专利名称：燃料电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种燃料电池，特别涉及一种包括固体电解质的燃料电池，所述固体电解质的一个表面上具有阴极物质而另一个表面上具有阳极物质。
背景技术：
为了确保有固体电解质层的固体电解质型燃料电池(SOFC)的气密性和电连接性能，有人提出在厚矩形板内布置两种催化剂层，并且除了其周围部分以外在其他部分形成气体通道，分别在每个固体电解质层的两个表面上布置催化剂层，分别在催化剂层的外表面上布置集电器层，叠加几个这样布置的结构以便形成燃料电池组，并且沿着叠加方向给燃料电池组施加大的载荷。
尤其是，因为用作固体电解质层的材料在高温工作的SOFC中非常易碎，所述材料诸如氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)，有人提出采用厚部件作为固体电解质层，该固体电解质层包括关联的相邻构件大约一毫米厚，其目的是提高热应力强度。
USP6,344,290公开了一种构造，该构造将整个燃料电池形成为环形并且通过环形的中部供应气体，以便应对热应力。具体一点，为了在环形中部以外的区域供应气体，在一个多孔的电导体层上连续形成一个阳极物质层、一个固体电解质层和一个阴极物质层。更进一步，该结构分别通过波纹状的气体分离器叠加在一起，因此构成一个燃料电池组。为了进一步确保包括电能产生区域的整个燃料电池组的电连接性能，给燃料电池组施加一个叠加方向的压力，所述电能产生区域分别有阳极物质层、固体电解质层和阴极物质层。
发明内容
然而，本发明的发明者已经研究了上述燃料电池组，发现包括电能产生区域的整个燃料电池组被施加有压力，而且进一步由气体分离器的波纹的突起部分给这些电能产生区域施加不均匀的应力，因此可能会对易碎的固体电解质层产生影响。特别是，在SOFC中，由于操作过程中反复的高温和低温，这种影响可能会很严重。
发明者通过进行该研究，完成了本发明，因此本发明的目的是提供一种燃料电池，特别是一种具有高质量的固体电解质层且能够显示并保持较高电能产生能力的燃料电池。
为了达到上述目的，一方面，本发明的燃料电池包括电池极板、导电气体分离器和保持电池极板的一部分的保持部件。所述电池极板包括承载体和形成在承载体上的电池，该电池又包括固体电解质、形成在该固体电解质的一个表面上的阴极物质层和形成在该固体电解质的另一个表面上的阳极物质层；所述气体分离器与电池极板协作，该气体分离器用于形成气体通道。
本发明其他的和进一步的特征、优点和好处，将通过下面结合附图的描述清楚地显示出来。
附图1是根据本发明的第一实施例的燃料电池组的透视图，显示燃料电池组位于外壳内的状态。
附图2是附图1中实施例的燃料电池组沿II-II线剖开的横断面视图，显示从垂直与燃料电池组叠加方向的方向观看的燃料电池组的内部结构，在附图2中燃料电池组叠加方向是上下方向。
附图3是附图2中实施例的燃料电池组的局部放大的横断面视图，显示燃料电池组的电池极板和气体分离器。
附图4A是附图3的实施例的燃料电池组沿IV-IV线剖开的横断面视图，显示从叠加方向观看的燃料电池组的多孔金属板的结构；附图4B是附图4A中结构沿IVB-IVB线剖开的横断面视图。
附图5是沿着附图2中的叠加方向从上面观看的该实施例的燃料电池组上电极部分的俯视图。
附图6A是沿着附图2中的叠加方向从底部观看的上电极部分的仰视图，附图6B、附图6C和附图6D分别是附图6A中的上电极部分沿着VIB-VIB线、VIC-VIC线和VID-VID线剖开的横断面视图。
附图7是沿着附图2中的叠加方向从上面观看的该实施例的燃料电池组下电极部分的俯视图。
附图8A是沿着附图2中的叠加方向从底部观看的下电极部分的仰视图，附图8B和附图8C分别是附图8A中的下电极部分沿着VIIIB-VIIIB线和VIIIC-VIIIC线剖开的横断面视图。
附图9A是沿着附图2中的叠加方向从上面观看的该实施例的燃料电池组绝缘部分的俯视图，附图9B、附图9C和附图9D分别是附图9A中的绝缘部分沿着IXB-IXB线、IXC-IXC线和IXD-IXD线剖开的横断面视图。
附图10是沿着附图2中的叠加方向从上面观看的该实施例的燃料电池组电池单元的俯视图，处于部分分离器切断的状态。
附图11A、附图11B和附图11C分别是附图10中的电池单元沿着XIA-XIA线、XIB-XIB线和XIC-XIC线剖开的横断面视图。
附图12是根据本发明的第二实施例的燃料电池组的横断面视图，显示包括燃料电池组的两个电池单元的构造。
附图13是根据本发明的第三实施例的燃料电池组的横断面视图，显示包括燃料电池组的两个电池单元的构造。
附图14是根据本发明的第四实施例的燃料电池组的横断面视图，显示包括燃料电池组的两个电池单元的构造。
具体实施例方式
以下将参照附图详细说明根据本发明的实施例的燃料电池。
(第一实施例)首先参照附图1到附图11C详细说明根据本发明的第一实施例的燃料电池。
