燃料电池的改进或涉及燃料电池的改进的制作方法

专利名称：燃料电池的改进或涉及燃料电池的改进的制作方法
燃料电池的改进或涉及燃料电池的改进
当前的技术状态
众所周知的是，烃燃料比如丙烷通过采用亚化学计量量
(sub-stoichiometric amount)的空气氧化该烃-比如通过使用催化部分氧化 (CPOX)转化器而被转化为含有氢、 一氧化碳和氮的合成气。在小规模应用 中，这优先在贵金属催化剂上进行，以确保气态产物的形成优先碳的形成。 所得的合成气可以被用作固体-氧化物燃料电池用的燃料。
合成气中的一氧化碳可以或通过与水蒸气的反应而在水煤气变换反应 (WGS)中被转化成二氧化碳和氢，或可以在燃料电池的阳极直接被电化学 氧化成二氧化碳。
所有的燃料电池都将在基于氢进行运行，而一些燃料电池技术比如固 体氧化物燃料电池(SOFC)也可以基于一氧化碳或氢一氧化碳混合物而运 行。然而，大部分的燃料电池基于氢的运行效率比基于一氧化碳的运行效 率高。
现有技术的固体氧化物燃料电池和燃料电池组典型地在700-1000°C 的范围内运行。在这些条件下， 一氧化碳通过由燃料电池阳极所催化的水 煤气变换反应以及直接电化学氧化反应这两者的内部消耗是可行的。在这 些技术中，在燃料电池阳极之内的内部转化的温度在接近于燃料电池的温 度比如约800°C发生，并且燃料电池阳极通常是大于100微米厚的厚膜。
在US 2002/0031695的[193]中，公开了在阳极正压室(plenum)的流场 中使用甲醇转化催化剂，以实现内部转化(即，在燃料电池中)，并且涉及 液体/膏状电解质燃料电池在低温运行的引用文献。尽管它没有陈述，但是 对于内部发生明显转化，这必需依赖于水/水蒸气的供给，同时存在全部的 相关的缺陷，比如需要水供给、泵、控制系统和它们的相关成本。
现有技术还表明，基于使用不纯的氢燃料的系统的燃料电池对于内部 或外部转化的优选选择。当燃料在电池组的外部被转化为合成气时，发生 外部转化。当燃料在电池组的内部，通常在燃料电池阳极上或非常靠近燃料电池阳极的地方，转化时，发生内部转化。每一种方法都存在有利之处 和不利之处，对于内部转化的通常论点在于它更容易，使得系统的部件更 少并且效率更高。本领域技术人员已知，完全内部转化在转化工艺中需要 使用相当大量的能量，并且在能够使用内部转化有效的控制系统要求的同 时，存在化学能和热能的折衷。内部转化带来了燃料电池材料的选择、集 成和用于开启、动态运行和闭合的系统控制挑战。
其它现有技术包括US 5340664、 GB2405028、 US 4374184、 US 4454207 和US 2001/0010873。
使用外部CPOX转化器并不是没有它的限制。例如在中温的燃料电池
组之内，不仅所得转化物流在来自供给至转化器的空气的氮的存在下变得
更稀，而且当温度降低为低于700。C时，总是存在下游转化器碳沉积的危 险。
同样，WGS反应器的使用，正如其名称所表明的那样，需要将水供给 到反应位置，以使得一氧化碳和水可以变换为二氧化碳和氢。
本发明涉及中温固体氧化物燃料电池(SOFC)，其中富含一氧化碳的 燃料从合适的直接源例如用户(民用)煤气供给至电池，或间接从燃料电池 外部转化的烃源供给至电池。
