專利名稱：碳基燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及從固態(tài)燃料產(chǎn)生電能，更具體而言，涉及根據(jù)固態(tài)有機(jī)燃料的直接電化學(xué)氧化作用從固態(tài)有機(jī)燃料產(chǎn)生電能的固體-氧化物燃料電池。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的固體-氧化物燃料電池利用被放置在陽極和陰極之間的、便于離子在其間進(jìn)行轉(zhuǎn)移的電解質(zhì)。傳統(tǒng)上，固態(tài)化石燃料，例如煤，在被引入固體-氧化物燃料電池以產(chǎn)生電能之前，不得不進(jìn)行氣化(gasified)和重整(reformed)。盡管需要另外的加工步驟，使用這樣的固態(tài)燃料電池來發(fā)電仍然是一種誘人的選擇，部分原因在于此類燃料具有高能密度。分離的氣化(gasification)和重整(reformation)步驟需要熱能的豐富流入，并且熱量回收很低，因此導(dǎo)致一種浪費(fèi)能量的過程。改進(jìn)采用固體-氧化物燃料電池發(fā)電的過程效率的嘗試，包括將重整步驟引入到燃料電池裝置中，這要求燃料電池在高于1473K的溫度下運(yùn)行。通過將重整步驟引入燃料電池中，重整化石燃料所需的至少部分熱量在電能產(chǎn)生過程中可以被回收和利用。然而，此類燃料電池在供應(yīng)給電極的催化劑的表面上經(jīng)歷了飄塵的累積，因此妨礙了燃料電池的性能，飄塵是由于固體化石燃料的燃燒而產(chǎn)生的副產(chǎn)品。據(jù)認(rèn)為，飄塵累積的原因在于燃料電池的升高的運(yùn)行溫度，該溫度大于大約1473K，該溫度大于飄塵能夠沉淀到催化劑的表面上之前所必須要超越的飄塵熔性溫度(fly ash fusibility temperature)。另外，這些傳統(tǒng)的高溫燃料電池也表現(xiàn)出在催化劑表面上的過量硫沉淀以及高NOx排放。已經(jīng)提出了替換性設(shè)計(jì)，以便在最小化CO產(chǎn)生的同時，將固態(tài)化石燃料直接轉(zhuǎn)化為CO2和電能。這樣的設(shè)計(jì)將燃料電池分為眾多不同的溫度區(qū)域，并且提供加熱元件用于控制每個各別的溫度區(qū)域中的溫度。兩個燃料電池電極——在固體電解質(zhì)的每個相對面上各有一個，是從或者相同的貴金屬或者相同的混合型導(dǎo)電氧化物材料形成的，以便促進(jìn)依照下述反應(yīng)的碳的完全氧化
這樣的設(shè)計(jì)是笨重的，原因在于需要不同的溫度區(qū)域來提供充分高溫，以最小化固體電解質(zhì)對離子電導(dǎo)的阻抗，而同時提供充分低溫，以有利于碳向CO2的完全氧化。其它傳統(tǒng)燃料電池已經(jīng)嘗試在不提供眾多不同溫度區(qū)域的情況下從化石燃料產(chǎn)生電能。如先前所述，固態(tài)化石燃料，例如煤，可以被引入進(jìn)具有氣化部件的燃料電池中，氣化部件用來在碳被氧化產(chǎn)生CO、H2和電能之前氣化固態(tài)燃料。由不同材料制備的電極被安裝在鄰近固體-氧化物電解質(zhì)處，以產(chǎn)生離子并促進(jìn)依照下述反應(yīng)的化石燃料的部分氧化 由于在氧化電極處需要過量的碳，此類燃料電池阻止了化石燃料的完全氧化產(chǎn)生CO2的便利，甚至是在氣化之后。因此，在本領(lǐng)域存在對可以產(chǎn)生作為反應(yīng)產(chǎn)物的電的燃料電池的需求，所述反應(yīng)直接并完全氧化固態(tài)化石燃料而產(chǎn)生CO2。依據(jù)該直接氧化反應(yīng)，所述燃料電池應(yīng)當(dāng)最小化與被消費(fèi)之前的氣化步驟相關(guān)的成本和無效性。此外，所述燃料電池應(yīng)當(dāng)解決電解質(zhì)阻抗和直接氧化反應(yīng)的競爭溫度需求，以便有利于CO2優(yōu)先于CO的產(chǎn)生。
發(fā)明概述通過提供可從固態(tài)有機(jī)燃料產(chǎn)生電能的直接-電化學(xué)-氧化燃料電池(direct-electrochemical-oxidation fuel cell)，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了這些目標(biāo)和其它目標(biāo)。所述燃料電池包括一個陰極，其被提供有電化學(xué)-還原催化劑，該催化劑促進(jìn)氧離子在陰極處從含氧源的形成；一個陽極，其被提供有電化學(xué)-氧化催化劑，該催化劑促進(jìn)固態(tài)有機(jī)燃料在氧離子存在下的直接電化學(xué)氧化，從而產(chǎn)生電能；和，固體-氧化物電解質(zhì)，其被安置為將氧離子從陰極傳輸?shù)疥枠O。在陽極處的直接電化學(xué)氧化根據(jù)下面的反應(yīng)發(fā)生根據(jù)另一個方面，本發(fā)明提供了可從固態(tài)有機(jī)燃料產(chǎn)生電能的直接-電化學(xué)-氧化燃料電池。所述燃料電池包括一個陰極(陰極)，其被提供有電化學(xué)-還原催化劑，該催化劑促進(jìn)從位于陰極處的離子源形成離子；一個陽極，其被提供有催化劑，該催化劑包含抗硫材料、促進(jìn)固態(tài)有機(jī)燃料在形成于陰極的離子存在下的電化學(xué)氧化，以便產(chǎn)生電能；和一種固體-氧化物電解質(zhì)，其被配置為將離子從陰極傳輸?shù)疥枠O。根據(jù)又一個方面，本發(fā)明提供了一種從固態(tài)有機(jī)燃料產(chǎn)生電力的方法。該方法包括如下步驟在陰極從含氧源形成氧離子；用固體氧化物電解質(zhì)將在陰極形成的氧離子傳送到陽極；和催化氧離子與所述固態(tài)有機(jī)燃料的反應(yīng)，以直接氧化位于陽極處的固態(tài)有機(jī)燃料，從而產(chǎn)生包括CO2的產(chǎn)物和電能。根據(jù)又一個方面，本發(fā)明提供了一種從固態(tài)有機(jī)燃料產(chǎn)生電力的方法。該方法包括如下步驟用固體氧化物電解質(zhì)在陰極和陽極之間建立離子交通通道(ionic-communication channel)；向陽極供應(yīng)包含抗硫物質(zhì)的電化學(xué)氧化催化劑，其中所述電化學(xué)氧化催化劑促進(jìn)在陽極處的固態(tài)有機(jī)燃料的直接的電化學(xué)氧化，以產(chǎn)生包括CO2的產(chǎn)物和電能；向陰極供應(yīng)電化學(xué)還原催化劑，其中所述電化學(xué)還原催化劑促進(jìn)從含氧源產(chǎn)生氧離子；和形成導(dǎo)電通路，以將電能導(dǎo)出陰極。
