CN112166516B - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

提供一种燃料电池系统，其构造简化并且能够有效地生成用于重整的水蒸气。该燃料电池系统具有电池(1)，其能够发电并且具有：燃料电极(1a)，通过重整燃料气体获得的氢气馈送至该燃料电极；空气电极(1b)，大气中的氧气馈送至该空气电极；以及电解质(1c)，其布置在燃料电极(1a)和空气电极(1b)之间，并允许馈送至空气电极(1b)的空气中的氧离子穿过而到达燃料电极(1a)，所述燃料电池系统设置有水蒸气保持装置(6)，其布置在馈送至燃料电极(1a)的燃料气体的循环通道中，并且能够保持与电池(1)的发电关联地在燃料电极(1a)中生成的水蒸气并能够使水蒸气与燃料气体混合。

Description

燃料电池系统
技术领域
本发明涉及一种燃料电池系统，其包括能够发电的电池，该电池包括：燃料电极，通过重整燃料气体获得的氢气被供给至所述燃料电池；空气电极，空气中的氧气被供给至所述空气电极；电解质，其插设在燃料电极和空气电极之间，并允许空气电极中产生的氧离子穿过而到达燃料电极。
背景技术
燃料电池系统以氢气或碳氢化合物为燃料，并能够通过燃料和氧气的电化学反应发电。众所周知，燃料电池系统具有高能量转换效率，近来提出了各种类型的燃料电池系统。当使用碳氢化合物作为燃料时，需要由碳氢化合物产生氢气的重整反应，氢气是通过其中碳氢化合物与水反应的蒸气重整产生的。因为蒸气重整反应是吸热反应，所以需要600℃以上的温度，并且需要持续供给600℃以上的热量。特别是，被称为固体氧化物燃料电池(SOFC)的燃料电池的操作温度为600℃以上。因为发电产生的温度接近于由作为燃料的碳氢化合物产生氢气的重整反应的温度，所以能够利用燃料电池的废热由碳氢化合物产生氢气(通过重整反应)，并实现更高的发电效率。
因此，在传统的固体氧化物燃料电池中，汽化器和重整器是分开附接的。在这种情况下，从外部供给水，由诸如民用燃气之类的碳氢化合物产生氢气，并供给燃料电池以发电。已经考虑到，在发电过程中产生的水被再利用，以提高发电效率。例如，专利文献1中公开的系统具有这样的结构，即在发电过程中产生的部分废气回流到燃料中，因此在发电过程中产生的水蒸气被再利用。专利文献2公开了一种系统，在该系统中，通过泵将发电过程中产生的含有水蒸气的废气循环到重整器中并与燃料气体混合，从而将水蒸气再利用于重整。
引用列表
专利文献
专利文献1：日本特开2005-222899号公报
专利文献2：日本特开2014-41804号公报
发明内容
技术问题
但是，在上述传统技术中，因为在专利文献1中只能利用部分废气，所以很难维持重整所需的足够量的水蒸气。在专利文献2中，需要控制传感器、用于收集和循环废气的泵和管道等，其缺点在于燃料电池系统复杂。本申请人重点关注在燃料电池发电过程中，燃料电极中会生成水蒸气的事实，并考虑保持水蒸气并将其直接用于重整。
鉴于上述情况而做出本发明，其一个目的是提供一种结构简单但能有效获得重整用的水蒸气的燃料电池系统。
问题的解决方案
第一方面的发明是一种燃料电池系统，所述燃料电池系统包括能够发电的电池，所述电池包括：燃料电极，通过重整燃料气体获得的氢气被供给至所述燃料电极；空气电极，空气中的氧气被供给至所述空气电极；以及电解质，所述电解质插设在所述燃料电极和所述空气电极之间，并允许由供给至所述空气电极的空气中的氧气生成的氧离子穿过而到达所述燃料电极，其中，所述燃料电池系统还包括水蒸气保持装置，所述水蒸气保持装置布置在待供给至所述燃料电极的燃料气体的流路中，保持在所述电池发电期间所述燃料电极中生成的水蒸气，并允许所述水蒸气与所述燃料气体混合。
根据第二方面的发明，在第一方面的燃料电池系统中，所述水蒸气保持装置包括使所述燃料气体的反应得以进行从而生成氢气的重整催化剂，并允许利用所述重整催化剂的催化反应生成的氢气供给至所述燃料电极。
根据第三方面的发明，在第一或第二方面的燃料电池系统中，所述水蒸气保持装置包括具有透气性和柔韧性的片状构件。
