CN105264703B - 包括牺牲镍源的燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

在一些例子中，固体氧化物燃料电池系统包括：一种固体氧化物燃料电池，该固体氧化物燃料电池包括阳极、阳极导体层、阴极、阴极导体层和电解质，其中，阳极和阳极导体层各自包含镍；和分离于阳极和阳极导体层的镍的牺牲镍源，所述牺牲镍源被配置以降低运行过程中燃料电池内阳极和/或阳极集电器的镍的损失或迁移。

Description

包括牺牲镍源的燃料电池系统
技术领域
本发明总体上涉及燃料电池如固体氧化物燃料电池。
背景技术
燃料电池、燃料电池系统、以及燃料电池与燃料电池系统的内联接件(interconnect)仍然是人们感兴趣的领域。一些现有的燃料电池系统涉及某些应用具有各种不足、缺点和弊端。因此，仍然需要在该技术领域中的进一步贡献。
发明内容
本文描述了示例性的固体氧化物燃料电池系统。特别是，本发明的示例性固体氧化物燃料电池系统可以包括分离于阳极和阳极导电层的牺牲镍源。该牺牲镍源会在运行过程中在燃料电池系统的燃料侧内与水蒸气反应而形成挥发性镍化合物(例如Ni(OH)2)。以这种方式，从燃料电池系统中的阳极和阳极导电层损失的镍的量可以因为牺牲镍源的反应充当了阳极和阳极导电层中镍的反应的替代反应而得以降低。
在一个例子中，本发明涉及一种固体氧化物燃料电池系统，该燃料电池系统包括：固体氧化物燃料电池，该固体氧化物燃料电池包括阳极、阳极导体层、阴极、阴极导体层和电解质，其中该阳极和阳极导体层各自包含镍；和分离于该阳极和阳极导体层的镍的牺牲镍源，该牺牲镍源被配置以降低运行过程中燃料电池内阳极和/或阳极集电器的镍的损失或迁移。
在另一个例子中，本发明涉及一种方法，该方法包括形成一种固体氧化物燃料电池系统，该燃料电池系统包括：固体氧化物燃料电池，该固体氧化物燃料电池包括阳极、阳极导体层、阴极、阴极导体层和电解质的固体氧化物燃料电池，其中该阳极和阳极导体层各自包含镍；和分离于该阳极和阳极导体层的镍的牺牲镍源，该牺牲镍源被配置以降低运行过程中燃料电池内阳极和/或阳极集电器的镍的损失或迁移。
在另一个例子中，本发明涉及一种方法，该方法包括运行一种固体氧化物燃料电池系统，该固体氧化物燃料电池系统包括：固体氧化物燃料电池，该固体氧化物燃料电池包括阳极、阳极导体层、阴极、阴极导体层和电解质，其中该阳极和阳极导体层各自包含镍；和分离于该阳极和阳极导体层的镍的牺牲镍源，该牺牲镍源被配置以降低运行过程中燃料电池内阳极和/或阳极集电器的镍的损失或迁移。
本发明的一个或多个实施方式的详细内容参照附图和以下说明书进行描述。本发明的其它特征、对象和优势会通过描述、附图和权利要求显而易见。
附图的简要说明
以下说明参照附图，在数张视图中相同的附图标记代表相同的部分。
图1A～1C是分别从俯视图、侧视图和仰视图表示的示例性燃料电池堆的示意图。
图2A～2C是分别从俯视图、端视图和侧视图表示的包括两组的示例性燃料电池系统的示意图。
图3是表示一种包括多个牺牲镍源的示例性多孔陶瓷基材的示意图。
发明详述
如上所述，本发明的示例性固体氧化物燃料电池系统可以包括分离于阳极和阳极导电层的牺牲镍源。该牺牲镍源会在运行过程中与该燃料电池系统内的水蒸气反应而形成挥发性镍化合物(例如Ni(OH)2)。例如，该牺牲镍源会与该燃料电池系统的燃料补给腔内的水蒸气反应。以这种方式，从燃料电池系统中的阳极和阳极导电层损失的镍的量可以因为牺牲镍源的反应充当了阳极和阳极导电层中镍的反应的替代反应而得以降低。
固体氧化物燃料电池系统的燃料中的高水蒸气含量会导致镍从镍基阳极和阳极导电层的损失或迁移。这种镍的损失和迁移会严重影响该燃料电池系统的性能。在一些例子中，该镍的损失会主要发生在水蒸气存在下的挥发性氢氧化物类如Ni(OH)的形成过程中。在一些例子中，可以利用涂覆于镍颗粒表面上的涂层以获得水蒸气中的稳定性能。然而，这种涂层可能对阳极的电化学性能产生不良影响。另外，在一些管状燃料电池的设计中，可能需要对材料和工艺进行改进以实现在管道的在后电解质和阴极发射中始终保持几乎连续的薄涂层。这种改进对于生产制造可能并不合算。
按照本发明的例子，可以在固体氧化物燃料电池系统中的一个或多个位置提供牺牲镍源以降低或显著消减镍由于与水蒸气反应而从阳极和阳极导电层的损失。在一些例子中，该牺牲镍源可置于电池/电池堆上游的燃料供给腔内的一个或多个位置(例如置于燃料歧管内)。这样可以使燃料浸透挥发性的镍氢氧化物类，并因此与那些不包括这种牺牲镍源的例子相比，能够显著消减或降低镍从镍基阳极材料的损失。
相对于涂层的方法，本发明的一些例子可以同时具有成本和性能上的优势。使用简单、低成本的牺牲镍源可以为阳极涂覆技术带来实质性的成本优势。虽然阳极涂覆对于通过包覆阳极的镍表面来降低镍的挥发性并因此获得相对稳定的阳极性能而言在某种程度上是有效的，但是该涂覆也可能同时会降低镍的活性区域。结果，该阳极的电化学性能反而可能受到不良影响。相反，本发明的例子可以不需要改变任何阳极材料或工艺且可以不实质影响阳极性能。
