CN111837274A - 电池单元 - Google Patents

Abstract

提供一种能够兼顾气体扩散性和电子传导性的电池单元。电池单元(100)是依次层叠如下构件而成的：发电单体(111)，其包括阴极层(111C)、电解质层(111E)以及阳极层(111A)；集电辅助层(130)，其辅助电接触；以及分隔件(120)，其具备划分形成气体的流路(F)的流路部(121)。集电辅助层以在层叠方向上与气体的流路(F)重叠的方式配置，具有以向发电单体侧突出的方式弯曲而成的弯曲部(131)。

Description

电池单元

技术领域

本发明涉及一种燃料电池组用的电池单元。

背景技术

燃料电池组是层叠多个电池单元而构成的，该电池单元包括：发电单体，其利用供给来的气体发电；分隔件，其划分形成气体的流路；以及集电辅助层，其辅助电接触。

例如，在下述专利文献1中公开有一种这样的电池单元：为了降低集电辅助层与发电单体之间的接触电阻，在发电单体的电极埋入有集电辅助层。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2007-35321号公报

发明内容

发明要解决的问题

然而，在上述专利文献1的电池单元中，在电极中埋入有集电辅助层，因此，存在分隔件与集电辅助层之间的接触电阻变高的情况。其结果，存在电池单元的接触电阻增大而电子传导性变得不充分的可能性。

一般而言，若为了降低接触电阻使电子传导性提高而使分隔件与集电辅助层之间的接点增加，则气体的流路变小，气体扩散性降低。另一方面，若为了确保气体扩散性而增大气体的流路，则在分隔件的流路部与集电辅助层之间的接触面压发生释放而接触电阻增大。

本发明的目的在于提供一种能够兼顾气体扩散性和电子传导性的电池单元。

用于解决问题的方案

用于达成上述目的的本发明的电池单元是依次层叠如下构件而成的电池单元：发电单体，其包括阴极层、电解质层以及阳极层；集电辅助层，其辅助电接触；以及分隔件，其具备划分形成气体的流路的流路部。该集电辅助层以在层叠方向上与气体的流路重叠的方式配置，具有以向发电单体侧突出的方式弯曲而成的弯曲部。

附图说明

图1是表示第1实施方式的燃料电池组的分解立体图。

图2是图1所示的电池单元的分解立体图。

图3是图2所示的金属支撑电池组件的分解立体图。

图4是金属支撑电池组件的沿着图2的4-4线的局部剖视图。

图5是表示第1实施方式的电池单元的层叠构造的一部分的剖视图。

图6是放大地表示图5所示的电池单元的连结部的剖视图。

图7是放大地表示集电辅助层的一部分的图。

图8的上图表示对图5所示的电池单元赋予有层叠方向的载荷的状态，图8的下图表示发电单体所受到的面压的分布。

图9是对比例1的电池单元的剖视图。

图10是对比例2的电池单元的剖视图。

图11的上图表示对图10所示的电池单元赋予有层叠方向的载荷的状态，图11的下图表示发电单体所受到的面压的分布。

图12是对比例3的电池单元的剖视图。

图13是表示第1实施方式的变形例的电池单元的限制部的剖视图。

图14是第2实施方式的电池单元的剖视图。

图15的上图表示对图14所示的电池单元赋予有层叠方向的载荷的状态，图15的下图表示发电单体所受到的面压的分布。

具体实施方式

以下，一边参照所附的附图一边说明本发明的实施方式。此外，以下的说明并不用于限定权利要求书所记载的保护范围、用语的意义。另外，存在如下情况：出于方便说明，附图的尺寸比例被夸张，与实际的比例不同。

＜第1实施方式＞

参照图1～图7而对第1实施方式的电池单元100进行说明。本实施方式的电池单元100用于例如使用了稳定化氧化锆等氧化物离子导电体作为电解质的固体氧化物形燃料电池(SOFC：Solid Oxide Fuel Cell)。

