燃料电池的制作方法

专利名称：燃料电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于燃料电池的改进的集电器，以及燃料电池和包括该 燃料电池的燃料电池堆组件。
背景技术：
燃料电池和燃料电池堆组件(该术语包括具有一个以上燃料电池的 电池堆)设计成使得可从各个燃料电池的阳极和阴极有效地收集电流。 燃料电池堆组件通常包括串联联接的多个燃料电池，通过导电介质(集 电器)建立相邻燃料电池之间的连接，该导电介质使第一燃料电池的电 极(阳极或阴极)与相邻的互连板相连，该互连板又电连接至第二燃料 电池的相反电极(即，阴极或阳极)。为了确保电流以受控方式经由集电 器流过电池堆而不会使电池堆中的燃料电池电短路，通常围绕各燃料电 池层周边设置不导电层，该不导电层将各燃料电池层与相邻燃料电池层 或者相邻互连层分隔。导电介质与互连板的接触区域通常平行于该导电 介质与电极的接触区域，并与其共同延伸。其他的燃料电池类似地连接。 为了提供用于将燃料电池产生的电流移走的低电阻连接，连接介质在被 接触的燃料电池表面上施加接触压力，从而确保连接介质与电极之间的 最大电接触面积，以便最小化各电流的阻抗。
通过形成允许穿过电池堆产生压縮载荷的堆叠结构而实现在燃料电 池堆中施加接触压力。例如， 一种常用的技术利用位于燃料电池堆各端 处的实心刚性端板制造燃料电池堆，利用压縮系统将各端板定位成横跨 燃料电池和互连板中的至少一个的宽度和幅度并与其共面，该压縮系统 横穿电池堆的宽度和幅度并向下通过堆层施加基本均匀的压縮力。这样 的压縮系统包括内外螺栓连接装置以及夹紧压縮系统，这些都用于压縮 堆层。在整个燃料电池堆中产生这样的大小足够的基本均匀的力给工程和 设计带来极大的挑战，并给燃料电池堆部件和电池堆组件制造公差以及 燃料电池堆的操作条件带来了限制。例如横穿堆叠层的宽度和幅度的互 连板厚度的很小变化、互连板平坦度的变化、压縮载荷施加的变化、在 燃料电池堆的操作范围内材料和部件的热膨胀的变化、以及密封件内的 材料压縮变化、垫片厚度和互连板厚度的变化都可使部件受到的总体和/ 或局部应力产生显著变化。这些应力水平(及其变化)如果太大的话会
导致燃料电池堆部件失效；或者如果太小的话可能意味着互连层、集电 器和第二电极之间产生的接触压力不充分，从而使得在操作时电接触阻 抗增大，燃料电池堆的性能降低。需要将这些变化以及这些变化的综合 影响考虑进电池堆部件的设计和制造中(例如，以高精度设计部件的形 式使变化最小化)，并考虑进电池堆的组装以及所用的组装过程，而且还 考虑进电池堆在启动、停止以及使用期间的载荷周期期间经受热膨胀和 收縮时的操作。
燃料电池堆组件的这种形式虽然被普遍采用，但是其由于以下方面 带来的制造约束而具有成本增加并且复杂程度增加的问题，即所需的 紧密部件公差、燃料电池堆组件的构造引起的设计约束、以及当上述变 化引起各种堆叠层内的过度或不足应力时燃料电池堆和燃料电池堆部件 的操作性能的降低。
现有技术燃料电池堆组件的实施例包括US 2003/0235743的实施例， US 2003/0235743 (例如参见第30段)公开了由导电互连件分开的燃料电 池，第一燃料电池的阳极通过多根第一丝连接至一互连件，该互连件通 过多根第二丝连接至相邻燃料电池的阴极。如图1所示，不导电间隔件 36、 38分隔燃料电池的多个部分，陶瓷电解质14、阴极18和阳极16在 间隔件36、 38上延伸。未教导用间隔件密封电解质、阴极和阳极的方法， 并且如果利用压縮力实现密封，则可料到会导致损坏电解质和阳极从而 降低寿命。此外，在电解质和阳极暴露于燃料电池外部的情况下，没有 教导要防止氢离子流穿过电解质至燃料电池外部。此外，没有教导大量 的"丝"如何连接到相应的阳极、阴极和互连板，而且这看起来是复杂而不便的操作。值得注意的是，这些丝未延伸到阳极/阴极的周边外，并
且这些丝与互连件永久连接。注意，US 2003/0235743描述的"集电器" 对应于这里所述的"覆盖板"和"端板"，而不是这里所述的"集电器"。
EP 1434294/US 2004/0101742公开了一种具有由导电网间隔件分开 的各个燃料电池的燃料电池堆组件，所述导电网间隔件连接至导电互连 板。在该燃料电池堆的组装期间，通过与相邻燃料电池的阳极和阴极接 触而压縮所述间隔件，从而在阳极和阴极上施加压缩力以实现电连接。
以上技术以及例如Leah， RT， Brandon, NP， Aguiar， P， Journal of Power Sources, 2005, 145(2): 336-352; WO02/35628; WO03/075382; GB 2394114; WO2004/089848; GB2400723; GB2405028以及WO2005/078843教导了 燃料电池的总体构造。通过引用将这里所讨论的各参考文献的内容，包 括其中引用的参考文献完整地结合于此。

发明内容
因此，需要提供一种改进的燃料电池堆组件，其具有良好的集电特 性并解决现有技术的缺陷。因此，本发明的目的旨在克服现有技术的缺 陷。特别是旨在提供这样一种设计，该设计消除了接触压力和燃料电池 堆的密封要求与部件公差和燃料电池活性区域内的操作公差变化之间的 相互影响，因此将压縮载荷要求转移到燃料电池堆的外部区域，从而仅 垫片密封需要载荷，因而使所需的堆压縮载荷的大小降低，因此放宽了 部件制造公差以及端板刚度要求，从而产生操作性能提高的低成本电池 堆组件。
根据本发明，提供了一种燃料电池，该燃料电池包括
(i) 电解质层，该电解质层限定第一表面和第二表面，通过所述第 一表面安装在第一电极上并与其电化学接触，并通过所述第二表面安装 在第二电极上并与其电化学接触；以及
(ii) 导电集电器，该导电集电器接合或安装在所述第二电极上，或 者接合或安装在所述第二电极中，并与所述第二电极电接触，该导电集 电器具有从由所述第一和第二电极以及所述电解质限定的周边向外延伸的至少一个延伸部。
因此，通过使集电器延伸超过电极和电解质的周边，能够通过与所 述集电器的超过所述周边的至少一个延伸部电接触来实现与燃料电池的 电接触，这不需要在第二电极或电解质上施加压力。因此，与通过接触 燃料电池的电极上或电极中的区域而形成电接触的现有技术燃料电池所 采用的设计相比，这降低了对燃料电池和燃料电池堆部件的严格设计和 制造公差的要求。
优选的是，所述第一电极安装在一导电基板上。该导电基板延伸超 过由所述第一和第二电极以及所述电解质限定的周边。该导电基板优选 连接至一导电互连板。因此，所述燃料电池优选还包括导电互连板。因 此，利用本发明，可不在电极或电解质上施加任何压縮力而形成与燃料 电池的电接触。在本发明的某些实施方式中，所述燃料电池还包括导电 互连件，相邻燃料电池堆层的集电器接合至该导电互连件。
优选的是，所述导电基板是金属板、或者无孔区域与多孔区域相接 合的箔片。
优选的是，所述导电基板限定有多孔区，该多孔区上安装有所述第 一电极、电解质和第二电极，该多孔区被无孔区包围。
优选的是，所述电解质在所述第一电极上延伸，从而在所述第一电 极上形成气体密封。
优选的是，所述第一和第二电极以及所述电解质密封地附接到所述 导电基板上。
在优选实施方式中，所述导电基板限定了多个部分，各部分上安装 有所述第一电极、所述电解质以及所述第二电极。在这样的实施方式中， 由所述第一和第二电极以及所述电解质限定的周边优选为在被视为整体 时在燃料电池的所述部分周围的最外周边。更优选的是，各部分限定由 无孔区环绕的多孔区。
优选的是，所述燃料电池还包括
(i) 导电互连件；
(ii) 导电基板，所述第一电极、所述电解质、所述第二电极以及所述导电集电器安装在该导电基板上，所述至少一个集电器延伸部从该导 电基板延伸；以及(iii)至少一个不导电结构(例如，间隔件或垫片)，该不导电结构 在使用中为放置在其顶部上的部件提供机械支撑。 这样的燃料电池也被称为燃料电池堆层。优选的是，所述至少一个不导电结构(iii)包括位于所述导电基板 和所述至少一个集电器延伸部之间的不导电间隔件，以防止所述燃料电 池短路并提供机械支撑。这样的燃料电池限定了从(i)导电互连件至(ii)导电基板，穿过 第一电极、电解质和第二电极至集电器和至少一个集电器延伸部的电流 路径。接着，电流可传递至放置在该燃料电池顶部的部件(即，导电端 板或者相邻燃料电池堆层的导电互连件)。在燃料电池堆包括多层本发明的燃料电池的情况下，能够通过第一 (下部)燃料电池堆层的至少一个集电器延伸部与相邻燃料电池堆层的 导电互连件的下侧(下表面)之间的良好电接触实现相邻燃料电池堆层 之间的电接触，而无需在第一燃料电池堆层的第一或第二电极或者电解 质上施加压力。因此，可不需要将一个燃料电池堆层压到相邻燃料电池 堆层上而实现从一个燃料电池堆层到相邻燃料电池堆层的电连接。具体 地说，在由第一和第二电极以及电解质的周边限定的区域内可能不需要 与本发明的燃料电池形成电接触。具体地说，本发明的集电器可以不永 久附接至相邻互连件或者从相邻互连件下垂。所述至少一个集电器延伸部在超过所述第一和第二电极以及所述电 解质的周边的区域中的最上部优选在竖直方向上高于所述集电器在所述 第一和第二电极以及所述电解质的周边内的区域中的最上部。所述至少一个集电器延伸部和相邻导电连接件或端板之间的电接触 可通过各种措施实现，包括但不限于传统的金属接头/接合技术，例如焊 接、点焊、钎焊、摩擦焊、利用导电糊进行胶接以及螺栓连接。另 一 电接触技术是将第一燃料电池堆层的所述至少一个集电器延伸 部夹持或销在以下部件之间(i) 相邻第二燃料电池堆层的导电互连件在所述第一和第二电极以 及所述电解质限定的第一燃料电池堆层燃料电池周边的区域外；以及
