[发明专利]利用燃料电池产生电力的方法

说明书

技术领域

本发明涉及产生电力的燃料电池系统，且涉及一种用于产生电力的方法。具体地说，本发明涉及关于一种产生电力的固态氧化物燃料电池系统及一种使用该系统产生电力的方法。

背景技术

固态氧化物燃料电池为包含直接从电化学反应产生电力的固态组件的燃料电池。这种燃料电池为有用的，因为其提供高品质的可靠电力，操作时洁净，且为相对紧凑的发电机，从而使得其在市区的应用十分有吸引力。

固态氧化物燃料电池由阳极、阴极及夹在阳极与阴极之间的固态电解质形成。可氧化燃料气体或可在燃料电池中重整为可氧化燃料气体的气体被馈送至阳极，且含氧气体(通常为空气)被馈送送至阴极以提供化学反应物。馈送送至阳极的可氧化燃料气体通常为合成气(可氧化组份氢气与一氧化碳分子的混合物)。在通常为650℃至1000℃的高温下操作燃料电池，以将含氧气体中的氧气转化成氧离子，氧离子可越过电解质与来自阳极处的燃料气体的氢气和/或一氧化碳相互作用。电力由阴极处氧气至氧离子的转化及阳极处氧离子与氢气和/或一氧化碳的化学反应产生。以下反应描述电池中的产生电力的化学反应：

阴极电荷转移：O₂+4e^-→2O^＝

阳极电荷转移：H₂+O^＝→H₂O+2e^-及

              CO+O^＝→CO₂+2e^-

电负载或储存设备可连接于阳极与阴极之间，以使得电流可在阳极与阴极之间流动，从而为电负载供电或将电力提供至储存设备。

燃料气体通常由蒸汽重整反应器供应至阳极，蒸汽重整反应器将低分子量烃及蒸汽重整成氢气及碳氧化物。甲烷(例如天然气中)为用于产生用于燃料电池的燃料气体的优选低分子量烃。或者，燃料电池阳极可经设计以在内部实现供应至燃料电池的阳极的诸如甲烷的低分子量烃与蒸汽的蒸汽重整反应。

甲烷蒸汽重整根据以下反应提供含有氢气及一氧化碳的燃料气体：通常，蒸汽重整反应在可有效地将相当大量甲烷及蒸汽转化成氢气及一氧化碳的温度下进行。此外，可在蒸汽重整反应器中由在水煤气变换反应中将蒸汽及一氧化碳转化成氢气及二氧化碳来实现氢气产生。在水煤气变换反应中根据以下反应形成氢气及二氧化碳：然而，在用于将燃料气体供应至固态氧化物燃料电池的常规操作的蒸汽重整反应器中，由于蒸汽重整反应器在极为有利于由蒸汽重整反应产生一氧化碳及氢气且不利于由水煤气变换反应产生氢气及二氧化碳的温度下操作，故很少有氢气由水煤气变换反应产生。可在燃料电池中氧化一氧化碳以提供电能，而二氧化碳则不能被氧化，因此，在有利于将烃及蒸汽重整为氢气及一氧化碳且不利于将一氧化碳及蒸汽变换反应为更多氢气及二氧化碳的温度下进行重整反应通常被接受为提供用于燃料电池的燃料的优选方法。通常由外部或内部蒸汽重整而供应至阳极的燃料气体因此含有氢气、一氧化碳、少量二氧化碳、未反应的甲烷以及为蒸汽的水。

然而，与更纯净的氢气燃料气体流相比，含有诸如一氧化碳的非氢化合物的燃料气体对于在固态氧化物燃料电池中产生电力而言其效率较低。在给定温度下，可在固态氧化物燃料电池中产生的电力随着氢气浓度增加而增加。这归因于氢气分子相对于其它化合物的电化学氧化电位。例如，在0.7伏特下氢气分子可产生1.3W/cm²的电力密度，而在0.7伏特下一氧化碳仅可产生0.5W/cm²的电力密度。因此，含有相当大量非氢化合物的燃料气体流在固态氧化物燃料电池中的电力产生方面不如主要含有氢气的燃料气体有效。

然而，在商业上固态氧化物燃料电池通常以“贫氢”模式操作，其中例如由蒸汽重整产生燃料气体的条件经选定以限制燃料气体中退出燃料电池的氢气量。进行此操作以平衡燃料气体中氢气的电能电位与由离开电池的未转化成电能的氢气损失的电位能(热+电化学)。