附圖簡述本發(fā)明的上述和其它特征及優(yōu)勢，對于本發(fā)明相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員而言，一旦在參考附圖閱讀了下述說明之后，將是明確的，在附圖中

圖1是按照本發(fā)明的一個實(shí)施方案的直接電化學(xué)氧化、碳基燃料電池的剖面圖視圖；圖2是電壓對電流密度的實(shí)驗(yàn)測定值的曲線圖，是針對用甲烷作燃料而運(yùn)行的一個燃料電池和用煤作燃料運(yùn)行的一個燃料電池進(jìn)行；圖3圖解了一個系統(tǒng)，其用于根據(jù)本發(fā)明的燃料電池的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)操作；圖4圖解了一個實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，用于評價煤氣對電能產(chǎn)生的貢獻(xiàn)；圖5是在三種不同溫度下運(yùn)行的煤氣燃料電池的電壓對電流密度的實(shí)驗(yàn)測定值的曲線圖；圖6表示按照本發(fā)明的燃料電池在廢氣流排出中所發(fā)現(xiàn)的成份的強(qiáng)度，是通過質(zhì)譜儀測量的；圖7是被提供有Pt格柵和Pt墨的燃料電池的示意性側(cè)視圖；圖8是一個曲線圖，比較燃料電池在不同的燃料上、在800℃的溫度下運(yùn)行時的電壓對電流密度的特性曲線；圖9是一個曲線圖，比較燃料電池在不同的燃料上、在900℃的溫度下運(yùn)行時的電壓對電流密度的特性曲線；和圖10是一個曲線圖，比較燃料電池在不同的燃料上、在950℃的溫度下運(yùn)行時的的電壓對電流密度的特征曲線。
優(yōu)選的與替代性實(shí)施方案的詳述僅僅是因?yàn)榉奖愣诖耸褂昧艘恍┬g(shù)語，并不能被認(rèn)為是對對本發(fā)明的限制。此外，在附圖中，某些特征在某種程度上可能以示意圖形式顯示出來。圖1是根據(jù)本發(fā)明的直接的電化學(xué)氧化、固體氧化物碳基燃料電池10的示意圖，用于從固態(tài)有機(jī)燃料產(chǎn)生電能，而不需要預(yù)氣化和重整步驟。如在圖1中所示，燃料電池10包括陰極12，其被供以電化學(xué)還原催化劑(electrochemical-reduction catalyst)，該催化劑促進(jìn)氧離子在陰極12從含氧源的形成；陽極14(陽極)，其被供以電化學(xué)氧化催化劑(electrochemical oxidation catalyst)，該催化劑促進(jìn)固態(tài)有機(jī)燃料在氧離子存在下進(jìn)行直接電化學(xué)氧化來產(chǎn)生電能；和固體-氧化物電解質(zhì)18，其被配置為將氧離子從陰極12輸送到陽極14。電化學(xué)氧化(electrochemical oxidation)被定義為可導(dǎo)致一個或多個自由電子通過外部電路進(jìn)行傳輸?shù)难趸Ｏ喾?，傳統(tǒng)的氧化只是被氧化物質(zhì)的氧化數(shù)上的增加，而不管自由電子的傳輸。固態(tài)有機(jī)燃料可以是任何碳系列燃料(carbon-series fuel)或任何具有至少一個碳原子的固體物質(zhì)，包括化石燃料，例如煤、石墨、木炭、生物質(zhì)(biomass)；聚合物，例如聚乙烯；以及在大氣壓和室溫下是固體的其它碳?xì)浠衔?。生物質(zhì)的例子包括泥炭、稻殼、玉米殼及類似物。盡管有機(jī)燃料處于固態(tài)，燃料可以是磨碎的、跺碎的或者另外被破裂為小的粉碎顆粒狀固體，以形成細(xì)粉有機(jī)燃料。將固態(tài)有機(jī)燃料破碎為細(xì)顆粒，使得固態(tài)有機(jī)燃料在陽極表面上、在氧離子存在下更容易氧化。本發(fā)明可選擇的實(shí)施方案以固體燃料顆粒操作，固體燃料顆粒尺寸充分小而類似流化介質(zhì)(fluidized medium)。這樣的實(shí)施方案也可以將固態(tài)有機(jī)燃料的細(xì)粒夾帶到非反應(yīng)性或惰性氣體中，以使燃料顆粒向陽極14的運(yùn)輸變得容易。陰極12包括電化學(xué)還原催化劑，該催化劑促進(jìn)根據(jù)下面的電化學(xué)還原反應(yīng)的從含氧源形成氧離子
含氧源(oxygen-containing source)可以是任何流體，例如空氣，所述流體包括在陰極催化劑存在下可以被還原為O2-的氧。離子導(dǎo)電材料由于離子的流動而傳導(dǎo)電流，而電子導(dǎo)電材料由于電子的流動而傳導(dǎo)電流?；旌系碾x子-和-電子的導(dǎo)電材料由于離子或電子或者兩者的流動而傳導(dǎo)電流。陰極12由混合的離子和電子導(dǎo)電材料(ionic-and-electronic，electrically-conductive material)制造，并且包括電化學(xué)還原催化劑，其在此可交替地被稱為陰極催化劑，該催化劑催化發(fā)生在陰極12處的電化學(xué)還原反應(yīng)。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的陰極12，可以是混合的離子和電子傳導(dǎo)氧化物(ionic-and-electronic conducting oxide)，其為離子傳導(dǎo)電解質(zhì)(ionic-conducting electrolyte)和陰極催化劑的復(fù)合材料。例如，陰極催化劑可以是鑭鍶錳氧化物，具有符號為La0.95Sr0.05MnO3，(″LSMO″)；鑭鍶鐵氧體(Lanthanum Strontium Ferrite)，具有符號為La0.8Sr0.2FeO3，(″LSF″)；鑭鍶鈷鐵氧體，具有符號為La0.6Sr0.4Fe0.8Co0.2O3，(″LSCF″)；和，氧化釤鍶鈷氧化物(Samaria Strontium Cobalt Oxide)，具有符號為Sm0.5Sr0.5CoO3，(″SSC″)。