CN109755611A - 直接丙烷部分氧化重整制氢的固体氧化物燃料电池组 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电池的技术领域，特别涉及直接丙烷部分氧化重整制氢固体氧化物燃料电池组。本发明公开了直接丙烷部分氧化重整制氢固体氧化物燃料电池组，包括，柱形管式炉、广口微孔管、催化剂单元、管式固体氧化物燃料电池、氧气进气管、进气管和出气管，广口微孔管与催化剂单元组成重整制氢室，所述微孔段与所述管式固体氧化物燃料电池组成电化学反应室，本发明的管式固体氧化物燃料电池将所述柱形管式炉的空腔的氧气和所述微孔段重整制氢的氢气发生电化学转换产生电流。本发明提供了直接丙烷部分氧化重整制氢固体氧化物燃料电池组，解决了目前燃料电池容易产生积碳使电池失效，且阳极管上容易发生热膨胀而损坏电池的技术缺陷。

Description

直接丙烷部分氧化重整制氢的固体氧化物燃料电池组

技术领域

本发明涉及电池的技术领域，特别涉及直接丙烷部分氧化重整制氢的固体氧化物燃料电池组。

背景技术

在环境污染问题严峻、化石燃料日益枯竭的今天，作为一种新型的高效清洁能源氢能取代化学能是大势所趋，氢能在整个能量转换过程中不会产生任何对环境有害的物质。但是以氢气作为直接燃料能源的同时面临着易泄露，易燃等安全问题，以及不易运输、存储等问题。且氢气是一种二次能源，不能直接从自然界获得。

固体氧化物燃料电池是由两个电极和介于电极间的固体电解质组合而成，是一种将燃料氧化还原反应释放的化学能直接转换成电能的全固态电化学发电系统，且具备燃料普适性的优点。固体氧化物燃料电池是氢能利用的一个重要方面，其反应产物为水，对环境友好。

现有技术多以氢能作为直接燃料，或者直接把碳氢燃料通入固体氧化物燃料电池中发生氧化重整反应而制氢。若直接把碳氢燃料通入固体氧化物燃料电池中发生氧化重整反应制氢容易产生积碳使电池失效的现象，且阳极管上容易发生热膨胀而损坏电池。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供结构紧凑、燃料来源安全简单、对能源利用率高的直接丙烷部分氧化重整制氢固体氧化物燃料电池组。

为达到上述目的，本发明提供以下技术方案：

直接丙烷部分氧化重整制氢的固体氧化物燃料电池组，包括，

柱形管式炉；

广口微孔管，固定在所述柱形管式炉的内部，所述广口微孔管分为广口段和微孔段，所述广口段与所述微孔段连接，所述广口段固定在所述柱形管式炉的空气进口端，所述微孔段固定在所述柱形管式炉的空气出口端，所述微孔段的管壁分布微孔；

催化剂单元，所述催化剂单元固定设置在所述广口微孔管的广口段；

管式固体氧化物燃料电池，所述管式固体氧化物燃料电池设置在所述微孔段的外壁以设置在所述柱形管式炉的内部，使得所述管式固体氧化物燃料电池、所述广口微孔管与所述柱形管式炉围成空腔；

