相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用

本申請(qǐng)要求2015年2月17日提交的美國專利申請(qǐng)第14/623,884號(hào)題為“在加液體烴燃料的固體氧化物燃料電池中的含碳沉積物的增強(qiáng)型電化學(xué)氧化(案號(hào)sa6011pa)”的優(yōu)先權(quán)益，其內(nèi)容以全文引用的方式并入本文。

背景技術(shù)：

本公開的實(shí)施例大體上涉及固體氧化物燃料電池(sofc)，并且更具體地說涉及去除在加液體烴燃料的固體氧化物燃料電池中的含碳沉積物的方法和相關(guān)特別配置的加液體烴燃料的固體氧化物燃料電池系統(tǒng)。

技術(shù)背景

如通常已知的，固體氧化物燃料電池由三個(gè)主要部分構(gòu)成；陽極，其中進(jìn)行電化學(xué)氧化，陰極，其中進(jìn)行電化學(xué)還原和電解質(zhì)膜，其為致密、不透氣的離子遷移膜，其在高溫范圍下呈現(xiàn)純離子或混合離子-電子導(dǎo)電性。陰極產(chǎn)生氧離子，其隨后遷移通過電解質(zhì)膜到陽極電極。氧離子氧化在陽極中的燃料并且由此產(chǎn)生電子，其流動(dòng)通過外部電路回到陰極，由此產(chǎn)生電能。

參考圖1，常規(guī)固體氧化物燃料電池100(sofc)包括陽極120。陽極120與固體氧化物電解質(zhì)170接觸，并且還可暴露于燃料(氣體、液體或固體)，例如含碳燃料142。在陰極130(其在存在空氣144的情況下執(zhí)行陰極金屬的o2(g)還原以產(chǎn)生氧離子146)中，放置在固體氧化物電解質(zhì)170的相對(duì)側(cè)上。對(duì)于陽極120、金屬導(dǎo)線或在操作條件下為固體并且惰性的任何其它電子導(dǎo)電材料處的電流收集，可電連接到陽極120以有助于經(jīng)由電路150移動(dòng)回到陰極130的電子的收集。

再次參考圖1，電化學(xué)反應(yīng)在不燃燒的情況下將燃料142和空氣144轉(zhuǎn)換成電力。固體氧化物燃料電池100為高溫燃料電池。在高溫下，升溫的空氣144進(jìn)入與陰極130相鄰的固體氧化物燃料電池100，并且含碳燃料142進(jìn)入與陽極120相鄰的固體氧化物燃料電池100。隨后，化學(xué)反應(yīng)在固體氧化物燃料電池100中開始。因?yàn)槿剂?42穿過陽極120，所以它從陰極130吸引氧離子146。氧離子146與燃料142結(jié)合以產(chǎn)生電力和包括水和少量二氧化碳的廢物產(chǎn)物148。只要存在燃料142、空氣144和熱量，方法就繼續(xù)生產(chǎn)電力。然而，在固體氧化物燃料電池100操作時(shí)，效率和/或功率輸出隨時(shí)間減小。

因此，持續(xù)需要提高固體氧化物燃料電池100的長期的效率和功率輸出的方法和維持隨時(shí)間的效率和功率輸出的固體氧化物燃料電池系統(tǒng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本公開的方法和系統(tǒng)具有工業(yè)實(shí)用性，具體地說在油氣和電力工業(yè)中由于在世界范圍內(nèi)能量消耗快速增加和燃料電池由于在陽極120上的含碳沉積物140而隨時(shí)間效率降低。含碳沉積物140可在陽極120上積聚，這降低固體氧化物燃料電池100的操作效率。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，提供去除在加液體烴燃料的固體氧化物燃料電池中的含碳沉積物的方法。方法包括提供具有陽極、陰極、在陽極和陰極之間取向的固體氧化物電解質(zhì)、安置成接近于固體氧化物電解質(zhì)和陰極的放大器陰極、電連接陽極和陰極的燃料電池電路和電連接陽極和放大器陰極的放大器電路的固體氧化物燃料電池系統(tǒng)。方法進(jìn)一步包括在電解模式中操作放大器電路以電供電放大器陰極。在電解模式中操作放大器電路導(dǎo)致放大器陰極產(chǎn)生o^2-或co3^2-并且將其供應(yīng)到陽極。另外，方法包括通過經(jīng)由與o^2-或co3^2-的反應(yīng)將含碳沉積物轉(zhuǎn)換成二氧化碳?xì)怏w而去除在陽極上的含碳沉積物并且排出二氧化碳?xì)怏w。

