专利名称：燃料电池芯单元以及燃料电池芯组的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于固体氧化物型燃料电池(SOFC)的燃料电池芯体、燃料电池芯单元、燃料电池芯组以及包含它们的燃料电池，更为具体来讲，涉及具有管状的燃料电池芯的燃料电池芯体、燃料电池芯单元、燃料电池芯组以及包含它们的燃料电池。
背景技术：
以往，已知有具有管状燃料电池芯的燃料电池芯组(例如参照专利文献1以及2)。 首先，参照图11说明专利文献1所记载的现有的燃料电池芯组的一例。图11是现有燃料电池芯组的概略剖视图。如图11所示那样，专利文献1所记载的燃料电池芯组200的构造为，将圆筒形的燃料电池芯202彼此在相对于长度方向而言的横向上排列，由金属板104支承其两端部。该燃料电池芯组200的燃料电池芯202并联连接。燃料电池芯202具有内侧电极层204、外侧电极层208和配置在它们之间的电解质层206。在燃料电池芯202的一个端部上设有插入到内侧电极层204的内侧的连接部件 210。在燃料电池芯202的另一端部上设有与外侧电极层208的外侧嵌合的连接部件212。 内侧电极层204或外侧电极层208与连接部件210、212通过焊接、熔射或滑配合连结在一起。而且，连接部件210、212与金属板104通过溶接、压接或者滑配合而连结在一起。另外，专利文献2记载了中空六边形的燃料电池芯，该燃料电池芯的内侧电极在端部向长度方向露出。专利文献1 日本特开2002-289249号公报(0028段以及图4)专利文献2 日本特开平5-101842号公报(图1以及图6)在专利文献1所公开的燃料电池芯组200中，将连接部件210安装在内侧电极204 上较为困难，容易造成大的接触电阻。尤其是要将连接部件210安装在外径为1 IOmm的燃料电池芯202的内侧电极204上是困难的。另外，燃料电池芯单体所能够产生的电压与其尺寸无关是固定的。因此，为了获得高的电压，需要将燃料电池芯串联地电连接起来。另一方面，为了获得大的电流，例如需要将燃料电池芯并联地电连接起来。串联或并联地电连接的燃料电池芯的数量因用途而有所不同，因而期望通过希望的电连接容易地组装燃料电池芯。在使用专利文献1所公开的燃料电池芯组200的燃料电池中，需要在将多个燃料电池芯202串联地电连接之后、再将组装好的燃料电池芯并联地电连接而组装燃料电池芯组200的工序，或者在将多个燃料电池芯 202并联地电气组装起来而形成燃料电池芯组200之后、再将它们串联地电气组装起来的工序，从而组装燃料电池整体比较费时。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种容易从内侧电极层取出电力且容易串联和/或并联地电气组装燃料电池芯彼此的燃料电池芯体、燃料电池芯单元、燃料电池芯组以及包括它们的燃料电池。为了达成上述目的，本发明的用于燃料电池的燃料电池芯单元特征在于，具有燃料电池芯体，该燃料电池芯体具有管状的内侧电极层、管状的外侧电极层、配置在内侧电极层和外侧电极层之间的管状的电解质层、以及构成在内侧电极层的内侧的贯通流路；内侧电极端子，该内侧电极端子固定在燃料电池芯体的一个端部上且用于从内侧电极层取出电力；和外侧电极端子，该外侧电极端子固定在燃料电池芯体的另一端部上且用于从外侧电极层取出电力；燃料电池芯体在一个端部具有内侧电极露出周面，在所述内侧电极露出周面，内侧电极层相对于电解质层以及外侧电极层露出，并且，燃料电池芯体在一个端部的外周面上具有经由内侧电极露出周面而与内侧电极层电气地连通的内侧电极外周面，在另一端部的外周面上具有与外侧电极层电气地连通的外侧电极外周面，内侧电极端子配置成从外侧在整周范围内覆盖内侧电极外周面并与该内侧电极外周面电连接；外侧电极端子配置成从外侧在整周范围内覆盖外侧电极外周面并与该外侧电极外周面电连接；内侧电极端子以及外侧电极端子具有与贯通流路连通且与外部相通的连接流路。在这样构成的燃料电池芯单元中，由于经由作为燃料电池芯体的外周面的内侧电极外周面从内侧电极端子取出内侧电极层的电力，所以，与现有的燃料电池芯相比更容易取出内侧电极层的电力。而且，由于管状部分与孔嵌合，所以能够容易地将多个燃料电池芯组装在支撑板上，并能够容易地形成一体的燃料电池芯组。在本发明的燃料电池芯单元的实施方式中，优选的是，内侧电极端子与燃料电池芯体在内侧电极端子与燃料电池芯体的整周范围内由导电性的密封材料密封且固定，外侧电极端子与燃料电池芯体在外侧电极端子与燃料电池芯体的整周范围内由导电性的密封材料密封且固定。