CN107251296A - 加液体烃燃料的固体氧化物燃料电池中的含碳沉积物的电化学氧化 - Google Patents

加液体烃燃料的固体氧化物燃料电池中的含碳沉积物的电化学氧化 Download PDF

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Abstract

提供去除在加液体烃燃料的固体氧化物燃料电池和相关系统中的含碳沉积物的方法的实施例。所述方法包括提供具有阳极、阴极、在所述阳极和阴极之间取向的固体氧化物电解质、安置成接近于所述固体氧化物电解质和所述阴极的放大器阴极、电连接所述阳极和所述阴极的燃料电池电路和电连接所述阳极和所述放大器阴极的放大器电路的固体氧化物燃料电池系统。另外，在电解模式中操作所述放大器电路以电供电所述放大器阴极，其中所述放大器阴极产生O2‑或CO3 2‑并且将其供应到所述阳极。所述方法进一步包括通过经由与所述O2‑或CO3 2‑的反应将所述含碳沉积物转换成二氧化碳气体而去除在所述阳极上的所述含碳沉积物并且排出所述二氧化碳气体。

Description

加液体烃燃料的固体氧化物燃料电池中的含碳沉积物的电化 学氧化
相关申请的交叉引用
本申请要求2015年2月17日提交的美国专利申请第14/623,884号题为“在加液体烃燃料的固体氧化物燃料电池中的含碳沉积物的增强型电化学氧化(案号SA 6011 PA)”的优先权益，其内容以全文引用的方式并入本文。
背景技术
技术领域
本公开的实施例大体上涉及固体氧化物燃料电池(SOFC)，并且更具体地说涉及去除在加液体烃燃料的固体氧化物燃料电池中的含碳沉积物的方法和相关特别配置的加液体烃燃料的固体氧化物燃料电池系统。
技术背景
如通常已知的，固体氧化物燃料电池由三个主要部分构成；阳极，其中进行电化学氧化，阴极，其中进行电化学还原和电解质膜，其为致密、不透气的离子迁移膜，其在高温范围下呈现纯离子或混合离子-电子导电性。阴极产生氧离子，其随后迁移通过电解质膜到阳极电极。氧离子氧化在阳极中的燃料并且由此产生电子，其流动通过外部电路回到阴极，由此产生电能。
参考图1，常规固体氧化物燃料电池100(SOFC)包括阳极120。阳极120与固体氧化物电解质170接触，并且还可暴露于燃料(气体、液体或固体)，例如含碳燃料142。在阴极130(其在存在空气144的情况下执行阴极金属的O2(g)还原以产生氧离子146)中，放置在固体氧化物电解质170的相对侧上。对于阳极120、金属导线或在操作条件下为固体并且惰性的任何其它电子导电材料处的电流收集，可电连接到阳极120以有助于经由电路150移动回到阴极130的电子的收集。
再次参考图1，电化学反应在不燃烧的情况下将燃料142和空气144转换成电力。固体氧化物燃料电池100为高温燃料电池。在高温下，升温的空气144进入与阴极130相邻的固体氧化物燃料电池100，并且含碳燃料142进入与阳极120相邻的固体氧化物燃料电池100。随后，化学反应在固体氧化物燃料电池100中开始。因为燃料142穿过阳极120，所以它从阴极130吸引氧离子146。氧离子146与燃料142结合以产生电力和包括水和少量二氧化碳的废物产物148。只要存在燃料142、空气144和热量，方法就继续生产电力。然而，在固体氧化物燃料电池100操作时，效率和/或功率输出随时间减小。
因此，持续需要提高固体氧化物燃料电池100的长期的效率和功率输出的方法和维持随时间的效率和功率输出的固体氧化物燃料电池系统。
发明内容
本公开的方法和系统具有工业实用性，具体地说在油气和电力工业中由于在世界范围内能量消耗快速增加和燃料电池由于在阳极120上的含碳沉积物140而随时间效率降低。含碳沉积物140可在阳极120上积聚，这降低固体氧化物燃料电池100的操作效率。
根据一个实施例，提供去除在加液体烃燃料的固体氧化物燃料电池中的含碳沉积物的方法。方法包括提供具有阳极、阴极、在阳极和阴极之间取向的固体氧化物电解质、安置成接近于固体氧化物电解质和阴极的放大器阴极、电连接阳极和阴极的燃料电池电路和电连接阳极和放大器阴极的放大器电路的固体氧化物燃料电池系统。方法进一步包括在电解模式中操作放大器电路以电供电放大器阴极。在电解模式中操作放大器电路导致放大器阴极产生O2-或CO3 2-并且将其供应到阳极。另外，方法包括通过经由与O2-或CO3 2-的反应将含碳沉积物转换成二氧化碳气体而去除在阳极上的含碳沉积物并且排出二氧化碳气体。
