CN102770998A - 纯化固体氧化物电池的气流的方法和系统 - Google Patents

纯化固体氧化物电池的气流的方法和系统 Download PDF

Info

Publication number
CN102770998A
CN102770998A CN2011800102230A CN201180010223A CN102770998A CN 102770998 A CN102770998 A CN 102770998A CN 2011800102230 A CN2011800102230 A CN 2011800102230A CN 201180010223 A CN201180010223 A CN 201180010223A CN 102770998 A CN102770998 A CN 102770998A
Authority
CN
China
Prior art keywords
electrode
scrubber
air
flow
entrance side
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN2011800102230A
Other languages
English (en)
Inventor
苏内·D·埃贝森
莫恩斯·比耶尔格·莫恩森
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
TECHNICAL UNIVERSITY OF DENMAR
Danmarks Tekniskie Universitet
Original Assignee
TECHNICAL UNIVERSITY OF DENMAR
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by TECHNICAL UNIVERSITY OF DENMAR filed Critical TECHNICAL UNIVERSITY OF DENMAR
Publication of CN102770998A publication Critical patent/CN102770998A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0662—Treatment of gaseous reactants or gaseous residues, e.g. cleaning
    • H01M8/0687—Reactant purification by the use of membranes or filters
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/02—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by adsorption, e.g. preparative gas chromatography
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J20/00—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof
    • B01J20/02—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof comprising inorganic material
    • B01J20/04—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof comprising inorganic material comprising compounds of alkali metals, alkaline earth metals or magnesium
    • B01J20/041—Oxides or hydroxides
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0662—Treatment of gaseous reactants or gaseous residues, e.g. cleaning
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2253/00—Adsorbents used in seperation treatment of gases and vapours
    • B01D2253/10—Inorganic adsorbents
    • B01D2253/112—Metals or metal compounds not provided for in B01D2253/104 or B01D2253/106
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M2008/1293—Fuel cells with solid oxide electrolytes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Treating Waste Gases (AREA)

Abstract

在实施方式中，本发明提供了纯化在电解和燃料电池两种模式下运行的固体氧化物电池的入口气流的方法，所述固体氧化物电池至少包含第一电极、电解质和第二电极，所述方法包括下列步骤：-在所述固体氧化物电池的第一电极的入口侧的所述气流中设置至少一个气涤器；和/或在所述固体氧化物电池的第二电极的入口侧的所述气流中设置至少一个气涤器；和-纯化流向所述第一和第二电极的气流；其中，所述在第一电极的入口侧的所述气流中的至少一个气涤器和/或在第二电极的入口侧的所述气流中的至少一个气涤器包含适合作为电解质材料的材料和适合作为电极材料的材料，并且其中所述适合作为电解质材料的材料和适合作为电极材料的材料形成与用所述至少一个气涤器纯化的气流要应用的电极的三相界面相似或相同的三相界面。

