CN107689455A - 一种抗积碳结构的平板固体氧化物燃料电池阳极 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种抗积碳结构的平板固体氧化物燃料电池阳极，包括：阳极、气道和连接体、扩散阻碍层和电解质层；阳极的一侧通过扩散阻碍层与气道连接，另一侧为电解质层，在阳极靠近气道与连接体的一侧，添加扩散阻碍层作为阳极的一部分，再与气道和连接体相接；本发明在扩散阻碍层满足设计要求时，能够保证阳极使用低水碳比甲烷燃料时在给定的工作状况下不会积碳。

Description

一种抗积碳结构的平板固体氧化物燃料电池阳极
技术领域
本发明涉及一种抗积碳结构的平板固体氧化物燃料电池阳极。
背景技术
Y.Lin et al.Journal of Power Sources 158(2006)1313–1316文章在纽扣电池上使用扩散阻碍层，成功提高纽扣电池的抗积碳能力，但实验只针对纽扣电池，且缺乏对于工作机理的认知，错误地认为积碳与电流密度相关，没有给出明确的扩散阻碍层设计。由于平板电池与纽扣电池实际工作情况的巨大差异，实验给出的扩散阻碍层无法在通常工作状态下的平板电池上发挥抗积碳的作用。
发明内容
本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种抗积碳结构的平板固体氧化物燃料电池阳极，实现平板电池在不同工作情况下直接使用低水碳比甲烷燃料时不产生阳极积碳的现象。
本发明技术解决方案：一种抗积碳结构的平板固体氧化物燃料电池阳极，通过对通常的平板式阳极支撑型固体氧化物燃料电池的阳极进行改造来实现。
通常的平板式阳极支撑型固体氧化物燃料电池的阳极厚度在500-1000微米之间，一侧为气道与连接体，另一侧为电解质层，可以发生氢气的电化学反应和甲烷的重整反应。在阳极靠近气道与连接体的一侧，添加特定的扩散阻碍层作为阳极的一部分，再与气道和连接体相接。扩散阻碍层满足如下设计时，可以保证阳极使用低水碳比甲烷燃料时在给定的工作状况下不会积碳：
1.扩散阻碍层由多孔介质构成，具有电子导电性以及透气性，孔隙率小于等于35％。
2.扩散阻碍层的材料必须无法催化甲烷裂解反应。
3.扩散阻碍层的厚度应该小于等于400微米，否则电池性能会受到较大影响。
4.扩散阻碍层的抗积碳效果依赖于电池工作时的燃料利用率与扩散阻碍层的厚度。固定电池的工作电压和扩散阻碍层的厚度时，燃料利用率大于某个阈值，扩散阻碍层能够防止积碳，燃料利用率小于该阈值时，扩散阻碍层失效，积碳发生，必须相应增大扩散阻碍层的厚度才能防止积碳。对于不同工作电压和扩散阻碍层厚度，阈值会发生变化，通过模型模拟，可以得到阈值的分布图，如图2所示。
使用新型阳极时必须注意保持电池的燃料利用率，在电池开机时，必须先通入高水碳比(2:1以上)甲烷燃料，待电压达到工作电压时再逐渐换成低水碳比甲烷燃料，在电池关机时，必须在保持工作电压的情况下换成高水碳比甲烷燃料，然后关机，否则会有积碳风险。
设定扩散阻碍层厚度和电池工作时的燃料利用率的某个阈值的方法为：对于不同工作电压和扩散阻碍层厚度，阈值会发生变化，通过模型模拟，得到阈值的分布。
所述阈值的分布为：
(1)电池工作电压等于0.8V时，扩散阻碍层厚度为200微米，燃料利用率需要大于92％；扩散阻碍层厚度为300微米，燃料利用率需要大于82％；扩散阻碍层厚度为400微米，燃料利用率需要大于65％；