在另一实施例中，提供去除在加液体烃燃料的固体氧化物燃料电池中的含碳沉积物的方法。方法包括提供具有阳极、阴极、在阳极和阴极之间取向的固体氧化物电解质、安置成接近于固体氧化物电解质和阴极的放大器阴极、电连接阳极和阴极的燃料电池电路和包含至少一个电池组、恒电势器或恒流器的电连接阳极和放大器阴极的放大器电路的固体氧化物燃料电池系统。另外，方法包括监测固体氧化物燃料电池系统的功率反应速度。方法此外包括在电解模式中操作放大器电路以电供电放大器阴极，其中放大器阴极产生O2-或CO3 2-并且将其供应到阳极。另外，方法包括通过经由与O2-或CO3 2-的反应将含碳沉积物转换成二氧化碳气体而去除在阳极上的含碳沉积物并且排出二氧化碳气体。最后方法包括调节供应到放大器电路的电流以获得去除在阳极上的含碳沉积物的稳态操作。
在又一实施例中，提供固体氧化物燃料电池系统。固体氧化物燃料电池系统包括阳极、阴极、在阳极和阴极之间取向的固体氧化物电解质和安置成接近于固体氧化物电解质和阴极的放大器阴极。固体氧化物燃料电池系统此外具有电连接阳极和阴极的燃料电池电路和具有至少一个电池组、恒电势器或恒流器的电连接阳极和放大器阴极的放大器电路。此外，固体氧化物燃料电池系统具有定位成将液体烃燃料横跨阳极分配的液体燃料雾化器。放大器电路在电解模式中操作以电供电产生O2-或CO3 2-并且将其供应到阳极的放大器阴极以通过经由与O2-或CO3 2-的反应产生二氧化碳气体将含碳沉积物转换成二氧化碳气体而去除在阳极上的含碳沉积物。
本文所描述的实施例的另外的特征和优点将在下文的详细描述中进行阐述，并且本领域的技术人员将部分地通过所述描述容易地清楚或通过实践本文中所描述的实施例(包含下文的详细描述、权利要求书和附图)来认识到所述特征和优点。
应理解，前述大体描述和以下详细描述描述了各种实施例并且意图提供概述或框架以用于理解所主张的主题的性质和特征。包括附图以提供对各种实施例的进一步理解，并且所述附图被并入本说明书中并且构成本说明书的一部分。图式说明本文所描述的各种实施例，并且与描述一起用以解释所主张的主题的原理和操作。
附图说明
图1为常规SOFC的示意图。
图2为根据本公开的一个或多个实施例具有放大器电路的SOFC的示意图。
图3根据本公开的一个或多个实施例描绘具有放大器电路和液体燃料雾化器的SOFC系统。
具体实施方式
现在将详细参考去除在本公开的加液体烃燃料的固体氧化物燃料电池和相关系统中的含碳沉积物的方法的实施例。尽管图2和3的示意图和系统以例示性提供，但是应理解本发明的系统和方法涵盖其它配置。
参考图2的实施例，示出固体氧化物燃料电池(SOFC)系统110。固体氧化物燃料电池系统110包含阳极120、阴极130、在阳极120和阴极130之间取向的固体氧化物电解质170。此外，固体氧化物燃料电池系统110包含安置成接近于固体氧化物电解质170和阴极130的放大器阴极160。燃料电池电路150电连接阳极120和阴极130。固体氧化物燃料电池系统110此外包含电连接阳极120和放大器阴极160的放大器电路180。如本文所用，“在…之间”不必意指直接接触，并且涵盖在固体氧化物燃料电池系统110的阳极120、阴极130或电解质170之间合适的额外组分。
如图2所示，固体氧化物燃料电池系统110包含一个或多个外部电路，例如燃料电池电路150，其从阳极120收集电子以产生电力。在各种实施例中，燃料电池电路150可包含导线或在操作条件下为固体并且惰性的任何其它电子导电材料，以有助于经由燃料电池电路150移动回到阴极130的电子的收集。
在如图2所示操作中，阴极130根据以下反应(R1)降低在进气流144中的O2以产生氧离子146：
O2(g)+4e-→2O2- (R1)
在氧离子146迁移通过固体氧化物电解质170之后，氧离子146到达阳极120，并且氧化燃料142以产生除了用于产生电力的电子之外的二氧化碳和水。下文示出此电化学氧化反应(R2)：
CxHy+(2x+y/2)O2-→xCO2(g)+(y/2)H2O+(4x+y)e- (R2)
在操作中，固体氧化物燃料电池系统110，以及常规固体氧化物燃料电池100不根据R2极佳地操作。氧离子146从阴极130驱动通过固体氧化物电解质170到阳极120以氧化燃料142并且产生电力。用于氧离子146的驱动力由于在阳极120和阴极130之间的氧化学电势差自发迁移。然而，由于在高温下进行的均质气相热解和/或裂解反应，含碳沉积物140在阳极120的表面上形成，由此阻挡阳极120的正常操作并且因此使固体氧化物燃料电池110的性能降低。因此，含碳沉积物140可在阳极120上积聚，这降低固体氧化物燃料电池系统110的操作效率。固体氧化物燃料电池系统110的效率为以预期的总功率的百分比形式的产生的有用功率。固体氧化物燃料电池系统110的效率可由下式表达：ε＝P产生/ΔG燃料，其中ε为燃料电池效率，P产生为有用功率输出并且ΔG燃料燃料氧化反应的吉布斯自由能。具体地说，含碳沉积物140在阳极120上的累积根据下文示出的电化学反应(R3)出现。