Description

纯化固体氧化物电池的气流的方法和系统
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：
CO2阴极->CO阴极+1/2O2阳极
H2O阴极->H2阴极+1/2O2阳极和
CO阳极+1/2O2阴极->CO2阳极
H2阳极+1/2O2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。
氯和磷的去除工艺包括两种通用方法，即干法和湿法工艺。在干法工艺中，用吸附剂除去杂质，而在湿法工艺中，用气涤溶液去除杂质。对于干法去除，市售的是两种类型的吸附剂，通常基于钠或钙氧化物，使用其可以将杂质浓度减少至小于1ppm。湿法气涤工艺通常基于碱性水溶液。不利地是，湿法气涤不仅会除去氯和磷，而且会去除其他成分，例如CO2。因为应用于SOCs的进料气流可能含有作为反应物的CO2，因此，湿法气涤不适合用于清洁用于SOCs的气流。
因为在气体进入固体氧化物电池之前必须除去多种杂质，因此，不利的是，对于每种杂质都需要不同的纯化步骤，因为不能够仅用一种纯化工艺就可靠地去除所有的杂质，这是成本非常高且非常费力的。此外，现有技术仅仅关注于在入口气体中存在的已知主要杂质。但是，到目前为止，对包含在入口气体中的其他杂质所知非常少，这些杂质会未过滤地进入电池中，但是会导致电极中毒，由此缩短电池的寿命。
EP-A-1231663公开了和能量转换装置一起使用的捕获装置，其包括一个捕获系统，其中从气流中去除特殊物质和杂质，例如硫以及其他未知的杂质。
考虑到上述问题，为了以更成本有效的方式改善装置的整体性能，因而强烈地需求减少在晶界和反应电极位点处的杂质量。
发明内容
发明目的
本发明的目的是提供通过去除可能毒害固体氧化物电池中的晶界和反应电极位点的杂质来纯化通入固体氧化物电池的电极中的气流的方法和系统。
发明简述
在实施方式中，本发明提供了纯化固体氧化物电池的气流的方法，所述固体氧化物电池至少包含第一电极、电解质和第二电极，所述方法包括下列步骤：
-在所述固体氧化物电池的第一电极的入口侧的所述气流中设置至少一个气涤器；和/或在所述固体氧化物电池的第二电极的入口侧的所述气流中设置至少一个气涤器；和
-纯化流向所述第一和第二电极的气流；
其中，所述在第一电极的入口侧的所述气流中的至少一个气涤器和/或在第二电极的入口侧的所述气流中的至少一个气涤器包含适合作为电解质材料的材料和适合作为电极材料的材料。
更具体而言，在实施方式中，本发明提供了纯化固体氧化物电池的气流的方法，所述固体氧化物电池至少包含第一电极、电解质和第二电极，所述方法包括下列步骤：
-在所述固体氧化物电池的第一电极的入口侧的所述气流中设置至少一个气涤器；和/或在所述固体氧化物电池的第二电极的入口侧的所述气流中设置至少一个气涤器；和
-纯化流向所述第一和第二电极的气流；
其中，所述在第一电极的入口侧的所述气流中的至少一个气涤器和/或在第二电极的入口侧的所述气流中的至少一个气涤器包含适合作为电解质材料的材料和适合作为电极材料的材料，并且其中所述适合作为电解质材料的材料和适合作为电极材料的材料形成与用所述至少一个气涤器纯化的气流要应用的电极的三相界面相似或相同的三相界面。
本发明进一步提供纯化固体氧化物电池的气流的系统，其包括：
-固体氧化物电池，其包括
-第一电极；
-电解质；和
-第二电极；
-通向所述第一电极的气体入口；
-通向所述第二电极的气体入口；
-包括位于所述第一电极的气体入口中的至少一个气涤器的纯化装置；和/或包括位于所述第二电极的气体入口中的至少一个气涤器的纯化装置；