根据第四方面的发明，在第一至第三方面中的任一方面的燃料电池系统中，所述水蒸气保持装置包括具有无机纤维或有机纤维的纸状构件，并支撑使所述燃料气体的反应得以进行从而生成氢气的重整催化剂。
根据第五方面的发明，在第一至第四方面中的任一方面的燃料电池系统还包括：所述燃料电池系统还包括：燃料电极侧端子，所述燃料电极侧端子电连接至所述燃料电极，并且在所述燃料电极侧端子中形成有供燃料流过的燃料通道；以及空气电极侧端子，所述空气电极侧端子电连接至所述空气电极，并且在所述空气电极侧端子中形成有供所述空气流过的空气通道，其中，所述水蒸气保持装置布置在所述燃料电极侧端子的所述燃料通道与所述燃料电极之间。
根据第六方面的发明，在第五方面的燃料电池系统中，所述水蒸气保持装置具有导电性，并且将所述燃料电极侧端子电连接至所述燃料电极。
根据第七方面的发明，第一至第四方面中的任一方面的燃料电池系统还包括：燃料电极侧端子，所述燃料电极侧端子电连接至所述燃料电极，并且在所述燃料电极侧端子中形成有供燃料流过的燃料通道；以及空气电极侧端子，所述空气电极侧端子电连接至所述空气电极，并且在所述空气电极侧端子中形成有供所述空气流过的空气通道，其中，所述水蒸气保持装置布置在所述燃料电极侧端子的所述燃料通道中。
根据第八方面的发明，在第一至第四方面中的任一方面的燃料电池系统的电池中，所述燃料电极、所述电解质和所述空气电极各自形成为管状，并且所述水蒸气保持装置形成为沿所述燃料电极的内圆周表面或外圆周表面延伸的管状。
本发明的有益效果
第一方面的发明包括水蒸气保持装置，所述水蒸气保持装置布置在待供给至所述燃料电极的燃料气体的流路中，保持在所述电池发电期间所述燃料电极中生成的水蒸气，并允许所述水蒸气与所述燃料气体混合。因此，不需要从外部供给水，也不需要用于汽化水的单独水汽化器。而且，能够利用简单的结构有效地获得重整用的水蒸气。
在第二方面的发明中，所述水蒸气保持装置包括使所述燃料气体的反应得以进行从而生成氢气的重整催化剂，并允许利用所述重整催化剂的催化反应生成的氢气供给至所述燃料电极。因此，不需要使燃料气体的反应得以进行从而生成氢气的单独重整器，并且能够利用简单的结构有效地获得重整用水蒸气。
在第三方面的发明中，所述水蒸气保持装置包括具有透气性和柔韧性的片状构件。因此，所述水蒸气保持装置能够容易地经受诸如弯曲之类的加工，并且能够容易地布置在燃料电池系统的任何适当位置。
在第四方面的发明中，所述水蒸气保持装置包括具有无机纤维或有机纤维的纸状构件，并支撑使所述燃料气体的反应得以进行从而生成氢气的重整催化剂。因此，能够使用例如通用的湿法造纸容易地形成包括重整催化剂的水蒸气保持装置。
在第五方面的发明中，所述水蒸气保持装置布置在所述燃料电极侧端子的所述燃料通道与所述燃料电极之间。因此，在燃料电池发电期间，燃料电极中生成的水蒸气能够可靠而顺畅地与燃料气体混合，并且能够有效地对燃料气体进行重整。
在第六方面的发明中，所述水蒸气保持装置具有导电性，并且将所述燃料电极侧端子电连接至所述燃料电极。因此，借助所述水蒸气保持装置能够可靠地建立所述燃料电极侧端子与所述燃料电极之间的电连接。
在第七方面的发明中，所述水蒸气保持装置布置在所述燃料电极侧端子的所述燃料通道中。因此，所述燃料电极侧端子和所述燃料电极可以安装成相互接触，并且即使在水蒸气保持装置不具有导电性的情况下，燃料电极侧端子和燃料电极也能够可靠地彼此电连接。
在第八方面的发明中，所述电池的所述燃料电极、所述电解质和所述空气电极各自形成为管状，并且所述水蒸气保持装置形成为沿所述燃料电极的内圆周表面或外圆周表面延伸的管状。因此，燃料和空气能够很容易地利用管状的内空间和外空间流动。
附图说明
[图1]是示出根据本发明的第一实施方式的燃料电池系统的立体图。
[图2]示出图1的燃料电池系统的平面图和前视图。
[图3]是沿图2中的线III-III剖切的剖视图。
[图4]是示出燃料电池系统的电池的剖视图。
[图5]是燃料电池系统的分解立体图。
[图6]是根据本发明的另一个实施方式的燃料电池系统(水蒸气保持装置布置在燃料电极侧端子的燃料通道中)的剖视图。
