[發明專利]一種甲烷直接內重整熔融碳酸鹽燃料電池結構及電池組

有效

• 申請號: 201010207016.1
• 申請日: 2010-06-23
• 公開（公告）號: CN102299360A
• 公開（公告）日: 2011-12-28
• 發明（設計）人: 周利;王鵬杰;邵志剛;王英旭;李廣龍
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: H01M8/14
• 分類號: H01M8/14;H01M8/06
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 馬馳

技術領域

本發明涉及能源技術領域燃料電池技術，具體涉及一種甲烷直接內重整熔融碳酸鹽燃料電池結構

技術背景

熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)是一種高溫型燃料電池，工作溫度為650℃，電解質通常為碳酸鋰和碳酸鉀的混合物(62mol％Li₂CO₃:38mol％K₂CO₃)，適宜用做分布式電站，目前已進入商業化前期。MCFC具有燃料電池清潔、高效、低噪、比功率高等共性優點，還能將天然氣、液態燃油、生物質氣等廉價燃料內置轉化為氫，構成直接內重整熔融碳酸鹽燃料電池(DIR-MCFC)。

DIR-MCFC作為整體技術，主要有如下優點：

(1)由于不需要外部重整器，降低了系統成本；

(2)實現電化學、重整反應的能量耦合：電化學反應放熱，重整反應強烈吸熱，二者可實現互補，電池排熱負荷減少；

(3)實現電化學、重整反應的物質耦合：陽極電氧化反應生成水蒸汽、重整反應產生的CO₂可循環使用；電極反應陽極消耗氫可打破重整反應熱力學平衡，提高甲烷轉化率和電池發電效率；

(4)DIR-MCFC陽極內氫分布更均勻，電池內溫度分布也更為均勻。

DIR-MCFC技術將電化學反應與重整反應兩個反應耦合在同一陽極氣室中進行，存在著熔融碳酸鹽電解質高溫易揮發流失，而且導致重整催化劑中毒和失活的關鍵問題。所以，解決這一核心問題以研制開發DIR-MCFC技術是至關重要的，具有重要的科學意義和實際經濟價值。

MTU申請的USP5725964是將重整催化劑置于氣體流道中，通過在結構上進行調整，對催化劑進行保護。英國BG?PLC申請的USP6071634專利主要在電池結構上作調整，將陽極通道分為四段，并在第一段內置重整催化劑，但是沒有論及太多碳酸鹽污染問題。

美國專利4702973和歐洲專利0257398A2都采用雙室陽極結構，在燃料室和陽極室之間安置一層厚度在0.25-2.5mm之間的致密金屬箔(Cu、Ni)，將催化劑填于燃料室中，重整反應產生的氫氣分子在金屬箔解離滲透進入陽極室參加電化學反應，而堿性電解質、氫分子等則不能透過金屬箔，從而保護重整催化劑。由于氫氣分子靠解離滲透進入陽極室反應，造成了很大的傳質阻力，從而電池性能不佳。

日本專利63029458中描述可以選用涂有B₄C、H_fN或ZrO₂的鎳板對堿進行阻隔；日本專利1279574用像多孔鎳覆蓋催化劑表面的方法，使其不浸潤碳酸鹽，阻隔碳酸鹽。但是沒有解決電解質揮發損失的問題。

發明內容

為了克服公知技術中存在的問題，本發明的目的在于提供一種可以用于甲烷直接內重整的熔融碳酸鹽燃料電池結構及電池組，并且這種結構可以很大程度上減少電解質揮發損失以及催化劑堿中毒程度，提高電池性能，延長電池壽命。

為了達到上述目的，本發明采用的技術方案是：

一種甲烷直接內重整熔融碳酸鹽燃料電池結構，包括依次疊放的陽極極板、集流板、陽極、電解質隔膜、陰極、集流板、陰極極板，于極板與集流板間設置有阻堿板。

所述板體材質為鋼板，表面鍍有導電率高，抗腐蝕性強的金屬，陽極極板通過鍍銅活化后表面鍍鎳，陰極極板表面鍍銀，表面鍍有一層銀、導電率高抗腐蝕性強可減少融鹽腐蝕，同時增加電導；極板上設有陽極室、氣體環形流道和進出氣孔，極板側邊設置有熱電偶測溫插孔；陰極極板與其結構相同。進出氣孔道氣流方向與板面垂直，氣體流道為環形十字流道。

所述陽極極板流道內可放置重整催化劑，流道上面依次疊放阻堿板，集流板和陽極；且陽極流道深度可根據需要自行調節。

所述重整催化劑為以鎳為活性中心的甲烷重整催化劑，催化劑表面包覆了沸石膜層，形成了核-殼型重整催化劑；催化劑粒徑為100微米-5毫米；其制備過程可參照專利(一種保護熔融碳酸鹽燃料電池重整催化劑的方法及其應用200910301864.6，申請日：2009.4.27，申請人：大連理工大學)進行。

陰極極板流道內可放置固態碳酸鹽粉末，流道上面依次疊放集流板和陰極；陰極流道深度可根據需要自行調節；固態碳酸鹽為堿金屬碳酸鹽，其粒徑為10微米-100微米。