燃料電池盒及燃料電池堆的制作方法
【專利摘要】本發明提供一種能夠可靠地抑制分隔件的變形、能夠維持良好的電池特性的燃料電池盒。燃料電池盒(2)通過層疊分隔件(12)、燃料極框架、互連器、空氣極絕緣框架(15)以及平板狀的單電池(11)而構成。在燃料電池盒(2)中，分隔件(12)和燃料極框架(13)通過焊接而相接合。在空氣極絕緣框架(15)上形成有供氧化劑氣體流動的氣體流路(75、76)。在氣體流路(75、76)內，在分隔件(12)暴露的部位形成有焊接痕跡(77)，借助焊接痕跡(77)，將分隔件(12)暴露的部位固定于燃料極框架。
【專利說明】
燃料電池盒及燃料電池堆
技術領域
[0001]本發明涉及一種層疊單電池、分隔件、框架以及互連器而成的燃料電池盒以及層疊多個該盒而成的燃料電池堆。
【背景技術】
[0002]—直以來，作為燃料電池，例如公知有具有固體電解質層(固體氧化物層)的固體氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell; S0FC)。該燃料電池具有層疊多個作為發電的最小單位的單電池而成的燃料電池堆。單電池構成為具有空氣極、燃料極以及固體電解質層，通過發電反應產生電力。另外，在燃料電池堆中，除了單電池以外，還設有金屬框架、絕緣框架、分隔件、互連器等，這些構件多個多個地層疊。
[0003]金屬框架使用不銹鋼等導電性材料以包圍單電池的側面的方式形成為框狀。另夕卜，分隔件也利用不銹鋼等導電性材料形成，構成為在中央具有用于配置單電池的開口部的矩形框狀。而且，在分隔件的開口部的內側配置了單電池的狀態下，分隔件接合于單電池的周緣部。分隔件在單電池之間作為用于劃分供給有反應氣體(氧化劑氣體、燃料氣體)的空氣室、燃料室的分隔板發揮作用。而且，互連器也利用不銹鋼等導電性材料形成為板狀，并配置于單電池的厚度方向的兩側。而且，利用各個互連器確保單電池之間的導通。
[0004]可是，在以往的平板型固體氧化物燃料電池(例如，參照專利文獻I)中，通過壓縮密封來確保燃料電池堆中的密封性是較常見的。但是，在壓縮密封中，反應氣體易于泄漏，分隔件等過度變形，因此有可能發生反應氣體的利用率特性惡化這樣的情況。
[0005]在專利文獻2中公開了一種通過焊接來進行分隔件的接合的燃料電池。像這樣，通過對構成燃料電池堆的金屬構件(分隔件、金屬框架、互連器等)進行焊接并形成接合體(燃料電池盒)，從而防止反應氣體的外部泄漏的產生。
[0006]在燃料電池堆中，為了使反應氣體流動而形成有歧管。具體地說，歧管在燃料電池堆中沿單電池的層疊方向貫穿形成，并形成為與各個單電池相連(分支或集合)。即，在分隔件、金屬框架以及互連器上貫穿形成有用于構成歧管的堆疊通孔的多個孔部。而且，在接合該分隔件、金屬框架以及互連器時，激光焊接各個孔部的周圍及金屬框架的成為外周部的部分。其結果，形成燃料電池盒，使在該盒內供給有燃料氣體的燃料室側的陽極空間被密封。
[0007]另外，如圖17所示，在分隔件110上且是在成為陰極空間(空氣室)的外側的位置配置有包括云母片的絕緣框架112，在該絕緣框架112上形成有供氧化劑氣體(空氣)流動的氣體流路114。
[0008]現有技術文獻
[0009]專利文獻
[0010]專利文獻1:日本特開2009 — 9802號公報
[0011]專利文獻2:日本特開2011 —161450號公報
【發明內容】
[0012]發明要解決的問題
[0013]可是，在上述固體氧化物燃料電池為高溫類型時，以100tC進行運轉，為上述固體氧化物燃料電池為中溫類型時，以700°C?800°C進行運轉。若針對燃料電池進行重復施加這種高溫熱量的耐久試驗，則伴隨著構成燃料電池盒的構件的熱膨脹差，分隔件110變形。特別是在形成于絕緣框架112的氣體流路114的部分中，如圖18所示，基于熱膨脹差的分隔件110的變形量變大，產生向流路側膨脹那樣的變形(鼓起)并阻礙了氧化劑氣體的流動。因此，向空氣極供給的氧化劑氣體的分配變得不均勻，該氣體的利用率降低。另外，如圖19所示，若在氣體流路115的寬度較大的情況下分隔件110的變形(鼓起)變大，則有可能發生如下問題，即，相鄰的單電池之間發生短路，燃料電池堆的發電功能停止。
[0014]本發明是鑒于上述問題而做成的，其目的在于提供能夠可靠地抑制分隔件的變形、能夠維持良好的電池特性的燃料電池盒及燃料電池堆。
[0015]用于解決問題的方案
[0016]而且，作為用于解決上述問題的技術方案(技術方案I)，有一種燃料電池盒，其特征在于，該燃料電池盒是層疊如下構件而成的:平板狀的單電池，其具有燃料極、空氣極以及電解質層;框狀的第I框架，其以包圍所述單電池的側面的方式進行配置;分隔件，其接合于所述單電池的周緣部，并且配置于所述第I框架的一個表面，將與所述空氣極相接觸的氧化劑氣體和與所述燃料極相接觸的燃料氣體分離；以及板狀的互連器，其在所述第I框架上配置于成為配置有所述分隔件的一個表面的背面側的另一個表面;所述分隔件和所述第I框架通過焊接相接合;并且在所述分隔件還具有第2框架，該第2框架配置于成為配置有所述第I框架的一個表面的背面側的另一個表面，在所述第2框架的部分形成有供所述氧化劑氣體和所述燃料氣體流動的氣體流路，該燃料電池盒具有焊接部，該焊接部在所述氣體流路內形成于所述分隔件暴露的部位，從而將所述分隔件暴露的部位固定于所述第I框架。