附图1是该实施例的燃料电池(即燃料电池组)的透视图，处于位于外壳内部的状态。附图2是附图1中的燃料电池组沿II-II线剖开的横断面视图，显示从垂直与电池组叠加方向的方向观看的电池组的内部结构，以便显示气体供应导管5和主要位于其右侧的相关构造以及气体排放导管7和主要位于其左侧的相关构造。附图3是附图2的燃料电池组的局部放大的横断面视图，主要放大显示电池极板和气体分离器位于其碟子形构造的内部周围侧面和外部周围侧面的部分，而省略电池极板和气体分离器的中间部分。注意，附图2中的上下方向就是燃料电池组的叠加方向。
附图1有代表性地显示了编号为1的电池单元1，其自身起单一电池单元的作用，如附图2所示，它包括一个中心开口，多个电池单元1彼此电连接地沿着上下的方向叠加起来，因此就构成一个燃料电池组3。燃料电池组3整体上呈圆柱形，并且位于外壳2的内部。外壳2包括一个将燃料电池组3容纳其中的主体部分2a、一个用于供应燃料气体以产生电能的燃料供应部分2b，和一个用于排放电能产生反应消耗的燃料之残余物的燃料排放部分2c，这些部分2a、2b和2c互相形成一个整体。
具体一点，燃料电池组3被施加在凸缘部分5a和7a之间的紧固力紧固并夹在下面气体供应导管5的凸缘部分5a和上面气体排放导管7的凸缘部分7a之间。也就是说，气体供应导管5的凸缘部分5a连接到外壳2的主体部分2a的底部，而气体排放导管7的凸缘部分7a通过弹簧9连接到主体部分2a的顶部，之后，紧固力施加到外壳2的主体部分2a的顶部和底部之间，因此弹簧9沿着叠加方向给燃料电池组3的电池单元1施加一个挤压力，并且燃料电池组3的电池单元1有弹性地被保持在外壳2的主体部分2a内部。
在附图3中也放大地显示，每一个电池单元1包括一个电池极板11、一个安装在电池极板11上的导电气体分离器13、和一个从上部和底部夹住并保持电池极板11的一部分的保持部件15。保持部件15通过碟子形电池极板11的中心通孔设置。分别通过紧固位于气体供应导管5的凸缘部分5a和气体排放导管7的凸缘部分7a之间的电池单元1的保持部件15来将保持部件15夹在它们中间，同时使气体分离器13介入其间，电池单元1就被保持在凸缘部分5a和7a之间。换句话说，保持部件15，它是所用紧固部分的主要部分，保持电池极板11的一部分和气体分离器13的一部分，也就是电池极板11和气体分离器13的内部周围部分，并且由于紧固力的作用而施加压缩力。
在每个电池单元1的电池极板11和气体分离器13之间形成一个缝隙，它充当气体通道17并且充满多孔介质19(例如，一种诸如银制的像毛似的材料的银制细线)，该多孔介质是一种低电阻的电导体。从气体供应导管5并通过空气供应管道21给气体通道17供应产生电能所需的作为氧化气体(氧化剂气体)的空气，所述空气供应管道通过叠加的多个保持部件15的中心。通过空气供应管道21周围的空气排放管道23然后再通过气体排放导管7，电能产生反应消耗的空气的残余物排放到外界。
同时，如附图2所示，在相邻两个电池单元1之间沿上下方向限定了一个燃料气体通道25。从导管单元27，通过与导管单元27相连的燃料供应部分2b给燃料气体通道25供应作为周围气体的燃料气体，在该实施例中燃料气体是氢气。通过与导管单元27相连的外壳2的燃料排放部分2c，电能产生反应消耗的燃料的残余物排放到导管单元27。
与外壳2连接的导管单元27包括与外壳2的燃料供应部分2b连接的燃料供应导管部分27a、与外壳2的燃料排放部分2c连接的燃料排放导管部分27b、和使燃料供应导管部分27a和燃料排放导管部分27b相互连接的燃料循环导管部分27c。
与燃料供应导管部分27a连接的是燃料加入导管29，它位于燃料循环导管部分27c和燃料供应导管部分27a连接点的上游位置。从燃料排放导管部分27b的出口33排放的消耗过的燃料气体在一个废气处理系统(没有显示出来)中处理，处理过的燃料气体通过燃料供应导管部分的入口35再次进入燃料供应导管部分27a。燃料循环导管部分27c有一个鼓风机31，它使燃料气体从燃料排放导管部分27b通过燃料供应导管部分27a循环进入燃料电池组3。
这样，从燃料加入导管29给燃料电池组3供应燃料气体，鼓风机31迫使消耗过的燃料气体循环，废气处理系统处理燃料气体。
顺便地，考虑到容易聚集热量的电池单元1的中心的冷却，被鼓风机迫使循环的燃料气体的流动速度最好尽可能的高，以便提高电池单元1表面上气体交换和热交换等的效率以及其稳定性。事实上，最好在考虑相邻两个电池单元1之间的叠加尺寸和电能产生效率与消耗的能量之间的平衡以后，确定这一流动速度，因为要获得这一流动速度需自然地消耗一些能量。
接着，以下将说明每个电池单元1的电池极板11。
如附图2和3所示，电池极板11包括一个作为承载体的多孔金属板37和一个在其一个表面上的电池39，即在多孔金属板37的上表面上。电池39是通过从多孔金属板37的侧面连续叠加一个阳极物质层41、一个固体氧化物电解质层(以下简称“固体电解质层”)43和一个阴极物质层45构造而成的。多孔金属板37具有基本上与固体电解质层43相同的热膨胀系数。
