污泥作為燃料固體氧化物燃料電池的制備方法
【專利摘要】污泥作為燃料固體氧化物燃料電池的制備方法，屬于固體氧化物燃料電池領(lǐng)域；具體涉及以污泥為燃料的電池制備方法。本方法如下：一、制備污泥粉末；二、制備污泥柱；三、組裝電池。污水污泥作為污水處理時的一種特殊“生物質(zhì)”，能夠制備出生物碳，以污泥作為固體氧化物燃料電池燃料源，使污泥的安全處置處理和燃料的獲取在同室同步進行，實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)化過程一體化，獲取、運輸和管理簡便。
【專利說明】污泥作為燃料固體氧化物燃料電池的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于固體氧化物燃料電池領(lǐng)域；具體涉及以污泥為燃料的電池制備方法。【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)今固體氧化物燃料電池發(fā)電技術(shù)趨于成熟，氫氣是其最理想燃料，為克服氫氣獲取、運輸和管理不便等缺點，研究者研發(fā)了使用碳氫氣、水煤氣、天然氣和生物氣等作為燃料的固體氧化物燃料電池，同樣直接使用碳作為燃料的固體氧化物燃料電池研發(fā)也不斷涌現(xiàn)，再有各種生物質(zhì)，例如松樹皮、稻谷殼和杏仁殼等作為固體氧化物燃料電池燃料也有報道。燃料源的改變，給電池的制備和燃料的使用帶來新的技術(shù)突破。污水污泥作為污水處理時的一種特殊“生物質(zhì)”，能夠制備出生物碳，以污泥作為固體氧化物燃料電池燃料源，使污泥的安全處置處理和燃料的獲取在同室同步進行，實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)化過程一體化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是為了解決作為固體氧化物燃料電池燃料的氫氣獲取、運輸和管理不便的技術(shù)問題，提供了一種污泥作為燃料固體氧化物燃料電池的制備方法。
[0004]污泥作為燃料固體氧化物燃料電池的制備方法按照以下步驟進行:
[0005]一、將含水率為75?85%、脫水后的污泥在80?120°C烘24?48小時，然后置于室溫下5?10小時，再研磨獲得100?200目的粉末；
[0006]二、組裝電池:
[0007]將抗積碳固體氧化物燃料電池陽極或N1-YSZ陽極采用絲網(wǎng)印刷法制備陰極，陰極成分為錳酸鑭，陰極直徑為3?5毫米，厚度為10?30微米，得電池，然后將電池與氧化鋁測試管采用銀漿密封，向氧化鋁測試管內(nèi)加入10?50克步驟一所得的粉末，接出電池的陰極導(dǎo)線和陽極導(dǎo)線，氧化鋁測試管一端插入陽極導(dǎo)氣管后密封，再用陰極空氣管套住整個氧化鋁測試管，得到污泥作為燃料固體氧化物燃料電池。
[0008]污泥作為燃料固體氧化物燃料電池的制備方法按照以下步驟進行:
[0009]一、將含水率為75?85%、脫水后的污泥在80?120°C烘24?48小時，然后置于室溫下5?10小時，再研磨獲得100?200目的粉末；
[0010]二、制備污泥柱:將步驟一得到的粉末在壓縮壓力為5?IOMPa的條件下制成直徑為3?7暈米、長度為15?30暈米的污泥柱；
[0011]三、組裝電池:
[0012]將抗積碳固體氧化物燃料電池陽極或N1-YSZ陽極采用絲網(wǎng)印刷法制備陰極，陰極成分為錳酸鑭，陰極直徑為3?5毫米，厚度10?30微米，得電池，然后將電池與氧化鋁測試管采用銀漿密封，向氧化鋁測試管內(nèi)加入步驟二得到的污泥柱，接出電池的陰極導(dǎo)線和陽極導(dǎo)線，氧化鋁測試管一端插入陽極導(dǎo)氣管后密封，再用陰極空氣管套住整個氧化鋁測試管，得到污泥作為燃料固體氧化物燃料電池。
[0013]污水污泥作為污水處理時的一種特殊“生物質(zhì)”，能夠制備出生物碳，以污泥作為固體氧化物燃料電池燃料源，使污泥的安全處置處理和燃料的獲取在同室同步進行，實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)化過程一體化，獲取、運輸和管理簡便。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是實驗二中的示意圖泥作為燃料固體氧化物燃料電池，圖中I表示陽極導(dǎo)線，2表示氧化鋁測試管，3表示陽極供氣管，4表示陰極導(dǎo)線，5表示陽極，6表示電解質(zhì)，7表示陰極，8表示陰極供氣管，9表示污泥柱；
