CN111883800A - 一种固体氧化物燃料电池的加工设备 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电池的技术领域，公开了一种固体氧化物燃料电池的加工设备。该加工设备包括丙烷罐、空气罐、石英玻璃管和柱形管式炉；石英玻璃管为m形状，共有3个开口，两端开口为入口，中间开口为出口，石英玻璃管的中间出口段开有2个缺口；丙烷罐的进气管和空气罐的第一进气管汇合之后连接石英玻璃管的2个入口，空气罐的第二进气管连通柱形管式炉的内腔，石英玻璃管放置在柱形管式炉内部，石英玻璃管的入口和出口安装在柱形管式炉的侧壁，石英玻璃管的两端入口段内部放置有催化剂，在2个缺口位置放置固体氧化物燃料电池管，固体氧化物燃料电池管的外壁朝向柱形管式炉的内腔，固体氧化物燃料电池管的内壁连通石英玻璃管的中间出口段。

Description

一种固体氧化物燃料电池的加工设备
技术领域
本发明属于电池的技术领域，特别涉及一种固体氧化物燃料电池的加工设备。
背景技术
固体氧化物燃料电池(SOFC)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，SOFC具备燃料适用范围广、能量转化效率高、动力学过程快、环境友好等优势。
丙烷是常见的一种燃料，可由原油、天燃气或成品油中获取，且能量密度高，所以是一种十分适用于固体氧化物燃料电池的燃料。
已有的研究表明，直接使用丙烷作为固体氧化物燃料电池的燃料存在输出性能不够高、稳定性差、燃料利用率低等问题，最主要的原因在于现在大部分SOFC使用的的是镍基阳极材料，丙烷直接通入时在阳极上产生大量积碳，使阳极结构破坏，从而使电池的性能迅速衰减直到停止工作。
为了解决上述丙烷在电池阳极积碳的问题，许多研究者提出了使用外部重整火内部重整的方法将丙烷变为主要含H2、CO等小分子的气体，然后将这些小分子气体输送到电池阳极发生电池反应。使用外部重整，大大增加了系统的复杂性。使用内部重整依旧存在重整催化剂由于碳沉积失活严重，需要多次更换等问题。
发明内容
为了克服现有技术的缺点与不足，本发明的目的在于提供一种固体氧化物燃料电池的加工设备，该设备一方面解决了现有技术中，用于催化产氢的催化剂，存在着比表面积小、积碳严重从而与燃料电池不匹配以及产氢率低、使用时间短等技术缺陷，另一方面解决了燃料电池容易产生积碳使电池失效以及燃料电池启动热量能耗较大的技术缺陷。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
固体氧化物燃料电池管的加工设备，包括丙烷罐、空气罐、石英玻璃管和柱形管式炉；
所述石英玻璃管为m形状，共有3个开口，两端开口为入口，中间开口为出口，石英玻璃管的中间出口段开有2个缺口；
所述丙烷罐的进气管和空气罐的第一进气管汇合之后连接石英玻璃管的2个入口，空气罐的第二进气管连通柱形管式炉的内腔，石英玻璃管放置在柱形管式炉内部，石英玻璃管的入口和出口安装在柱形管式炉的侧壁，石英玻璃管的两端入口段内部放置有催化剂，在2个缺口位置放置固体氧化物燃料电池管，固体氧化物燃料电池管的外壁朝向柱形管式炉的内腔，固体氧化物燃料电池管的内壁连通石英玻璃管的中间出口段，石英玻璃管的出口连接尾气处理装置；
所述固体氧化物燃料电池管的外壁为阴极，所述固体氧化物燃料电池管的内壁为阳极，阳极和阴极之间设有电解质；
所述柱形管式炉的内腔设置有温度检测器，丙烷罐的进气管、空气罐的第一进气管和第二进气管均设有阀门和浮子流量计。
所述催化剂是由以下按质量份数计的原料制备而成：六水合硝酸镍1-2份、六水合硝酸铈6-7份、氢氧化钠20-30份以及泡沫陶瓷1-3份。
所述泡沫陶瓷直径为5-10mm，长为40-60mm
所述催化剂是按照以下制备方法制备得到：
(1)将六水合硝酸镍、六水合硝酸铈、氢氧化钠溶于去离子水后，搅拌得到第一产物；
(2)泡沫陶瓷与步骤(1)所得第一产物混合，进行水热反应后，再经洗涤和干燥，得到第二产物；
(3)将步骤(2)所得第二产物煅烧氧化，得到第三产物；
(4)将步骤(3)所得第三产物还原，得到泡沫陶瓷负载的镍铈双金属催化剂。
步骤(1)中所述搅拌的温度为20-30℃，所述搅拌的转速为300-400r/min，所述搅拌的时间为20-40min；步骤(2)中所述水热反应的温度为100-200℃，所述水热反应的时间为12-24h；步骤(3)中所述煅烧氧化的温度为500-700℃，所述煅烧氧化的时间为2-4h；步骤(4)中所述还原是在氢气的保护气氛下进行，所述还原的温度为500-800℃，所述还原的时间为1-3h。