在另一實(shí)施例中，提供去除在加液體烴燃料的固體氧化物燃料電池中的含碳沉積物的方法。方法包括提供具有陽極、陰極、在陽極和陰極之間取向的固體氧化物電解質(zhì)、安置成接近于固體氧化物電解質(zhì)和陰極的放大器陰極、電連接陽極和陰極的燃料電池電路和包含至少一個(gè)電池組、恒電勢(shì)器或恒流器的電連接陽極和放大器陰極的放大器電路的固體氧化物燃料電池系統(tǒng)。另外，方法包括監(jiān)測(cè)固體氧化物燃料電池系統(tǒng)的功率反應(yīng)速度。方法此外包括在電解模式中操作放大器電路以電供電放大器陰極，其中放大器陰極產(chǎn)生o^2-或co3^2-并且將其供應(yīng)到陽極。另外，方法包括通過經(jīng)由與o^2-或co3^2-的反應(yīng)將含碳沉積物轉(zhuǎn)換成二氧化碳?xì)怏w而去除在陽極上的含碳沉積物并且排出二氧化碳?xì)怏w。最后方法包括調(diào)節(jié)供應(yīng)到放大器電路的電流以獲得去除在陽極上的含碳沉積物的穩(wěn)態(tài)操作。

在又一實(shí)施例中，提供固體氧化物燃料電池系統(tǒng)。固體氧化物燃料電池系統(tǒng)包括陽極、陰極、在陽極和陰極之間取向的固體氧化物電解質(zhì)和安置成接近于固體氧化物電解質(zhì)和陰極的放大器陰極。固體氧化物燃料電池系統(tǒng)此外具有電連接陽極和陰極的燃料電池電路和具有至少一個(gè)電池組、恒電勢(shì)器或恒流器的電連接陽極和放大器陰極的放大器電路。此外，固體氧化物燃料電池系統(tǒng)具有定位成將液體烴燃料橫跨陽極分配的液體燃料霧化器。放大器電路在電解模式中操作以電供電產(chǎn)生o^2-或co3^2-并且將其供應(yīng)到陽極的放大器陰極以通過經(jīng)由與o^2-或co3^2-的反應(yīng)產(chǎn)生二氧化碳?xì)怏w將含碳沉積物轉(zhuǎn)換成二氧化碳?xì)怏w而去除在陽極上的含碳沉積物。

本文所描述的實(shí)施例的另外的特征和優(yōu)點(diǎn)將在下文的詳細(xì)描述中進(jìn)行闡述，并且本領(lǐng)域的技術(shù)人員將部分地通過所述描述容易地清楚或通過實(shí)踐本文中所描述的實(shí)施例(包含下文的詳細(xì)描述、權(quán)利要求書和附圖)來認(rèn)識(shí)到所述特征和優(yōu)點(diǎn)。

應(yīng)理解，前述大體描述和以下詳細(xì)描述描述了各種實(shí)施例并且意圖提供概述或框架以用于理解所主張的主題的性質(zhì)和特征。包括附圖以提供對(duì)各種實(shí)施例的進(jìn)一步理解，并且所述附圖被并入本說明書中并且構(gòu)成本說明書的一部分。圖式說明本文所描述的各種實(shí)施例，并且與描述一起用以解釋所主張的主題的原理和操作。

附圖說明

圖1為常規(guī)sofc的示意圖。

圖2為根據(jù)本公開的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例具有放大器電路的sofc的示意圖。

圖3根據(jù)本公開的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例描繪具有放大器電路和液體燃料霧化器的sofc系統(tǒng)。

具體實(shí)施方式

現(xiàn)在將詳細(xì)參考去除在本公開的加液體烴燃料的固體氧化物燃料電池和相關(guān)系統(tǒng)中的含碳沉積物的方法的實(shí)施例。盡管圖2和3的示意圖和系統(tǒng)以例示性提供，但是應(yīng)理解本發(fā)明的系統(tǒng)和方法涵蓋其它配置。

參考圖2的實(shí)施例，示出固體氧化物燃料電池(sofc)系統(tǒng)110。固體氧化物燃料電池系統(tǒng)110包含陽極120、陰極130、在陽極120和陰極130之間取向的固體氧化物電解質(zhì)170。此外，固體氧化物燃料電池系統(tǒng)110包含安置成接近于固體氧化物電解質(zhì)170和陰極130的放大器陰極160。燃料電池電路150電連接陽極120和陰極130。固體氧化物燃料電池系統(tǒng)110此外包含電連接陽極120和放大器陰極160的放大器電路180。如本文所用，“在…之間”不必意指直接接觸，并且涵蓋在固體氧化物燃料電池系統(tǒng)110的陽極120、陰極130或電解質(zhì)170之間合適的額外組分。

