CN103636044B - 固体氧化物燃料电池和互连器 - Google Patents

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Abstract

固体氧化物燃料电池设置有燃料电池单元主体和互连器。互连器具有基部，还具有从基部朝向燃料电池单元主体突出并且电连接到燃料电池单元主体的突出部，互连器是由金属材料一体形成的。各突出部的轮廓包括：一对线部，该线部彼此并列地配置并且均包含直线；以及一对曲线部，该曲线部将该对线部的相邻的两端连接在一起。

Description

固体氧化物燃料电池和互连器
技术领域
本发明涉及包括固体电解质体的固体氧化物燃料电池，还涉及用于这种固体氧化物燃料电池的互连器（inter-connector）。
背景技术
已知一种使用固体电解质（固体氧化物）的固体氧化物燃料电池堆（以下也可称作“SOFC”）。该SOFC是通过堆叠燃料电池单元主体（层叠体）构成的，燃料电池单元主体（层叠体）包括分别设置在诸如板状固体电解质体的相反侧的阳极和阴极。当燃料气体供给到阳极并且空气供给到阴极时，燃料通过固体电解质体与包含在空气中的氧气发生化学反应，由此产生电力。
在上述SOFC中，为了在燃料电池单元主体之间建立电导通，使用与阳极和阴极接触的集电体（currentcollector）。已提出关于这种集电体的技术（参见专利文献1）。在提出的技术中，在具有弹性的金属板上形成多个凸部，金属板的凸部与阳极或阴极接触，以建立电导通。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开第2001-68132号公报。
发明内容
发明要解决的问题
然而，专利文献1的技术涉及如下可能性：当金属板归因于SOFC的热循环而损失弹性时或当燃料电池单元主体归因于热循环而变形时，削弱了电导通的可靠性。
此外，通常借助于蚀刻来在金属板上的形成凸部，这种方法会因为蚀刻时间等使生产成本增加。因此，期望通过诸如锻造、冲压加工等除了蚀刻以外的方法形成凸部。
同时，如果借助于冲压加工在金属板上形成凸部，归因于冲压加工完成后的反冲，凸部的平坦性恶化，并且凸部可能只局部地与燃料电池单元主体接触（局部接触）。这种局部接触减小了凸部和燃料电池单元主体之间的接触面积，由此接触阻抗可能增加。此外，应力集中在燃料电池单元主体的局部面积，由此，燃料电池单元主体可能断裂。
此外，在冲压时，金属板可能扭曲（破裂），导致气体泄漏，或者固体氧化物燃料电池可能归因于凸部的局部接触而断裂。即，不一定能够在确保凸部之间的气体流路的同时容易地跟随燃料电池单元主体的变形。
已做出本发明用以解决上述问题，本发明的目标是提供一种固体氧化物燃料电池和互连器，该固体氧化物燃料电池和互连器能够容易地大规模生产，并且即使在燃料电池单元主体变形时，也能够在燃料电池单元主体的电极与互连器接触的位置容易地保持电导通。
用于解决问题的方案
（1）根据本发明的一个模式的固体氧化物燃料电池包括燃料电池单元主体，其具有阴极层、由氧化物形成的固体电解质层以及阳极层，所述燃料电池单元主体具有发电功能；以及互连器，其具有基部和从所述基部朝向所述燃料电池单元主体突出并且电连接到所述燃料电池单元主体的多个突出部，所述互连器是由金属材料一体形成的，其中各所述突出部具有由均包含直线的一对线部和一对曲线部组成的轮廓，所述一对线部彼此并列地布置，所述一对曲线部连接所述一对线部的两端；以及在沿着连接所述一对线部的中心的直线截取的并且与所述一对线部垂直的截面中，各所述突出部的截面具有第一区域、一对第二区域和一对第三区域，所述第一区域的曲率半径为1mm～70mm，所述一对第二区域的第一端连接到所述第一区域的两端并且所述一对第二区域的曲率半径为0.1mm～0.5mm，所述一对第三区域将所述一对第二区域的第二端连接到所述基部。
该模式的互连器具有基部和从基部朝向燃料电池单元主体突出并且电连接到燃料电池单元主体的多个突出部。各突出部的截面具有第一区域、一对第二区域和一对第三区域，第一区域的曲率半径为1mm～70mm，一对第二区域的第一端连接到第一区域的两端并且第二区域的曲率半径为0.1mm～0.5mm，一对第三区域将第二区域的第二端连接到基部。由于各突出部的截面具有曲率半径为1mm～70mm的区域等，变得能够防止燃料电池单元主体的断裂并且确保电连接，否则，突出部在制造或发电期间将引起燃料电池单元主体的断裂。
（2）根据（1）的固体氧化物燃料电池可以进一步包括第二燃料电池单元主体，所述第二燃料电池单元主体具有第二阴极层、由氧化物形成的第二固体电解质层以及第二阳极层，所述第二燃料电池单元主体具有发电功能，其中所述互连器进一步具有从所述基部朝向所述第二燃料电池单元主体突出并且电连接到所述第二燃料电池单元主体的多个第二突出部；各所述第二突出部具有由一对第二线部和一对第二曲线部组成的轮廓，所述一对第二线部彼此并列地布置并且均包含直线，所述一对第二曲线部连接所述一对第二线部的两端；以及在沿着连接所述一对第二线部的中心的直线截取的并且与所述一对线部垂直的截面中，各所述第二突出部的截面具有第四区域、一对第五区域和一对第六区域，所述第四区域的曲率半径为1mm～70mm，所述一对第五区域的第一端连接到所述一对第四区域的两端并且所述一对第五区域的曲率半径为0.1mm～0.5mm，所述一对第六区域将所述一对第五区域的第二端连接到所述基部。