为了以下的说明的便利，在图中表示XYZ正交坐标系。X轴和Y轴表示与水平方向平行的轴，Z轴表示与上下方向平行的轴。

图1是表示在上下方向上层叠第1实施方式的多个电池单元100而构成的燃料电池组10的分解立体图。以下，也将在图中以Z轴表示的燃料电池组10的上下方向称为“层叠方向”。

(电池单元100)

图2是电池单元100的分解立体图。如图2所示，电池单元100是依次层叠如下构件而构成的：金属支撑电池组件110；集电辅助层130；以及分隔件120，其具备划分形成包括阳极气体和阴极气体在内的气体的流路F的流路部121。此外，也可以在金属支撑电池组件110与集电辅助层130之间配置使两者导通接触的接点材料。

图3是金属支撑电池组件110的分解立体图，图4是其局部剖视图。如图3和图4所示，金属支撑电池组件110具有金属支撑电池(Metal-Supported Cell：MSC)110M和保持金属支撑电池110M的外周的电池框架113。

如图3和图4所示，金属支撑电池110M具有发电单体111和从上下方向的一侧支承发电单体111的金属制的金属支撑部112。与电解质支撑型电池、电极支撑型电池相比，金属支撑电池110M的机械强度、快速起动性等较优异。

(发电单体111)

如图3和图4所示，发电单体111是在电解质层111E的两侧层叠作为一对电极的阳极层111A和阴极层111C而构成的。

阳极层111A是燃料极，使阳极气体(例如氢)与氧化物离子反应而生成阳极气体的氧化物，并且取出电子。阳极层111A对还原气氛具有耐受性，允许阳极气体透过，导电率较高，具有使阳极气体与氧化物离子反应的催化作用。阳极层111A的形成材料可列举出例如混合有镍等金属、氧化钇稳定化氧化锆等氧化物离子导体的超硬合金。

阴极层111C是氧化剂极，使阴极气体(例如空气所含有的氧)与电子反应而将氧分子转换成氧化物离子。阴极层111C对氧化气氛具有耐受性，允许阴极气体透过，导电率较高，具有将氧分子转换成氧化物离子的催化作用。阴极层111C的形成材料可列举出例如镧、锶、锰、钴等的氧化物。

电解质层111E允许氧化物离子从阴极层111C朝向阳极层111A透过。电解质层111E允许氧化物离子通过，但不允许气体和电子通过。电解质层111E的形成材料可列举出例如固溶有氧化钇、氧化钕、氧化钐、氧化钆、氧化钪等的稳定化氧化锆等固体氧化物陶瓷。

(金属支撑部112)

如图3和图4所示，金属支撑部112用于从阳极层111A那一侧支承发电单体111。通过利用金属支撑部112支承发电单体111，即使是在发电单体111稍微地产生了面压分布的偏差的情况下，也能够抑制由弯曲导致的发电单体111的破损。金属支撑部112是具有透气性和导电性的多孔质的金属。金属支撑部112的形成材料可列举出例如含有镍、铬的耐蚀合金、耐蚀钢、不锈钢等。

(电池框架113)

如图3和图4所示，电池框架113用于从周围保持金属支撑电池110M。如图3所示，电池框架113具有开口部113H。在电池框架113的开口部113H配置金属支撑电池110M。金属支撑电池110M的外周与电池框架113的开口部113H的内缘接合。电池框架113的形成材料可列举出例如在表面实施了绝缘处理的金属。

如图3所示，电池框架113具有供阳极气体流通的阳极气体流入口113a和阳极气体流出口113b、以及供阴极气体流通的阴极气体流入口113c和阴极气体流出口113d。

图5是表示电池单元100的层叠构造的一部分的剖视图。如图5所示，电池单元100具有连结集电辅助层130和分隔件120的连结部200。图6是放大地表示电池单元100的连结部200的剖视图。