在这样构成的燃料电池芯单元中，导电性的密封材料已经内置有将与内侧电极层作用的气体和与外侧电极层作用的气体分隔开的功能、以及从内侧电极层以及外侧电极层取出电力的功能这两种功能。而且，导电性的密封材料相对于内侧电极外周面的紧密接合性良好，所以，界面处的接触电阻小，能够构成发电性能以及可靠性优异的燃料电池芯单元。因此，无需考虑从内侧电极层的电力取出以及气体密封等，能够容易地组装燃料电池。在本发明的燃料电池芯单元的实施方式中，优选的是，内侧电极端子以及外侧电极端子分别具有管状部分，该管状部分以远离燃料电池芯体的方式在燃料电池芯体的长度方向上延伸且包括连接流路；内侧电极端子以及外侧电极端子的管状部分的外轮廓剖面形状相同。在这样构成的燃料电池芯单元中，向内侧电极端子连接以及向外侧电极端子连接的方式可以通用，能够更为容易地组装燃料电池。另外，在本发明的燃料电池芯单元的实施方式中，优选的是，燃料电池芯体由一根燃料电池芯构成，或者具有在长度方向上连结且串联地电连接的多个燃料电池芯。另外，在本发明的燃料电池芯单元的实施方式中，优选的是，内侧电极外周面可以
4由内侧电极露出周面构成，也可以由设在其外侧的内侧电极集电层构成。另外，外侧电极外周面可以由外侧电极层构成，也可以由设在外侧电极层的外侧的外侧电极集电层构成。而且，为了达成上述目的，本发明的燃料电池包括上述的燃料电池芯单元。另外，为了达成上述目的，本发明的燃料电池芯组特征在于，具有上述具备管状部分的燃料电池芯单元，该燃料电池芯单元彼此在相对于长度方向而言的横向上排列地设置有多个；还具有分别定位在多个燃料电池芯单元的两端部的支承板，该支承板具有与多个燃料电池芯单元的管状部分嵌合的孔。这样构成的燃料电池芯组通过管状部分与孔的嵌合，能够容易地将多个燃料电池芯体组装在支承板上，能够容易地形成一体的燃料电池芯组。另外，为了达成上述目的，本发明的燃料电池芯组特征在于，具有上述具备管状部分的燃料电池芯单元，该燃料电池芯单元彼此在相对于长度方向而言的横向上排列地设置有多个；还具有连结部件，该连结部件与邻接的至少两个上述燃料电池芯单元的管状部分嵌合且将它们连结起来；连结部件具有将管状部分的连接流路相互连接起来的连接流路。这样构成的燃料电池芯组能够与串联电连接以及并联电连接无关地容易地在横向上延展燃料电池。而且，为了达成上述目的，本发明的燃料电池包括上述燃料电池芯组。而且，为了达成上述目的，本发明的用于燃料电池的燃料电池芯体特征在于，具有在长度方向上彼此排列的至少两根管状的燃料电池芯；和配置在燃料电池芯之间且固定在燃料电池芯上的连接电极端子；燃料电池芯分别具有管状的内侧电极层、管状的外侧电极层、配置在内侧电极层和外侧电极层之间的管状的电解质层、以及构成在内侧电极层的内侧的贯通流路；燃料电池芯分别在一个端部具有内侧电极露出周面，在所述内侧电极露出周面，内侧电极层相对于电解质层以及外侧电极层露出，并且，燃料电池芯分别在一个端部的外周面上具有经由内侧电极露出周面而与内侧电极层电气地连通的内侧电极外周面，在另一端部的外周面上具有与外侧电极层电气地连通的外侧电极外周面；连接电极端子配置成从外侧在整周范围内覆盖一个燃料电池芯的内侧电极外周面并与该内侧电极外周面电连接，从外侧在整周范围内覆盖另一个燃料电池芯的外侧电极外周面并与该外侧电极外周面电连接，由此，将一个燃料电池芯的内侧电极外周面与另一个燃料电池芯的外侧电极外周面电连接起来，而且，连接电极端子具有使一个燃料电池芯的贯通流路与另一个燃料电池芯的贯通流路连通的连接流路。在这样构成的燃料电池芯体中，通过采用连接电极端子，与上述的燃料电池芯单元同样能够容易地实现燃料电池芯的长度方向的串联电连接。而且，为了达成上述目的，本发明的用于燃料电池的燃料电池芯体特征在于，具有彼此在相对于长度方向而言的横向上邻接地排列的至少两根管状的燃料电池芯；和将至少两根燃料电池芯彼此固定在一起的连接电极端子；燃料电池芯分别具有管状的内侧电极层、管状的外侧电极层、配置在这些电极层之间的管状的电解质层、以及构成在内侧电极层的内侧的贯通流路，并且，燃料电池芯分别在一个端部上具有内侧电极露出周面，在所述内侧电极露出周面，内侧电极层相对于电解质层以及外侧电极层露出；进而，燃料电池芯分别在一个端部的外周面上具有经由内侧电极露出周面与内侧电极层电气地连通的内侧电极外周面，在另一端部的外周面上具有与外侧电极层电气地连通的外侧电极外周面；连接电极端子配置成从外侧在整周范围内覆盖至少一个燃料电池芯的内侧电极外周面并与该内侧电极外周面电连接，从外侧在整周范围内覆盖其余的燃料电池芯的外侧电极外周面并与该外侧电极外周面电连接，由此，将至少一个燃料电池芯的内侧电极外周面与其余的燃料电池芯的外侧电极外周面电连接起来，而且，连接电极端子具有使相互邻接的燃料电池芯的贯通流路彼此连通的连接流路。