燃料電池單元及燃料電池堆的制作方法
【專利摘要】提供即使長期使用也能維持良好電連接的燃料電池單元及燃料電池堆。燃料電池單元（3）包括：一對互連器（12、13）（以下稱為IC）；電池單元主體（20），其設(shè)置在IC（12、13）之間，在電解質(zhì)（2）的一面上形成陰極（14），在電解質(zhì)（2）的另一面上形成陽極（15）；以及集電構(gòu)件（18、19），其設(shè)置在陰極（14）和陽極（15）中的至少一方與IC（12、13）之間且使陰極（14）和/或陽極（15）與IC（12、13）電連接。集電構(gòu)件（18、19）還包括：連接器抵接部（19a），其抵接IC（12、13）；電池單元主體抵接部（19b），其抵接電池單元主體（20）；以及間隔件（58），其形成為與將連接器抵接部（19a）與電池單元主體抵接部（19b）連接的連接部（19c）接合，在電池單元主體（20）和IC（12、13）之間，間隔件（58）被設(shè)置成使連接器抵接部（19a）和電池單元主體抵接部（19b）彼此分隔。
【專利說明】燃料電池單元及燃料電池堆
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種燃料電池單元，其包括電解質(zhì)層和在電解質(zhì)層的兩面上設(shè)置的兩個(gè)電極，其中燃料氣體被供給到兩個(gè)電極中的一個(gè)(以下，可以被稱為“陽極”)，而氧化劑氣體被供給到另一個(gè)電極(以下，可以被稱為“陰極”)，由此產(chǎn)生電力；并且本發(fā)明涉及一種燃料電池堆，其包括被堆疊和固定在一起的多個(gè)燃料電池單元。
【背景技術(shù)】
[0002]迄今為止，已經(jīng)提供了如例如專利文獻(xiàn)1中說明的燃料電池單元，該燃料電池單元包括:一對互連器；電池單元主體，其設(shè)置在互連器之間，該電池單元主體具有形成在電解質(zhì)的一面上的陰極并且具有形成在電解質(zhì)的另一面上的陽極；以及集電構(gòu)件，其設(shè)置在陰極和互連器之間或者設(shè)置在陽極和互連器之間，以便在陰極和互連器之間或者在陽極和互連器之間建立電連接。
[0003]該燃料電池單元的集電構(gòu)件具有如下結(jié)構(gòu):該結(jié)構(gòu)包括爪狀彈性構(gòu)件，其通過切起平板狀的集電板而被設(shè)置在該集電板上。在該燃料電池單元中，通過將集電板的平坦面接合到互連器并且使得彈性構(gòu)件的頂端與電池單元主體接觸來在電極和互連器之間建立電連接。
[0004]現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)
[0005]專利文獻(xiàn)
[0006]專利文獻(xiàn)1:日本特開2009-266533號公報(bào)
【發(fā)明內(nèi)容】

_7] 發(fā)明要解決的問題
[0008]在前述傳統(tǒng)的燃料電池單元的情況下，集電構(gòu)件借助于導(dǎo)電的彈性構(gòu)件與電池單元主體接觸，歸因于例如長期使用燃料電池單元所導(dǎo)致的集電構(gòu)件的塑性變形、發(fā)電期間由高溫所導(dǎo)致該導(dǎo)電的彈性構(gòu)件的強(qiáng)度降低以及影響該導(dǎo)電的彈性構(gòu)件的蠕變變形(creep deformation),所以可能不能夠?qū)崿F(xiàn)用于電連接所需的特定接觸力。在這種情況下，導(dǎo)電的彈性構(gòu)件可能不能夠跟隨由例如溫度循環(huán)或者燃料壓力或空氣壓力的變化導(dǎo)致的電池單元主體的變形，這可能導(dǎo)致在彈性構(gòu)件和電池單元主體之間不穩(wěn)定的接觸；即，在陰極和互連器之間或在陽極和互連器之間的不穩(wěn)定地的電接觸。
[0009]當(dāng)用于電連接所需的前述彈性構(gòu)件的接觸力由于多種因素而減小時(shí)，彈性構(gòu)件的應(yīng)當(dāng)與電池單元主體接觸的部分可能與互連器接觸。同時(shí)，在許多情況下，由于集電構(gòu)件的平坦面被接合到互連器，所以集電構(gòu)件由能夠提供與互連器接合的良好接合性的材料形成。因此，當(dāng)彈性構(gòu)件在發(fā)電期間在高溫度條件下與互連器接觸時(shí)，彈性構(gòu)件可以通過燒結(jié)而被接合到互連器。在這種情況下，由于彈性構(gòu)件與互連器一體化，所以在將彈性構(gòu)件與電池單元主體接觸方面可能遇到困難，導(dǎo)致在陰極和互連器之間或者在陽極和互連器之間不穩(wěn)定的電連接。[0010]考慮到前述情況，本發(fā)明的目的在于提供一種即使在長期使用之后也能夠維持有利的電連接的燃料電池單元或者燃料電池堆。
[0011]用于解決問題的方案
[0012]為了實(shí)現(xiàn)前述目的，如方案1所述地，本發(fā)明提供了一種燃料電池單元，其包括:一對互連器；
[0013]電池單元主體，所述電池單元主體設(shè)置于所述互連器之間，所述電池單元主體包括電解質(zhì)、形成于所述電解質(zhì)的一面的陰極和形成于所述電解質(zhì)的另一面的陽極；以及
[0014]集電構(gòu)件，所述集電構(gòu)件設(shè)置在所述陰極和所述陽極中的至少一方與所述互連器之間，所述集電構(gòu)件將所述陰極和/或所述陽極與所述互連器電連接，
[0015]其中所述集電構(gòu)件具有:連接器抵接部，所述連接器抵接部抵接所述互連器；電池單元主體抵接部，所述電池單元主體抵接部抵接所述電池單元主體；以及連接部，所述連接部將所述連接器抵接部與所述電池單元主體抵接部連接，所述連接器抵接部、所述電池單元主體抵接部和所述連接部連續(xù)地形成；以及
[0016]在所述電池單元主體和所述互連器之間，間隔件被設(shè)置成使得所述連接器抵接部和所述電池單元主體抵接部彼此分隔開。
[0017]如方案2所述地，還提供了根據(jù)方案1所述的燃料電池單元，所述連接部彎曲約180°，并且所述連接器抵接部和所述電池單元主體抵接部設(shè)置在所述間隔件的兩側(cè)。
[0018]如方案3所述地，本發(fā)明還提供了一種燃料電池單元，其包括:一對互連器；
[0019]電池單元主體，所述電池單元主體設(shè)置在所述互連器之間，所述電池單元主體包括電解質(zhì)、形成于所述電解質(zhì)的一面的陰極和形成于所述電解質(zhì)的另一面的陽極；以及
[0020]集電構(gòu)件，所述集電構(gòu)件設(shè)置在所述陰極和所述陽極中的至少一方與所述互連器之間，所述集電構(gòu)件將所述陰極和/或所述陽極與所述互連器電連接，
[0021]其中所述集電構(gòu)件具有:連接器抵接部，所述連接器抵接部抵接所述互連器；電池單元主體抵接部，所述電池單元主體抵接部抵接所述電池單元主體；以及連接部，所述連接部將所述連接器抵接部與所述電池單元主體抵接部連接，所述連接器抵接部、所述電池單元主體抵接部和所述連接部連續(xù)地形成；以及
[0022]在所述電池單元主體和所述互連器之間，間隔件被設(shè)置成使得所述連接器抵接部和所述電池單元主體彼此分隔開，并且所述間隔件被設(shè)置成使得所述電池單元主體抵接部和所述互連器彼此分隔開。
[0023]如方案4所述地，本發(fā)明還提供了一種燃料電池單元，其包括:一對互連器；
[0024]電池單元主體，所述電池單元主體設(shè)置在所述互連器之間，所述電池單元主體包括電解質(zhì)、形成于所述電解質(zhì)的一面的陰極和形成于所述電解質(zhì)的另一面的陽極；以及
[0025]集電構(gòu)件，所述集電構(gòu)件設(shè)置于所述陰極和所述陽極中的至少一方與所述互連器之間，所述集電構(gòu)件將所述陰極和/或所述陽極與所述互連器電連接，
[0026]其中所述集電構(gòu)件具有:連接器抵接部，所述連接器抵接部抵接所述互連器；電池單元主體抵接部，所述電池單元主體抵接部抵接所述電池單元主體；以及連接部，所述連接部將所述連接器抵接部與所述電池單元主體抵接部連接，所述連接器抵接部、所述電池單元主體抵接部和所述連接部連續(xù)地形成；以及
[0027]在所述電池單元主體和所述互連器之間，間隔件被設(shè)置成使得所述連接器抵接部和所述電池單元主體彼此分隔開，或者使得所述電池單元主體抵接部和所述互連器彼此分隔開。
[0028]如方案5所述地，本發(fā)明還提供了一種燃料電池單元，其包括:一對互連器；
[0029]電池單元主體，所述電池單元主體以與所述互連器中的每一方均間隔開的方式設(shè)置在所述互連器之間，所述電池單元主體包括板狀電解質(zhì)和形成于所述電解質(zhì)的上面和下面的電極；以及
[0030]集電構(gòu)件，所述集電構(gòu)件設(shè)置在所述電極中的至少一方與所述互連器之間，所述集電構(gòu)件將所述電極與所述互連器電連接，
[0031]其中所述集電構(gòu)件具有:連接器抵接部，所述連接器抵接部抵接所述互連器；電池單元主體抵接部，所述電池單元主體抵接部抵接所述電池單元主體的電極；以及連接部，所述連接部將所述連接器抵接部與所述電池單元主體抵接部連接，所述連接器抵接部、所述電池單元主體抵接部和所述連接部連續(xù)地形成；
[0032]間隔件設(shè)置在所述連接器抵接部和所述電池單元主體抵接部之間；以及
[0033]所述集電構(gòu)件和所述間隔件中的每一方均在使所述電池單元主體和所述互連器之間的間隔增大的方向上具有彈性，并且所述間隔件的彈性變形比所述集電構(gòu)件的彈性變形大。
[0034]此處使用的術(shù)語“彈性”指通過施加外力使材料變形而通過去除外力該材料恢復(fù)原來形狀的特性。如上所述，間隔件的彈性變形大于集電構(gòu)件的彈性變形。在本發(fā)明中，基于在具體條件下沿厚度方向?qū)⑤d荷施加到樣品而接著去除該載荷的情況下該樣品沿厚度方向的位移量確定具有與實(shí)際使用時(shí)的形狀相同的形狀的樣品的彈性變形。樣品沿厚度方向的位移量越大，該樣品的彈性變形越大，而樣品沿厚度方向的位移量越小，該樣品的彈性變形越小。
[0035]如方案6所述地，還提供了根據(jù)方案5所述的燃料電池單元，所述連接部彎曲約180°，所述連接器抵接部和所述電池單元主體抵接部設(shè)置在所述間隔件的兩側(cè)。
[0036]如方案7所述地，本發(fā)明還提供了一種燃料電池單元，其包括:一對互連器；
[0037]電池單元主體，所述電池單元主體以與所述互連器中的每一方均間隔開的方式設(shè)置在所述互連器之間，所述電池單元主體包括板狀電解質(zhì)和形成于所述電解質(zhì)的上面和下面的電極；以及