(ii) 在所述第一和第二电极以及所述电解质限定的第一燃料电池堆 层燃料电池周边的区域外定位在所述第一燃料电池堆层上的不导电结 构。
因此，根据本发明的燃料电池优选还包括安装在所述导电基板与所 述集电器之间的不导电结构。更优选的是，所述不导电结构不与所述第 一或第二电极或者所述电解质接触。更优选的是，该不导电结构位于由 所述第一和第二电极以及所述电解质限定的周边的外侧，从而位于所述 导电结构和所述至少一个延伸部之间。
因此，为实现从一个燃料电池堆层到相邻燃料电池堆层的良好电接 触而需要的燃料电池堆中的压縮不需要向燃料电池堆层的阳极、电解质 和阴极结构施加任何压縮力。
所述不导电结构在某些实施方式中是连续的，并且环绕所述集电器、 所述第一和第二电极以及所述电解质，从而限定容纳它们的容积部。所 述不导电结构还可限定至少一个孔，以允许与所述容积部流体连通，所 述至少一个孔具体是供应至燃料电池电极中的其中一个或另一个或二者 的气体入口和出口。在其他实施方式中，所述不导电结构是不连续的， 并且仅部分环绕所述第一和第二电极以及所述电解质。
因此，所述至少一个孔或者不连续的不导电结构可限定至少一个歧 管。优选的是，这样的歧管限定至少一个燃料入口、至少一个燃料出口 以及至少一个氧化剂出口。
所述不导电结构和所述集电器的尺寸和材料特性都设计成实现期望 的夹紧效果并且允许热膨胀效应，而且在组装期间以及燃料电池堆组件 的寿命操作期限内确保一个燃料电池堆层和相邻燃料电池堆层之间的至 少一个有效集电路径。
不导电结构的实施例包括不导电间隔件和不导电垫片。优选的是， 所述不导电结构包括至少一个不导电间隔件和/或至少一个不导电垫片。 优选的是，所述不导电结构包括位于所述导电基板与所述至少一个集电器延伸部之间的至少一个不导电间隔件、以及至少一个不导电垫片。适于用作不导电间隔件的设计实施例包括多种形状，所述形状通常 具有两个平行的平坦主表面，在使用中其中的各表面或者抵靠所述导电 基板或者抵靠诸如导电互连件或导电端板之类的相邻部件下方的至少一 个延伸区域。不导电间隔件的合适形状包括条带、块、盘状、椭圆和菱形。不导电间隔件的形状设计优选是平顶的，使得流出电极的电流在大 区域内通过至少一个延伸部而流入相邻的导电互连板，从而降低由于电 阻和在小的拾取区域流过大电流而引起的局部热效应。优选的是，在至少一个部分设置不导电间隔件，例如在一个、两个、 三个、四个或者五个部分设置不导电间隔件。部分的数量取决于集电器 的设计要求 一个延伸部仅设置一个、每一端设置一个、每隔几毫米设 置一个、每隔几厘米设置一个、或者在燃料电池的各个角部处或者附近 设置一个。在以下详述的本发明的其他实施方式中，燃料电池堆组件优 选在每个燃料电池包括至少一个不导电间隔件部分。所述不导电结构可以带铸或丝网印制在适当位置，或者模压后放置 在基板上。所述不导电间隔件的厚度由多种因素确定，包括成品燃料电池部件 的厚度、相关电极上方的容积部间隙、导电互连件下侧的特征的深度、 横穿燃料电池的设计使用气体压降、不导电间隔件的压縮率以及所述至 少一个延伸部的压縮率。在优选实施方式中，提供了其上安装有包括集电器的阳极、电解质 和阴极结构的导电基板，结构高度为0.15mm，集电器厚度为0.1mm。不 导电间隔件设计成在电池被烧结后并且在压縮堆叠状态下高度为0.4 0.55mm。在这种情况下允许在相邻导电互连件的下侧与第二电极之间存 在0.35 0.50mm的气隙。这样的不导电结构可丝网印刷在适当位置。所述不导电间隔件还可 通过对可放置在基板上的不导电间隔件进行模制、铸造或者挤压而形成。所述不导电结构优选包括不导电压縮垫片。垫片材料的实施例包括柔性不导电垫片，例如Flexitallic XJ766蛭石型垫片。对于设计成附着至 导电基板的不导电结构(例如，用于丝网印刷)，热膨胀特性应与导电基 板的热膨胀特性非常匹配。因此，对于基于CGO (钆掺杂氧化铈)的燃 料电池的导电基板来说，若导电基板由铁素体不锈钢制成，则不导电结 构可主要由氧化铈或CGO制成。若不需要将不导电结构附着到基板上， 则对于其构造来说合适的材料可包括CGO、 YSZ或者玻璃粉。不导电结构可以是不透气的或者透气的。不导电结构可以是可压縮 的或者不可压縮的。不导电结构可以完全或者部分环绕由第一和第二电 极以及电解质限定的燃料电池周边。不导电间隔件材料优选与不导电垫片材料不同。因此，在不导电垫 片和不导电间隔件接合或者近似接合时在二者之间形成的间隙需要具有 紧密公差。该公差优选控制成使绕过该间隙的气体最少，但同时不会产 生干涉以至在组装或操作期间在接触区域中积累应力。优选的是，不导 电间隔件和垫片中的一个或多个设有诸如凹坑或凸起(nipple)之类的定 位特征以在堆组装期间控制部件之间限定的间隙并且控制部件相互之间 的定位。在导电基板和所述至少一个集电器延伸部之间不设置不导电结构的 情况下，该至少一个集电器延伸部可以通过多种方式接合至相邻互连件， 这些方式包括但不限于传统金属接头/接合技术，例如焊接、点焊、钎焊、 摩擦焊、利用导电糊进行胶接、螺栓连接或者夹紧布置，所述夹紧布置 利用干涉配合部件、或其中集电器被夹在两个部件界面之间的其他紧密 公差部件配合设计、或部件收縮点、或槽。这种结构的实施例是敞开歧管式阴极堆设计，其中燃料供应流和反 应后的燃料流利用不导电可压縮垫片在堆内成多路，并且氧化剂气体径 直横穿第二电极侧流动而不是被分成多路通过该堆。该燃料电池优选还包括燃料入口装置和氧化剂入口装置，从而向其 供应燃料和氧化剂。在某些实施方式中，导电连接件设置成单个构成部件。在其他实施 方式中，其设置成分立部件，即导电互连件和使用中位于导电互连件和导电基板之间的导电间隔件。在所有实施方式中，都限定了容许气流流 向导电基板的容积部。优选的是，导电互连件是导电互连板。优选的是， 导电间隔件是导电间隔板。
在导电基板和导电互连件都由铁素体不锈钢制成的优选实施方式 中，导电间隔件也可由相同或相似的铁素体不锈钢制成。
优选的是，导电间隔件可由与导电互连件相同的材料制成，并且可 在一个接合工序(例如，激光焊接)中进行导电互连件、导电间隔件和 导电基板的接合。
导电互连件、导电间隔件和导电基板所用的优选材料可从由以下材 料构成的组中独立选择金属、铁素体不锈钢和导电陶瓷。在如下限定 的燃料电池或燃料电池堆组件的制造方法中，可在单个步骤(例如，通 过激光焊接)中实现这样的部件的接合，利用单个金属接合工艺的优点 在于减少加工时间、降低制造成本并减少气体泄漏的风险。
对于本发明的优选燃料电池来说，导电基板通常为0.1 0.3mm厚， 导电间隔件为0.1 0.3mm厚，导电互连件为0.1~0.5mm厚。更优选的是， 导电基板、导电间隔件和导电互连板均为0.2mm厚。
优选的是，导电互连件的上侧和导电基板的下侧限定出第一容积部， 燃料(特别是碳氢化合物、氢)或氧化剂(例如空气或氧气)可穿过该 第一容积部。燃料和氧化剂的其余部分可在由导电基板的上侧、不导电 结构、以及相邻导电互连件的下侧限定的第二容积部中横穿第二电极。
因此，在燃料电池堆组件(如下)中，这意味着限定出供燃料和氧 化剂穿过的分立容积部，从而容许燃料电池操作。还可以设置出口/排放 装置，不过在某些布置中不需要。例如，在某些实施方式中，可设置单 个开口供空气流入燃料电池并且供空气和排放气体流出燃料电池。在本 领域的其他文献中广泛地说明了燃料电池及其构成部件允许燃料和氧化 剂适当通过的构造，并且对于本领域的普通技术人员来说将是显而易见 的，因此这里不再进一步讨论。
虽然本发明允许不施加横穿电极表面的压縮载荷而进行集电操作， 但是也会有产生载荷的情况。这种情况包括燃料电池堆在不平行于电极表面的平面中快速物理运动时，例如汽车沿颠簸道路行驶时。在这些情 况下期望对第一和第二电极以及电解质(也称作燃料电池"活性区域") 进行支撑。这可通过以下方式进行，即在导电基板的位于燃料电池活性区域 下方的区域中以及相邻导电互连件的下侧设置突起(例如，凹坑)来限 制居间部件的运动同时分散载荷。实际上，可在导电互连件的两侧设置 凹坑。传统的方式是通过金属冲压来产生凹坑，不管是以单步工序还是 两步工序。设计这些凹坑不是为了收集电流，而是为了在它们偶尔与燃 料电池的第二电极表面进行接触时供应微小的压降但不产生不适当的应 力。凹坑的高度影响横穿燃料电池的压降。向上延伸的凹坑的高度小于 等于在导电互连件和导电基板之间限定的间隙的高度。当燃料电池包括导电间隔件时，向上延伸的凹坑的高度优选小于导 电间隔件的高度。向下延伸的凹坑的高度小于等于至第二电极的距离。凹坑的横向间距优选与使用时的期望载荷和偏转特性匹配。这可由 本领域的普通技术人员容易地效仿并相应地设置凹坑。因此，凹坑图案 不需要是规则的。在优选燃料电池设计中，面向上的凹坑具有尖的或圆的顶部以使对 流向燃料电池的燃料流的破坏最小化。面向燃料电池第二电极的面向下 的凹坑优选设有平顶，因为这些平顶更有可能与燃料电池的第二电极接 触，平顶通过在比圆凹坑或尖凹坑得到的更大的区域上分散接触载荷而 降低局部应力。