[0017]因而，根據技術方案I所記載的發明，在形成于第2框架的部分的氣體流路內，在分隔件暴露的部位形成有焊接部，借助于該焊接部，分隔件固定于第I框架。這樣，通過利用焊接部對分隔件暴露的部位進行固定，從而即使在第I框架與分隔件之間產生熱膨脹差的情況下，也能夠防止氣體流路內的分隔件的變形(鼓起等)。因此，能夠避免像以往那樣在氣體流路內分隔件變形并阻礙反應氣體的流動這樣的問題。因而，避免反應氣體(氧化劑氣體或燃料氣體)相對于單電池的電極偏移流動，能夠高效地進行反應氣體的分流。另外，由于在氣體流路內分隔件不變形，因此也能夠防止像以往那樣基于分隔件的變形導致的單電池之間的短路。其結果，防止單電池中的反應氣體的利用率的降低，能夠良好地維持電池特性。
[0018]也可以是，作為相對于一個氣體流路的焊接部，具有通過焊接而形成的多個焊接痕跡。如此設置的話，在氣體流路內能夠將分隔件暴露的部位可靠地固定于第I框架。
[0019]分隔件的厚度比互連器的厚度薄。在該情況下，易于產生分隔件的變形(鼓起等)，但是通過像本發明這樣形成焊接部，從而能夠將分隔件固定于第I框架，因此能夠可靠地抑制氣體流路內的分隔件的變形。
[0020]也可以是，焊接部是通過焊接而形成的線狀的焊接痕跡，相對于氣體流路的延伸方向平行地進行設置。如此的話，利用焊接痕跡，能夠不妨礙反應氣體的流動地將分隔件可靠地固定于第I框架。另外，也可以是，焊接部是通過焊接而形成的線狀的焊接痕跡，并設置為多個焊接痕跡相交叉。即使如此，也能夠將分隔件可靠地固定于第I框架，能夠抑制氣體流路內的分隔件的變形。
[0021]也可以是，在第I框架和分隔件上分別形成有構成供氧化劑氣體和燃料氣體流動的氣體流路的孔部，并且通過焊接形成有對孔部的周圍進行密封的閉合回路形狀的焊接痕跡。另外，也可以是，焊接部是通過焊接而形成的線狀的焊接痕跡，并設置為與孔部的周圍的焊接痕跡相交叉。在本發明的燃料電池盒中，在構成氣體流路的孔部的附近施加有比較大的氣體壓力(在氣體流路內流動的反應氣體的壓力)。因此，通過像本發明這樣以與孔部的周圍的焊接痕跡相交叉的方式形成焊接部，從而能夠在施加有比較大的氣體壓力的部位將分隔件可靠地固定于第I框架，因此能夠防止分隔件的變形。
[0022]也可以是，將第I框架和分隔件接合的焊接是借助于激光的焊接。另外，激光也可以使用光纖激光。在借助于光纖激光的焊接中，能夠將焦點對準較小的點尺寸，因此能夠將焊接痕跡的線寬設為0.2mm以下。因而，能夠抑制熱應變并且將分隔件可靠地焊接于第I框架。另外，除了借助于激光的焊接以外，也可以通過電阻焊接、釬焊等來進行焊接。
[0023]優選的是，構成單電池的分隔件的厚度為0.04mm?0.3mm。在此，若分隔件比
0.04mm薄，則分隔件的耐久性降低。另一方面，若分隔件比0.3mm厚，則分隔件難以變形。在該情況下，分隔件向單電池的面外方向的追隨變形變困難，因此電極有可能產生裂紋。因而，通過使用0.04mm?0.3mm的厚度的分隔件，從而能夠將氧化劑氣體與燃料氣體可靠地分離。
[0024]形成有焊接部的氣體流路既可以是供氧化劑氣體流動的流路，也可以是供燃料氣體流動的流路。在供氧化劑氣體流動的氣體流路上形成有焊接部的情況下，能夠經由該氣體流路使氧化劑氣體可靠地流動，因此能夠防止氧化劑氣體的利用率的降低。另外，在供燃料氣體流動的氣體流路上形成有焊接部的情況下，能夠經由該氣體流路使燃料氣體可靠地流動，因此能夠防止燃料氣體的利用率的降低。
[0025]構成燃料電池盒的第I框架是使用金屬板形成為矩形框狀的金屬制框架。另一方面，第2框架是由絕緣材料形成的絕緣框架，例如是使用云母形成為矩形框狀的云母制框架。
[0026]在以第I框架的內端突出到比第2框架的內端靠電池側的方式配置的情況下，焊接部也可以是以突出到比第2框架的內端靠電池側的方式形成的線狀的激光焊接痕跡。在該情況下，在形成于第2框架的氣體流路的出口附近、入口附近，能夠利用激光焊接痕跡將分隔件固定于第I框架，能夠可靠地防止分隔件的變形。
[0027]在以第2框架的內端突出到比第I框架的內端靠電池側的方式配置的情況下，焊接部也可以是以突出到比第2框架的內端靠電池側的方式形成的線狀的激光焊接痕跡。在該情況下，能夠避免對未存在有第I框架的部位進行激光焊接。
[0028]另外，作為用于解決上述問題的另一技術方案(技術方案2)，有一種燃料電池堆，其特征在于，該燃料電池堆層疊了多個技術方案I所述的燃料電池盒。
[0029]根據技術方案2所記載的發明，能夠防止各個燃料電池盒的反應氣體的利用率的降低，能夠高效地進行發電。
[0030]在燃料電池堆中，形成于各個燃料電池盒的歧管是具有豎孔部和橫孔部的氣體流路，其中，豎孔部沿各個盒的層疊方向延伸設置，橫孔部連接于豎孔部，并為了對與各個單電池相連的氣體流路進行分支或集合而沿與層疊方向正交的方向延伸設置。而且，本發明的焊接部形成于在構成歧管的橫孔部內暴露的部位。
