燃料電池單元和燃料電池堆的製作方法

2023-05-22 23:56:16

燃料電池單元和燃料電池堆的製作方法
【專利摘要】本發明提供即使在長期的使用之後也能夠維持良好的電連接性的燃料電池單元和燃料電池堆。一種燃料電池單元(3)，其包括：一對互連器(以下，稱為IC)(12、13)；單元主體(20)，其位於IC之間，並在電解質(2)的兩個表面形成有空氣電極(14)和燃料電極(15)；以及集電構件(18、19)，其配置於兩電極(14、15)中的至少一者與IC之間並將空氣電極(14)和/或燃料電極(15)同IC電連接，該燃料電池單元的特徵在於，集電構件(19)由抵接於IC(13)的連接器抵接部(19a)、抵接於單元主體(20)的單元主體抵接部(19b)以及將兩抵接部連接起來的連接部(19c)連續地形成，該連接部被彎曲成大致180度，並且集電構件在連接部被彎曲後的狀態下在朝向內側的內側面形成有表面粗糙度的十點平均粗糙度Rz≥4μm的凹凸(19e)，而且，在單元主體(20)和IC(13)之間，且是在彼此相對的連接器抵接部(19a)和單元主體抵接部(19b)之間配置有間隔件(58)。
【專利說明】燃料電池單元和燃料電池堆

【技術領域】
[0001]本發明涉及一種燃料電池單元以及一種將多個該燃料電池單元層疊並固定而成的燃料電池堆，對於該燃料電池單元而言，在電解質層的兩個表面設有兩個電極，向一個電極(以下稱為燃料電極。)供給燃料氣體並且向另一個電極(以下稱為空氣電極。)供給氧化劑氣體，從而進行發電。

【背景技術】
[0002]以往，例如專利文獻I中所記載的那樣，存在一種燃料電池單元，其包括:一對互連器；單元主體，其位於該互連器之間，並在電解質的一個表面上形成有空氣電極，在電解質的另一個表面上形成有燃料電極；以及集電構件，其配置於空氣電極與互連器之間而將空氣電極和互連器之間電連接，或者配置於燃料電極與互連器之間而將燃料電極和互連器之間電連接。
[0003]該燃料電池單元的集電構件是如下這樣的構件:構造成自平板狀的集電板切起爪狀的彈性構件，使集電板的平坦面與互連器相接合，並且使切起的彈性構件的頂端在該彈性構件自身的彈性的作用下與單元主體相接觸，從而建立電連接。
_4] 現有技術文獻_5] 專利文獻
[0006]專利文獻1:日本特開2009 - 266533號公報


【發明內容】

_7] 發明要解決的問題
[0008]如現有技術那樣，存在如下情況:對於在具有導電性的彈性構件的彈性的作用下與單元主體接觸的集電構件來說，由於長期的使用所導致的塑性變形、發電時的高溫所導致的具有導電性的彈性構件的強度降低、甚至具有導電性的彈性構件受到蠕變變形的影響等因素，而導致無法得到用於實現規定的電連接的接觸力。於是，在這樣的情況下，具有導電性的彈性構件可能無法跟隨由溫度循環、燃料壓力、空氣壓力的變化等導致的單元主體的變形，從而可能導致接觸不穩定，導致空氣電極與互連器之間的電連接或者燃料電極與互連器之間的電連接不穩定。
[0009]而且，在導致上述的彈性構件的用於實現電連接的接觸力降低的主要原因多重複雜時，有時該彈性構件的本應接觸於單元主體的部分反倒接觸於互連器側。另一方面，由於集電構件的平坦面接合於互連器，因而集電構件由與互連器之間的接合性優異的材料形成的情況較多。因此，若彈性構件在發電時的高溫環境下與互連器側接觸，則有時彈性構件會因燒結而接合於互連器側。如此一來，由於該彈性構件與互連器成為一體，因此可能導致該彈性構件與單元主體之間的接觸變得困難，導致空氣電極與互連器之間的電連接或者燃料電極與互連器之間的電連接不穩定。
[0010]本發明鑑於上述情況而做成的，其目的在於提供即使在長期的使用之後也能夠維持良好的電連接性的燃料電池單元和燃料電池堆。
[0011]用於解決問題的方案
[0012]為了實現上述目的，本發明如技術方案I所述，提供一種燃料電池單元，該燃料電池單元包括:
[0013]—對互連器；
[0014]單元主體，其位於所述互連器之間，並在電解質的一側的表面上形成有空氣電極，在電解質的另一側的表面上形成有燃料電極；以及
[0015]集電構件，其配置於所述空氣電極和所述燃料電極中的至少一者與所述互連器之間，並將所述空氣電極和/或所述燃料電極與所述互連器電連接，其中，
[0016]所述集電構件由連接器抵接部、單元主體抵接部以及連接部連續地形成，該連接器抵接部抵接於所述互連器，該單元主體抵接部抵接於所述單元主體，該連接部將所述連接器抵接部和所述單元主體抵接部連接起來並被彎曲成大致180度，並且，所述集電構件在所述連接部被彎曲後的狀態下在朝向內側的內側面形成有表面粗糙度的十點平均粗糙度Rz彡4 ym的凹凸，
[0017]而且，在所述單元主體和所述互連器之間，且是在彼此相對的所述連接器抵接部和所述單元主體抵接部之間配置有間隔件。
[0018]而且，如技術方案2所述，本發明提供一種根據技術方案I所述的燃料電池單元，其中，所述集電構件是由利用電解鍍製法形成的金屬箔所形成的。
[0019]而且，如技術方案3所述，本發明提供一種根據技術方案I或2所述的燃料電池單元，其中，所述集電構件的厚度為15 μπι?100 μπι。
