[发明专利]气体发生器和将燃料转化成为贫氧气体和/或富氢气体的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种气体发生器，用于将燃料转化成贫氧气体(保护气体)和/或富氢气体(还原性气体)。该气体发生器，其能够用于需要贫氧气体和/或富氢气体的任何方法中，优选用于产生保护气体或者还原性气体，该气体用于启动，关闭或者紧急关闭固体氧化物燃料电池(SOFC)或者固体氧化物电解电池(SOEC)。本发明另外涉及将燃料转化成为贫氧气体和/或富氢气体的方法。

在本申请中，术语“贫氧气体”或者“保护气体”表示燃烧方法的烟道气，其中的氧气已经基本除去。因此，保护气体主要是蒸汽(即水蒸气（steam）)，氮气和二氧化碳的混合物。另一方面，术语“富氢气体”或者“还原性气体”表示合成气，其中的一氧化碳已经基本除去。因此，还原性气体主要是蒸汽，氮气，氢气和二氧化碳的混合物。

背景技术

燃料电池直接将燃料的化学能转化为电能。最近的进展涉及到SOFC性能的提高，因为这些燃料电池能够高效转化广泛的多种燃料。

单个SOFC包含夹入阳极(燃料电极)和阴极(氧气电极)之间的固体氧化物稠密电解质，所述的阳极和阴极每个具有细孔或者通道，用于供给反应物。通过使得含氧气体例如空气沿着阴极通过，氧气分子与阴极/电解质界面接触，在这里它们被电化学还原成为氧离子。这些离子扩散到电解质材料中，并且朝着阳极迁移，在这里它们对阳极/电解质界面处的燃料进行了电化学氧化。燃料电池中的电化学反应为外部电路提供了电能。该燃料电池可以进一步包含具有细孔或者通道的载体，其能够控制燃料的分布。多个SOFC可以经由互连来串联连接，形成所谓的“SOFC堆”。

SOFC可以反向运行，即，作为电解电池(SOEC)，其将电能直接转化为燃料的化学能。例如，蒸汽的电化学分解产生了氢气和氧气，或者二氧化碳的电化学分解产生了一氧化碳和氧气。这意味着蒸汽和二氧化碳混合物的电解产生了氢气和一氧化碳的混合物(合成气)，其依次可以使用公知的加工工艺来转化为燃料例如甲醇或者二甲醚(DME)。SOEC具有有效的转化可再生能源例如风能，光电能或者水力的可能。最近的进展涉及到可逆固体氧化物电池(SOC)，其可以用作SOFC和SOEC二者。

SOFC的阳极和阴极是由具有导电性，但非离子传导性的材料制成的，而其的电解质是由具有离子传导性，但非导电性的材料制成的。

用于SOFC的阴极，电解质和阳极的合适的材料是本领域已知的(参见例如US-B-7498095和WO-A-01/43524)。常规使用的阴极材料是亚锰酸镧锶(LSM)，金属陶瓷例如氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)，或者其复合材料。阳极材料通常是金属陶瓷例如YSZ。如果将氢气用作燃料，则它是在阳极/电解质界面通过氧离子来电化学氧化的。在烃例如甲烷用作燃料的情况中，将重整催化剂例如镍加入到阳极材料中。催化剂有助于将燃料转化为氢气，这称作内部重整。固体氧化物电解质材料通常是一种陶瓷材料例如YSZ，其仅仅在高温表现出足够的离子传导性。所以，SOFC必须在高温(通常至少300℃)运行，目的是实现高的电流密度和功率输出。

在SOFC升温到高于某些温度(即，大约200℃)时，包含重整催化剂的阳极不耐氧气。高温时氧气会损坏阳极重整催化剂，这归因于低的氧化还原稳定性。所以，SOFC堆必须在启动和关闭过程中进行抗氧化气体保护。

WO-A-2008/001119公开了在SOFC堆关闭过程中使用基于惰性气体的填充气体。该公开文献进一步公开了使用催化部分氧化反应器来产生还原性气体，其包含一氧化碳和氢气，目的是在启动和关闭过程中保护SOFC堆抗氧化性气体。

还原性气体的一个优点是仅仅阳极通道需要净化，而在阴极侧上的空气可以用于在启动和关闭过程中分别加热或者冷却。氢气能够基本上保护阳极表面上的镍粒子不与氧离子反应，其可以从阴极经由电解质转移到阳极。

但是，还原性气体具有两个主要缺点。第一，氢气和一氧化碳不能通排到大气中。SOFC系统的催化燃烧器需要在燃料电池启动和关闭过程中运行，来燃烧有毒的和爆炸性气体。这会引起在方法可操作性和安全性方面的几个难题。

第二，低温一氧化碳(通常小于300℃)会与阳极表面和预重整/重整催化剂上的镍纳米粒子反应，这导致形成了羰基镍(Ni(CO)₄；沸点43℃)。羰基镍是高挥发性和巨毒的。甚至空气中低浓度的该化合物也会是致命的(LC₅₀=3ppm)。此外，羰基镍可以在催化燃烧器中热分解，这导致了催化剂失活。