DE102015100697B4

DE102015100697B4 - Brennstoffzellenkassette und Verfahren zur Herstellung derselben und Brennstoffzellenstapel

Info

Publication number: DE102015100697B4
Application number: DE102015100697.9A
Authority: DE
Inventors: Ltd. Yamamoto Takashi c/o NGK Spark Plug Co.; c/o NGK Spark Plug Co. Ltd. Tanimura Ryoji
Original assignee: Morimura SOFC Technology Co Ltd
Current assignee: Morimura SOFC Technology Co Ltd
Priority date: 2014-01-23
Filing date: 2015-01-19
Publication date: 2020-07-23
Anticipated expiration: 2035-01-20
Also published as: JP2015159106A; JP6100291B2; DE102015100697A1

Abstract

Brennstoffzellenkassette, gebildet durch Stapeln von:- einer plattenartigen Einzelzelle (11), die eine Anode (22), eine Kathode (21) und eine Elektrolytschicht (23) hat;- einem Rahmen (13, 15), der so angeordnet ist, dass er die Einzelzelle (11) seitlich umgibt;- einem mit einem peripheren Kantenteil der Einzelzelle (11) verbundenen Separator (12), der auf einer Fläche des Rahmens (13, 15) angeordnet und dafür ausgelegt ist, Oxidationsgas in Kontakt mit der Kathode (21) und Brenngas in Kontakt mit der Anode (22) voneinander zu trennen; und- einem plattenartigen Verbinder (14), der auf der anderen Fläche des Rahmens (13, 15) gegenüber der Fläche angeordnet, auf der der Separator (12) angeordnet ist; wobei die Brennstoffzellenkassette dadurch gekennzeichnet ist, dass- der Separator (12), der Rahmen (13, 15) und der Verbinder (14) durch Schweißen verbunden sind,- vom Rahmen (13, 15) und dem Separator (12) zumindest der Rahmen (13, 15) aus einem aluminiumhaltigen Metallwerkstoff gebildet ist, und der Verbinder (14) aus einem aluminiumfreien Metallwerkstoff gebildet ist, der im Wesentlichen kein Aluminium enthält, und- Schweißnähte, die den Separator (12) und den Rahmen (13, 15) verbinden, und Schweißnähte, die den Rahmen (13, 15) und den Verbinder (14) verbinden, Aluminium enthalten.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenkassette, in der eine Einzelzelle, ein Separator, ein Rahmen und ein Verbinder (Englisch: „Interconnector“) gestapelt sind, einen Brennstoffzellenstapel, in dem mehrere Brennstoffzellenkassetten gestapelt sind, und ein Verfahren zum Herstellen der Brennstoffzellenkassette.
Vorbekannter Stand der Technik
Herkömmlicherweise ist eine feste Oxidbrennstoffzelle (SOFC), die zum Beispiel eine feste Elektrolytschicht (feste Oxidschicht) umfasst, als Brennstoffzellenvorrichtung bekannt. Solch eine Brennstoffzellenvorrichtung umfasst einen Brennstoffzellenstapel, der aus gestapelten Einzelzellen besteht, wobei jede dieser eine kleinste Einheit zum Erzeugen von elektrischer Energie ist. Die Einzelzelle hat eine Kathode, eine Anode und eine feste Elektrolytschicht und erzeugt elektrische Energie durch elektrizitätserzeugende Reaktionen. Im Brennstoffzellenstapel sind neben den Einzelzellen Rahmen, Separatoren, Verbinder usw. gestapelt.
Der Rahmen ist zu einer Rahmenform aus rostfreiem Stahl oder dergleichen geformt und umgibt seitlich die Einzelzelle. Der Separator ist zu einer quadratischen Rahmenform aus rostfreiem Stahl oder dergleichen geformt und hat einen zentralen Öffnungsabschnitt, in dem die Einzelzelle angeordnet ist. Obwohl die Einzelzelle im Öffnungsabschnitt des Separators angeordnet ist, ist der Separator mit einem peripheren Kantenabschnitt der Einzelzelle verbunden. Der Separator fungiert zwischen den Einzelzellen als eine Trennplatte zum Definieren einer Luftkammer und einer Brennstoffkammer, in die jeweilige Reaktionsgase (Oxidationsgas und Brennstoffgas) eingebracht werden. Des Weiteren ist der Verbinder als plattenartige Form aus einem elektrisch leitfähigen Material ausgebildet, wie zum Beispiel aus rostfreiem Stahl, und befindet sich auf jeder der entgegengesetzten Seiten der Einzelzelle in Bezug auf die Richtung der Stärke der Einzelzelle. Die Verbinder ermöglichen eine elektrische Kommunikation zwischen den Einzelzellen.
Übrigens nutzt eine herkömmliche Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung (siehe zum Beispiel JP 2009 009802 A ) im Allgemeinen eine Kompressionsdichtung, um darin für eine Dichtung zu sorgen. Bei einer Kompressionsdichtung kann jedoch ein Austreten von Reaktionsgasen auftreten, und sie bereitet bezüglich der Verschlechterung der Nutzungsrate von Reaktionsgasen als Ergebnis der starken Verformung der Separatoren usw. Schwierigkeiten.
JP 2011 161450 A offenbart eine Brennstoffzellenvorrichtung, in der Separatoren durch Schweißen verbunden werden. Metallelemente (Separatoren, Rahmen, Verbinder usw.) des Brennstoffzellenstapels werden geschweißt, um verbundene Baugruppen (Brennstoffzellenkassetten) zu bilden, wodurch sie das Austreten von Reaktionsgasen verhindern.
Der Brennstoffzellenstapel besitzt Gasströmungskanäle, die darin in vielerlei Form gebildet sind, um das Fließen von Reaktionsgasen zu ermöglichen. Speziell erstrecken sich im Brennstoffzellenstapel die Gasströmungskanäle durch denselben in Richtung der Stapeleinzelzellen und sind mit den Einzelzellen (durch Abzweigen oder Vereinigen) verbunden. Das heißt, die Separatoren, Rahmen und die Verbinder haben mehrere Lochabschnitte, die darin gebildet sind und sich durch dieselben zum Bilden von Gasströmungskanälen erstrecken. Beim Verbinden des Separators, des Rahmens und des Verbinders zum Bilden von einzelnen Brennstoffzellenkassetten wird Laserschweißen rund um die Lochteile zum Abdichten ausgeführt, wodurch die Gasströmungskanäle abgedichtet werden. Da die Breite des Laserschweißens lediglich etwa 0,1 mm beträgt, können die Elemente verbunden werden, während die thermische Verformung beschränkt ist.
DE 10 2010 013 351 A1 beschreibt ein Kontaktelement für Ableiter galvanischer Zellen.
Kurzdarstellung der Erfindung
Problem, das die Erfindung lösen soll
Übrigens werden Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtungen bei 1.000 °C für einen Hochtemperaturtyp betrieben und bei 700 °C bis 800 °C für einen Mitteltemperaturtyp betrieben. Da eine als Laserschweißung ausgebildete Schweißung eine geringe Breite hat, erzeugt die Verwendung in einer solchen Hochtemperaturumgebung Sorgen in Bezug auf das Entstehen eines Lochs in der Schweißstelle als Ergebnis von Korrosion. Wenn sich der Schweißnaht ein Loch öffnet, tritt/treten Reaktionsgas(e) aus der Kassette durch das Loch aus, was zum Versagen bei der effizienten Erzeugung von elektrischer Energie führt.
Die vorliegende Erfindung ist in Hinblick auf das obige Problem konzipiert worden, und es ist ein Ziel der Erfindung, eine Brennstoffzellenkassette und einen Brennstoffzellenstapel bereitzustellen, der gute Zellenmerkmale durch Erhöhung des Korrosionswiderstandes der Separator, Rahmen und Verbinder verbindenden Schweißnähte aufrechterhalten kann. Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzellenkassette bereitzustellen, das sich zum Herstellen der oben genannten Brennstoffzellenkassette eignet.
