燃料电池盒及燃料电池堆的制作方法

燃料电池盒及燃料电池堆的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种能够可靠地抑制分隔件的变形、能够维持良好的电池特性的燃料电池盒。燃料电池盒(2)通过层叠分隔件(12)、燃料极框架、互连器、空气极绝缘框架(15)以及平板状的单电池(11)而构成。在燃料电池盒(2)中，分隔件(12)和燃料极框架(13)通过焊接而相接合。在空气极绝缘框架(15)上形成有供氧化剂气体流动的气体流路(75、76)。在气体流路(75、76)内，在分隔件(12)暴露的部位形成有焊接痕迹(77)，借助焊接痕迹(77)，将分隔件(12)暴露的部位固定于燃料极框架。
【专利说明】
燃料电池盒及燃料电池堆
技术领域
[0001]本发明涉及一种层叠单电池、分隔件、框架以及互连器而成的燃料电池盒以及层叠多个该盒而成的燃料电池堆。
【背景技术】
[0002]—直以来，作为燃料电池，例如公知有具有固体电解质层(固体氧化物层)的固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell; S0FC)。该燃料电池具有层叠多个作为发电的最小单位的单电池而成的燃料电池堆。单电池构成为具有空气极、燃料极以及固体电解质层，通过发电反应产生电力。另外，在燃料电池堆中，除了单电池以外，还设有金属框架、绝缘框架、分隔件、互连器等，这些构件多个多个地层叠。
[0003]金属框架使用不锈钢等导电性材料以包围单电池的侧面的方式形成为框状。另夕卜，分隔件也利用不锈钢等导电性材料形成，构成为在中央具有用于配置单电池的开口部的矩形框状。而且，在分隔件的开口部的内侧配置了单电池的状态下，分隔件接合于单电池的周缘部。分隔件在单电池之间作为用于划分供给有反应气体(氧化剂气体、燃料气体)的空气室、燃料室的分隔板发挥作用。而且，互连器也利用不锈钢等导电性材料形成为板状，并配置于单电池的厚度方向的两侧。而且，利用各个互连器确保单电池之间的导通。
[0004]可是，在以往的平板型固体氧化物燃料电池(例如，参照专利文献I)中，通过压缩密封来确保燃料电池堆中的密封性是较常见的。但是，在压缩密封中，反应气体易于泄漏，分隔件等过度变形，因此有可能发生反应气体的利用率特性恶化这样的情况。
[0005]在专利文献2中公开了一种通过焊接来进行分隔件的接合的燃料电池。像这样，通过对构成燃料电池堆的金属构件(分隔件、金属框架、互连器等)进行焊接并形成接合体(燃料电池盒)，从而防止反应气体的外部泄漏的产生。
[0006]在燃料电池堆中，为了使反应气体流动而形成有歧管。具体地说，歧管在燃料电池堆中沿单电池的层叠方向贯穿形成，并形成为与各个单电池相连(分支或集合)。即，在分隔件、金属框架以及互连器上贯穿形成有用于构成歧管的堆叠通孔的多个孔部。而且，在接合该分隔件、金属框架以及互连器时，激光焊接各个孔部的周围及金属框架的成为外周部的部分。其结果，形成燃料电池盒，使在该盒内供给有燃料气体的燃料室侧的阳极空间被密封。
[0007]另外，如图17所示，在分隔件110上且是在成为阴极空间(空气室)的外侧的位置配置有包括云母片的绝缘框架112，在该绝缘框架112上形成有供氧化剂气体(空气)流动的气体流路114。
[0008]现有技术文献
[0009]专利文献
[0010]专利文献1:日本特开2009 — 9802号公报
[0011]专利文献2:日本特开2011 —161450号公报

【发明内容】

[0012]发明要解决的问题
[0013]可是，在上述固体氧化物燃料电池为高温类型时，以100tC进行运转，为上述固体氧化物燃料电池为中温类型时，以700°C?800°C进行运转。若针对燃料电池进行重复施加这种高温热量的耐久试验，则伴随着构成燃料电池盒的构件的热膨胀差，分隔件110变形。特别是在形成于绝缘框架112的气体流路114的部分中，如图18所示，基于热膨胀差的分隔件110的变形量变大，产生向流路侧膨胀那样的变形(鼓起)并阻碍了氧化剂气体的流动。因此，向空气极供给的氧化剂气体的分配变得不均匀，该气体的利用率降低。另外，如图19所示，若在气体流路115的宽度较大的情况下分隔件110的变形(鼓起)变大，则有可能发生如下问题，即，相邻的单电池之间发生短路，燃料电池堆的发电功能停止。
[0014]本发明是鉴于上述问题而做成的，其目的在于提供能够可靠地抑制分隔件的变形、能够维持良好的电池特性的燃料电池盒及燃料电池堆。
[0015]用于解决问题的方案
[0016]而且，作为用于解决上述问题的技术方案(技术方案I)，有一种燃料电池盒，其特征在于，该燃料电池盒是层叠如下构件而成的:平板状的单电池，其具有燃料极、空气极以及电解质层;框状的第I框架，其以包围所述单电池的侧面的方式进行配置;分隔件，其接合于所述单电池的周缘部，并且配置于所述第I框架的一个表面，将与所述空气极相接触的氧化剂气体和与所述燃料极相接触的燃料气体分离；以及板状的互连器，其在所述第I框架上配置于成为配置有所述分隔件的一个表面的背面侧的另一个表面;所述分隔件和所述第I框架通过焊接相接合;并且在所述分隔件还具有第2框架，该第2框架配置于成为配置有所述第I框架的一个表面的背面侧的另一个表面，在所述第2框架的部分形成有供所述氧化剂气体和所述燃料气体流动的气体流路，该燃料电池盒具有焊接部，该焊接部在所述气体流路内形成于所述分隔件暴露的部位，从而将所述分隔件暴露的部位固定于所述第I框架。
