[发明专利]一种甲烷直接内重整熔融碳酸盐燃料电池结构及电池组

说明书

技术领域

本发明涉及能源技术领域燃料电池技术，具体涉及一种甲烷直接内重整熔融碳酸盐燃料电池结构

技术背景

熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)是一种高温型燃料电池，工作温度为650℃，电解质通常为碳酸锂和碳酸钾的混合物(62mol％Li₂CO₃:38mol％K₂CO₃)，适宜用做分布式电站，目前已进入商业化前期。MCFC具有燃料电池清洁、高效、低噪、比功率高等共性优点，还能将天然气、液态燃油、生物质气等廉价燃料内置转化为氢，构成直接内重整熔融碳酸盐燃料电池(DIR-MCFC)。

DIR-MCFC作为整体技术，主要有如下优点：

(1)由于不需要外部重整器，降低了系统成本；

(2)实现电化学、重整反应的能量耦合：电化学反应放热，重整反应强烈吸热，二者可实现互补，电池排热负荷减少；

(3)实现电化学、重整反应的物质耦合：阳极电氧化反应生成水蒸汽、重整反应产生的CO₂可循环使用；电极反应阳极消耗氢可打破重整反应热力学平衡，提高甲烷转化率和电池发电效率；

(4)DIR-MCFC阳极内氢分布更均匀，电池内温度分布也更为均匀。

DIR-MCFC技术将电化学反应与重整反应两个反应耦合在同一阳极气室中进行，存在着熔融碳酸盐电解质高温易挥发流失，而且导致重整催化剂中毒和失活的关键问题。所以，解决这一核心问题以研制开发DIR-MCFC技术是至关重要的，具有重要的科学意义和实际经济价值。

MTU申请的USP5725964是将重整催化剂置于气体流道中，通过在结构上进行调整，对催化剂进行保护。英国BG PLC申请的USP6071634专利主要在电池结构上作调整，将阳极通道分为四段，并在第一段内置重整催化剂，但是没有论及太多碳酸盐污染问题。

美国专利4702973和欧洲专利0257398A2都采用双室阳极结构，在燃料室和阳极室之间安置一层厚度在0.25-2.5mm之间的致密金属箔(Cu、Ni)，将催化剂填于燃料室中，重整反应产生的氢气分子在金属箔解离渗透进入阳极室参加电化学反应，而碱性电解质、氢分子等则不能透过金属箔，从而保护重整催化剂。由于氢气分子靠解离渗透进入阳极室反应，造成了很大的传质阻力，从而电池性能不佳。

日本专利63029458中描述可以选用涂有B₄C、H_fN或ZrO₂的镍板对碱进行阻隔；日本专利1279574用像多孔镍覆盖催化剂表面的方法，使其不浸润碳酸盐，阻隔碳酸盐。但是没有解决电解质挥发损失的问题。

发明内容

为了克服公知技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种可以用于甲烷直接内重整的熔融碳酸盐燃料电池结构及电池组，并且这种结构可以很大程度上减少电解质挥发损失以及催化剂碱中毒程度，提高电池性能，延长电池寿命。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种甲烷直接内重整熔融碳酸盐燃料电池结构，包括依次叠放的阳极极板、集流板、阳极、电解质隔膜、阴极、集流板、阴极极板，于极板与集流板间设置有阻碱板。

所述板体材质为钢板，表面镀有导电率高，抗腐蚀性强的金属，阳极极板通过镀铜活化后表面镀镍，阴极极板表面镀银，表面镀有一层银、导电率高抗腐蚀性强可减少融盐腐蚀，同时增加电导；极板上设有阳极室、气体环形流道和进出气孔，极板侧边设置有热电偶测温插孔；阴极极板与其结构相同。进出气孔道气流方向与板面垂直，气体流道为环形十字流道。

所述阳极极板流道内可放置重整催化剂，流道上面依次叠放阻碱板，集流板和阳极；且阳极流道深度可根据需要自行调节。

所述重整催化剂为以镍为活性中心的甲烷重整催化剂，催化剂表面包覆了沸石膜层，形成了核-壳型重整催化剂；催化剂粒径为100微米-5毫米；其制备过程可参照专利(一种保护熔融碳酸盐燃料电池重整催化剂的方法及其应用200910301864.6，申请日：2009.4.27，申请人：大连理工大学)进行。

阴极极板流道内可放置固态碳酸盐粉末，流道上面依次叠放集流板和阴极；阴极流道深度可根据需要自行调节；固态碳酸盐为碱金属碳酸盐，其粒径为10微米-100微米。