[0031]焊接部既可以具有相對于橫孔部的延伸方向垂直的線狀的激光焊接痕跡，也可以具有相對于橫孔部的延伸方向傾斜的線狀的激光焊接痕跡。另外，焊接部既可以具有與縱橫方向交叉的形成為網眼狀的激光焊接痕跡，也可以具有在縱橫方向上隔開預定間隔地形成為點狀的焊接痕跡。而且，焊接部也可以具有以與多個橫孔部交叉的方式形成的線狀的激光焊接痕跡。即使在如此形成了焊接部的情況下，也能夠在氣體流路內將分隔件暴露的部位可靠地固定于第I框架，能夠抑制分隔件的變形。
【附圖說明】
[0032]圖1是表示一實施方式中的燃料電池的概略結構的立體圖。
[0033]圖2是圖1的A—A線剖視圖。
[0034]圖3是表示燃料電池盒的概略結構的分解剖視圖。
[0035]圖4是表示分隔件上的焊接痕跡的俯視圖。
[0036]圖5是氣體流路和焊接痕跡的燃料電池盒的俯視圖。
[0037]圖6是表示在氣體流路內的、分隔件暴露的部位的焊接痕跡的剖視圖。
[0038]圖7是表示焊接治具裝置的剖視圖。
[0039]圖8是表示在一個氣體流路上形成有多個焊接痕跡的另一實施方式的燃料電池盒的俯視圖。
[0040]圖9是表示相對于氣體流路垂直形成的另一實施方式的焊接部的俯視圖。
[0041]圖10是表示相對于氣體流路傾斜形成的另一實施方式的焊接部的俯視圖。
[0042]圖11是表示在氣體流路中形成為網眼狀的另一實施方式的焊接部的俯視圖。
[0043]圖12是表示在氣體流路中形成為點狀的另一實施方式的焊接部的俯視圖。
[0044]圖13是表示以燃料極框架的內端比空氣極絕緣框架的內端突出的方式配置的另一實施方式的燃料電池盒的剖視圖。
[0045]圖14是表示圖13的燃料電池盒上的焊接痕跡的俯視圖。
[0046]圖15是表示以空氣極絕緣框架的內端比燃料極框架的內端突出的方式配置的另一實施方式的燃料電池盒的剖視圖。
[0047]圖16是表示圖15的燃料電池盒上的焊接痕跡的俯視圖。
[0048]圖17是表示以往的形成于絕緣框架的氣體流路的剖視圖。
[0049]圖18是表示寬度較窄的氣體流路內的分隔件的變形的剖視圖。
[0050]圖19是表示寬度較寬的氣體流路內的分隔件的變形的剖視圖。
【具體實施方式】
[0051]以下，基于附圖詳細說明將本發明具體化為燃料電池的一實施方式。
[0052]如圖1和圖2所示，本實施方式的燃料電池I是固體氧化物燃料電池(SOFC)。燃料電池I具有層疊多個(例如20個)燃料電池盒2而成的燃料電池堆3。燃料電池堆3形成為長180mmX寬180mmX高80mm的大致長方體狀。另外，燃料電池堆3具有沿厚度方向貫穿該燃料電池堆3的8個通孔4。另外，使緊固螺栓5貫穿位于燃料電池堆3的四角的4個通孔4，使螺母(省略圖示)旋裝于緊固螺栓5的、自燃料電池堆3的下表面突出的下端部分。另外，使氣體流通用緊固螺栓6貫穿剩余的4個通孔4，使螺母7旋裝于氣體流通用緊固螺栓6的、自燃料電池堆3的上表面和下表面突出的兩端部分。其結果，在燃料電池堆3中固定有多個燃料電池盒2。
[0053]如圖2和圖3所示，各個燃料電池盒2是層疊分隔件12、燃料極框架13(第I框架)、互連器14以及作為發電的最小單位的平板狀的單電池11并通過焊接來接合各個構件而成的接合體。另外，燃料電池盒2在分隔件12還具有空氣極絕緣框架15(第2框架)，該空氣極絕緣框架15配置于成為配置有燃料極框架13的一個表面19(在圖2中為下表面)的背面側的另一個表面20(在圖2中為上表面)。
[0054]單電池11構成為具有空氣極21、燃料極22以及固體電解質層23，通過發電反應產生電力。燃料極框架13是利用厚度為2mm左右的導電性材料(例如不銹鋼等的金屬板)形成的大致矩形框狀的金屬制框架，并配置為包圍單電池11的側面。即，在燃料極框架13的中央部設有沿厚度方向貫穿該燃料極框架13的矩形狀的開口部31，在比該開口部31靠內側的位置配置有單電池11。
[0055]分隔件12利用厚度0.1mm的導電性材料(例如不銹鋼等的金屬板)形成，且呈在中央部具有矩形狀的開口部32的大致矩形框狀。分隔件12通過使用了含有銀的釬焊材料的釬焊接合于單電池11(固體電解質層23)的周緣部，并且配置于燃料極框架13的一個表面34(在圖2中為上表面)。分隔件12作為電池11之間的分隔板發揮作用，將與空氣極21相接觸的氧化劑氣體(空氣)和與燃料極22相接觸的燃料氣體分離。
[0056]互連器14利用厚度為0.8_左右的導電性材料(例如不銹鋼等的金屬板)形成為大致矩形板狀。互連器14在燃料極框架13上配置于成為配置有分隔件12的一個表面34的背面側的另一個表面35(在圖2中為下表面)側。
[0057]在燃料電池堆3中層疊配置了多個燃料電池盒2的情況下，端板8、9在單電池11的厚度方向的兩側配置為一對。各個互連器14形成氣體流路，并且使相鄰的單電池11彼此導通。配置于相鄰的單電池11之間的互連器14對相鄰的單電池11進行劃分。兩端板8、9夾持燃料電池堆3，成為自燃料電池堆3輸出的電流的輸出端子。另外，端板8、9比互連器14壁厚。
