目前商用SOFC大多采用含镍(Ni)的阳极载体,如Ni/YSZ,而Ni也是商用水蒸气重整催化剂的主要催化成分,因此,天然气可以在电堆阳极实现直接内重整,而不需要使用外置重整器,降低了系统的运营成本。DIR的优点之一是电极上电化学反应产生的热量和欧姆热可以直接用于吸热重整反应,由于H
2电化学氧化反应产生的热和水蒸气被直接用于吸热的SR过程,系统的热整合将提高,减少了电堆降温所需的阴极循环空气
[13,14,15],也因此降低了空气鼓风机的功率消耗
[16,17,18]。对于ER-SOFC系统,对电堆降温的唯一方式是增加阴极空气流量,大约是化学计量的7.7倍
[17],而在DIR-SOFC系统中,空气用量只比化学计量多3.5 ~ 4倍。这表明ER需要用DIR两倍流量的额外空气,因此从系统效率角度来看DIR是非常有利的。此外,DIR配置中,由于电化学反应导致的H
2逐步消耗使重整反应产物的分压降低,反应同时生成了H
2O,提高了重整反应物浓度,两者共同推动SR的进行。但DIR的缺点在于存在热梯度。使用当前的SOFC技术,内部水蒸气重整比电化学反应快得多,这主要是由于保证高电导率而使用的高Ni含量导致的。结果是水蒸气重整大多发生在燃料入口处,使入口温度降低,引入较大的温度梯度会引起热应力和降低功率密度,甚至导致电堆失效
[14,16,19]。如
图1,CH
4的DIR反应主要发生在电堆阳极多孔材料靠近流动管道的薄层内,只有靠近管道入口处才能在较深处进行。而电化学反应发生在多孔层与电解质的界面处,SR生成的H
2、CO需扩散到多孔材料底部参加电化学反应
[20]。模拟结果显示,在燃料入口附近,DIR-SOFC的温度梯度要远大于ER-SOFC。对于DIR-SOFC,温度梯度分别为6 600℃/m和5 500℃/m,急剧降低,随后缓慢降至出口处约100℃/m。对于ER-SOFC,温度梯度在入口处0 <
x < 0.02 m范围内变化较大,随后缓慢降低,而当
x > 0.04 m时,两者温度梯度则基本稳定在50℃/m
[21]。