CN101283469A - 燃料电池及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种燃料电池(100)，其特征在于包括：发电器(10)，其具有电解质(5)、设置在电解质(5)的一个表面上的第一电极(4)以及设置在电解质的另一个表面上的第二电极(6)；导电框架(3)，其具有与第一电极(4)的电势基本相同的电势，并且支撑发电器(10)；集电器(7)，其设置在第二电极(6)的与电解质(5)相反的一侧上；以及绝缘构件(9)，其设置在集电器(7)和导电框架(3)之间。在此燃料电池(100)中，防止了集电器(7)和导电框架(3)彼此接触，从而防止了第一电极(4)和第二电极(6)之间的短路。
Description
技术领域
本发明一般地涉及燃料电池以及制造燃料电池的方法。
背景技术
一般来说，燃料电池是由燃料(氢和氧)获得电力的装置。因为燃料电池具有环境优异性并且可以实现高的能量效率，所以燃料电池正被广泛开发作为能量供应装置。参考专利文件1，燃料电池例如具有其中电极将电解质夹持在其间的发电器。并且，燃料电池具有用于收集在发电器中的产生的电力的集电器。
专利文件1：日本专利申请公布No.2004-146337
发明内容
<本发明要解决的问题>
在上述结构中，为了减小发电器的厚度，用于增强发电器的框架是必要的。当框架是导电的，框架与任一电极接触，并且框架的电势与电极的电势基本相同时，多个电极可能彼此电导通。
本发明的目的是提供一种防止了电极之间的电短路的燃料电池以及该燃料电池的制造方法。
<解决该问题的技术手段>
根据本发明的燃料电池的特征在于包括发电器，导电框架，集电器以及绝缘构件。发电器具有电解质、设置在所述电解质的一个表面上的第一电极以及设置在所述电解质的另一个表面上的第二电极。导电框架具有与所述第一电极的电势基本相同的电势，并且增强所述发电器。集电器设置在所述第二电极的与所述电解质相反的一侧上。绝缘构件设置在所述集电器和所述导电框架之间。在根据本发明的燃料电池中，因为绝缘构件设置在集电器和导电框架之间，所以防止了集电器与导电框架接触。并且，防止了第一电极和第二电极之间的电短路。因此，可以抑制根据本发明的燃料电池的发电损耗。
所述绝缘构件可以设置在所述第二电极和所述导电框架之间。在此情况下，防止了第二电极和集电器与导电框架接触。因此，可以防止第一电极与第二电极电导通。所述导电框架可以具有凹部和基体部。所述发电器可以设置在所述凹部中。
所述凹部的厚度与所述发电器的厚度的总和可以小于所述基体部的厚度。在此情况下，第二电极的上表面的位置低于基体部的上表面。并且，绝缘构件固定集电器的下部的侧面。因此，防止了集电器位移。由此，可以防止集电极和框架之间的接触。
所述第一电极可以是阳极。所述阳极可以由透氢金属构成。所述电解质可以具有质子传导性。在此情况下，导电框架增强透氢膜和电解质。因此，可以减小透氢膜和电解质的厚度。并且，可以减小根据本发明的燃料电池的制造成本。
根据本发明的制造燃料电池的方法的特征在于包括如下步骤：在导电框架上设置第一电极和电解质；将绝缘构件布置在所述电解质的上表面的周边区域上；以及在所述电解质上设置第二电极和集电器。利用根据本发明的制造方法，第一电极和电解质被设置在导电框架上，绝缘构件被布置在所述电解质的上表面的周边区域上，第二电极和集电器被设置在所述电解质上。在此情况下，绝缘构件防止导电框架与集电器和第二电极接触。因此，防止了第一电极与第二电极电导通。因此，抑制了燃料电池的发电损耗。并且，因为在设置第一电极和电解质之后布置绝缘构件，所以不必将导电框架接合到绝缘构件。以此，可以缩短工艺。
根据本发明的另一种制造燃料电池的方法的特征在于包括如下步骤：在导电框架上设置第一电极；将绝缘构件布置在所述第一电极的上表面的周边区域上；以及在所述第一电极上依次设置电解质、第二电极和集电器。利用该制造方法，第一电极被设置在导电框架上。绝缘构件被布置在所述第一电极的上表面的周边区域上。电解质、第二电极和集电器被依次设置在所述第一电极上。在此情况下，绝缘构件防止导电框架与电解质、集电器和第二电极接触。防止了第一电极与第二电极电导通。因此，抑制了燃料电池的发电损耗。并且，因为在设置第一电极和电解质之后布置绝缘构件，所以不必将导电框架接合到绝缘构件。以此，可以缩短工艺。所述第一电极可以是阳极。所述阳极可由透氢金属构成。所述电解质可以具有质子传导性。