本发明的一个方面提供一种对中温固体氧化物燃料电池加燃料的方 法，所述方法包括如下步骤富含一氧化碳的燃料在阳极区域中接触水煤 气变换反应催化剂，使得由于燃料中的残留水和/或在阳极产生的水蒸气的 存在而发生水煤气变换反应之后，将该燃料提供至燃料电池的阳极区域。
应当理解，所述方法在不需要外部供给水或水蒸气的情况下操作，这
是由于燃料或是直接供给的富含一氧化碳的燃料(例如，民用煤气)或是旦 经通过CPOX转化而被基本上转化的烃燃料，因而不需要大量的水的缘 故。因此，存在电池的一些内部WGS，但这与高温SOFC形成对比，在 高温SOFC中，在如上所述的必要的外部水/水蒸气供给的情况下，在电池 内部进行完全的转化。WGS反应与在450-650。C、优选500-650°C的范围 内的燃料电池反应范围是紧密地热匹配的。WGS反应在阳极或电池固有 物(阳极/电解质/阴极)中基本上不发生。
因此，所述方法优选不包括对WGS催化剂提供不连续水供给(水蒸气形式等)的步骤。优选地，提供至燃料电池的阳极区域的燃料不富含水。优 选地，提供至燃料电池的阳极区域的燃料包含的水不足以用于由WGS催 化剂将燃料完全催化成二氧化碳和氢。优选地，提供至燃料电池的阳极区 域的燃料具有<1的水蒸气碳的比率。更优选地，水蒸气碳的比率<0.75。 更优选地，水蒸气碳的比率<0.5。更优选地，水蒸气碳的比率<0.25。 更优选地，水蒸气碳的比率<0.20。更优选地，水蒸气碳的比率为<0.15。 更优选地，水蒸气碳的比率O.IO。更优选地，水蒸气碳的比率<0.05。
因此，实际上，所述方法允许额外的能量在燃料电池中通过WGS反 应提取，所述WGS反应仅使用存在的水/水蒸气，即在燃料中残留或在阳
极产生的水/水蒸气。这样，中温燃料电池可以有效地利用转化物中的一氧 化碳的化学能，否则转化物中的一氧化碳将大部分未反应地通过电池。
本发明在第二方面提供一种燃料电池组件，所述燃料电池组件包括
阳极、与所述阳极隔开的阴极、在所述阳极和所述阴极之间的不透气性电 解质、用于将氧化剂供应给阴极的第一装置、用于将燃料供应给阳极的第 二装置，其中所述第二装置包括水煤气变换反应催化剂，所述水煤气变换 反应催化剂设置为靠近阳极，以催化所述燃料中的一氧化碳和作为所述燃 料中的残留物出现或来自在阳极的反应而产生的水/水蒸气之间的水煤气 变换反应。
优选地，所述燃料经过具有壁的室被供给到所述阳极，所述壁具有多 孔区域，邻接所述多孔区域，在所述室外部设置阳极，所述燃料通过所述 多孔区域以接触所述阳极，所述水煤气变换反应催化剂被设置在所述室中 靠近所述多孔区域，但是与所述多孔区域隔开。
另外或备选地，所述催化剂可以被设置在所述室的介于所述多孔区域 的孔之间的所述壁上，使得所述孔是敞开的，用于通过所述燃料。
理想地，所述催化剂被设置在支撑体上，所述支撑体以与所述壁的所 述多孔区域相对但是隔开小的距离的关系安置。
所述支撑体优选通过所述室的第二壁的内表面提供，所述第二壁安装 所述水煤气变换反应催化剂，并且与所述壁的所述多孔区域平行但是隔开 小的距离设置。
所述支撑体可以由安装在所述室的第二壁的内表面上的插入物提供，所述插入物安装所述水煤气变换反应催化剂，并且与所述壁的所述多孔区 域平行但是隔开小的距离设置。
本发明在第三方面提供一种在燃料电池中使用的在金属基板上设置水 煤气变换催化剂的方法，所述方法包括将所述催化剂通过喷墨印刷涂敷到 基板上。
优选地，所述方法包括如下步骤
(i) 将洁净的干燥基板通过在至高'1,000 。C的空气中烧制而预氧化，从 而提供一种在金属上的被改善的粘合层；
