CN103748720A - 燃料电池单元及燃料电池堆 - Google Patents

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Abstract

提供即使长期使用也能维持良好电连接的燃料电池单元及燃料电池堆。燃料电池单元（3）包括：一对互连器（12、13）（以下称为IC）；电池单元主体（20），其设置在IC（12、13）之间，在电解质（2）的一面上形成阴极（14），在电解质（2）的另一面上形成阳极（15）；以及集电构件（18、19），其设置在阴极（14）和阳极（15）中的至少一方与IC（12、13）之间且使阴极（14）和/或阳极（15）与IC（12、13）电连接。集电构件（18、19）还包括：连接器抵接部（19a），其抵接IC（12、13）；电池单元主体抵接部（19b），其抵接电池单元主体（20）；以及间隔件（58），其形成为与将连接器抵接部（19a）与电池单元主体抵接部（19b）连接的连接部（19c）接合，在电池单元主体（20）和IC（12、13）之间，间隔件（58）被设置成使连接器抵接部（19a）和电池单元主体抵接部（19b）彼此分隔。

Description

燃料电池单元及燃料电池堆
技术领域
本发明涉及一种燃料电池单元，其包括电解质层和在电解质层的两面上设置的两个电极，其中燃料气体被供给到两个电极中的一个（以下，可以被称为“阳极”），而氧化剂气体被供给到另一个电极（以下，可以被称为“阴极”），由此产生电力；并且本发明涉及一种燃料电池堆，其包括被堆叠和固定在一起的多个燃料电池单元。 
背景技术
迄今为止，已经提供了如例如专利文献1中说明的燃料电池单元，该燃料电池单元包括：一对互连器；电池单元主体，其设置在互连器之间，该电池单元主体具有形成在电解质的一面上的阴极并且具有形成在电解质的另一面上的阳极；以及集电构件，其设置在阴极和互连器之间或者设置在阳极和互连器之间，以便在阴极和互连器之间或者在阳极和互连器之间建立电连接。 
该燃料电池单元的集电构件具有如下结构：该结构包括爪状弹性构件，其通过切起平板状的集电板而被设置在该集电板上。在该燃料电池单元中，通过将集电板的平坦面接合到互连器并且使得弹性构件的顶端与电池单元主体接触来在电极和互连器之间建立电连接。 
现有技术文献 
专利文献 
专利文献1：日本特开2009-266533号公报 
发明内容
发明要解决的问题
在前述传统的燃料电池单元的情况下，集电构件借助于导电的弹性构件与电池单元主体接触，归因于例如长期使用燃料电池单元所导致的集电构件的塑性变形、发电期间由高温所导致该导电的弹性构件的强度降低以及影响该导电的弹性构件的蠕变变形（creep deformation），所以可能不能够实现用于电连接所需的特定接触力。在这种情况下，导电的弹性构件可能不能够跟随由例如温度循环或者燃料压力或空气压力的变化导致的电池单元主体的变形，这可能导致在弹性构件和电池单元主体之间不稳定的接触；即，在阴极和互连器之间或在阳极和互连器之间的不稳定地的电接触。 
当用于电连接所需的前述弹性构件的接触力由于多种因素而减小时，弹性构件的应当与电池单元主体接触的部分可能与互连器接触。同时，在许多情况下，由于集电构件的平坦面被接合到互连器，所以集电构件由能够提供与互连器接合的良好接合性的材料形成。因此，当弹性构件在发电期间在高温度条件下与互连器接触时，弹性构件可以通过烧结而被接合到互连器。在这种情况下，由于弹性构件与互连器一体化，所以在将弹性构件与电池单元主体接触方面可能遇到困难，导致在阴极和互连器之间或者在阳极和互连器之间不稳定的电连接。 
考虑到前述情况，本发明的目的在于提供一种即使在长期使用之后也能够维持有利的电连接的燃料电池单元或者燃料电池堆。 
用于解决问题的方案
为了实现前述目的，如方案1所述地，本发明提供了一种燃料电池单元，其包括：一对互连器； 
电池单元主体，所述电池单元主体设置于所述互连器之间，所述电池单元主体包括电解质、形成于所述电解质的一面的阴极和形成于所述电解质的另一面的阳极；以及 
集电构件，所述集电构件设置在所述阴极和所述阳极中的至少一方与所述互连器之间，所述集电构件将所述阴极和/或所述阳极与所述互连器电连 接， 
其中所述集电构件具有：连接器抵接部，所述连接器抵接部抵接所述互连器；电池单元主体抵接部，所述电池单元主体抵接部抵接所述电池单元主体；以及连接部，所述连接部将所述连接器抵接部与所述电池单元主体抵接部连接，所述连接器抵接部、所述电池单元主体抵接部和所述连接部连续地形成；以及 
在所述电池单元主体和所述互连器之间，间隔件被设置成使得所述连接器抵接部和所述电池单元主体抵接部彼此分隔开。 
如方案2所述地，还提供了根据方案1所述的燃料电池单元，所述连接部弯曲约180°，并且所述连接器抵接部和所述电池单元主体抵接部设置在所述间隔件的两侧。 
如方案3所述地，本发明还提供了一种燃料电池单元，其包括：一对互连器； 
电池单元主体，所述电池单元主体设置在所述互连器之间，所述电池单元主体包括电解质、形成于所述电解质的一面的阴极和形成于所述电解质的另一面的阳极；以及 
集电构件，所述集电构件设置在所述阴极和所述阳极中的至少一方与所述互连器之间，所述集电构件将所述阴极和/或所述阳极与所述互连器电连接， 
其中所述集电构件具有：连接器抵接部，所述连接器抵接部抵接所述互连器；电池单元主体抵接部，所述电池单元主体抵接部抵接所述电池单元主体；以及连接部，所述连接部将所述连接器抵接部与所述电池单元主体抵接部连接，所述连接器抵接部、所述电池单元主体抵接部和所述连接部连续地形成；以及 
在所述电池单元主体和所述互连器之间，间隔件被设置成使得所述连接 器抵接部和所述电池单元主体彼此分隔开，并且所述间隔件被设置成使得所述电池单元主体抵接部和所述互连器彼此分隔开。 
如方案4所述地，本发明还提供了一种燃料电池单元，其包括：一对互连器； 
电池单元主体，所述电池单元主体设置在所述互连器之间，所述电池单元主体包括电解质、形成于所述电解质的一面的阴极和形成于所述电解质的另一面的阳极；以及 
集电构件，所述集电构件设置于所述阴极和所述阳极中的至少一方与所述互连器之间，所述集电构件将所述阴极和/或所述阳极与所述互连器电连接， 
其中所述集电构件具有：连接器抵接部，所述连接器抵接部抵接所述互连器；电池单元主体抵接部，所述电池单元主体抵接部抵接所述电池单元主体；以及连接部，所述连接部将所述连接器抵接部与所述电池单元主体抵接部连接，所述连接器抵接部、所述电池单元主体抵接部和所述连接部连续地形成；以及 
在所述电池单元主体和所述互连器之间，间隔件被设置成使得所述连接器抵接部和所述电池单元主体彼此分隔开，或者使得所述电池单元主体抵接部和所述互连器彼此分隔开。 
如方案5所述地，本发明还提供了一种燃料电池单元，其包括：一对互连器； 
电池单元主体，所述电池单元主体以与所述互连器中的每一方均间隔开的方式设置在所述互连器之间，所述电池单元主体包括板状电解质和形成于所述电解质的上面和下面的电极；以及 
集电构件，所述集电构件设置在所述电极中的至少一方与所述互连器之间，所述集电构件将所述电极与所述互连器电连接， 
其中所述集电构件具有：连接器抵接部，所述连接器抵接部抵接所述互连器；电池单元主体抵接部，所述电池单元主体抵接部抵接所述电池单元主体的电极；以及连接部，所述连接部将所述连接器抵接部与所述电池单元主体抵接部连接，所述连接器抵接部、所述电池单元主体抵接部和所述连接部连续地形成； 
间隔件设置在所述连接器抵接部和所述电池单元主体抵接部之间；以及 
所述集电构件和所述间隔件中的每一方均在使所述电池单元主体和所述互连器之间的间隔增大的方向上具有弹性，并且所述间隔件的弹性变形比所述集电构件的弹性变形大。 
此处使用的术语“弹性”指通过施加外力使材料变形而通过去除外力该材料恢复原来形状的特性。如上所述，间隔件的弹性变形大于集电构件的弹性变形。在本发明中，基于在具体条件下沿厚度方向将载荷施加到样品而接着去除该载荷的情况下该样品沿厚度方向的位移量确定具有与实际使用时的形状相同的形状的样品的弹性变形。样品沿厚度方向的位移量越大，该样品的弹性变形越大，而样品沿厚度方向的位移量越小，该样品的弹性变形越小。 
如方案6所述地，还提供了根据方案5所述的燃料电池单元，所述连接部弯曲约180°，所述连接器抵接部和所述电池单元主体抵接部设置在所述间隔件的两侧。 
如方案7所述地，本发明还提供了一种燃料电池单元，其包括：一对互连器； 
