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)明涉及一種燃料電池，其具有插設(shè)在隔板之間的圓盤狀電解質(zhì)電極組件。每個(gè)電解質(zhì)電極組件都包括陽極、陰極、以及位于陽極和陰極之間的電解質(zhì)。另外，本發(fā)明還涉及由多個(gè)這種燃料電池堆疊形成的燃料電池組。
背景技術(shù)：
通常，固體氧化物燃料電池(SOFC)使用離子導(dǎo)電固體氧化物(例如穩(wěn)定氧化鋯)電解質(zhì)。該電解質(zhì)插設(shè)在陽極和陰極之間，從而形成電解質(zhì)電極組件。該電解質(zhì)電極組件插設(shè)在隔板(雙極板)之間，且電解質(zhì)電極組件和隔板構(gòu)成了用于產(chǎn)生電力的燃料電池單元。將預(yù)定數(shù)量的燃料電池堆疊在一起形成了燃料電池組。
在該燃料電池中，含氧氣體或空氣被供給到陰極。含氧氣體中的氧在陽極和電解質(zhì)之間的界面處被離子化，且氧離子(O2-)通過電解質(zhì)朝向陽極運(yùn)動(dòng)。例如含氫氣體或CO的燃料氣體被供給到陽極。氧離子與含氫氣體中的氫發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生H2O或與CO反應(yīng)產(chǎn)生CO2。在反應(yīng)中釋放的電子通過外部電路流向陰極，從而產(chǎn)生直流電流。
通常，該固體氧化物燃料電池在800℃到1000℃范圍內(nèi)的高溫下工作。該固體氧化物燃料電池利用高溫廢熱進(jìn)行內(nèi)部重整以產(chǎn)生燃料氣體，并通過使燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)來產(chǎn)生電力。該固體氧化物燃料電池由于與其它類型的燃料電池相比較在產(chǎn)生電力方面的效率最高而受人矚目，并且正在受到日益關(guān)注其除了與燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)合的用途之外在汽車中使用的可能性。
穩(wěn)定氧化鋯具有較低的電離導(dǎo)電性。因此，由穩(wěn)定氧化鋯形成的電解質(zhì)薄膜必須很薄，從而氧離子平滑地運(yùn)動(dòng)通過該電解質(zhì)薄膜以提高發(fā)電性能。然而，穩(wěn)定氧化鋯的電解質(zhì)薄膜不能非常薄以保持足夠的機(jī)械強(qiáng)度。因此，難以在固體氧化物燃料電池中使用穩(wěn)定氧化鋯薄膜來產(chǎn)生較大的電力。
為了解決這個(gè)問題，日本特開平專利公開No.5-266910(現(xiàn)有技術(shù)1)公開了一種固體氧化物燃料電池系統(tǒng)，其中在相鄰隔板之間的一個(gè)表面(區(qū)域)上設(shè)置有多個(gè)電池。在現(xiàn)有技術(shù)1中，多個(gè)電池設(shè)在隔板之間以增大電池的總表面積從而產(chǎn)生較大的電流，同時(shí)防止對(duì)電解質(zhì)板的損壞以提高該燃料電池系統(tǒng)的可靠性。
圖25是示出了在現(xiàn)有技術(shù)1中公開的燃料電池系統(tǒng)的立體圖。如圖25所示，該燃料電池系統(tǒng)包括多個(gè)堆疊在一起的層以形成堆疊體。每個(gè)層都包括隔板1和放置在隔板1上的四個(gè)電池2。在最底層上的燃料氣體板3具有供給口和排放口，用于供給和排放燃料氣體。在最上層上的含氧氣體板4具有供給口和排放口，用于供給和排放含氧氣體。
燃料氣體供給歧管5a、5b延伸通過隔板1用于向每個(gè)電池2供給燃料氣體，且燃料氣體排放歧管5c、5d延伸通過隔板1用于在反應(yīng)之后從每個(gè)電池2排放燃料氣體。另外，含氧氣體供給歧管5a、5b延伸通過隔板1用于向每個(gè)電池2供給含氧氣體，且含氧氣體排放歧管5c、5d延伸通過隔板1用于在反應(yīng)之后從每個(gè)電池2排放含氧氣體。
燃料氣體供給歧管5a、5b在燃料氣體板3處連接到燃料氣體供應(yīng)管7a、7b。燃料氣體排放歧管5c、5d在燃料氣體板3處連接到燃料氣體排放管7c、7d。含氧氣體供給歧管6a、6b在含氧氣體板4處連接到含氧氣體供應(yīng)管8a、8b。含氧氣體排放歧管6c、6d在含氧氣體板4處連接到含氧氣體排放管8c、8d。
例如，在燃料電池系統(tǒng)的燃料氣體板3中，供給到燃料氣體供應(yīng)管7a、7b的燃料氣體沿著堆疊方向流入到隔板1的燃料氣體供給歧管5a、5b中，且該燃料氣體供給到每個(gè)電池2的陽極。在陽極發(fā)生反應(yīng)后，通過燃料氣體排放歧管5c、5d流回燃料氣體板3的燃料氣體流入到燃料氣體排放管7c、7d中，并排放到燃料電池系統(tǒng)的外部。以相似的方式，在含氧氣體板4中，含氧氣體通過含氧氣體板4供應(yīng)到燃料電池系統(tǒng)或從燃料電池系統(tǒng)排出。
如上所述，供應(yīng)到燃料氣體板3的燃料氣體和供應(yīng)到含氧氣體板4的含氧氣體流過隔板1，并供給到每個(gè)隔板1上的四個(gè)電池2。因此，隔板1需要用于防止反應(yīng)氣體(燃料氣體和含氧氣體)泄漏的密封結(jié)構(gòu)(每四個(gè)電池2需要一個(gè)密封結(jié)構(gòu))。燃料電池系統(tǒng)中的密封結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜。
燃料氣體板3連接到燃料氣體供應(yīng)管7a、7b以及燃料氣體排放管7c、7d。含氧氣體板連接到含氧氣體供應(yīng)管8a、8b以及含氧氣體排放管8c、8d。因此，該燃料電池系統(tǒng)總體上相當(dāng)龐大。
另外，日本特開專利公報(bào)No.6-310164(現(xiàn)有技術(shù)2)公開了另一類型的固體氧化物燃料電池。在該固體氧化物燃料電池中，在每個(gè)金屬隔板上設(shè)置多個(gè)干電池(unit cell)，每個(gè)干電池表面積都較小，且在每個(gè)干電池的中心都形成燃料氣體供給孔和含氧氣體供給孔。現(xiàn)有技術(shù)2涉及提供一種具有改進(jìn)的可靠性的燃料電池系統(tǒng)，其中隔板上的電池的總表面積很大，且基底不會(huì)斷裂。
然而，在現(xiàn)有技術(shù)2中，干電池可能不會(huì)被準(zhǔn)確地定位在預(yù)定位置處。設(shè)在每個(gè)干電池中心的燃料氣體供給孔和含氧氣體供給孔需要與隔板的燃料氣體供給歧管和含氧氣體供給歧管準(zhǔn)確地對(duì)齊。該定位操作非常困難。因此，該燃料電池的組裝工作非常費(fèi)力，且該燃料電池的生產(chǎn)效率很低。
日本特開專利公報(bào)No.7-122287(現(xiàn)有技術(shù)3)公開了一種內(nèi)部歧管系統(tǒng)板式固體氧化物燃料電池模塊。氣體分隔板設(shè)置在燃料電池組的上端和下端。由與該氣體分隔板相同材料制成的板設(shè)在至少一個(gè)該氣體分隔板的外側(cè)。絕緣側(cè)表面支撐件對(duì)于電池組的每個(gè)側(cè)表面延伸，該絕緣側(cè)表面支撐件用于支撐側(cè)表面支撐件以支撐燃料電池組的側(cè)表面。該絕緣側(cè)表面支撐件的一端接合到該板上。
然而，現(xiàn)有技術(shù)3旨在防止電池和分隔板在水平方向上發(fā)生偏斜。因此，現(xiàn)有技術(shù)3并不能使多個(gè)電池準(zhǔn)確地定位在隔板表面上。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的總體目的是提供一種具有緊湊且簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的燃料電池和燃料電池組，同時(shí)保持所需的發(fā)電性能。