[0058]空氣極絕緣框架15利用厚度1.0mm左右的云母片形成為大致矩形框狀。在空氣極絕緣框架15的中央部設有沿厚度方向貫穿該絕緣框架15的矩形狀的開口部37。
[0059]構成單電池11的固體電解質層23例如利用氧化釔穩定氧化鋯(YSZ)等的陶瓷材料(氧化物)形成，且呈厚度0.0lmm的大致矩形板狀。固體電解質層23固定于分隔件12的下表面，并且配置為堵塞分隔件12的開口部32。固體電解質層23作為氧離子傳導性固體電解質體發揮作用。
[0060]另外，在固體電解質層23的上表面上粘貼有與供給到燃料電池堆3的氧化劑氣體相接觸的空氣極21，在固體電解質層23的下表面上粘貼有與相同地供給到燃料電池堆3的燃料氣體相接觸的燃料極22。即，空氣極21和燃料極22配置于固體電解質層23的兩側。另夕卜，空氣極21配置在分隔件12的開口部32內，且不與分隔件12相接觸。另外，在本實施方式中，利用燃料極框架13的開口部31、互連器14等在分隔件12的下方形成有燃料室17，并且利用空氣極絕緣框架15的開口部37、互連器14等在分隔件12的上方形成有空氣室18。
[0061]在本實施方式的單電池11中，空氣極21利用作為金屬的復合氧化物的LSCF(Lath6SrtL4CotL2Feth8O3)形成為矩形板狀。另外，燃料極22利用鎳與氧化釔穩定氧化鋯的混合物(Ni — YSZ)形成為矩形板狀。在單電池11中，空氣極21作為陰極層發揮作用，燃料極22作為陽極層發揮作用。空氣極21利用空氣極側集電體38電連接于互連器14，燃料極22利用燃料極側集電體39電連接于互連器14。
[0062]在燃料電池堆3(各個燃料電池盒2)中形成有供氧化劑氣體和燃料氣體流動的歧管。形成于燃料電池堆3的歧管具有:豎孔部，該豎孔部沿各個燃料電池盒2的層疊方向延伸設置；以及橫孔部，其連接于豎孔部，并為了對與各個單電池11相連的氣體流路進行分支或集合而沿與層疊方向正交的方向延伸設置。
[0063]具體地說，如圖2所示，作為燃料電池堆3的歧管，形成有向各個單電池11的燃料室17供給燃料氣體的燃料供給路徑50和從燃料室17排出燃料氣體的燃料排出路徑51。燃料供給路徑50包括在氣體流通用緊固螺栓6的中心部沿著軸向延伸的燃料供給孔52(豎孔部)和使燃料供給孔52與燃料室17連通的燃料供給橫孔53(橫孔部)。另外，燃料排出路徑51包括在氣體流通用緊固螺栓6的中心部沿著軸向延伸的燃料排出孔54(豎孔部)和使燃料排出孔54與燃料室17連通的燃料排出橫孔55(橫孔部)。因此，燃料氣體依次通過燃料供給孔52和燃料供給橫孔53向燃料室17供給，然后依次通過燃料排出橫孔55和燃料排出孔54從燃料室17排出。
[0064]而且，作為燃料電池堆3的歧管，包括向各個單電池11的空氣室18供給空氣的空氣供給路徑(省略圖示)和從空氣室18排出空氣的空氣排出路徑(省略圖示)。空氣供給路徑具有與燃料供給路徑50大致相同的結構，包括在氣體流通用緊固螺栓6的中心部沿著軸向延伸的空氣供給孔(省略圖示)和使空氣供給孔與空氣室18連通的空氣供給橫孔(省略圖示)。另外，空氣排出路徑具有與燃料排出路徑51大致相同的結構，包括在氣體流通用緊固螺栓6的中心部沿著軸向延伸的空氣排出孔(省略圖示)和使空氣排出孔與空氣室18連通的空氣排出橫孔(省略圖示)。因此，空氣依次通過空氣供給孔(豎孔部)和空氣供給橫孔(橫孔部)向空氣室18供給，依次通過空氣排出橫孔(橫孔部)和空氣排出孔(豎孔部)從空氣室18排出。
[0065]在本實施方式中，構成燃料電池盒2的分隔件12、燃料極框架13以及互連器14等平板狀的金屬構件通過激光焊接分別相接合。在圖4中示出了在燃料電池盒2中從分隔件12側看到的與燃料極框架13之間的焊接部(焊接痕跡70?焊接痕跡72、焊接痕跡77)。
[0066]如圖4所示，在分隔件12上，除了中央部的開口部32以外，還在邊緣部貫穿形成有多個孔部60。在燃料極框架13、互連器14以及空氣極絕緣框架15中，也在相同的位置分別貫穿形成有多個孔部60(參照圖3)。各個孔部60構成供緊固螺栓5、氣體流通用緊固螺栓6貫穿的通孔4(參照圖2)的一部分，包括圓形狀的孔部60a和橢圓形狀的孔部60b。
[0067]在此，形成于分隔件12和燃料極框架13的橢圓形狀的孔部60b是用于形成上述歧管的孔部。更詳細地說，在圖4的形成于分隔件12上下的橢圓形狀的孔部60b中，上側是用于形成燃料氣體供給用的氣體流路(燃料供給路徑50)的孔部，下側是用于形成燃料氣體排出用的氣體流路(燃料排出路徑51)的孔部。另外，在形成于分隔件12左右的橢圓形狀的孔部60b中，左側是用于形成氧化劑氣體供給用的氣體流路(空氣供給路徑)的孔部，右側是用于形成氧化劑氣體排出用的氣體流路(空氣排出路徑)的孔部。而且，在左右配置的橢圓形狀的孔部60b中，在其上下方向上延伸設置有細長的孔部60c。這些孔部60b和孔部60c是與歧管的豎孔部和橫孔部之間的分支部位對應的分支用孔部60d，橢圓形狀的孔部60b相當于豎孔部，沿上下方向延伸的孔部60c相當于橫孔部。