该互连器具有从基部突出的突出部和第二突出部。各突出部和第二突出部的截面具有曲率半径为1mm～70mm的区域等。因此，变得能够防止燃料电池单元主体的断裂并且确保电连接，否则，突出部或第二突出部在制造或发电期间将引起燃料电池单元主体的断裂。
（3）根据本发明的另一个模式的固体氧化物燃料电池包括燃料电池单元主体，其具有阴极层、由氧化物形成的固体电解质层以及阳极层，所述燃料电池单元主体具有发电功能；第二燃料电池单元主体，其具有第二阴极层、由氧化物形成的第二固体电解质层以及第二阳极层，所述第二燃料电池单元主体具有发电功能；以及互连器，其由金属材料一体形成，并且布置在所述燃料电池单元主体和所述第二燃料电池单元主体之间，所述互连器具有朝向所述燃料电池单元主体突出并且电连接到所述燃料电池单元主体的多个突出部以及朝向所述第二燃料电池单元主体突出并且电连接到所述第二燃料电池单元主体的多个第二突出部，其中各所述突出部和所述第二突出部具有由一对线部和一对曲线部组成的轮廓，所述一对线部彼此并列地布置并且均包含直线，所述一对曲线部连接所述一对线部的两端；以及在沿着连接所述一对线部的中心的直线截取的并且与所述一对线部垂直的截面中，各所述突出部和所述第二突出部的截面被划分为第一区域、一对第二区域和一对第三区域，所述第一区域的曲率半径为1mm～70mm，所述一对第二区域的第一端连接到所述第一区域的两端，并且所述一对第二区域的曲率半径为0.1mm～0.5mm，所述一对第三区域将所述一对第二区域的第二端连接到基部。
该互连器具有分别朝向燃料电池单元主体和第二燃料电池单元主体突出并且分别电连接到燃料电池单元主体和第二燃料电池单元主体的多个突出部和多个第二突出部。各突出部和第二突出部的截面具有曲率半径为1mm～70mm的区域等。因此，变得能够防止燃料电池单元主体的断裂并且确保电连接，否则，突出部或第二突出部在制造或发电期间将引起燃料电池单元主体的断裂。特别地，该互连器不需要具有基部。
（4）在（1）～（3）的固体氧化物燃料电池中，各所述突出部和所述第二突出部的截面具有曲率半径为70mm～500mm的区域，各所述突出部和所述第二突出部的截面是沿着如下直线截取的并且与所述一对线部所在的平面垂直的截面：所述直线沿着所述一对线部延伸并且位于所述一对线部的中间。由于各突出部和第二突出部的截面具有曲率半径为70mm～500mm的区域等，变得能够防止燃料电池单元主体的断裂并且确保电连接，否则，突出部或第二突出部在制造或发电期间将引起燃料电池单元主体的断裂。
（5）（1）～（4）的固体氧化物燃料电池的互连器可以通过冲压加工由板状金属材料形成。当采用冲压加工时，能够容易地制造互连器。
（6）（1）～（5）的固体氧化物燃料电池可以被构造为如下构造：所述基部具有平坦形状，并且所述固体氧化物燃料电池进一步包括集电体，所述集电体布置在所述互连器和所述燃料电池单元主体中的至少一方，所述集电体电连接到所述基部。当基部具有平坦形状时，基部和集电体之间的电连接变得良好，能够抑制接触阻抗的发热引起的燃料电池单元主体的恶化。此外，变得能够防止归因于应力集中的燃料电池单元主体的破损。
（7）根据本发明的另一个模式的互连器，其是由金属材料一体地形成的并且具有朝向燃料电池单元主体突出并且电连接到所述燃料电池单元主体的多个突出部，其中各所述突出部具有由一对线部和一对曲线部组成的轮廓，所述一对线部彼此并列地布置并且均包含直线，所述一对曲线部连接所述一对线部的两端；以及在沿着连接所述一对线部的中心的直线截取的并且与所述一对线部垂直的截面中，各所述突出部的截面具有第一区域、一对第二区域和一对第三区域，所述第一区域的曲率半径为1mm～70mm，所述一对第二区域的第一端连接到所述第一区域的两端，并且所述一对第二区域的曲率半径为0.1mm～0.5mm，所述一对第三区域将所述一对第二区域的第二端连接到基部。
该互连器具有从基部的一侧突出的突出部和从基部的另一侧突出的第二突出部。各突出部和第二突出部的截面具有曲率半径为1mm～70mm的区域等。因此，变得能够防止燃料电池单元主体的断裂并且确保电连接，否则，突出部或第二突出部在制造或发电期间将引起燃料电池单元主体的断裂。
·固体电解质体（固体电解质层）具有离子传导性。因此，当电池操作时分别被导入阳极和阴极的燃料气体和助燃气体的任一者的一部分能够通过固体电解质体以离子的形式移动。离子形式的示例包括氧离子和氢离子。阳极与作为还原剂的燃料气体接触并且作为固体氧化物燃料电池的阳极。阴极与作为氧化剂的助燃气体接触并且作为固体氧化物燃料电池的阴极。
·固体电解质体是由氧化物形成的。氧化物的示例包括ZrO2陶瓷、LaGaO3陶瓷、BaCeO3陶瓷、SrCeO3陶瓷和CaZrO3陶瓷。
互连器的材料的示例包括具有电导通性和耐热特性的耐热合金，例如，不锈钢、镍基合金和铬基合金。特别地，这种耐热合金应用到稍后说明的金属框架。
具体地，不锈钢的示例包括铁素体不锈钢、马氏体不锈钢和奥氏体不锈钢。铁素体不锈钢的示例包括SUS430、SUS434、SUS405和SUS444。马氏体不锈钢的示例包括SUS403、SUS410和SUS431。奥氏体不锈钢的示例包括SUS201、SUS301和SUS305。镍基合金的示例包括Inconel600、Inconel718和Inconel802。铬基合金的示例包括DucrlloyCRF（94Cr5Fe1Y2O3）以及Crofer22合金和ZMG232L。