其中，所述在第一电极的入口侧的所述气流中的至少一个气涤器和/或在第二电极的入口侧的所述气流中的至少一个气涤器包含适合作为电解质材料的材料和适合作为电极材料的材料。
更具体而言，本发明进一步提供纯化固体氧化物电池的气流的系统，其包括：
-固体氧化物电池，其包括
-第一电极；
-电解质；和
-第二电极；
-通向所述第一电极的气体入口；
-通向所述第二电极的气体入口；
-包括位于所述第一电极的气体入口中的至少一个气涤器的纯化装置；和/或包括位于所述第二电极的气体入口中的至少一个气涤器的纯化装置；
其中，所述在第一电极的入口侧的所述气流中的至少一个气涤器和/或在第二电极的入口侧的所述气流中的至少一个气涤器包含适合作为电解质材料的材料和适合作为电极材料的材料。
此外，本发明涉及在固体氧化物电池的第一电极和/或第二电极的入口侧的气流中的至少一个气涤器用于纯化通向所述第一和/或第二电极的气流的用途；
其中，所述在第一电极的入口侧的所述气流中的至少一个气涤器和/或在第二电极的入口侧的所述气流中的至少一个气涤器包含适合作为电解质材料的材料和适合作为电极材料的材料。
优选的实施方式阐述在从属权利要求中。
附图说明
图1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。
图2图示说明了根据本发明的杂质对固体氧化物电池的耐久性的影响，即，在电解模式下运行的固体氧化物电池随电压增高而劣化。
图3图示说明了根据本发明的杂质对固体氧化物电池的耐久性的影响，即，在电解模式下运行的固体氧化物电池随电压增高而劣化。
图4图示说明了，与用本领域中已知的标准方法纯化的CO2/CO作为燃料气体相比，用根据本发明的方法纯化的CO2/CO作为燃料气体的固体氧化物电解池的电池电压随时间的比较。
图5图示说明了，与用本领域中已知的标准方法纯化的H2O／H2作为燃料气体相比，用根据本发明的方法纯化的H2O／H2作为燃料气体的固体氧化物电解池的电池电压随时间的比较。
图6图示说明了，与用本领域中已知的标准方法纯化的燃料气体相比，用根据本发明的方法纯化的H2O／H2作为燃料气体的固体氧化物燃料电池的电池电压随时间的比较。
具体实施方式
本发明总体而言涉及至少在固体氧化物电池的电极的入口侧纯化气流，其中，所述气流由于与一种材料相接触而纯化，所述材料包含与各个电极的三相界面相似或相同的三相界面。由于杂质对于纯化用材料中的三相界面的亲和性，所以可以从气流中有效地除去能够毒害电极活性位点的任何杂质。
更具体而言，本发明提供了纯化固体氧化物电池的气流的方法，所述固体氧化物电池至少包括第一电极、电解质和第二电极，所述方法包括下列步骤：
-在所述固体氧化物电池的第一电极的入口侧的所述气流中设置至少一个气涤器；和/或在所述固体氧化物电池的第二电极的入口侧的所述气流中设置至少一个气涤器；和
-纯化流向所述第一和第二电极的气流；
其中，所述在第一电极的入口侧的所述气流中的至少一个气涤器和/或在第二电极的入口侧的所述气流中的至少一个气涤器包含适合作为电解质材料的材料和适合作为电极材料的材料。
有利的是，采用本发明的方法，通入固体氧化物电池的气体对于所有关键杂质（其通过阻塞活性三相界面位点导致所述固体氧化物电池劣化）都进行了纯化，而不需要针对具体确定的杂质进行微调。因此，尽管仅仅使用包含适合作为电解质材料的材料和适合作为电极材料的材料的一种气涤器，但是气流能够被纯化除去在用本领域中目前已知方法纯化过的气流中仍然残留的所有杂质，这在当今要求在空间和重量要求方面最小化系统方面也是有利的。更具体而言，在固体氧化物电池的第一电极的入口侧的气流中和/或在固体氧化物电池的第二电极的入口侧的气流中的气涤器包含适合作为电解质材料的材料和适合作为电极材料的材料，由此形成类似反应位点的结构，即，与电极的各个反应位点相似或相同的三相界面。会毒害电极中的反应位点的任何杂质都被吸附在所述气涤器的各个结构中，从而从通入所述电极的入口气体中有效地除去。