如圖2所示，固體氧化物燃料電池系統(tǒng)110包含一個(gè)或多個(gè)外部電路，例如燃料電池電路150，其從陽極120收集電子以產(chǎn)生電力。在各種實(shí)施例中，燃料電池電路150可包含導(dǎo)線或在操作條件下為固體并且惰性的任何其它電子導(dǎo)電材料，以有助于經(jīng)由燃料電池電路150移動(dòng)回到陰極130的電子的收集。

在如圖2所示操作中，陰極130根據(jù)以下反應(yīng)(r1)降低在進(jìn)氣流144中的o2以產(chǎn)生氧離子146：

o2(g)+4e^-→2o^2-(r1)

在氧離子146遷移通過固體氧化物電解質(zhì)170之后，氧離子146到達(dá)陽極120，并且氧化燃料142以產(chǎn)生除了用于產(chǎn)生電力的電子之外的二氧化碳和水。下文示出此電化學(xué)氧化反應(yīng)(r2)：

cxhy+(2x+y/2)o^2-→xco2(g)+(y/2)h2o+(4x+y)^e-(r2)

在操作中，固體氧化物燃料電池系統(tǒng)110，以及常規(guī)固體氧化物燃料電池100不根據(jù)r2極佳地操作。氧離子146從陰極130驅(qū)動(dòng)通過固體氧化物電解質(zhì)170到陽極120以氧化燃料142并且產(chǎn)生電力。用于氧離子146的驅(qū)動(dòng)力由于在陽極120和陰極130之間的氧化學(xué)電勢(shì)差自發(fā)遷移。然而，由于在高溫下進(jìn)行的均質(zhì)氣相熱解和/或裂解反應(yīng)，含碳沉積物140在陽極120的表面上形成，由此阻擋陽極120的正常操作并且因此使固體氧化物燃料電池110的性能降低。因此，含碳沉積物140可在陽極120上積聚，這降低固體氧化物燃料電池系統(tǒng)110的操作效率。固體氧化物燃料電池系統(tǒng)110的效率為以預(yù)期的總功率的百分比形式的產(chǎn)生的有用功率。固體氧化物燃料電池系統(tǒng)110的效率可由下式表達(dá)：ε＝p產(chǎn)生/δg燃料，其中ε為燃料電池效率，p產(chǎn)生為有用功率輸出并且δg燃料燃料氧化反應(yīng)的吉布斯自由能。具體地說，含碳沉積物140在陽極120上的累積根據(jù)下文示出的電化學(xué)反應(yīng)(r3)出現(xiàn)。

cxhy→cxhn^*+((y-n)/2)h2(r3)

含碳沉積物140在陽極120上的累積通過將額外離子氧146提供到陽極120補(bǔ)救。當(dāng)氧離子146到達(dá)陽極120的表面時(shí)，其在鄰近三相邊界(tpb)處選擇性地與含碳沉積物140反應(yīng)以形成co2(g)。含碳沉積物140和氧離子146形成co2的反應(yīng)導(dǎo)致去除含碳沉積物140。下文提供去除含碳沉積物140的反應(yīng)(r4)。

cxhn^*+(3x+n/2)o^2--→xco2(g)+(n/2)h2o+(4x+n)^e-(r4)

如圖2和3所示，固體氧化物燃料電池系統(tǒng)110包含除了燃料電池電路150之外的一個(gè)或多個(gè)外部電路，例如放大器電路180，其在電解模式中操作。在電解模式中操作意指電路被提供功率以徹底電解或供電以驅(qū)動(dòng)在其中不自發(fā)地發(fā)生的方向上的氧化還原反應(yīng)。具體地說，放大器電路180消耗電能以便在陰極130處產(chǎn)生氧離子146用于遷至陽極120的表面。在各種實(shí)施例中，放大器電路180可包含導(dǎo)線，或在操作條件下為固體并且惰性的任何其它電子導(dǎo)電材料，以有助于將電子經(jīng)由放大器電路180傳輸?shù)疥帢O130。

在電解模式中操作放大器電路180電供電放大器陰極160。放大器陰極160的電動(dòng)供電產(chǎn)生o^2-并且將其供應(yīng)到陽極120。以離子氧146的形式通過固體氧化物電解質(zhì)170供應(yīng)的o^2-通過經(jīng)由與離子氧146的反應(yīng)將含碳沉積物140轉(zhuǎn)換成二氧化碳?xì)怏w148而去除在陽極120上的含碳沉積物140。產(chǎn)生的二氧化碳?xì)怏w148隨后從固體氧化物燃料電池110排出。二氧化碳?xì)怏w148根據(jù)本領(lǐng)域的技術(shù)人員已知的任何方法從固體氧化物燃料電池110排出。舉例來說，如圖3所示，管道可以用于以引導(dǎo)二氧化碳?xì)怏w148遠(yuǎn)離固體氧化物燃料電池110。在實(shí)施例中，不需要任何額外設(shè)備去除產(chǎn)生的二氧化碳?xì)怏w148，因?yàn)橛捎谘毓芫€流動(dòng)的二氧化碳?xì)怏w148造成壓降為用于二氧化碳?xì)怏w148去除的足夠的驅(qū)動(dòng)力。

