[發明專利]燃料電池的改進或涉及燃料電池的改進

有效

• 申請號: 200880014284.2
• 申請日: 2008-05-01
• 公開（公告）號: CN101687190A
• 公開（公告）日: 2010-03-31
• 發明（設計）人: 羅伯特·利婭;卡里姆·埃爾庫里;馬丁·施密特
• 申請（專利權）人: 塞瑞斯知識產權有限公司
• 主分類號: B01J37/02
• 分類號: B01J37/02;C01B3/02;C01B3/12;C01B3/16;H01M4/86;H01M8/02;H01M8/12
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司
• 代理人: 陳 平

當前的技術狀態：

眾所周知的是，烴燃料比如丙烷通過采用亞化學計量量 (sub-stoichiometric?amount)的空氣氧化該烴-比如通過使用催化部分氧化 (CPOX)轉化器而被轉化為含有氫、一氧化碳和氮的合成氣。在小規模應用 中，這優先在貴金屬催化劑上進行，以確保氣態產物的形成優先碳的形成。 所得的合成氣可以被用作固體-氧化物燃料電池用的燃料。

合成氣中的一氧化碳可以或通過與水蒸氣的反應而在水煤氣變換反應 (WGS)中被轉化成二氧化碳和氫，或可以在燃料電池的陽極直接被電化學 氧化成二氧化碳。

所有的燃料電池都將在基于氫進行運行，而一些燃料電池技術比如固 體氧化物燃料電池(SOFC)也可以基于一氧化碳或氫一氧化碳混合物而運 行。然而，大部分的燃料電池基于氫的運行效率比基于一氧化碳的運行效 率高。

現有技術的固體氧化物燃料電池和燃料電池組典型地在700-1000℃ 的范圍內運行。在這些條件下，一氧化碳通過由燃料電池陽極所催化的水 煤氣變換反應以及直接電化學氧化反應這兩者的內部消耗是可行的。在這 些技術中，在燃料電池陽極之內的內部轉化的溫度在接近于燃料電池的溫 度比如約800℃發生，并且燃料電池陽極通常是大于100微米厚的厚膜。

在US?2002/0031695的[193]中，公開了在陽極正壓室(plenum)的流場 中使用甲醇轉化催化劑，以實現內部轉化(即，在燃料電池中)，并且涉及 液體/膏狀電解質燃料電池在低溫運行的引用文獻。盡管它沒有陳述，但是 對于內部發生明顯轉化，這必需依賴于水/水蒸氣的供給，同時存在全部的 相關的缺陷，比如需要水供給、泵、控制系統和它們的相關成本。

現有技術還表明，基于使用不純的氫燃料的系統的燃料電池對于內部 或外部轉化的優選選擇。當燃料在電池組的外部被轉化為合成氣時，發生 外部轉化。當燃料在電池組的內部，通常在燃料電池陽極上或非常靠近燃 料電池陽極的地方，轉化時，發生內部轉化。每一種方法都存在有利之處 和不利之處，對于內部轉化的通常論點在于它更容易，使得系統的部件更 少并且效率更高。本領域技術人員已知，完全內部轉化在轉化工藝中需要 使用相當大量的能量，并且在能夠使用內部轉化有效的控制系統要求的同 時，存在化學能和熱能的折衷。內部轉化帶來了燃料電池材料的選擇、集 成和用于開啟、動態運行和閉合的系統控制挑戰。

其它現有技術包括US?5340664、GB2405028、US?4374184、US?4454207 和US?2001/0010873。

使用外部CPOX轉化器并不是沒有它的限制。例如在中溫的燃料電池 組之內，不僅所得轉化物流在來自供給至轉化器的空氣的氮的存在下變得 更稀，而且當溫度降低為低于700℃時，總是存在下游轉化器碳沉積的危 險。

同樣，WGS反應器的使用，正如其名稱所表明的那樣，需要將水供給 到反應位置，以使得一氧化碳和水可以變換為二氧化碳和氫。

本發明涉及中溫固體氧化物燃料電池(SOFC)，其中富含一氧化碳的 燃料從合適的直接源例如用戶(民用)煤氣供給至電池，或間接從燃料電池 外部轉化的烴源供給至電池。

本發明的一個方面提供一種對中溫固體氧化物燃料電池加燃料的方 法，所述方法包括如下步驟：富含一氧化碳的燃料在陽極區域中接觸水煤 氣變換反應催化劑，使得由于燃料中的殘留水和/或在陽極產生的水蒸氣的 存在而發生水煤氣變換反應之后，將該燃料提供至燃料電池的陽極區域。

應當理解，所述方法在不需要外部供給水或水蒸氣的情況下操作，這 是由于燃料或是直接供給的富含一氧化碳的燃料(例如，民用煤氣)或是已經通過CPOX轉化而被基本上轉化的烴燃料，因而不需要大量的水的緣 故。因此，存在電池的一些內部WGS，但這與高溫SOFC形成對比，在 高溫SOFC中，在如上所述的必要的外部水/水蒸氣供給的情況下，在電池 內部進行完全的轉化。WGS反應與在450-650℃、優選500-650℃的范圍 內的燃料電池反應范圍是緊密地熱匹配的。WGS反應在陽極或電池固有 物(陽極/電解質/陰極)中基本上不發生。