燃料电池以及燃料电池的运行方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及燃料电池以及燃料电池的运行方法，更具体而言，本发明涉及能量效率优异的燃料电池以及该燃料电池的运行方法。
【背景技术】
[0002]固体电解质燃料电池(下文中称为燃料电池)的优势在于:例如，发电效率高且可利用废热。因此，人们对燃料电池进行开发。这种燃料电池的基本单元为膜电极组件(MEA)，该膜电极组件包括燃料电极(阳极)、固体氧化物电解质和空气电极(阴极)。燃料电池还具有设置为与MEA中的燃料电极接触的燃料电极集电体、以及向燃料电极提供氢气等燃料气体的燃料电极流路；类似地，对于空气电极(其与燃料电极一同构成为一对电极)，燃料电池具有设置为与空气电极接触的空气电极集电体、以及向空气电极提供空气的空气流路。一般而言，燃料电极集电体和空气电极集电体为导电性多孔体，燃料气体或氢气和氧化性气体或空气可从其中流过。换言之，各电极集电体均起到集电体的作用并且可用作气体流路。基于这一原因，电极集电体主要需要具有高导电性并且不使气流压力降增加。
[0003]另一方面，为了使燃料电池中的电化学反应以达到实用水平的反应速率进行，略高于室温的温度对于MEA和燃料气体等是不够的，需要利用加热装置进行加热。为了缩短电化学反应过程中产生的质子H+等移动通过固体电解质的时间并且为了促进电化学反应本身，通常，将MEA等的温度设定为约700°C至约900°C。当然，加热所消耗的电力会降低能效。为了提高电化学反应的速率，重要的是，从外界引入燃料电池流路的气体在尽可能接近流路入口的部分处达到一定的温度。因此，通常采用将气体预热的方法。在这种情况中，在燃料电池启动后，燃料电池内部(MEA、燃料气体流路等)的温度会有利地在短时间内达到预定温度。为了在燃料电池启动后在短时间内实现燃料电池内部的这种温度升高，重要的是使所形成的构成气体流路的燃料电极集电体等具有高的热传导率。
[0004]如上所述，燃料电池被加热至高温。基于这一原因，形成燃料电极集电体等的材料需要具有耐高温氧化性，通常，这种材料为镍(Ni)等。为了抑制压力降增加并确保导电性和导热性，已经披露了使用Ni毡或Ni网作为电极集电体的例子(专利文献1、2和3)。还公开了使用镀Ni多孔体等作为燃料电极集电体的其他例子(专利文献4)。
[0005]使用这种金属多孔体可提供满足一些上述性能的电极集电体。
[0006]引用列表
[0007]专利文献
[0008]专利文献1:日本未审查专利申请公布N0.10-079258
[0009]专利文献2:日本未审查专利申请公布N0.2006-324025
[0010]专利文献3:日本未审查专利申请公布N0.2007-141743
[0011]专利文献4:日本未审查专利申请公布N0.2009-187887
【发明内容】
[0012]技术问题
[0013]然而，上述材料存在如下问题。在使用具有低孔隙率的Ni毡或Ni网的情况中，气体可流过以抑制压力降；结果，气体的供给速率极地。此外，Ni毡等与电极间的接触面积不足够大，因此不可避免地使接触电阻升高。另一方面，在使用镀Ni多孔体的情况中，在孔隙率(压力降)和导电性方面不存在不利之处；然而，其问题在于:热传导率低，阻碍了镀Ni多孔体内部的温度快速升高。
[0014]本发明的目的是提供一种燃料电池以及运行该燃料电池的方法，其中该燃料电池采用了在压力降、导电性和导热性这三方面具有足够高的性能的电极集电体，由此该燃料电池能够在电池启动后短时间内开始运行，能够实现高的发电效率，并且具有经济性。
[0015]解决问题的手段
[0016]根据本发明的燃料电池通过电化学反应由含氢燃料气体发电。该燃料电池包括:膜电极组件(MEA)，该膜电极组件包括燃料电极、固体电解质和空气电极；燃料电极集电体，该燃料电极集电体是设置为与所述燃料电极接触并进行集电的金属多孔体；以及通过电力运行的加热装置，其中所述固体电解质为质子透过性电解质，设置有燃料气体流路以使所述燃料气体流过所述燃料电极集电体，并且构成所述燃料电极集电体的所述金属多孔体由铝或铝合金形成。在本文中，含氢燃料气体可为氢气本身，或者是主要包含氢气、并且还包含甲烷等改质之后的残存成分的气体、或者是民用燃气(town gas) ο
