JP6231388B2 - 燃料電池カセット及び燃料電池スタック - Google Patents

Description

本発明は、単セル、セパレータ、フレーム及びインタコネクタを積層してなる燃料電池カセット、及びそのカセットを複数個積層してなる燃料電池スタックに関するものである。

従来より、燃料電池として、例えば固体電解質層（固体酸化物層）を備えた固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell ；ＳＯＦＣ）が知られている。この燃料電池は、発電の最小単位である単セルを複数積層してなる燃料電池スタックを備えている。単セルは、空気極、燃料極及び固体電解質層を有して構成され、発電反応により電力を発生する。また、燃料電池スタックには、単セルに加えて、フレーム、セパレータ、インタコネクタ等が設けられ、それらが複数個ずつ積層されている。

フレームは、ステンレスなどの導電性材料を用い、単セルの側面を囲むように枠状に形成される。また、セパレータも、ステンレスなどの導電性材料によって形成されており、単セルを配置するための開口部を中央に有する矩形枠状をなしている。そして、セパレータの開口部の内側に単セルを配置した状態で単セルの周縁部にセパレータが接合される。セパレータは、単セル間において、反応ガス（酸化剤ガスや燃料ガス）が供給される空気室や燃料室を区画するための仕切り板として機能する。さらに、インタコネクタも、ステンレスなどの導電性材料によって板状に形成されており、単セルの厚み方向の両側に配置される。そして、各インタコネクタにより単セル間の導通が確保される。

ところで、従来の固体酸化物形燃料電池（例えば、特許文献１参照）では、コンプレッションシールによって、燃料電池スタックにおけるシール性が確保されるのが一般的であった。しかしながら、コンプレッションシールでは、反応ガスがリークし易く、セパレータ等が過度に変形することで、反応ガスの利用率特性が悪化するといったことが懸念されていた。

特許文献２には、セパレータの接合を溶接によって行う燃料電池が開示されている。このように、燃料電池スタックを構成する金属部材（セパレータ、フレーム、インタコネクタ等）を溶接して接合体（燃料電池カセット）を形成することで、反応ガスの外部リークの発生が防止される。

燃料電池スタックには、反応ガスを流すためにマニホールド形状のガス流路が形成されている。具体的には、ガス流路は、燃料電池スタックにおいて単セルの積層方向に貫通形成されるとともに、それぞれの単セルに繋がる（分岐または集合する）ように形成されている。つまり、燃料電池カセットを構成するセパレータ、フレーム及びインタコネクタには、ガス流路を構成するための複数の穴部が貫通形成されている。そして、これらセパレータ、フレーム及びインタコネクタを接合して燃料電池カセットを構成する際には、各穴部の周囲をレーザ溶接等にて封止することでガス流路のシール性が確保される。

レーザ溶接では、接合する金属部材間を密着させないと金属部材が破れることがある。このため、例えばセパレータとフレームとをレーザ溶接する場合には、溶接治具を用いてセパレータをフレームに押さえつける必要がある。また、接合部の品質精度を向上させるためには、溶接治具による抑え面積を小さくして穴部の周囲における溶接面積を少なくすることが好ましい。さらに、レーザ溶接の際に、溶接長が長くなると、溶接時間が長くなり溶接工数が増大してしまう。このような理由から、図１２に示されるように、ガス流路を構成する各穴部１１０，１１１の周囲において、穴部１１０，１１１の形状に沿った形でセパレータ１１２とフレーム１１３とのレーザ溶接が行われている。このレーザ溶接によって、各穴部１１０，１１１の周囲には溶接痕１１５,１１６が形成される。

特開２００９−９８０２号公報 特開２０１１−１６１４５０号公報

ところが、図１２に示すように、穴部１１１（マニホールド形状のガス流路）に沿ってレーザ溶接を行う場合、反応ガスの利用率が悪くなり、電池特性が低下する場合があった。具体的には、固体酸化物形燃料電池は、高温タイプのもので１０００℃、中温タイプのもので７００℃〜８００℃で運転される。この運転時に燃料電池スタックに熱が加わることで、セパレータ１１２が変形して意図しない場所に反応ガスが流れる隙間が生じてしまう。