本发明的方法由此提供了一种经济有效地延长固体氧化物电池寿命的方法，而不需要进一步改进所述电池的材料，即不需要使所述电池对杂质的适应性更强。这继而允许更自由地选择电池材料而不会降低电池的耐久性。
在本发明的方法（和系统）中使用的气涤器为包含气体通道的多孔材料，例如单块蜂巢结构。要被纯化的气体在其通向各个电极的途中通过所述多孔材料。因为所述气涤器包含用于固体氧化物电池的适合作为电解质材料的材料和适合作为电极材料的材料，所以所述气涤器包含如下结构：该结构包含与固体氧化物电池的电极层中的三相界面一致的由电解质材料、电极材料和气体形成的三相界面。
由于所述相似或相同的结构，杂质在进入固体氧化物电池之前被沉积在气涤器材料中，即需要使电池对杂质更具适应性。这继而允许更自由地选择电池材料而不会降低电池的耐久性。
在优选的实施方式中，在所述第一电极的入口侧的气流中的气涤器包含与第一电极相同的材料，和/或在所述第二电极的入口侧的气流中的气涤器包含与第二电极相同的材料，
更优选的是，所述气涤器材料或者包含相同的三相界面位点，即与各自电极相同的材料，或者所述气涤器材料包含对杂质比实际电极更加“不耐受”（即更具反应活性）的三相界面位点。
对于燃料气流，例如包含H2／H2O、CO/CO2、CH4的混合物，应用的对杂质更不耐受的材料包括Ni/氧化钇稳定的氧化锆YSZ，优选Ni/氧化钪掺杂氧化钇稳定的氧化锆ScYSC金属陶瓷电极。较便宜的Ni／YSZ材料对一些杂质比更昂贵的Ni/ScYSZ材料更不耐受。因此，考虑到吸附容量和价格，对于带有活性Ni/ScYSZ电极的电池堆，对SOCs最优选的材料是包含Ni／YSZ的气涤器。
对于氧化剂-气流，例如空气或O2，可以使用包括亚锰酸镧锶（Lanthanum StrontiumManganite）LSM／YSZ或钴铁酸镧锶（Lanthanum Strontium Cobalt Ferrite）LSCF／YSZ的材料。通过加入选自Na、Ca、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn或Ce中的氧化物可以进一步提高对例如硫、氯和磷的杂质的气体清洁能力。
不限制其应用，对于燃料气流（H2／H2O、CO/CO2、CH4）的清洁，适合材料的更具体实例包括：
用于燃料-气流的气涤器中的活性材料可以是平均粒径约2μm的Ni／YSZ或Ni/ScYSZ，对应于SOC中的平均粒径。
用于燃料-气流的气涤器中的活性材料可以是加入选自Na、Ca、La、Zr、Nb、Cr、Mn、Fe、Cu、Ni、Cu、Zn、Al、Si或Ce以及它们的合金中的至少一种材料的平均粒径约2μm的Ni／YSZ或Ni/ScYSZ，对应于SOC中的平均粒径。
用于燃料-气流的气涤器中的活性材料可以是Ni／YSZ或Ni/ScYSZ。因为对电子或离子导电性没有限制，所以平均粒径可以小于2μm以增加活性位点的长度。
用于燃料-气流的气涤器中的活性材料可以是加入选自Na、Ca、La、Zr、Nb、Cr、Mn、Fe、Cu、Ni、Cu、Zn、Al、Si或Ce以及它们的合金中的材料的Ni／YSZ或Ni/ScYSZ。因为对电子或离子导电性没有限制，所以平均粒径可以小于2μm以增加活性位点的长度。
不限制其应用，对于氧化剂气流的清洁，适合材料的更具体实例包括：
用于氧化剂气流的气涤器中的活性材料可以是平均粒径约2μm的LSM／YSZ（亚锰酸镧锶/氧化钇稳定的氧化锆）或LSCF／YSZ（钴铁酸镧锶/氧化钇稳定的氧化锆），对应于SOC中的平均粒径。