固體氧化物燃料電池110的放大器電路180包含供電放大器電路180的至少一個(gè)電源182。在一個(gè)實(shí)施例中，電源182為至少一個(gè)電池組。電池組的非限制性實(shí)例包括鋰電池組、堿性電池組、銀氧化物電池組、鋅碳電池組、鉛酸電池組、鋰離子電池組、鎳氫電池組和鈉離子電池組。在各種實(shí)施例中，電池組可為一次電池(不可充電電池組)或二次電池(可充電電池組)。在另外的實(shí)施例中，至少一個(gè)電池組可通過將由固體氧化物燃料電池系統(tǒng)110產(chǎn)生的電力的一部分分流到電池組而再充電。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)理解已知額外特定電池組或替代電源并且理解它們同樣可以用作電源182。

在另外的實(shí)施例中，供電放大器電路180的電源182為燃料電池電路150。舉例來說，放大器電路180可包括控制從至少一個(gè)燃料電池電路150供應(yīng)到放大器陰極160的功率的至少一個(gè)恒電勢(shì)器。具體地說，恒電勢(shì)器通過調(diào)節(jié)供應(yīng)到放大器電路180的電流將至少一個(gè)燃料電池電路150的電勢(shì)維持在恒定水平下起作用。在另外的實(shí)例中，放大器電路180可包括控制從至少一個(gè)燃料電池電路150供應(yīng)到放大器陰極160的功率的至少一個(gè)恒流器。恒電勢(shì)器和/或恒流器充當(dāng)功率供應(yīng)器以將電子電流提供到放大器陰極160。如果在陽極120和放大器陰極160之間的恒定電勢(shì)為期望的，那么可使用恒電勢(shì)器，而當(dāng)在陽極120和放大器陰極160之間的恒定電流為優(yōu)選的時(shí)，可使用恒流器。因此，當(dāng)需要恒定離子氧146供應(yīng)速率時(shí)，恒流器為優(yōu)選的。

在各種實(shí)施例中，供應(yīng)到放大器電路180的電流基本上恒定。在另外的實(shí)施例中，供應(yīng)到放大器電路180的電流為脈沖的。供應(yīng)到放大器電路180的電流無論為恒定或脈沖的，最小施加的電勢(shì)為o2還原電勢(shì)或相對(duì)應(yīng)的電流。o2還原電勢(shì)通常在大約0.1v到大約0.5v的范圍內(nèi)。對(duì)于具有不同陽極120、陰極130和/或固體氧化物電解質(zhì)170的多種固體氧化物燃料電池系統(tǒng)110的特定o2還原電勢(shì)對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員是已知的。最大施加的電勢(shì)限于電解質(zhì)還原電勢(shì)或相對(duì)應(yīng)的電流。電解質(zhì)還原電勢(shì)通常在大約2v到大約3v的范圍內(nèi)。對(duì)于具有不同陽極120、陰極130和/或固體氧化物電解質(zhì)170的多種固體氧化物燃料電池系統(tǒng)110的特定電解質(zhì)還原電勢(shì)對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員是已知的。

參考圖2和3，在另外的實(shí)施例中，固體氧化物燃料電池系統(tǒng)110進(jìn)一步包含分別測(cè)量在燃料電池電路150中的電壓和電流的電壓表156和電流表152。根據(jù)電壓表156和電流表152的測(cè)量值，可簡單并且直接計(jì)算功率輸出。

在另外的實(shí)施例中，在固體氧化物燃料電池110的功率輸出下降低于初始非碳中毒功率輸出的一定百分比時(shí)，固體氧化物燃料電池系統(tǒng)110進(jìn)一步包含使供應(yīng)到放大器電路180的電流產(chǎn)生脈沖的控制回路，在各種實(shí)施例中，在使供應(yīng)到放大器電極回路的電流產(chǎn)生脈沖啟動(dòng)控制回路之前燃料電池功率輸出的減少可為大約20％、大約30％、大約40％、大約50％、大約60％、大約70％、大約80％，或大約90％。此外，在各種實(shí)施例中，用于將電勢(shì)或電流施加到放大器電路的恒電勢(shì)器和/或恒流器可具有測(cè)量電壓和電流的集成的電壓表和電流表。因此，可簡單并且直接計(jì)算供應(yīng)的功率。