より詳しくは、燃料電池スタックにおいて、単セル間の接触を確保するために、スタック外側と内側とでは内側の方が若干厚く形成される。また、図１３に示されるように、穴部１１１の近傍でレーザ溶接が行われるため、セパレータ１１２とフレーム１１３との固定は、フレーム１１３の内端部１２０側から離れた位置で行われる。このため、フレーム１１３の内端部１２０側では、セパレータ１１２が十分に密着せず、フレーム１１３とセパレータ１１２との間に隙間Ｓ１が形成される。単セルが配置されるフレーム１１３の内側には、反応ガスが流れるガス流路が形成されているが、図１３に示されるように、フレーム１１３とセパレータ１１２との間に形成される隙間Ｓ１は、発電反応に寄与しない無駄な反応ガスが流れるスペースとなる。このように、ガス流路の外側に無駄な反応ガスが流れる隙間Ｓ１が形成されることで、反応ガスの利用率が悪くなり、電池特性が低下してしまう。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、反応ガスの利用率の低下を防止して、良好な電池特性を維持することができる燃料電池カセット及び燃料電池スタックを提供することにある。

そして上記課題を解決するための手段（手段１）としては、燃料極、空気極及び電解質層を有する平板状の単セルと、前記単セルの側面を囲むように配置される枠状のフレームと、前記単セルの周縁部に接合されるとともに、前記フレームの一方の表面に配置されて、前記空気極に接する酸化剤ガス及び前記燃料極に接する燃料ガスを分離するセパレータと、前記フレームにおいて前記セパレータが配置される一方の表面の裏面側となる他方の表面に配置される板状のインタコネクタと、を積層してなる燃料電池カセットであって、前記セパレータ及び前記フレームが溶接にて接合されるとともに、前記酸化剤ガス及び前記燃料ガスを流すガス流路が形成され、前記フレーム及び前記セパレータには、前記ガス流路を構成する穴部が形成されるとともに、前記フレームの開口部内には、前記ガス流路を構成し、前記燃料ガスを前記フレームの内縁部に沿って流すための空間が形成され、前記フレーム及び前記セパレータを接合する溶接部は、前記フレームの内縁部に沿って形成されるとともに、前記ガス流路に沿って形成される溶接部を有し、前記フレームの内縁部に沿って形成される前記溶接部は、前記フレームの内縁部からの距離が前記穴部からの距離よりも近いことを特徴とする燃料電池カセットがある。

従って、手段１に記載の発明によると、フレームの内縁部に沿って溶接部が形成されるため、フレームの内縁部に沿ってセパレータを確実に密着させることができる。従って、従来技術のようにガス流路の外側に反応ガス（酸化剤ガスまたは燃料ガス）が流れる隙間が形成されることが回避され、その隙間に発電反応に寄与しない無駄な反応ガスが流れるといった問題を防止することができる。また、溶接部はガス流路に沿って形成されるため、溶接部がガス流路の壁部となり反応ガスをスムーズに流すことができる。この結果、燃料電池カセットにおける反応ガスの利用率の低下が防止され、電池特性を良好に維持することができる。

溶接部は、フレームの内縁部から０．７５ｍｍ以上２０ｍｍ以下の範囲内となる位置に形成されている。ここで、フレームの内縁部から０．７５ｍｍ以下となる位置に溶接部を形成しようとすると、溶接時の位置ズレや、フレーム及びセパレータの寸法の誤差等により、レーザ照射位置がフレームから外れてセパレータに穴が開いてしまうといった問題が生じることがある。これに対して、本発明のように、フレームの内縁部から０．７５ｍｍ以上２０ｍｍ以下の範囲内となる位置に溶接部を形成する場合、フレームの内縁部に沿ってセパレータを確実に接合することができる。