以下，在详细地说明了集电辅助层130和分隔件120的结构之后，详细地说明连结部200的结构。

(分隔件120)

如图2所示，分隔件120在与金属支撑电池110M的发电单体111相对的区域具有流路部121。

如图5所示，分隔件120的流路部121由将平板成形成凹凸形状而成的部分构成。流路部121具有：多个突出部122，该多个突出部122在电池单元100内向集电辅助层130侧突出；和平坦部123，其形成于相邻的突出部122之间，沿着XY面方向大致平坦。分隔件120在由相邻的突出部122、平坦部123以及集电辅助层130围成的部分划分形成气体的流路F。

如图6所示，突出部122在与集电辅助层130相对的那一侧的表面具有凹凸形状。该凹凸形状构成与随后论述的集电辅助层130的卡合部133卡合的被卡合部124。

如图2所示，分隔件120的流路部121以凹凸形状在长度方向Y上延伸的方式形成为大致直线状。由此，气体的沿着流路部121流动的流动方向是长度方向Y。分隔件120的形成材料并没有特别限定，可列举出例如金属。

如图2所示，分隔件120具有供阳极气体流通的阳极气体流入口125a和阳极气体流出口125b、以及供阴极气体流通的阴极气体流入口125c和阴极气体流出口125d。

(集电辅助层130)

如图5所示，集电辅助层130配置于发电单体111与分隔件120之间。集电辅助层130具有：多个弯曲部131，该多个弯曲部131在电池单元100内以向发电单体111侧突出的方式弯曲成拱形形状；和回折部132，其与弯曲部131的两端相连续地设置，具有与弯曲部131的曲率不同的曲率。

弯曲部131以在层叠方向上与分隔件120的形成气体的流路F的流路部121的平坦部123重叠的方式配置。弯曲部131与分隔件120的流路部121协作而划分形成气体的流路F。

如图6所示，回折部132在与分隔件120相对的那一侧的表面具有凹凸形状。该凹凸形状构成与分隔件120的被卡合部124卡合的卡合部133。

图7是放大地表示集电辅助层130的一部分的图。如图7所示，集电辅助层130由形成有多个孔130H的作为导电性的多孔质体的多孔金属网形成。由此，能够利用多个孔130H形成供气体流通的空间而确保气体扩散性，同时辅助发电单体111与分隔件120之间的电接触而提高电子传导性。此外，作为形成集电辅助层130的导电性的多孔质体，并不限定于多孔金属网，能够使用例如泡沫金属、网状的金属等。

(连结部200)

如图5所示，连结部200是连结集电辅助层130的回折部132和分隔件120的突出部122而成的。由此，集电辅助层130与分隔件120被连结，因此，能够进一步提高电子传导性。

如图6所示，连结部200具有限制集电辅助层130的回折部132与分隔件120的突出部122之间在与层叠方向正交的XY面方向上的相对移位的限制部210。利用限制部210抑制集电辅助层130的回折部132与分隔件120的突出部122在XY面方向上相互偏离，因此，能够在连结部200处可靠地维持分隔件120与集电辅助层130连结着的状态。

在本实施方式中，如图6所示，限制部210由分隔件120的被卡合部124和集电辅助层130的卡合部133构成。通过使被卡合部124和卡合部133卡合，能够抑制集电辅助层130的回折部132相对于分隔件120的突出部122相对地偏离。

以下，参照图8～图12，与对比例的电池单元100a、100b、100c进行比较地对本实施方式的电池单元100的作用效果进行说明。图8的上图是表示对本实施方式的电池单元100赋予有层叠方向的载荷(空心箭头)的状态的图，图8的下图是表示发电单体111所受到的面压的分布的图。图9是对比例1的电池单元100a的剖视图。图10是对比例2的电池单元100b的剖视图。图11的上图是表示对对比例2的电池单元100b赋予有层叠方向的载荷(空心箭头)的状态的图，图11的下图是表示发电单体111所受到的面压的分布的图。图12是对比例3的电池单元100c的剖视图。此外，图8的下图和图11的下图的面压分布的横轴与图8的上图和图11的上图的X方向分别相对应。

