CN209104273U - 一种氢燃料电池催化剂制备系统 - Google Patents

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林进猛
李利新
梁燕芳
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Abstract

本实用新型提供了一种氢燃料电池催化剂制备系统，包括碳纳米管储罐、丙酮溶液储罐、硫酸溶液储罐，碳纳米管储罐、丙酮溶液储罐和硫酸溶液储罐的出料口分别通过管道与搅拌罐的进料口连接，搅拌罐的出料口通过输送泵连接至过滤器的进料口，过滤器的出料口通过管道与超声波分散槽的进料口连接，超声波分散槽、TiCl4溶液储罐、乙酸铜溶液储罐、氨气储罐的出料口分别通过管道连接至反应罐，反应罐的出料口通过管道与干燥器的进料口连接，煅烧炉的进料口与干燥器的出料口连接。本氢燃料电池催化剂制备系统结构简单、操作方便，可以实现低温燃料电池渡金属氮化物催化剂的连续生产，并且可以得到高活性高稳定性的低温燃料电池渡金属氮化物催化剂。

Description

一种氢燃料电池催化剂制备系统
技术领域
本实用新型涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种氢燃料电池催化剂制备系统。
背景技术
燃料电池的提出，距今已有180年的历史，从1839年英国的W.R.Grove在电解水实验开始，经过人们的不断探索，直到1959年，由F.T.Bacon发明了第一个燃料电池并首先进入美国的航天计划，开启了燃料电池用于解决能源问题和商业化的研究。燃料电池是将化学能直接转化为电能的装置，并不受卡诺循环的限制，转换效率可达到90％。其中，质子交换膜燃料电池(PEMFC)由于能量密度高，转化效率高，使用方便，环境友好，安全可靠，低温即可操作等诸多优点而被广泛的研究和应用。
目前影响质子交换膜燃料电池的性能的主要因素有；(a)膜厚度，(b)电池温度，(c)甲醇浓度，(d)燃料的p H值，(e)催化剂活性，(f)电极结构，(g)甲醇渗透燃料的利用率低，在阴极形成混合电位和(h)阴极扩散层的聚偏氟乙烯(PTFE)的含量。其中，催化剂活性低是影响质子交换膜燃料电池性能最为关键的因素。原因有：(1)电催化剂活性低，导致化学反应速率降低；(2)Pt易吸附甲醇氧化的含氧活性中间体COx导致催化剂中毒；(3)Pt等金属价格昂贵；(4)低温条件下运行时，在阳极会产生高过电位，降低转换效率；考虑到以上这些关键因素，研究者们现在致力于发展耐久性好，价格低廉，并且有较高活性和稳定性的阳极甲醇氧化(MOR)和阴极氧气还原(ORR)催化剂。
过渡金属氮化物(TMNs)由于具有高导电性、高温电化学稳定性、高硬度和耐腐蚀性等特点，然而其MOR活性仍然较差，采用碳纳米管为载体，氮化物纳米颗粒为核，采用络合后氮化处理以及溶剂热法分别制备碳纳米管负载Cu、Ni、Co掺杂氮化物纳米颗粒，可以提高其MOR活性，现有技术中，多数研究均是关于低温燃料电池过渡金属氮化物催化剂的合成理论及方法，但是还未有针对低温燃料电池过渡金属氮化物催化剂的制备系统的报道。
实用新型内容
针对现有技术的不足，本实用新型提出了一种氢燃料电池催化剂制备系统，可以制备高活性高稳定性的低温燃料电池渡金属氮化物催化剂。
为实现上述技术方案，本实用新型提供了一种氢燃料电池催化剂制备系统，包括：碳纳米管储罐、丙酮溶液储罐、硫酸溶液储罐、乙醇溶液储罐、TiCl4溶液储罐、乙酸铜溶液储罐、搅拌罐、输送泵、过滤器、超声波分散槽、反应罐、氨气储罐、干燥器和煅烧炉，所述碳纳米管储罐、丙酮溶液储罐和硫酸溶液储罐的出料口分别通过管道与搅拌罐的进料口连接，搅拌罐的出料口通过输送泵连接至过滤器的进料口，所述过滤器的出料口通过管道与超声波分散槽的进料口连接，乙醇溶液储罐的出料口通过管道与超声波分散槽的进料口连接，所述超声波分散槽的出料口通过管道连接至反应罐的第一进料口，TiCl4溶液储罐和乙酸铜溶液储罐的出料口分别通过管道连接至反应罐的第二进料口和第三进料口，氨气储罐通过管道连接至反应罐的第四进料口，所述反应罐的出料口通过管道与干燥器的进料口连接，煅烧炉的进料口与干燥器的出料口连接。
优选的，所述碳纳米管储罐与搅拌罐连接的管道上安装有第一计量泵，所述丙酮溶液储罐与搅拌罐连接的管道上安装有第二计量泵，所述硫酸溶液储罐与搅拌罐连接的管道上安装有第三计量泵，所述乙醇溶液储罐与超声波分散槽连接的管道上安装有第四计量泵，所述TiCl4溶液储罐与反应罐连接的管道上安装有第五计量泵，所述乙酸铜溶液储罐与反应罐连接的管道上安装有第六计量泵。
在上述技术方案中，存储在碳纳米管储罐和丙酮溶液储罐内的碳纳米管和丙酮溶液分别通过第一计量泵和第二计量泵精确加入至搅拌罐内均匀搅拌，在搅拌的过程中，存储在硫酸溶液储罐内的硫酸溶液通过第三计量泵逐步的加入至搅拌罐内，通过硫酸溶液和丙酮溶液对碳纳米管进行预处理，然后通过输送泵将经过处理后的碳纳米管输送至过滤器内进行过滤，滤除硫酸溶液和丙酮溶液，并将碳纳米管输送至超声波分散槽内，同时通过第四计量泵将存储在乙醇溶液储罐内的乙醇溶液输送至超声波分散槽内，通过超声波分散槽将碳纳米管分散均匀，然后将经过均匀分散的碳纳米管和乙醇溶液输送至反应罐内，同时通过第五计量泵和第六计量泵向反应罐内加入TiCl4溶液和乙酸铜溶液，并且通过氨气储罐向反应罐内加入氨气，碳纳米管、乙醇、TiCl4溶液、乙酸铜溶液和氨气在反应罐内络合反应30min，然后将络合反应得到的金属氮化物纳米颗粒催化剂溶液输送至干燥器内进行干燥，最后将干燥后的金属氮化物纳米颗粒催化剂输送至煅烧炉内煅烧12小时得到金属氮化物纳米颗粒催化剂成品。