溶接部は、フレームの内縁部に沿って形成されるものであればよく、例えば直線的な線状の溶接痕であってもよいし、点線状、波線状、ギザギザ状の溶接痕であってもよい。

フレーム及びセパレータには、ガス流路を構成する穴部が形成され、溶接により穴部の周囲を封止する閉回路形状の溶接痕が形成されていてもよい。またこの場合、閉回路形状の溶接痕の一部が、フレームの内縁部に沿って形成され、溶接部を兼ねるように構成してもよい。このようにすると、穴部の周囲を封止する溶接とフレームの内縁部に沿ってセパレータを接合する溶接とを別々に行う必要がなく、製造工程の簡素化が可能となる。

閉回路形状の溶接痕は、穴部の外形形状と異なる形状を有していてもよい。このようにすると、溶接部を兼ねる溶接痕を容易に形成することができ、その溶接痕によって穴部の周囲を封止することができる。

セパレータの厚みは、インタコネクタの厚みより薄くなっている。この場合、セパレータが変形し易く、その変形によってフレームとの間に隙間が生じ易くなる。このように、薄いセパレータを用いた場合でも、本発明のように溶接部を形成することにより、フレームの内縁部に沿ってセパレータを確実に密着させることができ、ガス流路の外側に無駄な反応ガスが流れるといった問題を防止することができる。

フレーム及びセパレータを接合する溶接は、レーザによる溶接であってもよい。また、レーザはファイバーレーザを用いてもよい。ファイバーレーザによる溶接では、小さいスポットサイズに焦点を合わせることができるため、溶接痕の線幅を０．２ｍｍ以下とすることができる。従って、熱歪みを抑えつつフレームにセパレータを確実に溶接することができる。なお、レーザによる溶接以外にも、抵抗溶接やロウ付け等によって溶接を行ってもよい。

単セルを構成するセパレータの厚みは、０．０４ｍｍ以上０．３ｍｍ以下である。ここで、セパレータが０．０４ｍｍよりも薄くなると、セパレータの耐久性が低下する。一方、セパレータが０．３ｍｍよりも厚くなると、セパレータが変形し難くなる。この場合、単セルの面外方向へのセパレータの追従変形が困難となるため、電極におけるクラックの発生が懸念される。従って、０．０４ｍｍ以上０．３ｍｍ以下の厚さのセパレータを用いることで、酸化剤ガスと燃料ガスとを確実に分離することができる。

また、上記課題を解決するための別の手段（手段２）としては、燃料極、空気極及び電解質層を有する平板状の単セルと、前記単セルの側面を囲むように配置される枠状のフレームと、前記単セルの周縁部に接合されるとともに、前記フレームの一方の表面に配置されて、前記空気極に接する酸化剤ガス及び前記燃料極に接する燃料ガスを分離するセパレータと、前記フレームにおいて前記セパレータが配置される一方の表面の裏面側となる他方の表面に配置される板状のインタコネクタと、を積層してなる燃料電池カセットであって、前記セパレータ及び前記フレームが溶接にて接合されるとともに、前記酸化剤ガス及び前記燃料ガスを流すガス流路が形成され、前記フレーム及び前記セパレータを接合する溶接部は、前記フレームの内縁部に沿って形成されるとともに、前記ガス流路に沿って形成される溶接部を有するとともに、前記フレーム及び前記セパレータには、前記ガス流路を構成する穴部が形成され、溶接により前記穴部の周囲を封止する閉回路形状の溶接痕が形成され、前記閉回路形状の前記溶接痕は、前記穴部の外形形状と異なる形状を有し、前記閉回路形状の前記溶接痕の一部が、前記フレームの内縁部に沿って形成され、前記溶接部を兼ねることを特徴とする燃料電池カセットがある。
さらに別の手段（手段３）としては、手段１または２に記載の前記燃料電池カセットを、複数個積層したことを特徴とする燃料電池スタックがある。

