一种基于固体氧化物燃料电池的直接甲醇干重整发电方法技术

本发明专利技术提供一种基于固体氧化物燃料电池(SOFC)的直接甲醇干重整发电方法，包括以下步骤：在固体氧化物燃料电池加热至700～850℃后，向阳极层中通入氢气，向阴极中通入空气，待阳极还原至开路电压OCV在1.0V以上并稳定后停止通氢气，切换阳极的燃料；以CO2作为载气，将甲醇蒸汽输入阳极中，进气管温度控制在158～163℃，CO2/MeOH的摩尔比为1.5～2.5，通过干重整得到CO、H2、H2O和CO2的混合气。该方法避免水的直接引入，通过控制二氧化碳与甲醇的比例，能够避免积碳，并减缓了阳极镍团聚，延长了电池使用的寿命，实现了SOFC长期稳定的发电。实现了SOFC长期稳定的发电。

【技术实现步骤摘要】
一种基于固体氧化物燃料电池的直接甲醇干重整发电方法


[0001]本专利技术属于甲醇重整
，尤其涉及一种基于固体氧化物燃料电池的直接甲醇干重整发电方法。

技术介绍

[0002]由于人口的增长，化石燃料消耗量逐年激增，随之而来的环境污染与气候变化日益严重。人们对于高效清洁的能源与能源转换装置投入越来越高的关注，燃料电池能够利用电化学反应将燃料中的化学能直接转换成电能，且不像传统的热机受到卡诺循环的限制。其中，固体氧化物燃料电池(SOFC)，因其较高的工作温度(600～1000℃)，对于燃料有比较强的适应性，包括氢气，氨气，碳氢燃料等，同时避免使用贵金属催化剂。
[0003]因为现阶段氢气的储存与运输的不便，并且我国缺少储氢的基础性设施，液体碳氢燃料具有较明显的优点。其中，甲醇在常温常压下呈液态，因此甲醇的体积能量密度(1.58
×
104kJ m
‑3)比液氢(8.5
×
104kJ m
‑3)更高，并且方便储存与运输。其次，甲醇可以由生物质为原料制备，如作为燃料使用，可视为清洁，可再生的碳中性燃料。利用直接甲醇干重整的SOFC，能够将甲醇与二氧化碳在SOFC内部转化成包含H2,CO,CO2,H2O的混合燃气，这样在发电的同时，能够利用温室气体的CO2。如能够实现大规模产业化，能够有效地缓和国内的对能源需求与碳排放压力。
[0004]现阶段直接甲醇的SOFC因会发生积碳，会造成发电性能的衰减。主要是通过加水抑制积碳，并且需要经过外置重整器利用湿重整方法将甲醇首先转化为以合成气，再通入SOFC中，但这种工艺流程复杂，能量效率低，投资金大。此外，湿重整所携带的大量水，会促进阳极镍颗粒的团聚，同样会使发电性能衰减。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种基于固体氧化物燃料电池的直接甲醇干重整发电方法，该方法避免水的直接引入，通过控制二氧化碳与甲醇的比例(CO2/MeOH)，在避免了积碳的同时，减缓了阳极镍团聚，延长了电池使用的寿命，实现了SOFC长期稳定的发电。
[0006]本专利技术提供了一种基于固体氧化物燃料电池的直接甲醇干重整发电方法，包括以下步骤：
[0007]在固体氧化物燃料电池加热至700～850℃后，向阳极层中通入氢气，向阴极中通入空气，待阳极还原至开路电压OCV在1.0V以上并稳定后停止通氢气，切换阳极的燃料；
[0008]以CO2作为载气，将甲醇蒸汽输入阳极中，温度控制在158～163℃，CO2/MeOH的摩尔比为1.5～2.5，干重整，得到CO、H2、H2O和CO2的混合气。
[0009]在本专利技术中，所述CO、H2、H2O和CO2的混合气中H2/CO的摩尔比≤1。
[0010]在本专利技术中，所述CO2/MeOH的摩尔比为2.0。
[0011]在本专利技术中，所述固体氧化物燃料电池包括依次设置的阳极层、电解质层、阻隔层
和阴极层；
[0012]所述阳极层的材质选自氧化镍
‑
氧化钇稳定的氧化锆、氧化镍
‑
氧化钪稳定的氧化锆、氧化镍
‑
氧化钆参杂氧化铈、氧化铜
‑
氧化钇稳定的氧化锆、镧锶锰氧化物
‑
氧化钇稳定的氧化锆、镧锶钴铁氧化物
‑
氧化钇稳定的氧化锆和氧化铜
‑
氧化铈中的一种或多种。
[0013]在本专利技术中，所述电解质层的材质包括氧化钇稳定的氧化锆、氧化钪稳定的氧化锆和镧锶镓镁氧化物中的一种或多种。
[0014]在本专利技术中，所述阴极层的材质包括镧锶钴铁氧化物、镧锶锰氧化物和钡锶钴铁氧化物中的一种或多种。
[0015]图1为本专利技术固体氧化物燃料电池的直接甲醇干重整示意图，其中，Anode为阳极，Cathode为阴极，O2‑