(ii) 以使用的限定图案掩模或以限定沉积路径，沉积催化剂前体；
(iii) 在至高700 。C烧制前体层；
(iv) 使用喷墨印刷沉积催化剂；以及
(v) 在300 - 600 °C烧制所述催化剂。
备选地，所述方法包括如下的步骤
(i) 将洁净的干燥基板通过在至高1，000°C的空气中烧制而预氧化，从 而提供一种在金属上的被改善的粘合层；
(ii) 以使用掩模的限定图案或使用喷墨印刷的限定沉积路径，将具有 催化剂的催化剂前体沉积在其表面上；以及
(iii) 在至高700 °C烧制前体层。
可以看出，根据本发明，在450-650。C运行的中温固体氧化物燃料电 池中，将富含CO的燃料流与靠近燃料电池阳极侧的特定区域设置的WGS 催化剂结合，允许高效率系统在快速响应时间下操作，从而降低了燃料电 池系统的复杂性和产生了更低成本的系统。
优选地，水煤气变换反应催化剂是贵金属衍生的蒸汽转化催化剂，理 想地，是为了低甲烷化活性而优化的催化剂。然而，可以使用很多其它催 化剂形式，包括贵金属高温WGS催化剂形式。
理想地，催化剂被设置在电池组件的板极(plate)或栅极(grid)形成部件 上，并且它可以以多种方式设置在电池中，包括湿法沉积(洗涂(wash coated)、丝网印刷、喷墨喷射、涂抹)在部分或整个板极(优选，不锈钢)上， 湿法沉积在不锈钢燃料电池基板的背部、沉积在多孔金属基板的孔内，涂 布在不锈钢网或陶瓷单片上或涂布在陶瓷粒料上，然后将其插入到阳极的燃料管道中。
可以将多个根据本发明的电池设置在燃料电池组中。
现在，将参考附图
描述本发明的实施方案，这些实施方案仅作为实例, 其中
图la是根据本发明的SOFC燃料电池组件及其燃料供给和排气布置 的示意图lb是在本发明中使用的并且如图la所示的种类的燃料电池组的更 详细的示意图2是显示当负载金属的中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFC)以满功 率运行时，沿着阳极隔室的横截面的预测浓度曲线的图3是结合有根据本发明的燃料电池的负载金属的固体氧化物燃料 电池组的部分展开示意图；以及
图4是可以使用CPOX、自热转化(ATR)和具有WGS的CPOX进行 转化的燃料类型的表。
图la显示具有CPOX转化器的中温固体氧化物燃料电池系统的系统 配置。在这种装置中，CPOX转化器在电池组的外部，并且在约650-850°C 运行，产生富含CO的燃料流。仔细地进行材料选择并且仔细地选择将转 化物流从转化器引导至燃料电池组的导管的设计，以降低或防止在这些较 低温度的情况下，在邻接的表面上的碳沉积。后者可以通过使用非常短的 管的运转并且仔细地进行管材料的选取，例如使用NiCr合金比如601，以 将转化物引导到燃料电池组内，可以很大程度上得到排除。
电池组在450-650°C运行，因而在450-650°C的中温燃料电池运行和 在400-600°C的WGS反应之间存在紧密的热偶合(coupling),这对于电池 组热设计和运行控制考虑是有益的。根据本发明，这种运行温度的紧偶合 形成了将WGS用于这种温度范围内的理想燃料电池运行的能力，并且使 得其不适合于高温SOFC或低温燃料电池技术。
