專利名稱：燃料電池和燃料電池組的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種通過堆疊電解質(zhì)電極組件和隔板而形成的燃料電 池。電解質(zhì)電極組件包括陽極、陰極和插設(shè)在陽極與陰極之間的電解質(zhì)。 另外，本發(fā)明涉及一種通過堆疊多個(gè)燃料電池形成的燃料電池組。
背景技術(shù)：
通常，具有無密封件(無密封)結(jié)構(gòu)的固體氧化物燃料電池(SOFC) 采用由諸如穩(wěn)定氧化鋯的離子導(dǎo)電固體氧化物構(gòu)成的電解質(zhì)。電解質(zhì)插 設(shè)在陽極和陰極之間以形成電解質(zhì)電極組件。電解質(zhì)電極組件插設(shè)在隔 板(雙極板)之間。在使用中，將預(yù)定數(shù)量的電解質(zhì)電極組件和隔板堆 疊在一起以形成燃料電池組。
燃料電池的工作溫度較高，大約為S0(TC。因此，在將消耗的燃料 氣體(下文也稱為廢氣，廢氣中含有未消耗的反應(yīng)氣體)排到燃料電池 組周圍的區(qū)域并與含氧氣體混合而引起燃燒時(shí)，燃料電池組的溫度局部 較高。在這些情況下，燃料電池組不能穩(wěn)定地工作。另外，在燃燒期間 產(chǎn)生的水與被加熱的隔板局部接觸，導(dǎo)致隔板腐蝕。結(jié)果，隔板的耐用 性降低。而且，在電解質(zhì)電極組件中，具體是局部加熱的陽極被氧化。 從而在電解質(zhì)電極組件中發(fā)生破裂，并且性能不合期望地劣化。
在這方面，公知一種如日本特開專利公報(bào)No.2005-85520所公開的 固體氧化物燃料電池。如圖24所示，該燃料電池通過堆疊發(fā)電電池1、 燃料電極集電器2、空氣電極集電器3以及隔板4a、 4b而形成。發(fā)電電 池1包括燃料電極層lb、空氣電極層lc和插設(shè)在燃料電極層lb與空氣 電極層lc之間的固體電解質(zhì)層la。燃料電極集電器2設(shè)置在燃料電極層 lb的外側(cè)，空氣電極集電器3設(shè)置在空氣電極層lc的外側(cè)。
隔板4a包括燃料氣體通道5，燃料氣體通道5用于大致從面向燃料
電極集電器2的隔板4a的表面的中心部分供應(yīng)燃料氣體。隔板4b具有 含氧氣體通道6，含氧氣體通道6用于大致從面向空氣電極集電器3的隔 板4b的中心部分供應(yīng)含氧氣體。
雖然未示出，但一環(huán)形金屬蓋覆蓋了圓形多孔金屬體的外周部，其 中在蓋的整個(gè)側(cè)部上設(shè)有大量的排氣孔7。
在該結(jié)構(gòu)中，氣體從燃料電極集電器2的外周部僅通過排氣孔7排 出。從而，燃料氣體擴(kuò)散到多孔金屬體中并且未從燃料電極集電器2的 整個(gè)外周部逸出。根據(jù)該公開，抑制了在發(fā)電期間沒有使用并從外周部 排出的燃料氣體的量，從而可以防止空氣朝向燃料電極反向擴(kuò)散。
然而，在以上傳統(tǒng)技術(shù)中，隔板4a堆疊在燃料電極集電器2上，借 此從排氣孔7排出的排氣在隔板4a附近燃燒，從而產(chǎn)生水。因而，隔板 4a和發(fā)電電池1局部受熱，并趨于由于蒸汽氧化而容易損壞。還可能發(fā) 生腐蝕，這會(huì)不經(jīng)濟(jì)地使燃料電池的性能劣化。

發(fā)明內(nèi)容
為了處理并解決上述問題，本發(fā)明的目的在于提供結(jié)構(gòu)簡單的燃料 電池和燃料電池組，其中可以可靠地防止電解質(zhì)電極組件和隔板與在反 應(yīng)期間產(chǎn)生的水蒸汽接觸，從而有效地防止對(duì)電解質(zhì)電極組件和隔板的 損壞。
本發(fā)明涉及一種通過堆疊電解質(zhì)電極組件和隔板而形成的燃料電 池。該電解質(zhì)電極組件包括陽極、陰極和插設(shè)在所述陽極和陰極之間的 電解質(zhì)。在所述隔板的一個(gè)表面上形成用于沿著所述陽極的表面供應(yīng)燃 料氣體的燃料氣體通道，并且在所述隔板的另一個(gè)表面上形成用于沿著 所述陰極的表面供應(yīng)含氧氣體的含氧氣體通道。
所述燃料氣體通道具有位于與所述電解質(zhì)電極組件的外周部對(duì)應(yīng)的 位置處的終點(diǎn)，其中所述燃料氣體通道的該終點(diǎn)連接到燃料氣體排放通 道，該燃料氣體排放通道使在所述電解質(zhì)電極組件中消耗的燃料氣體從 與該電解質(zhì)電極組件的外周部向外隔開的位置逸出。
優(yōu)選的是，所述燃料氣體通道包括設(shè)置在所述隔板的一個(gè)表面上的
通道單元，其中該通道單元從燃料氣體入口連接到所述燃料氣體排放通 道。
優(yōu)選的是，所述燃料氣體排放通道由貫通所述隔板延伸的通孔以及 在該隔板的另一表面上設(shè)置的排放槽部件形成，其中該排放槽部件連接 到所述通孔并從所述電解質(zhì)電極組件向外延伸。
另外優(yōu)選的是，所述燃料氣體排放通道由排放槽和蓋部件形成，所 述排放槽設(shè)置在所述隔板的一個(gè)表面上并連接到所述燃料氣體通道，所 述蓋部件設(shè)置在所述隔板的一個(gè)表面上以覆蓋所述排放槽。
另外優(yōu)選的是，在所述隔板的一個(gè)表面上設(shè)置與所述陽極的外周部 緊密接觸的環(huán)形突起。通過該結(jié)構(gòu)，可以防止排氣(包含消耗的燃料氣 體和消耗的含氧氣體)進(jìn)入所述陽極的外周部，借此可以防止所述陽極 由于氧化而劣化。
另外優(yōu)選的是，所述通道單元由槽、多個(gè)突起或與所述陽極緊密接 觸的可變形彈性通道部件形成。
另外優(yōu)選的是，所述含氧氣體通道由設(shè)置在所述隔板的另一表面上 并與所述陰極緊密接觸的可變形彈性通道部件形成。通過該結(jié)構(gòu)，所述 陰極適當(dāng)與所述隔板緊密接觸，從而提高了從燃料電池集電的性能。
另外優(yōu)選的是，布置所述彈性通道部件的區(qū)域小于所述陽極的發(fā)電 區(qū)域。在該結(jié)構(gòu)中，即使排氣環(huán)流至所述電解質(zhì)電極組件的陽極，在所 述陰極的與所述陽極的外周邊緣相對(duì)的外周邊緣中也不存在發(fā)電區(qū)域。 從而可防止集電損失，借此提高了從燃料電池集電的性能。
另外優(yōu)選的是，所述彈性通道部件是導(dǎo)電網(wǎng)狀部件或氈部件。在這 種情況下，可提供簡化且經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)。
另外優(yōu)選的是，所述含氧氣體通道由設(shè)置在所述隔板的另一表面上 的多個(gè)突起形成。沿堆疊方向施加的載荷通過所述突起有效地傳遞，借 此提高了從燃料電池集電的性能。
另外優(yōu)選的是，所述突起由在所述隔板的一個(gè)表面上通過蝕刻形成 的多個(gè)固體部分構(gòu)成。從而，所述突起的形狀和位置可容易地進(jìn)行任意 改變，借此提高了從燃料電池集電的性能。
優(yōu)選的是，所述燃料電池還包括排氣通道，該排氣通道用于將反應(yīng) 期間在所述電解質(zhì)電極組件中消耗的燃料氣體和含氧氣體作為排氣沿所 述電解質(zhì)電極組件和所述隔板的堆疊方向排放。另外，設(shè)置含氧氣體供 應(yīng)單元作為含氧氣體在消耗之前的通路，用于將含氧氣體沿堆疊方向供 應(yīng)到含氧氣體通道。燃料氣體供應(yīng)單元相對(duì)于所述含氧氣體供應(yīng)單元?dú)?密地設(shè)置，其中燃料氣體供應(yīng)通道連接所述燃料氣體通道和所述燃料氣 體供應(yīng)單元，并且沿著所述隔板的表面布置從而與沿堆疊方向延伸的含 氧氣體供應(yīng)單元相交。在該結(jié)構(gòu)中，燃料氣體在消耗之前被排氣的熱預(yù) 先加熱。從而提高了熱效率。
另外優(yōu)選的是，所述排氣通道設(shè)置在所述隔板周圍。在該結(jié)構(gòu)中， 在燃料電池周圍提供絕熱，借此提高了熱效率。
