[发明专利]燃料电池的改进或涉及燃料电池的改进

说明书

当前的技术状态：

众所周知的是，烃燃料比如丙烷通过采用亚化学计量量 (sub-stoichiometric amount)的空气氧化该烃-比如通过使用催化部分氧化 (CPOX)转化器而被转化为含有氢、一氧化碳和氮的合成气。在小规模应用 中，这优先在贵金属催化剂上进行，以确保气态产物的形成优先碳的形成。 所得的合成气可以被用作固体-氧化物燃料电池用的燃料。

合成气中的一氧化碳可以或通过与水蒸气的反应而在水煤气变换反应 (WGS)中被转化成二氧化碳和氢，或可以在燃料电池的阳极直接被电化学 氧化成二氧化碳。

所有的燃料电池都将在基于氢进行运行，而一些燃料电池技术比如固 体氧化物燃料电池(SOFC)也可以基于一氧化碳或氢一氧化碳混合物而运 行。然而，大部分的燃料电池基于氢的运行效率比基于一氧化碳的运行效 率高。

现有技术的固体氧化物燃料电池和燃料电池组典型地在700-1000℃ 的范围内运行。在这些条件下，一氧化碳通过由燃料电池阳极所催化的水 煤气变换反应以及直接电化学氧化反应这两者的内部消耗是可行的。在这 些技术中，在燃料电池阳极之内的内部转化的温度在接近于燃料电池的温 度比如约800℃发生，并且燃料电池阳极通常是大于100微米厚的厚膜。

在US 2002/0031695的[193]中，公开了在阳极正压室(plenum)的流场 中使用甲醇转化催化剂，以实现内部转化(即，在燃料电池中)，并且涉及 液体/膏状电解质燃料电池在低温运行的引用文献。尽管它没有陈述，但是 对于内部发生明显转化，这必需依赖于水/水蒸气的供给，同时存在全部的 相关的缺陷，比如需要水供给、泵、控制系统和它们的相关成本。

现有技术还表明，基于使用不纯的氢燃料的系统的燃料电池对于内部 或外部转化的优选选择。当燃料在电池组的外部被转化为合成气时，发生 外部转化。当燃料在电池组的内部，通常在燃料电池阳极上或非常靠近燃 料电池阳极的地方，转化时，发生内部转化。每一种方法都存在有利之处 和不利之处，对于内部转化的通常论点在于它更容易，使得系统的部件更 少并且效率更高。本领域技术人员已知，完全内部转化在转化工艺中需要 使用相当大量的能量，并且在能够使用内部转化有效的控制系统要求的同 时，存在化学能和热能的折衷。内部转化带来了燃料电池材料的选择、集 成和用于开启、动态运行和闭合的系统控制挑战。

其它现有技术包括US 5340664、GB2405028、US 4374184、US 4454207 和US 2001/0010873。

使用外部CPOX转化器并不是没有它的限制。例如在中温的燃料电池 组之内，不仅所得转化物流在来自供给至转化器的空气的氮的存在下变得 更稀，而且当温度降低为低于700℃时，总是存在下游转化器碳沉积的危 险。

同样，WGS反应器的使用，正如其名称所表明的那样，需要将水供给 到反应位置，以使得一氧化碳和水可以变换为二氧化碳和氢。

本发明涉及中温固体氧化物燃料电池(SOFC)，其中富含一氧化碳的 燃料从合适的直接源例如用户(民用)煤气供给至电池，或间接从燃料电池 外部转化的烃源供给至电池。

本发明的一个方面提供一种对中温固体氧化物燃料电池加燃料的方 法，所述方法包括如下步骤：富含一氧化碳的燃料在阳极区域中接触水煤 气变换反应催化剂，使得由于燃料中的残留水和/或在阳极产生的水蒸气的 存在而发生水煤气变换反应之后，将该燃料提供至燃料电池的阳极区域。

应当理解，所述方法在不需要外部供给水或水蒸气的情况下操作，这 是由于燃料或是直接供给的富含一氧化碳的燃料(例如，民用煤气)或是已经通过CPOX转化而被基本上转化的烃燃料，因而不需要大量的水的缘 故。因此，存在电池的一些内部WGS，但这与高温SOFC形成对比，在 高温SOFC中，在如上所述的必要的外部水/水蒸气供给的情况下，在电池 内部进行完全的转化。WGS反应与在450-650℃、优选500-650℃的范围 内的燃料电池反应范围是紧密地热匹配的。WGS反应在阳极或电池固有 物(阳极/电解质/阴极)中基本上不发生。