在各種實(shí)施例中，監(jiān)測(cè)固體氧化物燃料電池系統(tǒng)110的功率反應(yīng)速度。舉例來說，可通過觀測(cè)由燃料電池電路150供應(yīng)的電流或由燃料電池電路150提供的電壓監(jiān)測(cè)功率反應(yīng)速度。

在各種實(shí)施例中，調(diào)節(jié)供應(yīng)到放大器電路180的電流以獲得去除在陽極120上的含碳沉積物140的穩(wěn)態(tài)操作。含碳沉積物140的去除的穩(wěn)態(tài)操作意指含碳沉積物140以等于含碳沉積物140形成的速率的速率去除。如果含碳沉積物140以超過去除含碳沉積物140的速率形成，那么固體氧化物燃料電池系統(tǒng)110的功率反應(yīng)速度降低并且供應(yīng)到放大器電路180的電流提高以提高含碳沉積物140的去除速率。可降低供應(yīng)到放大器電路180的電流以降低含碳沉積物140的去除速率直到含碳沉積物140的形成速率再次超過含碳沉積物140的去除速率。使供應(yīng)到放大器電路180的電流降到最低同時(shí)仍以等于含碳沉積物140的形成速率的速率去除含碳沉積物140通過避免不必要的離子氧146形成使固體氧化物燃料電池系統(tǒng)110的效率達(dá)到最大。

在各種實(shí)施例中，陽極120預(yù)期為包含適合于氧化的多種金屬中的任一種，例如金屬、金屬氧化物或陶瓷-金屬。舉例來說，但不作為限制，陽極120包含選自以下組成的組的金屬：鐵(fe)、銅(cu)、鎳(ni)、鈷(co)金(au)、釕(ru)、銠(rh)、鎢(w)、鉻(cr)、鋱(tb)、鎂(mg)、鉑(pt)、鈀(pd)和其組合。

在固體氧化物電解質(zhì)170的情況下，需要與陽極120的高離子導(dǎo)電性和可忽略的化學(xué)相互作用。這就是說，多種組合物適合于固體氧化物電解質(zhì)170，其中主要需要氧離子導(dǎo)電性。合適的固體氧化物電解質(zhì)170可為純離子或混合離子-電子。

舉例來說，但不作為限制，固體氧化物電解質(zhì)170可包含氧化鋯類電解質(zhì)或二氧化鈰類電解質(zhì)。在具體實(shí)施例中，所述氧化鋯類電解質(zhì)可選自以下組成的組：氧化釔穩(wěn)定的zro2(ysz)、氧化鈧穩(wěn)定的zro2(scsz)、氧化鈣穩(wěn)定的zro2(csz)、氧化釤穩(wěn)定的zro2(smsz)和其組合。在示例性實(shí)施例中，固體氧化物電解質(zhì)170包含氧化釔穩(wěn)定的zro2(ysz)。替代地，二氧化鈰類電解質(zhì)可包含稀土摻雜的二氧化鈰。舉例來說，二氧化鈰類電解質(zhì)選自以下組成的組：釓摻雜的二氧化鈰(gdc)、氧化釔摻雜的二氧化鈰(ydc)、釤摻雜的二氧化鈰(smdc)、鈧摻雜的二氧化鈰(scdc)、鋯摻雜的二氧化鈰(zdc)、氧化釓穩(wěn)定的二氧化鈰(cgo)和其組合。固體氧化物電解質(zhì)170的另外的實(shí)例包括二氧化鈦類、鈣鈦礦氧化物或陽離子碳酸鹽類電解質(zhì)。

當(dāng)選擇用于固體氧化物電解質(zhì)170的組合物時(shí)，應(yīng)考慮以下因素：1.與電極中的任一個(gè)的任何可能化學(xué)相互作用，其可對(duì)固體氧化物燃料電池110具有災(zāi)難性影響；2.燃料電池操作溫度范圍；和3.離子/電子導(dǎo)電性比率值。因此，兩種或更多種固體氧化物電解質(zhì)170的組合可用于確保滿足這些因素。舉例來說，在其中不穩(wěn)定固體氧化物電解質(zhì)170(其與陽極120相互作用)由于其在期望操作溫度下的顯著離子導(dǎo)電性必需用于固體氧化物燃料電池110的情況下，化學(xué)穩(wěn)定固體電解質(zhì)的薄涂層可在電解質(zhì)/陽極介面處使用以避免在陽極120和固體氧化物電解質(zhì)170之間直接接觸。相同技術(shù)可用于阻擋高度導(dǎo)電的混合離子-電子固體電解質(zhì)可在期望溫度范圍下可呈現(xiàn)的電子導(dǎo)電性。在此情況下，純離子導(dǎo)體(例如ysz)的薄涂層可為有益的。