Mittel zur Lösung des Problems
Ein Mittel (Mittel 1) zum Lösen des oben genannten Problems stellt eine durch Stapeln ausgebildete Brennstoffzellenkassette bereit, aufweisend eine plattenartige Einzelzelle, die eine Anode, eine Kathode und eine Elektrolytschicht hat, einen Rahmen, der so angeordnet ist, dass er die Einzelzelle seitlich umgibt, einen mit einem peripheren Kantenteil der Einzelzelle verbundenen Separator, der auf einer Fläche des Rahmens angeordnet ist und dafür ausgelegt ist, das Oxidationsgas in Kontakt mit der Kathode und das Brennstoffgas in Kontakt mit der Anode voneinander zu trennen, und einen plattenartigen Verbinder, der auf der anderen Fläche des Rahmens gegenüber der einen Fläche angeordnet ist, auf der der Separator angeordnet ist. Die Brennstoffzellenkassette ist dadurch gekennzeichnet, dass der Separator, der Rahmen und der Verbinder sind durch Schweißen verbunden sind, vom Rahmen und dem Separator ist zumindest der Rahmen aus einem aluminiumhaltigen Metallwerkstoff gebildet ist, und der Verbinder aus einem aluminiumfreien Metallwerkstoff gebildet ist, das im Wesentlichen kein Aluminium enthält, und Schweißnähte, die den Separator und den Rahmen verbinden, und Schweißnähte, die den Rahmen und den Verbinder verbinden, Aluminium enthalten.
Gemäß der Erfindung, die in Mittel 1 beschrieben wird, kann daher der Korrosionswiderstand der Schweißnähte erhöht werden, da Schweißnähte zwischen dem Separator, dem Verbinder und dem Rahmen Aluminium enthalten. Außerdem, da der Verbinder aus einem aluminiumfreien Metallwerkstoff gebildet ist, wird kein Oxidfilm des Aluminiumoxids auf der Oberfläche des Verbinders gebildet, selbst wenn die Brennstoffzellenkassette eine hohe Temperatur im Zuge der Elektrizitätserzeugung hat. Daher kann der Verbinder einen guten elektrischen Widerstand aufrechterhalten, und die elektrische Verbindung kann zwischen den Einzelzellen zuverlässig hergestellt werden.
Insbesondere gibt in der vorliegenden Erfindung der „aluminiumfreie Metallwerkstoff“ einen Metallwerkstoff an, der im Wesentlichen kein Aluminium enthält. Dabei ist der Ausdruck „der im Wesentlichen kein Aluminium enthält“ als „ein Aluminiumgehalt, der mittels eines ICP-Analysators gemessen wird, beträgt weniger als 0,3 Gew-%“ definiert. Im Gegensatz dazu ist der Ausdruck „das Aluminium enthält“ als „ein Aluminiumgehalt, der mittels eines ICP-Analysators gemessen wird, beträgt 0,3 Gew-% oder mehr“ definiert. Auch wenn ein Metallwerkstoff Aluminium in einer sehr kleinen Menge enthält, wenn die Menge auf dem Niveau von Verunreinigungen ist, die im Lauf der Herstellung des Metallwerkstoffs hineingelangt sind, kann das Metallwerkstoff als aluminiumfreier Metallwerkstoff in der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Spezieller gesagt, kann ein Metallwerkstoff, der frei von Bildung eines Oxidfilms von Aluminiumoxid auf seiner Oberfläche ist und frei von einer Änderung im elektrischen Widerstand ist, wenn die Brennstoffzellenkassette eine hohe Temperatur im Verlauf der Elektrizitätserzeugung hat, als aluminiumfreier Metallwerkstoff verwendet werden.
Der Oxidfilm wird auf den Flächen der Schweißnähte zusammen mit dem Oxidfilm gebildet, der auf einer Oberfläche des Rahmens gebildet wird. Aufgrund einer solchen Bildung des Oxidfilms kann der Korrosionswiderstand der Schweißnähte zuverlässiger erhöht werden.
Der aluminiumhaltige Metallwerkstoff enthält Aluminium in einer Konzentration von 1 % Massenanteil bis 10 % Massenanteil. Wenn der Aluminiumgehalt des aluminiumhaltigen Metallwerkstoffs kleiner als 1 % Massenanteil ist, wird der Oxidfilm nicht auf den Flächen der Schweißnähte gebildet, was zu einer Verschlechterung des Korrosionswiderstandes der Schweißnähte führt. Wenn der Aluminiumgehalt des aluminiumhaltigen Metallwerkstoffs mehr als 10 % Massenanteil beträgt, werden der Rahmen und der Separator weich, was zu einer Verschlechterung der Festigkeit derselben führt. Durch Verwendung eines aluminiumhaltigen Metallwerkstoffs mit einem Aluminiumgehalt von 1 % Massenanteil bis 10 % Massenanteil zum Bilden des Rahmens und des Separators, können der Rahmen und der Separator eine ausreichende Festigkeit besitzen, wobei der Korrosionswiderstand der Schweißnähte gesichert ist.
Schweißen zum Verbinden des Rahmens, des Separators und des Verbinders kann durch Verwenden eines Laserstrahls ausgeführt werden. Ein Faserlaser kann zum Erzeugen eines Laserstrahls verwendet werden. Da das Schweißen unter Verwendung des Faserlasers auf einen kleinen Punkt fokussiert werden kann, kann die Linienbreite einer Schweißspur 0,2 mm oder weniger betragen. Dadurch dass die thermische Verformung beschränkt ist, können daher der Separator und der Verbinder zuverlässig am Rahmen angeschweißt werden. Als Alternative zum Laserschweißen kann auch das Widerstandsschweißen oder dergleichen eingesetzt werden.
Eine Schweißnaht, die den Rahmen und den Verbinder verbindet, wird durch Vereinigung eines aluminiumhaltigen Metallwerkstoffs und eines aluminiumfreien Metallwerkstoffs gebildet. Der Aluminiumgehalt der Schweißnaht ist also geringer als der des Rahmens, der aus einem aluminiumhaltigen Metallwerkstoff gebildet wird.
Der Separator und der Rahmen können aus einem aluminiumhaltigen Metallwerkstoff gebildet werden. In diesem Fall hat eine Schweißnaht zwischen dem Verbinder und dem Rahmen einen niedrigeren Aluminiumgehalt als eine Schweißnaht zwischen dem Separator und dem Rahmen.
Speziell ist der Aluminiumgehalt einer Schweißnaht zwischen dem Separator und dem Rahmen gleich dem des aluminiumhaltigen Metallwerkstoffs, und der Aluminiumgehalt einer Schweißnaht zwischen dem Verbinder und dem Rahmen beträgt etwa die Hälfte des Aluminiumgehalts des aluminiumhaltigen Metallwerkstoffs.
Ein weiteres Mittel (Mittel 2) zum Lösen des obigen Problems stellt einen Brennstoffzellenstapel bereit, der durch Stapeln mehrerer Brennstoffzellenkassetten gemäß Mittel 1 gekennzeichnet ist.
Gemäß der Erfindung, die in Mittel 2 beschrieben wird, haben Schweißnähte in den Brennstoffzellenkassetten einen erhöhten Korrosionswiderstand. Daher tritt kein Austritt von Reaktionsgasen auf, wodurch gute Zellenmerkmale aufrechterhalten werden können.
Ein weiteres Mittel (Mittel 3) zum Lösen des obigen Problems stellt ein Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzellenkassette gemäß Mittel 1 bereit, wobei die Brennstoffzellenkassette darin gebildete Gasströmungskanäle hat, um das Fließen des Oxidationsgases und des Brennstoffgases durch die Gasströmungskanäle ermöglichen zu können. Das Verfahren ist durch Folgendes gekennzeichnet: Einen Anordnungsschritt des Vorbereitens des Rahmens und des Verbinders, die Lochabschnitte haben, welche die Gasströmungskanäle darstellen, Übereinanderlegen des Rahmens und des Verbinders, wobei entsprechende Lochabschnitte zueinander ausgerichtet sind, und ein Schweißschritt, wobei ein Laserstrahl entlang der Umfänge der Lochabschnitte ausgestrahlt wird, um in sich geschlossene Schweißnähte zum Abdichten der Umfänge der Lochabschnitte auszubilden.
