專利名稱：用于碳氫化合物燃料的高溫電化學換能器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及高溫電化學換能器，更具體地，涉及到處理碳氫化合物燃料的電化學換能器。
電化學換能器如燃料電池，已經(jīng)被當作將來自燃料原料的化學能直接轉化成電能的裝置。典型的燃料電池主要由一系列的電解質單元，其中燃料和氧化劑電極附著在其上，和一類似系列的設置在電解質單元之間的用以提供串聯(lián)電聯(lián)接的聯(lián)接裝置所構成。電通過電化學反應在電極間和電解質內產(chǎn)生，也就是說，當一種燃料如氫被引入到燃料電極，且一種氧化劑如空氣被引入到氧化劑電極時觸發(fā)了電化學反應。
一般，每個電解質單元是具有低離子電阻的離子導體，從而使離子種在換能器的工作條件下從一個電極-電解質界面遷移到相對的電極-電解質界面。此電流通過電觸動聯(lián)接器板從換能器導出為其后的應用。
典型地用于燃料電池電能產(chǎn)生系統(tǒng)中的的一種類型的燃料電池是固體氧化物燃料電池。傳統(tǒng)的固體氧化物燃料電池除了上述列出的特點外，還包括一種涂敷到電解質相對面上的具有多孔燃料和氧化物電極材料的電解質。該電解質典型地是一種氧離子導電材料，如經(jīng)穩(wěn)定化的氧化鋯。一般地保持在氧化氣氛中的氧化劑電極常常是一種摻雜氧化物，如鍶摻雜亞錳酸鑭(LaMnO3(Sr))以得到高導電率。燃料電極典型地保持在富燃料或還原氣氛中，且通常是一種金屬陶瓷如氧化鋯-鎳(ZrO2/Ni)。固體氧化物燃料電池的聯(lián)接器板一般都由在氧化和還原氣氛中皆穩(wěn)定的導電金屬材料構成。
采用碳氫化合物燃料作為燃料用于燃料電池是本領域公知的。這些常規(guī)的碳氫化合物燃料含有超過期望操作量的硫和其他雜質。因此，碳氫化合物燃料在引入到發(fā)電設備之前通常需要預處理和重整以去除有害成分如硫。尤其是，存在于碳氫化合物燃料中的硫會通過破壞催化活性以毒化存在于燃料電池之中的燃料電極的鎳催化劑。這種對硫敏感性存在于低溫和高溫燃料電池中。一般，燃料的預處理是使燃料依次通過脫硫裝置、蒸汽重整器和轉化反應器以制備相當純的燃料原料。經(jīng)處理的燃料含有微量的雜質如硫，通常低于百萬分之一(ppm)。這種預處理設備的缺點是相當龐大和昂貴，因而加大了電能裝置的總費用。
在燃料中存在的顯著量的硫還加速燃料電池和其它加工設備的腐蝕，而且當排放到空氣中時還是空氣污染和酸雨的主要來源。
因此，在發(fā)電系統(tǒng)領域仍存在需要使用無需昂貴除硫設備的電化學換能器。更具體地講，具有能夠處理含硫碳氫化合物燃料的電化學換能器將象征著該技術領域的重要改進。
下面將結合某些優(yōu)選實施方案對本發(fā)明進行說明。然而，很顯然本領域技術人員可以作出各種變化和改進而不偏離本發(fā)明的原則和范圍。
發(fā)明概述本發(fā)明提供一種具有低內阻的耐硫電化學換能器，該換能器能夠直接處理含硫成分高達50ppm的碳氫化合物燃料，且超過此含硫量情況下，不會產(chǎn)生永久性結構損壞或整體操作性能不會經(jīng)歷顯著的和/或持久的下降。本發(fā)明的電化學換能器是一種具有工作溫度在約600℃～1200℃范圍的高溫燃料電池。此燃料電池在操作期間產(chǎn)生廢熱，如果需要的話，其溫度可高于需要汽化液態(tài)碳氫化合物燃料所需溫度。此高工作溫度的燃料電池除了下面討論的燃料電池的物理特性外，還能夠在內部重整碳氫化合物燃料。這些特征減少或去除了對外部燃料處理設備的需要，這些設備是用于在將燃料引入燃料電池之前以除硫和汽化及重整燃料。
本發(fā)明采用這樣的電化學換能器達到了前述的和其他目的，此換能器具有一側上帶有燃料電極材料和另一側帶有氧化劑電極材料的電解質層，和一個具有相對接觸面的聯(lián)接器。此聯(lián)接器偶接到相鄰電極表面并提供兩電極間的電聯(lián)接。此換能器還包括將燃料反應物引入燃料電極和將氧化劑反應物引入氧化劑電極的裝置。