阳极（阳极层）的材料的示例包括诸如Ni或Fe的金属与从如下陶瓷所选的至少一类陶瓷的混合物：被诸如Sc和Y的至少一类稀土元素稳定化的诸如氧化锆的ZrO2类陶瓷、CeO2类陶瓷和诸如氧化锰等的陶瓷。诸如Pt、Au、Ag、Pd、Ir、Ru、Rh、Ni或Fe的金属也可以用作阳极的材料。阳极的材料可以是从这些金属中所选的一种金属或从这些金属中所选的两种或更多的金属的合金。任意的这些金属和/或合金与从上述陶瓷中所选的至少一类陶瓷的混合物（包括金属陶瓷）可以用作阳极的材料。诸如Ni或Fe的金属的氧化物与从上述陶瓷中所选的至少一类陶瓷的混合物也可以作为阳极的材料。
·阴极（阴极层）的材料的示例包括各种金属、金属氧化物和金属双氧化物。金属的示例包括Pt、Au、Ag、Pd、Ir、Ru和Rh，以及分别包含两种或多种金属的合金。金属氧化物的示例包括La、Sr、Ce、Co、Mn和Fe的氧化物（La2O3、SrO、Ce2O3,、Co2O3,、MnO2、FeO等）。金属双氧化物的示例包括至少包含La、Pr、Sm、Sr、Ba、Co、Fe或Mn的双氧化物（La1-xSrxCoO3双氧化物、La1-xSrxFeO3双氧化物、La1-xSrxCo1-yFeyO3双氧化物、La1-xSrxMnO3双氧化物、Pr1-xBaxCoO3双氧化物（LSCF（镧锶钴铁氧化物））和Sm1-xSrxCoO3双氧化物等）。
·当使用固体电解质燃料电池堆发电时，燃料气体被导入到设置阳极的一侧，助燃气体被导入设置阴极的一侧。燃料气体的示例包括氢气、作为还原剂的碳氢化合物、氢气和碳氢化合物的气体混合物，通过将这些气体中的一种在预定温度穿过水来加湿而获得燃料气体，以及通过将水蒸气混合到这些气体中的一种来获得燃料气体。对碳氢化合物没有限制，碳氢化合物的示例包括天然气、石脑油和通过煤炭气化获得的气体。优选地，用氢气作为燃料气体。在上述多个类型的燃料气体中，可以单独使用单一类型的燃料气体或者将两个或多个类型的燃料气体结合使用。此外，燃料气体可以包含50%体积以下量的诸如氮气或氩气的惰性气体。
助燃气体的示例为氧气和另一种气体的混合物。这种气体混合物可以包含80%体积以下量的诸如氮气或氩气的惰性气体。在这些助燃气体中，因为空气安全并且便宜，空气（包含大约80%体积量的氮气）为优选的。
发明的效果
根据本发明，能够提供一种固体氧化物燃料电池和互连器，该固体氧化物燃料电池和互连器能够容易地大规模生产，并且即使在燃料电池单元主体变形时，也能够在各燃料电池单元主体的电极与互连器接触的位置容易地保持电导通。
附图说明
图1是根据本发明的第一实施方式的固体氧化物燃料电池（固体氧化物燃料电池堆）10的立体图。
图2是示出固体氧化物燃料电池10在图1的X轴方向上被剖开的状态的截面图。
图3是互连器130的主视图。
图4是以放大的比例示出图3中示出的突出部133的平面图。
图5是示出互连器130被沿着直线Ly剖开的状态的截面图。
图6是示出互连器130被沿着直线Lx剖开的状态的截面图。
图7是示出当通过冲压加工制造固体氧化物燃料电池10时、固体氧化物燃料电池10的截面状态的截面图。
图8是根据本发明的比较例的固体氧化物燃料电池10x的截面图。
图9是示出对本发明的示例和传统示例实施测试的结果的图。
图10是示出曲率半径R1和IR阻抗之间的关系的示例的图。
图11是示出曲率半径R4和IR阻抗之间的关系的示例的图。
图12是示出比率K1和IR阻抗之间的关系的示例的图。
图13是示出厚度t和IR阻抗之间的关系的示例的图。
图14是示出间隔Py和电压之间的关系的示例的图。
图15是示出集电面积比率K2和电压之间的关系的示例的图。
图16是示出高度h和电压之间的关系的示例的图。
图17是根据本发明的变型例的固体氧化物燃料电池10的互连器130的主视图。
图18是示出根据本发明的第二实施方式的固体氧化物燃料电池（固体氧化物燃料电池堆）10a被剖开的状态的截面图。
图19是示出固体氧化物燃料电池10a的互连器130a被剖开的状态的截面图。
图20A是示出互连器130的截面的截面图。
图20B是示出互连器130a的截面的截面图。
图20C是示出互连器130b的截面的截面图。
图20D是示出互连器130c的截面的截面图。
图20E是示出互连器130d的截面的截面图。
图20F是示出互连器130e的截面的截面图。
具体实施方式
现在将参考附图详细地说明本发明的实施方式。
（第一实施方式）
图1是根据本发明的第一实施方式的固体氧化物燃料电池（固体氧化物燃料电池堆）10的立体图。图2是示出固体氧化物燃料电池10在X方向上被剖开的状态的截面图。图3是互连器130的主视图。
固体氧化物燃料电池10一般为长方体形状，并且具有顶面11、底面12、助燃气体流路21和23、燃料气体流路22和24、通孔25～28。连接构件（作为紧固件的螺栓41～48以及螺母51～58）被安装到固体氧化物燃料电池10。
构件61、63、62和64布置在顶面11上的与助燃气体流路21和23以及燃料气体流路22和24对应的位置处。构件61、63、62和64分别具有与助燃气体流路21和23以及燃料气体流路22和24连通的通孔。螺栓41～44通过构件61～64，螺母51～54拧在螺栓41～44上。
