[发明专利]一种含碳燃料化学链重整制取合成气与固体氧化物燃料电池发电共联产的装置及方法

说明书

本发明公开了一种含碳燃料化学链重整制取合成气与固体氧化物燃料电池发电共联产的方法，包括如下步骤：(1)含碳燃料通过化学链重整反应器与氧载体反应获得以CO与H₂为主的合成气；(2)反应后的氧载体与固体氧化物燃料电池的阳极接触，通过外接电路向固体氧化物燃料电池的阴极释放电子形成电流；(3)化学链重整制取合成气与电化学反应过程过程交替循环进行，实现含碳燃料化学链重整制取合成气与固体氧化物燃料电池发电共联产。本发明解决了SOFC碳基燃料的阳极易于积碳问题，拓展其对碳基燃料的适用性，提高系统能源利用效率，同时间接解决高温固体氧化物燃料电池电极与碳基燃料直接接触产生诸多问题，降低内重整技术实施难度及成本。

技术领域：

本发明属于环保及能源利用技术领域，具体涉及一种含碳燃料化学链重整制取合成气与固体氧化物燃料电池发电共联产的装置及方法。

背景技术：

固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种新型高效、清洁的能量转换技术，与传统火力发电需要经历的化学能→热能→机械能→电能多次能量转换不同，SOFC不需要经过卡诺循环，即可将H₂、碳氢化合物等燃料中的化学能直接转换为电能，具有能量转换率高、洁净无污染、无动部件、噪音小等优点，在分布式电源、应急电源、交通运输、军事和海洋领域具有广阔的应用前景，对满足电力需求、缓解能源危机、保护生态环境及保障国家安全具有重大的意义。

但当前比较突出的问题是SOFC实现高效的代价是燃料适应性的下降，目前可以较好适用的燃料主要是氢。将碳基燃料直接应用于高温固体氧化物燃料电池，容易在燃料电池的电极上形成积碳，积碳不仅容易覆盖在催化剂表面降低阳极反应活性位，而且积碳的迁移还将产生一定的应力造成阳极开裂甚至剥落等永久性的结构破坏，严重影响电池的出力和寿命。因此，国内外高温固体氧化物燃料电池的研究主要集中在改善燃料电池电极的积碳倾向，拓展其燃料适用性至来源更为广泛的碳基燃料，并同时确保其在能量转换效率方面的优势。具体采用的途径包括降低燃料电池工作温度、采用防积碳催化剂和促进电化学氧化等。

另一个提高燃料电池适用性的可行途径为将碳基燃料变换重整为H₂和CO的混合气。而将炭基燃料重整变换又分为外重整与内重整模式。外重整是在燃料电池之外增加专门的燃料重整设备，先将碳基燃料重整变换为富氢气体，过程需要供给纯氧，因此过程复杂、投资较大。内重整是将碳氢燃料直接输入高温固体氧化物燃料电池中，同时在燃料中引入水蒸气或CO₂等气体，使碳基燃料在燃料电池内部变换为富氢气体，虽可消除外重整的复杂性，但提高了技术实施的难度，重整催化层将通入燃料电池阳极的含碳燃料重整为H₂与CO，重整催化层采用含Ni复合金属氧化物，在阳极原性气氛中经过活化过程，释放出纳米级Ni催化活性位点，具有操作简单的优点。但该种内重整模式阳极使用含碳燃料时，由于金属Ni较好的催化裂解作用，很容易发生积碳反应。同时，大量水蒸汽的引入降低了高温固体氧化物燃料电池的输出电压和工作效率、并削弱阳极的催化性能，导致燃料转化率下降。因此，研发具有较好的燃料适用性及优良抗积碳性能新型燃料电池系统，解决含碳燃料与电池电极相接处产生的诸多问题，是实现SOFC产业化的关键。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种含碳燃料化学链重整制取合成气与固体氧化物燃料电池发电共联产的装置及方法，本发明解决了SOFC碳基燃料的阳极易于积碳问题，拓展SOFC对碳基燃料的适用性，降低过程中的损，提高系统能源利用效率，同时间接解决高温固体氧化物燃料电池电极与碳基燃料直接接触产生诸多问题，降低内重整技术实施难度及成本。

本发明的第一个目的是提供一种含碳燃料化学链重整制取合成气与固体氧化物燃料电池发电共联产的方法，含碳燃料为含碳燃气，氧载体选自A₂BB′O₆的钙钛矿类、铁基、镍基和铜基一种以上的功能氧载体，包括如下步骤：

(1)设定外加热温度，含碳燃料通过化学链重整反应器与氧载体反应获得以CO与H₂为主的合成气，氧载体被还原为低价态的氧载体或者金属单质；