專利名稱：固體氧化物燃料電池裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種固體氧化物燃料電池裝置，更詳細(xì)地講，本發(fā)明 涉及一種將多個(gè)單體固體氧化物燃料電池進(jìn)行電連接的燃料電池裝 置的結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
作為燃料電池裝置，人們對工作溫度較高(700~1000°C )、高效 率的固體氧化物燃料電池裝置寄予厚望。在一般情況下，人們將固 體氧化物燃料電池裝置制成如下結(jié)構(gòu)之后再使用首先，將多個(gè)單 體固體氧化物燃料電池以串聯(lián)和/或并聯(lián)的方式進(jìn)行電連接，通過捆 扎后使之呈所謂的"堆棧"結(jié)構(gòu)，之后以串聯(lián)和/或并聯(lián)的方式使燃 料電池堆進(jìn)行電連接，使之呈所謂的"模塊"結(jié)構(gòu)(下面，將一個(gè) 燃料電池單元稱為"單體燃料電池"，將同樣的單體燃料電池進(jìn)行 電連接的部件稱為"導(dǎo)電部件")。
燃料電池堆的制成方法如下將以并聯(lián)的方式電連接的多個(gè)單體 燃料電池置于截面呈日文字母字形的可導(dǎo)電的保持部件上并 將之固定，以形成并聯(lián)連接的多個(gè)單體燃料電池單元，之后將這些 單元堆積并在規(guī)定溫度下進(jìn)行熱處理而制成燃料電池堆，其中，在 串聯(lián)連接的連接體和燃料極，或并聯(lián)連接的兩個(gè)燃料極之間設(shè)置有 鎳氈。(例如參照日本發(fā)明專利公報(bào)特許第3281821號的4 6項(xiàng)、 圖2~圖4)。
但是，具有上述結(jié)構(gòu)的燃料電池堆有以下技術(shù)問題由于在制成 燃料電池堆時(shí)，必須要有在空氣極一側(cè)為氧化環(huán)境、燃料極一側(cè)為 還原環(huán)境且在規(guī)定的溫度下進(jìn)行熱處理的燒成工序，所以，無法對 其進(jìn)行工業(yè)化大批量生產(chǎn)。此外，具有上述結(jié)構(gòu)的燃料電池堆還有以下技術(shù)問題由于單體 燃料電池和導(dǎo)電部件之間的連接只通過單體燃料電池和鎳氈來進(jìn) 行，當(dāng)組裝或運(yùn)送燃料電池模塊時(shí)，因電池堆之間的連接或運(yùn)送等 情況下受到?jīng)_擊的影響，容易使單體燃料電池與鎳氈剝離。
此外，在燃料電池裝置發(fā)電前后，由于燃料電池模塊要允許因各
多個(gè)燃料電池堆的單體燃料電l和導(dǎo)電部;牛二的集電r所二 ，燃料 電池模塊通過在多個(gè)燃料電池堆的周圍按隔熱材、內(nèi)側(cè)燃料電池容 器、隔熱材和外側(cè)燃料電池容器的順序設(shè)置上述部件而制成(例如
參照日本發(fā)明專利乂^開公報(bào)特開平1-248479號的5、 6項(xiàng)和圖1、圖 2)。
但是，具有上述結(jié)構(gòu)的燃料電池模塊有以下技術(shù)問題在發(fā)電前 后，由包圍在多個(gè)燃料電池堆周圍的隔熱材，因燃料電池裝置附近 和內(nèi)側(cè)燃料電池容器附近之間存在溫差而在內(nèi)側(cè)燃料電池容器上產(chǎn) 生熱形變，因而易于在位于內(nèi)側(cè)燃料電池容器附近的隔熱材和內(nèi)側(cè) 燃料電池容器之間產(chǎn)生間隙。此外，相比上述隔熱材的燃料電池裝 置附近而言，由于在上述隔熱材的內(nèi)側(cè)燃料電池容器附近有高密度 的氣體燃料通過，所以無助于燃料電池裝置發(fā)電的氣體燃料就會增 多，從而導(dǎo)致燃料電池裝置的發(fā)電性能的下降。
而且，具有該結(jié)構(gòu)的燃料電池模塊還有以下技術(shù)問題單體燃料 電池有時(shí)在每lm長度上有2mm左右的翹曲，當(dāng)發(fā)電時(shí)，因燃料電 池裝置的溫度分布不同而對各個(gè)單體燃料電池施加熱應(yīng)力，因而易 于使單體燃料電池和導(dǎo)電部件之間出現(xiàn)接觸不良的情況。為了防止