CxHy→CxHn *+((y-n)/2)H2 (R3)
含碳沉积物140在阳极120上的累积通过将额外离子氧146提供到阳极120补救。当氧离子146到达阳极120的表面时，其在邻近三相边界(tpb)处选择性地与含碳沉积物140反应以形成CO2(g)。含碳沉积物140和氧离子146形成CO2的反应导致去除含碳沉积物140。下文提供去除含碳沉积物140的反应(R4)。
CxHn *+(3x+n/2)O2--→xCO2(g)+(n/2)H2O+(4x+n)e- (R4)
如图2和3所示，固体氧化物燃料电池系统110包含除了燃料电池电路150之外的一个或多个外部电路，例如放大器电路180，其在电解模式中操作。在电解模式中操作意指电路被提供功率以彻底电解或供电以驱动在其中不自发地发生的方向上的氧化还原反应。具体地说，放大器电路180消耗电能以便在阴极130处产生氧离子146用于迁至阳极120的表面。在各种实施例中，放大器电路180可包含导线，或在操作条件下为固体并且惰性的任何其它电子导电材料，以有助于将电子经由放大器电路180传输到阴极130。
在电解模式中操作放大器电路180电供电放大器阴极160。放大器阴极160的电动供电产生O2-并且将其供应到阳极120。以离子氧146的形式通过固体氧化物电解质170供应的O2-通过经由与离子氧146的反应将含碳沉积物140转换成二氧化碳气体148而去除在阳极120上的含碳沉积物140。产生的二氧化碳气体148随后从固体氧化物燃料电池110排出。二氧化碳气体148根据本领域的技术人员已知的任何方法从固体氧化物燃料电池110排出。举例来说，如图3所示，管道可以用于以引导二氧化碳气体148远离固体氧化物燃料电池110。在实施例中，不需要任何额外设备去除产生的二氧化碳气体148，因为由于沿管线流动的二氧化碳气体148造成压降为用于二氧化碳气体148去除的足够的驱动力。
固体氧化物燃料电池110的放大器电路180包含供电放大器电路180的至少一个电源182。在一个实施例中，电源182为至少一个电池组。电池组的非限制性实例包括锂电池组、碱性电池组、银氧化物电池组、锌碳电池组、铅酸电池组、锂离子电池组、镍氢电池组和钠离子电池组。在各种实施例中，电池组可为一次电池(不可充电电池组)或二次电池(可充电电池组)。在另外的实施例中，至少一个电池组可通过将由固体氧化物燃料电池系统110产生的电力的一部分分流到电池组而再充电。本领域的技术人员应理解已知额外特定电池组或替代电源并且理解它们同样可以用作电源182。
在另外的实施例中，供电放大器电路180的电源182为燃料电池电路150。举例来说，放大器电路180可包括控制从至少一个燃料电池电路150供应到放大器阴极160的功率的至少一个恒电势器。具体地说，恒电势器通过调节供应到放大器电路180的电流将至少一个燃料电池电路150的电势维持在恒定水平下起作用。在另外的实例中，放大器电路180可包括控制从至少一个燃料电池电路150供应到放大器阴极160的功率的至少一个恒流器。恒电势器和/或恒流器充当功率供应器以将电子电流提供到放大器阴极160。如果在阳极120和放大器阴极160之间的恒定电势为期望的，那么可使用恒电势器，而当在阳极120和放大器阴极160之间的恒定电流为优选的时，可使用恒流器。因此，当需要恒定离子氧146供应速率时，恒流器为优选的。
在各种实施例中，供应到放大器电路180的电流基本上恒定。在另外的实施例中，供应到放大器电路180的电流为脉冲的。供应到放大器电路180的电流无论为恒定或脉冲的，最小施加的电势为O2还原电势或相对应的电流。O2还原电势通常在大约0.1V到大约0.5V的范围内。对于具有不同阳极120、阴极130和/或固体氧化物电解质170的多种固体氧化物燃料电池系统110的特定O2还原电势对于本领域的技术人员是已知的。最大施加的电势限于电解质还原电势或相对应的电流。电解质还原电势通常在大约2V到大约3V的范围内。对于具有不同阳极120、阴极130和/或固体氧化物电解质170的多种固体氧化物燃料电池系统110的特定电解质还原电势对于本领域的技术人员是已知的。
参考图2和3，在另外的实施例中，固体氧化物燃料电池系统110进一步包含分别测量在燃料电池电路150中的电压和电流的电压表156和电流表152。根据电压表156和电流表152的测量值，可简单并且直接计算功率输出。
