CN104737344B - 燃料电池以及燃料电池的运行方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的是提供一种燃料电池及其运行方法，该燃料电池通过利用导热性优异的燃料电极集电体，从而具有优异的发电效率和经济效率。该燃料电池包括：膜电极组件(MEA)；作为金属多孔体的燃料电极集电体，其通过与燃料电极保持接触从而进行集电；以及利用电力的加热装置。固体电解质为质子透过性电解质。燃料气体流路被构造为使得燃料气体从燃料电极集电体中流过，并且构成燃料电极集电体的金属多孔体由铝或铝合金制成。

Description

燃料电池以及燃料电池的运行方法
技术领域
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
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。
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℃至约900℃。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。
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)。
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。
引用列表
专利文献
专利文献1：日本未审查专利申请公布No.10-079258
专利文献2：日本未审查专利申请公布No.2006-324025
专利文献3：日本未审查专利申请公布No.2007-141743
专利文献4：日本未审查专利申请公布No.2009-187887
发明内容
技术问题
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。
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。
解决问题的手段
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)。
空气中的氧气是目标气体。空气还表示氧化性气体。
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·m-1·K-1(0℃至100℃)，而铝的导热率为238W·m-1·K-1(0℃至100℃)。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。
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。
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Ni-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℃(933.25K)。铝合金的固相线温度在520℃至590℃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。
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。
除了上述导电率特征以外，铝的电阻率为2.67μΩ·cm(20℃)，其为镍电阻率(6.9μΩ·cm，20℃)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高发电效率。
此外，与镍相比，铝等的经济性更优异。
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。
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。
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。
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。
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。
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氧化物表示，其中A表示选自Ba和Sr中的一者或两者， B表示选自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。