用于氧化剂气流的气涤器中的活性材料可以是加入选自Na、Ca、La、Zr、Nb、Cr、Mn、Fe、Cu、Ni、Cu、Zn、Al、Si或Ce以及它们的合金中的材料的平均粒径约2μm的LSM／YSZ或LSCF／YSZ，对应于SOC中的平均粒径。
用于氧化剂气流的气涤器中的活性材料可以是LSM／YSZ或LSCF／YSZ。因为对电子或离子导电性没有限制，所以平均粒径可以小于2μm以增加活性位点的长度。用于氧化剂气流的气涤器中的活性材料可以是加入选自下列材料中的材料的LSM／YSZ或LSCF／YSZ：Al、Ba、Bi、Ca、Ce、Co、Cr、Cu、Fe、Ga、Gd、La、Mn、Mo、Na、Nb、Nd、Ni、Sb、Sc、Si、Sm、Sr、St、Ti、Y、Zn、Zr、LSM、LSC、LSF、LSCF、LNF、LaMnO、LaCoO、SmCoO、LaFeO、LBSM、GDC、STN、NdNiO、LaSrSiO、BSC、SmSr(Co,Fe,Ni)O、YBaCoO、SrCoSbO、SrTiFeO、SrScCoO、LaSrCoNiO、稳定氧化锆(YSZ、ScYSZ)、掺杂氧化铈(用钆(CGO)、钐、镧、钇、镱和/或钕掺杂的氧化铈)、锶/镁/钡掺杂的镓酸镧(LSGM、LBGM、LSGM-Co或LSGM-Fe)、用钐、钕和/或镱掺杂的BaCeO3、以及它们的混合物。因为对电子或离子导电性没有限制，所以平均粒径可以小于2μm以增加活性位点的长度。
从图3-6可以看出，其中显示，消除了通向在电解或燃料电池模式下运行的固体氧化物电池的气流中的杂质。在固体氧化物电解池的情况下，与没有进行根据本发明方法的额外纯化的相同电池相比，所测量的电池电压随着时间较不剧烈地增加。在固体氧化物燃料电池的情况下，与没有进行根据本发明方法的额外纯化的相同电池相比，所测量的电池电压仅随时间轻微地降低。
图4图示说明了，与用本领域中已知的标准方法纯化的作为燃料气体的CO2/CO相比，用根据本发明的方法纯化的CO2/CO作为燃料气体的在电解模式下运行的固体氧化物电池的电池电压随时间变化的比较。所述测量是在850℃、-0.25A/cm2、70%CO2/30%CO的条件下进行的。从该图可以明显看出，与没有进行根据本发明方法的额外纯化的在相同条件下运行的相同电池相比，当所提供的燃料气体用根据本发明的方法进行额外纯化时，电池电压有利地随时间增加较少。
图5是，与用本领域中已知的标准方法纯化后直接作为燃料气体的H2O／H2相比，用根据本发明的方法纯化的H2O／H2作为燃料气体的在电解模式下运行的固体氧化物电池的电池电压随时间变化的比较。所述测量是在850℃、-0.50A/cm2、50%H2O/50%H2的条件下进行的。从该图可以明显看出，与没有进行根据本发明方法的额外纯化的在相同条件下运行的相同电池相比，当所提供的燃料气体用根据本发明的方法进行额外纯化时，电池电压有利地随时间增加较少。
从图6可以看出，与用本领域中已知的标准方法纯化的气体相比，用根据本发明方法纯化的H2O／H2作为燃料气体的在燃料电池模式下运行的固体氧化物电池随时间变化的电池电压有利地降低较少。所述测量是在750℃、0.75A/cm2、40%H2O/60%H2的条件下进行的。
在根据本发明方法的进一步的优选实施方式中，在所述固体氧化物电池的第一电极的入口侧的气流中的气涤器和/或在第二电极的入口侧的气流中的气涤器在与所述第一和/或第二电极的运行温度相同的温度下或略低的温度下运行。这确保了对所述气流的最佳纯化，因为所述包含在气涤器中的材料显示了与所述SOC的电极材料相同的化学和电化学性能。
