专利名称：燃料电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种燃料电池，其具有布置在隔板之间的多个电解质电极组件。每个电解质电极组件都包括阳极、阴极、以及位于阳极和阴极之间的电解质。
背景技术：
通常，固体氧化物燃料电池(SOFC)使用离子导电固体氧化物(例如稳定氧化锆)电解质。该电解质布置在阳极和阴极之间，从而形成电解质电极组件。该电解质电极组件布置在隔板(双极板)之间，且电解质电极组件和隔板构成了用于产生电力的燃料电池单元。将预定数量的燃料电池堆叠在一起，从而形成燃料电池组。
在该燃料电池中，含氧气体或空气被供应到阴极。含氧气体中的氧在阴极和电解质之间的界面处被离子化，且氧离子(O2-)通过电解质朝向阳极运动。例如含氢气体或CO的燃料气体被供应到阳极。氧离子与含氢气体中的氢发生反应产生H2O或与CO反应产生CO2。在反应中释放的电子通过外部电路流向阴极，从而产生直流电流。
通常，该固体氧化物燃料电池在800℃到1000℃范围内的高温下工作。该固体氧化物燃料电池利用高温废热进行内部重整以产生燃料气体，并通过使燃气轮机转动来产生电力。固体氧化物燃料电池的吸引人之处在于它与其它种类的燃料电池相比具有最高的发电效率，且除了与燃气轮机组合使用之外，它在车辆中的潜在用途也日益受到关注。
稳定氧化锆具有较低的离子导电性。因此，由稳定氧化锆形成的电解质薄膜必须很薄，从而使得氧离子平滑地运动通过该电解质薄膜，以便提高发电性能。然而，为了保持足够的机械强度，稳定氧化锆的电解质薄膜不能太薄。因此，很难在固体氧化物燃料电池中使用稳定氧化锆薄膜来产生较大的电力。
为了解决该问题，日本专利公报特开平No.6-310164(现有技术1)公开了一种固体氧化物燃料电池系统。在该固体氧化物燃料电池系统中，在每个金属隔板上设置多个单元电池(unit cell)，每个单元电池表面积都较小，且燃料气体供应孔和含氧气体供应孔形成于各单元电池的中心。根据现有技术1的公开，该燃料电池系统的可靠性得以改进，其中隔板上的电池的总表面积很大，且基底不会断裂。
在现有技术1中，在每个单元电池中央形成通孔(燃料气体供应孔和含氧气体供应孔)。另外，单元电池具有燃料气体通风槽或含氧气体通风槽。因此，单元电池的机械强度较低。例如，该单元电池很可能在燃料电池工作期间发生损坏。
另外，日本专利公报特开平No.8-279364(现有技术2)公开了另一种类型的固体氧化物燃料电池系统。如图16所示，每个单元电池1布置在一对隔板2之间。单元电池1由薄板形成，且不具有任何孔。单元电池1和在单元电池1周围的隔垫3布置在隔板2之间。隔板2具有沿堆叠方向延伸的燃料气体进入孔4和空气进入孔5。
来自燃料气体进入孔4的燃料气体流过燃料气体分配通道6，并被供应到单元电池1一个表面的中心区域。来自空气进入孔5的空气流过空气分配通道7，并被供应到单元电池1另一个表面的中心区域。
根据该公开，由于单元电池1由薄板形成，并且不具有任何孔，因此单元电池1的机械强度较高。反应气体从单元电池1相对表面的中心区域向外供应到反应区域。因此，两种反应气体被相互隔开。
然而，在现有技术2中，可能会发生燃料气体从燃料气体进入孔4泄漏(交叉泄漏(cross leakage))。例如，该燃料气体可能会不希望地到达单元电池1的阴极。因此，空气和燃料气体在阴极的局部反应会导致生热。由此，该热量可能会对单元电池1和隔板2产生损害。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种具有简单结构的燃料电池，其中适当地设置多个电解质电极组件以保持所需的发电性能，且可靠地防止燃料气体的泄漏(交叉泄漏)。
根据本发明，用于夹住电解质电极组件的每个隔板都包括沿堆叠方向堆叠在一起的第一板和第二板。
燃料气体通道用于将燃料气体供应到电解质电极组件的阳极，含氧气体通道用于将含氧气体供应到电解质电极组件的阴极，该燃料气体通道和含氧气体通道形成在第一和第二板之间。
燃料气体供应孔延伸通过隔板，用于沿堆叠方向供应燃料气体。排放通道形成在燃料气体供应孔周围，并延伸通过隔板，用于沿堆叠方向排放作为废气的反应后的燃料气体和含氧气体。另外，燃料气体分配通道沿隔板的表面，并垂直于堆叠方向在排放通道之间延伸，以连接燃料气体供应孔和燃料气体通道。