Gemäß der Erfindung, die in Mittel 3 beschrieben wird, werden der Rahmen und der Verbinder im Anordnungsschritt übereinander gelegt, während die entsprechenden Lochabschnitte, die dafür ausgelegt sind, die Gasströmungskanäle darzustellen, zueinander ausgerichtet sind. Im Schweißschritt wird dann ein Laserstrahl entlang den Umfängen der Lochabschnitte geführt, um in sich geschlossene Schweißnähte zum Abdichten der Umfänge der Lochabschnitte zu bilden. Zu dieser Zeit werden in den Schweißnähten ein aluminiumhaltiger Metallwerkstoff und ein aluminiumfreier Metallwerkstoff verschmolzen und durchmischt; im Ergebnis dessen werden die Schweißnähte in einem solchen Zustand gebildet, so dass sie Aluminium enthalten. Wenn anschließend die Brennstoffzellenkassette eine hohe Temperatur im Verlauf der Elektrizitätserzeugung aufweist, wandert Aluminium, das in den Schweißnähten enthalten ist, zur Oberfläche der Schweißnähte und wird auf der Oberfläche oxidiert. Im Ergebnis dessen können die Schweißnähte einen erhöhten Korrosionswiderstand aufweisen, da ein Oxidfilm des Aluminiums auf der Oberfläche der Schweißnähte gebildet wird.
Beim Schweißschritt können die Schweißnähte durch Ausstrahlung des Laserstrahls von einer Verbinderseite aus gebildet werden. Selbst wenn das Laserschweißen von der aluminiumfreien Verbinderseite aus ausgeführt wird, werden auf diese Weise ein aluminiumhaltiges Metallwerkstoff und ein aluminiumfreier Metallwerkstoff miteinander verschmolzen und durchmischt; im Ergebnis dessen werden die Schweißnähte in einem solchen Zustand gebildet, dass sie Aluminium enthalten.
Während die entsprechenden Lochabschnitte zueinander ausgerichtet sind, können im Anordnungsschritt die drei Elemente Separator, Rahmen und Verbinder übereinander gelegt werden. In diesem Fall, kann im Schweißschritt ein Laserstrahl entlang von Umfängen der Lochabschnitte ausgestrahlt werden, um so in sich geschlossene Schweißnähte zum Abdichten der Umfänge der Lochabschnitte zu bilden und gleichzeitig die drei Elemente miteinander zu verbinden. In den so gebildeten Schweißnähten wird ein aluminiumhaltiger Metallwerkstoff und ein aluminiumfreier Metallwerkstoff verschmolzen und vermischt; im Ergebnis dessen werden die Schweißnähte in einem solchen Zustand gebildet, so dass sie Aluminium enthalten. Da ein Aluminiumoxidfilm auf den Flächen der Schweißnähte gebildet wird, können daher die Schweißnähte in ihrem Korrosionswiderstand verstärkt werden.
Figurenliste

1: Eine perspektivische Ansicht, die eine schematische Konfiguration einer Brennstoffzellenvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
2: Eine Schnittansicht entlang der Linie A-A von 1.
3: Eine Explosionsschnittansicht, die eine schematische Konfiguration einer Brennstoffzellenkassette zeigt.
4: Eine Draufsicht auf die Brennstoffzellenkassette, die Schweißnähte in einem Separator zeigt.
5: Eine Schnittansicht der Brennstoffzellenkassette, die Schweißnähte zeigt.
6: Eine Schnittansicht, die eine Schweißvorrichtung zeigt.
7: Ein erläuterndes Diagramm, das die Messergebnisse des Aluminiumgehalts in Schweißnähten zeigt.
8: Ein erläuterndes SEM-Gefügebild einer Schweißnaht zwischen einem Anodenrahmen und einem Verbinder.

Ausführungsformen der Erfindung
Als Nächstes wird eine Brennstoffzellenvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Detail mit Verweis auf die Zeichnungen beschrieben.
Wie in den 1 und 2 gezeigt, ist eine Brennstoffzellenvorrichtung 1 der vorliegenden Ausführungsform eine Festoxid-Brennstoffzellen- (SOFC)-Vorrichtung. Die Brennstoffzellenvorrichtung 1 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 3, in dem mehrere (z.B. 20) Brennstoffzellenkassetten 2 gestapelt sind. Der Brennstoffzellenstapel 3 hat eine im Wesentlichen rechteckige Parallelepipedsform, deren Maße 180 mm Länge x 180 mm Breite x 80 mm Höhe sind. Zudem, hat der Brennstoffzellenstapel 3 acht Löcher 4, die sich in der Richtung der Stärke desselben hindurch erstrecken. Bolzen 5 sind durch die jeweiligen vier Löcher 4 eingeführt, die sich an vier Ecken des Brennstoffzellenstapels 3 befinden, und Muttern (nicht dargestellt) sind mittels Gewinde mit den jeweiligen unteren Endteilen der Ankerbolzen 5 verbunden, die aus der unteren Fläche des Brennstoffzellenstapels 3 herausragen. Weiterhin, werden Gasströmungsankerbolzen 6 durch die übrigen vier Löcher 4 eingeführt, und die Muttern 7 sind über Gewinde mit den jeweiligen gegenüberliegenden Endteilen der Gasströmungsankerbolzen 6 verbunden die aus den oberen und unteren Flächen des Brennstoffzellenstapels 3 herausragen. Im Ergebnis dessen werden im Brennstoffzellenstapel 3 mehrere Brennstoffzellenkassetten 2 befestigt.
Wie in den 2 und 3 gezeigt, wird jede der Brennstoffzellenkassetten 2 zu einer verbundenen Baugruppe, die durch Stapeln einer plattenartigen Einzelzelle 11, welche eine Minimaleinheit zum Erzeugen von elektrischer Energie ist und mittels eines Separators 12, eines Anodenrahmens 13 und eines Verbinders 14 und Verbinden der Elemente durch Schweißen gebildet wird. In den benachbarten Brennstoffzellenkassetten 2 kommt ein kathodenisolierender Rahmen 15 zwischen den Separator 12 von einer Brennstoffzellenkassette 2 (in 2 der unteren Brennstoffzellenkassette) und dem Verbinder 14 der anderen Brennstoffzellenkassette 2 (in 2 der oberen Brennstoffzellenkassette).
Die Einzelzelle 11 hat eine Kathode 21, eine Anode 22 und eine feste Elektrolytschicht 23 und erzeugt elektrische Energie durch elektrizitätserzeugende Reaktionen. Der Verbinder 14 wird zu einer im Wesentlichen quadratischen Plattenform gebildet aus einem elektrisch leitfähigen Material, das eine Stärke von etwa 0,8 mm hat. Der Verbinder 14 ist auf der anderen Fläche 35 (in 2 der unteren Fläche) des Anodenrahmens 13 gegenüber einer Fläche 34 (in 2 der oberen Fläche) des Anodenrahmens 13 angeordnet, auf der der Separator 12 angeordnet ist. Im Fall des Brennstoffzellenstapels 3, in dem mehrere Brennstoffzellenkassetten 2 gestapelt sind, sind zwei Verbinder 14 auf jeweiligen gegenüberliegenden Seiten jeder der Einzelzellen 11 in Bezug auf die Dickenrichtung der Einzelzellen 11 angeordnet.
Der Verbinder 14 der vorliegenden Ausführungsform wird aus einer ferritischen Legierung gebildet, die kein Aluminium enthält (aluminiumfreier Metallwerkstoff, wie zum Beispiel Crofer22H). Die Verbinder 14 bilden Gasströmungskanäle und stellen eine elektrische Kommunikation zwischen den benachbarten Einzelzellen 11 her. Der Verbinder 14, der zwischen den benachbarten Einzelzellen 11 angeordnet ist, trennt die benachbarten Einzelzellen 11 voneinander. Entgegengesetzte Endplatten 8 und 9 halten den Brennstoffzellenstapel 3 dazwischen und fungieren als Ausgabeklemmen die Abgabe von elektrischem Strom aus dem Brennstoffzellenstapel 3. Die Endplatten 8 und 9 sind dicker als der Verbinder 14.