(2)电池工作电压等于0.7V时，扩散阻碍层厚度为200微米，燃料利用率需要大于79％；扩散阻碍层厚度为300微米，燃料利用率需要大于15％；扩散阻碍层厚度为400微米，燃料利用率需要大于10％；
对于其他电压的情况，通过插值法求取：
公式中的0.8(V),0.7(V),其中的V是电池工作电压的单位，U为给定的工作电压值，η为给定的工作电压下的燃料利用率阈值；
求解时首先确定阻碍层厚度，然后从附图2中读出电压0.8V与电压0.7V时对应于该阻碍层厚度的燃料利用率阈值，即为η0.8V与η0.7V，然后确定工作电压，即为U的值，将U、η0.8V与η0.7V的值代入公式，即可求得η的值，即为对应于该阻碍层厚度与工作电压U时的燃料利用率的阈值。
所述扩散阻碍层的材料为氧化锆与氧化铈、氧化铜或氧化镁的复合材料。
所述扩散阻碍层可以直接烧结在原有阳极上，也可以在保证无缝隙连接的情况下粘连在原有阳极上。
本发明与现有技术相比的优点在于：通过数值计算与模拟确定了扩散阻碍层的工作机理，发现了扩散阻碍层的抗积碳效果依赖于电池工作时的燃料利用率与扩散阻碍层的厚度，给出了针对不同工作电压下燃料利用率对应的阻碍层厚度的设计，同时指出了在平板电池中扩散阻碍层的孔隙率必须较小，即小于等于35％。现有技术的主要缺陷包括：1)设计只适用于实验型纽扣电池的工作状况，移植到实用型平板电池上时，由于平板电池与纽扣电池工作时气流状况完全不同，无法发挥防止积碳的作用。2)缺乏对扩散阻碍层抗积碳工作原理的认知，忽视了燃料利用率是影响扩散阻碍层抗积碳效果的关键因素，无法给出实用有效的扩散阻碍层设计。3)使用的扩散阻碍层孔隙率高(超过40％)且厚，前者降低了抗积碳效果，后者降低了电池的发电性能。本发明有效消除了上述现技术的主要缺陷。
附图说明
图1为电池与扩散阻碍层示意图；
其中：1为燃料气道，2为扩散阻碍层，3为阳极，4为电解质，5为阴极，6为空气气道。
图2为燃料利用率阈值分布图。
具体实施方式
如图1所示，电池阳极包括燃料气道1、扩散阻碍层2，阳极3、电解质4、阴极5和空气气道6。
扩散阻碍层2与阳极3均由多孔介质构成。多孔介质是指由固体物质组成的骨架和由骨架分隔成大量密集成群的微小空隙所构成的物质。典型的多孔介质为镍(Ni)与氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)熔融烧结得到的复合材料，常用于阳极。扩散阻碍层的材料可以选择部分稳定的氧化锆与氧化铈、氧化铜或氧化镁等熔融烧结得到的复合材料。
扩散阻碍层可以直接烧结在原有阳极上，也可以在保证无缝隙连接的情况下粘连或固定在原有阳极上。
低水碳比甲烷燃料通常指水蒸气与甲烷含量比在1:10到1:40之间的燃料。这类燃料直接用于阳极时通常会发生积碳，即在阳极结构上析出碳单质，破坏阳极结构。积碳是一种反应动力学过程，可以用如下判定公式判断是否会发生积碳：
式中分别为甲烷、氢气与水蒸气的压强，Ea为活化能，T为温度，kcatalyst与R均为常数。当该式结果大于1时，积碳会发生，当结果小于等于1时，积碳不会发生。扩散阻碍层的工作原理是增大了甲烷从燃料气道向阳极扩散的距离，同时也阻碍了电解质附近电化学反应产生的水蒸气从阳极向燃料气道的输运，从而降低了阳极中甲烷的压强，增大了阳极中水蒸气的压强，使得该判定公式的值下降，最终达到防止积碳的目的。由于扩散阻碍层依靠阻碍扩散来发挥作用，阻碍层的孔隙率必须较小才能发挥作用，同时阻碍层厚度越大，阻碍效果越明显，对于电池性能的损耗也越大。所以，为了保证电池性能，阻碍层的厚度不应超过400微米。