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，如掺杂有钇的钡铈氧化物(BCY)、掺杂有钇的钡锆氧化物(BZY)、和作为这二者的中间体的掺杂有钇的钡锆铈氧化物(BZCY)；以及含锶电解质，如掺杂有钇的锶锆氧化物(SZY)、掺杂有钇的锶铈氧化物(SCY)、和作为中间体的掺杂有钇的锶锆铈氧化物(SZCY)。
燃料电池可包括：作为下游单元的燃料电池本体，其包括燃料气体的入口和空气的入口；以及改质装置，其设置于燃料电池本体的上游并且将燃料气体改质，其中所述改质装置的运行温度设定为高于燃料电池的运行温度。
在这种情况下，可在将改质装置维持为适当的运行温度的同时，使包括由铝等形成的燃料电极集电体的燃料电池本体稳定地运行。
可包括增加湿度的加湿装置，并且该加湿装置设置于空气被导入空气电极处的部分的上游和/或燃料气体被导入燃料电极处的部分的上游。
在这种情况中，可在不降低质子透过性固体电解质中的质子移动速度或移动质子的密度的情况下进行运行。
根据本发明的运行燃料电池的方法为使通过电化学反应由含氢燃料气体发电的燃料电池运行的方法。在该运行方法中，燃料电池包括：膜电极组件，该膜电极组件包括燃料电极、质子透过性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燃料电极接触并进行集电的金属多孔体，并且该金属多孔体由铝或铝合金形成；以及通过电力运行的加热装置。并且，燃料气体的流速、空气的流速、以及供至加热装置的电力受到控制，以使得燃料电极集电体的温度不超出550℃至650℃的范围。
在这种情况中，可在确保将温度维持在低于铝等的熔点的同时，稳定地连续进行发电。为了不使燃料电极集电体的温度超出550℃至 650℃的范围，首先，将容纳燃料电池本体部的加热装置的温度设定为比现有情况中的加热装置温度低至少100℃。结果，可降低发电的电力消耗。此外，在于约800℃下进行加热的现有情况中，由于需要将铬镍铁合金等具有耐高温氧化性的昂贵合金用于(例如)将所产生的电力输出的电极端子和连接体(interconnectors)，因而导致了成本升高。已经提出了使用导电性陶瓷代替这种具有耐高温氧化性的合金；然而，这种导电性陶瓷也价格高昂。在本发明中，在650℃以下的温度下进行加热，因此可使用SUS304等通用型不锈钢。这在经济性方面是极为有利的。
燃料电池可包括燃料电池本体以及设置于该燃料电池本体的上游的改质装置，其中改质装置的运行温度可设定为高于燃料电池本体的运行温度。
在这种情况中，改质装置和燃料电池本体能够稳定地高效运行。
发明有益效果
本发明提供了一种燃料电池和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燃料电极集电体，由此该燃料电池能够实现满足实用水平的发电效率和发电密度。
附图说明
[图1]图1示出了本发明实施方案的燃料电池的整体构成。
[图2]图2为示出了图1中的燃料电池本体的斜视图。
[图3]图3为燃料电池本体的截面视图。
[图4]图4为示出电池(发电元件)中的电化学反应的说明图。
[图5A]图5A为形成燃料电极集电体的镀铝多孔体的扫描电子显微镜(SEM)图像，该图像示出了多孔形式。
[图5B]图5B为示出了形成燃料电极集电体的镀铝多孔体的片状制品。
[图6]图6为示出镀覆多孔体的比表面积与孔尺寸之间的关系的图。
[图7]图7为示出实施例1中燃料电池的发电性能的评价结果的图。
[图8]图8为示出实施例2中燃料电池的发电性能的评价结果的图。
具体实施方式
图1为示出本发明实施方案的燃料电池50的示意图。被引入到燃料电池本体10中的燃料气体优选为氢气本身、或者氢浓度高的气体。在许多情况中，从通用性、经济性等考虑，所用的原料为(例如)丙烷、甲烷或甲醇。这种原料经改制装置72改质，从而提供具有更高氢浓度的燃料气体。燃料气体可为具有工业级别的高纯度的氢气，或者为主要包含氢并且具有相对高含量的通过改质产生的烃等的气体。在图1中，使包含于罐71中的丙烷、甲烷、甲醇或乙醇等原料流过改制装置72并作为燃料气体被引入到燃料电池本体(电池层叠体)10中。由大气中获取空气，使之通过压缩机75并引入到燃料电池本体10中。在图1中，改质装置72的运行温度T2可设定为高于燃料电池本体10的运行温度T1。例如，燃料电池本体10设定为550℃至650℃；改质装置72设定为660℃至750℃。
关于这种原料，可将民用燃气直接引入到燃料电池本体10中，而不需使之流过任何改质装置；或者，可利用改质装置72将民用燃气改质，从而使其具有更高的氢浓度，然后将其引入到燃料电池本体10中。