因翹曲而產(chǎn)生的接觸不良，使單體燃料電池和導(dǎo)電部件之間保持良 好的接觸狀態(tài)，至少要在電連接的串聯(lián)方向上另外設(shè)置燃料電池堆 的推壓機(jī)構(gòu)，從而會導(dǎo)致燃料電池模塊結(jié)構(gòu)復(fù)雜化。
發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述技術(shù)問題的存在，本發(fā)明的目的在于提供一種燃料電池
4裝置，其可簡化燃料電池堆的制造工序，并可以大量工業(yè)化生產(chǎn)燃 料電池堆，能通過高效地向燃料電池裝置提供氣體燃料而提高燃料 電池裝置的發(fā)電性能。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，在本發(fā)明的第一實(shí)施方式中，固體氧化物燃
料電池裝置包括燃料電池堆，其包括多個(gè)呈筒狀的單體燃料電池 和使該單體燃料電池進(jìn)行電連接的導(dǎo)電部件；保持部件，其用來包
圍上述燃料電池堆。上述保持部件包括推壓部，其作用是朝向電 連接的串聯(lián)方向推壓燃料電池堆；固定部，其用來固定上述保持部 件。
在本發(fā)明實(shí)施方式中，優(yōu)選的上述保持部件的特征在于包括燃 料極一側(cè)保持部件，其設(shè)置在上述燃料電池堆的燃料極一側(cè)的端部； 空氣極一側(cè)保持部件，其設(shè)置在空氣極一側(cè)的端部；側(cè)面保持部件， 其用來連結(jié)上述燃料極一側(cè)保持部件和上述空氣極一側(cè)保持部件； 絕緣部，其使上述燃料極一側(cè)保持部件和/或上述空氣極一側(cè)保持部 件與上述側(cè)面保持部件絕緣。
優(yōu)選上述燃料極一側(cè)保持部件或上述空氣極一側(cè)保持部件，與上 述側(cè)面保持部件 一體制成。
優(yōu)選上述保持部件的設(shè)置長度大致與上述單體燃料電池的軸向 方向上的全長相等。
優(yōu)選上述燃料電池堆具有露出部。
優(yōu)選將上述側(cè)面保持部件只設(shè)置在上述單體燃料電池的軸向方 向的兩端。
優(yōu)選在上述燃料電池堆與上述燃料極一側(cè)保持部件和/或上述空 氣極 一 側(cè)保持部件之間具有絕緣部。發(fā)明效果
采用本發(fā)明的實(shí)施方式時(shí)，可以保持以燃料電池堆為單位的發(fā)電 前后的電池堆形狀，能夠去掉較復(fù)雜的燒成工序而將燃料電池堆制 成堆棧結(jié)構(gòu)。此外，可通過消除發(fā)電時(shí)的燃料電池模塊的燃料電池容器附近的溫度分布的不同來提高燃料電池裝置的發(fā)電性能。因此， 本發(fā)明能夠提供可實(shí)用、量產(chǎn)性優(yōu)異、安全而且高效的燃料電池裝 置。
圖1是表示構(gòu)成本發(fā)明第一實(shí)施方式中的燃料電池堆的單體固 體氧化物燃料電池的基本結(jié)構(gòu)的剖視圖。
圖2是表示本發(fā)明第一實(shí)施方式中的燃料電池堆的基本結(jié)構(gòu)的 示意圖。
圖3是表示圖2中燃料電池堆基本結(jié)構(gòu)的截面C的示意圖。
圖4是用來說明包圍本發(fā)明第一實(shí)施方式的燃料電池堆的保持 部件的結(jié)構(gòu)的示意圖。
圖5是用來說明包圍圖2和圖3中所示的燃料電池堆的保持部件 中的用來連接空氣極和燃料極的連接部的結(jié)構(gòu)示例的示意圖。
圖6是用來說明由圖2中的燃料電池堆和保持部件構(gòu)成的燃料電 池模塊的 一個(gè)例子的示意圖。
圖7是表示本發(fā)明第二實(shí)施方式的燃料電池堆的基本結(jié)構(gòu)的示 意圖。
圖8是表示圖7中燃料電池堆基本結(jié)構(gòu)的截面D的示意圖。 圖9是表示本發(fā)明第三實(shí)施方式的燃料電池堆的基本結(jié)構(gòu)的示 意圖。
圖IO是表示圖9中的燃料電池堆的基本結(jié)構(gòu)的截面E的示意圖。 圖ll是表示圖9中的燃料電池堆的基本結(jié)構(gòu)的截面F的示意圖。 圖12是表示圖9中的燃料電池堆的基本結(jié)構(gòu)截面G的示意圖。 圖13是用來說明本發(fā)明各實(shí)施方式中的燃料電池堆的集電結(jié)構(gòu) 的示意圖。
圖14是表示構(gòu)成本發(fā)明另一實(shí)施方式中的燃料電池堆的單體筒 狀固體氧化物燃料電池的 一 個(gè)實(shí)施例的基本結(jié)構(gòu)的剖視圖。