手段３に記載の発明によると、各燃料電池カセットにおける反応ガスの利用率の低下を防止することができ、効率よく発電することができる。

燃料電池スタックにおいて、各燃料電池カセットに形成されるガス流路は、マニホールド形状の流路であり、各カセットの積層方向に延設される縦孔部と、縦孔部に接続されてそれぞれの単セルに繋がるガス流路を分岐または集合すべく積層方向と直交する方向に延設される横孔部とを有する。また、フレーム及びセパレータに形成される穴部は、縦孔部と横孔部との分岐箇所に対応する分岐用穴部を含む。そして、分岐用穴部の周囲を封止する閉回路形状の溶接痕は、分岐用穴部の外形形状とは異なる形状を有する。具体的には、閉回路形状の溶接痕は、矩形状に形成され、フレームの内縁部に平行な長辺を有する。この閉回路形状の溶接痕では、フレームの内縁部側に形成され矩形状の長辺となる部分が溶接部を兼ねる。このように閉回路形状の溶接痕を形成すると、フレームの内縁部に沿ってセパレータを確実に密着させることができるとともに、分岐用穴部の周囲を封止することができる。

フレームの内縁部に沿って形成される溶接部は、フレームの内縁部からの距離が分岐用穴部からの距離よりも近くなっている。このようにすると、フレームの内縁部の近傍でセパレータを確実に密着させることができるため、ガス流路の外側に反応ガスが流れることを確実に防止することができる。

一実施の形態における燃料電池の概略構成を示す斜視図。 図１のＡ−Ａ線断面図。 燃料電池カセットの概略構成を示す分解断面図。 セパレータにおける溶接痕を示す燃料電池カセットの平面図。 セパレータと燃料極フレームとの溶接部を示す断面図。 溶接治具装置を示す断面図。 穴部よりも長辺が長い矩形状の溶接痕を有する別の実施の形態のセパレータを示す平面図。 上側及び下側の楕円形状の各穴部の周囲に矩形状の溶接痕を有する別の実施の形態のセパレータを示す平面図。 上側の円形状の各穴部の周囲及び下側の楕円形状の穴部の周囲に矩形状の溶接痕を有する別の実施の形態のセパレータを示す平面図。 円形状の各穴部の周囲に矩形状の溶接痕を有する別の実施の形態のセパレータを示す平面図。 直線的な溶接痕を有する別の実施の形態のセパレータを示す平面図。 従来のセパレータにおける溶接痕を示す平面図。 従来のセパレータと燃料極フレームとの溶接痕を示す断面図。

以下、本発明を燃料電池に具体化した一実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。

図１及び図２に示されるように、本実施の形態の燃料電池は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）である。燃料電池は、燃料電池カセット２を複数個（例えば２０個）積層してなる燃料電池スタック３を備えている。燃料電池スタック３は、縦１８０ｍｍ×横１８０ｍｍ×高さ８０ｍｍの略直方体状をなしている。また、燃料電池スタック３は、同燃料電池スタック３を厚さ方向に貫通する８つの貫通孔４を有している。なお、燃料電池スタック３の四隅にある４つの貫通孔４に締結ボルト５を挿通させ、燃料電池スタック３の下面から突出する締結ボルト５の下端部分にナット（図示略）を螺着させる。また、残り４つの貫通孔４にガス流通用締結ボルト６を挿通させ、燃料電池スタック３の上面及び下面から突出するガス流通用締結ボルト６の両端部分にナット７を螺着させる。その結果、燃料電池スタック３において複数の燃料電池カセット２が固定される。

図２及び図３に示されるように、各燃料電池カセット２は、発電の最小単位である平板状の単セル１１と、セパレータ１２と、燃料極フレーム１３と、インタコネクタ１４とを積層し、各部材を溶接にて接合してなる接合体である。また、隣接する燃料電池カセット２において、一方（図２では下方）の燃料電池カセット２のセパレータ１２と他方（図２では上方）の燃料電池カセット２のインタコネクタ１４との間には空気極絶縁フレーム１５が介在されている。

単セル１１は、空気極２１、燃料極２２及び固体電解質層２３を有して構成され、発電反応により電力を発生する。燃料極フレーム１３は、厚さが２ｍｍ程度の導電性材料（例えばステンレスなどの金属板）によって形成された略矩形枠状の部材であり、単セル１１の側面を囲むように配置される。つまり、燃料極フレーム１３の中央部には、同燃料極フレーム１３を厚さ方向に貫通する矩形状の開口部３１が設けられており、その開口部３１よりも内側に単セル１１が配置されている。

