燃料电池堆、燃料电池系统、以及燃料电池堆的制造方法

专利名称：燃料电池堆、燃料电池系统、以及燃料电池堆的制造方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池堆，包括该燃料电池堆的燃料电池系统，以及该燃料电池堆的制造方法。
背景技术：
如在JP 10-294117A中所公开，公知的燃料电池包括在固体聚合物电解质膜的电解质层上形成的氢隔离层。该氢隔离层具有低的气体渗透性，并在即使电解质层中存在孔(此后称为‘裂缝’)的情况下，控制到低层的气体渗透量。此结构从而允许足够薄的电解质层。
然而，在常规薄电解质层中出现的裂缝增加薄膜电阻，并且不期望地降低燃料电池的性能。

发明内容
因此本发明的目的是消除现有技术的缺点，并制备薄电解质层，而不导致裂缝。
为了达到上面至少一部分或其它目标，本发明侧重于包括多层单元燃料电池的燃料电池堆。每个单元燃料电池具有电解质膜，其具有由致密氢渗透材料形成的基板部件和在该基板部件至少一面上或上方形成的致密无机电解质层；燃料电极，其位于电解质膜的一面上，并接收含氢燃气的供应；氧电极，其位于电解质膜的另一面上，并接收含氧燃气的供应。
在本发明的燃料电池堆中，致密无机电解质层与致密基板部件的综合结构有效地允许充分减少电解质层的厚度，而不导致电解质层的裂缝。这种结构有效地降低电解质层的薄膜电阻。形成的燃料电池堆包括高温燃料电池，从而能够在较低的工作温度范围内工作。多个单元燃料电池的层叠增加燃料电池堆的总功率输出。
电解质层可由陶瓷材料制成，例如，诸如BaCeO3或SrCeO3的固体氧化物材料，或可由固体聚合物材料或其它电解质制成。该基板部件可由具有氢渗透性的金属材料制成，例如，钒，铌，钽，至少包括部分这些材料的各种合金中的任一个，和例如钯的贵金属，或例如钯合金的贵金属合金。该电解质层可仅在该基板部件的单面上形成，或在该基板部件的两面上形成。
在本发明的一个优选实施例中，燃料电池堆还包括介于每对单元燃料电池间的分隔器；以及与该分隔器接触，并形成向氧电极供应氧化气体流动通路的密封垫片。该流动通路包括传导元件，其保持该流动通路的开口，并用于收集该氧电极的能量。
在该优选的结构中，密封垫片与分隔器的组合容易地限定该氧化气体的流动通路，同时传导元件有效地收集氧电极上的能量。
在具备分隔器、密封垫片、以及传导元件的燃料电池堆中，优选地，通过在多个单元燃料电池的层叠方向施加外力，传导元件形成弹性可变形形状的金属部件。
该电解质层与该电解质膜的其它层都非常薄。金属与该电解质膜接触用于收集能量。该电解质膜的持久性受到密封垫片变形的影响。然而，在该优选的结构中，该传导元件是弹性可变形的，以有效地吸收密封垫片变形产生的压力。也就是说，该传导元件并不损坏电解质膜。
该金属部件可为薄金属板。该薄金属板可为波纹形。这种简单的结构实现能量收集功能与弹性变形。
该金属部件另外可为通过编制和缠绕细金属丝获得的细金属丝或金属海绵。这种简单的结构实现能量收集功能与弹性变形。
优选地，该传导元件为金属部件，处理其表面以具有抗氧化特性。这种结构有效地防止该传导元件被通过流动通路的氧化气流氧化。
密封垫片可由绝缘材料制成。密封垫片的绝缘性有效地防止了来自该密封垫片的电子的释放，并且因此加速各个电极上的反应。
在本发明的一个优选实施例中，该燃料电池堆还包括介于每对相邻单元燃料电池间的分隔器，其从电解质膜向外突起，并由具有高导热性的材料制成，以使突起当作散热片。该实施例在燃料电池堆中不需要复杂的独立冷却单元，并由此有效地简化该燃料电池堆的通用结构。
上述实施例的燃料电池堆还可包括覆盖燃料电池堆的绝缘罩；以及集成绝缘罩的冷媒流动通道，以在分隔器的突起中形成冷媒的通路。绝缘罩与冷媒流动通路的结合进一步简化燃料电池堆的通用结构。