[图7]是根据本发明的另一个实施方式的燃料电池系统(燃料通道形成在电池的燃料电极中)的剖视图。
[图8]是根据本发明的另一个实施方式的燃料电池系统(燃料通道形成在电池的燃料电极中，并且水蒸气保持装置布置在燃料通道中)的剖视图。
[图9]是根据本发明的另一个实施方式的燃料电池系统(在燃料电极侧和空气电极侧端子中没有形成通道)的剖视图。
[图10]是示出根据本发明的第二实施方式的燃料电池系统(水蒸气保持装置布置在管状电池的内圆周表面上)的立体图。
[图11]是示出图10的燃料电池系统的内部结构的剖视图。
[图12]是示出根据本发明的另一个实施方式的燃料电池系统(强度提高的水蒸气保持装置布置在燃料电极上)的立体图。
[图13]是示出根据本发明的另一个实施方式的燃料电池系统(水蒸气保持装置和支撑件布置在燃料电极上)的立体图。
[图14]是示出根据本发明的另一个实施方式的燃料电池系统(水蒸气保持装置布置在电池的外圆周表面上)的立体图。
[图15]是示出图14的燃料电池系统的内部结构的剖视图。
[图16]是示出根据本发明的另一个实施方式的燃料电池系统(强度提高的水蒸气保持装置布置在电池的外圆周表面上)的立体图。
[图17]是示出根据本发明的另一个实施方式的燃料电池系统(支撑件和水蒸气保持装置布置在电池的外圆周表面上)的立体图。
[图18]是示出根据本发明的另一个实施方式的燃料电池系统(支撑件布置在串联连接的电池的内圆周表面上，并且水蒸气保持装置布置在电池的外圆周表面上)的立体图。
[图19]是示出燃料电池系统的电连接状态的剖视图。
[图20]是示出燃料电池系统的生产方法的示意图。
[图21]是示出根据本发明的另一个实施方式的燃料电池系统(强度提高的水蒸气保持装置布置在串联连接的电池的内圆周表面上)的立体图。
[图22]是示出根据本发明的另一个实施方式的燃料电池系统(支撑件和水蒸气保持装置布置在串联连接的电池的内圆周表面上)的立体图。
[图23]是示出根据本发明的另一个实施方式的燃料电池系统(电池的燃料电极中形成有多个孔，并且水蒸气保持装置布置在孔中)的立体图(沿轴向方向局部分解)。
[图24]是示出根据本发明的另一个实施方式的燃料电池系统(电池的空气电极中形成有多个孔，并且水蒸气保持装置布置在电池的外圆周表面上)的立体图。
[图25]示出了本发明的技术优越性的实验结果的图表。
具体实施方式
接下来将参照附图具体描述本发明的实施方式。
如图1至图5所示，根据第一实施方式的燃料电池系统包括电池1，该电池1能够发电并包括：燃料电极1a，通过重整燃料气体获得的氢气供给至该燃料电极1a；空气电极1b，空气中的氧气供给至该空气电极1b；以及电解质1c，其插设在燃料电极1a和空气电极1b之间，并允许空气电极1b中生成的氧离子穿过而到达燃料电极1a。该燃料电池系统还包括燃料电极侧端子2(分离器)、空气电极侧端子3(分离器)、燃料电极侧集流器4、空气电极侧集流器5和水蒸气保持装置6。在本实施方式中，本发明应用于一种包括具有平板结构的单电池的燃料电池系统。
电池1被称为固体氧化物燃料电池(SOFC)，并且特别适用于内部重整型燃料电池系统。电池1具有堆叠结构，其中固体电解质1c保持在燃料电极1a(阳极)和空气电极1b(阴极)之间，并且完全由固体材料形成。在形成电池1的诸如固体氧化物燃料电池之类的高温型燃料电池系统中，电池发电期间产生的温度接近重整反应的温度。因此，可以利用燃料电池的废热(通过重整反应)由碳氢化合物生成氢气，实现高发电效率。
电池1的电解质1c由诸如陶瓷(ZrO2、CeO2或Ga基氧化物)之类的氧离子导电材料制成。燃料电极1a形成为与电解质1c的一个表面接触，并且空气电极1b形成为与另一个表面接触。燃料电极1a(阳极)例如是作为含有电解质1c的原料的电极，通过混合催化剂(如NiO)和造孔剂并烧制该混合物而制备的。将通过重整燃料气体获得的氢气供给至燃料电极1a，并且燃料电极1a经由燃料电极侧集流器4和水蒸气保持装置6与燃料电极侧端子2(分离器)电连接。电池1的空气电极1b(阴极)例如形成为含有诸如镧、锶或钴之类的金属的氧化物的电极。向空气电极1b供给空气中的氧气，并且空气电极1b经由空气电极侧集流器5与空气电极侧端子3(分离器)电连接。