优选的，所述反应罐上还安装有温度感应计和压力感应计，通过温度感应计和压力感应计可以实时监测反应罐内的反应条件，便于对反应罐反应条件的控制。
优选的，所述搅拌罐为封闭式搅拌罐，防止丙酮和硫酸挥发。
本实用新型提供的一种氢燃料电池催化剂制备系统的有益效果在于：本氢燃料电池催化剂制备系统结构简单、操作方便，可以实现低温燃料电池渡金属氮化物催化剂的连续生产，并且可以得到高活性高稳定性的低温燃料电池渡金属氮化物催化剂。
附图说明
图1为本实用新型的系统结构连接示意图。
图中：110、碳纳米管储罐；120、丙酮溶液储罐；130、硫酸溶液储罐；140、乙醇溶液储罐；150、TiCl4溶液储罐；160、乙酸铜溶液储罐；210、第一计量泵；220、第二计量泵；230、第三计量泵；240、第四计量泵；250、第五计量泵；260、第六计量泵；300、搅拌罐；400、输送泵；500、过滤器；600、超声波分散槽；700、反应罐；710、温度感应计；720、压力感应计；800、氨气储罐；910、干燥器；920、煅烧炉。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。本领域普通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，均属于本实用新型的保护范围。
实施例：一种氢燃料电池催化剂制备系统。
参照图1所示，一种氢燃料电池催化剂制备系统，包括：碳纳米管储罐110、丙酮溶液储罐120、硫酸溶液储罐130、乙醇溶液储罐140、TiCl4溶液储罐150、乙酸铜溶液储罐160、搅拌罐300、输送泵400、过滤器500、超声波分散槽600、反应罐700、氨气储罐800、干燥器910和煅烧炉920，所述碳纳米管储罐110、丙酮溶液储罐120和硫酸溶液储罐130的出料口分别通过管道与搅拌罐300的进料口连接，并且碳纳米管储罐110与搅拌罐300连接的管道上安装有第一计量泵210，丙酮溶液储罐120与搅拌罐300连接的管道上安装有第二计量泵220，硫酸溶液储罐130与搅拌罐300连接的管道上安装有第三计量泵230，所述搅拌罐300为封闭式搅拌罐，搅拌罐300的出料口通过输送泵400连接至过滤器500的进料口，所述过滤器500的出料口通过管道与超声波分散槽600的进料口连接，乙醇溶液储罐140的出料口通过管道与超声波分散槽600的进料口连接，并且乙醇溶液储罐140与超声波分散槽600连接的管道上安装有第四计量泵240，所述超声波分散槽600的出料口通过管道连接至反应罐700的第一进料口，TiCl4溶液储罐150和乙酸铜溶液储罐160的出料口分别通过管道连接至反应罐700的第二进料口和第三进料口，并且TiCl4溶液储罐150与反应罐700连接的管道上安装有第五计量泵250，乙酸铜溶液储罐160与反应罐700连接的管道上安装有第六计量泵260，氨气储罐800通过管道连接至反应罐700的第四进料口，反应罐700上还安装有温度感应计710和压力感应计720，通过温度感应计710和压力感应计720可以实时监测反应罐700内的反应条件，便于对反应罐700反应条件的控制，所述反应罐700的出料口通过管道与干燥器910的进料口连接，煅烧炉920的进料口与干燥器910的出料口连接。
本实施例中，具体生产时，存储在碳纳米管储罐110和丙酮溶液储罐120内的碳纳米管和丙酮溶液分别通过第一计量泵210和第二计量泵220精确加入至搅拌罐300内均匀搅拌，在搅拌的过程中，存储在硫酸溶液储罐130内的硫酸溶液通过第三计量泵230逐步的加入至搅拌罐300内，通过硫酸溶液和丙酮溶液对碳纳米管进行预处理，然后通过输送泵400将经过处理后的碳纳米管输送至过滤器500内进行过滤，滤除硫酸溶液和丙酮溶液，并将碳纳米管输送至超声波分散槽600内，同时通过第四计量泵240将存储在乙醇溶液储罐140内的乙醇溶液输送至超声波分散槽600内，通过超声波分散槽600将碳纳米管分散均匀，然后将经过均匀分散的碳纳米管和乙醇溶液输送至反应罐700内，同时通过第五计量泵250和第六计量泵260向反应罐700内加入TiCl4溶液和乙酸铜溶液，并且通过氨气储罐800向反应罐700内加入氨气，碳纳米管、乙醇、TiCl4溶液、乙酸铜溶液和氨气在反应罐700内络合反应30min，然后将络合反应得到的金属氮化物纳米颗粒催化剂(碳纳米管负载的二元氮化物Ti0.9Cu0.1N/NCNTs纳米颗粒)溶液输送至干燥器910内进行干燥，最后将干燥后的金属氮化物纳米颗粒催化剂输送至煅烧炉920内煅烧12小时得到金属氮化物纳米颗粒催化剂成品。
本氢燃料电池催化剂制备系统结构简单、操作方便，可以实现低温燃料电池渡金属氮化物催化剂的连续生产，并且可以得到高活性高稳定性的低温燃料电池渡金属氮化物催化剂，经检测，通过本氢燃料电池催化剂制备系统制得的金属氮化物纳米颗粒催化剂(碳纳米管负载的二元氮化物Ti0.9Cu0.1N/NCNTs纳米颗粒)比传统的Pt催化剂活性高6倍，同时可以极大地改善抗含氧活性中间体的中毒性能。
以上所述为本实用新型的较佳实施例而已，但本实用新型不应局限于该实施例和附图所公开的内容，所以凡是不脱离本实用新型所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本实用新型保护的范围。