电池单元主体，所述电池单元主体以与所述互连器中的每一方均间隔开的方式设置在所述互连器之间，所述电池单元主体包括板状电解质和形成于所述电解质的上面和下面的电极；以及 
集电构件，所述集电构件设置在所述电极中的至少一方与所述互连器之间，所述集电构件将所述电极与所述互连器电连接， 
其中所述集电构件具有：连接器抵接部，所述连接器抵接部抵接所述互连器；电池单元主体抵接部，所述电池单元主体抵接部抵接所述电池单元主体的电极；以及连接部，所述连接部将所述连接器抵接部与所述电池单元主体抵接部连接，所述连接器抵接部、所述电池单元主体抵接部和所述连接部连续地形成； 
间隔件设置在所述连接器抵接部和所述电池单元主体之间；并且所述间隔件还设置在所述电池单元主体抵接部和所述互连器之间；以及 
所述集电构件和所述间隔件中的每一方均在使所述电池单元主体和所述互连器之间的间隔增大的方向上具有弹性，并且所述间隔件的弹性变形比所述集电构件的弹性变形大。 
如方案8所述地，本发明还提供了一种燃料电池单元，其包括：一对互连器； 
电池单元主体，所述电池单元主体以与所述互连器中的每一方均间隔开的方式设置在所述互连器之间，并且所述电池单元主体包括板状电解质和形成于所述电解质的上面和下面的电极；以及 
集电构件，所述集电构件设置在所述电极中的至少一方与所述互连器之间，所述集电构件将所述电极与所述互连器电连接， 
其中所述集电构件具有：连接器抵接部，所述连接器抵接部抵接所述互连器；电池单元主体抵接部，所述电池单元主体抵接部抵接所述电池单元主体的电极；以及连接部，所述连接部将所述连接器抵接部与所述电池单元主体抵接部连接，所述连接器抵接部、所述电池单元主体抵接部和所述连接部连续地形成； 
间隔件设置在所述连接器抵接部和所述电池单元主体之间，或者所述间隔件设置在所述电池单元主体抵接部和所述互连器之间；以及 
所述集电构件和所述间隔件中的每一方均在使所述电池单元主体和所 述互连器之间的间隔增大的方向上具有弹性，并且所述间隔件的弹性变形比所述集电构件的弹性变形大。 
如方案9所述地，还提供了根据方案1至4中任一项所述的燃料电池单元，对于能与所述电池单元主体和所述互连器之间的距离的变化相关联地作用的载荷而言，所述间隔件比所述集电构件柔软。 
如方案10所述地，还提供了根据方案5至8中任一项所述的燃料电池单元，所述集电构件被形成为能够沿与所述集电构件的面方向交叉的方向弯曲和拉伸，并且所述集电构件被形成为几乎不产生抵抗弯曲或拉伸的阻力。 
如方案11所述地，还提供了根据方案5至10中任一项所述的燃料电池单元，所述间隔件由从云母、氧化铝毡、蛭石、碳纤维、碳化硅纤维和二氧化硅之中选择的至少一种形成。 
如方案12所述地，还提供了根据方案1至11中任一项所述的燃料电池单元，所述燃料电池单元还包括夹持构件，所述夹持构件一体地夹持所述互连器、所述电池单元主体和所述集电构件，其中，借助于所述夹持构件和所述间隔件，使所述集电构件的电池单元主体抵接部压抵所述电池单元主体，和/或使所述连接器抵接部压抵所述互连器。 
如方案13所述地，还提供了根据方案12所述的燃料电池单元，所述间隔件在夹持方向上的热膨胀系数比所述夹持构件在夹持方向上的热膨胀系数高。 
如方案14所述地，还提供了根据方案1至13中任一项所述的燃料电池单元，所述集电构件由多孔质金属、金属网、金属丝或冲压金属形成。 
如方案15所述地，还提供了根据方案1至14中任一项所述的燃料电池单元，所述集电构件的电池单元主体抵接部被接合到所述电池单元主体的阴极和/或阳极的表面。 
如方案16所述地，还提供了根据方案1至15中任一项所述的燃料电池单元，所述集电构件的连接器抵接部被接合到所述互连器。 
如方案17所述地，还提供了根据方案1至16中任一项所述的燃料电池单 元，所述集电构件设置在所述阳极和所述互连器之间，所述集电构件由Ni或Ni合金形成。 
如方案18所述地，本发明还提供了一种燃料电池堆，所述燃料电池堆包括多个根据方案1至17中任一项所述的燃料电池单元，多个所述燃料电池单元堆叠并且利用所述夹持构件固定在一起。 
发明的效果
根据如方案1或2所述的燃料电池单元，由于借助于间隔件抑制了连接器抵接部和电池单元主体抵接部沿反接触方向（即，它们不会彼此抵接的方向）的变形，所以集电构件几乎不可能塑性变形，并且几乎不可能受到例如在发电期间由高温导致的强度的降低或者蠕动变形的影响。另外，由于间隔件设置在集电构件的连接器抵接部和电池单元主体抵接部之间以便防止集电构件的连接器抵接部和电池单元主体抵接部之间的接触，所以防止了连接器抵接部和电池单元主体抵接部在发电期间在高温（燃料电池单元的工作温度域）条件下通过烧结而被接合在一起。因而，能够防止连接器抵接部和电池单元主体抵接部的一体化（即，通过烧结而接合）以及与其相关联的不稳定的电连接。 
根据如方案3所述的燃料电池单元，由于借助于间隔件抑制了集电构件的连接器抵接部和电池单元主体抵接部沿反接触方向（即，它们不会彼此抵接的方向）的变形，所以集电构件几乎不可能塑性变形，并且几乎不可能受到例如在发电期间由高温导致的强度的降低或者蠕动变形的影响。另外，由于间隔件设置在集电构件的连接器抵接部和电池单元主体之间以便防止集电构件的连接器抵接部和电池单元主体之间的接触，并且还设置在电池单元主体抵接部和互连器之间以便防止电池单元主体抵接部和互连器之间的接触，所以防止了连接器抵接部和电池单元主体以及电池单元主体抵接部和互连器在发电期间在高温条件下通过烧结而被接合在一起。因而，能够防止连接器抵接部和电池单元主体以及电池单元主体抵接部和互连器的一体化（即，通过烧结而接合），并且防止了与其相关联的不稳定的电连接。 
根据如方案4所述的燃料电池单元，由于借助于间隔件抑制了集电构件的连接器抵接部和电池单元主体抵接部沿反接触方向（即，它们不会彼此抵接的方向）的变形，所以集电构件几乎不可能受到例如在发电期间由高温导致的强度的降低或者蠕动变形的影响。另外，由于间隔件设置在集电构件的连接器抵接部和电池单元主体之间以便防止集电构件的连接器抵接部和电池单元主体之间的接触，或者设置在电池单元主体抵接部和互连器之间以便防止电池单元主体抵接部和互连器之间的接触，所以防止了连接器抵接部和电池单元主体或者电池单元主体抵接部和互连器在发电期间在高温条件下通过烧结而被接合在一起。因而，能够防止连接器抵接部和电池单元主体或者电池单元主体抵接部和互连器的一体化（即，通过烧结而接合），并且防止了与其相关联的不稳定的电连接。 
根据如方案9所述的燃料电池单元，由于间隔件被设计成比集电构件柔软，并且呈现出抵抗被施加到间隔件的载荷的阻力低，所以能够防止电池单元主体的损坏，否则可能在燃料电池单元工作期间或燃料电池单元组装期间由来自间隔件的过大的阻力导致该电池单元主体的损坏。也就是，间隔件呈现出缓冲性能，因而减小了在燃料电池单元的工作期间电池单元主体的变形或者在燃料电池单元组装期间由于夹持力所引起的电池单元主体上的应力的集中，由此能够抑制电池单元主体的损坏。间隔件可以由至少在方案10中说明的材料形成。 
根据方案5或6所述的燃料电池单元，由于间隔件设置在集电构件的连接器抵接部和电池单元主体抵接部之间以便防止集电构件的连接器抵接部和电池单元主体抵接部之间的接触，能够防止连接器抵接部和电池单元主体抵接部在发电期间在高温（燃料电池单元的工作温度域）条件下通过烧结而被接合在一起。因而，能够防止连接器抵接部和电池单元主体抵接部的一体化（即，通过烧结而接合），并且防止了与其相关联的不稳定的电连接。 
根据如方案7所述的燃料电池单元，由于间隔件设置在集电构件的连接器抵接部和电池单元主体之间以便防止集电构件的连接器抵接部和电池单 元主体之间的接触，并且还设置在电池单元主体抵接部和连接器之间以便防止电池单元主体抵接部和互连器之间的接触，所以防止了连接器抵接部和电池单元主体以及电池单元主体抵接部和互连器在发电期间在高温条件下通过烧结而被接合在一起。因而，能够防止连接器抵接部和电池单元主体以及电池单元主体抵接部和互连器的一体化（即，通过烧结而接合），并且还能够防止与其相关联的不稳定的电连接。 
根据如方案8所述的燃料电池单元，由于间隔件设置在集电构件的连接器抵接部和电池单元主体之间以便防止集电构件的连接器抵接部和电池单元主体之间的接触，或者设置在电池单元主体抵接部和互连器之间以便防止电池单元主体抵接部和互连器之间的接触，能够防止连接器抵接部和电池单元主体或者电池单元主体抵接部和互连器在发电期间在高温条件下通过烧结而被接合在一起。因而，能够防止连接器抵接部和电池单元主体或者电池单元主体抵接部和互连器的一体化（即，通过烧结而接合），并且还能够防止与其相关联的不稳定的电连接。 
如方案5至8中任一项所述的燃料电池单元具有如下效果。 