在这样构成的燃料电池芯体中，通过采用连接电极端子，与上述的燃料电池芯单元同样能够容易地在横向上通过串联电连接以及并联电连接组装燃料电池芯。在上述两个燃料电池芯体的实施方式中，优选的是，连接电极端子与通过该连接电极端子电连接的燃料电池芯在燃料电池芯的整周范围内由导电性的密封材料密封且固定。 在这样构成的燃料电池芯体中，导电性的密封材料具有将与内侧电极层作用的气体和与外侧电极层作用的气体分隔开的功能、以及从内侧电极层以及外侧电极层取出电力的功能这两种功能。而且，导电性的密封材料相对于内侧电极外周面的紧密接合性良好，所以，界面处的接触电阻小，能够构成发电性能以及可靠性优异的燃料电池芯体。因此，能够容易地组装燃料电池。另外，为了达成上述目的，本发明的燃料电池包括上述燃料电池芯体。如上述说明的那样，根据本发明的燃料电池芯体、燃料电池芯单元、燃料电池芯组以及包括它们的燃料电池，能够容易地从内侧电极层取出电力，并且容易进行燃料芯彼此的组装。
图1是本发明第一实施方式的燃料电池芯单元的剖视图。图2是燃料电池芯的另一端部的第一变型例的剖视图。图3是燃料电池芯的另一端部的第二变型例的剖视图。图4是燃料电池芯的另一端部的第三变型例的剖视图。图5是本发明第一实施方式的燃料电池芯组的立体图。图6是本发明第一实施方式的燃料电池的立体图。图7是本发明第二实施方式的燃料电池芯组的立体图。图8是本发明第二实施方式的燃料电池的立体图。图9是本发明第二实施方式的燃料电池芯单元的剖视图。图10是本发明第三实施方式的燃料电池芯单元的剖视图。图11是现有的燃料电池芯组的概略剖视图。附图标记说明1、90、110燃料电池芯单元；6燃料电池芯(燃料电池芯体)；6a —个端部；6b另一端部；15贯通流路；16内侧电极层；16a内侧电极露出周面；18电解质层；20外侧电极层； 21内侧电极外周面；22外侧电极外周面；24内侧电极端子；24b管状部分；24c连接流路； 26外侧电极端子；26b管状部分；26c连接流路；32密封材料；44a、44b外侧电极集电层； 50,70燃料电池芯组；52、53支承板；54孔；60、80燃料电池；72连结部件；72b连通流路； 91、111燃料电池芯体；92、94、112、114燃料电池芯；96、116连接电极端子；104连接流路；116b连接流路。
具体实施例方式下面参照附图具体说明本发明的实施方式。首先，参照图1说明本发明的燃料电池芯单元的第一实施方式。图1是本发明的燃料电池芯单元的剖视图。如图1所示那样，本发明的燃料电池芯单元1具有一根管状的燃料电池芯体。在本实施方式中，燃料电池芯体由一根燃料电池芯6构成，燃料电池芯6为圆筒形。燃料电池芯6具有圆筒形的内侧电极层16、圆筒形的外侧电极层20、配置在这些电极层16、20之间的圆筒形的电解质层18、构成在内侧电极层16的内侧的贯通流路15。另外，在燃料电池芯6的一个端部6a，设有内侧电极露出周面16a和电解质露出周面18a，在所述内侧电极露出周面16a，内侧电极层16相对于电解质层18以及外侧电极层20露出，在所述电解质露出周面18a，电解质层18相对于外侧电极层20露出，内侧电极露出周面16a 以及电解质露出周面18a构成燃料电池芯6的外周面。燃料电池芯6的包含另一端部6b 在内的剩余部分的外周面由露出外侧电极层20的外侧电极露出周面20a构成。在本实施方式中，内侧电极露出周面16a也是与内侧电极层16电气地连通的内侧电极外周面21，外侧电极露出周面20a也是与外侧电极层20电气地连通的外侧电极外周面22。内侧电极层16例如由下述几种混合体中的至少一种形成Ni与掺杂了从Ca或 Y、Sc等稀土类元素选择的至少一种的氧化锆的混合体、Ni与掺杂了从稀土类元素选择的至少一种的二氧化铈的混合体、Ni与掺杂了从Sr、Mg、Co、Fe、Cu选择的至少一种的镓酸镧的混合体。电解质层18例如由下述材料中的至少一种形成掺杂了从Y、Sc等稀土类元素选择的至少一种的氧化锆、掺杂了从稀土类元素选择的至少一种的二氧化铈、掺杂了从Sr、 Mg选择的至少一种的镓酸镧。外侧电极层20例如由下述材料中的至少一种形成掺杂了从Sr、Ca选择的至少一种的亚锰酸镧、掺杂了从Sr、Co、Ni、Cu选择的至少一种的铁酸镧、 掺杂了从Sr、Fe、Ni、Cu选择的至少一种的钐钴、银等。