[发明专利]一种基于固体氧化物电解池透氧膜的低浓度瓦斯透氧提纯系统及方法

权利要求书

1.一种基于固体氧化物电解池透氧膜的低浓度瓦斯透氧提纯系统，其特征在于，该系统包括固体氧化物电解池透氧膜反应器、立式管式炉(7)和外加电源(8)，所述透氧膜反应器包括陶瓷管(5)和位于陶瓷管(5)中的固体氧化物电解池(6)，所述固体氧化物电解池(6)包括空气极(1)、燃料极(4)、阻隔层(2)和电解质(3)，燃料极(4)侧设置低浓度瓦斯气体进出口，空气极(1)侧设置空气进出口，所述燃料极(4)侧还设有水蒸气入口；所述透氧膜反应器位于所述立式管式炉(7)中，所述固体氧化物电解池(6)的两端连接所述外加电源(8)，所述固体氧化物电解池(6)在外加电压、高温下进行电解，用于高效透氧提浓；

所述电解质(3)为以氧化钇稳定的氧化锆为代表的氧化锆系列的氧离子导体电解质，所述燃料极(4)为金属镍-YSZ复合金属陶瓷，所述空气极(1)为镧锶锰或镧锶钴铁和氧化钆稳定的氧化铈系列的复合物，所述阻隔层(2)为氧化钆稳定的氧化铈。

2.根据权利要求1所述的一种基于固体氧化物电解池透氧膜的低浓度瓦斯透氧提纯系统，其特征在于，所述电解质为YSZ，所述燃料极为Ni-YSZ复合金属陶瓷，所述空气极为LSCF-GDC复合物，所述阻隔层为GDC。

3.根据权利要求2所述的一种基于固体氧化物电解池透氧膜的低浓度瓦斯透氧提纯系统，其特征在于，所述固体氧化物电解池(6)的制备方法包括以下步骤：

(1)将氧化钇稳定的氧化锆、金属镍粉、造孔剂淀粉按照质量比6:4:3混合，加入酒精球磨混匀，然后干燥；将干燥后的Ni-YSZ粉体干压成Ni-YSZ素坯片；然后将Ni-YSZ素坯片置于空气气氛中1000℃烧结3h，得到Ni-YSZ支撑体；

(2)将YSZ粉体、KD1、有机粘合剂混合，加入丙酮球磨混匀，得到电解质浆料；通过旋涂机旋涂在Ni-YSZ支撑体表面，再将Ni-YSZ/YSZ置于空气气氛中1450℃烧结10h，得到Ni-YSZ/YSZ半电池；YSZ粉体与有机粘合剂的质量比为1:2，KD1的添加量为YSZ粉体质量的2％；

(3)将GDC粉体、KD1、有机粘合剂混合，加入丙酮球磨混匀，得到阻隔层浆料；通过旋涂机旋涂在步骤(2)中制备的半电池的YSZ一侧；将Ni-YSZ/YSZ/GDC置于空气气氛中1300℃烧结5h，得到Ni-YSZ/YSZ/GDC半电池；GDC粉体与有机粘合剂的质量比为1:2，KD1的添加量为GDC粉体质量的2％；

(4)将LSCF-GDC复合粉体与有机粘合剂按照质量比1：1.5混合，球磨混匀得到空气极浆料，采用丝网印刷方式将所制备空气极浆料均匀涂覆在步骤(3)中制备的Ni-YSZ/YSZ/GDC半电池的GDC一侧，并于空气气氛中1000℃烧结5h，最终获得Ni-YSZ/YSZ/GDC/LSCF-GDC固体氧化物电解池。

4.根据权利要求3所述的一种基于固体氧化物电解池透氧膜的低浓度瓦斯透氧提纯系统，其特征在于，步骤(2)、步骤(3)中的有机粘合剂为5％乙基纤维素-松油醇，步骤(4)中的有机粘合剂为10％乙基纤维素-松油醇。

5.根据权利要求1所述的一种基于固体氧化物电解池透氧膜的低浓度瓦斯透氧提纯系统，其特征在于，所述固体氧化物电解池透氧膜系统还包括尾气处理装置，所述尾气处理装置设有排水口和排气口。

6.一种利用权利要求1至5任一项所述的提纯系统的低浓度瓦斯透氧提纯方法，其特征在于，步骤包括：

向装有固体氧化物电解池(6)的陶瓷管(5)通入低浓度瓦斯气，通过立式管式炉(7)将固体氧化物电解池(6)预热到所需温度，然后通过外加电源(8)为固体氧化物电解池(6)供电，使得低浓度瓦斯气中的氧气获得电子生成氧离子，并在电压驱动下经过致密电解质传输到空气极析出氧气，经过电解后的燃料极室的尾气不再含有氧气、二氧化碳杂质气体，达到脱氧提纯目的。

7.根据权利要求6所述的低浓度瓦斯透氧提纯方法，其特征在于，还包括步骤：燃料极室的尾气中富含甲烷，通过瓦斯出口进入尾气收集器中再处理。