（i）当通过例如热循环使得电池单元主体等变形，且互连器和电极之间的间隔增大时；即，当设置集电构件的空间增大时，由于间隔件的弹性变形大，所以在互连器和电极之间建立了稳定的电连接。另外，即使当在设置集电构件的空间临时减小而随后增大时，由于间隔件的弹性变形比集电构件的弹性变形大，所以能够在互连器和电极之间建立稳定的电连接。 
（ii）由于间隔件沿压缩方向是柔性的，所以不存在由于来自间隔件的过大的阻力而导致电池单元主体损坏的可能性。也就是，间隔件呈现出缓冲性能，因而减小了在燃料电池单元组装期间由于夹持力所引起的电池单元主体上的应力的集中，由此能够抑制电池单元主体的损坏。 
如方案10所述地，当集电构件被形成为能够沿与集电构件的面方向交叉的方向弯曲和拉伸并且被形成为实际上不产生抵抗弯曲或拉伸的阻力时，在间隔件的作用和集电构件的作用之间存在明显的区别；具体地，间隔件与例 如由于温度循环或者燃料压力或空气压力变化所导致的电池单元主体的变形对应，而集电构件与电连接对应。因此，与间隔件和集电构件中的每一方的作用相关联地，能够使间隔件和集电构件中的每一方的材料和形状最优化。 
前述间隔件可以由至少如方案11所述的材料形成。 
根据如方案12所述的燃料电池单元，由于互连器、电池单元主体和集电构件堆叠且借助于夹持构件被夹持在一起，所以集电构件的电池单元主体抵接部借助于间隔件的压力稳定地抵接电池单元主体，或者连接器抵接部借助于间隔件的压力稳定地抵接互连器。因此，通过集电构件建立稳定的电连接。 
也就是，通过间隔件的弹性力补偿集电构件的弹性力的减小（在高温条件下受到金属集电构件的蠕变变形的影响），因而维持了对电池单元主体或互连器的加压作用。因此，将接点维持在有利的状态。 
根据如方案13所述的燃料电池单元，由于间隔件呈现出在夹持方向上的热膨胀系数大于夹持构件在夹持方向上的热膨胀系数。因此，即使当在发电期间由于热引起的夹持构件的热膨胀导致夹持互连器、电池单元主体和集电构件的力减小时，也维持了对集电构件的加压作用，这是由于间隔件热膨胀的程度比夹持构件的热膨胀的程度大。 
如方案14所述地，当集电构件由多孔质金属、金属网、金属丝或冲压金属形成时，与该集电构件由单纯的板材形成的情况相比，该集电构件呈现出改进的燃料气体或氧化剂气体扩散性。 
如方案15所述地，当电池单元主体抵接部被接合到电池单元主体的阴极和/或阳极的表面时，电池单元主体抵接部能够跟随例如由于温度循环或者燃料压力或空气压力的变化导致的电池单元主体的变形，因而实现了稳定的电连接。 
如方案16所述地，在集电构件的连接器抵接部被接合到互连器时，即使当电池单元主体例如由于温度循环或者燃料压力或空气压力的变化导致变形时，能够在连接器抵接部和互连器之间维持稳定的电连接。 
如方案17所述地，当集电构件设置在阳极和互连器之间并且该集电构件由Ni或Ni合金形成时，能够仅通过在燃料电池单元组装之后对该燃料电池单元加热来将集电构件的电池单元主体抵接部或连接器抵接部接合到电池单元主体的阳极或者互连器。 
具体地，Ni或Ni合金是呈现出与电池单元主体的阳极或互连器的接合性优异的材料，并且集电构件的电池单元主体抵接部或连接器抵接部借助于集电构件自身的弹性或者间隔件的压力来与电池单元主体或互连器稳定地接触。因此，当燃料电池单元组装完成之后对该燃料电池单元加热时，电池单元主体抵接部被扩散接合到包含在电池单元主体的阳极中的Ni，或者连接器抵接部通过扩散接合与互连器一体化。因而，当电池单元主体抵接部或连接器抵接部分别与电池单元主体或互连器一体化时，在电池单元主体和互连器之间建立稳定的电连接。 
由于燃料电池在发电期间的温度达到约700℃至1,000℃，所以电池单元抵接部或连接器抵接部能够借助于发电期间的热分别接合到电池单元主体的阳极或者互连器。因此，能够省略加热处理，导致节约了能源。 
通过堆叠如方案1至16中任一项所述的多个燃料电池单元并且借助于夹持构件固定该多个燃料电池单元来制造如方案18所述的燃料电池堆。因此，即使长期使用了该燃料电池堆之后该燃料电池堆也能够维持有利的电连接。 
附图说明
图1是根据第一实施方式的燃料电池的立体图。 
图2是根据第一实施方式的燃料电池单元的立体图。 
图3是根据第一实施方式的燃料电池单元的分解立体图。 
图4是根据第一实施方式的燃料电池单元的分解立体图，其中一些部件未以分解的方式示出。 
图5是根据第一实施方式的燃料电池单元的中间被省略的纵截面图。 
图6是图5的燃料电池单元的分解纵截面图。 
图7是图5的燃料电池单元沿着线A-A截取的截面图。 
图8是图5的燃料电池单元沿着线B-B截取的截面图。 
图9是根据第一实施方式的集电构件的立体图。 
图10的（a）是根据第一实施方式的间隔件的立体图；图10的（b）是根据第一实施方式的集电构件在安装间隔件之前的立体图。 
图11是集电构件的立体图，其是图10的（b）的集电构件的变型例。 
图12是根据另一实施方式（第二实施方式）的燃料电池单元的中间被省略的纵截面图。 
图13是根据另一实施方式（第二实施方式）的燃料电池单元的中间被省略的纵截面图。 
图14是根据另一实施方式（第二实施方式）的燃料电池单元的中间被省略的纵截面图。 
图15是根据另一实施方式（第二实施方式）的燃料电池单元的中间被省略的纵截面图。 
图16是根据第三实施方式的燃料电池的立体图。 
图17是根据第三实施方式的燃料电池单元的立体图。 
图18是根据第三实施方式的燃料电池单元的分解立体图。 
图19是根据第三实施方式的燃料电池单元的分解立体图，其中一些部件未以分解的方式示出。 
图20是根据第三实施方式的燃料电池单元的中间被省略的纵截面图。 
图21是图20的燃料电池单元的分解纵截面图。 
图22是图20的燃料电池单元沿着线A-A截取的截面图。 
图23是图20的燃料电池单元沿着线B-B截取的截面图。 
图24是根据第三实施方式的集电构件的立体图。 
图25的（a）根据第三实施方式的间隔件的立体图；图25的（b）是根据第三实施方式的集电构件在安装间隔件之前的立体图。 
图26是集电构件的立体图，其是图25的（b）的集电构件的变型例。 
图27是示出关于集电构件和间隔件的载荷和位移之间关系的图。 
图28是根据又一实施方式（第四实施方式）的燃料电池单元的中间被省略的纵截面图。 
图29是根据又一实施方式（第四实施方式）的燃料电池单元的中间被省略的纵截面图。 
图30是根据又一实施方式（第四实施方式）的燃料电池单元的中间被省略的纵截面图。 
图31是根据又一实施方式（第四实施方式）的燃料电池单元的中间被省略的纵截面图。 
具体实施方式
当前使用的燃料电池在电解质的材料方面被大致分成四类：包括用作电解质的聚合物电解质膜的聚合物电解质燃料电池（PEFC）；包括由磷酸形成的电解质的磷酸燃料电池（PAFC）；包括由Li-Na/K碳酸盐形成的电解质的熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）；以及包括由例如ZrO2陶瓷材料形成的电解质的固体氧化物燃料电池（SOFC）。这些类型的燃料电池的工作温度（即，离子能够移动通过电解质的温度）彼此不同。目前，PEFC、PAFC、MCFC以及SOFC的工作温度是分别为约90℃、约150℃至200℃、约650℃至700℃以及约700℃至1,000℃的常温。 
【第一实施方式】 
根据在图1至图11中示出的第一实施方式的燃料电池1是包括由例如ZrO2陶瓷材料形成的电解质2的SOFC。燃料电池1大体上包括：燃料电池单元3，其用作发电用的最小单位；空气供给流路4，其用于将空气供给到燃料电池单元3；空气排出流路5，其用于将空气排出到外部；燃料供给流路6，其用于将燃料气体供给到燃料电池单元3；燃料排出流路7，其用于将燃料气 体排出到外部；固定构件9，其用于固定通过堆叠多个燃料电池单元3而制备的电池单元组，由此制造燃料电池堆8；容器10，其用于容纳燃料电池堆8；以及输出构件11，其用于输出由燃料电池堆8产生的电力。 
【燃料电池单元】 