優(yōu)選的是，所述燃料氣體供應(yīng)單元?dú)饷艿卦O(shè)置在所述隔板的中心部 分，并且所述含氧氣體供應(yīng)單元設(shè)置在所述隔板的內(nèi)部區(qū)域。在該結(jié)構(gòu) 中，含氧氣體從所述隔板的內(nèi)部區(qū)域向外流動(dòng)。因此，排氣被適當(dāng)?shù)嘏?放到所述隔板的外側(cè)。另外優(yōu)選的是，所述燃料氣體入口設(shè)置在所述電 解質(zhì)電極組件的中心。
優(yōu)選的是，所述燃料電池還包括排氣通道，該排氣通道用于將反應(yīng) 期間在所述電解質(zhì)電極組件中消耗的燃料氣體和含氧氣體作為排氣沿所 述電解質(zhì)電極組件和所述隔板的堆疊方向排放。另外，設(shè)置含氧氣體供 應(yīng)單元，該含氧氣體供應(yīng)單元作為含氧氣體在消耗之前的通路，用于將 含氧氣體沿堆疊方向供應(yīng)到含氧氣體通道。所述燃料氣體供應(yīng)單元和所 述含氧氣體供應(yīng)單元?dú)饷艿卦O(shè)置在所述排氣通道內(nèi)，其中所述燃料氣體 供應(yīng)通道連接所述燃料氣體通道和所述燃料氣體供應(yīng)單元，并且沿著所 述隔板的表面布置從而與沿堆疊方向延伸的排氣通道相交，并且其中所 述含氧氣體供應(yīng)通道連接所述含氧氣體通道和所述含氧氣體供應(yīng)單元， 并且沿著所述隔板的表面布置從而與所述排氣通道相交。
另外優(yōu)選的是，所述燃料氣體通道形成燃料氣體壓力腔室，使得在 燃料氣體供應(yīng)到所述燃料氣體通道時(shí)擠壓所述陽極，并且所述含氧氣體 通道形成含氧氣體壓力腔室，使得在含氧氣體供應(yīng)到所述含氧氣體通道
時(shí)擠壓所述陰極。
另外優(yōu)選的是，多個(gè)電解質(zhì)電極組件圍繞所述隔板的中心同心布置。 從而，所述燃料電池具有緊湊的結(jié)構(gòu)，借此可避免其上的熱變形的影響。
另外，本發(fā)明涉及一種通過堆疊多個(gè)燃料電池而形成的燃料電池組， 每個(gè)燃料電池通過堆疊電解質(zhì)電極組件和隔板而形成。該電解質(zhì)電極組 件包括陽極、陰極和插設(shè)在所述陽極和陰極之間的電解質(zhì)。在所述隔板 的一個(gè)表面上形成用于沿著所述陽極的表面供應(yīng)燃料氣體的燃料氣體通 道，并且在所述隔板的另一個(gè)表面上形成用于沿著所述陰極的表面供應(yīng) 含氧氣體的含氧氣體通道。在所述隔板的一個(gè)表面或另一個(gè)表面上設(shè)置 燃料氣體供應(yīng)通道，其中該燃料氣體供應(yīng)通道連接到為燃料氣體在消耗 之前提供通路的燃料氣體供應(yīng)單元，并設(shè)置用于將燃料氣體供應(yīng)到所述 燃料氣體通道中的燃料氣體入口 。
所述燃料氣體通道具有布置在與所述電解質(zhì)電極組件的外周部對(duì)應(yīng) 的位置處的終點(diǎn)，其中所述燃料氣體通道的終點(diǎn)連接到燃料氣體排放通 道，該燃料氣體排放通道使在所述電解質(zhì)電極組件中消耗的燃料氣體從 與該電解質(zhì)電極組件的外周部向外隔開的位置逸出。
在燃料氣體供應(yīng)到所述陽極以進(jìn)行發(fā)電反應(yīng)之后，當(dāng)燃料氣體從所 述陽極作為排氣排放時(shí)，排氣中包含未消耗的氣體。包含這種未消耗氣 體的排氣稱為廢氣。
根據(jù)本發(fā)明，在燃料氣體在所述電解質(zhì)電極組件中消耗之后，廢氣 從與所述電解質(zhì)電極組件的外周部向外隔開的位置逸出。從而，可以防 止所述電解質(zhì)電極組件和所述隔板由于廢氣和含氧氣體的反應(yīng)而被局部 加熱到高溫。另外，所述電解質(zhì)電極組件和所述隔板不會(huì)與在反應(yīng)期間 與水產(chǎn)生接觸。
從而，可以可靠地防止由于蒸汽氧化導(dǎo)致的腐蝕，從而可提高所述 隔板的耐用性。另外，可以防止所述電解質(zhì)電極組件的氧化，特別是所 述陽極的氧化。所以，可以防止所述電解質(zhì)電極組件的性能受損或劣化。


圖1是表示包括根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方式的燃料電池的燃料電池系
統(tǒng)的局部剖視圖2是示意性表示燃料電池系統(tǒng)的燃料電池組的立體圖3是表示燃料電池組的燃料電池的分解立體圖4是表示燃料電池中的氣體流動(dòng)的局部分解立體圖
圖5是表示隔板的一個(gè)表面的局部放大圖6是表示隔板的另一個(gè)表面的視圖7是示意性表示燃料電池的操作的剖視圖8是表示燃料氣體排放通道的另一結(jié)構(gòu)的視圖9是表示根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施方式的燃料電池的分解立體圖IO是表示燃料電池的隔板的前視圖11是示意性表示燃料電池的操作的剖視圖12是表示根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施方式的燃料電池的分解立體圖13是表示隔板的一個(gè)表面的局部放大圖14是示意性表示燃料電池的操作的剖視圖15是表示根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施方式的燃料電池的分解立體圖16是示意性表示燃料電池的操作的剖視圖17是表示根據(jù)本發(fā)明第五實(shí)施方式的燃料電池的分解立體圖18是示意性表示燃料電池的操作的剖視圖19是示意性表示根據(jù)本發(fā)明第六實(shí)施方式通過堆疊燃料電池而 形成的燃料電池組的立體圖20是表示燃料電池的分解立體圖21是表示燃料電池的前視圖22是沿圖21中的線XXII-XXII剖取的剖視圖23是表示根據(jù)本發(fā)明第七實(shí)施方式的燃料電池的分解立體圖；并
且
圖24是表示傳統(tǒng)燃料電池的視圖。
具體實(shí)施例方式
圖1是表示包括根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方式的燃料電池11的燃料電池
系統(tǒng)10的局部剖視圖。圖2是示意性表示通過沿箭頭A所示方向堆疊多 個(gè)燃料電池11而形成的燃料電池組12的立體圖。
燃料電池系統(tǒng)10用在各種應(yīng)用中，包括固定應(yīng)用和移動(dòng)應(yīng)用。例如， 燃料電池系統(tǒng)10可安裝在車輛上。如圖1所示，燃料電池系統(tǒng)10包括 燃料電池組12、熱交換器14、重整器16、以及殼體18。在含氧氣體供 應(yīng)至燃料電池組12之前，熱交換器14加熱該含氧氣體。重整器16重整 燃料以產(chǎn)生燃料氣體。燃料電池組12、熱交換器14和重整器16布置在 殼體18中。
在殼體18中，在燃料電池組12的一側(cè)上布置至少包括熱交換器14 和重整器16的流體單元19，并且在燃料電池組12的另一側(cè)上布置用于 沿著箭頭A所示的堆疊方向向燃料電池11施加緊固載荷的載荷施加機(jī)構(gòu) 21。流體單元19和載荷施加機(jī)構(gòu)21關(guān)于燃料電池組12的中心軸線對(duì)稱 地設(shè)置。
燃料電池ll是固體氧化物燃料電池(SOFC)。如圖3和圖4所示， 燃料電池11包括電解質(zhì)電極組件26。每個(gè)電解質(zhì)電極組件26均包括陰 極22、陽極24和插設(shè)在陰極22與陽極24之間的電解質(zhì)(電解質(zhì)板)20。 例如，電解質(zhì)20由諸如穩(wěn)定氧化鋯的離子導(dǎo)電固體氧化物制成。電解質(zhì) 電極組件26具有圓盤形狀。至少在電解質(zhì)電極組件26的外周邊緣上設(shè) 置阻擋層(未示出)，用于防止含氧氣體和燃料氣體進(jìn)出。
在一對(duì)隔板28之間插設(shè)多個(gè)(例如八個(gè))電解質(zhì)電極組件26以形 成燃料電池11。這八個(gè)電解質(zhì)電極組件26與穿過隔板28的中心延伸的 燃料氣體供應(yīng)通路30同心。
例如在圖3中，每個(gè)隔板28包括碳板或由例如不銹鋼合金制成的單 個(gè)金屬板。隔板28具有第一小直徑端部(反應(yīng)氣體供應(yīng)單元)32。燃料 氣體供應(yīng)通路30穿過第一小直徑端部32的中心延伸。第一小直徑端部 32通過多個(gè)第一橋34與圓盤(夾持部件)36—體形成。這些第一橋34 從第一小直徑端部32以等角度(間隔)徑向向外延伸。