<本发明的效果>
根据本发明，防止了集电器与导电框架接触。因此，防止了第一电极与第二电极电导通。因此，抑制了根据本发明的燃料电池的发电损耗。
附图说明
图1示出了根据本发明的第一实施例的燃料电池；
图2示出了燃料电池的制造方法的流程图；
图3示出了燃料电池的另一种制造方法；
图4示出了根据本发明第二实施例的燃料电池的示意性剖视图；以及
图5示出了根据本发明第三实施例的燃料电池的示意性剖视图。
具体实施方式
下面将描述用于实现本发明的具体实施方式。
<第一实施例>
图1示出了根据本发明的第一实施例的燃料电池100。图1的(a)示出了燃料电池100的示意性剖视图。图1的(b)示出了绝缘构件9的俯视图。在第一实施例中，透氢膜燃料电池被用作燃料电池。在此，透氢膜燃料电池具有透氢膜。透氢膜由具有透氢性的金属构成。透氢膜燃料电池具有其中具有质子传导性的固体电解质被沉积在透氢膜上的结构。提供到阳极的一部分氢通过催化剂反应被转化为质子。质子在具有质子传导性的电解质中被传导，与提供到阴极的氧反应，并转化成水。由此产生电力。下面将描述燃料电池100的结构。
如图1的(a)所示，燃料电池100具有分离器1和8，集电器2和7，框架3，发电器10和绝缘构件9。发电器10具有透氢膜4、电解质5以及阴极6。分离器1由诸如不锈钢的导电材料构成。一凸出部被形成在分离器1的上表面的周边区域处。集电器2例如由诸如SUS430多孔材料、Ni多孔材料、Pt涂层Al2O3多孔材料或者Pt网之类的导电材料构成。集电器2被层叠在分离器1的中心区域上。
框架3由诸如不锈钢的导电材料构成，并且增强透氢膜4和电解质5。框架3通过分离器1的凸出部和集电器2形成在分离器1上。框架3被接合到分离器1。在框架3的上表面的中心区域处形成凹入。透氢膜4和电解质5被置于该凹入中。该凹入此后被称为凹部31。框架3的除凹部31之外的部分被称为基体部32。多个孔被形成在凹部31中。
透氢膜4充当燃料气体被提供到其的阳极，并且由透氢金属构成。构成透氢膜4的金属诸如是钯、钒、钛、钽等。因为透氢膜4被形成在凹部31上，所以框架3的电势与透氢膜4的电势基本相同。在此，“基本相同的电势”表示其中不考虑接触电阻的情形。因此，即使由于接触电阻而在框架3和透氢膜4之间产生电势差，框架3的电势也与透氢膜4的电势基本相同。电解质5被层叠在透氢膜4上。电解质5例如由诸如钙钛矿型质子导体(BaCeO3等)、固体酸质子导体(CsHSO4等)之类的质子导体构成。
绝缘构件9由诸如氧化铝或者氧化锆之类的陶瓷构成，并且被形成在从电解质5的上表面的周边区域到基体部32的上表面的区域中。因此，绝缘构件9具有包围发电器10的上表面的周边区域的形状，如图1的(b)所示。例如，绝缘构件9的在基体部32上的部分具有约0.5mm的宽度和0.2mm的厚度。绝缘构件9的在电解质5上的部分具有1.0mm的宽度。并且，阴极6例如由诸如钴酸镧、锰酸镧、银、铂、或者担载铂的碳之类的导电材料构成，并且被层叠在电解质5上。
集电器7由与集电器2相同的材料构成，并且被层叠在阴极6上。集电器7的厚度为约0.5mm到0.8mm。分离器8由诸如不锈钢的导电材料构成，并层叠在集电器7上。凸出部被形成在分离器8的下表面的周边区域处。分离器8通过分离器8的凸出部接合到框架3。分离器8和框架3之间的接合面经过绝缘处理。因此，分离器8与框架3电绝缘。在一个实际的燃料电池中，层叠多个根据本实施例的燃料电池100。
下面将描述燃料电池100的操作。包括氢在内的燃料气体被提供到分离器1的气体通道。该燃料气体经由集电器2和凹部31的通孔22被提供到透氢膜4。燃料气体中的一部分氢在透氢膜4处被转化为质子。质子在电解质5中被传导，到达阴极6。
另一方面，包括氧在内的氧化剂气体被提供到分离器8的气体通道。该氧化剂气体经由集电器7提供到阴极6。质子与提供到阴极6的氧化剂气体中的氧反应。由此产生水和电力。所产生的电力经由集电器2和7以及分离器1和8收集。