在另外的实施例中，在固体氧化物燃料电池110的功率输出下降低于初始非碳中毒功率输出的一定百分比时，固体氧化物燃料电池系统110进一步包含使供应到放大器电路180的电流产生脉冲的控制回路，在各种实施例中，在使供应到放大器电极回路的电流产生脉冲启动控制回路之前燃料电池功率输出的减少可为大约20％、大约30％、大约40％、大约50％、大约60％、大约70％、大约80％，或大约90％。此外，在各种实施例中，用于将电势或电流施加到放大器电路的恒电势器和/或恒流器可具有测量电压和电流的集成的电压表和电流表。因此，可简单并且直接计算供应的功率。
在各种实施例中，监测固体氧化物燃料电池系统110的功率反应速度。举例来说，可通过观测由燃料电池电路150供应的电流或由燃料电池电路150提供的电压监测功率反应速度。
在各种实施例中，调节供应到放大器电路180的电流以获得去除在阳极120上的含碳沉积物140的稳态操作。含碳沉积物140的去除的稳态操作意指含碳沉积物140以等于含碳沉积物140形成的速率的速率去除。如果含碳沉积物140以超过去除含碳沉积物140的速率形成，那么固体氧化物燃料电池系统110的功率反应速度降低并且供应到放大器电路180的电流提高以提高含碳沉积物140的去除速率。可降低供应到放大器电路180的电流以降低含碳沉积物140的去除速率直到含碳沉积物140的形成速率再次超过含碳沉积物140的去除速率。使供应到放大器电路180的电流降到最低同时仍以等于含碳沉积物140的形成速率的速率去除含碳沉积物140通过避免不必要的离子氧146形成使固体氧化物燃料电池系统110的效率达到最大。
在各种实施例中，阳极120预期为包含适合于氧化的多种金属中的任一种，例如金属、金属氧化物或陶瓷-金属。举例来说，但不作为限制，阳极120包含选自以下组成的组的金属：铁(Fe)、铜(Cu)、镍(Ni)、钴(Co)金(Au)、钌(Ru)、铑(Rh)、钨(W)、铬(Cr)、铽(Tb)、镁(Mg)、铂(Pt)、钯(Pd)和其组合。
在固体氧化物电解质170的情况下，需要与阳极120的高离子导电性和可忽略的化学相互作用。这就是说，多种组合物适合于固体氧化物电解质170，其中主要需要氧离子导电性。合适的固体氧化物电解质170可为纯离子或混合离子-电子。
举例来说，但不作为限制，固体氧化物电解质170可包含氧化锆类电解质或二氧化铈类电解质。在具体实施例中，所述氧化锆类电解质可选自以下组成的组：氧化钇稳定的ZrO2(YSZ)、氧化钪稳定的ZrO2(ScSZ)、氧化钙稳定的ZrO2(CSZ)、氧化钐稳定的ZrO2(SmSZ)和其组合。在示例性实施例中，固体氧化物电解质170包含氧化钇稳定的ZrO2(YSZ)。替代地，二氧化铈类电解质可包含稀土掺杂的二氧化铈。举例来说，二氧化铈类电解质选自以下组成的组：钆掺杂的二氧化铈(GDC)、氧化钇掺杂的二氧化铈(YDC)、钐掺杂的二氧化铈(SmDC)、钪掺杂的二氧化铈(ScDC)、锆掺杂的二氧化铈(ZDC)、氧化钆稳定的二氧化铈(CGO)和其组合。固体氧化物电解质170的另外的实例包括二氧化钛类、钙钛矿氧化物或阳离子碳酸盐类电解质。
当选择用于固体氧化物电解质170的组合物时，应考虑以下因素：1.与电极中的任一个的任何可能化学相互作用，其可对固体氧化物燃料电池110具有灾难性影响；2.燃料电池操作温度范围；和3.离子/电子导电性比率值。因此，两种或更多种固体氧化物电解质170的组合可用于确保满足这些因素。举例来说，在其中不稳定固体氧化物电解质170(其与阳极120相互作用)由于其在期望操作温度下的显著离子导电性必需用于固体氧化物燃料电池110的情况下，化学稳定固体电解质的薄涂层可在电解质/阳极介面处使用以避免在阳极120和固体氧化物电解质170之间直接接触。相同技术可用于阻挡高度导电的混合离子-电子固体电解质可在期望温度范围下可呈现的电子导电性。在此情况下，纯离子导体(例如YSZ)的薄涂层可为有益的。
关于阴极130和放大器阴极160，在操作温度范围下呈现低O2(g)还原超电势同时具有可忽略的与固体氧化物电解质170的相互作用的任何阴极材料可用于阴极130和放大器阴极160。举例来说但不作为限制，阴极130或放大器阴极160可包含一般类型ABO3或ABMO3或A1-xSrxFe1-yCoyO3-δ或A1-xBxM1-yMgyO3-δ的钙钛矿材料，其中A可为组La、Sn、Nd、Gd、Ba或Dy中的一种；B可为2+、3+、4+或5+阳离子中的一种，并且M可为过渡金属。两种优选的钙钛矿阴极为LaSrFeCoO3-δ(LSCF)和LaSrMnO3-δ(LSM)。另外的例示性钙钛矿阴极为Sr2MgMo0.8Nb0.2O6-δ。此外，过渡金属电极可用作阴极130或放大器阴极160。非限制性实例包括Pt、Ir和Au。