此时，内侧电极层16成为燃料极， 外侧电极层20成为空气极。内侧电极层16的厚度例如为1mm，电解质层18的厚度例如为 30 μ m,外侧电极层20的厚度例如为30 μ m。燃料电池芯单元1还具有固定在燃料电池芯6的一个端部6a上且用于从内侧电极层16取出电力的内侧电极端子24、和固定在另一端部6b上且用于从外侧电极层20取出电力的外侧电极端子26。内侧电极端子24具有从外侧覆盖内侧电极外周面21整周地配置且与内侧电极外周面21电连接的本体部分24a、和远离燃料电池芯6地在燃料电池芯6的长度方向上延伸的管状部分24b。优选的是，本体部分24a以及管状部分24b为圆筒形且同心配置，管状部分24b的管径比本体部分24a的管径小。本体部分24a以及管状部分24b具有与贯通流路 15连通且与外部连通的连接流路24c。本体部分24a与管状部分24b之间的台阶部24d和内侧电极层16的端面16b抵接。外侧电极端子26具有从外侧覆盖外侧电极外周面22整周地配置且与外侧电极外周面22电连接的本体部分26a、和远离燃料电池芯2地在燃料电池芯2的长度方向上延伸的管状部分26b。优选的是，本体部分26a以及管状部分26b为圆筒形且同心配置，管状部分26b的管径比本体部分26a的管径小。本体部分26a以及管状部分26b具有与贯通流路 15连通且与外部连通的连接流路26c。本体部分26a与管状部分26b之间的台阶部26d经由环状的绝缘部件28与外侧电极层20、电解质层18以及内侧电极层16的端面16c抵接。内侧电极端子24以及外侧电极端子26的管状部分24b、26b优选的是，它们的外轮廓剖面形状相同。更为优选的是，内侧电极端子24以及外侧电极端子26的整体形状相同。内侧电极端子24和燃料电池芯6、以及外侧电极端子26和燃料电池芯6，在其整周范围内由导电性的密封材料32密封并且被固定在一起。在一个端部6a，内侧电极露出周面16a以及电解质露出周面18a在燃料电池芯6 的整周范围内延伸，相互在长度方向A上邻接。另外，内侧电极露出周面16a位于燃料电池芯6的末端部6c。内侧电极露出周面16a与电解质露出周面18a之间的边界34位于内侧电极端子24的本体部分24a的内部，电解质露出周面18与外侧电极露出周面20之间的边界36位于本体部分24a的外侧。另外，电解质露出周面18a具有壁厚朝向内侧电极露出周面16a变薄的锥形部18b。在一个端部6a，密封材料32跨内侧电极露出周面16a以及电解质露出周面18a而在整周范围内延伸，充填在内侧电极端子24的本体部分24a中，经由电解质露出周面18a 与外侧电极层20隔开间隔。另外，在另一端部6b，密封材料32在外侧电极露出周面20a 上在整周范围内延伸，充填在外侧电极端子26的本体部分26a与绝缘部件28之间的空间内。密封材料32设置成将与内侧电极层16作用的气体的区域、即贯通流路15以及连接流路24c、26c和与外侧电极层20作用的气体的区域分隔开。密封材料32例如为银、银与玻璃的混合物、包含银、金、镍、铜、钛等的各种焊料。下面说明本发明的燃料电池的工作原理。使与内侧电极层16作用的气体(燃料气体)通过贯通流路15以及连接流路24c、 26c。另外，使与外侧电极层20作用的气体(空气)在外侧电极层20周围流通。由此，燃料电池芯单元1工作。另外，经由密封材料32以及内侧电极端子24取出内侧电极16的电力，经由密封材料32以及外侧电极端子26取出外侧电极20的电力。接着说明本发明的燃料电池芯单元的制造方法的一例。首先，形成管状的燃料电池芯。具体来讲，首先形成管状的内侧电极层16，以使内侧电极层16的端部露出的方式在内侧电极层16周围形成电解质层18，进而以使电解质层 18的端部露出的方式在电解质层18的周围形成外侧电极层20。然后，以在电解质层18的端部形成锥形部18b为宜。接着，将内侧电极端子24覆盖在燃料电池芯6的一个端部6a上，借助密封材料32 将它们相互密封且固定。另外，经由绝缘部件28将外侧电极端子26覆盖在燃料电池芯的另一端部6b上，借助密封材料32将它们相互密封且固定。由此，形成燃料电池芯单元1。在燃料电池芯单元1中，由于经由作为燃料电池芯6的外周面的内侧电极外周面 21将内侧电极层16的电力从内侧电极端子16取出，所以，能够比现有的燃料电池芯更容易地取出内侧电极层16的电力。另夕卜，在不妨碍与内侧电极15作用的气体的流动的情况下， 能够增大密封材料32与内侧电极外周面16a的接触面积，由此，能够减小接触电阻。尤其有利于采用外径为1 IOmm的燃料电池芯的场合。