關(guān)于陰極130和放大器陰極160，在操作溫度范圍下呈現(xiàn)低o2(g)還原超電勢(shì)同時(shí)具有可忽略的與固體氧化物電解質(zhì)170的相互作用的任何陰極材料可用于陰極130和放大器陰極160。舉例來說但不作為限制，陰極130或放大器陰極160可包含一般類型abo3或abmo3或a1-xsrxfe1-ycoyo3-δ或a1-xbxm1-ymgyo3-δ的鈣鈦礦材料，其中a可為組la、sn、nd、gd、ba或dy中的一種；b可為2⁺、3⁺、4⁺或5⁺陽離子中的一種，并且m可為過渡金屬。兩種優(yōu)選的鈣鈦礦陰極為lasrfecoo3-δ(lscf)和lasrmno3-δ(lsm)。另外的例示性鈣鈦礦陰極為sr2mgmo0.8nb0.2o6-δ。此外，過渡金屬電極可用作陰極130或放大器陰極160。非限制性實(shí)例包括pt、ir和au。

在另一實(shí)施例中，陰極130和放大器陰極160為相同組成。因?yàn)殛帢O130和放大器陰極160的作用相同，其中在陰極130和放大器陰極160兩者中出現(xiàn)o2還原，可使用相同的材料提供較低總制造成本的優(yōu)點(diǎn)。

在另外的實(shí)施例中，陰極130和放大器陰極160為不同組成。利用用于陰極130和放大器陰極160的不同組成允許高度執(zhí)行陰極材料，其通常用作放大器陰極160更昂貴，這是由于放大器陰極160相較于陰極130的相對(duì)較小大小。利用用于放大器陰極160的高度執(zhí)行陰極材料導(dǎo)致比可補(bǔ)償放大器陰極160的較小大小的較低成本和較低執(zhí)行陰極材料較高的氧還原速率。

參考圖3，在實(shí)施例中，固體氧化物燃料電池系統(tǒng)110進(jìn)一步包含液體燃料霧化器190。液體燃料霧化器190遠(yuǎn)離陽極120的頂部隔開放置。利用液體燃料霧化器190允許燃料142橫跨陽極120分布。燃料142橫跨陽極120的分布導(dǎo)致提高的燃料利用率。此外，燃料142橫跨陽極120的分布導(dǎo)致高度分散的含碳沉積物140。在放大器陰極160處產(chǎn)生的離子氧146橫跨陽極120分散，因?yàn)樗┻^固體氧化物電解質(zhì)170并且因此高度分散的含碳沉積物140優(yōu)選高效地利用所有產(chǎn)生的離子氧146。

雖然未示出，但是若干常規(guī)(例如利用來自鍋爐的廢熱)、非常規(guī)(即可再生：太陽能光伏(pv)或聚光太陽能發(fā)電(csp)、風(fēng)力發(fā)電等或組合的加熱方法可用于實(shí)現(xiàn)固體氧化物燃料電池110所需要的高操作溫度范圍。

在另外的實(shí)施例中，燃料電池為熔融的碳酸鹽燃料電池(mcfc)。當(dāng)燃料電池為熔融的碳酸鹽燃料電池時(shí)，轉(zhuǎn)移通過固體氧化物電解質(zhì)170的離子物質(zhì)為離子碳酸鹽(co3^2-)。此外，方程r1、r2和r4被下文復(fù)制的r5、r6和r7替換。

2co2(g)+o2(g)+4e^-→2co3^2-(r5)

cxhy+(2x+y/2)co3^2-→(3x+y/2)co2(g)+(y/2)h2o+(4x+y)^e-(r6)

cxhn^*+(3x+n/2)co3^2-→(3x+n/2)co2(g)+(n/2)h2o+(4x+n)^e-(r7)

液態(tài)烴供電的燃料電池可呈現(xiàn)高達(dá)90％的操作效率值，但是其中可獲得高效率值的烴燃料142在陽極120處直接進(jìn)料的操作仍具有挑戰(zhàn)性并且難以施用，這是由于具有在陽極120上形成含碳沉積物140的傳統(tǒng)問題。然而，通過從陽極120去除含碳沉積物140，維持固體氧化物燃料電池系統(tǒng)110的操作效率。在另一實(shí)施例中，固體氧化物燃料電池系統(tǒng)110的效率超出40％，并且在固體氧化物燃料電池系統(tǒng)110操作期間無限期地維持超過40％。在另外的實(shí)施例中，固體氧化物燃料電池系統(tǒng)110的效率超出60％并且在固體氧化物燃料電池系統(tǒng)110操作期間無限期地維持超過60％。在又一甚至另外的實(shí)施例，固體氧化物燃料電池系統(tǒng)110的效率超出80％并且在固體氧化物燃料電池系統(tǒng)110操作期間無限期地維持超過80％。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)清楚，在不脫離所主張的主題的精神和范圍的情況下，可對(duì)本文中所描述的實(shí)施例進(jìn)行各種修改和變化。因此希望本說明書覆蓋本文中所描述的各種實(shí)施例的修改以及變化，其條件是，此類修改以及變化落在所附權(quán)利要求書以及其等效物的范圍內(nèi)。

