TW385567B - High temperature electrochemical converter for hydrocarbon fuels - Google Patents

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經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（1 ) 發明背景 本發明係關於高溫電化轉化器，且特別是處理烴燃料之 電化轉化器。 已知電化轉化器，譬如燃料電池，係作爲使衍生自燃料 之化學能直接轉化成電能之系統。一種典型燃料電池主要 係包括一系列電解質單元，燃料與氧化劑電極係連接於其 上，及一類似系列之互連器經配置於電解質單元之間，以 提供序列電連接。電力核在電極之間及在電解質内藉電化 學反應產生，其係在例如氫之燃料被引進而越過燃料電極 ，及例如空氣之氧化劑被引進而越過氧化劑電極時觸發。 典型上，各電解質單元爲具有低離子電阻之陰離子性導 體，於是允許離子物種在轉化器之操作條件下，從一個電 極-電解質界面輸送至其相反電極-電解質界面。可藉由電 分接互連板，使電流移離轉化器供隨後使用。 一種典型上採用於燃料電池發電系統之燃料電池型式， 係爲固態氧化物燃料電池。習用固態氧化物燃料電池，除 了上文所列示之特色以外，亦包括一種電解質，其具有多 孔性燃料與氧化劑電極材料，經塗敷在該電解質之相反側 面上。該電解質典型上爲一種氧離子傳導材料·，譬如經安 定化之氧化锆。典型上被保持在氧化性大氣中之氧化劑電 極，經常爲一種經掺雜以提供高導電率之氧化物_，譬如鳃 摻雜之鑭水錳礦（LaMn03 (Sr))。燃料電極典型上係保持在富 含燃料或還原大氣中，且經常爲一種金屬陶瓷，譬如氧化 锆-鎳（Zr02/Ni)。固態氧化物燃料電池之互連器板，典型上 , 1 _；_；__-_ 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 1.1 I I 1111111¾. I I I I 訂 1 I -線 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A 7 B7 五、發明説明（2 ) 係由導電性金屬材料製成，其在氧化與還原大氣中均很安 定。 ' 利用烴燃料作爲燃料電池用之燃料，係爲此項技藝中所 習知。此等習用烴燃料含有硫及其他污染物之含量，係超 過所要之操作含量。因此，烴燃料典型上係在引進發電設 備之前，經預處理及重組，以移除有害成份，譬如、硫。詳 言之，已知存在於烴燃料中之硫，會使存在於燃料電池中 之燃料電極之鎳觸媒中毒，其方式是破壞其催化活性。此 種硫敏感性係存在於低與高溫燃料電池中。習用上係使燃 料經預處理，其方式是使燃料順序通過脱硫單元、蒸汽重 組器及轉化反應器，以產生相對較純燃料。經處理之燃料 含有極微含量之污染物，譬如硫，典型上遠低於每百萬份 1份（1 ppm)。此預處琿設備之缺點在於其相對較大且很筇貴 ，且因此增加電力系統之整體成本。 以顯著量存在於燃料中之硫，亦會促進燃料電池及其他 處理設備之腐蚀，且當被排放至空氣中時，亦爲空氣污染 及酸雨之主要來源。 因此，此項技藝中仍然需要發電系統，其係採用電化轉 化器，而無需昴貴除硫設備。特別是一種能夠處理含硫烴 燃料之電化轉化器，其係代表此項技藝中之一項主要改良 〇 於下文將配合某些較佳具體實施例説明本發明。但應明 瞭的是，各種改變與修正均可在未偏離本發明之精神與範 園下，由熟諳此藝者施行。 __ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） I. I I 11 1111 n n I —i -¾¾ (請先閱讀會面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（3 ) 發明摘述 / 本發明係提供一種具有低内部電阻之破._硫霓化轉化器λ， 其能夠直接處理具有硫成份高達約5 0 P £m及-超過此量之烴 燃料，而不會遭受永久性結構傷害或在聱體揲作性能上遭 受顯著及/或永久性減退。本發明之電化轉化器爲一種高 溫燃料電池，其具有操作溫度在約600°C與約1200°C之間。 此燃料電池於操作期間會產生廢熱，若必要則其溫度係高 於使液態烴燃料汽化所必須之溫度。此燃料電池之高操4乍 溫度，除了下文所討論之燃料電池物理特徵以外，係於内 部使烴燃料重組。此等特色會降低或免除需要外部燃料處 理設備，以·在將燃料引進燃料電池之前，使其移除硫、_汽 化及重組之需求。 本發明係以一種電化轉化器達成前述及其他目的，該轉 化器具有一個電解質層，於其一個侧面上具有燃料電極材 料，而於另一個侧面上具有氧化劑電極材料，及一個具有 對立接觸表面之互連器。