另外，本發(fā)明的主要目的是提供一種燃料電池和燃料電池組，其中設(shè)置多個(gè)電解質(zhì)電極組件，并且易于進(jìn)行該電解質(zhì)電極組件的定位操作，同時(shí)保持所需的發(fā)電性能。
根據(jù)本發(fā)明，電解質(zhì)電解組件可以沿著與隔板的中心軸線同心的至少一個(gè)虛擬圓設(shè)置。因此，大量的電解質(zhì)電極組件設(shè)在隔板之間。通過該緊湊結(jié)構(gòu)，燃料電池具有很高的電力輸出性能。即使一些電解質(zhì)電極組件發(fā)生電源故障，該燃料電池組也能夠通過其它電解質(zhì)電極組件通電。因此，能夠可靠地進(jìn)行發(fā)電。
另外，每個(gè)隔板都可以包括堆疊在一起的多塊板。用于將燃料氣體供給到陽極的燃料氣體供應(yīng)通道，以及用于將含氧氣體供給到陰極的含氧氣體供應(yīng)通道可以設(shè)在板之間。由于燃料氣體通道和含氧氣體通道形成在隔板的內(nèi)部，因此與反應(yīng)氣體通道(燃料氣體通道和含氧氣體通道)沿堆疊方向延伸的結(jié)構(gòu)相比，該密封結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單。通過該簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)，可以可靠地保持所需密封性能。另外，燃料電池的總體尺寸緊湊，且可容易地提高聚能效率。
該電解質(zhì)電極組件緊湊且較薄。在電解質(zhì)表面上的溫度分布均勻。特別是，當(dāng)使用固體氧化物時(shí)，避免由于熱應(yīng)力導(dǎo)致的固體氧化物的損壞，且減少了電阻極化。因此，改善了電力輸出性能。
根據(jù)本發(fā)明，電解質(zhì)電極組件可以沿著與隔板的中心軸線同心的至少兩個(gè)虛擬圓設(shè)置。因此，大量的電解質(zhì)電極組件設(shè)在隔板之間。通過該緊湊結(jié)構(gòu)，燃料電池具有較高的電力輸出性能。該電解質(zhì)電極組件緊湊且較薄。在電解質(zhì)表面上的溫度分布均勻。
根據(jù)本發(fā)明，內(nèi)部電解質(zhì)電極組件可以與外部電解質(zhì)電極組件徑向不對(duì)齊。因此，可以密集地設(shè)置所述電解質(zhì)電極組件。通過燃料電池的緊湊結(jié)構(gòu)，保持了所需的發(fā)電性能。反應(yīng)后的燃料氣體和含氧氣體(廢氣)不會(huì)影響內(nèi)部電解質(zhì)電極組件。因此，不會(huì)產(chǎn)生紊流，且廢氣被平滑地引導(dǎo)到廢氣孔。
根據(jù)本發(fā)明，該內(nèi)部電解質(zhì)電極組件和外部電解質(zhì)電極組件可以交替設(shè)置。因此，該電解質(zhì)電極組件可密集地設(shè)置，從而使燃料電池緊湊。
根據(jù)本發(fā)明，燃料氣體和含氧氣體可以分別通過燃料氣體通道和含氧氣體通道供給到電解質(zhì)電極組件的相對(duì)表面的中心區(qū)域。燃料氣體和含氧氣體可以從電解質(zhì)電極組件的中心區(qū)域向外流動(dòng)。因此，在各個(gè)電解質(zhì)電極組件中的溫度分布很小，從而避免了由于熱應(yīng)力導(dǎo)致的損壞，且化學(xué)反應(yīng)在整個(gè)發(fā)電表面上均勻地進(jìn)行。
供給到電解質(zhì)電極組件的燃料氣體的流速均勻，且提高了燃料氣體的能量利用率。發(fā)電表面的整個(gè)表面區(qū)域得到了有效利用，且改善了發(fā)電性能。燃料氣體和含氧氣體供給到電解質(zhì)電極組件的相對(duì)表面。燃料氣體和含氧氣體從電解質(zhì)電極組件的相對(duì)表面上的中心區(qū)域徑向向外流動(dòng)。因此，在電解質(zhì)電極組件和隔板之間無需用于燃料氣體和含氧氣體的密封結(jié)構(gòu)，從而燃料電池具有簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)。
根據(jù)本發(fā)明，燃料氣體通道和含氧氣體通道可以設(shè)在隔板的其中兩塊板之間。因此，燃料電池組的布置簡(jiǎn)單，且燃料電池組沿堆疊方向的厚度較小。
根據(jù)本發(fā)明，用于排放反應(yīng)后的燃料氣體和含氧氣體的排放通道可以設(shè)在隔板之間。用于供給和排放含氧氣體和燃料氣體的歧管可以由隔板形成而不需要任何專用部件。因此，該燃料電池組具有簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)。
根據(jù)本發(fā)明，用于排放廢氣的圓孔可以形成在隔板的中心區(qū)域。該電解質(zhì)電極組件可以具有圓盤形狀。該電解質(zhì)電極組件可以沿著與圓孔同心的至少一個(gè)虛擬圓設(shè)置。因此，圍繞圓孔的密封結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。廢氣簡(jiǎn)單地流向隔板中心區(qū)域的圓孔。因此，廢氣的流速均勻，從而廢氣從電解質(zhì)電極組件平穩(wěn)地排放。
根據(jù)本發(fā)明，電解質(zhì)電極組件可以沿著與圓孔同心的至少兩個(gè)虛擬圓圍繞圓孔設(shè)置。這樣，電解質(zhì)電極組件被密集地設(shè)置，且燃料電池整體緊湊。該燃料電池具有較高的輸出性能，且隔板的重量輕。
根據(jù)本發(fā)明，多個(gè)圓盤形狀的電解質(zhì)電極組件可以沿著與盤形隔板的中心軸線同心的至少一個(gè)虛擬圓設(shè)置。
每塊端板都可以具有用于插入螺栓以緊固燃料電池組的孔，且所述孔和電解質(zhì)電極組件可以交替設(shè)置。因此，燃料電池組的總體外徑較小，從而該燃料電池組較緊湊。
根據(jù)本發(fā)明，至少一塊板可以具有用于將電解質(zhì)電極組件定位在隔板之間的凸起。因此，可以準(zhǔn)確且容易地定位電解質(zhì)電極組件。該電解質(zhì)電極組件的位置不會(huì)由于熱過程等而發(fā)生變化?？梢愿咝У剡M(jìn)行燃料電池的組裝操作，并大大改善了各個(gè)燃料電池中的發(fā)電性能。
根據(jù)本發(fā)明，設(shè)置所述凸起以使電解質(zhì)電極組件沿著與隔板的中心軸線同心的至少一個(gè)虛擬圓設(shè)置。因此，在隔板之間密集地設(shè)置多個(gè)電解質(zhì)電極組件。這樣，增大了燃料電池單位容積產(chǎn)生的電力。通過該緊湊的結(jié)構(gòu)，燃料電池具有較高的電力輸出性能。
即使一些電解質(zhì)電極組件發(fā)生電源故障，該燃料電池組也能夠通過其它電解質(zhì)電極組件通電。因此，可以可靠地進(jìn)行發(fā)電。
根據(jù)本發(fā)明，內(nèi)部電解質(zhì)電極組件可以與外部電解質(zhì)電極組件徑向不對(duì)齊。因此，可以密集地設(shè)置電解質(zhì)電極組件。通過燃料電池的緊湊結(jié)構(gòu)，可以保持所需的發(fā)電性能。
根據(jù)本發(fā)明，可以設(shè)置至少三個(gè)凸起，用于以一間隙將每個(gè)電解質(zhì)電極組件定位在這三個(gè)凸起內(nèi)側(cè)。通過將電解質(zhì)電極組件放置在所述凸起內(nèi)側(cè)可以簡(jiǎn)單地進(jìn)行電解質(zhì)電極組件的組裝操作。另外，即使電解質(zhì)電極組件發(fā)生熱膨脹，電解質(zhì)電極組件也不會(huì)損壞。