[0038]集電構(gòu)件，所述集電構(gòu)件設(shè)置在所述電極中的至少一方與所述互連器之間，所述集電構(gòu)件將所述電極與所述互連器電連接，
[0039]其中所述集電構(gòu)件具有:連接器抵接部，所述連接器抵接部抵接所述互連器；電池單元主體抵接部，所述電池單元主體抵接部抵接所述電池單元主體的電極；以及連接部，所述連接部將所述連接器抵接部與所述電池單元主體抵接部連接，所述連接器抵接部、所述電池單元主體抵接部和所述連接部連續(xù)地形成；
[0040]間隔件設(shè)置在所述連接器抵接部和所述電池單元主體之間；并且所述間隔件還設(shè)置在所述電池單元主體抵接部和所述互連器之間；以及
[0041]所述集電構(gòu)件和所述間隔件中的每一方均在使所述電池單元主體和所述互連器之間的間隔增大的方向上具有彈性，并且所述間隔件的彈性變形比所述集電構(gòu)件的彈性變形大。[0042]如方案8所述地，本發(fā)明還提供了一種燃料電池單元，其包括:一對互連器；
[0043]電池單元主體，所述電池單元主體以與所述互連器中的每一方均間隔開的方式設(shè)置在所述互連器之間，并且所述電池單元主體包括板狀電解質(zhì)和形成于所述電解質(zhì)的上面和下面的電極；以及
[0044]集電構(gòu)件，所述集電構(gòu)件設(shè)置在所述電極中的至少一方與所述互連器之間，所述集電構(gòu)件將所述電極與所述互連器電連接，
[0045]其中所述集電構(gòu)件具有:連接器抵接部，所述連接器抵接部抵接所述互連器；電池單元主體抵接部，所述電池單元主體抵接部抵接所述電池單元主體的電極；以及連接部，所述連接部將所述連接器抵接部與所述電池單元主體抵接部連接，所述連接器抵接部、所述電池單元主體抵接部和所述連接部連續(xù)地形成；
[0046]間隔件設(shè)置在所述連接器抵接部和所述電池單元主體之間，或者所述間隔件設(shè)置在所述電池單元主體抵接部和所述互連器之間；以及
[0047]所述集電構(gòu)件和所述間隔件中的每一方均在使所述電池單元主體和所述互連器之間的間隔增大的方向上具有彈性，并且所述間隔件的彈性變形比所述集電構(gòu)件的彈性變形大。
[0048]如方案9所述地，還提供了根據(jù)方案1至4中任一項(xiàng)所述的燃料電池單元，對于能與所述電池單元主體和所述互連器之間的距離的變化相關(guān)聯(lián)地作用的載荷而言，所述間隔件比所述集電構(gòu)件柔軟。
[0049]如方案10所述地，還提供了根據(jù)方案5至8中任一項(xiàng)所述的燃料電池單元，所述集電構(gòu)件被形成為能夠沿與所述集電構(gòu)件的面方向交叉的方向彎曲和拉伸，并且所述集電構(gòu)件被形成為幾乎不產(chǎn)生抵抗彎曲或拉伸的阻力。
[0050]如方案11所述地，還提供了根據(jù)方案5至10中任一項(xiàng)所述的燃料電池單元，所述間隔件由從云母、氧化鋁氈、蛭石、碳纖維、碳化硅纖維和二氧化硅之中選擇的至少一種形成。
[0051]如方案12所述地，還提供了根據(jù)方案1至11中任一項(xiàng)所述的燃料電池單元，所述燃料電池單元還包括夾持構(gòu)件，所述夾持構(gòu)件一體地夾持所述互連器、所述電池單元主體和所述集電構(gòu)件，其中，借助于所述夾持構(gòu)件和所述間隔件，使所述集電構(gòu)件的電池單元主體抵接部壓抵所述電池單元主體，和/或使所述連接器抵接部壓抵所述互連器。
[0052]如方案13所述地，還提供了根據(jù)方案12所述的燃料電池單元，所述間隔件在夾持方向上的熱膨脹系數(shù)比所述夾持構(gòu)件在夾持方向上的熱膨脹系數(shù)高。
[0053]如方案14所述地，還提供了根據(jù)方案1至13中任一項(xiàng)所述的燃料電池單元，所述集電構(gòu)件由多孔質(zhì)金屬、金屬網(wǎng)、金屬絲或沖壓金屬形成。
[0054]如方案15所述地，還提供了根據(jù)方案1至14中任一項(xiàng)所述的燃料電池單元，所述集電構(gòu)件的電池單元主體抵接部被接合到所述電池單元主體的陰極和/或陽極的表面。
[0055]如方案16所述地，還提供了根據(jù)方案1至15中任一項(xiàng)所述的燃料電池單元，所述集電構(gòu)件的連接器抵接部被接合到所述互連器。
[0056]如方案17所述地，還提供了根據(jù)方案1至16中任一項(xiàng)所述的燃料電池單元，所述集電構(gòu)件設(shè)置在所述陽極和所述互連器之間，所述集電構(gòu)件由Ni或Ni合金形成。
[0057]如方案18所述地，本發(fā)明還提供了一種燃料電池堆，所述燃料電池堆包括多個(gè)根據(jù)方案1至17中任一項(xiàng)所述的燃料電池單元，多個(gè)所述燃料電池單元堆疊并且利用所述夾持構(gòu)件固定在一起。
[0058]發(fā)明的效果
[0059]根據(jù)如方案1或2所述的燃料電池單元，由于借助于間隔件抑制了連接器抵接部和電池單元主體抵接部沿反接觸方向(即，它們不會(huì)彼此抵接的方向)的變形，所以集電構(gòu)件幾乎不可能塑性變形，并且?guī)缀醪豢赡苁艿嚼缭诎l(fā)電期間由高溫導(dǎo)致的強(qiáng)度的降低或者蠕動(dòng)變形的影響。另外，由于間隔件設(shè)置在集電構(gòu)件的連接器抵接部和電池單元主體抵接部之間以便防止集電構(gòu)件的連接器抵接部和電池單元主體抵接部之間的接觸，所以防止了連接器抵接部和電池單元主體抵接部在發(fā)電期間在高溫(燃料電池單元的工作溫度域)條件下通過燒結(jié)而被接合在一起。因而，能夠防止連接器抵接部和電池單元主體抵接部的一體化(即，通過燒結(jié)而接合)以及與其相關(guān)聯(lián)的不穩(wěn)定的電連接。
[0060]根據(jù)如方案3所述的燃料電池單元，由于借助于間隔件抑制了集電構(gòu)件的連接器抵接部和電池單元主體抵接部沿反接觸方向(即，它們不會(huì)彼此抵接的方向)的變形，所以集電構(gòu)件幾乎不可能塑性變形，并且?guī)缀醪豢赡苁艿嚼缭诎l(fā)電期間由高溫導(dǎo)致的強(qiáng)度的降低或者蠕動(dòng)變形的影響。另外，由于間隔件設(shè)置在集電構(gòu)件的連接器抵接部和電池單元主體之間以便防止集電構(gòu)件的連接器抵接部和電池單元主體之間的接觸，并且還設(shè)置在電池單元主體抵接部和互連器之間以便防止電池單元主體抵接部和互連器之間的接觸，所以防止了連接器抵接部和電池單元主體以及電池單元主體抵接部和互連器在發(fā)電期間在高溫條件下通過燒結(jié)而被接合在一起。因而，能夠防止連接器抵接部和電池單元主體以及電池單元主體抵接部和互連器的一體化(即，通過燒結(jié)而接合)，并且防止了與其相關(guān)聯(lián)的不穩(wěn)定的電連接。
[0061]根據(jù)如方案4所述的燃料電池單元，由于借助于間隔件抑制了集電構(gòu)件的連接器抵接部和電池單元主體抵接部沿反接觸方向(即，它們不會(huì)彼此抵接的方向)的變形，所以集電構(gòu)件幾乎不可能受到例如在發(fā)電期間由高溫導(dǎo)致的強(qiáng)度的降低或者蠕動(dòng)變形的影響。另外，由于間隔件設(shè)置在集電構(gòu)件的連接器抵接部和電池單元主體之間以便防止集電構(gòu)件的連接器抵接部和電池單元主體之間的接觸，或者設(shè)置在電池單元主體抵接部和互連器之間以便防止電池單元主體抵接部和互連器之間的接觸，所以防止了連接器抵接部和電池單元主體或者電池單元主體抵接部和互連器在發(fā)電期間在高溫條件下通過燒結(jié)而被接合在一起。因而，能夠防止連接器抵接部和電池單元主體或者電池單元主體抵接部和互連器的一體化(即，通過燒結(jié)而接合)，并且防止了與其相關(guān)聯(lián)的不穩(wěn)定的電連接。
[0062]根據(jù)如方案9所述的燃料電池單元，由于間隔件被設(shè)計(jì)成比集電構(gòu)件柔軟，并且呈現(xiàn)出抵抗被施加到間隔件的載荷的阻力低，所以能夠防止電池單元主體的損壞，否則可能在燃料電池單元工作期間或燃料電池單元組裝期間由來自間隔件的過大的阻力導(dǎo)致該電池單元主體的損壞。也就是，間隔件呈現(xiàn)出緩沖性能，因而減小了在燃料電池單元的工作期間電池單元主體的變形或者在燃料電池單元組裝期間由于夾持力所引起的電池單元主體上的應(yīng)力的集中，由此能夠抑制電池單元主體的損壞。間隔件可以由至少在方案10中說明的材料形成。
[0063]根據(jù)方案5或6所述的燃料電池單元，由于間隔件設(shè)置在集電構(gòu)件的連接器抵接部和電池單元主體抵接部之間以便防止集電構(gòu)件的連接器抵接部和電池單元主體抵接部之間的接觸，能夠防止連接器抵接部和電池單元主體抵接部在發(fā)電期間在高溫(燃料電池單元的工作溫度域)條件下通過燒結(jié)而被接合在一起。因而，能夠防止連接器抵接部和電池單元主體抵接部的一體化(即，通過燒結(jié)而接合)，并且防止了與其相關(guān)聯(lián)的不穩(wěn)定的電連接。
[0064]根據(jù)如方案7所述的燃料電池單元，由于間隔件設(shè)置在集電構(gòu)件的連接器抵接部和電池單元主體之間以便防止集電構(gòu)件的連接器抵接部和電池單元主體之間的接觸，并且還設(shè)置在電池單元主體抵接部和連接器之間以便防止電池單元主體抵接部和互連器之間的接觸，所以防止了連接器抵接部和電池單元主體以及電池單元主體抵接部和互連器在發(fā)電期間在高溫條件下通過燒結(jié)而被接合在一起。因而，能夠防止連接器抵接部和電池單元主體以及電池單元主體抵接部和互連器的一體化(即，通過燒結(jié)而接合)，并且還能夠防止與其相關(guān)聯(lián)的不穩(wěn)定的電連接。
[0065]根據(jù)如方案8所述的燃料電池單元，由于間隔件設(shè)置在集電構(gòu)件的連接器抵接部和電池單元主體之間以便防止集電構(gòu)件的連接器抵接部和電池單元主體之間的接觸，或者設(shè)置在電池單元主體抵接部和互連器之間以便防止電池單元主體抵接部和互連器之間的接觸，能夠防止連接器抵接部和電池單元主體或者電池單元主體抵接部和互連器在發(fā)電期間在高溫條件下通過燒結(jié)而被接合在一起。因而，能夠防止連接器抵接部和電池單元主體或者電池單元主體抵接部和互連器的一體化(即，通過燒結(jié)而接合)，并且還能夠防止與其相關(guān)聯(lián)的不穩(wěn)定的電連接。
[0066]如方案5至8中任一項(xiàng)所述的燃料電池單元具有如下效果。