例如，若如图9所示的对比例1的电池单元100a那样增多分隔件120a的突出部122a的数量，则分隔件120a与集电辅助层130a之间的接触面积变大。其结果，在分隔件120与集电辅助层130a之间接触电阻降低而电子E如以虚线箭头表示那样易于传导，因此，电池单元100a的电子传导性提高。然而，由于增多分隔件120a的突出部122a，因此划分形成气体G的流路F的平坦部123b的面积变小。由此，流路F的截面积变小，气体G的压力损失增大，并且，气体扩散性降低。另外，分隔件120的流路部121a的形状变得复杂，因此，制造性降低。

另一方面，若如图10所示的对比例2的电池单元100b那样减少分隔件120b的突出部122b的数量而增大平坦部123b的面积，则流路F的截面积变大，因此，能够降低气体G的压力损失，并且，能够提高气体扩散性。然而，分隔件120b与集电辅助层130b之间的接触面积变小，因此，电池单元100b的电子传导性降低。

而且，如图11所示，层叠方向的载荷仅集中于对比例2的分隔件120b的突出部122b，在形成气体G的流路F的平坦部123b，与集电辅助层130b之间的接触面压发生释放。由此，电池单元100b的接触电阻增大而电子传导性降低。

另外，如图12所示的对比例3的电池单元100c那样，为了使电池单元100c的接触电阻降低，也想到在发电单体111的阴极层111C埋设集电辅助层130c。然而，将集电辅助层130c埋入阴极层111C，因此，分隔件120c与集电辅助层130c之间的接触电阻有可能变高。其结果，电池单元100c的接触电阻增大而电子传导性降低。

相对于此，在本实施方式的电池单元100中，如图8的上图所示，集电辅助层130的弯曲部131以在层叠方向上与分隔件120的形成气体的流路F的流路部121的平坦部123重叠的方式配置。如图8的下图所示，集电辅助层130的弯曲部131的突出到发电单体111侧的部分的与发电单体111抵接了的部分由于载荷集中而与其他部分相比接触面压较高。由此，在接触面压比较小的、在层叠方向上与分隔件120的流路部121的平坦部123重叠的部分，能够防止面压的释放，能够降低集电辅助层130与发电单体111之间的接触电阻。

另外，如图1所示，燃料电池组10是层叠多个电池单元100而构成的。因此，通过调整电池单元100中的分隔件120的突出部122和集电辅助层130的回折部132的配置等，能够以电解质层111E为基准在阴极层111C侧和阳极层111A侧对称地对发电单体111赋予面压。由此，即使是在对阴极层111C侧赋予的面压分布并不均匀的情况下，也会由于在阳极层111A侧赋予对称的面压分布而能够抑制由弯曲导致的发电单体111(尤其是，电解质层111E)的破损。

而且，集电辅助层130的弯曲部131弯曲成拱形形状，因此，将在层叠方向上所受到的力向XY面方向传递。在此，与弯曲部131的两端相连续地设置的回折部132在XY面方向上与分隔件120的突出部122之间的相对的移位被限制部210限制。由此，弯曲部131的两端被固定，因此，被弯曲部131在XY面方向上传递的力不会释放。其结果，能够可靠地维持弯曲部131处的接触面压。另外，通过将弯曲部131设为拱形形状，能够抑制弯曲部131以被压扁的形态变形。因此，能够长时间维持弯曲部131处的接触面压。

如以上进行了说明那样，本实施方式的电池单元100是依次层叠如下构件而成的电池单元：发电单体111，其包括阴极层111C、电解质层111E以及阳极层111A；集电辅助层130，其辅助电接触；以及分隔件120，其具备划分形成气体的流路F的流路部121。集电辅助层130以在层叠方向上与气体的流路F重叠的方式配置，具有以向发电单体111侧突出的方式弯曲而成的弯曲部131。