圓盤36和電解質(zhì)電極組件26具有大致相同的尺寸。在圓盤36的中
心或者在含氧氣體流動(dòng)方向上偏離圓盤36中心的上游位置形成用于供應(yīng) 燃料氣體的燃料氣體入口 38。在圓盤36的外端(在隔板28的外周部中) 設(shè)置板狀延伸部40。板狀延伸部40沿箭頭B所示的方向向外突出。
每個(gè)圓盤36在其接觸陽極24的表面36a上包括用于沿著陽極24的 表面供應(yīng)燃料氣體的燃料氣體通道46。如圖5所示，燃料氣體通道46包 括在圓盤36上圍繞燃料氣體入口 38同心形成的多個(gè)環(huán)形槽(通道單元) 48a至48f。直徑最小的環(huán)形槽48a通過直槽50連接到燃料氣體入口 38。 環(huán)形槽的直徑從環(huán)形槽48a到環(huán)形槽48f向外變大。環(huán)形槽48a至48f通 過沿箭頭B所示方向交替布置在前側(cè)和后側(cè)上的連接槽52連接在一起。
直徑最大的環(huán)形槽48f在其沿箭頭B所示方向的前端處連接到排放 孔(通孔)54。如下所述，燃料氣體入口 38借助于環(huán)形槽48a至48f通 過排放孔54連接到燃料氣體排放通道68。在各個(gè)圓盤36的外周區(qū)域中 設(shè)置環(huán)形突起56。環(huán)形突起56與電解質(zhì)電極組件26的陽極24的外周部 緊密接觸。
如圖6所示，每個(gè)圓盤36具有與陰極22接觸的平坦表面36b。燃 料氣體供應(yīng)通道58從第一小直徑端部32延伸到第一橋34。燃料氣體供 應(yīng)通道58將燃料氣體供應(yīng)通路30連接到燃料氣體入口 38。例如，燃料 氣體供應(yīng)通道58可通過蝕刻形成。
如圖3所示，通道部件60例如通過釬焊或激光焊而固定在隔板28 面向陰極32的表面上。通道部件60具有扁平形狀，并包括第二小直徑 端部62。燃料氣體供應(yīng)通路30穿過第二小直徑端部62的中心延伸。八 個(gè)第二橋64從第二小直徑端部62徑向延伸。各個(gè)第二橋64固定至隔板 28，從第一橋34延伸到圓盤36的表面36b，并覆蓋燃料氣體入口 38 (見 圖7)。
如圖3和圖7所示，排放槽部件66固定到圓盤36的表面36b。排 放槽部件66覆蓋排放孔54和板狀延伸部40。在排放槽部件66中形成連 接到排放孔54的排放槽66a。通過排放孔54和排放槽66a形成燃料氣體 排放通道68。
燃料氣體排放通道68在排放槽部件66的端部處向外開口 。排放槽
部件66的端部與電解質(zhì)電極組件26的外周面之間的距離H確定為使得 可適當(dāng)?shù)乇苊飧舭?8和電解質(zhì)電極組件26受到由廢氣和含氧氣體的混 合物形成的燃燒氣體的影響，而且避免它們受到水的影響。
在圓盤36的表面36b上設(shè)置可變形的彈性通道部件，例如導(dǎo)電網(wǎng)狀 部件72。導(dǎo)電網(wǎng)狀部件72形成用于沿著陰極22的表面供應(yīng)含氧氣體的 含氧氣體通道70，其中導(dǎo)電網(wǎng)狀部件72布置為與陰極22緊密接觸。還 可以使用例如氈部件來代替網(wǎng)狀部件72。
例如，網(wǎng)狀部件72可由不銹鋼盤條制成并具有圓盤形狀。網(wǎng)狀部件 72的厚度確定為使得在向網(wǎng)狀部件72施加沿堆疊方向(箭頭A所示方 向)的載荷時(shí)，網(wǎng)狀部件72可以彈性變形。網(wǎng)狀部件72與圓盤36的表 面36b直接接觸，并且具有用作設(shè)置通道部件60和排放槽部件66的空 間的切口 72a、 72b。
如圖7所示，布置有網(wǎng)狀部件72的區(qū)域小于陽極24的發(fā)電區(qū)域。 形成在網(wǎng)狀部件72中的含氧氣體通道70連接到含氧氣體供應(yīng)通路(含 氧氣體供應(yīng)單元)74。含氧氣體通過電解質(zhì)電極組件26的內(nèi)周邊緣與圓 盤36的內(nèi)周邊緣之間的空間沿箭頭B所示的方向供應(yīng)。含氧氣體供應(yīng)通 路74在各個(gè)圓盤36和第一橋34中沿堆疊方向延伸。
在隔板28之間設(shè)置用于密封燃料氣體供應(yīng)通路30的絕緣密封件76。 例如，絕緣密封件76可由云母材料或陶瓷材料制成。用于燃料電池11 的排氣通道78形成在圓盤36的外側(cè)。
如圖1和圖2所示，燃料電池組12包括沿堆疊方向設(shè)置在燃料電池 11的相對(duì)端部處的端板80a、 80b。端板80a具有大致圓盤形狀。環(huán)形部 分82從端板80a的外周端部突出，在環(huán)形部分82周圍形成槽84。在環(huán) 形部分82的中心形成柱形突起86。柱形突起86沿著與環(huán)形部分82相同 的方向突出。在突起86中形成臺(tái)階孔88。
孔90和螺紋孔92形成為位于突起86周圍的同一虛圓內(nèi)?？?0和 螺紋孔92交替布置在與形成在第一橋34和第二橋64之間的含氧氣體供 應(yīng)通路74的相應(yīng)空間對(duì)應(yīng)的位置處，同時(shí)彼此隔開預(yù)定角度(間隔)。 端板80b的直徑大于端板80a的直徑。另外，端板80a是導(dǎo)電薄板。
殼體18包括容納載荷施加機(jī)構(gòu)21的第一殼體單元96a和容納燃料 電池組12的第二殼體單元96b。端板80b和一絕緣部件夾在第一殼體單 元96a與第二殼體單元96b之間。該絕緣部件設(shè)置在第二殼體單元96b 的側(cè)部上。在第一殼體單元96a與第二殼體單元96b之間的接合部分通 過螺栓98和螺母100緊固。端板80b起到氣體屏障的作用，其防止了來 自流體單元19的熱排氣或熱空氣進(jìn)入載荷施加機(jī)構(gòu)21。
環(huán)形壁板102的一端接合到第二殼體單元96b，頂板104固定至壁 板102的另一端。流體單元19關(guān)于燃料電池組12的中心軸線對(duì)稱設(shè)置。 特別的是，大致柱形的重整器16在大致環(huán)形的熱交換器14內(nèi)同軸設(shè)置。
壁板106固定至端板80a周圍的槽84,從而形成通道部件108。熱 交換器14和重整器16直接連接到通道部件108。在通道部件108中形成 腔室108a，其中腔室108a臨時(shí)填充有由熱交換器14加熱的空氣。孔90 形成開口，用于將臨時(shí)填充腔室108a的空氣供應(yīng)到燃料電池組12。
燃料氣體供應(yīng)管IIO和重整氣體供應(yīng)管112連接到重整器16。燃料 氣體供應(yīng)管110從頂板104延伸到外部。重整氣體供應(yīng)管112插入端板 80a的臺(tái)階孔88中，并連接到燃料氣體供應(yīng)通路30 。
空氣供應(yīng)管114和排氣管116連接到頂板104。在殼體18中設(shè)置有 從空氣供應(yīng)管114延伸并通過熱交換器14向通道部件108直接開口的通 道118，以及從燃料電池組12的排氣通道78經(jīng)過熱交換器14延伸到排 氣管116的另一通道120。
載荷施加機(jī)構(gòu)21包括第一緊固單元122a和第二緊固單元122b，第 -一緊固單元122a用于向燃料氣體供應(yīng)通路30周圍(或附近)的區(qū)域施 加第一緊固載荷Tl ，第二緊固單元122b用于向電解質(zhì)電極組件26施加 第二緊固載荷T2。第二緊固載荷T2小于第一緊固載荷T1 (T1〉T2)。
第一緊固單元122a包括擰入沿著端板80a的一個(gè)對(duì)角線形成的螺紋 孔92中的較短的第一緊固螺栓124a。第一緊固螺栓124a沿著燃料電池 11的堆疊方向延伸，并與第一壓板126a接合。第一緊固螺栓124a還設(shè) 置在穿過隔板28延伸的含氧氣體供應(yīng)通路74中。第一壓板126a由窄板 形成，并與隔板28的中心位置接合以覆蓋燃料氣體供應(yīng)通路30。