燃料电池单元3在平面图中具有正方形形状。如图3所示，燃料电池单元3包括：上互连器12，其是四边形板的形状并且由例如导电的铁氧体不锈钢（ferrite stainless）形成（注意：为了方便说明，此处使用的术语“上”或“下”是基于附图的，而不是指绝对的上下位置，同样适用于下文）；下互连器13，其也是四边形板的形状并且由例如导电的铁氧体不锈钢形成；电池单元主体20，其位于上互连器12和下互连器13之间的大致中间位置，该电池单元主体20具有形成在电解质2的面对上互连器12的内表面（下表面）的表面上的阴极14，并且该电池单元主体20具有形成在电解质2的面对下互连器13的内表面（上表面）的表面上的阳极15；空气室16，其形成在上互连器12和阴极14之间；燃料室17，其形成在下互连器13和阳极15之间；阴极14侧的集电构件18，其设置在空气室16的内部并且将阴极14和上互连器12电连接；以及阳极15侧的集电构件19，其设置在燃料室17的内部并且将阳极15和下互连器13电连接。正方形燃料电池单元3在角部处具有角部通孔47、47，前述固定构件9的下述的夹持构件46a至46d贯通该角部通孔47、47。 
【电解质】 
前述电解质2可以由例如ZrO2陶瓷材料、LaGaO3陶瓷材料、BaCeO3陶瓷材料、SrCeO3陶瓷材料、SrZrO3陶瓷材料或CaZrO3陶瓷材料形成。 
【阳极】 
前述阳极15可以由诸如Ni或Fe等的金属与从诸如CeO2陶瓷材料和ZrO2陶瓷材料等的陶瓷材料选择的至少一种陶瓷材料（例如，被从诸如Sc和Y等的稀土元素之中选择的至少一类稳定的氧化锆）的混合物形成。阳极15可以由诸如Pt、Au、Ag、Pb、Ir、Ru、Rh、Ni或Fe等的金属形成。阳极15可以仅由这些金属中的一种形成或者由这些金属中的两种或更多种的合金形成。 可选地，阳极15可以由该金属和/或该金属的合金与前述陶瓷材料的混合物（包含金属陶瓷的混合物）形成。可选地，阳极15可以例如由诸如Ni或Fe等的金属氧化物与前述陶瓷材料中的至少一种的混合物形成。 
【阴极】 
前述阴极14可以由例如任意金属、任意金属氧化物或者任意金属复合氧化物形成。该金属的示例包括：诸如Pt、Au、Ag、Pb、Ir、Ru和Rh等的金属；以及包含两种或更多种这些金属的合金。金属氧化物的示例包括La、Sr、Ce、Co、Mn、Fe等的氧化物(例如，La2O3、SrO、Ce2O3、Co2O3、MnO2和FeO)。复合氧化物的示例包括例如至少包含La、Pr、Sm、Sr、Ba、Co、Fe、Mn等的复合氧化物（例如，La1-xSrxCoO3复合氧化物、La1-xSrxFeO3复合氧化物、La1-xSrxCo1-yFeO3复合氧化物、La1-xSrxMnO3复合氧化物、Pr1-xBaxCoO3复合氧化物和Sm1-xSrxCoO3复合氧化物等）。 
【燃料室】 
如图3至图5所示，为四边形室的燃料室17由形成阳极气体流路用的绝缘框架21（以下，该框架可以被称为“阳极绝缘框架”）和设置在阳极绝缘框架21的上表面上的阳极框架22限定，阳极绝缘框架21围绕集电构件19且设置在下互连器13的上表面上。 
【燃料室侧的集电构件】 
燃料室17侧的集电构件19由例如Ni板材形成。该集电构件19具有抵接下互连器13的连接器抵接部19a、抵接电池单元主体20的阳极15的电池单元主体抵接部19b以及连接连接器抵接部19a和电池单元主体抵接部19b的U形连接部19c，连续地形成连接器抵接部19a、电池单元主体抵接部19b及U形连接部19c。借助于U形连接部19c的弹性力，连接器抵接部19a和电池单元主体抵接部19b分别被朝向互连器13和电池单元主体20施力。另外，集电构件19能够柔性地跟随由于温度循环或者在例如燃料压力或空气压力方面的变化所导致的电池单元主体20的变形。 
燃料室17侧的集电构件19可以代替前述板材由例如Ni制多孔质金属、Ni 网、Ni丝或者Ni冲压金属形成。燃料室17侧的集电构件19可以代替Ni由诸如Ni合金或不锈钢等的抗氧化的金属形成。 
在燃料室17中设置大约数十至一百个集电构件19（不用说，可以与燃料室的尺寸相关联地改变集电构件的数量）。集电构件19可以单独地配置在互连器13上并且经受焊接（例如，激光焊接或电阻焊接）。然而，优选地，如图10的（b）所示，前述板材被加工成四边形平板19p以便与燃料室17相匹配，分别与电池单元主体抵接部19b和连接部19c对应的预切线19d设置在平板19p上，使得如图9的放大图所示，当连接部19c弯曲成具有U形截面时，电池单元主体抵接部19b设置在连接器抵接部19a的上方且与连接器抵接部19a相隔距离t（参见图5的放大图）。因此，具有与弯曲的电池单元主体抵接部19b对应的孔的平板19p与连接器抵接部19a的集合体对应。在本实施方式中，平板19p的连接器抵接部19a通过激光焊接或电阻焊接被接合到下互连器13。 
如图11所示，可以以电池单元主体抵接部19b和连接部19c一体化为一列的方式形成集电构件19的预切线19d。在这种情况下，能够有效地加工电池单元主体抵接部19b和连接部19c。 
【间隔件】 
如图5所示，间隔件58设置在集电构件19中。在电池单元主体20和下互连器13之间的燃料室17中，间隔件58设置在连接器抵接部19a和电池单元主体抵接部19b之间以便使连接器抵接部19a和电池单元主体抵接部19b彼此分隔开。以如下方式确定间隔件58的厚度和材料：使得当至少在燃料电池的工作温度域（即，700℃至1,000℃）下使间隔件58热膨胀时，间隔件58的厚度变得大于前述间隔t（间隔件58的厚度通过热膨胀增大），以便沿各自的抵接方向压电池单元主体抵接部19b和连接器抵接部19a，即朝向电池单元主体20压电池单元主体抵接部19b并且朝向互连器13压连接器抵接部19a。 
不特别地限制间隔件58的厚度，只要在燃料电池的工作温度域下间隔件58的厚度大于电池单元主体抵接部19b和连接器抵接部19a之间的间隔t即可。优选地，间隔件58的厚度被调整成在燃料电池非工作期间的常温状态下至少 几乎等于或略大于的电池单元主体抵接部19b和连接器抵接部19a之间的间隔t。在这种情况下，发电开始之后直到燃料电池的温度达到工作温度域之前，都可以借助于间隔件58在连接器抵接部19a和互连器13之间以及在电池单元主体抵接部19b和电池单元主体20之间维持稳定的电接触。 
间隔件58由比集电构件19的材料柔软的材料形成；即，该间隔件58由弹性呈现出比集电构件19的弹性小的材料形成。具体地，以如下方式确定间隔件58的材料和结构：相对于由于温度循环或者燃料压力或空气压力中的变化导致的燃料室17尺寸的变化，间隔件58能跟随集电构件19的动作（即，间隔件58不会阻碍集电构件19的迅速动作）。 
间隔件58由处于燃料电池的工作温度域下不会烧结到集电构件19的材料形成。因此，电池单元主体抵接部19b和连接器抵接部19a不会由于彼此直接接触而烧结在一起，并且电池单元主体抵接部19b和连接器抵接部19a不会经由间隔件58而彼此烧结。 
满足前述条件的间隔件58的材料可以是从云母、氧化铝毡、蛭石、碳纤维、碳化硅纤维和二氧化硅之中选择的任意一种或多种的组合。优选地，间隔件58由薄板（例如，云母）的层叠结构形成，这是由于相对于层叠方向的载荷需赋予适当的弹性。由这种材料形成的间隔件58呈现出在厚度方向（层叠方向）上的热膨胀系数比下述夹持构件46a至46d的热膨胀系数（沿夹持方向）大。 
因而，当对集电构件19（连接构件）以及间隔件58施加弹性力时，接点被维持在较有利的状态。 
如上所述，本实施方式的集电构件19具有由平板19p形成的一体结构，该平板19p是连接器抵接部19a的集合体。因此，如图10的（a）所示，间隔件58由如下单个四边形材料片形成：该单个四边形材料片具有与平板19p的宽度大致相同的宽度和比平板19p的长度略小的长度（具体地，小与单个电池单元主体抵接部19b和单个连接部19c对应的长度），使得分别与电池单元主体抵接部19b和连接部19c的单个列对应的部分以配置成横格子状的方式 被切除。 
如此形成的间隔件58被载置于集电构件19的未加工的图10的（b）中示出的平板19p上。那么，如图9的放大图所示，连接部19c被弯曲成具有U形截面，由此生产了与间隔件58预一体化的集电构件19。 
如图9的放大图所示，从左角部朝向右侧逐步地弯曲电池单元主体抵接部19b。然而，该图仅用于说明生产过程。因此，可以同时弯曲所有电池单元主体抵接部19b，或者可以从便于加工的位置顺次地弯曲电池单元主体抵接部19b。 
【空气室】 
如图3至图5所示，为四边形室的前述空气室16由薄金属导电隔离体23和绝缘框架24限定，该薄金属导电隔离体23具有四边形框架形状并且在其下表面上安装有前述电解质2，绝缘框架24用于形成阴极气体流路（以下，该框架可以被称为“阴极绝缘框架”），该阴极绝缘框架24围绕集电构件18并且设置在隔离体23和上互连器12之间。 
【空气室侧的集电构件】 