[0067]( i )當(dāng)通過例如熱循環(huán)使得電池單元主體等變形，且互連器和電極之間的間隔增大時(shí)；即，當(dāng)設(shè)置集電構(gòu)件的空間增大時(shí)，由于間隔件的彈性變形大，所以在互連器和電極之間建立了穩(wěn)定的電連接。另外，即使當(dāng)在設(shè)置集電構(gòu)件的空間臨時(shí)減小而隨后增大時(shí)，由于間隔件的彈性變形比集電構(gòu)件的彈性變形大，所以能夠在互連器和電極之間建立穩(wěn)定的電連接。
[0068]( i i )由于間隔件沿壓縮方向是柔性的，所以不存在由于來自間隔件的過大的阻力而導(dǎo)致電池單元主體損壞的可能性。也就是，間隔件呈現(xiàn)出緩沖性能，因而減小了在燃料電池單元組裝期間由于夾持力所引起的電池單元主體上的應(yīng)力的集中，由此能夠抑制電池單元主體的損壞。
[0069]如方案10所述地，當(dāng)集電構(gòu)件被形成為能夠沿與集電構(gòu)件的面方向交叉的方向彎曲和拉伸并且被形成為實(shí)際上不產(chǎn)生抵抗彎曲或拉伸的阻力時(shí)，在間隔件的作用和集電構(gòu)件的作用之間存在明顯的區(qū)別；具體地，間隔件與例如由于溫度循環(huán)或者燃料壓力或空氣壓力變化所導(dǎo)致的電池單元主體的變形對應(yīng)，而集電構(gòu)件與電連接對應(yīng)。因此，與間隔件和集電構(gòu)件中的每一方的作用相關(guān)聯(lián)地，能夠使間隔件和集電構(gòu)件中的每一方的材料和形狀最優(yōu)化。
[0070]前述間隔件可以由至少如方案11所述的材料形成。
[0071]根據(jù)如方案12所述的燃料電池單元，由于互連器、電池單元主體和集電構(gòu)件堆疊且借助于夾持構(gòu)件被夾持在一起，所以集電構(gòu)件的電池單元主體抵接部借助于間隔件的壓力穩(wěn)定地抵接電池單元主體，或者連接器抵接部借助于間隔件的壓力穩(wěn)定地抵接互連器。因此,通過集電構(gòu)件建立穩(wěn)定的電連接。[0072]也就是，通過間隔件的彈性力補(bǔ)償集電構(gòu)件的彈性力的減小(在高溫條件下受到金屬集電構(gòu)件的蠕變變形的影響)，因而維持了對電池單元主體或互連器的加壓作用。因此，將接點(diǎn)維持在有利的狀態(tài)。
[0073]根據(jù)如方案13所述的燃料電池單元，由于間隔件呈現(xiàn)出在夾持方向上的熱膨脹系數(shù)大于夾持構(gòu)件在夾持方向上的熱膨脹系數(shù)。因此，即使當(dāng)在發(fā)電期間由于熱引起的夾持構(gòu)件的熱膨脹導(dǎo)致夾持互連器、電池單元主體和集電構(gòu)件的力減小時(shí)，也維持了對集電構(gòu)件的加壓作用，這是由于間隔件熱膨脹的程度比夾持構(gòu)件的熱膨脹的程度大。
[0074]如方案14所述地，當(dāng)集電構(gòu)件由多孔質(zhì)金屬、金屬網(wǎng)、金屬絲或沖壓金屬形成時(shí)，與該集電構(gòu)件由單純的板材形成的情況相比，該集電構(gòu)件呈現(xiàn)出改進(jìn)的燃料氣體或氧化劑氣體擴(kuò)散性。
[0075]如方案15所述地，當(dāng)電池單元主體抵接部被接合到電池單元主體的陰極和/或陽極的表面時(shí)，電池單元主體抵接部能夠跟隨例如由于溫度循環(huán)或者燃料壓力或空氣壓力的變化導(dǎo)致的電池單元主體的變形，因而實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的電連接。
[0076]如方案16所述地，在集電構(gòu)件的連接器抵接部被接合到互連器時(shí)，即使當(dāng)電池單元主體例如由于溫度循環(huán)或者燃料壓力或空氣壓力的變化導(dǎo)致變形時(shí)，能夠在連接器抵接部和互連器之間維持穩(wěn)定的電連接。
[0077]如方案17所述地，當(dāng)集電構(gòu)件設(shè)置在陽極和互連器之間并且該集電構(gòu)件由Ni或Ni合金形成時(shí)，能夠僅通過在燃料電池單元組裝之后對該燃料電池單元加熱來將集電構(gòu)件的電池單元主體抵接部或連接器抵接部接合到電池單元主體的陽極或者互連器。
[0078]具體地，Ni或Ni合金是呈現(xiàn)出與電池單元主體的陽極或互連器的接合性優(yōu)異的材料，并且集電構(gòu)件的電池單元主體抵接部或連接器抵接部借助于集電構(gòu)件自身的彈性或者間隔件的壓力來與電池單元主體或互連器穩(wěn)定地接觸。因此，當(dāng)燃料電池單元組裝完成之后對該燃料電池單元加熱時(shí)，電池單元主體抵接部被擴(kuò)散接合到包含在電池單元主體的陽極中的Ni，或者連接器抵接部通過擴(kuò)散接合與互連器一體化。因而，當(dāng)電池單元主體抵接部或連接器抵接部分別與電池單元主體或互連器一體化時(shí)，在電池單元主體和互連器之間建立穩(wěn)定的電連接。
[0079]由于燃料電池在發(fā)電期間的溫度達(dá)到約700°C至1，000°C，所以電池單元抵接部或連接器抵接部能夠借助于發(fā)電期間的熱分別接合到電池單元主體的陽極或者互連器。因此，能夠省略加熱處理，導(dǎo)致節(jié)約了能源。
[0080]通過堆疊如方案1至16中任一項(xiàng)所述的多個(gè)燃料電池單元并且借助于夾持構(gòu)件固定該多個(gè)燃料電池單元來制造如方案18所述的燃料電池堆。因此，即使長期使用了該燃料電池堆之后該燃料電池堆也能夠維持有利的電連接。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0081]圖1是根據(jù)第一實(shí)施方式的燃料電池的立體圖。
[0082]圖2是根據(jù)第一實(shí)施方式的燃料電池單元的立體圖。
[0083]圖3是根據(jù)第一實(shí)施方式的燃料電池單元的分解立體圖。
[0084]圖4是根據(jù)第一實(shí)施方式的燃料電池單元的分解立體圖，其中一些部件未以分解的方式示出。[0085]圖5是根據(jù)第一實(shí)施方式的燃料電池單元的中間被省略的縱截面圖。
[0086]圖6是圖5的燃料電池單元的分解縱截面圖。
[0087]圖7是圖5的燃料電池單元沿著線A-A截取的截面圖。
[0088]圖8是圖5的燃料電池單元沿著線B-B截取的截面圖。
[0089]圖9是根據(jù)第一實(shí)施方式的集電構(gòu)件的立體圖。
[0090]圖10的(a)是根據(jù)第一實(shí)施方式的間隔件的立體圖；圖10的(b)是根據(jù)第一實(shí)施方式的集電構(gòu)件在安裝間隔件之前的立體圖。
[0091]圖11是集電構(gòu)件的立體圖，其是圖10的(b)的集電構(gòu)件的變型例。
[0092]圖12是根據(jù)另一實(shí)施方式(第二實(shí)施方式)的燃料電池單元的中間被省略的縱截面圖。
[0093]圖13是根據(jù)另一實(shí)施方式(第二實(shí)施方式)的燃料電池單元的中間被省略的縱截面圖。
[0094]圖14是根據(jù)另一實(shí)施方式(第二實(shí)施方式)的燃料電池單元的中間被省略的縱截面圖。
[0095]圖15是根據(jù)另一實(shí)施方式(第二實(shí)施方式)的燃料電池單元的中間被省略的縱截面圖。
[0096]圖16是根據(jù)第三實(shí)施方式的燃料電池的立體圖。
[0097]圖17是根據(jù)第三實(shí)施方式的燃料電池單元的立體圖。
[0098]圖18是根據(jù)第三實(shí)施方式的燃料電池單元的分解立體圖。
[0099]圖19是根據(jù)第三實(shí)施方式的燃料電池單元的分解立體圖，其中一些部件未以分解的方式示出。
[0100]圖20是根據(jù)第三實(shí)施方式的燃料電池單元的中間被省略的縱截面圖。
[0101]圖21是圖20的燃料電池單元的分解縱截面圖。
[0102]圖22是圖20的燃料電池單元沿著線A-A截取的截面圖。
[0103]圖23是圖20的燃料電池單元沿著線B-B截取的截面圖。
[0104]圖24是根據(jù)第三實(shí)施方式的集電構(gòu)件的立體圖。
[0105]圖25的(a)根據(jù)第三實(shí)施方式的間隔件的立體圖；圖25的(b)是根據(jù)第三實(shí)施方式的集電構(gòu)件在安裝間隔件之前的立體圖。
[0106]圖26是集電構(gòu)件的立體圖，其是圖25的(b)的集電構(gòu)件的變型例。
[0107]圖27是不出關(guān)于集電構(gòu)件和間隔件的載荷和位移之間關(guān)系的圖。
[0108]圖28是根據(jù)又一實(shí)施方式(第四實(shí)施方式)的燃料電池單元的中間被省略的縱截面圖。
[0109]圖29是根據(jù)又一實(shí)施方式(第四實(shí)施方式)的燃料電池單元的中間被省略的縱截面圖。
[0110]圖30是根據(jù)又一實(shí)施方式(第四實(shí)施方式)的燃料電池單元的中間被省略的縱截面圖。
[0111]圖31是根據(jù)又一實(shí)施方式(第四實(shí)施方式)的燃料電池單元的中間被省略的縱截面圖。【具體實(shí)施方式】
[0112]當(dāng)前使用的燃料電池在電解質(zhì)的材料方面被大致分成四類:包括用作電解質(zhì)的聚合物電解質(zhì)膜的聚合物電解質(zhì)燃料電池(PEFC);包括由磷酸形成的電解質(zhì)的磷酸燃料電池(PAFC);包括由L1-Na/K碳酸鹽形成的電解質(zhì)的熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC);以及包括由例如Zr02陶瓷材料形成的電解質(zhì)的固體氧化物燃料電池(S0FC)。這些類型的燃料電池的工作溫度(即，離子能夠移動(dòng)通過電解質(zhì)的溫度)彼此不同。目前，PEFC、PAFC、MCFC以及S0FC的工作溫度是分別為約90°C、約150°C至200°C、約650°C至700°C以及約700°C至1，000°C的常溫。
[0113]【第一實(shí)施方式】
[0114]根據(jù)在圖1至圖11中示出的第一實(shí)施方式的燃料電池1是包括由例如Zr02陶瓷材料形成的電解質(zhì)2的S0FC。燃料電池1大體上包括:燃料電池單元3，其用作發(fā)電用的最小單位；空氣供給流路4，其用于將空氣供給到燃料電池單元3 ;空氣排出流路5，其用于將空氣排出到外部；燃料供給流路6，其用于將燃料氣體供給到燃料電池單元3 ;燃料排出流路7，其用于將燃料氣體排出到外部；固定構(gòu)件9，其用于固定通過堆疊多個(gè)燃料電池單元3而制備的電池單元組，由此制造燃料電池堆8 ;容器10，其用于容納燃料電池堆8 ;以及輸出構(gòu)件11，其用于輸出由燃料電池堆8產(chǎn)生的電力。
[0115]【燃料電池單元】