在本发明的燃料电池堆中，优选地，基板部件具有嵌入在冲压板中的氢渗透材料，其由除氢渗透材料外的不同金属材料制成。这种结构降低了氢渗透材料的总量，其由不同的金属材料包围。该降低的氢渗透材料量有效地避免在基板部件中潜在的氢膨胀，并因此阻止基板部件脱落。
该基板部件可由氢渗透材料与不锈钢的混合物制成。该基板部件另外可由氢渗透材料与铜的混合物制成。不锈钢和铜与氢渗透材料充分混合，以不产生劣质合金，并且和将与氢渗透材料混合的不同金属材料一样优异。
在上述实施例的结构中，具有介于每对相邻单元燃料电池间的分隔器，从电解质膜向外突出，并由具有高导热性的材料制成，以使突起用作散热片。该燃料电池系统还可包括向分隔器的突起供应冷媒的冷媒供应导管；以及将通过冷媒供应导管供应的冷媒向热媒转换的冷却加热转换模块。
这种简单的结构向分隔器的突起供应冷媒流，以增强冷却效率。可根据需求将冷媒转换至热媒。这种简单的结构增强了寒冷环境中的活化性能。
本发明还涉及燃料电池堆的制造方法。该制造方法包括以下步骤(a)提供金属分隔器串行连接一对相邻的单元燃料电池；(b)接合由致密的氢渗透材料制成的基板部件与该金属分隔器；(c)在该基板部件的至少一面上或上方形成致密的无机电解质层；(d)接合另一金属分隔器，其具有与接合至步骤(b)中的基板部件的金属分隔器的极性不同的极性，以完成一个单元燃料电池；(e)重复步骤(a)至(d)，以形成多个单元燃料电池，并层叠该多个燃料电池；以及(f)通过夹紧部件夹紧该多层单元燃料电池。
本发明的这种制造方法容易地制造具有足够薄的电极层的燃料电池堆，而不阻止裂缝的出现。这样结构有效地降低电解质层的薄膜电阻。最终的包括高温燃料电池的燃料电池堆从而能够在相对低的工作温度范围内工作。


图1示意性地说明本发明第一实施例中燃料电池堆1的结构；图2示意性地说明燃料电池堆1的每一单元燃料电池的结构；图3表示罩60的结构；
图4为表示燃料电池堆1的制造工艺的流程图；图5为表示作为各种可能修改的电解质膜的各种分层结构的表格；图6表示在一个修改的示例中传导元件224的结构；图7为表示在另一修改的示例中作为基板部件的板231的结构的俯视图；图8表示还在另一修改的实施例中，在开槽的金属分隔器中形成的燃料流通路与空气流通路的结构；图9表示在另一修改的示例中，在芯体组件中安排的冷却气体流通路的结构；图10示意性地说明在本发明第二实施例中燃料电池系统500的结构；以及图11为表示启动控制例程的流程图。
具体实施例方式
下面作为优选实施例说明实现本发明的一些模式，以阐明本发明的各个特征、方面，以及效果。
图1示意性地说明本发明第一实施例中燃料电池堆1的结构。图2示意性地说明该燃料电池堆1的每一单元燃料电池的结构。本实施例的单元燃料电池属于固体氧化物燃料电池。首先参考图2的剖视图说明该单元燃料电池(此后称为该单元电池)的结构。该单元电池主要包括置于两个金属分隔器10与20间的电解质膜30。
一个金属分隔器10具有流动通路12，用于供应富氢燃气，其包括在与图2的薄片表面垂直的方向上延伸的多个直槽。另一金属分隔器20具有流动通路22，用以供应空气作为氧化气体。流动通路22在由金属分隔器20，电解质膜30，以及密封垫片40限定的空间中形成。该金属分隔器10与20由金属材料制成，并优选地，包括具有高导热性的材料，例如，铜或铝。密封垫片40由绝热材料制成，例如，橡胶材料，塑料材料，或部分注入橡胶的高热阻纤维材料。流动通路22由金属板24分为多个流动通道，如后面所述。
电解质膜30具有六层结构，包括致密的钒(V)基板部件。该基板部件31介于致密的金属扩散控制层32与33之间，它们还夹在两个钯(Pd)涂层34与35之间。基板部件31的材料并不限制于钒，而可为致密的氢渗透材料中的任何一种，包括例如钒-铜(Cu)合金与钒-镍(Ni)合金的钒合金，例如钯的贵金属，例如钯合金的贵金属合金，以及例如铌(Nb)与钽(Ta)的5A元素。涂层34与35可由具有催化功能的Pd-Ag合金制成，而不是Pd。在金属分隔器10的侧面上作为燃料电极形成的涂层34分隔为岛状物，放置在金属分隔器10中流动通路12的各个凹槽中。