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另外，由于在两侧配置有内侧电极端子24以及外侧电极端子26的燃料电池芯6 为一个单位，所以，能够容易地通过串联电连接和/或并联电连接的自由组合来组装燃料电池芯6。另外，在燃料电池芯单元1中，由于内侧电极端子24以及外侧电极端子26的管状部分24b、26b的外轮廓剖面形状相同，所以，向内侧电极端子24的连接以及向外侧电极端子26的连接的方式可以通用，燃料电池的组装变得更为容易。进而，在燃料电池芯单元1 中，由于内侧电极端子24以及外侧电极端子26的整体形状相同，所以，内侧电极端子24以及外侧电极端子26可以采用通用的部件，能够减少燃料电池芯单元1所需的部件的种类。另外，燃料电池芯单元1已经同时内置了如下两种功能通过导电性的密封材料 32将与内侧电极层16作用的气体和与外侧电极层20作用的气体分隔开的功能；以及从内侧电极层16和外侧电极层20取出电力的功能。另外，导电性的密封材料32相对于内侧电极外周面21的紧密接合性良好，所以，界面处的接触电阻小，能够构成发电性能以及可靠性优异的燃料电池芯单元1。因此，无需考虑从内侧电极层16的电力取出以及气体密封等， 能够容易地组装燃料电池。另外，通过采用内侧电极露出面16a并且采用密封材料32，能够使燃料电池芯组4 以及燃料电池芯单元1的制造变得容易。尤其有利于采用外径为1 IOmm的燃料电池芯 6的场合。另外，借助电解质层18的锥形部18b，在将密封材料32配置或充填在内侧电极部件24与燃料电池芯6之间时，能够防止下述问题有气泡等残留在内侧电极露出周面16a 与电解质露出周面18a之间，导致密封材料32的气体密封性能降低。由此，合格率提高，能够容易地进行稳定的制造。接着，参照图2 4说明燃料电池芯6的另一端部的变型例。图2是燃料电池芯的另一端部的第一变型例的剖视图。如图2所示那样，在燃料电池芯6的另一端部6b，也可使电解质层18露出到燃料电池芯6的外周面来形成第二电解质外周面18c，将内侧电极层16的端面与外侧电极层20的端部分离。由此，能够更为可靠地防止内侧电极层16与外侧电极层20经由密封材料32发生短路的现象。图3是燃料电池芯的另一端部的第二变型例的剖视图。如图3所示那样，可在燃料电池芯6的外侧电极20的整个周面或一部分周面上，配置外侧电极集电层44a。在该变型例中，与外侧电极20电连接的外侧电极外周面22由外侧电极集电层44a构成。外侧电极集电层44a例如为含有银的多孔质导电性膜。外侧电极集电层44a的厚度例如为10 μ m。另外，也可由银或耐热金属制的金属丝、网等构成外侧电极集电层44a。外侧电极集电层44a 在外侧电极层20薄而难以通电的场合起到电气通路的作用。图4是燃料电池芯的另一端部的第三变型例的剖视图。如图4所示那样，在燃料电池芯6的另一端部6b的末端部6d，也可在使电解质层18露出到燃料电池芯6的外周面而形成第二电解质露出周面18b后，在外侧电极20以及第二电解质露出周面18b的整个周面或一部分周面上配置外侧电极集电层44b。在该变型例中，与外侧电极20电连接的外侧电极外周面22由外侧电极集电层44b构成。外侧电极集电层44b的材质、厚度等与第二变形例的外侧电极集电层44a相同。借助外侧电极集电层44b，使得外侧电极层20暴露于与内侧电极层16作用的气体的可能性降低，能够更为可靠地进行电连接。
接着，参照图5以及图6对包含上述燃料电池芯单元的本发明的燃料电池芯组以及燃料电池的第一实施方式进行说明。图5是本发明第一实施方式的燃料电池芯组的立体图。图6是本发明第一实施方式的燃料电池的立体图。如图5所示那样，作为本发明的燃料电池芯组的第一实施方式的燃料电池芯组50 具有彼此在相对于长度方向A而言的横向上排列地设置的多个燃料电池芯单元1 ；和分别定位在多个燃料电池芯单元1的两端部的支承板52、53。各支承板52、53具有与燃料电池芯单元1的管状部分24b、26b嵌合的孔54。在本实施方式中，支承板52、53由电绝缘性材料形成，例如由耐热性的陶瓷形成。具体来讲，优选采用氧化铝、氧化锆、尖晶石、镁橄榄石、 氧化镁、二氧化钛等。另外，支承板52、53的材质优选热膨胀系数与构成燃料电池单元组的各部件的热膨胀系数近似的材质。如图5所示那样，燃料电池芯组50配置成，由5X4列构成的20根的燃料电池芯6 全部由连接部件55如箭头Cl所示那样串联地电连接。