空气室16侧的集电构件18由例如具有细长的角材形状（elongated squared timber shape）的致密导电构件（例如，不锈钢材料）形成。多个集电构件18以一定的间隔平行地配置以便抵接电解质2的上表面上的阴极14和上互连器12的下表面（内表面）。空气室16侧的集电构件18可以具有与在燃料室17侧的集电构件19相同的结构（包括下述第二实施方式）。 
如上所述，燃料电池单元3包括燃料室17和空气室16，该燃料室17和空气室16由下互连器13、阳极绝缘框架21、阳极框架22、隔离体23、阴极绝缘框架24和上互连器12限定。借助于电解质2使得燃料室17和空气室16被彼此分隔开，并且借助于阳极绝缘框架21和阴极绝缘框架24使得阳极15与阴极14电绝缘。 
燃料电池单元3还包括：空气供给单元25，其具有用于向空气室16的内部供给空气的空气供给流路4；空气排出单元26，其具有用于将来自空气室 16的空气排出到外部的空气排出流路5；燃料供给单元27，其具有用于将燃料气体供给到燃料室17的内部的燃料供给流路6；以及燃料排出单元28，其具有用于将来自燃料室17的燃料气体排出到外部的燃料排出流路7。 
【空气供给单元】 
空气供给单元25包括：空气供给通孔29，其沿上下方向设置在四边形燃料电池单元3的一边的中央处；长孔状的空气供给连通室30，其设置于阴极绝缘框架24以便与空气供给通孔29连通；空气供给连通部32，其由在空气供给连通室30和空气室16之间的分隔壁31的上表面上等间隔设置的多个凹部（dent）形成；以及空气供给流路4，其***空气供给通孔29用于将来自外部的空气供给到空气供给连通室30。 
【空气排出单元】 
空气排出单元26包括：空气排出通孔33，其沿上下方向设置在燃料电池单元3的与空气供给单元25相反的一边的中央处；长孔状空气排出连通室34，其设置于阴极绝缘框架24以便与空气排出通孔33连通；空气排出连通部36，其由在空气排出连通室34和空气室16之间的分隔壁35的上表面上等间隔设置的多个凹部形成；以及管状空气排出流路5，其***空气排出通孔33用于将来自空气排出连通室34的空气排出到外部。 
【燃料供给单元】 
燃料供给单元27包括：燃料供给通孔37，其沿上下方向设置在四边形燃料电池单元3的其余两边中的一边的中央处；长孔状燃料供给连通室38，其设置于阳极绝缘框架21以便与燃料供给通孔37连通；燃料供给连通部40，其由在燃料供给连通室38和燃料室17之间的分隔壁39的上表面上等间隔设置的多个凹部形成；以及管状燃料供给流路6，其***燃料供给通孔37用于将来自外部的燃料气体供给到燃料供给连通室38。 
【燃料排出单元】 
燃料排出单元28包括：燃料排出通孔41，其沿上下方向设置在燃料电池单元3的与燃料供给单元27相反的一边的中央处；长孔状燃料排出连通室42， 其设置于阳极绝缘框架21以便与燃料排出通孔41连通；燃料排出连通部44，其由在燃料排出连通室42和燃料室17之间的分隔壁43的上表面上等间隔设置的多个凹部形成；以及管状燃料排出流路7，其***燃料排出通孔41用于将来自燃料排出连通室42的燃料气体排出到外部。 
【燃料电池堆】 
通过借助于固定构件9来固定通过堆叠多个前述燃料电池单元3制备的电池单元组来制造燃料电池堆8。当将多个燃料电池单元3堆叠在一起时，位于下侧的燃料电池单元3的上互连器12与位于上侧的燃料电池单元3的下互连器13一体化，并且如此一体化的互连器由上下燃料电池单元3、3共有。 
前述固定构件9是一对端板45a和45b以及四个夹持构件46a至46d的组合，该对端板45a和45b上下夹住电池单元组，该四个夹持构件46a至46d用于夹持端板45a和45b以及电池单元组，各夹持构件包括夹持螺母和贯穿端板45a和45b的角部孔（未示出）且贯穿螺栓电池单元组的前述角部通孔47的螺栓。夹持构件46a至46d由例如因科镍合金601形成。 
前述空气供给流路4以上下贯穿端板45a和45b的通孔（未示出）以及电池单元组的空气供给通孔29的方式安装到燃料电池堆8。当管状流路的端部被封闭并且如图7所示横孔48设置于各空气供给连通室30时，经由横孔48将空气供给到空气供给连通室30。 
同样地，在空气排出流路5中，通过设置于各空气排出连通室34的横孔49将空气排出到外部。如图8所示，在燃料供给流路6中，通过设置于各燃料供给连通室38上的横孔50供给燃料气体。在燃料排出流路7中，通过设置在各燃料排出连通室42的横孔51将燃料气体排出到外部。 
【容器】 
用于容纳燃料电池堆8的容器10具有耐热和密封结构。如图1所示，通过接合在开口处具有凸缘52a和52b的两个半部53a和53b以使得凸缘彼此相对的方式来形成容器10。前述夹持构件46a至46d的螺栓从容器10的顶部向外部突出。通过将螺母54拧到夹持构件46a至46d的突出部来将燃料电池堆8固定 在容器10中。此外，空气供给流路4、空气排出流路5、燃料供给流路6和燃料排出流路7从容器10的顶部突出，并且它们的突出部连接到空气供给源、燃料气体供给源等。 
【输出构件】 
用于输出由燃料电池堆8产生的电力的输出构件11与位于燃料电池堆8的角部的夹持构件46a至46d以及端板45a和45b对应。在对角线上相对的一对夹持构件46a和46c电连接到用作正电极的上端板45a，另一对夹持构件46b和46d电连接到用作负电极的下端板45b。不用说，连接到正电极的夹持构件46a和46c以及连接到负电极的夹持构件46b和46d借助于绝缘垫圈（insulating washer）55（参见图1）分别与端板45b和45a绝缘，并且还通过例如在各角部通孔47和各夹持构件之间设置间隙来与燃料电池堆8绝缘。因而，固定构件9的夹持构件46a和46c还用作连接到上端板45a的正电极输出端子，夹持构件46b和46d还用作连接到下端板45b的负电极输出端子。 
【发电】 
当空气被供给到燃料电池1的空气供给流路4时，如图7所示空气从右侧向左侧流动通过空气供给流路4。具体地，通过空气供给单元25将空气供给到空气室16，空气供给单元25包括右侧空气供给流路4、空气供给连通室30和空气供给连通部32。空气经过空气室16的集电构件18之间的气体流路56，然后通过空气排出单元26将空气排出到外部，该空气排出单元26包括空气排出连通部36、空气排出连通室34和空气排出流路5。 
与此同时，当燃料气体（例如，氢气）被供给到燃料电池1的燃料供给流路6时，如图8所示燃料气体从上侧向下侧流动通过燃料供给流路6。具体地，通过燃料供给单元27将燃料气体供给到燃料室17，该燃料供给单元27包括上侧燃料供给流路6、燃料供给连通室38和燃料供给连通部40。燃料气体通过燃料室17的集电构件19、19之间（严格地说，电池单元主体抵接部19b、19b之间；参见图8中的燃料室17的非阴影部）的流路57扩散，然后通过燃料排出单元28将燃料气体排出到外部，该燃料排出单元28包括燃料排出连通部 44、燃料排出连通室42和燃料排出流路7。 
当集电构件19如上所述由多孔质金属、金属网、金属丝或冲压金属形成时，由于气体流路57的表面变得凹凸不平，所以改进了燃料气体的扩散性。 
当在前述的空气和燃料气体的供给和排出的状态下容器10中的温度上升到700℃至1,000℃时，经由阴极14、电解质2和阳极15在空气和燃料气体之间发生反应。因此，在用作正电极的阴极14和用作负电极的阳极15之间产生直流电能。由于在燃料电池单元3内的电能的产生原理是众所周知的，所以省略对其的说明。 
如上所述，阴极14经由集电构件18电连接到上互连器12，而阳极15经由集电构件19电连接到下互连器13。同时，通过堆叠且串联地连接多个燃料电池单元3形成燃料电池堆8。因此，上端板45a用作正电极，下端板45b用作负电极。经由还用作输出端子的夹持构件46a至46d将由燃料电池堆产生的电能输出到外部。 
如上所述，燃料电池经受反复的温度循环；即，在发电期间温度上升，在发电停止期间温度下降。因此，形成燃料室17或空气室16的所有构件以及前述夹持构件46a至46d经受反复的热膨胀和收缩，因此燃料室17或空气室16的尺寸反复地增大和减小。 
在某些情况下，燃料压力或空气压力可能变化，且由于燃料压力或空气压力的变化导致电池单元主体20变形而导致燃料室17或空气室16的尺寸可能增大或减小。 
在第一实施方式的情况下，即使当燃料室17或空气室16的尺寸发生变化（尺寸增大）时，由于燃料室17侧的集电构件19借助于连接部19c的弹性力、间隔件58的沿层叠方向的弹性力和间隔件58的沿层叠方向的热膨胀来压电池单元主体20，所以稳定地维持电连接。由于通过集电构件19压电池单元主体20还影响空气室16，所以还稳定地维持空气室16中的电连接。 
