CN104969393B - 燃料电池单元和燃料电池堆 - Google Patents

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Abstract

本发明提供即使长期使用也能够维持良好的电连接性的燃料电池单元和燃料电池堆。一种燃料电池单元(3)，包括：一对互连器(以下称为连接器)(12、13)；单体电池(20)，其位于一对互连器之间，且在电解质层(2)的两表面形成有电极层(14、15)；以及集电构件(18、19)，其配置于电极层(14、15)与连接器(12、13)之间，将该电极层(14、15)与连接器(12，13)电连接，其特征在于，与至少一侧的电极层(15)的相对应的集电构件(19)具有：连接器抵接部(19a)，其与连接器(13)相抵接；电池抵接部(19b)，其与电极层(15)相抵接；连接部(19c)，其连接连接器抵接部(19a)和电池抵接部(19b)，以及间隔件(58)，其配置于两抵接部(19a、19b)之间，间隔件(58)的与连接部(19c)相反的一侧的端部比电池抵接部(19b)的与连接部(19c)相反的一侧的端部或连接器抵接部(19a)的与连接部(19c)相反的一侧的端部中的至少一方的端部突出。

Description

燃料电池单元和燃料电池堆
相关申请的相互参照
本国际申请基于2013年1月31日向日本特许厅申请的日本特许申请第2013－016488主张优先权，将日本特许申请第2013－016488的全部内容引用到本国际申请中。
技术领域
本发明涉及包括在电解质层的上下表面分别形成有电极层的单体电池，向一侧的电极层(以下称为燃料电极层。)侧供给燃料气体并且向另一侧的电极层(以下称为空气电极层。)侧供给氧化剂气体而进行发电的燃料电池单元和将多个该燃料电池单元层叠并固定而成的燃料电池堆。
背景技术
以往，例如，如专利文献1所记载的那样，存在一种燃料电池单元，该燃料电池单元包括有：一对互连器；单体电池，其位于该互连器之间且在电解质层的一侧的表面形成有空气电极层，在另一侧的表面形成有燃料电极层；和集电构件，其配置于空气电极层与互连器之间从而将空气电极层和互连器电连接，或配置于燃料电极层与互连器之间从而将燃料电极层和互连器电连接。
该燃料电池单元的集电构件成为从平板状的集电板上将爪状的导电构件切割并竖起而成的构造，通过将集电板的平坦面与互连器接合并且使导电构件的顶端与单体电池相接触从而进行电连接。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2009－266533号公报
发明内容
发明要解决的问题
如以往技术所示，利用导电构件的弹性与单体电池接触的集电构件有时因以下原因而无法获得预定的弹力：在长期的使用中产生塑性变形，因发电时的高热而导致导电构件的强度下降，另外导电构件受到蠕变变形的影响等。而且，在以上这样的情况下，可能导致导电构件无法跟随因温度循环、燃料压/空气压的变动等而产生的单体电池的变形而变形从而使接触变得不可靠或空气电极层和互连器之间的电连接不可靠、燃料电极层和互连器之间的电连接不可靠。
另外，在上述的导电构件的弹力下降原因多个同时存在时，有时会使应该与该导电构件的单体电池接触的部分反而与互连器侧相接触，但本来从兼顾到平坦面与互连器接合的方面考虑，而使集电构件由与互连器的接合性优异的材料形成，因此，在发电时的高温环境下，导电构件有时会像上述那样在与互连器侧接触时因烧结而接合于内部连结器侧。于是，该导电构件与互连器成为一体，因而可能导致难以与单体电池接触，而可能使空气电极层和互连器之间的电连接变得不可靠或燃料电极层和互连器之间的电连接变得不可靠。
本发明即是鉴于上述的情况而做成的，其目的在于提供即使长期使用也能够维持良好的电连接性的燃料电池单元和燃料电池堆。
用于解决问题的方案
为了达成上述的目的，本发明提供一种燃料电池单元，包括：
一对互连器；
单体电池，其位于该互连器之间，在电解质层的上下表面分别形成有电极层；以及
集电构件，其配置于上述电极层与上述互连器之间，将该电极层与上述互连器电连接，其特征在于，
与至少一侧的电极层相对应的上述集电构件具有：
连接器抵接部，其与上述互连器相抵接；
电池抵接部，其与上述单体电池的上述电极层相抵接；
连接部，其连接上述连接器抵接部和上述电池抵接部；以及
间隔件，其配置于上述连接器抵接部与上述电池抵接部之间，
上述间隔件的与上述连接部相反的一侧的端部比上述电池抵接部的与上述连接部相反的一侧的端部和上述连接器抵接部的与上述连接部相反的一侧的端部中的至少一方的端部突出。
另外，优选的是，在上述燃料电池单元中，上述电解质层为板状。
为了上述目的，如技术方案所述，本发明提供一种燃料电池单元，包括：
一对互连器；