阳极内部不同气体的压强分布依赖于电池的工作条件，电池的工作电压越低，燃料利用率越高，则甲烷的消耗越大，电化学反应得到的水蒸气越多，也就越不容易积碳。同样的，对于固定厚度的扩散阻碍层，如果工作电压偏高，燃料利用率偏低，也会导致积碳发生，故此扩散阻碍层有严格的工作条件要求，超出要求则阻碍层会功能失效，无法防止积碳。
图2给出了不同工作电压与阻碍层厚度时，燃料利用率的阈值分布。图2中三角形标记的线为工作电压0.8V时的情况，圆形标记的线为工作电压0.7V时的情况。图2中横轴为扩散阻碍层的厚度，纵轴为燃料利用率，线条上的值为对应阻碍层厚度的燃料利用率的阈值，电池工作时的燃料利用率必须高于阈值，扩散阻碍层才能发挥作用。举例来说，从图2上可以得到。
(1)电池工作电压等于0.8V时，扩散阻碍层厚度为200微米，燃料利用率需要大于92％；扩散阻碍层厚度为300微米，燃料利用率需要大于82％；扩散阻碍层厚度为400微米，燃料利用率需要大于65％；
(2)电池工作电压等于0.7V时，扩散阻碍层厚度为200微米，燃料利用率需要大于79％；扩散阻碍层厚度为300微米，燃料利用率需要大于15％；扩散阻碍层厚度为400微米，燃料利用率需要大于10％。
燃料电池的工作电压范围一般在0.85V-0.6V之间，图中只给出了0.8V和0.7V时的情况，对于其他电压的情况，可以通过插值法求取：
公式中的0.8(V),0.7(V),其中的V是电池工作电压的单位，U为给定的工作电压值，η为给定的工作电压下的燃料利用率阈值。求解时首先确定阻碍层厚度，然后从附图2中读出电压0.8V与电压0.7V时对应于该阻碍层厚度的燃料利用率阈值，即为η0.8V与η0.7V，然后确定工作电压，即为U的值，将U、η0.8V与η0.7V的值代入公式，即可求得η的值，即为对应于该阻碍层厚度与工作电压U时的燃料利用率的阈值。
因为燃料电池的工作电压范围一般在0.85V-0.6V之间，而只给出了0.8V和0.7V时的情况，所以有其他电压的情况(比如电压为0.6V或0.65V之类的)，需要通过公式来求解对应的燃料利用率阈值。扩散阻碍层厚度并不是某个固定值，也没有最优解，而是由使用者自己根据实际情况决定，只要范围在400微米以下皆可。电池工作电压也是一样的，没有最优值，而是由使用者根据实际情况决定，所以扩散阻碍层厚度和电池工作电压并非由此专利给出，而是由具体使用者根据具体情况自行决定其数值。当使用者决定好扩散阻碍层厚度和实际电池工作电压后，即可从附图2中读出电压0.8V与电压0.7V时对应于该阻碍层厚度的燃料利用率阈值，即为η0.8V与η0.7V(参考具体实施方式)，如果实际工作电压为0.8V或0.7V，此阈值即为所求，如果实际工作电压不是0.8V或0.7V，则通过公式求解对应实际工作电压的燃料利用率阈值。
假如使用者决定采用300微米厚度的扩散阻碍层，他可以在图2的横轴(即x轴)上找到300这个值，然后可以得到对应横轴值300的三角形标记的线(工作电压0.8V)与圆形标记的线(工作电压0.7V)的值，即为η0.8V与η0.7V，此时η0.8V为82％，η0.7V为15％，然后使用者要确定电池的工作电压，假如他使用0.8V作为工作电压，即U为0.8(V)，燃料利用率阈值η即为82％，即η0.8V的值；假如他使用0.75V作为工作电压，即U为0.75(V)，代入公式，求得对应电压0.75V的燃料利用率阈值η的值。
