[发明专利]一种改进的电气共生电化学反应器及其制备方法

说明书

本发明涉及固体氧化物燃料电池（SOFC）发电及天然气重整技术领域，尤其涉及一种改进的电气共生电化学反应器及其制备方法。所述反应器具有树枝状的微通道结构的阳极支撑SOFC，纳米纤维催化剂装载在微通道中作为反应器的重整床层，空隙率达90%以上，实现了碳氢燃料的电极内重整，实现吸热反应和放热反应的耦合。制备方法为将分散有纳米纤维催化剂悬浮液滴加到微通道结构的支撑体中，将纳米纤维催化剂加载到微通道内，烘干，重复上述加载过程，直至达到加载质量占比为0.6wt.%‑2.5wt.%，制得电气共生反应器。所述制备方法可以在SOFC阳极内形成吸热重整，有效减少阳极内因燃料氧化产生的热点，实现热耦合，提高能量效率。

技术领域

本发明涉及固体氧化物燃料电池发电及天然气重整技术领域，尤其涉及一种改进的电气共生电化学反应器及其制备方法。

背景技术

与传统的燃气发电厂相比，固体氧化物燃料电池（SOFC）将燃料转化为电能的效率更高，对环境的影响也较小。与使用昂贵的氢气提供燃料的质子交换膜燃料电池相比，SOFC可以直接使用碳氢燃料。例如，甲烷是丰富的天然气资源（包括天然气和煤层气）的主要成分。因此，甲烷燃料SOFC已被广泛研究并得到实际使用。

为了将甲烷通过SOFC有效地转化为电能，尽量将甲烷完全氧化。然而，由于阳极表面与阳极/电解质界面之间的气体扩散的周转行程而难以实现完全氧化。已经提出了许多设计来重复利用SOFC的废气以提高能源效率，例如燃烧尾气和再循环尾气，这会增加系统的复杂性。一种有前途的解决方案是SOFC将甲烷进行部分氧化，以实现发电和合成气的联产，合成气是化工和生产液体燃料的原料。甲烷在阳极/电解质界面处被部分氧化成合成气，合成气需要通过阳极载体迅速扩散，以避免进一步氧化。然而，传统阳极支撑内的曲折孔道限制了合成气的扩散（Electrochemistry Communications 49 (2014) 34 – 37）。

Ni基电极成本低，催化活性高，是最常用的固体氧化物电池支撑电极材料，然而，由较大的Ni颗粒（大于1 µm）组成的Ni基阳极不适合作为甲烷重整的催化剂，当使用便宜和易得的碳氢燃料（如天然气），为了避免Ni基电极积碳，碳氢化合物需要经过重整成合成气（H₂和CO），才能用于SOFC。现在采用电池外重整的方式，即在单独的重整器中进行预重整，但是增加了投资和运行成本，而且重整反应需要大量的热量，而电极中的合成气氧化反应生成的热量不能有效地提供给重整器中的重整反应，系统能量效率低。有一种方法是在电极表面制备催化剂层（Journal of Power Sources 161 (2006) 460–465），碳氢燃料经催化剂层重整后扩散到电极中进行电极反应，生成的H₂O和CO₂需经催化剂层排出电极，所以催化剂层增加了气体扩散阻力，而且影响电极表面的集电，该方法不能在实际生产中进行应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种改进的电气共生电化学反应器，所述反应器实现碳氢燃料的电极内重整，实现吸热反应和放热反应的耦合。

另一发明目的是提供一种上述电气共生电化学反应器的制备方法，所述制备方法利用具有微通道结构或具有类似孔道结构的电极，将重整催化剂加载到微通道中，形成催化剂床，执行重整反应，所述制备方法可以在SOFC阳极内形成吸热重整，有效减少阳极内部热点的产生，实现热耦合，提高能量效率。

本发明的又一目的是提供上述电气共生电化学反应器在固体氧化物燃料电池领域的应用，可以同时进行发电以及生产合成气，实现燃料利用率的最大化。

为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种改进的电气共生反应器，具有微通道结构，用纳米纤维催化剂作为反应器的重整床层，空隙率达90%以上，保证催化剂床层满足气体扩散的要求。