此互連器係經聯結至相鄰電極表 面，並提供電極間之電連接。此轉化器進一步包括引進燃 料反應物至燃料電極，及氧化劑反應物至氧化劑電極之結 構。 根據一方面，轉化器組件之一，譬如互連器、互連器之 至少一個接觸表面、燃料電極及氧化劑電極，係由一種經 選擇之混合物所組成，其中至少含有氧化鉻及鹼土金屬氧 化物，選自包括氧化皱、氧化鎂、氧化齊、一氧化魏、氧 化鋇及氧化鐳。 _^_ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210 X 297公釐） (請先货讀#'面之注意事項再填寫本頁) 裝· 訂 線 A7 B7 經濟部中央播準局員工消費合作社印製

五、發明説明（4 ) 根據本發明之一個較佳方面，氧化鉻係爲eh%，且較佳 辍合物包含氧化鉻與氧化鎂_〇)，而最佳係包含、 Mg〇及氧化鋁，譬如“2〇3。在該經選擇混合物中之以2〇3 , 較佳係低於約50莫耳％。根據―項實施例，燃料電極2材3料 係由含有氧化鉻/金屬氧化物之混合物所組成。 根據另方面，一或兩個燃料電極.，或面向燃料電桎之 互連器接觸表面，係由NiO组合物所組成。 根據又另-方面，一或兩個燃料電極或空氣電極， LaMn〇3組合物所組成。 根據本發明之其他方面，轉化器之操作溫度係在約6〇〇^ 與約1200°c之間，且較佳係在約_ec與約mot：之間。於另 一方面’轉化器係於操作期間以内部方式汽化至少·一部份 液體燃料’且可於内部使烴燃料重组成適當反應物種：： 如C0與H2。轉化器係藉由轉化器廢熱使燃料重组。於另二 方面，轉化器係爲平面狀固態氧化物燃料電池。 本發明之其他-般及更特定目的，—部份將是顯而易見 的，且一部份將可自下文附圖及説明而明白。 附圖簡述 本發明之前述及其他目的、特色及優點，將可自下文説 明而明瞭’及自附圖而明瞭，其中在全部不同视圖中之類 似參考文字，係指相同配件。此等跗圖係説明本發明之原 理’惟並不按比例顯示相對尺寸或關係。 ’、 圖1爲本發明電化轉化器及相關聯燃料處理 立 方塊説明圖； …尤<不思 本紙張尺度適财關家裙準（CNS ) A4規格（2丨 (請先鬩讀瞥面之注意事項再填寫本頁)

經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A 7 1 B7 五、發明説明（5 ) 爲圖1電化轉化器之電解質組件與.互連器組餘主輕興 圖； ； 圖3爲圖2電解質與互連器組件之等比例圖； 圖4爲本發明電化轉化器之經選擇參數與習用燃料電池、 之表列比較；及 圖5爲典型上用以處理低溫燃料電池之燃料氣流之習用 燃料處理系統之示意方塊圖。 圖示具體實施例之説明 圖5爲示意方塊圖，説明典型上採用習用低溫燃料電池 之古典燃料處理系統200。此處理系統包括外部觸媒重組 器205，脱硫單元215，冷卻階段220，一氧化碳轉化器230 及低溫燃料電池240，如所示均依序聯結。燃料來源25〇與 空氣來源252，係將具有氫作爲主要成份之烴燃料與史氣 個別引進重組器205之燃燒室206部份中。在此室中，係使 空氣與燃料混合並點火，以提供重組器205與燃料電池240 之起動能量。燃料係在室206内如熱，直到經汽化及以觸 媒方式還原成燃料物種爲止，譬如氫（H2)、一氧化碳（CO) 及硫化氫（H2S)。 使燃料物種自重組器室206排放，並經由適當流體導管 208引進脱硫單元215中，使燃料氣流之硫成份轉化成硫化 氳。然後，使燃料通過吸附脱硫劑，譬如氧化鋅（ZnO)，以 在其離開脱硫單元215之前，自燃料混合物氣流中移除硫 化氫。在脱硫單元215輸出端之燃料氣流，典型上具有硫 含量低於0.1 ppm，其在特徵上係爲低溫燃料可忍受而不賞 __ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210 Χ.297公釐） 11 I I I I n n ^ L 备 (請先閎讀#面之生意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 ' B7 五、發明説明（6 ) 遭受永久性傷害之硫含量。然後，使已脱硫之燃料氣流沿 著導管218轉移至冷卻階段220，於其中使受熱之燃料氣流 冷卻至室溫。冷卻階段220典型上包括一個已知構造之熱 交換器。 使離開冷卻階段220之經脱硫與冷卻之燃料混合物，通過 導管222進入轉化器230。轉化器230典型上係充填轉化觸媒 ，其會使存在於燃料氣流中之一氡化碳轉化成二氧化碳。 此轉化器亦會像整料純化，以產生富含純氳之燃料。自燃 料氣流中移除一氧化碳，主要係爲防止一氧化碳使燃料電 池中毒。此係發生於一氧化碳與燃料電池之燃料電極之敘 觸媒秦.