同时，即使当燃料室17或空气室16的尺寸发生变化（尺寸减小）时，借助于燃料室17侧的集电构件19的连接部19c的弹性力和间隔件58的收缩来缓 和被施加到电池单元主体20的应力。 
由于集电构件19的连接部19c呈现出足够的弹性力，且间隔件58也呈现出弹性力，所以即使当在温度上升的高温条件（例如，发电期间温度上升）下金属集电构件19的弹性力受到蠕变变形的影响时，接点也能够被维持在有利的状态。 
考虑到前述情况，集电构件19由Ni形成，并且间隔件58由云母形成，由此制造了实验用燃料电池。通过如此制造的燃料电池发电，且研究了集电构件19的弹性或间隔件58的弹性与接点的维持状态之间的关系。 
结果，发现了：在集电构件19与由云母形成的间隔件58相比呈现出足够高的弹性力的情况下，即使当在燃料电池堆组装或温度下降（发电之后等）期间燃料室17或空气室16中发生尺寸变化（尺寸减小）时，接点也能够被维持在有利的状态。 
同时，即使当由于温度上升（发电开始等）期间的热所引起的蠕变变形导致集电构件19的弹性力减小时，也通过间隔件58的热膨胀补偿这种弹性力的减小，并且维持了用于实现电连接的足够的接触力。因此，即使当燃料室17或空气室16中发生尺寸变化（尺寸增大）时，接点也被维持在有利的状态。 
当阳极15侧的集电构件19由Ni或Ni合金形成时，在发电期间在高温条件下电池单元主体抵接部19b被扩散接合到包含在阳极15中的Ni并且与包含在阳极15中的Ni一体化。因此，借助于集电构件19更稳定地维持电连接。 
优选地，通过将NiO糊剂涂布到阳极15使得接合层形成在阳极15上。在这种情况下，由于通过在H2中通电使得NiO转变成Ni，所以进一步改进了集电构件19和阳极15之间的接合性。可以通过将Pt糊剂涂布到阳极15来形成接合层。 
在第一实施方式中，通过焊接将平板19p（即，连接器抵接部19a的集合体）接合到下互连器13。然而，当互连器13和平板19p由能够在发电期间在高温条件下彼此扩散接合的材料的组合（例如，Crofer22H和Ni）形成时，或者当前述接合层形成在下互连器13的内表面上时，在发电期间在高温条件 下互连器13能够接合到集电构件19并且与集电构件19一体化。 
第二实施方式 
图12至图15是根据第二实施方式的燃料电池单元3的中间被省略的纵截面图。在第一实施方式中，集电构件19的连接部19c被弯曲成具有U形截面；电池单元主体抵接部19b设置在连接器抵接部19a的上方；以及间隔件58设置在连接器抵接部19a和电池单元主体抵接部19b之间。相反，在第二实施方式中，如图12所示，连接部19c被设置成倾斜地延伸使得连接器抵接部19a和电池单元主体抵接部19b的沿上下方向的位置彼此完全不同。可选地，如图13所示，集电构件19被设置成具有大体上Z形截面使得连接器抵接部19a和电池单元主体抵接部19b在上下方向上彼此局部重叠并且上下位置也彼此不同。间隔件58被设置成使得连接器抵接部19a与电池单元主体20分隔开并且使得电池单元主体抵接部19b与互连器13分隔开。可选地，如图14所示，间隔件58可以被设置成使得连接器抵接部19a与电池单元主体20分隔开，或者如图15所示，间隔件58可以被设置成使得电池单元主体抵接部19b与互连器13分隔开。 
除了上述区别之外，第二实施方式的燃料电池的构造与第一实施方式的燃料电池的构造相同。因此，省略对第二实施方式的燃料电池的详细说明。 
【第三实施方式】 
根据图16至图26中示出的第三实施方式的燃料电池1是包括由例如ZrO2陶瓷材料形成的电解质2的SOFC。燃料电池1大体上包括：燃料电池单元3，其用作发电用的最小单位；空气供给流路4，其用于将空气供给到燃料电池单元3；空气排出流路5，其用于将空气排出到外部；燃料供给流路6，其用于将燃料气体供给到燃料电池单元3；燃料排出流路7，其用于将燃料气体排出到外部；固定构件9，其用于固定通过堆叠多个燃料电池单元3而制备的电池单元组，由此制造燃料电池堆8；容器10，其用于容纳燃料电池堆8；以及输出构件11，其用于输出由燃料电池堆8产生的电力。 
省略了对第三实施方式和第一实施方式之间共通的组件和构件、以及发 电等的详细说明。将通过聚焦于与第一实施方式不同的部分来说明第三实施方式的燃料电池。在第三实施方式中，以相同的附图标记来表示与第一实施方式的那些构件共通的构件（除了集电构件180和190、连接器抵接部190a、电池单元主体抵接部190b、连接部190c、预切线190d、平板190p和间隔件580之外）。 
【燃料电池】 
燃料电池单元3在平面图中具有正方形形状。如图18所示，燃料电池单元3包括：上互连器12，其是四边形板的形状并且由例如导电的铁氧体不锈钢形成；下互连器13，其是四边形板的形状并且由例如导电的铁氧体不锈钢形成；电池单元主体20，其位于上互连器12和下互连器13之间的大致中间位置，该电池单元主体20具有形成在电解质2的面对上互连器12的内表面（下表面）的表面上的电极（阴极）14，并且该电池单元主体20具有形成在电解质2的面对下互连器13的内表面（上表面）的表面上的电极（阳极）15；空气室16，其形成在上互连器12和阴极14之间；燃料室17，其形成在下互连器13和阳极15之间；阴极14侧的集电构件180，其设置在空气室16的内部并且将阴极14和上互连器12电连接；以及阳极15侧的集电构件190，其设置在燃料室17的内部并且将阳极15和下互连器13电连接。正方形燃料电池单元3在角部处具有角部通孔47、47，前述固定构件9的下述的夹持构件46a至46d贯通该角部通孔47、47。 
【燃料室侧的集电构件】 
燃料室17侧的集电构件190由例如在真空条件下在1,000℃的状态下经受一小时热处理而退火（HV硬度：200以下）的Ni形成。该集电构件190具有与下互连器13抵接的连接器抵接部190a、与电池单元主体20的阳极15抵接的电池单元主体抵接部190b以及将连接器抵接部190a和电池单元主体抵接部190b连接的U形连接部190c，连续地形成连接器抵接部190a、电池单元主体抵接部190b及U形连接部190c。由于本实施方式的集电构件190由具有厚度为大约30μm的箔材形成，所以连接部190c在与连接部190c的表面交叉的方向 上是可弯曲且可拉伸的，实际上该连接部190c不具有抵抗弯曲或拉伸的阻力。 
燃料室17侧的集电构件190可以代替前述箔材由例如Ni制多孔质金属、Ni网、Ni丝或者Ni冲压金属形成。燃料室17侧的集电构件190可以代替Ni由诸如Ni合金或不锈钢等抗氧化的金属形成。 
在燃料室17中设置大约数十至成百个集电构件190（不用说，可以接合燃料室的尺寸来改变集电构件的数量）。集电构件190可以单独地配置在互连器13上并且经受焊接（例如，激光焊接或电阻焊接）。然而，优选地，如图25的（b）所示，前述箔材被加工成四边形平板190p以便与燃料室17相匹配，分别与电池单元主体抵接部190b和连接部190c对应的预切线190d设置在平板190p上，使得如图24的放大图所示，当连接部190c弯曲成具有U形截面时，电池单元主体抵接部190b设置在连接器抵接部190a的上方且与连接器抵接部190a相隔距离t（参见图20的放大图）。因此，具有与弯曲的电池单元主体抵接部190b对应的孔的平板190p与连接器抵接部190a的集合体对应。在本实施方式中，平板190p的连接器抵接部190a通过激光焊接或电阻焊接被接合到下互连器13。 
如图26所示，可以以电池单元主体抵接部190b和连接部190c一体化为一列的方式形成集电构件190的预切线190d。在这种情况下，能够有效地加工电池单元主体抵接部190b和连接部190c。 
【间隔件】 
如图20所示，间隔件580设置在集电构件190中。在电池单元主体20和下互连器13之间的燃料室17中，沿厚度方向呈现出弹性力的间隔件580设置在连接器抵接部190a和电池单元主体抵接部190b之间以便使连接器抵接部190a和电池单元主体抵接部190b彼此分隔开。以如下方式确定间隔件580的厚度和材料：使得当至少在燃料电池的工作温度域（即，700℃至1,000℃）下间隔件58沿厚度方向热膨胀时，间隔件580的厚度变得大于前述间隔t（间隔件580的厚度通过热膨胀增大），以便沿各自的抵接方向压电池单元主体抵 接部190b和连接器抵接部190a，即朝向电池单元主体20压电池单元主体抵接部190b并且朝向互连器13压连接器抵接部190a。 