根據(jù)本發(fā)明，每個(gè)盤狀隔板都可以具有凸起，用于在隔板之間定位電解質(zhì)電極組件。該電解質(zhì)電極組件可以沿著與隔板的中心軸線同心的至少一個(gè)虛擬圓設(shè)置。每一凸緣都可以具有用于插入螺栓以緊固燃料電池組的孔。所述孔和電解質(zhì)電極組件可以交替設(shè)置。因此，燃料電池組的總體外徑較小，從而該燃料電池組較緊湊。
根據(jù)本發(fā)明，可以設(shè)置至少三個(gè)凸起，用于以一間隙將每個(gè)電解質(zhì)電極組件定位在凸起內(nèi)側(cè)。因此，可以非常簡(jiǎn)單地組裝燃料電池，且可以有效地防止由于熱過程等對(duì)電解質(zhì)電極組件的損壞。
通過以下結(jié)合附圖的描述，本發(fā)明的上述和其他的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將變得更加清楚，圖中以示例的方式示出了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。


圖1是示意顯示由根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的多個(gè)燃料電池堆疊形成的燃料電池組的立體圖；圖2是顯示一部分燃料電池組的剖視圖；圖3是示意顯示包括燃料電池組的燃?xì)廨啓C(jī)的視圖；圖4是燃料電池的分解立體圖；圖5是顯示一部分燃料電池和燃料電池的操作的立體圖；圖6是顯示燃料電池組的剖視圖，省略了其中一部分；圖7是顯示燃料電池的隔板的分解立體圖；圖8是顯示隔板的板的前視圖；圖9是顯示隔板的另一板的前視圖；圖10是顯示燃料電池的操作的視圖；圖11是示意顯示由根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的多個(gè)燃料電池堆疊形成的燃料電池組的視圖；圖12是顯示一部分燃料電池組的剖視圖；圖13是示意顯示包括多個(gè)燃料電池組的燃?xì)廨啓C(jī)的視圖；圖14是顯示燃?xì)廨啓C(jī)的前視圖；圖15是燃料電池的分解立體圖；圖16是顯示一部分燃料電池和該燃料電池的操作的立體圖；圖17是顯示沿著圖16的線XVII-XVII剖取的燃料電池組的剖視圖，省略了其中一部分；圖18是顯示燃料電池的隔板的分解立體圖；圖19是顯示一部分燃料電池的放大圖；
圖20是顯示隔板的板的前視圖；圖21是顯示隔板的另一板的前視圖；圖22是顯示燃料電池的操作的視圖；圖23是示意顯示包括根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的相對(duì)較大的燃料電池組的燃?xì)廨啓C(jī)的剖視圖；圖24是顯示該燃?xì)廨啓C(jī)的前視圖；以及圖25是顯示常規(guī)燃料電池系統(tǒng)的分解立體圖。
具體實(shí)施例方式
圖1是示意顯示由根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的多個(gè)燃料電池10堆疊形成的燃料電池組12的立體圖，而圖2是顯示一部分燃料電池組12的剖視圖。
燃料電池10是用于固定和移動(dòng)設(shè)備的固體氧化物燃料電池(SOFC)。例如，燃料電池10安裝到車輛上。在示于圖3的第一實(shí)施例的例子中，燃料電池組12用在燃?xì)廨啓C(jī)14中。在圖3中，燃料電池組12的形狀與圖1和圖2中的不同，但結(jié)構(gòu)基本相同。燃料電池組12設(shè)在燃?xì)廨啓C(jī)14的殼體16中。燃燒器18設(shè)在燃料電池組12的中心。燃料電池組12將作為反應(yīng)后的燃料氣體和含氧氣體混合物的廢氣朝向燃燒器18排放到腔室20中。腔室20沿箭頭X指示的廢氣流動(dòng)方向變窄。熱交換器22沿著流動(dòng)方向設(shè)在圍繞腔室20前端的外部。另外，渦輪(動(dòng)力渦輪)24設(shè)在腔室20的前端。壓縮機(jī)26和發(fā)電機(jī)28同軸地連接到渦輪24。燃?xì)廨啓C(jī)14總體上為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)。
渦輪24的排放通道30連接到熱交換器22的第一通道32。壓縮機(jī)26的供應(yīng)通道34連接到熱交換器22的第二通道36?？諝馔ㄟ^連接到第二通道36的熱空氣進(jìn)口通道38供給到燃料電池組12的外圓周表面。
如圖1所示，通過沿著箭頭A指示的堆疊方向堆疊多個(gè)燃料電池10而形成燃料電池組12。每個(gè)燃料電池10都為具有彎曲外部的盤狀。端板(凸緣)40a、40b分別設(shè)置在沿著堆疊方向位于相對(duì)端的最外部的燃料電池10的外側(cè)。燃料電池10和端板40a、40b通過多個(gè)(例如，8個(gè))緊固螺栓42緊固在一起。在燃料電池組12的中心，形成圓孔44以排放來自燃料電池組12的廢氣。圓孔44具有在端板40b處的底部，并沿著箭頭A指示的方向延伸(見圖2)。
沿著與圓孔44同心的虛擬圓形成多個(gè)(例如，四個(gè))燃料氣體供應(yīng)通道46。每個(gè)燃料氣體供應(yīng)通道46都具有在端板40a處的底部，并沿著箭頭A指示的方向從端板40b延伸。端板40a、40b分別具有輸出端子48a、48b。
如圖4和圖5所示，燃料電池10包括電解質(zhì)電極組件56。每個(gè)電解質(zhì)電極組件56都包括陰極52和陽極54，以及插設(shè)在陰極52和陽極54之間的電解質(zhì)(電解質(zhì)板)50。電解質(zhì)50由諸如穩(wěn)定氧化鋯的離子導(dǎo)電固體氧化物形成。電解質(zhì)電極組件56具有較小的圓盤形狀。
多個(gè)(例如，16個(gè))電解質(zhì)電極組件56插設(shè)在一對(duì)隔板58之間以形成燃料電池10。電解質(zhì)電極組件56沿著內(nèi)圓P1和外圓P2設(shè)置，內(nèi)圓P1和外圓P2與形成在隔板58中心的圓孔44同心。內(nèi)圓P1經(jīng)過8個(gè)內(nèi)部電解質(zhì)電極組件56的中心，且外圓P2經(jīng)過8個(gè)外部電解質(zhì)電極組件56的中心(見圖4)。
每個(gè)隔板58都包括多個(gè)(例如，兩個(gè))堆疊在一起的板60、62。每塊板60、62都例如由不銹合金形成。彎曲部分60a、62a分別形成在板60、62上。
如圖6到圖8所示，板60具有圍繞圓孔44形成的內(nèi)部隆起64。內(nèi)部隆起64朝向板62凸出。另外，板60具有圍繞燃料氣體供應(yīng)通道46的凸起65。凸起65遠(yuǎn)離板62凸出。另外，板60具有與內(nèi)部隆起64同心形成的外部隆起66。連接到燃料氣體供應(yīng)通道46的燃料氣體通道67形成在內(nèi)部隆起64和外部隆起66之間。
外部隆起66包括第一壁68和第二壁70，所述第一壁和第二壁均徑向向外延伸預(yù)定距離。第一壁68和第二壁70交替形成。如圖8所示，每一第一壁68都延伸到內(nèi)圓P1，該內(nèi)圓P1是經(jīng)過8個(gè)內(nèi)部電解質(zhì)電極組件56中心的虛擬線。第一壁68連接到第二壁70。每一第二壁70都延伸到外圓P2，該外圓P2是經(jīng)過8個(gè)外部電解質(zhì)電極組件56中心的虛擬線。
在第一壁68的每個(gè)端部和第二壁70的每個(gè)端部處，都形成有三個(gè)含氧氣體進(jìn)口78。含氧氣體進(jìn)口78形成為穿過板60的表面。第一凸臺(tái)80形成在板60上。第一凸臺(tái)80朝向沿著第一圓P1和第二圓P2設(shè)置的電解質(zhì)電極組件56凸出并與它們接觸。
燃料氣體通道67形成在板60和板62之間的內(nèi)部隆起64和外部隆起66的內(nèi)部。另外，含氧氣體通道82形成在外部隆起66的外側(cè)。含氧氣體通道82連接到在板60上的含氧氣體進(jìn)口78。