第二緊固單元U2b包括擰入沿著端板80a的另一個(gè)對(duì)角線形成的螺 紋孔92中的較長的第二緊固螺栓124b。第二緊固螺栓124b的端部延伸 穿過具有彎曲外部的第二壓板126b。螺母127裝配到第二緊固螺栓124b 的端部。第二緊固螺栓124b還設(shè)置在穿過隔板28延伸的含氧氣體供應(yīng) 通路74中。在第二壓板126b的相應(yīng)的圓形部分中，在與燃料電池ll的 圓盤36上的電解質(zhì)電極組件26對(duì)應(yīng)的位置處設(shè)置彈簧128和彈簧座129。 彈簧118例如是陶瓷彈簧。
下面將描述燃料電池系統(tǒng)10的操作。
如圖3所示，在組裝燃料電池系統(tǒng)10時(shí)，首先，將通道部件60接 合到隔板28的面向陰極22的表面上。因此，在隔板28與通道部件60 之間形成與燃料氣體供應(yīng)通路30相連接的燃料氣體供應(yīng)通道58。燃料氣 體供應(yīng)通道58通過燃料氣體入口 38連接到燃料氣體通道46 (見圖7)。
排放槽部件66接合到各個(gè)圓盤36的表面36b上。因此，排放孔54 和排放槽66a連接在一起而形成燃料氣體排放通道68。在各個(gè)隔板28上 在燃料氣體供應(yīng)通路30周圍設(shè)置環(huán)形絕緣密封件76。
按以下方式制造隔板28。具體地說，在一對(duì)隔板28之間插設(shè)八個(gè) 電解質(zhì)電極組件26以形成燃料電池11。如圖3和圖4所示，電解質(zhì)電極 組件26插設(shè)在一個(gè)隔板28的表面36a與另一隔板28的表面36b之間。 燃料氣體入口 38大致定位在各陽極24的中心位置。在隔板28的表面36b 與電解質(zhì)電極組件26之間設(shè)置網(wǎng)狀部件72。網(wǎng)狀部件72的兩個(gè)切口 72a、 72b設(shè)置在與通道部件60和排放槽部件66相對(duì)應(yīng)的位置。
沿箭頭A所示的方向堆疊多個(gè)燃料電池11，端板80a、 80b設(shè)在沿 堆疊方向的相對(duì)端處。如圖1和圖2所示，第一緊固單元122a的第一壓 板126a設(shè)置在燃料電池11的中心。
在該狀態(tài)下，將較短的第一緊固螺栓124a朝著端板80a插入穿過第 一壓板126a和端板80b。第一緊固螺栓124a的前端被擰入并裝配到沿著 端板80a的一個(gè)對(duì)角線形成的螺紋孔92中。第一緊固螺栓124a的頭部 與第一壓板126a接合。第一緊固螺栓124a在螺紋孔92內(nèi)旋轉(zhuǎn)以調(diào)節(jié)第 一壓板126a的表面壓力。這樣，在燃料電池組12中，向燃料氣體供應(yīng)
通路30附近的區(qū)域施加第一緊固載荷Tl 。
然后，將彈簧128和彈簧座129與電解質(zhì)電極組件26在圓盤36的 相應(yīng)位置同軸地對(duì)準(zhǔn)。第二緊固單元122b的第二壓板126b與設(shè)置在彈 簧128的一端的彈簧座129接合。
然后，將較長的第二緊固螺栓124b朝著端板80a插入穿過第二壓板 126b和端板80b。第二緊固螺栓124b的前端被擰入并裝配到沿著端板80a 的另一個(gè)對(duì)角線形成的螺紋孔92中。將螺母127裝配到第二緊固螺栓 124b的頭部。因此，通過調(diào)節(jié)螺母127與第二緊固螺栓124b之間的螺紋 接合狀態(tài)，通過相應(yīng)彈簧128的彈力向電解質(zhì)電極組件26施加第二緊固 載荷T2。
燃料電池組12的端板80b夾在殼體18的第一殼體單元96a與第二 殼體單元96b之間。第一殼體單元96a和第二殼體單元96b通過螺栓98 和螺母100而固定在一起。流體單元19安裝在第二殼體單元96b中。流 體單元19的壁板106附接于端板80a周圍的槽84。因此，在端板80a與 壁板106之間設(shè)置通道部件108。
如圖1所示，在燃料電池系統(tǒng)10中，從燃料氣體供應(yīng)管110供應(yīng)燃 料(甲垸、乙烷、丙烷等)，在需要時(shí)供應(yīng)水，并從空氣供應(yīng)管114供應(yīng) 含氧氣體(下文簡稱為"空氣")。
燃料在經(jīng)過重整器16時(shí)被重整從而產(chǎn)生燃料氣體(含氫氣體)。燃 料氣體供應(yīng)至燃料電池組12的燃料氣體供應(yīng)通路30。燃料氣體沿箭頭A 所示的堆疊方向運(yùn)動(dòng)，通過各個(gè)燃料電池11的隔板28流入燃料氣體供 應(yīng)通道58 (見圖7)。
燃料氣體沿著在第一和第二橋34、 64之間的燃料氣體供應(yīng)通道58 流動(dòng)，并流入圓盤36的燃料氣體入口 38。從而將燃料氣體供應(yīng)至各個(gè)圓 盤36上的燃料氣體通道46。燃料氣體入口 38形成在與電解質(zhì)電極組件 26的陽極24的大致中心位置對(duì)應(yīng)的位置處。因此，燃料氣體從燃料氣體 入口 38供應(yīng)至陽極24的大致中心區(qū)域，并且從陽極24的中心區(qū)域向外 流動(dòng)。
具體地說，如圖5所示，燃料氣體通道46包括多個(gè)環(huán)形槽48a至48f。 首先，燃料氣體通過連接到燃料氣體入口 38的直槽50供應(yīng)至環(huán)形槽48a。 在燃料氣體流動(dòng)通過環(huán)形槽48a時(shí)，燃料氣體臨時(shí)通過連接槽52向外流 動(dòng)，然后供應(yīng)至環(huán)形槽48a外側(cè)的環(huán)形槽48b。從而，燃料氣體然后沿著 環(huán)形槽48b流動(dòng)。
另外，通過連接槽52供應(yīng)到環(huán)形槽48b外側(cè)的環(huán)形槽48c的燃料氣 體通過連接槽52沿著其它環(huán)形槽48d至48f流動(dòng)，直到燃料氣體到達(dá)排 放孔54。因此，燃料氣體從陽極24的大致中心區(qū)域向外供應(yīng)。在消耗之 后，燃料氣體通過排放孔54排放。
如圖7所示，通過排放孔54排放的消耗的燃料氣體朝表面36b運(yùn)動(dòng), 并流入排放槽66a。從而，消耗的燃料氣體在箭頭B所示的方向上沿著燃 料氣體排放通道68流動(dòng)。然后，消耗的燃料氣體從排放槽部件66的外 端排放到外部。
如圖1所示，來自空氣供應(yīng)管114的空氣流動(dòng)通過熱交換器14的通 道118，并臨時(shí)流入腔室108a?？諝饬鲃?dòng)通過連接到腔室108a的孔90， 并供應(yīng)至設(shè)置在燃料電池11的大致中心的含氧氣體供應(yīng)通路74。這時(shí)， 在熱交換器14中，如后所述，因?yàn)榕欧诺脚艢馔ǖ?8的排氣流動(dòng)通過 通道120，所以在空氣供應(yīng)到燃料電池11之前在空氣與排氣之間進(jìn)行熱 交換。因此，空氣被預(yù)先加熱到期望的燃料電池工作溫度。
供應(yīng)至含氧氣體供應(yīng)通路74的含氧氣體沿箭頭B所示的方向流入電 解質(zhì)電極組件26的內(nèi)周邊緣與圓盤36的內(nèi)周邊緣之間的空間，然后朝 由網(wǎng)狀部件72形成的含氧氣體通道70流動(dòng)。如圖7所示，在含氧氣體 通道70中，含氧氣體從內(nèi)周邊緣(隔板28的中心區(qū)域)流向外周邊緣 (隔板28的外區(qū)域)，更具體地說，從電解質(zhì)電極組件26的陰極22的 外周區(qū)域的一端流向另一端。
因此，在電解質(zhì)電極組件26中，燃料氣體從陽極24的中心區(qū)域流 向外周區(qū)域，含氧氣體沿著陰極22的電極表面在箭頭B所示的一個(gè)方向 上流動(dòng)。這時(shí)，氧離子通過電解質(zhì)20流向陽極24，以在其間的電化學(xué)反 應(yīng)作用下發(fā)電。
排至相應(yīng)的電解質(zhì)電極組件26外側(cè)的排氣(廢氣)沿堆疊方向流動(dòng)
通過排氣通道78。當(dāng)排氣流動(dòng)通過熱交換器14的通道120時(shí)，在排氣與 空氣之間進(jìn)行熱交換。然后將排氣排至排氣管116中(見圖l)。
在第一實(shí)施方式中，如圖5所示，燃料氣體通道46具有位于燃料氣 體入口 38并向電解質(zhì)電極組件26的中心位置開口的起點(diǎn)。另外，燃料 氣體通道46具有位于與電解質(zhì)電極組件26的外周邊緣對(duì)應(yīng)的位置的終 點(diǎn)。在該終點(diǎn)處，燃料氣體通道46連接到排放孔54，從而將在電解質(zhì)電 極組件26中消耗的燃料氣體從燃料氣體通道46排放。