[0020]而且，如技術方案4所述，本發明提供一種根據技術方案I或3所述的燃料電池單元，其中，所述集電構件是由金屬箔所形成的，該金屬箔的所述內側面被實施了噴砂加工或者蝕刻加工。
[0021]而且，如技術方案5所述，本發明提供一種燃料電池堆，該燃料電池堆是通過將多個技術方案I?4中任意一項所述的燃料電池單元層疊起來，並利用緊固構件進行固定而成的。
[0022]而且，如技術方案6所述，本發明提供一種燃料電池單元的製造方法，該燃料電池單元製造方法所製造的燃料電池單元包括:一對互連器；單元主體，其在電解質的一側的表面上形成有空氣電極，並在電解質另一側的表面上形成有燃料電極；集電構件，其由具有表面和背面的金屬平板構成；以及間隔件，其中，該燃料電池單元的製造方法包括以下工序:在所述一對互連器之間配置所述單元主體；準備由所述金屬平板構成的集電構件，所述金屬平板所具有的所述背面的表面粗糙度的十點平均粗糙度比所述表面的表面粗糙度的十點平均粗糙度大；將所述金屬平板和間隔件組裝起來，而準備組裝有所述間隔件的所述集電構件；以及在所述互連器與該單元主體的所述空氣電極和所述燃料電極中的至少一者之間配置組裝有所述間隔件的所述集電構件，在將所述金屬平板和間隔件組裝起來，而準備組裝有所述間隔件的所述集電構件的工序中，使所述金屬平板的所述背面與所述間隔件相接觸地進行組裝。
[0023]本發明提供一種技術方案6所述的燃料電池單元的製造方法，其中，該燃料電池單元的製造方法包括以下工序:在所述金屬平板上刻入預切線而形成切片部，並使所述切片部相對於所述金屬平板彎曲立起；以及在所述金屬平板之上配置間隔件，用所述切片部和該金屬平板夾住所述間隔件，而形成集電構件。
[0024]本發明提供一種技術方案6所述的燃料電池單元的製造方法，其中，該燃料電池單元的製造方法包括以下工序:在所述金屬平板上刻入預切線而形成切片部，並以將所述切片部的一部分彎曲成字母U形形狀而使所述切片部蓋到所述金屬平板的方式形成集電構件；以及在所述金屬平板和所述切片部之間配置所述間隔件。
[0025]本發明提供一種技術方案6至8中任意一項所述的燃料電池單元的製造方法，其中，所述金屬平板的所述背面的表面粗糙度的十點平均粗糙度Rz多4 μπι。
[0026]發明的效果
[0027]採用本發明的燃料電池單元，由於連接器抵接部和單元主體抵接部沿反接觸方向的變形被間隔件所抑制，因此難以發生塑性變形，而且，也難以受到蠕變變形的影響或者由發電時的高溫所導致的強度降低的影響等。而且，由於間隔件被設置在集電構件的連接器抵接部與單元主體抵接部之間而妨礙二者的接觸，因此連接器抵接部和單元主體抵接部在發電時的高溫下不會通過燒結而接合在一起。因此，能夠防止連接器抵接部與單元主體抵接部的一體化以及隨之帶來的電連接的不穩定化。
[0028]而且，對於本發明的燃料電池單元而言，在連接器抵接部與單元主體抵接部之間配置有間隔件並且在該間隔件的兩個表面抵接有表面粗糙度的十點平均粗糙度Rz多4 μπι的凹凸，因此，在連接器抵接部與間隔件之間以及在單元主體抵接部與間隔件之間作用有較大的摩擦力。因此，對於配置於連接器抵接部與單元主體抵接部之間的間隔件而言，即使因例如組裝工序中的輸送、處理等而受到振動，也難以產生位置偏移。當然，通過慎重地進行組裝工序也能夠防止間隔件的位置偏移，但在該情況下會使生產效率降低。而且，若間隔件相對於連接器抵接部和單元主體抵接部發生位置偏移，則會導致通過設置間隔件而產生的上述效果可能不充分，這是不言而喻的，在將多個燃料電池單元層疊並緊固的情況下，間隔件有可能會幹涉單元主體而引起電池單元開裂，並非優選。另外，表面粗糙度的十點平均粗糙度Rz的測量方法依據JIS Β0601:2001? (然而，本申請所記載的表面粗糙度的十點平均粗糙度Rz規定了 「表面粗糙度的十點平均粗糙度」，根據JIS中所規定的記載，有時也將表面粗糙度的十點平均粗糙度標記為Rz或者Rz jis。)而且，組裝燃料電池單元而進行運轉之後，在測量集電構件表面粗糙度的十點平均粗糙度Rz時，能夠將不與單元主體、互連器以及間隔件抵接的部分、例如集電構件的連接部19c切出，從而依據JIS B0601:2001測量集電構件和間隔件相抵接的一側的表面的表面粗糙度的十點平均粗糙度Rz。
[0029]由於通過電解鍍製法所形成的金屬箔原本是在單面形成有凹凸，因此，能夠通過如技術方案2所述那樣將這樣的金屬箔用於集電構件來抑制成本。
[0030]優選的是，如技術方案3所述那樣將集電構件的厚度設為15 μπι?100 μm。若集電構件比15 μ m薄則難以得到需要的強度，電阻也變高。此外，若集電構件比100 μ m厚，則在將連接部彎曲成180度而產生的反作用力的過度作用，有可能在組裝時誘發單元主體的開裂。
[0031]如技術方案4所述，集電構件的凹凸能夠通過噴砂加工或者蝕刻加工形成。
[0032]而且，由於技術方案5所述的燃料電池堆是將多個技術方案I?4中任意一項所述的燃料電池單元層疊並用緊固構件固定而成的，因此，即使長期使用也能夠維持良好的電連接性。
[0033]而且，採用本發明的燃料電池單元的製造方法，由於使由金屬平板構成的集電構件中的表面粗糙度的十點平均粗糙度較大的表面抵接於間隔件的兩個表面，因此，在集電構件和間隔件之間作用有較大的摩擦力。因此，對於配置於集電構件的連接器抵接部和單元主體抵接部之間的間隔件而言，即使因例如組裝工序中的輸送、處理等而受到振動也難以產生位置偏移。