根據(jù)本發(fā)明的目的，換能器構件之一，如聯(lián)接器、至少聯(lián)接器接觸表面之一、燃料電極和氧化劑電極由含有至少氧化鉻和堿性金屬氧化物的經(jīng)選擇的混合物構成，其中堿性金屬氧化物選自氧化鈹、氧化鎂、氧化鈣、氧化鍶、氧化鋇和氧化鐳。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選目的，氧化鉻是Cr2O3，優(yōu)選混合物包括氧化鉻和氧化鎂(MgO)，更優(yōu)選包括Cr2O3、MgO和氧化鋁如Al2O3。在所選混合物中的Al2O3含量優(yōu)選低于50％摩爾。按照本發(fā)明的目的，燃料電極材料由含有氧化鉻/金屬氧化物的混合物構成。
根據(jù)本發(fā)明的另一目的，燃料電極或面對燃料電極的聯(lián)接器接觸表面之一或兩者都由NiO成分構成。
根據(jù)本發(fā)明的另一目的，燃料電極或空氣電極之一或兩者都由LaMnO3成分構成。
根據(jù)本發(fā)明的其它目的，換能器的操作溫度在約600℃～1200℃之間，優(yōu)選在在約800℃～1100℃之間。另一方面，換能器在操作期間從內部汽化至少一部分液態(tài)燃料，且能夠在內部將碳氫化合物燃料重整成適宜的反應物物料，如CO和H2。換能器通過換能器的廢熱重整燃料。又一方面，此換能器是平板狀固態(tài)氧化物燃料電池。
本發(fā)明的其他一般和更具體的目的是顯而易見的，并從下面的附圖和說明也可證實。
附圖簡述本發(fā)明的前述目的和其他目的、特征和優(yōu)點通過下面的說明和下面的附圖將是很清楚的，其中，相同的標號字母在全部的各種圖中是表示同一部件。這些附圖示意說明本發(fā)明的主要原理，盡管不是真實尺寸，但也顯示相對尺寸或相對關系。


圖1是本發(fā)明的電化學換能器和相聯(lián)接的燃料處理系統(tǒng)的示意方框圖。
圖2是圖1電化學換能器的電解質元件和聯(lián)接器元件的側視圖。
圖3是圖2的電解質元件和聯(lián)接器元件的等比例視圖。
圖4是本發(fā)明的電化學換能器與常規(guī)燃料電池的選定參數(shù)的表格排列比較。
圖5是通常用于處理低溫燃料電池的燃料蒸汽的常規(guī)燃料處理系統(tǒng)的示意方框圖。
舉例實施方案的說明圖5是舉例說明典型地用于低溫燃料電池的傳統(tǒng)燃料處理系統(tǒng)200的示意方框圖。此處理系統(tǒng)包括外部催化重整器205、脫硫設備215、冷卻階段220、一氧化碳轉化器230和低溫燃料電池240，所有這些都如圖所示依次偶接。燃料源250和空氣源252分別將作為基本成分的含氫氣的碳氫化合物燃料和空氣導入重整器205的燃燒室206部分。在該室中，空氣和燃料混合并點火為重整器205和燃料電池240提供啟動能量。燃料在燃燒室206內被加熱直至汽化并催化還原成燃料物料，如氫氫氣(H2)、一氧化碳(CO)和硫化氫(H2S)。
此燃料物料被從重整器室206中卸出，并通過適宜的流體導管208導入到脫硫設備215，該單元將燃料蒸汽中的硫成分轉化成硫化氫。然后使燃料穿過脫硫吸附劑如氧化鋅(ZnO)，它將硫化氫在其離開脫硫設備215之前從燃料混合物蒸汽中去除。在脫硫設備215出口端處的燃料蒸汽的硫含量通常低于0.1ppm，這是低溫燃料電池能夠承受而不至于產(chǎn)生永久損壞的硫含量指標。然后在將脫硫燃料蒸汽沿導管218輸送到冷卻階段220，于其中熱燃料蒸汽冷卻至室溫。冷卻階段220通常包括公知結構的熱交換器。