如圖7所示，從排放孔54排放的廢氣流入包括設(shè)置在排放槽部件 66中的排放槽66a的燃料氣體排放通道68。廢氣在燃料氣體排放通道68 中沿箭頭B所示的方向運(yùn)動(dòng)，并且廢氣在與隔板28和電解質(zhì)電極組件 26的外周部向外隔開預(yù)定距離H的位置處逸出(排放)到外側(cè)。
因此，廢氣和反應(yīng)后的含氧氣體混合在一起的區(qū)域(反應(yīng)區(qū)域)與 電解質(zhì)電極組件26和隔板28的外周部明顯隔開。從而，防止了電解質(zhì) 電極組件26和隔板28由于形成為廢氣和空氣混合物的熱燃燒氣體或者 由于燃燒氣體的任何反應(yīng)而被局部加熱至高溫。另外，電解質(zhì)電極組件 26和隔板28不會(huì)與在反應(yīng)期間與水產(chǎn)生接觸。
因此，可以可靠地防止由于蒸汽氧化導(dǎo)致的腐蝕，從而可提高隔板 28的耐用性。另外，可以防止電解質(zhì)電極組件26的氧化，特別是陽極 24的氧化。所以，可以防止電解質(zhì)電極組件26的性能受損或劣化。
在第一實(shí)施方式中，如圖3和圖7所示，在各個(gè)圓盤36的表面36a 上設(shè)置環(huán)形突起56。環(huán)形突起56與陽極24的外周部緊密接觸。因此， 排氣不會(huì)進(jìn)入陽極24的外周部。從而，可以利用無密封件(無密封)結(jié) 構(gòu)可靠地防止陽極24由于氧化而劣化。
電解質(zhì)電極組件26的陰極22與網(wǎng)狀部件72接觸。在這種狀態(tài)下， 向燃料電池11的構(gòu)件施加沿箭頭A所示的堆疊方向的載荷。由于網(wǎng)狀部 件72可變形，因此網(wǎng)狀部件72保持與陰極22緊密接觸。
在該結(jié)構(gòu)中，可通過網(wǎng)狀部件72的彈性變形適當(dāng)?shù)匚赵谥圃祀娊?質(zhì)電極組件26或隔板28時(shí)可能產(chǎn)生的尺寸誤差或變形。從而在第一實(shí) 施方式中，防止了在堆疊燃料電池11的構(gòu)件時(shí)可能產(chǎn)生的損壞。由于燃
料電池11的構(gòu)件在多個(gè)位置彼此接觸，所以可以提高在從燃料電池11 集電時(shí)的性能。
另外，在第一實(shí)施方式中，燃料氣體供應(yīng)通路30氣密地設(shè)置在含氧 氣體供應(yīng)通路74內(nèi)，而且沿著隔板表面設(shè)置燃料氣體供應(yīng)通道58。因此， 燃料氣體在消耗之前被已經(jīng)在熱交換器14中通過熱交換而加熱的熱含氧 氣體加熱。從而可提高熱效率。
另外，排氣通道78設(shè)置在隔板28的周圍。排氣通道78用于防止來 自隔板28的熱輻射。另外，燃料氣體入口 38設(shè)置在圓盤36的大致中心， 或者設(shè)置在沿含氧氣體流動(dòng)方向且偏離圓盤36的中心的上游位置。因此， 從燃料氣體入口 38供應(yīng)的燃料氣體從陽極24的中心徑向擴(kuò)散。從而發(fā) 生順利均勻的反應(yīng)，借此可提高燃料利用率。
另外，網(wǎng)狀部件72占據(jù)的區(qū)域比陽極24的發(fā)電區(qū)域小(見圖6)。 因此，即使排氣從電解質(zhì)電極組件26的外側(cè)環(huán)流至陽極24，沿著陰極 22的與陽極24的外周邊緣相對(duì)的外周邊緣也不存在發(fā)電區(qū)域。這樣，環(huán) 流的燃料消耗不會(huì)明顯增加，并且可容易地收集較大的電動(dòng)勢。因此提 高了集電性能，并可實(shí)現(xiàn)有利的燃料利用率。另外，本發(fā)明可以僅通過 使用網(wǎng)狀部件72作為彈性通道部件而容易地實(shí)施。這樣，本發(fā)明的結(jié)構(gòu) 既簡單又節(jié)省成本。
具體地說，即使在使用強(qiáng)度較小的具有薄電解質(zhì)20和薄陰極22的 電解質(zhì)電極組件26 (即，所謂的支撐膜式MEA)時(shí)，由網(wǎng)狀部件72施 加到電解質(zhì)20和陰極22的應(yīng)力也是適度的，從而有利地減少了對(duì)電解 質(zhì)電極組件26的損壞。
另夕卜，八個(gè)電解質(zhì)電極組件26圍繞隔板28的中心同心布置。因此， 由于燃料電池ll的整體尺寸較小，所以可避免熱變形的影響。
在第一實(shí)施方式中，燃料氣體通道46包括多個(gè)彼此同心布置的環(huán)形 槽48a至48f，其中連接槽52在相應(yīng)的對(duì)角位置連接環(huán)形槽48a至48f。 然而，本發(fā)明在這方面不受限制。可以采用各種其它的形狀。例如，所 述槽可以具有螺旋形狀。
可使用燃料氣體通道46a代替燃料氣體通道46,如圖8所示。燃料
氣體通道46a包括以與燃料氣體通道46相同的方式彼此同心布置的多個(gè) 環(huán)形槽48a至48f。另外，環(huán)形槽48f具有作為其端部的分割部49。連接 到燃料氣體排放通道68的排放孔54a、54b分別形成在環(huán)形槽48f的兩端。
圖9是表示根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施方式的燃料電池140的分解立體圖。 與根據(jù)第一實(shí)施方式的燃料電池11相同的構(gòu)成元件標(biāo)有相同的附圖標(biāo) 記，并將省略對(duì)這些特征的詳細(xì)描述。而且在后述的第三至第六實(shí)施方 式中，與根據(jù)第一實(shí)施方式的燃料電池11相同的構(gòu)成元件標(biāo)有相同的附 圖標(biāo)記，并將省略對(duì)這些特征的詳細(xì)描述。
燃料電池140具有隔板142，其中在隔板142的面對(duì)陰極22的表面 上形成含氧氣體通道144。含氧氣體通道144由形成在各個(gè)圓盤36的表 面36b上的多個(gè)突起146形成(見圖10和11)。
突起146是例如通過在表面36b上蝕刻形成的固體部分。突起146 的截面形狀可采用各種形狀，例如矩形、圓形或三角形。這些突起146 的位置或密度可根據(jù)含氧氣體等的流動(dòng)狀態(tài)和/或流體情況任意改變。
在第二實(shí)施方式中，沿堆疊方向的載荷通過圓盤36的突起146有效 傳遞。因此，燃料電池140可利用較小載荷堆疊在一起，從而減小電解 質(zhì)電極組件26和隔板142的變形。
圓盤36的表面36b上的突起146通過蝕刻等而形成為固體部分。因 此，這些突起146的形狀、位置和密度可根據(jù)含氧氣體的流動(dòng)狀態(tài)和/或 流體情況容易地進(jìn)行任意改變，借此可實(shí)現(xiàn)燃料氣體的期望流動(dòng)。另外， 由于突起146形成為固體部分，所以突起146不能變形，從而載荷可靠 地通過突起146傳遞，因此通過突起146有效地集電。
圖12是表示根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施方式的燃料電池160的分解立體圖。
燃料電池160具有隔板162，其中在隔板162的面對(duì)陽極24的表面 上形成燃料氣體排放通道164。如圖12和13所示，燃料氣體排放通道 164形成在各個(gè)圓盤36的表面36a上。燃料氣體排放通道164包括排 放槽166，其連接到燃料氣體通道46;以及蓋部件168，其設(shè)置在表面 36a上從而關(guān)閉排放槽166。
設(shè)置排放槽166取代排放孔54，設(shè)置在沿著板狀延伸部40與排放 孔54對(duì)應(yīng)的位置。排放槽166包括臺(tái)階(未示出)，其中蓋部件168設(shè) 置在該臺(tái)階上。從而，蓋部件168的表面和環(huán)形突起56的表面都布置在 同一平面中。
在第三實(shí)施方式中，如圖14所示，燃料氣體流動(dòng)通過燃料氣體通道 46，并供應(yīng)至電解質(zhì)電極組件26的陽極24。在燃料氣體已經(jīng)在反應(yīng)期間 消耗之后，燃料氣體流入在陽極24外周端附近的排放槽166，并且在箭 頭B所示的方向上沿著燃料氣體排放通道164排放。
