[发明专利]一种流化床阴极固体氧化物燃料电池

说明书

本发明提供一种流化床阴极固体氧化物燃料电池，该电池结合了流态化工程和固体氧化物燃料电池技术，提出了一种阴极流化床电极固体氧化物燃料电池新工艺。燃料电池并不是传统的“三明治”结构，在电池的空气侧，利用空气流动流化细小的电极颗粒，使用流态化的电极颗粒作为电池的阴极。本工艺可以明显增加阴极传质速率和反应界面，有利于降低阴极浓度极化和活化极化，另外流态化电极传热速率较高，有助于降低电池因反应不均造成的热应力破坏。

技术领域

本发明涉及一种流化床电极固体氧化物燃料电池，属于固体氧化物燃料电池技术领域。

背景技术

燃料电池是一种可以直接将燃料化学能转化为电能的装置，其中固体氧化物燃料电池技术具有运行温度高、原料适应性广、发电效率高可以实现热电联供等优点。目前固体氧化物燃料电池主要有管式和板式两种结构，二者均为电极-电解质-电极固定式“三明治”结构。但是由于电极材料与电解质材料的热膨胀系数不一致，加工过程中可能会发生断裂或者接触不良等现象导致电池欧姆阻抗增加，严重的将导致电池无法使用。另外，常规固体氧化物燃料电池的运行温度一般高于700 ^oC，而反应过程中气体的浓度在不断发生变化，因此在大型固体氧化物燃料电池中电化学反应不均将造成电池组件间产生较大的热应力，进而将电池撕裂影响装置的稳定运行同时也存在安全隐患。

标准状况下氢氧燃料电池理论发电效率可以达到83%，理论电动势为1.23V。在实际运行过程中会因为化学反应速率限制、电池界面电阻和自身存在欧姆电阻以及电极内反应物传质速率较慢等因素造成电池实际输出电压低于理论电动势，以上三个因素分别对应了燃料电池中的活化极化、欧姆极化和浓度极化损失。为了降低以上三类极化损失，相关学者提出了通过增大三相反应界面，增加电极反应活性位点以提升化学反应速率，降低电池活化极化；降低电极和电解质的厚度，探究热膨胀系数更加相近的电极和电解质材料及制备手段来减小电池欧姆极化；探究离子阻抗更小的电解质材料和活性更高的电极材料以降低电池欧姆极化和活化极化损失；对于浓度极化损失目前缺少有力的手段。而相关学者研究发现氢氧燃料电池中氢气反应活性较高，因此阴极反应为燃料电池中的决速步骤，提升阴极化学反应速率，降低极化损失有利于大幅提升电池输出性能。

CN 111697243 A公开了一种应用于固体氧化物燃料电池的阴极材料及制备方法，该发明使用静电纺丝法制备了直径为200-300nm的钙钛矿纤维，作为燃料电池的阴极材料，该阴极材料具有较高的比表面积，能够为氧气分子的裂解反应提供更多的活性位点，降低燃料电池阴极的活化极化和浓度极化，但静电纺丝法产量较低，难以实现大规模利用，而且纳米纤维难以负载在电解质表面。

CN 108091885 B公开了一种高温燃料电池阴极材料及制备方法，该发明使用钙钛矿氧化物和萤石氧化物组成的复合氧化物对本体的钙钛矿阴极进行了修饰，通过溶胶浸渍、磁控溅射等方法将修饰层制备到本体层表面，结果显示阴极材料电化学性能明显提高，但是通过制备高活性材料只能降低活化极化，对浓度极化的改善几乎无效果。

CN 108390071 B公开了一种固体氧化物燃料电池阴极表面修饰方法，该发明通过燃烧法与高温煅烧法合成镧锶钴铁靶材和GDC靶材，通过脉冲激光沉积仪在单晶衬底电解质上沉积阴极材料镧锶钴铁，并在其表面沉积纳米级别的镨铈氧化物作为表面修饰层。发现表面修饰显著提高镧锶钴铁的阴极氧还原活性，即降低阴极的活化极化，但同样对浓度极化的改善几乎没有效果，而且工艺较为复杂难以大规模利用。

CN 102324539 A公开了一种流化床电极直接碳燃料电池装置，该发明提出了一种使用碳作为燃料的流化床阳极燃料电池，但是在氢氧燃料电池中，电池决速步骤为阴极的电化学反应，因此该技术并不能适用于氢氧燃料电池。

本专利首次提出了流化床阴极固体氧化物燃料电池，从工艺的角度解决了氢氧固体氧化物燃料电池中阴极反应速率较慢的问题，同时阴极流化气体为空气，无需考虑转化率的问题，可以实现不同的流化状态，同时装置易于放大，可以提高装置的安全性和输出能力。

发明内容