金属扩散控制层32与33由氧化钨(WO3)制成，并用于控制基板部件31与涂层34及35间的相互的金属扩散。除氧化钨外，金属扩散控制层32与33的可用材料包括质子导体，混合导体，陶瓷，及其合成材料与梯度材料，例如，氧化锆，氧化钼，以及Y2O3SiO2。
薄膜电解质层36在涂层35外部，在金属分隔器20的侧面形成。电解质层36由钙钛矿复杂氧化物(ABO3)制成，例如BaCeO3或SrCeO3，作为具有质子传导性的固体氧化物。电解质层36的材料并不限制于钙钛矿复杂氧化物，而可为任一种致密的无机电解质材料，包括其它具有质子传导性的固体氧化物，例如，烧绿石复杂氧化物(A2B2O7)和尖晶石复杂氧化物(ABO4)。
在该实施例的结构中，基板部件31，金属扩散控制层32与33，Pd涂层34与35，以及电解质层36的厚度分别等于100μm，1μm，0.75μm，0.1μm。各个层的厚度并不限制于这些值，而是可以任意设置。基板部件31通过铜焊层37与金属分隔器10铜焊在一起。
电极38在电解质层36的外表面上形成。电极38由多孔金属泡沫或金属筛板制成。诸如钯(Pd)或铂(Pt)的催化剂在电极38上支持，以加速能量产生过程中的反应。电极38的厚度在几十至几百μm的范围之中。
空气流通路22置于电极38的外表面上，并由许多金属板24分割为多个流动通道。每个金属板24为波纹状薄板，一个端面在纵向铜焊至对着电解质膜30的金属分隔器20的平面，并且横跨另一端，与电极38的外表面接触。这种结构的金属板24用作收集氧化物电极上的能量。在该实施例的这种结构中，金属板24仅接触电极38的外表面，并不接合，但金属板24可铜焊至或用其它方式接合至电极38的外表面。金属板24可例如由具有电子传导性的金属丝网、烧结体、或无纺布制成，并具有例如为0.5mm的厚度。电镀金属板24的表面或另外进行抗氧化处理。抗氧化处理有效地阻止金属板24被沿流动通路22流动的空气氧化。
在按照如上所述构建的单元电池的能量产生过程中，向金属分隔器10的流动通路12的燃气供应中包括的氢被分解为质子与电子。该质子移动穿过电解质层36并与氧结合，以在电极38上产生水。氢与氧的结合产生水与电力。在上述结构的单元电池中，具有用于燃气的流动通路12的金属分隔器10对应于该燃料电极，并且该电极38对应于氧电极。
燃料电池堆1包括多个层叠放置的单元电池。如图1所示，在燃料电池堆1中，多个单元电池在各层中以这样的顺序堆叠，其中，每个单元电池包括金属分隔器10，电解质膜30(包括密封垫片40)，以及金属分隔器20。作为氢电极的金属分隔器10与作为氧电极的金属分隔器20在相邻的单元电池间结合为整体的金属分隔器。该燃料电池堆1通常包括100至400个单元电池，但图中仅包括了3个单元电池。
金属分隔器10与20从电解质膜30与密封垫片40的结构体向外突出。金属分隔器10与20具有螺栓孔，并通过贯穿螺栓孔的螺栓50彼此夹紧。在每个螺栓50与对应的螺栓孔间放置绝缘凸缘(为示出)。在每个螺栓头50之下与每个螺母51下放置绝缘垫片52。这些确保金属分隔器10与20之间的绝缘。
燃料电池堆1由具有流动通路导管的罩60覆盖。图3表示罩60的结构。在该图中，假想从罩60中抽出芯体组件61。罩60由绝缘材料制成，例如不锈钢(SUS)，并且包括六边形芯体组件61，分别在芯体组件61两侧提供的冷却气体流通路62与63，和在芯体组件61的前部与后部提供的燃气入口64与燃气出口65，以及分在芯体组件61的后部与前部提供的空气入口66与空气出口67。
罩60具有两个分离的部分，上部与下部。燃料电池堆1介于这两个分离部分之间，并容纳在罩60中。电解质膜30与密封垫片40置于芯体组件61内部，金属分隔器10与20的延伸，也就是从电解质膜30与密封垫片40的突起，置于冷却气体流通路62与63中。燃料电池堆1置于罩60中，以在图3中沿线A-A获得图1的剖面(忽略罩60)。冷却气体流通路62与63具有孔62h，以在其中容纳燃料电池堆1的螺栓50。金属分隔器10与20的突起完全延伸至冷却气体流通路62与63内。穿过孔62h的螺栓50夹紧并固定罩的上部与下部和燃料电池堆1。
