一种离散涂布阳极的固体氧化物燃料电池及工作方法技术

本发明专利技术公开了一种离散涂布阳极的固体氧化物燃料电池及工作方法，固体氧化物燃料电池包括阳极层、电解质、阴极层。其中，阳极层分为阳极支撑层和阳极功能层。阳极支撑层分为阳极支撑层催化区和非催化区。阳极支撑层催化区和非催化区离散地涂布在阳极功能层上。本发明专利技术利用碳氢燃料蒸汽重整吸热和电化学反应放热的特点，将电池阳极支撑层设计为催化区和非催化区交错的离散结构，控制重整反应发生在阳极支撑层催化区，进而控制温度场分布，使得温度场分布更加均匀。该种电极结构也可以应用于阳极支撑、电解质支撑和阴极支撑的固体氧化物燃料电池。电池。电池。

【技术实现步骤摘要】
一种离散涂布阳极的固体氧化物燃料电池及工作方法


[0001]本专利技术属于燃料电池温度控制
，涉及一种离散涂布阳极的固体氧化物燃料电池及工作方法。

技术介绍

[0002]固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种高效、全固态、燃料灵活的高温燃料电池，可以直接使用碳氢化合物燃料，在分布式能源和热电联供领域具有重要的应用前景。碳氢燃料在阳极发生吸热的重整反应和放热电化学反应，重整反应主要发生在厚度约为150μm的区域，在阴极也存在放热的电化学反应。这些热量被燃料和空气的流动带走，沿电池流向形成温度梯度。目前，无论是并流、逆流、交叉流固体氧化物燃料电池，都存在很大的温度梯度，其最大温差可以达到100
‑
300℃。温度场的不均匀性都会使SOFC热应力过大而引起电极开裂，使其性能衰退。
[0003]目前，降低固体氧化燃料电池的温度梯度，提高温度场均匀性可以采用提高空气侧流量、优化电池几何尺寸以及操作条件等方法，但是仍然存在较大的温度场不均匀性。当阳极以碳氢混合物作为燃料时，燃料在阳极支撑层的发生连续的重整反应使得入口附近温度持续降低。在阳极沟道中下游，碳氢燃料由于重整被消耗完，电化学反应放热使得温度持续升高；综上所述，现有固体氧化燃料电池的温度场分布不均匀，导致对电池热应力损伤严重的问题。