[0116]燃料電池單元3在平面圖中具有正方形形狀。如圖3所示，燃料電池單元3包括:上互連器12,其是四邊形板的形狀并且由例如導(dǎo)電的鐵氧體不銹鋼(ferrite stainless)形成(注意:為了方便說明，此處使用的術(shù)語“上”或“下”是基于附圖的，而不是指絕對的上下位置，同樣適用于下文)；下互連器13，其也是四邊形板的形狀并且由例如導(dǎo)電的鐵氧體不銹鋼形成；電池單元主體20，其位于上互連器12和下互連器13之間的大致中間位置，該電池單元主體20具有形成在電解質(zhì)2的面對上互連器12的內(nèi)表面(下表面)的表面上的陰極14，并且該電池單元主體20具有形成在電解質(zhì)2的面對下互連器13的內(nèi)表面(上表面)的表面上的陽極15 ;空氣室16，其形成在上互連器12和陰極14之間；燃料室17，其形成在下互連器13和陽極15之間；陰極14側(cè)的集電構(gòu)件18，其設(shè)置在空氣室16的內(nèi)部并且將陰極14和上互連器12電連接；以及陽極15側(cè)的集電構(gòu)件19，其設(shè)置在燃料室17的內(nèi)部并且將陽極15和下互連器13電連接。正方形燃料電池單元3在角部處具有角部通孔47、47，前述固定構(gòu)件9的下述的夾持構(gòu)件46a至46d貫通該角部通孔47、47。
[0117]【電解質(zhì)】
[0118]前述電解質(zhì)2可以由例如Zr02陶瓷材料、LaGa03陶瓷材料、BaCe03陶瓷材料、SrCe03陶瓷材料、SrZr03陶瓷材料或CaZr03陶瓷材料形成。
[0119]【陽極】
`[0120]前述陽極15可以由諸如Ni或Fe等的金屬與從諸如Ce02陶瓷材料和Zr02陶瓷材料等的陶瓷材料選擇的至少一種陶瓷材料(例如，被從諸如Sc和Y等的稀土元素之中選擇的至少一類穩(wěn)定的氧化錯(cuò))的混合物形成。陽極15可以由諸如Pt、Au、Ag、Pb、Ir、Ru、Rh、Ni或Fe等的金屬形成。陽極15可以僅由這些金屬中的一種形成或者由這些金屬中的兩種或更多種的合金形成?？蛇x地，陽極15可以由該金屬和/或該金屬的合金與前述陶瓷材料的混合物(包含金屬陶瓷的混合物)形成。可選地，陽極15可以例如由諸如Ni或Fe等的金屬氧化物與前述陶瓷材料中的至少一種的混合物形成。
[0121]【陰極】
[0122]前述陰極14可以由例如任意金屬、任意金屬氧化物或者任意金屬復(fù)合氧化物形成。該金屬的示例包括:諸如Pt、Au、Ag、Pb、Ir、Ru和Rh等的金屬；以及包含兩種或更多種這些金屬的合金。金屬氧化物的示例包括La、Sr、Ce、Co、Μη、Fe等的氧化物(例如，La203、SrO、Ce203、Co203、Mn02和FeO)。復(fù)合氧化物的示例包括例如至少包含La、Pr、Sm、Sr、Ba、Co、Fe、Mn等的復(fù)合氧化物(例如，Lai^Sr^oOg復(fù)合氧化物、La^Si^FeC^復(fù)合氧化物、La^Si^CcVyFeC^復(fù)合氧化物、La1_xSrxMn03復(fù)合氧化物、Pr1_xBaxCo03復(fù)合氧化物和Sm1_xSrxCo03復(fù)合氧化物等)。
[0123]【燃料室】
[0124]如圖3至圖5所示，為四邊形室的燃料室17由形成陽極氣體流路用的絕緣框架21(以下，該框架可以被稱為“陽極絕緣框架”)和設(shè)置在陽極絕緣框架21的上表面上的陽極框架22限定，陽極絕緣框架21圍繞集電構(gòu)件19且設(shè)置在下互連器13的上表面上。
[0125]【燃料室側(cè)的集電構(gòu)件】
[0126]燃料室17側(cè)的集電構(gòu)件19由例如Ni板材形成。該集電構(gòu)件19具有抵接下互連器13的連接器抵接部19a、抵接電池單元主體20的陽極15的電池單元主體抵接部19b以及連接連接器抵接部19a和電池單元主體抵接部19b的U形連接部19c，連續(xù)地形成連接器抵接部19a、電池單元主體抵接部19b及U形連接部19c。借助于U形連接部19c的彈性力，連接器抵接部19a和電池單元主體抵接部19b分別被朝向互連器13和電池單元主體20施力。另外，集電構(gòu)件19能夠柔性地跟隨由于溫度循環(huán)或者在例如燃料壓力或空氣壓力方面的變化所導(dǎo)致的電池單元主體20的變形。
[0127]燃料室17側(cè)的集電構(gòu)`件19可以代替前述板材由例如Ni制多孔質(zhì)金屬、Ni網(wǎng)、Ni絲或者Ni沖壓金屬形成。燃料室17側(cè)的集電構(gòu)件19可以代替Ni由諸如Ni合金或不銹鋼等的抗氧化的金屬形成。
[0128]在燃料室17中設(shè)置大約數(shù)十至一百個(gè)集電構(gòu)件19(不用說，可以與燃料室的尺寸相關(guān)聯(lián)地改變集電構(gòu)件的數(shù)量)。集電構(gòu)件19可以單獨(dú)地配置在互連器13上并且經(jīng)受焊接(例如，激光焊接或電阻焊接)。然而，優(yōu)選地，如圖10的(b)所示，前述板材被加工成四邊形平板19p以便與燃料室17相匹配，分別與電池單元主體抵接部19b和連接部19c對應(yīng)的預(yù)切線19d設(shè)置在平板19p上，使得如圖9的放大圖所示，當(dāng)連接部19c彎曲成具有U形截面時(shí)，電池單元主體抵接部19b設(shè)置在連接器抵接部19a的上方且與連接器抵接部19a相隔距離t (參見圖5的放大圖)。因此，具有與彎曲的電池單元主體抵接部19b對應(yīng)的孔的平板19p與連接器抵接部19a的集合體對應(yīng)。在本實(shí)施方式中，平板19p的連接器抵接部19a通過激光焊接或電阻焊接被接合到下互連器13。
[0129]如圖11所示，可以以電池單元主體抵接部19b和連接部19c 一體化為一列的方式形成集電構(gòu)件19的預(yù)切線19d。在這種情況下，能夠有效地加工電池單元主體抵接部19b和連接部19c。
[0130]【間隔件】
[0131]如圖5所示，間隔件58設(shè)置在集電構(gòu)件19中。在電池單元主體20和下互連器13之間的燃料室17中，間隔件58設(shè)置在連接器抵接部19a和電池單元主體抵接部19b之間以便使連接器抵接部19a和電池單元主體抵接部19b彼此分隔開。以如下方式確定間隔件58的厚度和材料:使得當(dāng)至少在燃料電池的工作溫度域(即，700°C至1，000°C)下使間隔件58熱膨脹時(shí)，間隔件58的厚度變得大于前述間隔t (間隔件58的厚度通過熱膨脹增大)，以便沿各自的抵接方向壓電池單元主體抵接部1%和連接器抵接部19a，即朝向電池單元主體20壓電池單元主體抵接部19b并且朝向互連器13壓連接器抵接部19a。
[0132]不特別地限制間隔件58的厚度，只要在燃料電池的工作溫度域下間隔件58的厚度大于電池單元主體抵接部19b和連接器抵接部19a之間的間隔t即可。優(yōu)選地，間隔件58的厚度被調(diào)整成在燃料電池非工作期間的常溫狀態(tài)下至少幾乎等于或略大于的電池單元主體抵接部19b和連接器抵接部19a之間的間隔t。在這種情況下，發(fā)電開始之后直到燃料電池的溫度達(dá)到工作溫度域之前，都可以借助于間隔件58在連接器抵接部19a和互連器13之間以及在電池單元主體抵接部19b和電池單元主體20之間維持穩(wěn)定的電接觸。
[0133]間隔件58由比集電構(gòu)件19的材料柔軟的材料形成；即，該間隔件58由彈性呈現(xiàn)出比集電構(gòu)件19的彈性小的材料形成。具體地，以如下方式確定間隔件58的材料和結(jié)構(gòu):相對于由于溫度循環(huán)或者燃料壓力或空氣壓力中的變化導(dǎo)致的燃料室17尺寸的變化，間隔件58能跟隨集電構(gòu)件19的動(dòng)作(即，間隔件58不會(huì)阻礙集電構(gòu)件19的迅速動(dòng)作)。
[0134]間隔件58由處于燃料電池的工作溫度域下不會(huì)燒結(jié)到集電構(gòu)件19的材料形成。因此，電池單元主體抵接部19b和連接器抵接部19a不會(huì)由于彼此直接接觸而燒結(jié)在一起，并且電池單元主體抵接部19b和連接器抵接部19a不會(huì)經(jīng)由間隔件58而彼此燒結(jié)。
[0135]滿足前述條件的間隔件58的材料可以是從云母、氧化鋁氈、蛭石、碳纖維、碳化硅纖維和二氧化硅之中選擇的任意一種或多種的組合。優(yōu)選地，間隔件58由薄板(例如，云母)的層疊結(jié)構(gòu)形成，這是由于相對于層疊方向的載荷需賦予適當(dāng)?shù)膹椥浴Ｓ蛇@種材料形成的間隔件58呈現(xiàn)出在厚度方向(層疊方向)上的熱膨脹系數(shù)比下述夾持構(gòu)件46a至46d的熱膨脹系數(shù)(沿夾持方向)大。
[0136]因而，當(dāng)對集電構(gòu)件19(連接構(gòu)件)以及間隔件58施加彈性力時(shí)，接點(diǎn)被維持在較有利的狀態(tài)。
[0137]如上所述，本實(shí)施方式的集電構(gòu)件19具有由平板19p形成的一體結(jié)構(gòu)，該平板19p是連接器抵接部19a的集合體。因此，如圖10的(a)所示，間隔件58由如下單個(gè)四邊形材料片形成:該單個(gè)四邊形材料片具有與平板19p的寬度大致相同的寬度和比平板19p的長度略小的長度(具體地，小與單個(gè)電池單元主體抵接部1%和單個(gè)連接部19c對應(yīng)的長度)，使得分別與電池單元主體抵接部1%和連接部19c的單個(gè)列對應(yīng)的部分以配置成橫格子狀的方式被切除。
[0138]如此形成的間隔件58被載置于集電構(gòu)件19的未加工的圖10的(b)中示出的平板19p上。那么，如圖9的放大圖所示，連接部19c被彎曲成具有U形截面，由此生產(chǎn)了與間隔件58預(yù)一體化的集電構(gòu)件19。
[0139]如圖9的放大圖所示，從左角部朝向右側(cè)逐步地彎曲電池單元主體抵接部19b。然而，該圖僅用于說明生產(chǎn)過程。因此，可以同時(shí)彎曲所有電池單元主體抵接部1%，或者可以從便于加工的位置順次地彎曲電池單元主體抵接部19b。
[0140]【空氣室】
[0141]如圖3至圖5所示，為四邊形室的前述空氣室16由薄金屬導(dǎo)電隔離體23和絕緣框架24限定，該薄金屬導(dǎo)電隔離體23具有四邊形框架形狀并且在其下表面上安裝有前述電解質(zhì)2，絕緣框架24用于形成陰極氣體流路(以下，該框架可以被稱為“陰極絕緣框架”)，該陰極絕緣框架24圍繞集電構(gòu)件18并且設(shè)置在隔離體23和上互連器12之間。
[0142]【空氣室側(cè)的集電構(gòu)件】