因此，燃料氣體在已經(jīng)消耗之后在與電解質(zhì)電極組件26的外周部向 外隔開預(yù)定距離H的位置處逸出。從而可獲得與第一和第二實(shí)施方式相 同的優(yōu)點(diǎn)。例如，可防止隔板162或電解質(zhì)電極組件26的損壞或劣化。
在第一至第三實(shí)施方式中，用作含氧氣體的空氣從隔板28、 142、 162的中心向外供應(yīng)。然而，本發(fā)明在這方面不受限制?？蛇x的是，空氣 可從隔板28、 142、 162的外側(cè)向內(nèi)供應(yīng)。
圖15是表示根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施方式的燃料電池180的分解立體圖。
燃料電池180包括隔板182，其中在隔板182的面對(duì)陽極24的表面 上形成燃料氣體通道46。燃料氣體通道46由設(shè)置在各個(gè)圓盤36的表面 36a上的多個(gè)突起186形成(見圖15和16)。突起186是例如通過蝕刻 形成在表面36a上的固體部分。
圖17是表示根據(jù)本發(fā)明第五實(shí)施方式的燃料電池190的分解立體圖。
燃料電池190具有隔板192,其中在隔板192的圓盤36的表面36a 上設(shè)置諸如導(dǎo)電網(wǎng)狀部件196的可變形的彈性通道部件。導(dǎo)電網(wǎng)狀部件 196形成燃料氣體通道46，燃料氣體通過燃料氣體通道46沿著陽極24 的表面供應(yīng)，其中導(dǎo)電網(wǎng)狀部件196與陽極24緊密接觸(見圖17和18)。
圖19是示意性表示根據(jù)本發(fā)明第六實(shí)施方式的燃料電池組202的立 體圖，燃料電池組202通過沿箭頭A所示的方向堆疊燃料電池200而形 成。
如圖20所示，燃料電池200通過在一對(duì)隔板204之間夾設(shè)電解質(zhì)電 極組件26而形成。每個(gè)隔板204包括第一板206、第二板208和第三板 210。例如，第一至第三板206、 208、 210是例如由不銹合金形成的金屬 板。第一板206和第三板210例如通過釬焊而接合到第二板208的兩個(gè) 表面上。
如圖20和21所示，第一板206具有第一小直徑端部(反應(yīng)氣體供 應(yīng)單元)212。用于沿箭頭A所示的方向供應(yīng)燃料氣體的燃料氣體供應(yīng)通 路30延伸穿過第一小直徑端部212。第一小直徑端部212通過窄橋214 與直徑相對(duì)較大的第一圓盤(夾持部件)216—體形成。電解質(zhì)電極組件 26的第一圓盤216和陽極24的尺寸大致相同。
在第一圓盤216的與陽極24接觸的表面上，在鄰近外周區(qū)域的中心 區(qū)域中形成大量的第一突起220。在第一圓盤216的外周區(qū)域上設(shè)置大致 環(huán)形的突起222。第一突起220與電解質(zhì)電極組件26的陽極24接觸，從 而在第一突起220與陽極24之間形成用于將燃料氣體供應(yīng)到陽極24的 燃料氣體通道46。第一突起220和大致環(huán)形突起222共同形成集電器。
燃料氣體入口 38設(shè)置在第一圓盤216的中心，用于朝向陽極24的 大致中心區(qū)域供應(yīng)燃料氣體。在第一圓盤216的大致環(huán)形突起222中形 成多個(gè)排放孔(通孔)224。第一突起220可由設(shè)置在與大致環(huán)形突起222 的表面位于同一平面的表面中的多個(gè)凹部形成。多個(gè)板狀延伸部226以 預(yù)定角度(間隔)設(shè)置在第一圓盤216的外周部中。
如圖20所示，第三板210包括第二小直徑端部(反應(yīng)氣體供應(yīng)單元) 228。用于沿箭頭A所示的方向供應(yīng)含氧氣體的含氧氣體供應(yīng)通路74延 伸穿過第二小直徑端部228。第二小直徑端部228通過窄橋230與直徑相 對(duì)較大的第二圓盤(夾持部件)232 —體形成。
如圖22所示，在第二圓盤232的與電解質(zhì)電極組件26的陰極22接 觸的整個(gè)表面上形成多個(gè)第二突起234。第二突起234與電解質(zhì)電極組件 26的陰極22接觸，從而在第二突起234與陰極22之間形成用于將含氧 氣體供應(yīng)到陰極22的含氧氣體通道70。第二突起234起到集電器的作用。 含氧氣體入口 236設(shè)置在第二圓盤232的中心，用于朝向陰極22的大致200680049783.6
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中心區(qū)域供應(yīng)含氧氣體。
如圖20所示，第二板208包括第三小直徑端部(反應(yīng)氣體供應(yīng)單元) 238和第四小直徑端部(反應(yīng)氣體供應(yīng)單元)240。燃料氣體供應(yīng)通路30 延伸穿過第三小直徑端部238，含氧氣體供應(yīng)通路74延伸穿過第四小直 徑端部240。第三和第四小直徑端部238、 240分別通過窄橋242、 244與 直徑相對(duì)較大的第三圓盤(夾持部件)246 —體形成。第一至第三圓盤 216、 232、 246的直徑相同。
沿著第三圓盤246的外周部以預(yù)定角度(間隔)設(shè)置多個(gè)板狀延伸 部248。當(dāng)?shù)谝缓偷谌龍A盤216、 246堆疊在一起時(shí)，板狀延伸部226、 248形成大致矩形的管狀，其中連接到排放孔224的燃料氣體排放通道 250形成在板狀延伸部226、 248之間(見圖22)。
燃料氣體供應(yīng)通道58形成在橋214、 242之間，含氧氣體供應(yīng)通道 252形成在橋230、 244之間。含氧氣體供應(yīng)通道252連接到含氧氣體入 CI 236。
在第三圓盤246面對(duì)第一板206的表面中設(shè)置分隔件254。分隔件 254相對(duì)于第三圓盤246的中心同軸布置。分隔件254由大致環(huán)形突起形 成，其中燃料氣體供應(yīng)通道58被分隔件254分為第一和第二燃料氣體通 道單元58a、 58b。在分隔件254內(nèi)側(cè)在第三圓盤246的表面上設(shè)置多個(gè) 第三突起256。
如圖22所示，第一板206通過釬焊接合到第二板208，從而形成燃 料氣體供應(yīng)通道58，燃料氣體供應(yīng)通道58在第一和第二板206、 208之 間連接到燃料氣體供應(yīng)通路30和燃料氣體入口 38。
當(dāng)燃料氣體供應(yīng)到第一燃料氣體通道單元58a時(shí)，第一圓盤216在 壓力下與陽極24接觸。具體地說，第一燃料氣體通道單元58a形成第一 燃料氣體壓力腔室258a。在第一燃料氣體壓力腔室258a周圍設(shè)置第二燃 料氣體通道單元58b。當(dāng)燃料氣體供應(yīng)到第二燃料氣體通道單元58b時(shí)， 第一圓盤216在壓力下擠壓陽極24。具體地說，第二燃料氣體通道單元 58b形成第二燃料氣體壓力腔室258b。
第二板208通過釬焊接合到第三板210,從而形成含氧氣體供應(yīng)通
道252，含氧氣體供應(yīng)通道252在第二板208與第三板210之間連接到含 氧氣體供應(yīng)通路74以及含氧氣體入口 236。當(dāng)含氧氣體供應(yīng)到含氧氣體 供應(yīng)通道252時(shí)，第二圓盤232在壓力下與陰極22接觸。具體地說，含 氧氣體供應(yīng)通道252形成含氧氣體壓力腔室260。如圖20所示，在隔板 204之間圍繞燃料氣體供應(yīng)通路30和含氧氣體供應(yīng)通路74插設(shè)絕緣密封 件76a、 76b。
如圖19所示，燃料電池組202包括沿堆疊方向設(shè)置在燃料電池200 的相對(duì)端部處的端板270a、 270b。端板270a或端板270b與緊固螺栓272 電絕緣。第一管274和第二管276延伸穿過端板270a。第一管274連接 到燃料電池200的燃料氣體供應(yīng)通路30，第二管276連接到燃料電池200 的含氧氣體供應(yīng)通路74。