如图la所示，采用吹风机(l)将空气送入到系统中，其中空气流被分 成两股流，主流(lb)被进料到燃料电池组(5)的阴极上，在首先通过空气预 热器(7)，由与废气流的热交换加热到约450。C之后，通过冷却来自转化器 (3)的转化物而被进一步加热，之后在约500。C送入到电池组；同时辅助流(la)被进料到CPOX转化器(3)中。设置一些对流(la)进行质量流量控制的 装置(未显示)以保持在转化器中的所需氧/碳比率。烃燃料(2)也被进料到转 化器，与空气反应以产生主要由氢、 一氧化碳和氮构成的转化物气体。然 后，将转化物通过热交换器，在此被电池组空气进料从700-800。C冷却到 约500。C。然后，将冷却的转化物进料到燃料电池组(5)的阳极侧。为清楚 起见，在图Ia中的电池组仅显示一个电池，但是实际上，电池的夹心体 形成电池组，其中的两个被显示在图lb中。电池组的重复层由不锈钢互 连板(5a)构成，在其中之一的阳极侧上或靠近该阳极侧处，沉积或布置催 化剂层(5b)，该催化剂层(5b)通过催化WGS反应而促进了一氧化碳的消耗。 燃料电池本身由多孔不锈钢基板(5c)构成，阳极(5d)被沉积到该基板(5c) 上。阳极被不透气性电解质(5e)覆盖，在电解质(5e)上沉积阴极(5f)。在转 化物中的氢在燃料电池阳极中被与氧的电化学反应消耗，从而产生水蒸 气。然后，这种水蒸气与燃料中的任何残留的水/水蒸气一起，提供反应物， 通过催化的WGS反应，可以经由该反应物将转化物中的一氧化碳转化成 氢。这种耗尽了燃料的流主要由二氧化碳、水蒸气和氮以及一些残留的氢 和可能的一些残留CO构成，被进料到尾气燃烧器(6)中。在此，残留燃料 通过与来自电池组的阴极废气的反应而被消耗。然后，来自尾气燃烧器的 热废气被进料到空气预热器热交换器(7)中，在此它通过与进来的空气流 (lb)的热交换而得到冷却。被空气预热器(7)加热并且在约500。C进料到电 池组之前冷却转化物的阴极空气供给(lb)提供了燃料电池反应的氧化剂， 而且提供了使电池反应所产生的热中的显著部分被消耗的手段。然后，来 自电池组的热阴极废气被进料到尾气燃烧器中。
图lb显示了在形成电池组的一对燃料电池中， 一个完整的电池和另 一个的一部分。每一个电池都包括互连板10a，互连板10a具有突起侧 lla以当被钢基板覆盖时形成燃料通道llb，所述钢基板由在其中心区域 10g上穿有孔的不锈钢板10c构成。钢板10c以气体密封的方式被焊接到 在区域12的突起侧lla，并且每一个钢板都通过衬垫13而与另一个电池 的互连板隔开。阳极10d被沉积在每一个钢板10c的穿孔区域的上侧上， 使得阳极可经由钢板10c的孔，由供给到燃料通道lib的燃料接触。完 全覆盖阳极10d的上表面的是不透气性电解质10e，并且沉积阴极10f将
9其覆盖。在每一个钢板10c和其上面的互连板10a之间的阴极上面并且 被衬垫13包围的空间提供用于阴极的氧化剂(空气)通道llc。
前面描述了已知的燃料电池组的布置，但是本发明提供了一种被设置 在相应的互连板上的WGS催化剂10M和10b2，相应的互连板与相应的 钢板10c隔开，从而留下燃料用来接触阳极10d的空间。在图lb中，显 示了两种催化剂布置，10bl显示了沉积在插入物上的催化剂，而该插入物 被安装在互连板lla的壁上，该壁与多孔穿孔钢板10c平行，而10b2显 示了沉积在多孔穿孔钢板10c上的催化剂层。
