本发明专利技术涉及固体氧化物燃料电池技术领域，具体涉及一种阳极负载功能涂层的以甲烷为主燃料的高温燃料电池系统。在电池的阳极外表面负载一层催化涂层，以甲烷为主燃料时，根据甲烷的部分氧化及内重整反应产生一氧化碳和氢气，并增加阳极的抗积碳性能；其中所述的催化涂层的催化剂为ＮｉＯ－Ａｌ↓［２］Ｏ↓［３］，ＲｕＯ↓［２］－Ａｌ↓［２］Ｏ↓［３］或ＲｕＯ↓［２］－ＣｅＯ↓［２］中的一种，或者是在ＮｉＯ－Ａｌ↓［２］Ｏ↓［３］中添加了Ｌａ↓［２］Ｏ↓［３］和／或Ｌｉ↓［２］Ｏ。该系统将甲烷部分氧化，重整反应优良催化剂与固体氧化物燃料电池结合，从而改善以甲烷为燃料的燃料电池的性能。本发明专利技术明显提高燃料电池的功率密度，操作稳定性和阳极抗积炭性能，适合用于便携式燃料电池设备。同时尾气可以回收，尽可能的消除对环境的影响。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种燃料电池系统，尤其涉及一种在阳极表面负载一层功能催化涂层的以 甲垸为燃料的高温燃料电池系统。
技术介绍
直接以天然气(主要为CH4)为燃料的SOFC在操作和设备上最为简单，在国际上己 开始引起人们极大的兴趣，这从目前公开文献中开始出现大量关于此方面的文章可以得到 验证。但是其存在甲烷电化学活性低(特别是在低温下)，及电极表面易发生积碳现象而导 致快速失活等缺点，虽然目前直接甲烷SOFC方面已显示出优秀的抗积碳性能，但是存在 钙钛矿阳极较低的电子导电率及与传统电解质材料差的粘附能力等缺点，所以目前在国际 上直接甲烷(天然气)固体氧化物燃料电池还处在实验室研究阶段，当前的研究重点主要集 中在如何提高直接甲烷燃料电池的功率密度及抗积碳性能。目前主要集中在大学研究，美 国University of Pennsyvalnia， Northwestern University及英国University of St Andrews 大学在此领域研究颇为突出。固体氧化物燃料电池(SOFC)作为一种高温燃料电池可以直接以碳氢化合物或其重整气 为燃料，具有高能效和低污染等突出特点，同时还具有低温燃料电池不具备的燃料可选择 范围大的优点除了纯氢外，C0，醇，烃，煤气，甚至氨都可以作为其燃料，同时值得注 意的是SOFC具有更高的功率密度，同时避免了低温燃料电池只能使用贵金属电极材料的 缺点，SOFC在固定电站，移动电源，移动运输以及军事等领域都有着广泛的应用前景。 其成功应用与缓解我国能源危机，满足人们对电力数量和质量的不断提升的要求，保护人 类的居住环境及保障我国的能源安全具有重大意义。另外，SOFC的组成材料多为稀土氧 化物，我国是稀土储量大国，因而开发SOFC对于合理利用我国丰富的稀土资源也具有重 大意义。天然气是一种重要的能源载体，以天然气为燃料的燃料电池技术对于更加合理利 用有限的天然气资源具有重要意义。采用高温S0FC，天然气可以直接在阳极上电催化氧 化，使得燃料电池系统构造大大简化。考虑到甲烷较低的电催化活性，可以采用燃料电池 的内重整技术。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决如何提高直接甲垸燃料电池的功率密度及抗积碳性能的问 题，从而提供了一种在阳极表面负载一层功能催化涂层的以甲烷为燃料的高温燃料电池系 统。本专利技术的技术方案为一种阳极负载功能涂层的以甲垸为主燃料的固体氧化物燃料电 池系统，其特征在于在电池的阳极外表面负载一层催化涂层，以甲烷为主燃料时，根据甲 垸的部分氧化及内重整反应产生一氧化碳和氢气，并增加阳极的抗积碳性能；其中所述的 催化涂层的催化剂为NiO-Al203，Ru02-Al203或Ru02-Ce02中的一种，或者是在NiO-Al203 中添加了 1^203和/或Li20。上述的催化涂层对天然气(甲烷)部分氧化及重整反应具有高催化活性。 当所述的阳极催化涂层催化剂为NiO-Al203， Ru02-Al203， Ru02-Ce02中的一种时， 催化剂中金属Ni或Ru的含量为占催化剂总量的重量百分比为5%-10%;当所述的阳极催 化涂层催化剂为M0-A1203中添加了 1^203和/或Li20时，催化剂中金属Ni的含量为占催 化剂总量的重量百分比为5%-10%， 1^203和Li20的含量为占催化剂总量的重量百分比 3-10%。本专利技术的电池采用管式或平板式电池构型。电池构型可以采用阳极支撑型或电解质支 撑型。