由于螺栓41～44的杆的直径比构件61～64的通孔的直径小，气体（助燃气体（空气）、发电后剩余的燃料气体、发电后剩余的助燃气体和燃料气体）通过螺栓41～44的杆和构件61～64的通孔的壁面之间的对应空间。即，助燃气体（空气）和燃料气体分别流过构件61和62，进入固体氧化物燃料电池10。发电后剩余的助燃气体（空气）和发电后剩余的燃料气体分别通过构件63和64流出固体氧化物燃料电池10。
固体氧化物燃料电池10是通过堆叠作为发电单元的多个板状固体氧化物燃料电池100构成的。串联地电连接多个固体氧化物燃料电池100（100（1）～100（3））。为了便于理解，在图2中，固体氧化物燃料电池100的数量减为3。在很多情况下，堆叠更多个（例如，20个）固体氧化物燃料电池100，以构成固体氧化物燃料电池10。
各固体氧化物燃料电池100具有长方体形状，并且具有层叠体（燃料电池单元主体）110。层叠体110包括依次堆叠的阳极111、固体电解质体112和阴极113。阳极111与燃料气体（例如，氢气）接触。固体电解质体112是由氧化物形成的，并且具有氧离子传导性。阴极113与助燃气体（例如，空气（具体地为，空气中的氧气））接触。
在本实施方式中，固体氧化物燃料电池100为所谓的支撑膜式，其中，阳极111作为支撑基体。然而，固体氧化物燃料电池100不限于此。
矩形框架150围绕层叠体110的侧面设置。互连器130设置在层叠体110的上方，集电体140设置在层叠体110的下方。
框架150是由以下部分组成的：由云母（白云母薄片）形成的绝缘框架151和152；金属框架153和154；以及由诸如SUS430形成的隔板155，金属框架153、154以及隔板155布置在绝缘框架151和152之间。
隔板155接合到固体电解质体112的顶面的整个外周。隔板155将固体氧化物燃料电池100的内部空间划分为燃料室115和空气室116，燃料气体供给到燃料室115中，助燃气体供给到空气室116中。燃料气体在燃料室115内沿着Y方向流动。助燃气体在空气室116内沿着X方向流动。
框架150具有在图中的上下方向贯通框架150的助燃气体流路21和23以及燃料流路22和24。
互连器130被设置为与阴极113接触以电导通。互连器130具有外周部131、基部132和突出部133，并且是由例如Crofer22合金或ZMG232L合金一体形成的。
外周部131沿着互连器130的外周布置。外周部131具有设置在X方向上的相反侧的助燃气体流路21和23，以及设置在Y方向上的相反侧的燃气流路22和24。外周部131具有供螺栓45～48贯穿的通孔25～28。
基部132为布置在外周部131的内侧的矩形区域。基部132与外周部131一起形成一个平面。即，基部132和外周部131彼此没有明确的区分。因此，通过虚线显示外周部131和基部132之间的边界。
当基部132平坦时，基部132和集电体140之间的电连接变得良好（接触阻抗降低）。结果，能够防止层叠体110（燃料电池单元主体）等的恶化，否则，层叠体110将归因于由接触阻抗引起的发热而发生恶化。此外，当基部132具有平坦形状时，能够减缓固体氧化物燃料电池100中的应力集中，从而能够抑制制造期间的集电体140的破损。然而，基部132不必须为平坦的。基部132可以具有一些凹凸。
突出部133是从基部132突出的拱形区域，突出部133的端部与阴极113的表面接触。
互连器130（2）由固体氧化物燃料电池100（1）和100（2）共用，互连器130（3）由固体氧化物燃料电池100（2）和100（3）共用。
固体氧化物燃料电池100（2）的阳极111通过对应的集电体140和对应的互连器130电连接到固体氧化物燃料电池100（3）的阴极113。固体氧化物燃料电池100（2）的阴极113通过对应的互连器130和对应的集电体140电连接到固体氧化物燃料电池100（1）的阳极111。特别地，即使在固体氧化物燃料电池100的数量为四个或更多的情况下，除了最上面和最下面的固体氧化物燃料电池100以外，连接关系也相同。
各集电体140是由诸如镍（Ni）的金属形成的。各集电体140可以具有板状、网状（网格）结构、多孔结构（多孔质金属体（celmet））或毡状结构。术语“网状（网格）结构”包含诸如多孔金属网（expandmetal）的金属构件，通过在金属板上形成多个切口并且扩展该金属板来形成诸如多孔金属网的金属构件，以形成网状结构。
最上面的固体氧化物燃料电池100（1）的阴极113电连接到作为阴极的金属端板121。最下面的固体氧化物燃料电池100（3）的阳极111电连接到作为阳极的金属端板122。
图4是以放大的比例示出图3中示出的突出部133的平面图。在基部132上突出的各突出部133的轮廓是由线部161和162以及曲线部163和164组成的。线部161和162是彼此并列地布置的并且均包含直线的一对线状区域。曲线部163和164是连接线部161和162的两端的一对曲线状区域。
图5是示出沿着直线Ly（连接线部161和162的中心的线）剖开互连器130的状态的截面图。即，图5示出突出部133的沿着线Ly延伸并且与线部161和162垂直的截面。突出部133的截面具有区域A1、A2和A3。