Der Separator 12 hat eine Stärke von 0,1 mm und ist zu einer im Wesentlichen quadratischen Form gebildet, die einen zentralen quadratischen Öffnungsteil 32 hat. In der vorliegenden Ausführungsform ist der Separator 12 aus ferritischem rostfreiem Stahl gebildet, der Aluminium in einer Konzentration von 3 % Massenanteil enthält (aluminiumhaltiger Metallwerkstoff, wie zum Beispiel NCA-1). Der Separator 12 ist mit einem peripheren Kantenteil der Einzelzelle 11 (Festelektrolytschicht 23) durch Hartlöten unter Verwendung eines Hartlötmaterials verbunden, das Silber enthält, und ist auf einer Fläche 34 (in 2 die obere Fläche) des Anodenrahmens 13 angeordnet. Der Separator 12 fungiert als Trennplatte zwischen den Zellen 11 und trennt das Oxidationsgas (Luft) in Kontakt mit der Kathode 21 und das Brenngas in Kontakt mit der Anode 22 voneinander.
Der Kathodenisolierrahmen 15 wird aus einem Glimmerblatt mit einer Stärke von etwa 1,0 mm in eine im Wesentlichen quadratische Form gebracht. Der Kathodenisolierrahmen 15 hat einen zentralen quadratischen Öffnungsteil 37, der sich durch die Stärke desselben erstreckt.
Der Anodenrahmen 13 wird aus einer Metallplatte aus zum Beispiel rostfreiem Stahl mit einer Stärke von etwa 2 mm zu einem im Wesentlichen quadratischen Rahmen geformt und ist so angeordnet, dass er die Einzelzelle 11 seitlich umgibt. Speziell hat der Anodenrahmen 13 einen zentralen quadratischen Öffnungsteil 31, der sich in der Stärkenrichtung durch denselben erstreckt, und die Einzelzelle 11 ist in dem Öffnungsteil 31 angeordnet. In der vorliegenden Ausführungsform ist der Anodenrahmen 13 aus demselben Material geformt wie dem, das zum Bilden des Separators 12 verwendet wird. Speziell ist der Anodenrahmen 13 aus ferritischem rostfreiem Stahl gebildet, der Aluminium in einer Konzentration von 3 % Massenanteil enthält (z.B. NCA-1).
Die Festelektrolytschicht 23, die teilweise die Einzelzelle 11 darstellt, ist eine im Wesentlichen quadratische Platte, die eine Stärke von 0,01 mm hat und aus einem keramischen Material (Oxid) gebildet ist, wie zum Beispiel yttrium-stabilisiertes Zirkonoxid /YSZ). Die Festelektrolytschicht 23 ist an der unteren Fläche des Separators 12 befestigt und ist so angeordnet, dass sie den Öffnungsteil 32 des Separators 12 abdeckt. Die Festelektrolytschicht 23 fungiert als Sauerstoffionen leitendes Festelektrolytelement.
Die Kathode 21, die in Kontakt mit dem Oxidationsgas kommt, das dem Brennstoffzellenstapel 3 zugeführt wird, ist an der oberen Fläche der Festelektrolytschicht 23 befestigt, und die Anode 22, die in Kontakt mit dem Brenngas kommt, welches dem Brennstoffzellenstapel 3 zugeführt wird, ist an der unteren Fläche der Festelektrolytschicht 23 befestigt. Das heißt, die Kathode 21 und die Anode 22 sind auf den entsprechenden entgegengesetzten Seiten der Festelektrolytschicht 23 angeordnet. Die Kathode 21 ist im Öffnungsteil 32 des Separators 12 derart angeordnet, dass sie nicht in Kontakt mit dem Separator 12 kommt. In der vorliegenden Ausführungsform definieren der Öffnungsteil 31 des Anodenrahmens 13, der Verbinder 14 usw. eine Brennstoffkammer 17 unter dem Separator 12, während der Öffnungsteil 37 des Kathodenisolierrahmens 15, der Verbinder 14 usw. eine Luftkammer 18 oberhalb des Separators 12 definieren.
In der Einzelzelle 11 der vorliegenden Ausführungsform ist die Kathode 21 eine quadratische Platte, die aus LSCF (La_0,6 Sr_0,4 Co_0,2 Fe_0,8 O₃) gebildet ist, welches ein komplexes metallisches Oxid ist.
Zudem, ist die Anode 22 eine quadratische Platte, die aus einer Mischung von Nickel und yttria-stabilisiertem Zirkonoxid (Ni-YSZ) gebildet ist. In der Einzelzelle 11 fungiert die Kathode 21 als Kathodenschicht, und die Anode 22 fungiert als Anodenschicht. Die Kathode 21 ist elektrisch mit dem Verbinder 14 durch einen kathodenseitigen Stromkollektor 38 verbunden, und die Anode 22 ist elektrisch mit dem Verbinder 14 durch einen anodenseitigen Stromkollektor 39 verbunden.
Der Brennstoffzellenstapel 3 (Brennstoffzellenkassetten 2) hat Gasströmungskanäle, die darin gebildet sind, damit das Oxidationsgas und das Brenngas durch die Gasströmungskanäle strömen können. Wie in 2 gezeigt, hat der Brennstoffzellenstapel 3 spezifisch als Gasströmungskanäle einen Brennstoffzufuhrdurchlass 50 für die Zufuhr von Brenngas zu dem Brenngaskammern 17 der Einzelzellen 11 und einen Brennstoffentleerungsdurchlass 51 zum Entleeren von Brenngas aus den Brennstoffkammern 17. Der Brennstoffzufuhrdurchlass 50 setzt sich aus einem Brennstoffzufuhrloch 52, das sich axial in der Mitte des entsprechenden Gassflussankerbolzen 6 erstreckt, und Brennstoffzufuhrseitenlöchern 53 zusammen, die eine Kommunikation zwischen dem Brennstoffzufuhrloch 52 und den Brennstoffkammern 17 herstellen. Der Brennstoffentleerungsdurchlass 51 setzt sich aus einem Brennstoffentleerungsloch 54, das sich axial in der Mitte des entsprechenden Gassflusszugbolzen 6 erstreckt, und Brennstoffentleerungsseitenlöchern 55 zusammen, die eine Kommunikation zwischen dem Brennstoffentleerungsloch 54 und den Brennstoffkammern 17 herstellen. Daher strömt das Brenngas nacheinander das Brennstoffzufuhrloch 52 und die Brennstoffzufuhrseitenlöcher 53, um dadurch den Brennstoffkammern 17 zugeführt zu werden, und strömt dann nacheinander durch die Brennstoffentleerungsseitenlöcher 55 und das Brennstoffentleerungsloch 54, um so aus den Brennstoffkammern 17 entfernt zu werden.
Des Weiteren hat der Brennstoffzellenstapel 3 als Gasströmungskanäle einen Luftzufuhrdurchlass (nicht dargestellt) zum Zuführen von Luft zu den Luftkammern 18 der Einzelzellen 11 und einen Luftentleerungsdurchlass (nicht dargestellt) zum Entleeren von Luft aus den Luftkammern 18. Der Luftzufuhrdurchlass hat eine Struktur, die im Wesentlichen der des Brennstoffzufuhrdurchlasses 50 ist, und besteht aus einem Luftzufuhrloch (nicht dargestellt), das sich axial in der Mitte des entsprechenden Gasflussankerbolzens 6 erstreckt, und Luftzufuhrseitenlöchern (nicht dargestellt), die eine Kommunikation zwischen dem Luftzufuhrloch und den Luftkammern 18 herstellen. Der Luftentleerungsdurchlass hat eine Struktur, die im Wesentlichen der des Brennstoffentleerungsdurchlasses 51 ist, und besteht aus einem Luftentleerungsloch (nicht dargestellt), das sich axial in der Mitte des entsprechenden Gasflussankerbolzens 6 erstreckt, und Luftentleerungsseitenlöchern (nicht dargestellt), die eine Kommunikation zwischen dem Luftentleerungsloch und den Luftkammern 18 herstellen. Daher strömt Luft nacheinander durch das Luftzufuhrloch und die Luftzufuhrseitenlöcher und wird so den Luftkammern 18 zugeführt und strömt dann nacheinander durch die Luftentleerungsseitenlöcher und das Luftentleerungsloch und wird so aus den Luftkammern 18 entleert.