應時，而降低或破壞其催化活性。因此，離開轉化 器230之燃料混合物，典型上係富含二氧化碳與氫。 使相對較清潔之燃料氣流，沿著導管232引進圖示之低溫 燃料電池240中。然後，使存在於燃料氣流中之氫，與包 含氧之空氣流234，根據電化學方法反應。此燃料電池會 .產生電能，以及在燃料排氣中之水，作爲電化學反應之副 產物。燃料排氣係自燃料電池240經過導管242排放，而空 氣排氣則沿著導管244排放。 前述先前技藝燃料電池發電系統200，具有多項缺點。脱 硫階段215在從含有相對較爲過量硫之燃料中移除硫之後 ，需要經常維修，或在移除相對較硬質之硫例如嘧吩上有 困難。在此階段中之硫，係經常會滑脱，因此避免被氧化 鋅吸附。於是，逃避脱硫單元215之硫，會污染下游處理 設備（例如轉化器），及最後進入低溫燃料電池24〇中。由 __ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） ----------^------tr—-----^ (請先閎讀#面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 1 B7 五、發明説明（7 ) 於燃料電池240典型上镶.能夠忍受低於數ppm之硫含量，故 燃料電池亦受污染，且最後使其不具活性。伴隨著購買與 維修燃料處理設備之成本，會增加此系統之整體成本。 圖1係説明可與本發明燃料電池70 —起採用之燃料處理 系統50。所示之燃料電池較佳爲耐硫，且能夠内部重k烴 燃料。"耐硫"一詞係意謂燃料電池可忍受硫含量超過數 v ppm，且較佳係高達約50 ppm及超過此量，及可能'顯著地超 過該量，而不會永久性地傷害燃料電池，且不會過度地危 害到燃料電池之效率。適當程度之燃料電池效率，係依燃 料電池之特定安裝配置、所使用燃料與氧化劑之型式、以 、-+ ·.· · 及於操作期間所採用之特定燃料電池模式而定，且可容易 地由一般熟諳此藝者測定出。 所示燃料電池70，較佳爲平面狀固態氧化物燃料電池， 惟其他燃料電池型態，譬如管狀及其他燃料電池型式，均 可使用，其條件是此燃料電池具有適當高操作溫度。本發 明之燃料電池，較佳係爲高溫燃料電池，其能夠在溫度介 於約600°C與約1200°C之間，較佳係在約800°C與約1100°C之 間，且最佳是在約1000°C下操作。圖2與3係説明本發明之 基本燃料電池疊層。所示之此種燃料電池疊層，係包括單 一電解質板1，及單一互連器板2。已知之電解質板1可製 自經安定化之氧化锆Zr02(Y203)材料3，於其上提供一個多 孔性氧化劑電極4 (陰極）及一個多孔性燃料電極5 (陽極）。 供氧化劑電極用之一.般材料爲#5鈥療.，譬如LaMn03 (Sr)， 而供燃料電極用之材料爲金屬陶瓷，譬如Zr02/Ni。互連器 _- 10-_ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公i：) ---^----------裝------訂-------線 . (請先閎讀#面之注意事項再填寫本頁)

經濟部中央標準局員工消費合作社印製 板2典型上係由金屬_出 座』 、 屬氟成，譬如英高鎳合金或鎳合金，或 由非金屬導體製成’譬如碳化:矽。用以製成本發明互連器. 、電解質及電極之特铸料，係進-步詳細描述於下文。 互連器板2係充作相鄰電極間之電連接器，及作爲燃料與 氧化劑氣體間之隔板，以及提供沿著電極表社、5之熱傳 導路徑，且達板1考2之外部邊緣。 可將燃料經過相對於疊層爲軸向之歧管17供應至電池疊 層，該歧管係經由孔洞13聯結至疊層，並將燃料產物經由 孔洞14經過歧管18排出。燃料係經過通道裝置分佈在燃料 電極表面5上，該通道裝置如所示係爲平两上溝槽網路$， 於互連器板上方表面形成。於背脊7中製成之凹口 8， 係提供進入溝槽網路6之開口，在各燃料電極5之表面處連 接孔洞13與14。燃料可爲烴燃料，其實例包括甲烷、丙烷 、丁烷、喷射推進劑燃料（jp燃料)、燃料油類、柴油與汽 油，及醇燃料，包括甲醇與乙醇及其混合物，以及醚類， 譬如TAME、ETBE、DIPE及MTBE，以及易於衍生自彼等之 燃料，譬如氫。 將氧化劑自歧管19經由孔洞15餵革聲層，且其產物係經 由孔洞16經過歧管11排出。氧化劑係镡過“個在導體板2 下方表面形成之互補平面上溝槽網路9(圖2)，分佈在下— 個電解質板之氧化劑電極表面上。在上述相鄰電池之下方 表面上之類似網路，係提供氧化劑沿著電解質板1之通路 ，如圖3中所示。於互連器板2上之溝槽網路6與9之外部 背脊，係與電解質板1接觸，以形成疊層組裝之密封外壁 表紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） I : — 餐-------1T------ (请先閲讀背面之注意夢項房填寫本莨) , 經濟部中央標準局負工消費合作社印製 五、發明説明（9 ) 。