为氧离子，Air为空气，CO2为二氧化碳，CH3OH为甲醇，H2为氢气，CO为一氧化碳，H2O为水，Output输出；
[0016]本专利技术中固体氧化物燃料电池包括阳极(作为支撑电极层)、电解质层、阻隔层和阴极层，沿厚度层沿厚度方向上下层叠，在阳极支撑层中设有阳极孔道，见图1，电池中的反应原理为：甲醇在Ni/YSZ(镍/氧化钇稳定的氧化锆)等阳极，经过干重整产生的H2与CO，并在三相界面处(TPBs)被氧化，同时化学能被释放转化为热能与电能。
[0017]图2为本专利技术直接甲醇干重整
‑
固体氧化物燃料电池发电装置示意图，其中，MFC为气体质量控制器，Air为空气，Peristaltic pump为蠕动泵，Evaporator为蒸发器，Gas analyzer:气体分析机(气象色谱)，SOFC：固体氧化物燃料电池，Furnace：电阻加热炉；Electronic load：负载。
[0018]本专利技术利用加热单一加热电池，将电池加热至700～850℃，优选为750℃，阳极进气管为双重嵌套结构，如图2所示，首先在阳极层的孔道中通入氢气，向阴极通入空气，在阳极充分还原至OCV在1.0V以上并数值稳定后关闭氢气的气体质量控制器(MFC)，并同时切换阳极的燃料为甲醇；
[0019]甲醇首先通过蠕动泵，以固定流速注入蒸发器中，蒸发温度150℃，所产生的甲醇蒸汽，在蒸发器中与二氧化碳混合，同时二氧化碳作为载气，将甲醇蒸汽通过进气管输入SOFC的阳极。其中，进气管需加热并控温在158～163℃，CO2/MeOH＝1.5～2.5(摩尔比)。而在SOFC的阳极排气管能够获得CO、H2、H2O、CO2的混合气。
[0020]本专利技术采用直接内重整的方式，利用SOFC的高温工作环境在电池内直接高效完成甲醇内重整，提高了能源利用效率，降低了系统的复杂度。本专利技术采用独创的甲醇干重整方法，以二氧化碳为重整剂，避免了水的直接引入。通过控制二氧化碳与甲醇的比例(CO2/MeOH)，在避免了积碳的同时，减缓了阳极镍团聚，延长了电池使用的寿命，实现了SOFC长期稳定的发电。本专利技术采用直接干重整的SOFC发电方法，在有效利用温室气体CO2在发电的同时，能获得高品质的尾气，包含合成气(H2、CO)、CO2、水蒸气，该尾气可循环再提供给SOFC发电。同时，因这种合成气中H2/CO的摩尔比≤1，非常适合于羰基合成与费托合成的原料气。本专利技术中采用的甲醇与CO2来源非常广泛，并且可以通过生物质发酵同时获得。根据文献生物质发酵制甲醇的碳转换效率为66％，其剩余的碳大部分转化为CO2。因此由生物质甲醇供能的SOFC发电，能够最大限度地提升可再生的生物质能源的利用率，符合降低碳排放的目标。
附图说明
[0021]图1为本专利技术直接甲醇干重整
‑
固体氧化物燃料电池示意图；
[0022]图2为本专利技术直接甲醇干重整
‑
固体氧化物燃料电池发电装置示意图；
[0023]图3为本专利技术实例电池直接甲醇干重整放电的I
‑
V曲线；
[0024]图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于固体氧化物燃料电池的直接甲醇干重整发电方法，包括以下步骤：在固体氧化物燃料电池加热至700～850℃后，向阳极层中通入氢气，向阴极中通入空气，待阳极还原至OCV在1.0V以上并稳定后停止通氢气，切换阳极的燃料；以CO2作为载气，将甲醇蒸汽输入阳极中，进气管温度控制在158～163℃，CO2/MeOH的摩尔比为1.5～2.5，干重整得到CO、H2、H2O和CO2的混合气。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述CO、H2、H2O和CO2的混合气中H2/CO的摩尔比≤1。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述CO2/MeOH的摩尔比为2.0。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述固体氧化物燃料电池包括依次设置的阳极层、电解质层、阻隔层和阴极层；所述阳...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨钧，桑君康，王建新，官万兵，
申请(专利权)人：浙江工研院发展有限公司，
类型：发明
国别省市：