另外，图5中的标记a、b为指示燃料电池芯6的朝向的标记，a指示一个端部，而b指示另一端部。另外，在串联地电连接的燃料电池芯6的端部部分上，设置有用于与外部连接的外部端子56。连接部件55例如由不锈钢、镍基合金、铬基合金等耐热金属、或铬酸镧等陶瓷材料形成。进而从制造工序的简化及成本观点出发，连接部件55优选是预先形成在支承板52、53上的导电性膜(例如由银、 镍、铜等形成的厚度为1 500 μ m的膜)。如图6所示那样，作为本发明的燃料电池的第一实施方式的燃料电池60具有上述燃料电池芯组50 ；端部壳体62、63，该端部壳体62、63密封式地连结在支承板52、53上， 以在上述燃料电池芯组50的两侧形成供与内侧电极层16作用的气体流动的腔室62a、63a ； 中央壳体64，该中央壳体64以覆盖多个燃料电池芯单元1周围的方式密封式地连结在支承板52、53上，以形成供与外侧电极层20作用的气体流动的腔室64a。在端部壳体62、63 上分别设置流入口 62b以及流出口 63b，在中央壳体64上设有流入口 64b以及流出口 64c。 外部端子56经由绝缘部件(未图示)贯穿中央壳体64。接着说明上述燃料电池的工作原理。将与内侧电极层16作用的气体(燃料气体)供给到流入口 62b，使其通过腔室 62a、燃料电池芯单元1的贯通流路15以及连接流路24c、26c以及腔室63a，从流出口 63b 排出。另外，将与外侧电极层20作用的气体(空气)供给到流入口 64b，使其从腔室64a通过而在外侧电极层20的周围流动，从流出口 64c排出。由此，燃料电池60工作。另外，经由密封材料32以及内侧电极端子24将内侧电极层16的电力取出，经由密封材料32以及外侧电极端子26将外侧电极20的电力取出，最终从外部端子56取出这些电力。在燃料电池芯组50中，借助管状部分24b、26b与孔54的嵌合，能够容易地将多个燃料电池芯6组装在支承板52、53上，能够容易地形成一体的燃料电池芯组50。接着，参照图7以及图8来说明包含上述燃料电池芯单元的本发明的燃料电池芯组以及燃料电池的第二实施方式。图7是本发明第二实施方式的燃料电池芯组的立体图。 图8是本发明第二实施方式的燃料电池的立体图。如图7所示那样，燃料电池芯组70具有彼此在相对于长度方向而言的横向上排列地设置的多个燃料电池芯单元1 ；将邻接的燃料电池芯单元1连结的连结部件72。连结部件72具有与燃料电池芯单元1的管状部分24b、26b嵌合的两个孔72a ；用于与这两个孔连通以便将管状部分24b、26b的连接流路24c、26c彼此连通的连通流路72b。连结部件 72优选由导电性材料形成。如图7所示那样，燃料电池芯组70配置成，由4X4列构成的16根的燃料电池芯6 全部由连结部件72如箭头C2所示那样串联地电连接。在串联地电连接的燃料电池芯6的一个端部部分6e以及另一端部部分6f上，未连结有连结部件72。另外，图7中的标记a、 b为指示燃料电池芯6的朝向的标记，a指示一个端部，而b指示另一端部。如图8所示那样，作为本发明的燃料电池的第二实施方式的燃料电池80具有上述燃料电池芯组70、和包围其整体的壳体82。壳体82优选由仅在一侧具有开口的壳体本体 82a、和密封式地连结在该开口上的壳体板82b构成。在壳体板82b上，设有供与内侧电极层16作用的气体流动的流入口 83a以及流出口 83b，在壳体本体82a上，设有供与外侧电极层20作用的气体流动的流入口 84a以及流出口 84b。壳体板82的流入口 83a以及流出口 83b分别与串联地电连接的燃料电池芯6的一个端部部分6e以及另一端部部分6f连结且电连接，但流入口 83a以及流出口 83b相对于彼此电绝缘。另外，优选的是这些口 62b、63b、 64b、64c与换热装置86连接。接着说明上述燃料电池的工作原理。将与内侧电极层16作用的气体(燃料气体)供给到壳体板82b的流入口 83a，使其通过串联地电连接的燃料电池芯单元1，从流出口 83b排出。另外，将与外侧电极层20作用的气体(空气)供给到壳体本体82a的流入口 84a，使其在外侧电极层20的周围流动，从流出口 84b排出。由此，燃料电池芯单元1工作。另外，经由密封材料32以及内侧电极端子24将内侧电极层16的电力取出，经由密封材料32以及外侧电极端子26将外侧电极20 的电力取出，最终从壳体板82的流入口 83a以及流出口 83b取出这些电力。根据燃料电池芯组70，与燃料电池芯6的串联电连接以及并联电连接无关，能够容易地在横向上延展燃料电池80。