[發明專利]一種抗積碳結構的平板固體氧化物燃料電池陽極

有效

• 申請號: 201610632867.8
• 申請日: 2016-08-04
• 公開（公告）號: CN107689455B
• 公開（公告）日: 2020-04-03
• 發明（設計）人: 朱江;林子敬
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;H01M8/02
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 成金玉;盧紀

本發明涉及一種抗積碳結構的平板固體氧化物燃料電池陽極，包括：陽極、氣道和連接體、擴散阻礙層和電解質層；陽極的一側通過擴散阻礙層與氣道連接，另一側為電解質層，在陽極靠近氣道與連接體的一側，添加擴散阻礙層作為陽極的一部分，再與氣道和連接體相接；本發明在擴散阻礙層滿足設計要求時，能夠保證陽極使用低水碳比甲烷燃料時在給定的工作狀況下不會積碳。

技術領域

本發明涉及一種抗積碳結構的平板固體氧化物燃料電池陽極。

背景技術

Y.Lin et al.Journal of Power Sources 158(2006)1313–1316文章在紐扣電池上使用擴散阻礙層，成功提高紐扣電池的抗積碳能力，但實驗只針對紐扣電池，且缺乏對于工作機理的認知，錯誤地認為積碳與電流密度相關，沒有給出明確的擴散阻礙層設計。由于平板電池與紐扣電池實際工作情況的巨大差異，實驗給出的擴散阻礙層無法在通常工作狀態下的平板電池上發揮抗積碳的作用。

發明內容

本發明技術解決問題：克服現有技術的不足，提供一種抗積碳結構的平板固體氧化物燃料電池陽極，實現平板電池在不同工作情況下直接使用低水碳比甲烷燃料時不產生陽極積碳的現象。

本發明技術解決方案：一種抗積碳結構的平板固體氧化物燃料電池陽極，通過對通常的平板式陽極支撐型固體氧化物燃料電池的陽極進行改造來實現。

通常的平板式陽極支撐型固體氧化物燃料電池的陽極厚度在500-1000微米之間，一側為氣道與連接體，另一側為電解質層，可以發生氫氣的電化學反應和甲烷的重整反應。在陽極靠近氣道與連接體的一側，添加特定的擴散阻礙層作為陽極的一部分，再與氣道和連接體相接。擴散阻礙層滿足如下設計時，可以保證陽極使用低水碳比甲烷燃料時在給定的工作狀況下不會積碳：

1.擴散阻礙層由多孔介質構成，具有電子導電性以及透氣性，孔隙率小于等于35％。

2.擴散阻礙層的材料必須無法催化甲烷裂解反應。

3.擴散阻礙層的厚度應該小于等于400微米，否則電池性能會受到較大影響。

4.擴散阻礙層的抗積碳效果依賴于電池工作時的燃料利用率與擴散阻礙層的厚度。固定電池的工作電壓和擴散阻礙層的厚度時，燃料利用率大于某個閾值，擴散阻礙層能夠防止積碳，燃料利用率小于該閾值時，擴散阻礙層失效，積碳發生，必須相應增大擴散阻礙層的厚度才能防止積碳。對于不同工作電壓和擴散阻礙層厚度，閾值會發生變化，通過模型模擬，可以得到閾值的分布圖，如圖2所示。

使用新型陽極時必須注意保持電池的燃料利用率，在電池開機時，必須先通入高水碳比(2:1以上)甲烷燃料，待電壓達到工作電壓時再逐漸換成低水碳比甲烷燃料，在電池關機時，必須在保持工作電壓的情況下換成高水碳比甲烷燃料，然后關機，否則會有積碳風險。

設定擴散阻礙層厚度和電池工作時的燃料利用率的某個閾值的方法為：對于不同工作電壓和擴散阻礙層厚度，閾值會發生變化，通過模型模擬，得到閾值的分布。

所述閾值的分布為：

(1)電池工作電壓等于0.8V時，擴散阻礙層厚度為200微米，燃料利用率需要大于92％；擴散阻礙層厚度為300微米，燃料利用率需要大于82％；擴散阻礙層厚度為400微米，燃料利用率需要大于65％；

(2)電池工作電壓等于0.7V時，擴散阻礙層厚度為200微米，燃料利用率需要大于79％；擴散阻礙層厚度為300微米，燃料利用率需要大于15％；擴散阻礙層厚度為400微米，燃料利用率需要大于10％；

對于其他電壓的情況，通過插值法求取：

公式中的0.8(V),0.7(V),其中的V是電池工作電壓的單位，U為給定的工作電壓值，η為給定的工作電壓下的燃料利用率閾值；