從冷卻階段220流出的經(jīng)脫硫和冷卻的燃料混合物通過導管222進入轉化器230。轉化器230通常填充以轉化催化劑，它將存在于燃料蒸汽中的一氧化碳轉化為二氧化碳。轉化器還純化燃料得到富集純氫的燃料原料。從燃料蒸汽中去除一氧化碳主要是防止一氧化碳毒化燃料電池。當一氧化碳與燃料電池中的燃料電極鉑催化劑反應降低或破壞催化活性時，這種情況就會發(fā)生。因此從轉化器230排出的燃料混合物常常富集二氧化碳和氫氣。
將相當干凈的燃料蒸汽沿導管232導入如圖所示的低溫燃料電池240中。存在于燃料蒸汽中的氫氣按照電化學過程與含有氧氣的空氣蒸汽234反應。燃料電池產(chǎn)生電能以及作為電化學反應的副產(chǎn)物的燃料廢氣中的水。燃料廢氣通過導管242從燃料電池240排出，而空氣廢氣沿導管244排出。
前述現(xiàn)有技術的燃料電池發(fā)電裝置200具有許多缺點。脫硫設備215隨著硫從含相對超量的硫燃料中的去除，需要頻繁的維護，且難以去除相當硬硫，如噻吩。在該階段的硫常?；?，由此避開被氧化鋅吸附。那么，從脫硫設備215中脫離的硫會污染下游處理裝置(如轉化器)，并且最終進入低溫燃料電池240。因為燃料電池240一般僅僅能夠承受低于幾個ppm的硫含量，因此燃料電池被污染，最終失活。連同購買和維護燃料處理設備的費用考慮則增加了系統(tǒng)的總費用。
圖1舉例示意應用于本發(fā)明的燃料電池70中的燃料處理系統(tǒng)50。所舉例說明的燃料電池能更好地耐硫并能夠內部重整碳氫化合物燃料。此用語“耐硫”意義是指燃料電池能夠承受超過幾個ppm含硫量和最好高達約50ppm含硫量，并且在超過此含量，可能顯著地超過此含量，也不會產(chǎn)生永久性損壞燃料電池和不致于過度地危及燃料電池效率。燃料電池的適宜效率取決于燃料電池的具體裝配、所使用的燃料和氧化劑類型，以及在操作期間所采用的特定燃料電池模式，這是很容易被本領域普通技術人員所確定的。
所示意的燃料電池70優(yōu)選地是平板狀固態(tài)氧化物燃料電池，盡管其他電池構型如管狀，以及其他電池類型也可以使用，但前提條件是此燃料電池具有適宜的高操作溫度。本發(fā)明的燃料電池優(yōu)選地是高溫燃料電池，它的操作溫度能夠在約600℃～1200℃之間，優(yōu)選在約800℃～1100℃之間，更優(yōu)選在約1000℃。圖2和圖3圖解示意本發(fā)明的基本燃料電池堆。所示的燃料電池堆包括單個電解質極板1和單個聯(lián)接器板2。已知的電解質板1可以由經(jīng)穩(wěn)定化的氧化鋯ZrO2(Y2O3)材料3組成，多孔氧化劑電極4(陰極)和多孔燃料電極5(陽極)設置在其上。用于氧化劑電極的公知材料是鈣鈦礦如亞錳酸鑭(LaMnO3(Sr))，用于燃料電極的材料通常是金屬陶瓷如氧化鋯-鎳(ZrO2/Ni)。聯(lián)接器板2通常由金屬如因科耐爾合金(Inconel)、或鎳合金，或非金屬導體如碳化硅構成。構成本發(fā)明的聯(lián)接器、電解質和電極的專門材料在下面進一步詳細描述。聯(lián)接器板2用作相鄰電極間的電聯(lián)接器和用作燃料和氧化劑氣體之間的隔離物，還提供沿電極表面4、5到板1和2的外部邊緣處的熱傳導通道。
燃料通過與電池堆呈軸向的經(jīng)孔13與電池堆相連通的支管17供料到電池堆中，而燃料產(chǎn)物穿過與孔14連通的支管18排出。燃料通過在聯(lián)接板2的上表面形成的圖示為共面槽網(wǎng)路6的通路結構分配在整個燃料電極表面5上。在脊7中制作的槽口8提供通入在每個燃料電極5的表面上與孔13和14相連通的網(wǎng)格6的開口。燃料可以是碳氫化合物燃料，實例包括甲烷、丙烷、丁烷、噴氣式推進燃料(JP燃料)、燃料油、柴油和汽油，和含有甲醇和乙醇及其混合物的醇燃料，和醚類如TAME、ETBE、DIPE和MTBE，以及容易從其中衍生的燃料如氫氣。