冷却气体流通路62与63具有前入口62a与63a和后出口62b与63b。入口62a与63a以及出口62b与63b具有许多开孔，这些开孔对应于在燃料电池堆1中层叠的单元电池的数量。冷却气流由入口62a与63a分流，在燃料电池堆1中通过金属分隔器10与20的突起，并且从出口62b与63b排出。从而该突起当作散热片，以吹凉冷却气体。
燃气入口64与燃气出口65分别置于右前与左后。空气入口66与空气出口67分别置于右后与左前。在芯体组件61的结构中，燃气流由支路68分流，其对应于在金属分隔器10中形成的流动通路12的多个凹槽。空气流由支路69分流，其对应于在金属分隔器20中形成的流动通路22的多个流动通道。在芯体组件61内，通过燃料电池堆1的燃气流与空气流在不同高度相互交叉。燃气流与空气流是相反的气流；燃起流从前至后，而空气流从后至前。在修改的结构中，空气入口与空气出口可在芯体组件61的前部与后部颠倒(另外，燃气入口与燃气出口可在芯体组件61的后部与前部颠倒)。在这种修改的结构中，燃气流与空气流是在相同方向上流动的平行气流。除支路68与69的表面外，芯体组件61的剩余表面由绝缘垫覆盖(氧化铝垫，作为阴影区域示出)，用于气体密封和支撑芯体组件61。
图4为表示燃料电池堆1的制造工艺的流程图。该制造工艺首先将基板部件31铜焊至作为氢电极的金属分隔器10(步骤S100)。将基板部件31单面上的周边部分铜焊至金属分隔器10(参见图2中的铜焊层37)。基板部件31的该单面相应地在铜焊层37间具有浅缝隙。然后，该制造工艺在基板部件31的两面上形成金属扩散控制层32与33(步骤S110)。金属扩散控制层32与33可电镀、离子镀、或淀积在基板部件31的两面上。金属扩散控制层32在金属分隔器10的侧面上的基板部件31单面上的浅缝隙中形成。
该工艺步骤在金属扩散控制层32与33的各自外表面镀上Pd涂层34与35(步骤S120)。涂层34置于在金属分隔器10中形成的流动通路的多个凹槽中。
该制造工艺接下来在金属分隔器20侧面上的涂层35的外表面上形成电解质层36(步骤S130)。可通过多种技术中的任何一种聚积电解质形成电解质层36，例如，物理淀积，化学淀积，或溅镀。致密的基板部件31允许形成足够薄的电解质层36。该制造工艺还在电解质层36的外表面上形成电极38(步骤S140)。可通过多种技术，物理淀积，化学淀积，或溅镀中的任何一种形成电极38。然后铜焊大量金属板24，并将其接合至金属分隔器20作为氧电极(步骤S150)。
处理步骤S100至S150的工艺完成一个单元电池。层叠多个单元电池，并插入密封垫片40，其与各自的基板部件31接触(步骤S160)。然后，该制造工艺借助绝缘垫用罩60覆盖该叠层(步骤S170)。通过螺栓50，螺帽51，绝缘垫片52，以及绝缘凸缘夹紧由罩60覆盖的叠层(步骤S180)。这样完成燃料电池堆1。在应用此燃料电池堆1时，电气负载70连接在最下方的金属分隔器10与最上方的金属分隔器20间(参见图1)。
在上述燃料电池堆1中，致密无机电解质层36与致密基板部件31的综合结构允许充分降低电解质层36的厚度，同时防止在电解质层36中出现裂缝。这种结构有效地降低电解质层36的薄膜电阻，并使固体氧化物燃料电池的工作温度降低至，例如，400至600℃的范围内。多个单元电池的串连层叠有效地增强了燃料电池系统的总输出功率。