[0017]因而，根据技术方案I所记载的发明，在形成于第2框架的部分的气体流路内，在分隔件暴露的部位形成有焊接部，借助于该焊接部，分隔件固定于第I框架。这样，通过利用焊接部对分隔件暴露的部位进行固定，从而即使在第I框架与分隔件之间产生热膨胀差的情况下，也能够防止气体流路内的分隔件的变形(鼓起等)。因此，能够避免像以往那样在气体流路内分隔件变形并阻碍反应气体的流动这样的问题。因而，避免反应气体(氧化剂气体或燃料气体)相对于单电池的电极偏移流动，能够高效地进行反应气体的分流。另外，由于在气体流路内分隔件不变形，因此也能够防止像以往那样基于分隔件的变形导致的单电池之间的短路。其结果，防止单电池中的反应气体的利用率的降低，能够良好地维持电池特性。
[0018]也可以是，作为相对于一个气体流路的焊接部，具有通过焊接而形成的多个焊接痕迹。如此设置的话，在气体流路内能够将分隔件暴露的部位可靠地固定于第I框架。
[0019]分隔件的厚度比互连器的厚度薄。在该情况下，易于产生分隔件的变形(鼓起等)，但是通过像本发明这样形成焊接部，从而能够将分隔件固定于第I框架，因此能够可靠地抑制气体流路内的分隔件的变形。
[0020]也可以是，焊接部是通过焊接而形成的线状的焊接痕迹，相对于气体流路的延伸方向平行地进行设置。如此的话，利用焊接痕迹，能够不妨碍反应气体的流动地将分隔件可靠地固定于第I框架。另外，也可以是，焊接部是通过焊接而形成的线状的焊接痕迹，并设置为多个焊接痕迹相交叉。即使如此，也能够将分隔件可靠地固定于第I框架，能够抑制气体流路内的分隔件的变形。
[0021]也可以是，在第I框架和分隔件上分别形成有构成供氧化剂气体和燃料气体流动的气体流路的孔部，并且通过焊接形成有对孔部的周围进行密封的闭合回路形状的焊接痕迹。另外，也可以是，焊接部是通过焊接而形成的线状的焊接痕迹，并设置为与孔部的周围的焊接痕迹相交叉。在本发明的燃料电池盒中，在构成气体流路的孔部的附近施加有比较大的气体压力(在气体流路内流动的反应气体的压力)。因此，通过像本发明这样以与孔部的周围的焊接痕迹相交叉的方式形成焊接部，从而能够在施加有比较大的气体压力的部位将分隔件可靠地固定于第I框架，因此能够防止分隔件的变形。
[0022]也可以是，将第I框架和分隔件接合的焊接是借助于激光的焊接。另外，激光也可以使用光纤激光。在借助于光纤激光的焊接中，能够将焦点对准较小的点尺寸，因此能够将焊接痕迹的线宽设为0.2mm以下。因而，能够抑制热应变并且将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，也可以通过电阻焊接、钎焊等来进行焊接。
[0023]优选的是，构成单电池的分隔件的厚度为0.04mm?0.3mm。在此，若分隔件比
0.04mm薄，则分隔件的耐久性降低。另一方面，若分隔件比0.3mm厚，则分隔件难以变形。在该情况下，分隔件向单电池的面外方向的追随变形变困难，因此电极有可能产生裂纹。因而，通过使用0.04mm?0.3mm的厚度的分隔件，从而能够将氧化剂气体与燃料气体可靠地分离。
[0024]形成有焊接部的气体流路既可以是供氧化剂气体流动的流路，也可以是供燃料气体流动的流路。在供氧化剂气体流动的气体流路上形成有焊接部的情况下，能够经由该气体流路使氧化剂气体可靠地流动，因此能够防止氧化剂气体的利用率的降低。另外，在供燃料气体流动的气体流路上形成有焊接部的情况下，能够经由该气体流路使燃料气体可靠地流动，因此能够防止燃料气体的利用率的降低。
[0025]构成燃料电池盒的第I框架是使用金属板形成为矩形框状的金属制框架。另一方面，第2框架是由绝缘材料形成的绝缘框架，例如是使用云母形成为矩形框状的云母制框架。
[0026]在以第I框架的内端突出到比第2框架的内端靠电池侧的方式配置的情况下，焊接部也可以是以突出到比第2框架的内端靠电池侧的方式形成的线状的激光焊接痕迹。在该情况下，在形成于第2框架的气体流路的出口附近、入口附近，能够利用激光焊接痕迹将分隔件固定于第I框架，能够可靠地防止分隔件的变形。
[0027]在以第2框架的内端突出到比第I框架的内端靠电池侧的方式配置的情况下，焊接部也可以是以突出到比第2框架的内端靠电池侧的方式形成的线状的激光焊接痕迹。在该情况下，能够避免对未存在有第I框架的部位进行激光焊接。
[0028]另外，作为用于解决上述问题的另一技术方案(技术方案2)，有一种燃料电池堆，其特征在于，该燃料电池堆层叠了多个技术方案I所述的燃料电池盒。
[0029]根据技术方案2所记载的发明，能够防止各个燃料电池盒的反应气体的利用率的降低，能够高效地进行发电。