区域A1是曲率半径R1为1mm～70mm（例如，5mm）的区域。将曲率半径R1设定为1mm～70mm的原因是减轻层叠体110上的应力集中，以此减小层叠体110、特别是阴极113的断裂或损坏的可能性。将曲率半径R1设定为该范围的另一个原因是即使在互连器130翘曲的情况下也确保均一接触面积，以此减小互连器130的接触阻抗。
当曲率半径R1小于1mm时，只有各突出部133的中央部与层叠体110接触，这导致层叠体110上应力集中，因而层叠体110可能断裂。此外，不能获得充分大的接触面积，接触阻抗可能增加。
当曲率半径R1超过70mm时，归因于层叠体110的翘曲的影响，各突出部133在突出部133的外周（边缘）处与层叠体110接触，因此发生应力集中，层叠体110可能断裂。
区域A2是一对具有分别连接到区域A1的相反端的第一端的区域，区域A2曲率半径R2为0.1mm～0.5mm。区域A3是一对将区域A2的第二端分别连接到基部132的区域。
图6是示出互连器130被沿着直线Lx剖开的状态的截面图。即，图6示出突出部133的沿着直线Lx截取并且与线部161和162所在平面的垂直的截面的截面图，Lx沿着线部161和162延伸并且位于两个线部161和162中间。突出部133的截面图包括区域A4、A5和A6。区域A4是曲率半径R4为70mm～500mm（例如500mm）的区域。
将曲率半径R4设定为70mm～500mm的原因是减轻层叠体110上的应力集中，以此减小层叠体110、特别是阴极113的断裂或损坏的可能性。将曲率半径R4设定为该范围的另一个原因是即使在互连器130翘曲的情况下也确保均一接触面积，以此减小互连器130的接触阻抗。
当曲率半径R4小于70mm的时候，只有各突出部133的中央部与层叠体110接触，这导致层叠体110上应力集中，因而层叠体110可能断裂。此外，不能获得充分大的接触面积，接触阻抗可能增加。
当曲率半径R4超过500mm时，归因于层叠体110的翘曲的影响，各突出部133在突出部133的外周（边缘）处与层叠体110接触，因此发生应力集中，层叠体110可能断裂。
区域A5是一对具有分别连接到区域A4的相反端的第一端的区域。
区域A6是一对将区域A5的第二端连接到基部132的区域。
如图4所示，各突出部133具有长度Dx和宽度Dy。突出部133布置成在X方向上间隔开间隔Px并且在Y方向上间隔开间隔Py。如已说明的，气室116内，助燃气体沿着X方向（沿着互连器130的下表面并且沿着突出部133的长度方向）流动。
优选地，各突出部133的长度Dx和宽度Dy之间的比率K1（=Dx/Dy）为1～12（例如，8.4）。将比率K1设定为该范围的原因是减轻层叠体110上的应力集中，以此减小层叠体110，特别是阴极113的断裂或损坏的可能性。将比率K1设定为该范围的另一个原因是跟随层叠体110而没有异向性，以此减小接触阻抗。
当比率K1小于1时，负载在堆叠时（当堆叠固体氧化物燃料电池100时）不均一地作用于固体氧化物燃料电池100，由此层叠体110可能归因于应力集中而断裂。当互连器130归因于热膨胀或压差而翘曲时，发生翘曲异向性，由此互连器130的接触阻抗可能增加。
当比率K1超过12时，负载在堆叠时不均一地作用于固体氧化物燃料电池100，由此层叠体110可能归因于应力集中而断裂。当互连器130归因于热膨胀或压差而翘曲时，发生翘曲异向性，由此互连器130的接触阻抗可能增加。
优选地，突出部133在垂直于流路的方向上的间隔Py为2mm～4mm（例如，2.53mm）。将间隔Py设定为该范围的原因是防止发电特性的恶化，否则，发电特性将归因于气体扩散的不充分而发生恶化。当间隔Py小于2时，发电特性可能归因于气体扩散的不充分而恶化。当间隔Py大于4时，发电的面积降低，由此发电特性可能恶化。
优选地，各突出部133具有10%～40%（例如，25%）的集电面积比率K2，这是因为与气体流路的相关性在该范围内变得良好。当集电面积比率K2小于10%时，集电面积降低。当集电面积比率K2大于40%，区域中的气体流路减少。各突出部133的集电面积比率K2是突出部133的区域A1的表面积S1和整个突出部133的表面积S0的比率（=S1/S0）。
优选地，各突出部133具有0.2mm～0.4mm（例如，0.3mm）的厚度t。将厚度t设定为该范围以跟随层叠体110的变形，由此减少接触阻抗。当厚度t小于0.2mm时，接触阻抗增加。当厚度大于0.4mm时，跟随层叠体110的能力恶化，这导致接触阻抗的增加。
优选地，各突出部133的高度h大约为0.7mm。各气体流路的宽度（流路的面积）减少，由此发电反应可能出现不均一性。此外，突出部133的损坏可能经常发生，这可能导致交叉泄漏。
如已经说明的，突出部133沿着助燃气体的流动布置（突出部133的长度方向与助燃气体的流动方向一致）。因此，各互连器130的沿着X轴测量的强度与沿着Y轴测量的强度不同。虽然突出部133可以形成为方形或圆形，这些形状的采用可能减少气体扩散的程度或集电面积。因此，突出部133的形状必须优化。
由于各突出部133在长度方向上的强度高，堆叠组装和发电时的各互连器130的变形量在突出部133的列中不同。发电时，以下列力作用于各互连器130。
1.来自构件中的热膨胀差的力。
2.来自阳极111和阴极113之间的压差的力。
3.来自层叠体110的翘曲的力。
通过冲压加工制造互连器130，互连器130的厚度减小（例如，厚度从1mm变到0.3mm），使得互连器130的弹性增强互连器130的翘曲跟随性能。各列突出部133的变化被均等地优化。