本发明进一步提供纯化固体氧化物电池的气流的系统，其包括：
-固体氧化物电池，其包括
-第一电极；
-电解质；和
-第二电极；
-通向所述第一电极的气体入口；
-通向所述第二电极的气体入口；
-包括位于所述第一电极的气体入口中的至少一个气涤器的纯化装置；和/或包括位于所述第二电极的气体入口中的至少一个气涤器的纯化装置；
其中，所述在第一电极的入口侧的所述气流中的至少一个气涤器和/或在第二电极的入口侧的所述气流中的至少一个气涤器包含适合作为电解质材料的材料和适合作为电极材料的材料。
如在上面结合本发明方法指出的，有利的是，所述系统的在气流中的气涤器对于所有关键杂质（其通过阻塞活性三相界面位点导致所述固体氧化物电池劣化）对所述气体进行了纯化，而不需要针对具体确定的杂质进行微调。因此，仅仅一种气涤器就可以有效地纯化气流的所有杂质，这在当今要求在空间和重量要求方面最小化系统方面也是有利的。
此外，所述气涤器在气流中连接到固体氧化物电池系统而不形成所述SOC的一部分，并且因此可以在需要时容易地替换而不需要操作电池堆本身。因此，如果气涤器的纯化效率低于预期的最小值，可以以省时的方式进行所述气涤器的简单替换，由此延长了电池的寿命，同时提供该系统的廉价零件的替换，使得该系统整体上更加成本有效。
在优选的实施方式中，在所述第一电极的入口侧的气流中的气涤器包含与第一电极相同的材料，和/或在所述第二电极的入口侧的气流中的气涤器包含与第二电极相同的材料。
更优选的是，所述气涤器材料或者包含相同的三相界面位点，即与各自电极相同的材料，或者所述气涤器材料包含对杂质比实际电极更加“不耐受”（即更具反应活性）的三相界面位点。
对于优选的材料，在上面结合本发明方法指出的相同材料优选也用在所述系统中。
有利的是，采用本发明的方法和系统，能够有效地从通向固体氧化物电池的电极的气流中除去所述电池的电化学活性位点的杂质，使得所述固体氧化物电池的寿命增加且随时间变化的性能增加。
本发明的方法有利地使得可以以简单和非常有效的方式从固态电化学装置中的晶界和活性电极位点中固定并除去杂质，使得该工艺更加经济有效，同时与现有技术的SOC寿命相比使得SOC寿命更长，并且与现有技术相比使得去除杂质所需的空间和重量减少。
此外，本发明涉及用于纯化通向所述第一和/或第二电极的气流的、用在固体氧化物电池的第一电极和/或第二电极的入口侧的气流中的气涤器；
其中，所述在第一电极的入口侧的所述气流中的气涤器和/或在第二电极的入口侧的所述气流中的气涤器包含适合作为电解质材料的材料和适合作为电极材料的材料。
最后，本发明涉及一种组合物作为适合用于纯化固体氧化物电池中的气流的气涤器的用途，所述组合物包含适合作为电解质材料的材料和适合作为电极材料的材料。
有利的是，所述包含适合作为电解质材料的材料和适合作为电极材料的材料的组合物与通向所述电极的气体形成三相界面。当所述材料类似于用于各自电极的材料，或者在更优选的情况下，当所述材料等同于用于各自电极的材料时，所形成的三相界面类似于或甚至等同于在电极自身中形成的三相界面。对实际电极中形成三相界面的各自位点有害的气流中包含的任何杂质由此已经被吸附到施用上述组合物的气涤器的位点上，并在进入所述电极之前从所述气流中有效地除去，使得所述固体氧化物电池的寿命增加且随时间变化的性能增加。
优选地，所述在第一电极的入口侧的所述气流中的至少一个气涤器包含在所述第一电极中用作电解质材料和电极材料的相同材料。同样优选地，所述在第二电极的入口侧的所述气流中的气涤器包含在所述第二电极中用作电解质材料和电极材料的相同材料。
对于优选的材料，在上面结合本发明的方法和指出的相同材料优选也用在这个实施方式中。

