[发明专利]固体氧化物燃料电池的电阳极还原

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于使燃料电池、特别是固体氧化物燃料电池的阳极还原的改进方法。该改进方法特别地涉及在不施加还原吹扫气体（purge gas）的情况下、即在环境空气环境中的固体氧化物燃料电池的电阳极还原。此外，本发明涉及固体氧化物燃料电池堆。

背景技术

燃料电池是一种使燃料与氧化剂进行电化学反应以产生直流的能量转换装置。燃料电池包括阴极、电解质和阳极，其中，例如空气的氧化剂被馈送到阴极，并且例如氢气的燃料被馈送到阳极。电解质将氧化剂和燃料分离并允许反应物的离子传送。

在固体氧化物燃料电池的典型概念中，氧离子在存在诸如空气的氧化剂的情况下在阴极上形成。氧离子通过电解质扩散并在阳极侧重新组合，与来自燃料的氢气产生水。当此重新组合发生时，电子被释放，并且因此产生电能。

为了实现高电输出，将若干个燃料电池借助于互连部件（即互连器）电学且机械地相互连接。使用互连器，能够将燃料电池相互堆叠于顶部上并串联地电连接，以便提供所谓的燃料电池堆。电池堆的这些基本部件、即阴极、电解质、阳极和互连器必须被如此组装，使得它们始终以良好的电接触保持在一起以便减少欧姆损耗。另外，可以在层之间放置垫圈/密封以防止由燃料电池所使用的气体的不期望泄漏。

将固体氧化物燃料电池（SOFC）与其他类型的燃料电池相区别的主要特征是其全固体设计及其高操作温度。由于此高操作温度，与SOFC的常用陶瓷材料组合，材料的匹配以及到不同堆元件的结合是关键的，因为在使温度从环境温度改变成操作温度时能够产生热应力。

当前，将两个基本堆构造用于SOFC，即平面电池堆和管状电池堆/包。在两个设计中，堆的机械完整性和燃料电池与互连子组件之间的电接触通常通过直接机械压缩而发生。为了增强电极与互连之间的接触，已知的是使用诸如高温玻璃和水泥的密封材料，以便将材料粘合在一起。

固体氧化物燃料电池的阳极可以包含当生产燃料电池时以其氧化物状态存在的镍或其他金属。在燃料电池的操作之前，有必要将诸如镍氧化物的金属氧化物还原至其金属状态，以便使燃料电池或燃料电池堆有效地操作。在还原处理期间，镍氧化物被还原成镍，换言之，阳极电极中的镍的至少一部分采取镍氧化物的形式，并且镍氧化物的至少一部分在还原处理期间被还原成镍。

在诸如US 2006/0222929 A1的现有技术中，公开了通过在向燃料电池阳极侧提供诸如氮气、氢气或氩气的气体并在燃料电池阴极侧上提供诸如空气的含氧气体的同时在反向电流方向上向堆中的每个燃料电池施加外部电压来将固体氧化物燃料电池的阳极侧进行电化学还原。在还原过程期间，燃料电池可以在其正常设计的操作温度、诸如800℃至900℃下进行操作。

并且JP 2008034305公开了一种固体氧化物燃料电池的阳极还原方法。吹扫气体被发送到固体氧化物燃料电池的阳极的燃料通道侧，在向阴极的氧化剂通道侧发送氧化剂气体的同时将反向电流发送到固体氧化物燃料电池，并且从而将阳极中的催化剂金属的氧化物进行电化学还原。

虽然固体氧化物燃料电池的阳极还原的现有技术方法可能是有效的，但它们是麻烦、昂贵且对环境有害的。两种不同气体到燃料电池的阴极侧和阳极侧的施加在使阳极还原的同时分别要求安装气体歧管。必要的还原气体是昂贵的，并且进一步需要从过程中将其去除，从而具有随后的环境后果。并且，需要谨慎地处理该过程并遵循安全指南，因为气体是易燃的。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于将固体氧化物燃料电池的阳极还原的新方法，其克服了与现有技术固体氧化物燃料电池阳极还原有关的问题中的至少一些。

本发明的另一目的是在环境空气环境中、即在不使用还原吹扫气体的情况下提供固体氧化物燃料电池的电阳极还原。

本发明的另一特定目的是提供固体氧化物燃料电池堆的电阳极还原，其能够在该堆正在经历组合的热和压强处理的同时对该堆执行，以确保堆部件的组装之后的该堆的层之间的密封和接触（“诞生”）。

本发明的又一目的是提供一种固体氧化物燃料电池系统，其在与现有技术相比较不麻烦、高效、经济且更加环境友好的过程中被阳极还原。

在这方面中，本发明涉及一种用于至少一个固体氧化物燃料电池的电阳极还原方法，所述至少一个固体氧化物燃料电池至少包括阳极、阴极和介入的电解质，以及互连器，其被组装以形成组装固体氧化物燃料电池。