[0015]圖2是實驗一和實驗二制備的污泥作為燃料固體氧化物燃料電池的放電曲線，其中□表示實驗一制備的污泥填充方式作為燃料固體氧化物燃料電池的測試電池放電時電壓電流曲線(V-1曲線)，表示實驗一制備的污泥作為燃料固體氧化物燃料電池的測試電池放電時功率電流曲線(P-ι曲線)，〇表示實驗二制備的污泥作為燃料固體氧化物燃料電池的測試電池放電時電壓電流曲線(v-ι曲線)，?表示實驗二制備的污泥作為燃料固體氧化物燃料電池的測試電池放電時功率電流曲線(P-ι曲線)；
[0016]圖3是實驗一和實驗二制備的污泥作為燃料固體氧化物燃料電池的阻抗曲線，圖中表示實驗一制備的污泥作為燃料固體氧化物燃料電池的阻抗曲線，?表示實驗二制備的污泥作為燃料固體氧化物燃料電池的阻抗曲線。
【具體實施方式】
[0017]本發(fā)明技術(shù)方案不局限于以下所列舉【具體實施方式】，還包括各【具體實施方式】間的任意組合。
[0018]【具體實施方式】一:本實施方式中污泥作為燃料固體氧化物燃料電池的制備方法按照以下步驟進行:
[0019]一、將含水率為75~85%、脫水后的污泥在80~120°C烘24~48小時，然后置于室溫下5~10小時，再研磨獲得100~200目的粉末；
[0020]二、組裝電池:
[0021]將抗積碳固體氧化物燃料電池陽極或N1-YSZ陽極采用絲網(wǎng)印刷法制備陰極，陰極成分為錳酸鑭，陰極直徑為3~5毫米，厚度為10~30微米，得電池，然后將電池與氧化鋁測試管采用銀漿密封，向氧化鋁測試管內(nèi)加入10~50克步驟一所得的粉末，接出電池的陰極導(dǎo)線和陽極導(dǎo)線，氧化鋁測試管一端插入陽極導(dǎo)氣管后密封，再用陰極空氣管套住整個氧化鋁測試管，得到污泥作為燃料固體氧化物燃料電池。
[0022]本實施方式中抗積碳固體氧化物燃料電池陽極的制備方法按照以下步驟進行:
[0023]一、配制浸潰液:配制濃度為I~5mol/L硝酸銀溶液；
[0024]二、將以N1-YSZ為陽極的電池的陰極進行保護，然后將以N1-YSZ為陽極的電池放入步驟一的硝酸銀溶液中，在水浴溫度為25~100°C的條件下進行水浴式浸潰I~lOmin，然后取出，在溫度為50~100°C，干燥10~30min，解除對以N1-YSZ為陽極的電池的陰極進行保護，即得抗積碳固體氧化物燃料電池陽極。
[0025]本實施方式中抗積碳固體氧化物燃料電池陽極的制備方法也可以按照以下步驟進行:
[0026]一、配制浸潰液:配制質(zhì)量濃度為I~5%的硝酸銀溶液，質(zhì)量濃度為10~20%的氫氧化鈉溶液，質(zhì)量濃度為2?5%的氨水，質(zhì)量濃度為5?10%的葡萄糖溶液；
[0027]二、向2?5mL硝酸銀溶液中滴加2?5滴氫氧化鈉溶液，搖勻，再滴加質(zhì)量濃度為2?5%的氨水至沉淀完全溶解；
[0028]三、將以N1-YSZ為陽極的電池N1-YSZ陽極向上放入步驟二所得的溶液中，再加入4?IOmL質(zhì)量濃度為5?10%的葡萄糖溶液，迅速搖勻后置于40?60°C反應(yīng)I?lOmin，然后在60?100°C烘干30?60min，再置于管式爐內(nèi)700?750°C燒結(jié)30?60min，即得抗積碳固體氧化物燃料電池陽極。
[0029]本實施方式中所述N1-YSZ陽極的制備方法:
[0030]制備的過程是流延得到陽極和電解質(zhì)素枉，然后切片，燒結(jié)獲得。流延用料NiO:YSZ質(zhì)量比=(40?55): (60?45)，陽極素枉厚度600?900 μ m，燒結(jié)溫度1300?1450°C，燒結(jié)成型，陽極和電解質(zhì)直徑為10?12毫米，其中陽極厚度700?900微米，電解質(zhì)厚度10?50微米。
[0031]【具體實施方式】二:本實施方式與【具體實施方式】一不同的是步驟一中將含水率為78?82%、脫水后的污泥在81?115°C烘26?45小時。其它與【具體實施方式】一相同。