[0068]而且，在分隔件12的外周部65上，為了與燃料極框架13相接合而形成有因激光焊接而留下的閉合回路形狀的焊接痕跡70(激光焊接痕跡)。而且，在分隔件12的各個孔部60(60a、60d)的周圍也形成有因激光焊接而留下的閉合回路形狀的焊接痕跡71,72(激光焊接痕跡)。閉合回路形狀的焊接痕跡71沿著各個孔部60a的外形形狀形成，閉合回路形狀的焊接痕跡72沿著各個分支用孔部60d的外形形狀形成。另外，在互連器14上，也為了與燃料極框架13相接合而同樣地形成有因激光焊接而留下的閉合回路形狀的焊接痕跡。另外，互連器14的表面和分隔件12的表面上的焊接痕跡70?焊接痕跡72的線寬為0.1mm左右。
[0069]這樣，通過在燃料極框架13的上表面34上激光焊接分隔件12并且在燃料極框架13的下表面35上激光焊接互連器14，從而使燃料電池盒2的各個構件12?14相接合。另外，通過利用閉合回路形狀的焊接痕跡70?焊接痕跡72對各個孔部60、外周部65進行密封，從而在燃料電池盒2的內側形成有作為閉合的空間的燃料室17。
[0070]如圖5所示，在本實施方式的空氣極絕緣框架15形成有多個氧化劑氣體的氣體流路75、76(作為橫孔部的空氣供給橫孔75和空氣排出橫孔76)。在本實施方式中，在空氣極絕緣框架15中，在成為左右的橢圓形狀的孔部60b(空氣供給用的孔部和空氣排出用的孔部)的上方和下方的位置分別各形成有3個氣體流路75、76。這些氣體流路75、76的寬度為1.5_左右，長度為15mm左右。而且，如圖4?圖6所示，在這些氣體流路75、76內，在分隔件12暴露的部位形成有因激光焊接而留下的線狀的焊接痕跡77(作為焊接部的激光焊接痕跡)。焊接痕跡77相對于一個氣體流路75、76設有一個焊接痕跡77，并且焊接痕跡77相對于氣體流路
75、76的延伸方向平行地直線設置。各個焊接痕跡77的線寬為0.1mm左右。通過設置這些焊接痕跡77，從而在氣體流路75、76內將分隔件12暴露的部位固定于燃料極框架13。
[0071]焊接痕跡77的一個端部以與對分支用孔部60d的周圍進行密封的閉合回路形狀的激光焊接痕跡72相交叉的方式進行設置，并且焊接痕跡77的另一個端部以不突出到比燃料極框架13的內端78靠電池側的方式進行設置。這樣，在以不突出到電池側的方式形成焊接痕跡77的情況下，避免在其形成時對未存在有燃料極框架13的部位進行激光焊接。另外，空氣極絕緣框架15將外形尺寸形成得與燃料極框架13的外形尺寸大致相等，并配置為燃料極框架13的內端78的位置與空氣極絕緣框架15的內端79的位置一致。
[0072]在如上所述構成的燃料電池I中，例如，在加熱到運行溫度(700°C左右)的狀態下，從燃料供給路徑50向燃料室17導入燃料氣體，并且從空氣供給路徑(包括氣體流路75的供給路徑)向空氣室18供給空氣。其結果，燃料氣體中的氫與空氣中的氧隔著固體電解質層23發生反應(發電反應)，產生以空氣極21為正極、以燃料極22為負極的直流的電力。另外，本實施方式的燃料電池堆3由于層疊多個單電池11并進行串聯連接，因此電連接于空氣極21的上側端板8成為正極，電連接于燃料極22的下側端板9成為負極。
[0073]接著，說明燃料電池I的制造方法。
[0074]首先，按照以往公知的方法形成單電池11。具體地說，在成為燃料極22的生坯片上層疊成為固體電解質層23的生坯片，并進行燒制。進而，在固體電解質層23上印刷了空氣極21的形成材料之后，進行燒制。此時，形成了單電池11。
[0075]接著，對不銹鋼板進行沖壓，形成具有孔部60的分隔件12、燃料極框架13以及互連器14。另外，通過將云母片形成為預定形狀，從而形成空氣極絕緣框架15。具體地說，將市場上銷售的云母片(包括云母與成形用樹脂的復合體的片)切斷并形成為與其他構件(燃料極框架13等)大致相同的外形形狀。此時，在空氣極絕緣框架15上形成有多個孔部60(60a、60b)和氣體流路75、76。另外，云母片所含有的樹脂成分通過在與其他構件一起層疊后進行的熱處理而蒸發。并且，云母片通過在沿層疊方向螺栓緊固各個燃料電池盒2時被其他構件(分隔件12和互連器14)夾持，從而對各個構件進行密封。
[0076]接著，通過激光焊接對分隔件12、燃料極框架13以及互連器14進行接合。具體地說，進行分隔件12和燃料極框架13上的各個孔部60的位置對準，并且如圖7所示，將分隔件12和燃料極框架13以重合的狀態配置于焊接治具裝置100(上治具101與下治具102之間)(配置步驟)。然后，利用未圖示的固定構件(螺栓、螺母、夾持構件等)對上治具101與下治具102進行緊固，從而固定分隔件12和燃料極框架13。
[0077]在焊接治具裝置100的上治具101上形成有使焊接部位暴露的開口部103。然后，使用激光照射裝置105，以預定的照射條件(例如，輸出為150W，光束直徑為0.1mm左右)沿著上治具101的開口部103照射激光LI(焊接步驟)。在此，從分隔件12側照射激光LI，從而將分隔件12激光焊接于燃料極框架13。另外，作為激光照射裝置105，例如使用光纖激光等的照射裝置。光纖激光是照射波長為1SOnm的激光LI的固體激光。另外，通過使用未圖示的X—Y工作臺使焊接治具裝置100沿水平方向移動，從而構成為沿著上治具101的開口部103照射激光LI。