在另一实施例中，阴极130和放大器阴极160为相同组成。因为阴极130和放大器阴极160的作用相同，其中在阴极130和放大器阴极160两者中出现O2还原，可使用相同的材料提供较低总制造成本的优点。
在另外的实施例中，阴极130和放大器阴极160为不同组成。利用用于阴极130和放大器阴极160的不同组成允许高度执行阴极材料，其通常用作放大器阴极160更昂贵，这是由于放大器阴极160相较于阴极130的相对较小大小。利用用于放大器阴极160的高度执行阴极材料导致比可补偿放大器阴极160的较小大小的较低成本和较低执行阴极材料较高的氧还原速率。
参考图3，在实施例中，固体氧化物燃料电池系统110进一步包含液体燃料雾化器190。液体燃料雾化器190远离阳极120的顶部隔开放置。利用液体燃料雾化器190允许燃料142横跨阳极120分布。燃料142横跨阳极120的分布导致提高的燃料利用率。此外，燃料142横跨阳极120的分布导致高度分散的含碳沉积物140。在放大器阴极160处产生的离子氧146横跨阳极120分散，因为它穿过固体氧化物电解质170并且因此高度分散的含碳沉积物140优选高效地利用所有产生的离子氧146。
虽然未示出，但是若干常规(例如利用来自锅炉的废热)、非常规(即可再生：太阳能光伏(PV)或聚光太阳能发电(CSP)、风力发电等或组合的加热方法可用于实现固体氧化物燃料电池110所需要的高操作温度范围。
在另外的实施例中，燃料电池为熔融的碳酸盐燃料电池(MCFC)。当燃料电池为熔融的碳酸盐燃料电池时，转移通过固体氧化物电解质170的离子物质为离子碳酸盐(CO3 2-)。此外，方程R1、R2和R4被下文复制的R5、R6和R7替换。
2CO2(g)+O2(g)+4e-→2CO3 2- (R5)
CxHy+(2x+y/2)CO3 2-→(3x+y/2)CO2(g)+(y/2)H2O+(4x+y)e- (R6)
CxHn *+(3x+n/2)CO3 2-→(3x+n/2)CO2(g)+(n/2)H2O+(4x+n)e- (R7)
液态烃供电的燃料电池可呈现高达90％的操作效率值，但是其中可获得高效率值的烃燃料142在阳极120处直接进料的操作仍具有挑战性并且难以施用，这是由于具有在阳极120上形成含碳沉积物140的传统问题。然而，通过从阳极120去除含碳沉积物140，维持固体氧化物燃料电池系统110的操作效率。在另一实施例中，固体氧化物燃料电池系统110的效率超出40％，并且在固体氧化物燃料电池系统110操作期间无限期地维持超过40％。在另外的实施例中，固体氧化物燃料电池系统110的效率超出60％并且在固体氧化物燃料电池系统110操作期间无限期地维持超过60％。在又一甚至另外的实施例，固体氧化物燃料电池系统110的效率超出80％并且在固体氧化物燃料电池系统110操作期间无限期地维持超过80％。
本领域的技术人员应清楚，在不脱离所主张的主题的精神和范围的情况下，可对本文中所描述的实施例进行各种修改和变化。因此希望本说明书覆盖本文中所描述的各种实施例的修改以及变化，其条件是，此类修改以及变化落在所附权利要求书以及其等效物的范围内。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种去除在加液体烃燃料的固体氧化物燃料电池中的含碳沉积物的方法，所述方法包含：
提供包含阳极、阴极、在所述阳极和阴极之间取向的固体氧化物电解质、安置成接近于所述固体氧化物电解质和所述阴极的放大器阴极、电连接所述阳极和所述阴极的燃料电池电路和电连接所述阳极和所述放大器阴极的放大器电路的固体氧化物燃料电池系统；
在电解模式中操作所述放大器电路以电供电所述放大器阴极，其中所述放大器阴极产生O2-或CO3 2-并且将其供应到所述阳极；和
通过经由与所述O2-或CO3 2-的反应将所述含碳沉积物转换成二氧化碳气体而去除在所述阳极上的所述含碳沉积物并且排出所述二氧化碳气体。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述放大器电路进一步包含供电所述放大器电路的至少一个电池组。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述放大器电路进一步包含供电和控制所述放大器电路的至少一个恒电势器。
4.根据权利要求2所述的方法，其中所述放大器电路进一步包含至少一个恒电势器，并且所述放大器电路由所述恒电势器控制并且通过由所述燃料电池电路充电的所述至少一个电池组供电。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述放大器电路进一步包含供电和控制所述放大器电路的至少一个恒流器。