氧气进气管，所述氧气进气管的一端与所述空腔连通；

进气管，所述进气管的一端与所述催化剂单元连通；

出气管，所述出气管的一端与所述管式固体氧化物燃料电池的末端连通；

所述管式固体氧化物燃料电池将所述空腔的氧气和所述微孔段重整制氢的氢气发生电化学转换产生电流。

优选地，所述催化剂单元设有气体重整制氢催化剂。

优选地，所述气体重整制氢催化剂为丙烷和空气的重整制氢催化剂。

优选地，所述丙烷和空气的重整制氢催化剂为以块状氧化铝泡沫陶瓷为载体的镍铁催化剂。

优选地，所述管式固体氧化物燃料电池设置在所述微孔段的外壁具体为所述管式固体氧化物燃料电池通过高温陶瓷胶密封固定在所述微孔段的外壁。

优选地，所述管式固体氧化物燃料电池包括阴极、电解质和阳极；

所述电解质设置在所述阴极和阳极之间；

所述阴极靠近所述柱形管式炉；

所述阳极靠近所述微孔段。

优选地，所述广口微孔管通过莫来石固定在所述柱形管式炉的内部，并采用莫来石密封所述广口微孔管和所述柱形管式炉之间的间隙。

优选地，所述氧气进气管的另一端通入氧气；所述进气管的另一端通入丙烷和空气的混合气。

优选地，还包括尾气处理装置；

所述出气管的另一端与所述尾气处理装置连接。

优选地，还包括温度检测器；

所述温度检测器设置在所述柱形管式炉的内部。

本发明提供的直接丙烷部分氧化重整制氢的固体氧化物燃料电池组，开启柱状管式炉加热，当催化剂单元和管式固体氧化物燃料电池达到启动温度时，由于进气管与催化剂单元连通，通过设置在广口微孔管的广口段的催化剂单元，在进气管通入部分氧化重整制氢的气体原料(即丙烷和空气的混合气)，本申请通过设计增加一段广口段来增加催化剂单元的体积以增大重整制氢的气体的反应面积进而提高产氢率，广口微孔管的微孔段上均匀分布的微孔，在广口微孔管的广口段制得的氢气通过广口微孔管的微孔段的微孔进入管式固体氧化物燃料电池的阳极一侧，在管式固体氧化物燃料电池的阴极一侧通有氧气，两气体于管式固体氧化物燃料电池内发生电化学反应，产生电流，而产生的气体(如尾气)通过出气管排出。

本发明提供的直接丙烷部分氧化重整制氢的固体氧化物燃料电池组在催化剂单元的作用下，重整制氢的气体原料可通过部分氧化重整制氢，然后产生的氢气作为燃料供给于燃料电池，其中，部分氧化重整制氢反应可以减少积碳现象，并且还能通过在微孔管上设计增加一段广口段来增大催化剂体积来增大重整制氢的气体原料的反应面积从而提高产氢率；广口微孔管的微孔段的微孔使得氢气与管式固体氧化物燃料电池均匀接触且分配均匀，使得电化学反应最大化。

综上所述，与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的直接丙烷部分氧化重整制氢的固体氧化物燃料电池组使用清洁的重整制氢的气体原料制得氢气，广口段的体积比微孔段大，催化剂单元设置在广口段，使得更多催化剂与反应原料进行反应，从而增加产氢量。并且催化剂单元放置于广口段先进行部分氧化重整反应产生的混合气体再通入广口微孔管的微孔段从而进入管式固体氧化物燃料电池中，可以减少燃料直接于管式固体氧化物燃料电池中反应而产生的积碳使电池失效的现象；广口微孔管的微孔段中均匀分布的微孔可以使氢气与管式固体氧化物燃料电池均匀接触且分配均匀，使得电化学反应最大化，同时避免过多的空气在管式固体氧化物燃料电池的阳极上的同个部位接触停留发生热膨胀而损坏电池；本固体氧化物燃料电池组的操作流程简单、可控，整个燃料电池不涉及复杂的设备，而且成本低、环境友好。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的直接丙烷部分氧化重整制氢的固体氧化物燃料电池组的结构图；

图2为图1的广口微孔管的结构图；

图3为图1的固体氧化物燃料电池的应用示意图；

其中，1、管式固体氧化物燃料电池，2、催化剂单元，3、柱形管式炉，4、氧气进气管，5、广口段，6、微孔段、6-1、微孔，7、高温陶瓷胶，8、进气管，9、出气管，10、莫来石，11、尾气处理装置，12、热电偶，A、丙烷和空气的混合气，B、尾气，C、广口微孔管，D、空腔。

具体实施方式

本发明的核心是提供了直接丙烷部分氧化重整制氢的固体氧化物燃料电池组，解决了目前燃料电池容易产生积碳使电池失效，且阳极管上容易发生热膨胀而损坏电池的技术缺陷。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参考图1-图3，本发明实施例提供了直接丙烷部分氧化重整制氢的固体氧化物燃料电池组，包括：

