[发明专利]操作高温燃料电池堆之方法

说明书

技术领域

本发明系关于操作高温燃料电池（SOC或MCFC）堆之方法。特定言之，本发明系关于高温固态氧化物电池堆或熔融碳酸盐燃料电池堆之操作方法，藉由该方法获得对电池堆中之燃料电极组件的电保护。

背景技术

燃料电池将燃料之化学能直接转换成电。可逆性固态氧化物电池（SOC）可用作固态氧化物燃料电池（SOFC）及用作固态氧化物电解器电池（SOEC）。固态氧化物电池中之燃料电极系基于镍及氧化钇稳定氧化锆（Ni/YSZ）金属陶瓷，且此组件在SOFC中被称为阳极且在SOEC中被称为阴极。

SOEC将水分裂成氢气与氧气，且所产生之氢气可用于SOFC中。SOEC亦可能将二氧化碳分裂成一氧化碳及氧气。此意谓蒸汽与二氧化碳之混合物之电解会产生氢气与一氧化碳之混合物（亦称为「合成气体」）。

近期的发展系关于改良SOFC之效能，此系因为此等燃料电池能够以高效率转换广泛多种燃料。

单一SOFC包含夹在阳极（燃料电极）与阴极（氧电极）之间的固态氧化物致密电解质，该阳极与阴极各自具有用于供应反应物之精细微孔或通道。在沿着阴极传递含氧气体（诸如，空气）时，氧分子与介于阴极与电解质之间的接口接触，氧分子在此接口处以电化学方式还原成氧离子。此等离子扩散至电解质材料中且朝向阳极迁移，该等离子在阳极处使介于阳极与电解质之间的接口处之燃料以电化学方式氧化。燃料电池内之电化学反应给外部电路提供电。燃料电池可进一步包含具有精细微孔或通道之支撑件，该等微孔或通道可使燃料分布受控制。复数个SOFC可经由互连件串联地连接以形成所谓的「SOFC堆」。

当SOFC在相反模式下（亦即，作为固态氧化物电解电池SOEC）操作时，将电直接转换成燃料之化学能。与SOFC相比，在SOEC中电极之功能为相反的，亦即，SOFC之阳极在SOEC中充当阴极，且SOFC之阴极在SOEC中充当阳极。亦可将SOFC与SOEC之电极称为燃料电极及氧电极（如前文所指示），从而指示电极之功能。

目前最先进的SOFC阳极系基于Ni及氧化钇稳定氧化锆（Ni/YSZ）金属陶瓷。Ni电极仅在还原状态下为Ni粒子为活性的，而在氧化状态下为NiO并非活性的。此外，阳极在活化之后的再氧化将造成阳极之体积扩大，从而导致电解质破裂及随之而来的电力损失。

氧气（例如）经由不充分密封件或经由电解质中之针孔自周围环境及阴极扩散至阳极腔室，从而与燃料反应。若切断SOFC系统中之燃料流，则阳极腔室处之氧气分压增加，且阳极之再氧化风险因此增加。

习知技术包含使用还原气体（常常为惰性气体、天然气或等效物中之稀释H₂）冲洗阳极腔室且藉此保持氧气分压低于临界值之手段。典型地，在系统之加热与冷却期间至少在高于大约500℃之温度下维持冲洗。

让与给Versa Power System的美国专利申请案第2006/0141300号揭示增强燃料电池对再氧化之容许度之手段。

让与给Versa Power System的WO专利申请案第2005/101556号公布一种用蒸汽净化阳极腔室，藉此自Ni表面移除羰基及氧物质之方法。

Delphi Technologies在美国专利申请案第2003/0235752号中揭示防止氧化之另一种方法。将吸氧剂材料（例如，金属Ni）置于燃料通道中以防止氧化。

让与给Mitsubishi Heavy Industries有限公司之日本申请案第2004324060号揭示一种由SOFC连同单独的水电解装置及H₂储存槽组成之系统。

日本专利申请案第7006778号揭示一种方法，藉以使用电源来产生经由YSZ电解质自Ni-YSZ燃料电极至空气电极之氧离子流，以使Ni-YSZ之NiO脱氧且减小SOFC之奥姆电阻及极化电阻。

此方法揭示在因长期操作而退化之后SOFC的恢复以便延长寿命。

美国专利申请案第2000/28362号及第2000/95469号中揭示其它方法。

需要一种简单方法，藉以防止Ni燃料电极在该电极之完整寿命期间被氧化。

发明内容

因此，本发明之方法之目标为提供一种方法，藉以保护电池堆中之固态氧化物电池之燃料电极在其完整寿命期间不被氧化。

藉由本发明之方法达成此目标，本发明提供一种用于操作高温固态氧化物电池堆之方法，该方法包含以下步骤：