这里，如图7所示，可以认为，归因于冲压加工整个互连器130已扭曲。在这种情况下，各互连器130和对应的层叠体110之间的平行在堆叠组装时被破坏，因此使组装变得困难。此外，各互连器130与对应的层叠体110接触，使得接触从互连器130的突出部133的角部开始。因此，发生应力集中，这导致层叠体110的断裂。另外，由于各互连器130通过互连器130的突出部133的角部与对应的层叠体110接触，集电体面积减小。
各互连器130的突出部133的端部具有大的圆弧形。在这种情况下，当扭曲（各互连器130的倾角）小于预定水平时，如果扭曲不超过大的圆弧范围，各突出部133的端部首先与对应的层叠体110接触。因此，减轻应力集中。此外，期待的是，在突出部133的弹性变形的范围内，接触面积增加，集电效果改善。
（固体氧化物燃料电池10的制造）
接着，将说明制造固体氧化物燃料电池10的方法。
（1）制造分别由阳极111、固体电解质体112和阴极113组成的层叠体110。
（2）接着，将隔板155铜焊接到各层叠体110。
（3）同时，使用压力机等冲压金属薄板，由此在薄板上形成拱形的突出部133。接着，在通过冲压加工等冲压的金属薄板上形成助燃气体流路21和23、燃料气体流路22和24以及通孔25～28。
（4）接着，堆叠接合了隔板155的层叠体110、框架150和互连器130，然后将金属端板121和122布置在该堆叠体上。
螺栓41～48穿过固体氧化物燃料电池10，螺母51～58拧在螺栓41～48上，用以在上下方向上压制固体氧化物燃料电池10。因此，完成固体氧化物燃料电池10。
（比较例）
将说明本发明的比较例。图8是与图2相对应并且示出根据本发明的比较例的固体氧化物燃料电池10x的截面图。比较例中使用的互连器130x不是由薄板形成的，而是实心的。因此，互连器130x是刚性的，在层叠体110在发电期间翘曲时互连器130x不能跟随层叠体110。因此，很难确保层叠体110和互连器130x之间的接触点。
（耐久性测试）
将说明在固体氧化物燃料电池上实施的耐久性测试。使用分别包括20个固体氧化物燃料电池的固体氧化物燃料电池。在耐久性测试中，起动各固体氧化物燃料电池并且将固体氧化物燃料电池加热到700℃，然后停止加热并冷却到室温。重复10遍该操作。测量重复操作之前IR阻抗的平均值，并且测量重复操作后的IR阻抗的平均值。
图9示出在本发明的示例和传统示例（比较例）上实施测试的结果。IR阻抗R00和R01是传统示例在耐久性测试之前和之后测量的阻抗。IR阻抗R10和R11是示例在耐久性测试之前和之后测量的阻抗（欧姆损耗（阻抗））。通过将互连器130和对应层叠体110之间的阻抗除以互连器130的突出部133的区域A1的表面积S1的总和得到阻抗。
比较IR阻抗的平均值。在传统产品的情况下，平均的IR阻抗从0.18Ωcm2（初始值）增加到0.95Ωcm2（耐久性测试之后测量的），观察到IR阻抗的恶化（增加）。相反地，在示例的情况下，平均的IR阻抗从0.17Ωcm2（初始值）增加到0.18Ωcm2（耐久性测试之后测量的），没有实质地观察到IR阻抗的恶化（增加）。可以想到地，互连器130跟随层叠体110的能力被提高，由此保持了低IR阻抗，并且提高了耐久性。
（曲率半径R1等的影响）
通过改变曲率半径R1和R4、比率K1、厚度t、间隔Py、集电体面积比率K2或突出部133的高度h制造固体氧化物燃料电池10的样品。评价制造的固体氧化物燃料电池10。即，评价曲率半径R1等对固体氧化物燃料电池10的特性的影响。
图10至图13是分别示出当曲率半径R1、曲率半径R4、比率K1或厚度t改变时的IR阻抗的变化的图。图14至图16是分别示出当间隔Py、集电面积比率K2或突出部133的高度改变时的电压变化的图。
（1）当将曲率半径R1从0.5mm改变到1.0mm、5.0mm、30mm然后到70mm时，IR阻抗从0.45Ωcm2改变到0.2Ωcm2、0.17Ωcm2、0.19Ωcm2然后到0.2Ωcm2（参见图10）。在曲率半径R1为80mm或100mm的情况下，在制造期间，在层叠体（燃料电池单元主体）110发生断裂。该测试结果示出，当曲率半径R1大于0.5mm而小于80mm时，通常能够获得良好的结果。
（2）当将曲率半径R4从50mm改变到70mm、200mm、400mm然后到500mm时，IR阻抗从0.35Ωcm2改变到0.2Ωcm2、0.19Ωcm2、0.17Ωcm2然后到0.18Ωcm2（参见图11）。在曲率半径R4为600mm的情况下，在制造期间，在层叠体（燃料电池单元主体）110发生断裂。该测试结果示出，当曲率半径R4大于50mm而小于600mm时，通常能够获得良好的结果。
（3）当将比率K1从0.5%改变到1%、4%、8.4%、10%、12%然后到15%时，IR阻抗从0.39Ωcm2改变到0.2Ωcm2、0.18Ωcm2、0.17Ωcm2、0.19Ωcm2、0.2Ωcm2然后到0.33Ωcm2（参见图12）。该测试结果示出，当比率K1大于0.5%而小于15%时，通常能够获得良好的结果。
（4）当将厚度t从0.1mm改变到0.2mm、0.3mm、0.4mm然后到0.5mm时，IR阻抗从0.56Ωcm2改变到0.2Ωcm2、0.17Ωcm2、0.18Ωcm2然后到0.31Ωcm2（参见图13）。该测试结果示出，当厚度t大于0.1mm而小于0.5mm时，通常能够获得良好的结果。