6.根据权利要求2所述的方法，其中所述放大器电路进一步包含至少一个恒流器，并且所述放大器电路由所述恒流器控制并且通过由所述燃料电池电路充电的所述至少一个电池组供电。
7.根据权利要求1所述的方法，其中供应到所述放大器电路的所述电流随时间基本上恒定。
8.根据权利要求7所述的方法，其中供应到所述放大器电路的所述电流保持高于所述O2还原电势并且低于所述电解质还原电势的电压。
9.根据权利要求1所述的方法，其中供应到放大器电极回路的所述电流为脉冲的。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述固体氧化物燃料电池系统进一步包含使供应到所述放大器电极回路的所述电流产生脉冲使得当所述固体氧化物燃料电池系统的所述功率输出下降低于初始操作的50％而没有含碳沉积物时供应电流的控制回路。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述阴极和所述放大器阴极为不同组成。
12.根据权利要求1所述的方法，其中所述阴极、所述放大器阴极或这两者选自一般类型ABO3或ABMO3或A1-xSrxFe1-yCoyO3-δ或A1-xBxM1-yMgyO3-δ中的至少一种钙钛矿材料组成的组，其中：
A为La、Sn、Nd、Gd、Ba或Dy，
B为2+、3+、4+或5+阳离子，并且
M为过渡金属。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述钙钛矿材料为LaSrFeCoO3-δ(LSCF)或LaSrMnO3-δ(LSM)或Sr2MgMo0.8Nb0.2O6-δ。
14.根据权利要求1所述的方法，其中所述阳极包含金属、金属氧化物或陶瓷-金属。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述阳极包含选自以下组成的组的金属：铁(Fe)、铜(Cu)、镍(Ni)、钴(Co)、钼(Mo)、金(Au)、钌(Ru)、铑(Rh)、钨(W)、铬(Cr)、铽(Tb)、镁(Mg)、铂(Pt)、钯(Pd)和其组合。
16.根据权利要求1所述的方法，其中所述电解质为氧化锆类、二氧化铈类、二氧化钛类、钙钛矿氧化物或阳离子碳酸盐类。
17.根据权利要求1所述的方法，其中所述固体氧化物燃料电池系统进一步包含定位成将所述液体烃燃料横跨所述阳极分配的液体燃料雾化器。
18.一种去除在加液体烃燃料的固体氧化物燃料电池中的含碳沉积物的方法，所述方法包含：
提供包含阳极、阴极、在所述阳极和阴极之间取向的固体氧化物电解质、安置成接近于所述固体氧化物电解质和所述阴极的放大器阴极、电连接所述阳极和所述阴极的燃料电池电路和包含至少一个电池组、恒电势器或恒流器的电连接所述阳极和所述放大器阴极的放大器电路的固体氧化物燃料电池系统；
监测所述固体氧化物燃料电池系统的功率反应速度；
在电解模式中操作所述放大器电路以电供电所述放大器阴极，其中所述放大器阴极产生O2-或CO3 2-并且将其供应到所述阳极；
通过经由与所述O2-或CO3 2-的反应将所述含碳沉积物转换成二氧化碳气体而去除在所述阳极上的所述含碳沉积物并且排出所述二氧化碳气体；和
调节供应到所述放大器电路的所述电流以获得去除在所述阳极上的所述含碳沉积物的稳态操作。
19.根据权利要求18所述的方法，其中供应到所述放大器电路的所述电流随时间基本上恒定。
20.根据权利要求18所述的方法，其中供应到所述放大器电极回路的所述电流为脉冲的。
21.根据权利要求18所述的方法，其中所述放大器电路进一步包含供电和控制所述放大器电路的至少一个恒电势器。
22.根据权利要求18所述的方法，其中所述放大器电路进一步包含供电和控制所述放大器电路的至少一个恒流器。
23.一种固体氧化物燃料电池系统，包含：
阳极，
阴极，
在所述阳极和阴极之间取向的固体氧化物电解质，安置成接近于所述固体氧化物电解质和所述阴极的放大器阴极，
电连接所述阳极和所述阴极的燃料电池电路，
电连接所述阳极和所述放大器阴极的放大器电路；和
定位成将所述液体烃燃料横跨所述阳极分配的液体燃料雾化器，其中
所述放大器电路在电解模式中操作以电供电产生O2-或CO3 2-并且将其供应到所述阳极的所述放大器阴极以通过经由与所述O2-或CO3 2-的反应产生二氧化碳气体将所述含碳沉积物转换成二氧化碳气体而去除在所述阳极上的含碳沉积物。