[0017]空气中的氧气是目标气体。空气还表示氧化性气体。
[0018]在上述构造中，燃料电极集电体为由铝或铝合金形成的金属多孔体。因此，该金属多孔体能够具有比由镍等金属形成的多孔体更高的导热性。镍的导热率为88.5W.nT1 -T1 (O0CS 100C )，而铝的导热率为 238W.πΓ1.IT1 (0°C至 100°C ) ο 因此，导热率能够提高约2.7倍。由此，可在装置启动后在短时间内使装置的温度升温至预定的运行温度。对于这种产品的用户而言这是非常重要的，并且其为产品的重要选择标准。例如，对于在停电时依赖于由燃料电池获得电力的办公场所、工厂和家庭中，燃料电池启动后在尽可能短的时间内开始运行是有利的。在这种燃料电池断电的瞬间可临时使用蓄电池；然而，如果燃料电池的启动时间短，则能够使用低容量的蓄电池，从放心和安全的角度来说，这是优选的。
[0019]需要注意的是，铝合金的导热率和电阻率(如下所述)可视为与铝的导热率和电阻率实质上相同。
[0020]需要将本发明燃料电池的运行温度设定为不会使形成燃料电极集电体的铝或铝合金熔融的温度。在加热燃料电池的情况中，例如，在具有N1-Cr线、石墨等作为加热元件的炉内，运行温度随其位置的不同而改变。然而，无论运行温度的测量位置如何，燃料电极集电体位置处的温度都需要低于铝或铝合金的熔点。铝的熔点为约660°C (933.25K)。铝合金的固相线温度在520°C至590°C范围内，因此运行温度需要低于该温度。在这种低温下运行仍能获得实用水平的发电密度、发电效率等。这主要是通过选择质子透过性电解质作为固体电解质而实现的。
[0021]需要注意的是，在本发明中，运行温度表示通过位于燃料电池本体(电池层叠体)中的温度传感器测得的温度。例如，该温度通过嵌入在形成电池层叠体最外层的燃料气体流路的外侧部件中的热电偶来测量。
[0022]除了上述导电率特征以外，铝的电阻率为2.67μ Ω.cm (20 °C )，其为镍电阻率(6.9 μ Ω.cm,20°C)的一半。因此，可使燃料电池的整个发电体系的电阻降低。该电阻率特征有助于提尚发电效率。
[0023]此外，与镍相比，铝等的经济性更优异。
[0024]构成燃料电极集电体的金属多孔体可为通过对铝或者铝合金进行镀覆而形成的多孔体。
[0025]这种镀覆多孔体是通过如下方式形成的。对发泡树脂进行使树脂的孔转变为连通孔的连通孔形成处理。然后用金属镀覆树脂，随后除去该树脂。在本发明的情况中，进行了镀覆铝或铝合金的处理。由此，可获得这样的金属镀覆多孔体，该多孔体:具有高孔隙率，从而能够使压力降变小；具有低电阻；具有高导热率，这是最主要的一点。
[0026]可包括温度控制系统，其控制供给至加热装置的电力、燃料气体的流速、以及空气的流速中的至少一者，以使得燃料电极集电体中的铝或铝合金不会熔融，其中所述温度控制系统包括监测燃料电池本体的温度的温度传感器。
[0027]此处，燃料电池本体表示电池层叠体，该电池层叠体为包括层叠的多个单元的组合体，其中每个所述单元均由燃料电极集电体/MEA/空气电极集电体构成，并且该电池层叠体还包括形成该层叠体所需的部件。例如，嵌入在作为电池层叠体的最上表面或最下表面的端板(end plate)中的温度传感器(热电偶)是这样一种温度传感器，其监测燃料电池本体的温度。
[0028]由此，可稳定地运行，而不会使由铝或铝合金形成的燃料电极集电体熔融。
[0029]质子透过性电解质可具有钙钛矿结构或类钙钛矿结构，并且其组成可由ABC氧化物表不，其中A表不选自Ba和Sr中的一者或两者，B表不选自Zr和Ce中的一者或两者，并且C表示选自Y、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Sc、In和Gd中的至少一者。
[0030]在这种情况中，即使当燃料电极集电体由铝等形成、并且在低于铝等的熔点的低温下运行时，也可实现足够高的发电效率、发电密度等。这种质子透过性电解质的例子包括:含钡电解质，如掺杂有钇的钡