[0030]在燃料电池堆中，形成于各个燃料电池盒的歧管是具有竖孔部和横孔部的气体流路，其中，竖孔部沿各个盒的层叠方向延伸设置，横孔部连接于竖孔部，并为了对与各个单电池相连的气体流路进行分支或集合而沿与层叠方向正交的方向延伸设置。而且，本发明的焊接部形成于在构成歧管的横孔部内暴露的部位。
[0031]焊接部既可以具有相对于横孔部的延伸方向垂直的线状的激光焊接痕迹，也可以具有相对于横孔部的延伸方向倾斜的线状的激光焊接痕迹。另外，焊接部既可以具有与纵横方向交叉的形成为网眼状的激光焊接痕迹，也可以具有在纵横方向上隔开预定间隔地形成为点状的焊接痕迹。而且，焊接部也可以具有以与多个横孔部交叉的方式形成的线状的激光焊接痕迹。即使在如此形成了焊接部的情况下，也能够在气体流路内将分隔件暴露的部位可靠地固定于第I框架，能够抑制分隔件的变形。
【附图说明】
[0032]图1是表示一实施方式中的燃料电池的概略结构的立体图。
[0033]图2是图1的A—A线剖视图。
[0034]图3是表示燃料电池盒的概略结构的分解剖视图。
[0035]图4是表示分隔件上的焊接痕迹的俯视图。
[0036]图5是气体流路和焊接痕迹的燃料电池盒的俯视图。
[0037]图6是表示在气体流路内的、分隔件暴露的部位的焊接痕迹的剖视图。
[0038]图7是表示焊接治具装置的剖视图。
[0039]图8是表示在一个气体流路上形成有多个焊接痕迹的另一实施方式的燃料电池盒的俯视图。
[0040]图9是表示相对于气体流路垂直形成的另一实施方式的焊接部的俯视图。
[0041]图10是表示相对于气体流路倾斜形成的另一实施方式的焊接部的俯视图。
[0042]图11是表示在气体流路中形成为网眼状的另一实施方式的焊接部的俯视图。
[0043]图12是表示在气体流路中形成为点状的另一实施方式的焊接部的俯视图。
[0044]图13是表示以燃料极框架的内端比空气极绝缘框架的内端突出的方式配置的另一实施方式的燃料电池盒的剖视图。
[0045]图14是表示图13的燃料电池盒上的焊接痕迹的俯视图。
[0046]图15是表示以空气极绝缘框架的内端比燃料极框架的内端突出的方式配置的另一实施方式的燃料电池盒的剖视图。
[0047]图16是表示图15的燃料电池盒上的焊接痕迹的俯视图。
[0048]图17是表示以往的形成于绝缘框架的气体流路的剖视图。
[0049]图18是表示宽度较窄的气体流路内的分隔件的变形的剖视图。
[0050]图19是表示宽度较宽的气体流路内的分隔件的变形的剖视图。
【具体实施方式】
[0051]以下，基于附图详细说明将本发明具体化为燃料电池的一实施方式。
[0052]如图1和图2所示，本实施方式的燃料电池I是固体氧化物燃料电池(SOFC)。燃料电池I具有层叠多个(例如20个)燃料电池盒2而成的燃料电池堆3。燃料电池堆3形成为长180mmX宽180mmX高80mm的大致长方体状。另外，燃料电池堆3具有沿厚度方向贯穿该燃料电池堆3的8个通孔4。另外，使紧固螺栓5贯穿位于燃料电池堆3的四角的4个通孔4，使螺母(省略图示)旋装于紧固螺栓5的、自燃料电池堆3的下表面突出的下端部分。另外，使气体流通用紧固螺栓6贯穿剩余的4个通孔4，使螺母7旋装于气体流通用紧固螺栓6的、自燃料电池堆3的上表面和下表面突出的两端部分。其结果，在燃料电池堆3中固定有多个燃料电池盒2。
[0053]如图2和图3所示，各个燃料电池盒2是层叠分隔件12、燃料极框架13(第I框架)、互连器14以及作为发电的最小单位的平板状的单电池11并通过焊接来接合各个构件而成的接合体。另外，燃料电池盒2在分隔件12还具有空气极绝缘框架15(第2框架)，该空气极绝缘框架15配置于成为配置有燃料极框架13的一个表面19(在图2中为下表面)的背面侧的另一个表面20(在图2中为上表面)。
[0054]单电池11构成为具有空气极21、燃料极22以及固体电解质层23，通过发电反应产生电力。燃料极框架13是利用厚度为2mm左右的导电性材料(例如不锈钢等的金属板)形成的大致矩形框状的金属制框架，并配置为包围单电池11的侧面。即，在燃料极框架13的中央部设有沿厚度方向贯穿该燃料极框架13的矩形状的开口部31，在比该开口部31靠内侧的位置配置有单电池11。
[0055]分隔件12利用厚度0.1mm的导电性材料(例如不锈钢等的金属板)形成，且呈在中央部具有矩形状的开口部32的大致矩形框状。分隔件12通过使用了含有银的钎焊材料的钎焊接合于单电池11(固体电解质层23)的周缘部，并且配置于燃料极框架13的一个表面34(在图2中为上表面)。分隔件12作为电池11之间的分隔板发挥作用，将与空气极21相接触的氧化剂气体(空气)和与燃料极22相接触的燃料气体分离。
[0056]互连器14利用厚度为0.8_左右的导电性材料(例如不锈钢等的金属板)形成为大致矩形板状。互连器14在燃料极框架13上配置于成为配置有分隔件12的一个表面34的背面侧的另一个表面35(在图2中为下表面)侧。
[0057]在燃料电池堆3中层叠配置了多个燃料电池盒2的情况下，端板8、9在单电池11的厚度方向的两侧配置为一对。各个互连器14形成气体流路，并且使相邻的单电池11彼此导通。配置于相邻的单电池11之间的互连器14对相邻的单电池11进行划分。两端板8、9夹持燃料电池堆3，成为自燃料电池堆3输出的电流的输出端子。另外，端板8、9比互连器14壁厚。