[0078]在本實施方式的焊接步驟中，準備兩種上治具101，分兩次進行激光焊接。更詳細地說，例如使用第I上治具101，沿著該上治具101的開口部103照射激光LI，從而形成外周部65上的閉合回路形狀的激光焊接痕跡70，并且形成分支用孔部60d周圍的激光焊接痕跡72中的、縱線的部分的焊接痕跡。之后，從第I上治具101更換為第2上治具101，沿著第2上治具101的開口部103照射激光LI，從而形成圓形狀的孔部60a周圍的激光焊接痕跡71，并且形成分支用孔部60d周圍的激光焊接痕跡72中的、除縱線以外的部分(曲線的部分)的焊接痕跡。另外，此時，向氣體流路75、76內的成為分隔件12暴露的部位的位置照射激光LI，形成將該部位固定于燃料極框架13的直線狀的激光焊接痕跡77(焊接部)。其結果，分隔件12與燃料極框架13相接合。
[0079]在激光焊接之后，從焊接治具裝置100中暫時取出相接合的分隔件12與燃料極框架13。然后，通過釬焊將分隔件12固定于單電池11的固體電解質層23。具體地說，在固體電解質層23和分隔件12上分別配置了釬焊材料之后，在大氣氣氛下，例如以850°C?1100°C進行加熱，從而使釬焊材料熔融，將固體電解質層23與分隔件12相接合。
[0080]之后，使用與上述相同的焊接治具裝置，將互連器14激光焊接于燃料極框架13的表面35側(背面側)。在此，利用激光照射裝置105，從互連器14側照射激光LI。另外，由于互連器14比分隔件12厚，因此在將激光輸出設為300W的狀態下照射激光LI，將互連器14激光焊接于燃料極框架13。其結果，形成了構成燃料電池盒2的金屬構件12?金屬構件14的接合體。
[0081 ]然后，通過將金屬構件12?金屬構件14的接合體與空氣極絕緣框架15重合層疊從而構成燃料電池盒2，并層疊多個該燃料電池盒2并一體化，從而形成燃料電池堆3。進而，使緊固螺栓5貫穿位于燃料電池堆3的四角的4個通孔4，使螺母(省略圖示)旋裝于緊固螺栓5的、自燃料電池堆3的下表面突出的下端部分。另外，使氣體流通用緊固螺栓6貫穿剩余的4個通孔4，使螺母7旋裝于氣體流通用緊固螺栓6的、自燃料電池堆3的上表面和下表面突出的兩端部分。其結果，在燃料電池堆3中固定有各個燃料電池盒2，從而完成燃料電池I。
[0082 ]因而，根據本實施方式，能夠獲得以下效果。
[0083](I)在本實施方式的燃料電池盒2中，在空氣極絕緣框架15的部分形成有氣體流路75、76，在各個氣體流路75、76內，在分隔件12暴露的部位形成有焊接痕跡77。而且，借助于該焊接痕跡77，分隔件12暴露的部位固定于燃料極框架13。如此設置的話，即使在產生了燃料極框架13與分隔件12之間的熱膨脹差的情況下，也能夠防止氣體流路75、76內的分隔件12的變形(鼓起等)。因此，能夠避免像以往那樣在氣體流路75、76內分隔件12變形并阻礙反應氣體的流動這樣的問題。因而，能夠避免氧化劑氣體相對于單電池11的空氣極12偏移流動，能夠高效地進行氧化劑氣體的分流。另外，由于在氣體流路75、76內分隔件12不變形，因此也能夠防止像以往那樣由于分隔件12的變形導致的單電池11之間的短路。其結果，能夠防止單電池11中的氧化劑氣體的利用率的降低，能夠良好地維持電池特性。
[0084](2)在本實施方式的燃料電池盒2中，分隔件12的厚度比互連器14的厚度薄。在該情況下，易于產生分隔件12的變形(鼓起等)，但是通過像本實施方式這樣形成焊接痕跡77，從而能夠將分隔件12固定于燃料極框架13，因此能夠可靠地抑制氣體流路75、76內的分隔件12的變形。
[0085](3)在本實施方式的燃料電池盒2中，線狀的直線焊接痕跡77相對于氣體流路75、76的延伸方向平行地進行設置。如此設置的話，能夠利用焊接痕跡77不妨礙氧化劑氣體的流動地將分隔件12可靠地固定于燃料極框架13。
[0086](4)在本實施方式的燃料電池盒2中，在分隔件12和燃料極框架13上形成有構成氣體流路的孔部60(60a?60d)，通過焊接形成有對孔部60的周圍進行密封的閉合回路形狀的焊接痕跡71、72。而且，在氣體流路75、76內，以與分支用孔部60d的周圍的焊接痕跡72交叉的方式設有焊接痕跡77。在燃料電池盒2中，在分支用孔部60d附近施加有比較大的氣體壓力(在氣體流路中流動的氧化劑氣體的壓力)。因此，通過像本實施方式這樣以與分支用孔部60d的周圍的焊接痕跡72交叉的方式形成焊接痕跡77，從而能夠在施加有比較大的氣體壓力的部位將分隔件12可靠地固定于燃料極框架13，能夠防止分隔件12的變形。
[0087](5)在本實施方式中，將分隔件12與燃料極框架13相接合的焊接是借助于光纖激光的焊接。在該情況下，能夠將焦點對準較小的點尺寸，因此能夠將焊接痕跡70?焊接痕跡72、焊接痕跡77的線寬設為0.1mm左右。因而，能夠抑制熱應變并且將分隔件12可靠地焊接于燃料極框架13，能夠充分地確保燃料電池盒2的密封性。另外，通過使用光纖激光，能夠實現激光照射裝置105的小型化。