在此实施例中，因为绝缘构件9被设置在阴极6和框架3之间以及集电器7和框架3之间，所以防止了阴极6和集电器7与框架3电导通。因此，防止了透氢膜4和阴极6之间的电短路。并且，因为绝缘构件9延伸到基体部32的上表面，所以即使集电器7发生移动，也防止了集电器7与框架3接触。因此，可以抑制燃料电池100的发电损耗。此外，即使阴极6和集电器7被形成在电解质5的上表面的整个面积上，也防止了阴极6与框架3电导通。因此，可以最大程度地增大发电效率而不会在透氢膜4和阴极6之间发生电短路。
当将绝缘层设置在框架3上时，可以防止上述电短路，但是，在此情况下，可能发生诸如在框架3处发生分离的问题。在本实施例中，可以利用其中将绝缘构件9设置在电解质5上的简单结构防止了电短路。因此，不存在在框架3处发生的分离。绝缘构件9可以被设置在从透氢膜4的上表面的周边区域到基体部32的上表面的区域中。在此情况下，电解质5可以不充当绝缘构件。并且，可以防止阴极6和框架3之间以及集电器7和框架3之间的接触。
绝缘构件9可以被设置在从透氢膜4或电解质5的上表面的周边区域到基体部32上的整个区域的区域中。在此情况下，可以防止阴极6和框架3之间以及集电器7和框架3之间的电短路。如果绝缘构件9被设置在阴极6和框架3之间以及集电器7和框架3之间，则绝缘构件9可以具有任何形状。虽然在本实施例中绝缘构件9具有矩形框形形状，但是绝缘构件9可以具有任何与发电器10的形状相应的形状。
优选地，基体部32的厚度大于凹部31的厚度和发电器10的厚度的总和。就是说，优选地，阴极6的上表面的位置低于基体部32的上表面的位置。在此情况下，绝缘构件9固定集电器7的下部的侧面。因此，防止了集电器7的位移。结果，可以防止集电器7和框架3之间的接触。并且，因为框架3增强透氢膜4和电解质5，所以可以减小透氢膜4和电解质5的厚度。因此，可以减小根据本实施例的燃料电池100的制造成本。
下面将描述燃料电池100的制造方法。图2示出了燃料电池100的制造方法的流程图。如图2的(a)所示，透氢膜4被设置在框架3的凹部31上。接着，如图2的(b)所示，集电器2被设置在分离器1上，并且分离器1被接合到框架3。
然后，如图2的(c)所示，电解质5被形成在透氢膜4上。接着，如图2的(d)所示，预先形成好的绝缘构件9被置于凹部31中。就是说，绝缘构件9被布置在电解质5的上表面的周边区域上。然后，如图2的(e)所示，阴极6和集电器7被设置在电解质5上。接着，如图2的(f)所示，分离器8被设置在框架3上和集电器7上，并且框架3被接合到分离器8。利用上述工艺，制造了燃料电池100。
利用根据本实施例的燃料电池100的制造方法，可以通过简单地将预先形成好的绝缘构件置于框架3的凹部31中，来防止电短路。因为在透氢膜4和电解质5被设置在凹部31中之后将绝缘构件9置于凹部31中，所以不必将框架3接合到绝缘构件9。因此，可以缩短工艺过程。
因为不必将框架3接合到绝缘构件9，所以防止了诸如在金属和陶瓷之间的接合缺陷之类的问题的发生。即使框架3被接合到绝缘构件9，也可以减小接合强度。因此，本发明具有成本优势。绝缘构件9可以在形成电解质5之前置于凹部31中。在此情况下，如图3的(a)和(b)所示，可以更有效地防止阴极6和框架3之间的接触。在第一实施例中，透氢膜4对应于第一电极；阴极6对应于第二电极；框架3对应于导电框架。
<第二实施例>
下面描述根据本发明第二实施例的燃料电池100a。图4示出了燃料电池100a的示意性剖视图。在燃料电池100a中，设置绝缘构件9a来代替绝缘构件9。在其它方面，燃料电池100a的结构与燃料电池100的结构相同。与第一实施例中所示的相同的部件具有相同的标号，以避免重复说明。
绝缘构件9a由诸如陶瓷的绝缘材料构成，并且被设置在从电解质5的上表面的周边区域到基体部32上方的位置的区域中。因此，绝缘构件9a具有包围电解质5的上表面的周边区域的形状。例如，绝缘构件9a具有约1.0mm的厚度。
在此实施例中，因为绝缘构件9a被设置在阴极6和框架3之间以及集电器7和框架3之间，所以防止了透氢膜4与阴极6电导通。并且，因为绝缘构件9a延伸到基体部32的上表面的上方，所以绝缘构件9a固定集电器7。因此，可以防止集电器7与框架3之间的接触。因此，可以抑制燃料电池100的发电损耗。不必如同第一实施例中的情形那样将绝缘构件9a形成在基体部32的上表面上。