接着，参照图9对本发明的燃料电池芯单元的第二实施方式进行说明。图9是作为本发明的燃料电池芯单元的第二实施方式的燃料电池芯单元的剖视图。如图9所示那样， 燃料电池芯单元90具有这样的结构将图1所示第一实施方式的燃料电池芯单元1中的一根燃料电池芯(燃料电池芯体)6的部分置换为本发明燃料电池芯体的第二实施方式、即在长度方向A上连结且串联地电连接的两根燃料电池芯。下面就该燃料电池芯体91进行说明。作为本发明的燃料电池芯体的第二实施方式的燃料电池芯体91具有彼此在长度方向A上串联配置的两根燃料电池芯92、94 ；将燃料电池芯92的另一端部92b与燃料电池芯94的一个端部94a连结的连接电极端子96。燃料电池芯92、94分别具有与图1的燃料电池芯6相同的构成要素，因而，通过标注相同的参照标记而省略其说明。另外，燃料电池芯92的另一端部92b与燃料电池芯6的另一个端部6b对应，燃料电池芯94的一个端部 94a与燃料电池芯6的一个端部6a对应。连接电极端子96为管状，以从外侧覆盖燃料电池芯92的另一端部92b的外侧电极外周面整周的方式配置且与该外侧电极外周面电连接，而且，以从外侧覆盖燃料电池芯 94的一个端部94a的内侧电极外周面整周的方式配置且与该内侧电极外周面电连接。连接电极端子96在长度方向A的中央部具有环状的突出部98。燃料电池芯92的另一端部92b隔着绝缘部件100抵接在该突出部98上，燃料电池芯94的一个端部94a也抵接在该突出部98上。连接电极端子96由导电性的材料形成，燃料电池芯92、94与连接电极端子96之间的间隙由导电性的密封材料102密封，确保使燃料电池芯92的贯通流路15与燃料电池芯94的贯通流路15连通的连接流路104。由此，连接电极端子96与由其电连接的燃料电池芯92、94在燃料电池芯的整周由导电性的密封材料密封且固定。连接电极端子96例如由不锈钢、镍基合金、铬基合金等耐热金属、或铬酸镧的陶瓷材料形成。密封材料例如由银、 银与玻璃的混合物、包含银、金、镍、铜、钛等的各种焊料形成。在燃料电池芯体91中，通过采用连接电极端子96，与上述的燃料电池芯单元1同样，能够将燃料电池芯6在长度方向上且以串联电连接容易地组装起来。接着，参照图10对本发明的燃料电池芯单元的第三实施方式进行说明。图10是作为本发明的燃料电池芯单元的第三实施方式的燃料电池芯单元的剖视图。如图10所示那样，燃料电池芯单元110具有这样的结构取代图1所示第一实施方式的燃料电池芯单元 1中的一根的燃料电池芯(燃料电池芯体)6，置换成本发明的燃料电池芯体的第二实施方式、即在相对于长度方向而言的横向上配置且串联地电连接的两根燃料电池芯。下面就该燃料电池芯体111进行说明。作为本发明的燃料电池芯体的第二实施方式的燃料电池芯体111具有在相对于长度方向而言的横向B上配置且串联地电连接的两根燃料电池芯112、114 ；将燃料电池芯 112的另一端部112b与燃料电池芯114的一个端部114a连结的连接电极端子116。燃料电池芯112、114分别具有与图1的燃料电池芯6相同的构成要素，因而，通过标注相同的参照标记而省略其说明。另外，燃料电池芯112的另一端部112b与燃料电池芯6的另一个端部6b对应，燃料电池芯114的一个端部114a与燃料电池芯6的一个端部6a对应。连接电极端子116具有接纳燃料电池芯112的另一端部112b以及燃料电池芯 114的一个端部114a的两个孔116a ；与该两个孔116a连通以便使燃料电池芯112的贯通流路15以及燃料电池芯114的贯通流路15相互连通的连接流路116b。另外，连接电极端子116以从外侧覆盖燃料电池芯112的另一端部112b的外侧电极外周面22整周的方式配置且与该外侧电极外周面22电连接，而且，以从外侧覆盖燃料电池芯114的一个端部114a 的内侧电极外周面21整周的方式配置且与该内侧电极外周面21电连接，由此，燃料电池芯 112的外侧电极外周面22与燃料电池芯114的内侧电极外周面21电连接。燃料电池芯112 的另一端部112b隔着绝缘部件118与孔116a抵接，燃料电池芯114的一个端部与孔116a 抵接。连接电极端子116与由其电连接的燃料电池芯112、114在燃料电池芯的整周由导电性的密封材料120密封且固定。连接电极端子116例如由不锈钢、镍基合金、铬基合金等耐热金属、或铬酸镧的陶瓷材料形成。密封材料120例如由银、银与玻璃的混合物、包含银、 金、镍、铜、钛等的各种焊料形成。在燃料电池芯体111中，通过采用连接电极端子116，与上述的燃料电池芯单元1 同样，能够将燃料电池芯6在横向上且以串联电连接和/或并联电连接容易地组装起来。另外，在燃料电池芯体111中，导电性的密封材料120具有将与内侧电极层16作用的气体和与外侧电极层20作用的气体分隔开的功能、以及从内侧电极层16以及外侧电极层20取出电力的功能。而且，导电性的密封材料120相对于内侧电极外周面21的紧密接合性良好，所以，界面处的接触电阻小，能够构成发电性能以及可靠性优异的燃料电池芯