如附图3所示，这三层是在多孔金属板37上的阳极物质层41、固体电解质层43和阴极物质层45，它们是以如下方式形成的，即上层不超过下层的外部周围而突出。即，阳极物质层41实质上形成在整个多孔金属板37上，固体电解质层43形成在阳极物质层41上一个比阳极物质层41小的区域内，阴极物质层45和固体电解质层43的关系也是如此。
附图4A是从叠加方向观看的附图3中多孔金属板37沿IV-IV线剖开的横断面视图，附图4B是附图4A中金属板沿IVB-IVB线剖开的横断面视图。
如附图3到附图4B所示，多孔金属板37从其内部和外部周边固定，环形块状部件47和49是不透气金属部件，每个部件由相同的材料制成并且具有基本上与多孔金属板37相同的热膨胀系数。
用作绝缘部件的绝缘陶瓷板51、53分别通过陶瓷粘合剂55、57粘合到块状部件47和49上。绝缘陶瓷板51、53和陶瓷粘合剂55、57有实质上与块状部件47、49相同的热膨胀系数，当固体电解质层43是由YSZ制成时最好基于氧化锆。
陶瓷粘合剂55、57的粘合界面与包括固体电解质层43的电池39的内部和外部周围紧密接触，以便分别覆盖沿着多孔金属板37的内部和外部周围的气体渗透区域，因此能确保气密性。注意，绝缘陶瓷板51、53分别具有镜面抛光的上表面。
与绝缘陶瓷板53的上表面连接的是气体分离器13的外部周围。
尽管陶瓷粘合剂55、57是必需的，以便将保持部件15固定在电池极板11上以后，通过将气体分离器13装在电池极板11上，不透气地密封电池单元1的内部，诸如气体通道17，但最好使用非常少量的粘合剂。不用陶瓷粘合剂55、57，也可以通过铜焊接材料分别将绝缘陶瓷板51、53超声连接到块状部件47、49上。
接着，下面将说明每个电池单元1的保持部件15。
附图5是沿着叠加方向从上面观看的上电极部分59的俯视图。附图6A是沿着叠加方向从底部观看的上电极部分59的仰视图，附图6B、附图6C和附图6D分别是附图6A中上电极部分沿着VIB-VIB线、VIC-VIC线和VID-VID线剖开的横断面视图。附图7是沿着叠加方向从上面观看的下电极部分61的俯视图。附图8A是沿着叠加方向从底部观看的下电极部分61的仰视图，附图8B和附图8C分别是附图8A中下电极部分沿着VIIIB-VIIIB线和VIIIC-VIIIC线剖开的横断面视图。附图9A是沿着叠加方向从上面观看的绝缘部分63的俯视图，附图9B、附图9C和附图9D分别是附图9A中绝缘部分63沿着IXB-IXB线、IXC-IXC线和IXD-IXD线剖开的横断面视图。注意，附图6B到6D也显示绝缘部分63，其目的是为了更好地理解其位置设置。相似地，附图9A到9D显示下电极部分61，其目的是为了更好地理解其位置设置。
保持部件15由三个部件组成，即附图5到附图6D中显示的作为第一部件的上电极部分59、附图7到附图8C中显示的作为第二部件的下电极部分61、和附图9A到9D中显示的充当电绝缘部件的绝缘部分63，绝缘部分以电绝缘的方式将上、下电极部分59、61互相连接起来。上、下电极部分59、61分别是为了确保电池极板11正面和反面的电连接，然而绝缘部分63是为了确保上、下电极部分59、61之间的绝缘。
如附图5到6D所示，上电极部分59的中心形成一个圆形的中心通孔59a。该中心通孔59a构成附图2所示的空气供应管道21的一部分，并且与气体流通路径65连通。
上电极部分59的底面形成有多个气体隔离壁59b，这些气体隔离壁的圆周间距相等，以便朝向下电极部分61突出。
在气体隔离壁59b之间分别设有平板部分59c。可替代地，在平板部分59c之间和其内部周围侧面上有沿着环形方向的侧面通孔59d。该侧面通孔59d构成附图2所示的空气排放管道23的一部分。侧面通孔59d分别与气体流通路径67相通。气体隔离壁59b将与中心通孔59a连通的气体流通路径65和与侧面通孔59d连通的气体流通路径67分别分离开。
在上电极部分59的上表面上形成有环形凸起部分59e，该环形凸起部分位于侧面通孔59d的外部。如附图2所示，环形凸起部分59e安装在相邻上面电池单元1的下电极部分61的凹陷部分69a内部，同时将气体分离器13的向上弯曲部分13a插入其中。至于最上面电池单元1的上电极部分59的环形凸起部分59e，它安装在气体排放导管7的凸缘部分7a的下表面上形成的凹陷部分7b内部，同时将相应的气体分离器13的弯曲部分13a插入其间。
也就是，上电极部分59电连接到相应的气体分离器13上，气体分离器13遍及环形凸起部分59e和凹陷部分7b或者凹陷部分69a之间，因此能确保其气密性。
顺便地，上电极部分59最好是一种与多孔金属板37具有相同热膨胀系数的金属。
如附图7到8C所示，下电极部分61包括一个电极主体69和圆环71，该圆环固定在电极主体69的外部周围侧面上且远离上电极部分59。电极主体69有一个圆形中心通孔69b，该中心通孔与上电极部分59的中心通孔59a并列，并且在中心通孔69b的周围有多个侧面通孔69c，这些侧面通孔分别与侧面通孔59d并列。中心通孔69b构成附图2所示的空气供应管道21的一部分，然而侧面通孔69c构成附图2所示的空气排放管道23的一部分。