圖15是用來說明本發(fā)明另一實(shí)施方式中的燃料電池堆的基本結(jié)構(gòu)的示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面，參照附圖來具體而詳細(xì)地說明本發(fā)明的第 一 實(shí)施方式。 圖1是表示構(gòu)成本發(fā)明一實(shí)施方式中的燃料電池堆的單體固體 氧化物燃料電池1基本結(jié)構(gòu)的剖視圖，該單體燃料電池1包括電解
質(zhì)2、空氣極3、燃料極4以及連接在空氣極3上的連接體5。在具 有這種結(jié)構(gòu)的單體燃料電池中，沿圖中的空氣極3的內(nèi)部A方向流 過含有氧氣的空氣，沿圖中燃料極4的外部B方向流過含有氫氣、 一氧化碳的氣體燃料。此外，單體燃料電池的空氣極和燃料極也可 采用與圖1所示結(jié)構(gòu)相反的構(gòu)造。另外，單體燃料電池之間通過使 金屬薄片層壓加工而成的層壓體等導(dǎo)電部件7連接，金屬薄片層壓 體具有三維結(jié)構(gòu)，其以富含彈性和還原性的柱體為骨架。
圖2是表示本發(fā)明一實(shí)施方式中的燃料電池堆6的基本結(jié)構(gòu)的示 意圖，圖3是表示圖2中的燃料電池堆6的截面C的示意圖，但是 這些結(jié)構(gòu)僅為一個(gè)示例，實(shí)際中本發(fā)明并不局限于此。如圖2和圖3 所示，在呈圓筒狀的單體燃料電池1經(jīng)并聯(lián)2x串聯(lián)3的方式(即， 兩個(gè)單體燃料電池并聯(lián)后再與其他2組以同樣方式并聯(lián)連接而成的 電池組串聯(lián))堆疊而成的燃料電池堆6的周圍，圍繞有保持部件， 該保持部件由設(shè)置在燃料極一側(cè)的燃料極一側(cè)保持部件8、設(shè)置在空 氣極一側(cè)的空氣極一側(cè)保持部件9和設(shè)置在平行于單體燃料電池的 電連接的串聯(lián)方向的位置上的側(cè)面保持部件IO所形成。這些單體燃
料電池1經(jīng)導(dǎo)電部件7以串聯(lián)和/或并聯(lián)的方式進(jìn)行電連接。即，燃 料極4與連接體5連接，和/或燃料極4與燃料極4連接。燃料電池 堆6以可保持其自身的形狀的方式被燃料極一側(cè)保持部件8和空氣 極一側(cè)保持部件9推壓，燃料4及一側(cè)保持部件8和空氣極一側(cè)保持 部件9通過連結(jié)部11與側(cè)面保持部件10連結(jié)，并在推壓單體燃料 電池1的狀態(tài)下固定其軸向方向的大致全長。燃料極一側(cè)保持部件8和燃料電池堆6的燃料極一側(cè)進(jìn)行電連接，而空氣極一側(cè)保持部件9 和燃料電池堆6的空氣極一側(cè)進(jìn)行電連接，側(cè)面保持部件IO通過連 接部11分別與燃料極一側(cè)保持部件8和空氣極一側(cè)保持部件9絕緣。 此外，因發(fā)電而產(chǎn)生的電能會向燃料極一側(cè)保持部件8和空氣極一 側(cè)保持部件9之間輸出，可從燃料電池堆6的上端和/或下端獲取該 電能。這樣一來，即使去掉燒成工序，與發(fā)電前和發(fā)電后無關(guān)，由 于所述各部件按壓燃料電池堆6中設(shè)置的單體燃料電池和導(dǎo)電部件， 所以即使在發(fā)電時(shí)未沿電連接的串聯(lián)方向推壓燃料電池模塊，也可 以保持該燃料電池堆6良好的電連接狀態(tài)。此外，即使在組裝燃料 電池模塊和運(yùn)輸燃料電池模塊等處理燃料電池堆時(shí)，也可以穩(wěn)定地 保持其堆棧結(jié)構(gòu)。由于使燃料極一側(cè)保持部件和空氣極一側(cè)保持部 件分別與側(cè)面保持部件呈絕緣狀態(tài)，當(dāng)發(fā)電時(shí)，萬一側(cè)面保持部件 因熱應(yīng)力變形而與鄰近的側(cè)面保持部件接觸，也不會有因單體燃料 電池局部發(fā)熱而產(chǎn)生過大的熱應(yīng)力，或因發(fā)電反應(yīng)的逆反應(yīng)而使得