图2为示出了燃料电池本体10或电池层叠体10的斜视图。在电池层叠体10中，作为发电元件的电池5层叠在第一板(上端板)21和第二板(下端板)22之间。各电池5由燃料电极集电体/MEA/空气电极集电体(如下所述)构成，并且作为燃料电池中的一个发电单元。将烃等改质以具有更高的氢浓度从而制备燃料气体，将该燃料气体通过形成于上端板中的入口61而引入。由压缩机送入的空气通过入口62而引入。发生了电化学反应的燃料气体和空气主要产生水蒸汽，其通过出口63等排出。在排出过程中可燃性气体浓度较高的情况中， 可在燃料电池中设置燃烧部等。在图2中，燃料气体和空气均通过上端板21而引入；或者，燃料气体和空气中的一者可通过下端板22而引入。
图3为燃料电池本体10的截面视图。在图3中，层叠了五层电池5；然而，可层叠更多的层，如10层至50层。作为发电元件的各电池5均由燃料电极集电体7/膜电极组件(MEA)/空气电极集电体8构成。这种电池与相邻的上、下电池通过位于其间的绝缘体13而隔开。如下所述，MEA包括结合为一体的燃料电极(阳极)2、固体电解质1和空气电极(阴极)3。
由燃料气体入口61将燃料气体供给至由构成燃料电极集电体7的铝镀覆体所占有的燃料气体流路11中。通过机构(未示出)由空气入口62将空气供给至由构成空气电极集电体8的多孔体(Ni网等)所占有的空气流路12中。
燃料气体流路11为在电池5中的MEA与分隔体(连接体)13之间形成的空间，其中该分隔体13将MEA与上层电池隔开。燃料气体流路11被构成燃料电极集电体7的镀铝多孔体占有。空气流路12为在电池5中的MEA与分隔体(连接体)13之间形成的空间，其中该分隔体13将MEA与下层电池隔开。空气流路12被构成空气电极集电体8的金属多孔体占有。
层叠的电池5通过位于其间的连接体13而串联在一起。通过阳极端子7a和阴极端子8a将所产生并收集的电力向外输出。通过设置于上端板21和下端板22的螺栓等将电池层叠体10固定。
图4为示出作为发电元件的电池5中所发生的电化学反应的说明图。当诸如氢气之类的燃料气体流过占有并阻碍燃料气体流路11的镀铝多孔体7时，燃料气体处于湍流状态。处于这种湍流状态中的氢与燃料电极2之间发生更长时间的接触的可能性更高。因此，燃料电极2的催化剂等使燃料电极(阳极)反应H2→2H++2e-高速进行。在燃料电极处产生的质子H+由燃料电极2流过固体电解质1并到达空气电极3。无法流过固体电解质1的电子e-流过电路线(未示出)到达空气电极(阴极)。空气电极(阴极)3暴露于空气中的氧气 O2。已到达空气电极3的质子H+和电子e-在空气电极3的催化下与氧气反应，从而进行了空气电极(阴极)反应2H++2e-+1/2O2→H2O。
燃料电极2的材料的例子包括Ni和Fe等金属与包括ZrO2系陶瓷(例如，经Se或Y等至少一种稀土元素稳定化的氧化锆)和CeO2系陶瓷在内的陶瓷中的至少一者的混合物。其他例子包括金属，如Pt、Au、Ag、Pd、Ir、Ru、Rh、Ni和Fe。这些金属可单独使用，或者使用两种或更多种金属的合金。其他例子包括含有这种金属和/或这种合金以及上述陶瓷中的至少一者的混合物(包括金属陶瓷)。其他例子包括含有Ni和Fe等金属的氧化物以及上述陶瓷中的至少一者的混合物。
空气电极3的材料的例子包括各种金属、金属氧化物、以及复合金属氧化物。金属的例子包括Pt、Au、Ag、Pd、Ir、Ru和Rh等金属，以及含有这些金属中的两种或多种的合金。金属氧化物的例子包括La、Sr、Ce、Co、Mn、Fe等的氧化物(例如，La2O3、SrO、Ce2O3、Co2O3、MnO2和FeO)。复合氧化物的例子包括至少含有La、Pr、Sm、Sr、Ba、Co、Fe或Mn的复合氧化物(La1- xSrxCoO3系复合氧化物、La1-xSrxFeO3系复合氧化物、La1-xSrxCo1-yFeyO3系复合氧化物、La1- xSrxMnO3系复合氧化物、Pr1-xBaxCoO3系复合氧化物和Sm1-xSrxCoO3系复合氧化物)。
在本发明中，固体电解质1的材料极为重要。燃料电极集电体7由镀铝多孔体构成。因此，燃料电池本体10的温度需要维持为小于660℃(660℃为铝的熔点)。然而，当在(例如)600℃下加热时，上述电化学反应是否以满足实用水平的足够高的速率进行则取决于固体电解质。对于这一点，将在下文中关于加热温度的段落中加以说明。
本实施方案中重要的一点是利用镀铝多孔体形成燃料电极集电体7。即，镀铝多孔体7占有并阻碍了燃料气体流路11。镀铝多孔体7的独特优势如下。