在该实施例的结构中，密封垫片40与金属分隔器20容易地限定空气流通路22。在常规的结构中，金属分隔器20与氢电极的金属分隔器10类似，具有多个凹槽，以接收来自平板电极38的电子。在电解质膜30的周边上具有密封垫片40的常规结构中(其等效于图8中示出的修改的结构)，密封垫片40受到燃料电池堆1与螺栓的夹紧而变形。接着金属分隔器10中流动通路的凹槽间的筋肋挤压电极38。这可能损坏电极38与电解质层36。另一方面，在这种实施例的结构中，波纹状的金属薄板24变形，以施加类似弹簧的作用，抵抗在燃料电池堆1的夹紧方向上，也就是这些单元电池的层叠方向上的夹紧压力。金属板24因此吸收夹紧压力，以保护电解质层36和电极38防止潜在的损坏。
在第一实施例中，金属板24为波纹状。然而，并不限于该波纹形状，这些金属板24可为抵抗燃料电池层叠方向上的压力的任何弹性可变形形状。
在该实施例的结构中，密封垫片40由绝缘材料制成，并且不允许释放电子。这种结构确保在各个电极上的反应。
在该实施例的结构中，置于每对相邻单元电池边界处的金属分隔器10与20从电解质膜30和密封垫片40突出，并且由具有高导热性的材料制成，例如，铜或铝。这些突起从而当作散热片，并有效地简化了结构，不需要燃料电池堆1内部复杂的冷却机制。罩60的形状允许金属分隔器10与20的突起直接暴露于冷却气体。这种简单的结构增强了冷却效率。
下面说明第一实施例的一些可能修改图5为表示作为可能修改的电解质膜的各种分层结构的表格。示例A对应于该实施例的结构(在图2中示出)。在示例A的结构中，基板部件31插入至金属扩散控制层32与33之间，并进一步由Pd涂层34与35覆盖，电解质层36在氧电极侧面上的Pd涂层35上形成。
在第一实施例的燃料电池1中，需要每个单元电池的电解质膜具有致密氢渗透材料的基板部件和电解质层。示例B的结构不包括氧电极侧面上的涂层35。燃料电极侧面上的涂层34还用于将燃气的氢元素分解为质子与原子。质子穿过电解质层36以促进电池反应。
可忽略金属扩散控制层32与33作为示例C的结构。可忽略金属扩散控制层32与33中的任一个作为示例D和E的结构。插入金属扩散控制层32与33，以防止Pd涂层34和35与基板部件31间相互的金属扩散。从而当允许一些金属扩散时，可忽略金属扩散控制层32与33。与示例B的结构类似，可忽略包括在示例C至E的结构中的涂层35。
电解质膜可包括在由致密的氢渗透材料制成的基板部件的两面上形成的电解质层。在该实施例的结构中，在基板部件31与金属扩散控制层32之间形成与电解质层36相同的附加电解质层。这种结构还充分地降低电解质层的厚度，并降低固体氧化物燃料电池的工作温度。
在第一实施例的结构中，由固体氧化物制成的电解质层36在金属分隔器20侧面上的涂层35上形成。一个修改的过程可在该涂层35上施加薄膜电解质层36。在此修改中，致密薄膜31与薄膜电解质层36的综合结构充分地降低电解质层36的厚度。
在第一实施例的结构中，作为传导元件的金属板24为波纹状，用于容易的弹性变形。在一个修改的结构中，波纹状的金属板24在与电极38接触的各个端部可由具有弹簧机构的扁平金属板代替。这些弹簧机构受到单元电池层叠方向的外力产生弹性变形。图6表示该修改的结构的传导元件224。该传导元件224具有与电极38接触的钩状端部224a，并当做片簧。在此修改的结构中，该传导元件224的钩状端部224a受到单元电池层叠方向的夹紧压力而变形，以具有类似弹簧的功能。这种结构有效地吸收了该夹紧压力，并从而保护电解质层36和电极38免于潜在的损坏。
在第一实施例的结构中，这些薄金属板24用作传导元件。可替换地，该传导元件可为由例如镍或不锈钢(SUS)制成的金属细丝，并具有例如0.1mm的直径。在金属分隔器20与电极38间跨接大量的金属细丝。这些金属细丝优选地以波浪形弯曲，类似该实施例的金属板24。优选地，处理这些金属细丝的表面，使其具有抗氧化特性。
另一修改的结构可以不包括金属板24，并用由编织或缠绕这些金属细丝得到的金属海绵填充密封垫片40包围的空气流通路22。该金属海绵有效地吸收单元电池层叠方向上的夹紧压力，并有效地保护电解质层36与电极38免于潜在的损伤。优选地，处理该金属海绵的金属细丝的表面，以使其具有抗氧化特性。第一实施例的传导元件与这些修改的示例充分地保留空气流通路22的开孔。
