【文章信息】
集成SOFC甲烷重整反应器的双耦合效应实现高效电气共生
第一作者：范东杰
通讯作者：董德华，邵宗平
单位：济南大学，南京工业大学
【研究背景】
固体氧化物燃料电池（SOFC）能够直接使用碳氢燃料（比如天然气）发电。虽然有研究演示直接甲烷SOFC进行电气共生的可行性，但是很少有合成气产率报道。
这是由于现有阳极无法实现对甲烷的高效稳定重整，甲烷重整反应在阳极中受到传质，催化活性和积碳等限制。
本篇文章展示了将传统催化剂床反应器集成于阳极支撑体中实现甲烷重整反应和燃料电化学氧化反应间的材料耦合和热耦合，达到高效稳定的电气共生。通过和传统SOFC的比较，证明耦合效应对电气共生的重要影响。
【文章简介】
本文中，来自济南大学的董德华教授与南京工业大学大学的邵宗平教授合作，在国际知名期刊Applied Catalysis B: Environmental上发表题为“A microchannel reactor-integrated ceramic fuel cell with dual-coupling effect for efficient power and syngas co-generation from methane”的文章。
该文章展示了甲烷重整反应器和SOFC集成实现甲烷重整反应与燃料电化学氧化反应间材料和热的双耦合，进行高效的电气共生，实现零排放的天然气发电。
图1. 集成的SOFC甲烷重整反应器实现天然气发电零排放。
【本文要点】
要点一：集成的SOFC甲烷重整反应器
甲烷SOFC常采用外重整和内重整解决阳极积碳的问题，外重整增加系统的复杂性和运行成本，内重整催化剂的使用减少阳极的反应活性位点。
本文章将高效催化剂床反应器集成于常用的Ni基阳极支撑体中，拉近甲烷重整反应和燃料电化学氧化反应间的距离。甲烷重整反应是个吸热反应，利用燃料氧化产物水和CO2进行甲烷重整，生产合成气；合成气作为阳极产物气体排出或者阳极反应燃料到达阳极/电解质反应界面，进行电化学氧化反应，同时放出热量。
两个反应在阳极内实现材料和热双耦合，提高反应速率和能量效率，避免阳极内出现温度梯度而破坏电池。
图2. 集成的SOFC甲烷重整反应器中甲烷重整反应和燃料电化学氧化反应间的热耦合和材料耦合效应。
要点二：构建SOFC重整反应器
采用改进相转变法制备Ni基阳极支撑体，絮凝剂和溶剂之间的对流形成树枝状孔道结构。树枝状孔道沿着支撑体截面方向排列，从阳极表面到阳极/电解质界面，孔径从80微米逐渐变小到1~2微米。
这样的梯度结构正好满足了阳极支撑体支撑电解质薄膜、气体传输和界面处提供反应三相界面的多功能需要。
图3. SOFC阳极支撑体的树枝状孔道结构：a)，三维结构；b)，断面；c)，三维断面；d)树枝状孔道结构。
采用静电纺丝制备Ni/Al2O3-CeO2纤维状催化剂，将纤维催化剂加载到微通道中形成催化剂床，实现重整反应器与SOFC的集成。
图4. Ni/Al2O3-CeO2纤维状催化剂装载到SOFC阳极支撑体树枝状孔道中。
要点三：重整反应器对电气共生性能的影响
利用微重整反应器对进入阳极的甲烷进行重整，将甲烷转换效率提高1倍，保持在电池在高电流放电下的合成气选择性80%以上，合成气产率提高到3.3倍。
高和合成气产率提高电池的最大功率密度25%。合成气中H2/CO维持在2左右，有利于后续采用F-T过程合成液体燃料，比如甲醇。
图4. 催化剂床微反应器对SOFC反应器电气共生性能的影响。
要点四：前瞻
集成的SOFC反应器利用反应间的耦合，提高反应速率和能量效率，简化工业过程设计，在其他使用固体氧化物电池进行能源转化领域中有较好的应用前景。A microchannel reactor-integrated ceramic fuel cell with dual-coupling effect for efficient power and syngas co-generation from methane
【文章链接】
https://authors.elsevier.com/sd/article/S0926-3373(21)00569-5
原文刊载于【科学材料站】公众号
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