本发明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。
上述设备在使用的时候，空气罐中的空气进入柱形管式炉，空气扩散到固体氧化物燃料电池管的外壁上，即阴极上面，得到电子形成氧离子；丙烷罐中的丙烷和空气罐中的空气的混合气进入石英玻璃管，与催化剂一起发生部分氧化重整反应制得氢气混合气，氢气混合气进入固体氧化物燃料电池管的管腔中，在气压的作用下氢气混合气分子扩散进入固体氧化物燃料电池管的内壁，即阳极上；阳极上的氢气与阴极扩散过来的氧离子发生电化学反应，从而开启固体氧化物燃料电池管，固体氧化物燃料电池管上发生电化学反应产生电流。
本发明在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，催化剂单元将通入的丙烷直接部分氧化重整制取高浓度的氢气，然后以产生的氢气作为燃料供给于燃料电池产生电流。丙烷通过使用催化剂部分氧化重整，可以大大减少固体氧化物燃料电池阳极碳沉积的现象，并且通过将催化剂单元设计在固体氧化物燃料电池周围，丙烷部分氧化重整产生的大量热量可以供应于固体氧化物燃料电池的启动，这样可以大大降低电池启动能耗，使能量利用率最大化。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
本发明设备具有结构紧凑、燃料来源安全简单、使用时间长，无需多次更换催化剂等优点；本发明使用的NiCe-Al2O3催化剂孔隙分布在100nm左右，比表面积大、导热性能优良、产氢量和产氢时间都大大提升，应用于管式固体氧化物燃料电池减少了阳极表面的碳沉积；将催化剂设置在管式固体氧化物燃料电池管的周围，利用丙烷部分氧化重整产生的大量热量供应与电池的启动，降低了电池启动能耗；本发明操作流程简单，不涉及复杂昂贵设备，而且成本低、环境友好。
附图说明
图1是本发明使用催化剂的催化产氢效果示意图。
图2是本发明固体氧化物燃料电池的加工设备的结构示意图；其中，1为丙烷罐，2为空气罐，3为石英玻璃管，4为柱形管式炉，5为入口，6为出口，7为进气管，8为第一进气管，9为第二进气管，10为催化剂，11为固体氧化物燃料电池管，12为外壁，13为内壁，14为尾气处理装置，15为温度检测器，16为阀门，17为浮子流量计。
图3是本发明固体氧化物燃料电池的加工设备启动电池发电的性能结果曲线。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1：
本发明固体氧化物燃料电池的加工设备使用的催化剂，按照以下制备制备得到：
(1)将8mmol六水合硝酸铈、2.5mmol六水合硝酸镍溶于40ml去离子水，同时将480mmol氢氧化钠溶于40ml去离子水，再将上述两种溶液混合搅拌得到第一产物；其中，搅拌温度为25℃，搅拌的转速为500r/min，搅拌时间为30min。
(2)将块状泡沫陶瓷与第一产物混合，进行水热反应后，再经洗涤和干燥，得到第二产物；其中，水热反应的温度为100℃，水热时间为24h；所使用的块状泡沫陶瓷的制备方法是将40PPI的聚氨酯海绵两次挂浆、烧结制备而成，其中，挂桨的浆料是300g，氧化铝粉、0.2g分散剂、2g粘结剂PVB和90ml水组成；所制得的块状泡沫陶瓷的长为15～18mm，宽为6～10mm，高为6～10mm。
(3)将第二产物煅烧氧化，得到第三产物；其中煅烧氧化温度为400℃，煅烧氧化时间为4h。
(4)将第三产物还原，得到泡沫陶瓷负载的镍铈金属氧化物催化剂产品；其中，还原在氢气的保护气氛下进行，还原的温度为600℃，所述还原的时间为2h。
将还原后所得的催化剂产品继续置于管式炉中，通入40sccm的丙烷和285sccm的空气混合气，进行丙烷部分氧化重整实验，并收集合成气用气相色谱检测，其催化产氢效果如图1所示。
实施例2：
固体氧化物燃料电池管的加工设备，如图2所示，包括丙烷罐1、空气罐2、石英玻璃管3和柱形管式炉4；
所述石英玻璃管为m形状，共有3个开口，两端开口为入口5，中间开口为出口6，石英玻璃管的中间出口段开有2个缺口；
所述丙烷罐的进气管7和空气罐的第一进气管8汇合之后连接石英玻璃管的2个入口，空气罐的第二进气管9连通柱形管式炉的内腔，石英玻璃管放置在柱形管式炉内部，石英玻璃管的入口和出口安装在柱形管式炉的侧壁，石英玻璃管的两端入口段内部放置有催化剂10，在2个缺口位置放置固体氧化物燃料电池管11，固体氧化物燃料电池管的外壁12朝向柱形管式炉的内腔，固体氧化物燃料电池管的内壁13连通石英玻璃管的中间出口段，石英玻璃管的出口连接尾气处理装置14；