Claims (15)

1.纯化固体氧化物电池的气流的方法，所述固体氧化物电池至少包含第一电极、电解质和第二电极，所述方法包括下列步骤：
-在所述固体氧化物电池的第一电极的入口侧的所述气流中设置至少一个气涤器；和/或在所述固体氧化物电池的第二电极的入口侧的所述气流中设置至少一个气涤器；和
-纯化流向所述第一和第二电极的气流；
其中，所述在第一电极的入口侧的所述气流中的至少一个气涤器和/或在第二电极的入口侧的所述气流中的至少一个气涤器包含适合作为电解质材料的材料和适合作为电极材料的材料，并且其中所述适合作为电解质材料的材料和适合作为电极材料的材料形成与用所述至少一个气涤器纯化的气流要应用的电极的三相界面相似或相同的三相界面。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述在第一电极的入口侧的所述气流中的气涤器包含在所述第一电极中用作电解质材料和电极材料的相同材料。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述在第二电极的入口侧的所述气流中的气涤器包含在所述第二电极中用作电解质材料和电极材料的相同材料。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述用于在第一电极的入口侧的所述气流中的至少一个气涤器和/或在第二电极的入口侧的所述气流中的至少一个气涤器的适合用作电极材料的材料选自Al、Ba、Bi、Ca、Ce、Co、Cr、Cu、Fe、Ga、Gd、La、Mn、Mo、Na、Nb、Nd、Ni、Sb、Sc、Si、Sm、Sr、St、Ti、Y、Zn、Zr、LSM、LSC、LSF、LSCF、LNF、LaMnO、LaCoO、SmCoO、LaFeO、LBSM、GDC、STN、NdNiO、LaSrSiO、BSC、SmSr(Co,Fe,Ni)O、YBaCoO、SrCoSbO、SrTiFeO、SrScCoO、LaSrCo-NiO及它们的混合物。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述适合于在第一电极的入口侧的所述气流中的至少一个气涤器和/或在第二电极的入口侧的所述气流中的至少一个气涤器的电解质材料，所述气涤器中的活性材料选自YSZ；ScYSZ；用钆、钐、镧、钇、镱和/或钕掺杂的氧化铈；LSGM；LBGM；LSGM-Co；LSGM-Fe；用钐、钕和/或镱掺杂的BaCeO3。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，所述在固体氧化物电池的第一电极的入口侧的所述气流中的气涤器和/或第二电极的入口侧的所述气流中的气涤器在与所述第一和/或第二电极的运行温度相同的温度下运行。
7.纯化固体氧化物电池的气流的系统，其包括：
-固体氧化物电池，其包括
-第一电极；
-电解质；和
-第二电极；
-通向所述第一电极的气体入口；
-通向所述第二电极的气体入口；
-包括位于所述第一电极的气体入口中的至少一个气涤器的纯化装置；和/或包括位于所述第二电极的气体入口中的至少一个气涤器的纯化装置；
其中，所述在第一电极的入口侧的所述气流中的至少一个气涤器和/或在第二电极的入口侧的所述气流中的至少一个气涤器包含适合作为电解质材料的材料和适合作为电极材料的材料，并且其中所述适合作为电解质材料的材料和适合作为电极材料的材料形成与用所述至少一个气涤器纯化的气流要应用的电极的三相界面相似或相同的三相界面。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述在第一电极的入口侧的所述气流中的气涤器包含在所述第一电极中用作电解质材料和电极材料的相同材料。
9.根据权利要求7或8所述的系统，其中，所述在第二电极的入口侧的所述气流中的气涤器包含在所述第二电极中用作电解质材料和电极材料的相同材料。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的系统，其中，所述用于在第一电极的入口侧的所述气流中的至少一个气涤器和/或在第二电极的入口侧的所述气流中的至少一个气涤器的适合用作电极材料的材料选自Al、Ba、Bi、Ca、Ce、Co、Cr、Cu、Fe、Ga、Gd、La、Mn、Mo、Na、Nb、Nd、Ni、Sb、Sc、Si、Sm、Sr、St、Ti、Y、Zn、Zr、LSM、LSC、LSF、LSCF、LNF、LaMnO、LaCoO、SmCoO、LaFeO、LBSM、GDC、STN、NdNiO、LaSrSiO、BSC、SmSr(Co,Fe,Ni)O、YBaCoO、SrCoSbO、SrTiFeO、SrScCoO、LaSrCo-NiO及它们的混合物。
11.根据权利要求7至10中任一项所述的系统，其中，所述适合于在第一电极的入口侧的所述气流中的至少一个气涤器和/或在第二电极的入口侧的所述气流中的至少一个气涤器的电解质材料，所述气涤器中的活性材料选自YSZ；ScYSZ；用钆、钐、镧、钇、镱和/或钕掺杂的氧化铈；LSGM；LBGM；LSGM-Co；LSGM-Fe；用钐、钕和/或镱掺杂的BaCeO3。
12.用于纯化通向固体氧化物电池的第一和/或第二电极的气流的、用在所述第一电极和/或第二电极的入口侧的气流中的气涤器，
其中，所述在第一电极的入口侧的所述气流中的气涤器和/或在第二电极的入口侧的所述气流中的气涤器包含适合作为电解质材料的材料和适合作为电极材料的材料，并且其中所述适合作为电解质材料的材料和适合作为电极材料的材料形成与用所述至少一个气涤器纯化的气流要应用的电极的三相界面相似或相同的三相界面。
13.根据权利要求12所述的气涤器，其中，所述在第一电极的入口侧的所述气流中的至少一个气涤器包含在所述第一电极中用作电解质材料和电极材料的相同材料。
14.根据权利要求12所述的气涤器，其中，所述在第二电极的入口侧的所述气流中的气涤器包含在所述第二电极中用作电解质材料和电极材料的相同材料。
15.包含适合作为电解质材料的材料和适合作为电极材料的材料的组合物作为适合纯化固体氧化物电池中的气流的气涤器的用途。
CN2011800102230A 2010-02-19 2011-02-18 纯化固体氧化物电池的气流的方法和系统 Pending CN102770998A (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP10001715A EP2362475A1 (en) 2010-02-19 2010-02-19 Method and system for purification of gas streams for solid oxide cells
EP10001715.1 2010-02-19
PCT/EP2011/000793 WO2011101162A1 (en) 2010-02-19 2011-02-18 Method and system for purification of gas streams for solid oxide cells

