間接式內部重組，別稱間接內部重整，是一種固體氧化物燃料電池(SOFC) 燃料重整技術。屬內部重整技術，即重整催化劑與陽極分開,以管式的 SOFC 最為常見, 蒸氣重整發生在管內,電極催化反應發生在管外。蒸氣重整的反應速率比燃料氣在電池負極的電化學反應要快得多, 因此存在熱量不匹配的問題。
基本介紹
- 中文名：間接式內部重組
- 外文名：Indirect InternalReforming
- 涉及：燃料電池
- 別稱：間接內部重整
釋義,研究進展,相關概念,直接蒸氣內部重整,燃料直接氧化,
釋義
間接式內部重組，別稱間接內部重整，是一種固體氧化物燃料電池(SOFC) 燃料重整技術。屬內部重整技術，即重整催化劑與陽極分開，以管式的 SOFC 最為常見，蒸氣重整發生在管內，電極催化反應發生在管外。蒸氣重整的反應速率比燃料氣在電池負極的電化學反應要快得多，因此存在熱量不匹配的問題。
研究進展
Aguiar 等研究了催化劑、溫度、壓力、氣體流動方式等對 IIRSOFC 系統熱匹配的影響， 結果表明， 通過改變重整催化劑活性， 同時在催化劑外層增加擴散阻擋層， 減少蒸氣重整反應的速率，使重整吸熱和負極反應放熱的匹配得到一定的改善。減小燃料進口溫度， 可以減小蒸氣重整反應速率，但電池的負極過電位變大， 電池電壓和電池效率降低， 增大操作壓力， 能夠減小甲烷燃燒速率， 降低重整氣出口溫度， 減小電池負極過電位， 並獲得較高的開路電壓， 是較為理想的方式。但由此導致不完全轉化的甲烷在 SOFC 負極內部重整， 產生溫度梯度。當空氣和燃料氣在電池內逆流流動時， 空氣的溫度沿其流動方向不斷增加， 在出口處達到最大，而空氣和燃料並流流動時， 空氣溫度存在峰值， 即在重整反應發生的地方， 空氣溫度達到最大。
Atkinson 等將可以傳導電子的陶瓷膜套用於甲烷內部氧化重整， 負極產物水蒸氣和二氧化碳通過陶瓷膜轉化為氧負離子， 與膜另一側的甲烷氣反應， 生成的氣體再進入負極進行電極反應， 陶瓷膜的使用改善了 IIR 的熱匹配。
相關概念
直接內部重組，別稱直接內容重整，是一種固體氧化物燃料電池(SOFC)燃料重整技術。屬內部重整技術，直接內部重整即重整反應發生在SOFC的負極，分為蒸氣內部重整和燃料直接氧化兩種主要方式。
直接蒸氣內部重整
即蒸氣重整與電極催化反應同在負極室內進行，重整所需要的熱量由電極反應提供。Belyaev等研究了Ni-ZrO2-CeO2負極上甲烷蒸氣重整，結果表明，負極活性穩定，且電極極化對蒸氣重整的催化活性無影響，內部重整方式要求負極材料具有良好的催化活性，因此對負極材料要求高，而且SOFC負極入口存在溫度梯度。該研究指出，採用部分外部重整和減小重整速率可以減小電池負極入口的溫度梯度。
Riensche等研究了天然氣部分預重整與內部重整結合的SOFC系統，在探討操作溫度與流量對甲烷、乙烷轉化率影響的基礎上，模擬負極氣體循環，研究了CO2對反應重整器的影響及氣體流速和溫度對甲烷轉化率的影響。研究結果表明，功率為10kW的預重整器在溫度為650e條件下，甲烷的轉化率為30%，乙烷的轉化率達到70%，C2以上的組分完全轉化，而且甲烷、乙烷的轉化率可以通過溫度和流量控制。研究負極尾氣循環進入預重整器，結果表明，甲烷的轉化率下降，因為負極尾氣中的CO2影響了催化劑的活性，要達到相同轉化率，需增加催化劑用量，且負極尾氣循環對甲烷轉化率的影響隨溫度的升高而減小，反應溫度在675e時，催化劑用量增加一倍，740e時，催化劑用量為原來的112倍。SOFC電池堆是否可以用預重整的天然氣作燃料，還需要進一步研究。
燃料直接氧化
即甲烷或其他烷烴與氧氣按一定的比例進入SOFC負極，產生電流的同時生成合成氣。許多學者對此進行了研究。目前，燃料直接氧化的陽極材料主要有Ni/YSZ陽極和摻雜稀土的CeO2陽極兩大類。Ishihara等比較了以甲烷為燃料，不同電解質的SOFC電化學特性，認為以LaGaO3為電解質的SOFC性能最好。甲烷進入負極，開路時會發生甲烷偶聯，短路時生成CO和H2。以LaGaO3為電解質的SOFC產生電流大小與甲烷部分氧化活性大小，都在於電解質傳導氧負離子的能力。當SOFC以Sr、Mg摻雜的LaGaO3為電解質，以Ni為負極、LaSrCoO3為正極，在甲烷/氧氣比為4時，最大功率可達336mW/cm2。
Abudula等以純甲烷氣進入SOFC負極進行研究，認為甲烷在負極(Ni/YSZ)直接氧化為CO2，其反應機理是甲烷在電池負極裂解為C和H2，在低電流密度情況下C在NiYSZ邊界與O2反應生成CO，在高電流密度情況下則生成CO2和H2O。同時研究了負極層厚度、NiO粒度、甲烷濃度及操作溫度對負極過電位的影響，以H2為燃料的SOFC和以CH4為燃料的SOFC的負極層厚度為120Lm和70Lm時，負極過電位最小，負極過電位隨NiO粒度的減小而降低，CH4濃度的變化對SOFC的IV特性沒有太大的影響，但是電流密度隨CH4濃度的增加而增加。降低操作溫度，電池負極過電位增加，電流密度減小，但會使CH4向CO2轉變，因此，低溫有利於提高燃料效率，還可以減少積炭，甲烷氧化為CO2的控制步驟是表面反應步驟。當燃料為含碳量較高的碳氫燃料時，SOFC的負極會形成嚴重積炭，添加CeO2等稀土材料可提高負極的抗積炭性，但操作溫度高達1000e時才會起作用，此時電流密度相對較小。
