[發明專利]燃料電池以及燃料電池的運行方法

在審

• 申請號: 201380053468.0
• 申請日: 2013-10-04
• 公開（公告）號: CN104737344A
• 公開（公告）日: 2015-06-24
• 發明（設計）人: 平巖千尋;真島正利;細江晃久
• 申請（專利權）人: 住友電氣工業株式會社
• 主分類號: H01M8/02
• 分類號: H01M8/02;H01M8/04;H01M8/06;H01M8/12
• 代理公司: 北京天昊聯合知識產權代理有限公司 11112
• 代理人: 丁業平;常海濤

技術領域

本發明涉及燃料電池以及燃料電池的運行方法，更具體而言，本發明涉及能量效率優異的燃料電池以及該燃料電池的運行方法。

背景技術

固體電解質燃料電池(下文中稱為燃料電池)的優勢在于：例如，發電效率高且可利用廢熱。因此，人們對燃料電池進行開發。這種燃料電池的基本單元為膜電極組件(MEA)，該膜電極組件包括燃料電極(陽極)、固體氧化物電解質和空氣電極(陰極)。燃料電池還具有設置為與MEA中的燃料電極接觸的燃料電極集電體、以及向燃料電極提供氫氣等燃料氣體的燃料電極流路；類似地，對于空氣電極(其與燃料電極一同構成為一對電極)，燃料電池具有設置為與空氣電極接觸的空氣電極集電體、以及向空氣電極提供空氣的空氣流路。一般而言，燃料電極集電體和空氣電極集電體為導電性多孔體，燃料氣體或氫氣和氧化性氣體或空氣可從其中流過。換言之，各電極集電體均起到集電體的作用并且可用作氣體流路。基于這一原因，電極集電體主要需要具有高導電性并且不使氣流壓力降增加。

另一方面，為了使燃料電池中的電化學反應以達到實用水平的反應速率進行，略高于室溫的溫度對于MEA和燃料氣體等是不夠的，需要利用加熱裝置進行加熱。為了縮短電化學反應過程中產生的質子H⁺等移動通過固體電解質的時間并且為了促進電化學反應本身，通常，將MEA等的溫度設定為約700℃至約900℃。當然，加熱所消耗的電力會降低能效。為了提高電化學反應的速率，重要的是，從外界引入燃料電池流路的氣體在盡可能接近流路入口的部分處達到一定的溫度。因此，通常采用將氣體預熱的方法。在這種情況中，在燃料電池啟動后，燃料電池內部(MEA、燃料氣體流路等)的溫度會有利地在短時間內達到預定溫度。為了在燃料電池啟動后在短時間內實現燃料電池內部的這種溫度升高，重要的是使所形成的構成氣體流路的燃料電極集電體等具有高的熱傳導率。

如上所述，燃料電池被加熱至高溫。基于這一原因，形成燃料電極集電體等的材料需要具有耐高溫氧化性，通常，這種材料為鎳(Ni)等。為了抑制壓力降增加并確保導電性和導熱性，已經披露了使用Ni氈或Ni網作為電極集電體的例子(專利文獻1、2和3)。還公開了使用鍍Ni多孔體等作為燃料電極集電體的其他例子(專利文獻4)。

使用這種金屬多孔體可提供滿足一些上述性能的電極集電體。

引用列表

專利文獻

專利文獻1：日本未審查專利申請公布No.10-079258

專利文獻2：日本未審查專利申請公布No.2006-324025

專利文獻3：日本未審查專利申請公布No.2007-141743

專利文獻4：日本未審查專利申請公布No.2009-187887

發明內容

技術問題

然而，上述材料存在如下問題。在使用具有低孔隙率的Ni氈或Ni網的情況中，氣體可流過以抑制壓力降；結果，氣體的供給速率極地。此外，Ni氈等與電極間的接觸面積不足夠大，因此不可避免地使接觸電阻升高。另一方面，在使用鍍Ni多孔體的情況中，在孔隙率(壓力降)和導電性方面不存在不利之處；然而，其問題在于：熱傳導率低，阻礙了鍍Ni多孔體內部的溫度快速升高。

本發明的目的是提供一種燃料電池以及運行該燃料電池的方法，其中該燃料電池采用了在壓力降、導電性和導熱性這三方面具有足夠高的性能的電極集電體，由此該燃料電池能夠在電池啟動后短時間內開始運行，能夠實現高的發電效率，并且具有經濟性。

解決問題的手段

根據本發明的燃料電池通過電化學反應由含氫燃料氣體發電。該燃料電池包括：膜電極組件(MEA)，該膜電極組件包括燃料電極、固體電解質和空氣電極；燃料電極集電體，該燃料電極集電體是設置為與所述燃料電極接觸并進行集電的金屬多孔體；以及通過電力運行的加熱裝置，其中所述固體電解質為質子透過性電解質，設置有燃料氣體流路以使所述燃料氣體流過所述燃料電極集電體，并且構成所述燃料電極集電體的所述金屬多孔體由鋁或鋁合金形成。在本文中，含氫燃料氣體可為氫氣本身，或者是主要包含氫氣、并且還包含甲烷等改質之后的殘存成分的氣體、或者是民用燃氣(town?gas)。

空氣中的氧氣是目標氣體。空氣還表示氧化性氣體。