这些凹坑额外地促进了气体(即，氧化剂和燃料)在互 连板两侧的非线性流动，从而增强了燃料和反应后的燃料气体的混合以 及氧化剂和反应后的氧化剂气体的混合。实际上，突起(例如凹坑)的尺寸和布局由横穿燃料电池相应侧的 所需压降、导电互连板的厚度和材料、以及燃料电池堆组件的期望操作 环境来确定。所述至少一个集电器延伸部优选在与第一和第二电极以及电解质平 面大致平行的平面中远离第一和第二电极以及电解质延伸。因此，在已按以下顺序设置在垂直(Z)轴线上的燃料电池中第一电极层、电解质、 第二电极层和集电器，该至少一个延伸部背离由第一和第二电极以及电 解质限定的周边在X/Y轴上延伸，即延伸超过该周边或者说从该周边伸出。当然，集电器也可在z轴上延伸。这里参考坐标轴为几何坐标轴。因此，通过使集电器背离燃料电池在X/Y轴上延伸，经由背离第二 电极延伸的至少一个集电器延伸部实现了与第二电极的电接触(例如， 通过相邻导电互连件)，因此不需在第二电极上施加压力(即，压縮力) 而实现电接触。在某些实施方式中，燃料电池为固体氧化物燃料电池(SOFC)。在 其他实施方式中，燃料电池为质子交换膜燃料电池(PEMFC)、磷酸燃料 电池(PAFC )、直接甲醇燃料电池(DMFC )、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC ) 或者碱性燃料电池(AFC)，或者其他具有阳极一电解质一阴极结构的燃 料电池类型。导电互连件用作其他燃料电池部件的支撑件，还用于分离燃料和氧 化剂气体流。第一电极可以是阳极或阴极。其优选是阳极。第一电极与导电互连件电接触，使得通过使导电互连件与燃料电池 (或燃料电池堆组件)的第二电极连接而形成电路。自然，在燃料电池 操作期间，可横跨电路放置电负载。通常，在通过连接最上电极和最下 电极或其附近的电路形成上述电路连接之前，将若干燃料电池电串联连 接。电解质是适当的燃料电池电解质。示例性电解质包括基于钇掺杂氧 化锆(YSZ)电解质和钆掺杂氧化铈(CGO)电解质的电解质。其他燃 料电池电解质是公知的，并且对于本领域的普通技术人员而言是显而易 见的。第二电极通过电解质而与第一电极电绝缘。优选的是，集电器是金属制成的，优选为钢，更优选为铁素体不锈钢。集电器优选是柔性的导电金属结构。合适的金属结构包括网、特别是编织网或针织网、冲孔金属(例如金属箔或金属片)、激光钻孔或激光 加工金属箔或金属片、化学蚀刻金属部件、金属网、金属泡沬、金属棉、 至少一个金属丝束以及它们的组合。集电器的其他形式可在不导电多孔 结构中接合连续的导电元件，例如编织到人造丝或类似材料的柔性片材 中的一个或多个金属丝束。
集电器可以通过编织、针织、模压、化学蚀刻、成形、冲孔、激光 加工或水而成形。
集电器的至少一个延伸部可设置成具有柔性。该部分的柔性设计使 得能容易地组装燃料电池层或燃料电池堆组件，这意味着集电器、燃料 电池和互连件可接纳燃料电极堆启动、操作和关闭期间的热膨胀变化， 并可吸收操作期间的其他机械载荷。这样的柔性可通过包括但不限于以 下方法的多种方法实现弯折、增大弯曲区域的孔隙率、扩展接头、使 柔性区域的材料变薄、在弯曲区域结合或使用不同的导电材料(例如， 通过将多根或一根丝焊接到箔上进而伸出超过电极区域而在与电极接触 的区域使用化学蚀刻的箔，)。
优选的是，导电互连件下侧的与所述至少一个集电器延伸部接触的 区域是平坦的或包括至少一个脊部区域。 一个或多个脊部(例如，至少 一个、两个、三个、四个或五个脊部)优选向下延伸。
在载荷和温度作用下，平坦区域会拱起，从而减少接触区域，因而 增大所述至少一个集电器延伸部与导电互连板之间的电接合处的电阻。 为了避免这一效应，接触区域可由一系列凸出的脊部形成，脊部的刚度 不受潜在拱起的影响。
实际上，脊部的形状和数量由导电互连材料板厚度、压縮载荷、操 作温度、所述至少一个集电器延伸部的覆盖面积、从燃料电池取出并经 过电池堆的电流以及不导电间隔件的压縮率和形状确定。
在一个实施方式中，不导电间隔件为8mm宽，所述至少一个集电器 延伸部大致覆盖8mm的宽度。互连板的相对表面上具有成一系列的三个 脊部，它们与不导电间隔件的线平行，并且布置成脊部的平坦区域覆盖 所述至少一个集电器延伸部的充分区域，从而覆盖不导电间隔件的宽度。在这种情况下，高0.2 2.0mm的第一脊部与不导电间隔件的边缘对齐地 开始，宽为1.8~2.0mm。接着，在该第一脊部与第二脊部之间存在 0.5 1.0mm的间距，第二脊部的形状与第一脊部大致相同。于是存在形状 与第一间隙大致相同的第二间隙以及形状与第一脊部大致相同的第三脊 部。
所述脊部可通过在互连板的机加工或成型制造期间通过模压该板或 者通过其他的成形工序而形成。
在另一优选实施方式中，导电互连板的一组金属延伸部在互连板的 下方围绕该互连板弯折并弯折成沿着不导电间隔件的方向排列。
在另一优选实施方式中，所述脊部设计并形成为不导电间隔件。成 脊部的不导电间隔件优选通过成型、铸造或者挤压可放置在导电基板上 的成形的不导电间隔件而形成。
集电器可通过切割而预成形为易于在堆组装之前与燃料电池一起加 工的形状，或者可在附连到燃料电池上时在原地形成。
与第二电极接触的集电器部分可局部或完全嵌入在第二电极中。所 述至少一个集电器延伸部可在第二电极上方垂直延伸，不过当然如以上 所述其必需还要背离第二电极延伸超过第一和第二电极以及电解质的周 边。
当集电器为金属结构时，优选的金属包括不锈钢，尤其是铁素体不 锈钢。当集电器为非金属结构时，优选的结构由柔性导电材料形成，包 括导电石墨型结构。
所述至少一个集电器延伸部可以是与集电器相同的材料和结构，或 者是不同的导电材料和/或不同的结构。这样的实施例包括用于集电器的 冲孔金属片(例如，可从德国ThyssenKrupp VDM GmbH获得的Crofer 22APU (—种铁基铁素体不锈钢，含22%的Cr，并具有Al、 Si、 Mn、 Ti和La的工程添加剂))以及焊接到集电器一侧的单个Crofer 22APU丝 网垂片，用作集电器延伸部。可选方式包括具有至少一个集电器延伸部 的蚀刻箔集电器，所述至少一个集电器延伸部蚀刻成在集电器的一侧或 多侧上从同一箔结构延伸的指状件。将集电器放置在燃料电池第二电极上、或者部分地放置在该第二电 极内、或者嵌入在该第二电极中的步骤在进行焙烧处理时可获得附加优 点，即第二电极材料与集电器相接合，提供了经济而有效的集电路径， 从而降低了第二电极与集电器之间的接触电阻，因而与现有技术的燃料 电池组件类型相比提高了电池输出功率。集电器优选设计成具有多孔区 和无孔区。多孔区使得气体能进出附连有该集电器的电极。无孔区使得 电流能穿过所述至少一个集电器延伸部并提供了供接合电极材料的表 面。多孔区和无孔区的间距和尺寸可设计成相对于电极的横向导电率优 化电流收集。高导电性(低阻抗)横向导电率电极可具有更大的孔或更 少的无孔区。低导电性(高阻抗)横向导电率电极优选具有高密度的更 小的孔，从而减小从集电器至电极材料的距离。该有孔和无孔设计可在 二维或三维上延伸，这取决于电极类型和厚度以及所用的集电器材料和 设计，例如由嵌入在电极中的两层导电网构成的集电器。
集电器的热膨胀特性优选与第二电极的热膨胀特性相匹配，从而在 燃料电池的加热和冷却期间不会在第二电极、电解质、第一电极或集电 器上施加机械载荷或者施加微小的机械载荷，机械载荷会损坏这些部件。
集电器优选经过处理或设有涂层，从而例如减小与第二电极或其它 导电材料的接触阻抗，或者阻止有害金属物质或元素流入燃料电池，这 些有害金属物质或元素会妨碍燃料电池操作时的性能。
而且，根据本发明提供了一种燃料电池堆组件，该燃料电池堆组件 包括
(a) 限定至少一个燃料电池堆的、根据本发明的至少一个燃料电池； 以及
(b) 布置在所述至少一个堆周围的覆盖装置。
优选的是，所述至少一个燃料电池堆包括彼此电串联地布置的至少 两个燃料电池。
覆盖装置的实施例包括至少一个端板，所述端板位于所述燃料电池 堆中或者位于燃料电池堆的端部，并可执行或辅助执行下列至少一种功 能载荷分布、容纳、电拾取、气体分路、热断开和气体密封。如以上所述，所述至少一个燃料电池优选包括第一电极，该第一电 极接合至导电基板或者安装在该导电基板上或该导电基板中。因此，所 述至少一个燃料电池延及至例如其中电极不接合至导电基板而是通过在 电极和导电基板上施加的压縮力而被置于与导电基板电接触的低温燃料 电池。导电基板优选延伸超过由第一和第二电极以及电解质限定的周边。 该导电基板优选连接至导电互连板。因而，利用本发明，无需在电极或 电解质上施加任何压縮力就可实现燃料电池的电接触。
燃料电池堆的所述至少一个燃料电池因此可被连接成限定一 电路。 在一个实施方式中并且如以上所述，包括多个燃料电池的燃料电池堆使 各个燃料电池串联布置，各个燃料电池的集电器与置于其上的燃料电池 的导电互连板电接触。
所述至少一个燃料电池可限定至少一个歧管。在优选实施方式中，
为将被提供至燃料电池堆中的至少一个燃料电池的燃料气体设置燃料入
口歧管，为将要从燃料电池堆排放的反应后的燃料气体设置燃料排放歧
管。优选的是，所述至少一个歧管还供氧化剂流通过燃料电池堆进入所 述至少一个燃料电池，并供反应后的氧化剂气体从所述至少一个燃料电