24.根据权利要求23所述的固体氧化物燃料电池系统，其中所述放大器电路包含至少一个电池组、恒电势器或恒流器。
25.根据权利要求23所述的固体氧化物燃料电池系统，其中所述阴极、所述放大器阴极或这两者选自一般类型ABO3或ABMO3或A1-xSrxFe1-yCoyO3-δ或A1-xBxM1-yMgyO3-δ中的至少一种钙钛矿材料组成的组，其中：
A为La、Sn、Nd、Gd、Ba或Dy，
B为2+、3+、4+或5+阳离子，并且
M为过渡金属。
26.根据权利要求23所述的固体氧化物燃料电池系统，其中所述阳极包含金属、金属氧化物或陶瓷-金属。
27.根据权利要求26所述的固体氧化物燃料电池系统，其中所述阳极包含选自以下组成的组的金属：铁(Fe)、铜(Cu)、镍(Ni)、钴(Co)、钼(Mo)、金(Au)、钌(Ru)、铑(Rh)、钨(W)、铬(Cr)、铽(Tb)、镁(Mg)、铂(Pt)、钯(Pd)和其组合。
28.根据权利要求23所述的固体氧化物燃料电池系统，其中所述电解质为氧化锆类或二氧化铈类或二氧化钛类或钙钛矿氧化物或阳离子碳酸盐类。
29.根据权利要求28所述的固体氧化物燃料电池系统，其中所述氧化锆类电解质选自以下组成的组：氧化钇稳定的ZrO2(YSZ)、氧化钪稳定的ZrO2(ScSZ)、氧化钙稳定的ZrO2(CSZ)、)、氧化钐稳定的ZrO2(SmSZ)和其组合。
30.根据权利要求28所述的固体氧化物燃料电池系统，其中所述二氧化铈类电解质选自以下组成的组：钆掺杂的二氧化铈(GDC)、氧化钇掺杂的二氧化铈(YDC)、钐掺杂的二氧化铈(SmDC)、钪掺杂的二氧化铈(GDC)、锆掺杂的二氧化铈(ZDC)、氧化钆稳定的二氧化铈(CGO)和其组合。

Claims (30)

1.一种去除在加液体烃燃料的固体氧化物燃料电池中的含碳沉积物的方法，所述方法包含：
提供包含阳极、阴极、在所述阳极和阴极之间取向的固体氧化物电解质、安置成接近于所述固体氧化物电解质和所述阴极的放大器阴极、电连接所述阳极和所述阴极的燃料电池电路和电连接所述阳极和所述放大器阴极的放大器电路的固体氧化物燃料电池系统；
在电解模式中操作所述放大器电路以电供电所述放大器阴极，其中所述放大器阴极产生O2-或CO3 2-并且将其供应到所述阳极；和
通过经由与所述O2-或CO3 2-的反应将所述含碳沉积物转换成二氧化碳气体而去除在所述阳极上的所述含碳沉积物并且排出所述二氧化碳气体。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述放大器电路进一步包含供电所述放大器电路的至少一个电池组。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述放大器电路进一步包含供电和控制所述放大器电路的至少一个恒电势器。
4.根据权利要求2所述的方法，其中所述放大器电路进一步包含至少一个恒电势器，并且所述放大器电路由所述恒电势器控制并且通过由所述燃料电池电路充电的所述至少一个电池组供电。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述放大器电路进一步包含供电和控制所述放大器电路的至少一个恒流器。
6.根据权利要求2所述的方法，其中所述放大器电路进一步包含至少一个恒流器，并且所述放大器电路由所述恒流器控制并且通过由所述燃料电池电路充电的所述至少一个电池组供电。
7.根据权利要求1所述的方法，其中供应到所述放大器电路的所述电流随时间基本上恒定。
8.根据权利要求7所述的方法，其中供应到所述放大器电路的所述电流保持高于所述O2还原电势并且低于所述电解质还原电势的电压。
9.根据权利要求1所述的方法，其中供应到放大器电极回路的所述电流为脉冲的。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述固体氧化物燃料电池系统进一步包含使供应到所述放大器电极回路的所述电流产生脉冲使得当所述固体氧化物燃料电池系统的所述功率输出下降低于初始操作的50％而没有含碳沉积物时供应电流的控制回路。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述阴极和所述放大器阴极为不同组成。
12.根据权利要求1所述的方法，其中所述阴极、所述放大器阴极或这两者选自一般类型ABO3或ABMO3或A1-xSrxFe1-yCoyO3-δ或A1-xBxM1-yMgyO3-δ中的至少一种钙钛矿材料组成的组，其中：
A为La、Sn、Nd、Gd、Ba或Dy，
B为2+、3+、4+或5+阳离子，并且