在空气电极1b中，由供给的空气中的氧和电子生成氧离子，并且生成的氧离子朝向燃料电极1a穿过电解质1c。在燃料电极1a中，通过重整燃料气体获得的氢气与穿过电解质1c的氧离子发生反应，由此生成水(H2O)。所生成的电子流经未示出的负载到达空气电极1b，因此能够发电。
因为固体氧化物燃料电池的反应温度高(即600℃以上)，所以所有水(H2O)都生成为水蒸气。燃料气体由诸如民用燃气或LP气体(甲烷、乙烷、丙烷或丁烷)之类的烃基气体构成，并在支撑在水蒸气保持装置6上的重整催化剂的作用下，发生催化反应，由此可以生成氢气。因此，在燃料电极1a中，除了水(H2O)之外，还生成一氧化碳(CO)和二氧化碳(CO2)。所供给的燃料气体除了烃基气体之外，还可以是由醇类和醚类构成的气体。
燃料电极侧端子2由具有导电性的耐热金属板形成。燃料电极侧端子2的内侧(单电池的内侧)形成有用于燃料流动的燃料通道2a，并且燃料电极侧端子2与燃料电极1a电连接。燃料通道2a包括形成在燃料电极侧端子2中的多个槽(可以包括一个槽)，并且在燃料电极侧端子2堆叠在水蒸气保持装置6上的情况下形成可供燃料流动的通路。电池1和燃料电极侧端子2之间附接有燃料电极侧垫圈7。燃料电极侧垫圈7防止流经燃料通道2a的燃料气体向外泄漏。燃料电极侧端子2的外侧形成有与燃料通道2a相似的槽2b。当单电池堆叠形成堆时，单电池中的槽2b形成相邻单电池的空气通道。
空气电极侧端子3由具有导电性的耐热金属板形成。空气电极侧端子3的内侧(单电池的内侧)形成有用于空气流动的空气通道3a，并且空气电极侧端子3与空气电极1b电连接。空气通道3a包括形成在空气电极侧端子3中的多个槽(可以包括一个槽)，并且在空气电极侧端子3堆叠在空气电极侧集流器5上的情况下形成可供空气流动的通路。电池1和空气电极侧端子3之间附接有空气电极侧垫圈8。空气电极侧垫圈8防止流经空气通道3a的空气向外泄漏。空气电极侧端子3的外侧形成有与空气通道3a相似的槽3b。当单电池堆叠形成堆时，单电池中的槽3b形成相邻单电池的燃料通道。
燃料电极侧集流器4包括插设在电池1的燃料电极1a与燃料电极侧端子2及水蒸气保持装置6二者之间的导电构件，并用于维持燃料电极1a和燃料电极侧端子2之间的良好电接触。燃料电极侧集流器4例如由金属网、金属海绵、多孔金属等形成。空气电极侧集流器5包括插设在电池1的空气电极1b和空气电极侧端子3之间的导电构件，并用于维持空气电极1b和空气电极侧端子3之间的良好电接触。空气电极侧集流器5例如由金属网、金属海绵、多孔金属等形成。
水蒸气保持装置6布置在待供给至燃料电极1a的燃料气体的流路中(在本实施方式中，燃料电极侧端子2的燃料通道2a与电池1的燃料电极1a之间)，保持电池1发电期间在燃料电极1a中产生的水蒸气，并使水蒸气与供给至燃料通道2a的燃料气体混合。本实施方式中的水蒸气保持装置6包括使燃料气体的反应得以进行从而生成氢气的重整催化剂，并且利用重整催化剂的催化反应生成的氢气可以被供给至燃料电极1a。
更具体地说，本实施方式中的水蒸气保持装置6包括具有透气性和柔韧性的片状构件，并由具有无机纤维或有机纤维的纸状构件形成，并且水蒸气保持装置6支撑使燃料气体的反应得以进行从而生成氢气的重整催化剂。例如，诸如陶瓷纤维和纸浆之类的有机纤维和无机纤维与规定量的水混合，并加入作为担体的镁和铝的复合氧化物。然后加入阳离子聚合物、氧化铝溶胶和聚合物絮凝剂，将混合物进行造纸、压制、干燥，从而获得具有透气性和柔韧性的片状构件。将获得的片状构件在600至850℃下烧制1至24小时，在含有用作催化剂的金属离子的水溶液中浸泡0.1至4小时，干燥后在600至800℃下烧制1至24小时，由此可以获得水蒸气保持装置6。可以通过从硝酸镍、硫酸镍、氯化镍、硝酸Ru、硫酸Ru、氯化Ru、硝酸Rh、硫酸Rh、氯化Rh等中选择至少一种来制备含有用作催化剂的金属离子的水溶液。片状构件的烧制温度优选为700℃至800℃，并且烧制时间优选在2至10小时的范围内。