氧化劑通過與孔15連通的支管19供入電池堆，而產(chǎn)物通過與孔16連通的支管11排出。氧化劑通過圖2所示的在導電板2的下表面中形成的互補的共面槽網(wǎng)路9分配在下一個電解質板的整個氧化劑電極表面上。如圖3所示，在相鄰電池下表面上的類似網(wǎng)格為氧化劑提供沿電解質板的通路。在聯(lián)接板2上的凹槽網(wǎng)路6和9的外部脊與電解質板1相接觸形成電池堆組件的密封外壁。脊7緊壓組件中電極以實現(xiàn)電接觸。電池堆可以通過拉緊棒(未示出)固定或密封。盡管本發(fā)明舉例說明燃料電池堆的外周緣是密封的，但是外周緣表面部分也可以敞開以能夠使在外周緣表面處的至少一種反應物廢氣直接排出。
應該理解所舉例的燃料電池能夠以燃料電池模式或電解模式操作。在燃料電池模式中，通過電化學氧化氣態(tài)碳氫化合物燃料以產(chǎn)生電和熱的方式工作。在電解模式中，DC電源和蒸汽或二氧化碳或其混合物供入槽(燃料合成器)中，它將氣體分解生成氫氣、一氧化碳或其混合物。
許多種類的常規(guī)導電材料可用于薄聯(lián)接板。用于聯(lián)接器制造的適宜材料包括鎳合金、鎳-鉻合金、鎳-鉻-鐵合金、鐵-鉻-鋁合金、鉑合金、這類合金的金屬陶瓷和耐火材料，如鋯或鋁、碳化硅和二硅化鉬。本發(fā)明燃料電池元件的優(yōu)選材料在下面討論。
所示的燃料電池70的燃料電極，如陽極起兩種主要作用。第一，陽極作為電子集流器(或如果燃料電池以電解模式工作，則作為電子分配器)。電極必須收集在燃料電化學氧化過程中釋放的電子，還為電子流流入到串聯(lián)燃料電池或外電源導線處提供低電阻路徑。第二，陽極提供電化學氧化位置。此位置是通常在陽極內由電解質釋放的氧離子、來自燃料流的氣態(tài)燃料和通向電子集流器的電通路同時接觸的地方。
參見圖1，處理系統(tǒng)50可以包括一般用于液態(tài)碳氫化合物燃料的汽化器54，以及可選擇的脫硫設備58。氣體洗滌器62也可用于處理系統(tǒng)50的出口處。汽化器54包括接收碳氫化合物液態(tài)燃料的內室52。在啟動操作期間，此內室還接收空氣，而適宜的結構點燃燃料和空氣以加熱并汽化燃料。普通技術人員都知道燃料電池70也起到汽化器作用，這取決于碳氫化合物燃料電池的類型，因此，汽化器54也是系統(tǒng)50的可選擇組件。
將經(jīng)加熱的燃料物流引入可選擇的脫硫設備58，類似于圖5的脫硫設備215。當碳氫化合物燃料含有過量的硫和在引入燃料電池70之前需要選擇去除硫以符合環(huán)保局(EPA)規(guī)定時，采用脫硫設備58。例如，柴油燃料含有相當高含量的硫，需降低燃料物流中的硫含量到50ppm，因而通過脫硫設備58部分脫硫。然后，將燃料物流引入燃料電池70，在此被處理。接著，燃料電池將燃料轉化成電能和燃料廢氣。
如果燃料廢氣準備直接排放到環(huán)境中，則廢氣中的硫含量必須檢測以確保滿足EPA條例。如果硫含量太高，則多余的硫必須去除。如圖所示的氣體洗滌器62可通過去除多余的硫以清潔燃料廢氣，從而保持硫濃度在EPA規(guī)定范圍。
燃料電池70還可與適宜的熱轉化結構相接以實現(xiàn)重新加熱引入的反應物，或重新冷卻燃料電池堆。熱轉化結構包括許多交指型熱轉化元件，這些都公開在本發(fā)明人的1989年8月1日授權的美國專利4,853,100中，該專利在此結合入本文作為參考。
本發(fā)明的燃料電池70較佳地耐受高達約50ppm含硫量，并可超過此含量，以及顯著地超過此含量。燃料電池的耐硫性常常免除了在引入燃料電池之前燃料脫硫的必要性。因此，燃料能夠直接進入燃料電池而不會產(chǎn)生永久性損壞，如毒化燃料電池或顯著地降低燃料電池的整體效率。一個或多個燃料電池構件優(yōu)選地由含有氧化鉻和堿金屬氧化物的混合物組成，堿金屬氧化物例如是氧化鈹、氧化鎂、氧化鈣、氧化鍶、氧化鋇和氧化鐳。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施方案，氧化鉻是Cr2O3，堿金屬氧化物是氧化鎂(MgO)。根據(jù)本發(fā)明的最優(yōu)選實施方案，燃料電池構件(如聯(lián)接器、聯(lián)接器的接觸表面之一、燃料電極或氧化劑電極)之一由含有氧化鉻、氧化鎂和氧化鋁如Al2O3的混合物組成。在混合物中的Al2O3含量較佳地低于50％摩爾。按照本發(fā)明的一種應用，氧化鉻/氧化鎂的混合物是不含鑭的混合物。