セパレータ１２は、厚さ０．１ｍｍの導電性材料（例えばステンレスなどの金属板）によって形成されており、矩形状の開口部３２を中央部に有する略矩形枠状をなしている。セパレータ１２は、銀を含むロウ材を用いたロウ付けによって単セル１１（固体電解質層２３）の周縁部に接合されるとともに、燃料極フレーム１３の一方の表面３４（図２では上面）に配置される。セパレータ１２は、セル１１間の仕切り板として機能し、空気極２１に接する酸化剤ガス（空気）及び燃料極２２に接する燃料ガスを分離する。

インタコネクタ１４は、厚さが０．８ｍｍ程度の導電性材料（例えばステンレスなどの金属板）によって略矩形板状に形成されている。インタコネクタ１４は、燃料極フレーム１３においてセパレータ１２が配置される一方の表面３４の裏面側となる他方の表面３５（図２では下面）側に配置される。

燃料電池スタック３において複数の燃料電池カセット２を積層配置した場合、エンドプレート８，９は、単セル１１の厚み方向の両側に一対配置される。各インタコネクタ１４は、ガス流路を形成するとともに、隣接する単セル１１同士を導通させるようになっている。隣り合う単セル１１の間に配置されるインタコネクタ１４は、隣り合う単セル１１を区分する。両エンドプレート８，９は、燃料電池スタック３を挟持しており、燃料電池スタック３から出力される電流の出力端子となっている。なお、エンドプレート８，９は、インタコネクタ１４よりも肉厚になっている。

空気極絶縁フレーム１５は、厚さ１．０ｍｍ程度のマイカシートによって略矩形枠状に形成されている。空気極絶縁フレーム１５の中央部には、同絶縁フレーム１５を厚さ方向に貫通する矩形状の開口部３７が設けられている。

単セル１１を構成する固体電解質層２３は、例えばイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）などのセラミック材料（酸化物）によって形成され、厚さ０．０１ｍｍの略矩形板状をなしている。固体電解質層２３は、セパレータ１２の下面に固定されるとともに、セパレータ１２の開口部３２を塞ぐように配置されている。固体電解質層２３は、酸素イオン伝導性固体電解質体として機能するようになっている。

また、固体電解質層２３の上面には、燃料電池スタック３に供給された酸化剤ガスに接する空気極２１が貼付され、固体電解質層２３の下面には、同じく燃料電池スタック３に供給された燃料ガスに接する燃料極２２が貼付されている。即ち、空気極２１及び燃料極２２は、固体電解質層２３の両側に配置されている。また、空気極２１は、セパレータ１２の開口部３２内に配置され、セパレータ１２と接触しないようになっている。なお、本実施の形態では、燃料極フレーム１３の開口部３１、インタコネクタ１４等によってセパレータ１２の下方に燃料室１７が形成されるとともに、空気極絶縁フレーム１５の開口部３７、インタコネクタ１４等によってセパレータ１２の上方に空気室１８が形成されている。

本実施の形態の単セル１１において、空気極２１は、金属の複合酸化物であるＬＳＣＦ（Ｌａ_０．６Ｓｒ_０．４Ｃｏ_０．２Ｆｅ_０．８Ｏ_３）によって矩形板状に形成されている。また、燃料極２２は、ニッケルとイットリア安定化ジルコニアとの混合物（Ｎｉ−ＹＳＺ）によって矩形板状に形成されている。単セル１１において、空気極２１はカソード層として機能し、燃料極２２はアノード層として機能する。空気極２１は、空気極側集電体３８によってインタコネクタ１４に電気的に接続され、燃料極２２は、燃料極側集電体３９によってインタコネクタ１４に電気的に接続されている。

燃料電池スタック３（各燃料電池カセット２）には、酸化剤ガス及び燃料ガスを流すガス流路が形成されている。燃料電池スタック３に形成されるガス流路は、マニホールド形状の流路であり、各燃料電池カセット２の積層方向に延設される縦孔部と、縦孔部に接続されてそれぞれの単セル１１に繋がるガス流路を分岐または集合すべく積層方向と直交する方向に延設される横孔部とを有する。

