[发明专利]直接使用丙烷燃料的固体氧化物燃料电池及其应用

说明书

本发明公开了直接使用丙烷燃料的固体氧化物燃料电池及其应用。该固体氧化物燃料电池包括致密电解质、多孔阴极、多孔阳极、多孔催化剂和管式电池导管；管式电池导管一端与致密电解质开口端连接，连接处设有密封材料，另一端设有胶塞；气体导管从胶塞伸入管式电池导管和致密电解质的促进积碳反应的多孔催化剂中；多孔催化剂铁、钴或镍，或者是所述多孔催化剂为铁、钴和镍中任意一种的氧化物粉体。本发明将丙烷的高温热裂解和直接碳固体氧化物燃料电池相结合的方法，在固体氧化物燃料电池直接以丙烷为燃料进行放电的同时，采用促进积碳反应(裂解反应)的催化剂，使丙烷通过后碳沉积在催化剂上二次利用以达到高效使用丙烷的目的。

技术领域

本发明涉及一种燃料电池，特别是涉及一种高效使用丙烷燃料的固体氧化物燃料电池(SOFC)，属于电池技术领域。

背景技术

丙烷是液化石油气的主要成分，具有在常温常压下是气态、而施加一定的压力后就成为液态的特点。丙烷的沸点为-42℃，这使得液态丙烷从高压容器中释放后可以迅速气化。因此，一个类似定径喷嘴的简单设计便可以实现丙烷的供应，大大简化了设备结构。同时，液态丙烷具有极高的理论体积能量密度，可达～7Whml^-1。因此，丙烷是一种非常适合于便携设备的燃料，可用于野营、无人机、单兵设备、小型航空电源等。

固体氧化物燃料电池(SOFC)是以固体氧化物为电解质的燃料电池。它主要由阳极、电解质膜、阴极构成。不同于其他燃料电池，SOFC的工作温度较高(500℃)，这使得其具有动力学过程快、无需贵金属催化剂、综合效率高、便于模块化设计、燃料适用范围广、工作环境要求不高等优势。

已有研究表明，丙烷可以用作SOFC的燃料，但已有的丙烷SOFC存在输出性能不够高、稳定性差、燃料利用率低等问题。究其原因，主要有：(1)采用传统的镍基阳极材料时，丙烷在阳极上产生大量积碳，使阳极结构破坏，从而使电池的性能迅速衰减直到停止工作；(2)大多数非镍基阳极的电化学活性不够高；(3)丙烷燃料的反应动力学过程慢，同时在高温下产生积碳，使燃料的利用率低。

为解决上述丙烷在电池阳极积碳的问题，很多研究者提出了采用重整或部分氧化的方法将丙烷变为主要含H₂、CO等小分子的气体，然后将这些小分子气体输送到电池阳极发生电池反应。但是，如果在电池的外部对丙烷进行重整(外重整)或部分氧化，就增加了系统的复杂性；而如果在电池的内部实现重整或部分氧化，由于燃料浓度变低，将严重影响电池的输出电压，进而影响电池的输出功率。无论是重整还是部分氧化，都是在燃料发生电化学氧化反应之前，向燃料中加入大量的水蒸气、二氧化碳或氧气，从而严重地影响燃料的电转化效率。如果将丙烷燃料直接进行高温热裂解，尽管可以在不加氧化气体的前提下得到小分子气体，但这将产生大量的积碳，也造成丙烷燃料能量的损失，且无规律的积碳也会对燃料的供应与消耗产生进一步影响。

然而，碳本身也可作为SOFC的燃料。N.Nakagawa和M.Ishida最早报道了直接碳固体氧化物燃料电池(DC-SOFC)(Performance of an internal direct-oxidation carbonfuel cell and its evaluation by graphic exergy analysis,IndustrialEngineering Chemistry Research,27(7)(1988)1181-1185)，采用片状YSZ电解质隔离出空气室(阴极室)和燃料室(阳极室)，电解质两面分别涂以铂浆作为阴极和阳极，并将纯的焦碳燃料置于距阳极5mm处。他们还提出了该电池的工作原理：阳极上发生的电化学反应是CO与氧离子反应生成CO₂和电子，而生成的CO₂扩散到碳燃料处与C反应生成CO(Bouduard反应)，如此循环往复，实现了固体碳燃料的传质进而发电的目的。