单体电池，其位于该互连器之间，在板状的电解质层的上下表面分别形成有电极层；以及
集电构件，其配置于上述电极层与上述互连器之间，将该电极层与上述互连器电连接，其特征在于，
与至少一侧的电极层相对应的上述集电构件具有：
连接器抵接部，其与上述互连器相抵接；
电池抵接部，其与上述单体电池的上述电极层相抵接；
连接部，其连接上述连接器抵接部和上述电池抵接部；以及
间隔件，其配置于上述连接器抵接部与上述电池抵接部之间，
上述间隔件的与上述连接部相反的一侧的端部比上述电池抵接部的与上述连接部相反的一侧的端部或上述连接器抵接部的与上述连接部相反的一侧的端部中的至少一方的端部突出。
另外，提供一种上述技术方案所记载的燃料电池单元，如技术方案所述，上述间隔件的与上述连接部相反的一侧的端部比上述电池抵接部的与上述连接部相反的一侧的端部和上述连接器抵接部的与上述连接部相反的一侧的端部的双方都突出。
另外，提供一种上述技术方案中的任一项所记载的燃料电池单元，如技术方案所述，与上述一侧的电极层相对应的上述集电构件的相反侧的集电构件的至少一部分俯视时在上述间隔件与上述电池抵接部相抵接且该间隔件与上述连接器抵接部相抵接的区域内抵接于上述一侧的电极层的相反侧的电极层。
另外，提供一种上述技术方案中的任一项所记载的燃料电池单元，如技术方案所述，俯视时，上述电池抵接部与上述电极层相抵接的区域全部被包含于上述间隔件的区域。
另外，提供一种上述技术方案中的任一项所记载的燃料电池单元，如技术方案所述，上述间隔件为云母、氧化铝毡、蛭石、碳纤维、碳化硅纤维、二氧化硅中的至少任一种。
另外，提供一种上述技术方案中的任一项所记载的燃料电池单元，如技术方案所述，该燃料电池单元还具有紧固构件，该紧固构件将上述互连器、上述单体电池、上述集电构件层叠并一体地紧固，利用上述紧固构件和上述间隔件以上述集电构件的上述电池抵接部与上述单体电池相抵接且上述连接器抵接部与上述互连器相抵接的方式进行按压。
另外，提供一种上述技术方案中的任一项所记载的燃料电池单元，如技术方案所述，上述间隔件在紧固方向上的热膨胀率高于上述紧固构件在紧固方向上的热膨胀率。
另外，提供一种上述技术方案中的任一项所记载的燃料电池单元，如技术方案所述，上述集电构件为多孔质金属、金属丝网、金属丝或冲孔金属制。
另外，提供一种上述技术方案中的任一项所记载的燃料电池单元，如技术方案所述，上述集电构件的上述电池抵接部接合于上述单体电池的上述电极层的表面。
另外，提供一种上述技术方案中的任一项所记载的燃料电池单元，如技术方案所述，上述集电构件的上述连接器抵接部接合于上述互连器。
另外，提供一种上述技术方案中的任一项所记载的燃料电池单元，如技术方案所述，上述集电构件配置于与燃料气体相对应的上述电极层与上述互连器之间，且上述集电构件为Ni或Ni合金制。
另外，提供一种燃料电池堆，如技术方案所述，该燃料电池堆通过层叠多个上述技术方案中任一项所述的燃料电池单元并利用上述紧固构件固定而成。
发明的效果
采用上述技术方案所记载的燃料电池单元，由于能够利用间隔件抑制连接器抵接部和电池抵接部向与接触方向相反的方向变形，因而不易产生塑性变形，另外，也不易受到因发电时的高热而导致强度降低的影响或蠕变变形的影响。另外，由于间隔件进入集电构件的连接器抵接部与电池抵接部之间从而阻碍两者的接触，因此不会导致由于发电时的高热而使连接器抵接部与电池抵接部因烧结而接合。因而，能够防止连接器抵接部和电池抵接部的一体化以及由此产生的电连接不稳定化。
另外，本发明的燃料电池单元的间隔件的端部比电池抵接部的与连接部相反的一侧的端部和连接器抵接部的与连接部相反的一侧的端部中的至少一方的端部突出，因此，至少对于相对应的一方的抵接部，能够到其端部为止有效地施加压接。由此，能够确保较大的电连接面积，因而即使长期使用也能够维持良好的电连接性。
另外，采用技术方案所记载的燃料电池单元，由于电池抵接部和连接器抵接部的双方都未比间隔件突出，因此，电池抵接部的端部和连接器抵接部的端部的变形较少，且不会以卷起的方式变形。因此，能够有效地防止电池抵接部和连接器抵接部的烧结。
另外，采用技术方案所记载的燃料电池单元，由于间隔件与电池抵接部的抵接部分、间隔件与连接器抵接部的抵接部分、与相反侧的电极层相对应的集电构件与该电极层的抵接部分在一条直线上排列，因此，使可能成为单体电池的破损原因的有害的表面方向上的弯矩几乎不发生作用而有效地在各抵接部分作用压接。
另外，采用技术方案所记载的燃料电池单元，由于间隔件与电池抵接部和电极层相抵接的区域的整体相对应，因此，能够在该区域的整体上施加适当的压接。
另外，间隔件由技术方案所记载的材质形成，由此即使在发电时的高温环境下，也能够对集电构件连续施加适当的压接。