绝缘构件9a可以被设置在从透氢膜4的周边区域到基体部32上方的位置的区域中。在此情况下，可以防止阴极6和框架3之间以及集电器7和框架3之间的电短路。类似于第一实施例，优选地，基体部32的厚度大于凹部31的厚度和发电器10的厚度的总和。
<第三实施例>
下面描述根据本发明第三实施例的燃料电池100b。在本实施例中，固体氧化物燃料电池被用作燃料电池。图5示出了燃料电池100b的示意性剖视图。在燃料电池100b中，设置阳极4a来代替透氢膜4，设置电解质5a来代替电解质5，设置阴极6a来代替阴极6。在其它方面，燃料电池100b的结构与图1的(a)和(b)所示的燃料电池100的结构相同。与第一实施例中所示的相同的部件具有相同的标号，以避免重复说明。
阳极4a是由诸如镍金属陶瓷构成的电极。电解质5a是由诸如LaGaO3基氧化物的质子传导材料构成的电解质。阴极6a是由诸如La0.6Sr0.5CoO3构成的电极。
在此实施例中，因为绝缘构件9被设置在阴极6a和框架3之间以及集电器7和框架3之间，所以防止了阳极4a与阴极6a电导通。因此，可以抑制燃料电池100b的发电损耗。绝缘构件9可以被设置在从阳极4a的上表面的周边区域到基体部32上方的位置的区域中。优选地，类似于第一实施例，基体部32的厚度大于凹部31的厚度和发电器10的厚度的总和。
在上述实施例中，发电器设置在框架的凹部中。但是，本发明不限于该结构。例如，发电器可以被设置在平面框架中。在此情况下，当绝缘构件被形成为包围框架上的发电器时，获得本发明的效果。根据第二实施例的绝缘构件9a可以应用于第一实施例和第三实施例。根据第一实施例的绝缘构件9可以应用于第二实施例。
虽然在上述实施例中，透氢膜燃料电池和固体氧化物燃料电池被用作燃料电池，但是本发明可以应用于具有增强电解质的导电框架的其它燃料电池。例如，可能不能将聚合物构件用作在高于300℃的中温范围中工作的燃料电池中的框架。在此情况下，因为诸如不锈钢的金属被用作框架，所以本发明特别有效。
在第三实施例中，阳极4a对应于第一电极，阴极6a对应于第二电极。
虽然在上述实施例中，框架的电势与透氢膜的电势基本相同并且绝缘构件将框架与阴极上的集电器绝缘，但是，框架的电势也可以与阴极的电势基本相同，并且绝缘构件可以将框架与透氢膜上的集电器绝缘。
Claims (10)
1.一种燃料电池，其特征在于包括：
发电器，其具有电解质、设置在所述电解质的一个表面上的第一电极以及设置在所述电解质的另一个表面上的第二电极；
导电框架，其具有与所述第一电极的电势基本相同的电势，并且增强所述发电器；
集电器，其设置在所述第二电极的与所述电解质相反的一侧上；以及
绝缘构件，其设置在所述集电器和所述导电框架之间。
2.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于所述绝缘构件设置在所述第二电极和所述导电框架之间。
3.如权利要求1或2所述的燃料电池，其特征在于：
所述导电框架具有凹部和基体部；并且
所述发电器设置在所述凹部中。
4.如权利要求3所述的燃料电池，其特征在于所述凹部的厚度与所述发电器的厚度的总和小于所述基体部的厚度。
5.如权利要求1至4中任一项所述的燃料电池，其特征在于所述第一电极是阳极。
6.如权利要求5所述的燃料电池，其特征在于：
所述阳极由透氢金属构成；并且
所述电解质具有质子传导性。
7.一种制造燃料电池的方法，其特征在于包括如下步骤：
在导电框架上设置第一电极和电解质；
将绝缘构件布置在所述电解质的上表面的周边区域上；以及
在所述电解质上设置第二电极和集电器。
8.一种制造燃料电池的方法，其特征在于包括如下步骤：
在导电框架上设置第一电极；
将绝缘构件布置在所述第一电极的上表面的周边区域上；以及
在所述第一电极上依次设置电解质、第二电极和集电器。
9.如权利要求7或8所述的方法，其特征在于所述第一电极是阳极。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于：
所述阳极由透氢金属构成；并且
所述电解质具有质子传导性。
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