權(quán)利要求書(按照條約第19條的修改)

1.一種去除在加液體烴燃料的固體氧化物燃料電池中的含碳沉積物的方法，所述方法包含：

提供包含陽極、陰極、在所述陽極和陰極之間取向的固體氧化物電解質(zhì)、安置成接近于所述固體氧化物電解質(zhì)和所述陰極的放大器陰極、電連接所述陽極和所述陰極的燃料電池電路和電連接所述陽極和所述放大器陰極的放大器電路的固體氧化物燃料電池系統(tǒng)；

在電解模式中操作所述放大器電路以電供電所述放大器陰極，其中所述放大器陰極產(chǎn)生o^2-或co3^2-并且將其供應(yīng)到所述陽極；和

通過經(jīng)由與所述o^2-或co3^2-的反應(yīng)將所述含碳沉積物轉(zhuǎn)換成二氧化碳?xì)怏w而去除在所述陽極上的所述含碳沉積物并且排出所述二氧化碳?xì)怏w。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述放大器電路進(jìn)一步包含供電所述放大器電路的至少一個(gè)電池組。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述放大器電路進(jìn)一步包含供電和控制所述放大器電路的至少一個(gè)恒電勢(shì)器。

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述放大器電路進(jìn)一步包含至少一個(gè)恒電勢(shì)器，并且所述放大器電路由所述恒電勢(shì)器控制并且通過由所述燃料電池電路充電的所述至少一個(gè)電池組供電。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述放大器電路進(jìn)一步包含供電和控制所述放大器電路的至少一個(gè)恒流器。

6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述放大器電路進(jìn)一步包含至少一個(gè)恒流器，并且所述放大器電路由所述恒流器控制并且通過由所述燃料電池電路充電的所述至少一個(gè)電池組供電。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中供應(yīng)到所述放大器電路的所述電流隨時(shí)間基本上恒定。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中供應(yīng)到所述放大器電路的所述電流保持高于所述o2還原電勢(shì)并且低于所述電解質(zhì)還原電勢(shì)的電壓。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中供應(yīng)到放大器電極回路的所述電流為脈沖的。

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述固體氧化物燃料電池系統(tǒng)進(jìn)一步包含使供應(yīng)到所述放大器電極回路的所述電流產(chǎn)生脈沖使得當(dāng)所述固體氧化物燃料電池系統(tǒng)的所述功率輸出下降低于初始操作的50％而沒有含碳沉積物時(shí)供應(yīng)電流的控制回路。

11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述陰極和所述放大器陰極為不同組成。

12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述陰極、所述放大器陰極或這兩者選自一般類型abo3或abmo3或a1-xsrxfe1-ycoyo3-δ或a1-xbxm1-ymgyo3-δ中的至少一種鈣鈦礦材料組成的組，其中：

a為la、sn、nd、gd、ba或dy，

b為2⁺、3⁺、4⁺或5⁺陽離子，并且

m為過渡金屬。

13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述鈣鈦礦材料為lasrfecoo3-δ(lscf)或lasrmno3-δ(lsm)或sr2mgmo0.8nb0.2o6-δ。

14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述陽極包含金屬、金屬氧化物或陶瓷-金屬。

15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述陽極包含選自以下組成的組的金屬：鐵(fe)、銅(cu)、鎳(ni)、鈷(co)、鉬(mo)、金(au)、釕(ru)、銠(rh)、鎢(w)、鉻(cr)、鋱(tb)、鎂(mg)、鉑(pt)、鈀(pd)和其組合。

16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述電解質(zhì)為氧化鋯類、二氧化鈰類、二氧化鈦類、鈣鈦礦氧化物或陽離子碳酸鹽類。

17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述固體氧化物燃料電池系統(tǒng)進(jìn)一步包含定位成將所述液體烴燃料橫跨所述陽極分配的液體燃料霧化器。

18.一種去除在加液體烴燃料的固體氧化物燃料電池中的含碳沉積物的方法，所述方法包含：

提供包含陽極、陰極、在所述陽極和陰極之間取向的固體氧化物電解質(zhì)、安置成接近于所述固體氧化物電解質(zhì)和所述陰極的放大器陰極、電連接所述陽極和所述陰極的燃料電池電路和包含至少一個(gè)電池組、恒電勢(shì)器或恒流器的電連接所述陽極和所述放大器陰極的放大器電路的固體氧化物燃料電池系統(tǒng)；