通过绝缘部分63分别将上电极部分59的下表面处的气体隔离壁59b朝向下电极部分61的上表面处的侧面通孔69c之间的位置按压设置则附图6所示的气体流通路径65、67限定在上电极部分59和下电极部分61之间，同时，后面将要详细描述的绝缘部分63插入在上电极部分59和下电极部分61之间。
圆环71结合到电池单元1内部并且从与上电极部分59相对的方向按压，以便使其保持在如下状态，即与附图3所示的块状部件47对应的电池单元1的内部周围部分位于上电极部分59和下电极部分61之间的状态。这样，从电极主体69分离的圆环71的合并有利于电池单元1的组装。
圆环71和电极主体69以及圆环71和块状部件47的接触区域S被镜面抛光。通过在接触区域S施加大约100MPa到200MPa的压力，这样，各自的接触区域S抛光如镜子，借助表面连接能够实现实践中的充分密封。进一步，因为密封部分根本不固定，接触区域上就会有相应地释放应力，因此避免应力的影响并能提高可靠性。
顺便地，下电极部分61最好是一种具有与多孔金属板37相同的热膨胀系数的金属。
如附图9A到9D所示，绝缘部分63有一个与下电极部分61的中心通孔69b并列的圆形中心通孔63a。中心通孔63a构成附图2所示的空气供应管道21的一部分。绝缘部分63包括一个圆环部分63b，它位于附图9B和9D所示的下电极部分61的电极主体69的外部周围侧面上的绝缘部分的外部周围侧面上，还包括半径部分63c，它分别与上电极部分59的气体隔离壁59b接触，如附图6C所示。
顺便地，绝缘部分63最好具有与上、下电极部分59、61相等的热膨胀系数。
如上面描述的，上、下电极部分59、61和绝缘部分63的中心通孔59a、69b、63a以及通过绝缘部分63在上、下电极部分59、61之间界定的气体流通路径65，共同构成气体供应通道，用于向位于相应的电池极板11和气体分离器13之间的每个气体通道17供应气体(即产生电能所需的空气)。进一步，上、下电极部分59、61的侧面通孔59d、69c以及通过绝缘部分63(特别是，绝缘部分63上与侧面通孔59d、69c相对应的那些位置)在上、下电极部分59、61之间界定的气体流通路径67，共同构成气体排放通道，用于从气体通道17排放气体(即电能产生以后的空气残余物)。
在包括上、下电极部分59、61和绝缘部分63的保持部件15内，除了下电极部分61的圆环71以外，上、下电极部分59、61和绝缘部分63这三个部件通过诸如铜焊的方法预先彼此连接在一起，再将这三个部件与电池极板11和气体分离器13气密地结合在一起，然后通过圆环71按压内部周围边缘的块状部件47以确保其气密性。
保持部件15的这一构造带来电池极板11和保持部件15的相互尺寸的自由度，以及合适的叠加挤压，允许在组装过程中补偿电池极板11和保持部件15沿厚度方向(即叠加方向)的尺寸偏差。
顺便地，例如当沿厚度方向的尺寸变化不需要补偿或者保持部件15的组装能够与电池极板11和气体分离器13同时进行时，当然就没有必要单独提供圆环71，因此保持部件15可以仅仅有三个部件构成。
附图10是沿着叠加方向从上面观看的电池单元1的俯视图，处于大约1/4的分离器切去的状态。附图11A是附图10中的电池单元1沿着XIA-XIA线剖开的横断面视图，显示通过相应的气体流通路径67将空气排放管道23与每个气体通道17连通的构造。附图11B是附图10中的电池单元1沿着XIB-XIB线剖开的横断面视图，显示与上电极部分59的气体隔离壁59b相对应的位置构造。附图11C是附图10中的电池单元1沿着XIC-XIC线剖开的横断面视图，显示通过相应的气体流通路径65将空气供应管道21与每个气体通道17连通的构造。注意，在附图10中省略毛状材料(多孔介质)19。从气体分离器13的下面可以看见保持部件15的上电极部分59，以及从中心侧面连续设置的阳极物质层41、阴极物质层45、固体电解质层43和电池极板11的阳极物质层41。
接下来将说明具有上述构造的燃料电池组3的工作过程。
如附图1和2所示，空气作为一种氧化性气体从下面的气体供应导管5供应到燃料电池组3内部的空气供应管道21，从而分别通过这些相对的上电极部分59和下电极部分61之间的相关的气体流通路径65，供应的空气进一步分别进入在其内部容纳有毛状材料(多孔介质)19的气体通道17中。
同时，燃料气体，也就是，作为周围气体的氢气从导管单元27的燃料供应导管部分27a供入其内有燃料电池组3的外壳2的内部，因此供入的氢气从燃料电池组3的周围分别进入电池极板11和相邻电池单元1的气体分离器13之间的燃料气体通道25(在附图2中，氢气是沿着实质上与图面垂直的方向进入)。
这样，通过分别向每个电池单元1的一侧和另一侧供应空气和燃料，就在燃料电池组3内部产生电能。
进一步，电能产生反应完成以后，供给每个气体通道17的空气通过相应的气体流通路径67进入空气排放管道23，并且通过气体排放导管7到达燃料电池组3的外部。