背脊7係對著此組裝中之電極壓製，以達成電接觸。番 ^可藉張力棒（未示出）或密封固^。雖然本發明係將燃料 %池疊層之周園部份描述成經密封’穿周園表面之部份亦 可開放，以允許至少_個反應物排氡在此周圍表面處直接 排放。 應明瞭的是，所示之燃料電池可以燃料電池模式或以電 解模式操作。在燃料電池模式中，燃料電池係藉電化學方 式操作’使氣態烴燃料該以產生電力與熱。在電解模式 中，係將DC電力及蒸汽或二氧化碳或其混合物，供應至電 池，然後使氣體分解，以產生氯、一氧化碳或其混合 燃料合成物）。 、 極多種習用導電性材料可使用於薄篇連器板。供互連器 製造用之適當材料，包括鎳合金、鎳·鉻合金、鎳_絡_鐵 合金、鐵-鉻·銘合舍、始合金、此種合金與耐火材料之金 屬陶究’譬如氧化錄或氧化銘、碳化妙及二妙化细。本發 明燃料電池组件之較佳材料，係討論於下文。 所示燃料電池70之燃料電極，例如陽極，係施行兩種主 要功能。首先，此陽極係充作電子流―集電極（或若燃料 池係以電解模式操作，則爲電子配電盤)。此電極必須收 集燃料之電化學氧化作用期間所釋出之電子，並提供電子 «動至-系列經連接之燃料電池或外部電源導線之低電 阻路徑。其次，此陽極係提供電化學氧化作用之部位：此 部位典型上係爲該陽極内之位置，其中藉電解質傳送之氧 離子、來自燃料氣流之氣態燃料及至電子流集電極之電途 ( CNS ) AW ( (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -裝. 線 i..s」.ί 1 .ΓΞΙ.-t » ϋ» I -—

HI A7 B7 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 五、發明説明（ίο ) 徑係同時在此處接觸。 參考圖1，處理系統50可包括一個典型上與液態烴燃料 一起使用之汽化器54 ’及一個選用之脱硫單元兌。一個氣 體洗滌器62亦可採用在處理系統5〇之輸出處。汽化器μ包 括一個接收烴液態燃料之内部室52。於起動操作期間，此 至進一步接收空氣，並以適當結構使燃料與空氣點冬，以 使燃料加熱及汽化。一般技術人員均明瞭燃料電池7〇亦可 充作汽化器，依烴燃料之型式而定，因此，汽化器54可爲 系統50之選用组件。 經加熱之燃料氣流係被乱進選用之脱硫單布坪，類似圖 5之脱硫單元215。當烴燃料含'有過度量之硫，且在引進燃 料電池70之前，選擇量必須被移除以順應ΕρΑ要求條件時 ，係採用脱硫單元58。例如，柴油燃料含有相對較高程度 之’且因此係藉脱硫單元％部份脱硫，其方式是降低燃 料氣流中之硫含量至約50 ppm之程度。然後，將燃料氣流 引進燃料電池70，於其中處理之。然後，以燃料電池使燃 料轉化成電力與燃料排氣。 若燃料排氣係意欲被直接排放至環境中，則在排氣中之 硫濃度必須經檢查，以確保順應EPA規定。若此硫含量過 高’則額外硫必須被移除。因此可採用所示之氣體洗滌器 62 ’藉由移除額外量之硫，清理燃料排氣，以保持硫濃度 在EPA規定之範園内。 可將燃料電池70進一步與適當熱傳結構整合，以達成新 進反應物之再生性加熱，或燃料電池疊廣之再生性冷卻。 13 —— 抑满疋家標準（CNS )八4祕（210X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -裝. tr 線 熱傳結構可包括多個併指熱傳元件，如由本案發明人 1989年8月1 &頒予之美國專利4,853，1〇Q中所揭示者，係 併於本文供參考p 本發明之燃料電池70，較佳係容許硫含量至高達約 50PPm，及超過該含量，以及顯著地超過該含量。此燃料 電池之硫容許度’經常可免除在引進燃料電池之前，自燃 料中移除硫之需求。因此，可將此燃料直接餵入燃料電： 中，而不會永久地傷害燃料電池，例如使其中毒，或：著 地降低燃料電池之總效率。一或多個燃料電池組件，較佳 係由下述混合物所.組成，其含有氧化鉻與鹼土金屬氧化物 ’譬如氧化鈹、氧化鎂、氧化鈣、氧化鳃、氧化鋇及與氧 化鐳。根據較佳具體實施例，氧化鉻爲，且鹼土金屬 氧化物爲氧化鎂（MgO)。根據最佳具體實施例，煥料電池 之-(例如’互連器、互連器接觸表面之一、燃料電 極或氧化劑電極）係由下述混合物所組成，其含有氧 譬如ά。^混合物^較佳 係低於約5。莫耳％。根據―項實施例，氧化鉻/氧化錢混 合物係爲一種不含鑭之混合物。 構成用以製造-或多個燃料電池組件之經選擇混人物之 ::，：：含有相對較純形式之金屬’譬如鉻、銘：驗土 、屬事實上’於製造程序期間，係使用相對較純形式之 金屬。