(A1)该多孔体相对于现有多孔体的显著优势在于：因为该多孔体由铝形成，因而其具有高导热率，并且使燃料电池50能够在燃料电池50启动后短时间内开始运行。该特征对于这种产品的用户来说极为 重要，并且是选择这种产品的重要标准。例如，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。在这种情况中，在这种燃料电池的运行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，这也是极为优选的。
(A2)该多孔体具有高导电率或低电阻。因此，该多孔体可充当具有低电阻的燃料电极(阳极)集电体，这降低了整个系统的电阻。由此，可提高燃料电池的发电效率。
不仅是镀铝多孔体，还可通过(例如)镀镍多孔体来获得其他优势。这些优势如下。
(B1)使燃料气体流处于湍流状态，由此使与燃料电极(阳极)2接触的气流部分连续地移动，并供给新的氢气。结果，氢的分解效率可以提高。
(B2)镀覆多孔体的存在降低了未反应便流过的氢的比例。
(B3)可将孔隙率设定为0.65以上0.99以下的高值，例如为0.95以上0.98以下。因此，全部由镀覆形成的镀铝多孔体7能够抑制压力降的增加。
图5A和5B示出了镀铝多孔体。图5A示出了多孔形式。图5B示出了片状制品。图5A示出了孔隙率较高，大致为0.95以上。图5B示出了边长为10cm至20cm的矩形片材。在由镍等各种金属形成的镀覆多孔体产品中，图5A和5B示出了可由住友电气工业株式会社购得的产品名为Celmet(注册商标)的镀铝多孔体。
制造由铝或铝合金形成的镀覆多孔体的方法如下。首先通过发泡处理使聚氨酯等树脂发泡，从而制备发泡树脂。接下来，进行使由发泡形成的孔转变为连通孔的连通孔形成处理。连通孔形成处理主要包括除膜处理。连通孔的形成是通过爆发处理(explosiontreatment)之类的加压处理或者化学处理除去形成于孔上的薄膜而实现的。此后，在孔的内壁上沉积导电性碳膜，或者通过无电镀等在孔的内壁上形成导电性薄膜。接下来，进行电镀以在该导电性碳膜或导电性薄膜上形 成金属镀层。这种金属镀层将充当三维网状金属体的骨架。利用含有铝离子的镀液进行金属镀覆，以形成铝镀层。接下来，进行热处理以除去树脂。由此，仅留下了金属镀层，从而提供了镀铝多孔体。
Al具有高导电率以及高导热率。然而，Al具有660℃的低熔点。因此，曾认为几乎不会需要Al。因而未曾讨论过镀铝多孔体。
图6示出了通过上述方法制得的镀覆多孔体7的比表面积(y：m2/m3)与孔尺寸(x：mm)之间的关系。图6示出了镀Ni多孔体的测量数据；通过与镀Ni多孔体中相同的方法制得的镀Al多孔体也获得了同样的数值。因此，可将图6中的关系视为镀Al多孔体的数据。可进行上述制造方法以获得0.05mm至3.2mm范围内的孔尺寸。在利用聚氨酯的情况中，对于相同的孔尺寸，比表面积的测量值大于双曲线(x-0.3)y＝400或(x-0.3)y＝600的比表面积值。双曲线的孔尺寸的下限值(渐近线)0.3mm相当于利用聚氨酯的情况。(x-0.3)y的值较大可提供这样的优势：维持使气体处于湍流状态的功能，从而使燃料电极2连续地与新的气体接触并反应，并且能够使压力降降低。基于这一原因，(x-0.3)y优选满足400≤(x-0.3)y，更优选满足600≤(x-0.3)y。过大的孔尺寸会导致(例如)燃料气体未反应便流过。因此，(x-0.3)y的上限优选为约3000，更优选为约2000。
在使用三聚氰胺替代聚氨酯的情况中，孔尺寸的下限值为0.05mm。关于通过利用三聚氰胺进行制造而提供的骨架，未对孔尺寸与比表面积的乘积的表达式进行说明。然而，当孔隙率落在0.6以上0.99以下的范围中时，通过利用三聚氰胺进行制造而提供的金属多孔体也落在本发明范围内。
在金属粉末烧结体的情况中，孔尺寸在0.05mm至0.3mm的范围内，更优选在0.10mm至0.2mm范围内。与图6中的关系式(x-0.3)y＝400(其相当于利用聚氨酯树脂多孔体模具进行制造)相比，其比表面积在极低范围内。虽然也存在着对骨架形状的影响，但是一般而言，孔隙率越高，比表面积越大。因此，尽管镀铝多孔体7具有与金属粉末烧结体相同的导电率和相同的湍流形成功能，但是与金属粉末烧结体相比，镀铝多孔体7能够降低压力降。
空气电极集电体8同样需要为导电性多孔体。在空气电极3一侧，作为氧化性气体的氧气参与反应。因此，耐氧化性是非常重要的。因而，空气电极集电体可由(例如)Fe-Cr合金网或Pt网构成。这种网可为由纵向细线和横向细线以预定间隔布置而构成的编织网，或者为通过对金属板进行冲压而形成的栅格(网)板。Fe-Cr、Pt等在约650℃以下表现出足够高的耐氧化性。