另外，采用技术方案所记载的燃料电池单元，通过将互连器、单体电池、集电构件层叠并利用紧固构件紧固，间隔件成为芯部，而使集电构件的电池抵接部与电极层可靠地相抵接或使连接器抵接部与互连器可靠地相抵接，因此，集电构件的电连接稳定。
另外，采用技术方案所记载的燃料电池单元，由于间隔件的热膨胀率高于紧固构件，因此，即使因发电时的热而使紧固构件热膨胀，导致其成为将互连器、单体电池、集电构件紧固的紧固力下降的原因，由于间隔件会以比紧固力下降的程度大的程度地进行热膨胀，因此，能够维持相对于集电构件的按压作用。
另外，如技术方案所记载的那样，若将集电构件由多孔质金属、金属丝网、金属丝或冲孔金属形成，则相比于由单纯的板材形成的情况，能够提高燃料气体、氧化剂气体的扩散性。
另外，如技术方案所记载的那样，在将电池抵接部接合于单体电池的电极层的表面的情况下，对于因温度循环、燃料压/空气压的变动等而导致的单体电池的变形，电池抵接部与单体电池跟随于此而成为一体，因此能够获得稳定的电连接。
另外，如技术方案所记载的那样，若将集电构件的连接器抵接部接合于互连器，则即使因温度循环、燃料压/空气压的变动等而使单体电池产生变形，连接器抵接部和互连器的电连接也能够稳定地维持。
另外，如技术方案所记载的那样，若将集电构件配置于上述燃料电极层与互连器之间且由Ni或Ni合金形成上述集电构件，则仅通过在组装了燃料电池单元后进行加热就能够将集电构件的电池抵接部、连接器抵接部与燃料电极层、互连器接合。
即，Ni或Ni合金在材质方面与燃料电极层，互连器的接合性优异，而且集电构件的电池抵接部、连接器抵接部通过间隔件的按压而可靠地接触于单体电池、互连器，因此，若在组装完成后加热，则电池抵接部与单体电池的燃料电极层中的Ni扩散接合从而成为一体，或者连接器抵接部与互连器扩散接合从而成为一体。这样，当电池抵接部、连接器抵接部分别与单体电池、互连器接合而成为一体时，电池主体与互连器的电连接稳定。
另外，由于燃料电池的发电时的温度达到700℃左右～1000℃，因此能够利用发电时的热将电池抵接部、连接器抵接部与燃料电极层、互连器接合。因而，能够省略用于加热的工序而节约能源。
另外，技术方案所记载的燃料电池堆通过层叠多个上述技术方案中的任一项所记载的燃料电池单元并利用紧固构件固定而成，因此，即使长期的使用也能够维持良好的电连接性。
附图说明
图1是燃料电池的立体图。
图2是燃料电池单元的立体图。
图3是燃料电池单元的分解立体图。
图4是将分解部分集中而成的燃料电池单元的分解立体图。
图5是省略了燃料电池单元的中间的纵剖视图。
图6是与图5垂直的方向的纵剖视图。
图7是图5的A－A线剖视图。
图8是图5的B－B线剖视图。
图9是集电构件的立体图。
图10的(a)是间隔件的立体图，图10的(b)是集电构件的安装间隔件前的立体图。
图11是表示图10的(b)的变形例的集电构件的立体图。
图12是其他的实施方式所涉及的燃料电池单元的省略了中间的纵剖视图。
图13是其他的实施方式所涉及的燃料电池单元的纵剖视图。
具体实施方式
目前，燃料电池根据电解质的材质大致划分为以高分子电解质膜为电解质的固体高分子燃料电池(PEFC)、以磷酸为电解质的磷酸燃料电池(PAFC)、以Li-Na/K系碳酸盐为电解质的熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、以例如ZrO2系陶瓷为电解质的固体氧化物燃料电池(SOFC)这四种类型的燃料电池。各类型的工作温度(能够使离子在电解质中移动的温度)不同，在当前，PEFC的工作温度为常温～大约90℃，PAFC的工作温度大约为150℃～200℃，MCFC的工作温度大约为650℃～700℃，SOFC的工作温度大约为700℃～1000℃。
如图1所示，实施方式的燃料电池1为以例如ZrO2系陶瓷为电解质层2的SOFC。该燃料电池1大致包括：燃料电池单元3，其为发电的最小单位；空气供给流路4，其向该燃料电池单元3供给空气；空气排出流路5，其将该空气向外部排出；燃料供给流路6，其同样向燃料电池单元3供给燃料气体；燃料排出流路7，其将该燃料气体向外部排出；固定构件9，将该燃料电池单元3多组层叠而构成电池组，该固定构件9用于将该电池组固定从而构成燃料电池堆8；容器10，其收纳燃料电池堆8；以及输出构件11，其用于输出由燃料电池堆8发电产生的电。
燃料电池单元