[0143]空氣室16側(cè)的集電構(gòu)件18由例如具有細(xì)長的角材形狀(elongated squaredtimber shape)的致密導(dǎo)電構(gòu)件(例如,不銹鋼材料)形成。多個(gè)集電構(gòu)件18以一定的間隔平行地配置以便抵接電解質(zhì)2的上表面上的陰極14和上互連器12的下表面(內(nèi)表面)?？諝馐?6側(cè)的集電構(gòu)件18可以具有與在燃料室17側(cè)的集電構(gòu)件19相同的結(jié)構(gòu)(包括下述
第二實(shí)施方式) 。
[0144]如上所述，燃料電池單元3包括燃料室17和空氣室16，該燃料室17和空氣室16由下互連器13、陽極絕緣框架21、陽極框架22、隔離體23、陰極絕緣框架24和上互連器12限定。借助于電解質(zhì)2使得燃料室17和空氣室16被彼此分隔開，并且借助于陽極絕緣框架21和陰極絕緣框架24使得陽極15與陰極14電絕緣。
[0145]燃料電池單元3還包括:空氣供給單元25，其具有用于向空氣室16的內(nèi)部供給空氣的空氣供給流路4 ;空氣排出單元26，其具有用于將來自空氣室16的空氣排出到外部的空氣排出流路5 ;燃料供給單元27，其具有用于將燃料氣體供給到燃料室17的內(nèi)部的燃料供給流路6 ;以及燃料排出單元28，其具有用于將來自燃料室17的燃料氣體排出到外部的燃料排出流路7。
[0146]【空氣供給單元】
[0147]空氣供給單元25包括:空氣供給通孔29，其沿上下方向設(shè)置在四邊形燃料電池單元3的一邊的中央處；長孔狀的空氣供給連通室30，其設(shè)置于陰極絕緣框架24以便與空氣供給通孔29連通；空氣供給連通部32，其由在空氣供給連通室30和空氣室16之間的分隔壁31的上表面上等間隔設(shè)置的多個(gè)凹部(dent)形成；以及空氣供給流路4，其插入空氣供給通孔29用于將來自外部的空氣供給到空氣供給連通室30。
[0148]【空氣排出單元】
[0149]空氣排出單元26包括:空氣排出通孔33，其沿上下方向設(shè)置在燃料電池單元3的與空氣供給單元25相反的一邊的中央處；長孔狀空氣排出連通室34，其設(shè)置于陰極絕緣框架24以便與空氣排出通孔33連通；空氣排出連通部36，其由在空氣排出連通室34和空氣室16之間的分隔壁35的上表面上等間隔設(shè)置的多個(gè)凹部形成；以及管狀空氣排出流路5，其插入空氣排出通孔33用于將來自空氣排出連通室34的空氣排出到外部。
[0150]【燃料供給單元】
[0151]燃料供給單元27包括:燃料供給通孔37，其沿上下方向設(shè)置在四邊形燃料電池單元3的其余兩邊中的一邊的中央處；長孔狀燃料供給連通室38，其設(shè)置于陽極絕緣框架21以便與燃料供給通孔37連通；燃料供給連通部40，其由在燃料供給連通室38和燃料室17之間的分隔壁39的上表面上等間隔設(shè)置的多個(gè)凹部形成；以及管狀燃料供給流路6，其插入燃料供給通孔37用于將來自外部的燃料氣體供給到燃料供給連通室38。
[0152]【燃料排出單元】
[0153]燃料排出單元28包括:燃料排出通孔41，其沿上下方向設(shè)置在燃料電池單元3的與燃料供給單元27相反的一邊的中央處；長孔狀燃料排出連通室42，其設(shè)置于陽極絕緣框架21以便與燃料排出通孔41連通；燃料排出連通部44，其由在燃料排出連通室42和燃料室17之間的分隔壁43的上表面上等間隔設(shè)置的多個(gè)凹部形成；以及管狀燃料排出流路7，其插入燃料排出通孔41用于將來自燃料排出連通室42的燃料氣體排出到外部。
[0154]【燃料電池堆】
[0155]通過借助于固定構(gòu)件9來固定通過堆疊多個(gè)前述燃料電池單元3制備的電池單元組來制造燃料電池堆8。當(dāng)將多個(gè)燃料電池單元3堆疊在一起時(shí)，位于下側(cè)的燃料電池單元3的上互連器12與位于上側(cè)的燃料電池單元3的下互連器13 —體化，并且如此一體化的互連器由上下燃料電池單元3、3共有。
[0156]前述固定構(gòu)件9是一對端板45a和45b以及四個(gè)夾持構(gòu)件46a至46d的組合，該對端板45a和45b上下夾住電池單元組，該四個(gè)夾持構(gòu)件46a至46d用于夾持端板45a和45b以及電池單元組，各夾持構(gòu)件包括夾持螺母和貫穿端板45a和45b的角部孔(未示出)且貫穿螺栓電池單元組的前述角部通孔47的螺栓。夾持構(gòu)件46a至46d由例如因科鎳合金601形成。
[0157]前述空氣供給流路4以上下貫穿端板45a和45b的通孔(未示出)以及電池單元組的空氣供給通孔29的方式安裝到燃料電池堆8。當(dāng)管狀流路的端部被封閉并且如圖7所示橫孔48設(shè)置于各空氣供給連通室30時(shí)，經(jīng)由橫孔48將空氣供給到空氣供給連通室30。
[0158]同樣地，在空氣排出流路5中，通過設(shè)置于各空氣排出連通室34的橫孔49將空氣排出到外部。如圖8所示，在燃料供給流路6中，通過設(shè)置于各燃料供給連通室38上的橫孔50供給燃料氣體。在燃料排出流路7中，通過設(shè)置在各燃料排出連通室42的橫孔51將燃料氣體排出到外部。
[0159]【容器】
[0160]用于容納燃料電池堆8的容器10具有耐熱和密封結(jié)構(gòu)。如圖1所示，通過接合在開口處具有凸緣52a和52b的兩個(gè)半部53a和53b以使得凸緣彼此相對的方式來形成容器10。前述夾持構(gòu)件46a至46d的螺栓從容器10的頂部向外部突出。通過將螺母54擰到夾持構(gòu)件46a至46d的突出部來將燃料電池堆8固定在容器10中。此外，空氣供給流路4、空氣排出流路5、燃料供給流路6和燃料排出流路7從容器10的頂部突出，并且它們的突出部連接到空氣供給源、燃料氣體供給源等。
[0161]【輸出構(gòu)件】
[0162]用于輸出由燃料電池堆8產(chǎn)生的電力的輸出構(gòu)件11與位于燃料電池堆8的角部的夾持構(gòu)件46a至46d以及端板45a和45b對應(yīng)。在對角線上相對的一對夾持構(gòu)件46a和46c電連接到用作正電極的上端板45a，另一對夾持構(gòu)件46b和46d電連接到用作負(fù)電極的下端板45b。不用說，連接到正電極的夾持構(gòu)件46a和46c以及連接到負(fù)電極的夾持構(gòu)件46b和46d借助于絕緣墊圈(insulating washer)55 (參見圖1)分別與端板45b和45a絕緣，并且還通過例如在各角部通孔47和各夾持構(gòu)件之間設(shè)置間隙來與燃料電池堆8絕緣。因而，固定構(gòu)件9的夾持構(gòu)件46a和46c還用作連接到上端板45a的正電極輸出端子，夾持構(gòu)件46b和46d還用作連接到下端板45b的負(fù)電極輸出端子。
[0163]【發(fā)電】
[0164]當(dāng)空氣被供給到燃料電池1的空氣供給流路4時(shí)，如圖7所示空氣從右側(cè)向左側(cè)流動(dòng)通過空氣供給流路4。具體地，通過空氣供給單元25將空氣供給到空氣室16，空氣供給單元25包括右側(cè)空氣供給流路4、空氣供給連通室30和空氣供給連通部32。空氣經(jīng)過空氣室16的集電構(gòu)件18之間的氣體流路56，然后通過空氣排出單元26將空氣排出到外部，該空氣排出單元26包括空氣排出連通部36、空氣排出連通室34和空氣排出流路5。
[0165]與此同時(shí)，當(dāng)燃料氣體(例如，氫氣)被供給到燃料電池1的燃料供給流路6時(shí)，如圖8所示燃料氣體從上側(cè)向下側(cè)流動(dòng)通過燃料供給流路6。具體地，通過燃料供給單元27將燃料氣體供給到燃料室17，該燃料供給單元27包括上側(cè)燃料供給流路6、燃料供給連通室38和燃料供給連通部40。燃料氣體通過燃料室17的集電構(gòu)件19、19之間(嚴(yán)格地說，電池單元主體抵接部19b、19b之間；參見圖8中的燃料室17的非陰影部)的流路57擴(kuò)散，然后通過燃料排出單元28將燃料氣體排出到外部，該燃料排出單元28包括燃料排出連通部44、燃料排出連通室42和燃料排出流路7。
[0166]當(dāng)集電構(gòu)件19如上所述由多孔質(zhì)金屬、金屬網(wǎng)、金屬絲或沖壓金屬形成時(shí)，由于氣體流路57的表面變得凹凸不平，所以改進(jìn)了燃料氣體的擴(kuò)散性。
[0167]當(dāng)在前述的空氣和燃料氣體的供給和排出的狀態(tài)下容器10中的溫度上升到700°C至1，000°C時(shí)，經(jīng)由陰極14、電解質(zhì)2和陽極15在空氣和燃料氣體之間發(fā)生反應(yīng)。因此，在用作正電極的陰極14和用作負(fù)電極的陽極15之間產(chǎn)生直流電能。由于在燃料電池單元3內(nèi)的電能的產(chǎn)生原理是眾所周知的，所以省略對其的說明。
[0168]如上所述，陰極14經(jīng)由集電構(gòu)件18電連接到上互連器12，而陽極15經(jīng)由集電構(gòu)件19電連接到下互連器13。同時(shí)，通過堆疊且串聯(lián)地連接多個(gè)燃料電池單元3形成燃料電池堆8。因此，上端板45a用作正電極，下端板45b用作負(fù)電極。經(jīng)由還用作輸出端子的夾持構(gòu)件46a至46d將由燃料電池堆產(chǎn)生的電能輸出到外部。
[0169]如上所述，燃料電池經(jīng)受反復(fù)的溫度循環(huán)；即，在發(fā)電期間溫度上升，在發(fā)電停止期間溫度下降。因此，形成燃料室17或空氣室16的所有構(gòu)件以及前述夾持構(gòu)件46a至46d經(jīng)受反復(fù)的熱膨脹和收縮，因此燃料室17或空氣室16的尺寸反復(fù)地增大和減小。
[0170]在某些情況下，燃料壓力或空氣壓力可能變化，且由于燃料壓力或空氣壓力的變化導(dǎo)致電池單元主體20變形而導(dǎo)致燃料室17或空氣室16的尺寸可能增大或減小。
[0171]在第一實(shí)施方式的情況下，即使當(dāng)燃料室17或空氣室16的尺寸發(fā)生變化(尺寸增大)時(shí)，由于燃料室17側(cè)的集電構(gòu)件19借助于連接部19c的彈性力、間隔件58的沿層疊方向的彈性力和間隔件58的沿層疊方向的熱膨脹來壓電池單元主體20，所以穩(wěn)定地維持電連接。由于通過集電構(gòu)件19壓電池單元主體20還影響空氣室16，所以還穩(wěn)定地維持空氣室16中的電連接。
[0172]同時(shí)，即使當(dāng)燃料室17或空氣室16的尺寸發(fā)生變化(尺寸減小)時(shí)，借助于燃料室17側(cè)的集電構(gòu)件19的連接部19c的彈性力和間隔件58的收縮來緩和被施加到電池單元主體20的應(yīng)力。