池排放。在进一步优选的实施方式中，所述至少一个燃料电池限定敞开 的氧化剂入口，使得从环绕燃料电池堆的容积部提供进入的氧化剂，并 经由氧化剂排放歧管经过燃料电池堆排放。
在进一步优选的实施方式中，燃料电池堆组件被放置在隔热气密封 闭件中，氧化剂气体可被供应到该封闭件中，然后能绕燃料电池堆流动 至敞开的多路氧化剂入口区域中。
所述覆盖装置优选包括端板。所述覆盖装置优选分别与第一和最末 燃料电池堆层电接触。可在覆盖装置之间形成电接触，从而在它们之间 限定经由至少一个燃料电池的电路。当然可跨过该电路设置负载。
可选的是，所述覆盖装置可分别与第一和/或最末燃料电池堆层电绝 缘。可使第一和最末燃料电池堆层形成电接触从而在它们之间限定经由 至少一个燃料电池的电路。在这种情况下，覆盖装置与第一和/或最末燃 料电池堆层之间的电绝缘优选还用作热断开。多优点。具体地说，本发明的燃料电池堆组件能够不在燃料电池陶瓷层 的表面上以及燃料电池陶瓷层中引入破坏性接触应力的情况下操作。
所述燃料电池堆优选还包括压縮装置，所述压縮装置适于通过所述 覆盖装置在各个所述第一和第二电极以及各个所述电解质的所述周边外 侧在所述至少一个燃料电池上施加压縮力，以在各个至少一个集电器延 伸部以及各个相邻导电互连件之间实现良好的电接触。
在其中需要在电极、集电器和相邻互连板(或者等价导电结构)之 间建立良好的直接电接触的现有技术燃料电池堆组件中，由于堆压缩力 和部件制造与加工公差的不一致性而引起穿过燃料电池堆层并从堆的一 端至另一端横穿燃料电池堆层的接触压力变化，该接触压力变化大大影 响了堆的制造和使用中的操作性能。降低这些接触压力变化梯度的影响 需要明显更紧的部件公差和加工公差，更复杂的燃料电池堆建造以及更 多受控的操作参数(例如，加热和冷却率或者燃料电池堆温度变化容许 率)。消除对在第二电极和集电器与相邻导电互连板之间形成良好直接电 连接的需要会使得能放宽燃料电池部件和燃料电池堆层所需的加工和制 造公差。这在本发明中是可能的，因为由燃料电池电极限定的区域不需 要能够与集电器和相邻互连板形成良好的直接电接触，并且在燃料电池
堆制造和在用操作循环中仍然存在；相反，在第一和第二电极以及电解 质的周边外建立电接触，并且利用减小的接触区域与相邻互连板形成电 接触。通过大大减小的接触区域，需要更小的堆压縮力来实现期望的电 效果和密封效果。因而，堆压縮力仅需要通过集电器延伸部实现充分的 燃料电池堆的层对层的电连接，并且如有需要则实现压缩垫片密封或接 触。因而与现有技术相比，为提供这样的合适电连接而需要作用有压縮 力的区域的减小使得大大减小了对压縮力的需求。
因此，本发明旨在克服现有技术的缺点，并提供这样一种设计，其 消除了燃料电池堆的接触压力和密封要求与燃料电池活性区域内的部件 公差及操作公差变化之间的相互影响，因此将对压缩载荷的要求转移到 燃料电池堆的外侧区域，从而仅垫片密封需要载荷，从而使所需的堆压縮载荷的大小减小；从而放宽了部件制造公差和端板刚度要求，从而产 生操作性能提高的低成本堆组件。
由本发明产生的电池堆压縮力减小的优点使得覆盖装置可适当成 形，并且由于燃料电池堆组件的整体构造，在期望区域中而不是在电极 或电解质上对燃料电池施加压力。如现有技术的燃料电池堆组件一样， 可使用实心端板。可选的是，可以使用与第一和第二电极及电解质的周 边内的区域相对应的中央区域不为实心的端板。因此，这些非实心端板 比较轻(从而具有较小的热质量)，从而可比等同的实心设计更快地加热 和冷却(需要的话)。此外，由于端板不需要支撑很大的压縮载荷，因此 可由更简单的设计和规格降低的材料构造。
优选的是，燃料电池堆组件还包括适于在覆盖装置上施加压縮力的 夹紧装置。燃料电池堆和夹紧装置优选布置成使得仅在由第一和第二电 极以及电解质限定的周边的外侧施加压縮力。夹紧装置和覆盖装置优选 包括非实心端板或夹紧框架结构。夹紧装置的实施例包括在端板(即，
覆盖装置)上施加压縮压力的螺栓。所述螺栓可以在燃料电池堆边界的 内部或外部布置。堆内压縮力减小的一个优点在于能够使用规格降低的 螺栓材料和/或直径减小的螺栓，但是对于给定温度仍能实现期望的压縮 操作性能。这一优点降低了用于堆组件的构件成本。
如以上所述，在现有技术燃料电池布置中，由于部件制造和加工引 起的部件公差变化以及在燃料电池堆操作期间由堆组件自身及部件热膨 胀变化引起的公差变化，在堆组装和堆操作期间难以获得横穿燃料电池 表面的均匀接触压力。部件公差变化的实施例包括燃料电池电极一 电解 质一电极平面度和厚度变化、板平面度、压縮载荷施加可变性、燃料电 池堆密封中的材料压縮可变性、以及垫片厚度、互连板厚度、端板厚度 和平面度以及其他堆部件平面度的变化。当建造多层堆时，必须严格控 制这些公差。在堆构造或堆操作期间超过这些通常严格的部件公差要求 会在堆和燃料电池堆层内弓I起过大的普遍及局部应力水平，导致燃料电 池陶瓷层失效，或者对于集电器和相邻互连板之间接触压力不足来说， 导致集电电路中的阻抗增大。在燃料电池堆操作期间，燃料电池堆的部件在启动、操作期间和关闭时经受热循环。在这些阶段，燃料电池堆部
件随着堆中的温度随时间变化而以不同速率和时间在X、 Y、 Z轴上经历 热膨胀和收縮。由于过大应力引起的燃料电池破裂的后果会削弱燃料电 池性能或者产生局部加热或者甚至由于燃料流和氧化剂流混合而产生灾 难性的破坏。通过显著降低甚或缓解对构成部件及其制造方法的公差要 求的需求，可通过利用更简单成本更经济的制造工艺制成的部件利用更 简单的建造过程组装燃料电池堆，从而增大燃料电池堆建造的品质保证 合格率并减少使用时的燃料电池堆操作失效机理。
此外，在现有技术设计中，集电器至燃料电池电极的接触压力要求 增加了堆端板设计的挑战。在整个堆中在电极的中央燃料电池区域上施 加大致均匀的载荷需要刚性端板，从而增大了质量和复杂性。本发明通 过将载荷要求转移到堆的周边并降低载荷的大小，使得端板刚度并因此 使其质量大大减小，从而允许使用更轻、更简单且成本降低的部件。减 小端板的质量意味着还可降低燃料电池堆的热容量，这意味着该堆相比 于结合有传统端板的燃料电池堆可更快地从较冷升温到其最佳的操作温 度，从而增强堆的响应性和有用性。载荷大小的降低还减小了所需的压 縮力，从而降低了燃料电池堆压縮系统的尺寸和设计难度，并降低了其 复杂性和成本。例如，降低压縮载荷要求使得能够使用直径减小的压縮 螺栓，所述螺栓根据操作温度还可由规格等级较低的材料制成。
当在燃料电池堆中布置时，燃料电池优选布置成串联或并联地电连 接。更常见的是，堆中的燃料电池串联连接，其中一个燃料电池的负极 侧通过某些导电装置连接至相邻燃料电池的正极侧。
利用所述至少一个集电器延伸部使得可在电路中以并联形式方便而 简单地布置燃料电池。在燃料电池并联连接的情况下，多个正极连接至 一个导电体，多个负极连接至另一导电体。通常，所有正极都连接至一 个导电体，所有负极都连接至另一导电体。但是，可能会希望具有包括 并联电连接和串联电连接混合的多个燃料电池的燃料电池堆，这可通过 本发明容易地实现。
因此，根据本发明还提供了一种燃料电池堆组件，该燃料电池堆组件包括-
(a) 限定至少一个燃料电池堆的、根据本发明的至少两个燃料电池; 以及
(b) 布置在所述至少一个堆周围的覆盖装置，所述至少两个燃料电 池彼此电并联地布置。
优选的是，所述燃料电池堆组件还包括与所述至少两个燃料电池中 的至少一个电串联地布置的至少一个附加燃料电池。
所述燃料电池堆组件还可包括第一和第二集电器，各燃料电池限定 正极和负极，正极并联连接至第一集电器，负极并联连接至第二集电器。
在具有两个以上燃料电池的燃料电池堆组件中，可以釆用串并联相 结合的布置。
借助本发明的燃料电池通过使第一电池的集电器与相邻电池的导电 互连件电绝缘可方便地实现燃料电池的并联电布置。例如，可以采用双 不导电垫片装置，使得第一燃料电池的所述至少一个集电器延伸部经过 第一不导电垫片部分和第二不导电垫片部分之间，第一不导电垫片部分 接触导电基板的上表面，第二不导电垫片部分接触相邻燃料电池的导电 互连件的下表面。因而，集电器与不导电垫片部分之间的相邻导电互连 板电绝缘。于是可形成从所述至少一个集电器延伸部与不导电垫片部分 外部的导电体的电接触，并且多个燃料电池可类似地与导电体电接触的 方式并联布置。类似地，互连板可与另一导电体电接触地并联布置，并 且通过在两个集电器之间建立进一步电连接而形成电路。
更详细地说，对于并联连接，所述至少一个集电器延伸部离开电极 表面并且不与相邻燃料电池堆层互连件连接。相反，其可经过两个不导 电间隔层之间，其中一个不导电间隔层占据所述至少一个集电器延伸部 与基板之间的空间，另一不导电间隔层占据所述至少一个集电器延伸部 与相邻燃料电池堆层互连件之间的空间。因而，该布置使一个燃料电池 堆层与相邻堆层电绝缘。于是，连接至第二电极的至少一个集电器延伸 部均连接至总线之类的公共集电器。同样地，第一电极电连接至导电互 连板，从而通过将所有互连板连接到另一总线之类的公共导电体上而形成可选集电器。
通过这两种布置，能够在一个或多个燃料电池堆中布置串并联混合 连接。
实现一个燃料电池堆层与另一燃料电池堆层电绝缘的另 一种方法是 使所述至少一个集电器延伸部穿过不导电结构。其中一个实施例是将一 个或多个导电元件(例如导线)连接到所述至少一个集电器延伸部，然 后将这根线或多根线送过不导电层中的一个或多个孔。然后可将这些线 连接至公共导电体。