柱形管式炉3；广口微孔管C，固定在柱形管式炉3的内部，广口微孔管的广口段5固定在柱形管式炉3的空气进口端，广口微孔管的微孔段6固定在柱形管式炉3的空气出口端，微孔段6的管壁分布微孔6-1；催化剂单元2，催化剂单元2固定设置在广口微孔管的广口段5；管式固体氧化物燃料电池1，管式固体氧化物燃料电池1设置在广口微孔管的微孔段6的外壁以设置在柱形管式炉3的内部，使得管式固体氧化物燃料电池1、广口微孔管C与柱形管式炉3围成空腔D；氧气进气管4，氧气进气管4的一端与空腔D连通，氧气进气管4的另一端设置在柱形管式炉3的外部；进气管8，进气管8的一端与广口段连通，进气管8的气体可有与催化剂单元2反应，进气管8的另一端设置在柱形管式炉3的外部；出气管9，出气管9的一端与管式固体氧化物燃料电池1的末端连通，出气管的另一端设置在柱形管式炉3的外部；空腔D的氧气和广口微孔管的微孔段6的重整制氢的氢气于管式固体氧化物燃料电池1中发生电化学反应产生电流。

从图2可知，广口微孔管C由广口微孔管的广口段5和广口微孔管的微孔段6两部分组成，广口微孔管的广口段5与广口微孔管的微孔段6的连接处为渐缩结构，广口微孔管的广口段5的横截面面积比广口微孔管的微孔段6大。

进一步地，在本实施例中，催化剂单元设有气体部分重整制氢催化剂；具体为丙烷和空气的重整制氢催化剂，如以块状氧化铝泡沫陶瓷为载体的镍铁催化剂。

其中，丙烷和空气重整制氢中，丙烷在标准温度和压力下是气体，是天然气加工的副产品，同时可以以液体形式容易地储存和运输。因此特别选用丙烷作为氢气载体制氢。

其中，将以块状氧化铝泡沫陶瓷为载体的镍铁催化剂2放置于广口微孔管的广口段5中，将广口微孔管的微孔段6内置在管式固体氧化物燃料电池1中，并用高温陶瓷胶7将广口微孔管的微孔段6和管式固体氧化物燃料电池1的接口处密封，然后内置在柱形管式炉3中，进气管8与广口微孔管的广口段5连通，出气管9与管式固体氧化物燃料电池1的末端连通，出气管9用于将过量的氧气或其他气体排出。将为管式固体氧化物燃料电池1的阴极提供氧气的氧气进气管4插入柱形管式炉3的空腔D中，并利用莫来石10将空腔D密封保温，使得氧气进气管4输进的氧气积聚在管式固体氧化物燃料电池1的阴极。

进一步地，在本实施例中，管式固体氧化物燃料电池1设置在广口微孔管的微孔段6的外壁具体为管式固体氧化物燃料电池1通过高温陶瓷胶7密封固定在广口微孔管的微孔段6的外壁。

进一步地，在本实施例中，管式固体氧化物燃料电池1包括阴极、电解质和阳极；电解质设置在阴极和阳极之间；阴极靠近柱形管式炉3；阳极靠近广口微孔管的微孔段6。

进一步地，在本实施例中，广口微孔管通过莫来石10固定在柱形管式炉3的内部，莫来石10密封广口微孔管C和柱形管式炉3之间的间隙。

进一步地，在本实施例中，进气管8的另一端通入丙烷和空气的混合气A。

进一步地，在本实施例中，还包括尾气处理装置11；出气管的另一端与尾气处理装置11连接。

进一步地，在本实施例中，还包括温度检测器；温度检测器设置在柱形管式炉3的内部，温度检测器可以为热电偶12。

如图1-3所示广口微孔管C与催化剂单元2组成重整制氢室，广口微孔管的微孔段6与管式固体氧化物燃料电池1组成电化学反应室，管式固体氧化物燃料电池1设置在广口微孔管的微孔段6的外壁上；广口微孔管的微孔段6与管式固体氧化物燃料电池1使用高温陶瓷胶7封口。广口微孔管的广口段5与进气管8连接，使得进气管8与催化剂单元2连通；广口微孔管的微孔段6的末端与出气管9相连接；进气管8的另一端的管口于柱形管式炉3的外面，出气管9的一端管口与广口微孔管的微孔段6的末端连接。氧气进气管4的一端设置在空腔D内。