其它的適合被供應(yīng)給陰極催化劑的鈣鈦礦包括YBa2Cu3Oy，其中y是具有在7-9范圍之內(nèi)的值的整數(shù)；La0.99MnO3；LaMnO3；LaxSryMn3和LaxCayMnO3，其中x是具有在0.6-0.95范圍之內(nèi)的值的數(shù)值，和y是具有在0.1-0.4范圍之內(nèi)的值的數(shù)值；和具有通式AxByCO3的任何其它物質(zhì)，其中A選自La、Gd、Sm、Nd、Pr、Tb和Sr，B選自Sr、Ce和Co，x是具有在0.6-0.95范圍之內(nèi)的值的數(shù)值，和y是具有在0.1-0.4范圍之內(nèi)的值的數(shù)值。除了混合的導(dǎo)電氧化物之外的物質(zhì)，例如Ag，也適合形成本發(fā)明的陰極催化劑。類似于12，陽極14由混合的離子和電子導(dǎo)電材料制造，其為離子傳導(dǎo)電解質(zhì)和陽極催化劑的復(fù)合材料。然而，代替地不是電化學(xué)還原催化劑，陽極14包括電化學(xué)氧化催化劑，該催化劑在由陰極12生產(chǎn)的氧離子存在下、促進(jìn)固態(tài)有機(jī)燃料的直接電化學(xué)氧化，以產(chǎn)生電能。電化學(xué)氧化催化劑在此也被交替地稱為陽極催化劑，任選地包括可防止金屬硫化物的穩(wěn)定形成的抗硫物質(zhì)，因此將硫中毒對陽極催化劑的影響減為最小。陽極催化劑可以是貴金屬，VIII族金屬/金屬氧化物例如Pt、Cu、Ag、Au、Pd、Ni，并且它可以是其它金屬，然而非貴金屬也包括抗硫物質(zhì)，例如Re、Mn、Mo、Ag、Cu和Au，上述金屬的氧化物，以及Ce、Cr、F和Pb的氧化物，其組合物，復(fù)合氧化物(multiple oxides)，以及包括一種或多種上述金屬的組合物，例如銅氧化物-Pt(Cu oxide-Pt)和Re-NiO/YSZ，(其中YSZ代表釔穩(wěn)定氧化鈷(Yttrium-Stabalized Zirconia))。陽極14的實(shí)施方案包括基本沒有一碳化釩的組合物。一碳化釩是一種被認(rèn)為是環(huán)境污染物的重金屬，因此消除其在燃料電池中的使用是期望的。例如，其它合適的陽極催化劑的非限制性例子包括鈣鈦礦，如Sr0.6La0.4TiO3。本發(fā)明的陽極催化劑是高度活性氧化催化劑，其在燃料電池10的操作溫度之內(nèi)促進(jìn)在陽極14處的固態(tài)有機(jī)燃料的直接和基本完全的電化學(xué)氧化，不需要固態(tài)有機(jī)燃料在進(jìn)行它們的電化學(xué)氧化之前的氣化。維持本發(fā)明的燃料電池10的操作溫度在位于大約460℃至大約1000℃的范圍之內(nèi)，或在大約600℃至大約1000℃的范圍之內(nèi)，或在大約700℃至大約900℃的范圍之內(nèi)的任何一個溫度下，如下詳細(xì)討論，使固態(tài)有機(jī)燃料的直接電化學(xué)氧化根據(jù)下面的反應(yīng)進(jìn)行不束縛于或受限于理論，據(jù)認(rèn)為，本發(fā)明的燃料電池10的中等運(yùn)轉(zhuǎn)溫度是在飄塵熔性溫度(fly ash fusibility temperature)以下，其為這樣的溫度即在該溫度上，飄塵將聚集并附著到陽極催化劑的表面。因此，飄塵熔性溫度，其為大約1080℃(即褐煤飄塵的初始變形溫度，這在飄塵中是最低的)，確定了燃料電池10運(yùn)行溫度的上限。此外，據(jù)認(rèn)為，本發(fā)明的中等運(yùn)轉(zhuǎn)溫度范圍使NOx排放最小化，NOx排放往往在高于燃料電池10的最大運(yùn)行溫度的溫度下趨于產(chǎn)生，其中x是具有1、2和3的值的一個整數(shù)。在NOx產(chǎn)生中所利用的大部分氮被引入到燃料電池10中，至固態(tài)有機(jī)燃料之內(nèi)；因此，在將固態(tài)有機(jī)燃料引入燃料電池10之前，通過最小化該燃料內(nèi)的氮濃度，可以進(jìn)一步減少NOx排放。除了上面所討論的物質(zhì)，陰極和陽極各自進(jìn)一步包括形成固體氧化物電解質(zhì)18的物質(zhì)，用于使氧離子從陰極到陽極的運(yùn)輸變得容易。固體氧化物電解質(zhì)18被安置為將氧離子從陰極12傳遞到陽極14。固體氧化物電解質(zhì)18是提供在陰極12和陽極14之間的氧陰離子O2-離子運(yùn)輸機(jī)制(ion-transport mechanism)的介質(zhì)。經(jīng)由固體氧化物電解質(zhì)18的電流流動是由于離子運(yùn)動，而不是如在傳統(tǒng)電流流動中的電子運(yùn)動。如在圖1中所示，固體氧化物電解質(zhì)18被放置在陰極12和陽極14之間，陰極12和陽極14被連接在固體氧化物電解質(zhì)18的相對表面上。適合的固體氧化物電解質(zhì)18可以從Bi、Zr、Hf、Th和Ce的摻雜氧化物形成，是摻雜有或者堿土金屬，例如CaO或MgO；或者稀土金屬氧化物，例如Sc2O3、Y2O3、Yb2O3及類似物。例如，本發(fā)明的實(shí)施方案包括固態(tài)氧化物電解質(zhì)18，其包括Bi2O2、(Bi2O7)0.75(Y2O3)0.25、BaTh0.9Gd0.1O3、La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3、(Ce2)0.8(GdO0.5)0.2、(ZrO2)0.9(Sc2O3)0.1、(ZrO2)C0.9(Y2O3)0.1、(ZrO2)0.87(CaO)0.13、(La2O3)0.95(SrO)0.05以及類似物中的至少一種。陰極和陽極12、14連同它們各自的催化劑應(yīng)用于電解質(zhì)18，可以通過從包括各自催化劑的糊形成陰極和陽極12、14而得以完成。然后將每種糊作為膜應(yīng)用到固體氧化物電解質(zhì)18的表面上，以促進(jìn)氧離子從陰極12向陽極14的遷移。任何常規(guī)涂布技術(shù)可以被用來將電極糊施用于固體氧化物電解質(zhì)18的表面上。