此等金屬係於稍後在燃料電池操作期間，藉 生之電化學程序，轉化成其個別氧化物形式。 、 可製自氧化鉻混合物之燃料電池组件，係包括燃 經濟部中央標隼局員工消費合作社印製 A7 , B7 五、發明説明（12 ) 、氧化劑電極、互連器板及互連器板之接觸表面。可用以 製造本發明燃料電池組件之其他材料，‘包括供互連器或其 接觸表面用之Al2〇3，且可進一步存在於與氧化鉻之互‘混物 中，及亦存在於與氧化鉻及鹼土金屬氧化物混合物之互混 ： 物中，供燃料電極材料及互連器板用之NiO，以及供燃料 與電極材料用之LaMn03。 前述氧化鉻與鹼土金屬氧佐勢漏合物，搭配平面狀固態 氧化物燃料電池之結構尺寸，使得此燃料電池能夠抵抗硫 含量高達約50 ppm及超過此量。氧化路與驗土金屬氧化物 混合物，且特別是氧化鉻/氧化鎂混合物，於氧化與還原 環境下係爲安定的，係爲高度導電性，且高度地容許有害 燃料電池污染物，譬如硫化合物、卣素化合物、熔融態鹽 及其他存在於市售烴燃料中之腐蚀性化合物。 習用低溫燃料電池若曝露於燃料硫含量高於數ppm時， 會遭受永久性傷害。此外，此等燃料電典之硫容許度，於 程度上係低於存在於此項技藝目前狀態之使用於煤氣化程 序中之熱氣體清理系統内之硫含量，及在其他發電系統中 之硫含量。一些習用高溫燃料電池亦需要燃料電池之燃料 反應物之氣體清潔處理。因此，習用低與高溫燃料電池， 均需要使燃料經清理，以移除硫及其他微量污染物。 氧化鉻與鹼土金屬氧化物混合物之主要且令人意外之結 果，係爲燃料電池於操作期間對於硫所具有之容許度係高 於數ppm。詳言之，此燃料電池可在正常操作條件下，於 存在之硫高達約50 ppm及超過此量下操作。應明瞭此容許 __；__- -_, 本紙張又度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） I I I I f n I I I, 矣 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 、發明説明（13 度係爲燃料電池之幾何形狀設計與電性質 件之特定材料之結果。 .-，、料电池组 除了上文敘述之燃料電池7G之耐硫特色以外 池<另一個重要特色，係爲用以 .-、、料遇 件之羞仆啟/丛丄人成1 一戈夕個燃料電池組 牛（虱化鉻/鹼土合屬軋化物混合物，爲高 向導電率允許燃料電池70,於燃料 :电，。此 持相對較高電效率與操作效率。料電池操作壽命期間，保 燃中料電2具有足夠高之操料度，以造 於燃料電極中之鎳觸媒反應(假定此組； 土Λ屬氧化物混合物)，以形成硫化鎳 化口物 ’ WNlSx，其中x=1.33、15或2。 = 非導電性，且會降低陽極之填赍杳 寺&化口物馬 此甚^ 陽（導電率及降低燃料電池之整體 月匕量贫度。雖然如此，燃料電池7〇之高操作溫度，由 燃料電池組件之幾何形狀設計所提供之相對較大^ :咸供寬廣範圚之材料選擇’這使得燃料電池較不容 二又2及其他微量玲染物。因此，燃料電池7。可克服 成之降低的導電率，並能夠保持足夠高之 燃料電池组件用之較佳材科，顯示對熱腐蚀 有相對較愚抵抗性，且當曝露於氯 相對較高導電率。 Τ足&時，係保持 :4顯示習用溶融態碳酸鹽燃料電 ::::池及本發明燃科電池之幾何形狀比農。.Γ；： 習用燃料電轉電路徑長度，係顯著地小於其他 白用燃科電池（路徑長度。更明確言之，於燃料電池70操 請 先 閲 讀 之 注 意 事 項 再 §' 本 頁 裝

訂 ! I 線 本紙張尺度適用Ύι〇χ^~ 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 ' B7 五、發明説明（14 ) 作期間所產生之電流，係運行顯著較短距離。結果，燃_ 電極對整體燃料電池電阻之貢獻很小。此種小的電極電阻 允許燃料電池在典型上不適合習.用燃料電池之環境中操作 ，而同時保持相對較高電效率與操作效率。，相應地，當與 習用燃料電池比較時，這會造成顯著較低之幾何形狀因數 (定義爲電極電阻乘以電極中之電流）及顯著較低之電壓耗 損比例。 . 本發明之高溫燃料電池70，亦可於内部施行多種燃料處 理工作，譬如燃料重組，其係免除對於筇貴外部重組設備 之需求。本發明之燃料電池，能立即適應燃料之内部重組 ，因爲燃料電池之高操作溫度及燃料電極材料之催化本性 ，係對大部份類型之中間物重組提供有利條件，以容易地 在燃料電池中進行。明確言之，此高操作溫度係滿足重整 反應在燃料電池原位中進行之吸熱要求條件。 燃料電池70於操作期間所施行之電化學方法，會產生燃 料排氣流中之内部供應水a明確言之，於電化學反應期間 ，氧離子係從陰極表面轉移至陽極表面，並進入燃料氣流 中。水在燃料電池中之製造，會極顯著地降低供應外部水 以供燃料電池中之重組使用之需求。