[0088](6)在本實施方式的焊接步驟中，沿著孔部60的周圍照射激光LI并形成對孔部60的周圍進行密封的閉合回路形狀的激光焊接痕跡71、72。另外，此時，向氣體流路75、76內的成為分隔件12暴露的部位的位置照射激光LI并形成焊接痕跡77。將分隔件12暴露的部位固定于燃料極框架13。如此的話，能夠利用相同的激光焊接來進行孔部60周圍的氣體流路的密封與分隔件12的固定，因此能夠高效地制造燃料電池盒2。另外，在本實施方式中，使用兩種上治具101分兩次進行激光焊接，分別焊接分支用孔部60d周圍的激光焊接痕跡72中的縱線的部分和與其交叉的焊接痕跡77。如此的話，能夠可靠地形成激光焊接痕跡72與焊接痕跡77之間的交叉部分。
[0089]另外，本發明的實施方式也可以像以下這樣進行變更。
[0090].在上述實施方式的燃料電池盒2中，相對于一個氣體流路75、76形成了一個焊接痕跡77，但是并不限定于此，如圖8所示，也可以相對于一個氣體流路81、82形成多個焊接痕跡83。具體地說，在圖8所示的空氣極絕緣框架15上形成有具有與孔部60b的長徑相等的寬度的氣體流路81、82。而且，在氣體流路81、82中，在分隔件12暴露的部位形成有與氣體流路81、82 (橫孔部)的延伸方向平行的多個焊接痕跡83 ο即使如此，在氣體流路81、82內，也能夠將分隔件12暴露的部位可靠地固定于燃料極框架13，因此能夠防止分隔件12的變形。
[0091].在上述實施方式的燃料電池盒2中，作為焊接部，形成了與氣體流路75、76、81、82(橫孔部)的延伸方向平行的線狀的焊接痕跡77、83，但是如圖9所示，也可以形成與氣體流路81(橫孔部)的延伸方向Yl垂直的線狀的焊接痕跡85。而且，如圖10所示，作為焊接部，也可以形成相對于氣體流路81(橫孔部)的延伸方向Yl傾斜的線狀的焊接痕跡86。另外，如圖11所示，作為焊接部，也可以形成與氣體流路81(橫孔部)的縱橫方向交叉的網眼狀的焊接痕跡87。而且，焊接部并不限定于線狀的焊接痕跡，如圖12所示，也可以在氣體流路81(橫孔部)的縱橫方向上隔開預定間隔地呈點狀形成多個焊接痕跡88。這樣，通過相對于一個氣體流路81形成多個焊接部85?焊接部88，從而能夠在氣體流路81內將分隔件12暴露的部位可靠地固定于燃料極框架13，能夠防止氣體流路81內的分隔件12的變形。
[0092].在上述實施方式的燃料電池盒2中，在每個氣體流路75、76上形成了焊接痕跡77，但是并不限定于此，也可以以與多個氣體流路75、76交叉的方式形成比較長的線狀的焊接痕跡。另外，在該情況下，將線狀的焊接痕跡形成為曲柄狀、鋸齒狀并形成為其一部分在各個氣體流路75、76中暴露。即使如此，也能夠在氣體流路75、76內將分隔件12暴露的部位固定于燃料極框架13，能夠防止分隔件12的變形。
[0093]?在上述實施方式中，以相同的外形尺寸形成了燃料極框架13和空氣極絕緣框架15，但是并不限定于此。例如，如圖13所示，也可以配置為燃料極框架13的內端78突出到比空氣極絕緣框架15的內端79靠電池側的位置。在該情況下，如圖14所示，在氣體流路75、76內的分隔件12暴露的部位，以突出到比空氣極絕緣框架15的內端79靠電池側的方式形成有線狀的焊接痕跡77。若如此形成焊接痕跡77，則在形成于空氣極絕緣框架15的氣體流路75的出口附近、氣體流路76的入口附近，能夠利用焊接痕跡77將分隔件12固定于燃料極框架13，能夠可靠地防止分隔件12的變形。另外，如圖15所示，也可以配置為空氣極絕緣框架15的內端79突出到比燃料極框架13的內端78靠電池側的位置。在該情況下，如圖16所示，在氣體流路75、76內的分隔件12暴露的部位，以不突出到比空氣極絕緣框架15的內端79靠電池側的方式形成有線狀的焊接痕跡77。若如此形成焊接痕跡77，則能夠避免針對未存在有燃料極框架13的部位進行激光焊接。
[0094].在上述實施方式中，通過使用了光纖激光的激光焊接形成了焊接痕跡77、83、85?88(焊接部)，但是除光纖激光以外，也可以通過使用了碳酸氣體激光、YAG激光的激光焊接來形成焊接部。而且，除激光焊接以外，例如也可以利用無縫焊接(電阻焊接)、釬焊等其他方法來形成焊接部。
[0095]?在上述實施方式中，具體實施為固體氧化物燃料電池，但是除此以外也可以具體實施為熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)等其他燃料電池。
[0096]接著，除了權利要求書所記載的技術思想以外，以下還列舉了通過上述實施方式掌握的技術思想。
[0097](I)在技術方案I中，燃料電池盒的特征在于，所述焊接部是通過所述焊接而形成的線狀的焊接痕跡，并以多個所述焊接痕跡相交叉的方式進行設置。
[0098](2)在技術方案I中，燃料電池盒的特征在于，所述分隔件的厚度為0.04mm?