[0173]由于集電構(gòu)件19的連接部19c呈現(xiàn)出足夠的彈性力，且間隔件58也呈現(xiàn)出彈性力，所以即使當(dāng)在溫度上升的高溫條件(例如，發(fā)電期間溫度上升)下金屬集電構(gòu)件19的彈性力受到蠕變變形的影響時(shí)，接點(diǎn)也能夠被維持在有利的狀態(tài)。
[0174]考慮到前述情況，集電構(gòu)件19由Ni形成，并且間隔件58由云母形成，由此制造了實(shí)驗(yàn)用燃料電池。通過如此制造的燃料電池發(fā)電，且研究了集電構(gòu)件19的彈性或間隔件58的彈性與接點(diǎn)的維持狀態(tài)之間的關(guān)系。[0175]結(jié)果，發(fā)現(xiàn)了:在集電構(gòu)件19與由云母形成的間隔件58相比呈現(xiàn)出足夠高的彈性力的情況下，即使當(dāng)在燃料電池堆組裝或溫度下降(發(fā)電之后等)期間燃料室17或空氣室16中發(fā)生尺寸變化(尺寸減小)時(shí)，接點(diǎn)也能夠被維持在有利的狀態(tài)。
[0176]同時(shí)，即使當(dāng)由于溫度上升(發(fā)電開始等)期間的熱所引起的蠕變變形導(dǎo)致集電構(gòu)件19的彈性力減小時(shí)，也通過間隔件58的熱膨脹補(bǔ)償這種彈性力的減小，并且維持了用于實(shí)現(xiàn)電連接的足夠的接觸力。因此，即使當(dāng)燃料室17或空氣室16中發(fā)生尺寸變化(尺寸增大)時(shí)，接點(diǎn)也被維持在有利的狀態(tài)。
[0177]當(dāng)陽極15側(cè)的集電構(gòu)件19由Ni或Ni合金形成時(shí)，在發(fā)電期間在高溫條件下電池單元主體抵接部19b被擴(kuò)散接合到包含在陽極15中的Ni并且與包含在陽極15中的Ni一體化。因此，借助于集電構(gòu)件19更穩(wěn)定地維持電連接。
[0178]優(yōu)選地，通過將NiO糊劑涂布到陽極15使得接合層形成在陽極15上。在這種情況下，由于通過在H2中通電使得NiO轉(zhuǎn)變成Ni，所以進(jìn)一步改進(jìn)了集電構(gòu)件19和陽極15之間的接合性?？梢酝ㄟ^將Pt糊劑涂布到陽極15來形成接合層。 [0179]在第一實(shí)施方式中，通過焊接將平板19p (即，連接器抵接部19a的集合體)接合到下互連器13。然而，當(dāng)互連器13和平板19p由能夠在發(fā)電期間在高溫條件下彼此擴(kuò)散接合的材料的組合(例如，Crofer22H和Ni)形成時(shí),或者當(dāng)前述接合層形成在下互連器13的內(nèi)表面上時(shí)，在發(fā)電期間在高溫條件下互連器13能夠接合到集電構(gòu)件19并且與集電構(gòu)件19 一體化。
[0180]第二實(shí)施方式
[0181]圖12至圖15是根據(jù)第二實(shí)施方式的燃料電池單元3的中間被省略的縱截面圖。在第一實(shí)施方式中，集電構(gòu)件19的連接部19c被彎曲成具有U形截面；電池單元主體抵接部19b設(shè)置在連接器抵接部19a的上方；以及間隔件58設(shè)置在連接器抵接部19a和電池單元主體抵接部19b之間。相反，在第二實(shí)施方式中，如圖12所示，連接部19c被設(shè)置成傾斜地延伸使得連接器抵接部19a和電池單元主體抵接部19b的沿上下方向的位置彼此完全不同?？蛇x地，如圖13所示，集電構(gòu)件19被設(shè)置成具有大體上Z形截面使得連接器抵接部19a和電池單元主體抵接部19b在上下方向上彼此局部重疊并且上下位置也彼此不同。間隔件58被設(shè)置成使得連接器抵接部19a與電池單元主體20分隔開并且使得電池單元主體抵接部19b與互連器13分隔開。可選地，如圖14所示，間隔件58可以被設(shè)置成使得連接器抵接部19a與電池單元主體20分隔開，或者如圖15所示，間隔件58可以被設(shè)置成使得電池單元主體抵接部19b與互連器13分隔開。
[0182]除了上述區(qū)別之外，第二實(shí)施方式的燃料電池的構(gòu)造與第一實(shí)施方式的燃料電池的構(gòu)造相同。因此，省略對第二實(shí)施方式的燃料電池的詳細(xì)說明。
[0183]【第三實(shí)施方式】
[0184]根據(jù)圖16至圖26中示出的第三實(shí)施方式的燃料電池1是包括由例如Zr02陶瓷材料形成的電解質(zhì)2的S0FC。燃料電池1大體上包括:燃料電池單元3，其用作發(fā)電用的最小單位；空氣供給流路4，其用于將空氣供給到燃料電池單元3 ;空氣排出流路5，其用于將空氣排出到外部；燃料供給流路6，其用于將燃料氣體供給到燃料電池單元3 ;燃料排出流路7，其用于將燃料氣體排出到外部；固定構(gòu)件9，其用于固定通過堆疊多個(gè)燃料電池單元3而制備的電池單元組，由此制造燃料電池堆8;容器10，其用于容納燃料電池堆8;以及輸出構(gòu)件11，其用于輸出由燃料電池堆8產(chǎn)生的電力。
[0185]省略了對第三實(shí)施方式和第一實(shí)施方式之間共通的組件和構(gòu)件、以及發(fā)電等的詳細(xì)說明。將通過聚焦于與第一實(shí)施方式不同的部分來說明第三實(shí)施方式的燃料電池。在第三實(shí)施方式中，以相同的附圖標(biāo)記來表示與第一實(shí)施方式的那些構(gòu)件共通的構(gòu)件(除了集電構(gòu)件180和190、連接器抵接部190a、電池單元主體抵接部190b、連接部190c、預(yù)切線190d、平板190p和間隔件580之外)。
[0186]【燃料電池】
[0187]燃料電池單元3在平面圖中具有正方形形狀。如圖18所示，燃料電池單元3包括:上互連器12，其是四邊形板的形狀并且由例如導(dǎo)電的鐵氧體不銹鋼形成；下互連器13，其是四邊形板的形狀并且由例如導(dǎo)電的鐵氧體不銹鋼形成；電池單元主體20，其位于上互連器12和下互連器13之間的大致中間位置，該電池單元主體20具有形成在電解質(zhì)2的面對上互連器12的內(nèi)表面(下表面)的表面上的電極(陰極)14，并且該電池單元主體20具有形成在電解質(zhì)2的面對下互連器13的內(nèi)表面(上表面)的表面上的電極(陽極)15 ;空氣室16，其形成在上互連器12和陰極14之間；燃料室17，其形成在下互連器13和陽極15之間；陰極14側(cè)的集電構(gòu)件180，其設(shè)置在空氣室16的內(nèi)部并且將陰極14和上互連器12電連接；以及陽極15側(cè)的集電構(gòu)件190，其設(shè)置在燃料室17的內(nèi)部并且將陽極15和下互連器13電連接。正方形燃料電池單元3在角部處具有角部通孔47、47，前述固定構(gòu)件9的下述的夾持構(gòu)件46a至46d貫通該角部通孔47、47。
[0188]【燃料室側(cè)的集電構(gòu)件】
[0189]燃料室17側(cè)的集電構(gòu)件190由例如在真空條件下在1，000°C的狀態(tài)下經(jīng)受一小時(shí)熱處理而退火(HV硬度:200 以下)的Ni形成。該集電構(gòu)件190具有與下互連器13抵接的連接器抵接部190a、與電池單元主體20的陽極15抵接的電池單元主體抵接部190b以及將連接器抵接部190a和電池單元主體抵接部190b連接的U形連接部190c，連續(xù)地形成連接器抵接部190a、電池單元主體抵接部190b及U形連接部190c。由于本實(shí)施方式的集電構(gòu)件190由具有厚度為大約30 μ m的箔材形成，所以連接部190c在與連接部190c的表面交叉的方向上是可彎曲且可拉伸的，實(shí)際上該連接部190c不具有抵抗彎曲或拉伸的阻力。
[0190]燃料室17側(cè)的集電構(gòu)件190可以代替前述箔材由例如Ni制多孔質(zhì)金屬、Ni網(wǎng)、Ni絲或者Ni沖壓金屬形成。燃料室17側(cè)的集電構(gòu)件190可以代替Ni由諸如Ni合金或不銹鋼等抗氧化的金屬形成。
[0191]在燃料室17中設(shè)置大約數(shù)十至成百個(gè)集電構(gòu)件190 (不用說，可以接合燃料室的尺寸來改變集電構(gòu)件的數(shù)量)。集電構(gòu)件190可以單獨(dú)地配置在互連器13上并且經(jīng)受焊接(例如，激光焊接或電阻焊接)。然而，優(yōu)選地，如圖25的(b)所示，前述箔材被加工成四邊形平板190p以便與燃料室17相匹配，分別與電池單元主體抵接部190b和連接部190c對應(yīng)的預(yù)切線190d設(shè)置在平板190p上，使得如圖24的放大圖所示，當(dāng)連接部190c彎曲成具有U形截面時(shí)，電池單元主體抵接部190b設(shè)置在連接器抵接部190a的上方且與連接器抵接部190a相隔距離t (參見圖20的放大圖)。因此，具有與彎曲的電池單元主體抵接部190b對應(yīng)的孔的平板190p與連接器抵接部190a的集合體對應(yīng)。在本實(shí)施方式中，平板190p的連接器抵接部190a通過激光焊接或電阻焊接被接合到下互連器13。
[0192]如圖26所示，可以以電池單元主體抵接部190b和連接部190c—體化為一列的方式形成集電構(gòu)件190的預(yù)切線190d。在這種情況下，能夠有效地加工電池單元主體抵接部190b和連接部190c。
[0193]【間隔件】
[0194]如圖20所示，間隔件580設(shè)置在集電構(gòu)件190中。在電池單元主體20和下互連器13之間的燃料室17中，沿厚度方向呈現(xiàn)出彈性力的間隔件580設(shè)置在連接器抵接部190a和電池單元主體抵接部190b之間以便使連接器抵接部190a和電池單元主體抵接部190b彼此分隔開。以如下方式確定間隔件580的厚度和材料:使得當(dāng)至少在燃料電池的工作溫度域(即，700°C至1，000°C)下間隔件58沿厚度方向熱膨脹時(shí)，間隔件580的厚度變得大于前述間隔t (間隔件580的厚度通過熱膨脹增大)，以便沿各自的抵接方向壓電池單元主體抵接部190b和連接器抵接部190a，即朝向電池單元主體20壓電池單元主體抵接部190b并且朝向互連器13壓連接器抵接部190a。
[0195]不特別地限制間隔件580的厚度，只要在燃料電池的工作溫度域下間隔件580的厚度大于電池單元主體抵接部190b和連接器抵接部190a之間的間隔t (見圖20)即可。優(yōu)選地，間隔件580的厚度被調(diào)整成在燃料電池非工作期間的常溫狀態(tài)下至少幾乎等于或略大于的電池單元主體抵接部190b和連接器抵接部190a之間的間隔t。在這種情況下，發(fā)電開始之后直到燃料電池的溫度達(dá)到工作溫度域之前，都可以借助于間隔件580在連接器抵接部190a和互連器13之間以及在電池單元主體抵接部190b和電池單元主體20之間維持穩(wěn)定的電接觸。