在供给到转化器的空气中，总是具有小百分比的水蒸气(除非它供给自 干空气源)，并且通常地，烃燃料的转化还产生一些水蒸气。因此，当转化 物流与WGS催化剂接触时，其已经含有一些水。此外，在转化物流中的 烃浓度将在燃料电池的阳极反应，产生水蒸气，水蒸气转而还对WGS反 应供应原料。采用这种装置，因此能够移除对一些形式的外部系统水源、 或燃料电池废气冷凝水回收和转化器水/水蒸气进料系统，或阳极废气循环 的需要。
此外，为了节省WGS催化剂的成本，只需要具有充足浓度的催化剂 物质或WGS催化剂的覆盖度，以确保CO到C02的转化。因此，可以设 计WGS催化剂的插入物的涂布过程或WGS催化剂的沉积过程，以适应 这种基于燃料类型和运行环境类型的设计特征。例如，能够将WGS催化 剂利用喷墨喷射而沉积到催化剂前体上，在所述喷墨喷射中，沉积的墨水 喷射液滴的密度沿着预期的反应物气体流动的线而变化。可以考虑留给转 化的CO的浓度，对燃料电池的残留阳极容积可得到的氢、WGS催化剂 环境的温度和可用于WGS反应的水的量的情况下，来设计沉积的液滴密 度图案。因此，能够将沉积的催化剂区域在反应物气体通过包含阳极的区 域之后设置在区域内，并且能够被沉积在一个或多个区域内，直到大部分 的CO己经被变换成H2和C02，使得任何进一步的转化都将不影响系统的 运行效率，前提是涉及额外催化剂材料的附加成本。
在金属互连层(metal interconnect)上制备水煤气变换催化剂涂层的实 例如下
A)1. 将金属薄片(50至1000微米厚)成型，比如由金属如Crofer22APU 或EU牌号1.4509形成互连板。
2. 清洁并干燥已成型的薄片或板
3. 将该薄片或板通过在至高1,000 。C的空气中烧制而预氧化，从而在 钢板上提供改进的粘合层
4. 通过典型技术比如洗涂或喷射，沉积催化剂前体。前体可以是例如 氧化铝或二氧化铈。以使用掩模的限定图案或以限定沉积路径进行沉积
5. 在例如至高700。C烧制前体层
6. 使用典型技术比如洗涂或喷射或喷墨印刷，比如在盐水溶液以受控 的方式沉积催化剂，
7. 在300-600。C烧制催化剂
B) —种备选方法涉及沉积前体作为预涂布前体，预涂布前体即已经 在前体的表面上沉积有金属催化剂。在这种情况下，上述的步骤6和7是 不需要的。
一种优选的方法涉及涂布插入物，该插入物将位于互联和基板之间。 这种方法相对于涂布互联具有几个优点，因为它减少了燃料电池组层所见 的热处理的数量，并且因为它可以离线制备，还允许燃料电池组建造用的 部件快速设置和遍及(throughput)。这种涂布的插入物包括涂布的网、涂布 的织物、已成型的板或多孔陶瓷片。这些插入物还提供了增加的催化剂覆 盖表面积，并且如果插入物是浸渍涂布的，则在制备过程中的催化剂浪费 量更少。例如，如果插入物是例如丝直径为5-30微米的粗大织物网，织 物密度由燃料电池运行过程中预期的催化剂活性规定。这种方法的另一个 优点是，在燃料电池的运行过程中，涂布网的热膨胀与燃料电池的热膨胀 分开，因此改善了耐久性。网和织物的催化剂涂布对于本领域的技术人员 是熟知的，并且在该领域还有很多提供专门技术和产品的公司。