具体的には、図２に示されるように、燃料電池スタック３のガス流路として、各単セル１１の燃料室１７に燃料ガスを供給する燃料供給経路５０と、燃料室１７から燃料ガスを排出する燃料排出経路５１とが形成されている。燃料供給経路５０は、ガス流通用締結ボルト６の中心部において軸方向に沿って延びる燃料供給孔５２（縦孔部）と、燃料供給孔５２及び燃料室１７を連通させる燃料供給横孔５３（横孔部）とによって構成されている。また、燃料排出経路５１は、ガス流通用締結ボルト６の中心部において軸方向に沿って延びる燃料排出孔５４（縦孔部）と、燃料排出孔５４及び燃料室１７を連通させる燃料排出横孔５５（横孔部）とによって構成されている。よって、燃料ガスは、燃料供給孔５２及び燃料供給横孔５３を順番に通過して燃料室１７に供給され、燃料排出横孔５５及び燃料排出孔５４を順番に通過して燃料室１７から排出される。

さらに燃料電池スタック３のガス流路として、各単セル１１の空気室１８に空気を供給する空気供給経路（図示略）と、空気室１８から空気を排出する空気排出経路（図示略）とを備えている。空気供給経路は、燃料供給経路５０と略同様の構造を有しており、ガス流通用締結ボルト６の中心部において軸方向に沿って延びる空気供給孔（図示略）と、空気供給孔及び空気室１８を連通させる空気供給横孔（図示略）とによって構成されている。また、空気排出経路は、燃料排出経路５１と略同様の構造を有しており、ガス流通用締結ボルト６の中心部において軸方向に沿って延びる空気排出孔（図示略）と、空気排出孔及び空気室を連通させる空気排出横孔（図示略）とによって構成されている。よって、空気は、空気供給孔（縦孔部）及び空気供給横孔（横孔部）を順番に通過して空気室１８に供給され、空気排出横孔（横孔部）及び空気排出孔（縦孔部）を順番に通過して空気室１８から排出される。

本実施の形態において、燃料電池カセット２を構成するセパレータ１２、燃料極フレーム１３及びインタコネクタ１４などの平板状の金属部材は、レーザ溶接によって各々接合されている。図４には、燃料電池カセット２において、セパレータ１２側から見た燃料極フレーム１３との溶接部（溶接痕７０〜７２）を示している。

図４に示されるように、セパレータ１２には、中央部の開口部３２に加えて、縁部に複数の穴部６０が貫通形成されている。燃料極フレーム１３、インタコネクタ１４及び空気極絶縁フレーム１５にも、同じ位置に複数の穴部６０が貫通形成されている（図３参照）。各穴部６０は、締結ボルト５やガス流通用締結ボルト６を挿通させる貫通孔４（図２参照）の一部を構成するものであり、円形状の穴部６０ａと楕円形状の穴部６０ｂとを含む。

ここで、セパレータ１２及び燃料極フレーム１３に形成される楕円形状の穴部６０ｂは、上述したガス流路を形成するための穴部である。より詳しくは、図４のセパレータ１２の上下に形成される楕円形状の穴部６０ｂにおいて、上側は燃料ガス供給用のガス流路（燃料供給経路５０）を形成するための穴部であり、下側は燃料ガス排出用のガス流路（燃料排出経路５１）を形成するための穴部である。また、セパレータ１２の左右に形成される楕円形状の穴部６０ｂにおいて、左側は酸化剤ガス供給用のガス流路（空気供給経路）を形成するための穴部であり、右側は酸化剤ガス排出用のガス流路（空気排出経路）を形成するための穴部である。さらに、左右に配置される楕円形状の穴部６０ｂには、その上下方向に細長の穴部６０ｃが延設されている。これら穴部６０ｂ及び穴部６０ｃは、ガス流路の縦孔部と横孔部との分岐箇所に対応する分岐用穴部６０ｄであり、楕円形状の穴部６０ｂが縦孔部に相当し、上下方向に延びる穴部６０ｃが横孔部に相当する。