[0058]空气极绝缘框架15利用厚度1.0mm左右的云母片形成为大致矩形框状。在空气极绝缘框架15的中央部设有沿厚度方向贯穿该绝缘框架15的矩形状的开口部37。
[0059]构成单电池11的固体电解质层23例如利用氧化钇稳定氧化锆(YSZ)等的陶瓷材料(氧化物)形成，且呈厚度0.0lmm的大致矩形板状。固体电解质层23固定于分隔件12的下表面，并且配置为堵塞分隔件12的开口部32。固体电解质层23作为氧离子传导性固体电解质体发挥作用。
[0060]另外，在固体电解质层23的上表面上粘贴有与供给到燃料电池堆3的氧化剂气体相接触的空气极21，在固体电解质层23的下表面上粘贴有与相同地供给到燃料电池堆3的燃料气体相接触的燃料极22。即，空气极21和燃料极22配置于固体电解质层23的两侧。另夕卜，空气极21配置在分隔件12的开口部32内，且不与分隔件12相接触。另外，在本实施方式中，利用燃料极框架13的开口部31、互连器14等在分隔件12的下方形成有燃料室17，并且利用空气极绝缘框架15的开口部37、互连器14等在分隔件12的上方形成有空气室18。
[0061]在本实施方式的单电池11中，空气极21利用作为金属的复合氧化物的LSCF(Lath6SrtL4CotL2Feth8O3)形成为矩形板状。另外，燃料极22利用镍与氧化钇稳定氧化锆的混合物(Ni — YSZ)形成为矩形板状。在单电池11中，空气极21作为阴极层发挥作用，燃料极22作为阳极层发挥作用。空气极21利用空气极侧集电体38电连接于互连器14，燃料极22利用燃料极侧集电体39电连接于互连器14。
[0062]在燃料电池堆3(各个燃料电池盒2)中形成有供氧化剂气体和燃料气体流动的歧管。形成于燃料电池堆3的歧管具有:竖孔部，该竖孔部沿各个燃料电池盒2的层叠方向延伸设置；以及横孔部，其连接于竖孔部，并为了对与各个单电池11相连的气体流路进行分支或集合而沿与层叠方向正交的方向延伸设置。
[0063]具体地说，如图2所示，作为燃料电池堆3的歧管，形成有向各个单电池11的燃料室17供给燃料气体的燃料供给路径50和从燃料室17排出燃料气体的燃料排出路径51。燃料供给路径50包括在气体流通用紧固螺栓6的中心部沿着轴向延伸的燃料供给孔52(竖孔部)和使燃料供给孔52与燃料室17连通的燃料供给横孔53(横孔部)。另外，燃料排出路径51包括在气体流通用紧固螺栓6的中心部沿着轴向延伸的燃料排出孔54(竖孔部)和使燃料排出孔54与燃料室17连通的燃料排出横孔55(横孔部)。因此，燃料气体依次通过燃料供给孔52和燃料供给横孔53向燃料室17供给，然后依次通过燃料排出横孔55和燃料排出孔54从燃料室17排出。
[0064]而且，作为燃料电池堆3的歧管，包括向各个单电池11的空气室18供给空气的空气供给路径(省略图示)和从空气室18排出空气的空气排出路径(省略图示)。空气供给路径具有与燃料供给路径50大致相同的结构，包括在气体流通用紧固螺栓6的中心部沿着轴向延伸的空气供给孔(省略图示)和使空气供给孔与空气室18连通的空气供给横孔(省略图示)。另外，空气排出路径具有与燃料排出路径51大致相同的结构，包括在气体流通用紧固螺栓6的中心部沿着轴向延伸的空气排出孔(省略图示)和使空气排出孔与空气室18连通的空气排出横孔(省略图示)。因此，空气依次通过空气供给孔(竖孔部)和空气供给横孔(横孔部)向空气室18供给，依次通过空气排出横孔(横孔部)和空气排出孔(竖孔部)从空气室18排出。
[0065]在本实施方式中，构成燃料电池盒2的分隔件12、燃料极框架13以及互连器14等平板状的金属构件通过激光焊接分别相接合。在图4中示出了在燃料电池盒2中从分隔件12侧看到的与燃料极框架13之间的焊接部(焊接痕迹70?焊接痕迹72、焊接痕迹77)。
[0066]如图4所示，在分隔件12上，除了中央部的开口部32以外，还在边缘部贯穿形成有多个孔部60。在燃料极框架13、互连器14以及空气极绝缘框架15中，也在相同的位置分别贯穿形成有多个孔部60(参照图3)。各个孔部60构成供紧固螺栓5、气体流通用紧固螺栓6贯穿的通孔4(参照图2)的一部分，包括圆形状的孔部60a和椭圆形状的孔部60b。
[0067]在此，形成于分隔件12和燃料极框架13的椭圆形状的孔部60b是用于形成上述歧管的孔部。更详细地说，在图4的形成于分隔件12上下的椭圆形状的孔部60b中，上侧是用于形成燃料气体供给用的气体流路(燃料供给路径50)的孔部，下侧是用于形成燃料气体排出用的气体流路(燃料排出路径51)的孔部。另外，在形成于分隔件12左右的椭圆形状的孔部60b中，左侧是用于形成氧化剂气体供给用的气体流路(空气供给路径)的孔部，右侧是用于形成氧化剂气体排出用的气体流路(空气排出路径)的孔部。而且，在左右配置的椭圆形状的孔部60b中，在其上下方向上延伸设置有细长的孔部60c。这些孔部60b和孔部60c是与歧管的竖孔部和横孔部之间的分支部位对应的分支用孔部60d，椭圆形状的孔部60b相当于竖孔部，沿上下方向延伸的孔部60c相当于横孔部。