这样，用于在电解质电极组件中反应的燃料气体通过燃料气体供应孔沿堆叠方向供应。来自燃料气体供应孔的燃料气体通过每个隔板中的燃料气体分配通道流入燃料气体通道中。当在燃料气体供应孔中发生燃料气体泄漏时，泄漏的燃料气体进入燃料气体供应孔周围的排放通道中，而不会不希望地进入到含氧气体通道中。可靠地防止了燃料气体的交叉泄漏。因此，并不会发生导致局部发热的燃料气体和含氧气体的反应。这样，电解质电极组件不会产生热损坏。例如，如果在排放通道中设置用于检测燃料气体的氢传感器，则可通过简单的结构可靠地检测出燃料气体的泄漏。
燃料气体流过排放通道内部的燃料气体供应孔。由于热废气流过排放通道，因此燃料气体由热废气的废热加热。被加热的燃料气体流过燃料气体流动通道，并供应到阳极。该结构特别适于在燃料电池开始工作时快速开始电解质电极组件中的反应，以及燃料气体的内部重整。
该排放通道延伸通过这些隔板的中心区域。因此，热的排放通道的热量不会浪费地从隔板的外部区域发散。热的排放通道的热量从隔板的中心区域传递到整个隔板。这样，在每个隔板中的温度分布均匀。仅仅通过在排放通道周围设置密封件，就能够有效改善燃料电池的密封特性。因此，密封结构简单。由于废气只是流过隔板的中心区域，因此不会在废气流中发生紊流，并且废气从燃料电池平稳地排放。
燃料气体供应孔在排放通道内部延伸。这样，废气的热量可靠地传送到燃料气体，且燃料气体的温度升高到希望的温度，即，燃料电池的工作温度。另外，由于燃料气体供应孔延伸通过这些隔板的中心区域，因此燃料气体被均匀供应到每个电解质电极组件。这样，可适当地保持希望的发电性能。
另外，排放通道在靠近燃料气体通道和含氧气体通道的位置处连接到形成在隔板之间的废气通道。这样，燃料电池的布置简单，且有效地减小了燃料电池沿堆叠方向的尺寸。废气通道靠近燃料气体通道和含氧气体通道。因此，可适当地进行热废气和燃料气体之间、以及热废气和含氧气体之间的热交换。
在第一板上形成第一凸起，在第二板上形成第二凸起，且第一凸起和第二凸起相互远离地突出，从而使燃料气体供应孔延伸通过第一凸起和第二凸起之间的空间。
燃料气体供应孔仅由隔板的第一板和第二板形成。这样，可以简单地进行燃料电池的生产。由于不需要专用管道等，因此燃料电池的部件数量较少，从而能够减少形成第一和第二板的步骤数量。另外，由于在第一凸起和第二凸起之间形成空间，因此第一凸起和第二凸起的高度可以很小。换言之，当在压力下形成第一和第二板时，对于每个第一凸起和第二凸起的拉伸量都很小。因此，能够以很高的精确度形成第一板和第二板。
用于密封该空间的密封件形成在第一凸起和第二凸起之间，该第一凸起形成在其中一块隔板的第一板上，而该第二凸起形成在另一隔板的第二板上。由于密封件布置在第一凸起和第二凸起之间，因此改善了燃料电池的刚度和密封特性。
另外，第一板包括第一隆起，且第二板包括第二隆起。第一隆起和第二隆起分别相对于第一凸起和第二凸起突出。第一隆起与第二隆起接触，以在第一板和第二板之间形成燃料气体通道和燃料气体分配通道。燃料气体通道和燃料气体分配通道仅由隔板的第一板和第二板形成。这样，可简单地进行燃料电池的生产。由于不需要专用管道等，因此燃料电池的部件数量较少，从而能够减少形成第一和第二板的步骤数量。
另外，第一隆起和第二隆起的高度可以很小。换言之，当在压力下形成第一和第二板时，对于每个第一隆起和第二隆起的拉伸量都很小。因此，能够以很高的精确度形成第一板和第二板。第一和第二凸起分别从第一和第二板相对于第一和第二隆起突出。因此，第一和第二凸起具有高刚度。燃料气体供应孔的空间不会变形。供应到电解质电极组件的燃料气体量恒定。另外，改善了密封特性。因此，保持了需要的发电性能。
通过以下结合附图的描述，本发明的上述和其它的目的、特征和优点将变得更加清楚，图中以示例的方式示出了本发明的优选实施例。
图1是示意显示由根据本发明的第一实施例的多个燃料电池堆叠形成的燃料电池组的立体图；图2是显示一部分燃料电池组的剖视图；图3是示意显示包括燃料电池组的燃气轮机的视图；图4是燃料电池的分解立体图；图5是显示一部分燃料电池和燃料电池的工作的立体图；图6是显示燃料电池组的剖视图，省略了其中一部分；图7是显示燃料电池的隔板的分解立体图；图8是显示一部分燃料电池的放大立体图；图9是显示隔板的板的正视图；图10是显示隔板的另一板的正视图；图11是显示燃料电池的操作的视图；图12是示意显示包括根据本发明第二实施例的相对较小的燃料电池组的燃气轮机的剖视图；图13是显示该燃气轮机的正视图；