技术实现思路

[0004]针对现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种离散涂布阳极的固体氧化物燃料电池，从而提高固体氧化物燃料电池温度场的均匀性，减小电池热应力损伤。
[0005]本专利技术是通过以下技术方案来实现：
[0006]一种离散涂布阳极的固体氧化物燃料电池，包括，阳极流道、阳极支撑层，阳极功能层、电解质层、阴极层和阴极流道；所述阳极支撑层包括阳极支撑层催化区和阳极支撑层非催化区；
[0007]所述阳极流道与阳极支撑层催化区和阳极支撑层非催化区连接，所述阳极支撑层催化区和阳极支撑层非催化区涂布在阳极功能层上，所述阳极功能层和阴极层分别涂布与电解质层的两面；所述阴极流道与阴极层连接；所述阳极支撑层催化区和阳极支撑层非催化区离散地涂布在阳极功能层上；所述阳极流道的一侧设置有阳极入口，所述阳极流道的另一侧设置有阳极出口；所述阴极流道的一侧设置有阴极入口，所述阴极流道的另一侧设置有阴极出口。
[0008]优选的，所述固体氧化物燃料电池的阳极燃料为碳氢燃料。
[0009]优选的，所述阳极支撑层催化区和阳极支撑层非催化区为多孔介质。
[0010]优选的，多孔介质的固体物质为离子导体和电子导体的混合物，混合物包括Ni
‑
YSZ或Ru
‑
YSZ；所述电子导体为催化碳氢燃料重整的催化剂。
[0011]优选的，所述阳极支撑层催化区与阳极支撑层非催化区交错排布，其中阳极支撑层催化区的区域沿着燃料的流动方向逐渐变宽。
[0012]优选的，所述阳极支撑层非催化区涂布有多孔泡沫金属；其中，多孔泡沫金属采用Al或Cu材料。
[0013]优选的，所述阳极流道和阴极流道的流动方向为并流配置。
[0014]优选的，所述固体氧化物燃料电池为阳极支撑型、电解质支撑型和阴极支撑型。
[0015]优选的，所述阳极功能层的厚度为3～20μm；所述阳极支撑层的厚度为150～400μm。
[0016]一种离散涂布阳极的固体氧化物燃料电池的工作方法包括，
[0017]空气通过阴极流道的阴极入口进入阴极层发生还原反应并放热后，反应产物再通过阴极流道的阴极出口流出；碳氢燃料通过阳极流道的阳极入口进入，在第一个阳极支撑层催化区发生重整反应产生氢气并吸热，氢气在阳极功能层发生电化学反应并放热；随后碳氢燃料流经第一个阳极支撑层非催化区，进行电化学反应放热，温度回升，随后碳氢燃料又流经第二个阳极支撑层催化区，发生重整反应和电化学反应，温度降低，又流经第二个阳极支撑层非催化区进行电化学反应放热，温度回升，如此循环，直至到达阳极流道的阳极出口流出。
[0018]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：
[0019]本专利技术提供一种离散涂布阳极的固体氧化物燃料电池及工作方法，包括阳极层、电解质、阴极层，其中，阳极层分为阳极支撑层和阳极功能层。阳极支撑层分为阳极支撑层催化区和阳极支撑层非催化区。阳极支撑层催化区和非催化区离散地涂布在阳极功能层上。本专利技术利用碳氢燃料蒸汽重整吸热和电化学反应放热的特点，将电池阳极支撑层设计为催化区和非催化区交错的离散结构，控制重整反应发生在阳极支撑层催化区，进而控制温度场分布，使得温度场分布更加均匀，从而提高固体氧化物燃料电池温度场的均匀性，减小电池热应力损伤。传统的阳极碳氢燃料在阳极上游会被快速消耗完，下游的催化剂没有充分参与催化反应，因此对于重整反应来说阳极的催化剂是过剩的。本专利技术通过离散涂布阳极支撑层催化区，减少阳极催化剂用量，但仍可以使燃料利用率达到要求。其次，传统固体氧化物燃料电池主要靠增加阴极流量提高温度均匀性，但是增加阴极流量会增加阴极的流阻，需要更高功率的空气压缩机，而且电池仍然存在较大温度梯度。而本专利技术通过改变电极的结构来提升温度均匀性，不改变原有配套设备的配置，更加便捷。
[0020]进一步，本专利技术的电极支撑层非催化区材料为电子导体的泡沫金属，几乎不会增加电池的内阻。固体氧化物燃料电池的离子传导和电化学反应主要发生在阳极功能层，本专利技术仅针对阳极支撑层，不改变阳极功能层，因此不会增加电池的离子传导阻力和改变电化学反应性能。
[0021]进一步，本专利技术通过调控重整反应发生的位置，使的电化学反应放出的热量与重整反应吸收的热量相互抵消，精细调控温度场，会比传统电池温度场分布更加均匀。
附图说明
[0022]图1为本专利技术的结构示意图。
[0023]图中：1为阳极流道、2为阳极支撑层催化区、3为阳极支撑层非催化区、4为阳极入
口、5为阳极功能层、6为电解质层、7为阴极层、8为阴极入口、9为阴极流道、10为阴极出口、11为阳极出口。
具体实施方式
[0024]下面结合具体的实施例对本专利技术做进一步的详细说明，所述是对本专利技术的解释而不是限定。
[0025]为了使本
的人员更好地理解本专利技术方案，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本专利技术保护的范围。
[0026]除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本专利技术的
的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本专利技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本专利技术。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
[0027]优选的实施方式如下：
[0028]本专利技术所述的离散涂布阳极的固体氧化物燃料电池本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种离散涂布阳极的固体氧化物燃料电池，其特征在于，包括，阳极流道(1)、阳极支撑层，阳极功能层(5)、电解质层(6)、阴极层(7)和阴极流道(9)；所述阳极支撑层包括阳极支撑层催化区(2)和阳极支撑层非催化区(3)；所述阳极流道(1)与阳极支撑层催化区(2)和阳极支撑层非催化区(3)连接，所述阳极支撑层催化区(2)和阳极支撑层非催化区(3)涂布在阳极功能层(5)上，所述阳极功能层(5)和阴极层(7)分别涂布与电解质层(6)的两面；所述阴极流道(9)与阴极层(7)连接；所述阳极支撑层催化区(2)和阳极支撑层非催化区(3)离散地涂布在阳极功能层(5)上；所述阳极流道(1)的一侧设置有阳极入口(4)，所述阳极流道(1)的另一侧设置有阳极出口(11)；所述阴极流道(9)的一侧设置有阴极入口(8)，所述阴极流道(9)的另一侧设置有阴极出口(10)。2.根据权利要求1所述的一种离散涂布阳极的固体氧化物燃料电池，其特征在于，所述固体氧化物燃料电池的阳极燃料为碳氢燃料。3.根据权利要求1所述的一种离散涂布阳极的固体氧化物燃料电池，其特征在于，所述阳极支撑层催化区(2)和阳极支撑层非催化区(3)为多孔介质。4.根据权利要求3所述的一种离散涂布阳极的固体氧化物燃料电池，其特征在于，多孔介质的固体物质为离子导体和电子导体的混合物，混合物包括Ni
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YSZ或Ru
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YSZ；所述电子导体为催化碳氢燃料重整的催化剂。5.根据权利要求1所述的一种离散涂布阳极的固体氧化物燃料电池，其特征在于，所述阳极支撑层催化区(2)与阳极支撑层非催化区(3)交...

【专利技术属性】
技术研发人员：李国君，李强强，薛顶喜，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：