[0068]而且，在分隔件12的外周部65上，为了与燃料极框架13相接合而形成有因激光焊接而留下的闭合回路形状的焊接痕迹70(激光焊接痕迹)。而且，在分隔件12的各个孔部60(60a、60d)的周围也形成有因激光焊接而留下的闭合回路形状的焊接痕迹71,72(激光焊接痕迹)。闭合回路形状的焊接痕迹71沿着各个孔部60a的外形形状形成，闭合回路形状的焊接痕迹72沿着各个分支用孔部60d的外形形状形成。另外，在互连器14上，也为了与燃料极框架13相接合而同样地形成有因激光焊接而留下的闭合回路形状的焊接痕迹。另外，互连器14的表面和分隔件12的表面上的焊接痕迹70?焊接痕迹72的线宽为0.1mm左右。
[0069]这样，通过在燃料极框架13的上表面34上激光焊接分隔件12并且在燃料极框架13的下表面35上激光焊接互连器14，从而使燃料电池盒2的各个构件12?14相接合。另外，通过利用闭合回路形状的焊接痕迹70?焊接痕迹72对各个孔部60、外周部65进行密封，从而在燃料电池盒2的内侧形成有作为闭合的空间的燃料室17。
[0070]如图5所示，在本实施方式的空气极绝缘框架15形成有多个氧化剂气体的气体流路75、76(作为横孔部的空气供给横孔75和空气排出横孔76)。在本实施方式中，在空气极绝缘框架15中，在成为左右的椭圆形状的孔部60b(空气供给用的孔部和空气排出用的孔部)的上方和下方的位置分别各形成有3个气体流路75、76。这些气体流路75、76的宽度为1.5_左右，长度为15mm左右。而且，如图4?图6所示，在这些气体流路75、76内，在分隔件12暴露的部位形成有因激光焊接而留下的线状的焊接痕迹77(作为焊接部的激光焊接痕迹)。焊接痕迹77相对于一个气体流路75、76设有一个焊接痕迹77，并且焊接痕迹77相对于气体流路
75、76的延伸方向平行地直线设置。各个焊接痕迹77的线宽为0.1mm左右。通过设置这些焊接痕迹77，从而在气体流路75、76内将分隔件12暴露的部位固定于燃料极框架13。
[0071]焊接痕迹77的一个端部以与对分支用孔部60d的周围进行密封的闭合回路形状的激光焊接痕迹72相交叉的方式进行设置，并且焊接痕迹77的另一个端部以不突出到比燃料极框架13的内端78靠电池侧的方式进行设置。这样，在以不突出到电池侧的方式形成焊接痕迹77的情况下，避免在其形成时对未存在有燃料极框架13的部位进行激光焊接。另外，空气极绝缘框架15将外形尺寸形成得与燃料极框架13的外形尺寸大致相等，并配置为燃料极框架13的内端78的位置与空气极绝缘框架15的内端79的位置一致。
[0072]在如上所述构成的燃料电池I中，例如，在加热到运行温度(700°C左右)的状态下，从燃料供给路径50向燃料室17导入燃料气体，并且从空气供给路径(包括气体流路75的供给路径)向空气室18供给空气。其结果，燃料气体中的氢与空气中的氧隔着固体电解质层23发生反应(发电反应)，产生以空气极21为正极、以燃料极22为负极的直流的电力。另外，本实施方式的燃料电池堆3由于层叠多个单电池11并进行串联连接，因此电连接于空气极21的上侧端板8成为正极，电连接于燃料极22的下侧端板9成为负极。
[0073]接着，说明燃料电池I的制造方法。
[0074]首先，按照以往公知的方法形成单电池11。具体地说，在成为燃料极22的生坯片上层叠成为固体电解质层23的生坯片，并进行烧制。进而，在固体电解质层23上印刷了空气极21的形成材料之后，进行烧制。此时，形成了单电池11。
[0075]接着，对不锈钢板进行冲压，形成具有孔部60的分隔件12、燃料极框架13以及互连器14。另外，通过将云母片形成为预定形状，从而形成空气极绝缘框架15。具体地说，将市场上销售的云母片(包括云母与成形用树脂的复合体的片)切断并形成为与其他构件(燃料极框架13等)大致相同的外形形状。此时，在空气极绝缘框架15上形成有多个孔部60(60a、60b)和气体流路75、76。另外，云母片所含有的树脂成分通过在与其他构件一起层叠后进行的热处理而蒸发。并且，云母片通过在沿层叠方向螺栓紧固各个燃料电池盒2时被其他构件(分隔件12和互连器14)夹持，从而对各个构件进行密封。
[0076]接着，通过激光焊接对分隔件12、燃料极框架13以及互连器14进行接合。具体地说，进行分隔件12和燃料极框架13上的各个孔部60的位置对准，并且如图7所示，将分隔件12和燃料极框架13以重合的状态配置于焊接治具装置100(上治具101与下治具102之间)(配置步骤)。然后，利用未图示的固定构件(螺栓、螺母、夹持构件等)对上治具101与下治具102进行紧固，从而固定分隔件12和燃料极框架13。