如图3、图4的分解立体图所示，燃料电池单元3俯视呈正方形，层叠有：上方的互连器12，其为四边形的板形态，由具有导电性的铁素体不锈钢等形成(※此处的“上方”和“下方”以附图的记载为基准，但这仅是为了方便说明而不表示绝对的上下。以下相同。)；下方的互连器13，其同样为四边形的板形态，由具有导电性的铁素体不锈钢等形成；单体电池20，其分别与上方的互连器12和下方的互连器13分开间隔并位于上下的互连器12、13之间的大致中间的位置，并且在电解质层2的与上方的互连器12的内表面(下表面)相对的表面上形成电极层(以下称为“空气电极层”。)14，并且在电解质层2的与下方的互连器13的内表面(上表面)相对的表面上形成另一个电极层(以下称为“燃料电极层”。)15；空气室16，其形成于上方的互连器12与空气电极层14之间；燃料室17，其形成于下方的互连器13与燃料电极层15之间；空气电极层14侧的集电构件18，其配置于空气室16的内部，且用于将空气电极层14与上方的互连器12电连接；以及燃料电极层15侧的集电构件19，其配置于上述燃料室17的内部，且用于将燃料电极层15与下方的互连器13电连接，燃料电池单元3在正方形的角部分，和相对的两条边的中间具有紧固通孔47、47…，该紧固通孔47、47…为供上述固定构件9的后述的紧固构件46a～46f通过的贯通状态。
电解质层
上述电解质层2除ZrO2系陶瓷以外，能够由LaGaO3系陶瓷、BaCeO3系陶瓷、SrCeO3系陶瓷、SrZrO3系陶瓷、CaZrO3系陶瓷等形成。
燃料电极层
上述燃料电极层15的材质可列举Ni和Fe等金属与下述的陶瓷中的至少一种陶瓷混合而成的混合物，所述陶瓷为由Sc、Y等的稀土类元素中的至少一种稳定化而成的氧化锆等ZrO2系陶瓷、CeO2系陶瓷等。另外，燃料电极层15的材质可以是Pt、Au、Ag、Pb、Ir、Ru、Rh、Ni以及Fe等金属，既可以是这些金属中的仅一种金属，也可以是含有这些金属中的两种以上的金属的合金。而且，上述燃料电极层15的材质能够列举有上述各种陶瓷中的至少一种陶瓷与这些金属和/或合金混合而成的混合物(包括金属陶瓷。)。另外，上述燃料电极层15的材质可列举有Ni和Fe等的金属的氧化物和上述各种陶瓷中的至少一种陶瓷的混合物等。
空气电极层
上述空气电极层14的材质例如能够使用各种金属、金属的氧化物、金属的复合氧化物等。作为上述金属能够列举Pt、Au、Ag、Pb、Ir、Ru以及Rh等金属或含有两种以上的金属的合金。另外，作为金属的氧化物能够列举有La、Sr、Ce、Co、Mn以及Fe等的氧化物(La2O3、SrO、Ce2O3、Co2O3、MnO2以及FeO等)。另外，复合氧化物能够列举有至少含有La、Pr、Sm、Sr、Ba、Co、Fe以及Mn等的复合氧化物(La1-xSrxCoO3系复合氧化物、La1-xSrxFeO3系复合氧化物、La1- xSrxCo1-yFeO3系复合氧化物、La1-xSrxMnO3系复合氧化物、Pr1-xBaxCoO3系复合氧化物以及Sm1-xSrxCoO3系复合氧化物等)。
燃料室
如图3～图6所示，上述燃料室17由边框形态的燃料电极气体流路形成用绝缘框架(以下也称为“燃料电极绝缘框架”。)21和边框形态的、设于上述燃料电极绝缘框架21的上表面的燃料电极框架22形成为四边形室状，上述燃料电极绝缘框架21以包围集电构件19的周围的状态被设置于下方的互连器13的上表面。
燃料室侧的集电构件
如图5所示，燃料室17侧的集电构件19例如由Ni形成，连续地形成有与下方的互连器13相抵接的连接器抵接部19a、与单体电池20的燃料电极层15相抵接的电池抵接部19b以及连接连接器抵接部19a和电池抵接部19b的以大致180度弯曲而成的字母U字状的连接部19c。实施方式的集电构件19例如由厚度为30μm左右的箔材形成，因而，连接部19c能够自如地沿与表面交叉的方向弯曲并延伸(日语：曲げ伸ばし)，并且相对于弯曲并延伸的弹性的反弹力极小。
燃料室17侧的集电构件19除以上述方式形成的情况以外，例如还可以由Ni制的多孔质金属、Ni制的金属丝网、Ni制的金属丝或Ni制的冲孔金属形成。另外，燃料室17侧的集电构件19除Ni以外，还可以由Ni合金、不锈钢等抗氧化性较强的金属形成。
燃料室17内设有数十～百个左右(当然因燃料室的大小而不同。)的该集电构件19，可以将这些集电构件19各自排列并焊接(例如激光焊接、电阻焊接)在互连器13上，但优选的是，如图10的(b)所示，将上述箔材加工为与燃料室17相匹配的四边形的平板190，在该平板190上形成与电池抵接部19b和连接部19c相对应的切口线19d，然后如图9的放大图所示，将连接部19c做成U字状从而使电池抵接部19b以空开间隔t(参照图5放大图)的方式覆盖在连接器抵接部19a的上方。因而，将电池抵接部19b弯起而成的开孔状态的平板190为连接器抵接部19a的集合体，在实施方式中，平板190的连接器抵接部19a利用激光焊接、电阻焊接接合于下方的互连器13。
以上为利用焊接进行接合的情况，但并不限定于此。还可以利用燃料电池的运转时的热使连接器抵接部19a接合于下方的互连器13。
另外，如图11所示，集电构件19的上述切口线19d可以设为将电池抵接部19b和连接部19c以列为单位集中而成的形式。由此，能够高效地对电池抵接部19b和连接部19c进行加工。
