[发明专利]纯化固体氧化物电池的气流的方法和系统

说明书

技术领域

本发明涉及纯化固体氧化物电池的入口气流的方法和系统。更具体而言，本发明涉及通过去除可能毒害固体氧化物电池（SOCs）中的晶界和反应电极位点的杂质来纯化通入到固体氧化物电池的电极中的气流的方法和系统。本发明还涉及气涤器用于纯化通入固体氧化物电池的电极中的气流的用途。

背景技术

在高级电催化系统中，如在固体氧化物电池中所发现的，表面化学在运行过程中起到了显著的作用，并且杂质/添加物在各个表面上的存在对该装置的整体性能和耐久性具有较大的影响。

作为电催化系统实例的固体氧化物电池通常包括设计用于不同应用的多种电池，例如固体氧化物燃料电池（SOFCs）、固体氧化物电解池（SOECs）或隔膜。由于它们共同的基本结构，包括夹在两个电极层（即阳极层和阴极层）之间的电解质层作为基本组件，因此，可以设计相同的电池以用在SOFC应用和SOEC应用中。因此，SOC是固体氧化物燃料电池（SOFC）和固体氧化物电解池的上位术语，其基本上是在两种模式（作为SOFC和作为SOEC）下能够可逆工作的同一电池。在SOFC模式下，燃料被进料到电池中并转化为电力，而在SOEC模式下，施加电力以产生燃料，如图1和2中所示。这些电池因此被称为“可逆”SOCs。

在电解模式下运行时，例如，在电极上发生下列反应：

CO_2阴极->CO_阴极+1/2O_2阳极

H₂O_阴极->H_2阴极+1/2O_2阳极和

CO_阳极+1/2O_2阴极->CO_2阳极

H_2阳极+1/2O_2阴极->H₂O_阳极

在图1中，图示说明了下列混合物的电池电压vs电流密度曲线：45%CO₂、45%H₂O和10%H₂;70%CO₂和30%CO;50%CO₂和50%CO;以及50%H₂O和50%H₂。

在固体氧化物电池运行中，在起到阴极作用的电极处由所提供的含氧气体（例如空气、O₂、CO₂或H₂O）形成氧离子，其迁移通过电解质层在起到阳极作用的电极层与所提供的气体化合。但是，实际上的电化学活性区域被限制在多孔电极中的反应电极位点（所谓的三相界面）上，在这里，电解质材料、气体和起到催化剂作用的电极材料（阳极或阴极）同时存在。

在进料到各个电极的气体中包含的各种杂质的存在在运行过程中会不利地导致下列问题：由于位于晶界中导致的导电性的降低，由于阻塞三相界面导致的催化活性的降低，以及由于界面的弱化、热应力和可能相变甚至会导致装置分层。因此，在杂质与电池组件接触之前必须将杂质从入口气体中去除。

天然存在于碳质材料中的其他有害污染物包括含硫、氯、磷以及进一步的NH₃的物种和碱性大分子。但是，由于所述纯化装置需要不同的过滤装置，这些有害物种的去除是需要能量和空间的，并且成本是非常高的。

含硫物种（最主要的是H₂S和COS）的去除通常通过用碱性溶液进行湿法洗涤来进行。因为应用于固体氧化物电池的进料气流可能含有CO₂作为反应物，因此对这些气流有特殊的要求，并且仅可以应用选择性吸附/吸附。适合的吸附剂为包括Ca(~50ppm)、Mn(~5ppm)、Fe(~1ppm)、Ni(<0.1ppm)、Cu(<1ppm)、Zn(<0.3ppm)的成分，其中括号中是可以实现的在纯化后的气流中的H₂S最终浓度。但是这些吸附剂中的大部分都不能再生，并且必须在使用后丢掉。