Claims (4)

1.一种氢燃料电池催化剂制备系统，其特征在于包括：碳纳米管储罐、丙酮溶液储罐、硫酸溶液储罐、乙醇溶液储罐、TiCl4溶液储罐、乙酸铜溶液储罐、搅拌罐、输送泵、过滤器、超声波分散槽、反应罐、氨气储罐、干燥器和煅烧炉，所述碳纳米管储罐、丙酮溶液储罐和硫酸溶液储罐的出料口分别通过管道与搅拌罐的进料口连接，搅拌罐的出料口通过输送泵连接至过滤器的进料口，所述过滤器的出料口通过管道与超声波分散槽的进料口连接，乙醇溶液储罐的出料口通过管道与超声波分散槽的进料口连接，所述超声波分散槽的出料口通过管道连接至反应罐的第一进料口，TiCl4溶液储罐和乙酸铜溶液储罐的出料口分别通过管道连接至反应罐的第二进料口和第三进料口，氨气储罐通过管道连接至反应罐的第四进料口，所述反应罐的出料口通过管道与干燥器的进料口连接，煅烧炉的进料口与干燥器的出料口连接。
2.如权利要求1所述的氢燃料电池催化剂制备系统，其特征在于：所述碳纳米管储罐与搅拌罐连接的管道上安装有第一计量泵，所述丙酮溶液储罐与搅拌罐连接的管道上安装有第二计量泵，所述硫酸溶液储罐与搅拌罐连接的管道上安装有第三计量泵，所述乙醇溶液储罐与超声波分散槽连接的管道上安装有第四计量泵，所述TiCl4溶液储罐与反应罐连接的管道上安装有第五计量泵，所述乙酸铜溶液储罐与反应罐连接的管道上安装有第六计量泵。
3.如权利要求1所述的氢燃料电池催化剂制备系统，其特征在于：所述反应罐上还安装有温度感应计和压力感应计。
4.如权利要求1所述的氢燃料电池催化剂制备系统，其特征在于：所述搅拌罐为封闭式搅拌罐。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN112002916A (zh) * 2020-09-08 2020-11-27 广东工业大学 一种过渡金属掺杂的阳极催化剂及其制备方法和应用

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