间隔件
如图5所示，在上述集电构件19内一并设有间隔件58。该间隔件58在单体电池20与下方的互连器13之间的燃料室17内以将连接器抵接部19a与电池抵接部19b分隔的方式配置于连接器抵接部19a与电池抵接部19b之间，为了能够利用该间隔件58在至少燃料电池工作温度区域内沿厚度方向的热膨胀将电池抵接部19b和连接器抵接部19a朝向各自的抵接方向弹性按压，即将电池抵接部19b朝向单体电池20弹性按压，另一方面将连接器抵接部19a朝向互连器13弹性按压，将该间隔件58由如下的厚度和材质形成，即，在处于燃料电池工作温度区域的700℃～1000℃内，该间隔件58会因进一步热膨胀而超过因热膨胀而扩大的上述间隔t。
另外，间隔件58的厚度在处于燃料电池工作温度区域的状态下超过电池抵接部19b与连接器抵接部19a之间的间隔t即可，优选的是，设定为在燃料电池非工作时的常温状态下至少和电池抵接部19b与连接器抵接部19a之间的间隔t大致相同或略微大于电池抵接部19b与连接器抵接部19a之间的间隔t。由此，在从开始发电到达到工作温度区域为止的过程中，能够利用间隔件58使连接器抵接部19a与互连器13之间的电接触以及电池抵接部19b与单体电池20之间的电接触稳定。
另外，间隔件58选择在厚度方向上比集电构件19柔软的材质，对于因温度循环、燃料压/空气压的变化而产生的燃料室17的间隔的变动，间隔件58在厚度方向上增加或减少。具体而言，对于燃料室17的上述间隔的缩小，在厚度方向上缩小而发挥缓冲作用，从而防止单体电池20的裂纹，相反，对于上述间隔的扩大，利用沿厚度方向的恢复力使电接触稳定。
另外，如图5所示，间隔件58的长度设定为一侧的端部位于集电构件19的连接部19c的大致里端且该一侧的端部相反侧的端部突出到比电池抵接部19b的与连接部相反的一侧的端部靠外侧的位置。因而，在俯视时，电池抵接部19b与燃料电极层15相抵接的区域(自电池抵接部19b与连接部19c之间的边界附近到电池抵接部19b的相反侧的端部为止的区域，且为电池抵接部19b与燃料电极层15实际抵接的区域)全部被包含在间隔件58的区域(长度)内。因而，间隔件58的作用遍及电池抵接部19b的上述区域整体。
另一方面，如图5所示，相对于连接器抵接部19a，间隔件58的与集电构件19的连接部19c相反侧的端部后退到比相同方向上的连接器抵接部19a的端部靠内侧的位置。因而，间隔件58的作用通过其整个表面遍及连接器抵接部19a。
另外，间隔件58由具有在燃料电池工作温度区域内不与集电构件19烧结的性质的材料形成，因而，不会导致电池抵接部19b与连接器抵接部19a直接接触而烧结。另外，也不会导致电池抵接部19b与连接器抵接部19a隔着间隔件58而烧结。
满足以上条件的间隔件58的材质可以是云母、氧化铝毡(日文：アルミナフェルト)、蛭石、碳纤维、碳化硅纤维、二氧化硅中的任一种，或将多种组合而成的材质。另外，若将这些材质设为例如云母这样的较薄的板状体的层叠构造，则能够相对于向层叠方向的负载施加适度的弹性。使利用这些材质形成的间隔件58的厚度方向(层叠方向)上的热膨胀率高于后述的紧固构件46a～46f的轴向上的热膨胀率。
另外，如上所述，实施方式的集电构件19成为由作为连接器抵接部19a的集合体的平板190连接而成的一体构造，与此相对应地，如图10的(a)所示，间隔件58也是由如下这样的一张做成四边形的材料片形成：与平板190宽度大致相同并且比平板190稍短(具体地说，短了相当于一个(单元主体抵接部19b+连接部19c)的长度的量)，通过将与电池抵接部19b和连接部19c相对应的部分横向一列一列地集中地切除，从而形成为横条格子状。
然后，将该间隔件58重叠在集电构件19的加工前的图10的(b)所示的平板190上，在该状态下，如图9的放大图所示，若将连接部19c以字母U字状弯曲大致180度，则能够做成预先装入有间隔件58的集电构件19。
然而，在图9的放大图中，电池抵接部19b成为自位于左角部的部分朝向右侧分阶段地弯曲的状态，但这仅是为了专门说明加工步骤而画的，既可以同时对全部电池抵接部19b进行弯曲加工，也可以从加工较方便的部分开始按顺序进行。
空气室
如图3～图6所示，上述空气室16由具有导电性的薄金属制的分隔件23和边框形态的空气电极气体流路形成用绝缘框架(以下，也称为“空气电极绝缘框架”。)24形成为四边形的室状，该分隔件23为四边形的边框形态且在下表面安装有上述电解质层2，该空气电极绝缘框架24设置于该分隔件23和上方的互连器12之间且将集电构件18的周围包围起来。
空气室侧的集电构件
空气室16侧的集电构件18由呈细长的角材形状的致密的导电构件、例如不锈钢材料形成，多个集电构件18以与电解质层2的上表面的空气电极层14和上方的互连器12的下表面(内表面)相抵接的状态，彼此平行且彼此之间隔开恒定间隔地配置。