（5）当将间隔Py从1.0mm改变到1.5mm、2.0mm、2.5mm、3.0mm、4.0mm、4.5mm然后到5.0mm时，电压从0.55V改变到0.7V、0.84V、0.87V、0.83V、0.84V、0.73V然后到0.5V（参见图14）。该测试结果示出，当间隔Py大于1.0mm而小于5.0mm时，通常能够获得良好的结果。
（6）当将集电面积比率K2从5%改变到10%、20%、25%、30%、40%、45%然后到50%时，电压从0.55V改变到0.85V、0.84V、0.87V、0.83V、0.84V、0.73V然后到0.5V（参见图15）。该测试结果示出，当集电面积比率K2大于5%而小于50%时，通常能够获得良好的结果。
（7）当将突出部133的高度h从0.2mm改变到0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm、0.7mm然后到0.8mm时，电压从0.45V改变到0.66V、0.82V、0.84V、0.87V然后到0.83V（参见图16）。该测试结果示出，当突出部133的高度h大于0.2mm而小于0.7mm时，通常能够获得良好的结果。
（变型例）
将说明本发明的变型例。图17是根据本发明的变型例的固体氧化物燃料电池10中使用的互连器130的主视图。在变型例中，突出部133的长度Dx和宽度Dy以及间隔Px和Py小于第一实施方式中的突出部133的长度Dx和宽度Dy以及间隔Px和Py。即使在突出部133的长度Dx等改变的情况下，也能够确保层叠体110和互连器130x之间的接触点。
（第二实施方式）
将说明本发明的第二实施方式。图18是与图2对应并且示出根据本发明的第二实施方式的固体氧化物燃烧电池（固体氧化物燃烧电池堆）10a被剖开的状态的截面图。图19是与图5对应并且示出固体氧化物燃烧电池10a的互连器130a被剖开的状态的截面图。
在第一实施方式中，互连器130布置在各层叠体110的设置有阴极113的一侧，集电体140布置在各层叠体110的设置有阳极111的一侧。此外，各互连器130的突出部133从基部132向下突出，并且与阴极113接触。
相反地，在第二实施方式中，互连器130a布置在设置有阳极111的一侧，集电体140布置在设置有阴极113的一侧。此外，各互连器130a的突出部133a从基部132向上突出，并且与阳极111接触。如上所述，通过互连器130a可以确保与阳极111的电连接。
（其他实施方式）
本发明的实施方式不限于上述实施方式，并且能够被扩展或改变。这种扩展或改变的实施方式落入本发明的技术范围内。图20A至图20F是示出互连器130和130a至130e的截面的截面图。图20A和图20B对应第一和第二实施方式的互连器130和130a。如已说明的，各互连器130和130a具有基部132和从基部132向上或向下突出的突出部133。
相对地，图20C中示出的互连器130b具有基部132和从基部132分别向下和向上突出的突出部133。图20D中示出的互连器130c具有突出部133和133a，但不具有基部132。
如图20E中示出的互连器130d的情况，只要互连器130d的各突出部133d的曲率半径R1和R4落入上述范围内，互连器130d的基部132d和突出部133d可以形成为具有不同的厚度。即，可以以基部132d和突出部133d的在一侧的表面位于同一平面而在另一侧突出部133d从基部132d突出的方式形成基部132d和突出部133d。可以采用锻造工序形成这种形状。
此外，如图20F中示出的互连器130e的情况，相应的凹部134e可以形成在互连器130e的如下一侧：互连器130e的突出部133e在该一侧的相反侧突出。凹部134e没有设置在基部132e。除了锻造，也可以采用冲压加工以形成这种形状。
附图标记说明
10：固体氧化物燃料电池（固体氧化物燃料电池堆）
11：顶面
12：底面
21、23：助燃气体流路
22、24：燃料气体流路
25～28：通孔
41～48：螺栓
51～58：螺母
61～64：构件
100：固体氧化物燃料电池
110：层叠体
111：阳极
112：固体电解质体
113：阴极
115：燃料室
116：气室
121、122：金属端板
130：互连器
131：外周部
132：基部
133：突出部
161、162：线部
163、164：曲线部
140：集电体
150：框架
151、152：绝缘框架
153、154：金属框架
155：隔板

Claims (9)

1.一种固体氧化物燃料电池，其包括：
燃料电池单元主体，其具有阴极层、由氧化物形成的固体电解质层以及阳极层，所述燃料电池单元主体具有发电功能；以及
互连器，其具有基部和从所述基部朝向所述燃料电池单元主体突出并且电连接到所述燃料电池单元主体的多个突出部，所述互连器是由金属材料一体形成的，其中
各所述突出部具有由均包含直线的一对线部和一对曲线部组成的轮廓，所述一对线部彼此并列地布置，所述一对曲线部连接所述一对线部的两端；以及
在沿着连接所述一对线部的中心的直线(Ly)截取的并且与所述一对线部垂直的截面中，各所述突出部的截面具有第一区域、一对第二区域和一对第三区域，所述第一区域的曲率半径为1mm～70mm，所述一对第二区域的第一端连接到所述第一区域的两端并且所述一对第二区域的曲率半径为0.1mm～0.5mm，所述一对第三区域将所述一对第二区域的第二端连接到所述基部,