所述固体氧化物燃料电池管的外壁为阴极，所述固体氧化物燃料电池管的内壁为阳极，阳极和阴极之间设有电解质；
所述柱形管式炉的内腔设置有温度检测器15，丙烷罐的进气管、空气罐的第一进气管和第二进气管均设有阀门16和浮子流量计17。
柱形管式炉的一侧用隔热石英板封闭，另一侧用莫来石将石英玻璃管固定在柱形管式炉侧壁，莫来石密封石英玻璃管和柱形管式炉之间的间隙。
实施例3：
利用实施例2所述的固体氧化物燃料电池管的加工设备，以及实施例1所得的催化剂来启动燃料电池：
第一步，将实施例1所得催化剂放置在石英玻璃管内，连接好气路，然后开始柱形管式炉加热，利用温度检测器检测温度，当温度达到催化剂和电池的启动温度，一般为600-700℃。
第二步，先打开丙烷罐，再打开空气罐，分别通过浮子流量计控制流量，40sccm的丙烷和285sccm的空气混合气A进入石英玻璃内，在催化剂的催化作用下进行部分氧化重整反应，产生氢气。
第三步，调节空气罐的流量控制阀门，使干燥空气进入柱形管式炉内部，进一步扩散到固体氧化物燃料电池管的外壁，即阴极上，得到电子形成氧离子。
第四步，丙烷罐中的丙烷和空气罐中的空气的混合气进入石英玻璃管，与催化剂一起发生部分氧化重整反应制得氢气混合气，氢气混合气进入固体氧化物燃料电池管的管腔中，在气压的作用下氢气混合气分子扩散进入固体氧化物燃料电池管的内壁，即阳极上；阳极上的氢气与阴极扩散过来的氧离子发生电化学反应，从而开启固体氧化物燃料电池管，固体氧化物燃料电池管上发生电化学反应产生电流，其电化学性能曲线结果如图3所示；产生的尾气排到尾气处理装置中。
经过实验证明，本发明制备的催化剂产品比表面积大，导热性能优良，可快速实现热传导和气体传导，失活现象减弱，显著提高了催化剂的使用时间和催化产氢的效率，应用于固体氧化物燃料电池发电性能良好。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.固体氧化物燃料电池管的加工设备，其特征在于，包括丙烷罐、空气罐、石英玻璃管和柱形管式炉；
所述石英玻璃管为m形状，共有3个开口，两端开口为入口，中间开口为出口，石英玻璃管的中间出口段开有2个缺口；
所述丙烷罐的进气管和空气罐的第一进气管汇合之后连接石英玻璃管的2个入口，空气罐的第二进气管连通柱形管式炉的内腔，石英玻璃管放置在柱形管式炉内部，石英玻璃管的入口和出口安装在柱形管式炉的侧壁，石英玻璃管的两端入口段内部放置有催化剂，在2个缺口位置放置固体氧化物燃料电池管，固体氧化物燃料电池管的外壁朝向柱形管式炉的内腔，固体氧化物燃料电池管的内壁连通石英玻璃管的中间出口段，石英玻璃管的出口连接尾气处理装置；
所述固体氧化物燃料电池管的外壁为阴极，所述固体氧化物燃料电池管的内壁为阳极，阳极和阴极之间设有电解质；
所述柱形管式炉的内腔设置有温度检测器，丙烷罐的进气管、空气罐的第一进气管和第二进气管均设有阀门和浮子流量计。
2.根据权利要求1所述的一种固体氧化物燃料电池的加工设备，其特征在于，所述催化剂是由以下按质量份数计的原料制备而成：六水合硝酸镍1-2份、六水合硝酸铈6-7份、氢氧化钠20-30份以及泡沫陶瓷1-3份。
3.根据权利要求2所述的一种固体氧化物燃料电池的加工设备，其特征在于，所述泡沫陶瓷直径为5-10mm，长为40-60mm。
4.根据权利要求2所述的一种固体氧化物燃料电池的加工设备，其特征在于，所述催化剂是按照以下制备方法制备得到：
(1)将六水合硝酸镍、六水合硝酸铈、氢氧化钠溶于去离子水后，搅拌得到第一产物；
(2)泡沫陶瓷与步骤(1)所得第一产物混合，进行水热反应后，再经洗涤和干燥，得到第二产物；
(3)将步骤(2)所得第二产物煅烧氧化，得到第三产物；
(4)将步骤(3)所得第三产物还原，得到泡沫陶瓷负载的镍铈双金属催化剂。
5.根据权利要求4所述的一种固体氧化物燃料电池的加工设备，其特征在于，步骤(1)中所述搅拌的温度为20-30℃，所述搅拌的转速为300-400r/min，所述搅拌的时间为20-40min；步骤(2)中所述水热反应的温度为100-200℃，所述水热反应的时间为12-24h；步骤(3)中所述煅烧氧化的温度为500-700℃，所述煅烧氧化的时间为2-4h；步骤(4)中所述还原是在氢气的保护气氛下进行，所述还原的温度为500-800℃，所述还原的时间为1-3h。
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