在该第一实施例及其修改示例中，扁平电极38在电解质层36的表面上形成，并与该传导元件接触，以向金属分隔器20收集电能。一个修改的实施例可忽略电极38并使传导元件直接暴露于电解质层36。该传导元件由薄板或细线制成，并形成为类似弹簧的形状，如前所述。从而，因为该传导元件直接暴露于电解质层36而损坏电解质层36的可能性非常小。在更有效地防止潜在损坏的另一修改的实施例中，在金属分隔器20的侧面上的电极38的表面上放置冲压金属板，并且该传导元件与该冲压金属板接触。
第一实施例的结构中的密封垫片40并不限制于图2的形状，而可具有在空气流通路22中获得足够屏蔽性能的各种形状中的任何一个。
在第一实施例的结构中，基板部件31由致密的氢渗透材料制成。该氢渗透材料在氢渗透期间膨胀，并在非氢渗透期间收缩。由重复的激活与关闭系统造成的频繁的膨胀与收缩可使基板部件31脱落。一些用于消除这个缺点的可用结构作为修改的示例在下面给出。
(a)第一个修改的结构将氢渗透材料嵌入至冲压板，以形成基板部件。图7是作为这种结构的基板部件的板部件231的俯视图。该板部件231包括冲压板240，其由例如钼(Mo)或钨(W)的金属材料制成，具有比钒(V)更高的熔点。用钒(V)填充该冲压板240的孔240a。该制造过程提供金属材料的冲压板240，通过热均衡冲压技术(HIP)将钒(V)嵌入至冲压板240的孔240a中。这种方法使得冲压板240的孔240a可由钒(V)紧密填充。该板部件231降低了氢渗透材料的面积并使氢渗透材料由另一金属包围。这种结构有效地防止基板部件潜在的氢膨胀。
(b)第二个修改的示例在不锈钢(SUS)冲压板中嵌入钒(V)粉末，并通过热冲压技术(HIP)冲压嵌入钒的冲压板，以形成基板部件。与第一个修改的示例(a)类似，这种修改的结构降低氢渗透材料的面积，并使氢渗透材料由另一金属包围。这种结构有效地防止该基板部件的氢膨胀。该冲压板的材料并不限制于不锈钢SUS，而可为其它金属，例如Cu，其不同于该氢渗透材料。
(c)第三个修改的示例用SUS密封浇铸钒(V)细丝并缠绕该SUS浇铸的V细丝，以形成基板部件。该制造过程提供V引脚固定器，将具有比V更低熔点的金属材料(例如，SUS或Cu)嵌入至V引脚固定器的缝隙中，以及浇铸并缠绕嵌入金属的V引脚固定器，以完成该基板部件。这种修改的结构降低氢渗透材料的面积，并使该氢渗透材料由另一金属包围。这种结构有效地防止该基板部件潜在的氢膨胀。
(d)第四个修改的示例混合Cu与V，以使大的Cu颗粒由小的V颗粒包围，并通过热冲压技术(HIP)冲压该混合物，以形成该基板部件。这种结构发挥与第三个修改的示例类似的作用。
(e)在修改的示例(c)与(d)中，基板部件由氢渗透材料与不锈钢的混合物制成，并由氢渗透材料与铜的混合物制成。通过来自修改的示例(c)与(d)的基板部件的不同方法，可将这些混合物形成为该基板部件。将不锈钢与铜和氢渗透材料充分混合，以不产生劣质合金，并且因此它们和将要与该氢渗透材料混合的不同金属材料一样优良。
在第一实施例的结构中，在由金属分隔器20，电解质膜30，以及密封垫片40限定的空间中形成空气流通路22。可替换地，通过与形成燃料流通路12相同的方式，该空气燃料通路可通过在该金属分隔器中形成的多个凹槽形成。图8表示在另一修改的示例中，在开槽的金属分隔器中形成的燃料流通路与空气流通路的结构。在示出的结构中，类似于氧电极侧面上的金属分隔器10，氧电极侧面上的金属分隔器320具有多个直槽322。各个凹槽间的筋肋与电极38接触(相同的标号表示第一实施例的相同元件)。
除了金属板24的作用外，此修改示例的结构发挥与第一实施例类似的作用。