そして、セパレータ１２の外周部６５には、燃料極フレーム１３と接合するために、レーザ溶接による閉回路形状の溶接痕７０が形成されている。さらに、セパレータ１２における各穴部６０（６０ａ，６０ｄ）の周囲にも、レーザ溶接による閉回路形状の溶接痕７１，７２が形成されている。また、インタコネクタ１４にも、燃料極フレーム１３と接合するために、レーザ溶接による閉回路形状の溶接痕が同様に形成されている。なお、インタコネクタ１４の表面及びセパレータ１２の表面における溶接痕７０〜７２の線幅は０．１ｍｍ程度である。

このように、燃料極フレーム１３の上面３４にセパレータ１２をレーザ溶接するとともに燃料極フレーム１３の下面３５にインタコネクタ１４をレーザ溶接することで、燃料電池カセット２が形成される。また、閉回路形状の溶接痕７０〜７２によって各穴部６０や外周部６５が封止されることにより、燃料電池カセット２の内側に閉じた空間として燃料室１７が形成されるようになっている。なお、本実施の形態では、図２における燃料供給横孔５３及び燃料排出横孔５５として、燃料極フレーム１３の開口部３１側に穴部６０ｂと連通する溝が存在し、燃料室１７と連通している。また、空気供給横孔及び空気排出横孔として、空気極絶縁フレーム１５の開口部３７側に穴部６０ｂと連通する溝が存在し、空気室１８と連通している。

本実施の形態において、セパレータ１２における穴部６０ａの周囲を封止する閉回路形状の溶接痕７１は、穴部６０ａの外形形状に沿って円形状に形成されている。一方、セパレータ１２における分岐用穴部６０ｄの周囲を封止する閉回路形状の溶接痕７２は、分岐用穴部６０ｄの外形形状とは異なる矩形状に形成されている。矩形状の溶接痕７２は、燃料極フレーム１３の内縁部７４に平行な長辺を有している。つまり、溶接痕７２において燃料極フレーム１３の内縁部７４側に形成される長辺の部分７２ａがその内縁部７４に沿って形成されている。また、図５に示されるように、溶接痕７２の一部７２ａ（長辺の部分）は、内縁部７４からの距離Ｄ１として３ｍｍ程度離れた位置に形成されており、内縁部７４からの距離Ｄ１が穴部６０ｄからの距離Ｄ２よりも近くなっている。なお、燃料極フレーム１３の幅Ｗ１は２０ｍｍ程度である。

燃料電池カセット２において、燃料極フレーム１３の開口部３１内に形成される燃料室１７には、その燃料極フレーム１３の内縁部７４に沿った燃料ガスの流路（図４では、上方から下方に向かう矢印方向Ｘのガス流路）が形成される。従って、燃料極フレーム１３の内縁部７４側に形成される溶接痕７２の一部７２ａは、ガス流路に沿って形成される直線的な溶接部となっている。

上記のように構成した燃料電池において、例えば、稼働温度（７００℃程度）に加熱した状態で、燃料供給経路５０から燃料室１７に燃料ガスを導入するとともに、空気供給経路から空気室１８に空気を供給する。その結果、燃料ガス中の水素と空気中の酸素とが固体電解質層２３を介して反応（発電反応）し、空気極２１を正極、燃料極２２を負極とする直流の電力が発生する。なお、本実施の形態の燃料電池スタック３は、単セル１１を複数積層して直列に接続しているため、空気極２１に電気的に接続される上側エンドプレート８が正極となり、燃料極２２に電気的に接続される下側エンドプレート９が負極となる。

次に、本発明の燃料電池の製造方法を説明する。

先ず、単セル１１を、従来周知の手法に従って形成する。具体的には、燃料極２２となるグリーンシート上に固体電解質層２３となるグリーンシートを積層し、焼成する。さらに、固体電解質層２３上に空気極２１の形成材料を印刷した後、焼成する。この時点で、単セル１１が形成される。

次に、ステンレス板を打ち抜くことにより、穴部６０を有するセパレータ１２、燃料極フレーム１３及びインタコネクタ１４を形成する。また、マイカシートを所定形状に形成することにより、空気極絶縁フレーム１５を形成する。具体的には、市販のマイカシート（マイカと成形用樹脂との複合体からなるシート）を切断して他の部材（燃料極フレーム１３など）と略同じ形状に形成する。なお、マイカシートに含まれている樹脂成分は、他の部材と共に積層された後に行われる熱処理によって蒸発する。さらに、マイカシートは、各燃料電池カセット２を積層方向にボルト締めした際に他の部材（セパレータ１２及びインタコネクタ１４）に挟まれることによって、各部材をシールするようになっている。