同时，供给燃料电池组3周围的燃料废气从燃料排放部分2c排放到燃料排放导管部分27b，然后部分地进入燃料循环导管部分27c，部分通过出口33进入处理废气的废气处理系统(没有显示)。处理以后的气体从入口35再次进入燃料供应导管部分27a，且再次被供应给燃料电池组3。
具有上述构造的该实施例的燃料电池组具有如下效果(1)就每个电池极板11而言，在其内部相应的电池39包括阴极物质层45以及分别位于其一个表面上的阳极物质层41和位于其另一个表面上的固体电解质层43，在其内部电池39由充当承载体的多孔金属板37的一个表面保持，相应的保持部件15保持电池极板11(对应块状部件47)的一部分。这样，保持部件15产生的保持力不会对包括固体电解质层43的电池39产生大的影响，因此就能够限制对固体电解质层43的影响并阻止电能产生能力的退化。
(2)固体电解质层43没有必要有过高的强度，因此能够使用薄电池39，所以其热容量和重量能够显著降低。
(3)至于密封性，电池极板11的固定部分与包括在电能产生区域的固体电解质层43分离，并且不在比较易碎的固体电解质层43和多孔金属板37上，所以热膨胀对电池极板11的密封部分的影响就显著降低，因此能够长期保持气密性。
(4)经过各自的保持部件15向空气供应管道21供应必要和足够数量的空气，消耗后的空气能够通过空气排放管道23自由地流出，因此能显著简化控制。在构造为固体氧化电解质型的燃料电池中，除了水被输送到空气侧以外，实质上没有反应发生，所以系统得以简化而不会影响环境和人体并且无需废气的催化剂处理。
(5)燃料侧的气流不会被氮气污染，氮气存在于空气侧的废气中，因此能够限制燃料气体的流速，所以燃料侧废气处理的范围就大大降低，并且气体种类的数量有所减少从而使系统构造得以简化。
(6)在本实施例构造的燃料电池组3中，从一个单一电池单元1可以得到的最有效的电能的输出电压在1伏特左右，因此电池单元的电连接部分的接触电阻就有可能较大地影响输出电压。
这样，在电连接面暴露在氧气中的每个电池单元1上的那些部位，诸如保持部件15的上电极部分59的表面，和本实施例中与上电极部分59的表面接触的气体分离器13的表面，诸如通过蒸镀形成银制的薄膜，该薄膜比较软并且即使在较高的温度下在薄膜的表面也很少形成氧化膜。这样，电接触能够令人满意地维持。
这种软的并且即使高温也很少氧化的使用像银的材料蒸镀而成的薄膜并不局限在上述的部位，还可以作为薄膜F应用到上述连接区域S的至少一个表面上，以获得利用镜面的表面连接的气密封，因此在镜面连接的基体表面上充满细小的不规则性，因此极大地增强了提高密封性和连接区域S电连接的效果。
进一步，至于保持部件15和气体分离器13之间的连接，可以选择使用所谓的扩散粘结技术将它们连接起来，而不将其用银蒸镀到连接区域S上。在使用这种技术的情况下，特别是当两种材料相同时，实质上不会产生应力也没有气体泄露，因此提高其可靠性。
顺便地，在该实施例中，保持部件15、电池极板11和气体分离器13的外部形状除圆形(完整的圆形)以外，还可以是椭圆形或者多边形(规则五边形或更多边形)。既然这样，设置保持部件15的电池极板11的开口将具有与保持部件15相对应的形状。进一步，对于保持部件15，最好将电池极板11和气体分离器13在其内侧固定，而排除电池极板11和气体分离器13的外部边缘，特别是固定在其表面的重心处。另外，当上述外部形状是完整的圆形或者规则五边形或更多边形时，能够获得最好的应力平衡，完整的圆形或者规则五边形或更多边形的外部形状特别适合于安装在振动的车辆中。
(第二实施例)接下来，主要参照附图12，详细描述根据本发明的第二实施例的燃料电池。第一实施例被构造用来消耗空气作为氧化气体，在附图1中，该气体从下侧的气体供应导管5进入上侧的气体排放导管7，第二实施例的主要区别在于供应给保持部件150中心处的气体供应孔73的空气从电池单元10的外部周围侧边释放出来。这样，第二实施例将通过强调这一区别来描述，同时对于相同的构造使用相似的附图标记并且适当省略或简化说明。
附图12是该实施例的燃料电池组的横断面视图，显示包括两个电池单元10的典型构造。
如附图12所示，每个电池单元10包括一个电池极板110、一个气体分离器130和保持部件150，与第一实施例相似。每个电池极板110和相应的气体分离器130之间界定的气体通道170内填满毛状材料(多孔介质)190，电池单元10之间也填满毛状材料(多孔介质)77，它与毛状材料190相似。注意，每个电池极板110均以简化的方式显示为多孔金属板370和电池390的结合。
与第一实施例相似，每个保持部件150包括一个上电极部分590、一个下电极部分610和一个位于两个电极部分590、610之间的绝缘部分630。在电极部分590、610之间界定一个用于将气体供应孔73与气体通道170相连的气体流通路径75，然而电池极板110的外部周围，即气体通道170的外部周围侧面不是关闭的反而是对外界开放的。气体供应孔73和气体流通路径75共同构成一个用于给相关的气体通道170供应气体的气体供应通道。