这样获得的水蒸气保持装置6包括使用镁和铝的复合氧化物作为担体支撑诸如Ni、Ru或Rh之类的催化剂金属(即，使燃料气体的反应得以进行从而生成氢气的重整催化剂)的纸状构件。例如，水蒸气保持装置6的厚度优选为约0.1至约1.0(mm)，孔隙率优选为约70至约90(％)，并且催化剂金属的量优选为约2至9.5(mg/cm2)。孔隙率低于70％是非优选的，因为燃料气体不太可能扩散，并且压力损失增加。孔隙率超过90％是非优选的，因为催化剂和燃料气体之间的接触减少，并且催化性能下降。催化剂金属量小于2mg/cm2是非优选的，因为不能获得足够的催化性能。催化剂金属量大于9.5mg/cm2是非优选的，因为催化剂颗粒发生烧结，并且颗粒直径增大。在这种情况下，不能获得与加入的催化剂金属量相称的催化性能。随着纸厚度的减小，燃料电池系统本身的体积也会减小。然而，0.1mm以下的纸厚度是非优选的，因为孔隙率和催化剂金属量倾向于是不均匀的。纸厚度为1.0毫米以上是非优选的，因为纸所占体积增大，并且燃料电池系统本身的体积也增大。
如下获得根据本实施方式的燃料电池系统。如图5中所示，在燃料电极侧端子2的一个表面上安装燃料电极侧垫圈7、水蒸气保持装置6和燃料电极侧集流器4，并且在空气电极侧端子3的一个表面上安装空气电极侧垫圈8和空气电极侧集流器5。然后将燃料电极侧端子2组件和空气电极侧端子3组件与插设在其中的电池1结合起来，从而获得单电池。然后堆叠所需数量的单电池。
优选地，水蒸气保持装置6具有导电性，并将燃料电极侧端子2与燃料电极1a电连接。水蒸气保持装置6可以形成为网状，以进一步改善电连接和透气性。当水蒸气保持装置6由如上所述将燃料电极侧端子2与燃料电极1a电连接的导电材料形成时，借助水蒸气保持装置可以可靠地建立燃料电极侧端子与燃料电极之间的电连接。当水蒸气保持装置6由将燃料电极侧端子2与燃料电极1a电连接的导电材料形成时，可以省略燃料电极侧集流器4。
如图6中所示，水蒸气保持装置6可以布置在燃料电极侧端子2的燃料通道2a中。通过如上所述将水蒸气保持装置6布置在燃料电极侧端子2的燃料通道2a中，可以将燃料电极侧端子2和燃料电极1a安装成相互接触，并且即使在水蒸气保持装置6不具有导电性的情况下，燃料电极侧端子2和燃料电极1a也能够以可靠的方式电连接。
如图7中所示，电池1的燃料电极1a中可以形成有燃料通道1aa，并且可以使燃料气体流经燃料通道1aa进行供给。此外，如图8中所示，水蒸气保持装置6可以布置在形成于燃料电极1a中的燃料通道1aa中。在这些情况下，可以仅在单电池的内侧的空气电极侧端子10中形成槽，以形成空气通道10a，也可以仅在单电池的外侧的燃料电极侧端子9中形成槽。当单电池堆叠时，单电池的燃料电极侧端子9中的槽用作相邻单电池的空气通道。
如图9中所示，燃料电极侧端子2'中可以不形成槽，并且可以使燃料气体仅流经其中布置有燃料电极侧集流器4和水蒸气保持装置6的部分(由燃料电极侧端子2'、电池1的燃料电极1a和燃料电极侧垫圈7所包围的空间)。此外，空气电极侧端子3'中可以不形成槽，并且可以使空气仅流经布置有空气电极侧集流器5的部分(由空气电极侧端子3'、电池1的空气电极1b和空气电极侧垫圈8所包围的空间)。
接下来，将描述根据本发明的第二实施方式的燃料电池系统。
如图10和图11中所示，在根据第二实施方式的燃料电池系统中，形成电池1的燃料电极1a、电解质1c和空气电极1b各自形成为管状，并且水蒸气保持装置6形成为沿燃料电极1a的内圆周表面延伸的管状。根据本实施方式的燃料电池系统包括与第一实施方式类似的未示出的燃料电极侧集流器以及未示出的空气电极侧集流器。将省略对与第一实施方式中的相同部件的详细描述。
如图11中所示，在燃料电池系统的电池1中，管状燃料电极1a布置在内侧，并且管状空气电极1b布置在外侧。电解质1c布置在燃料电极1a和空气电极1b之间，并且管状水蒸气保持装置6沿燃料电极1a的内圆周表面附接。使燃料气体在内侧流动，并且使空气在外侧流动。在空气电极1b中，由供给的空气中的氧和电子生成氧离子，生成的氧离子朝向燃料电极1a穿过电解质1c。在燃料电极1a中，通过重整燃料气体获得的氢气与穿过电解质1c的氧离子发生反应，由此生成水(H2O)。所生成的电子经由未示出的负载流入空气电极1b中，由此可以发电。