[0196]間隔件580由在厚度方向上呈現(xiàn)出比集電構(gòu)件190的彈性高的彈性的材料形成。因此，相對于由于溫度循環(huán)或者燃料壓力或空氣壓力的變化導(dǎo)致的燃料室17的尺寸的變化，與呈現(xiàn)出相對低的彈性的集電構(gòu)件190的情況相比，間隔件580的厚度增大/減小的程度大。具體地，相對于燃料室17的尺寸的減小，間隔件580在厚度方向上收縮，并且呈現(xiàn)出緩沖效果，由此防止電池單元主體20的損壞。同時(shí)，相對于燃料室17的尺寸的增大，間隔件580在厚度方向上具有回復(fù)力，由此穩(wěn)定電接點(diǎn)。
[0197]具體地，通過如下壓縮試驗(yàn)測量`彈性變形而將間隔件580的彈性變形可以與集電構(gòu)件190的彈性變形相比。
[0198]首先，制備用于壓縮試驗(yàn)的間隔件580和集電構(gòu)件190的樣品。各樣品的尺寸被調(diào)整為6.5mmX4mm以便與實(shí)際的間隔件580和集電構(gòu)件之間的接觸面積相匹配。間隔件樣品的厚度被調(diào)整為0.4mm (即，實(shí)際的間隔件厚度)，并且集電構(gòu)件樣品的厚度被調(diào)整為30 μ m (即，實(shí)際的集電構(gòu)件厚度)。優(yōu)選地，間隔件580的厚度和集電構(gòu)件190的厚度被調(diào)整為與實(shí)際使用的間隔件的形狀和集電構(gòu)件的形狀相匹配。當(dāng)間隔件580和集電構(gòu)件190具有相同的尺寸時(shí)，該尺寸可以是任意值。
[0199]隨后，借助于壓縮試驗(yàn)機(jī)以10kg壓縮各樣品，并且測量厚度的變化量(mm)。然后，確定最大位移量。
[0200]然后，解除壓縮(10kg)，并且測量從最大位移開始的回復(fù)位移量(參見圖27的圖)。
[0201]在例如集電構(gòu)件190具有小至30 μ m的厚度的情況下，位移量可以非常小，因而在采用的壓縮試驗(yàn)機(jī)具有低精度的情況下不能測量該位移量。在這種情況下，堆疊多個(gè)薄集電構(gòu)件190 (例如，堆疊10個(gè)構(gòu)件)，如此堆疊的構(gòu)件經(jīng)受前述壓縮試驗(yàn)?？梢酝ㄟ^將如此測量的位移量除以堆疊的構(gòu)件的數(shù)量來確定最大位移量或回復(fù)位移量。
[0202]具有實(shí)際使用的形狀的樣品的回復(fù)位移量越大，則該樣品的彈性變形越大，而該樣品的回復(fù)位移量越小，則該樣品的彈性變形越小。
[0203]當(dāng)本發(fā)明的間隔件580和集電構(gòu)件190經(jīng)受前述試驗(yàn)時(shí)，如圖27的圖所示，間隔件580的位移量比集電構(gòu)件190的位移量大很多。
[0204]間隔件580由處于燃料電池的工作溫度域下不會(huì)燒結(jié)到集電構(gòu)件190的材料形成。因此，電池單元主體抵接部190b和連接器抵接部190a不會(huì)由于彼此直接接觸而燒結(jié)在一起，并且電池單元主體抵接部190b和連接器抵接部190a不會(huì)經(jīng)由間隔件580而彼此燒結(jié) ?
[0205]滿足前述條件的間隔件580的材料可以是從云母、氧化鋁氈、蛭石、碳纖維、碳化硅纖維和硅石之中選擇的任意一種或多種的組合。當(dāng)間隔件580由薄板(例如，云母)的層疊結(jié)構(gòu)形成時(shí)，相對于沿層疊方向的載荷而賦予適當(dāng)?shù)膹椥?。由這種材料形成的間隔件580呈現(xiàn)出在厚度方向(層疊方向)上的熱膨脹系數(shù)比下述夾持構(gòu)件46a至46d的熱膨脹系數(shù)(沿軸向)大。
[0206]如上所述，本實(shí)施方式的集電構(gòu)件190具有由平板190p形成的一體結(jié)構(gòu)，該平板190p是連接器抵接部190a的集合體。因此，如圖25的(a)所示，間隔件580由如下單個(gè)四邊形材料片形成:該單個(gè)四邊形材料片具有與平板190p的寬度大致相同的寬度和比平板190p的長度略小的長度(具體地，小與單個(gè)電池單元主體抵接部190b和單個(gè)連接部190c對應(yīng)的長度)，使得分別與電池單元主體抵接部190b和連接部190c的單個(gè)列對應(yīng)的部分以配置成橫格子狀的方式被切除。
[0207]如此形成的間隔件580被載置于集電構(gòu)件190的未加工的圖25的(b)中示出的平板190p上。那么，如圖24的放大圖所示，連接部190c被彎曲成具有U形截面，由此生產(chǎn)了與間隔件580預(yù)一體化的集電構(gòu)件190。
[0208]如圖24的放大圖所示，從左角部朝向右側(cè)逐步地彎曲電池單元主體抵接部190b。然而，該圖僅用于說明生產(chǎn)過程。因此，可以同時(shí)彎曲所有電池單元主體抵接部190b，或者可以從便于加工的位置順次地彎曲電池單元主體抵接部190b。
[0209]【空氣室側(cè)的集電構(gòu)件】
[0210]空氣室16側(cè)的集電構(gòu)件180由例如具有細(xì)長的角材形狀的致密導(dǎo)電構(gòu)件(例如，不銹鋼材料)形成。多個(gè)集電構(gòu)件180以一定的間隔平行地配置以便抵接電解質(zhì)2的上表面上的陰極14和上互連器12的下表面(內(nèi)表面)。空氣室16側(cè)的集電構(gòu)件180可以具有與在燃料室17側(cè)的集電構(gòu)件190相同的結(jié)構(gòu)(包括下述第四實(shí)施方式)。
[0211]如上所述，燃料電池經(jīng)受反復(fù)的溫度循環(huán)；即，在發(fā)電期間溫度上升，在發(fā)電停止期間溫度下降。因此，形成燃料室17或空氣室16的所有構(gòu)件以及前述夾持構(gòu)件46a至46d經(jīng)受反復(fù)的熱膨脹和收縮，因此燃料室17或空氣室16的尺寸反復(fù)地增大和減小。
[0212]在某些情況下，燃料壓力或空氣壓力可能變化，且由于燃料壓力或空氣壓力的變化導(dǎo)致電池單元主體20變形而導(dǎo)致燃料室17或空氣室16的尺寸可能增大或減小。
[0213]在第三實(shí)施方式的情況下，即使當(dāng)燃料室17或空氣室16的尺寸發(fā)生變化(尺寸增大)時(shí)，由于燃料室17側(cè)的集電構(gòu)件190借助于僅間隔件580的沿層疊方向(即沿厚度方向或沿夾持構(gòu)件46a至46d的夾持方向)的彈性力和間隔件580的沿層疊方向的熱膨脹來壓電池單元主體20，所以穩(wěn)定地維持電接點(diǎn)。由于通過集電構(gòu)件190壓電池單元主體20還影響空氣室16，所以還穩(wěn)定地維持空氣室16中的電接點(diǎn)。
[0214]同時(shí)，即使當(dāng)燃料室17或空氣室16的尺寸發(fā)生變化(尺寸減小)時(shí)，僅借助于燃料室17側(cè)的間隔件580的收縮來緩和被施加到電池單元主體20的應(yīng)力。
[0215]當(dāng)陽極15側(cè)的集電構(gòu)件190由Ni或Ni合金形成時(shí)，在發(fā)電期間在高溫條件下電池單元主體抵接部190b被擴(kuò)散接合到包含在陽極15中的Ni并且與包含在陽極15中的Ni一體化。因此，借助于集電構(gòu)件190更穩(wěn)定地維持電連接。
[0216]優(yōu)選地，通過將NiO糊劑涂布到陽極15使得接合層形成在陽極15上。在這種情況下，由于通過在H2中通電使得NiO轉(zhuǎn)變成Ni，所以進(jìn)一步改進(jìn)了集電構(gòu)件190和陽極15之間的接合性?？梢酝ㄟ^將Pt糊劑涂布到陽極15來形成接合層。
[0217]在第三實(shí)施方式中，通過焊接將平板190p(即，連接器抵接部190a的集合體)接合到下互連器13。然而，當(dāng)互連器13和平板190p由能夠在發(fā)電期間在高溫條件下彼此擴(kuò)散接合的材料的組合(例如，Crofer22H和Ni)形成時(shí),或者當(dāng)前述接合層形成在下互連器13的內(nèi)表面上時(shí)，在發(fā)電期間在高溫條件下互連器13能夠接合到集電構(gòu)件190并且與集電構(gòu)件190 —體化。
[0218]【第四實(shí)施方式】
[0219]圖28至圖31是根據(jù)第四實(shí)施方式的燃料電池單元3的中間被省略的縱截面圖。在第三實(shí)施方式中，集電構(gòu)件190的連接部190c被彎曲成具有U形截面；電池單元主體抵接部190b設(shè)置在連接器抵接部190a的上方；以及間隔件580設(shè)置在連接器抵接部190a和電池單元主體抵接部190b之間。相反，在第四實(shí)施方式中，如圖28所示，連接部190c被設(shè)置成傾斜地延伸使得連接器抵接部190a和電池單元主體抵接部190b的沿上下方向的位置彼此完全不同?？蛇x地，如圖29所示，集電構(gòu)件19被設(shè)置成具有大體上Z形截面，使得連接器抵接部190a和電池單元主體抵接部190b在上下方向上彼此局部重疊并且上下位置也彼此不同。間隔件580被設(shè)置成使得連接器抵接部190a與電池單元主體20分隔開并且使得電池單元主體抵接部190b與互連器13分隔開?？蛇x地，如圖30所示，間隔件580可以被設(shè)置成使得連接器抵接部190a與電池單元主體20分隔開，或者如圖31所示，間隔件580可以被設(shè)置成使得電池單元主體抵接部190b與互連器13分隔開。
[0220]除了上述區(qū)別之外，第四實(shí)施方式的燃料電池的構(gòu)造與第三實(shí)施方式的燃料電池的構(gòu)造相同。因此，省略對第四實(shí)施方式的燃料電池的詳細(xì)說明。
[0221]顯而易見的是，可以在不背離本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思的情況下可以進(jìn)行各種實(shí)施方式。因而，盡管通過所附的權(quán)利要求限定了本發(fā)明的范圍，但是本發(fā)明不限于特定實(shí)施方式
[0222]附圖標(biāo)記說明
[0223]1:燃料電池
[0224]2:電解質(zhì)
[0225]3:燃料電池單元 [0226]8:燃料電池堆
[0227]12、13:互連器
[0228]14:陰極
[0229]15:陽極[0230]18、19:集電構(gòu)件
[0231]19a:連接器抵接部
