CN115241480B - 流场式氢燃料电堆催化剂结构调整反应器 - Google Patents

流场式氢燃料电堆催化剂结构调整反应器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种流场式氢燃料电堆催化剂结构调整反应器，具体涉及氢燃料电堆技术领域，包括：进气系统和反应流场，进气系统与反应流场连接；进气系统用于通过气体将催化剂带入反应流场；气体包括载气和还原气体；反应流场为交趾流场，交趾流场中具有若干个流场道，气体携带催化剂曲折通过若干个流场道；催化剂在流场道中与还原气体反应。本发明通过气体和催化剂在交趾流场中的若干个流场道中曲折流动，增加了气体与催化剂的反应时间，提高了铂钌合金催化剂Pt晶面转化效率。

Description

流场式氢燃料电堆催化剂结构调整反应器
技术领域
本发明涉及氢燃料电堆技术领域，特别是涉及一种流场式氢燃料电堆催化剂结构调整反应器。
背景技术
氢燃料电堆中最核心的部件是膜电极，膜电极中最核心的部件是催化剂，开发电堆中阳极耐CO毒化和低铂(Pt)载量催化剂，是目前研究的核心。一种有效的策略是将铂(Pt)与钌(Ru)原子混合，以制备铂钌合金催化剂。但是，铂钌合金催化剂中的钌(Ru)原子在酸性环境下会发生渗透和流失，从而导致电池性能显著下降。现有技术中的解决策略是制备结构有序和具有高催化活性晶面的铂钌合金催化剂，通常采用管式炉作为反应场所来制备催化剂，将催化剂放入坩埚中之后，再将坩埚放入管式炉中，然后通入气体，但管式炉中气体直接从铂钌合金催化剂表层吹过，导致气体和催化剂反应的时间短，从而造成只有表层的Pt发生晶面转化，而内部的Pt不会发生晶面转化，造成整体的Pt晶面转化效率低。
因此，本领域亟需一种能够显著提高Pt晶面转化效率的技术方案。
发明内容
本发明的目的是提供一种流场式氢燃料电堆催化剂结构调整反应器，解决了现有技术中管式炉中气体直接从铂钌合金催化剂表层吹过，气体和催化剂的反应时间短，只有表层的Pt发生晶面转化，而内部的Pt不会发生晶面转化，造成整体的Pt晶面转化效率低的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种流场式氢燃料电堆催化剂结构调整反应器，包括：
进气系统和反应流场，所述进气系统与所述反应流场的进气口连接。
所述进气系统用于通过气体将催化剂带入所述反应流场；所述气体包括载气和还原气体；所述催化剂为铂钌合金催化剂。
所述反应流场为交趾流场，所述交趾流场中具有若干个流场道，所述气体携带所述催化剂曲折通过若干个所述流场道；所述催化剂在所述流场道中与所述还原气体反应。
可选的，所述进气系统包括：真空泵，与所述反应流场的出气口连接，用于为反应流场中的气体提供动力。
可选的，所述反应器还包括：催化剂收集装置，与所述真空泵的出气口连接，用于收集所述反应流场中的催化剂。
可选的，所述反应流场为石墨材质；所述反应流场包括若干个流场道；所述反应流场还包括加热元件，所述加热元件用于加热所述流场道。
可选的，所述反应器还包括：进气阀。
可选的，所述进气阀设置于反应流场的进气口，用于通过调节所述进气阀，使氢燃料电堆催化剂匀速地通过所述反应流场。
可选的，所述反应流场的流场壁厚度为0.6mm-1mm。
可选的，所述载气为氩气；所述还原气体为氢气。
所述氩气和所述氢气混合后将所述催化剂带入所述反应流场。
可选的，所述氢气和氩气的比例为3:7。
本发明利用气体在管道中流动的特性，增加了催化剂表面与气体接触的面积，提高了催化剂晶面转化和结构有序化的效率，使反应气体在流场中停留的时间增加，节约了成本。
一种流场式氢燃料电堆催化剂结构调整方法，包括以下步骤：
通过气体将铂钌合金催化剂带入反应流场中；
使所述铂钌合金催化剂在所述反应流场中曲折通过；
将所述反应流场加热至预设温度；
收集所述反应流场中的铂钌合金催化剂。
可选的，所述预设温度为800℃。
根据本发明提供的具体实施例，公开了以下技术效果：
本发明提供了一种流场式氢燃料电堆催化剂结构调整反应器，包括进气系统和反应流场，进气系统与反应流场连接；进气系统用于通过气体将催化剂带入反应流场；反应流场为交趾流场，是催化剂发生高温重组的场所；交趾流场中具有若干个流场道，气体携带催化剂曲折通过若干个反应流场道，催化剂在流场道中与还原气体反应。本发明通过气体和催化剂在交趾流场中的若干个流场道中曲折流动，从而增加了气体与催化剂的反应时间，有效提高了Pt晶面的转化效率，解决了现有技术中管式炉中气体仅从铂钌合金催化剂表层吹过，只有表层的Pt发生晶面转化，而内部的Pt不会发生晶面转化，造成整体的Pt晶面转化效率低的问题。