如图5所示，该空气室16侧的集电构件18的至少一部分成为俯视时在间隔件58与电池抵接部19b相抵接且间隔件58与连接器抵接部19a相抵接的区域内与空气电极层14抵接的配置。由此，间隔件58与电池抵接部19b的抵接部分、间隔件58与连接器抵接部19a的抵接部分以及集电构件18的与空气电极层14相对应的抵接部分在一条直线上排列，因此，使可能成为单体电池20的破损原因的有害的、表面方向上的弯矩几乎不发生作用而能够使压接有效地作用于各抵接部分。
如上所述，燃料电池单元3利用下方的互连器13、燃料电极绝缘框架21、燃料电极框架22、分隔件23、空气电极绝缘框架24以及上方的互连器12的组合而形成燃料室17和空气室16。另外，燃料电池单元3利用电解质层2将该燃料室17和空气室16分隔从而使它们相互独立，而且，利用燃料电极绝缘框架21和空气电极绝缘框架24将燃料电极层15侧与空气电极层14侧电绝缘。
另外，燃料电池单元3包括有：空气供给部25，其包含用于向空气室16的内部供给空气的空气供给流路4；空气排出部26，其包含用于自空气室16将空气向外部排出的空气排出流路5；燃料供给部27，其包含用于向燃料室17的内部供给燃料气体的燃料供给流路6；以及燃料排出部28，其包含用于自燃料室17将燃料气体向外部排出的燃料排出流路7。
空气供给部
如图7所示，空气供给部25包括有：空气供给通孔29，其在四边形的燃料电池1的一边侧且是在靠角部的位置沿上下方向开孔设置；空气供给连通室30，其为长孔状，以与该空气供给通孔29连通的方式开孔设置于空气电极绝缘框架24；空气供给连通部32，其以使将该空气供给连通室30与空气室16之间分隔开的分隔壁31的上表面等间隔地凹陷的方式形成有多个；以及上述空气供给流路4，其贯穿于上述空气供给通孔29且能够自外部向上述空气供给连通室30供给空气。
空气排出部
空气排出部26包括有：空气排出通孔33，其在燃料电池1的空气供给部25的相反侧的一边侧且是在靠角部的位置沿上下方向开孔设置；空气排出连通室34，其为长孔状，以与该空气排出通孔33连通的方式开孔设置于空气电极绝缘框架24；空气排出连通部36，其以使将该空气排出连通室34与空气室16之间分隔开的分隔壁35的上表面等间隔地凹陷的方式形成有多个；以及上述空气排出流路5，其为管状，贯穿于上述空气排出通孔33且能够自空气排出连通室34向外部将空气排出。
燃料供给部
如图8所示，燃料供给部27包括有：燃料供给通孔37，其在四边形的燃料电池1的与上述空气供给部25相同的一边侧且是在靠与上述空气供给通孔29相反侧的角部的位置沿上下方向开孔设置；燃料供给连通室38，其为长孔状，以与该燃料供给通孔37连通的方式开孔设置于燃料电极绝缘框架21；燃料供给连通部40，其以使将该燃料供给连通室38与燃料室17之间分隔开的分隔壁39的上表面等间隔地凹陷的方式形成有多个；以及上述燃料供给流路6，其为管状，贯穿于上述燃料供给通孔37且能够自外部向上述燃料供给连通室38供给燃料气体。
燃料排出部
燃料排出部28包括有：燃料排出通孔41，其在燃料电池1的燃料供给部27的相反侧的一边侧靠近角部的位置沿上下方向开孔设置；燃料排出连通室42，其为长孔状，以与该燃料排出通孔41连通的方式开孔设置于燃料电极绝缘框架21；燃料排出连通部44，其以使将该燃料排出连通室42与燃料室17之间分隔开的分隔壁43的上表面等间隔地凹陷的方式形成有多个；以及燃料排出流路7，其为管状，贯穿于上述燃料排出通孔41且能够自燃料排出连通室42向外部将燃料气体排出。
燃料电池堆
如图1所示，燃料电池堆8构成为通过将上述燃料电池单元3多组层叠而构成电池组，并利用固定构件9将该电池组固定。另外，在将燃料电池单元3多组层叠的情况下，位于下方的燃料电池单元3的上方的互连器12与搭载在其上方的燃料电池单元3的下方的互连器13成为一体，而该一个互连器由上下的燃料电池单元3、3彼此共用。
上述固定构件9由一对端板45a、45b和六组紧固构件46a～46f组合而成，其中，一对端板45a、45b上下夹住燃料电池堆8，六组紧固构件46a～46f使螺栓穿过端板45a、45b的紧固孔(未图示)和燃料电池堆8的上述紧固通孔47并利用螺母紧固该端板45a、45b和燃料电池堆8。紧固构件46a～46f的材质例如为因科镍合金601。
上述空气供给流路4以沿上下方向贯穿端板45a、45b的通孔(未图示)、和上述空气供给通孔29的状态安装于该燃料电池1的燃料电池堆8。另外，如图7所示，通过将管状流路的端部封闭且与每个上述空气供给连通室30相对应地设置横孔48，从而经由该横孔48向空气供给连通室30内供给空气。