池劣化的情況出現(xiàn)。因此，如此構(gòu)造可以穩(wěn)定地維持燃料電池堆的 電連接狀態(tài)，從而可以遏制燃料電池的性能下降或破損等劣化的情 況出現(xiàn)，所以可獲得具有更高可靠性的燃料電池裝置。此外，采用 螺紋緊固、焊接或通過鉚接緊固等按壓方式來連接形成在燃料電池 堆周圍的各保持部件的連接方法，還有利于對多個(gè)燃料電池堆進(jìn)行 集電。這時(shí)，保持部件可以由耐熱不銹鋼、鉻鎳鐵合金等耐熱金屬 或陶瓷等制成，而導(dǎo)電部件7可以由以鎳為主要成分的金屬材料構(gòu) 成的金屬多孔體或金屬板等制成。但是，用陶瓷制成保持部件時(shí)， 堆棧的兩端的端子上必須具有用來獲取電能的堆棧集電板。通過該 堆棧集電板來進(jìn)行燃料電池堆之間的電連接。
圖4是用來說明包圍本發(fā)明 一 實(shí)施方式的燃料電池堆6的保持部 件的結(jié)構(gòu)示意圖，但是這僅為一個(gè)示例，實(shí)際中本發(fā)明并不局限于 此。如圖4所示，燃料電池堆6的周圍被燃料極一側(cè)保持部件12和 空氣極一側(cè)保持部件9形成的保持部件包圍。燃料電池堆6被燃料極一側(cè)保持部件12和空氣極一側(cè)保持部件9推壓的情況下，燃料極 一側(cè)保持部件12通過連結(jié)部11與空氣極一側(cè)保持部件9連結(jié)，并 在推壓燃料電池堆6的狀態(tài)下將其固定。燃料極一側(cè)保持部件12和 燃料電池堆6的燃料極一側(cè)進(jìn)行電連接，而空氣極一側(cè)保持部件9 和燃料電池堆6的空氣極一側(cè)進(jìn)行電連接，燃料極一側(cè)保持部件12 通過連接部11和空氣極一側(cè)保持部件9絕緣。這樣一來，由于使燃 料極一側(cè)保持部件和側(cè)面保持部件形成一體結(jié)構(gòu)，就可以去掉燃料 極一側(cè)保持部件和側(cè)面保持部件的組裝工序，從而易于進(jìn)行燃料電 池堆的組裝作業(yè)。此外，可以緩和因組裝燃料極一側(cè)保持部件和側(cè) 面保持部件而帶來的燃料電池堆之間的形體誤差，使垂直于電連接 串聯(lián)方向的燃料電池堆兩端的表面a和與之垂直的表面b形成直角， 從而使得保持部件可以形成為 一體并具有更好的制造精度，所以可
圖5是用來說明包圍圖2和圖3所示的燃料電池堆6的保持部件 中用來連接空氣極3和燃料極4的連接部11的結(jié)構(gòu)示例的示意圖， 但這僅為一個(gè)示例，實(shí)際中本發(fā)明并不局限于此。如圖5所示，在 連接部11的燃料極一側(cè)保持部件8的一部分上設(shè)置的孔的內(nèi)側(cè)設(shè)置 有絕緣圈13。在絕緣圈13周圍形成有陶瓷纖維薄板14，該陶瓷纖 維薄板14經(jīng)用來保持其形狀的保持板15,以不導(dǎo)電的方式通過金屬 連結(jié)件16連接燃料極一側(cè)保持部件8和側(cè)面保持部件10。這樣一來， 即使因發(fā)電時(shí)的溫度變化而使得保持部件發(fā)生膨脹收縮，但由于燃 料極一側(cè)保持部件和側(cè)面保持部件可經(jīng)具有緩沖性的陶瓷纖維薄 板，通過金屬連結(jié)件來分散、控制作用在連接部的應(yīng)力，從而可遏 制連接部發(fā)生變形或破損等劣化的情況并可維持其絕緣結(jié)構(gòu)。絕緣 圈和陶瓷纖維薄板可由礬土、莫來石、氧化鎂或氧化鋯等材料制成。
優(yōu)選由金屬連結(jié)件16等構(gòu)成的固定部以平行于燃料電池堆6的 電連接的串聯(lián)的方向推壓燃料電池堆6的安裝方式。這樣一來，在 組裝燃料電池堆和運(yùn)輸燃料電池堆等處理燃料電池堆，或在發(fā)電時(shí) 因溫度變化而產(chǎn)生熱應(yīng)力分布時(shí)，可使作用在燃料電池堆內(nèi)部的單體燃料電池和導(dǎo)電部件的接觸面上的應(yīng)力，始終沿平行于電連接的 串聯(lián)的方向集中，從而可以遏制在電連接的并聯(lián)方向上產(chǎn)生應(yīng)力。
生的熱應(yīng)力等內(nèi)部應(yīng)力作用在燃料電池堆上，單體燃料電池和導(dǎo)電 部件之間的連接也不會增加電連接的并聯(lián)方向上的應(yīng)力而使得燃料 電池堆的內(nèi)部應(yīng)力發(fā)生分散。因此，燃料電池堆可以穩(wěn)定地保持單 體燃料電池和導(dǎo)電部件之間的電連接狀態(tài)。