如圖6、圖7和圖9所示，板62在各個(gè)燃料氣體供應(yīng)通道46周圍具有凸起84。凸起84遠(yuǎn)離板60凸出。另外，板62具有朝向沿著內(nèi)圓P1和外圓P2設(shè)置的電解質(zhì)電極組件56凸出并與它們接觸的第二凸臺(tái)86。第二凸臺(tái)86具有與第一凸臺(tái)80相比較小的尺寸(高度和直徑)。燃料氣體進(jìn)口88形成為穿過板62分別到達(dá)第一壁68和第二壁70的端部?jī)?nèi)側(cè)。
隔板58具有用于密封燃料氣體供應(yīng)通道46的絕緣體密封件90(見圖6)。例如，通過將陶瓷板放置在板60或板62上來形成絕緣體密封件90，或通過熱噴射在板60或板62上形成絕緣體密封件90。彎曲外部60a、62a彼此背離地凸出。通過將絕緣體密封件92插在彎曲外部60a和彎曲外部62a之間，絕緣體密封件92可設(shè)在彎曲外部60a或彎曲外部62a上?；蛘?，通過熱噴射可以在彎曲外部60a和彎曲外部62a上形成由陶瓷等制成的絕緣體密封件92。
如圖5和圖6所示，電解質(zhì)電極組件56插設(shè)在一個(gè)隔板58的板60和另一個(gè)隔板58的板62之間。具體地，在電解質(zhì)電極組件56外部的板60和板62具有朝向電解質(zhì)電極組件56凸出的第一凸臺(tái)80和第二凸臺(tái)86，用于夾住該電解質(zhì)電極組件56。
如圖10所示，通過燃料氣體進(jìn)口88連接到燃料氣體通道67的燃料氣體流動(dòng)通道94形成在電解質(zhì)電極組件56和隔板58的板62之間。另外，通過含氧氣體進(jìn)口78連接到含氧氣體通道82的含氧氣體流動(dòng)通道96形成在電解質(zhì)電極組件56和在相對(duì)側(cè)上的另一個(gè)隔板58的板60之間。燃料氣體流動(dòng)通道94開口的尺寸取決于第二凸臺(tái)86的高度。含氧氣體流動(dòng)通道96開口的尺寸取決于第一凸臺(tái)80的高度。燃料氣體的流速小于含氧氣體的流速。因此，第二凸臺(tái)86的尺寸小于第一凸臺(tái)80的尺寸。
如圖6所示，形成在隔板58的板60、62之間的燃料氣體通道67連接到燃料氣體供應(yīng)通道46。含氧氣體通道82和燃料氣體通道67形成在隔板內(nèi)部的相同區(qū)域上。含氧氣體通道82通過在隔板58的板60、62的彎曲外部60a、62a之間的空間通向外部。
沿著堆疊方向堆疊的每個(gè)隔板58都具有第一凸臺(tái)80和第二凸臺(tái)86，以夾住電解質(zhì)電極組件56。第一凸臺(tái)80和第二凸臺(tái)86用作集流器。板60的外部隆起66與板62接觸，以沿著箭頭A指示的方向串聯(lián)連接燃料電池10。
如圖1和圖2所示，燃料電池10沿著箭頭A指示的方向堆疊。端板40a、40b設(shè)在處于相對(duì)端的最外部燃料電池10的外側(cè)。端板40a、40b在對(duì)應(yīng)于板60，62的彎曲外部60a、60b的向內(nèi)彎曲部分的位置處具有孔100a、100b。絕緣體部件102a、102b安裝在孔100a、100b中。緊固螺栓42插入到絕緣體部件102a、102b中。緊固螺栓42的端部擰入螺母104中從而以合適的力將燃料電池10緊固在一起。
下面將介紹燃料電池組12的操作。
在組裝燃料電池10的過程中，板60和板62連接到一起以形成隔板58。具體地，如圖6所示，例如通過焊接使一體地從板60延伸的外部隆起66與板62連接，且通過熱噴射使環(huán)狀絕緣體密封件90圍繞燃料氣體供應(yīng)通道46設(shè)置在板60或板62上。另外，例如通過熱噴射使具有彎曲部分的絕緣體密封件92設(shè)置在板60的彎曲外部60a或者板62的彎曲外部62a上。
這樣形成的隔板58在板60和板62之間的相同區(qū)域內(nèi)具有燃料氣體通道67和含氧氣體通道82。燃料氣體通道67與燃料氣體供應(yīng)通道46連接，并且彎曲外部60a和彎曲外部62b之間的含氧氣體通道82通向外部。
然后，把電解質(zhì)電極組件56置于一對(duì)隔板58之間。如圖4和5所示，16個(gè)電解質(zhì)電極組件56插設(shè)于一塊隔板58的板60和另一塊隔板58的板62之間。8個(gè)電解質(zhì)電極組件56沿著內(nèi)圓P1布置，且8個(gè)電解質(zhì)電極組件56沿著外圓P2布置。板60的第一凸臺(tái)80和板62的第二凸臺(tái)86朝向電解質(zhì)電極組件56凸出并且與它們接觸。
如圖10所示，含氧氣體流動(dòng)通道96形成在電解質(zhì)電極組件56的陰極52和板60之間。含氧氣體流動(dòng)通道96通過含氧氣體進(jìn)口78與含氧氣體通道82連接。燃料氣體流動(dòng)通道94形成在電解質(zhì)電極組件56的陽極54和板62之間。燃料氣體流動(dòng)通道94通過燃料氣體進(jìn)口88與燃料氣體通道67連接。廢氣通道106形成在隔板58之間，以將廢氣(反應(yīng)之后的燃料氣體和含氧氣體的混合氣體)導(dǎo)向圓孔44。
如上所述組裝的多個(gè)燃料電池10沿著箭頭A所示的方向堆疊，以形成燃料電池組12(見圖1和2)。
諸如含氫氣體的燃料氣體被供應(yīng)給端板40b的燃料氣體供應(yīng)通道46，并且在壓力下從燃料電池10的外面供應(yīng)諸如空氣的含氧氣體。供應(yīng)給燃料電池供應(yīng)通道46的燃料氣體沿著箭頭A所示的堆疊方向流動(dòng)，并且供應(yīng)給形成在燃料電池10的每一隔板58內(nèi)的燃料氣體通道67(見圖6)。
如圖8所示，燃料氣體沿著外部隆起66的第一壁68和第二壁70流動(dòng)，并且流入燃料氣體流動(dòng)通道94中(見圖5)。燃料氣體進(jìn)口88形成在第一壁68和第二壁70的端部，即，形成在與電解質(zhì)電極組件56的陽極54的中央?yún)^(qū)域相對(duì)應(yīng)的位置處。供應(yīng)給燃料氣體流動(dòng)通道94的燃料氣體從陽極54的中央?yún)^(qū)域向外流動(dòng)(見圖10)。
從外面將含氧氣體供應(yīng)給每一燃料電池10。含氧氣體被供應(yīng)給形成在板60和板62之間的每一隔板58內(nèi)的含氧氣體通道82。被供應(yīng)給含氧氣體通道82的含氧氣體從含氧氣體進(jìn)口78流入含氧氣體流動(dòng)通道96中，并且從電解質(zhì)電極組件56的陰極52的中央?yún)^(qū)域向外流動(dòng)(見圖5和10)。
因此，在每一電解質(zhì)電極組件56內(nèi)，燃料氣體被供應(yīng)給陽極54的中央?yún)^(qū)域，并且從陽極54的中央?yún)^(qū)域向外流動(dòng)。相似地，含氧氣體被供應(yīng)給陰極52的中央?yún)^(qū)域，并且從陰極52的中央?yún)^(qū)域向外流動(dòng)。借助電化學(xué)反應(yīng)，氧離子從陰極52通過電解質(zhì)50到達(dá)陽極54從而產(chǎn)生電力。
電解質(zhì)電極組件56夾在第一凸臺(tái)80和第二凸臺(tái)86之間。因此，第一凸臺(tái)80和第二凸臺(tái)86用作集流器。燃料電池10沿著箭頭A指示的堆疊方向串聯(lián)電連接。電力可以從輸出端子48a、48b輸出。即使某些電解質(zhì)電極組件56發(fā)生電源故障，燃料電池組12也能通過其它電解質(zhì)電極組件56通電。因此，能夠可靠地產(chǎn)生電力。
在燃料氣體和含氧氣體反應(yīng)之后，廢氣從電解質(zhì)電極組件56的中心區(qū)域通過在隔板58之間的廢氣通道106向外運(yùn)動(dòng)，并朝向隔板58的中心流動(dòng)。廢氣流入形到成在隔板58中心的圓孔44中，并從圓孔44排放到外部。