施用到固體氧化物電解質(zhì)18上的陰極和陽極12、14中的每一個的厚度，連同固體氧化物電解質(zhì)18的厚度，必須是協(xié)調(diào)的，以確保由于每種物質(zhì)在燃料電池10的運(yùn)行溫度范圍之內(nèi)所經(jīng)歷的膨脹而施加在每一種物質(zhì)上的力，不會在相鄰物質(zhì)中引起裂縫。通過聲音工程學(xué)判斷(sound engineeringjudgment)，由本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以完成每種材料的合適厚度的獲取。如上面所使用的，術(shù)語“厚度(thickness)”指的是每種物質(zhì)在垂直于主平面表面的方向上的量度，該主平面表面可以在陰極和陽極12、14與固體氧化物電解質(zhì)18之間形成界面。傳統(tǒng)的電導(dǎo)體，以電線22的形式，從陰極和陽極12、14的每一個延伸出來，以便傳導(dǎo)由燃料電池產(chǎn)生的電能，因此形成電路。合適的導(dǎo)電材料的例子包括適合于溫度小于大約1000℃的Pt，適合于溫度小于大約600℃的Cu，適合于溫度小于大約700℃的Ni，適合于溫度小于大約800℃的Ag，適合于溫度小于大約750℃的不銹鋼，任何合金，以及電子導(dǎo)電氧化物。包括被附加到固體氧化物電解質(zhì)18上的陰極和陽極12、14的組件，可操作地與氧化鋁管24連接，所述氧化鋁管24作為容納固態(tài)有機(jī)燃料的殼體發(fā)揮作用體。密封件32封閉氧化鋁管24末端，在密封件32中形成入口25和出口28。通過加熱元件(未顯示)加熱燃料電池10，該加熱元件在電極12、14和固體氧化物電解質(zhì)18附近產(chǎn)生大體均勻的溫度，而沒有形成截然不同的和熱隔離的溫度區(qū)域。合適的加熱元件的例子包括內(nèi)置式電阻加熱器(internal resistive heater)，環(huán)境加熱器，例如熔爐，其可以將燃料電池10置于升溫環(huán)境中。在運(yùn)行中，空氣可以作為氧源被引入陰極12，從而引起在空氣中的環(huán)境氧被離子化并產(chǎn)生氧陰離子，O2-。所述氧陰離子通過固體氧化物電解質(zhì)18被運(yùn)輸?shù)疥枠O14，在那里它們與從位于電化學(xué)氧化催化劑表面上的固態(tài)有機(jī)燃料而來的碳進(jìn)行反應(yīng)，根據(jù)下面的直接電化學(xué)氧化反應(yīng)向外部電路釋放電子圖2提供了燃料電池的電壓對電流密度曲線的比較，是將運(yùn)行于950℃、使用俄亥俄5號煤(Ohio No.5coal)(其具有在表1中所示的組成成份)的本發(fā)明燃料電池10的電壓對電流密度曲線，與在相類似運(yùn)行條件下的、使用甲烷作燃料和使用銅作陽極催化劑的燃料電池的電壓對電流密度曲線進(jìn)行比較。圖2圖解說明對于一個給定電壓，使用固態(tài)有機(jī)燃料的燃料電池10產(chǎn)生了更高的電流密度，比由使用甲烷的燃料電池所產(chǎn)生的電流密度高。再一次地，不束縛于理論，這種出乎意料的結(jié)果，至少部分地，被認(rèn)為是由于在電化學(xué)氧化催化劑表面，由煤的燃燒產(chǎn)物，即CO2所引起的煤(固態(tài)有機(jī)燃料)的稀釋的近乎缺乏。對于甲烷燃料電池，在電能產(chǎn)生期間所產(chǎn)生的CO2稀釋了陽極表面上的甲烷燃料氣體。另外，可以觀察到燃料電池效率，由下式給出E=ΔG0ΔH0]]>其中E＝燃料電池效率ΔG0反應(yīng)引起的吉布斯自由能變化ΔH0反應(yīng)熱對于以固態(tài)有機(jī)燃料作為燃料的本發(fā)明的燃料電池10而言，燃料電池效率要高于甲烷燃料電池的燃料電池效率。此外，不束縛于理論，這種結(jié)果被認(rèn)為至少部分地，是由于固態(tài)燃料的直接電化學(xué)氧化，這產(chǎn)生了氣態(tài)產(chǎn)物。這樣的反應(yīng)的理論效率大于100％，這顯然是不實(shí)際的。然而，本發(fā)明的燃料電池10的高效率可以部分歸因于在燃料電池10中，由固體含碳燃料向氣態(tài)CO2轉(zhuǎn)化所經(jīng)歷的熵的顯著增加。
除了電能之外，燃料電池10，在產(chǎn)生電能的同時，產(chǎn)生了包括氣態(tài)廢蒸氣的產(chǎn)物。該氣態(tài)廢蒸氣流主要包括CO2，并且根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，CO2濃度至少是50mol％。部分地，鑒于廢汽中的CO2的純度，可以對廢汽進(jìn)行直接的CO2螯合，以回收CO2產(chǎn)品。同樣地，在燃料電池10的運(yùn)行溫度范圍之內(nèi)，存在于廢氣流中的NOx濃度被減到最少。因?yàn)槿剂想姵?0的運(yùn)行溫度一般小于產(chǎn)生NOx所必須的溫度，并且因?yàn)樵诠虘B(tài)有機(jī)燃料中的最小的氮濃度，所以，在由燃料電池10所產(chǎn)生的氣態(tài)產(chǎn)物中，NOx濃度一般小于大約1mol％(1摩爾百分比)。在燃料電池的氣態(tài)產(chǎn)物中，CO的產(chǎn)量也被最小化，并且一般小于氣態(tài)產(chǎn)物的5mol％。根據(jù)下面的反應(yīng)
氣態(tài)產(chǎn)物中的CO2的還原被最小化，原因在于陽極催化劑的活潑的電化學(xué)氧化本性。存在于氣態(tài)產(chǎn)物中的CO，一旦形成，則幾乎立刻被進(jìn)一步氧化，因?yàn)殛枠O催化劑的活潑的電化學(xué)氧化性質(zhì)，這導(dǎo)致在氣態(tài)產(chǎn)物中包括不超過10mol％的CO。在本發(fā)明的概念之前，普遍接受的觀點(diǎn)是在沒有在先氣化和任選地重整固態(tài)有機(jī)燃料的情況下，直接從固態(tài)有機(jī)燃料產(chǎn)生電能是不可能的。因?yàn)椴煊X到的結(jié)垢以及煤及其所產(chǎn)生的飄塵對陽極催化劑所具有的硫中毒作用，固態(tài)有機(jī)燃料，特別是煤，被認(rèn)為是不可接受的燃料。在該主題上，領(lǐng)導(dǎo)性的講義最近已經(jīng)解釋到由于催化劑表面的結(jié)垢，直接使用初級燃料，例如煤和油，驅(qū)動燃料電池的所有嘗試還沒有成功。A.Hamnett和P.Christensen，″Electrochemical andPhotoelectrochemical Energy Conversion，″ed.N.Hall，Cambridge，2000，在此引入其全部內(nèi)容作為參考?？蛇x擇的方法是將煤或其它固態(tài)燃料氣化為適合燃料電池消費(fèi)的相。出乎意料地，包含在陽極催化劑中的抗硫物質(zhì)，被發(fā)現(xiàn)在燃料電池10的運(yùn)行溫度范圍內(nèi)不能形成穩(wěn)定的硫化物，從而最小化了硫中毒對陽極催化劑的影響。因此，例如，以包括作為抗硫物質(zhì)的Ag或Cu的陽極催化劑進(jìn)行考慮，將最小化根據(jù)下面各個反應(yīng)的金屬硫化物的形成
