包括犧牲鎳源的燃料電池系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明總體上涉及燃料電池如固體氧化物燃料電池。
【背景技術(shù)】
[0002]燃料電池、燃料電池系統(tǒng)、以及燃料電池與燃料電池系統(tǒng)的內(nèi)聯(lián)接件(interconnect)仍然是人們感興趣的領(lǐng)域。一些現(xiàn)有的燃料電池系統(tǒng)涉及某些應(yīng)用具有各種不足、缺點(diǎn)和弊端。因此，仍然需要在該技術(shù)領(lǐng)域中的進(jìn)一步貢獻(xiàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本文描述了示例性的固體氧化物燃料電池系統(tǒng)。特別是，本發(fā)明的示例性固體氧化物燃料電池系統(tǒng)可以包括分離于陽極和陽極導(dǎo)電層的犧牲鎳源。該犧牲鎳源會(huì)在運(yùn)行過程中在燃料電池系統(tǒng)的燃料側(cè)內(nèi)與水蒸氣反應(yīng)而形成揮發(fā)性鎳化合物(例如Ni(0H)2)。以這種方式，從燃料電池系統(tǒng)中的陽極和陽極導(dǎo)電層損失的鎳的量可以因?yàn)闋奚囋吹姆磻?yīng)充當(dāng)了陽極和陽極導(dǎo)電層中鎳的反應(yīng)的替代反應(yīng)而得以降低。
[0004]在一個(gè)例子中，本發(fā)明涉及一種固體氧化物燃料電池系統(tǒng)，該燃料電池系統(tǒng)包括:固體氧化物燃料電池，該固體氧化物燃料電池包括陽極、陽極導(dǎo)體層、陰極、陰極導(dǎo)體層和電解質(zhì)，其中該陽極和陽極導(dǎo)體層各自包含鎳；和分離于該陽極和陽極導(dǎo)體層的鎳的犧牲鎳源，該犧牲鎳源被配置以降低運(yùn)行過程中燃料電池內(nèi)陽極和/或陽極集電器的鎳的損失或迀移。
[0005]在另一個(gè)例子中，本發(fā)明涉及一種方法，該方法包括形成一種固體氧化物燃料電池系統(tǒng)，該燃料電池系統(tǒng)包括:固體氧化物燃料電池，該固體氧化物燃料電池包括陽極、陽極導(dǎo)體層、陰極、陰極導(dǎo)體層和電解質(zhì)的固體氧化物燃料電池，其中該陽極和陽極導(dǎo)體層各自包含鎳；和分離于該陽極和陽極導(dǎo)體層的鎳的犧牲鎳源，該犧牲鎳源被配置以降低運(yùn)行過程中燃料電池內(nèi)陽極和/或陽極集電器的鎳的損失或迀移。
[0006]在另一個(gè)例子中，本發(fā)明涉及一種方法，該方法包括運(yùn)行一種固體氧化物燃料電池系統(tǒng)，該固體氧化物燃料電池系統(tǒng)包括:固體氧化物燃料電池，該固體氧化物燃料電池包括陽極、陽極導(dǎo)體層、陰極、陰極導(dǎo)體層和電解質(zhì)，其中該陽極和陽極導(dǎo)體層各自包含鎳；和分離于該陽極和陽極導(dǎo)體層的鎳的犧牲鎳源，該犧牲鎳源被配置以降低運(yùn)行過程中燃料電池內(nèi)陽極和/或陽極集電器的鎳的損失或迀移。
[0007]本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式的詳細(xì)內(nèi)容參照附圖和以下說明書進(jìn)行描述。本發(fā)明的其它特征、對(duì)象和優(yōu)勢會(huì)通過描述、附圖和權(quán)利要求顯而易見。
[0008]附圖的簡要說明
[0009]以下說明參照附圖，在數(shù)張視圖中相同的附圖標(biāo)記代表相同的部分。
[0010]圖1A?1C是分別從俯視圖、側(cè)視圖和仰視圖表示的示例性燃料電池堆的示意圖。
[0011]圖2A?2C是分別從俯視圖、端視圖和側(cè)視圖表示的包括兩組的示例性燃料電池系統(tǒng)的不意圖。
[0012]圖3是表示一種包括多個(gè)犧牲鎳源的示例性多孔陶瓷基材的示意圖。
[0013]發(fā)明詳述
[0014]如上所述，本發(fā)明的示例性固體氧化物燃料電池系統(tǒng)可以包括分離于陽極和陽極導(dǎo)電層的犧牲鎳源。該犧牲鎳源會(huì)在運(yùn)行過程中與該燃料電池系統(tǒng)內(nèi)的水蒸氣反應(yīng)而形成揮發(fā)性鎳化合物(例如Ni(0H)2)。例如，該犧牲鎳源會(huì)與該燃料電池系統(tǒng)的燃料補(bǔ)給腔內(nèi)的水蒸氣反應(yīng)。以這種方式，從燃料電池系統(tǒng)中的陽極和陽極導(dǎo)電層損失的鎳的量可以因?yàn)闋奚囋吹姆磻?yīng)充當(dāng)了陽極和陽極導(dǎo)電層中鎳的反應(yīng)的替代反應(yīng)而得以降低。