[0034]而且，採用技術方案7所述的燃料電池單元的製造方法，在金屬平板上刻入預切線而形成切片部，並將該切片部彎曲立起之後，在金屬平板之上配置間隔件，將間隔件夾入，因此，間隔件的定位能夠以彎曲立起的切片部為基準，易於在集電構件上組裝間隔件。
[0035]而且，採用技術方案8所述的燃料電池單元的製造方法，在金屬平板上刻入預切線而形成切片部，並將該切片部彎曲成字母U形形狀而形成集電構件，間隔件的定位能夠以被彎曲成字母U形形狀的切片部為基準，易於在集電構件上組裝間隔件。
[0036]而且，採用技術方案9所述的燃料電池單元的製造方法，將集電構件的與間隔件相抵接的表面的表面粗糙度的十點平均粗糙度設為Rz多4μπι，從而使集電構件和間隔件之間作用有較大的摩擦力，使集電構件和間隔件難以產生位置偏移。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0037]圖1是燃料電池的立體圖。
[0038]圖2是燃料電池單元的立體圖。
[0039]圖3是燃料電池單元的分解立體圖。
[0040]圖4是對分解部分進行部分組裝後的燃料電池單元的分解立體圖。
[0041]圖5是燃料電池單元的省略掉中間部分的縱剖視圖。
[0042]圖6是將圖5分解示出的縱剖視圖。
[0043]圖7是圖5的A — A線剖視圖。
[0044]圖8是圖5的B— B線剖視圖。
[0045]圖9是集電構件的立體圖。
[0046]圖10(a)是間隔件的立體圖，圖10(b)是集電構件安裝間隔件之前的立體圖。
[0047]圖11是表示圖10(b)的變形例的集電構件的立體圖。
[0048]圖12是集電構件的包括主要部分放大圖的剖視圖。

【具體實施方式】
[0049]當前，燃料電池根據電解質的材質被大致分為4種:以高分子電解質膜作為電解質的固體高分子型燃料電池(PEFC);以磷酸作為電解質的磷酸燃料電池(PAFC) ;WLi —Na/K系碳酸鹽作為電解質的熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC);以及以例如ZrO2系陶瓷作為電解質的固體氧化物燃料電池(SOFC)。各種燃料電池的工作溫度(離子能夠在電解質中移動的溫度)彼此不同，在目前，PEFC的工作溫度為常溫?大致90°C，PAFC的工作溫度為大致150°C?200°C，MCFC的工作溫度為大致650°C?700°C，SOFC的工作溫度為大致700°C?1000。。。
[0050]燃料電池I是以例如ZrO2系陶瓷作為電解質2的SOFC。該燃料電池I大致構成為包括:燃料電池單元3，其為發電的最小單位；空氣供給流路4，其用於向該燃料電池單元3供給空氣；空氣排出流路5，其用於將該空氣向外部排出；燃料供給流路6，其同樣地用於向燃料電池單元3供給燃料氣體；燃料排出流路7，其用於將該燃料氣體向外部排出；固定構件9，其用於將通過層疊多個該燃料電池單元3而成單元組固定，從而做成燃料電池堆8 ;容器10，其用於容納燃料電池堆8 ;以及輸出構件11，其用於輸出由燃料電池堆8產生的電力。
[0051][燃料電池單元]
[0052]燃料電池單元3在俯視時為正方形，如圖3所示，該燃料電池單元3具有:上互連器12，其為四邊形的板形狀，並由具有導電性的鐵素體型不鏽鋼(ferrite stainless)等形成丨※此處的「上」或者「下」以附圖為基準，但是這只是為了說明方便而不是指絕對的上下。以下相同。)；下互連器13，其同樣為四邊形的板形狀，並由具有導電性的鐵素體型不鏽鋼等形成；單元主體20，其位於上互連器12和下互連器13之間的大致中間位置處，並且在電解質2的與上互連器12的內表面(下表面)相對的表面上形成空氣電極14，並且在電解質2的與下互連器13的內表面(上表面)相對的表面上形成燃料電極15 ;空氣室16，其形成於上互連器12和空氣電極14之間；燃料室17，其形成於下互連器13和燃料電極15之間；空氣電極14側的集電構件18，其配置於空氣室16的內部，並將空氣電極14和上互連器12電連接；以及燃料電極15側的集電構件19，其配置於所述燃料室17的內部，並將燃料電極15和下互連器13電連接，正方形的燃料電池單元3在角部處以貫通狀態形成有角部通孔47、47......，用於供所述固定構件9的後述的緊固構件46a?46d貫穿。
[0053][電解質]
[0054]除ZrO2系陶瓷以外，所述電解質2還可以由LaGaO 3系陶瓷、BaCeO 3系陶瓷、SrCeO 3系陶瓷、31^103系陶瓷以及CaZrO 3系陶瓷等形成。
[0055][燃料電極]
[0056]對於所述燃料電極15的材質而言，可以例舉有，Ni和Fe等金屬與被Sc、Y等稀土元素中的至少一種進行過穩定化的氧化鋯等Zr02€陶瓷、CeO2系陶瓷等陶瓷中的至少一種的混合物。而且，燃料電極15的材質也可以是Pt、Au、Ag、Pb、Ir、Ru、Rh、Ni以及Fe等金屬，既可以僅是這些金屬中的一種，也可以是這些金屬中的兩種以上的合金。此外，可以例舉有這些金屬和/或合金與上述陶瓷中的至少一種的混合物(包括金屬陶瓷)。此外，還可以例舉有Ni和Fe等金屬的氧化物與上述陶瓷中的至少一種的混合物等。