此外，在燃料排氣中 之水蒸汽，可再循環以作爲重組劑使用，因此進一步降低 對於外部供應重組劑之需求。 此燃料電池之高溫燃料排氣可再循環，以在蒸汽重組程 序中使用，例如在外部或内部燃料重組程序中。例如，高 溫排氣之再循環可藉燃料供應或旋轉式設備（例如再循環 _；_- 17- 本紙張尺度適用中國國家標隼（CNS ) A4規格（210X297公釐） —1 I — I I I n n ^ I I I n (讀先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) A7 B7 系）之壓力喷射器作用而達成。 整體而言，本發明電化轉化器之重要優點 之結構及轉化器組件之材料，允許燃料電池處理^ ^ 習用烴燃料，而無需在燃料引進轉化器之前進行 :’若有也是極少。此燃料電池可進—步使烴燃科於内： 重組’且可於内部使液態烴燃料汽化。本發明之燃料電池 施夠抵抗硫濃度至少約狲ppm，而不會遭受永久性傷堂。 因此’本發明之轉化器會降低或驗對於外㈣科處㈣ 備，譬如重組器與轉化反應器乏需求，且於—些情況下降 低或免除對於脱硫單元及/或燃料汽化器之需求。 因此，可明瞭本發明係有效地達成上文所述之目的，其 係自前述説明而得以明瞭。由於某些改變可在未偏離本發 明範園下，於上述構造中施行，故意欲將所有包含在上文 説明中或顯示在附圖中之事項解釋爲説明性，而非限制意 義。 亦應明瞭的是，下述申請專利範園係涵蓋所有，本文中所 述之本發明一般性及特定特色，且所有本發明範園之聲明 ，於語文上可稱爲均落在其間。 (請先聞讀背面之注意事項终#寫私賢) .·1 I Is — ----，装. 訂 -線· 經 濟 部 中 央 標 準 員 費 合 作 社 印 製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐）

Claims (1)

1. 、申請專利範圍 A8 B8 C8 D8 經濟部中夬標準局員工消費合作社印製 & -種電化轉化器，其包括 义電解質層/，於一個侧面上具 ？ 另_加厂， 丹有燃料電極材料，而於 另一個側面上具有氧化劑電極材料， 異連器.，其具有對立接觸* 之+、金技 面，以提供與相鄰電極 <電連接，及 用以引進燃料反應物至燃料雷备 ， 氧'極及氧化劑反應物至 軋化劑電極之彳裝萄， 其中互連器、互連器接觸表 仆 + ， 衣面夂一、燃料電極及氧 其t中之至少―個，係包含—種經選擇之混合物， =少含有氧化料_化物，選自包括氧化鈹、 虱毋鎂、氧化鈣、.氧化緦、氧化鋇及氧化鐳。 .ί據申請專利範園第1項之電化轉化器，其中電化轉化 裔·爲燃料電池。3· 中請專利㈣第1項之電化轉化器，其中氧化路爲 4·根據申請專利範圍第1項之電化 电1匕轉化器，其中經選擇混 δ物之金屬氧化物包含MgO。 5. ^中請專利範園第！項之電化轉化器，其中經選擇混 合物進一步包含A!2〇3。 6. 根據中請專利範制5項之電化轉化器，其中在經選擇 混合物中之Al2〇3，.係低於約50莫耳％。 7·根據申請專利範園第！項之電化轉化器，其中經選擇混 合物爲不含鑭之混合物。 8·根據申請專利範圍第〗項之電化轉化器，其中互連器之 '： -f-- I HI In In I I l^n I. ei_K i·-—— I (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -ϋ.'-Γ.Ι1---..:--;·':·.11-_ -訂 '‘線， -19

   申請專利範圍 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 广個接觸表面係由該經選擇混合物所組成。 •:據申請專利範圍第1項之電化轉化器，其中互 由該經選#混命物所組成。 、 _根據申請專利範園第丄項之電化 从上，A > 轉化斋―，其中氧化劑電 極材料含有該經JS.擇j昆合物。 兔 U·根據申請專利範園第1項之電化鍾 电化轉化哼，其中燃科電極 材料含有該經選擇混合物。 1M艮據申請專利項之電化轉化器，其中燃科電極 材料與面向該燃料電極之互連器部份中之至少—個，係 由NiO組合物所組成。' 13·根據申請專利範園第1項之電化轉化器，其中至少一個 燃料與空氣電極材料，係由LaMn03组合物所组成。 κ根據申請專利範圍第1項之電化轉化器，其中經選擇混 合物進一步包含A1203。 15. 根據申請專利範園第i項之電化轉化器，其中烴燃料含 有硫，且轉化曼具有操作溫度至少約6〇〇。(：，此轉化器 在根據電化學反應之操作期間，會產生電力。 16. 拫據申請專利範園第i項之電化轉化器，其中轉化器具 有操作溫度在约600°C與約1200°C之間。 17. 