本实施方式中的水蒸气保持装置6布置在待供给至燃料电极1a的燃料气体的流路中(本实施方式中位于燃料电极1a的内侧)，保持电池1发电期间燃料电极1a中生成的水蒸气，并使水蒸气能够与供给的燃料气体混合。与第一实施方式中相同，本实施方式中的水蒸气保持装置6包括使燃料气体的反应得以进行从而生成氢气的重整催化剂，并且可以将利用重整催化剂的催化反应生成的氢气供给至燃料电极1a。水蒸气保持装置6的细节与第一实施方式中的相同。
如图12中所示，可以沿燃料电极1a的内圆周表面附接强度提高的水蒸气保持装置11来代替水蒸气保持装置6。另选地，如图13中所示，可以沿燃料电极1a的内圆周表面附接具有所需强度的支撑件12和水蒸气保持装置6。当堆叠或捆绑上述任何一个燃料电池系统中的单电池时，可以通过暴露必要的电极并使暴露的电极相互接触而建立串联连接。可以通过连接配线建立并联连接。
如图14和图15中所示，管状燃料电极1a可以布置在外侧，并且管状空气电极1b可以布置在内侧。电解质1c可以布置在燃料电极1a和空气电极1b之间，并且管状水蒸气保持装置6可以沿燃料电极1a的外圆周表面附接。在这种情况下，使燃料气体在外侧流动，并使空气在内侧流动。在空气电极1b中，由供给的空气中的氧和电子生成氧离子，并且生成的氧离子朝向燃料电极1a穿过电解质1c。在燃料电极1a中，通过重整燃料气体获得的氢气与穿过电解质1c的氧离子反应，生成水(H2O)。所生成的电子经由未示出的负载流向空气电极1b，由此可以发电。
在这种情况下，水蒸气保持装置6布置在待供给至燃料电极1a的燃料气体的流路中(在本实施方式中位于燃料电极1a的外侧)，保持电池1发电期间在燃料电极1a中生成的水蒸气，并使水蒸气能够与供给的燃料气体混合。与第一实施方式中相同，本实施方式中的水蒸气保持装置6包括使燃料气体的反应得以进行以生成氢气的重整催化剂，并且利用重整催化剂的催化反应生成的氢气可以供给至燃料电极1a。水蒸气保持装置6的细节与第一实施方式中的相同。
如图16中所示，可以沿燃料电极1a的外圆周表面附接强度提高的水蒸气保持装置11来代替水蒸气保持装置6。另选地，如图17中所示，可以沿燃料电极1a的外圆周表面附接具有所需强度的支撑件12和水蒸气保持装置6。当堆叠或捆束上述任何一个燃料电池系统中的单电池时，可以通过暴露必要的电极并使暴露的电极相互接触而建立串联连接。可以通过连接配线建立并联连接。
如图18和图19所示，在管状支撑件12的上部和下部中可以各自形成有管状燃料电极1a、管状电解质1c和管状空气电极1b。每个电池1均可以包括：布置在内侧的空气电极1b；以及布置在外侧的燃料电极1a，并且沿上电池1的外圆周表面和下电池1的外圆周表面可以附接有管状水蒸气保持装置6。可以附接有导电端子13(互连器)，以将上电池1的燃料电极1a与下电池1的空气电极1b电连接。在这种情况下，可以在所需位置形成间隙s(间隙中可以存在绝缘体)，以防止上电池1的燃料电极1a与下电池1的燃料电极1a之间以及上电池1的空气电极1b与下电池1的空气电极1b之间的电连续性。
如图20中所示制造如上所述形成有多个单电池的燃料电池系统。在管状支撑件12的相对的两个端部上形成管状空气电极1b(图20的(b))，并且在空气电极1b的外侧形成由管状的上、下电解质1c(图20的(c))。然后，在电解质1c的外侧形成管状的上、下燃料电极1a，使得空气电极1b的一部分和电解质1c的一部分暴露于外部(图20的(d))，并附接管状端子13，使其从上燃料电极1a的外圆周表面延伸到下燃料电极1a的外圆周表面，从而使上燃料电极1a与下空气电极1b电连接(图20的(e))。然后，沿外圆周表面附接管状的水蒸气保持装置6，由此可以获得包括竖向成对的电池1的燃料电池系统。
如图21中所示，管状燃料电极1a、管状电解质1c和管状空气电极1b可以分别形成在强度提高的管状水蒸气保持器11的上下两部分中。每个电池1均可以包括布置在外侧的空气电极1b和布置在内侧的燃料电极1a。可以附接导电端子13(互连器)以将上电池1的空气电极1b与下电池1的燃料电极1a电连接。