图14是示意显示包括根据本发明第三实施例的相对较大的燃料电池组的燃气轮机的剖视图；图15是显示该燃气轮机的正视图；以及图16是显示常规燃料电池系统的分解立体图(现有技术2)。
具体实施例方式
图1是示意显示由根据本发明第一实施例的多个燃料电池10堆叠形成的燃料电池组12的立体图，而图2是显示一部分燃料电池组12的剖视图。
燃料电池10是用于固定和移动设备的固体氧化物燃料电池(SOFC)。例如，燃料电池10安装到车辆上。在图3中所示的第一实施例的例子中，燃料电池组12用在燃气轮机14中。在图3中，燃料电池组12的形状与图1和图2中所示的不同，但结构基本相同。
燃料电池组12设在燃气轮机14的壳体16中。燃烧器18设在燃料电池组12的中心。燃料电池组12将作为废气的、反应后的燃料气体和含氧气体的混合气体朝向燃烧器18排放到腔室20中。腔室20沿图3中箭头X指示的废气流动方向变窄。热交换器22沿着流动方向设在围绕腔室20外部的前端。另外，涡轮(动力涡轮)24设在腔室20的前端。压缩机26和发电机28同轴连接到涡轮24。燃气轮机14整体具有轴对称结构。
涡轮24的排放通道30连接到热交换器22的第一通道32。压缩机26的供应通道34连接到热交换器22的第二通道36。空气通过连接到第二通道36的热空气入口通道38供应到燃料电池组12的外圆周表面。
如图1所示，通过沿着箭头A指示的堆叠方向堆叠多个燃料电池10而形成燃料电池组12。每个燃料电池10都为具有弯曲外部的盘状。凸缘40a、40b分别设置在沿着堆叠方向位于相对端的最外部的燃料电池10的外侧。燃料电池10和凸缘40a、40b通过多个(例如，8个)紧固螺栓42紧固在一起。在燃料电池组12的中心，形成圆形燃料气体供应孔44。圆形燃料气体供应孔44具有在凸缘40a处的底部，并沿着箭头A指示的方向延伸(见图2)。
在燃料气体供应孔44周围形成多个(例如，4个)排放通道46。每个排放通道46都具有在凸缘40b处的底部，并沿着箭头A指示的方向从凸缘40b延伸。凸缘40a、40b通过绝缘板98a、98b与端板97a、97b绝缘，绝缘板98a、98b分别布置在凸缘40a、40b和端板97a、97b之间。
如图4和图5所示，燃料电池10包括电解质电极组件56。每个电解质电极组件56都包括阴极52、阳极54，以及布置在阴极52和阳极54之间的电解质(电解质板)50。电解质50由诸如稳定氧化锆的离子导电固体氧化物形成。电解质电极组件56具有较小的圆盘形状。
多个(例如，16个)电解质电极组件56布置在一对隔板58之间以形成燃料电池10。电解质电极组件56沿着内圆P1和外圆P2设置，内圆P1和外圆P2与形成在隔板58中心的燃料气体供应孔44同心。内圆P1经过8个内部电解质电极组件56的中心，且外圆P2经过8个外部电解质电极组件56的中心(见图4)。
每个隔板58都包括多个(例如，两个)堆叠在一起的板60、62。每块板60、62都例如由不锈合金形成。弯曲外部60a、62a分别形成在板60、62上(见图7和图8)。
如图6、图7和图9所示，在板(第一板)60中心周围设置肋条63a以形成燃料气体供应孔44和4个排放通道46。板60在相应的排放通道46周围具有4个内部隆起(第一隆起)64a。内部隆起64a朝向板(第二板)62突出。板60在燃料气体供应孔44周围具有凸起(第一凸起)65a。凸起65a沿着与内部隆起64a相对的方向远离板62突出。
外部隆起66a(第一隆起)径向向外形成在板60上的燃料气体供应孔44的周围。燃料气体通道67形成在内部隆起64a和外部隆起66a的内部(之间)。燃料气体通道67通过燃料气体分配通道67a连接到燃料气体供应孔44。每个燃料气体分配通道67a都沿着肋条63a(即，沿着隔板58的表面)，在由箭头B指示的方向(即，垂直于堆叠的方向)在排放通道46之间延伸，以将燃料气体供应孔44和燃料气体供应通道67连接起来。
外部隆起66a包括多个第一壁68a和第二壁70a，每个第一壁和第二壁都径向向外延伸预定的距离。第一壁68a和第二壁70a交替形成。如图9所示，每一第一壁68a都延伸到内圆P1，该内圆P1是经过8个内部电解质电极组件56中心的虚拟线。每一第二壁70都延伸到外圆P2，该外圆P2是经过8个外部电解质电极组件56中心的虚拟线。上述8个内部电解质电极组件56沿着内圆P1设置，且上述8个外部电解质电极组件56沿着外圆P2设置。