根據申請專利範園第1項之電化轉化器，其中轉化器具 有操作溫度至少約600°C，且烴燃料爲液態烴燃科，轉 化器進一步包括用以在其操作期間於内部汽化至少一部 份液態燃料之裝置。 18·根據申請專利範園第1項之電化轉化器，其中烴燃料爲 -20 f紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公| ) --Γ.Ι------裝------訂------.線 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) A8 B8 C8 D8 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 申請專利範圍 液態烴燃料，轉化器進一步包括用以在轉化器操作期間 於外部汽化至少一部份液態燃料之裝置。 19·根據申請專利範圍第1項之電化韓化器，其中轉化器具 有操作溫度至少約6〇〇τ ,轉化器進一步包括内部重組 裝置，於内部使烴燃料重組成反應物種。 20_根據申請專利範園第I9項之電化轉化裏，其中反應物種 包含C0與Η2。 21·根據申請專利範園第1項之電化轉化器，其中轉化器具 有操作溫度至少約6〇〇°C ’並於其操作期間產生身熱， 此轉化器進一步包括用以使烴燃料經由轉化器廢熱而重 組成反應物種表裝置。 22. 根據申請專利範園第21項七電化轉化器，其中反應物種 包含C0與H2。 23. 根據申請專利範園第j項之電化轉化器，其中轉化器具 有操作溫度至少約600X：，並於操作期間產生燃料排氣 ，此轉化器包括用以使至少部份烴燃料經由轉化器排氣 而重組成反應物種之裝置，該反應物種包含（：〇與馬之 — 〇 24. 根據申請專利範園第23項之電化轉化器，其中轉化器排 氣包含(：02與112中之至少一種。 25. 根據申請專利範園第j項之電化轉化器，並中轉化器於 操作期間會產生含有C〇2之排氣，且其中該轉化器進 步包括用以收集來自燃料排氣之c〇2之裝置。 '26.根據申請專利範圍第之電化轉化器，其中氧化劑反 21 - 良紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4^(21〇X]97公董） ---------^------、tr------^ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 申請專利範圍 應物包括氧，其係於轉化器起動 少部份重組成反應物種，包括’使經燃料至 27.根據申請專利範園第η 2 應物包括氧，其係於㈣m 器，其中氧化劑反 舌知 ' °操作期間，使烴燃料至少部 伤重組成反應物種，包括C0與h2。 28·根據申請專利範園第1項之 玉工珩貝（电化锌化器，其中轉化器爲 平面狀固態氧化物燃料電池。 中請專利範.園第β之電化轉化器，其中電解質包 括夕個電解質板’於一個側面上具有燃料電極材料，而 於另一個侧面上具有氧化劑電極材料，及 忑互連器包括多僻互連器板，此互連器板提供與相 都電極表面之電接觸，互連器板與電解質板係交替堆疊 在一起以形成轉化器組裝。 3〇. —種電化轉化器，其包括 電解質層，於一個侧面上具有燃料電極材料，而於 另一個側面上具有氧化劑電極材料， 互連器，其具有對立接觸表面，以提供與相鄰電極 之電連接，及 用以引進燃料反應物至燃料電極及氧化劑反應物至 氧化劑電極之裝置， 氧化劑電極材料係由含有氧化鉻之混合物所组成。 31.根據申請專利範園第3〇項之電化轉化器，其中氧化鉻爲 Cr2〇3 〇 32·根據申請專利範園第3〇項之電化轉化器，其中含有氧化 22 裝 訂 線 本紙張尺度研) Α4· (2獻跳yy

   、申請專利範圍 鉻之混合物進一步包含Mg0。 33.根據申請專利範圍第30项 進—步包含Α1Λ %化轉化器 其中該渴合物 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 34.根據申請專利範圍第33 混合物中之λι2〇3係低於約：莫::化器 35 ia , 夭今 /〇。•根據申請專利範圍第3〇項之 路之混合物進一步包含驗 申J專利範園第35项之電化轉化器 又'昆合物進一步包含“2〇3。 37· 1'## "J11 ® ^30 ^ ^ ^ t ^ ^ ^ „鉻又混合物係爲不含鑭之混合物。38. 根據申請專利範園第3〇項之電化轉化器 平面狀固態氧化物燃料電池。39. —種電化轉化器，其包括電解質層，於一個側面上具有燃料電極材料，而於 另—個側面上具有氧化劑電極材料， 、孓連器’其具有對立接觸表面，以提供與相鄰電極 (電連接，及 用以引進燃料反應物至燃料電極及氧化劑反應物至 氧化劑電極之裝置，其中至少一種燃料電極材料與氧化劑電極材料傣由一種經選擇混合物所組成，其中含有氧化鉻及金屬氧化物’選自包括氧化皱、氧化鎂、氧化鈣、氧化锶、氧化 鋇及氧化鐳。 其中在經選擇 其中含有氧化 其中轉化器爲 -----------、玎-------终 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 23-