在第一實(shí)施例中，在一對(duì)隔板58之間設(shè)置多個(gè)(例如，16個(gè))具有相對(duì)較小直徑的圓形電解質(zhì)電極組件56。因此，該電解質(zhì)電極組件56可以很薄，并減小了電阻極化。另外，溫度分布很小，從而防止了由于熱應(yīng)力導(dǎo)致的損壞。因此，有效改善了燃料電池10的發(fā)電性能。
另外，8個(gè)內(nèi)部電解質(zhì)電極組件56沿著內(nèi)圓P1設(shè)置，且8個(gè)外部電解質(zhì)電極組件56沿著外圓P2設(shè)置。內(nèi)圓P1和外圓P2與設(shè)在隔板58中心的圓孔44同心。8個(gè)外部電解質(zhì)電極組件56定位為不與8個(gè)內(nèi)部電解質(zhì)電極組件56徑向?qū)R。換句話說，內(nèi)部電解質(zhì)電極組件56和外部電解質(zhì)電極組件56分別沿著內(nèi)圓P1和外圓P2交替設(shè)置。
電解質(zhì)電極組件56可以密集地設(shè)置在隔板58之間。因此，燃料電池10總體上可以做得很緊湊，同時(shí)保持所需的發(fā)電性能。另外，由于廢氣不會(huì)影響沿著內(nèi)圓P1設(shè)置的內(nèi)部電解質(zhì)電極組件56，因此不會(huì)發(fā)生廢氣紊流，且廢氣被引導(dǎo)到在隔板58中心的圓孔44。由于來自電解質(zhì)電極組件56的廢氣在沒有任何紊流的情況下排放到圓孔44中，因此廢氣的流速可保持恒定。因此，燃料電池10中的壓力損失很小，從而改善了發(fā)電性能。
每個(gè)隔板58都具有兩塊板60、62，且燃料氣體通道67和含氧氣體通道82形成在板60、62之間。因此，與反應(yīng)氣體通道沿著堆疊方向延伸的結(jié)構(gòu)相比，大大簡(jiǎn)化了燃料電池10的密封結(jié)構(gòu)。因此，理想地實(shí)現(xiàn)了可靠的密封性能。另外，減小了燃料電池10的總體尺寸，并容易地實(shí)現(xiàn)了聚能效率的改善。
另外，在第一實(shí)施例中，燃料氣體從燃料氣體通道67流入到燃料氣體進(jìn)口88中，且含氧氣體從含氧氣體通道82流入到含氧氣體進(jìn)口78中。燃料氣體進(jìn)口88和含氧氣體進(jìn)口78設(shè)在電解質(zhì)電極組件56的相對(duì)表面上的中心區(qū)域(見圖10)。燃料氣體和含氧氣體從電解質(zhì)電極組件56的中心區(qū)域向外流動(dòng)。因此，在各個(gè)電解質(zhì)電極組件56中的溫度分布很小，從而防止了由于熱應(yīng)力導(dǎo)致的損壞。在整個(gè)發(fā)電表面上的電化學(xué)反應(yīng)是均勻的。
在該結(jié)構(gòu)中，供給到每個(gè)電解質(zhì)電極組件56的燃料氣體的流速是均勻的。改善了電解質(zhì)電極組件56中的燃料氣體的使用率，且有效使用了電解質(zhì)電極組件56的整個(gè)表面。因此，大大改善了發(fā)電性能。
燃料氣體和含氧氣體供給到在電解質(zhì)電極組件56相對(duì)表面上的中心區(qū)域。燃料氣體和含氧氣體從在電解質(zhì)電極組件56相對(duì)表面上的中心區(qū)域徑向向外流動(dòng)。因此，在電解質(zhì)電極組件56和隔板58之間不需要用于燃料氣體和含氧氣體的密封結(jié)構(gòu)，從而燃料電池10具有簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)。
燃料氣體通道67和含氧氣體通道82形成在隔板58內(nèi)部的相同區(qū)域上。因此，簡(jiǎn)化了在設(shè)計(jì)燃料電池組12結(jié)構(gòu)中的布置，并減小了燃料電池組12沿堆疊方向的厚度。
另外，用于排放廢氣的廢氣通道106形成在與形成燃料氣體通道67和含氧氣體通道82的區(qū)域不同的區(qū)域中。廢氣通道106形成在隔板58之間(見圖10)。因此，隔板58形成了用于供給燃料氣體和含氧氣體的歧管，以及用于排放燃料氣體和含氧氣體的歧管。因此，無需專門部件就能夠構(gòu)造燃料電池組12。
另外，在第一實(shí)施例中，隔板58的板60、62具有彎曲外部60a、62a。板60、62在沿著外圓P2布置的電解質(zhì)電極組件56之間的位置處朝向圓孔44向內(nèi)彎曲。形成板60、62的向內(nèi)彎曲部分用于提供緊固螺栓42(見圖1)。因此，有效減小了燃料電池組12總體的外部尺寸，從而燃料電池組12較小。
彎曲外部60a、62a作為用于接收溫度較低的空氣的進(jìn)口。因此，緊固螺栓42不會(huì)被過分加熱，且延長(zhǎng)了緊固螺栓42的使用壽命。
以下將簡(jiǎn)要介紹圖3中示出的用在燃?xì)廨啓C(jī)14中的燃料電池組12的工作情況。
如圖3所示，在燃?xì)廨啓C(jī)14開始工作時(shí)，燃燒器18被激活以使渦輪24轉(zhuǎn)動(dòng)，并激活壓縮機(jī)26和發(fā)電機(jī)28。壓縮機(jī)26用于將外部空氣引入到供應(yīng)通道34中。空氣被加壓且加熱到預(yù)定溫度(例如，200℃)，并被供給到熱交換器22的第二通道36。作為反應(yīng)后的燃料氣體和含氧氣體的混合氣體的熱廢氣供給到熱交換器22的第一通道32，用于加熱供給到熱交換器22的第二通道36的空氣。被加熱的空氣流過熱空氣供應(yīng)通道38，并從外部供給到燃料電池組12的燃料電池10。因此，由燃料電池10進(jìn)行發(fā)電，且將由燃料氣體和含氧氣體反應(yīng)生成的廢氣排放到殼體16中的腔室20中。
此時(shí)，從燃料電池(固體氧化物燃料電池)10排放的廢氣的溫度很高，在800℃到1000℃的范圍內(nèi)。廢氣使渦輪24旋轉(zhuǎn)以通過發(fā)電機(jī)28產(chǎn)生電力。廢氣供給到熱交換器22以加熱外部空氣。因此，不必使用燃燒器18使渦輪24轉(zhuǎn)動(dòng)。
在800℃至1000℃的范圍內(nèi)的熱廢氣可以用來在內(nèi)部使供應(yīng)給燃料電池組12的燃料重整。因此，可以使用各種燃料進(jìn)行內(nèi)部重整，例如，天然氣、丁烷和汽油。
圖11是示意顯示由根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的多個(gè)燃料電池110堆疊形成的燃料電池組112的視圖。圖12是顯示一部分燃料電池組112的剖視圖。與由根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的燃料電池10堆疊形成的燃料電池組12的構(gòu)成部件相同的構(gòu)成部件用相同的附圖標(biāo)記表示，并省略對(duì)其的描述。
在圖13中，在燃?xì)廨啓C(jī)114中放置多個(gè)燃料電池組112。如圖14所示，例如，在殼體116中以45°的間隔圍繞燃燒器18設(shè)置8個(gè)燃料電池組112。每個(gè)燃料電池組112都由連接到殼體116的蓋118覆蓋。在各個(gè)蓋118內(nèi)形成加壓空氣進(jìn)口通道120。在燃料氣體和含氧氣體反應(yīng)后產(chǎn)生的廢氣從每個(gè)燃料電池組112的中部排放。