在第一实施例的结构中，金属分隔器10与20从电解质膜30与密封垫片40突起。这些突起延伸，以放置在冷却气流通路62与63中。在图9中示出的另一修改示例中，冷却气流通路可位于电解质膜30与密封垫片40内部。在此修改的结构中，用于燃气的金属分隔器410在其两面上具有多个凹槽，以形成燃气流通路412与冷却气流通路419。将该金属分隔器410铜焊并接合至另一具有空气流通路422的金属分隔器420。在芯体组件中，冷却气流通路的形成有效地确保燃料电池堆整体尺寸的降低。
下面说明本发明的第二实施例。该第二实施例考虑一种燃料电池系统，其包括在第一实施例中说明的燃料电池堆1和用于该燃料电池堆1的冷却系统。图10示意性地说明本发明第二实施例中的燃料电池系统500的结构。该燃料电池系统500包括第一实施例的燃料电池堆1。冷却空气供应导管502连接至在燃料电池堆1的外壳上形成的冷却气体入口62a与63a。鼓风机504连接至冷却空气供应导管502的另一端，以使气流通过冷却气体供应导管502进入燃料电池堆1。
水供应单元506向冷却气体供应导管502的中部供应水。该水供应单元506从电子控制单元(ECU)接收控制信号，以启动和停止水供应。来自水供应单元506供应的水以液体或水气雾流动，通过冷却空气供应导管502，进入燃料电池堆1。这些冷媒穿过该燃料电池堆1的冷却气流通路62和63，在该燃料电池堆中放置分隔器10与20的突起。该液体或空气中的水雾成分部分地或完全受到该燃料电池堆1的热而蒸发。蒸发携带的热量有效地冷却燃料电池堆1。
加热器512位于冷却空气供应导管502的中部，以加热流过冷却空气供应导管502的空气。该加热器512连接至中继器514，其从ECU510接收控制信号，以激活和关闭用于加热的加热器512。
温度传感器516连接至燃料电池堆1的特定部位，以测量燃料电池堆1的温度，并向ECU 510发送表示测量温度的输出信号。ECU 510还连接至系统开关520，其响应操作员的切换操作，激活和关闭燃料电池系统500。燃料电池系统500包括燃料供应系统与空气供应系统，其分别向燃料电池堆1的燃气入口64和空气入口66供应燃气和空气(参加图3)。在图10的说明中忽略了这些系统。一些负载(未示出)还连接至该燃料电池堆1。
ECU 510为微机算计，其包括CPU，ROM，以及RAM。ECU 510执行燃料电池系统500的启动控制例程。
图11为表示该启动控制例程的流程图，以预设的时间间隔重复执行该例程。在该启动控制例程中，ECU 510的CPU首先确定系统开关520是否接通(步骤S600)。响应系统开关520的接通操作，该CPU启动鼓风机504(步骤S605)，从温度传感器516读取测量的温度T(步骤S610)，并且确定测量的温度T是否没有高于预设水平T0(例如，0℃)(步骤S620)。
在步骤S620的肯定应答中，也就是，当测量的温度T没有高于预设水平T0时，CPU打开中继514(步骤S630)，并使控制例程跳回至步骤S620。另一方面，在步骤S620的否定应答中，也就是，当测量的温度T高于预设水平T0时，CPU关闭中继514(步骤S640)，并跳转至返回，以退出该控制例程。
如果在步骤S600是否定应答，那么该启动控制例程跳转至返回，并立即结束。
该启动控制例程响应系统开关520的接通操作，启动鼓风机504，并打开中继514，以使加热的空气流过燃料电池堆1的冷却气流通路62和63，并因此加热燃料电池堆1。
根据未表示的控制例程，当由温度传感器516测量的温度T超过预设参考水平T1(≥T0)时，启动水供应单元506。在温度T高于预设参考水平T1时，水供应单元506供应的水流过冷却空气供应导管502，并且利用蒸发携带的热量冷却燃料电池堆1，如上所述。
在第二实施例的简单结构中，冷媒流过燃料电池堆1的金属分隔器10与20的突起，以增强冷却效率。该冷媒可根据需要转变为热媒。这种简单结构从而增强寒冷环境中的活化性能。