[0057][空氣電極]
[0058]所述空氣電極14的材質可以使用例如各種金屬、各種金屬氧化物、各種金屬複合氧化物等。
[0059]作為所述金屬，可以列舉有Pt、Au、Ag、Pb、Ir、Ru以及Rh等金屬或者含有這些金屬中的兩種以上的金屬的合金。
[0060]並且，作為金屬的氧化物，可以例舉有La、Sr、Ce、Co、Mn以及Fe等氧化物(La203、SrO, Ce2O3、Co203、Mn02 以及 FeO 等)。
[0061]而且，作為複合氧化物，可以列舉有至少含有La、Pr、Sm、Sr、Ba、Co、Fe以及Mn等的複合氧化物(LagSrxCoO^複合氧化物、La gSr/eO#複合氧化物、La1ISrxCcvyFeO^複合氧化物、LagSrxMnO^複合氧化物、Pr P5iBaxCoO3系複合氧化物以及Sm HSrxCoO3系複合氧化物等)。
[0062][燃料室]
[0063]如圖3?圖5所示，所述燃料室17由框狀的形成燃料電極氣體流路用的絕緣框架(以下，也稱為「燃料電極絕緣框架」)21和呈框狀且設置於所述燃料電極絕緣框架21上表面上的燃料電極框架22形成為四邊形的室狀，所述燃料電極絕緣框架21以圍繞集電構件19周圍的狀態被設置於下互連器13的上表面上。
[0064][燃料室側的集電構件]
[0065]燃料室17側的集電構件19由例如厚度為15 ym?100 ym的Ni箔形成，該集電構件19由連接器抵接部19a、單元主體抵接部19b以及連接部19c連續地形成，其中，連接器抵接部19a抵接於下互連器13，單元主體抵接部19b抵接於單元主體20的燃料電極15，連接部19c將連接器抵接部19a和單元主體抵接部19b連接起來，並呈被彎曲成180度的字母U形形狀。
[0066]利用現有的電解鍍製法形成Ni箔，如圖12的放大圖所示，Ni箔在被彎曲成180度的狀態下，在朝向內側的內側面形成有在表面粗糙度方面相當於十點平均粗糙度Rz彡4 ym的細微的凹凸19e。需要說明的是，連接部19c呈被彎曲成180度的字母U形形狀的狀態表示的是以使單元主體抵接部1%蓋到連接器抵接部19a之上的方式將單元主體抵接部19b折回的狀態。
[0067]另外，燃料室17側的集電構件19除了如所述那樣由Ni箔形成的情況之外，也可以由例如Ni制的多孔質金屬或者Ni制的金屬絲網或者Ni制的金屬絲形成。而且，燃料室17側的集電構件19除了 Ni之外，也可以由Ni合金、不鏽鋼等抗氧化性較強的金屬形成。
[0068]利用以下方法製作該集電構件19。
[0069]在燃料室17中設有大約數十?一百個該集電構件19 (當然，可以根據燃料室的大小而不同。)，可以將這些集電構件19分別排列在互連器13之上並進行焊接(例如雷射焊接、電阻焊)，但優選的是，如圖10(b)所示的那樣將所述Ni箔加工成與燃料室17相匹配的四邊形平板(也稱為金屬平板)190，在該平板190上形成與由單元主體抵接部19b和連接部19c構成的切片部19f相對應的預切線19d，這樣一來，如圖9中的放大部分所示，只要以將單元主體抵接部19b折回的方式將連接部19c彎曲成字母U形形狀，並使單元主體抵接部1%在連接器抵接部19a的上方相對連接器抵接部19a隔開間隔t(參照圖5中的放大部分)地蓋到連接器抵接部19a之上即可。即，將作為切片部19f 一部分的連接部19c彎曲成字母U形形狀，從而使單元主體抵接部19b蓋到金屬平板190的連接器抵接部19a之上。在該情況下，使單元主體抵接部1%彎曲立起而處於開孔狀態的平板190即為連接器抵接部19a的集合體，在實施方式中平板190的連接器抵接部19a接合於下互連器13。
[0070]需要說明的是，如圖11所示，集電構件19的所述預切線19d也可以做成使單元主體抵接部19b和連接部19c以列為單位集中起來的形狀。這樣一來，能夠高效地進行對單元主體抵接部19b和連接部19c的加工。
[0071][間隔件]
[0072]如圖5所示，在所述集電構件19處還設有間隔件58。該間隔件58在燃料室17內的處於單元主體20和下互連器13之間的部位，以隔開連接器抵接部19a和單元主體抵接部1%的方式配置於這兩者之間，該間隔件58由如下的厚度和材料形成:在厚度方向上具有彈性力，為了能夠利用在至少燃料電池工作溫度域內的該間隔件58的厚度方向的熱膨脹，將單元主體抵接部19b和連接器抵接部19a朝向各自的抵接方向按壓，即、將單元主體抵接部19b朝向單元主體20按壓並且將連接器抵接部19a朝向互連器13按壓，而使間隔件58在作為燃料電池工作溫度域的700°C?1000°C的範圍內受熱膨脹作用後的厚度大於受熱膨脹作用而發生擴大的所述間隔t。
[0073]需要說明的是，間隔件58的厚度只要在處於燃料電池工作溫度域的狀態下大於單元主體抵接部1%和連接器抵接部19a之間的間隔t即可，但是優選的是，將間隔件58的厚度設定為在燃料電池非工作時的常溫狀態下，至少大致等於或者略大於單元主體抵接部19b和連接器抵接部19a之間的間隔t。這樣一來，即使在自發電開始到達到工作溫度域的期間，也能夠利用間隔件58使連接器抵接部19a和互連器13之間的電接觸以及單元主體抵接部19b和單元主體20之間的電接觸穩定。