不特别地限制间隔件580的厚度，只要在燃料电池的工作温度域下间隔件580的厚度大于电池单元主体抵接部190b和连接器抵接部190a之间的间隔t（见图20）即可。优选地，间隔件580的厚度被调整成在燃料电池非工作期间的常温状态下至少几乎等于或略大于的电池单元主体抵接部190b和连接器抵接部190a之间的间隔t。在这种情况下，发电开始之后直到燃料电池的温度达到工作温度域之前，都可以借助于间隔件580在连接器抵接部190a和互连器13之间以及在电池单元主体抵接部190b和电池单元主体20之间维持稳定的电接触。 
间隔件580由在厚度方向上呈现出比集电构件190的弹性高的弹性的材料形成。因此，相对于由于温度循环或者燃料压力或空气压力的变化导致的燃料室17的尺寸的变化，与呈现出相对低的弹性的集电构件190的情况相比，间隔件580的厚度增大/减小的程度大。具体地，相对于燃料室17的尺寸的减小，间隔件580在厚度方向上收缩，并且呈现出缓冲效果，由此防止电池单元主体20的损坏。同时，相对于燃料室17的尺寸的增大，间隔件580在厚度方向上具有回复力，由此稳定电接点。 
具体地，通过如下压缩试验测量弹性变形而将间隔件580的弹性变形可以与集电构件190的弹性变形相比。 
首先，制备用于压缩试验的间隔件580和集电构件190的样品。各样品的尺寸被调整为6.5mm×4mm以便与实际的间隔件580和集电构件之间的接触面积相匹配。间隔件样品的厚度被调整为0.4mm（即，实际的间隔件厚度），并且集电构件样品的厚度被调整为30μm（即，实际的集电构件厚度）。优选地，间隔件580的厚度和集电构件190的厚度被调整为与实际使用的间隔件的形状和集电构件的形状相匹配。当间隔件580和集电构件190具有相同的尺寸时，该尺寸可以是任意值。 
随后，借助于压缩试验机以10kg压缩各样品，并且测量厚度的变化量 （mm）。然后，确定最大位移量。 
然后，解除压缩（10kg），并且测量从最大位移开始的回复位移量（参见图27的图）。 
在例如集电构件190具有小至30μm的厚度的情况下，位移量可以非常小，因而在采用的压缩试验机具有低精度的情况下不能测量该位移量。在这种情况下，堆叠多个薄集电构件190（例如，堆叠10个构件），如此堆叠的构件经受前述压缩试验。可以通过将如此测量的位移量除以堆叠的构件的数量来确定最大位移量或回复位移量。 
具有实际使用的形状的样品的回复位移量越大，则该样品的弹性变形越大，而该样品的回复位移量越小，则该样品的弹性变形越小。 
当本发明的间隔件580和集电构件190经受前述试验时，如图27的图所示，间隔件580的位移量比集电构件190的位移量大很多。 
间隔件580由处于燃料电池的工作温度域下不会烧结到集电构件190的材料形成。因此，电池单元主体抵接部190b和连接器抵接部190a不会由于彼此直接接触而烧结在一起，并且电池单元主体抵接部190b和连接器抵接部190a不会经由间隔件580而彼此烧结。 
满足前述条件的间隔件580的材料可以是从云母、氧化铝毡、蛭石、碳纤维、碳化硅纤维和硅石之中选择的任意一种或多种的组合。当间隔件580由薄板（例如，云母）的层叠结构形成时，相对于沿层叠方向的载荷而赋予适当的弹性。由这种材料形成的间隔件580呈现出在厚度方向（层叠方向）上的热膨胀系数比下述夹持构件46a至46d的热膨胀系数（沿轴向）大。 
如上所述，本实施方式的集电构件190具有由平板190p形成的一体结构，该平板190p是连接器抵接部190a的集合体。因此，如图25的（a）所示，间隔件580由如下单个四边形材料片形成：该单个四边形材料片具有与平板190p的宽度大致相同的宽度和比平板190p的长度略小的长度（具体地，小与单个电池单元主体抵接部190b和单个连接部190c对应的长度），使得分别与电池单元主体抵接部190b和连接部190c的单个列对应的部分以配置成横格 子状的方式被切除。 
如此形成的间隔件580被载置于集电构件190的未加工的图25的（b）中示出的平板190p上。那么，如图24的放大图所示，连接部190c被弯曲成具有U形截面，由此生产了与间隔件580预一体化的集电构件190。 
如图24的放大图所示，从左角部朝向右侧逐步地弯曲电池单元主体抵接部190b。然而，该图仅用于说明生产过程。因此，可以同时弯曲所有电池单元主体抵接部190b，或者可以从便于加工的位置顺次地弯曲电池单元主体抵接部190b。 
【空气室侧的集电构件】 
空气室16侧的集电构件180由例如具有细长的角材形状的致密导电构件（例如，不锈钢材料）形成。多个集电构件180以一定的间隔平行地配置以便抵接电解质2的上表面上的阴极14和上互连器12的下表面（内表面）。空气室16侧的集电构件180可以具有与在燃料室17侧的集电构件190相同的结构（包括下述第四实施方式）。 
如上所述，燃料电池经受反复的温度循环；即，在发电期间温度上升，在发电停止期间温度下降。因此，形成燃料室17或空气室16的所有构件以及前述夹持构件46a至46d经受反复的热膨胀和收缩，因此燃料室17或空气室16的尺寸反复地增大和减小。 
在某些情况下，燃料压力或空气压力可能变化，且由于燃料压力或空气压力的变化导致电池单元主体20变形而导致燃料室17或空气室16的尺寸可能增大或减小。 
在第三实施方式的情况下，即使当燃料室17或空气室16的尺寸发生变化（尺寸增大）时，由于燃料室17侧的集电构件190借助于仅间隔件580的沿层叠方向（即沿厚度方向或沿夹持构件46a至46d的夹持方向）的弹性力和间隔件580的沿层叠方向的热膨胀来压电池单元主体20，所以稳定地维持电接点。由于通过集电构件190压电池单元主体20还影响空气室16，所以还稳定地维持空气室16中的电接点。 
同时，即使当燃料室17或空气室16的尺寸发生变化（尺寸减小）时，仅借助于燃料室17侧的间隔件580的收缩来缓和被施加到电池单元主体20的应力。 
当阳极15侧的集电构件190由Ni或Ni合金形成时，在发电期间在高温条件下电池单元主体抵接部190b被扩散接合到包含在阳极15中的Ni并且与包含在阳极15中的Ni一体化。因此，借助于集电构件190更稳定地维持电连接。 
优选地，通过将NiO糊剂涂布到阳极15使得接合层形成在阳极15上。在这种情况下，由于通过在H2中通电使得NiO转变成Ni，所以进一步改进了集电构件190和阳极15之间的接合性。可以通过将Pt糊剂涂布到阳极15来形成接合层。 
在第三实施方式中，通过焊接将平板190p（即，连接器抵接部190a的集合体）接合到下互连器13。然而，当互连器13和平板190p由能够在发电期间在高温条件下彼此扩散接合的材料的组合（例如，Crofer22H和Ni）形成时，或者当前述接合层形成在下互连器13的内表面上时，在发电期间在高温条件下互连器13能够接合到集电构件190并且与集电构件190一体化。 
【第四实施方式】 
图28至图31是根据第四实施方式的燃料电池单元3的中间被省略的纵截面图。在第三实施方式中，集电构件190的连接部190c被弯曲成具有U形截面；电池单元主体抵接部190b设置在连接器抵接部190a的上方；以及间隔件580设置在连接器抵接部190a和电池单元主体抵接部190b之间。相反，在第四实施方式中，如图28所示，连接部190c被设置成倾斜地延伸使得连接器抵接部190a和电池单元主体抵接部190b的沿上下方向的位置彼此完全不同。可选地，如图29所示，集电构件19被设置成具有大体上Z形截面，使得连接器抵接部190a和电池单元主体抵接部190b在上下方向上彼此局部重叠并且上下位置也彼此不同。间隔件580被设置成使得连接器抵接部190a与电池单元主体20分隔开并且使得电池单元主体抵接部190b与互连器13分隔开。可选地，如图30所示，间隔件580可以被设置成使得连接器抵接部190a与电池单元主 体20分隔开，或者如图31所示，间隔件580可以被设置成使得电池单元主体抵接部190b与互连器13分隔开。 
除了上述区别之外，第四实施方式的燃料电池的构造与第三实施方式的燃料电池的构造相同。因此，省略对第四实施方式的燃料电池的详细说明。 
显而易见的是，可以在不背离本发明的技术构思的情况下可以进行各种实施方式。因而，尽管通过所附的权利要求限定了本发明的范围，但是本发明不限于特定实施方式 
附图标记说明 
1：燃料电池 
2：电解质 
3：燃料电池单元 
8：燃料电池堆 
12、13：互连器 
14：阴极 
15：阳极 
18、19：集电构件 
19a：连接器抵接部 
19b：电池单元主体抵接部 
19c：连接部 
20：电池单元主体 
46a至46d：夹持构件 
58：间隔件 
180、190：集电构件 
190a：连接器抵接部 
190b：电池单元主体抵接部 
190c：连接部19c→190c 
190d：预切线 
190p：平板 
