固体氧化物燃料电池的电阳极还原制造技术

通过当温度提高至目标温度时向电池施加电压，来在不使用还原气体的情况下对固体氧化物燃料电池进行阳极还原。

Electro anodic reduction of solid oxide fuel cells

When the temperature is increased to the target temperature, a voltage is applied to the battery to reduce the anode of the solid oxide fuel cell without reducing the gas.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】固体氧化物燃料电池的电阳极还原
本专利技术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，本专利技术涉及固体氧化物燃料电池堆。
技术介绍
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S0FC，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 Al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°C至900°C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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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”)。本专利技术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，本专利技术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。与现有技术相反，电阳极还原在燃料电池的阳极侧上不存在还原气体的情况下发生。在现有技术中，描述的是由于金属氧化物(例如NiO)的还原动力学，还原气体的存在对于使阳极还原是有必要的。随着温度升高，镍的氧化速度增加，因此在高温下使包含镍的阳极还原要求还原气体的存在是偏见。但是根据本专利技术，已经发现的是，在环境空气环境中，阳极的电还原是可能的。根据所述方法，在环境空气环境中提供至少一个固体氧化物燃料电池。若干个电池常常被堆叠以形成固体氧化物燃料电池堆，阳极还原方法也适用于电池堆。温度从环境温度升高至700°C以上的目标温度，其足以使阳极还原。能够选择精确的目标温度以适应给定的过程特性。对于温度的极限由最大可接受阳极还原反应时间所确定，其定义用于目标温度的下限和最大可允许温度，在该最大可允许温度以上，固体氧化物燃料电池的部件将被毁坏。作为对于生产成本的优点，在固体氧化物燃料电池堆在该堆“诞生”期间被热和压强处理的同时阳极还原能够发生。在热处理期间，向堆中的每个燃料电池施加电压。电压处于每个电池0.6至2.4伏范围内。在这里，范围的极限被确定为下限和上限，在所述下限以下，阳极还原将不发生，并且在所述上限以上，电解质将被毁坏。再者，每个电池的精确电压被选择为适合于将被阳极还原的固体氧化物燃料电池堆的过程特性。该电压常常将在每个电池0.69至2.0伏的范围内。在阳极还原过程的热处理和电压施加正在发生的同时，监视通过一个或多个燃料电池的电流。在一段时间之后，电流将下降至稳定的低水平。这是阳极的基本上所有金属氧化物已被还原的指示。对燃料电池或燃料电池堆的热处理和所施加的电压至少持续至观察到稳定的电流水平之前。根据本专利技术，已经发现的是，电阳极还原将在不存在还原气体的情况下发生，即使阳极被诸如镍氧化物的电绝缘金属氧化物层所覆盖。在本专利技术的实施例中，目标温度在800°C至1100°C的范围内，优选地在875°C至925°C的范围内。在本专利技术的另一实施例中，目标温度下对一个或多个固体氧化物燃料电池的热处理被保持15至720分钟，优选地120至600分钟。根据另一实施例，在其中执行根据本专利技术的阳极还原的“诞生”期间施加于固体氧化物燃料电池堆的压缩压强可以在0.8至1.2 MPa的范围内。已经表明的是相应的压强是足够的，以便提供表面之间的非常紧密的接触，即提供良好的机械接触。在本专利技术的另一实施例中，以300至315 K/h的温度斜坡将燃料电池或燃料电池堆从环境温度加热至目标温度，例如80(TC至1100°C。通过提供快速的热处理，能够避免互连器(即铁氧体不锈钢材料)的不必要腐蚀。本专利技术的方法此外能够包括例如以180至220 K/h的温度斜坡将燃料电池或燃料电池堆冷却至环境温度的步骤。相应的温度提供了一种能够在短时间段内执行的方法，即能够保持尽可能低的总成本。该方法能够使用热压来执行。此外，本专利技术提供了 一种固体氧化物燃料电池系统，包括至少一本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于至少一个固体氧化物燃料电池的电阳极还原的方法，所述至少一个固体氧化物燃料电池至少包括阳极、阴极、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，所述方法包括以下步骤：??在环境空气环境中提供所述至少一个固体氧化物燃料电池，??使所述至少一个固体氧化物燃料电池的温度从环境温度升高至在700℃以上的目标温度，其足以使所述阳极还原，??向所述至少一个固体氧化物燃料电池施加在每个电池0.6至2.4伏的范围内的电压，其足以使所述阳极还原，??当通过所述至少一个固体氧化物燃料电池的电流已达到恒定低水平时，将所述至少一个固体氧化物燃料电池冷却至环境温度，由此所述阳极还原被完成，??切断到所述至少一个固体氧化物燃料电池的电压。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于至少一个固体氧化物燃料电池的电阳极还原的方法，所述至少一个固体氧化物燃料电池至少包括阳极、阴极、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，所述方法包括以下步骤: ?在环境空气环境中提供所述至少一个固体氧化物燃料电池， ?使所述至少一个固体氧化物燃料电池的温度从环境温度升高至在700°c以上的目标温度，其足以使所述阳极还原， ?向所述至少一个固体氧化物燃料电池施加在每个电池0.6至2.4伏的范围内的电压，其足以使所述阳极还原， ?当通过所述至少一个固体氧化物燃料电池的电流已达到恒定低水平时，将所述至少一个固体氧化物燃料电池冷却至环境温度，由此所述阳极还原被完成， ?切断到所述至少一个固体氧化物燃料电池的电压。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述至少一个固体氧化物燃料电池是被堆叠以形成固体氧化物燃料电池堆的多个固体氧化物燃料电池。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于在所述阳极还原期间施加用于固体氧化物燃料电池部件实现机械接触的足够压强。4.根据前述权利要求 中的任一项所述的方法，其特征在于所述目标温度在800°C至1100°C的范围内。5.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于所述目...

【专利技术属性】
技术研发人员：T海雷达克劳森，KJNL延森，
申请(专利权)人：托普索燃料电池股份有限公司，
类型：
国别省市：