[0074]而且，間隔件58的材質被選定為針對厚度方向彈性大於集電構件19的彈性的材質，與彈性比較小的集電構件19相比，間隔件58的厚度會針對由溫度循環、燃料壓力、空氣壓力的變化導致的燃料室17的間隔變動而較大幅度地增減。具體地說，針對燃料室17的所述間隔的縮小，間隔件58在厚度方向上收縮而發揮緩衝作用，這樣能防止單元主體20發生破裂，另一方面，針對所述間隔的擴大，間隔件58利用沿厚度方向的恢復力使電接觸穩定。
[0075]而且，間隔件58由具有在燃料電池工作溫度域內不會燒結到集電構件19的性質的材料形成，因此，單元主體抵接部19b和連接器抵接部19a不會彼此直接接觸而燒結在一起，這是不言而喻的，而且單元主體抵接部19b和連接器抵接部19a也不會經由間隔件58而燒結在一起。
[0076]作為滿足以上條件的間隔件58的材質，可以是雲母、氧化鋁氈、蛭石、碳纖維、碳化矽纖維以及二氧化矽中的任意一種或者多種組合而成的材料。而且，如果將這些材質做成例如雲母這樣的薄板狀體的層疊結構，則由於針對沿層疊方向的負載賦予適當的彈性，因此較為優選。這些材質的熱膨脹率比後述的緊固構件46a?46d的熱膨脹率高。
[0077]另外，如所述那樣，實施方式的集電構件19形成為由連接器抵接部19a的集合體、即平板190連接起來的一體結構，與此相配合地，如圖10(a)所示，間隔件58也是由如下這樣的一張做成四邊形的材料片形成:寬度與平板190的寬度大致相同並且比平板190稍短的(具體地說，短了相當於一個(單元主體抵接部1%+連接部19c)的長度的量)，將與單元主體抵接部19b和連接部19c相對應的部分按每橫向I列的量集中地切除，從而形成為橫格子狀。
[0078]這樣，將該間隔件58重疊於集電構件19的加工前的圖10 (b)所示的平板190上，在該狀態下如圖9中放大部分所示，只要將連接部19c彎曲成字母U形形狀，就能夠做成預先裝入間隔件58的集電構件19。即，將作為切片部19f 一部分的連接部19c彎曲成字母U形形狀，從而使得單元主體抵接部19b隔著間隔件58蓋到金屬平板190的連接器抵接部19a 上。
[0079]如圖12中的放大圖所示，該狀態下，由於間隔件58的兩個表面抵接於連接器抵接部19a的凹凸19e和單元主體抵接部19b的凹凸19e而受到摩擦力，因此，即使在組裝燃料電池單元3或者燃料電池堆8的階段受到縱向、橫向的振動，間隔件58也不會輕易產生位置偏移。然而，在圖9中的放大部分中，單元主體抵接部19b處於自位於左角部的部分朝向右側逐步地彎曲的狀態，但這主要是用於說明加工步驟而畫的，既可以同時對全部單元主體抵接部1%進行彎曲加工，也可以自便於加工的部分按順序進行。
[0080]此外，作為另一製作方法，如圖10(6)所示那樣將所述附箔加工成與燃料室17相匹配的四邊形的金屬平板190，在該金屬平板190上形成多條與切片部19？相對應的預切線19(1。之後，如圖9中的放大部分的八所示，將多個切片部19？朝向相對於金屬平板190垂直的方向彎曲立起，使得切片部19？處於與為了夾入間隔件58的位置對準的位置。彎曲立起後的狀態只要是能夠與間隔件58的位置進行位置對準的程度即可，優選的是，相對於金屬平板190大致垂直的狀態。之後，在將切片部19？彎曲立起的金屬平板190整體之上配置間隔件58。配置了間隔件58之後，以將間隔件58夾入到連接器抵接部1如和切片部19？的單元主體抵接部1%之間的方式彎曲加工連接部1%，從而製作預先裝入了間隔件58的集電構件19。在該情況下，使切片部19？彎曲立起而留下的開孔狀態的金屬平板190即為連接器抵接部的集合體。
[0081]而且，既可以同時對全部連接部進行彎曲加工，也可以自便於加工的部分按順序進行。
[0082]作為又一製作方法，如圖9中的放大部分所示那樣以將單元主體抵接部1%折回的方式將連接部彎曲成字母V形形狀，並使單元主體抵接部1%在連接器抵接部的上方相對連接器抵接部1如隔開間隔〖(參照圖5中放大部分)地蓋到連接器抵接部1如之上，從而製作集電構件19。在該集電構件19的單元主體抵接部1%和連接器抵接部19&之間配置間隔件58，從而製作組裝了間隔件58的集電構件19。
[0083]〔空氣室〕
[0084]如圖3?圖5所示，所述空氣室16由具有導電性的薄金屬制的分隔件23和框狀的形成空氣電極氣體流路用絕緣框架(以下，也稱為「空氣電極絕緣框架124形成為四邊形的室狀，該分隔件23為四邊形的框狀且在下表面安裝有所述電解質2，該空氣電極絕緣框架24設置於該分隔件23和上互連器12之間且圍繞集電構件18的周圍。
[0085]〔空氣室側的集電構件〕
[0086]空氣室16側的集電構件18由呈細長的角材形狀的緻密的導電構件、例如不鏽鋼材料形成，多個集電構件18以抵接於電解質2的上表面上的空氣電極14和上互連器12的下表面(內表面)的狀態，彼此平行且彼此之間隔開恆定間隔地配置。需要說明的是，空氣室16側的集電構件18也可以做成與燃料室17側的集電構件19相同的結構。
[0087]如以上這樣，燃料電池單元3通過下互連器13、燃料電極絕緣框架21、燃料電極框架22、分隔件23、空氣電極絕緣框架24以及上互連器12的組合來形成燃料室17和空氣室16，用電解質2將該燃料室17和空氣室16分隔開而使它們彼此獨立，並且，利用燃料電極絕緣框架21和空氣電極絕緣框架24將燃料電極15側和空氣電極14側電絕緣。