在上面的构造中，空气作为氧化性气体被供应给保持部件150中心处的气体供应孔73，通过气体流通路径75和气体通道170流动，然后从电池单元10的外部周围侧面释放。
同时，氢气充当燃料气体并作为周围气体被供应入内部有燃料电池组的外壳，与第一实施例相似。
在每个电池极板110的多孔金属板370的一个内部侧面上设有一个块状部件470，电池极板110与块状部件470相对应的部分被相关的保持部件150保持。
同样在该实施例的构造中，每个电池极板110的一部分被相应的保持部件150保持，所以保持部件150产生的保持力不会对相应的包括固体电解质层的电池390产生大的影响，因此能够消除对固体电解质层的不利影响。
进一步，每个电池极板110有一个固定的中央部分和一个没有固定在相应的气体分离器130上的外部周围侧面，所以电池极板110不会被施加不利的径向应力，因此与第一实施例相比，对诸如应力和热冲击提供较高的抵抗性能。
另外，位于电池单元10之间的毛状材料77能够吸收周围气流引起的带有未固定外部边缘的气体分离器130的振动。另外，各电池单元10之间的联结电阻也分别被相关的毛状材料77降低。
顺便地，位于各电池单元10之间的毛状材料77也被用于第一实施例中，因此降低了各电池单元10之间的电连接电阻。
(第三实施例)
接下来，主要参照附图13，详细描述根据本发明的第三实施例的燃料电池。第三实施例与第二实施例的主要区别在于第三实施例是如此构造的，氢气作为燃料气体供应给位于保持部件150A中间处的燃料供应管道79，然后通过每个电池极板110A下面的燃料气体通道250A，再从电池单元10A的外部周围侧面释放，空气作为氧化气体是相似的。这样，第三实施例将通过强调这一区别来描述，同时对于相同的构造使用相似的附图标记并且适当省略或简化说明。
附图13是该实施例的燃料电池组的横断面视图，显示包括两个电池单元10A的典型构造。
如附图13所示，每个电池单元10A包括一个电池极板110A、一个气体分离器130A和一个保持部件150A，与第一实施例相似。在每个电池极板110A和相应的气体分离器130A之间界定的气体通道170A内填满毛状材料(多孔介质)190A，电池单元10A之间也填满毛状材料(多孔介质)77A，它与毛状材料190A相似。注意，每个电池极板110A均以简化的方式显示为多孔金属板370A和电池390A的结合。
与第一实施例相似，每个保持部件150A包括一个上电极部分590A、一个下电极部分610A和一个位于两个电极部分590A、610A之间的绝缘部分630A。
在电极部分590A、610A之间限定了一个用于将空气供应路径81与气体通道170A相连的气体流通路径83，然而电池极板110A的外部周围，即气体通道170A的外部周围侧面不是关闭的反而是对外界开放的。分离地界定在电极部分590A、610A之间的是用于将燃料供应管道79与燃料气体通道250A相连的燃料气体流通路径85，然而气体分离器130A的外部周围，即燃料气体通道250A的外部周围侧面不是关闭的反而是对外界开放的。
空气供应路径81和气体流通路径83共同构成一个给相应的气体通道170A供应空气的第一气体供应通道。进一步，燃料供应管道79和燃料气体流通路径85共同构成一个给相关的燃料气体通道250A供应氢气的第二气体供应通道。
在上面的构造中，氢气作为燃料气体通过保持部件150A中心处的燃料供应管道79供应，再通过燃料气体流通路径85流到一个电池单元10A的气体分离器130A的上侧面和上面的电池极板110A的下侧面之间界定的每个燃料气体通道250A，然后从燃料气体通道250A的外部周围释放。
同时，空气作为氧化气体通过燃料供应管道79外侧的空气供应路径81供应给位于电池极板110A上侧面的各气体通道170A，然后从各气体通道170A的外部周围释放。
每个多孔金属板370A的内部周围侧面上设有一个块状部件470A，电池极板110A与块状部件470A相对应的部分被相关的保持部件150A保持。
同样在该实施例的构造中，每个电池极板110A的一部分被相应的保持部件150A保持，所以保持部件150A产生的保持力不会对包括固体电解质层的相应的电池390A产生大的影响，因此能够消除对固体电解质层的不利影响。
与第二实施例相似，给每个电池单元10A设置一个气体分离器130A就足够了，因此建立这样简单的结构，燃料电池组产生电能所需的空气和燃料气体就被迫从中间的保持部件150A供应，因此方便与气流控制有关的操作控制。
另外，一个电池极板110A和相邻电池单元10A的气体分离器130A之间的毛状材料77A能够降低电池单元10A之间的电连接电阻。
(第四实施例)接下来，主要参照附图14，详细说明根据本发明的第四实施例的燃料电池。第四实施例与第三实施例的相似之处在于第四实施例是如此构造的，氢气作为燃料气体被供应给位于保持部件150B中心处的燃料供应管道79B，再通过每个电池极板110B下面的燃料气体通道250B，然后从电池单元10B的外部周围侧面释放，空气作为氧化气体是相似的。然而，第四实施例与第三实施例的主要区别在于它提供多个气体分离器130B。这样，将通过强调这一区别来描述第四实施例，同时对于相同的构造使用相似的附图标记并且适当省略或简化说明。