構成用于制造一個或多個燃料電池元件的所選混合物材料還能含有相當純的金屬，如鉻、鋁和堿金屬。事實上，在制造過程中，采用相當純的金屬。這些金屬后來在燃料電池工作期間通過其中發(fā)生的電化學反應過程轉化成相應的氧化物形式。
能夠從氧化鉻混合物制造的燃料電池元件包括燃料電極、氧化劑電極、聯(lián)接器板、聯(lián)接器板的接觸表面。能夠構成本發(fā)明燃料電池構件的其它材料包括用于聯(lián)接器或其接觸表面的Al2O3，還可以與氧化鉻的摻合物和與氧化鉻和堿金屬氧化物混合物的摻合物存在，還包括用于燃料電極材料和聯(lián)接器板的NiO，以及用于燃料和電極材料的LaMnO3。
前述的氧化鉻和堿金屬氧化物混合物，連同平板式固態(tài)氧化物燃料電池的結構尺寸一起能夠使燃料電池耐受高達約50ppm含硫量，甚至超過此含量。氧化鉻和堿金屬氧化物的混合物，尤其是氧化鉻/氧化鎂的混合物在氧化和還原氣氛都穩(wěn)定、具有高導電性，且強耐受有害的燃料電池的污染物，如含硫化合物、鹵化物、熔融鹽和其他存在于商售碳氫化合物燃料中的腐蝕性化合物。
傳統(tǒng)的低溫燃料電池如果暴露于含硫量高于幾個ppm的燃料中，則會遭到永久性損壞。另外，這些燃料電池的硫容許水平將幾個數(shù)量級地低于在煤氣化工藝以及其他發(fā)電系統(tǒng)中所用的最新熱氣體清潔系統(tǒng)中的硫含量。某些傳統(tǒng)的高溫燃料電池還需要燃料電池的燃料反應物的氣體清潔系統(tǒng)。因此，傳統(tǒng)的低溫和高溫燃料電池都需要清潔燃料以去除硫和其他微量污染物。
氧化鉻和堿金屬氧化物混合物的一個主要和意想不到的結果是容許燃料電池在操作期間有高于幾個ppm的硫。特別是，此燃料電池能夠在存在高達約50ppm含硫量，和超過此含硫量的正常操作條件下工作。此耐受性可以理解是燃料電池的幾何設計和電學性能，以及燃料電池構件的特定材料的綜合組合效果。
燃料電池70除了前述的耐硫性特點之外，此燃料電池的另一個重要特點是用于形成一個或多個燃料電池元件的氧化鉻/堿金屬氧化物混合物具有高導電性。此高導電率使燃料電池在燃料電池在使用壽期間保持相當高的電效率和運行效率。
燃料電池70的操作溫度相當高以致于引起存在于碳氫化合物燃料中的硫與存在于燃料電極(假定此構件并不含有氧化鉻和堿金屬氧化物混合物)中的鎳催化劑反應，結果形成硫化鎳混合物，表示為NiSx,其中x=1.33,1.5或2。這些硫化物是電學上不導電的，且降低陽極的導電性和降低了燃料電池的整個能量密度。然而，燃料電池70的高操作溫度和由燃料電池元件的幾何設計提供的相當大的電接觸面積提供了相當寬的選擇材料范圍，使得燃料電池對硫和其他微量污染物不敏感。從而，燃料電池70克服了由硫污染物所致的導電性降低，和能夠維持相當高的工作效率。用于燃料電池構件的優(yōu)選材料當暴露于氫氣氛中的硫時，具有相當高的抗熱腐蝕性，并且能夠維持相當高的導電性。
圖4給出傳統(tǒng)的熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)、傳統(tǒng)的管狀固態(tài)氧化物燃料電池(管狀SOFC)以及本發(fā)明的燃料電池(ZETK板狀SOFC)的幾何比較。如圖所示，燃料電池70的燃料電極電學路徑長度明顯地小于傳統(tǒng)的燃料電池的路徑長度。更具體地，在燃料電池70的運行期間所產(chǎn)生的電流傳送明顯短的距離。因此，燃料電極對整個燃料電池電阻的貢獻小。此小的燃料電池電阻使得燃料電池能夠在一般不適宜傳統(tǒng)的燃料電池的環(huán)境中操作，同時保持相當高的電效率和運行效率。相應地，與傳統(tǒng)的燃料電池比較，這導致顯著低的幾何因子(定義為電極中的電極電阻乘以電流)和顯著低的電壓損失比例。
