燃料電池和其制造方法
【專利說明】燃料電池和其制造方法
[0001]相關申請的相互參照
[0002]本國際申請基于2013年6月28日向日本特許廳申請的日本特許申請第2013-136710號和2014年I月15日向日本特許廳申請的日本特許申請第2014-005312號主張優先權，將日本特許申請第2013-136710號和日本特許申請第2014-005312號的全部內容通過參照引用到本國際申請中。
技術領域
[0003]本發明涉及固體氧化物燃料電池等燃料電池的氣封，并且涉及將兩種氣體(燃料氣體和空氣等氧化劑氣體)以分開的狀態導入燃料電池內部來進行發電的燃料電池和其制造方法。
【背景技術】
[0004]以往，例如作為固體氧化物燃料電池，公知有通過如下方式做成的固體氧化物燃料電池(燃料電池堆)，即:例如在平板狀的固體氧化物層(固體電解質層)的一側設置用于與燃料氣體接觸的燃料電極，并且在另一側設置用于與氧化劑氣體接觸的空氣電極，而且設置通到燃料電極、空氣電極的流路(燃料流路、空氣流路)等，從而構成燃料電池單元，將該燃料電池單元與互連器板交替層疊進行堆疊化。
[0005]詳細而言，作為所述燃料電池單元，例如，公知有這樣的燃料電池單元，其包括:單體電池，其包含具有燃料電極和空氣電極的固體氧化物層；隔板，其與固體氧化物層相接合，用于將燃料氣體的流路和氧化劑氣體的流路分開；燃料電極框架，其配置于燃料電極的周圍；空氣電極框架，其配置于空氣電極的周圍；以及互連器等，該互連器配置于燃料電池單元的板厚方向的外側。
[0006]另外，對于燃料電池堆，公知有這樣的燃料電池堆，為了向層疊的燃料電池單元的燃料流路、空氣流路供給燃料氣體、空氣，或者將(反應后的)燃料氣體、空氣從燃料電池單元的燃料流路、空氣流路排出，而在燃料電池堆的外緣部分(框架部分)以沿著層疊方向貫穿燃料電池堆的方式，設置燃料氣體用的歧管和空氣用的歧管。
[0007]而且，近年來，為了防止氣體(特別是燃料氣體)從燃料電池的層疊的單體電池之間等處泄漏(漏出)，開發出如下技術:在構成燃料電池堆的各構件之間(例如互連器和隔板之間等)，以呈框狀包圍單體電池的外緣部分，并且包圍歧管的周圍的方式配置密封構件。
[0008]作為上述的使用密封構件進行氣封的技術，提出有使用了云母等(通過施加壓力進行密封)壓縮密封構件的技術(參照專利文獻I)，使用了包含玻璃、玻璃陶瓷的密封構件的技術(專利文獻2、3)，使用了呈同心狀包圍歧管的周圍的陶瓷制的密封構件的技術(參照專利文獻4)等。
[0009]專利文獻1:日本特開2012-124020號公報
[0010]專利文獻2:日本特開2009-43550號公報
[0011]專利文獻3:日本特開2002-141083號公報
[0012]專利文獻4:日本特開2005-294153號公報
【發明內容】
_3] 發明要解決的問題
[0014]然而，在使用壓縮密封構件進行氣封的情況下，存在難以完全防止氣體自壓縮密封構件與互連器、隔板之間的交界處泄漏的問題。另外，有時也產生來自壓縮密封構件自身的氣體泄漏。于是，存在如果像這樣發生氣體泄漏(特別是燃料氣體的氣體泄漏)，則發電效率降低，且需要對泄漏的氣體進行后處理的問題。
[0015]另外，在使用以玻璃為材料的密封構件的情況下，雖然密封性強，但是在被施加了較強的力的情況下等，有時會發生玻璃破裂的情況。而且，在會使玻璃發生軟化那樣的高溫環境下，玻璃會發生變形并向周圍擴展而使層疊方向的厚度發生變化。在該情況下，有時會因之后的熱循環等導致玻璃發生破裂，甚至無法保持例如燃料電池單元間的電連接。
[0016]而且，在使用陶瓷制的環狀的密封構件的情況下，在被施加了較強的力的情況下，有可能導致密封構件產生破裂，發生氣體泄漏。
[0017]期望提供一種能夠防止密封構件的破裂，并且能夠適宜地防止氣體泄漏的燃料電池及其制造方法。
_8] 用于解決問題的方案
[0019](I)本發明的第一技術方案的燃料電池是一種平板型的燃料電池，該平板型的燃料電池是通過層疊多個板狀的燃料電池單元并且將該多個板狀的燃料電池單元在沿所述層疊方向被按壓的狀態下進行組裝而成的，該燃料電池單元具有:電解質層；燃料電極，其設置在該電解質層的一側的面，與燃料氣體接觸；空氣電極，其設置在該電解質層的另一側的面，與氧化劑氣體接觸，與所述燃料電極側的空間連通的燃料歧管和與所述空氣電極側的空間連通的氧化劑歧管中的至少一方以沿所述層疊方向延伸的方式設置在所述燃料電池中，在所述燃料歧管和所述氧化劑歧管中的至少一方的沿所述層疊方向延伸的歧管的周圍，以如下方式沿所述燃料電池單元所擴展的平面并列配置壓縮密封構件和玻璃密封構件，即，所述壓縮密封構件和玻璃密封構件包圍所述至少一方的歧管，并且被構成所述燃料電池的構件從所述層疊方向夾持。