总之，本发明提出了新型结构的固体氧化物燃料电池阳极设计，可以实现电池在不同工作情况下直接使用低水碳比甲烷燃料而不产生阳极积碳的现象。这种设计应用工艺简单，不需要研究新的阳极材料，同时能保证较高的电池性能，对甲烷燃料的固体氧化物燃料电池的实用化和商业化具有重要意义。
提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。

Claims (6)

1.一种抗积碳结构的平板固体氧化物燃料电池阳极，阳极的一侧通过扩散阻碍层与气道连接，另一侧为电解质层，其特征在于：在所述阳极靠近气道与连接体的一侧，添加扩散阻碍层作为阳极的一部分，再与气道和连接体相接；所述扩散阻碍层满足如下设计时，保证阳极使用低水碳比甲烷燃料时在给定的工作状况下不会积碳：
(1)扩散阻碍层由多孔介质构成，具有电子导电性以及透气性，孔隙率小于等于35％；
(2)扩散阻碍层的材料必须无法催化甲烷裂解反应；
(3)扩散阻碍层的厚度应该小于等于400微米，否则电池性能会受到较大影响；
(4)扩散阻碍层的抗积碳效果依赖于电池工作时的燃料利用率与扩散阻碍层的厚度，设定扩散阻碍层厚度和电池工作时的燃料利用率的某个低限阈值，使扩散阻碍层的抗积碳效果最佳。
2.根据权利要求1所述的一种抗积碳结构的平板固体氧化物燃料电池阳极，其特征在于：设定了所述扩散阻碍层厚度和电池工作时的燃料利用率的某个低限阈值的联系：对于不同工作电压和扩散阻碍层厚度，阈值会发生变化，通过数值模型模拟，得到所需阈值。
3.根据权利要求2所述的一种抗积碳结构的平板固体氧化物燃料电池阳极，其特征在于：所述阈值的分布为：
(1)电池工作电压等于0.8V时，扩散阻碍层厚度为200微米，燃料利用率需要大于92％；扩散阻碍层厚度为300微米，燃料利用率需要大于82％；扩散阻碍层厚度为400微米，燃料利用率需要大于65％；
(2)电池工作电压等于0.7V时，扩散阻碍层厚度为200微米，燃料利用率需要大于79％；扩散阻碍层厚度为300微米，燃料利用率需要大于15％；扩散阻碍层厚度为400微米，燃料利用率需要大于10％；
对于其他电压的情况，通过插值法求取：
公式中的0.8(V),0.7(V),其中的V是电池工作电压的单位，U为给定的工作电压值，η为给定的工作电压下的燃料利用率阈值，η0.8V与η0.7V为电压0.8V与电压0.7V时对应于该阻碍层厚度的燃料利用率阈值。
4.根据权利要求1所述的一种抗积碳结构的平板固体氧化物燃料电池阳极，其特征在于：使用所述电极阳极时必须注意保持电池的燃料利用率，在电池开机时，必须先通入高水碳比，即2:1以上甲烷燃料，待电压达到工作电压时再逐渐换成低水碳比甲烷燃料，低水碳比甲烷燃料指水蒸气与甲烷含量比在1:10到1:40之间的燃料；在电池关机时，必须在保持工作电压的情况下换成高水碳比甲烷燃料，然后关机，否则会有积碳风险。
5.根据权利要求1所述的一种抗积碳结构的平板固体氧化物燃料电池阳极，其特征在于：所述扩散阻碍层的材料为氧化锆与氧化铈、氧化铜或氧化镁的复合材料。
6.根据权利要求1所述的一种抗积碳结构的平板固体氧化物燃料电池阳极，其特征在于：所述扩散阻碍层直接烧结在原有阳极上，或在保证无缝隙连接的情况下粘连在原有阳极上。
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