對于任何一種的抗硫物質(zhì)，會發(fā)生相似的反應(yīng)；抗硫物質(zhì)在上面予以描述和定義，是那些在燃料電池10的運(yùn)行溫度范圍內(nèi)不形成穩(wěn)定硫化物的物質(zhì)。這兩種反應(yīng)發(fā)生所需的反應(yīng)溫度是大約460℃，因此確定了碳基燃料電池10(carbon-based fuel cell)的最小運(yùn)行溫度。如上所提及，飄塵對陽極催化劑表面的粘著，通常被稱為陽極催化劑的結(jié)垢，被最小化；因?yàn)槿剂想姵?0的運(yùn)行溫度低于飄塵熔性溫度。現(xiàn)在，本發(fā)明將參考下列實(shí)施例被予以詳細(xì)描述，這些實(shí)施例并不作為對如在此所要求保護(hù)的本發(fā)明的限制。
實(shí)施例1在圖3中，顯示了包含本發(fā)明的燃料電池10的試驗(yàn)組合件。燃料電池10由致密的YSZ圓盤組成(來自Tosoh Corp.)，該圓盤被涂覆有由陽極和陰極催化劑材料構(gòu)成的薄層，以形成電極12、14。涉及催化劑制備和燃料電池10構(gòu)造的詳細(xì)步驟，在實(shí)施例2中予以解釋。通過具有界面和LabviewTM軟件的PC 50，從燃料電池10獲得電流和電壓輸出數(shù)據(jù)。通過SRI 8610C氣相色譜儀54和Pfeiffer QMS200質(zhì)譜儀56，分析氣態(tài)排氣產(chǎn)物。對氣態(tài)產(chǎn)物，例如CO和CO2的分析使得可確定燃料轉(zhuǎn)換效率和副產(chǎn)物形成。再次參考圖2，顯示了使用純CH4和俄亥俄5號煤(表1)作燃料的燃料電池10的性能(I-V曲線)。使用煤作固態(tài)有機(jī)燃料，將煤經(jīng)由入口25裝填在管狀箱體24中，并逐漸加熱到950℃。使用純CH4作燃料，將CH4以30cm3/min速率輸送入箱體24中。如在圖2中所觀察到的，對于燃料電池10，使用煤產(chǎn)生電流密度比通過使用CH4作燃料所產(chǎn)生的電流密度高。出乎意料地，煤的電流-電壓(I-V)曲線高于CH4的電流-電壓曲線。將圖2中的CH4I-V曲線與文獻(xiàn)中的那些曲線進(jìn)行比較，顯示對于CH4，電流密度是直接甲烷氧化燃料電池的最佳報告數(shù)據(jù)的大約35％。參見Park，J.M.Vohs，R.L.Gorte，Nature 404(2000)265..；Ishihara，T.Yamada，T.Akbay，Y.Takita，Chem.Eng.Sci.54(1999)1535；Horita，N.Sakai，T.Kawada，H.Yokokawa，M.Dokiya，J.Electrochem.Soc.143(1996)1161；和S.A.Barnett in Handbook of FuelCells，edsW Vielstich，A.Lamm，and H.A.Gasteiger，Wiley，2003，所有這些在此被全體稱為文獻(xiàn)，并且其全部內(nèi)容在此被引入作為參考。據(jù)認(rèn)為，相對于在文獻(xiàn)中的50μm厚的電解質(zhì)，至少部分地，這是由于在用煤作燃料的燃料電池中使用了更厚的YSZ固體電解質(zhì)(即厚度為1mm)。燃料電池10產(chǎn)生了比用CH4作燃料的燃料電池所報告的電流密度高大約75％的電流密度。對氣態(tài)廢蒸汽的分析顯示從用煤的燃料電池10所生產(chǎn)的主要產(chǎn)物基本上是CO2，其具有的CO的濃度小于5％。通過降低將氣態(tài)產(chǎn)物帶出用于分析的Ar的流速，可以進(jìn)一步降低CO濃度。沒有觀察到SO2，原因在于吹掃氣體的稀釋作用以及煤的低硫含量。由煤所產(chǎn)生的飄塵沒有粘著在陽極催化劑表面上。鑒于飄塵沉積和成渣是燒煤鍋爐中的主要問題，這種觀察資料的確是值得注意的。對飄塵的物理性質(zhì)以及其形成歷史的檢查顯示飄塵沒有粘在陽極催化劑表面上的原因，至少部分地在于燃料電池10的運(yùn)行溫度，該溫度比飄塵熔性溫度低。STEAM in generation and use，A Handbook ofBabcock & Wilcox，40th Edition，(1992)，其在此被引入全部內(nèi)容作為參考。由Galbraith實(shí)驗(yàn)室所完成的飄塵分析顯示飄塵的硫含量小于0.1％。重復(fù)該試驗(yàn)，產(chǎn)生了與在第一輪中的基本是相同水平的電能。也研究了Pt電化學(xué)氧化催化劑的性能。上述Cu電化學(xué)氧化催化劑與Pt陽極催化劑的比較顯示使用Cu作電化學(xué)氧化催化劑導(dǎo)致了比使用Pt更高的功率密度。煤暴露于高溫環(huán)境可以導(dǎo)致煤的熱解，產(chǎn)生煤氣。要解決的一個問題是從煤熱解產(chǎn)生的煤氣在電力產(chǎn)生中的貢獻(xiàn)程度。圖4圖解說明了用于評價煤氣的貢獻(xiàn)的試驗(yàn)裝置，其中該試驗(yàn)裝置包括煤熱解反應(yīng)器和燃料電池10。通過質(zhì)譜儀測定所產(chǎn)生的煤氣的組成成份。圖4顯示在30cm3/min氦流下、在煤的溫度程序加熱期間，來自煤熱解的氣態(tài)產(chǎn)物的演變。在500℃下，從煤產(chǎn)生了顯著量的CH4和CO。進(jìn)一步提高溫度有助于增加H2的形成。反應(yīng)器溫度被維持在700℃、750℃合800℃下，以測量使用煤作燃料的燃料電池10的性能。在700℃下的I-V測量結(jié)果顯示在圖5中。圖5中的I-V曲線1、2和3對應(yīng)于圖6中的直線1、2和3，這樣鑒定在測量了圖5中的各自I-V曲線時的組成成份。在開始排氣之際的30min后，將CO2加入煤氣蒸汽中。CO2的加入為陽極催化劑提供了一種模擬高轉(zhuǎn)化條件的環(huán)境，在該條件下存在大量CO2。圖5和圖6的相關(guān)檢查，以及在750℃和800℃下所獲得的類似結(jié)果顯示所產(chǎn)生的電流密度直接與H2濃度成比例。這些結(jié)果證實(shí)在氣態(tài)燃料中，H2在產(chǎn)生高電流密度是一種有效的燃料，這是眾所周知的事實(shí)。