本發(fā)明的高溫燃料電池70還能夠在內部能完成許多燃料處理任務，如燃料重整，這樣就無需昂貴的外部重整設備。由于本發(fā)明的燃料電池的高操作溫度和燃料電極材料的催化性能為大多數(shù)類型的在燃料電池內的中間重整處理提供了適宜條件，因此，本發(fā)明的燃料電池很容易適用于燃料的內部重整。特別是，高操作溫度滿足在燃料電池內就地重整反應的吸熱需要。
在操作期間，燃料電池70進行的電化學過程產(chǎn)生燃料廢氣流中的水的內部供應。更具體地，在電化學反應期間，氧離子從陰極表面轉移到陽極表面，再進入燃料流中。在電池內部制造水大大地降低了從外部供應水用于電池內重整的供水需要量。另外，在燃料廢氣中的水蒸汽可以作為重整劑循環(huán)使用，從而進一步降低從外部供應重整劑的需要。
燃料電池的高溫燃料廢氣能夠循環(huán)用于蒸汽重整過程，如外部或內部燃料重整過程。例如，高溫廢氣循環(huán)可以通過燃料供應的壓力噴射器作用或旋轉型裝置如再循環(huán)泵來完成。
總而言之，本發(fā)明的電化學換能器的突出優(yōu)點是換能器的結構和換能器元件的材料使得燃料電池能夠處理含硫的常規(guī)的碳氫化合物燃料，如果有硫也無需在將燃料引入換能器之前進行徹底清潔。此燃料電池還在內部重整碳氫化合物燃料，并且能夠從內部汽化液態(tài)碳氫化合物燃料。本發(fā)明的燃料電池能夠承受至少約50ppm的硫濃度而不會產(chǎn)生永久性損壞。因而，本發(fā)明的換能器減少或免除了對外部處理設備如重整器和轉化反應器的需要，并且在某些情況下，減少或免除了對脫硫設備和/或燃料汽化器的需要。
由前面描述顯然可見，本發(fā)明有效地達到了前面提出的發(fā)明目的。因為在不偏離本發(fā)明范圍的情況下能夠對上述構成作出某些改變，但是這意味著包括在上述說明書和附圖中的所有內容可以理解成是舉例性的，并無限定意義。
還應該理解下面的權利要求書覆蓋了本文記載的本發(fā)明的所有總的和具體特征，以及本發(fā)明范圍的全部陳述，換句話說，所有這些都落入權利要求書范圍之間。
現(xiàn)在已經(jīng)描述了本發(fā)明，作為新的和所希望的權利要求內容由如下權利要求書保護。
權利要求
1．一種電化學換能器，包括一側上帶有燃料電極材料和另一側帶有氧化劑電極材料的電解質層，具有相對接觸面為相鄰電極提供電連接的聯(lián)接器，以及將燃料反應物引入燃料電極和將氧化劑反應物引入氧化劑電極的裝置，其中，至少一個聯(lián)接器、聯(lián)接器接觸表面之一、燃料電極和氧化劑電極包含含有至少氧化鉻和金屬氧化物的所選混合物，其中金屬氧化物選自氧化鈹、氧化鎂、氧化鈣、氧化鍶、氧化鋇和氧化鐳。
2．權利要求1的電化學換能器，其中電化學換能器是燃料電池。
3．權利要求1的電化學換能器，其中氧化鉻是Cr2O3。
4．權利要求1的電化學換能器，其中所選混合物中的金屬氧化物包括MgO。
5．權利要求1的電化學換能器，其中所選混合物還包括Al2O3。
6．權利要求5的電化學換能器，其中在所選混合物中的Al2O3含量低于50％摩爾。
7．權利要求1的電化學換能器，其中所選混合物是不含鑭的混合物。
8．權利要求1的電化學換能器，其中至少聯(lián)接器接觸表面之一由選擇性混合物構成。
9．權利要求1的電化學換能器，其中聯(lián)接器由所選混合物構成。
10．權利要求1的電化學換能器，其中氧化劑電極材料含有所選混合物。
11．權利要求1的電化學換能器，其中燃料電極材料含有所選混合物。
12．權利要求1的電化學換能器，其中至少燃料電極材料之一和面對所述燃料電極的聯(lián)接器部分由NiO成分構成。
13．權利要求1的電化學換能器，其中至少燃料電極材料和空氣電極材料之一由LaMnO3成分構成。