如图22中所示，管状燃料电极1a、管状电解质1c和管状空气电极1b可以分别形成在管状支撑件12的上下两部分中。每个电池1均可以包括布置在外侧的空气电极1b和布置在内侧的燃料电极1a，并且管状水蒸气保持装置6可以附接在支撑件12内。可以附接导电端子13(互连器)，以将上电池1的空气电极1b与下电池1的燃料电极1a电连接。
如图23中所示，在包括外空气电极1b、内燃料电极1a以及形成在其间的电解质1c的圆柱形单电池中，燃料电极1a中可以形成有多个轴向孔，以便允许燃料气体流过，并且每个孔中可以插入有水蒸气保持装置6。另选地，如图24中所示，在包括内空气电极1b、外燃料电极1a以及形成在其间的电解质1c的圆柱形单电池中，空气电极1b中可以形成有多个轴向孔，以便允许空气流过，并且水蒸气保持装置6可以附接至单电池的外圆周表面。
根据第一和第二实施方式的燃料电池系统中的每一者均包括水蒸气保持装置(6、11)，该水蒸气保持装置(6、11)布置在待供给至燃料电极1a的燃料气体的流路中，保持电池1发电期间在燃料电极1a中生成的水蒸气，并允许水蒸气与燃料气体混合。因此，不需要用于汽化水的单独水汽化器，并且利用该简单的结构能够有效地获得重整用水蒸气。
第一和第二实施方式中的水蒸气保持装置(6、11)中的每一者均包括使燃料气体的反应得以进行从而生成氢气的重整催化剂，并允许将利用重整催化剂的催化反应生成的氢气供给至燃料电极1a。因此，不需要使燃料气体的反应得以进行以生成氢气的单独重整器，并且能够使用更简单的结构有效地获得重整用水蒸气。特别是，因为水蒸气保持装置6由具有透气性和柔韧性的片状构件形成，所以水蒸气保持装置6能够容易地经受诸如弯曲之类的加工，并且能够容易地布置在燃料电池系统的任何适当位置中。
第一和第二实施方式中的水蒸气保持装置6中的每一者均由包括无机纤维或有机纤维的纸状构件形成，并且支撑使燃料气体的反应得以进行从而生成氢气的重整催化剂。因此，可以利用例如通用的湿法造纸容易地形成包括重整催化剂的水蒸气保持装置。第一实施方式中的水蒸气保持装置(6)布置在燃料电极侧端子2的燃料通道2a和燃料电极1a之间。因此，在燃料电池的发电期间，燃料电极中生成的水蒸气能够可靠而顺畅地与燃料气体混合，从而使燃料气体得到有效的重整。在第二实施方式的电池1中，燃料电极1a、电解质1c和空气电极1b分别形成为管状，并且管状水蒸气保持装置(6、11)沿燃料电极1a的内圆周表面或外圆周表面形成。因此，利用管状的内空间和外空间能够容易地使燃料和空气流动。
接下来，将对显示本发明技术优越性的实验结果进行说明。
使用包括43×43×1.0t(mm)的水蒸气保持装置6的燃料电池系统作为实施例1，并且使用包括43×43×1.0t(mm)的水蒸气保持装置6的燃料电池系统作为实施例2。使用不包括水蒸气保持装置6的燃料电池系统作为比较例。实施例1和2以及比较例中的每一者均包括尺寸为50×50mm(电极面积：40×40(mm))的电池。
对于实施例1和实施例2以及比较例中的每一者，使作为燃料气体的甲烷(CH4)在750℃的温度下以17.3(cc/min)的流速流动。测量经时输出(W)，并获得图25的(a)和图25的(b)的图表中所示的实验结果。图25的(a)是示出实施例1和实施例2以及比较例中输出经时变化的图表(从0至15小时)，并且图25的(b)是示出比较例中从0至0.05小时的输出经时变化的图表。根据实验结果，在比较例中，输出在1分钟左右就减少了，但在实施例1和实施例2中，输出可以维持15小时以上。由此推断，在比较例中，其中一个电极(燃料电极1a)被燃料气体损坏了。
已经描述了本实施方式，但本发明不限于这些实施方式。例如，只需要水蒸气保持装置(6，11)能够保持燃料电极1a中生成的水蒸气，并且水蒸气保持装置(6，11)可以不包括使燃料气体的反应得以进行从而生成氢气的重整催化剂。水蒸气保持装置6可以不是纸状构件，并且可以是例如多孔块状构件、发泡金属、蜂窝状构件等。水蒸气保持装置(6，11)除了重整催化剂外，还可以包括具有其它功能和性能的材料。