[0077]在焊接治具装置100的上治具101上形成有使焊接部位暴露的开口部103。然后，使用激光照射装置105，以预定的照射条件(例如，输出为150W，光束直径为0.1mm左右)沿着上治具101的开口部103照射激光LI(焊接步骤)。在此，从分隔件12侧照射激光LI，从而将分隔件12激光焊接于燃料极框架13。另外，作为激光照射装置105，例如使用光纤激光等的照射装置。光纤激光是照射波长为1SOnm的激光LI的固体激光。另外，通过使用未图示的X—Y工作台使焊接治具装置100沿水平方向移动，从而构成为沿着上治具101的开口部103照射激光LI。
[0078]在本实施方式的焊接步骤中，准备两种上治具101，分两次进行激光焊接。更详细地说，例如使用第I上治具101，沿着该上治具101的开口部103照射激光LI，从而形成外周部65上的闭合回路形状的激光焊接痕迹70，并且形成分支用孔部60d周围的激光焊接痕迹72中的、纵线的部分的焊接痕迹。之后，从第I上治具101更换为第2上治具101，沿着第2上治具101的开口部103照射激光LI，从而形成圆形状的孔部60a周围的激光焊接痕迹71，并且形成分支用孔部60d周围的激光焊接痕迹72中的、除纵线以外的部分(曲线的部分)的焊接痕迹。另外，此时，向气体流路75、76内的成为分隔件12暴露的部位的位置照射激光LI，形成将该部位固定于燃料极框架13的直线状的激光焊接痕迹77(焊接部)。其结果，分隔件12与燃料极框架13相接合。
[0079]在激光焊接之后，从焊接治具装置100中暂时取出相接合的分隔件12与燃料极框架13。然后，通过钎焊将分隔件12固定于单电池11的固体电解质层23。具体地说，在固体电解质层23和分隔件12上分别配置了钎焊材料之后，在大气气氛下，例如以850°C?1100°C进行加热，从而使钎焊材料熔融，将固体电解质层23与分隔件12相接合。
[0080]之后，使用与上述相同的焊接治具装置，将互连器14激光焊接于燃料极框架13的表面35侧(背面侧)。在此，利用激光照射装置105，从互连器14侧照射激光LI。另外，由于互连器14比分隔件12厚，因此在将激光输出设为300W的状态下照射激光LI，将互连器14激光焊接于燃料极框架13。其结果，形成了构成燃料电池盒2的金属构件12?金属构件14的接合体。
[0081 ]然后，通过将金属构件12?金属构件14的接合体与空气极绝缘框架15重合层叠从而构成燃料电池盒2，并层叠多个该燃料电池盒2并一体化，从而形成燃料电池堆3。进而，使紧固螺栓5贯穿位于燃料电池堆3的四角的4个通孔4，使螺母(省略图示)旋装于紧固螺栓5的、自燃料电池堆3的下表面突出的下端部分。另外，使气体流通用紧固螺栓6贯穿剩余的4个通孔4，使螺母7旋装于气体流通用紧固螺栓6的、自燃料电池堆3的上表面和下表面突出的两端部分。其结果，在燃料电池堆3中固定有各个燃料电池盒2，从而完成燃料电池I。
[0082 ]因而，根据本实施方式，能够获得以下效果。
[0083](I)在本实施方式的燃料电池盒2中，在空气极绝缘框架15的部分形成有气体流路75、76，在各个气体流路75、76内，在分隔件12暴露的部位形成有焊接痕迹77。而且，借助于该焊接痕迹77，分隔件12暴露的部位固定于燃料极框架13。如此设置的话，即使在产生了燃料极框架13与分隔件12之间的热膨胀差的情况下，也能够防止气体流路75、76内的分隔件12的变形(鼓起等)。因此，能够避免像以往那样在气体流路75、76内分隔件12变形并阻碍反应气体的流动这样的问题。因而，能够避免氧化剂气体相对于单电池11的空气极12偏移流动，能够高效地进行氧化剂气体的分流。另外，由于在气体流路75、76内分隔件12不变形，因此也能够防止像以往那样由于分隔件12的变形导致的单电池11之间的短路。其结果，能够防止单电池11中的氧化剂气体的利用率的降低，能够良好地维持电池特性。
[0084](2)在本实施方式的燃料电池盒2中，分隔件12的厚度比互连器14的厚度薄。在该情况下，易于产生分隔件12的变形(鼓起等)，但是通过像本实施方式这样形成焊接痕迹77，从而能够将分隔件12固定于燃料极框架13，因此能够可靠地抑制气体流路75、76内的分隔件12的变形。
[0085](3)在本实施方式的燃料电池盒2中，线状的直线焊接痕迹77相对于气体流路75、76的延伸方向平行地进行设置。如此设置的话，能够利用焊接痕迹77不妨碍氧化剂气体的流动地将分隔件12可靠地固定于燃料极框架13。
[0086](4)在本实施方式的燃料电池盒2中，在分隔件12和燃料极框架13上形成有构成气体流路的孔部60(60a?60d)，通过焊接形成有对孔部60的周围进行密封的闭合回路形状的焊接痕迹71、72。而且，在气体流路75、76内，以与分支用孔部60d的周围的焊接痕迹72交叉的方式设有焊接痕迹77。在燃料电池盒2中，在分支用孔部60d附近施加有比较大的气体压力(在气体流路中流动的氧化剂气体的压力)。因此，通过像本实施方式这样以与分支用孔部60d的周围的焊接痕迹72交叉的方式形成焊接痕迹77，从而能够在施加有比较大的气体压力的部位将分隔件12可靠地固定于燃料极框架13，能够防止分隔件12的变形。