在第一壁68a的每个端部和第二壁70a的每个端部处，都形成有三个含氧气体入口78。含氧气体入口78形成为穿过板60。板60具有朝向电解质电极组件56突出并与之接触的第一凸台80，电解质电极组件56沿着内圆P1和外圆P2设置。
如图6、图8和图9所示，第一弯曲周向隆起83a沿着弯曲外部60a形成在板60上。第一周向隆起83a具有与弯曲外部60a相同的形状，并远离板62突出。外部凸起85a和内部凸起87a以预定间隔设在第一周向隆起83a的相对侧，以相互面对。
如图6、图7和图10所示，面对肋条63a的肋条63b设在板62中心的周围。板62具有4个朝向板60突出的内部隆起64b(第二隆起)，和远离板60突出的凸起(第二凸起)65b。当板60、62连接在一起时，延伸通过相互远离突出的凸起65a、65b的空间形成燃料气体供应孔44。
在板62上形成朝向板60的外部隆起66a突出的外部隆起(第二隆起)66b。内部隆起64a与内部隆起64b接触，且外部隆起66a与外部隆起66b接触，以在板60和板62之间形成燃料气体通道67。燃料气体通道67通过燃料气体分配通道67a连接到燃料气体供应孔44。外部隆起66b包括多个第一壁68b和第二壁70b，所述第一壁和第二壁都径向向外延伸预定的距离。第一壁68b和第二壁70b交替形成。
另外，板62具有朝向沿着内圆P1和外圆P2设置的电解质电极组件56突出并与它们接触的第二凸台86。与第一凸台80相比，第二凸台86具有较小的尺寸(高度和直径)。燃料气体入口88形成为穿过板62。燃料气体入口88连接到燃料气体通道67。
用于沿着内圆P1定位8个电解质电极组件56和沿着外圆P2定位8个电解质电极组件56的凸起81设置在板62上。对于每个电解质电极组件56都形成至少三个凸起81。在第一实施例中，例如形成三个凸起81以定位一个电解质电极组件56。当电解质电极组件56定位在凸起81内部时，在凸起81和电解质电极组件56之间存在一定间隙。凸起81的高度大于第二凸台86的高度(见图6)。
如图6、图8和图10所示，第二周向隆起83b沿着弯曲外部62a形成在板62上。第二周向隆起83b具有与弯曲外部62a相同的形状，并远离板60突出。外部凸起85b和内部凸起87b以预定的间隔设在第二周向隆起83b的相对侧上以互相面对，或形成之字形。
燃料气体通道67由在板60和板62之间的内部隆起64a、64b和外部隆起66a、66b环绕。含氧气体通道82形成在板60和板62之间的外部隆起66a、66b的外侧(见图11)。含氧气体通道82连接到形成在板60上的含氧气体入口78。
如图6所示，隔板58具有绝缘体密封件90以密封燃料气体供应孔44。通过将陶瓷板放置到或者将陶瓷热喷射到板60的凸起65a或板62的凸起65b上而形成绝缘体密封件90。板60的第一周向隆起83a和板62的第二周向隆起83b相互远离地突出，并在第一周向隆起83a和第二周向隆起83b之间形成作为含氧气体通道82一部分的空间。通过将由陶瓷等制成的绝缘体密封件92夹在第一周向隆起83a和第二周向隆起83b之间或通过热喷射将绝缘体密封件92设置在第一周向隆起83a或第二周向隆起83b上。
如图5和图6所示，电解质电极组件56布置在一块隔板58的板60和另一隔板58的板62之间。具体地，在电解质电极组件56外部的板60和板62具有朝向电解质电极组件56突出、以夹住该电解质电极组件56的第一凸台80和第二凸台86。
如图11所示，通过燃料气体入口88连接到燃料气体通道67的燃料气体流动通道94形成在电解质电极组件56和隔板58的板62之间。另外，含氧气体流动通道96通过含氧气体入口78与含氧气体通道82的连接，该含氧气体流动通道96形成在电解质电极组件56和在相对侧的另一块隔板58的板60之间。燃料气体流动通道94开口的尺寸取决于第二凸台86的高度。含氧气体流动通道96开口的尺寸取决于第一凸台80的高度。燃料气体的流速小于含氧气体的流速。因此，第二凸台86的尺寸小于第一凸台80的尺寸。
如图6所示，燃料气体通道67连接到延伸通过隔板58的凸起65a、65b的燃料气体供应孔44。含氧气体通道82和燃料气体通道67形成在隔板58内部的相同区域上。含氧气体通道82通过在隔板58的板60、62的第一和第二周向隆起83a、83b之间的空间通向外部。