In der vorliegenden Ausführungsform werden flachplattenartige Metallelemente der Brennstoffzellenkassette 2, wie zum Beispiel der Separator 12, der Anodenrahmen 13 und der Verbinder 14, durch Laserschweißen verbunden. 4 zeigt Schweißnähte 70 und 71 zwischen dem Separator 12 und dem Anodenrahmen 13 in der Brennstoffzellenkassette 2, wie von der Seite des Separators 12 aus gesehen.
Wie in 4 gezeigt, hat der Separator 12 zusätzlich zum zentralen Öffnungsteil 32 mehrere Lochabschnitte 60, die in einem peripheren Kantenbereich gebildet sind und sich durch denselben erstrecken. Der Anodenrahmen 13, der Verbinder 14 und der Kathodenisolationsrahmen 15 haben auch mehrere Lochabschnitte 60, die an denselben Positionen gebildet sind, wie die des Separators 12, und sich dort hindurch erstrecken (siehe 3). Die Lochabschnitte 60 stellen teilweise die Durchgangslöcher 4 dar (siehe 2), durch die die Ankerbolzen 5 bzw. die Gasflussankerbolzen 6 eingeführt werden, und umfassen kreisförmige Lochabschnitte 60a und elliptische Lochabschnitte 60b.
Die elliptischen Lochabschnitte 60b, die im Separator 12, dem Anodenrahmen 13 usw. gebildet sind, sind zum Bilden der oben erwähnten Gasströmungskanäle ausgelegt. Spezieller gesagt, ist von den oberen und unteren elliptischen Lochabschnitten 60b, die im Separator 12 in 4 gebildet sind, der obere dafür ausgelegt, einen Gasströmungskanal für die Zufuhr von Brenngas (Brennstoffzufuhrdurchlass 50) zu bilden, und der untere ist dafür ausgelegt, einen Gasströmungskanal zum Entleeren von Brenngas (Brennstoffentleerungsdurchlass 51) zu bilden. Von den linken und rechten elliptischen Lochabschnitten 60b, die im Separator 12 gebildet sind, ist der linke dafür ausgelegt, einen Gasströmungskanal für die Zufuhr von Oxidationsgas (Luftzufuhrdurchlass) zu bilden, und der rechte ist dafür ausgelegt, einen Gasströmungskanal zum Entleeren von Oxidationsgas (Luftentleerungsdurchlass) zu bilden.
Wie in den 4 und 5 gezeigt, wird eine in sich geschlossene Schweißnaht 70 (lineare Laserschweißspur) durch Laserschweißen an einem äußeren peripheren Teil 65 des Separators 12 gebildet, um den Separator 12 mit dem Anodenrahmen 13 zu verbinden. Des Weiteren werden in sich geschlossene Schweißnähte 71 (lineare Laserschweißspuren) durch Laserschweißen um die entsprechenden Lochabschnitte 60 (60a und 60b) des Separators 12 gebildet. In ähnlicher Weise werden die in sich geschlossenen Schweißnähte 72 und 73 durch Laserschweißen im Verbinder 14 zum Verbinden des Verbinders 14 mit dem Anodenrahmen 13 gebildet.
Im Verbinder 14 hat ein Teil, bei dem die Schweißnähte 72 und 73 durch Laserschweißen gebildet werden, eine Stärke T1 (=0,55 mm), die geringer als eine Stärke T2 (=0,8 mm) des anderen Teils ist. Da der Verbinder 14 stärker als der Separator 12 ist, hat der Verbinder 14 eine Stufe 75 zum Reduzieren der Stärke des Teils, wo die Schweißnähte 72 und 73 gebildet werden, wodurch das Verbinden durch Laserschweißen zuverlässig ausgeführt werden kann. Raupen (Ablagerungen) werden an den Schweißnähten 72 und 73 im Verbinder 14 gebildet, haben aber eine geringere Höhe als die Stufe. Dank solcher grundlegenden Merkmale sorgen die Schweißnähte 72 und 73 zuverlässig für eine Abdichtung. Die Breiten der Schweißnähte 70 bis 73 auf der Oberfläche des Verbinders 14 und auf der Oberfläche des Separators 12 betragen etwa 0,1 mm, und die Schweißnähte 70 bis 73 erstrecken sich bis zu einer Tiefe von etwa 70 µm von der Oberfläche des Anodenrahmens 13 aus.
In der vorliegenden Ausführungsform enthalten die Schweißnähte 72 und 73 zwischen dem Verbinder 14 und dem Anodenrahmen 13 Aluminium in einer Konzentration von 1,5 % Massenanteil. Auch die Schweißnähte 70 und 71 zwischen dem Separator 12 und dem Anodenrahmen 13 enthalten Aluminium in einer Konzentration von 3 % Massenanteil. Das heißt, der Aluminiumgehalt der Schweißnähte 72 und 73 auf der Seite des Verbinders 14 ist halb so groß wie der Aluminiumgehalt des Anodenrahmens 13, und der Aluminiumgehalt der Schweißnähte 70 und 71 auf der Seite des Separators 12 ist gleich dem des Separators 12 und des Anodenrahmens 13.
Wie in 5 gezeigt, wird ein Oxidfilm 76 des Aluminiumoxids in der vorliegenden Ausführungsform auf den Oberflächen der Schweißnähte 72 und 73 gebildet, die den Verbinder 14 und den Anodenrahmen 13 verbinden. Der Oxidfilm 76 auf den Schweißnähten 72 und 73 werden integral mit dem Oxidfilm 76 gebildet, der auf der Oberfläche des Anodenrahmens 13 gebildet ist. In ähnlicher Weise wird der Oxidfilm 76 des Aluminiumoxids auf den Oberflächen der Schweißnähte 70 und 71 gebildet, die den Separator 12 und den Anodenrahmen 13 verbinden, und er wird auch integral mit dem Oxidfilm 76 gebildet, der auf der Oberfläche des Anodenrahmens 13 gebildet ist.
Als Nächstes wird ein Verfahren zum Herstellen der Brennstoffzellenvorrichtung 1 beschrieben.
Zuerst wird die Einzelzelle 11 gemäß eines herkömmlich bekannten Verfahrens gebildet. Speziell wird eine ungebrannte Platte, die zur Festelektrolytschicht 23 werden soll, auf einer ungebrannten Platte platziert, die zur Anode 22 werden soll, gefolgt vom Brennen. Des Weiteren wird ein Material zum Bilden der Kathode 21 durch Drucken auf die Festelektrolytschicht 23 aufgetragen, gefolgt vom Brennen. Zu diesem Zeitpunkt ist die Einzelzelle 11 gebildet.
Als Nächstes wird der Verbinder 14, der die Lochabschnitte 60 hat, aus einer Metallplatte eines vorgegebenen elektrisch leitfähigen Materials (Crofer 22 H) ausgestanzt. In ähnlicher Weise werden der Anodenrahmen 13 und der Separator 12, die die Lochabschnitte 60 haben, aus einer Metallplatte eines vorgegebenen Materials (NCA-1) ausgestanzt. Auf diese Weise werden der Separator 12, der Anodenrahmen 13 und der Verbinder 14 vorbereitet, die die Lochabschnitte 60 (60a und 60b) haben, welche zum Bilden der Gasströmungskanäle ausgelegt sind. Auch ein Glimmerblatt wird in eine vorgegebene Form gebracht, wodurch der kathodenisolierende Rahmen 15 gebildet wird. Speziell wird ein handelsübliches Glimmerblatt (ein Verbundblatt aus Glimmer und einem Formungsharz) zu der im Wesentlichen selben Form geschnitten, wie die von anderen Elementen (Anodenrahmen usw.). Insbesondere verdampft die Harzkomponente, die im Glimmerblatt enthalten ist, im Verlauf der Wärmebehandlung, die nach dem Stapeln des Glimmerblatts und anderer Elemente durchgeführt wird. Wenn des Weiteren die Brennstoffzellenkassetten 2 in Stapelrichtung verbolzt werden, werden die Glimmerblätter zwischen anderen Elementen (den Separatoren 12 und den Verbindern 14) zusammengehalten, wodurch sie für eine Abdichtung für die Elemente sorgen.