12体111。因此，能够容易地组装燃料电池。以上说明了本发明的实施方式，但本发明并不限于上述的实施方式，在权利要求书所记载的发明范围内能够进行各种改变，而这些改变当然也包括在本发明的保护范围之内。在上述本发明的燃料电池芯组的第一实施方式以及第二实施方式中，燃料电池芯组50、70分别将20根、16根的燃料电池芯6串联地电连接起来，但所连接的燃料电池芯6 的数目是任意的。而且，在燃料电池芯组70中，连结部件72连结了两根燃料电池芯单元1， 但连结部件72所连结的燃料电池芯单元1的数量也可以为3根以上。此时，燃料电池芯组 70也可包含并联地电连接的燃料电池芯单元1。另外，在上述实施方式中，燃料电池芯6形成为剖面呈圆形的圆筒形，但也可为其他形式，只要是管状即可。具体来讲可以是剖面为扁平状、或者椭圆状的扁管形、剖面为多边形的方筒形等的形式。另外，可任意组合本发明的燃料电池芯体、燃料电池芯单元、燃料电池芯组来构成燃料电池。
权利要求
1.一种用于燃料电池的燃料电池芯单元，其特征在于，具有管状的燃料电池芯体，该管状的燃料电池芯体具有管状的内侧电极层、管状的外侧电极层、配置在内侧电极层和外侧电极层之间的管状的电解质层、以及构成在上述内侧电极层的内侧的贯通流路；内侧电极端子，该内侧电极端子固定在上述燃料电池芯体的一个端部上且用于从上述内侧电极层取出电力；和外侧电极端子，该外侧电极端子固定在上述燃料电池芯体的管状的外侧电极层上且用于从上述外侧电极层取出电力；上述燃料电池芯体在上述一个端部具有内侧电极露出周面，在所述内侧电极露出周面，上述内侧电极层相对于上述电解质层以及上述外侧电极层露出，并且，上述燃料电池芯体在上述一个端部的外周面上具有经由上述内侧电极露出周面而与上述内侧电极层电气地连通的内侧电极外周面，在上述管状的外侧电极层的外周面上具有与上述外侧电极层电气地连通的外侧电极外周面，上述内侧电极端子配置成从外侧在整周范围内覆盖上述内侧电极外周面并与该内侧电极外周面电连接；上述外侧电极端子配置成从外侧覆盖上述外侧电极外周面并与该外侧电极外周面电连接；上述内侧电极端子具有与上述贯通流路连通且与外部相通的连接流路；上述内侧电极端子具有与上述内侧电极外周面电连接的本体部分，和以远离上述燃料电池芯体的方式在长度方向上延伸的管状部分，并且构成为上述内侧电极端子的管状部分的管径比上述内侧电极端子的本体部分的管径小。
2.如权利要求1所述的燃料电池芯单元，其特征在于，上述内侧电极外周面由上述内侧电极露出周面构成。
3.如权利要求1所述的燃料电池芯单元，其特征在于，上述燃料电池芯体还具有设置在上述外侧电极层的外侧的外侧电极集电层；上述外侧电极外周面由上述外侧电极集电层构成。
4.一种燃料电池芯组，其特征在于，具有权利要求1所述的燃料电池芯单元，该燃料电池芯单元彼此在相对于长度方向而言的横向上排列地设置有多个；还具有分别定位在上述多个燃料电池芯单元的两端部的支承板，该支承板具有与上述多个燃料电池芯单元的管状部分嵌合的孔。
全文摘要
本发明提供容易从内侧电极层取出电力且容易组装燃料芯彼此的燃料电池芯体、燃料电池芯单元以及燃料电池芯组、还有包括它们的燃料电池。本发明的燃料电池芯单元(1)包括具有内侧电极层(16)、外侧电极层(20)及贯通流路(15)的燃料电池芯(6)、和固定在燃料电池芯(6)的端部(6a、6b)上的内侧电极端子(24)以及外侧电极端子(26)。燃料电池芯(6)具有与内侧电极层(16)电气地连通的内侧电极外周面(21)和与外侧电极层(20)电气地连通的外侧电极外周面(22)。内侧电极端子(24)以及外侧电极端子(26)分别覆盖内侧电极外周面(21)以及外侧电极外周面(22)且与其电连接。内侧电极端子(24)以及外侧电极端子(26)具有与贯通流路(15)连通的连接流路(24c、26c)。
文档编号H01M8/12GK102306819SQ20111022975
公开日2012年1月4日 申请日期2007年9月13日 优先权日2006年9月15日
发明者川上晃, 渡边直树 申请人:Toto株式会社