同样，空气排出流路5自与每个空气排出连通室34相对应的横孔49将空气吸入并向外部排出，如图8所示，燃料供给流路6自与每个燃料供给连通室38相对应的横孔50供给燃料气体，燃料排出流路7自与每个燃料排出连通室42相对应的横孔51将燃料气体吸入并向外部排出。
容器
用于容纳燃料电池堆8的容器10为耐热且密闭的构造，如图1所示，其是将在开口部具有凸缘52a、52b的两个半开体53a、53b以彼此相面对的方式接合而成的。上述紧固构件46a～46f的螺栓自该容器10的顶部向外部突出，使螺母54螺纹接合于该紧固构件46a～46f的突出部分，从而将燃料电池堆8固定在容器10内。另外，上述空气供给流路4、空气排出流路5、燃料供给流路6、燃料排出流路7也自容器10的顶部向外部突出，在该突出部分连接有空气，燃料气体的供给源等。
输出构件
用于输出由燃料电池1发电而产生的电力的输出构件11是燃料电池堆8的角部分的上述紧固构件46a～46d和上述端板45a、45b。具体而言，将在对角线上相对的一对紧固构件46a、46c与作为正极的上方的端板45a电连接，另外，将另一对紧固构件46b、46d与作为负极的下方的端板45b电连接。当然，与正极连接的紧固构件46a、46c以及与负极连接的紧固构件46b、46d借助绝缘垫圈55(参照图1)相对于另一极的端板45a(45b)绝缘，另外，通过在紧固构件46a～46d与紧固通孔47之间设置间隙等而使紧固构件46a～46d相对于燃料电池堆8绝缘。由此，固定构件9的紧固构件46a、46c还作为与上方的端板45a相连接的正极的输出端子发挥功能，另外，其他的紧固构件46b、46d还作为与下方的端板45b相连接的负极的输出端子发挥功能。
发电
在向上述燃料电池1的空气供给流路4供给空气时，该空气自图7的上侧向下侧流动，通过空气供给部25向空气室16供给，穿过该空气室16的集电构件18彼此之间的气体流路56，进一步通过空气排出部26向外部排出，上述空气供给部25包括上侧的空气供给流路4、空气供给连通室30、空气供给连通部32，上述空气排出部26包括空气排出连通部36、空气排出连通室34、空气排出流路5。
在同时向燃料电池1的燃料供给流路6供给例如氢气作为燃料气体时，该燃料气体自图8的上侧向下侧流动，通过燃料供给部27向燃料室17供给，在该燃料室17的集电构件19的气体流路57内扩散并穿过该气体流路57，进一步通过燃料排出部28向外部排出，上述燃料供给部27包括上侧的燃料供给流路6、燃料供给连通室38、燃料供给连通部40，上述燃料排出部28包括燃料排出连通部44、燃料排出连通室42、燃料排出流路7。
在进行这样的空气和燃料气体的供给/排出的同时，使上述容器10内的温度上升至700℃～1000℃时，借助空气电极14和电解质层2以及燃料电极15来引起空气和燃料气体发生反应，因此，产生以空气电极14为正极、以燃料电极15为负极的直流的电能。另外，在燃料电池单元3内产生电能的原理众所周知，因此省略说明。
如上所述，空气电极14借助集电构件18电连接于上方的互连器12，另一方面，燃料电极15借助集电构件19电连接于下方的互连器13，另外，燃料电池堆8处于将多个燃料电池单元3层叠并串联连接起来的状态，因此，上方的端板45a成为正极，下方的端板45b成为负极，而能够借助作为输出端子发挥功能的紧固构件46a～46d将该电能向外部输出。
如上所述，燃料电池反复进行温度循环，即：在发电时温度上升，在停止发电时温度下降。因而，构成燃料室17、空气室16的全部的构件、上述紧固构件46a～46f反复进行热膨胀和收缩，相伴于此，燃料室17、空气室16的间隔也反复进行扩大和缩小。
另外，有时燃料压，空气压也发生变动，由于该压力的变动而使单体电池20变形，燃料室17、空气室16的间隔也扩大或缩小。
对于这样的燃料室17、空气室16的扩大方向上的变化，在实施方式中，燃料室17侧的集电构件19主要借助间隔件58的层叠方向(＝厚度方向或紧固构件46a～46f的紧固方向)上的弹性和相同方向上的热膨胀按压单体电池20，因此能够稳定地维持电接触。由于该集电构件19对单体电池20的按压对空气室16侧也产生影响，因此，也能够稳定地维持空气室16的电接触。
另外，对于燃料室17、空气室16在缩小方向上的变化，主要借助燃料室17侧的间隔件58的收缩来缓和施加于单体电池20的应力。
另外，当燃料电极层15侧的集电构件19为Ni或Ni合金时，在发电时的高温环境下，电池抵接部19b与燃料电极层15中的Ni扩散接合而成为一体。因而，能够更稳定地维持集电构件19进行的电连接。
另外，优选的是，在燃料电极层15上涂布NiO糊剂而形成接合层。由此，通过在H2中通电而使NiO成为Ni，因此，进一步提高集电构件19与燃料电极层15之间的接合性。上述接合层还可以通过在燃料电极层15上涂布Pt糊剂而形成。