工业实用性
燃料电池系统包括水蒸气保持装置，该水蒸气保持装置布置在待供给至燃料电极的燃料气体的流路中，保持在电池发电期间在燃料电极中生成的水蒸气，并使水蒸气能够与燃料气体混合，这样的燃料电池系统可以应用于具有不同外部形状并被赋予其它功能的系统。
附图标记列表
1：电池
1a：燃料电极
1b：空气电极
1c：电解质
2：燃料电极侧端子(分离器)
2a：燃料通道
3：空气电极侧端子(分离器)
3a：空气通道
4：燃料电极侧集流器
5：空气电极侧集流器
6：水蒸气保持装置
7：燃料电极侧垫圈
8：空气电极侧垫圈
9：燃料电极侧端子(分离器)
10：空气电极侧端子(分离器)
10a：空气通道
11：水蒸气保持装置
12：支撑件
13：端子(互连器)

Claims (5)

1.一种燃料电池系统，所述燃料电池系统包括能够发电的电池，所述电池包括：
燃料电极，通过重整燃料气体获得的氢气能够被供给至所述燃料电极；
空气电极，空气中的氧气能够被供给至所述空气电极；以及
电解质，所述电解质插设在所述燃料电极和所述空气电极之间，用于允许由供给至所述空气电极的空气中的氧气生成的氧离子穿过而到达所述燃料电极，
其中，所述燃料电池系统还包括：
水蒸气保持装置，所述水蒸气保持装置布置在待供给至所述燃料电极的燃料气体的流路中，能够保持在所述电池发电期间所述燃料电极中生成的水蒸气，能够将所述水蒸气与所述燃料气体混合；
燃料电极侧端子，所述燃料电极侧端子电连接至所述燃料电极，并且在所述燃料电极侧端子中形成有供燃料流过的燃料通道；
空气电极侧端子，所述空气电极侧端子电连接至所述空气电极，并且在所述空气电极侧端子中形成有供所述空气流过的空气通道；以及
燃料电极侧集流器，所述燃料电极侧集流器包括插设在所述电池的所述燃料电极与所述燃料电极侧端子及所述水蒸气保持装置二者之间的导电构件，
其中，所述水蒸气保持装置包括使所述燃料气体的反应得以进行从而生成氢气的重整催化剂，并允许利用所述重整催化剂的催化反应生成的氢气供给至所述燃料电极，
其中，所述水蒸气保持装置包括具有透气性和柔韧性的片状构件，所述水蒸气保持装置包括具有无机纤维或有机纤维的纸状构件，并支撑所述重整催化剂。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述水蒸气保持装置布置在所述燃料电极侧端子的所述燃料通道与所述燃料电极之间。
3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其中，所述水蒸气保持装置具有导电性，并且将所述燃料电极侧端子电连接至所述燃料电极。
4.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述水蒸气保持装置布置在所述燃料电极侧端子的所述燃料通道中。
5.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，在所述电池中，所述燃料电极、所述电解质和所述空气电极各自形成为管状，并且所述水蒸气保持装置形成为沿所述燃料电极的内圆周表面或外圆周表面延伸的管状。
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Petreanu Irina等.Synthesis and testing of a composite membrane based on sulfonated polyphenylene oxide and silica compounds as proton exchange membrane for PEM fuel cell.《MATERIALS RESEARCH BULLETIN》.2017,第第96卷卷第136-142页. *
杨钦慧 ; .在日本以DME作燃料的再生发电系统的开发.山西能源与节能.2010,(第01期),第28-30页. *

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