沿着堆叠方向堆叠的每个隔板58都具有第一凸台80和第二凸台86，以夹住电解质电极组件56。第一凸台80和第二凸台86用作集流器。板60的外部隆起66a与板62的外部隆起66b接触，且板60的内部隆起64a与板62的内部隆起64b接触，以沿着箭头A指示的方向串联连接燃料电池10。
如图1和图2所示，燃料电池10沿着箭头A指示的方向堆叠。端板97a、97b堆叠在处于相对端的最外部燃料电池10上。绝缘板98a、98b分别堆叠在端板97a、97b的外侧上，且凸缘40a、40b分别堆叠在绝缘板98a、98b的外侧上。凸缘40a、40b在对应于板60，62的弯曲外部60a、62a的向内弯曲的位置处具有孔100a、100b。紧固螺栓42插入到孔100a、100b中。紧固螺栓42的端部拧入螺母104中，从而以合适的力将燃料电池10拧紧。
下面将介绍燃料电池组12的操作。
在组装燃料电池10的过程中，板60和板62连接到一起以形成隔板58。具体地，如图6所示，例如通过钎焊使板60的外部隆起66a和内部隆起64a与板62的外部隆起66b和内部隆起64b连接，并通过热喷射使环状绝缘体密封件90设置在围绕燃料气体供应孔44的板60或板62上。另外，例如通过热喷射使具有弯曲部分的绝缘体密封件92设置在板60的第一周缘83a或者板62的第二周缘83b上。
这样形成的隔板58在板60和板62之间的相同区域上具有燃料气体通道67和含氧气体通道82。燃料气体通道67通过燃料气体分配通道67a与燃料气体供应孔44连接，并且弯曲外部60a和弯曲外部62a之间的含氧气体通道82通向外部。
然后，将电解质电极组件56设置在一对隔板58之间。如图4和5所示，16个电解质电极组件56设置一块隔板58的板60和另一块隔板58的板62之间。8个电解质电极组件56沿着内圆P1布置，且8个电解质电极组件56沿着外圆P2布置。
设置3个凸起81以定位每个电解质电极组件56。电解质电极组件56布置在3个凸起81的内部。板60的第一凸台80和板62的第二凸台86朝向凸起81内部的电解质电极组件56突出并与之接触。
如图11所示，含氧气体流动通道96形成在电解质电极组件56的阴极52和板60之间。含氧气体流动通道96通过含氧气体入口78连接到含氧气体通道82。燃料气体流动通道94形成在电解质电极组件56的阳极54和板62之间。燃料气体流动通道94通过燃料气体入口88连接到燃料气体通道67。废气通道106形成在隔板58之间，用于将废气(反应后的燃料气体和含氧气体的混合气体)引导到排放通道46。
如上所述组装的多个燃料电池10沿着由箭头A指示的方向堆叠以形成燃料电池组12(见图1和图2)。
将诸如含氢气体的燃料气体供应到凸缘40b的燃料气体供应孔44，且在压力下从燃料电池10的外部供应诸如空气的含氧气体。供应到燃料气体供应孔44的燃料气体沿着由箭头A指示的堆叠方向流动，并供应到形成在每个燃料电池10的隔板58中的燃料气体分配通道67a(见图6)。
如图5所示，燃料气体沿着外部隆起66a、66b的第一壁68a、68b和第二壁70a、70b流过燃料气体通道67。燃料气体通过燃料气体入口88流入燃料气体流动通道94中，燃料气体入口88形成在第一壁68a、68b和第二壁70a、70b的端部，即，形成在与电解质电极组件56的阳极54的中央区域相对应的位置处。供应给燃料气体流动通道94的燃料气体从阳极54的中央区域向外流动(见图11)。
从外面将含氧气体供应给每一燃料电池10。含氧气体被供应给形成在板60和板62之间的每一隔板58内的含氧气体通道82。被供应给含氧气体通道82的含氧气体从含氧气体入口78流入含氧气体流动通道96中，并且从电解质电极组件56的阴极52的中央区域向外流动(见图5和11)。
因此，在每一电解质电极组件56内，燃料气体被供应给阳极54的中央区域，并且从阳极54的中央区域向外流动。相似地，含氧气体被供应给阴极52的中央区域，并且从阴极52的中央区域向外流动。借助电化学反应，氧离子从阴极52通过电解质50到达阳极54从而产生电力。
电解质电极组件56夹在第一凸台80和第二凸台86之间。因此，第一凸台80和第二凸台86用作集流器。燃料电池10沿着箭头A指示的堆叠方向串联电连接。电力可以从输出端子48a、48b输出。即使某些电解质电极组件56发生电源故障，燃料电池组12也能通过其它电解质电极组件56通电。因此，能够可靠地进行发电。