各所述突出部的截面具有曲率半径为70mm～500mm的区域，各所述突出部的截面是沿着如下直线(Lx)截取的并且与所述一对线部所在的平面垂直的截面：所述直线沿着所述一对线部延伸并且位于所述一对线部的中间。
2.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池，其特征在于，所述固体氧化物燃料电池进一步包括第二燃料电池单元主体，所述第二燃料电池单元主体具有第二阴极层、由氧化物形成的第二固体电解质层以及第二阳极层，所述第二燃料电池单元主体具有发电功能，其中
所述互连器进一步具有从所述基部朝向所述第二燃料电池单元主体突出并且电连接到所述第二燃料电池单元主体的多个第二突出部；
各所述第二突出部具有由一对第二线部和一对第二曲线部组成的轮廓，所述一对第二线部彼此并列地布置并且均包含直线，所述一对第二曲线部连接所述一对第二线部的两端；以及
在沿着连接所述一对第二线部的中心的直线(Ly)截取的并且与所述一对第二线部垂直的截面中，各所述第二突出部的截面具有第四区域、一对第五区域和一对第六区域，所述第四区域的曲率半径为1mm～70mm，所述一对第五区域的第一端连接到所述第四区域的两端并且所述一对第五区域的曲率半径为0.1mm～0.5mm，所述一对第六区域将所述一对第五区域的第二端连接到所述基部。
3.根据权利要求2所述的固体氧化物燃料电池，其特征在于，各所述第二突出部的截面具有曲率半径为70mm～500mm的区域，各所述第二突出部的截面是沿着如下直线(Lx)截取的并且与所述一对第二线部所在的平面垂直的截面：所述直线沿着所述一对第二线部延伸并且位于所述一对第二线部的中间。
4.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池，其特征在于，所述互连器通过冲压加工由板状金属材料形成。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的固体氧化物燃料电池，其特征在于，
所述基部具有平坦形状，并且
所述固体氧化物燃料电池进一步包括集电体，所述集电体布置在所述互连器和所述燃料电池单元主体中的至少一方，所述集电体电连接到所述基部。
6.一种固体氧化物燃料电池，其包括：
燃料电池单元主体，其具有阴极层、由氧化物形成的固体电解质层以及阳极层，所述燃料电池单元主体具有发电功能；
第二燃料电池单元主体，其具有第二阴极层、由氧化物形成的第二固体电解质层以及第二阳极层，所述第二燃料电池单元主体具有发电功能；以及
互连器，其由金属材料一体形成，并且布置在所述燃料电池单元主体和所述第二燃料电池单元主体之间，所述互连器具有朝向所述燃料电池单元主体突出并且电连接到所述燃料电池单元主体的多个突出部以及朝向所述第二燃料电池单元主体突出并且电连接到所述第二燃料电池单元主体的多个第二突出部，其中
各所述突出部和所述第二突出部具有由一对线部和一对曲线部组成的轮廓，所述一对线部彼此并列地布置并且均包含直线，所述一对曲线部连接所述一对线部的两端；以及
在沿着连接所述一对线部的中心的直线截取的并且与所述一对线部垂直的截面中，各所述突出部和所述第二突出部的截面被划分为第一区域、一对第二区域和一对第三区域，所述第一区域的曲率半径为1mm～70mm，所述一对第二区域的第一端连接到所述第一区域的两端，并且所述一对第二区域的曲率半径为0.1mm～0.5mm，所述一对第三区域将所述一对第二区域的第二端连接到基部，
各所述突出部和所述第二突出部的截面具有曲率半径为70mm～500mm的区域，各所述突出部和所述第二突出部的截面是沿着如下直线(Lx)截取的并且与所述一对线部所在的平面垂直的截面：所述直线沿着所述一对线部延伸并且位于所述一对线部的中间。
7.根据权利要求6所述的固体氧化物燃料电池，其特征在于，所述互连器通过冲压加工由板状金属材料形成。
8.根据权利要求6或7所述的固体氧化物燃料电池，其特征在于，
所述基部具有平坦形状，并且
所述固体氧化物燃料电池进一步包括集电体，所述集电体布置在所述互连器和所述燃料电池单元主体中的至少一方，所述集电体电连接到所述基部。
9.一种互连器，其是由金属材料一体地形成的并且具有朝向燃料电池单元主体突出并且电连接到所述燃料电池单元主体的多个突出部，其中
各所述突出部具有由一对线部和一对曲线部组成的轮廓，所述一对线部彼此并列地布置并且均包含直线，所述一对曲线部连接所述一对线部的两端；以及
在沿着连接所述一对线部的中心的直线(Ly)截取的并且与所述一对线部垂直的截面中，各所述突出部的截面具有第一区域、一对第二区域和一对第三区域，所述第一区域的曲率半径为1mm～70mm，所述一对第二区域的第一端连接到所述第一区域的两端，并且所述一对第二区域的曲率半径为0.1mm～0.5mm，所述一对第三区域将所述一对第二区域的第二端连接到基部，
各所述突出部的截面具有曲率半径为70mm～500mm的区域，各所述突出部的截面是沿着如下直线(Lx)截取的并且与所述一对线部所在的平面垂直的截面：所述直线沿着所述一对线部延伸并且位于所述一对线部的中间。
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