Als Nächstes werden der Separator 12 und der Anodenrahmen 13 durch Laserschweißen miteinander verbunden. Obwohl die Lochabschnitte 60 des Separators 12 und des Anodenrahmens 13 zueinander ausgerichtet sind, wie in 6 gezeigt, sind der Separator 12 und der Anodenrahmen 13 spezifisch in einer Schweißvorrichtung 100 (zwischen einer oberen Vorrichtung 101 und einer unteren Vorrichtung 102) in einem sich gegenseitig überlagernden Zustand (Anordnungsschritt) angeordnet. Durch Verwenden von nicht illustrierten Fixierungselementen (Bolzen, Muttern, Klemmen usw.) werden dann die obere Spannvorrichtung 101 und die untere Spannvorrichtung 102 zusammengeklemmt, wodurch der Separator 12 und der Anodenrahmen 13 fixiert werden.
Die obere Spannvorrichtung 101 der Schweißvorrichtung 100 hat Öffnungsteile 103, die die zu schweißenden Teile freilegen. Durch Verwendung einer Laserbestrahlungsvorrichtung 105, wird ein Laserstrahl L1 unter vorgegebenen Bestrahlungsbedingungen (z.B. Ausgabe 150 W und Strahldurchmesser etwa 0,1 mm) entlang der Öffnungen 103 der oberen Spannvorrichtung 101 abgestrahlt (Schweißschritt). Bei diesem Prozess wird der Laserstrahl L1 von der Seite des Separators 12 entlang der Umfänge der Lochabschnitte 60 und entlang des äußeren Peripherieteils 65 ausgesandt. Die Wärme des ausgesandten Laserstrahls L1 verschmilzt ein Material (ein aluminiumhaltiger Metallwerkstoff, d.h. NCA-1) des Separators 12 und ein Material (ein aluminiumhaltiges Metallwerkstoff; d.h. NCA-1) des Anodenrahmens 13, wodurch der Separator 12 mit dem Anodenrahmen 13 laserverschweißt wird. Im Ergebnis dessen werden in sich geschlossene Schweißnähte 70 und 71 zum Abdichten des äußeren Peripherieteils 65 bzw. der Umfänge der Lochabschnitte 60 gebildet.
Beispiele für die Laserbestrahlungsvorrichtung 105 enthalten einen Faserlaser. Der Faserlaser ist ein Festkörperlaser zum Ausstrahlen des Laserstrahls L1, der eine Wellenlänge von 1.080 nm hat. Mittels der Schweißvorrichtung 100, die unter Verwendung eines nicht illustrierten x-y-Tisches horizontal bewegt wird, wird der Laserstrahl L1 entlang der Öffnungsteile 103 der oberen Spannvorrichtung 101 ausgesandt.
Nach dem Abschluss des Laserschweißens wird eine verbundene Gruppe aus dem Separator 12 und dem Anodenrahmen 13 aus der Schweißvorrichtung 100 entfernt. Dann wird der Separator 12 durch Hartlöten an der Festelektrolytschicht 23 der Einzelzelle 11 fixiert. Nachdem ein Hartlötmaterial auf der Festelektrolytschicht 23 und dem Separator 12 angeordnet wurde, wird spezifisch Wärme mit einer Temperatur von beispielsweise 850 °C bis 1.100 °C in der Atmosphäre angewendet, um das Hartlötmaterial zu schmelzen, wodurch die Festelektrolytschicht 23 und der Separator 12 verbunden werden.
Durch Verwenden einer Schweißvorrichtung ähnlich der oben erwähnten wird anschließend der Verbinder 14 durch Laserschweißen mit dem Anodenrahmen 13 verbunden. Im Speziellen, während die Lochabschnitte 60 des Anodenrahmens 13 und des Verbinders 14 zueinander ausgerichtet sind, sind der Anodenrahmen 13 und der Verbinder 14 in einem sich gegenseitig überlagernden Zustand angeordnet (Anordnungsschritt). Dann wird der Verbinder 14 mit der Oberfläche 35 (Rückseite) des Anodenrahmens 13 lasergeschweißt (Schweißschritt). Bei diesem Prozess strahlt die Laserbestrahlungsvorrichtung 105 den Laserstrahl L1 aus, von der Seite des Verbinders 14 entlang den Umfängen der Lochabschnitte 60 und entlang des äußeren Peripherieteils 65. Da der Verbinder 14 dicker als der Separator 12 ist, wird der Laserstrahl L1 mit einer Laserleistung von 300 W ausgestrahlt. Die Wärme des ausgesandten Laserstrahls L1 verschmilzt ein elektrisch leitfähiges Material (ein aluminiumfreier Metallwerkstoff, d.h. Crofer 22 H) des Verbinders 14 und ein Material (ein aluminiumhaltiger Metallwerkstoff; d.h. NCA-1) des Anodenrahmens 13, wodurch der Verbinder 14 mit dem Anodenrahmen 13 laserverschweißt wird. Im Ergebnis dessen werden die Schweißnähte 72 und 73 in sich geschlossener Form zum Abdichten des äußeren Peripherieteils 65 bzw. der Umfänge der Lochabschnitte 60 gebildet. Da das aluminiumhaltige Metallwerkstoff und das aluminiumfreie Metallwerkstoff verschmolzen und durchmischt werden, werden zu diesem Zeitpunkt die Schweißnähte 72 und 73 so gebildet, dass sie Aluminium enthalten. Wie oben erwähnt, wird mittels des ausgeführten Schweißschritts eine verbundene Gruppe der Elemente 11 bis 14, d.h. der Brennstoffzellenkassette 2, gebildet.
Dann werden mehrere Brennstoffzellenkassetten 2 und mehrere kathodenisolierende Rahmen 15 gestapelt und verbunden, wodurch sie den Brennstoffzellenstapel 3 bilden. Die Bolzen 5 sind des Weiteren durch die jeweiligen vier Durchgangslöcher 4 eingeführt, die sich an vier Ecken des Brennstoffzellenstapels 3 befinden, und Muttern (nicht dargestellt) sind mittels Gewinde mit den jeweiligen unteren Endteilen der Ankerbolzen 5 verbunden, die aus der unteren Fläche des Brennstoffzellenstapels 3 herausragen. Es werden auch die Gasströmungsankerbolzen 6 durch die übrigen vier Durchgangslöcher 4 eingeführt, und die Muttern 7 sind über Gewinde mit den jeweiligen gegenüberliegenden Endteilen der Gasströmungsankerbolzen 6 verbunden, die aus den oberen und unteren Flächen des Brennstoffzellenstapels 3 herausragen. Im Ergebnis dessen sind der Brennstoffzellenstapel 3, die Brennstoffzellenkassetten 2 fixiert, wodurch die Brennstoffzellenvorrichtung 1 abgeschlossen ist.