   申請專利範圍 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 -24 40. 根據申請專利範圍第39項之電化轉化器，其中電化轉化 器爲平面狀固態氧化物燃科電池。 觀 41. 根據申請專利範園第39項之電化轉化器|g，里 鉻爲Cr2〇3。 中扣化 ；; I /'；·τ ί- 42. 根據申請專利範圍第39項冬電化轉化器中該經選擇 混合物之金屬氧化物包括Mg〇。 43. 根據申請專利範圍第39項之電化轉化器，其. 混合物進一步包含A1203。 以，，、工選擇 44. 根據中請專利範圍第43項之電化轉化器，其 擇混合物中之Al2〇3係低於約50莫耳％。 、 仏-種用以使㈣料轉化成電力之_氧化物㈣電池系 統，其包括 多個固態電解質板，於-個侧面上具有燃料電極材 料，而於另—個侧面上具有氧化劑電極材料， 多個互連器板’其具有對立接觸.而 , 俄啁衣面，此互連器板 扼i、與相鄰電極之電接觸，互逢& 屯铁，立運《板與電解質板係交替 堆©在一起以形成燃料電池組裝， 用以引進烴燃料反應物至燃料電極，及氧化劑反應 物至氧化劑電極之裝置，及 用以自燃料電池系統提取電力之裝置， 其中燃料電極與氧化劑電極中之至少一個，係由含 有乳化絡之混合物所組成。 46.根據中請專利範園第45項之燃料電池系統，其中氧化絡 爲 Cr203。 本紙張國國家標準(y I I I I I 裝 訂—— '-線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

   IP? fm\ '•ι·' *·.· -¾ ι» --—_ 六、申請專利範圍 47.根據申請專利範園第45項之燃 . •仆枚士 β人，， 竹尾池系麵j其中含有氧 48:: 進一步包含驗土金屬氧化物- 视根射請專利範園第45項之橡科電池系統 化鉻之混合物進—步包含Mg〇。 、、' 49.=請專利範園第45項之燦科電池系統 5〇·根據申請專利範園第49，之燃料電池系統 選擇混合物中之A12 〇3係低於约5 〇莫耳％。 其中含有氧 其中該經i| 其中在該慈 51·—種電化轉化器，其包括 電解質層，於-個侧面上具有燃料電極材料ϋ 另一個侧面上具有氧化劑電極材料， 、互連器，其具有對立接觸表面，以提供與相鄭電斗 〈電連接，及 其中至少一個互連器與互連器接觸表面，係由—牙 經選擇混合物所组成，其含有氧化絡及金屬氧化物，^ 自包括。氧化鈹、氧化鎂、氧化鈣、氧化鳃、氧化鎖及聋 化鐳。 52·根據申請專利範園氧51項之電化轉化器，其中 木 經濟部中央標準局員工消費合'作社印製 料爲 Cr203 ·。 % 53. 根據申請專利範園第51項之電化轉化器，其中互連器浪 由含有氧化鉻與MgO之經選擇混合物所组成。 54. 根據申請專利範園第51項之電化轉化器，其中該經選調 混合物進一步包含ai2o3。 55. 根據申請專利範圍第54項之電化轉化器，其中在該經運 -25- 本紙張子度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） SSSStl- -—-- 7=:、申請專利範圍 Α8 Β8 C8 D8 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 擇混合物中之“2 〇3係低於約5〇莫耳％。 56. 根據申請專利範圍第51項之 ^ 垃鎚本工 電化轉化器，其中互連器之 由該經選擇混合物所组成，且其中該金屬氧 57. —種電化轉化器，其包括 電解質層，於一個侧面上且舌 H . 、有燃科電極材料，而於 另一個側面上具有氧化劑電極材料，及 互連器，其具有對立接觸羞而 之電連接， 觸表面，以提供與相鄰電# 其中互連器、互連器接觸砉而、 丄 面心一、燃料電極及氧 化劑電極中之至少一個，作台人 甘士χ 幻㈣係、包含—種經選擇之混合物， 八中至少含有路.，及一種選自包 ^曰巴括鈹、鎂、鈣、魏、鋇 及鎮之_屬。 58. 根據中請專㈣園第57項之電化轉化器，其中電化轉化 器爲燃料電池。 59_根據申請專利範園第57項之電化鏟 甘占、、祖 % 得化器，其中該經選瘅 混合物進一步包含鋁。 60.根據申請專利範園第59項之電化轉化器，其中在該經選 擇混合物中之鋁係低於約50莫耳％。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -裝· 訂 /線 -26-