上面讨论的各实施例及其修改的示例在所有方面都被视为解释性的，而非限制性的。可存在许多修改、改变、以及替代，而不脱离本发明主要特征的范围与精神。例如，电解质膜可替换为其它多种电解质膜中的任何一种，例如，聚合物电解质膜。
权利要求
1.一种燃料电池堆，其包括多个单元燃料电池的层叠，每个单元燃料电池包括电解质膜，其具有由致密氢渗透材料构成的基板部件，和在该基板部件的至少一面上或上方形成的致密无机电解质层；燃料电极，其位于该电解质膜的一面上，并接收含氢燃气的供应；以及氧电极，其位于该电解质膜的另一面上，并接收含氧的氧化气体的供应。
2.根据权利要求1的燃料电池堆，所述燃料电池堆还包括分隔器，其介于每对相邻的单元燃料电池之间；以及密封垫片，其与该分隔器接触并形成流动通路，以向氧电极供应氧化气体，其中，该流动通路包括传导元件，其保持该流动通路的开孔，并用于收集氧电极上的能量。
3.根据权利要求2的燃料电池堆，其中，该传导元件为通过在该多个单元燃料电池的层叠方向上施加外力，以弹性可变形形状形成的金属部件。
4.根据权利要求3的燃料电池堆，其中，该金属部件为薄金属板。
5.根据权利要求4的燃料电池堆，其中，该金属板为波纹状。
6.根据权利要求3的燃料电池堆，其中，该金属部件为细金属丝。
7.根据权利要求6的燃料电池堆，其中，该金属部件为通过编织和缠绕该细金属丝获得的金属海绵。
8.根据权利要求3至7中任一个的燃料电池堆，其中，该传导元件为具有经处理以具有抗氧化特性表面的金属部件。
9.根据权利要求2至8中任一个的燃料电池堆，其中，该密封垫片由绝缘材料制成。
10.根据权利要求1至9中任一个的燃料电池堆，所述燃料电池堆还包括分隔器，其介于每对相邻的单元燃料电池之间，其中，该分隔器从电解质膜向外突起，并由具有高导热性的材料制成，以使该突起用作散热片。
11.根据权利要求10的燃料电池堆，所述燃料电池堆还包括绝缘罩，其覆盖在所述燃料电池堆之上；以及冷媒流通路，其与该罩集成，以在该分隔器的突起中形成冷媒的通道。
12.根据权利要求1至11中任一个的燃料电池堆，其中，该基板部件包括嵌入在冲压板中的氢渗透材料，该冲压板由不同于该氢渗透材料的不同金属材料制成。
13.根据权利要求1至11中任一个的燃料电池堆，其中，该基板部件由氢渗透材料与不锈钢的混合物制成。
14.根据权利要求1至11中任一个的燃料电池堆，其中，该基板部件由氢渗透材料与铜的混合物制成。
15.根据权利要求1至14中任一个的燃料电池堆，其中，该电解质层由陶瓷材料制成。
16.根据权利要求15的燃料电池堆，其中，该电解质层由固体氧化物材料制成。
17.一种燃料电池系统，其包括根据权利要求10的燃料电池堆，所述燃料电池系统包括冷媒供应导管，其向该分隔器的突起供应冷媒；以及冷却加热转换模块，其将通过冷媒供应导管供应的冷媒转换为热媒。
18.一种燃料电池的制造方法，所述制造方法包括以下步骤(a)提供金属分隔器，以串行连接一对相邻的单元燃料电池；(b)把由致密氢渗透材料制成的基板部件接合至该金属分隔器；(c)在该基板部件的至少一面上或上方形成致密的无机电解质层；(d)把另一金属分隔器接合至该电解质层的外表面，以完成一个单元燃料电池，其中，所述另一金属分隔器具有与在步骤(b)中接合至该基板部件的金属分隔器的极性不同的极性；(e)重复所述步骤(a)至(d)，以形成多个单元燃料电池并层叠该多个单元燃料电池；以及(f)通过夹紧部件夹紧该多个单元燃料电池的层叠。
全文摘要
本发明的技术制备薄电解质层而不引起裂缝。电解质膜30包括在致密基板部件31上形成的致密无机电解质层36。每个单元燃料电池包括该电解质膜30、燃料电极、以及氧电极。串行层叠多个单元电池，以完成燃料电池堆。
文档编号H01M8/12GK1809945SQ20048001750
公开日2006年7月26日 申请日期2004年7月27日 优先权日2003年7月31日
发明者田野裕, 木村宪治, 左藤博道, 沼田耕一, 伊藤直树 申请人:丰田自动车株式会社