在燃料電池組202中，燃料氣體供應(yīng)到與端板270a相連的第一管 274，并且燃料氣體從第一管274流入燃料氣體供應(yīng)通路30。含氧氣體(下 文簡稱為空氣)供應(yīng)到與端板270a相連的第二管276，空氣從第二管276 流至含氧氣體供應(yīng)通路74。
如圖22所示，在燃料氣體流入燃料氣體供應(yīng)通路30之后，燃料氣 體沿箭頭A所示的堆疊方向流動(dòng)，并供應(yīng)到各個(gè)燃料電池200的隔板204 中的燃料氣體供應(yīng)通道58。燃料氣體沿著燃料氣體供應(yīng)通道58流動(dòng)，然 后流入第一燃料氣體通道單元58a。燃料氣體入口 38形成在第一燃料氣 體通道單元58a的中心。燃料氣體流入燃料氣體入口 38并流向燃料氣體 通道46。
在空氣流入含氧氣體供應(yīng)通路74之后，含氧氣體流動(dòng)通過隔板28 中的含氧氣體供應(yīng)通道252，并供應(yīng)到含氧氣體壓力腔室260?？諝獯笾?在第二圓盤232的中心流入含氧氣體入口 236。
在各個(gè)電解質(zhì)電極組件26中，含氧氣體入口 236設(shè)置在與陰極22 的中心位置對(duì)應(yīng)的位置處。因此，如圖22所示，來自含氧氣體入口236 的空氣供應(yīng)到含氧氣體通道70，并從陰極22的中心區(qū)域流向陰極22的 外周區(qū)域。
從而，在各個(gè)電解質(zhì)電極組件26中，燃料氣體從陽極24的中心區(qū)
域供應(yīng)到陽極24的外周區(qū)域，而空氣從陰極22的中心區(qū)域供應(yīng)到陰極 22的外周區(qū)域，從而發(fā)電。在燃料氣體和空氣已經(jīng)由于發(fā)電而消耗之后, 燃料氣體和空氣作為排氣排入排氣通道78中。
在第六實(shí)施方式中，燃料氣體通道46具有位于燃料氣體入口 38并 在電解質(zhì)電極組件26的中心開口的起點(diǎn)，另外，燃料氣體通道46具有 定位在大致環(huán)形突起222處、位于與電解質(zhì)電極組件26的外周區(qū)域?qū)?yīng) 的位置的終點(diǎn)。燃料氣體通道46的終點(diǎn)連接到排放孔224，從而將在電 解質(zhì)電極組件26中消耗的燃料氣體從燃料氣體通道46排放。
排放至排放孔224中的廢氣流入在板狀延伸部226、 248之間形成的 燃料氣體排放通道250。廢氣沿箭頭B所示的方向運(yùn)動(dòng)通過排放通道250。 廢氣從與隔板204和電解質(zhì)電極組件26的外周部向外隔開預(yù)定距離的位 置逸出。
因此，廢氣和反應(yīng)后的含氧氣體混合在一起的區(qū)域(反應(yīng)區(qū)域)與 電解質(zhì)電極組件26和隔板204的外周部明顯向外隔幵。從而，可獲得與 第一至第五實(shí)施方式相同的優(yōu)點(diǎn)。例如，電解質(zhì)電極組件26和隔板204 不會(huì)由于構(gòu)成廢氣和空氣的混合氣體的燃燒氣體或者由于燃燒氣體的任 何反應(yīng)而被局部加熱至高溫。從而可提高隔板204的耐用性。
圖23是表示根據(jù)本發(fā)明第七實(shí)施方式的燃料電池280的分解立體 圖。與根據(jù)第六實(shí)施方式的燃料電池200相同的構(gòu)成元件標(biāo)有相同的附 圖標(biāo)記，從而將省略對(duì)它們的描述。
燃料電池280具有包括第一至第三板284、 286、 210的隔板282。 第一板284和第二板286具有環(huán)形裙部288、 290，代替在第六實(shí)施方式 中設(shè)置的板狀延伸部226、 248。
裙部288、 2卯從第一和第三圓盤216、 246的外端向外突出預(yù)定距 離，并且在裙部288、 290之間形成燃料氣體排放通道292。從而在第七 實(shí)施方式中，可獲得與第六實(shí)施方式相同的優(yōu)點(diǎn)。
權(quán)利要求
1、一種通過堆疊電解質(zhì)電極組件(26)和隔板(28)而形成的燃料電池(11)，所述電解質(zhì)電極組件(26)包括陽極(24)、陰極(22)和插設(shè)在所述陽極(24)和所述陰極(22)之間的電解質(zhì)(20)，所述燃料電池(11)包括燃料氣體通道(46)，該燃料氣體通道形成在所述隔板(28)的一個(gè)表面上，并用于沿著所述陽極(24)的表面供應(yīng)燃料氣體；以及含氧氣體通道(70)，該含氧氣體通道形成在所述隔板(28)的另一個(gè)表面上，并用于沿著所述陰極(22)的表面供應(yīng)含氧氣體；其中所述燃料氣體通道(46)具有位于與所述電解質(zhì)電極組件(26)的外周部對(duì)應(yīng)的位置處的終點(diǎn)，并且其中所述燃料氣體通道(46)的該終點(diǎn)連接到燃料氣體排放通道(68)，該燃料氣體排放通道用于使在所述電解質(zhì)電極組件(26)中消耗的燃料氣體從與所述電解質(zhì)電極組件(26)的外周部向外隔開的位置逸出。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池，其中，所述燃料氣體通道(46) 包括設(shè)置在所述隔板(28)的一個(gè)表面上的通道單元(48a)，該通道單 元(48a)從向所述燃料氣體通道(46)供應(yīng)燃料氣體的燃料氣體入口 (38) 連接到所述燃料氣體排放通道(68)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的燃料電池，其中，所述燃料氣體排放 通道(68)包括貫通所述隔板(28)延伸的通孔(54)，以及設(shè)置在所述 隔板(28)的另一表面上的排放槽部件(66)，所述排放槽部件(66)連 接到所述通孔(54)并從所述電解質(zhì)電極組件(26)向外延伸。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的燃料電池，其中，所述燃料氣體排放 通道(164)包括排放槽(166)，該排放槽設(shè)置在所述隔板(162)的 一個(gè)表面上并連接到所述燃料氣體通道(46);以及蓋部件(168),該蓋 部件設(shè)置在所述隔板(162)的一個(gè)表面上以覆蓋所述排放槽(166)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池，其中，在所述隔板(28)的一 個(gè)表面上設(shè)置與所述陽極(24)的外周部緊密接觸的環(huán)形突起(56)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃料電池，其中，所述通道單元包括一槽 (48a)。
7、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃料電池，其中，所述通道單元包括多個(gè) 突起(186)。
8、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃料電池，其中，所述通道單元包括與所 述陽極(24)緊密接觸地布置的可變形彈性通道部件(196)。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池，其中，所述含氧氣體通道(70) 包括設(shè)置在所述隔板(28)的另一表面上并與所述陰極(22)緊密接觸 的可變形彈性通道部件(72)。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的燃料電池，其中，布置所述彈性通道部 件(72)的區(qū)域小于所述陽極(24)的發(fā)電區(qū)域。
11、 根據(jù)權(quán)利要求10所述的燃料電池，其中，所述彈性通道部件包 括導(dǎo)電網(wǎng)狀部件(72)和氈部件中的一個(gè)。
12、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池，其中，所述含氧氣體通道(144) 包括設(shè)置在所述隔板(142)的另一表面上的多個(gè)突起(146)。