[0087](5)在本实施方式中，将分隔件12与燃料极框架13相接合的焊接是借助于光纤激光的焊接。在该情况下，能够将焦点对准较小的点尺寸，因此能够将焊接痕迹70?焊接痕迹72、焊接痕迹77的线宽设为0.1mm左右。因而，能够抑制热应变并且将分隔件12可靠地焊接于燃料极框架13，能够充分地确保燃料电池盒2的密封性。另外，通过使用光纤激光，能够实现激光照射装置105的小型化。
[0088](6)在本实施方式的焊接步骤中，沿着孔部60的周围照射激光LI并形成对孔部60的周围进行密封的闭合回路形状的激光焊接痕迹71、72。另外，此时，向气体流路75、76内的成为分隔件12暴露的部位的位置照射激光LI并形成焊接痕迹77。将分隔件12暴露的部位固定于燃料极框架13。如此的话，能够利用相同的激光焊接来进行孔部60周围的气体流路的密封与分隔件12的固定，因此能够高效地制造燃料电池盒2。另外，在本实施方式中，使用两种上治具101分两次进行激光焊接，分别焊接分支用孔部60d周围的激光焊接痕迹72中的纵线的部分和与其交叉的焊接痕迹77。如此的话，能够可靠地形成激光焊接痕迹72与焊接痕迹77之间的交叉部分。
[0089]另外，本发明的实施方式也可以像以下这样进行变更。
[0090].在上述实施方式的燃料电池盒2中，相对于一个气体流路75、76形成了一个焊接痕迹77，但是并不限定于此，如图8所示，也可以相对于一个气体流路81、82形成多个焊接痕迹83。具体地说，在图8所示的空气极绝缘框架15上形成有具有与孔部60b的长径相等的宽度的气体流路81、82。而且，在气体流路81、82中，在分隔件12暴露的部位形成有与气体流路81、82 (横孔部)的延伸方向平行的多个焊接痕迹83 ο即使如此，在气体流路81、82内，也能够将分隔件12暴露的部位可靠地固定于燃料极框架13，因此能够防止分隔件12的变形。
[0091].在上述实施方式的燃料电池盒2中，作为焊接部，形成了与气体流路75、76、81、82(横孔部)的延伸方向平行的线状的焊接痕迹77、83，但是如图9所示，也可以形成与气体流路81(横孔部)的延伸方向Yl垂直的线状的焊接痕迹85。而且，如图10所示，作为焊接部，也可以形成相对于气体流路81(横孔部)的延伸方向Yl倾斜的线状的焊接痕迹86。另外，如图11所示，作为焊接部，也可以形成与气体流路81(横孔部)的纵横方向交叉的网眼状的焊接痕迹87。而且，焊接部并不限定于线状的焊接痕迹，如图12所示，也可以在气体流路81(横孔部)的纵横方向上隔开预定间隔地呈点状形成多个焊接痕迹88。这样，通过相对于一个气体流路81形成多个焊接部85?焊接部88，从而能够在气体流路81内将分隔件12暴露的部位可靠地固定于燃料极框架13，能够防止气体流路81内的分隔件12的变形。
[0092].在上述实施方式的燃料电池盒2中，在每个气体流路75、76上形成了焊接痕迹77，但是并不限定于此，也可以以与多个气体流路75、76交叉的方式形成比较长的线状的焊接痕迹。另外，在该情况下，将线状的焊接痕迹形成为曲柄状、锯齿状并形成为其一部分在各个气体流路75、76中暴露。即使如此，也能够在气体流路75、76内将分隔件12暴露的部位固定于燃料极框架13，能够防止分隔件12的变形。
[0093]?在上述实施方式中，以相同的外形尺寸形成了燃料极框架13和空气极绝缘框架15，但是并不限定于此。例如，如图13所示，也可以配置为燃料极框架13的内端78突出到比空气极绝缘框架15的内端79靠电池侧的位置。在该情况下，如图14所示，在气体流路75、76内的分隔件12暴露的部位，以突出到比空气极绝缘框架15的内端79靠电池侧的方式形成有线状的焊接痕迹77。若如此形成焊接痕迹77，则在形成于空气极绝缘框架15的气体流路75的出口附近、气体流路76的入口附近，能够利用焊接痕迹77将分隔件12固定于燃料极框架13，能够可靠地防止分隔件12的变形。另外，如图15所示，也可以配置为空气极绝缘框架15的内端79突出到比燃料极框架13的内端78靠电池侧的位置。在该情况下，如图16所示，在气体流路75、76内的分隔件12暴露的部位，以不突出到比空气极绝缘框架15的内端79靠电池侧的方式形成有线状的焊接痕迹77。若如此形成焊接痕迹77，则能够避免针对未存在有燃料极框架13的部位进行激光焊接。
[0094].在上述实施方式中，通过使用了光纤激光的激光焊接形成了焊接痕迹77、83、85?88(焊接部)，但是除光纤激光以外，也可以通过使用了碳酸气体激光、YAG激光的激光焊接来形成焊接部。而且，除激光焊接以外，例如也可以利用无缝焊接(电阻焊接)、钎焊等其他方法来形成焊接部。
[0095]?在上述实施方式中，具体实施为固体氧化物燃料电池，但是除此以外也可以具体实施为熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)等其他燃料电池。
[0096]接着，除了权利要求书所记载的技术思想以外，以下还列举了通过上述实施方式掌握的技术思想。
[0097](I)在技术方案I中，燃料电池盒的特征在于，所述焊接部是通过所述焊接而形成的线状的焊接痕迹，并以多个所述焊接痕迹相交叉的方式进行设置。
[0098](2)在技术方案I中，燃料电池盒的特征在于，所述分隔件的厚度为0.04mm?
