[發明專利]一種間接內重整固體氧化物燃料電池電堆

有效

• 申請號: 201611258506.8
• 申請日: 2016-12-30
• 公開（公告）號: CN106816613B
• 公開（公告）日: 2019-05-10
• 發明（設計）人: 蒲健;楊佳軍;李箭;池波;顏冬;黃維
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: H01M8/0612
• 分類號: H01M8/0612
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 許恒恒

本發明公開了一種間接內重整固體氧化物燃料電池電堆，該電堆包括：固體氧化物燃料電池和金屬連接體交替堆垛成的堆芯，常規氣流緩沖腔，還包括一個間接內重整燃料氣進緩沖腔，該間接內重整燃料氣進緩沖腔包括初始燃料氣進緩沖腔和燃料氣重整室，初始燃料氣進緩沖腔用于初始的碳氫燃料氣進入之后的緩沖，燃料氣重整室用于將初始碳氫燃料氣重整為一氧化碳、氫氣和二氧化碳，并輸送至所述電堆堆芯。本發明避免了直接內重整帶來的陽極積碳和硫毒化等問題，同時又省去了外重整所需要的加熱和換熱系統，充分利用了電堆自身的電化學反應放熱。在簡化系統設計的同時，也提高了固體氧化物燃料電池的燃料利用率。

技術領域

本發明屬于清潔可再生能源領域，更具體地，涉及一種間接內重整固體氧化物燃料電池電堆。

背景技術

固體氧化物燃料電池(SOFC)擁有高的發電效率、低的溫室氣體排放量，隨著快速發展的相關理論和材料研究，逐漸成為一種即將商業化的電化學發電裝置。因其主要工作在相對高的溫度(550～1000℃)，SOFC具有靈活的燃料選擇性，除了傳統的氫氣(H₂)，甲烷(CH₄)、天然氣、沼氣、甲醇、乙醇等碳氫氣體都可作為SOFC的燃料。除了H₂、CO，其他碳氫燃料在供給之前都要經過催化重整，轉化為H₂、CO為主體成分的氣體，才能為SOFC所用。以經濟、廣泛使用的天然氣為例，其主要成分氣CH₄，重整反應過程包括：

CH₄+H₂O→CO+3H₂ (1)

CO+H₂O→CO₂+H₂ (2)

以上重整反應需在相對高的溫度經催化劑催化完成。目前較常用的重整方式有直接內重整和外重整兩種方式。

目前較為常用的SOFC陽極材料為金屬鎳(Ni)與氧化釔穩定的氧化鋯(YSZ)混合制備的金屬陶瓷材料(Ni-YSZ)，這種材料除了可以完成陽極反應所需的功能，還能為CH₄的重整提供催化作用。直接內重整是將CH₄和水蒸氣以一定的比例直接供給到陽極，完成重整反應的同時實現H₂的還原過程，將CH₄的化學能直接轉化為電能，整個過程都在陽極上完成。這種重整方式有以下幾個優點：(1)重整反應在電堆內部進行，可充分利用電堆自身熱量完成重整，具有高的燃料利用率和發電效率；(2)H₂和CO的消耗促進了CH₄的重整反應，進一步提高了重整效率；(3)簡化了基于碳氫燃料的發電系統，不要單獨為重整反應提供燃燒室和換熱器。但是，現在常規的直接內重整技術存在致命的缺點，即陽極的碳沉積與硫毒化。Ni-YSZ除了為甲烷重整反應提供催化劑外，還可以催化甲烷裂解反應，導致單質碳的形成，這些碳會在金屬Ni顆粒上沉積，覆蓋Ni的活性反應位，降低碳氫燃料的重整效率。單質碳也會在陽極的活性三相界面處沉積，降低陽極的反應活性，導致電池性能衰減。雖然可以通過增加水蒸氣的比例、添加其他成分來降低碳的沉積量，但并不能完全避免碳沉積的可能性。有人提出梯度陽極的概念，即將重整層設置于陽極表面，在氣體進入陽極前以完成重整反應，有關的材料體系研究還不夠成熟，陽極表面重整層的催化效率以及壽命都有待提高。

由于直接內重整不能完全避免碳沉積的問題，目前，外重整在SOFC發電系統中被廣泛使用。外重整是在電堆外獨立設置一個燃燒室和換熱器，在合適的溫度和催化劑下，在燃料氣進電堆前就完成重整，可以避免碳在陽極上的沉積，可以有效提高電堆的長期穩定性。由于需要獨立提供燃料氣體對重整器進行加熱，外重整整體的燃料利用率不如直接內重整，且增加了系統的復雜程度。

發明內容