外依次同轴布置的内管体、阴极层、电解质层、阳极层和外管体。
按上述方案，所述内管体和外管体均由银网制成。
按上述方案，所述固体氧化物电解池与生成气排气管同轴布置。
按上述方案，所述尾气进气管与生成气排气管焊接为一个整体。
按上述方案，所述尾气进气管与固体氧化物电解池之间通过高温密封材料连接。
本发明的有益效果为：
1、本发明利用管式固体氧化物电解池分解汽车尾气中的氮化物，不需要复杂的流道设计，可以直接将发动机排出的尾气通入装置中进行电化学反应，高温的尾气给电解池营造了很好的反应环境，使尾气中NOX转化为无害的N2和O2；
2、本发明所述技术方案便于对阴极材料进行处理，如添加功能层使其性能更好，提高所述装置的分解效率；
3、本发明所述管式电解池有着更大的活性面积，与NOX的接触更加充分，分解NOX的效率更高；
4、本发明气密性好，其内侧和外侧形成两个自然隔开的空间，有效防止气体逸出污染环境；
5、本发明制造工艺简单，成本低，可行性好，可靠性高。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为固体氧化物电解池的断面示意图。
其中：1、蓄电池；2、尾气进气管；3、固体氧化物电池；3.1、内管体；3.2、阴极层；3.3、电解质层；3.4、阳极层；3.5、外管体4、生成气排气管；5、银线。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地描述。
如图1所示的一种基于固体氧化物电解池的汽车尾气NOX分解装置，包括固体氧化物电解池3、生成气排气管4、尾气进气管2和蓄电池1，所述固体氧化物电解池3内置于汽车的生成气排气管4内，且两者同轴布置；汽车的尾气进气管2出口伸入生成气排气管4的入口，与固体氧化物电解池3的入口连通，固体氧化物电解池3的出口与生成气排气管4的出口连通；所述固体氧化物电解池3通过银线4与汽车的蓄电池1相连，汽车的蓄电池1为固体氧化物电解池3提供电能。本实施例中，所述尾气进气管2接受来自发动机燃烧后排放的含NOX的尾气；所述尾气进气管2与生成气排气管4焊接为一个整体，且尾气进气管2与固体氧化物电解池3之间通过高温密封材料连接。
优选地，所述固体氧化物电解池3为管式固体氧化物电解池，主要包括由内向外依次同轴布置的内管体3.1、阴极层3.2、电解质层3.3、阳极层3.4和外管体3.5，所述内管体3.1 和外管体3.5均由银网制成，起到集流作用。
实施例一固体氧化物电解池3的阴极层3.2为NiO-YSZ，电解质层3.3为YSZ，阳极层3.4为LSCF，所述固体氧化物电解池3的制备包括以下步骤：
步骤一、制作阴极层：制备阴极浆料，并将铝制管状模具浸入阴极层浆料中静置几秒钟，待模具表面附着均匀后取出，在电热鼓风干燥箱中干燥；重复上述过程几次后，得到厚度适合的阴极坯体；将完全干燥后的阴极支撑体坯体从模具上取出，放置于马弗炉中，在1200℃下烧结2小时，得到所需的阴极层3.2；本实施例中，阴极浆料的制备方法为：称取一定量的阴极粉末，NiO和YSZ的质量比为1:1；向其中加入质量分数为5％的碳黑来提高孔隙率，在上述混合粉末中加入与之同等质量的乙醇，并混合均匀；在行星式球磨机上球磨1小时；随后加入质量分数为4％的聚乙二醇作为增塑剂、同时加入质量分数为5％的粘结剂(9％wt乙基纤维素、7％wt正丁醇、60％wt松油醇、24％wt邻苯二甲酸二丁酯)，继续球磨2小时，得到混合均匀、无明显颗粒的阴极浆料；