[0032]【具體實施方式】三:本實施方式與【具體實施方式】一或二之一不同的是步驟一中將含水率為79?81%、脫水后的污泥在90?110°C烘30?40小時。其它與【具體實施方式】一或二之一相同。
[0033]【具體實施方式】四:本實施方式與【具體實施方式】一至三之一不同的是步驟一中將含水率為80%、脫水后的污泥在100°C烘45小時。其它與【具體實施方式】一至三之一相同。
[0034]【具體實施方式】五:本實施方式與【具體實施方式】一至四之一不同的是步驟二中加入30克步驟一所得的粉末。其它與【具體實施方式】一至四之一相同。
[0035]【具體實施方式】六:本實施方式污泥作為燃料固體氧化物燃料電池的制備方法按照以下步驟進行:
[0036]一、將含水率為75?85%、脫水后的污泥在80?120°C烘24?48小時，然后置于室溫下5?10小時，再研磨獲得100?200目的粉末；
[0037]二、制備污泥柱:將步驟一得到的粉末在壓縮壓力為5?IOMPa的條件下制成直徑為3?7暈米、長度為15?30暈米的污泥柱；
[0038]三、組裝電池:
[0039]將抗積碳固體氧化物燃料電池陽極或N1-YSZ陽極采用絲網(wǎng)印刷法制備陰極，陰極成分為錳酸鑭，陰極直徑為3?5毫米，厚度10?30微米，得電池，然后將電池與氧化鋁測試管采用銀漿密封，向氧化鋁測試管內(nèi)加入步驟二得到的污泥柱，接出電池的陰極導(dǎo)線和陽極導(dǎo)線，氧化鋁測試管一端插入陽極導(dǎo)氣管后密封，再用陰極空氣管套住整個氧化鋁測試管，得到污泥作為燃料固體氧化物燃料電池。
[0040]本實施方式中抗積碳固體氧化物燃料電池陽極的制備方法按照以下步驟進行:
[0041]一、配制浸潰液:配制濃度為I?5mol/L硝酸銀溶液；
[0042]二、將以N1-YSZ為陽極的電池的陰極進行保護，然后將以N1-YSZ為陽極的電池放入步驟一的硝酸銀溶液中，在水浴溫度為25?100°C的條件下進行水浴式浸潰I?lOmin，然后取出，在溫度為50?100°C，干燥10?30min，解除對以N1-YSZ為陽極的電池的陰極進行保護，即得抗積碳固體氧化物燃料電池陽極。[0043]本實施方式中抗積碳固體氧化物燃料電池陽極的制備方法也可以按照以下步驟進行:
[0044]一、配制浸潰液:配制質(zhì)量濃度為I?5%的硝酸銀溶液，質(zhì)量濃度為10?20%的氫氧化鈉溶液，質(zhì)量濃度為2?5%的氨水，質(zhì)量濃度為5?10%的葡萄糖溶液；
[0045]二、向2?5mL硝酸銀溶液中滴加2?5滴氫氧化鈉溶液，搖勻，再滴加質(zhì)量濃度為2?5%的氨水至沉淀完全溶解；
[0046]三、將以N1-YSZ為陽極的電池N1-YSZ陽極向上放入步驟二所得的溶液中，再加入4?IOmL質(zhì)量濃度為5?10%的葡萄糖溶液，迅速搖勻后置于40?60°C反應(yīng)I?lOmin，然后在60?100°C烘干30?60min，再置于管式爐內(nèi)700?750°C燒結(jié)30?60min，即得抗積碳固體氧化物燃料電池陽極。
[0047]本實施方式中所述N1-YSZ陽極的制備方法:
[0048]制備的過程是流延得到陽極和電解質(zhì)素枉，然后切片，燒結(jié)獲得。流延用料NiO:YSZ質(zhì)量比=(40?55): (60?45)，陽極素枉厚度600?900 μ m，燒結(jié)溫度1300?1450°C，燒結(jié)成型，陽極和電解質(zhì)直徑為10?12毫米，其中陽極厚度700?900微米，電解質(zhì)厚度10?50微米。
[0049]【具體實施方式】七:本實施方式與【具體實施方式】五或六不同的是步驟一中將含水率為78?82%、脫水后的污泥在81?115°C烘26?45小時。其它與【具體實施方式】五或六相同。
[0050]【具體實施方式】八:本實施方式與【具體實施方式】五至七之一不同的是步驟一中將含水率為79?81%、脫水后的污泥在90?110°C烘30?40小時。其它與【具體實施方式】五至七之一相同。
[0051]【具體實施方式】九:本實施方式與【具體實施方式】五至八之一不同的是步驟一中將含水率為80%、脫水后的污泥在100°C烘45小時。其它與【具體實施方式】五至八之一相同。