優(yōu)選保持部件的設(shè)置長度大致與單體燃料電池在軸向方向上的 全長相等的設(shè)置方式。這樣一來，在組裝燃料電池堆和運(yùn)輸燃料電 池堆等處理燃料電池堆時(shí)，或在發(fā)電時(shí)因溫度變化而產(chǎn)生熱應(yīng)力分 布時(shí)，施加給單體燃料電池的壓縮力可以在單體燃料電池的軸向方 向上分散并經(jīng)由導(dǎo)電部件來傳遞，不會產(chǎn)生局部應(yīng)力并能遏制單體 燃料電池發(fā)生破損。因此，燃料電池堆通過穩(wěn)定地保持單體燃料電
池和導(dǎo)電部件之間的連接而維持燃料電池裝置的結(jié)構(gòu)。此外，可容 易地在單體燃料電池的軸向方向上獲取其發(fā)出的電能。例如，通過
采取使燃料電池堆的軸向方向的溫度較高的部位增大堆棧集電板的 集電電阻來遏制發(fā)電反應(yīng)，或利用溫度較低的部位減小集電電阻而
促進(jìn)發(fā)電反應(yīng)的方法，就能夠控制燃料電池裝置的溫度。因此，可 使得單體燃料電池的軸向方向的電流密度分布均勻，從而能夠制成
既可減小燃料電池裝置的發(fā)電溫度的差異，又易于遏制氣體燃料偏 流的結(jié)構(gòu)。
圖6是用來說明由圖2中的燃料電池堆6和保持部件構(gòu)成的燃料 電池模塊的一個(gè)例子的示意圖。如圖6所示，燃料電池堆6之間經(jīng) 由燃料極一側(cè)保持部件8和/或空氣極一側(cè)保持部件9而通過堆棧集 電板17進(jìn)行電連接，連接空氣極一側(cè)的堆棧集電板17和連接燃料 極一側(cè)的堆棧集電板17,各自與集電棒18進(jìn)行電連接著。此外，在 用來保持氣體燃料氣密性的內(nèi)側(cè)燃料電池容器21與燃料極一側(cè)保持 部件8和/或空氣極一側(cè)保持部件9之間設(shè)置有絕緣緩沖部件19,燃 料電池堆6保持在內(nèi)側(cè)燃料電池容器21的內(nèi)側(cè)。另外，在內(nèi)側(cè)燃料電池容器21的外側(cè)依次形成有隔熱材22和外側(cè)燃料電池容器23。 此時(shí)的燃料電池模塊以燃料電池堆為單元，保持單體燃料電池和導(dǎo) 電部件7的連接構(gòu)造并將其固定，且以不導(dǎo)通燃料電池堆6和內(nèi)側(cè) 燃料電池容器21的方式穩(wěn)定地保持其堆棧結(jié)構(gòu)。即，即使不使用具 有推壓燃料電池堆6所需的強(qiáng)度的容積較大的隔熱材22來包圍多個(gè) 燃料電池堆6的周圍并進(jìn)行推壓，也可以通過設(shè)置可填埋其間隙的 絕緣緩沖材的方法而形成氣封結(jié)構(gòu)，則可以穩(wěn)定地保持燃料電池模 塊的結(jié)構(gòu)。這樣一來，在位于內(nèi)側(cè)燃料電池容器21的內(nèi)側(cè)的發(fā)電室 20中，以隔熱材當(dāng)作絕緣緩沖材，可以制成小型結(jié)構(gòu)的燃料電池模 塊。此外，由于提供過來的氣體燃料不會因隔熱材而易出現(xiàn)溫度梯 度的現(xiàn)象，所以可向燃料電池裝置提供密度差較小的氣體燃料，并 可遏制發(fā)電室內(nèi)的氣體燃料偏流。因此，可以通過增加有助于燃料 電池裝置發(fā)電的氣體燃料，能夠提供小型化、高性能的燃料電池裝 置。
圖7是表示本發(fā)明一實(shí)施方式的燃料電池堆24基本結(jié)構(gòu)的示意 圖，圖8是表示圖7中燃料電池堆24基本結(jié)構(gòu)的截面D的示意圖。 此外，圖7中燃料電池堆24基本結(jié)構(gòu)的截面C與圖3所示相同，但 是這僅為一個(gè)示例，實(shí)際中本發(fā)明并不局限于此。如圖3、圖7和圖 8所示，經(jīng)過堆積多個(gè)單體燃料電池1,其周圍由燃料極一側(cè)保持部 件8、空氣極一側(cè)保持部件9和側(cè)面保持部件10形成的保持部件， 該保持部件沿單體燃料電池1的軸向方向形成有多個(gè)燃料電池堆24 的露出部25。這樣一來，保持部件會以其構(gòu)成的露出部為單位對產(chǎn) 生的熱量進(jìn)行吸收和發(fā)散，從而不會在燃料電池堆24上留下較大的 熱應(yīng)變，該熱應(yīng)變因單體燃料電池的軸向方向上的單體燃料電池和 保持部件之間的線膨脹系數(shù)的差異引起，或因溫度分布不同而在保 持部件的線膨脹系數(shù)的差異等引起。此外，由于燃料電池表面和保 持部件周圍的氣體燃料在該露出的部分?jǐn)U散，所以保持部件還具有 可使氣體燃料的密度和氣體燃料的溫度均勻的優(yōu)點(diǎn)。因此，保持部結(jié)構(gòu)，從而可以穩(wěn)定地保持單體燃料電池和導(dǎo)電部件之間的接觸，所以，該燃料電池裝置可獲得安全、高效的發(fā)電性能。此時(shí)，從遏制保持部件產(chǎn)生應(yīng)變的角度出發(fā)，優(yōu)選相同材料中的因溫度分布不