如圖11所示，通過沿著由箭頭A指示的堆疊方向堆疊多個(gè)燃料電池110形成燃料電池組112。每個(gè)燃料電池110都為具有彎曲外部的盤狀。端板147a、147b沿著堆疊方向分別設(shè)在位于相對(duì)端的最外面的燃料電池110的外側(cè)。絕緣板148a、148b設(shè)在端板147a、147b的外側(cè)上。另外，凸緣140a、140b設(shè)在絕緣板148a、148b的外側(cè)上。燃料電池110，端板147a、147b，絕緣板148a、148b，和凸緣140a、140b通過多個(gè)(例如，8個(gè))緊固螺栓42緊固在一起。在燃料電池組112的中心，形成圓形燃料氣體供給孔146以將燃料氣體供給到燃料電池組112。燃料氣體供給孔146在凸緣140a處具有底部，并沿著箭頭A指示的堆疊方向延伸(見圖12)。
圍繞燃料氣體供給孔146形成多個(gè)(例如，4個(gè))廢氣通道144。每個(gè)廢氣通道144都在凸緣140b處具有底部，并沿著箭頭A指示的方向延伸。凸緣140a通過絕緣板148a與端板147a絕緣，且凸緣140b通過絕緣板148b與端板147b絕緣。端板147a、147b分別具有輸出端子48a、48b。
如圖15和圖16所示，多個(gè)(例如，16個(gè))電解質(zhì)電極組件56設(shè)在一對(duì)隔板158之間以形成燃料電池110。每個(gè)隔板158都包括多個(gè)(例如，兩個(gè))堆疊在一起的板160、162。每塊板160、162都例如由不銹合金形成。在板160、162上分別形成彎曲外部160a、160b。
如圖17、圖18和圖20所示，在板160中心周圍設(shè)置肋條163a以形成燃料氣體供給孔146和四個(gè)廢氣通道144。板160在相應(yīng)的廢氣通道144周圍具有四個(gè)內(nèi)部隆起164a。內(nèi)部隆起164a朝向板162凸出。板160在燃料氣體供給孔146周圍具有凸起165a。凸起165a遠(yuǎn)離板162凸出。
外部隆起166a徑向形成在板160上。燃料氣體通道67形成在內(nèi)部隆起164a和外部隆起166a的內(nèi)部。燃料氣體通道67連接到燃料氣體供給孔146。
外部隆起166a包括多個(gè)第一壁168a和第二壁170a，這些壁的每個(gè)都徑向向外延伸預(yù)定的距離。第一壁168a和第二壁170a交替地形成。如圖20所示，每個(gè)第一壁168a都延伸到內(nèi)圓P1，該內(nèi)圓P1是經(jīng)過8個(gè)內(nèi)部電解質(zhì)電極組件56中心的虛擬線。每個(gè)第二壁170a都延伸到外圓P2，該外圓P2是經(jīng)過8個(gè)外部電解質(zhì)電極組件56中心的虛擬線。8個(gè)內(nèi)部電解質(zhì)電極組件56沿著內(nèi)圓P1設(shè)置，且8個(gè)外部電解質(zhì)電極組件56沿著外圓P2設(shè)置。
在第一壁168a的每個(gè)端部和第二壁170a的每個(gè)端部處，都形成三個(gè)含氧氣體進(jìn)口78。含氧氣體進(jìn)口78形成為穿過板160。第一凸臺(tái)80形成在板160上。第一凸臺(tái)80朝向沿著內(nèi)圓P1和外圓P2設(shè)置的電解質(zhì)電極組件56凸出并與之接觸。
如圖17、圖19和圖20所示，在彎曲外部160a內(nèi)部的板160上形成第一彎曲凸起172a。第一彎曲凸起172a具有與彎曲外部160a相同的形狀，并遠(yuǎn)離板162凸出。外凸起174a和內(nèi)凸起176a以預(yù)定間隔設(shè)在第一彎曲凸起172a的相對(duì)側(cè)上以相互面對(duì)，或形成之字形。
如圖17、圖18和圖21所示，面對(duì)肋條163a的肋條163b圍繞板162的中心設(shè)置。板162具有朝向板160凸出的四個(gè)內(nèi)部隆起164b、以及遠(yuǎn)離板160凸出的凸起165b。
朝向板160的外部隆起166a凸出的外部隆起166b形成在板162上。內(nèi)部隆起164a接觸內(nèi)部隆起164b，且外部隆起166a接觸外部隆起166b以在板160和板162之間形成燃料氣體通道67。燃料氣體通道67連接到燃料氣體供給孔146。外部隆起166b具有多個(gè)第一壁168b和第二壁170b，這些壁的每個(gè)都徑向向外延伸預(yù)定的距離。第一壁168b和第二壁170b交替形成。
用于沿著內(nèi)圓P1定位8個(gè)電解質(zhì)電極組件56和沿著外圓P2定位8個(gè)電解質(zhì)電極組件56的凸起181設(shè)置在板162上。對(duì)于每個(gè)電解質(zhì)電極組件56都形成至少三個(gè)凸起181。在所示實(shí)施例中，形成三個(gè)凸起181以定位一個(gè)電解質(zhì)電極組件56。當(dāng)電解質(zhì)電極組件56定位在凸起181內(nèi)部時(shí)，在凸起181和電解質(zhì)電極組件56之間存在一定間隙。凸起181的高度大于第二凸臺(tái)86的高度(見圖17)。
如圖17、圖19和圖21所示，第二彎曲凸起172b形成在彎曲外部162a內(nèi)部的板162上。第二彎曲凸起172b具有與彎曲外部162a相同的形狀，并遠(yuǎn)離板160凸出。外凸起174b和內(nèi)凸起176b以預(yù)定的間隔設(shè)在第二彎曲凸起172b的相對(duì)側(cè)上以互相面對(duì)，或形成之字形。
燃料氣體通道67由板160和板162之間的內(nèi)部隆起164a、164b和外部隆起166a、166b環(huán)繞。含氧氣體通道82形成在板160和板162之間的外部隆起166a、166b的外側(cè)(見圖22)。含氧氣體通道82連接到形成在板160上的含氧氣體進(jìn)口78。
如圖17所示，隔板158具有絕緣體密封件90以密封燃料氣體供給孔146。通過將陶瓷板放置到或者將陶瓷熱噴射到板160的凸起165a或板162的凸起165b上而形成絕緣體密封件90。板160的第一彎曲凸起172a和板162的第二彎曲凸起172b相互背離地凸出。通過將由陶瓷等制成的絕緣體密封件92夾在第一彎曲凸起172a和第二彎曲凸起172b之間或通過熱噴射將絕緣體密封件92設(shè)置在第一彎曲凸起172a或第二彎曲凸起172b上。
燃料氣體通道67形成在隔板158的板160、162之間，并連接到燃料氣體供給孔146。含氧氣體通道82和燃料氣體通道67形成在隔板158內(nèi)部的相同區(qū)域中。含氧氣體通道82通過形成在隔板158的板160的第一彎曲凸起172a和板162的第二彎曲凸起172b之間的開口通向外部。
沿著堆疊方向堆疊的每個(gè)隔板158均具有第一凸臺(tái)80和第二凸臺(tái)86，用來夾住電解質(zhì)電極組件56。第一凸臺(tái)80和第二凸臺(tái)86用作集流器。板160的內(nèi)部隆起164a與板162的內(nèi)部隆起164b接觸，且板160的外部隆起166a與板162的外部隆起166b接觸，以沿著箭頭A指示的方向串聯(lián)連接燃料電池110。
如圖11和圖12所示，燃料電池110沿著箭頭A指示的方向堆疊。端板147a、147b堆疊在相對(duì)端最外側(cè)的燃料電池110上。絕緣板148a、148b分別堆疊在端板147a、147b的外側(cè)上，且凸緣140a、140b分別堆疊在絕緣板148a、148b的外側(cè)上。凸緣140a、140b在與板160、162的彎曲外部160a、162a的向內(nèi)彎曲部分相對(duì)應(yīng)的位置處具有孔100a、100b。緊固螺栓42插入到孔100a、100b中。緊固螺栓42的端部擰入到螺母104中從而以適當(dāng)?shù)牧⑷剂想姵?10緊固在一起。
下面將簡(jiǎn)要介紹燃料電池組112的操作。
如圖17所示，板160的內(nèi)部隆起164a和外部隆起166a通過焊接連接到板162的內(nèi)部隆起164b和外部隆起166b上，且環(huán)形絕緣體密封件90例如通過熱噴射設(shè)置在板160或板162上圍繞燃料氣體供給孔146。另外，具有彎曲部分的絕緣體密封件92通過例如熱噴射設(shè)置在板160的第一彎曲凸起172a或板162的第二彎曲凸起172b上。