附图14是第四实施例的燃料电池组的横断面视图，显示包括两个电池单元10B的典型构造。
如附图14所示，每个电池单元10B包括一个电池极板110B、气体分离器130B和一个保持部件150B，与第一实施例相似。气体分离器130B总共包括分别位于每个电池单元10B最上方和最下方的两个气体分离器。界定在每个电池极板110B和相应的一个气体分离器130B之间的气体通道170B内部填满毛状材料(多孔介质)190B，电池单元10B之间也填满毛状材料(多孔介质)77B，它与毛状材料190B相似。注意，每个电池极板110B均以简化的方式显示为多孔金属板370B和电池390B的结合。
与第一实施例相似，每个保持部件150B包括一个上电极部分590B、一个下电极部分610B和一个位于两个电极部分590B、610B之间的绝缘部分630B。
在两个电极部分590B、610B之间界定了一个用于将空气供应路径81B与气体通道170B相连的气体流通路径83B，然而电池极板110B的外部周围，即气体通道170B的外部周围侧面不是关闭的反而是对外界开放的。分离地界定在电极部分590B、610B之间的是用于将燃料供应管道79B与燃料气体通道250B相连的燃料气体流通路径85B，然而气体分离器130B的外部周围，即燃料气体通道250B的外部周围侧面不是关闭的反而是对外界开放的。
空气供应路径81B和气体流通路径83B共同构成一个给相关的气体通道170B供应空气的第一气体供应通道。进一步，燃料供应管道79B和燃料气体流通路径85B共同构成一个给电池极板110B下方的相关的燃料气体通道250B供应氢气的第二气体供应通道。
在上述构造中，氢气作为燃料气体通过保持部件150B中心处的燃料供应管道79B供应，再通过燃料气体流通路径85B流到电池极板110B下侧面的燃料气体通道250B，然后从燃料气体通道250B的外部周围释放。
顺便地，空气作为氧化性气体通过燃料供应管道79B外侧的空气供应路径81B供应给位于电池极板110B上侧面的气体通道170B，然后从各气体通道170B的外部周围释放。
每个多孔金属板370B的内部周围侧面上设有一个块状部件470B，电池极板110B与块状部件470B相对应的部分被相应的保持部件150B保持。
同样在该实施例的构造中，每个电池极板110B的一部分被相关的保持部件150B保持，所以保持部件150B产生的保持力不会对包括固体电解质层的相应的电池390B产生大的影响，因此能够消除对固体电解质层的不利影响。
进一步，在每个电池极板110B的两个表面上均有气体分离器130B，并且气体分离器130B的外部周围侧面不固定，所以除了电池极板110B自身以外，电池极板110B不会被施加任何应力，与第一到第三实施例相比取得最好的平衡，同时能够很好地平衡每个电池极板110B的正面和反面的热传导。
顺便地，如果在第一实施例中相邻的电池单元的电能产生区域之间的电连接能够通过第二到第四实施例中描述的低电阻的毛状材料(多孔介质)得以确保，圆环71就不需要，并且就有可能采用如下构造，通过诸如陶瓷的绝缘材料的整体成型预先构造保持部件，气体分离器放在该保持部件上。这样的构造能够减少每个保持部件的部件数量，因此能降低成本。
进一步，在第四实施例中，如附图14所示，相邻电池单元10B之间的电连接也可以在气体分离器130B自身之间获得，在这种情况下保持部件也可以通过陶瓷的整体成型来构造。
申请日为2002年12月25日的在日本提出的专利申请第TOKUGAN2002-374452号的全部内容结合在这里以供参考。
尽管参考特定的实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于上述的实施例。根据上面的讲述，技术熟练者可对上面描述的实施例进行改进和变更。根据下面的权利要求来确定本发明的范围。
工业实用性如上面的描述，根据本发明的燃料电池包括提供承载体的电池极板、形成在承载体上的电池、与电池极板共同界定气体通道的导电气体分离器、和保持电池极板的一部分的保持部件。所述电池包括固体电解质、形成在固体电解质的一个表面上的阴极物质层和形成在固体电解质的另一个表面上的阳极物质层。根据该构造，保持部件产生的保持力不会对包括固体电解质的电池产生大的影响，因此能够消除对固体电解质的不利影响，且能够获得较高可靠性的燃料电池，所以具有广泛的实用性，包括电力车辆的燃料电池。
权利要求
1.一种燃料电池，包括电池极板，它具有承载体和形成在该承载体上的电池，该电池包括固体电解质层、形成在固体电解质层的一个表面上的阴极物质层、以及形成在固体电解质层的另一表面上的阳极物质层；导电气体分离器，它与电池极板相协作，该导电气体分离器用于形成一个气体通道；以及保持电池极板的一部分的保持部件。
2.如权利要求1所述的燃料电池，其中，保持部件还保持气体分离器的一部分。