同而發(fā)生發(fā)線膨脹系數(shù)的差值不超過約2x 10—6 (cm/cm K")以上的保持部件。此外，同樣，通過連接相鄰單體燃料電池的導(dǎo)電部件而在單體燃料電池的軸向方向上形成露出的構(gòu)造，可以使在單體燃
料電池和導(dǎo)電部件之間的接觸面上產(chǎn)生的熱量，通過以單體燃料電池的表面和構(gòu)成露出部的導(dǎo)電部件為單位進(jìn)行吸收和發(fā)散，從而不會留下較大的熱應(yīng)變，該熱應(yīng)變因單體燃料電池的軸向方向上的單體燃料電池和導(dǎo)電部件之間的線膨脹系數(shù)的差異引起，或因溫度分布不同而在導(dǎo)電部件的線膨脹系數(shù)的差異等引起。此外，由于燃料電池表面和導(dǎo)電部件周圍的氣體燃料在該露出的部分?jǐn)U散，所以導(dǎo)
且還具有使氣體燃料的單位時(shí)間內(nèi)的流速變慢、增加有助于燃料電池發(fā)電的氣體燃料從而提高燃料電池發(fā)電性能的優(yōu)點(diǎn)。因此，燃料
以此來保持其結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)，并具有可以遏制由熱應(yīng)力等因素產(chǎn)生的單體燃料電池的破損，從而穩(wěn)定地保持單體燃料電池和導(dǎo)電部件之間的電連接的特性，所以可使該燃料電池裝置獲得安全、高效的發(fā)電性能。
圖9是表示本發(fā)明一實(shí)施方式的燃料電池堆26的基本結(jié)構(gòu)的示意圖，圖10、圖11和圖12分別是表示圖9中燃料電池堆26的截面E、截面F和截面G的示意圖，但是這僅為一個(gè)示例，實(shí)際中本發(fā)明并不局限于此。如圖9、圖10、圖11和圖12所示燃料電池堆26由堆積的多個(gè)單體燃料電池1形成，該燃料電池堆周圍由燃料極一側(cè)保持部件8、空氣極一側(cè)保持部件9和側(cè)面保持部件10形成的保持部件保持。在本實(shí)施方式中，側(cè)面保持部件IO只設(shè)置在除去燃料電池的用來發(fā)電的電極部分之外的單體燃料電池1的軸向方向的兩端部上。單體燃料電池1根據(jù)其密封側(cè)具有通氣孔30的密封部緩沖材29為標(biāo)準(zhǔn)來配置。這些單體燃料電池1通過導(dǎo)電部件7以串聯(lián)的方式進(jìn)行電連接，再通過集電板以并聯(lián)的方式進(jìn)行電連接。即，燃料極4與連接體5連接，和/或燃料極4與燃料極4連接。燃料電池堆26以可保持其自身的形狀的方式被燃料極一側(cè)保持部件8和空氣極一側(cè)保持部件9推壓，燃料極一側(cè)保持部件8和空氣極一側(cè)保持部件9通過連結(jié)部11與只設(shè)置在單體燃料電池的軸向方向上的兩端的側(cè)面保持部件IO連結(jié)，并在推壓單體燃料電池1的狀態(tài)下固定在燃料電池堆26上。這樣一來，其結(jié)構(gòu)可制成側(cè)面保持部件不與單體燃料電池直接接觸的結(jié)構(gòu)，由于燃料電池裝置的發(fā)電反應(yīng)部不具有側(cè)面保持部件，所以在燃料電池裝置發(fā)電時(shí)，也不會有萬一側(cè)面保持部件因熱應(yīng)力變形而與鄰近的側(cè)面保持部件接觸，因單體燃料電池局部發(fā)熱而產(chǎn)生過大的熱應(yīng)力，或因發(fā)電反應(yīng)的逆反應(yīng)而使得燃料電池裝置的基材的性狀發(fā)生改變等因素造成的短路所引起燃料電池劣化的情況出現(xiàn)。此外，還可以將該燃料電池堆26制成不必繞過相鄰燃料電池堆而在較短距離上連接堆棧集電板、從而可減小集電損耗的結(jié)構(gòu)。