<关于燃料电池本体的运行温度和固体电解质>
如上所述，本发明实施方案中使用镀铝多孔体作为燃料电极集电体7。因此，燃料电池本体10需要维持在小于铝的熔点(660℃)的温度。因此，例如，当在600℃下加热的过程中，发电的电化学反应需要以满足实用水平的足够高的速率进行。实现这一点的重要因素之一是利用质子透过性电解质作为固体电解质1。与(例如)氧离子等相比，质子在固体电解质1中移动速度快，可在短时间内通过固体电解质1。因此，无需如现有情况中那样在700℃至900℃下进行加热，在约600℃下加热便可实现足够的发电效率和发电密度。
这种质子透过性固体电解质可具有钙钛矿结构或类钙钛矿结构，并且可由ABC氧化物表示，其中A表示选自Ba和Sr中的一者或两者，B表示选自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。其中，尤其适合的固体电解质的例子包括：含钡电解质，如BCY(掺杂有钇的钡铈氧化物)、BZY(掺杂有钇的钡锆氧化物)、作为它们的中间体的BZCY；以及含锶电解质，如SZY(掺杂有钇的锶锆氧化物)、SCY(掺杂有钇的锶铈氧化物)、作为它们的中间体的SZCY。
当燃料电池本体10在不超出550℃至650℃范围的温度下运行时，降低了用于加热的电力消耗，并且随着电力消耗的降低，发电效率得以提高。还有如下所述的其他显著优势。在图3中，现有情况中在700℃至900℃加热时所用的阳极端子7a和阴极端子8a的材料需要具有耐高温氧化性；因此，使用了作为高合金的铬镍铁合金、或者导电性陶瓷。然而，这些材料价格高昂，其在燃料电池本体的制造成本中所占比例较大。相反，在加热温度不超出550℃至650℃的预定温度范围的本发 明实施方案的情况中，不再需要将铬镍铁合金等用于阳极端子7a等，而是可替换为通用型不锈钢SUS304等。由此，可大幅降低燃料电池的制造成本。
实施例
(实施例1加热温度的影响)
制造阳极支撑型MEA并评价其性能。对NiO和BCY(掺杂有钇的钡铈氧化物)进行球磨，然后进行单轴成形加工以形成为片状。将其作为燃料电极(阳极)，即，含Ni的BCY阳极2。将该阳极在1000℃下预烧结。接下来，通过丝网印刷将待形成固体电解质1的BCY糊施加于经过预烧结的阳极上。通过在750℃下进行粘结剂去除处理，从而将在丝网印刷过程中添加的粘结剂蒸发掉。在1400℃下进行共烧结。此后，将待形成空气电极(阴极)3的锰酸锶镧(LSM)施加至共烧结体，并在1000℃下烧制。燃料电极2配有镀铝多孔体7。空气电极3配有FeCr合金线网或Pt线网。由此，提供了电池5。电池5具有如下构成。
空气电极集电体8(Fe-Cr合金或Pt网)/空气电极3(LSM)/固体电解质1(BCY)/燃料电极2(Ni-BCY)/燃料电极集电体7(镀铝多孔体)
在该层叠体中，空气电极3的厚度为20μm至30μm；固体电解质1的厚度为30μm至50μm；燃料电极的厚度为500μm至1mm。
电池层叠体10包括五层电池5的层叠体。在600℃、650℃、700℃和800℃这四种温度下对电池层叠体10进行加热，并评价其发电性能。利用嵌在上端板21中的热电偶监测其温度。
图7示出了评价结果。图7清楚地表明了温度越高，则发电密度越高。然而，在600℃下，发电密度达到了300mW·cm-2，这足以满足实用水平。该实施例1采用了阳极支撑型MEA。因此，形成了较小厚度的固体电解质。在评价后检测该固体电解质，发现部分固体电解质中存在裂纹。因此，可能发生了氢气与空气的混合，与下述实施例2相比，这导致了相对较低的发电密度。
(实施例2)
制造了电解质支撑型MEA，并评价(例如)加湿的影响。对BZY(掺杂有钇的钡锆氧化物)粉末进行球磨，然后在1000℃下预烧制，接下来再次进行球磨粉碎。此后，对该粉末进行单轴成形加工，并在1600℃的氧气气氛中进行热处理24小时。由此提供了固体电解质1。将待形成空气电极的镧锶钴铁(LSCF)施加至固体电解质1，并在1000℃下烧制。通过无电镀形成银(Ag)膜以提供燃料电极2。由此，制得MEA。此后，如实施例中那样设置电极集电体。电池5具有如下构成。
空气电极集电体8(Fe-Cr合金或Pt网或者Ag网)/空气电极3(LSCF)/固体电解质1(BZY)/燃料电极2(Ag或Ni-BZY、NiFe系合金)/燃料电极集电体7(镀铝多孔体)
在实施例1中，固体电解质1的厚度为30μm至50μm。然而，实施例2中采用了电解质支撑型构成，因此所形成的固体电解质1的厚度为275μm。空气电极3的厚度为40μm；燃料电极2的厚度为40μm。