3.如权利要求1所述的燃料电池，其中，电池极板、气体分离器和保持部件构成电池单元，每个电池单元沿着叠加方向叠加在一起并且互相电连接，从而形成一个电池组。
4.如权利要求3所述的燃料电池，其中，紧固力施加到电池组的每个电池单元的保持部件的内部的一部分上，施加紧固力的该部分是主要部分。
5.如权利要求4所述的燃料电池，其中，由于紧固力的作用，压缩力在叠加方向上至少施加到电池组的每个电池单元的电池极板和导电气体分离器上。
6.如权利要求1所述的燃料电池，其中，邻近承载体设有一不透气的金属部件，与不透气的金属部件对应的电池单元部分被保持部件保持。
7.如权利要求6所述的燃料电池，其中，金属部件上设有绝缘部件，该金属部件和绝缘部件分别具有与固体电解质层相同的热膨胀系数。
8.如权利要求1所述的燃料电池，其中，保持部件具有用于给气体通道供应气体的气体供应通道。
9.如权利要求1所述的燃料电池，其中，气体分离器设置成与电池极板的一侧相对，以便在气体通道的外部周围侧面关闭时形成气体通道；保持部件具有一用于给气体通道供应气体的气体供应通道和一用于从气体通道排放气体的气体排放通道，从而第一气体从气体供应通道供应给气体通道，第二气体供应给电池极板的另一侧。
10.如权利要求1所述的燃料电池，其中，气体分离器设置成与电池极一侧相对，以便在气体通道的外部周围侧面打开时形成气体通道；保持部件具有一用于给气体通道供应气体的气体供应通道，从而第一气体从气体供应通道供应给气体通道且从气体通道的外部周围侧面排放，而第二气体供应给电池极板的另一侧。
11.如权利要求1所述的燃料电池，其中，气体分离器设置成与电池极板的一侧相对，以便在第一气体通道的外部周围侧面打开时形成第一气体通道；当第二气体通道的外部周围侧面打开时，电池单元的电池极板和相邻的电池单元的气体分离器相协作，从而在它们之间形成第二气体通道；保持部件具有一用于给第一气体通道供应第一气体的第一气体供应通道和一用于给第二气体通道供应第二气体的第二气体供应通道，从而第一气体通过第一气体供应通道供应给第一气体通道且从第一气体通道的外部周围侧面排放，第二气体通过第二气体供应通道供应给第二气体通道且从第二气体通道的外部周围侧面排放。
12.如权利要求1所述的燃料电池，其中，气体分离器包括第一气体分离器和第二气体分离器，该第一气体分离器和第二气体分离器设置成与电池极板的一个侧面和另一个侧面相对，以便当第一气体通道的外部周围侧面和第二气体通道的外部周围侧面打开时，分别形成第一气体通道和第二气体通道；保持部件具有一用于给第一气体通道供应第一气体的第一气体供应通道和一用于给第二气体通道供应第二气体的第二气体供应通道，从而第一气体通过第一气体供应通道供应给第一气体通道且从第一气体通道的外部周围侧面排放，第二气体通过第二气体供应通道供应给第二气体通道且从第二气体通道的外部周围侧面排放。
13.如权利要求1所述的燃料电池，其中，保持部件包括一设置在电池极板的一侧且具有导电性的第一部件、一设置在电池极板的另一侧且具有导电性的第二部件、以及一连接第一部件和第二部件的电绝缘材料。
14.如权利要求3所述的燃料电池，其中，气体分离器设置在电池极板的一侧，保持部件由电绝缘材料制成，在相邻的电池单元之间设有电导体以便将相邻的电池单元互相电连接。
15.如权利要求3所述的燃料电池，其中，气体分离器设置在电池极板的一侧和另一侧，保持部件由电绝缘材料制成，电池单元的气体分离器相互电连接到相邻电池单元的气体分离器上。
16.如权利要求1所述的燃料电池，其中，保持部件和气体分离器由相同的材料制成，并且通过扩散粘合连接在一起。
17.如权利要求1所述的燃料电池，其中，保持部件、气体分离器和电池极板相互接触的区域分别形成镜面。
18.如权利要求1所述的燃料电池，其中，保持部件、气体分离器和电池极板相互接触的区域分别形成有薄膜，该薄膜具有较低的硬度和较低的电阻。
19.如权利要求3所述的燃料电池，其中，电池组具有弹性地保持在一外壳内。
20.如权利要求1所述的燃料电池，其中，保持部件设置在位于电池极板的中心部分的一孔内。
21.如权利要求1所述的燃料电池，其中，保持部件和电池极板分别具有圆形或者多边形的外部形状。
全文摘要
一种燃料电池，包括电池极板(11、110、110A、110B)、与电池极板协作的导电气体分离器(13、130、130A、130B)，其形成气体通道，以及保持电池极板的一部分的保持部件(15、150、150A、150B)。所述电池极板包括承载体(37、370、370A、370B)和形成在承载体上的电池(39、390、390A、390B)。所述电池包括固体电解质(43)、形成在固体电解质的一个表面上的阴极物质层(45)和形成在固体电解质的另一个表面上的阳极物质层(41)。
文档编号H01M8/24GK1692521SQ20038010050
公开日2005年11月2日 申请日期2003年12月16日 优先权日2002年12月25日
发明者中岛靖志, 栉引圭子, 柴田格, 佐藤文纪 申请人:日产自动车株式会社