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一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为流场式燃料电池催化剂结构调整反应器示意图。
图2为流场式氢燃料电堆催化剂结构调整方法流程图。
1-反应流场，2-真空泵，3-收集装置，4-氢气瓶，5-氩气瓶。
具体实施方式
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。
本发明的目的是提供能够提高铂钌合金催化剂Pt晶面转化效率的流场式氢燃料电池催化剂结构调整反应器。
在制备结构有序和具有高催化活性晶面的催化剂时，由于规则的异质原子键的强度增加，有序金属间纳米晶体具有更高的化学和结构稳定性，与无序合金相比，有序合金存在规则的活性位点和强大的电子效应，可提高氢气氧化反应(HOR)活性。在高温下铂钌合金催化剂，退火处理一定时间，Ru核从无定型态向晶体结构转变，有序性提高。在高温下退火处理氢燃料电堆铂钌合金催化剂，在高温下Pt低氢氧化活性的晶面向高氢氧化活性的晶面转化。在传统的采用管炉式实现上述转变时，管式炉中气体直接从催化剂表层吹过，气体和催化剂反应的时间短，只有表层的Pt发生晶面转化，而内部的Pt不会发生晶面转化，造成整体的Pt晶面转化效率低。
本发明的目的是提供一种流场式氢燃料电堆催化剂结构调整反应器，解决了现有技术中管式炉中气体直接从铂钌合金催化剂表层吹过，气体和催化剂的反应时间短，只有表层的Pt发生晶面转化，而内部的Pt不会发生晶面转化，造成整体的Pt晶面转化效率低的问题。
基于以上对现有技术的分析，本发明实施例提供了以下技术方案：
实施例1：
本实施例提供了一种流场式氢燃料电堆催化剂结构调整反应器，参见图1，包括：进气系统和反应流场1，进气系统与反应流场1的进气口连接。
其中，进气系统用于通过气体将催化剂带入反应流场。具体的，进气系统可以包括氢气瓶4、氩气瓶5和真空泵2，氩气作为载气，氢气作为还原气体，氩气和氢气混合后将催化剂带入反应流场。氢气和氩气的混合比例可以为3:7。
催化剂为铂钌合金催化剂。
反应流场1为交趾流场，交趾流场中具有若干个流场道，气体携带催化剂曲折通过若干个流场道；催化剂在流场道中与还原气体反应。在每个回路上，气体遇到流场壁发生转向。催化剂在流场里曲折通过，极大的增加了催化剂在流场中发生还原反应的时间。相比于传统的管式炉装置只有上层的催化剂颗粒与气体接触。流场反应器中催化剂颗粒在气体作用下，飘浮在流场中，催化剂颗粒与还原气体接触面积达到最大程度。
反应器还包括催化剂收集装置3，催化剂收集装置3与反应流场1的出气口连接。
催化剂收集装置3包括催化剂接收器。
真空泵2用于为反应流场1中的气体提供动力；起到把催化剂抽向反应流场1出口的作用。
催化剂接收器用于收集反应流场1的催化剂。
反应流场1为石墨材质，反应流场1包括若干个流场道，反应流场1包括加热元件，用于加热反应流场。
反应器还包括：进气阀。
进气阀设置于反应流场1的进气口，用于通过调节进气阀，使氢燃料电堆催化剂匀速地通过反应流场1。
在反应流场1中，气体流动的速度和催化剂流动的速度相等，速度可达到4m/s。
反应流场1的流场壁厚度为0.6mm-1mm。
本实施例提供的装置不只限于处理铂钌合金催化剂转换的功能，在制备催化剂过程中该装置还可以起到代替管式炉的功能。
本实施例公开了一种流场式氢燃料电堆催化剂结构调整反应器，该反应器包括：以氩气和氢气作为载气将催化剂带入反应流场1；反应流场1为石墨材质，包括若干个流场道，反应流场1是催化剂发生高温重组的场所；催化剂收集装置3。真空泵2抽真空，在进气和压力作用下，催化剂在流场尾端被收集。与现有技术相比，本发明采用石墨材质的反应流场1作为催化剂结构调整的场所，气体携带催化剂在流场道中曲折通过，增加了气体与催化剂的反应时间，提高了高温时催化剂Pt晶面的转化和合金结构有序化效率，也减少了气体损耗，节约了成本。