[0232]19b:電池單元主體抵接部
[0233]19c:連接部
[0234]20:電池單元主體
[0235]46a至46d:夾持構(gòu)件
[0236]58:間隔件
[0237]180、190:集電構(gòu)件
[0238]190a:連接器抵接部
[0239]190b:電池單元主體抵接部
[0240]190c:連接部 19c — 190c
[0241]190d:預(yù)切線
[0242]190p:平板
[0243]580:間隔件。
【權(quán)利要求】
1.一種燃料電池單元，其包括:一對互連器；電池單元主體，所述電池單元主體設(shè)置于所述互連器之間，所述電池單元主體包括電解質(zhì)、形成于所述電解質(zhì)的一面的陰極和形成于所述電解質(zhì)的另一面的陽極；以及集電構(gòu)件，所述集電構(gòu)件設(shè)置在所述陰極和所述陽極中的至少一方與所述互連器之間，所述集電構(gòu)件將所述陰極和/或所述陽極與所述互連器電連接，所述燃料電池單元的特征在于:所述集電構(gòu)件具有:連接器抵接部，所述連接器抵接部抵接所述互連器；電池單元主體抵接部，所述電池單元主體抵接部抵接所述電池單元主體；以及連接部，所述連接部將所述連接器抵接部與所述電池單元主體抵接部連接，所述連接器抵接部、所述電池單元主體抵接部和所述連接部連續(xù)地形成；以及在所述電池單元主體和所述互連器之間，間隔件被設(shè)置成使得所述連接器抵接部和所述電池單元主體抵接部彼此分隔開。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池單元，其特征在于，所述連接部彎曲約180°，并且所述連接器抵接部和所述電池單元主體抵接部設(shè)置在所述間隔件的兩側(cè)。
3.一種燃料電池單元，其包括: 一對互連器；電池單元主體，所述電池單元主體設(shè)置在所述互連器之間，所述電池單元主體包括電解質(zhì)、形成于所述電解質(zhì)的一面的陰極和形成于所述電解質(zhì)的另一面的陽極；以及集電構(gòu)件，所述集電構(gòu)件設(shè)置在所述陰極和所述陽極中的至少一方與所述互連器之間，所述集電構(gòu)件將所述陰極和/或所述陽極與所述互連器電連接，所述燃料電池單元的特征在于:所述集電構(gòu)件具有:連接器抵接部，所述連接器抵接部抵接所述互連器；電池單元主體抵接部，所述電池單元主體抵接部抵接所述電池單元主體；以及連接部，所述連接部將所述連接器抵接部與所述電池單元主體抵接部連接，所述連接器抵接部、所述電池單元主體抵接部和所述連接部連續(xù)地形成；以及在所述電池單元主體和所述互連器之間，間隔件被設(shè)置成使得所述連接器抵接部和所述電池單元主體彼此分隔開，并且所述間隔件被設(shè)置成使得所述電池單元主體抵接部和所述互連器彼此分隔開。
4.一種燃料電池單元，其包括:一對互連器；電池單元主體，所述電池單元主體設(shè)置在所述互連器之間，所述電池單元主體包括電解質(zhì)、形成于所述電解質(zhì)的一面的陰極和形成于所述電解質(zhì)的另一面的陽極；以及集電構(gòu)件，所述集電構(gòu)件設(shè)置于所述陰極和所述陽極中的至少一方與所述互連器之間，所述集電構(gòu)件將所述陰極和/或所述陽極與所述互連器電連接，所述燃料電池單元的特征在于:所述集電構(gòu)件具有:連接器抵接部，所述連接器抵接部抵接所述互連器；電池單元主體抵接部，所述電池單元主體抵接部抵接所述電池單元主體；以及連接部，所述連接部將所述連接器抵接部與所述電池單元主體抵接部連接，所述連接器抵接部、所述電池單元主體抵接部和所述連接部連續(xù)地形成；以及在所述電池單元主體和所述互連器之間，間隔件被設(shè)置成使得所述連接器抵接部和所述電池單元主體彼此分隔開，或者使得所述電池單元主體抵接部和所述互連器彼此分隔開。
5.一種燃料電池單元，其包括:一對互連器；電池單元主體，所述電池單元主體以與所述互連器中的每一方均間隔開的方式設(shè)置在所述互連器之間，所述電池單元主體包括板狀電解質(zhì)和形成于所述電解質(zhì)的上面和下面的電極；以及集電構(gòu)件，所述集電構(gòu)件設(shè)置在所述電極中的至少一方與所述互連器之間，所述集電構(gòu)件將所述電極與所述互連器電連接，所述燃料電池單元的特征在于:所述集電構(gòu)件具有:連接器抵接部，所述連接器抵接部抵接所述互連器；電池單元主體抵接部，所述電池單元主體抵接部抵接所述電池單元主體的電極；以及連接部，所述連接部將所述連接器抵接部與所述電池單元主體抵接部連接，所述連接器抵接部、所述電池單元主體抵接部和所述連接部連續(xù)地形成；間隔件設(shè)置在所述連接器抵接部和所述電池單元主體抵接部之間；以及所述集電構(gòu)件和所述間隔件中的每一方均在使所述電池單元主體和所述互連器之間的間隔增大的方向上具有彈性，并且所述間隔件的彈性變形比所述集電構(gòu)件的彈性變形大。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的燃料電池單元，其特征在于，所述連接部彎曲約180°，所述連接器抵接部和所述電池單元主體抵接部設(shè)置在所述間隔件的兩側(cè)。
7.一種燃料電池單元，其包括:一對互連器；電池單元主體，所述電池單元主體以與所述互連器中的每一方均間隔開的方式設(shè)置在所述互連器之間，所述電池單元主體包括板狀電解質(zhì)和形成于所述電解質(zhì)的上面和下面的電極；以及集電構(gòu)件，所述集電構(gòu)件設(shè)置在所述電極中的至少一方與所述互連器之間，所述集電構(gòu)件將所述電極與所述互連器電連接，所述燃料電池單元的特征在于:所述集電構(gòu)件具有:連接器抵接部，所述連接器抵接部抵接所述互連器；電池單元主體抵接部，所述電池單元主體抵接部抵接所述電池單元主體的電極；以及連接部，所述連接部將所述連接器抵接部與所述電池單元主體抵接部連接，所述連接器抵接部、所述電池單元主體抵接部和所述連接部連續(xù)地形成；間隔件設(shè)置在所述連接器抵接部和所述電池單元主體之間；并且所述間隔件還設(shè)置在所述電池單元主體抵接部和所述互連器之間；以及所述集電構(gòu)件和所述間隔件中的每一方均在使所述電池單元主體和所述互連器之間的間隔增大的方向上具有彈性，并且所述間隔件的彈性變形比所述集電構(gòu)件的彈性變形大。
8.一種燃料電池 單元，其包括:一對互連器；電池單元主體，所述電池單元主體以與所述互連器中的每一方均間隔開的方式設(shè)置在所述互連器之間，并且所述電池單元主體包括板狀電解質(zhì)和形成于所述電解質(zhì)的上面和下面的電極；以及集電構(gòu)件，所述集電構(gòu)件設(shè)置在所述電極中的至少一方與所述互連器之間，所述集電構(gòu)件將所述電極與所述互連器電連接，所述燃料電池單元的特征在于:所述集電構(gòu)件具有:連接器抵接部，所述連接器抵接部抵接所述互連器；電池單元主體抵接部，所述電池單元主體抵接部抵接所述電池單元主體的電極；以及連接部，所述連接部將所述連接器抵接部與所述電池單元主體抵接部連接，所述連接器抵接部、所述電池單元主體抵接部和所述連接部連續(xù)地形成；間隔件設(shè)置在所述連接器抵接部和所述電池單元主體之間，或者所述間隔件設(shè)置在所述電池單元主體抵接部和所述互連器之間；以及所述集電構(gòu)件和所述間隔件中的每一方均在使所述電池單元主體和所述互連器之間的間隔增大的方向上具有彈性，并且所述間隔件的彈性變形比所述集電構(gòu)件的彈性變形大。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的燃料電池單元，其特征在于，對于能與所述電池單元主體和所述互連器之間的距離的變化相關(guān)聯(lián)地作用的載荷而言，所述間隔件比所述集電構(gòu)件柔軟。
10.根據(jù)權(quán)利要求5至8中任一項(xiàng)所述的燃料電池單元，其特征在于，所述集電構(gòu)件被形成為能夠沿與所述集電構(gòu)件的面方向交叉的方向彎曲和拉伸，并且所述集電構(gòu)件被形成為幾乎不產(chǎn)生抵抗彎 曲或拉伸的阻力。
11.根據(jù)權(quán)利要求5至10中任一項(xiàng)所述的燃料電池單元，其特征在于，所述間隔件由從云母、氧化鋁氈、蛭石、碳纖維、碳化硅纖維和二氧化硅之中選擇的至少一種形成。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至11中任一項(xiàng)所述的燃料電池單元，其特征在于，所述燃料電池單元還包括夾持構(gòu)件，所述夾持構(gòu)件一體地夾持所述互連器、所述電池單元主體和所述集電構(gòu)件，其中，借助于所述夾持構(gòu)件和所述間隔件，使所述集電構(gòu)件的電池單元主體抵接部壓抵所述電池單元主體，和/或使所述連接器抵接部壓抵所述互連器。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的燃料電池單元，其特征在于，所述間隔件在夾持方向上的熱膨脹系數(shù)比所述夾持構(gòu)件在夾持方向上的熱膨脹系數(shù)高。
14.根據(jù)權(quán)利要求1至13中任一項(xiàng)所述的燃料電池單元，其特征在于，所述集電構(gòu)件由多孔質(zhì)金屬、金屬網(wǎng)、金屬絲或沖壓金屬形成。
15.根據(jù)權(quán)利要求1至14中任一項(xiàng)所述的燃料電池單元，其特征在于，所述集電構(gòu)件的電池單元主體抵接部被接合到所述電池單元主體的陰極和/或陽極的表面。
16.根據(jù)權(quán)利要求1至15中任一項(xiàng)所述的燃料電池單元，其特征在于，所述集電構(gòu)件的連接器抵接部被接合到所述互連器。
17.根據(jù)權(quán)利要求1至16中任一項(xiàng)所述的燃料電池單元，其特征在于，所述集電構(gòu)件設(shè)置在所述陽極和所述互連器之間，所述集電構(gòu)件由Ni或Ni合金形成。
18.一種燃料電池堆，其特征在于，所述燃料電池堆包括多個(gè)根據(jù)權(quán)利要求1至17中任一項(xiàng)所述的燃料電池單元，多個(gè)所述燃料電池單元堆疊并且利用所述夾持構(gòu)件固定在一起。
【文檔編號】H01M8/02GK103748720SQ201280038873
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2012年8月7日 優(yōu)先權(quán)日:2011年8月9日
【發(fā)明者】堀田信行, 小松大祐, 松井直人, 岡崎忍, 上松秀樹, 石川浩也 申請人:日本特殊陶業(yè)株式會(huì)社