在燃料气体和含氧气体反应之后，废气从电解质电极组件56的中心区域通过在隔板58之间的废气通道106向外运动，并朝向隔板58的中心流动。废气流入形成在隔板58中心附近、作为废气歧管的4个排放通道46中，并从排放通道46排放到外部。
在第一实施例中，在一对隔板58之间设置多个(例如，16个)具有相对较小直径的圆形电解质电极组件56。因此，这些电解质电极组件56可以很薄，并减小了电阻极化。另外，温度分布很小，从而防止了由于热应力导致的损坏。因此，有效改善了燃料电池10的发电性能。
另外，8个内部电解质电极组件56沿着内圆P1设置，且8个外部电解质电极组件56沿着外圆P2设置。内圆P1和外圆P2与设在隔板58中心的燃料气体供应孔44同心。8个外部电解质电极组件56定位为不与8个内部电解质电极组件56径向对齐。换言之，内部电解质电极组件56和外部电解质电极组件56分别沿着内圆P1和外圆P2交替设置。
电解质电极组件56可以密集地设置在隔板58之间。因此，燃料电池10总体上可以做得很紧凑，同时保持所需的发电性能。
在第一实施例中，燃料气体供应孔44延伸通过隔板58，以沿堆叠方向供应燃料气体。另外，排放通道46形成在燃料气体供应孔44周围，并延伸通过隔板58，以沿堆叠方向排放作为废气的反应后的燃料气体和含氧气体。每个燃料气体分配通道67a都沿着隔板58的表面(沿着由箭头B指示的方向)垂直于堆叠方向在排放通道46之间延伸，以将燃料气体供应孔44和燃料气体通道67连接起来。
这样，用于在电解质电极组件56中反应的燃料气体沿着堆叠方向通过燃料气体供应孔44来供应。来自燃料气体供应孔44的燃料气体通过在每个隔板58中的燃料气体分配通道67a流入燃料气体通道67中。
例如，当在燃料气体供应孔44中发生燃料气体泄漏时，泄漏的燃料气体进入燃料气体供应孔46周围的排放通道46中，而不会不希望地运动到含氧气体通道82中。可靠地防止了燃料气体的交叉泄漏。因此，不会发生导致局部发热的燃料气体和含氧气体的反应。这样，电解质电极组件56不会被热损坏。例如如果在排放通道46中设置用于检测燃料气体的燃料气体传感器，则可以通过简单的结构可靠地检测出燃料气体的泄漏。
燃料气体流过在排放通道46内部的燃料气体供应孔44。由于热废气流过排放通道46，因此燃料气体由热废气的废热加热。被加热的燃料气体流过燃料气体流动通道94，并供应到阳极54。该结构特别适于在燃料电池10开始工作时快速开始电解质电极组件56中的反应，以及燃料气体的内部重整。
排放通道46延伸通过隔板58的中心区域。因此，热的排放通道46的热量不会浪费地从隔板58的外部区域发散。热的排放通道46的热量从隔板58的中心区域传送到整个隔板58。这样，在每个隔板58中的温度分布均匀。仅仅通过在排放通道46周围设置密封件，就能够有效改善燃料电池10的密封特性。因此，密封结构简单。由于废气只是流过隔板58的中心区域，因此不会在废气流中发生紊流，且废气从燃料电池10平稳地排放。
燃料气体供应孔44延伸通过隔板58的中心区域。因此，燃料气体均匀地供应到每个电解质电极组件56，因此，可以适当维持希望的发电性能。
另外，排放通道46在靠近燃料气体通道67和含氧气体通道82的位置处连接到形成在隔板58之间的废气通道106(见图11)。这样，燃料电池10的布置简单，且有效减小了燃料电池10沿堆叠方向的尺寸。废气通道106靠近燃料气体通道67和含氧气体通道82。因此，可适当进行热废气和燃料气体之间、以及热废气和含氧气体之间的热交换。
在板60上形成凸起65a，且在板62上形成凸起65b。凸起65a和凸起65b相互远离地突出，从而燃料气体供应孔44延伸通过凸起65a和凸起65b之间的空间。另外，板60包括内部隆起64a和外部隆起66a，且板62包括内部隆起64b和外部隆起66b。内部隆起64a和外部隆起66a相对于凸起65a突出。内部隆起64b和外部隆起66b相对于凸起65b突出。内部隆起64a与内部隆起64b接触，外部隆起66a与外部隆起66b接触，以在板60和板62之间形成燃料气体通道67和燃料气体分配通道67a。
燃料气体供应孔44、燃料气体分配通道67a和燃料气体通道67仅由隔板58的板60、62形成。这样，可简单地进行燃料电池10的生产。由于不需要专用导管等，因此燃料电池10的部件数量少，从而能够减少形成板60、62的步骤数量。