因此，在本发明的燃料电池堆中，不需要向阳极、阴极或电解质提 供压縮力来实现电流收集以及从一个燃料电池堆层和相邻燃料电池堆层 的电接触。此外，各个燃料电池的特性以及它们形成燃料电池堆的布置 意味着可由预制部分(包括各个燃料电池)方便地组装燃料电池堆。与 传统燃料电池堆设计相比这可利用制造公差放宽的构成部件实现，这尤 其是由于本发明避免了在整个燃料电池电极表面上施加均匀压縮力的需 求。本发明的燃料电池堆组件通常还要求向其施加总体比等价的现有技 术燃料电池堆小的压縮力来实现必要的导电性，这是因为仅需要压縮力 在垫片区域中提供充分的气体密封垫片压縮力，而且不需要在整个燃料 电池电极区域提供良好的接触阻抗载荷。
在本发明的燃料电池和燃料电池堆中，第二电极当然可设有多层或 由多个构成部件形成。例如，其可包括活性电极层(离子迁移层)和功 能电极层(暴露电极层)。例如，活性电极层可设有通常具有相同、相似 或不同组分和/或微结构的其他导电涂层。集电器可如所述放置在任一第 二电极上或局部位于其中或位于其内。
不需要在第二电极区域提供集电器压缩释放了在相邻互连板下方第 二电极区域正上方的空间。这具有若干优点。首先，这允许更大的工程 设计范围来降低横穿燃料电池的气流压降，从而通过降低与通过燃料电 池堆的流动气体相关的系统附加损失来提高系统整体效率。降低了第二 电极上的压縮载荷，并因而降低了电解质和阳极上的压縮载荷，这意味 着燃料电池结构不需要在机械上很坚固，从而可在其构造中使用更薄、更简单、成本更低的部件。
根据本发明，还提供一种制造燃料电池的方法，该方法包括以下步
骤
(i)设置电解质层，该电解质层限定第一表面和第二表面，通过所 述第一表面安装在第一电极上并与其电化学接触，并通过所述第二表面
安装在第二电极上并与其电化学接触；以及
(ii)将导电集电器与所述第二电极接合或者将该导电集电器安装 在所述第二电极上或所述第二电极中，从而使该导电集电器与所述第二 电极电接触，所述导电集电器从由所述第一和第二电极以及所述电解质 限定的周边向外延伸。
根据本发明，还提供一种制造燃料电池堆组件的方法，该方法包括
以下步骤
(a) 设置限定至少一个燃料电池堆的、根据本发明的至少一个燃料 电池；以及
(b) 在所述至少一个堆周围布置覆盖装置。 优选的是，至少两个燃料电池设置成彼此电串联地布置。 根据本发明，还提供一种制造燃料电池堆组件的方法，该方法包括 以下步骤
(a) 设置限定至少一个燃料电池堆的、根据本发明的至少两个燃料
电池；
(b) 在所述至少一个堆周围布置覆盖装置；以及
(c) 彼此电并联地布置所述至少两个燃料电池。
优选的是，将至少一个附加燃料电池设置成与所述至少两个燃料电 池中的至少一个燃料电池电串联地布置。
该方法还包括利用夹紧装置夹紧所述至少一个堆和所述覆盖装置的 步骤。
本发明的针对燃料电池和燃料电池堆组件的各个方面都可等同地应 用于燃料电池和燃料电池堆的制造方法。
在例如阳极或阴极被支撑的燃料电池不具有导电基板的燃料电池实
27施方式中，燃料电池层电极可置于与导电互连件接触。在这些情况下， 可通过在一个燃料电池堆层的集电器与其互连层之间设置不导电结构而 形成一个燃料电池堆层与相邻电池堆层之间的接触。于是，在堆被压縮 时，形成一个燃料电池堆层至相邻燃料电池堆层的有效电接触。
如以上所述，燃料电池可以以串联和/或并联电连接方式布置在燃料 电池堆中。
通常，高温燃料电池(例如，固体氧化物燃料电池)在高温
(750~1000°C)下作和烧结温度(1200 1400'C)下)的延长操作会妨 碍由本发明实现的电极(特别是阴极)与不锈钢之类的金属之间的密切 接触。在这样的温度下，钢表面发生氧化，并且容易在例如铁素体不锈 钢之类的不锈钢中发现的挥发性金属物质(species)(特别是铬)迁移至 通常的阴极和/或电解质和/或阳极材料中公知会引起燃料电池性能的下 降。为了克服这些问题，所用的金属在本质上必须是稀有的(因而昂贵) 和/或覆盖有特殊材料以减慢或防止氧化物生成和/或金属物质迁移以及 引起的电极和/或电解质退化。要求涂覆与燃料电池层接触的金属自然会 由于材料加工成本的增加而导致燃料电池和燃料电池堆的制造成本增 加。
但是，在将本发明应用于US 6794075中描述的被金属支撑的SOFC 的情况下，通过采用非常低的燃料电池烧结温度(<1000°C)和降低的燃 料电池操作温度(500 600°C)能够使用低等级金属。在该较低的操作 温度以及在〈1000'C的烧结温度下花费相对较短的时间的情况下，金属氧 化物的生成以及金属物质迁移最少。
优选的是，第二电极层呈湿电极层的形式，在所述第二电极上或所 述第二电极中安装导电集电器的所述步骤包括-
(A) 使所述第二湿电极层与所述导电集电器接触，所述导电集电 器的尺寸设定成在延伸形式中其从所述第一和第二电极以及所述电解质 限定的周边向外延伸；以及
(B) 在烧结处理中焙烧所述燃料电池，从而将所述集电器接合至 所述第二电极。该方法优选还包括设置导电互连件的附加步骤。
该方法优选包括在所述导电基板和所述至少一个集电器延伸部之间 放置不导电结构并且在所述集电器和所述相邻互连件之间放置不导电结 构的附加步骤。
放置在所述导电基板和所述至少一个集电器延伸部之间的不导电结 构的尺寸优选设定成位于由所述第一和第二电极以及所述电解质限定的 所述周边之外。
因而，在本发明的方法中，可将第一电极(优选为阳极)和覆盖电 极设置成由一导电金属基板来承载(例如，接合至导电基板)，该导电金 属基板具有被无孔区环绕的有孔区，电解质覆盖第一电极，而第一电极 又覆盖多孔区。第二反电极(优选为阴极)沉积在电解质上。这可通过
电泳沉积(EPD)、丝网印刷、喷镀等实现。这形成了 "湿"电极陶瓷层。 然后，将呈金属结构形式的集电器引入湿电极陶瓷层上或者局部或全部 引入湿电极陶瓷层内。这优选通过将集电器轻压到湿电极陶瓷层上或者 当集电器材料为铁素体时通过磁性或重力吸引将集电器拉到湿电极陶瓷 层中来实现。可选的是，利用湿电极陶瓷层表面张力，从而实现金属集 电器结构的嵌入。任选的是，可在集电器的顶部上施加附加涂层，以提 供在使用中促进气体交换并进一步嵌入该结构的多孔层。优选的是，这 样的附加涂层包括电极材料或类似的电极材料。然后将该结构在适当的 温度(优选<1000°0下焙烧。
在本发明方法的可选实施方式中，呈金属结构形式的集电器被放置 在预制的电解质表面上，然后通过例如丝网印刷或喷镀将电极材料沉积 在顶部上。之后如以上所述将该结构进行焙烧。
在本发明方法的可选实施方式中，呈金属结构形式的集电器如以上 详述地放置，之后进行电极、电解质和反电极的进一步处理。
如以上详述的，导电集电器通常是金属的，并优选由以下类型制成-网(例如，编织网或针织网)、冲孔金属(通过打穿或化学蚀刻制成)、 金属网、金属泡沬、金属棉、 一个以上独立金属丝束以及它们的组合。 此外，集电器可以呈在不导电结构内的连续导电元件的形式。此外，导电集电器优选被模印或冲压、或蚀刻、激光切割或激光钻 孔和/或成形成其最终形状。可选的是，其可设置成机械成形或非成形的 最终结构。
将所述至少一个集电器延伸部形成为绕燃料电池层覆盖不导电结构 可在将集电器放置在湿电极陶瓷层上之前或者在烧结之后进行，或者可 利用不导电结构层作为成形工具将所述至少一个集电器延伸部和集电器 形成到它们的最终位置中，并烧结整个结构以在不破坏其他燃料电池部 件的情况下实现阴极性能。
可在将集电器嵌入在适当位置之前将不导电间隔件定位。对于预成 形的不导电间隔件来说，可利用位置特征简单地放置以对齐燃料电池结 构的所需区域。对于湿应用，可将不导电间隔件丝网印刷到适当位置。
在本发明的所有实施方式中，集电器设有充足的开口或孔以确保足 量的空气扩散到相关电极并避免质量输送限制。多孔区允许气体进出附 连有该集电器的电极。无孔区使得电流能传递至集电器延伸部并提供供 接合电极材料的表面。多孔区和无孔区的间距和尺寸可设计成相对于电 极的横向导电率优化电流收集。高导电性(低阻抗)横向导电率电极可 具有更大的孔或更少的无孔区。低导电性(高阻抗)横向导电率电极优 选具有高密度的更小的孔，从而减小从集电器至电极材料的距离。该有 孔和无孔设计可在二维或三维上延伸，这取决于电极类型和厚度以及所 用的集电器材料和设计，例如集电器由嵌入在电极中的两层导电网构成。
适当时可优选对集电器进行预处理或设置涂层，以进一步降低接触 阻抗和/或阻止有害元素从集电器流入第二燃料电池电极。更具体地说， 电极材料的部分或全部优选在与燃料电池层的其余部分接合以及后续的 焙烧步骤之前沉积在集电器上。
如本发明所述的集电器的使用以及所带来的不需要在第二电极区域 上施加直接压力的优点，使得第二电极区域的表面和相邻互连板之间有 可能存在空隙。这一间隙会导致将从一个以上供应点供应到所述区域内 的气体导流到一个以上排放点，因为气体会沿阻力最少的路径流动。
在本发明的各种实施方式中，燃料电池和燃料电池堆组件还可构造成使横穿第二电极的气流最优，从而使对横穿第二电极的气流的均匀导 流降低或最小。在操作中可能会引起均匀导流，因此由于未接收到充足 气流的区域(称为"死"区或"低流动"区)中燃料电池的电化学活性 减小而危及燃料电池的效率。