图8示出了评价结果。图8表明了于600℃下在阴极侧加湿导致了160mWcm-2的高发电密度。即使在未加湿的情况中，也可实现80mW·cm-2的发电密度。已知加湿的益处并非针对固体电解质，而是针对Nafion(注册商标)，Nafion因其质子传导性而为人所熟知。在固体电解质中也证实了湿度对质子传导性的重要性。
图8中的评价结果表明：通过选择质子传导性固体电解质并进行加湿等，可在约600℃的加热温度下实现足以满足实用水平的发电效率。
如上披露的本发明实施方案的结构仅为例子而已。本发明的范围并不局限于所描述的范围。本发明的范围由权利要求书示出，并且旨在涵盖与权利要求等同的范围和含义内的所有更改。
工业适用性
本发明能够提供这样的燃料电池，该燃料电池采用由铝或铝合金 形成的镀覆多孔体作为燃料电极集电体，使得该燃料电池可在650℃以下运行，该温度是未曾预料到的低温，并且该燃料电池可在电池启动后短时间内运行。该燃料电池(例如)能够实现高的发电效率和高经济性。本发明还可提供运行该燃料电池的方法。
参考符号列表
1 固体电解质；2 燃料电极(阳极)；3 空气电极(阴极)；5 电池(发电元件)；7 燃料电极集电体；7a阳极端子；8 空气电极集电体；8a 阴极端子；10燃料电池本体(电池层叠体)；11 燃料气体流路；12 空气流路；13 连接体(分隔体)；21 第一板(上端板)；22 第二板(下端板)；50 燃料电池；61 燃料气体入口；62 空气入口；63 出口；71 燃料气体原料罐；72改质装置；75 压缩机

Claims (4)

1.一种燃料电池，其通过电化学反应由含氢燃料气体和空气发电，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，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；
通过电力运行的加热装置；以及
温度控制系统，其控制供至所述加热装置的电力、所述燃料气体的流速、以及所述空气的流速中的至少一者，以使得所述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，
其中所述固体电解质为质子透过性电解质，该质子透过性电解质具有钙钛矿结构或类钙钛矿结构，并且其组成由ABC氧化物表示，其中A表示选自Ba和Sr中的一者或两者，B表示选自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，
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
所述燃料电池包括：作为下游单元的燃料电池本体，其包括所述燃料气体的入口和所述空气的入口；以及改质装置，其设置于所述燃料电池本体的上游并且将所述燃料气体改质，其中所述改质装置的运行温度设定为高于所述燃料电池本体的运行温度，所述燃料电池本体的运行温度为550℃至650℃，所述改质装置的运行温度为660℃至750℃。
2.根据权利要求1所述的燃料电池，其中构成所述燃料电极集电体的所述金属多孔体为通过铝或铝合金的镀覆而形成的多孔体。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池，包括增加湿度的加湿装置，并且该加湿装置设置于所述空气被导入所述空气电极处的部分的上游和/或所述燃料气体被导入所述燃料电极处的部分的上游。
4.一种运行燃料电池的方法，该燃料电池通过电化学反应由含氢燃料气体和空气发电，
其中所述燃料电池包括：膜电极组件，该膜电极组件包括燃料电极、质子透过性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，并且该金属多孔体由铝或铝合金形成；以及通过电力运行的加热装置，
所述燃料电池包括燃料电池本体以及设置于该燃料电池本体的上游的改质装置，其中所述改质装置的运行温度设定为高于所述燃料电池本体的运行温度，所述燃料电池本体的运行温度为550℃至650℃，所述改质装置的运行温度为660℃至750℃，并且
所述燃料气体的流速、所述空气的流速、以及供至所述加热装置的电力受到控制，以使得所述燃料电极集电体的温度不超出550℃至650℃的范围，
其中所述质子透过性电解质具有钙钛矿结构或类钙钛矿结构，并且其组成由ABC氧化物表示，其中A表示选自Ba和Sr中的一者或两者，B表示选自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。
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