在涂布的插入物的情况下，通过将涂布的插入物设置到互连板上的位 置点，将负载金属的燃料电池设置到互连板上，并且使用例如激光焊接机 将燃料电池非孔区域焊接到互连板的边缘上，以构造燃料电池组层。然后， 这形成燃料电池组层的基础。为了建造电池组，将非导电性的隔体衬垫放 入到燃料电池的顶部上，所述隔体衬垫比如Flexitallic的Thermiculite 866衬垫材料。然后，将阴极集电极设置到衬垫的至少一部分的顶部表面上。 因而，这种结构是负载金属的燃料电池组的重复层，并且该层可以设置在 另一个层的上面，以实现来自电池组或电池组模块的所需功率输出。
为了减少由于在燃料电池中的CO变换(boudouard)反应所致的在燃料 电池区域中的碳沉积的可能性，优选使WGS反应的开始点隔开，直到可 用转化物流得到水蒸气。因此，WGS催化剂的开始点与转化物流首先遭 遇燃料电池阳极的点充分隔开，S卩，WGS催化剂的开始点和阳极在测量 为12cm长的燃料电池中可以被隔开0.2-2 cm。所需的隔开距离可以由在 阳极区域中以及相邻阳极区域处的转化物流的流动速度计算，并且还可以 从该流离开阳极区域并且接触WGS所在区域而耗费的反应时间进行计 算。通过将二氧化铈载体用于WGS催化剂，并且还通过使用贵金属催化 剂作为WGS催化剂，也可以抑制碳沉积。
图2示出了内部WGS的效果，其显示当以满功率运行时，沿着负载 金属的IT-SOFC的阳极隔室的横截面的预测的浓度曲线。注意， 一氧化碳 的摩尔分数遇到阳极隔室，而被相等分数的二氧化碳所置换，这显示了 WGS反应的效果。然而，还值得注意的是，氢的摩尔分数永远不超过约 30%，当与能够包含至多60%的氢的摩尔分数的水蒸气转化和进料相比， 这将不可避免地导致更低的燃料电池密度。
图3显示了负载金属的固体氧化物燃料电池组的部分展开图，其显示 了 WGS催化剂被沉积在金属互连板上的区域或将设置WGS涂布的网或 插入物的区域。 '
图4显示了能使用CPOX、自热转化(ATR)和CPOX和WGS的燃料类
型的表。
对于低成本和简单性比效率更重要的系统，CPOX转化提供了很多的 优点，尤其是当与能够采用富含一氧化碳的燃料流运行的固体-氧化物燃料
电池组偶合时。中温SOFC电池组相对于已经在别处进行了描述的现有技 术的高温SOFC电池组具有优点。然而， 一个缺点在于它们的更低的运行 温度降低了它们在采用一氧化碳作为燃料气体时有效运行的能力，但是不 同于容忍高浓度CO的低温燃料电池类型。
本发明允许有效地使用利用了富含CO的燃料流的中温SOFC电池组，以及由此的CPOX转化器，因而结合了两种技术的优点。
对于中到小规模的发电应用(〈50kWe)， CPOX转化器是快速启动的转 化器方案，因而提供了简单、低成本的燃料转化方案。不利的方面是由于 CPOX反应使用空气进行转化，所得燃料流比其它形式的转化物更稀。因 此，通过使用WGS以将CO变换成C02和氢，这种稀释效果可以被部分 抵消。WGS反应发生在约450-600。C，并且有利地接近于中温燃料电池的 运行温度的反应，并且因为WGS反应是温和地放热的，因此，在IT-SOFC 燃料电池组的情况下，它将经历沿着活性转化物燃料流转化路径的非常小 的温度变化，并且它的运行将导致沿着活性转化物燃料流转化路径的非常 小的温度变化。此外，WGS催化剂可以对任何可能由主转化器发生的烃 滑脱物(slip)进行水蒸气转化，由此延长燃料电池系统的耐久性。
本发明的在中温燃料电池组的燃料通道内部的专门催化剂的使用还 可适合于烃的内部蒸汽转化，并且改善蒸汽转化和/或自热转化的转化物流 的CO利用。