[0015]固體氧化物燃料電池系統(tǒng)的燃料中的高水蒸氣含量會(huì)導(dǎo)致鎳從鎳基陽極和陽極導(dǎo)電層的損失或迀移。這種鎳的損失和迀移會(huì)嚴(yán)重影響該燃料電池系統(tǒng)的性能。在一些例子中，該鎳的損失會(huì)主要發(fā)生在水蒸氣存在下的揮發(fā)性氫氧化物類如Ni(OH)的形成過程中。在一些例子中，可以利用涂覆于鎳顆粒表面上的涂層以獲得水蒸氣中的穩(wěn)定性能。然而，這種涂層可能對(duì)陽極的電化學(xué)性能產(chǎn)生不良影響。另外，在一些管狀燃料電池的設(shè)計(jì)中，可能需要對(duì)材料和工藝進(jìn)行改進(jìn)以實(shí)現(xiàn)在管道的在后電解質(zhì)和陰極發(fā)射中始終保持幾乎連續(xù)的薄涂層。這種改進(jìn)對(duì)于生產(chǎn)制造可能并不合算。
[0016]按照本發(fā)明的例子，可以在固體氧化物燃料電池系統(tǒng)中的一個(gè)或多個(gè)位置提供犧牲鎳源以降低或顯著消減鎳由于與水蒸氣反應(yīng)而從陽極和陽極導(dǎo)電層的損失。在一些例子中，該犧牲鎳源可置于電池/電池堆上游的燃料供給腔內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)位置(例如置于燃料歧管內(nèi))。這樣可以使燃料浸透揮發(fā)性的鎳氫氧化物類，并因此與那些不包括這種犧牲鎳源的例子相比，能夠顯著消減或降低鎳從鎳基陽極材料的損失。
[0017]相對(duì)于涂層的方法，本發(fā)明的一些例子可以同時(shí)具有成本和性能上的優(yōu)勢。使用簡單、低成本的犧牲鎳源可以為陽極涂覆技術(shù)帶來實(shí)質(zhì)性的成本優(yōu)勢。雖然陽極涂覆對(duì)于通過包覆陽極的鎳表面來降低鎳的揮發(fā)性并因此獲得相對(duì)穩(wěn)定的陽極性能而言在某種程度上是有效的，但是該涂覆也可能同時(shí)會(huì)降低鎳的活性區(qū)域。結(jié)果，該陽極的電化學(xué)性能反而可能受到不良影響。相反，本發(fā)明的例子可以不需要改變?nèi)魏侮枠O材料或工藝且可以不實(shí)質(zhì)影響陽極性能。
[0018]該犧牲鎳源可置于燃料電池系統(tǒng)中一個(gè)或多個(gè)合適的位置。在一些例子中，犧牲鎳源的優(yōu)選位置是盡可能靠近燃料電池層的位置，并因此位于燃料供給管道通道內(nèi)。也優(yōu)選將犧牲鎳源置于燃料電池反應(yīng)產(chǎn)生的水蒸氣產(chǎn)物類的濃度最大處和Ni (0H)2揮發(fā)性最大處，例如在一組燃料供給管道內(nèi)的在后燃料供給管道中的下游和/或一列燃料供給管道組中在后管道組中的下游。
[0019]圖1A?1C是分別從俯視圖、側(cè)視圖和仰視圖表示示例性燃料電池系統(tǒng)的燃料電池堆10的示意圖。圖1A?1C的燃料電池堆10只是一種可以使用犧牲鎳源的示例性結(jié)構(gòu)，其它燃料電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也可被預(yù)見。燃料電池堆10包括一個(gè)或多個(gè)電化學(xué)電池，該電化學(xué)電池包括氧化劑側(cè)和燃料側(cè)。氧化劑通常是空氣，但也可以是純氧(02)或其它氧化劑，例如，包括用于具有空氣循環(huán)回路的燃料電池系統(tǒng)的稀釋空氣，且該氧化劑從氧化劑側(cè)補(bǔ)給至電化學(xué)電池中。燃料如經(jīng)過重整的烴類燃料、例如合成氣通過燃料供給腔從燃料側(cè)補(bǔ)給至電化學(xué)電池中。雖然一些例子中可能使用空氣和由烴類燃料重整的合成氣，但應(yīng)當(dāng)理解利用其它氧化劑和燃料、例如純氫和純氧的電化學(xué)電池也可被使用而不背離本發(fā)明的范圍。
[0020]如圖所示，燃料電池堆10包括多條管道(例如管道16)。用于該固體氧化物燃料電池所產(chǎn)生的電化學(xué)反應(yīng)的燃料會(huì)通過開口 12流入燃料電池堆10的第一條管道中。燃料電池堆10的管道會(huì)限定出一個(gè)用于將燃料供給至燃料電池堆10內(nèi)電化學(xué)電池的燃料電池側(cè)的燃料供給腔。燃料會(huì)沿著圖1A?1C所示的路徑通過燃料電池堆10中管道的燃料腔，并通過開口 14離開燃料電池堆10。
[0021]可以使用任何包括一個(gè)或多個(gè)電化學(xué)電池的合適的固體氧化物燃料電池系統(tǒng)。合適的例子包括Liu等人在公布于2013年3月16日的美國專利申請(qǐng)公布第2003/0122393號(hào)中描述的例子，其全部內(nèi)容引入本發(fā)明作為參考。在一些例子中，燃料電池系統(tǒng)可以包括陽極導(dǎo)電層、陽極層、電解質(zhì)層、陰極層和陰極導(dǎo)電層。在一種形式中，電解質(zhì)層可以是單層，也可以由任意數(shù)量的子層構(gòu)成。在每個(gè)電化學(xué)電池中，陽