本专利技术中所设计的固体氧化物燃料电池可采用管式或平板式设计，电池的电解质采用 氧化钐惨杂的氧化铈(SDC)、氧化钆掺杂的氧化铈(GDC)、钇稳定的氧化锆(YSZ)、 镧锶镓镁(LSGM)或钪锆(ScSZ)中的一种，阴极材料采用钙钛矿型镧锶锰(LSM)、 镧锶钪锰(LSSM)、钡锶钴铁(BSCF)、镧锶钴铁(LSCF)、镧锶钴(LSC)或锶钪钴(SSC) 中的一种；阳极采用电解质/镍复合阳极、镧锶钪锰(LSSM)或镧锶铬锰(LSCM)钙钛 矿型阳极。本专利技术所述的燃料电池系统的操作温度为600-1000°C。电池系统中阳极涂层催化剂的制备方法为GNP(glycine nitrite process)法，具体步骤 为按化学计量比称取各种金属的硝酸盐，用去离子水溶解，加入甘氨酸，待完全溶解后， 该溶液在搅拌的条件下加热到80 — 12(TC成粘稠状，然后在烘箱里自燃烧，温度为200-300 。C;冷却后在马弗炉里800—100(TC煅烧5 —10个小时；研磨成粉末，即制得所要的催化剂。上述甘氨酸的加入量为甘氨酸与硝酸盐中总的金属离子的摩尔比(G/M"+)比为 2:1—3:1本专利技术所制得的催化剂，譬如Ni-Al203催化剂催化甲烷部分氧化反应在各温度下CH4 转化率和CO选择性较好，催化甲烷水蒸气，二氧化碳重整反应在各温度下CH4转化率 和CO选择性较好，如图8和图9所示。电池制备方法可以采用目前经常采用的流延、喷涂结合烧结方法。其结构如图ll所催化功能层采用"湿化学方法"制备，优选lg催化剂粉体加入10-20ml异丙醇， 0.6-1.2ml甘油，2-4ml乙二醇，进高能球磨30_60min后取出，采用全自动超声喷雾涂膜 法精确制备天然气重整催化功能层，保证与阳极层良好的粘接强度。阳极催化涂层的厚度 为l(Hun-20,.。其结构如图12所示。燃料电池的燃料为甲焼以及一部分的02， H20， C02作为燃料电池的燃料，电池运行 系统(如图10所示)由固体氧化物燃料电池片，进出气管道及加热炉组成，燃料气经内 管供应至电池片阳极，尾气(主要为C02及未反应的CH4)由外管排出，电池输出电流 供应外电路。有益效果本专利技术采用在阳极外表面负载上一层对天然气部分氧化及重整反应具有高催化活性 的新型功能催化涂层(Ni-Ab03，Ru-Al203，Ru-Ce02以及添加La203禾卩/或Li20的Ni-Al203 中的一种)，使燃料电池的性能得到很大的提高，如以甲垸，氧气为燃料时，85(TC时电池 的功率密度增加了一倍，750。C时增加了三倍。同时显著提高了阳极的抗积碳性能。本发 明的目的在于天然气为燃料的中温SOFC新材料的开发，电池构型的设计等多方面的研 究，形成固体氧化物燃料电池以天然气为燃料的自热内重整技术，从而实现以天然气为燃 料的高功率密度和高稳定性的固体氧化物燃料电池新系统，推动我国SOFC技术的发展与 应用，同时提高我国天然气与稀土资源的合理利用。附图说明图1为本专利技术实施例1中电池的电流密度-电压(I-V)和电流密度-功率密度(I-W) 曲线。图2为本专利技术实施例2电池的I-V和I-W曲线。， 图3为本专利技术实施例3电池的I-V和I-W曲线。 图4为本专利技术实施例4电池的I-V和I-W曲线。 图5为本专利技术实施例5电池的I-V和I-W曲线。 图6为本专利技术实施例6电池的I-V和I-W曲线。图7为本专利技术实施例7电池的I-V和I-W曲线。图8为Ni-Al203催化剂催化甲烷部分氧化反应.的各温度下CH4转化率和CO选择性 曲线。图9为Ni-Al203催化剂催化甲烷水蒸气，二氧化碳重整反应的各温度下CH4转化率 和CO选择性曲线。图IO为燃料电池系统装置示意图，其中1为固体氧化物燃料电池片，2为本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种阳极负载功能涂层的以甲烷为主燃料的固体氧化物燃料电池系统，其特征在于在电池的阳极外表面负载一层催化涂层，以甲烷为主燃料时，根据甲烷的部分氧化及内重整反应产生一氧化碳和氢气，增加阳极的抗积碳性能；其中所述的催化涂层的催化剂为ＮｉＯ－Ａｌ↓［２］Ｏ↓［３］，ＲｕＯ↓［２］－Ａｌ↓［２］Ｏ↓［３］或ＲｕＯ↓［２］－ＣｅＯ↓［２］中的一种，或者是在ＮｉＯ－Ａｌ↓［２］Ｏ↓［３］中添加Ｌａ↓［２］Ｏ↓［３］和／或Ｌｉ↓［２］Ｏ。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：邵宗平，王纬，冉然，蔡锐，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。