步骤二、制作电解质层3.3：制备电解质浆料，将制得的两端开口用软橡胶塞封住的管状阴极层3.2整体浸入电解质浆料中1分钟，使电解质浆料附着均匀后取出，用电热鼓风干燥箱进行干燥，将上述步骤重复一次，得到电解质膜坯体；将软橡胶塞取出，把附着电解质膜坯体的阴极支撑体放置于马弗炉中，在1400℃下烧结4小时，得到均匀致密的电解质层3.3；本实施例中，电解质浆料的制备方法为：称取一定量的YSZ电解质粉末，加入与之同等质量的乙醇，在行星式球磨机上球磨均匀；取质量分数为5％的粘结剂，溶于少量酒精后倒入球磨的浆料中，同时，加入质量分数为4％的聚乙二醇作为增塑剂，继续球磨2小时，得到混合均匀的电解质浆料；
步骤三、制备阳极层3.4：在电解质层3.3的外表面均匀涂刷阳极浆料，用电热鼓风干燥箱进行烘干，再重复上述步骤一次，随后移入马弗炉中，在1000℃下烧结2小时得到阳极层3.4；本实施例中，阳极浆料的制备方法为：称取一定量的LSCF阳极粉末，将其置于玛瑙研钵中，同时加入适量粘结剂(其中阳极粉末质量：粘结剂质量＝6:4)，在玛瑙研钵中充分研磨2小时，得到均匀细腻的阳极浆料。
实施例一中固体氧化物电解池3分解汽车尾气中NOX具体包括以下步骤：
1)固体氧化物电解池3的阴极层3.2吸附来自汽车发动机燃烧后排放的含NOX的尾气，在高温尾气的环境下，NOX在阴极层3.2的表面分解为氮离子和氧离子；
2)固体氧化物电解池3与蓄电池1相连接，阴极层3.2、电解质层3.3、阳极层3.4和蓄电池1形成电流回路，在电动势的作用下，阴极层3.2表面的氮离子得到电子，还原为N2；
3)在电动势的作用下，氧离子穿过电解质层3.3到达阳极层3.4表面，氧离子失去电子，氧化为O2；
4)反应生成的N2和O2进入生成气排气管4，排入大气。
固体氧化物燃料电池3内的反应如下所示：
阴极层3.2反应：2NO+4e-→N2+2O2-
2NO2+8e-→N2+4O2-
阳极层3.4反应：2O2--4e-→O2
总电池反应式：2NO→N2+O2
2NO2→N2+2O2
实施例二
本实施例所述的基于固体氧化物电解池分解汽车尾气中NOX的装置，其固体氧化物电解池3的阴极层3.2为NiO-GDC，电解质层3.3为GDC，阳极层3.4为LSCF，其他结构均与实施例一相同。
实施例三
本实施例所述的基于固体氧化物电解池的汽车尾气NOX分解装置，其固体氧化物电解池3 的阴极层3.2为NiO-YSZ，电解质层3.3为YSZ，阳极层3.4为LSM，其他结构均与实施例一相同。
以上内容是对发明结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应认为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于固体氧化物电解池的汽车尾气NOX分解装置，其特征在于，包括固体氧化物电解池、生成气排气管、尾气进气管和蓄电池，所述固体氧化物电解池内置于汽车的生成气排气管内，尾气进气管的出口伸入生成气排气管的入口，与固体氧化物电解池的入口连通，固体氧化物电解池的出口与生成气排气管的出口连通；所述固体氧化物电解池与汽车的蓄电池相连。
2.如权利要求1所述的基于固体氧化物电解池的汽车尾气NOX分解装置，其特征在于，所述固体氧化物电解池为管式固体氧化物电解池，主要包括由内向外依次同轴布置的内管体、阴极层、电解质层、阳极层和外管体。
3.如权利要求2所述的基于固体氧化物电解池的汽车尾气NOX分解装置，其特征在于，所述内管体和外管体均由银网制成。
4.如权利要求1所述的基于固体氧化物电解池的汽车尾气NOX分解装置，其特征在于，所述固体氧化物电解池与生成气排气管同轴布置。
5.如权利要求1所述的基于固体氧化物电解池的汽车尾气NOX分解装置，其特征在于，所述尾气进气管与生成气排气管焊接为一个整体。
6.如权利要求1所述的基于固体氧化物电解池的汽车尾气NOX分解装置，其特征在于，所述尾气进气管与固体氧化物电解池之间通过高温密封材料连接。
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