[0088]此外，燃料電池單元3包括:空氣供給部25，其包含用於向空氣室16的內部供給空氣的空氣供給流路4 ；空氣排出部26，其包含用於將空氣自空氣室16向外部排出的空氣排出流路5 ；燃料供給部27，其包含用於向燃料室17的內部供給燃料氣體的燃料供給流路6 ；以及燃料排出部28，其包含用於將燃料氣體自燃料室17向外部排出的燃料排出流路7。
[0089]〔空氣供給部〕
[0090]空氣供給部25包括:空氣供給通孔29，其沿上下方向開孔設置在四邊形的燃料電池單元3的一邊側中央處；空氣供給連通室30，其呈長孔狀，以連通於該空氣供給通孔29的方式開孔設置於空氣電極絕緣框架24 ；空氣供給連通部32，其以使將該空氣供給連通室30和空氣室16之間分隔開的分隔壁31的上表面等間隔地凹陷的方式形成有多個；以及所述空氣供給流路4，其能插入所述空氣供給通孔29而將空氣自外部向所述空氣供給連通室30供給。
[0091][空氣排出部]
[0092]空氣排出部26包括:空氣排出通孔33，其沿上下方向開孔設置在燃料電池單元3的與空氣供給部25相反的一側的一邊側中央處；空氣排出連通室34，其呈長孔狀，以連通於該空氣排出通孔33的方式開孔設置於空氣電極絕緣框架24 ；空氣排出連通部36，其以使將該空氣排出連通室34和空氣室16之間分隔開的分隔壁35的上表面等間隔地凹陷的方式形成有多個；以及所述空氣排出流路5，其呈管狀，並能插入所述空氣排出通孔33而將空氣自空氣排出連通室34向外部排出。
[0093]〔燃料供給部〕
[0094]燃料供給部27包括:燃料供給通孔37，其沿上下方向開孔設置在四邊形的燃料電池單元3的剩下兩條邊中的一邊側中央處；燃料供給連通室38，其呈長孔狀，以連通於該燃料供給通孔37的方式開孔設置於燃料電極絕緣框架21 ；燃料供給連通部40，其以使將該燃料供給連通室38和燃料室17之間分隔開的分隔壁39的上表面等間隔地凹陷的方式形成有多個；以及所述燃料供給流路6，其呈管狀，並能插入所述燃料供給通孔37而將燃料氣體自外部向所述燃料供給連通室38供給。
[0095][燃料排出部]
[0096]燃料排出部28包括:燃料排出通孔41，其沿上下方向開孔設置在燃料電池單元3的與燃料供給部27相反的一側的一邊側中央處；燃料排出連通室42，其呈長孔狀，以連通於該燃料排出通孔41的方式開孔設置於燃料電極絕緣框架21 ；燃料排出連通部44，其以使將該燃料排出連通室42和燃料室17之間分隔開的分隔壁43的上表面等間隔地凹陷的方式形成有多個；以及燃料排出流路7，其呈管狀，並能插入所述燃料排出通孔41而將燃料氣體自燃料排出連通室42向外部排出。
[0097]按以下步驟製作燃料電池單元3。
[0098]利用上述方法，準備組裝了間隔件58的集電構件19，其中，該集電構件19的抵接於間隔件58的一側的表面就表面粗糙度而言，其十點平均粗糙度比連接器抵接部193的抵接於互連器13的一側的表面的十點平均粗糙度大，並且其十點平均粗糙度比單元主體抵接部1%的抵接於單元主體20的一側的表面的十點平均粗糙度大。
[0099]在互連器13之上配置燃料電極絕緣框架21和上述的組裝有間隔件58的集電構件19。接著，在燃料電極絕緣框架21之上配置燃料電極框架22。以如下方式配置帶有分隔件23的單元主體20，即，單元主體20插入於燃料電極絕緣框架21和燃料電極框架22的框內開口部，並且，單元主體的燃料電極與集電構件19的單元主體抵接部1%至少局部抵接。也就是說，在互連器13和單元主體20之間配置集電構件19，凹凸196被壓向間隔件58。在不與單元主體20、互連器13以及間隔件58相抵接的部分處測量該凹凸196的表面粗糙度的十點平均粗糙度此時，得到此多4 ^！11。該在不與單元主體20、互連器13以及間隔件58相抵接的部分處的測量是指對上述的連接部的處於間隔件58側的表面(即，與單元主體抵接部1%與間隔件58相抵接的一側相同方向的表面)進行測量。
[0100]之後，在帶有分隔件23的單元主體20之上配置空氣電極絕緣框架24，然後在空氣電極絕緣框架24之上配置互連器12，從而製作燃料電池單元3。
[0101][燃料電池堆]
[0102]燃料電池堆8構成為層疊多個所述燃料電池單元3而成為單元組，並用固定構件9固定該單元組。需要說明的是，在層疊多個燃料電池單元3的情況下，位於下側的燃料電池單元3的上互連器12和被置於其上的燃料電池單元3的下互連器13形成為一體，並且該一枚互連器被上下的燃料電池單元3、3彼此所共有。
[0103]所述固定構件9由一對端板45^4513和四組緊固構件463?46(1組合而成，其中，一對端板453、456上下夾住單元組，四組緊固構件463?46(1通過使螺栓穿過端板453、456的角部孔(未圖示)且穿過單元組的所述角部通孔47，再用螺母將該端板45^4513和單元組緊固。緊固構件463?46(1的材質為例如因科鎳合金601。