CPOX转化器在燃料电池系统中的应用可以意味着热效率比基于水蒸 气转化器的装置稍微高些，并且这在具有额外热输出的情况-比如在CHP 应用中可能是有利的。
这种装置可适合于很多烃燃料类型；例如
丁垸、丙烷、液化石油气(LPG)、天然气、民用燃气、气化煤、甲烷、 车用燃气(autogas)。
显然，本发明可以与直接供给的富含CO的燃料一起使用，在这种情 况下，避免了CPOX转化。
注意，本发明并不适合于采用至少没有少量水或烃组分的燃料运转的 燃料电池中使用，因为要求在燃料流中至少有一些水蒸气以用于进行WGS
反应。这种水的添加能够通过向燃料流中水蒸气注入或渗入一些氢而发 生，所述燃料流还能够使来自另一个SOFC电池组的废气再循环。 启动步骤 点燃CPOX
使用燃烧器组件和热的转化物流将燃料电池组加热 在燃料电池组中的阳极反应将在约400-500°C活跃 在这一点上，电池组将进行运行，而燃烧器燃料可以被切断或隔离 关闭
氧化还原稳定的燃料电池
O关闭对转化器的燃料供给，以及由此关闭对燃料电池组的供给
O必要时，使空气流过燃料电池组的阴极侧 非-氧化还原稳定的燃料电池
O将燃料向下流入转化器，并且由此流入到燃料电池组
O继续在阴极侧吹入空气
O电池组的温度将下降。在约300°C的燃料电池组温度(低于催化 剂在阳极中的氧化还原点)，燃料源可以被切断，并且允许电池 组自然冷却
O必要时，使空气流过阴极
这种类型的燃料电池转化器装置的应用包括整个系统的效率并不是 关键标准，但是例如在不需要水时运行的能力是关键标准的情况下的应 用。这样的应用能够包括在冷气候中的远距离监视或通信系统或应用，在 所述冷气候中，存在储存水被冰冻的危险。其它的应用包括输送例如用于
机动车或海上应用的能量(power)，在所述应用中，需要提供不依赖于主驱 动发动机的电功率-所谓的辅助功率装置(APU)。
一种优选布置涉及涂布将位于互连层和基板之伺的插入物。这具有几 个相对于涂布互连的优点，因为它减少了燃料电池组层所见的热处理的数 量，并且因为它可以离线制备，还允许燃料电池组构件用的元件的快速设 置和遍及。这样的涂布插入物包括涂布的网、涂布的织物、已成型的板或 多孔陶瓷片。这些插入物还提高了催化剂覆盖的表面积，并且如果插入物 被浸渍涂布，则在制备处理过程中催化剂的浪费更少。例如，如果插入物 是所述的丝直径为5-30微米的粗大织物网，织物密度由燃料电池运行过 程中预期的催化剂活性所规定。另外的优点是，在燃料电池的运行过程中， 涂布网的热膨胀与燃料电池的热膨胀隔离，由此改进了耐久性。
本领域的技术人员应当容易理解，在不背离本发明范围的情况下，可 以对本发明的方法和组件进行简单的改进。
权利要求
1.一种向中温固体氧化物燃料电池添加燃料的方法，所述方法包括如下步骤在富含一氧化碳的燃料已经在阳极区域接触水煤气变换反应催化剂，使得由于在所述燃料中的残留水和/或在阳极产生的水蒸气的存在而发生水煤气变换反应之后，将该燃料提供至燃料电池的阳极区域。
2. —种燃料电池组件，所述燃料电池组件包括阳极、与所述阳极隔 开的阴极、在所述阳极和所述阴极之间的不透气性电解质、用于将氧化剂 供给至所述阴极的第一装置、用于将燃料供给至所述阳极的第二装置，其 中所述第二装置包含靠近所述阳极设置的水煤气变换反应催化剂，以催化 在所述燃料中的一氧化碳和水/水蒸气之间的水煤气变换反应，所述水/水 蒸气作为所述燃料中的残留物出现或由所述阳极上的反应而产生。