为了克服所述的可能的气体导流，燃料电池和燃料电池组件可在第 二电极上方或其附近设置扩散结构。因此，本发明的燃料电池可附加地 包括位于第二电极上方或其附近的扩散件。该一个扩散件或多个扩散件 的结构和位置可设定成致使气体在第二电极的大部分表面上以大致均匀 的方式在第二电极上流动。
在某些实施方式中，所述扩散件包括位于第二电极表面上的网状结 构。在使用中，网状结构为这样，即至少部分地填充第二电极和相邻互 连板或者端板之间限定的空隙(即，容积部)，并且不在第二电极上施加 压縮力，或者不在第二电极上施加显著的压縮力。"显著的压縮力"是指 力的大小会引起第二电极或燃料电池的损坏或退化。
因此，所述网状结构可附接到互连板上、可以不附接或附接至集电 器或集电器的一部分上。
在其他实施方式中，所述扩散件包括多层网、编织材料或者泡沫结构。
在其他实施方式中，所述扩散件是集电器结构的延伸部。 在所有实施方式中，所述扩散件能够经受燃料电池的操作条件而不
会由于燃料电池操作期间经历的热循环而引起任何不利的氧化效应或者
机械失效效应。
在某些实施方式中，所述扩散件呈无需与第二电极或集电器接触的 特征的形式，例如特征呈互连板和/或端板的形式。因此，互连件自身的 结构和形状可促进气体偏离最直接的路径流向排放区域，产生所谓的"非 均匀导流"，从而降低在第二电极上存在任何死区或低流动区的机会，从 而提高燃料电池的操作和性能。在某些实施方式中，该成形结构是阶梯
式限流器(也称为"挡板"或"堰板")，而在其他实施方式中呈具有V
形截面的延伸区域或者多个成形区域的形式。在不同的流速、气体组分和操作温度下为实现大致均匀或更均匀的流动而进行其他几何变换对于 本领域技术人员来说是显而易见的，并可借助例如三维计算流动动态模 型之类的分析工具利用迭代设计过程方便地实现。可在燃料电池中结合 一个以上的限流器，各限流器具有相同或不同的形状，这取决于具体燃 料电池布置的需要。
阶梯式限流器可设置在这样的燃料电池中，该燃料电池具有位于第 二电极的第一端的气体入口，位于第二电极的另一端的气体出口，长度 限定在气体入口和气体出口之间，宽度限定成大致垂直于该长度，该阶 梯式限流器呈横穿燃料电池的宽度邻近气体入口布置的局部阻断的形 式，产生大致均匀的气流。在燃料电池的气体出口端附近设置呈横穿燃 料电池宽度布置的局部阻断形式的另一阶梯式限流器。阶梯式限流器可 呈在第二电极的上表面和任一导电基板与导电互连件之类的相邻部件的 下侧之间垂直高度减小的形式。
阶梯式限流器由于可实现所需的大致均匀气流同时横穿电极的气体 压力的总体压降相对较小而特别有利。
根据本发明还提供了一种制造根据本发明的燃料电池的方法。还提 供了一种制造本发明的燃料电池堆组件的方法。
还提供了一种根据本发明的燃料电池的操作方法。还提供了本发明 的燃料电池堆组件的操作方法。优选的是，这样的方法包括以下步骤 设置从所述燃料电池的第一在用电终端至第二相反带电终端的电路；在 所述电路上设置电负载；在适合所述燃料电池操作的条件下向所述燃料 电池的入口侧供应燃料和氧化剂；以及操作所述燃料电池以使燃料和氧 化剂横穿所述燃料电池流动，所述燃料被所述氧化剂氧化从而横穿所述 燃料电池产生电流，所述电路从所述第一终端至导电互连板、至安装有 所述第一电极、所述电解质、所述第二电极、所述集电器和所述至少一 个集电器延伸部的导电基板，该电路从所述导电基板至所述第一 电极、 所述电解质、所述第二电极、所述集电器、至所述至少一个集电器延伸 部、至所述第二终端，然后经由导线和所述负载至所述第一终端。
本发明同样可应用于电极和电解质被支撑的固体氧化物燃料电池，以及例如聚合物电解质膜燃料电池、直接甲醇燃料电池、磷酸燃料电池、 碱性燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池的其他燃料电池，以及相同构造的 制氧机和电解器。
因此，本发明还提供一种包括至少一个根据本发明的燃料电池的制 氧机。
因此，本发明还提供一种包括至少一个根据本发明的燃料电池结构 的电解器。


参考附图从以下实施例将会更清楚本发明，在附图中
图1表示金属集电器嵌入在第二电极层中并且集电器延伸部夹在不 导电绝缘垫片与导电互连板之间的燃料电池；
图2表示金属集电器嵌入在集电电池层中并且集电器延伸部被压縮/ 夹在不导电绝缘垫片与导电互连板之间的燃料电池；
图3表示金属集电器嵌入在活性电极层中且集电器延伸部接合至导 电互连板的燃料电池；
图4表示在导电基板上的燃料电池的局部剖视图5表示导电基板(基部)上沉积有燃料电池的初始燃料电池制造 步骤，该导电基板在第一和第二电极以及电解质的周边外具有堆叠特征；
图6表示后继制造步骤中的图5的导电基板和燃料电池， 一集电器 网嵌入在焙烧的顶部(湿)燃料电极层中；
图7表示图6的焙烧过的燃料电池，其中集电器延伸部竖向弯折以 允许放置垫片；
图8表示图7的焙烧过的燃料电池，其中不导电垫片插在导电基板 顶部上，集电器延伸部向下弯折回在不导电垫片上； 图9表示通过燃料电池堆组件的剖视图10表示阶梯式限流扩散件从互连板延伸的第一燃料电池组件的 图11表示沿着图10的线X-X剖取的剖面；图12表示具有V形限流器的第二燃料电池组件的端视图； 图13表示图12的局部突起；
图14表示不具有限流器的燃料电池的平面图，箭头表示气流路径和 从气体入口至气体出口的导流效果；
图15表示图10和图11的第一燃料电池的平面图，箭头表示气流路 径和在电极表面上的大致均匀的气流；
图16表示构造成各个燃料电池并联电连接的燃料电池堆的侧视图； 图17表示构造成各个燃料电池串联电连接的燃料电池堆的侧视图； 图18表示具有相邻导电互连板的燃料电池堆层的侧剖视图，其中在 一导电基板上安装有阳极一电解质一阴极结构，该导电基板又安装在一 导电金属互连板上，在该导电基板和导电金属互连板之间设有导电间隔 层，并且所述至少一个集电器延伸部被销在不导电间隔件和相邻导电互 连板下侧的平坦区域之间；
图19表示具有相邻导电互连板的燃料电池堆层的侧剖视图，其中在 导电金属基板上安装有阳极一电解质一阴极结构，该导电金属基板又安 装在一导电金属互连板上，在该导电基板和导电金属互连板之间设有导 电间隔层，所述至少一个集电器延伸部被销在不导电间隔件和在下侧(电 极侧)和上侧(基板侧)上具有多个凹坑的相邻导电互连板下侧的基部 区域之间；
图20表示如图19所示的燃料电池堆层的侧剖视图，但是其中所述
脊部为不导电间隔件的一部分而不是位于导电互连板上；
图21表示如图19所示的燃料电池堆层的侧剖视图，但是其中导电
互连件销至集电器延伸部区域采用了不同的销接形式；以及
图22表示本发明的优选燃料电池堆组件的部分分解部分的立体图。 在这些图中，实心箭头表示气流区，虚线箭头表示燃料流区。
具体实施例方式
在第一实施方式中，阳极la和覆盖电解质le设置成由金属基板4 承载。通过丝网印刷在电解质上沉积阴极lc以形成"湿"层，然后将呈编织金属网2形式的集电器引入湿层lc中。该集电器可以预制而切割成 期望尺寸并使集电器的伸出侧朝竖直位置弯折。通过将集电器轻压至湿 层lc中而将该结构引入阴极中。之后在〈1000。C的温度下焙烧这一装置。
通过以上过程接合预成形的编织网2，并且其烧结至燃料电池的阴 极lc。为了完成电池的组装，将延伸超过阳极la、电解质le和阴极lc 的集电器2的延伸部(伸出部)(集电器延伸部)保持在竖直位置，然后 将不导电垫片5放置在金属基板4的顶部上。接着，将集电器2的延伸 部向后弯折在垫片5上，然后将包括导电互连板3的相邻燃料电池堆层 放置在顶部，使得集电器2的伸出延伸部被挤在垫片5和相邻互连板3 之间，从而相邻互连板与集电器2的延伸部电接触。如从图1可见，在 阳极la、电解质le或阴极lc上没有施加压力的情况下实现所述电接触。
在图5至图8中以分步方式示出了上述组装过程。
燃料电池构造成图4所示。具体地说，阳极la和覆盖电解质le设 置成由金属基板4承载，该金属基板包括以实心(无孔)区4s为界的多 孔区4p。接着，通过丝网印刷在电解质le上沉积阴极而形成所谓的"湿" 层。之后，通过将集电器2轻压至湿阴极层lc中而将集电器2嵌入在湿 阴极层lc中。然后在〈000。C的温度下焙烧这一装置。
在第二实施方式(图2)中，阴极lc设置成两层形式。层lc为实现 离子迁移的活性电极层，而层lf是提供高横向导电率的功能电极层，该 功能电极层是导电陶瓷，并与活性电极层电接触，这促进电流在所述层 内均匀分布以及与集电器的低阻抗连接。
在第三实施方式(图3)中，示出了一种可选构造，其中集电器2 直接接合至相邻燃料电池堆层的互连层4，从而省去了用垫片5实现集电 路径的需要但仍提供低阻抗电连接。
为了形成燃料电池堆(图9)，将多个图1或图2的燃料电池组装成 组，通过将燃料电池直接放置在前一组的组件层的燃料电池顶部上而形 成各堆的组件层。之后，将整个堆布置夹在端板6之间，通过包括连接 螺栓7的压縮系统在端板6上施加压縮力，从而在垫片5、基板4、集电 器2的延伸部以及互连板3上施加压縮力。在进一步的实施方式中(未示出)，通过沿着弯曲线降低集电器2的 刚度(例如，通过在弯曲区中省去线束或提高孔隙度、增设弯曲线，或 者蚀刻弯曲线)而将集电器2构造成易于形成集电器延伸部。在其他实 施方式中，将固体金属带(通过点焊或其他常用接合方法)接合至集电 器延伸部，从而增大接触面积并进一步降低电池堆中的电阻。