如此形成的隔板158在板160和板162之間的相同區(qū)域中具有燃料氣體通道67和含氧氣體通道82。燃料氣體通道67連接到燃料氣體供給孔146，且含氧氣體通道82通過彎曲外部160a、162a之間的開口通向外部。
而后，電解質(zhì)電極組件56插設(shè)在一對(duì)隔板158之間。如圖15和圖16所示，16個(gè)電解質(zhì)電極組件56插設(shè)在一塊隔板158的板160和另一隔板158的板162之間。8個(gè)電解質(zhì)電極組件56沿著內(nèi)圓P1設(shè)置，而8個(gè)電解質(zhì)電極組件56沿著外圓P2設(shè)置。
設(shè)置三個(gè)凸起181用于定位每個(gè)電解質(zhì)電極組件56。電解質(zhì)電極組件56設(shè)在三個(gè)凸起181的內(nèi)側(cè)。板160的第一凸臺(tái)80和板162的第二凸臺(tái)88朝向凸起181中的電解質(zhì)電極組件56凸出并與之接觸。
如圖22所示，含氧氣體流動(dòng)通道96形成在電解質(zhì)電極組件56的陰極52和板160之間。含氧氣體流動(dòng)通道96通過含氧氣體進(jìn)口78連接到含氧氣體通道82。燃料氣體流動(dòng)通道94形成在電解質(zhì)電極組件56的陽極54和板162之間。燃料氣體流動(dòng)通道94通過燃料氣體進(jìn)口88連接到燃料氣體通道67。另外，廢氣通道106形成在隔板158之間用于將廢氣(反應(yīng)后燃料氣體和含氧氣體的混合氣體)引導(dǎo)到廢氣通道144。
如上所述組裝的多個(gè)燃料電池110沿著由箭頭A指示的方向堆疊以形成燃料電池組112(見圖11和圖12)。
如圖17和圖22所示，在第二實(shí)施例中，為了定位每個(gè)電解質(zhì)電極組件56，隔板158的板162一體地形成有三個(gè)凸起181。因此，可以簡(jiǎn)單地通過將電解質(zhì)電極組件56放置在三個(gè)凸起181內(nèi)側(cè)而將電解質(zhì)電極組件56準(zhǔn)確地定位在所需位置。
如上所示，電解質(zhì)電極組件56可以非常準(zhǔn)確地定位在隔板158之間。因此，大大提高了燃料電池110的組裝效率。另外，電解質(zhì)電極組件56定位準(zhǔn)確性的提高使得燃料氣體和含氧氣體可以被準(zhǔn)確地供給到電解質(zhì)電極組件的中心。因此，如愿地改善了燃料電池110的發(fā)電性能。
另外，電解質(zhì)電極組件56以一定間隙放置在三個(gè)凸起181的內(nèi)側(cè)。因此，即使電解質(zhì)電極組件56受熱膨脹，電解質(zhì)電極組件56也不會(huì)由于與凸起181接觸所產(chǎn)生的應(yīng)力而損壞或移動(dòng)。
另外，凸起181與板161例如通過壓力成型而一體形成。因此，無需專門用于定位電解質(zhì)電極組件56的部件。隔板158中的部件數(shù)量并不會(huì)增加。因此，隔板158具有簡(jiǎn)單輕巧的結(jié)構(gòu)。燃料電池110能夠容易地組裝，且燃料電池110具有可靠的發(fā)電性能。
凸起181形成在高度較低的燃料氣體通道一側(cè)，即，形成在第二凸臺(tái)86一側(cè)上，凸起181的高度較低。
如圖13和圖14所示，在燃?xì)廨啓C(jī)114的殼體116中，8個(gè)燃料電池組112以45°的間隔設(shè)在燃燒器18的周圍。因此，當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)114的總長(zhǎng)較短時(shí)，產(chǎn)生了較大的電動(dòng)勢(shì)。
圖23是示意顯示包括根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的較大燃料電池組112a的燃?xì)廨啓C(jī)190的剖視圖，而圖24是顯示燃?xì)廨啓C(jī)190的前視圖。
在燃?xì)廨啓C(jī)190中，四個(gè)燃料電池組112a以90°的間隔沿著第一圓設(shè)置在殼體192中，且四個(gè)燃料電池組112a以90°的間隔沿著第二圓設(shè)置在殼體192中。第一圓與第二圓沿著箭頭X指示的殼體192的軸向隔開預(yù)定的距離。沿著第一圓設(shè)置的四個(gè)燃料電池組112a的方位與沿著第二圓設(shè)置的第二燃料電池組112a偏移45°。因此，燃料電池組112a并不相互接觸。每個(gè)燃料電池組112a都由蓋194覆蓋，而熱空氣供應(yīng)通道196形成在蓋194內(nèi)。
在燃?xì)廨啓C(jī)190中，四個(gè)燃料電池組112a以90°的間隔沿著第一圓設(shè)置，而其他四個(gè)燃料電池112a以90°的間隔沿著第二圓設(shè)置。沿著第一圓設(shè)置的燃料電池組112a的方位與沿著第二圓設(shè)置的燃料電池組112a偏移45°。因此，具有較大尺寸的多個(gè)(8個(gè))燃料電池112a可以放置在燃?xì)廨啓C(jī)190中，以提高發(fā)電效率。燃?xì)廨啓C(jī)190的外圓周尺寸不大，因此燃?xì)廨啓C(jī)190結(jié)構(gòu)緊湊。
在第一至第三實(shí)施例中，燃料電池組12、112、112a用在燃?xì)廨啓C(jī)14、114和190中。然而，燃料電池組12、112、112a也可以用在其它設(shè)備中。例如，燃料電池組12、112、112a能夠被安裝在車輛中。
工業(yè)應(yīng)用性在本發(fā)明中，多個(gè)電解質(zhì)電極組件插設(shè)在一對(duì)隔板之間。每個(gè)隔板都包括多塊板，這些板堆疊在一起以形成燃料氣體通道和含氧氣體通道。因此，該電解質(zhì)電極組件可以做得緊湊且較薄。在電極表面中的溫度分布較小。
特別是，當(dāng)在燃料電池系統(tǒng)中使用固體氧化物時(shí)，可以防止固體氧化物的損壞，同時(shí)減小了電阻極化以改善電力輸出性能。燃料氣體通道和含氧氣體通道形成在隔板的內(nèi)部。因此，簡(jiǎn)化了密封結(jié)構(gòu)，且能可靠地保持所需的密封性能。該燃料電池總體上結(jié)構(gòu)緊湊，且能夠容易地提高該燃料電池的聚能效率。
另外，在本發(fā)明中，在隔板表面上形成凸起以定位電解質(zhì)電極組件。因此，可以準(zhǔn)確地將電解質(zhì)電極組件定位在隔板之間。電解質(zhì)電極組件不會(huì)由于熱等而發(fā)生移動(dòng)。由于可以簡(jiǎn)單且可靠地進(jìn)行電解質(zhì)電極組件的定位，因此可以大大提高燃料電池的組裝效率。
盡管已經(jīng)結(jié)合優(yōu)選實(shí)施例具體示出并描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，在不脫離由所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行變換和修改。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池，包括一對(duì)隔板(58)和插設(shè)在所述隔板(58)之間的電解質(zhì)電極組件(56)，每個(gè)所述電解質(zhì)電極組件(56)均包括陽極(54)、陰極(52)、以及插設(shè)在所述陽極(54)和所述陰極(52)之間的電解質(zhì)(50)，其中每個(gè)所述隔板(58)都包括堆疊在一起的至少兩塊板(60、62)；在所述板(60，62)之間形成燃料氣體通道(67)和含氧氣體通道(82)，所述燃料氣體通道用于將燃料氣體供給到所述陽極(54)，所述含氧氣體通道用于將含氧氣體供給到所述陰極(52)；并且所述電解質(zhì)電極組件(56)沿著與所述隔板(58)的中心軸線同心的至少一個(gè)虛擬圓設(shè)置。