[0052]【具體實施方式】十:本實施方式與【具體實施方式】五至九之一不同的是步驟二中將步驟一得到的粉末在壓縮壓力為7MPa的條件下制成污泥柱。其它與【具體實施方式】五至九之一相同。
[0053]采用下述實驗驗證本發(fā)明效果:
[0054]實驗一:
[0055]本實施方式中污泥作為燃料固體氧化物燃料電池的制備方法按照以下步驟進行:
[0056]一、將含水率為75?85%、脫水后的污泥在80?120°C烘24?48小時，然后置于室溫下5?10小時，再研磨獲得100?200目的粉末；
[0057]二、組裝電池:
[0058]將抗積碳固體氧化物燃料電池陽極采用絲網(wǎng)印刷法制備陰極，陰極成分為錳酸鑭，陰極直徑為3毫米，厚度為15微米，得電池，然后將電池與氧化鋁測試管采用銀漿密封，向氧化鋁測試管內(nèi)加入30克步驟一所得的粉末，接出電池的陰極導(dǎo)線和陽極導(dǎo)線，氧化鋁測試管一端插入陽極導(dǎo)氣管后密封，再用陰極空氣管套住整個氧化鋁測試管，得到污泥作為燃料固體氧化物燃料電池。
[0059]對污泥作為燃料固體氧化物燃料電池進行測試。整個污泥作為燃料固體氧化物燃料電池在豎向管式爐進行測定，電池處在爐子恒溫段，污泥作為燃料固體氧化物燃料電池接定氣路和電路，陽極供氣為有氮氣、氫氣和一氧化碳，陰極供氣為空氣或者氧氣，在進行升溫的前期陽極通氣管通入氮氣5?30分鐘，氮氣流速為50?150毫升每分鐘，測試爐升溫速率為3?5攝氏度每分鐘，測試終溫為700?800攝氏度，達到測試終溫后，陽極通入氫氣15?30分鐘，氫氣流速為20?100暈升每分鐘，陰極供氣量為50?150暈升每分鐘，待電池穩(wěn)定后，停止供給氫氣，再次等待電池穩(wěn)定，然后進行電池的放電和阻抗測試。
[0060]實驗二:
[0061]本實施方式污泥作為燃料固體氧化物燃料電池的制備方法按照以下步驟進行:
[0062]一、將含水率為75?85%、脫水后的污泥在80?120°C烘24?48小時，然后置于室溫下5?10小時，再研磨獲得100?200目的粉末；
[0063]二、制備污泥柱:將步驟一得到的粉末在壓縮壓力為7MPa的條件下制成直徑為5毫米、長度為20毫米的污泥柱；
[0064]三、組裝電池:
[0065]將N1-YSZ陽極采用絲網(wǎng)印刷法制備陰極，陰極成分為錳酸鑭，陰極直徑為4毫米，厚度20微米，得電池，然后將電池與氧化鋁測試管采用銀漿密封，向氧化鋁測試管內(nèi)加入步驟二得到的污泥柱，接出電池的陰極導(dǎo)線和陽極導(dǎo)線，氧化鋁測試管一端插入陽極導(dǎo)氣管后密封，再用陰極空氣管套住整個氧化鋁測試管，得到污泥作為燃料固體氧化物燃料電池。
[0066]第三，組裝體測試。整個組裝體在豎向管式爐進行測定，組裝體進料口朝上，電池處在爐子恒溫段，組裝體接定氣路和電路，陽極供氣含有氮氣、氫氣和一氧化碳等，陰極供氣為空氣或者氧氣，在進行升溫的前期陽極通氣管通入氮氣50?150毫升每分鐘15?30分鐘，測試爐升溫速率為3?5攝氏度每分鐘，測試終溫為700?800攝氏度，達到測試終溫后，陽極通入20?100暈升每分鐘氫氣15?30分鐘，陰極供氣量50?150暈升每分鐘，待電池穩(wěn)定后，停止供給氫氣，再次等待電池穩(wěn)定，然后進行電池運用污泥制備的生物碳放電和阻抗測試。
[0067]對污泥作為燃料固體氧化物燃料電池進行測試。整個污泥作為燃料固體氧化物燃料電池在豎向管式爐進行測定，電池處在爐子恒溫段，污泥作為燃料固體氧化物燃料電池接定氣路和電路，陽極供氣為有氮氣、氫氣和一氧化碳，陰極供氣為空氣或者氧氣，在進行升溫的前期陽極通氣管通入氮氣5?30分鐘，氮氣流速為50?150毫升每分鐘，測試爐升溫速率為3?5攝氏度每分鐘，測試終溫為700?800攝氏度，達到測試終溫后，陽極通入氫氣15?30分鐘，氫氣流速為20?100暈升每分鐘，陰極供氣量為50?150暈升每分鐘，待電池穩(wěn)定后，停止供給氫氣，再次等待電池穩(wěn)定，然后進行電池的放電和阻抗測試。
【權(quán)利要求】