为了便于组装电池堆，使金属基板4和垫片5形成有螺栓孔。为了 完成电池堆组装，将端板6放置在电池堆的顶部燃料电池和底部燃料电 池上，然后利用螺栓7在组件上施加压缩力。
如从图10和图11可见，具有一对限流器3A的第一燃料电池组件根 据以上实施方式而具有沉积在金属基板4上的阳极、电解质及阴极装置1 、 燃料流路A和空气流路B以及电绝缘的垫片5。为了简单起见，图10至 13中未示出集电器。该燃料电池(图15)具有空气入口 C和出口 D。虚 线表示第二电极的周边。在使用中，空气通过入口 C进入燃料电池，并 朝出口D行进。但是，阶梯式限流器3A致使气流在燃料电池的整个宽 度上散布，因而产生横穿第二电极区域的大致均匀的气流。在燃料电池 的出口 D端，第二阶梯式限流器3A限制来自燃料电池的中央区域的气 体优先退出，允许来自燃料电池的非中央区域的气体退出，从而保持基 本均匀的气流横穿第二电极区域。
如从图14可见，在不具有阶梯式限流器3A之类的限流器的实施方 式中，优先产生沿着燃料电池的中央区域的气流，致使在燃料电池的中 央区域外侧产生"死"区。在这些"死"区区域内燃料电池的电化学活 性严重受限。
具体地说，与以下的可选实施方式相比，图10、 11和14的阶梯式 限流器能够提供大大减小(低于1000Pa)的电极区域压降。
在图12和13所示的实施方式中，由垫片5限定的阴极和互连板3 之间的气动间隙E为0.6mm。形成的限流器3A使该间隙在中央变窄为 0.3mm，并成锥形而在边缘处成为完全的0.6mm。在其他实施方式(未示 出)中，针对具体应用而适当修改变窄程度及所涉及的尺寸。
图16和图17示出了燃料电池组中的燃料电池的电并联和电串联布置的实施例。图16示出了燃料电池堆的一部分的剖面，并且如所见的一 样，沉积在第一金属基板(导电基板/互连件)4上的阳极la、电解质lb 和阴极lc (整体用附图标记1表示)采用上述的整体装置，该第一金属 基板4经由多孔区向底层(即，阳极la)提供燃料流，不导电垫片5、 第一金属基板4以及相邻第二金属基板4/端板(未示出)限定出一容积 部，氧化剂在该容积部内流动并与上层(即，阴极lc)接触。
各集电器2沉积在阴极lc上，而不是与上方的第二金属板4/端板(未 示出)直接电接触，事实上集电器2穿过垫片5延伸至导电体11。从而， 各集电器2与导电体11并联连接。
金属基板层4类似地延伸超过垫片5而与导电体10并联连接。在导 电体10和11之间建立了电路，从而产生燃料电池并联布置的电路。
图17示出了一个可选实施方式，其中燃料电池电串联地布置。使导 电体10与底部金属基板4电接触，然后使燃料电池堆的各层布置有沉积 在金属基板(导电基部/互连件)4上的阳极la、电解质lb和阴极lc (整 体用附图标记l表示)，该金属基板4经由多孔区向底层(即，阳极la) 提供燃料流，不导电垫片5、金属基板4以及相邻金属基板4/端板(未示 出)限定出一容积部，氧化剂在该容积部内流动并与上层(即，阴极lc) 接触。
各集电器2沉积在阴极lc上并延伸至垫片5中，在该处与上方的金 属基板4/端板(未示出)直接电接触。集电器从燃料电池组的顶层与导 电体ll直接电接触。
在导电体10和11之间建立电路，从而产生燃料电池串联布置的电路。
图18示出了燃料电池组层与相邻互连板105的侧剖视图，其中阳极 102、电解质103和包括无压力集电器的多孔区的阴极104安装在金属基 板101上。金属基板101由多孔区112和无孔区113构成。金属基板101 安装在互连金属板105上，在该基板101和互连板105之间具有间隔层 106，呈焊缝形式的气密密封件107将这些层接合在一起。集电器延伸部 109被销在不导电间隔件108和互连板105上的平坦区域之间。该结构使得在基板101和互连板105之间形成容积部111并在包含无压力集电器 104的多孔部的电极2与互连板105之间形成容积部110。在使用中，容 积部111容纳反应燃料气体，而容积部110容纳氧化剂气体。图19遵循与图18相同的布局，但是示出了互连板105和集电器延 伸部109之间的界面的可选设计。互连板105具有形成到其表面中的一 系列平面脊部114，这些脊部设计成允许压縮力通过电池堆而在电池组层 之间向下传递，而不会使互连板15的界面区域由于压縮应力而弯曲。该 图还示出了在互连板的两侧设置的凹坑结构。在该实施方式中，在第二 电极侧上示出有平顶凹坑115，在互连板105与金属基板101之间的一侧 示出有拱形凹坑116。这些凹坑彼此相对，但不碰触对置的表面。图20示出了与图18相同的方面，不过在图19的互连板上看到的脊 部特征代之以接合到不导电间隔件117中。不导电间隔件117通过铸造、 模制或者挤压而形成。图21示出了与图18相同的方面，只不过互连接触区的形状根据互 连板在燃料电池堆中的位置而异。图22示出了燃料电池堆系统组件1000的一部分的部分分解立体图。 如可以看到的，设置包括以下重复部分的重复层结构一导电互连板1001; —导电间隔件1004;一其上安装有阳极、电解质、阴极和导电集电器1012的导电基板1003;以及包括不导电间隔件1010、燃料入口垫片1005和排放侧垫片1002的 不导电结构。导电互连板1001、导电间隔件1004、导电基板1003由铁素体不锈 钢制成。类似地，导电集电器1012由铁素体不锈钢制成。不导电间隔件1010是CGO。垫片1002和1005为蛭石。阳极为Ni-CGO。电解质为CGO。阴极为LSCF。燃料电池堆系统组件IOOO具有入口侧和出口侧。在入口侧，由切出 的开口 IOOIA、 1004A、 1003A和1005A限定燃料入口歧管。于是，燃料在开口 1001A处流入由导电互连板1001的上表面、导电间隔件1004 以及导电金属基板1003的下侧限定的容积部中。在进入该容积部时，燃 料气体流遇到导流部1017，该导流部1017用于促进容积部内的非线性气 体流。导电互连板1001还设有面向上的凹坑1014和面向下的凹坑1015。 面向下的凹坑1015设有基本平坦的表面，从而这些凹坑在机械冲击/应力 的情况下与燃料电池层的顶面以及嵌入的集电器1012接触时，在最小化 接触压力和损坏的同时使燃料电池堆组件机械稳定。凹坑1014和1015 还用于使燃料电池机械稳定，并促进非线性气体流，从而增强燃料电池 堆组件1000的操作性能。
通过导电金属基板1003中的孔实现至阳极的燃料流，反应后的燃料 排放回上述容积部内。
在出口侦U，由切出的开口 IOOIB、 1002B、 1003B和1004B限定排放 燃料歧管。因而，限定出封闭式燃料流路和增压室(plemim)。
在图22中，燃料流由箭头1007 (燃料进入流)和1009 (反应后的 燃料排放流)表示。
对于氧化剂流，设置开放式氧化剂流路，在入口侧没有为氧化剂流 设置歧管装置，相反氧化剂能够在入口侧从燃料电池堆系统外部的容积 部自由流入在导电金属基板1003的上表面、燃料入口垫片1005、排放侧 垫片1002和导电互连板1001的下侧之间限定的容积部内。
在出口侦U，由切出的开口 IOOIC、 1002C、 1003C和1004C限定排放 氧化剂歧管。
在图22中，氧化剂流由箭头1006 (氧化剂侧供应流)和1008 (氧 化剂侧排放流)表示。
因此，限定出分立的燃料流路和氧化剂流路，具体地说，氧化剂流 路包括敞开的氧化剂入口 ，从而允许燃料电池堆组件所需的大量氧化剂 简单而方便地流动，减少现有技术的燃料电池堆组件遇到的质量流问题， 并减少在鼓风机的设置中必需消耗大量动力的问题。
当燃料电池堆组件1000操作时，横穿阳极、电解质和阴极产生电势 差。具体地说，阳极(未示出)与导电基板1003的多孔上表面电接触。然后，电解质(未示出)与位于其下方的阳极以及位于其顶部的阴极电
接触。阴极与集电器(未示出)电接触。通过集电器延伸部1011从阴极
和集电器移走电流，所述集电器延伸部在与阳极、阴极和电解质的平面 基本平行的平面中远离阳极、阴极和电解质延伸，超过由阳极、阴极和 电解质限定的周边。
为了使集电器延伸部1011与导电基板1003电绝缘，在二者之间定 位有不导电间隔件1010。
然后，电流经由导电脊部1013传递至相邻的导电互连板1001，所 述导电脊部1013由沿着导电互连板从入口侧向出口侧纵向延伸的多个脊 部构成。各个脊部1013从导电互连板1001向下延伸，从而与集电器延 伸部1011接触。多个脊部1013的使用有助于提供实现良好电接触所需 的点压力，还有助于确保实现良好的气体密封从而使燃料电池堆组件 1000内的气流受到很好的控制。
为了进一步促进密封，通过设置凸起1018而辅助排放侧垫片的定 位，所述凸起1018可提供与相邻不导电间隔件IOIO和集电器延伸部1011 的必要接触，同时最小化在燃料电池堆组件1000的热循环期间会产生的 接触，并从而最小化任何接触压力。
导电端板(未示出)设置在燃料电池堆组件的两端，用于在这两端 限定燃料流路和氧化剂流路容积部，并允许排出电流。
通过导线1020 (未示出)完成端板(未示出)之间的电路。在该电 路上设置负载(未示出)。
为了为燃料电池堆组件1000的其他部件提供热屏蔽，在燃料电池堆 组件的任一端设置绝热件。
