[发明专利]基于对称双阴极结构固体氧化物燃料电池的直接甲烷干重整发电方法

说明书

本发明提供一种基于对称双阴极结构固体氧化物燃料电池的直接甲烷干重整发电方法，电池以阳极层为支撑电极层、电解质层以及阴极层沿厚度方向上下层叠而呈对称结构；利用加热单元加热该电池，使电池运行过程中电池温度在650℃以上，阳极层的孔道中通入二氧化碳和甲烷的混合气体，阴极层通入空气，直接可在电池中发生甲烷干重整，实现沼气在固体氧化物燃料电池中的直接高效利用，且操作条件简单易控，低成本、安全高效、反应选择性好。

技术领域

本发明属于电化学技术及高温固态氧化物燃料电池领域，具体涉及一种基于对称双阴极结构固体氧化物燃料电池的直接甲烷干重整发电方法。

背景技术

自工业革命以来，全球的能源消耗呈现不断上升的趋势，环境污染以及全球气候变化引起了人们的普遍关注，世界各国政府都对寻找新的清洁能源和发展现有能源清洁高效的解决方案给予重点支持，而燃料电池因其反应过程不经过燃烧，不受卡诺循环的限制，能量转化效率高的优点在众多解决方案中脱颖而出。其中固体氧化物燃料电池(SOFC)因其工作在较高的温度(650℃～1000℃)下，表现出对氢气、甲烷、煤气和生物质燃料等多种碳氢气体的适应性，成为继磷酸燃料电池、融融碳酸盐燃料电池之后第三代燃料电池发电技术。

目前，由于缺乏“氢”相关的基础设施，以氢气为燃料发电可能不是最佳选择，特别是在发展中国家。然而，这些国家有丰富的生物质资源，如沼气是一种源自生物质的环保燃料，典型的沼气含有甲烷(40-65％)和二氧化碳(30-40％)。直接使用沼气作为电力SOFC系统的燃料，利用甲烷干重整反应将自然界中两种最廉价的含碳化合物CH₄和CO₂转变成具有高附加值的化工原料合成气，且制备的合成气中CO含量较高，非常适合作为费托合成制长链烃、氨合成、烷基化反应、甲醇合成等工业过程的原料，因而具有广泛的应用前景。此外，甲烷干重整反应同时利用了CH₄和CO₂这两种温室气体，被认为具有环境友好性，在环境问题日益严重的当下，若能实现该工艺过程的工业化应用，不仅对于缓解能源危机，改变某些化工产品的生产过程和原料路线具有重大的现实意义，而且对于减少温室气体的排放，减轻“温室效应”造成的对全球生态环境的破坏具有深远的历史意义。

现有甲烷干重整技术一般需要重整器，即在到达SOFC之前这些燃料在外部重整器中重整转化为合成气，然而外部重整过程工艺流程复杂，投资大，操作费用高。

因此，内整型燃料电池是以烃类为燃料的燃料电池系统的发展方向，采用直接内部干重整操作，将甲烷和二氧化碳直接通入阳极，在阳极同时发生甲烷转化制氢与氢的电化学反应。根据该操作，烃类燃料在阳极处重整，产生氢气和一氧化碳，它们被电化学消耗以同时发电。其优点在于电化学反应的氢消耗可以直接促进阳极侧烃的重整或转化。因此可缩小系统，实现高转化率和高效率。但是，经常会发生Ni-YSZ阳极积碳的问题，且阳极的碳沉积不仅会造成阳极活性面积损失，而且会造成电池性能和寿命降低。此外，另一个问题是SOFC上温度分布不均匀引起的热应力，因为内部重整过程中甲烷干重整反应是一个体积增大的吸热反应，而且其吸热强度非常大，吸热的干重整反应比放热的电化学过程快得多，这会引起阳极内部较大的热应力，导致难以实现100％内部重整。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种基于对称双阴极结构固体氧化物燃料电池的直接甲烷干重整发电方法，所述电池以阳极层为支撑电极层、电解质层以及阴极层沿厚度方向上下层叠；电解质层包括第一电解质层与第二电解质层，第一电解质层位于阳极层的上表面，第二电解质层位于阳极的下表面；阴极层包括第一阴极层与第二阴极层，第一阴极层位于第一电解质层的上表面，第二阴极层位于第二电解质层的下表面；并且，阳极层设置孔道；

利用加热单元加热所述电池，使电池运行过程中电池温度在650℃以上，阳极层的孔道中通入二氧化碳和甲烷的混合气体，第一阴极层与第二阴极层通入空气，可在阳极层出口获得CO、H₂、H₂O、CO₂组成的混合气。