如图3所示，使用时，第一步，将以块状氧化铝泡沫陶瓷为载体的镍铁催化剂放置于广口微孔管的广口段5中的催化剂单元2内，连接好气路，然后开启管式炉3加热，利用热电偶12检测温度，当温度达到镍铁催化剂的反应温度和管式固体氧化物燃料电池1的启动温度，一般温度在600-700℃。第二步，打开丙烷气瓶，再打开空气气瓶，分别通过质量流量计控制流量，30ml/min丙烷和257ml/min空气从三通管混合进入进气管8，再通入广口段5与催化剂单元2组成重整制氢室中，进行部分氧化重整反应，产生氢气。第三步，打开氧气瓶，质量流量计控制流量，氧气通过氧气进气管4进入空腔D的内部，进一步扩散到管式固体氧化物燃料电池1的阴极，得到电子形成氧离子。第四步，丙烷和空气的混合气A在重整制氢室的镍铁催化剂中发生部分氧化重整反应制得氢气混合气。氢气混合气在气压的作用下进入微孔段6，并通过微孔广口微孔管的微孔段6的孔眼均匀地扩散进管式固体氧化物燃料电池1的阳极上，氢气与阴极扩散过来的氧离子发生电化学反应，从而开启管式固体氧化物燃料电池1，管式固体氧化物燃料电池1上发生电化学反应产生电流。产生的尾气B通过出气管9排到尾气处理装置11中。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.直接丙烷部分氧化重整制氢的固体氧化物燃料电池组，其特征在于，包括，

柱形管式炉；

广口微孔管，固定在所述柱形管式炉的内部，所述广口微孔管分为广口段和微孔段，所述广口段与所述微孔段连接，所述广口段固定在所述柱形管式炉的空气进口端，所述微孔段固定在所述柱形管式炉的空气出口端，所述微孔段的管壁分布微孔；

催化剂单元，所述催化剂单元固定设置在所述广口微孔管的广口段；

管式固体氧化物燃料电池，所述管式固体氧化物燃料电池设置在所述微孔段的外壁以设置在所述柱形管式炉的内部，使得所述管式固体氧化物燃料电池、所述广口微孔管与所述柱形管式炉围成空腔；

氧气进气管，所述氧气进气管的一端与所述空腔连通；

进气管，所述进气管的一端与所述催化剂单元连通；

出气管，所述出气管的一端与所述管式固体氧化物燃料电池的末端连通；

所述管式固体氧化物燃料电池将所述空腔的氧气和所述微孔段重整制氢的氢气发生电化学转换产生电流。

2.根据权利要求1所述的直接丙烷部分氧化重整制氢的固体氧化物燃料电池组，其特征在于，所述催化剂单元设有气体重整制氢催化剂。

3.根据权利要求2所述的直接丙烷部分氧化重整制氢的固体氧化物燃料电池组，其特征在于，所述气体重整制氢催化剂为丙烷和空气的重整制氢催化剂。

4.根据权利要求3所述的直接丙烷部分氧化重整制氢的固体氧化物燃料电池组，其特征在于，所述丙烷和空气的重整制氢催化剂为以块状氧化铝泡沫陶瓷为载体的镍铁催化剂。

5.根据权利要求1所述的直接丙烷部分氧化重整制氢的固体氧化物燃料电池组，其特征在于，所述管式固体氧化物燃料电池设置在所述微孔段的外壁具体为所述管式固体氧化物燃料电池通过高温陶瓷胶密封固定在所述微孔段的外壁。

6.根据权利要求1所述的直接丙烷部分氧化重整制氢的固体氧化物燃料电池组，其特征在于，所述管式固体氧化物燃料电池包括阴极、电解质和阳极；

所述电解质设置在所述阴极和阳极之间；

所述阴极靠近所述柱形管式炉；

所述阳极靠近所述微孔段。

7.根据权利要求1所述的直接丙烷部分氧化重整制氢的固体氧化物燃料电池组，其特征在于，所述广口微孔管通过莫来石固定在所述柱形管式炉的内部，并莫来石密封所述广口微孔管和所述柱形管式炉之间的间隙。

8.根据权利要求1所述的直接丙烷部分氧化重整制氢的固体氧化物燃料电池组，其特征在于，所述氧气进气管的另一端通入氧气；所述进气管的另一端通入丙烷和空气的混合气。

9.根据权利要求1-8任一项所述的直接丙烷部分氧化重整制氢的固体氧化物燃料电池组，其特征在于，还包括尾气处理装置；

所述出气管的另一端与所述尾气处理装置连接。

10.根据权利要求1-8任一项所述的直接丙烷部分氧化重整制氢的固体氧化物燃料电池组，其特征在于，还包括温度检测器；

所述温度检测器设置在所述柱形管式炉的内部。