根据上述电池单元100，集电辅助层130的弯曲部131的突出到发电单体111侧的部分的与发电单体111抵接了的部分由于载荷集中而与其他部分相比接触面压较高。因此，在接触面压比较小的(接触电阻相对增加的)、在层叠方向上与气体的流路F重叠的部分，能够降低集电辅助层130与发电单体111之间的接触电阻。由此，即使分隔件120的流路部121形成得较大，也能够确保电子传导性。其结果，电池单元100能够兼顾气体扩散性和电子传导性，使发电性能提高。

另外，电池单元100具有连结集电辅助层130和分隔件120的连结部200。集电辅助层130与分隔件120被连结部200连结，因此，能够进一步提高电子传导性。

另外，连结部200具有限制集电辅助层130与分隔件120之间在与层叠方向正交的XY面方向上的相对移位的限制部210。利用限制部210抑制集电辅助层130与分隔件120在面方向上相互偏离，因此，能够在连结部200处可靠地维持分隔件120与集电辅助层130连结着的状态。由此，能够降低分隔件120与集电辅助层130之间的接触电阻。

另外，集电辅助层130具有：多个弯曲部131；和回折部132，其与弯曲部131的两端相连续地设置，具有与弯曲部131的曲率不同的曲率。而且，连结部200连结集电辅助层130的回折部132和分隔件120。通过连结具有与弯曲部131的曲率不同的曲率的回折部132和分隔件120，能够容易地进行连结。

另外，回折部132具有与分隔件120卡合的卡合部133。由此，能够抑制回折部132相对于分隔件120相对地偏离。

另外，分隔件120的流路部121具有包括突出到集电辅助层130侧的多个突出部122的凹凸形状。连结部200是连结分隔件120的突出部122和集电辅助层130的回折部132而成的。由此，能够确保气体的流路F的截面积，抑制气体的压力损失。

另外，还具有支承发电单体111的金属制的金属支撑部112。由此，即使是在发电单体111稍微地产生了面压分布的偏差的情况下，也能够抑制由弯曲导致的发电单体111(尤其是，电解质层111E)的破损。

另外，集电辅助层130由导电性的多孔质体构成。由此，能够形成供气体流通的空间而提高气体扩散性，同时辅助发电单体111与分隔件120之间的电接触而提高电子传导性。

＜第1实施方式的变形例＞

图13是表示第1实施方式的变形例的电池单元的限制部210a的剖视图。前述的第1实施方式的限制部210由分隔件120的被卡合部124和集电辅助层130的卡合部133构成。第1实施方式的变形例的限制部210a在由焊接部构成这点与前述的第1实施方式不同。其他结构与前述的第1实施方式同样，因此，省略说明。

限制部210a由焊接分隔件120的突出部122和集电辅助层130的回折部132而成的焊接部构成。由此，能够更可靠地抑制分隔件120的突出部122与集电辅助层130的回折部132在XY面方向上相互偏离。

＜第2实施方式＞

图14是第2实施方式的电池单元300的剖视图。图15的上图表示对图14所示的电池单元300赋予有层叠方向的载荷(空心箭头)的状态，图15的下图表示发电单体111所受到的面压的分布。此外，图15的下图的面压分布的横轴与图15的上图的X方向相对应。

如图14所示，第2实施方式的电池单元300在集电辅助层130的弯曲部131的至少一部分埋设于发电单体111的阴极层111C这点与前述的第1实施方式不同。此外，对于与前述的第1实施方式同样的结构，标注相同的附图标记而省略其说明。

如图15的上图所示，集电辅助层130的弯曲部131的至少一部分埋设于发电单体111的阴极层111C。因此，在连结部200附近，弯曲部131能够向发电单体111传递力。由此，集电辅助层130能够更均匀地向发电单体111传递力。其结果，如图15的下图所示，能够使发电单体111所受到的面压的分布更均匀化。另外，能够增加集电辅助层130与阴极层111C之间的接触面积，降低接触电阻。