實(shí)施例2試驗(yàn)設(shè)計(jì)厚度1mm的YSZ圓盤(YSZ disk)購自Tosoh Inc.，用作固體氧化物電解質(zhì)18。通過將YSZ纖維(由Zircar提供)和YSZ粉(由Tosoh提供)以7∶3比例用Ni(NO3)2和NH4ReO4浸漬，制備形成陽極14和電化學(xué)氧化催化劑組合體的材料。在陽極材料上的Ni和Re的公稱重量百分比，分別是5wt％(wt％表示重量百分比)和2wt％。用甘油將陽極/電化學(xué)氧化催化劑材料粘貼在YSZ圓盤(YSZ disc)(1000微米)的表面上，并在1000℃下煅燒4小時。重復(fù)該程序工藝兩次，用于制作形成陽極14的薄層。通過以1∶1比例混合鑭鍶錳氧化物(LSM-20，NexTech Materials)與YSZ粉，制備第一電極材料。使用甘油將該第一電極材料張貼在YSZ圓盤上來形成陰極12，并在950℃下煅燒4小時。
固體氧化物燃料電池組裝在Pt墨62(由Engelhard Corp提供)的幫助下，陰極和陽極12、14各自被連接在Pt格柵58(99.9％，由Alfa-Aesar提供)上，并且格柵58被連接在Pt導(dǎo)線(99.9％)22上，用于運(yùn)送電流，如在圖7中示意性圖示。Pt格柵58與Pt墨62和少量陶瓷膏(由Aremco提供)被放置在適當(dāng)?shù)奈恢谩t墨62在950℃下被固化2小時；而陶瓷膏在85℃下被固化2小時，然后在235℃下固化2小時。通過LabviewTM軟件測量電流和電壓。用陶瓷膏將燃料電池10連接在氧化鋁管24上。陰極12，或陰極，是對大氣開放的；并且，陽極14，或陽極，是在氧化鋁管24的里邊。燃料電池10被裝載有3克的、由First Energy提供的石油焦炭。該石油焦炭含有帶有非常少量的灰分的碳和氫，如在表2中所列表的石油焦炭組成成份中所示。將包含H2、CH4和C7H16的氣態(tài)燃料，經(jīng)由充當(dāng)入口25的較小的氧化鋁管，輸送入氧化鋁管24中；入口25是在陶瓷膏的幫助下密封到氧化鋁管24上，所述陶瓷膏在高達(dá)1500℃的溫度下是熱穩(wěn)定的。
表2延遲型石油焦炭的典型性質(zhì)(元素分析，在收到時進(jìn)行，重量％) 使用石油焦炭、焦炭/CH4、焦炭/CH4/C7H16、焦炭/H2/H2S作燃料，在800℃、900℃和950℃下，測量燃料電池10的性能。
結(jié)果圖8顯示在800℃下觀察到的電壓對電流密度的曲線(I-V曲線)。對于每種燃料，所測量的電流密度以下面順序增加焦炭＜焦炭/CH4＜焦炭/H2/H2S＜焦炭/CH4/C7H16。用焦炭作燃料的低起始電流密度表明Ni陽極催化劑未被完全還原。CH4和H2的引入促進(jìn)了初始NiO向Ni的還原。對于用在此研究中的所有燃料，將燃料溫度從800℃增加到900℃引起電流密度的增加。有趣的是，H2S沒有導(dǎo)致陽極催化劑的顯著減活化。在900℃下的最有效的燃料是焦炭/H2/H2S/C7H16，如在圖9中所示。H2S未能顯著地毒害陽極催化劑，可能是由于存在Re。據(jù)信，Re在石油精練工藝中賦予Ni催化劑的抗硫性。將燃料電池的運(yùn)行溫度增加至950℃，導(dǎo)致電流密度的進(jìn)一步增加，這可以在圖10中觀察到。在950℃下，觀察到I-V曲線合并在一起，因此，它們具有近似相同的斜率。此結(jié)果表明固體氧化物電解質(zhì)18的歐姆電阻，支配著在該溫度下對電荷流動的電阻。這與在900℃和800℃下的那些結(jié)果相反，在這些溫度下、在低電流密度區(qū)，對于焦炭的I-V曲線，觀察到大的負(fù)斜率。該大的負(fù)斜率據(jù)認(rèn)為是至少部分由于陽極催化劑的活化極化?；罨瘶O化被定義為電壓損失，其與電極上的電化學(xué)反應(yīng)的速率直接相關(guān)。通過適當(dāng)選擇陽極/陰極催化劑以及控制它們的結(jié)構(gòu)、運(yùn)行溫度和壓力以及電流密度，可以改善活化。結(jié)果表明，陽極催化劑未充分活化，因此，導(dǎo)致低溫下的大活化極化。根據(jù)上面所討論的實(shí)驗(yàn)，據(jù)認(rèn)為，Re(錸)是賦予陽極催化劑抗硫性的一種合適物質(zhì)，并且Ni-Re表現(xiàn)出石油焦碳的直接電化學(xué)氧化的活性，其所具有的熱值和成本是比得上煤的熱值和成本的。從本發(fā)明的上面的描述出發(fā)，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將察覺改進(jìn)、變化和修改。在本領(lǐng)域的技術(shù)范圍內(nèi)的這樣的改進(jìn)、變化和修改意欲被所附的權(quán)利要求書所覆蓋。
權(quán)利要求
1.一種直接-電化學(xué)-氧化燃料電池，用于從固態(tài)有機(jī)燃料產(chǎn)生電能，包括陰極，其被供應(yīng)有電化學(xué)-還原催化劑，所述催化劑促進(jìn)從位于陰極上的含氧源形成氧離子；陽極，其被供應(yīng)有電化學(xué)-氧化催化劑，所述催化劑促進(jìn)固態(tài)有機(jī)燃料在所述氧離子的存在下的直接電化學(xué)氧化，以便產(chǎn)生電能；和固體-氧化物電解質(zhì)，其被安置為將所述氧離子從陰極傳送到陽極，其中在陽極處的直接電化學(xué)氧化根據(jù)下面的反應(yīng)發(fā)生
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池，其中所述氧離子在陰極處的形成是根據(jù)下面的反應(yīng)進(jìn)行