0.3mm ο
[0099](3)在技术方案I中，燃料电池盒的特征在于，形成有所述焊接部的所述气体流路是供所述氧化剂气体流动的流路。
[0100](4)在技术方案I中，燃料电池盒的特征在于，所述第I框架是使用金属板形成为矩形框状的金属制框架。
[0101](5)在技术方案I中，燃料电池盒的特征在于，所述第2框架是使用云母形成为矩形框状的云母制框架。
[0102](6)在技术方案I中，燃料电池盒的特征在于，以所述第I框架的内端突出到比所述第2框架的内端靠电池侧的方式进行配置，所述焊接部是以突出到比所述第2框架的内端靠所述电池侧的方式形成的线状的激光焊接痕迹。
[0103](7)在技术方案I中，燃料电池盒的特征在于，以所述第2框架的内端突出到比所述第I框架的内端靠电池侧的方式进行配置，所述焊接部是以不突出到比所述第2框架的内端靠所述电池侧的方式形成的线状的激光焊接痕迹。
[0104](8)在技术方案I中，燃料电池盒的特征在于，所述电解质层是包括固体氧化物的固体电解质层。
[0105](9)在技术方案2中，燃料电池堆的特征在于，形成于各个燃料电池盒的所述歧管是具有竖孔部和横孔部的气体流路，其中，所述竖孔部沿所述燃料电池盒的层叠方向延伸设置，所述横孔部连接于所述竖孔部并为了对与各个所述燃料电池单元相连的气体流路进行分支或集合而沿与所述层叠方向正交的方向延伸设置，所述焊接部形成于在所述横孔部内暴露的部位。
[0106](10)在技术思想(9)中，燃料电池堆的特征在于，所述焊接部具有相对于所述横孔部的延伸方向垂直的线状的激光焊接痕迹。
[0107](11)在技术思想(9)中，燃料电池堆的特征在于，所述焊接部具有相对于所述横孔部的延伸方向倾斜的线状的激光焊接痕迹。
[0108](12)在技术思想(9)中，燃料电池堆的特征在于，所述焊接部具有与纵横方向交叉并形成为网眼状的激光焊接痕迹。
[0109](13)在技术思想(9)中，燃料电池堆的特征在于，所述焊接部具有在纵横方向上隔开预定间隔地呈点状形成的焊接痕迹。
[0110](14)在技术思想(9)中，燃料电池堆的特征在于，所述焊接部具有以与多个所述横孔部交叉的方式形成的线状的激光焊接痕迹。
[0111](15)在技术方案I所记载的燃料电池盒的制造方法中，其特征在于，该燃料电池盒的制造方法包括:准备形成有构成所述气体流路的孔部的所述分隔件和所述第I框架、对齐所述孔部的位置并重合配置所述分隔件和所述第I框架的配置步骤；以及沿着所述孔部的周围照射激光从而形成对所述孔部的周围进行密封的闭合回路形状的激光焊接痕迹，并且对所述气体流路内的成为所述分隔件暴露的部位的位置照射激光从而形成将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骤。
[0112]附图标记说明
[0113]2…燃料电池盒;3…燃料电池堆；11...单电池；12...分隔件；13...作为第I框架的燃料极框架；14...互连器；15...作为第2框架的空气极绝缘框架；19...分隔件的一个表面;20...分隔件的另一个表面;21...空气极;22...燃料极;23...作为电解质层的固体电解质层;34...第I框架的一个表面;35…第I框架的另一个表面;50…作为气体流路的燃料供给路径;51…作为气体流路的燃料排出路径;60、60a?60d...孔部；72...闭合回路形状的焊接痕迹；75、
76、81、82."气体流路;77、83、85?88-作为焊接部的焊接痕迹;1^"激光。
【主权项】
1.一种燃料电池盒，其特征在于，该燃料电池盒是层叠如下构件而成的: 平板状的单电池，其具有燃料极、空气极以及电解质层； 框状的第I框架，其以包围所述单电池的侧面的方式进行配置； 分隔件，其接合于所述单电池的周缘部，并且配置于所述第I框架的一个表面，将与所述空气极相接触的氧化剂气体和与所述燃料极相接触的燃料气体分离；以及 板状的互连器，其在所述第I框架上配置于成为配置有所述分隔件的一个表面的背面侧的另一个表面； 所述分隔件和所述第I框架通过焊接相接合;并且 在所述分隔件还具有第2框架，该第2框架配置于成为配置有所述第I框架的一个表面的背面侧的另一个表面， 在所述第2框架的部分形成有供所述氧化剂气体和所述燃料气体流动的气体流路，该燃料电池盒具有焊接部，该焊接部在所述气体流路内形成于所述分隔件暴露的部位，从而将所述分隔件暴露的部位固定于所述第I框架。2.根据权利要求1所述的燃料电池盒，其特征在于， 作为相对于一个所述气体流路的所述焊接部，具有通过焊接而形成的多个焊接痕迹。3.根据权利要求1或2所述的燃料电池盒，其特征在于， 所述分隔件的厚度比所述互连器的厚度薄。4.根据权利要求1?3中任一项所述的燃料电池盒，其特征在于， 所述焊接部是通过焊接而形成的线状的焊接痕迹，相对于所述气体流路的延伸方向平行地进行设置。5.根据权利要求1?4中任一项所述的燃料电池盒，其特征在于， 在所述第I框架和所述分隔件上分别形成有构成供所述氧化剂气体和所述燃料气体流动的气体流路的孔部，并且通过焊接形成有对所述孔部的周围进行密封的闭合回路形状的焊接痕迹， 所述焊接部是通过所述焊接而形成的线状的焊接痕迹，并设置为与所述孔部的周围的焊接痕迹相交叉。6.根据权利要求1?5中任一项所述的燃料电池盒，其特征在于， 所述焊接是借助于激光的焊接。7.—种燃料电池堆，其特征在于，该燃料电池堆层叠了多个权利要求1?6中任一项所述的燃料电池盒。
【文档编号】H01M8/0273GK105917507SQ201580004893
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2015年1月13日
【发明人】谷村良二, 墨泰志, 堀田信行
【申请人】日本特殊陶业株式会社