另外，在实施方式1中，通过焊接将作为连接器抵接部19a的集合体的平板190接合在下方的互连器13上，但若将该互连器13和平板190的材质设为能够在发电时的高温环境下扩散接合而获得的组合(例如Crofer22H和Ni)，或在下方的互连器13的内表面侧形成上述这样的接合层，则能够在发电时的高温环境下将互连器13和集电构件19接合并使它们成为一体。
以上，说明了实施本发明的方式，当然，本发明并不限定于上述实施方式。例如，在实施方式中，将空气室16侧的集电构件18设为了与燃料室17侧的集电构件19不同的结构，但也可以将空气室16侧的集电构件设为与燃料室17侧的集电构件19相同的结构。
另外，燃料室17侧的集电构件19并不限定于图5的朝向，还可以是如图12所示地使上下翻转而成的朝向。当然，在这样的情况下，上述平板190为电池抵接部19b的集合体，另外，成为了这样的状态：间隔件58的端部突出到比连接器抵接部19a的与连接部相反的一侧的端部靠外侧的位置，另一方面，间隔件58的同样的端部后退到比电池抵接部19b的与连接部相反的一侧的端部靠内侧的位置。
另外，在实施方式中，使间隔件58的端部比连接器抵接部19a和电池抵接部19b中较短的一方的端部向外侧突出，但如图13所示，还可以使间隔件58的端部比电池抵接部19b的与连接部相反的一侧的端部以及连接器抵接部19a的与连接部相反的一侧的端部的双方都向外侧突出。
另外，在实施方式中，上述电解质层2形成为平坦的板状，但该电解质层2还可以形成为例如圆筒形状，或扁平圆筒形状。
附图标记说明
1、燃料电池；2、电解质层；3、燃料电池单元；8、燃料电池堆；12、13、互连器；14、空气电极层；15、燃料电极层；18、19、集电构件；19a、连接器抵接部；19b、电池抵接部；19c、连接部；20、单体电池；46a～46f、紧固构件；58、间隔件。

Claims (13)

1.一种燃料电池单元，包括：
一对互连器；
单体电池，其位于该互连器之间，在电解质层的上下表面分别形成有电极层；以及
集电构件，其配置于上述电极层与上述互连器之间，将该电极层与上述互连器电连接，其特征在于，
与至少一侧的电极层相对应的上述集电构件具有：
连接器抵接部，其与上述互连器相抵接；
电池抵接部，其与上述单体电池的上述电极层相抵接；
连接部，其连接上述连接器抵接部和上述电池抵接部；以及
间隔件，其配置于上述连接器抵接部与上述电池抵接部之间，
上述间隔件的与上述连接部相反的一侧的端部比上述电池抵接部的与上述连接部相反的一侧的端部和上述连接器抵接部的与上述连接部相反的一侧的端部中的至少一方的端部突出。
2.根据权利要求1所述的燃料电池单元，其特征在于，
上述电解质层为板状。
3.根据权利要求1所述的燃料电池单元，其特征在于，
上述间隔件的与上述连接部相反的一侧的端部比上述电池抵接部的与上述连接部相反的一侧的端部和上述连接器抵接部的与上述连接部相反的一侧的端部的双方都突出。
4.根据权利要求1所述的燃料电池单元，其特征在于，
与上述一侧的电极层相对应的上述集电构件的相反侧的集电构件的至少一部分俯视时，在上述间隔件与上述电池抵接部相抵接且该间隔件与上述连接器抵接部相抵接的区域内抵接于上述一侧的电极层的相反侧的电极层。
5.根据权利要求1所述的燃料电池单元，其特征在于，
俯视时，上述电池抵接部与上述电极层相抵接的区域全部被包含于上述间隔件的区域。
6.根据权利要求1所述的燃料电池单元，其特征在于，
上述间隔件为云母、氧化铝毡、蛭石、碳纤维、碳化硅纤维、二氧化硅中的至少任一种。
7.根据权利要求1所述的燃料电池单元，其特征在于，
该燃料电池单元还具有紧固构件，该紧固构件将上述互连器、上述单体电池、上述集电构件层叠并一体地紧固，并利用上述紧固构件和上述间隔件以上述集电构件的上述电池抵接部与上述单体电池相抵接且上述连接器抵接部与上述互连器相抵接的方式进行按压。
8.根据权利要7所述的燃料电池单元，其特征在于，
上述间隔件在紧固方向上的热膨胀率高于上述紧固构件在紧固方向上的热膨胀率。
9.根据权利要求1所述的燃料电池单元，其特征在于，
上述集电构件为多孔质金属、金属丝网、金属丝或冲孔金属制。
10.根据权利要求1所述的燃料电池单元，其特征在于，
上述集电构件的上述电池抵接部接合于上述单体电池的上述电极层的表面。
11.根据权利要求1所述的燃料电池单元，其特征在于，
上述集电构件的上述连接器抵接部接合于上述互连器。
12.根据权利要求1所述的燃料电池单元，其特征在于，
上述集电构件配置于与燃料气体相对应的上述电极层与上述互连器之间，且上述集电构件为Ni或Ni合金制。
13.一种燃料电池堆，其特征在于，
该燃料电池堆通过层叠多个权利要求1～12中任意一项所述的燃料电池单元并利用紧固构件固定而成。
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