该牺牲镍源可置于燃料电池系统中一个或多个合适的位置。在一些例子中，牺牲镍源的优选位置是尽可能靠近燃料电池层的位置，并因此位于燃料供给管道通道内。也优选将牺牲镍源置于燃料电池反应产生的水蒸气产物类的浓度最大处和Ni(OH)2挥发性最大处，例如在一组燃料供给管道内的在后燃料供给管道中的下游和/或一列燃料供给管道组中在后管道组中的下游。
图1A～1C是分别从俯视图、侧视图和仰视图表示示例性燃料电池系统的燃料电池堆10的示意图。图1A～1C的燃料电池堆10只是一种可以使用牺牲镍源的示例性结构，其它燃料电池系统结构也可被预见。燃料电池堆10包括一个或多个电化学电池，该电化学电池包括氧化剂侧和燃料侧。氧化剂通常是空气，但也可以是纯氧(O2)或其它氧化剂，例如，包括用于具有空气循环回路的燃料电池系统的稀释空气，且该氧化剂从氧化剂侧补给至电化学电池中。燃料如经过重整的烃类燃料、例如合成气通过燃料供给腔从燃料侧补给至电化学电池中。虽然一些例子中可能使用空气和由烃类燃料重整的合成气，但应当理解利用其它氧化剂和燃料、例如纯氢和纯氧的电化学电池也可被使用而不背离本发明的范围。
如图所示，燃料电池堆10包括多条管道(例如管道16)。用于该固体氧化物燃料电池所产生的电化学反应的燃料会通过开口12流入燃料电池堆10的第一条管道中。燃料电池堆10的管道会限定出一个用于将燃料供给至燃料电池堆10内电化学电池的燃料电池侧的燃料供给腔。燃料会沿着图1A～1C所示的路径通过燃料电池堆10中管道的燃料腔，并通过开口14离开燃料电池堆10。
可以使用任何包括一个或多个电化学电池的合适的固体氧化物燃料电池系统。合适的例子包括Liu等人在公布于2013年3月16日的美国专利申请公布第2003/0122393号中描述的例子，其全部内容引入本发明作为参考。在一些例子中，燃料电池系统可以包括阳极导电层、阳极层、电解质层、阴极层和阴极导电层。在一种形式中，电解质层可以是单层，也可以由任意数量的子层构成。在每个电化学电池中，阳极导电层将自由电子从阳极导出，通过内联接件将电子导至阴极导电层。阴极导电层将电子导至阴极。内联接件可以嵌入于电解质层中，并可以与阳极导电层电耦合，还可以具有导电性以将电子从一个电化学电池输送至另一个电化学电池。
如上所述，燃料电池堆10内一个或多个电化学电池的阳极和/或阳极导电层可以包括镍。固体氧化物燃料电池系统的燃料侧的高水蒸气含量会导致镍从镍基阳极和阳极导电层的损失或迁移。这种镍的损失和迁移会严重影响燃料电池系统的性能。在一些例子中，该镍的损失会主要发生在水蒸气存在下的挥发性氢氧化物类如Ni(OH)的形成过程中。
按照本发明的一个或多个例子，燃料电池堆10可以在燃料供给腔内包括一个或多个的牺牲镍源。在一些例子中，该一个或多个牺牲镍源可以位于与燃料电池系统的燃料补给相接触的位置。例如，一个分离于阳极和/或阳极导体层的镍的牺牲镍源可以与燃料电池堆10的管道所限定的燃料供给腔安置在一起。该牺牲镍源会在运行过程中在燃料电池系统的燃料侧内与水蒸气反应而形成挥发性镍化合物(例如Ni(OH)2)。以这种方式，从燃料电池系统中的阳极和阳极导电层损失的镍的量可以因为牺牲镍源的反应充当了阳极和阳极导电层中镍的反应的替代反应而得以降低。在一些例子中，进入燃料电池堆的燃料已在燃料电池堆外经过重整以致所述牺牲镍源不实质起到作为燃料重整用催化剂的作用。
图2是从俯视图、端视图和侧视图表示包括两组的示例性燃料电池系统20的示意图。每组包含六条一列的管道(如管道16)。燃料电池系统20运行起来实质上会与燃料电池系统10的相似，并会包括一个限定燃料电池系统的电化学电池的燃料侧的燃料流动的燃料供给腔。
同样，为了降低镍由于燃料侧的高水蒸气含量而从镍基阳极和阳极导电层的损失和迁移，可以在燃料电池系统22中使用牺牲镍源。例如，牺牲镍源(如镍源24)可以置于入口燃料管26和/或连接相邻燃料电池管道的燃料歧管18(如镍源22)内。在一些例子中，该牺牲镍源可以采取镍或镍合金的毡、线、棒和/或带的形式。该牺牲镍源可用任何合适的技术来置于燃料电池系统内。该牺牲镍源可以在运行过程中在燃料电池系统的燃料侧内与水蒸气反应而形成挥发性镍化合物(例如Ni(OH)230)。
牺牲镍源可以置于燃料电池系统内的任何合适的位置以与燃料供给侧内的水蒸气反应。图3是表示一种包括多个以例如镍线或镍网纱的形式使用的牺牲镍源32的多孔陶瓷基材30的示意图。除了牺牲镍源32以外，阳极和阳极导电层可以与其他活性燃料电池层一起印刷在该基材之上。在一些例子中，该牺牲镍源包含一种镍金属陶瓷，该镍金属陶瓷源于阳极还原过程之前的NiO+陶瓷的复合材料。例如，NiO+陶瓷的材料可以用作涂覆于该燃料电池系统的燃料歧管、供给线和/或基材的内表面的涂覆物或修补基面涂层，且可以在一个或多个燃料电池堆的中间装配阶段和/或装配完成后进行这样的涂覆。
以上描述了本发明的各种实施方式。这些和其它实施方式都在所述权利要求的范围内。