監(jiān)測(cè)所述固體氧化物燃料電池系統(tǒng)的功率反應(yīng)速度；

在電解模式中操作所述放大器電路以電供電所述放大器陰極，其中所述放大器陰極產(chǎn)生o^2-或co3^2-并且將其供應(yīng)到所述陽極；

通過經(jīng)由與所述o^2-或co3^2-的反應(yīng)將所述含碳沉積物轉(zhuǎn)換成二氧化碳?xì)怏w而去除在所述陽極上的所述含碳沉積物并且排出所述二氧化碳?xì)怏w；和

調(diào)節(jié)供應(yīng)到所述放大器電路的所述電流以獲得去除在所述陽極上的所述含碳沉積物的穩(wěn)態(tài)操作。

19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中供應(yīng)到所述放大器電路的所述電流隨時(shí)間基本上恒定。

20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中供應(yīng)到所述放大器電極回路的所述電流為脈沖的。

21.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述放大器電路進(jìn)一步包含供電和控制所述放大器電路的至少一個(gè)恒電勢(shì)器。

22.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述放大器電路進(jìn)一步包含供電和控制所述放大器電路的至少一個(gè)恒流器。

23.一種固體氧化物燃料電池系統(tǒng)，包含：

陽極，

陰極，

在所述陽極和陰極之間取向的固體氧化物電解質(zhì)，安置成接近于所述固體氧化物電解質(zhì)和所述陰極的放大器陰極，

電連接所述陽極和所述陰極的燃料電池電路，

電連接所述陽極和所述放大器陰極的放大器電路；和

定位成將所述液體烴燃料橫跨所述陽極分配的液體燃料霧化器，其中

所述放大器電路在電解模式中操作以電供電產(chǎn)生o^2-或co3^2-并且將其供應(yīng)到所述陽極的所述放大器陰極以通過經(jīng)由與所述o^2-或co3^2-的反應(yīng)產(chǎn)生二氧化碳?xì)怏w將所述含碳沉積物轉(zhuǎn)換成二氧化碳?xì)怏w而去除在所述陽極上的含碳沉積物。

24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的固體氧化物燃料電池系統(tǒng)，其中所述放大器電路包含至少一個(gè)電池組、恒電勢(shì)器或恒流器。

25.根據(jù)權(quán)利要求23所述的固體氧化物燃料電池系統(tǒng)，其中所述陰極、所述放大器陰極或這兩者選自一般類型abo3或abmo3或a1-xsrxfe1-ycoyo3-δ或a1-xbxm1-ymgyo3-δ中的至少一種鈣鈦礦材料組成的組，其中：

a為la、sn、nd、gd、ba或dy，

b為2⁺、3⁺、4⁺或5⁺陽離子，并且

m為過渡金屬。

26.根據(jù)權(quán)利要求23所述的固體氧化物燃料電池系統(tǒng)，其中所述陽極包含金屬、金屬氧化物或陶瓷-金屬。

27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的固體氧化物燃料電池系統(tǒng)，其中所述陽極包含選自以下組成的組的金屬：鐵(fe)、銅(cu)、鎳(ni)、鈷(co)、鉬(mo)、金(au)、釕(ru)、銠(rh)、鎢(w)、鉻(cr)、鋱(tb)、鎂(mg)、鉑(pt)、鈀(pd)和其組合。

28.根據(jù)權(quán)利要求23所述的固體氧化物燃料電池系統(tǒng)，其中所述電解質(zhì)為氧化鋯類或二氧化鈰類或二氧化鈦類或鈣鈦礦氧化物或陽離子碳酸鹽類。

29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的固體氧化物燃料電池系統(tǒng)，其中所述氧化鋯類電解質(zhì)選自以下組成的組：氧化釔穩(wěn)定的zro2(ysz)、氧化鈧穩(wěn)定的zro2(scsz)、氧化鈣穩(wěn)定的zro2(csz)、)、氧化釤穩(wěn)定的zro2(smsz)和其組合。

30.根據(jù)權(quán)利要求28所述的固體氧化物燃料電池系統(tǒng)，其中所述二氧化鈰類電解質(zhì)選自以下組成的組：釓摻雜的二氧化鈰(gdc)、氧化釔摻雜的二氧化鈰(ydc)、釤摻雜的二氧化鈰(smdc)、鈧摻雜的二氧化鈰(gdc)、鋯摻雜的二氧化鈰(zdc)、氧化釓穩(wěn)定的二氧化鈰(cgo)和其組合。