In die so hergestellte Brennstoffzellenvorrichtung 1, deren Temperatur ansteigt, zum Beispiel auf eine Betriebstemperatur (etwa 700 °C), wird Brenngas in die Brennstoffkammern 17 aus dem Brennstoffzufuhrdurchlass 50 eingeleitet, und Luft wird den Luftkammern 18 aus dem Luftzufuhrdurchlass zugeführt. Im Ergebnis dessen reagieren Wasserstoff, der im Brenngas enthalten ist, und Sauerstoff, der in der Luft enthalten ist, miteinander durch die Festelektrolytschicht 23 (elektrische Energie erzeugende Reaktionen), wodurch DC-Elektrizität zwischen den Kathoden 21 und den Anoden 22 erzeugt wird. Da mehrere Einzelzellen 11 gestapelt und in Reihe verbunden sind, fungiert im Brennstoffzellenstapel 3 der vorliegenden Ausführungsform die obere Endplatte 8, die elektrisch mit den Kathoden 21 verbunden ist, als Kathode, und die untere Endplatte 9, die elektrisch mit den Anoden 22 verbunden ist, fungiert als Anode. Wenn die Brennstoffzellenvorrichtung 1 arbeitet und eine hohe Temperatur annimmt, bewegt sich Aluminium, das im Separator 12 und dem Anodenrahmen 13 enthalten ist, zu den Oberflächen derselben und wird auf den Oberflächen oxidiert. Auch in den Schweißnähten 70 bis 73 bewegt sich Aluminium zu Oberflächen derselben und wird auf den Oberflächen oxidiert. Im Ergebnis dessen wird der Oxidfilm 76 des Aluminiumoxids auf den Oberflächen des Separators 12 und des Anodenrahmens 13 gebildet, und der Oxidfilm 76 des Aluminiumoxids wird auch auf den Oberflächen der Schweißnähte 70 bis 73 integral dem Oxidfilm 76 gebildet, der auf den Oberflächen des Separators 12 und des Anodenrahmens 13 gebildet wird (siehe 5).
Die Brennstoffzellenkassetten 2 der Brennstoffzellenvorrichtung 1, die wie oben erwähnt hergestellt werden, wurden vorbereitet, und der Aluminiumgehalt der Schweißnähte 72 und 73 wurde unter Verwendung eines Universalanalysators gemessen, d.h. EPMA (Elektronensondenmikroanalysator). 7 zeigt die Ergebnisse der Messung, die unter Verwendung des EPMA an der Schweißnaht 72 zwischen dem Verbinder 14 und dem Anodenrahmen 13 ausgeführt wurde. Wie in einem SEM-Bild 77 von 8 gezeigt, wurde die Messung an der Schweißnaht 72 am Messpunkt P1, der sich an einer Grenzfläche (Mittelpunkt) zwischen dem Verbinder 14 und dem Anodenrahmen 13 befindet, und am Messpunkt P2 in der Nähe der Oberfläche des Verbinders 14 ausgeführt. Der Aluminiumgehalt wurde an den Messpunkten P1 und P2 gemessen, und 7 zeigt die Messergebnisse. Der Aluminiumgehalt wurde dreimal jeweils an den Messpunkten P1 und P2 gemessen, und die Messwerte wurden gemittelt, um gemessene Aluminiumgehalte an den Messpunkten P1 bzw. P2 zu erhalten.
Wie in 7 gezeigt, betrug am Messpunkt P1. der sich an der Grenzfläche zwischen dem Verbinder 14 und dem Anodenrahmen 13 befindet, der Aluminiumgehalt etwa 1,5 %. Am Messpunkt P2 in der Nähe der Oberfläche war der Aluminiumgehalt etwas niedriger als der am Messpunkt P1; speziell war Aluminium in einer Konzentration von etwa 1,1 % enthalten. Die Aluminiumgehalte des Separators 12, des Anodenrahmens 13 und des Verbinders 14 wurden in ähnlicher Weise unter Verwendung von EPMA gemessen. Es wurde mit den Messergebnissen bestätigt, dass der Aluminiumgehalt des Verbinders 14 niedriger war als die Nachweisgrenze des Analysators, und er war daher 0 %. Des Weiteren wurde bestätigt, dass die Aluminiumgehalte des Separators 12 und des Anodenrahmens 13 etwa 3 % betrugen und dass die Aluminiumgehalte der Schweißnähte 70 und 71 zwischen dem Separator 12 und dem Anodenrahmen 13 ebenfalls etwa 3 % betrugen.
Daher kann die vorliegende Ausführungsform die folgenden Effekte hervorbringen.
(1) In der Brennstoffzellenkassette 2 der vorliegenden Ausführungsform enthalten die Schweißnähte 70 bis 73 zwischen dem Separator 12, dem Anodenrahmen 13 und dem Verbinder 14 Aluminium, und der Oxidfilm 76 von Aluminiumoxid wird auf den Oberflächen der Schweißnähte 70 bis 73 gebildet. Da in diesem Fall die Schweißnähte 70 bis 73 im Korrosionswiderstand verstärkt werden können, kann ein äußerer Austritt von Brenngas aus der Brennstoffkammer 17 in den Außenraum der Brennstoffzellenkassette 2 verhindert werden. Da auch der Verbinder 14 aus einem aluminiumfreien Metallwerkstoff gebildet ist, das kein Aluminium enthält, selbst wenn die Brennstoffzellenkassette 2 eine hohe Temperatur im Verlauf der Elektrizitätserzeugung annimmt, wird kein Oxidfilm des Aluminiumoxids auf der Oberfläche des Verbinders 14 gebildet. Daher kann der Verbinder 14 einen guten elektrischen Widerstand aufrechterhalten; eine elektrische Verbindung kann also zwischen den Einzelzellen 11 über den Verbinder 14 zuverlässig hergestellt werden. Die Brennstoffzellenvorrichtung 1 kann also gute Zellenmerkmale aufrechterhalten.
(2) In der Brennstoffzellenkassette 2 der vorliegenden Ausführungsform wird der Oxidfilm 76 auf der Oberfläche der Schweißnähte 70 bis 73 integral mit dem Oxidfilm 76 gebildet, der auf der Oberfläche des Anodenrahmens 13 gebildet wird. Auf Grund dessen können die Schweißnähte 70 bis 73 im Korrosionswiderstand zuverlässiger verstärkt werden.
(3) In der vorliegenden Ausführungsform werden die Schweißnähte zwischen dem Separator 12, dem Anodenrahmen 13 und dem Verbinder 14 durch Schweißen mit dem Faserlaser gebildet. Da in diesem Fall ein Laserstrahl auf einen kleinen Fleck fokussiert werden kann, können die Schweißnähte 70 bis 73 eine Breite von etwa 0,1 mm haben. Obwohl die thermische Verformung beschränkt ist, können daher der Separator 12 und der Verbinder 14 zuverlässig am Anodenrahmen 13 angeschweißt werden; eine Dichte kann also ausreichend für die Brennstoffzellenkassette 2 vorgesehen werden. Die Verwendung eines Faserlasers ermöglicht auch die Verringerung in der Größe der Laserbestrahlungsvorrichtung 105.
(4) Beim Schweißschritt der vorliegenden Ausführungsform wird ein Laserstrahl von der Seite des Verbinders 14 ausgestrahlt, der kein Aluminium enthält, wodurch sich die Schweißnähte 72 und 73 bilden. Selbst in diesem Fall verschmilzt die Wärme des ausgestrahlten Laserstrahls den aluminiumhaltigen Metallwerkstoff des Anodenrahmens 13 und einen aluminiumfreien Metallwerkstoff des Verbinders 14, und die verschmolzenen Metallwerkstoffe werden miteinander vermischt; im Ergebnis dessen können die Schweißnähte 72 und 73 in solch einem Zustand gebildet werden, dass sie Aluminium enthalten. Speziell enthält der Anodenrahmen 13 (aluminiumhaltiger Metallwerkstoff, d.h. NCA-1) Aluminium in einer Konzentration von etwa 3 %, und die Schweißnähte 72 und 73 zwischen dem Anodenrahmen 13 und dem Verbinder 14 enthalten Aluminium in einer Konzentration von etwa 1,5 %. Der Oxidfilm 76 des Aluminiumoxids wird daher auf den Oberflächen der Schweißnähte 72 und 73 gebildet, wodurch der Korrosionswiderstand der Schweißnähte 72 und 73 verstärkt wird. Da des Weiteren der Aluminiumgehalt 10 % oder weniger beträgt, können die Schweißnähte 72 und 73 und der Anodenrahmen 13 eine ausreichende Festigkeit haben.