3. 如权利要求2所述的燃料电池组件，其中所述燃料经过具有壁的室 被供给到所述阳极，所述壁具有多孔区域，邻接所述多孔区域，在所述室 外部设置阳极，所述燃料通过所述多孔区域以接触所述阳极，所述水煤气 变换反应催化剂被设置在所述室中靠近所述多孔区域，但是与所述多孔区 域隔开。
4. 权利要求2或权利要求3所述的燃料电池组件，其中所述催化剂被设置在所述室的介于所述多孔区域的孔之间的所述壁上，使得所述孔是敞 开的，用于通过所述燃料。
5. 权利要求3所述的燃料电池组件，其中所述催化剂被设置在支撑体 上，所述支撑体以与所述壁的所述多孔区域相对但是隔开小的距离的关系 安置。
6. 权利要求4所述的燃料电池组件，其中所述支撑体通过所述室的第 二壁的内表面提供，所述第二壁安装所述水煤气变换反应催化剂，并且与 所述壁的所述多孔区域平行但是隔开小的距离设置。
7. 权利要求4所述的燃料电池组件，其中所述支撑体由安装在所述室 的第二壁的内表面上的插入物提供，所述插入物安装所述水煤气变换反应 催化剂，并且与所述壁的所述多孔区域平行但是隔开小的距离设置。
8. —种燃料电池组件，所述燃料电池组件基本上如前面参考附图所述。
9. 一种在燃料电池中使用的金属基板上设置水煤气变换催化剂的方 法，所述方法包括将所述催化剂通过喷墨印刷涂敷到所述基板上。
10. —种在如权利要求6中所述的燃料电池中使用的金属基板上设置 水煤气变换催化剂的方法，所述方法包括如下步骤(i) 将洁净的干燥基板通过在至高1，000°C的空气中烧制而预氧化，从而提供在金属上的被改善的粘合层；(ii) 以使用掩模的限定图案或以限定沉积路径，沉积催化剂前体；(iii) 在至高700。C烧制前体层；(iv) 使用喷墨印刷沉积催化剂；以及(v) 在300-600。C烧制所述催化剂。
11. 一种在如权利要求6中所述的燃料电池中使用的金属基板上设置 水煤气变换催化剂的方法，所述方法包括如下步骤(i) 将洁净的干燥基板通过在至高1，000°C的空气中烧制而预氧化，从 而提供在金属上的被改善的粘合层；(ii) 以使用掩模的限定图案或使用喷墨印刷的限定沉积路径，沉积催 化剂前体，所述催化剂前体的表面上沉积有催化剂；以及(iii) 在至高700 。C烧制前体层。
全文摘要
提供向中温固体氧化物燃料电池添加燃料的方法，包括如下步骤在富含一氧化碳的燃料(11b)已经在阳极区域接触水煤气变换反应催化剂(10b1，10b2)之后，将该燃料提供至燃料电池的阳极区域(10d)，使得由于在燃料中的残留水和/或在阳极产生的水蒸气的存在而发生水煤气变换反应；还提供结合该方法的燃料电池组件，包括阳极(10d)、与阳极隔开的阴极(10f)、在阳极和阴极之间的不透气性电解质(10e)、将氧化剂供给至阴极的第一装置(11c)，将燃料供给至阳极的第二装置(11b)，其中第二装置包含靠近所述阳极设置的水煤气变换反应催化剂(10b1，10b2)，以催化在燃料中的一氧化碳和作为燃料中的残留物而出现或由阳极上的反应而产生的水/水蒸气之间的水煤气变换反应。还提供通过喷墨印刷将催化剂涂敷到金属基板上的方法。
文档编号B01J37/02GK101687190SQ200880014284
公开日2010年3月31日 申请日期2008年5月1日 优先权日2007年5月1日
发明者卡里姆·埃尔库里, 罗伯特·利娅, 马丁·施密特 申请人:塞瑞斯知识产权有限公司