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN102770998A true CN102770998A (zh) 2012-11-07

Family

ID=42201429

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN2011800102230A Pending CN102770998A (zh) 2010-02-19 2011-02-18 纯化固体氧化物电池的气流的方法和系统

Country Status (9)

Country Link
US (1) US20130040212A1 (zh)
EP (2) EP2362475A1 (zh)
JP (1) JP2013519984A (zh)
KR (1) KR20120132507A (zh)
CN (1) CN102770998A (zh)
AU (1) AU2011217490B2 (zh)
CA (1) CA2790099A1 (zh)
RU (1) RU2012135394A (zh)
WO (1) WO2011101162A1 (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109490386A (zh) * 2019-01-10 2019-03-19 福州大学 一种以钙铁石结构氧化物为敏感电极材料的电流型nh3传感器

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2560226A1 (en) * 2011-08-19 2013-02-20 Technical University of Denmark Method and system for purification of gas/liquid streams for fuel cells or electrolysis cells
US10008731B2 (en) * 2015-08-27 2018-06-26 Kceracell Co., Ltd. Ceria electrolyte for low-temperature sintering and solid oxide fuel cell using the same
GB201515984D0 (en) 2015-09-09 2015-10-21 Lg Fuel Cell Systems Inc A fuel cell system and method

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1231663A1 (en) * 2001-02-12 2002-08-14 Delphi Technologies, Inc. Method and apparatus for gas purification in energy conversion systems
US20030175565A1 (en) * 2002-02-19 2003-09-18 Aisin Seiki Kabushiki Kaisha Solid oxide fuel cell system and a method for controlling the same

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006260828A (ja) * 2005-03-15 2006-09-28 Toyota Motor Corp 燃料電池の洗浄方法
JP5157264B2 (ja) * 2007-06-06 2013-03-06 日産自動車株式会社 燃料電池発電システム
JP2009140658A (ja) * 2007-12-04 2009-06-25 Toyota Motor Corp 燃料電池システム

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1231663A1 (en) * 2001-02-12 2002-08-14 Delphi Technologies, Inc. Method and apparatus for gas purification in energy conversion systems
US20030175565A1 (en) * 2002-02-19 2003-09-18 Aisin Seiki Kabushiki Kaisha Solid oxide fuel cell system and a method for controlling the same

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109490386A (zh) * 2019-01-10 2019-03-19 福州大学 一种以钙铁石结构氧化物为敏感电极材料的电流型nh3传感器
CN109490386B (zh) * 2019-01-10 2020-09-01 福州大学 一种以钙铁石结构氧化物为敏感电极材料的电流型nh3传感器

Also Published As

Publication number Publication date
AU2011217490A1 (en) 2012-09-06
RU2012135394A (ru) 2014-03-27
EP2362475A1 (en) 2011-08-31
AU2011217490B2 (en) 2013-05-23
JP2013519984A (ja) 2013-05-30
CA2790099A1 (en) 2011-08-25
EP2537203A1 (en) 2012-12-26
KR20120132507A (ko) 2012-12-05
WO2011101162A1 (en) 2011-08-25
US20130040212A1 (en) 2013-02-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6518256B2 (ja) 電気化学エネルギー変換装置及び電池、並びにそれらの正極側材料
JP5978224B2 (ja) 触媒層
KR20100107007A (ko) 산소 함유 기체 내에 사용하기 위한 고성능 다층 전극
KR20100112124A (ko) 환원 기체 내에 사용하기 위한 고성능 다층 전극
US9825306B2 (en) Mixed ionic and electronic conductor based on Sr2Fe2-xMoxO6 perovskite
US6896792B2 (en) Method and device for improved catalytic activity in the purification of fluids
CN104934621B (zh) 一种发动机尾气净化装置
JP4821147B2 (ja) 燃料電池及び燃料電池システム
JP2022513122A (ja) 電子化学デバイスおよび燃料セルシステム
US6887612B2 (en) Fuel cell
CN102770998A (zh) 纯化固体氧化物电池的气流的方法和系统
US20030175572A1 (en) Fuel cell arrangement and method for operating a fuel cell arrangement
US20230191318A1 (en) Electrochemically driven carbon dioxide separator
EP2560226A1 (en) Method and system for purification of gas/liquid streams for fuel cells or electrolysis cells
JP5481611B2 (ja) 高温水蒸気電解セル
JP2009129602A (ja) 固体酸化物形燃料電池
US20220029195A1 (en) Electrochemical cell
JP2010247034A (ja) ガス除害装置

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20121107