2.如權(quán)利要求1所述的燃料電池，其特征在于，所述電解質(zhì)電極組件(56)沿著與所述隔板(58)的中心軸線同心的至少兩個(gè)虛擬圓設(shè)置。
3.如權(quán)利要求2所述的燃料電池，其特征在于，所述虛擬圓包括內(nèi)圓(P1)和外圓(P2)，且沿著所述內(nèi)圓(P1)設(shè)置的電解質(zhì)電極組件(56)與沿著所述外圓(P2)設(shè)置的電解質(zhì)電極組件(56)徑向不對(duì)齊。
4.如權(quán)利要求2所述的燃料電池，其特征在于，所述虛擬圓包括內(nèi)圓(P1)和外圓(P2)，且所述電解質(zhì)電極組件(56)沿著所述內(nèi)圓(P1)和所述外圓(P2)交替設(shè)置。
5.如權(quán)利要求1所述的燃料電池，其特征在于，所述燃料氣體和所述含氧氣體分別通過所述燃料氣體通道(67)和所述含氧氣體通道(82)供給到所述電解質(zhì)電極組件(56)相對(duì)表面上的中心區(qū)域。
6.如權(quán)利要求1所述的燃料電池，其特征在于，所述燃料氣體通道(67)和所述含氧氣體通道(82)設(shè)在兩塊所述板(60，62)之間。
7.如權(quán)利要求6所述的燃料電池，其特征在于，所述排放通道(106)設(shè)在所述隔板(58)之間，用于排放反應(yīng)后的所述燃料氣體和所述含氧氣體。
8.如權(quán)利要求1所述的燃料電池，其特征在于，一圓孔(44)延伸通過所述隔板(58)的中心；所述電解質(zhì)電極組件(56)具有圓盤形狀；以及所述電解質(zhì)電極組件(56)沿著與所述圓孔(44)同心的至少一個(gè)虛擬圓設(shè)置在所述圓孔(44)的周圍。
9.如權(quán)利要求8所述的燃料電池，其特征在于，所述電解質(zhì)電極組件(56)沿著與所述圓孔(44)同心的至少兩個(gè)虛擬圓設(shè)置在所述圓孔(44)的周圍。
10.如權(quán)利要求1所述的燃料電池，其特征在于，所述電解質(zhì)是固體氧化物。
11.一種燃料電池組，其通過堆疊多個(gè)燃料電池(10)形成，并沿著所述燃料電池(10)的堆疊方向在相對(duì)端設(shè)置端板(40a，40b)，每個(gè)所述燃料電池(10)都包括一對(duì)盤狀隔板(58)和多個(gè)圓盤狀電解質(zhì)電極組件(56)，每個(gè)所述電解質(zhì)電極組件(56)都包括陽極(54)、陰極(52)、和電解質(zhì)(50)，其中所述電解質(zhì)電極組件(56)沿著與所述隔板(58)的中心軸線同心的至少一個(gè)虛擬圓設(shè)置；并且每個(gè)所述端板(40a，40b)都具有孔(100a，100b)，用于插入螺栓(42)以緊固所述燃料電池組，且所述孔(100a，100b)和所述電解質(zhì)電極組件(56)交替設(shè)置。
12.如權(quán)利要求11所述的燃料電池，其特征在于，所述電解質(zhì)電極組件(56)沿著與所述隔板(58)的中心軸線同心的至少兩個(gè)虛擬圓設(shè)置。
13.一種燃料電池，包括一對(duì)隔板(158)和插設(shè)在所述隔板(158)之間的電解質(zhì)電極組件(56)，每個(gè)所述電解質(zhì)電極組件(56)都包括陽極(54)、陰極(52)、以及插設(shè)在所述陽極(54)和所述陰極(52)之間的電解質(zhì)(50)，其中每個(gè)所述隔板(158)都包括堆疊在一起的多塊板(160，162)；在所述板(160，162)之間形成燃料氣體通道(67)和含氧氣體通道(82)，所述燃料氣體通道用于將燃料氣體供給到所述陽極(54)，所述含氧氣體通道用于將含氧氣體供給到所述陰極(52)；并且至少其中一個(gè)所述板(160，162)具有凸起(181)，用于將所述電解質(zhì)電極組件(56)定位在所述隔板(158)之間。
14.如權(quán)利要求13所述的燃料電池，其特征在于，所述凸起(181)被這樣設(shè)置，以使得所述電解質(zhì)電極組件(56)沿著至少一個(gè)虛擬圓設(shè)置，所述虛擬圓與所述隔板(158)的中心軸線同心。
15.如權(quán)利要求14所述的燃料電池，其特征在于，所述虛擬圓包括內(nèi)圓(P1)和外圓(P2)，且沿著所述內(nèi)圓(P1)設(shè)置的電解質(zhì)電極組件(56)與沿著所述外圓(P2)設(shè)置的電解質(zhì)電極組件(56)徑向不對(duì)齊。
16.如權(quán)利要求13所述的燃料電池，其特征在于，設(shè)置至少三個(gè)凸起(181)，用于將每個(gè)所述電解質(zhì)電極組件(56)以一定間隙定位在所述至少三個(gè)凸起(181)的內(nèi)側(cè)。
17.如權(quán)利要求13所述的燃料電池，其特征在于，所述電解質(zhì)是固體氧化物(50)。
18.一種燃料電池組，其通過堆疊多個(gè)燃料電池(110)形成，并沿著所述燃料電池(110)的堆疊方向在相對(duì)端設(shè)置凸緣(140a，140b)，每個(gè)所述燃料電池(110)都包括盤狀隔板(158)和插設(shè)在所述隔板(158)之間的多個(gè)圓盤狀電解質(zhì)電極組件(56)，每個(gè)所述電解質(zhì)電極組件(56)都包括陽極(54)、陰極(52)、和電解質(zhì)(50)，其中每個(gè)所述隔板(158)都具有凸起(181)，用于將所述電解質(zhì)電極組件(56)定位在所述隔板(158)之間；所述電解質(zhì)電極組件(56)沿著與所述隔板(158)的中心軸線同心的至少一個(gè)圓設(shè)置；并且每個(gè)所述凸緣(140a，140b)都具有孔(100a，100b)，用于插入螺栓(41)以緊固所述燃料電池組，且所述孔(100a，100b)和所述電解質(zhì)電極組件(56)交替設(shè)置。
19.如權(quán)利要求18所述的燃料電池組，其特征在于，所述凸起(181)被這樣設(shè)置，以使得所述電解質(zhì)電極組件(56)沿著至少一個(gè)虛擬圓設(shè)置，所述虛擬圓與所述隔板(58)的中心軸線同心。
20.如權(quán)利要求18所述的燃料電池，其特征在于，設(shè)置至少三個(gè)凸起(181)，用于將每個(gè)所述電解質(zhì)電極組件(56)以一定間隙定位在所述至少三個(gè)凸起(181)的內(nèi)側(cè)。
全文摘要
一種燃料電池(10)，包括一對(duì)隔板(58)和設(shè)在隔板(58)之間的多個(gè)電解質(zhì)電極組件(56)。該電解質(zhì)電極組件(56)具有小圓盤形狀。8個(gè)電解質(zhì)電極組件(58)沿著內(nèi)圓(P1)設(shè)置，且8個(gè)電解質(zhì)電極組件(58)沿著與圓孔(44)同心的外圓(P2)設(shè)置。每個(gè)隔板(58)都包括堆疊在一起的多塊板(60，62)。在板(60，62)之間形成燃料氣體通道(67)和含氧氣體通道(82)，所述燃料氣體通道用于將燃料氣體供給到電解質(zhì)電極組件(56)的陽極(54)，所述含氧氣體通道用于將含氧氣體供給到電解質(zhì)電極組件(56)的陰極(52)。
文檔編號(hào)H01M8/04GK1666366SQ0381525
公開日2005年9月7日 申請(qǐng)日期2003年6月26日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月28日
發(fā)明者角田正 申請(qǐng)人:本田技研工業(yè)株式會(huì)社