Die Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann folgendermaßen modifiziert werden.
In der obigen Ausführungsform werden das Laserschweißen zum Verbinden des Separators 12 und des Anodenrahmens 13 und das Laserschweißen zum Verbinden des Anodenrahmens 13 und des Verbinders 14 getrennt ausgeführt, jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Zum Beispiel können die drei Metallelemente des Separators 12, des Anodenrahmens 13 und des Verbinders 14 durch eine einzige Operation des Laserschweißens verbunden werden. Während im Anordnungsschritt die Lochabschnitte 60 zueinander ausgerichtet sind, werden speziell die drei Elemente des Separators 12, des Anodenrahmens 13 und des Verbinders 14 übereinander gelegt. Im Schweißschritt kann dann ein Laserstrahl entlang der Umfänge der Lochabschnitte 60 ausgestrahlt werden, um so Schweißnähte in Form eines geschlossenen Umlaufs zum Abdichten der Umfänge der Lochabschnitte zu bilden und gleichzeitig die drei Elemente miteinander zu verbinden.
In der obigen Ausführungsform wird ein Faserlaser zum Bilden der Schweißnähte 70 bis 73 durch Laserschweißen verwendet; jedoch kann als Alternative zum Faserlaser ein Kohlendioxidlaser zum Bilden der Schweißnähte durch Laserschweißen verwendet werden. Als Alternative zum Laserschweißen können des Weiteren andere Arten des Schweißens, wie zum Beispiel das nahtlose Schweißen (Widerstandsschweißen) zum Bilden der Schweißnähte verwendet werden.
Die obige Ausführungsform ist die von Festoxid-Brennstoffzellen. Jedoch kann die vorliegende Erfindung als ein anderer Typ von Brennstoffzellen verkörpert werden, wie zum Beispiel Brennstoffzellen mit geschmolzenem Karbonat (MCFC).
Neben den technischen Ideen, die in den Ansprüchen beschrieben werden, werden als Nächstes technische Ideen, die aus der obigen Ausführungsform zu verstehen sind, unten nummeriert.
(1) Eine Brennstoffzellenkassette nach Mittel 1, wobei die Schweißnähte lineare Schweißspuren sind, die durch Laserschweißen gebildet werden, und die Schweißspuren eine Linienbreite von 0,2 mm oder weniger haben.
(2) Eine Brennstoffzellenkassette gemäß Mittel 1, wobei die Schweißspuren einen niedrigeren Aluminiumgehalt als der Rahmen haben.
(3) Brennstoffzellenkassette nach Mittel 1, wobei der Separator und der Rahmen aus einem aluminiumhaltigen Metallwerkstoff gebildet sind, und die Schweißnähte zwischen dem Verbinder und dem Rahmen einen niedrigeren Aluminiumgehalt haben als die Schweißnähte zwischen dem Separator und dem Rahmen.
(4) Eine Brennstoffzellenkassette nach Mittel 1, wobei die Elektrolytschicht eine feste Elektrolytschicht ist, die aus einem festen Oxid gebildet ist.
(5) Ein Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzellenkassette gemäß Mittel 1, gekennzeichnet durch einen Anordnungsschritt des Vorbereitens des Separators, des Rahmens und des Verbinders, die Lochabschnitte haben, welche dafür ausgelegt sind, die Gasströmungskanäle darzustellen, Übereinanderlegen der drei Elemente Separator, Rahmen und Verbinder, wobei entsprechende Lochabschnitte zueinander ausgerichtet sind, und ein Schweißschritt mit Ausstrahlen des Laserstrahls entlang den Umfängen der Lochabschnitte, um Schweißnähte in geschlossener Form zum Abdichten der Umfänge der Lochabschnitte zu bilden und gleichzeitig die drei Elemente zu verbinden.
Bezugszeichenliste

2:: Brennstoffzellenkassette
3:: Brennstoffzellstapel
11:: Einzelzelle
12:: Separator
13:: Anodenrahmen als Rahmen
14:: Verbinder
21:: Kathode
22:: Anode
23:: Festelektrolytschicht als Elektrolytschicht
34:: eine Fläche des Rahmens
35:: die andere Fläche des Rahmens
50:: Brennstoffzufuhrdurchlass als Gasströmungskanal
51:: Brennstoffentleerungsdurchlass als Gasströmungskanal
60, 60a, 60b:: Lochabschnitt
70 bis 73:: Schweißnaht
76:: Oxidfilm
L1:: Laserstrahl

Claims

Brennstoffzellenkassette, gebildet durch Stapeln von: - einer plattenartigen Einzelzelle (11), die eine Anode (22), eine Kathode (21) und eine Elektrolytschicht (23) hat; - einem Rahmen (13, 15), der so angeordnet ist, dass er die Einzelzelle (11) seitlich umgibt; - einem mit einem peripheren Kantenteil der Einzelzelle (11) verbundenen Separator (12), der auf einer Fläche des Rahmens (13, 15) angeordnet und dafür ausgelegt ist, Oxidationsgas in Kontakt mit der Kathode (21) und Brenngas in Kontakt mit der Anode (22) voneinander zu trennen; und - einem plattenartigen Verbinder (14), der auf der anderen Fläche des Rahmens (13, 15) gegenüber der Fläche angeordnet, auf der der Separator (12) angeordnet ist; wobei die Brennstoffzellenkassette dadurch gekennzeichnet ist, dass - der Separator (12), der Rahmen (13, 15) und der Verbinder (14) durch Schweißen verbunden sind, - vom Rahmen (13, 15) und dem Separator (12) zumindest der Rahmen (13, 15) aus einem aluminiumhaltigen Metallwerkstoff gebildet ist, und der Verbinder (14) aus einem aluminiumfreien Metallwerkstoff gebildet ist, der im Wesentlichen kein Aluminium enthält, und - Schweißnähte, die den Separator (12) und den Rahmen (13, 15) verbinden, und Schweißnähte, die den Rahmen (13, 15) und den Verbinder (14) verbinden, Aluminium enthalten.
Brennstoffzellenkassette nach Anspruch 1, wobei ein Oxidfilm, der Aluminiumoxid enthält, auf Oberflächen der Schweißnähte gebildet ist.
Brennstoffzellenkassette nach Anspruch 2, wobei der Oxidfilm auf den Flächen der Schweißnähte zusammen mit dem Oxidfilm gebildet ist, der auf einer Oberfläche des Rahmens (13, 15) gebildet ist.
Brennstoffzellenkassette nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der aluminiumhaltige Metallwerkstoff Aluminium in einer Konzentration von 1 % Massenanteil bis 10 % Massenanteil enthält.
Brennstoffzellenkassette nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Schweißen mit Hilfe eines Laserstrahls ausgeführt wird.
Brennstoffzellenstapel, gekennzeichnet durch Stapeln mehrerer Brennstoffzellenkassetten nach einem der Ansprüche 1 bis 5.
Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzellenkassette nach einem der Ansprüche 1 bis 5, - wobei die Brennstoffzellenkassette darin gebildete Gasströmungskanäle hat, um zu ermöglichen, dass das Oxidationsgas und das Brenngas durch die Gasströmungskanäle fließen können, gekennzeichnet durch - einen Anordnungsschritt des Vorbereitens des Rahmens (13, 15) und des Verbinders (14), die Lochabschnitte haben, welche ausgebildet sind, so dass sie die Gasströmungskanäle bilden, und Übereinanderlegen des Rahmens (13, 15) und des Verbinders (14) aufeinander, wobei die entsprechenden Lochabschnitte (60) zueinander ausgerichtet sind, und - einen Schweißschritt, wobei ein Laserstrahl entlang von Umfängen der Lochabschnitte (60) gestrahlt wird, um in sich geschlossene Schweißnähte zum Abdichten der Umfänge der Lochabschnitte (60) auszubilden.
Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzellenkassette nach Anspruch 7, wobei beim Schweißschritt die Schweißnähte durch Strahlen des Laserstrahls von einer Verbinderseite her gebildet werden.