Claims (11)

1.一种固体氧化物燃料电池系统，包括：
燃料电池堆，所述燃料电池堆包括多条管道、和与燃料电池堆中的多条管道串联相连的多个歧管，其中多条管道和与管道相连的多个歧管对燃料电池堆的燃料供给腔进行限定，所述燃料电池堆包括至少一个所述多条管道中各个管道上的电化学电池，该电化学电池包括阳极、阳极导体层、阴极、阴极导体层和电解质，其中阳极和阳极导体层各自包含镍，且串联中第一条管道包括接受用于所述电化学电池中电化学反应的燃料的开口；和
与所述阳极和阳极导体层的镍分离、且位于系统的燃料供给腔内的牺牲镍源，一部分牺牲镍源位于所述第一条管道开口和电化学电池的下游，所述牺牲镍源通过在燃料电池系统的运行过程中与燃料供给腔内的水蒸气反应、使燃料供给腔内的燃料浸透挥发性镍氢氧化物类，来降低运行过程中燃料电池内阳极和/或阳极集电器的镍的损失或迁移。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，进入燃料电池堆的燃料已在燃料电池堆外经过重整以致所述牺牲镍源不实质起到作为燃料重整用催化剂的作用。
3.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，挥发性镍氢氧化物类包含Ni(OH)2。
4.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，牺牲镍源包含镍或镍合金的毡、镍或镍合金的线、镍或镍合金的棒或镍或镍合金的带中的至少一种。
5.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，牺牲镍源包含一种镍金属陶瓷，该镍金属陶瓷源于阳极还原过程之前的NiO+陶瓷的复合材料。
6.如权利要求5所述的燃料电池系统，其特征在于，NiO+陶瓷的材料用作涂覆于燃料电池系统的燃料歧管、供给线和/或基材的内表面上的涂覆物或修补基面涂层，且牺牲镍源在燃料电池系统的中间装配阶段和/或燃料电池系统装配完成后涂覆。
7.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，燃料电池系统被配置为扁平管状的集成平面串联的固体氧化物燃料电池系统。
8.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，阳极和阳极导电层在基材上，且牺牲镍源也在基材上。
9.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述部分牺牲镍源位于多个歧管内。
10.一种方法，该方法包括形成一种燃料电池系统，所述燃料电池系统包括：
燃料电池堆，所述燃料电池堆包括多条管道、和与燃料电池堆中的多条管道串联相连的多个歧管，其中多条管道和与管道相连的多个歧管对燃料电池堆的燃料供给腔进行限定，所述燃料电池堆包括至少一个所述多条管道中各个管道上的电化学电池，该电化学电池包括阳极、阳极导体层、阴极、阴极导体层和电解质，其中所述阳极和阳极导体层各自包含镍，且串联中第一条管道包括用于接受所述电化学电池中电化学反应的燃料的开口；和
与阳极和阳极导体层的镍分离、且位于系统的燃料供给腔内的牺牲镍源，一部分牺牲镍源位于所述第一条管道开口和电化学电池的下游，牺牲镍源通过在燃料电池系统的运行过程中与燃料供给腔内的水蒸气反应、使燃料供给腔内的燃料浸透挥发性镍氢氧化物类，来降低运行过程中燃料电池内阳极和/或阳极集电器的镍的损失或迁移。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，阳极和阳极导电层在基材上，且牺牲镍源也在基材上。
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