如上所述，第2实施方式的电池单元300的集电辅助层130的弯曲部131的至少一部分埋设于阴极层111C。由此，能够抑制连结部200附近的面压的释放。能够增加集电辅助层130与发电单体111的接触面积而使发电单体111所受到的面压的分布更均匀化。另外，能够增加集电辅助层130与阴极层111C之间的接触面积。其结果，能够降低接触电阻而进一步提高电子传导性。

以上，通过实施方式和变形例对本发明的电池单元进行了说明，但本发明并非只限定于在实施方式和变形例中进行了说明的内容，可基于权利要求书的记载适当变更。

例如，说明了分隔件的流路部是具有突出部和平坦部的凹凸形状的情况，但也可以是仅由平坦部构成的平坦分隔件。在该情况下，也可以在由不同于分隔件的导电构件形成的肋与分隔件之间形成流路部。例如，能够将集电辅助层的回折部用作肋而在弯曲部与分隔件之间形成流路部。

另外，限制部只要能够限制连结部处的集电辅助层与分隔件之间的相对的移位即可，并不限定于由前述的卡合部、焊接部构成的形态。例如，限制部也可以利用粘接剂粘接连结部处的集电辅助层和分隔件而构成。

另外，电池单元也可以适当组合前述的实施方式和变形例的规格而构成。

附图标记说明

10、燃料电池组；100、300、电池单元；110、金属支撑电池组件；110M、金属支撑电池；111、发电单体；111A、阳极层；111C、阴极层；111E、电解质层；112、金属支撑部；113、电池框架；120、分隔件；121、流路部；122、突出部；130、集电辅助层；131、弯曲部；132、回折部；133、卡合部；200、连结部；210、限制部；G、气体；F、流路；E、电子；X、(电池单元的)宽度方向；Y、(电池单元的)长度方向；Z、(电池单元的)层叠方向。

Claims (9)

1.一种电池单元，其是依次层叠如下构件而成的电池单元：发电单体，其包括阴极层、电解质层以及阳极层；集电辅助层，其辅助电接触；以及分隔件，其具备划分形成气体的流路的流路部，其中，

所述集电辅助层以在层叠方向上与所述气体的所述流路重叠的方式配置，具有以向所述发电单体侧突出的方式弯曲而成的弯曲部。

2.根据权利要求1所述的电池单元，其中，

该电池单元具有连结所述集电辅助层和所述分隔件的连结部。

3.根据权利要求2所述的电池单元，其中，

所述连结部具有限制所述集电辅助层与所述分隔件之间在与层叠方向正交的面方向上的相对移位的限制部。

4.根据权利要求2或3所述的电池单元，其中，

所述集电辅助层的所述弯曲部的至少一部分埋设于所述阴极层。

5.根据权利要求4所述的电池单元，其中，

所述集电辅助层具有：多个所述弯曲部；和回折部，其与所述弯曲部的两端相连续地设置，具有与所述弯曲部的曲率不同的曲率，

所述连结部是连结所述集电辅助层的所述回折部和所述分隔件而成的。

6.根据权利要求5所述的电池单元，其中，

所述回折部具有与所述分隔件卡合的卡合部。

7.根据权利要求5或6所述的电池单元，其中，

所述分隔件的所述流路部具有包括突出到所述集电辅助层侧的多个突出部的凹凸形状，

所述连结部是连结所述分隔件的所述突出部和所述集电辅助层的所述回折部而成的。

8.根据权利要求2～7中任一项所述的电池单元，其中，

该电池单元还具有支承所述发电单体的金属制的金属支撑部。

9.根据权利要求2～8中任一项所述的电池单元，其中，

所述集电辅助层由导电性的多孔质体构成。

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