0.3mm ο
[0099](3)在技術方案I中，燃料電池盒的特征在于，形成有所述焊接部的所述氣體流路是供所述氧化劑氣體流動的流路。
[0100](4)在技術方案I中，燃料電池盒的特征在于，所述第I框架是使用金屬板形成為矩形框狀的金屬制框架。
[0101](5)在技術方案I中，燃料電池盒的特征在于，所述第2框架是使用云母形成為矩形框狀的云母制框架。
[0102](6)在技術方案I中，燃料電池盒的特征在于，以所述第I框架的內端突出到比所述第2框架的內端靠電池側的方式進行配置，所述焊接部是以突出到比所述第2框架的內端靠所述電池側的方式形成的線狀的激光焊接痕跡。
[0103](7)在技術方案I中，燃料電池盒的特征在于，以所述第2框架的內端突出到比所述第I框架的內端靠電池側的方式進行配置，所述焊接部是以不突出到比所述第2框架的內端靠所述電池側的方式形成的線狀的激光焊接痕跡。
[0104](8)在技術方案I中，燃料電池盒的特征在于，所述電解質層是包括固體氧化物的固體電解質層。
[0105](9)在技術方案2中，燃料電池堆的特征在于，形成于各個燃料電池盒的所述歧管是具有豎孔部和橫孔部的氣體流路，其中，所述豎孔部沿所述燃料電池盒的層疊方向延伸設置，所述橫孔部連接于所述豎孔部并為了對與各個所述燃料電池單元相連的氣體流路進行分支或集合而沿與所述層疊方向正交的方向延伸設置，所述焊接部形成于在所述橫孔部內暴露的部位。
[0106](10)在技術思想(9)中，燃料電池堆的特征在于，所述焊接部具有相對于所述橫孔部的延伸方向垂直的線狀的激光焊接痕跡。
[0107](11)在技術思想(9)中，燃料電池堆的特征在于，所述焊接部具有相對于所述橫孔部的延伸方向傾斜的線狀的激光焊接痕跡。
[0108](12)在技術思想(9)中，燃料電池堆的特征在于，所述焊接部具有與縱橫方向交叉并形成為網眼狀的激光焊接痕跡。
[0109](13)在技術思想(9)中，燃料電池堆的特征在于，所述焊接部具有在縱橫方向上隔開預定間隔地呈點狀形成的焊接痕跡。
[0110](14)在技術思想(9)中，燃料電池堆的特征在于，所述焊接部具有以與多個所述橫孔部交叉的方式形成的線狀的激光焊接痕跡。
[0111](15)在技術方案I所記載的燃料電池盒的制造方法中，其特征在于，該燃料電池盒的制造方法包括:準備形成有構成所述氣體流路的孔部的所述分隔件和所述第I框架、對齊所述孔部的位置并重合配置所述分隔件和所述第I框架的配置步驟；以及沿著所述孔部的周圍照射激光從而形成對所述孔部的周圍進行密封的閉合回路形狀的激光焊接痕跡，并且對所述氣體流路內的成為所述分隔件暴露的部位的位置照射激光從而形成將所述分隔件暴露的部位固定于所述第I框架的所述焊接部的焊接步驟。
[0112]附圖標記說明
[0113]2…燃料電池盒;3…燃料電池堆；11...單電池；12...分隔件；13...作為第I框架的燃料極框架；14...互連器；15...作為第2框架的空氣極絕緣框架；19...分隔件的一個表面;20...分隔件的另一個表面;21...空氣極;22...燃料極;23...作為電解質層的固體電解質層;34...第I框架的一個表面;35…第I框架的另一個表面;50…作為氣體流路的燃料供給路徑;51…作為氣體流路的燃料排出路徑;60、60a?60d...孔部；72...閉合回路形狀的焊接痕跡；75、
76、81、82."氣體流路;77、83、85?88-作為焊接部的焊接痕跡;1^"激光。
【主權項】
1.一種燃料電池盒，其特征在于，該燃料電池盒是層疊如下構件而成的: 平板狀的單電池，其具有燃料極、空氣極以及電解質層； 框狀的第I框架，其以包圍所述單電池的側面的方式進行配置； 分隔件，其接合于所述單電池的周緣部，并且配置于所述第I框架的一個表面，將與所述空氣極相接觸的氧化劑氣體和與所述燃料極相接觸的燃料氣體分離；以及 板狀的互連器，其在所述第I框架上配置于成為配置有所述分隔件的一個表面的背面側的另一個表面； 所述分隔件和所述第I框架通過焊接相接合;并且 在所述分隔件還具有第2框架，該第2框架配置于成為配置有所述第I框架的一個表面的背面側的另一個表面， 在所述第2框架的部分形成有供所述氧化劑氣體和所述燃料氣體流動的氣體流路，該燃料電池盒具有焊接部，該焊接部在所述氣體流路內形成于所述分隔件暴露的部位，從而將所述分隔件暴露的部位固定于所述第I框架。2.根據權利要求1所述的燃料電池盒，其特征在于， 作為相對于一個所述氣體流路的所述焊接部，具有通過焊接而形成的多個焊接痕跡。3.根據權利要求1或2所述的燃料電池盒，其特征在于， 所述分隔件的厚度比所述互連器的厚度薄。4.根據權利要求1?3中任一項所述的燃料電池盒，其特征在于， 所述焊接部是通過焊接而形成的線狀的焊接痕跡，相對于所述氣體流路的延伸方向平行地進行設置。5.根據權利要求1?4中任一項所述的燃料電池盒，其特征在于， 在所述第I框架和所述分隔件上分別形成有構成供所述氧化劑氣體和所述燃料氣體流動的氣體流路的孔部，并且通過焊接形成有對所述孔部的周圍進行密封的閉合回路形狀的焊接痕跡， 所述焊接部是通過所述焊接而形成的線狀的焊接痕跡，并設置為與所述孔部的周圍的焊接痕跡相交叉。6.根據權利要求1?5中任一項所述的燃料電池盒，其特征在于， 所述焊接是借助于激光的焊接。7.—種燃料電池堆，其特征在于，該燃料電池堆層疊了多個權利要求1?6中任一項所述的燃料電池盒。
【文檔編號】H01M8/0273GK105917507SQ201580004893
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2015年1月13日
【發明人】谷村良二, 墨泰志, 堀田信行
【申請人】日本特殊陶業株式會社