[0020]在本發明的第一技術方案的燃料電池中，在燃料歧管、氧化劑歧管的周圍，以如下方式沿著燃料電池單元所擴展的平面(即，相對于歧管的延伸的軸向而言的外周方向:徑向)并列配置壓縮密封構件和玻璃密封構件，即，該壓縮密封構件和玻璃密封構件包圍所述歧管，并且被構成燃料電池的構件(例如隔板、互連器、端板等)從層疊方向夾持。
[0021]因此，利用壓縮密封構件和玻璃密封構件(特別是利用與周圍緊密接觸的玻璃密封構件)，能夠適宜地防止氣體在構成燃料電池的構件彼此之間，從各歧管泄漏或者向各歧管泄漏。另外，這里的防止不僅指完全防止的意思，也包含與以往相比，能夠減少泄漏的意思(以下相同)。
[0022]另外，即使在從層疊方向被施加了較大的力情況下，也能夠利用壓縮密封構件，抑制過大的力施加于玻璃密封構件，因此，能夠防止玻璃密封構件破裂，從這一點看也能夠適當地防止氣體泄漏。
[0023]而且，即使在高溫環境下使用而使導致玻璃發生軟化的情況下，也能夠利用壓縮密封構件，抑制玻璃密封構件的過度的變形，因此，能夠維持層疊方向的厚度，即使施加熱循環也能夠抑制玻璃破裂。另外，也能夠實現穩定的電連接。
[0024]這樣一來，在第一技術方案的燃料電池中，能夠適宜地防止氣體泄漏(特別是燃料氣體的氣體泄漏)的發生，因此，能夠達到發電效率提高、無需針對泄漏的氣體進行的后處理(或者是后處理較容易)等顯著的效果。
[0025]另外，在這里，歧管指的是沿層疊方向延伸的氣體(燃料氣體或者氧化劑氣體)流路，在該流路的中途分支氣體流路。
[0026](2)在本發明的第二技術方案的燃料電池中，也可以是，在所述至少一方的沿所述層疊方向延伸的歧管的周圍，將所述玻璃密封構件呈環狀地配置，并且在該玻璃密封構件的外周側配置所述壓縮密封構件。
[0027]另外，也可以以包圍玻璃密封構件的外周側的方式配置壓縮密封構件。采用該結構，具有這樣的優點，g卩，即使在玻璃軟化的情況下，玻璃也不易向周圍擴展。
[0028](3)在本發明的第三技術方案的燃料電池中，也可以是，在所述至少一方的沿所述層疊方向延伸的歧管的周圍，將所述壓縮密封構件呈環狀地配置，并且在該壓縮密封構件的外周側配置所述玻璃密封構件。
[0029]另外，也可以以包圍壓縮密封構件的外側的方式配置玻璃密封構件。采用該結構，能夠充分確保玻璃密封構件的面積，因此，具有由玻璃帶來的氣封性較高這樣的優點。
[0030](4)在本發明的第四技術方案的燃料電池中，也可以是，利用螺栓緊固，沿所述層疊方向按壓并組裝所述燃料電池。
[0031]在該情況下，利用螺栓(以及與螺栓螺紋結合的螺母)對燃料電池進行緊固按壓從而固定燃料電池，因此，具有固定較容易，并且能夠可靠地固定的優點。
[0032](5)在本發明的第五技術方案的燃料電池中，也可以是，構成所述燃料電池的構件是隔板、互連器以及端板中的至少一種，該隔板用于將所述燃料電極側的空間和空氣電極側的空間分開，該互連器劃分出所述燃料電池單元并且確保各燃料電池單元之間的導通，該端板構成所述燃料電池的層疊方向的端部。
[0033]上述的記載例示出構成燃料電池的構件的情況。
[0034]作為構成燃料電池的構件，能夠舉出隔板、互連器以及端板，該隔板用于將燃料電極側的空間(燃料流路)和空氣電極側的空間(空氣流路)分開，該互連器劃分出作為燃料電池的構成單位的燃料電池單元并且確保各燃料電池單元之間的導通，該端板作為構成燃料電池的層疊方向的端部的構件。
[0035](6)在本發明的第六技術方案的燃料電池中，也可以是，所述壓縮密封構件和所述玻璃密封構件配置在互連器與隔板之間或者端板與隔板之間，該互連器將各燃料電池單元之間分開，該端板配置在所述燃料電池的層疊側的端部，該隔板與所述電解質層相接合且將所述燃料電極側的空間和所述空氣電極側的空間分開。
[0036]上述記載例示出配置壓縮密封構件和玻璃密封構件的部位。由此，能夠適宜地防止氣體從互連器與隔板之間泄漏或者從端板與隔板之間泄漏。
[0037](7)本發明的第七技術方案的燃料電池的制造方法是一種用于制造所述第I技術方案?第6技術方案中的任一個技術方案所記載的燃料電池的方法，該方法具有:第I工序，在該第I工序中，以如下方式將所述壓縮密封構件和要成為所述玻璃密封構件的玻璃材料配置在同一平面上，即，所述壓縮密封構件和所述玻璃材料包圍沿所述層疊方向設置的所述燃料歧管和所述氧化劑歧管中的至少一方的周圍，并且被構成所述燃料電池的構件在所述層疊方向上夾持；第2工序，在所述第I工序之后，在該第2工序中，自所述燃料電池的層疊方向施加壓力來按壓所述壓縮密封構件；以及第3工序，在所述第2工序之后，在該第3工序中，以能使所述玻璃材料軟化的溫度以上的溫度加熱所述玻璃材料