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池，其中所述固態(tài)有機(jī)燃料是煤、石墨、生物質(zhì)或其組合物。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的燃料電池，其中所述生物質(zhì)選自泥煤、稻殼和玉米殼。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池，其中在所述陽極處的所述直接電化學(xué)氧化產(chǎn)生包括濃度至少50mol％的CO2的產(chǎn)物。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池，其中所述電化學(xué)-還原催化劑是鑭鍶錳氧化物。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池，其中所述電化學(xué)-還原催化劑選自LSF；LSCF；SSC；YBa2Cu3Oy，其中y是具有在7-9范圍之間的值的整數(shù)；La0.99MnO3；LaMnO3；LaxSryMn3和LaxCayMnO3，其中x是具有在0.6-0.95范圍之間的值的數(shù)，和y是具有在0.1-0.4范圍之間的值的數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池，其中所述電化學(xué)-還原催化劑選自具有通式AxByCO3的物質(zhì)，其中A選自La、Gd、Sm、Nd、Pr、Tb和Sr，B選自Sr、Ce和Co，x是具有在0.6-0.94范圍之間的值的數(shù)，和y是具有在0.1-0.4范圍之間的值的數(shù)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池，其中提供給陽極的所述電化學(xué)-氧化催化劑包括鉑。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池，其中所述電化學(xué)-氧化催化劑包括錸。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的燃料電池，其中所述電化學(xué)-電化學(xué)氧化催化劑是Re-NiO/YSZ。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的燃料電池，其中所述電化學(xué)-氧化催化劑是氧化銅-Pt。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池，其中所述固體-氧化物電解質(zhì)選自Bi、Zr、Hf、T和Ce的摻雜氧化物，摻雜有或者堿土金屬氧化物，例如CaO或MgO；或者稀土金屬氧化物，例如Sc2O3、Y2O3、Yb2O3及類似物，例如，本發(fā)明的實(shí)施方案包含固態(tài)氧化物電解質(zhì)18，其包括Bi2O2、(Bi2O7)0.75(Y2O3)0.25、BaTh0.9Gd0.1O3、La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3、(Ce2)0.8(GdO0.5)0.2、(ZrO2)0.9(Sc2O3)0.1、(ZrO2)C0.9(Y2O3)0.1、(ZrO2)0.87(CaO)0.13、(La2O3)0.95(SrO)0.05中的至少一種。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池，其中所述固體-氧化物電解質(zhì)選自釔穩(wěn)定的鋯和鉍氧化物。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池，進(jìn)一步包括用于接收固態(tài)有機(jī)燃料的封閉陽極的箱體。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的燃料電池，進(jìn)一步包括進(jìn)料通路，通過該進(jìn)料通路，固態(tài)有機(jī)燃料可以被插入箱體中。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池，其中發(fā)生在陽極處的所述電化學(xué)氧化產(chǎn)生包括濃度小于5mol％的NOx的產(chǎn)物，其作x是在1至3范圍之間的整數(shù)。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的燃料電池，其中所述燃料電池具有大約1200℃的最大運(yùn)行溫度。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池，其中發(fā)生在陰極處的所述直接電化學(xué)氧化產(chǎn)生包括濃度小于10mol％的CO的產(chǎn)物。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的燃料電池，其中所述燃料電池具有大約1200℃的最大運(yùn)行溫度。
21.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池，其中所述燃料電池，在持續(xù)至少48小時的時間期間內(nèi)，產(chǎn)生至少100mA/cm2的電流。
22.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池，其中所述燃料電池的燃料轉(zhuǎn)化效率，在950℃下，為至少30mol％。
23.一種直接-電化學(xué)-氧化燃料電池，用于從固態(tài)有機(jī)燃料產(chǎn)生電能，包括陰極，其被供應(yīng)電化學(xué)-還原催化劑，所述催化劑促進(jìn)從位于陰極處的離子源形成離子；陽極，其被供應(yīng)電化學(xué)-氧化催化劑，所述催化劑包括抗硫物質(zhì)，并促進(jìn)所述固態(tài)有機(jī)燃料在從陰極形成的離子存在下的電化學(xué)氧化，以產(chǎn)生電能；和固體-氧化物電解質(zhì)，其被配置為將所述離子從陰極傳送到陽極。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的燃料電池，其中所述抗硫物質(zhì)包含Re、Mn和Mo的至少一種。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的燃料電池，其中所述抗硫物質(zhì)選自Re-NiO/YSZ、Cu氧化物-Pt。