13、 根據(jù)權(quán)利要求12所述的燃料電池，其中，所述突起(146)包 括在所述隔板(142)的一個(gè)表面上通過蝕刻形成的多個(gè)固體部分。
14、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃料電池，該燃料電池還包括 排氣通道(78)，該排氣通道用于將反應(yīng)期間在所述電解質(zhì)電極組件(26)中消耗的燃料氣體和含氧氣體作為排氣沿所述電解質(zhì)電極組件 (26)和所述隔板(28)的堆疊方向排放；含氧氣體供應(yīng)單元(74)，該含氧氣體供應(yīng)單元用作含氧氣體在消耗 之前的通路，用于將含氧氣體沿所述堆疊方向供應(yīng)到所述含氧氣體通道 (70);以及在所述隔板(28)的一個(gè)表面或另一個(gè)表面上設(shè)置的燃料氣體供應(yīng) 通道(58)，所述燃料氣體供應(yīng)通道(58)連接到用作燃料氣體在消耗之 前的通路的燃料氣體供應(yīng)單元(32)，并且連接到所述燃料氣體入口 (38)，其中所述燃料氣體供應(yīng)單元(32)氣密地設(shè)置在所述含氧氣體供應(yīng) 單元(74)內(nèi)，并且其中所述燃料氣體供應(yīng)通道(58)連接所述燃料氣體通道(46)和 所述燃料氣體供應(yīng)單元(32)，并且沿著所述隔板的表面布置從而與沿所 述堆疊方向延伸的所述含氧氣體供應(yīng)單元(74)相交。
15、 根據(jù)權(quán)利要求14所述的燃料電池，其中，所述排氣通道(78) 設(shè)置在所述隔板(28)周圍。
16、 根據(jù)權(quán)利要求14所述的燃料電池，其中，所述燃料氣體供應(yīng)單 元(32)氣密地設(shè)置在所述隔板(28)的中心部分，并且所述含氧氣體 供應(yīng)單元(74)設(shè)置在所述隔板(28)的內(nèi)部區(qū)域中。
17、 根據(jù)權(quán)利要求14所述的燃料電池，其中，所述燃料氣體入口(38) 設(shè)置在所述電解質(zhì)電極組件(26)的中心部分。
18、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃料電池，該燃料電池還包括 排氣通道(78)，該排氣通道用于將反應(yīng)期間在所述電解質(zhì)電極組件(26)中消耗的燃料氣體和含氧氣體作為排氣沿所述電解質(zhì)電極組件(26)和所述隔板(204)的堆疊方向排放；以及含氧氣體供應(yīng)單元(240)，該含氧氣體供應(yīng)單元用作含氧氣體在消 耗之前的通路，用于將含氧氣體沿所述堆疊方向供應(yīng)到所述含氧氣體通 道(70)，其中所述燃料氣體供應(yīng)單元(238)和所述含氧氣體供應(yīng)單元(240) 氣密地設(shè)置在所述排氣通道(78)內(nèi)，其中所述燃料氣體供應(yīng)通道(58)連接所述燃料氣體通道(46)和 所述燃料氣體供應(yīng)單元(238)，并且沿著所述隔板的表面布置從而與沿 所述堆疊方向延伸的所述排氣通道(78)相交，并且其中所述含氧氣體供應(yīng)通道(252)連接所述含氧氣體通道(70)和 所述含氧氣體供應(yīng)單元(240)，并且沿著所述隔板的表面布置從而與所 述排氣通道(78)相交。
19、 根據(jù)權(quán)利要求18所述的燃料電池，其中，所述燃料氣體通道(46) 形成燃料氣體壓力腔室(258a)，使得在燃料氣體供應(yīng)到所述燃料氣體通 道(46)時(shí)擠壓所述陽極(24)，并且所述含氧氣體通道(70)形成含氧氣體壓力腔室(260)，使得在所述含氧氣體供應(yīng)到所述含氧氣體通道(70)時(shí)擠壓所述陰極(22)。
20、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池，其中，所述電解質(zhì)電極組件 (26)包括圍繞所述隔板(28)的中心同心布置的多個(gè)電解質(zhì)電極組件。
21、 一種通過堆疊電解質(zhì)電極組件(26)和隔板(28)而形成的燃 料電池(11)，所述電解質(zhì)電極組件(26)包括陽極(24)、陰極(22) 和插設(shè)在所述陽極(24)和所述陰極(22)之間的電解質(zhì)(20)，所述隔板(28)包括夾持部件(36)，該夾持部件夾持所述電解質(zhì)電極組件(26)，并具 有用于沿著所述陽極(24)的表面供應(yīng)燃料氣體的燃料氣體入口 (38) 或者用于沿著所述陰極(22)的表面供應(yīng)含氧氣體的含氧氣體入口；橋(34)，該橋連接到所述夾持部件(36)，并在其中具有反應(yīng)氣體 供應(yīng)通道(58)，用于將燃料氣體供應(yīng)到所述燃料氣體入口 (38),或者 用于將含氧氣體供應(yīng)到所述含氧氣體入口；以及反應(yīng)氣體供應(yīng)單元(32)，該反應(yīng)氣體供應(yīng)單元一體連接到所述橋 (34)，并在其中具有反應(yīng)氣體供應(yīng)通路(30)，用于將燃料氣體或含氧 氣體供應(yīng)到所述反應(yīng)氣體供應(yīng)通道(58)，其中在所述夾持部件(36)中布置燃料氣體排放通道(68)，該燃料 氣體排放通道(68)連接到所述燃料氣體通道(46)，用于使在所述電解 質(zhì)電極組件(26)中消耗的燃料氣體從與該電解質(zhì)電極組件(26)的外 周部向外隔開的位置逸出。
22、 一種通過堆疊多個(gè)燃料電池(11)而形成的燃料電池組，所述 燃料電池(11)均通過堆疊電解質(zhì)電極組件(26)和隔板(28)而形成， 所述電解質(zhì)電極組件(26)包括陽極(24)、陰極(22)和插設(shè)在所述陽 極(24)和所述陰極(22)之間的電解質(zhì)(20)，所述燃料電池組包括燃料氣體通道(46)，該燃料氣體通道形成在所述隔板(28)的一個(gè) 表面上，并用于沿著所述陽極(24)的表面供應(yīng)燃料氣體；以及含氧氣體通道(70)，該含氧氣體通道形成在所述隔板(28)的另一 個(gè)表面上，并用于沿著所述陰極(22)的表面供應(yīng)含氧氣體；其中所述燃料氣體通道(46)具有布置在與所述電解質(zhì)電極組件(26)的外周部對(duì)應(yīng)的位置處的終點(diǎn)，所述燃料氣體通道(46)的終點(diǎn)連接到 燃料氣體排放通道(68)，該燃料氣體排放通道使在所述電解質(zhì)電極組件 (26)中消耗的燃料氣體從與所述電解質(zhì)電極組件(26)的外周部向外 隔開的位置逸出。
23、根據(jù)權(quán)利要求22所述的燃料電池組，其中，在所述隔板(28) 的一個(gè)表面或另一個(gè)表面上設(shè)置燃料氣體供應(yīng)通道(58)，所述燃料氣體 供應(yīng)通道(58)連接到用作燃料氣體在消耗之前的通路的燃料氣體供應(yīng) 單元(32)，并且連接到將燃料氣體供應(yīng)到所述燃料氣體通道(46)中的 燃料氣體入口 (38)。
全文摘要
燃料電池(11)包括具有圓盤(36)的隔板(28)。在圓盤(36)的一個(gè)表面(36a)上設(shè)置用于將燃料氣體供應(yīng)到陽極(24)的燃料氣體通道(46)，在圓盤(36)的另一個(gè)表面(36b)上設(shè)置用于將空氣供應(yīng)到陰極(22)的含氧氣體通道(70)。燃料氣體通道(46)具有位于所述陽極(24)的外周端的終點(diǎn)。燃料氣體排放通道(68)連接到燃料氣體通道(46)的終點(diǎn)，從而使消耗的燃料氣體從與電解質(zhì)電極組件(26)的外周部向外隔開的位置逸出。
文檔編號(hào)H01M8/02GK101351917SQ20068004978
公開日2009年1月21日 申請(qǐng)日期2006年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月28日
發(fā)明者鍾尾幸久 申請(qǐng)人:本田技研工業(yè)株式會(huì)社