[0104]所述空氣供給流路4以沿上下貫穿端板45^4513的通孔(未圖示)和單元組的所述空氣供給通孔29的狀態，安裝於該燃料電池堆8，封閉管狀流路的端部並與每個所述空氣供給連通室30相對應地如圖7所示那樣設置橫孔48，從而藉助該橫孔48向空氣供給連通室30供給空氣。
[0105]同樣地，空氣排出流路5自與每個空氣排出連通室34相對應的橫孔49取入空氣並將取入的空氣向外部排出，燃料供給流路6如圖8所示那樣地自與每個燃料供給連通室38相對應的橫孔50供給燃料氣體，燃料排出流路7自與每個燃料排出連通室42相對應的橫孔51取入燃料氣體並將該取入的燃料氣體向外部排出。
[0106][容器]
[0107]用於容納燃料電池堆8的容器10為耐熱且密閉的結構，如圖1所示，其是將在開口部具有凸緣52^5213的兩個半開體53^536以彼此相面對的方式接合而成的。所述緊固構件463?46(1的螺栓自該容器10的頂部向外部突出，使螺母54螺紋接合於該緊固構件463?46(1的突出部分，從而將燃料電池堆8固定於容器10內。而且，所述空氣供給流路
4、空氣排出流路5、燃料供給流路6以及燃料排出流路7也自容器10的頂部向外部突出，在它們的突出部分連接有空氣、燃料氣體的供給源等。
[0108][輸出構件]
[0109]用於輸出由燃料電池堆8產生的電力的輸出構件11是所述端板45^456和位於燃料電池堆8的角部分處的所述緊固構件463?46山將在對角線上相面對的一對緊固構件4651、46。與作為正極的上端板453電連接，而且，將另外一對緊固構件46146(1與作為負極的下端板456電連接。當然，連接於正極的緊固構件46^46(1以及連接於負極的緊固構件4613、46。藉助絕緣墊圈55(參照圖1)相對於另一極的端板456以及453絕緣，而且，通過在緊固構件463?46(1與角部通孔47之間設置間隙等而使緊固構件463?46(1相對於燃料電池堆8絕緣。由此，固定構件9的緊固構件46^46。也作為連接於上端板453的、正極的輸出端子發揮功能，而且，其他的緊固構件46146(1也作為連接於下端板456的、負極的輸出端子發揮功能。
[0110][發電]
[0111]若向上述燃料電池1的空氣供給流路4供給空氣，則該空氣自圖7中的右側向左側流動，經由由右側的空氣供給流路4、空氣供給連通室30以及空氣供給連通部32構成的空氣供給部25而被供給到空氣室16，然後經過該空氣室16的集電構件18彼此之間的氣體流路56，並且經由由空氣排出連通部36、空氣排出連通室34以及空氣排出流路5構成的空氣排出部26而被排出到外部。
[0112]若同時向燃料電池1的燃料供給流路6供給例如氫作為燃料氣體，則該燃料氣體自圖8中的上側向下側流動，經由由上側的燃料供給流路6、燃料供給連通室38以及燃料供給連通部40構成的燃料供給部27而被供給到燃料室17，然後一邊擴散一邊經過該燃料室17的集電構件19、19……之間、嚴謹地說是單元主體抵接部1%、1%……彼此之間的氣體流路57(參照圖8中的燃料室17內的非陰影部)，並且經由由燃料排出連通部44、燃料排出連通室42以及燃料排出流路7構成的燃料排出部28而被排氣到外部。
[0113]需要說明的是，若此時集電構件19如所述那樣由多孔質金屬、金屬絲網或者金屬絲所形成，則由於氣體流路57的表面變凹凸而使燃料氣體的擴散性得到提高。
[0114]若進行這樣的空氣和燃料氣體的供給、排出，並且使所述容器10內的溫度上升至7001?10001，則藉助空氣電極14、電解質2和燃料電極15而引起空氣與燃料氣體發生反應，因此，產生以空氣電極14為正極、以燃料電極15為負極的直流的電能。需要說明的是，由於在燃料電池單元3內產生電能的原理眾所周知，因此省略對其的說明。
[0115]如所述那樣，空氣電極14藉助集電構件18與上互連器12電連接，另一方面，燃料電極15藉助集電構件19與下互連器13電連接，而且，燃料電池堆8處於將多個燃料電池單元3層疊並串聯連接起來的狀態，因此，上端板453成為正極，下端板456成為負極，能夠藉助作為輸出端子發揮功能的緊固構件463?46(1將該電能輸出到外部。
[0116]如以上所述那樣，燃料電池反覆進行溫度循環，即:在發電時溫度上升、因發電停止而導致溫度下降。因此，構成燃料室17、空氣室16的所有構件以及所述緊固構件463?46(1反覆進行熱膨脹和收縮，伴隨於此，燃料室17、空氣室16的間隔也反覆地擴大和縮小。
[0117]此外，有時燃料壓力、空氣壓力也發生變動，由於該壓力的變動而導致單元主體20變形，由此，燃料室17、空氣室16的間隔也會擴大或者縮小。
[0118]針對這樣的燃料室17、空氣室16在擴大方向上的變化，在實施方式中由於燃料室17側的集電構件19主要藉助間隔件58在與層疊方向(=厚度方向或者緊固構件463?46(1的緊固方向)的彈性的相同的方向上的熱膨脹，來按壓單元主體20，因此能穩定地維持電接觸。
[0119]需要說明的是，該集電構件19對單元主體20的按壓也對空氣室16側產生影響，因此空氣室16的電接觸也能被穩定地維持。
[0120]此外，針對燃料室17、空氣室16在縮小方向上的變化，主要藉助燃料室17側的間隔件58的收縮來緩和施加於單元主體20的應力。
[0121]而且，若燃料電極15側的集電構件19為附或附合金，則在發電時的高溫環境下，單元主體抵接部1%會與燃料電極15中的附擴散接合而成為一體。因此能夠更穩定地維持由集電構件19進行的電連接。