实施例2：
本实施例提供了一种流场式氢燃料电堆催化剂结构调整方法，参见图2，包括以下步骤：
S1：通过气体将铂钌合金催化剂带入反应流场1中；
S2：使铂钌合金催化剂在反应流场1中曲折通过；
S3：将反应流场加热至预设温度；
S4：收集反应流场1中的铂钌合金催化剂。
在高温下铂钌合金催化剂，在流场中由于氢气的作用，表面原子配位数较高的低指数晶面，氢倾向于侵入晶格，表面被扰乱；而对于表面原子配位数很低的高指数晶面，氢倾向于在表面吸附，表面不会被扰乱，Pt晶面调控形成具有更高反应活性的晶面，利用加热活化和氢气还原将热力学不稳定的Ru实现由不规则结构向晶体结构的有序转化，高温热处理对原子重排及结构转变提供能量。此外Ru核从无定型态向晶体结构转变，Ru内核具有高度有序性。
进气系统以氢气和氩气3:7比例混合气作为气源，催化剂质量为10mg-100mg，在气体作用下被带入反应流场1。进气系统将氢气氩气混合，并与反应流场连接。
反应流场1包括位于反应流场1进口处的进气阀，通过调节进气阀门，使合金催化剂以4m/s的速度通过流场。合金催化剂颗粒很小很轻，在气流带动下，合金催化剂颗粒飘浮在流场中，所以催化剂速度与气体速度相同。
反应流场1包括加热元件，在气体通过流场时，加热反应流场使之温度达到800℃，反应时间1小时，通过调节气体的流动速度来调节气体与催化剂的反应时间来调控Pt晶面的转换，使合金催化剂在高温下结构有序化和晶面调控。
催化剂收集装置3包括催化剂收集器。真空泵2在流场尾端提供气体流通的压力，催化剂再经过真空泵2在收集器中收集。
本实施例通过加热反应流场1，使在流场道中曲折通过的气体和催化剂处于高温环境下，在高温下Pt低氢氧化活性的晶面向高氢氧化活性的晶面转化，显著提高了Pt高活性晶面转化效率和铂钌合金催化剂结构有序性。
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。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种流场式氢燃料电堆催化剂结构调整反应器，其特征在于，包括：进气系统和反应流场，所述进气系统与所述反应流场的进气口连接；
所述进气系统用于通过气体将催化剂带入所述反应流场；所述气体包括载气和还原气体；所述催化剂为铂钌合金催化剂；
所述反应流场为交趾流场，所述交趾流场中具有若干个流场道，所述气体携带所述催化剂曲折通过若干个所述流场道；所述催化剂在所述流场道中与所述还原气体反应；
其中，所述载气为氩气，所述还原气体为氢气；所述氩气和所述氢气混合后将所述催化剂带入所述反应流场。
2.根据权利要求1所述的流场式氢燃料电堆催化剂结构调整反应器，其特征在于，所述进气系统包括：
真空泵，与所述反应流场的出气口连接，用于为反应流场中的气体提供动力。
3.根据权利要求2所述的流场式氢燃料电堆催化剂结构调整反应器，其特征在于，还包括：
催化剂收集装置，与所述真空泵的出气口连接，用于收集所述反应流场中的催化剂。
4.根据权利要求1所述的流场式氢燃料电堆催化剂结构调整反应器，其特征在于，所述反应流场为石墨材质；所述反应流场包括若干个流场道；所述反应流场还包括加热元件，所述加热元件用于加热所述流场道。
5.根据权利要求1所述的流场式氢燃料电堆催化剂结构调整反应器，其特征在于，所述反应器还包括：进气阀；
所述进气阀设置于反应流场的进气口，用于通过调节所述进气阀，使氢燃料电堆催化剂匀速地通过所述反应流场。
6.根据权利要求1所述的流场式氢燃料电堆催化剂结构调整反应器，其特征在于，所述反应流场的流场壁厚度为0.6mm-lmm。
7.根据权利要求1所述的流场式氢燃料电堆催化剂结构调整反应器，其特征在于，所述氢气和氩气的比例为3:7。
8.一种根据权利要求1-7任一项所述的流场式氢燃料电堆催化剂结构调整反应器的流场式氢燃料电堆催化剂结构调整方法，其特征在于，所述方法包括：
通过气体将铂钌合金催化剂带入反应流场中；
使所述铂钌合金催化剂在所述反应流场中曲折通过；
将所述反应流场加热至预设温度；
收集所述反应流场中的铂钌合金催化剂。
9.根据权利要求8所述的流场式氢燃料电堆催化剂结构调整方法，其特征在于，所述预设温度为800℃。
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