26.根據(jù)權(quán)利要求23所述的燃料電池，其中所述電化學(xué)-還原催化劑是鑭鍶錳氧化物。
27.根據(jù)權(quán)利要求23所述的燃料電池，其中所述電化學(xué)-還原催化劑選自LSF；LSCF；SSC；YBa2Cu3Oy，其中y是具有在7-9范圍之間的值的整數(shù)；La0.99MnO3；LaMnO3；LaxSryMn3和LaxCayMnO3，其中x是具有在0.6-0.95范圍之間的值的數(shù)，和y是具有在0.1-0.4范圍之間的值的數(shù)。
28.根據(jù)權(quán)利要求23所述的燃料電池，其中在陰極所形成的所述離子是根據(jù)下面的反應(yīng)而形成的氧離子
29.根據(jù)權(quán)利要求23所述的燃料電池，其中所述固態(tài)有機(jī)燃料是煤、石墨、生物質(zhì)、聚合物或其組合物。
30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的燃料電池，其中所述生物質(zhì)選自泥炭、稻殼和玉米殼。
31.根據(jù)權(quán)利要求23所述的燃料電池，其中所述固體氧化物電解質(zhì)選自Bi、Zr、Hf、T和Ce與或者堿土金屬氧化物例如CaO或MgO，或者稀土金屬氧化物例如Sc2O3、Y2O3、Yb2O3及類似物的摻雜氧化物，例如，本發(fā)明的實(shí)施方案包括固態(tài)氧化物電解質(zhì)18，其包括Bi2O2、(Bi2O7)0.75(Y2O3)0.25、BaTh0.9Gd01O3、La08Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3、(Ce2)0.8(GdO0.5)0.2、(ZrO2)0.9(Sc2O3)0.1、(ZrO2)C0.9(Y2O3)01、(ZrO2)0.87(CaO)0.13、(La2O3)095(SrO)0.05中的至少一種。
32.根據(jù)權(quán)利要求31所述的燃料電池，其中所述固體氧化物電解質(zhì)選自釔穩(wěn)定的鋯和鉍氧化物。
33.根據(jù)權(quán)利要求23所述的燃料電池，其中在所述陽極處的所述固態(tài)有機(jī)燃料的電化學(xué)氧化產(chǎn)生具有濃度至少50mol％的CO2的產(chǎn)物。
34.根據(jù)權(quán)利要求33所述的燃料電池，其中所述燃料電池具有大約1200℃的最大運(yùn)行溫度。
35.根據(jù)權(quán)利要求23所述的燃料電池，其中在陽極處的所述固態(tài)有機(jī)燃料的電化學(xué)氧化產(chǎn)生具有濃度小于0.1mol％的NOx的產(chǎn)物，其作x代表在1至3范圍之間的整數(shù)。
36.根據(jù)權(quán)利要求23所述的燃料電池，其中所述電化學(xué)-氧化催化劑選自貴金屬；VIII族金屬/金屬氧化物，例如Pt、Cu、Ag、Au、Pd、Ni；上面所述的抗硫物質(zhì)的氧化物；Ce、Cr、Fe和Pb的氧化物；其組合物；多重氧化物(multiple oxides)；包括一種或多種上述金屬的組合物；銅氧化物-Pt及Re-NiO/YSZ，其中包含貴金屬的電化學(xué)氧化催化劑也包括選自Re、Mn、Mo、Ag、Cu和Au的抗硫物質(zhì)。
37.一種從固態(tài)有機(jī)燃料產(chǎn)生電力的方法，所述方法包括步驟在陰極從含氧源形成氧離子；用固體-氧化物電解質(zhì)將在陰極形成的所述氧離子傳送到陽極；和催化所述氧離子與所述固態(tài)有機(jī)燃料的反應(yīng)，以直接氧化在陽極處的固態(tài)有機(jī)燃料，從而產(chǎn)生包括CO2的產(chǎn)物和電能。
38.根據(jù)權(quán)利要求37所述的燃料電池，其中所述形成氧離子的步驟包括用鑭鍶錳氧化物催化劑，根據(jù)下式催化在陰極處的反應(yīng)
39.根據(jù)權(quán)利要求37所述的燃料電池，其中所述催化氧離子反應(yīng)的步驟進(jìn)一步包括如下步驟向陽極供應(yīng)包括所述抗硫物質(zhì)的催化劑；和根據(jù)下面的反應(yīng)，直接電化學(xué)氧化所述固態(tài)有機(jī)燃料
40.一種用于從固態(tài)有機(jī)燃料產(chǎn)生電能的方法，所述方法包括步驟用固體-氧化物電解質(zhì)在陰極和陽極之間建立離子交流通道；向陽極供應(yīng)包含抗硫物質(zhì)的電化學(xué)-氧化催化劑，其中所述電化學(xué)-氧化催化劑促進(jìn)在陽極處的固態(tài)有機(jī)燃料的直接電化學(xué)氧化，以便產(chǎn)生包括CO2的產(chǎn)物和電能；向陰極供應(yīng)電化學(xué)-還原催化劑，其中所述電化學(xué)-還原催化劑促進(jìn)氧離子從含氧源的產(chǎn)生；和形成導(dǎo)電通路，以便將電能導(dǎo)出陰極。
全文摘要
用于從固態(tài)有機(jī)燃料產(chǎn)生電能的直接－電化學(xué)－氧化燃料電池和方法。所述燃料電池包括陰極，其被提供有電化學(xué)－還原催化劑，該催化劑促進(jìn)陰極處的含氧源形成氧離子；陽極，其被提供有電化學(xué)－氧化催化劑，該催化劑促進(jìn)促進(jìn)固態(tài)有機(jī)燃料在氧離子存在下的直接電化學(xué)氧化而產(chǎn)生電能；和固體－氧化物電解質(zhì)，其被配置為氧將離子從陰極傳輸?shù)疥枠O。該電化學(xué)氧化催化劑可以任選包含抗硫物質(zhì)。
文檔編號B05D5/12GK1906781SQ200480033325
公開日2007年1月31日 申請日期2004年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月14日
發(fā)明者S·S·C·川 申請人:阿克倫大學(xué)