[发明专利]燃料电池及燃料电池系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种作为固定用或汽车等移动体用的电源及携带用电源而有用的燃料电池，尤其涉及一种具有燃料气体的再生装置的燃料电池及使用该燃料电池的燃料电池系统。

背景技术

燃料电池为通过供给燃料气体来使发电体产生电力的构件。除了被期待作为固定式中型能量储存装置，或者作为电动汽车或混合动力汽车的驱动源的应用之外，通过轻质化、小型化，正在进行用于作为适合移动电话或笔记本电脑等可携带的设备的电力源的研究开发。

由于原则上燃料电池可以取出的电能量的效率较高，因此是不仅节能，而且环境负荷较低的发电方式，且作为解决全球规模的能量和环境问题的王牌被期待。

而且，已知在燃料电池中也使用氧导电性的无机固体电解质的固体氧化物燃料电池(SOFC，Solid Oxide Fuel Cell)为清洁且发电率较高的优秀的发电装置。

然而，燃料电池需要用于供给作为其燃料气体的例如氢气和一氧化碳等的、管线和高压气瓶设备等大规模的基础设施。而且，即使作为燃料气体源比较容易得到的甲醇也存在其要流通起来还需要时间的问题。

因此，为了应对这种问题，专利文献1中提出有如下固体氧化物燃料电池：将通过使水进行反应而产生氢的铁等氢产生部件设置于燃料电池主体上，将在氢产生部件中产生的氢供给到燃料极，并且通过充电使氢产生部件还原，不需要供给气体的基础设备，且能够重复利用。

并且，专利文献2中提出有如下固体氧化物燃料电池：将固体碳设置于燃料电池主体的燃料极侧，并将通过发电来氧化固体碳而产生的二氧化碳转换为一氧化碳，将被转换的一氧化碳再次供给到燃料极。

如专利文献1和专利文献2，提出有使用铁粉和碳在体系内再生燃料气体的新的固体氧化物燃料电池，将具备如此在体系内再生燃料气体的结构的固体氧化物燃料电池称为独立型SOFC。

专利文献1：日本专利第4821937号公报

专利文献2：日本专利公开2011-40285

专利文献1、2中，阐述了因不需要供给燃料的基础设施而燃料电池的小型化较为容易这一点。但是，实际上残留有以下课题，即这些电池为高温型电池，因此不仅需要发电机构，还需要加热机构、保温机构，这些机构占较大的空间。

另外，专利文献1中公开有如下内容：将燃料极与氢产生部件之间设为完全封闭的空间，从而无需从外部补充氢和水就能够实现可重复利用的燃料电池。在此所谓“完全封闭的空间”的有关气密性的严格的要求对于以往的燃料电池而言是不需要的。这是因为，以往的燃料电池中燃料气体被连续供给，即使燃料气体向体系外泄漏一些时，对发电能力的影响也较小。

但是，尤其在300℃～1000℃左右的高温下运行的固体氧化物燃料电池中，实际上很难实现燃料气体不会泄漏的气密的封闭空间。在超过300℃的高温区域中，无法使用为了实现气密的封闭空间而通常使用的耐热橡胶和有机物垫圈等，可利用的密封构件限于金属垫圈和陶瓷浆料等。发明人等根据专利文献1，使用金属垫圈、陶瓷浆料或熔融玻璃构成将燃料极与氢产生部件之间作为封闭空间的固体氧化物燃料电池，并以氢气填满封闭空间内，对开路电压进行测定的结果，从注入气体开始约5个小时之后，电压急剧降低至接近0V。这表示高温区域中的金属垫圈和陶瓷浆料只能确保几个小时左右的气密性。作为难以确保高温区域中的气密性的原因，可举出由于连接的材料及密封件的热膨胀系数互不相同，因此当设为高温时，会因密封件的膨胀、破损而导致气密性受损的情况。并且，燃料电池间断地进行室温中的停止期间和高温中的运行期间而被运用，其使用年限超过几年。使用金属和陶瓷或者熔融气体等来密封高温部的以往的气密维持方法，因材料的膨胀、收缩的重复而导致气密性受损的可能性较高且可靠性低。

另外，若使固体氧化物燃料电池在300℃～1000℃左右的高温下重复运行，则多数情况下因固体氧化物本身承受不了热冲击而产生裂纹。与密封件相同，若固体氧化物本身产生裂纹，则封闭空间的气密性受损。