M为过渡金属。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述钙钛矿材料为LaSrFeCoO3-δ(LSCF)或LaSrMnO3-δ(LSM)或Sr2MgMo0.8Nb0.2O6-δ。
14.根据权利要求1所述的方法，其中所述阳极包含金属、金属氧化物或陶瓷-金属。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述阳极包含选自以下组成的组的金属：铁(Fe)、铜(Cu)、镍(Ni)、钴(Co)、钼(Mo)、金(Au)、钌(Ru)、铑(Rh)、钨(W)、铬(Cr)、铽(Tb)、镁(Mg)、铂(Pt)、钯(Pd)和其组合。
16.根据权利要求1所述的方法，其中所述电解质为氧化锆类、二氧化铈类、二氧化钛类、钙钛矿氧化物或阳离子碳酸盐类。
17.根据权利要求1所述的方法，其中所述固体氧化物燃料电池系统进一步包含定位成将所述液体烃燃料横跨所述阳极分配的液体燃料雾化器。
18.一种去除在加液体烃燃料的固体氧化物燃料电池中的含碳沉积物的方法，所述方法包含：
提供包含阳极、阴极、在所述阳极和阴极之间取向的固体氧化物电解质、安置成接近于所述固体氧化物电解质和所述阴极的放大器阴极、电连接所述阳极和所述阴极的燃料电池电路和包含至少一个电池组、恒电势器或恒流器的电连接所述阳极和所述放大器阴极的放大器电路的固体氧化物燃料电池系统；
监测所述固体氧化物燃料电池系统的功率反应速度；
在电解模式中操作所述放大器电路以电供电所述放大器阴极，其中所述放大器阴极产生O2-或CO3 2-并且将其供应到所述阳极；
通过经由与所述O2-或CO3 2-的反应将所述含碳沉积物转换成二氧化碳气体而去除在所述阳极上的所述含碳沉积物并且排出所述二氧化碳气体；和
调节供应到所述放大器电路的所述电流以获得去除在所述阳极上的所述含碳沉积物的稳态操作。
19.根据权利要求18所述的方法，其中供应到所述放大器电路的所述电流随时间基本上恒定。
20.根据权利要求18所述的方法，其中供应到所述放大器电极回路的所述电流为脉冲的。
21.根据权利要求18所述的方法，其中所述放大器电路进一步包含供电和控制所述放大器电路的至少一个恒电势器。
22.根据权利要求18所述的方法，其中所述放大器电路进一步包含供电和控制所述放大器电路的至少一个恒流器。
23.一种固体氧化物燃料电池系统，包含：
阳极，
阴极，
在所述阳极和阴极之间取向的固体氧化物电解质，安置成接近于所述固体氧化物电解质和所述阴极的放大器阴极，
电连接所述阳极和所述阴极的燃料电池电路，
电连接所述阳极和所述放大器阴极的放大器电路；和
定位成将所述液体烃燃料横跨所述阳极分配的液体燃料雾化器，其中
所述放大器电路在电解模式中操作以电供电产生O2-或CO3 2-并且将其供应到所述阳极的所述放大器阴极以通过经由与所述O2-或CO3 2-的反应产生二氧化碳气体将所述含碳沉积物转换成二氧化碳气体而去除在所述阳极上的含碳沉积物。
24.根据权利要求23所述的方法，其中所述放大器电路包含至少一个电池组、恒电势器或恒流器。
25.根据权利要求23所述的方法，其中所述阴极、所述放大器阴极或这两者选自一般类型ABO3或ABMO3或A1-xSrxFe1-yCoyO3-δ或A1-xBxM1-yMgyO3-δ中的至少一种钙钛矿材料组成的组，其中：
A为La、Sn、Nd、Gd、Ba或Dy，
B为2+、3+、4+或5+阳离子，并且
M为过渡金属。
26.根据权利要求23所述的方法，其中所述阳极包含金属、金属氧化物或陶瓷-金属。
27.根据权利要求26所述的方法，其中所述阳极包含选自以下组成的组的金属：铁(Fe)、铜(Cu)、镍(Ni)、钴(Co)、钼(Mo)、金(Au)、钌(Ru)、铑(Rh)、钨(W)、铬(Cr)、铽(Tb)、镁(Mg)、铂(Pt)、钯(Pd)和其组合。
28.根据权利要求23所述的方法，其中所述电解质为氧化锆类或二氧化铈类或二氧化钛类或钙钛矿氧化物或阳离子碳酸盐类。
29.根据权利要求28所述的方法，其中所述氧化锆类电解质选自以下组成的组：氧化钇稳定的ZrO2(YSZ)、氧化钪稳定的ZrO2(ScSZ)、氧化钙稳定的ZrO2(CSZ)、)、氧化钐稳定的ZrO2(SmSZ)和其组合。
30.根据权利要求28所述的方法，其中所述二氧化铈类电解质选自以下组成的组：钆掺杂的二氧化铈(GDC)、氧化钇掺杂的二氧化铈(YDC)、钐掺杂的二氧化铈(SmDC)、钪掺杂的二氧化铈(GDC)、锆掺杂的二氧化铈(ZDC)、氧化钆稳定的二氧化铈(CGO)和其组合。
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