另外，凸起65a、65b的高度、内部隆起64a、64b的高度、以及外部隆起66a、66b的高度可以较小。换言之，当在压力下形成板60、62时，对于每个凸起65a、65b的拉伸量、内部隆起64a、64b的拉伸量、以及外部隆起66a、66b的拉伸量都较小。因此，能够以很高的精确度形成板60、62。
凸起65a从板60相对于内部隆起64a突出，且凸起65b从板62相对于内部隆起64b突出。因此，凸起65a、65b以高刚度相互接触。燃料气体供应孔44的空间不会变形。供应到电解质电极组件56的燃料气体量恒定。另外，改善了密封特性。因此，维持了需要的发电性能。
接下来，将简要介绍图3中示出的用在燃气轮机14中的燃料电池组12的工作情况。
如图3所示，在燃气轮机14开始工作时，燃烧器18被激活以使涡轮24转动，并激活压缩机26和发电机28。压缩机26用于将外部空气引入到供应通道34中。空气被加压并加热到预定温度(例如，200℃)，并被供应到热交换器22的第二通道36。
作为热废气的反应后的燃料气体和含氧气体的混合气体的供应到热交换器22的第一通道32，用于加热供应到热交换器22的第二通道36的空气。被加热的空气流过热空气供应通道38，并从外部供应到燃料电池组12的燃料电池10。因此，由燃料电池10进行发电，且将由燃料气体和含氧气体反应生成的废气排放到壳体16中的腔室20中。
此时，从燃料电池(固体氧化物燃料电池)10排放的废气的温度较高，在800℃到1000℃的范围内。废气使涡轮24旋转以通过发电机28产生电力。废气供应到热交换器22以加热外部空气。因此，不必使用燃烧器18使涡轮24转动。
在800℃至1000℃的范围内的热废气可以用来对于供应给燃料电池组12的燃料进行内部重整。因此，可以使用各种燃料进行内部重整，例如，天然气、丁烷和汽油。
图12是示意显示包括根据本发明第二实施例的相对较小燃料电池组12a的燃气轮机120的剖视图，而图13是显示燃气轮机120的正视图。与第一实施例的燃气轮机14相同的那些构成元件用相同的附图标记表示，并省略对其的描述。类似地，在下面描述的第三实施例中，与第一实施例的燃气轮机14相同的那些构成元件用相同的附图标记表示，并省略对其的描述。
在燃气轮机120的壳体122中，8个燃料电池组12a以45°的间隔围绕燃烧器18设置。每个燃料电池组12a都由盖124覆盖，而热空气供应通道126形成在盖124内。
如上所述，在燃气轮机120的壳体122中，8个燃料电池组12a以45°的间隔围绕燃烧器18设置。这样，尽管燃气轮机120的总长较短，但也能产生很大的电动势。
图14是示意显示包括根据本发明第三实施例的相对较大燃料电池组12b的燃气轮机130的剖视图，而图15是显示燃气轮机130的正视图。
在燃气轮机130中，4个燃料电池组12b以90°的间隔沿着第一圆设置在壳体132中，且4个燃料电池组12b以90°的间隔沿着第二圆设置在壳体132中。第一圆沿着由箭头X指示的壳体132的轴向与第二圆隔开预定的距离。沿着第一圆设置的4个燃料电池组12b的方位与沿着第二圆设置的第二燃料电池组12b偏移45°。因此，燃料电池组12b并不相互接触。每个燃料电池组12b都由盖134覆盖，而热空气供应通道136形成在盖134内。
在燃气轮机130中，4个燃料电池组12b以90°的间隔沿着第一圆设置，而其它4个燃料电池组12b以90°的间隔沿着第二圆设置。沿着第一圆设置的燃料电池组12b的方位与沿着第二圆设置的燃料电池组12b偏移45°。因此，具有相对较大尺寸的大量(8个)燃料电池12b可以放置在燃气轮机130中，以提高发电效率。燃气轮机130的外圆周尺寸不大，因此燃气轮机130很紧凑。
在第一至第三实施例中，燃料电池组12、12a、12b用在燃气轮机14、120和130中。然而，燃料电池组12、12a、12b也可以用在其它设备中。例如，燃料电池组12、12a、12b能够被安装在车辆中。
根据本发明的燃料电池，当在燃料气体供应孔中发生燃料气体泄漏时，泄漏的燃料气体进入燃料气体供应孔周围的排放通道中，而不会不希望地运动到含氧气体通道中。因此，不会发生导致局部发热的燃料气体和含氧气体的反应。这样，电解质电极组件不会被热损坏。例如如果在排放通道中设置用于检测燃料气体的燃料气体传感器，则可通过简单的结构可靠地检测出燃料气体的泄漏。