再者，通過在單體燃料電池開口的上方和用來密封單體燃料電池的下方形成有保持部件，因而可以靈活地設(shè)置燃料電池堆在并聯(lián)方向上的間距，從而可以將單體燃料電池因發(fā)電反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量均勻地施加給周圍的氣體，進(jìn)而可以制成能夠減小發(fā)電溫度的差異，并且易于遏制氣體燃料偏流的結(jié)構(gòu)的燃料電池。因此，具有上述結(jié)構(gòu)的燃料電池可以穩(wěn)定地維持燃料電池堆之間的電連接，從而可遏制燃料電池裝置出現(xiàn)性能下降或破損等劣化的情況，所以可獲得更高的燃料電池裝置的可靠性。
圖13是用來說明本發(fā)明一實(shí)施方式中的燃料電池堆的集電結(jié)構(gòu)的示意圖，但是這僅為一個(gè)示例，實(shí)際中本發(fā)明并不局限于此。如圖13所示，單體燃料電池1以3個(gè)串聯(lián)為1個(gè)單元的方式與堆棧集電板28連接，在將上述3個(gè)單元串聯(lián)以形成9個(gè)單體燃料電池串聯(lián)的方式堆積的燃料電池堆的周圍，圍繞有絕緣部件31、燃料極一側(cè)保持部件8和空氣極一側(cè)保持部件9。這些單體燃料電池1通過導(dǎo)電部件7和堆棧集電板28以串聯(lián)的方式進(jìn)行電連接。即，燃料極4和連接體5互相連接。這樣一來，設(shè)置在保持部件內(nèi)部的燃料電池堆通過設(shè)置在電連接的串聯(lián)方向上的兩端的堆棧集電板可自如地折返連接單體燃料電池的電極，并以串聯(lián)和/或并聯(lián)的方式來排列單體燃
料電池，可從燃料電池堆的兩端或一端獲取電能，因而可根據(jù)發(fā)電裝置的形狀、電流和電壓等規(guī)格進(jìn)行設(shè)計(jì)，使燃料電池堆具有通用性。此外，因該燃料電池堆具有使多個(gè)單體燃料電池的電連接在串聯(lián)方向和并聯(lián)方向上連接距離均等的結(jié)構(gòu)，可使流經(jīng)燃料電池堆的內(nèi)部的氣體燃料獲得比單體燃料電池還要均勻的熱量，從而可以減
同，并能夠遏制氣體燃料向燃料電池堆內(nèi)部偏流的情況出現(xiàn)，因此，使用如此構(gòu)造的燃料電池可使其置獲得更高效的發(fā)電性能。
優(yōu)選設(shè)置在燃料電池堆周圍的保持部件的線膨脹系數(shù)與單體燃料電池1的線膨脹系數(shù)大致相同。這里所說的"大致相同"是指對于單體燃料電池1的線膨脹系數(shù)約為10.5 x l(T6 (cm/cm . K")、保持部件的線膨脹系數(shù)約為7~14x l(T6(cm/cm'K")而言。這樣一來，由于上述二者的線膨脹系數(shù)大致相同，因此該燃料電池基本上不受到由設(shè)置在燃料電池堆中的燃料極一側(cè)保持部件和/或空氣極一側(cè)保持部件的因溫度分布不同而產(chǎn)生的熱膨脹的影響，受到僅來自于導(dǎo)電部件的熱膨脹來向多個(gè)單體燃料電池施加壓縮應(yīng)力，和向側(cè)面保持部件施加拉伸應(yīng)力，從而可保持多個(gè)單體燃料電池和導(dǎo)電部件之間的良好接觸狀態(tài)，還可以很容易地制成能滿足側(cè)面保持部件的變形量且構(gòu)造穩(wěn)定燃料電池堆。
在本發(fā)明某一方式中所示的燃料電池堆中，其保持部件構(gòu)成材料優(yōu)選由含有鋁和/或鉬的鐵素體不銹鋼。這樣一來，可在保持部件的表面上形成氧化鉻、氧化鋁等穩(wěn)定的靜態(tài)膜，可以防止在含有氫氣、曱烷等碳?xì)浠衔锘蛩魵獾冗€原性環(huán)境中使用時(shí)在保持部件的表面出現(xiàn)氧化或點(diǎn)腐蝕的情況。此外，具有上述構(gòu)成的保持部件由于在高溫時(shí)(700 1000°C)在其表面形成的靜態(tài)膜對耐熱鋼的變形量裂等缺陷，所 以可穩(wěn)定地保持燃料電池堆的堆棧結(jié)構(gòu)。
此外，本發(fā)明不只局限于前述實(shí)施方式，對于單體燃料電池的形 狀而言，如上所述將圓筒狀作為其基本形狀，另一方面，如圖14所
