[發明專利]操作高溫燃料電池堆之方法

有效

• 申請號: 201080066611.6
• 申請日: 2010-05-05
• 公開（公告）號: CN103026539B
• 公開（公告）日: 2015-08-26
• 發明（設計）人: T.海雷達-克勞森;T.羅斯特魯普-尼爾森;R.戈特魯普巴福德;P.范格亨德里克森;J.赫爾姆;J.雅各布森;J.博吉爾德漢森
• 申請（專利權）人: 赫多特普索化工設備公司;丹麥技術大學
• 主分類號: H01M8/04
• 分類號: H01M8/04;H01M8/12
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 曲寶壯;李浩

技術領域

本發明系關于操作高溫燃料電池（SOC或MCFC）堆之方法。特定言之，本發明系關于高溫固態氧化物電池堆或熔融碳酸鹽燃料電池堆之操作方法，藉由該方法獲得對電池堆中之燃料電極組件的電保護。

背景技術

燃料電池將燃料之化學能直接轉換成電。可逆性固態氧化物電池（SOC）可用作固態氧化物燃料電池（SOFC）及用作固態氧化物電解器電池（SOEC）。固態氧化物電池中之燃料電極系基于鎳及氧化釔穩定氧化鋯（Ni/YSZ）金屬陶瓷，且此組件在SOFC中被稱為陽極且在SOEC中被稱為陰極。

SOEC將水分裂成氫氣與氧氣，且所產生之氫氣可用于SOFC中。SOEC亦可能將二氧化碳分裂成一氧化碳及氧氣。此意謂蒸汽與二氧化碳之混合物之電解會產生氫氣與一氧化碳之混合物（亦稱為「合成氣體」）。

近期的發展系關于改良SOFC之效能，此系因為此等燃料電池能夠以高效率轉換廣泛多種燃料。

單一SOFC包含夾在陽極（燃料電極）與陰極（氧電極）之間的固態氧化物致密電解質，該陽極與陰極各自具有用于供應反應物之精細微孔或通道。在沿著陰極傳遞含氧氣體（諸如，空氣）時，氧分子與介于陰極與電解質之間的接口接觸，氧分子在此接口處以電化學方式還原成氧離子。此等離子擴散至電解質材料中且朝向陽極遷移，該等離子在陽極處使介于陽極與電解質之間的接口處之燃料以電化學方式氧化。燃料電池內之電化學反應給外部電路提供電。燃料電池可進一步包含具有精細微孔或通道之支撐件，該等微孔或通道可使燃料分布受控制。復數個SOFC可經由互連件串聯地連接以形成所謂的「SOFC堆」。

當SOFC在相反模式下（亦即，作為固態氧化物電解電池SOEC）操作時，將電直接轉換成燃料之化學能。與SOFC相比，在SOEC中電極之功能為相反的，亦即，SOFC之陽極在SOEC中充當陰極，且SOFC之陰極在SOEC中充當陽極。亦可將SOFC與SOEC之電極稱為燃料電極及氧電極（如前文所指示），從而指示電極之功能。

目前最先進的SOFC陽極系基于Ni及氧化釔穩定氧化鋯（Ni/YSZ）金屬陶瓷。Ni電極僅在還原狀態下為Ni粒子為活性的，而在氧化狀態下為NiO并非活性的。此外，陽極在活化之后的再氧化將造成陽極之體積擴大，從而導致電解質破裂及隨之而來的電力損失。

氧氣（例如）經由不充分密封件或經由電解質中之針孔自周圍環境及陰極擴散至陽極腔室，從而與燃料反應。若切斷SOFC系統中之燃料流，則陽極腔室處之氧氣分壓增加，且陽極之再氧化風險因此增加。

習知技術包含使用還原氣體（常常為惰性氣體、天然氣或等效物中之稀釋H₂）沖洗陽極腔室且藉此保持氧氣分壓低于臨界值之手段。典型地，在系統之加熱與冷卻期間至少在高于大約500℃之溫度下維持沖洗。

讓與給Versa?Power?System的美國專利申請案第2006/0141300號揭示增強燃料電池對再氧化之容許度之手段。

讓與給Versa?Power?System的WO專利申請案第2005/101556號公布一種用蒸汽凈化陽極腔室，藉此自Ni表面移除羰基及氧物質之方法。

Delphi?Technologies在美國專利申請案第2003/0235752號中揭示防止氧化之另一種方法。將吸氧劑材料（例如，金屬Ni）置于燃料通道中以防止氧化。

讓與給Mitsubishi?Heavy?Industries有限公司之日本申請案第2004324060號揭示一種由SOFC連同單獨的水電解裝置及H₂儲存槽組成之系統。

日本專利申請案第7006778號揭示一種方法，藉以使用電源來產生經由YSZ電解質自Ni-YSZ燃料電極至空氣電極之氧離子流，以使Ni-YSZ之NiO脫氧且減小SOFC之奧姆電阻及極化電阻。

此方法揭示在因長期操作而退化之后SOFC的恢復以便延長壽命。

美國專利申請案第2000/28362號及第2000/95469號中揭示其它方法。

需要一種簡單方法，藉以防止Ni燃料電極在該電極之完整壽命期間被氧化。

發明內容

因此，本發明之方法之目標為提供一種方法，藉以保護電池堆中之固態氧化物電池之燃料電極在其完整壽命期間不被氧化。

藉由本發明之方法達成此目標，本發明提供一種用于操作高溫固態氧化物電池堆之方法，該方法包含以下步驟：