首先，通过设置非实心压縮框架而压缩燃料电池堆组件1000，所述 框架具有与阳极、阴极和电解质的周边内的区域相对应的非实心中央区 域，并且实心部分延伸超过由燃料电池堆组件1000的各层的阳极、阴极 和电解质限定的区域的周边，从而在不导电间隔件1010、集电器延伸部 1011和导电脊部1013上延伸。在压縮系统供应孔1016和(出口侧)切 出的开口 IOOIC、 1002C、 1003C和1004C中设置压縮螺栓。在燃料电池堆组件1000上施加压缩力。注意，与现有技术的压縮板相比，本发明通 过使用压縮框架降低了热质量，这意味着燃料电池堆组件1000可比现有技术的装置更快地循环。该系统还降低了必须穿过电池堆施加的压縮力， 从而降低了部件成本并简化了制造。该压縮力提供了所需的密封。所用的压縮螺栓与各个部件1001、 1002、 1003、 1004、 1005电绝缘，以防止燃料电池堆组件的短路。因而，与集电器延伸部形成电接触无需与燃料电池堆组件1000的层 的阳极、电解质或阴极接触或者在其上施加压力，但同时增强了气流(尤 其是氧化剂流)，并且为在使用期间抵抗冲击而设置了凹坑1014、 1015。应理解，不旨在将本发明限制于上述实施方式，在不脱离所附权利 要求的范围的情况下本领域技术人员很容易明白本发明的其他形式。
权利要求
1、一种燃料电池，该燃料电池包括(i)电解质层，该电解质层限定第一表面和第二表面，并通过所述第一表面安装在第一电极上并与其电化学接触，而通过所述第二表面安装在第二电极上并与其电化学接触；以及(ii)导电集电器，该导电集电器接合或安装在所述第二电极上，或者接合或安装在所述第二电极中，并与所述第二电极电接触，该导电集电器具有从由所述第一和第二电极以及所述电解质限定的周边向外延伸的至少一个延伸部。
2、 根据权利要求1所述的燃料电池，其中，所述电解质层、第一电 极、第二电极和集电器布置在第一轴线上，所述集电器在垂直于所述第 一轴线的轴线上远离所述第二电极延伸。
3、 根据上述任一项所述的燃料电池，该燃料电池还包括导电基板， 所述第一 电极接合或安装在该导电基板上。
4、 根据权利要求3所述的燃料电池，该燃料电池还包括安装在所述 导电基板和所述至少一个集电器延伸部之间的不导电结构。
5、 根据权利要求4所述的燃料电池，其中，所述不导电结构位于所 述第二电极限定的所述周边的外侧。
6、 根据上述任一权利要求所述的燃料电池，其中，所述不导电结构 完全或部分环绕所述第一和第二电极以及所述电解质。
7、 根据上述任一权利要求所述的燃料电池，其中，所述不导电结构 是不透气的或者透气的。
8、 根据上述任一权利要求所述的燃料电池，其中，所述不导电结构 包括由不导电间隔件和不导电垫片构成的组中的至少一个。
9、 根据权利要求8所述的燃料电池，其中，所述不导电结构包括从 可压縮垫片和非压縮垫片构成的组中选择的不导电垫片。
10、 根据上述任一权利要求所述的燃料电池，该燃料电池还包括导 电互连件，所述第一电极安装在该导电互连件的顶部上。
11、 根据权利要求10所述的燃料电池，其中，所述导电互连件包括导电互连件和导电间隔件。
12、 根据引用权利要求3时的权利要求10或11的燃料电池，所述 导电互连件和所述导电基板由从金属、铁素体不锈钢和导电陶瓷构成的 组中独立选择的材料制成。
13、 根据权利要求10至12中任一项所述的燃料电池，其中，所述 导电互连件具有上表面和下表面，所述上表面面向所述第一电极，所述 上表面和所述下表面中的至少一个设有至少一个突起。
14、 根据权利要求13所述的燃料电池，其中，所述至少一个突起包 括凹坑。
15、 根据上述任一项权利要求所述的燃料电池，其中，所述第二电 极包括多个电极层。
16、 根据权利要求15所述的燃料电池，其中，所述第二电极包括活 性电极层和功能电极层。
17、 根据上述任一项权利要求所述的燃料电池，其中，所述集电器 由金属制成。
18、 根据权利要求17所述的燃料电池，其中，所述集电器由钢制成。
19、 根据权利要求18所述的燃料电池，其中，所述集电器由铁素体 不锈钢制成。
20、 根据上述任一项权利要求所述的燃料电池，其中，所述集电器 由包括导电成分的材料制成。
21、 根据权利要求20所述的燃料电池，其中，所述集电器呈以下形 式，即网、编织网、针织网、冲孔金属、机械冲孔金属、化学蚀刻金 属、金属网、金属泡沬、金属棉、至少一个单个的丝束、或它们的组合。
22、 根据上述任一项权利要求所述的燃料电池，其中，所述集电器 具有柔性部，所述柔性由以下构成的组中的任一种提供弯折、增大孔 隙率、设置扩展接头、使材料变薄、以及在该柔性部中接合或者使用不 同的导电材料。
23、 根据上述任一项权利要求所述的燃料电池，该燃料电池还包括位于所述第二电极上方或附近的扩散结构。
24、 根据权利要求23所述的燃料电池，其中，所述扩散结构从以下 构成的组中选择网、网状结构、多层网、编织材料以及泡沫。
25、 一种燃料电池堆组件，该燃料电池堆组件包括(a) 限定至少一个燃料电池堆的、根据上述任一权利要求的至少一 个燃料电池；以及(b) 布置在所述至少一个电池堆周围的覆盖装置。
26、 根据权利要求25所述的燃料电池堆组件，该燃料电池堆组件包 括彼此电串联地布置的至少两个燃料电池。
27、 一种燃料电池堆组件，该燃料电池堆组件包括(a) 限定至少一个燃料电池堆的、根据权利要求1至24中任一项 所述的至少两个燃料电池；以及(b) 布置在所述至少一个电池堆周围的覆盖装置，所述至少两个燃 料电池彼此电并联地布置。
28、 根据权利要求27所述的燃料电池堆组件，该燃料电池堆组件还 包括与所述至少两个燃料电池中的至少一个电串联地布置的、根据权利 要求1至24中任一项所述的至少一个附加燃料电池。
29、 根据权利要求25至28中任一项所述的燃料电池堆组件，该燃 料电池堆组件还包括适于在所述覆盖装置上施加压縮力的夹紧部件。
30、 根据权利要求25至29中任一项所述的燃料电池堆组件，其中， 该燃料电池堆组件布置成所述压縮力仅在所述第二电极和所述电解质的 所述周边外施加在所述燃料电池上。
31、 根据权利要求30所述的燃料电池堆组件，其中，所述夹紧和覆 盖装置包括非实心端板或者夹紧框架结构。
32、 根据引用权利要求23或24时的权利要求25至31中任一项所 述的燃料电池堆组件，其中，所述扩散结构从相邻的导电互连件下垂。
33、 根据权利要求32所述的燃料电池堆组件，其中，所述扩散结构 从由以下构成的组中选择阶梯式限流器、具有V形截面的延伸区域以 及位于所述互连件中的多个成形区域。
34、 根据权利要求25至33中任一项所述的燃料电池堆组件，该燃 料电池堆组件包括开放的氧化剂入口、封闭的氧化剂排放歧管以及封闭 的燃料入口和排放歧管。
35、 一种制造燃料电池的方法，该方法包括以下步骤(i) 设置电解质层，该电解质层限定第一表面和第二表面，通过所 述第一表面安装在第一电极上并与其电化学接触，通过所述第二表面安 装在第二电极上并与其电化学接触；以及(ii) 在所述第二电极上或所述第二电极中安装与所述第二电极电接 触的导电集电器，所述导电集电器具有从由所述第一和第二电极以及所 述电解质限定的周边向外延伸的至少一个延伸部。
36、 根据权利要求25所述的制造燃料电池的方法，其中，所述第二 电解质层呈湿电极层的形式，在所述第二电极上或所述第二电极中安装 导电集电器的所述步骤包括(A) 使所述第二湿电极层与所述导电集电器接触，所述导电集电 器的尺寸设定成使所述至少一个集电器延伸部从由所述第一和第二电极 以及所述电解质限定的周边向外延伸；以及(B) 在烧结处理中焙烧所述燃料电池，从而将所述集电器接合至 所述第二电极。
37、 一种制造燃料电池堆组件的方法，该'方法包括以下步骤(a) 设置限定至少一个燃料电池堆的、根据权利要求35或36的方 法的至少一个燃料电池；以及(b) 在所述至少一个电池堆周围布置覆盖装置。
38、 根据权利要求37所述的方法，该方法包括设置彼此电串联地布 置的至少两个燃料电池。
39、 一种制造燃料电池堆组件的方法，该方法包括以下步骤(a) 设置限定至少一个燃料电池堆的、根据权利要求35或36的方 法的至少两个燃料电池；(b) 在所述至少一个电池堆周围布置覆盖装置；以及(c) 彼此电并联地布置所述至少两个燃料电池。
40、根据权利要求39所述的方法，该方法还包括设置与所述至少两 个燃料电池中的至少一个电串联地布置的、根据权利要求33或34所述 的至少一个附加燃料电池。
全文摘要
本发明涉及一种燃料电池、包括该燃料电池的燃料电池堆组件以及该燃料电池的制造方法，该燃料电池包括电解质层，该电解质层限定第一表面和第二表面，通过所述第一表面安装在第一电极上并与其电化学接触，并通过所述第二表面安装在第二电极上并与其电化学接触；以及导电集电器，该导电集电器接合或安装在所述第二电极上，或者接合或安装在所述第二电极中，并与所述第二电极电接触，该导电集电器具有从由所述第一和第二电极以及所述电解质限定的周边向外延伸的至少一个延伸部。
文档编号H01M8/02GK101411021SQ200780011594
公开日2009年4月15日 申请日期2007年1月30日 优先权日2006年1月30日
发明者卡里姆·埃尔·库里, 安德鲁·贝克, 尼尔·梅纳德, 布鲁斯·格尔万, 艾哈迈德·塞卢卡, 马修·哈灵顿 申请人:塞瑞斯知识产权有限公司