14．權利要求1的電化學換能器，其中所選混合物還包括Al2O3。
15．權利要求1的電化學換能器，其中碳氫化合物燃料含硫，和換能器的操作溫度至少在約600℃，換能器在操作期間按照電化學反應產(chǎn)生電。
16．權利要求1的電化學換能器，其中換能器的操作溫度在約600℃～1200℃之間。
17．權利要求1的電化學換能器，其中換能器的操作溫度至少在約600℃，和碳氫化合物燃料是液態(tài)碳氫化合物燃料，換能器還包括在其操作期間用于從內部蒸發(fā)至少一部分液態(tài)燃料的裝置。
18．權利要求1的電化學換能器，其中碳氫化合物燃料是液態(tài)碳氫化合物燃料，換能器還包括在換能器操作期間用于從外部蒸發(fā)至少一部分液態(tài)燃料的裝置。
19．權利要求1的電化學換能器，其中換能器的操作溫度至少在約600℃，換能器還包括將碳氫化合物燃料從內部重整成反應物物料的內部重整裝置。
20．權利要求19的電化學換能器，其中反應物物料包括CO和H2。
21．權利要求1的電化學換能器，其中換能器的操作溫度至少在約600℃，且在其操作期間產(chǎn)生廢熱，換能器還包括借助換能器廢熱將碳氫化合物燃料從內部重整成反應物物料的裝置。
22．權利要求21的電化學換能器，其中反應物物料包括CO和H2。
23．權利要求1的電化學換能器，其中換能器的操作溫度至少在約600℃，且在其操作期間產(chǎn)生燃料廢氣，換能器包括借助換能器廢氣將至少一部分碳氫化合物燃料重整成反應物物料包括CO和H2之一的裝置。
24．權利要求23的電化學換能器，其中換能器廢氣包括至少CO2和H2之一。
25．權利要求1的電化學換能器，其中換能器在其操作期間產(chǎn)生含有CO2的廢氣，其中所述換能器還包括用于從燃料廢氣中收集CO2的裝置。
26．權利要求1的電化學換能器，其中氧化劑反應物包括氧氣，該氧氣在換能器啟動操作期間至少部分地將碳氫化合物燃料重整成反應物物料包括CO和H2。
27．權利要求1的電化學換能器，其中氧化劑反應物包括氧氣，該氧氣在換能器操作期間至少部分地將碳氫化合物燃料重整成反應物物料包括CO和H2。
28．權利要求1的電化學換能器，其中換能器是平板狀固態(tài)氧化物燃料電池。
29．一種權利要求1的電化學換能器，其中電解質包括許多一側上帶有燃料電極材料和另一側帶有氧化劑電極材料的電解質板，以及聯(lián)接器包括許多聯(lián)接器板，該聯(lián)接器板為相鄰電極表面提供電接觸，聯(lián)接器板和電解質板交替地堆疊在一起形成換能器組件。
30．一種電化學換能器，包括一側上帶有燃料電極材料和另一側帶有氧化劑電極材料的電解質層，具有相反接觸面為相鄰電極提供電連接的聯(lián)接器，以及將燃料反應物引入燃料電極和將氧化劑反應物引入氧化劑電極的裝置，氧化劑電極材料由含有由含有氧化鉻的混合物構成。
31．權利要求30的電化學換能器，其中氧化鉻是Cr2O3。
32．權利要求30的電化學換能器，其中含有氧化鉻的混合物還包括MgO。
33．權利要求30的電化學換能器，其中該混合物還包括Al2O3。
34．權利要求33的電化學換能器，其中在所選混合物中的Al2O3含量低于50％摩爾。
35．權利要求30的電化學換能器，其中含有氧化鉻的混合物還包括一種堿土金屬氧化物。
36．權利要求35的電化學換能器，其中含有氧化鉻的混合物還包括Al2O3。
37．權利要求30的電化學換能器，其中含有氧化鉻的混合物是不含鑭的混合物。
38．權利要求30的電化學換能器，其中該換能器是平板狀固態(tài)氧化物燃料電池。
39．一種電化學換能器，包括一側上帶有燃料電極材料和另一側帶有氧化劑電極材料的電解質層，具有相對接觸面為相鄰電極提供電連接的聯(lián)接器，以及將燃料反應物引入燃料電極和將氧化劑反應物引入氧化劑電極的裝置，其中，至少燃料電極材料和氧化劑電極材料之一由含有氧化鉻和金屬氧化物的所選混合物構成，其中金屬氧化物選自氧化鈹、氧化鎂、氧化鈣、氧化鍶、氧化鋇和氧化鐳。