燃料气体流过在排放通道内部的燃料气体供应孔。由于热废气流过排放通道，因此燃料气体由热废气的废热加热。被加热的燃料气体流过燃料气体流动通道，并供应到阳极。该结构特别适于在燃料电池开始工作时快速开始电解质电极组件中的反应，以及燃料气体的内部重整。
尽管已经结合优选实施例具体示出并描述了本发明，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明进行变换和修改。
权利要求
1.一种燃料电池，包括一对隔板和布置在所述隔板(58)之间的电解质电极组件(56)，每个所述电解质电极组件(56)均包括阳极(54)、阴极(52)、以及布置在所述阳极(54)和所述阴极(52)之间的电解质(50)，其中每个所述隔板(58)都包括沿堆叠方向堆叠在一起的第一板(60)和第二板(62)；在所述第一和第二板(60，62)之间形成燃料气体通道(67)和含氧气体通道(82)，所述燃料气体通道(67)用于将燃料气体供应到所述阳极(54)，所述含氧气体通道(82)用于将含氧气体供应到所述阴极(52)；燃料气体供应孔(44)延伸通过所述隔板(58)，用于沿所述堆叠方向供应所述燃料气体；排放通道(46)形成在所述燃料气体供应孔(44)周围，并延伸通过所述隔板(58)，用于沿所述堆叠方向排放作为废气的反应后的所述燃料气体和所述含氧气体；以及燃料气体分配通道(67a)沿所述隔板(58)的表面，并垂直于所述堆叠方向在所述排放通道(46)之间延伸，以连接所述燃料气体供应孔(44)和所述燃料气体通道(67)。
2.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述排放通道(46)延伸通过所述隔板(58)的中心区域。
3.如权利要求2所述的燃料电池，其特征在于，所述燃料气体供应孔(44)延伸通过所述隔板(58)的所述中心区域的中心。
4.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述排放通道(46)在靠近所述燃料气体通道(67)和所述含氧气体通道(82)的位置处连接到形成在所述隔板(58)之间的废气通道(106)。
5.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，在所述第一板(60)上形成第一凸起(65a)，在所述第二板(62)上形成第二凸起(65b)，且所述第一凸起(65a)和所述第二凸起(65b)相互远离地突出，从而使所述燃料气体供应孔(44)延伸通过在所述第一凸起(65a)和所述第二凸起(65b)之间的空间。
6.如权利要求5所述的燃料电池，其特征在于，用于密封所述空间的密封件(90)形成在所述第一凸起(65a)和所述第二凸起(65b)之间，所述第一凸起(65a)形成在其中一块所述隔板(58)的所述第一板(60)上，而所述第二凸起(65b)形成在另一所述隔板(58)的所述第二板(62)上。
7.如权利要求5所述的燃料电池，其特征在于，所述第一板(60)包括第一隆起(64a)，且所述第二板(62)包括第二隆起(64b)；所述第一隆起(64a)和所述第二隆起(64b)分别相对于所述第一凸起(65a)和所述第二凸起(65b)突出；并且所述第一隆起(64a)与所述第二隆起(64b)相互接触，以形成所述燃料气体通道(67)和所述燃料气体分配通道(67a)。
8.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述电解质电极组件(56)沿着至少一个与所述隔板(58)的中轴线同心的圆设置。
全文摘要
每个用于夹持多个电解质电极组件(56)的隔板(58)都包括一对板(60，62)。在板(60，62)之间形成燃料气体通道(67)和含氧气体通道(82)。燃料气体供应孔(44)延伸通过隔板(58)，用于供应燃料气体，且排放通道(46)形成在燃料气体供应孔(44)周围。排放通道(46)延伸通过隔板(58)，用于排放废气。隔板具有燃料气体分配通道(67a)，用于连接燃料气体供应孔(44)和燃料气体通道(67)。
文档编号H01M8/02GK1706061SQ0382055
公开日2005年12月7日 申请日期2003年8月27日 优先权日2002年8月28日
发明者角田正 申请人:本田技研工业株式会社