1.污泥作為燃料固體氧化物燃料電池的制備方法，其特征在于污泥作為燃料固體氧化物燃料電池的制備方法按照以下步驟進行: 一、將含水率為75?85%、脫水后的污泥在80?120°C烘24?48小時，然后置于室溫下5?10小時，再研磨獲得100?200目的粉末； 二、組裝電池: 將抗積碳固體氧化物燃料電池陽極或N1-YSZ陽極采用絲網(wǎng)印刷法制備陰極，陰極成分為錳酸鑭，陰極直徑為3?5毫米，厚度為10?30微米，得電池，然后將電池與氧化鋁測試管采用銀漿密封，向氧化鋁測試管內(nèi)加入10?50克步驟一所得的粉末，接出電池的陰極導(dǎo)線和陽極導(dǎo)線，氧化鋁測試管一端插入陽極導(dǎo)氣管后密封，再用陰極空氣管套住整個氧化鋁測試管，得到污泥作為燃料固體氧化物燃料電池。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述污泥作為燃料固體氧化物燃料電池的制備方法，其特征在于步驟一中將含水率為78?82%、脫水后的污泥在81?115°C烘26?45小時。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述污泥作為燃料固體氧化物燃料電池的制備方法，其特征在于步驟一中將含水率為79?81%、脫水后的污泥在90?110°C烘30?40小時。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述污泥作為燃料固體氧化物燃料電池的制備方法，其特征在于步驟一中將含水率為80%、脫水后的污泥在100°C烘45小時。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述污泥作為燃料固體氧化物燃料電池的制備方法，其特征在于步驟二中加入30克步驟一所得的粉末。
6.污泥作為燃料固體氧化物燃料電池的制備方法，其特征在于污泥作為燃料固體氧化物燃料電池的制備方法按照以下步驟進行: 一、將含水率為75?85%、脫水后的污泥在80?120°C烘24?48小時，然后置于室溫下5?10小時，再研磨獲得100?200目的粉末； 二、制備污泥柱:將步驟一得到的粉末在壓縮壓力為5?IOMPa的條件下制成直徑為3?7暈米、長度為15?30暈米的污泥柱； 三、組裝電池: 將抗積碳固體氧化物燃料電池陽極或N1-YSZ陽極采用絲網(wǎng)印刷法制備陰極，陰極成分為錳酸鑭，陰極直徑為3?5毫米，厚度10?30微米，得電池，然后將電池與氧化鋁測試管采用銀漿密封，向氧化鋁測試管內(nèi)加入步驟二得到的污泥柱，接出電池的陰極導(dǎo)線和陽極導(dǎo)線，氧化鋁測試管一端插入陽極導(dǎo)氣管后密封，再用陰極空氣管套住整個氧化鋁測試管，得到污泥作為燃料固體氧化物燃料電池。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述污泥作為燃料固體氧化物燃料電池的制備方法，其特征在于步驟一中將含水率為78?82%、脫水后的污泥在81?115°C烘26?45小時。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述污泥作為燃料固體氧化物燃料電池的制備方法，其特征在于步驟一中將含水率為79?81%、脫水后的污泥在90?110°C烘30?40小時。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述污泥作為燃料固體氧化物燃料電池的制備方法，其特征在于步驟一中將含水率為80%、脫水后的污泥在100°C烘45小時。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述污泥作為燃料固體氧化物燃料電池的制備方法，其特征在于步驟二中將步驟一得到的粉末在壓縮壓力為7MPa的條件下制成污泥柱。
【文檔編號】H01M8/10GK103887550SQ201410150616
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年4月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月15日
【發(fā)明者】田禹, 吳曉燕, 左薇, 張軍, 孔曉偉, 王靜暉 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)