40．權利要求39的電化學換能器，其中該電化學換能器是平板狀固態(tài)氧化物燃料電池。
41．權利要求39的電化學換能器組件，其中氧化鉻是Cr2O3。
42．權利要求39的電化學換能器，其中所選混合物中的金屬氧化物包括MgO。
43．權利要求39的電化學換能器，其中所選混合物還包括Al2O3。
44．權利要求43的電化學換能器，其中在所選混合物中的Al2O3含量低于50％摩爾。
45．一種將碳氫化合物燃料轉化成電能的固態(tài)氧化物燃料電池系統(tǒng)，包括許多一側上帶有燃料電極材料和另一側帶有氧化劑電極材料的固體電解質板，許多具有相對接觸面的聯(lián)接器板，該聯(lián)接器板為相鄰電極表面提供電接觸，聯(lián)接器板和電解質板交替地堆疊在一起形成換能器組件，將碳氫化合物燃料反應物引入燃料電極和將氧化劑反應物引入氧化劑電極的裝置，以及用于從燃料電池系統(tǒng)中引出電能的裝置，其中，至少燃料電極和氧化劑電極之一由含有氧化鉻的混合物構成。
46．權利要求45的燃料電池系統(tǒng)，其中氧化鉻是Cr2O3。
47．權利要求45的燃料電池系統(tǒng)，其中含有氧化鉻的混合物還包括堿金屬氧化物。
48．權利要求45的燃料電池系統(tǒng)，其中含有氧化鉻的混合物還包括MgO。
49．權利要求45的燃料電池系統(tǒng)，其中該所選混合物還包括Al2O3。
50．權利要求49的燃料電池，其中在所選混合物中的Al2O3含量低于50％摩爾。
51．一種電化學換能器，包括一側上帶有燃料電極材料和另一側帶有氧化劑電極材料的電解質層，具有相對接觸面為相鄰電極提供電連接的聯(lián)接器，以及其中，至少聯(lián)接器之一和聯(lián)接器接觸表面由含有至少氧化鉻和金屬氧化物的所選混合物構成，其中金屬氧化物選自氧化鈹、氧化鎂、氧化鈣、氧化鍶、氧化鋇和氧化鐳。
52．權利要求51的電化學換能器，其中氧化鉻材料是Cr2O3。
53．權利要求51的電化學換能器，其中聯(lián)接器由含有氧化鉻和MgO的所選混合物構成。
54．權利要求51的電化學換能器，其中所選混合物還包括Al2O3。
55．權利要求54的電化學換能器，其中在所選混合物中的Al2O3含量低于50％摩爾。
56．權利要求51的電化學換能器，其中聯(lián)接器的接觸表面是由所選混合物構成，其中的金屬氧化物是MgO。
57．一種電化學換能器，包括一側上帶有燃料電極材料和另一側帶有氧化劑電極材料的電解質層，具有相對接觸面為相鄰電極提供電連接的聯(lián)接器，以及其中，至少一個聯(lián)接器、聯(lián)接器接觸表面之一、燃料電極和氧化劑電極包括含有至少鉻和金屬的所選混合物，其中金屬選自鈹、鎂、鈣、鍶、鋇和鐳。
58．權利要求57的電化學換能器，其中電化學換能器是燃料電池。
59．權利要求57的電化學換能器，其中所選混合物還包括鋁。
60．權利要求59的電化學換能器，其中在所選混合物中的鋁含量低于50％摩爾。
全文摘要
一種具有低內阻的耐硫電化學換能器,它能夠直接處理含硫成分高達50ppm的碳氫化合物燃料,且超過此含硫量情況下,不會產(chǎn)生永久性結構損壞或整體操作性能不會經(jīng)歷顯著的和/或持久的下降。該電化學換能器是一種具有工作溫度在約600℃～1200℃范圍的高溫燃料電池,能夠內部汽化和/或重整碳氫化合物燃料。一個或多個換能器構件,如聯(lián)接器、聯(lián)接器接觸表面、燃料電極和氧化劑電極由含有至少氧化鉻和堿金屬氧化物的所選混合物構成。
文檔編號H01M8/18GK1207210SQ96199534
公開日1999年2月3日 申請日期1996年11月8日 優(yōu)先權日1995年11月14日
發(fā)明者M·S·蘇 申請人:茲特克公司