示，單體燃料電池的結(jié)構(gòu)也可以包括電解質(zhì)2、空氣極3、燃料極4 和連接在空氣極3上的連接體5,而且空氣極3可以具有2個(gè)以上的 圓筒空間，使含有氧氣的空氣沿其內(nèi)部A的方向流動(dòng)。在該圖中， 沿燃料極4的外部B的方向流動(dòng)有含有氫氣、 一氧化碳等的氣體燃 料。如圖15所示，即使在使用具有上述結(jié)構(gòu)的單體燃料電池35的 情況下，也可使用本發(fā)明一實(shí)施方式中所示的導(dǎo)電部件7來制成堆 棧結(jié)構(gòu)。
而且，本發(fā)明各實(shí)施方式中所示的燃料電池裝置的結(jié)構(gòu)也可以是 如下結(jié)構(gòu)以氧化銦等材料作為導(dǎo)電部件，氣體燃料在單體燃料電 池的內(nèi)側(cè)流動(dòng)，而氧化劑氣
權(quán)利要求
1.一種固體氧化物燃料電池裝置，包括燃料電池堆，其包括多個(gè)呈筒狀的單體燃料電池和使所述單體燃料電池電連接的導(dǎo)電部件；保持部件，其用來包圍所述燃料電池堆，其特征在于，所述保持部件包括推壓部，其朝向電連接的串聯(lián)方向推壓燃料電池堆；固定部，其用來固定所述保持部件。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體氧化物燃料電池裝置，其特征在于，所述保持部件包括燃料極一側(cè)保持部件，其設(shè)置在所述燃料電池堆的燃料極一側(cè)的端部；空氣極一側(cè)保持部件，其設(shè)置在所述燃料電池堆的空氣極一側(cè)的端部；側(cè)面保持部件，其用來連結(jié)所述燃料極一側(cè)保持部件和所述空氣極一側(cè)保持部件；絕緣部，其使所述燃料極一側(cè)保持部件和/或上述空氣極一側(cè)保持部件與所述側(cè)面保持部件絕緣。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的固體氧化物燃料電池裝置，其特征在于，所述燃料極一側(cè)保持部件或所述空氣極一側(cè)保持部件，與所述側(cè)面保持部件一體制成。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1~3的任意一項(xiàng)所述的固體氧化物燃料電池裝置，其特征在于，所述固定部以平行于電連接的串聯(lián)方向的方式設(shè)置。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1 4的任意一項(xiàng)所述的固體氧化物燃料電池裝置，其特征在于，所述保持部件的設(shè)置長度大致與所述單體燃料電池的軸向方向上的長度相等。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1~5的任意一項(xiàng)所述的固體氧化物燃料電池裝置，其特征在于，所述保持部件具有所述燃料電池堆的露出部。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l-6的任意一項(xiàng)所述的固體氧化物燃料電池裝置，其特征在于，所述側(cè)面保持部件只是設(shè)置在所述單體燃料電池的軸向方向的兩端。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1~7的任意一項(xiàng)所述的固體氧化物燃料電池裝置，其特征在于，在所述燃料電池堆與所述燃料極一側(cè)保持部件和/或所述空氣極一側(cè)保持部件之間具有絕緣部。
全文摘要
本發(fā)明的目的是提供一種燃料電池，其可簡化燃料電池堆的制造工序，可以大量地工業(yè)化生產(chǎn)燃料電池堆，能夠通過高效地向燃料電池提供氣體燃料來提高燃料電池的發(fā)電性能。本發(fā)明的固體氧化物燃料電池裝置包括燃料電池堆，其包括多個(gè)呈筒狀的單體燃料電池和使該單體燃料電池電連接的導(dǎo)電部件；保持部件，其用來包圍上述燃料電池堆。上述保持部件包括推壓部，其朝向串聯(lián)方向推壓燃料電池堆；固定部，其用來固定上述保持部件。
文檔編號H01M8/12GK101682071SQ20088001513
公開日2010年3月24日 申請日期2008年3月27日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月30日
發(fā)明者藤永幸作 申請人:Toto株式會社