[0122]另外，優選的是，在燃料電極15塗布附0糊劑而形成接合層。由此，通過在％中通電而使附0轉變成附，因此集電構件19和燃料電極15之間的接合性進一步得到提高。也可以通過在燃料電極15塗布糊劑而形成所述接合層。
[0123]此外，在實施方式中將連接器抵接部1如的集合體、即平板190焊接並接合於下互連器13，但是，若使該互連器13和平板190的材質為能夠在發電時的高溫環境下擴散接合的材質的組合(例如，和附)，或者在下互連器13的內表面側形成所述那樣的接合層的話，則能夠將互連器13和集電構件19在發電時的高溫環境下接合而使它們成為一體。
[0124]以上，對本發明的實施方式進行了說明，但本發明當然不限定於上述實施方式。例如，在實施方式中，將利用電解鍍製法形成的附箔(金屬箔)用作集電構件19，從而在集電構件19的外側面形成細微的凹凸196，但也可以以如下方式形成所述凹凸196，即，在利用軋輥等軋制而成的金屬箔的一面進行使氧化鋁顆粒碰撞的公知的噴砂加工或者蝕刻加工。
[0125]附圖標記說明
[0126]1、燃料電池；2、電解質；3、燃料電池單元；8、燃料電池堆；12、13、互連器；14、空氣電極；15、燃料電極；18、19、集電構件；193、連接器抵接部；1%、單元主體抵接部「9(3、連接部；196、凹凸；1葉、切片部；20、單元主體；463?46(1、緊固構件；58、間隔件；61、表面；62、背面；190、金屬平板。
【權利要求】
1.一種燃料電池單元，該燃料電池單元包括: 一對互連器； 單元主體，其位於所述互連器之間，並在電解質的一側的表面上形成有空氣電極，在電解質的另一側的表面上形成有燃料電極；以及 集電構件，其配置於所述空氣電極和所述燃料電極中的至少一者與所述互連器之間，並將所述空氣電極和/或所述燃料電極與所述互連器電連接，該燃料電池單元的特徵在於， 所述集電構件由連接器抵接部、單元主體抵接部以及連接部連續地形成，該連接器抵接部抵接於所述互連器，該單元主體抵接部抵接於所述單元主體，該連接部將所述連接器抵接部和所述單元主體抵接部連接起來並被彎曲成大致180度，並且，所述集電構件在連接部被彎曲後的狀態下在朝向內側的內側面形成有表面粗糙度的十點平均粗糙度Rz彡4μπι的凹凸， 而且，在所述單元主體和所述互連器之間，且是在彼此相對的所述連接器抵接部和所述單元主體抵接部之間配置有間隔件。
2.根據權利要求1所述的燃料電池單元，其特徵在於， 所述集電構件是由利用電解鍍製法形成的金屬箔所形成的。
3.根據權利要求1或2所述的燃料電池單元，其特徵在於， 所述集電構件的厚度為15μηι?100 μm。
4.根據權利要求1或3所述的燃料電池單元，其特徵在於， 所述集電構件是由的金屬箔所形成的，該金屬箔的所述內側面被實施了噴砂加工或者蝕刻加工。
5.一種燃料電池堆，其特徵在於， 該燃料電池堆是通過將多個權利要求1?4中任意一項所述的燃料電池單元層疊起來，並利用緊固構件進行固定而成的。
6.一種燃料電池單元的製造方法，該燃料電池單元的製造方法所製造的燃料電池單元包括: 一對互連器； 單元主體，其在電解質的一側的表面上形成有空氣電極，並在電解質的另一側的表面形成有燃料電極； 集電構件，其由具有表面和背面的金屬平板構成；以及 間隔件， 該燃料電池單元的製造方法的特徵在於，包括以下工序: 在所述一對互連器之間配置所述單元主體； 準備由所述金屬平板構成的集電構件，所述金屬平板所具有的所述背面的表面粗糙度的十點平均粗糙度比所述表面的表面粗糙度的十點平均粗糙度大； 將所述金屬平板和間隔件組裝起來，而準備組裝有所述間隔件的所述集電構件；以及在所述互連器與該單元主體的所述空氣電極和所述燃料電極中的至少一者之間配置組裝有所述間隔件的所述集電構件， 在將所述金屬平板和間隔件組裝起來，而準備組裝有所述間隔件的所述集電構件的工序中， 使所述金屬平板的所述背面與所述間隔件相接觸地進行組裝。
7.根據權利要求6所述的燃料電池單元的製造方法，其特徵在於， 該燃料電池單元的製造方法包括以下工序: 在所述金屬平板上刻入預切線而形成切片部，並使所述切片部相對於所述金屬平板彎曲立起；以及 在所述金屬平板之上配置間隔件，用所述切片部和該金屬平板夾住所述間隔件，而形成集電構件。
8.根據權利要求6所述的燃料電池單元的製造方法，其特徵在於， 該燃料電池單元製造方法包括以下工序: 在所述金屬平板上刻入預切線而形成的切片部，並以將所述切片部的一部分彎曲成字母U形形狀而使所述切片部蓋到所述金屬平板的方式形成集電構件；以及在所述金屬平板和所述切片部之間配置所述間隔件。
9.根據權利要求6至8中任意一項所述的燃料電池單元的製造方法，其特徵在於， 所述金屬平板的所述背面的表面粗糙度的十點平均粗糙度Rz多4 μπι。
【文檔編號】H01M8/12GK104508882SQ201380040043
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2013年7月25日 優先權日:2012年7月27日
【發明者】堀田信行, 谷村良二, 水野敦史, 森川哲也 申請人:日本特殊陶業株式會社