580：间隔件 。

Claims (18)

1.一种燃料电池单元，其包括：
一对互连器；
电池单元主体，所述电池单元主体设置于所述互连器之间，所述电池单元主体包括电解质、形成于所述电解质的一面的阴极和形成于所述电解质的另一面的阳极；以及
集电构件，所述集电构件设置在所述阴极和所述阳极中的至少一方与所述互连器之间，所述集电构件将所述阴极和/或所述阳极与所述互连器电连接，所述燃料电池单元的特征在于：
所述集电构件具有：连接器抵接部，所述连接器抵接部抵接所述互连器；电池单元主体抵接部，所述电池单元主体抵接部抵接所述电池单元主体；以及连接部，所述连接部将所述连接器抵接部与所述电池单元主体抵接部连接，所述连接器抵接部、所述电池单元主体抵接部和所述连接部连续地形成；以及
在所述电池单元主体和所述互连器之间，间隔件被设置成使得所述连接器抵接部和所述电池单元主体抵接部彼此分隔开。
2.根据权利要求1所述的燃料电池单元，其特征在于，所述连接部弯曲约180°，并且所述连接器抵接部和所述电池单元主体抵接部设置在所述间隔件的两侧。
3.一种燃料电池单元，其包括：
一对互连器；
电池单元主体，所述电池单元主体设置在所述互连器之间，所述电池单元主体包括电解质、形成于所述电解质的一面的阴极和形成于所述电解质的另一面的阳极；以及
集电构件，所述集电构件设置在所述阴极和所述阳极中的至少一方与所述互连器之间，所述集电构件将所述阴极和/或所述阳极与所述互连器电连接，所述燃料电池单元的特征在于：
所述集电构件具有：连接器抵接部，所述连接器抵接部抵接所述互连器；电池单元主体抵接部，所述电池单元主体抵接部抵接所述电池单元主体；以及连接部，所述连接部将所述连接器抵接部与所述电池单元主体抵接部连接，所述连接器抵接部、所述电池单元主体抵接部和所述连接部连续地形成；以及
在所述电池单元主体和所述互连器之间，间隔件被设置成使得所述连接器抵接部和所述电池单元主体彼此分隔开，并且所述间隔件被设置成使得所述电池单元主体抵接部和所述互连器彼此分隔开。
4.一种燃料电池单元，其包括：
一对互连器；
电池单元主体，所述电池单元主体设置在所述互连器之间，所述电池单元主体包括电解质、形成于所述电解质的一面的阴极和形成于所述电解质的另一面的阳极；以及
集电构件，所述集电构件设置于所述阴极和所述阳极中的至少一方与所述互连器之间，所述集电构件将所述阴极和/或所述阳极与所述互连器电连接，所述燃料电池单元的特征在于：
所述集电构件具有：连接器抵接部，所述连接器抵接部抵接所述互连器；电池单元主体抵接部，所述电池单元主体抵接部抵接所述电池单元主体；以及连接部，所述连接部将所述连接器抵接部与所述电池单元主体抵接部连接，所述连接器抵接部、所述电池单元主体抵接部和所述连接部连续地形成；以及
在所述电池单元主体和所述互连器之间，间隔件被设置成使得所述连接器抵接部和所述电池单元主体彼此分隔开，或者使得所述电池单元主体抵接部和所述互连器彼此分隔开。
5.一种燃料电池单元，其包括：
一对互连器；
电池单元主体，所述电池单元主体以与所述互连器中的每一方均间隔开的方式设置在所述互连器之间，所述电池单元主体包括板状电解质和形成于所述电解质的上面和下面的电极；以及
集电构件，所述集电构件设置在所述电极中的至少一方与所述互连器之间，所述集电构件将所述电极与所述互连器电连接，所述燃料电池单元的特征在于：
所述集电构件具有：连接器抵接部，所述连接器抵接部抵接所述互连器；电池单元主体抵接部，所述电池单元主体抵接部抵接所述电池单元主体的电极；以及连接部，所述连接部将所述连接器抵接部与所述电池单元主体抵接部连接，所述连接器抵接部、所述电池单元主体抵接部和所述连接部连续地形成；
间隔件设置在所述连接器抵接部和所述电池单元主体抵接部之间；以及
所述集电构件和所述间隔件中的每一方均在使所述电池单元主体和所述互连器之间的间隔增大的方向上具有弹性，并且所述间隔件的弹性变形比所述集电构件的弹性变形大。
6.根据权利要求5所述的燃料电池单元，其特征在于，所述连接部弯曲约180°，所述连接器抵接部和所述电池单元主体抵接部设置在所述间隔件的两侧。
7.一种燃料电池单元，其包括：
一对互连器；
电池单元主体，所述电池单元主体以与所述互连器中的每一方均间隔开的方式设置在所述互连器之间，所述电池单元主体包括板状电解质和形成于所述电解质的上面和下面的电极；以及
集电构件，所述集电构件设置在所述电极中的至少一方与所述互连器之间，所述集电构件将所述电极与所述互连器电连接，所述燃料电池单元的特征在于：
所述集电构件具有：连接器抵接部，所述连接器抵接部抵接所述互连器；电池单元主体抵接部，所述电池单元主体抵接部抵接所述电池单元主体的电极；以及连接部，所述连接部将所述连接器抵接部与所述电池单元主体抵接部连接，所述连接器抵接部、所述电池单元主体抵接部和所述连接部连续地形成；
间隔件设置在所述连接器抵接部和所述电池单元主体之间；并且所述间隔件还设置在所述电池单元主体抵接部和所述互连器之间；以及
所述集电构件和所述间隔件中的每一方均在使所述电池单元主体和所述互连器之间的间隔增大的方向上具有弹性，并且所述间隔件的弹性变形比所述集电构件的弹性变形大。
8.一种燃料电池单元，其包括：
一对互连器；
电池单元主体，所述电池单元主体以与所述互连器中的每一方均间隔开的方式设置在所述互连器之间，并且所述电池单元主体包括板状电解质和形成于所述电解质的上面和下面的电极；以及
集电构件，所述集电构件设置在所述电极中的至少一方与所述互连器之间，所述集电构件将所述电极与所述互连器电连接，所述燃料电池单元的特征在于：
所述集电构件具有：连接器抵接部，所述连接器抵接部抵接所述互连器；电池单元主体抵接部，所述电池单元主体抵接部抵接所述电池单元主体的电极；以及连接部，所述连接部将所述连接器抵接部与所述电池单元主体抵接部连接，所述连接器抵接部、所述电池单元主体抵接部和所述连接部连续地形成；
间隔件设置在所述连接器抵接部和所述电池单元主体之间，或者所述间隔件设置在所述电池单元主体抵接部和所述互连器之间；以及
所述集电构件和所述间隔件中的每一方均在使所述电池单元主体和所述互连器之间的间隔增大的方向上具有弹性，并且所述间隔件的弹性变形比所述集电构件的弹性变形大。
9.根据权利要求1至4中任一项所述的燃料电池单元，其特征在于，对于能与所述电池单元主体和所述互连器之间的距离的变化相关联地作用的载荷而言，所述间隔件比所述集电构件柔软。
10.根据权利要求5至8中任一项所述的燃料电池单元，其特征在于，所述集电构件被形成为能够沿与所述集电构件的面方向交叉的方向弯曲和拉伸，并且所述集电构件被形成为几乎不产生抵抗弯曲或拉伸的阻力。
11.根据权利要求5至10中任一项所述的燃料电池单元，其特征在于，所述间隔件由从云母、氧化铝毡、蛭石、碳纤维、碳化硅纤维和二氧化硅之中选择的至少一种形成。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的燃料电池单元，其特征在于，所述燃料电池单元还包括夹持构件，所述夹持构件一体地夹持所述互连器、所述电池单元主体和所述集电构件，其中，借助于所述夹持构件和所述间隔件，使所述集电构件的电池单元主体抵接部压抵所述电池单元主体，和/或使所述连接器抵接部压抵所述互连器。
13.根据权利要求12所述的燃料电池单元，其特征在于，所述间隔件在夹持方向上的热膨胀系数比所述夹持构件在夹持方向上的热膨胀系数高。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的燃料电池单元，其特征在于，所述集电构件由多孔质金属、金属网、金属丝或冲压金属形成。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的燃料电池单元，其特征在于，所述集电构件的电池单元主体抵接部被接合到所述电池单元主体的阴极和/或阳极的表面。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的燃料电池单元，其特征在于，所述集电构件的连接器抵接部被接合到所述互连器。
17.根据权利要求1至16中任一项所述的燃料电池单元，其特征在于，所述集电构件设置在所述阳极和所述互连器之间，所述集电构件由Ni或Ni合金形成。
18.一种燃料电池堆，其特征在于，所述燃料电池堆包括多个根据权利要求1至17中任一项所述的燃料电池单元，多个所述燃料电池单元堆叠并且利用所述夹持构件固定在一起。
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