次に、セパレータ１２、燃料極フレーム１３及びインタコネクタ１４をレーザ溶接により接合する。具体的には、セパレータ１２及び燃料極フレーム１３における各穴部６０の位置合わせを行いつつ、図６に示されるように、セパレータ１２及び燃料極フレーム１３を重ね合わせた状態で溶接治具装置１００（上治具１０１と下治具１０２との間）に配置する。そして、図示しない固定部材（ボルト、ナット、クランプ部材など）によって上治具１０１と下治具１０２とを締め付けることでセパレータ１２及び燃料極フレーム１３を固定する。

溶接治具装置１００の上治具１０１には、溶接部位を露呈させる開口部１０３が形成されている。そして、レーザ照射装置１０５を用い、所定の照射条件（例えば、出力が１５０Ｗ、ビーム径が０．１ｍｍ程度）にて上治具１０１の開口部１０３に沿ってレーザＬ１を照射する。ここでは、セパレータ１２側からレーザＬ１を照射し、燃料極フレーム１３にセパレータ１２をレーザ溶接する。なお、レーザ照射装置１０５としては、例えばファイバーレーザなどの照射装置が用いられる。ファイバーレーザは、波長が１０８０ｎｍのレーザＬ１を照射する固体レーザである。また、図示しないＸ−Ｙテーブルを用いて溶接治具装置１００を水平方向に移動させることで、上治具１０１の開口部１０３に沿ってレーザＬ１を照射するように構成している。

レーザ溶接の後、接合したセパレータ１２と燃料極フレーム１３とを溶接治具装置１００から一旦取り出す。そして、セパレータ１２を、ロウ付けによって単セル１１の固体電解質層２３に対して固定する。具体的には、固体電解質層２３とセパレータ１２とのそれぞれにロウ材を配置した後、大気雰囲気下で、例えば８５０〜１１００℃で加熱することでロウ材を溶融させて、固体電解質層２３とセパレータ１２とを接合する。

その後、上記と同様の溶接治具装置を用いて、燃料極フレーム１３の表面３５側にインタコネクタ１４をレーザ溶接する。ここでは、レーザ照射装置１０５により、インタコネクタ１４側からレーザＬ１を照射する。なお、インタコネクタ１４は、セパレータ１２よりも厚いため、レーザ出力を３００Ｗとした状態でレーザＬ１を照射して、燃料極フレーム１３にインタコネクタ１４をレーザ溶接する。この結果、各部材１１〜１４の接合体である燃料電池カセット２が形成される。

そして、燃料電池カセット２と空気極絶縁フレーム１５とを複数積層して一体化することにより、燃料電池スタック３を形成する。さらに、燃料電池スタック３の四隅にある４つの貫通孔４に締結ボルト５を挿通させ、燃料電池スタック３の下面から突出する締結ボルト５の下端部分にナット（図示略）を螺着させる。また、残り４つの貫通孔４にガス流通用締結ボルト６を挿通させ、燃料電池スタック３の上面及び下面から突出するガス流通用締結ボルト６の両端部分にナット７を螺着させる。その結果、燃料電池スタック３において各燃料電池カセット２が固定され、本発明の燃料電池が完成する。

従って、本実施の形態によれば以下の効果を得ることができる。

（１）本実施の形態の燃料電池カセット２では、燃料極フレーム１３の内縁部７４に沿って溶接部７２ａが形成されるため、燃料極フレーム１３の内縁部７４に沿ってセパレータ１２を確実に密着させることができる（図５参照）。従って、従来技術のようにガス流路の外側に燃料ガスが流れる隙間が形成されることが回避され、その隙間に発電反応に寄与しない無駄な燃料ガスが流れるといった問題を防止することができる。また、溶接部７２ａはガス流路に沿って形成されるため、溶接部７２ａがガス流路の壁部となり燃料ガスをスムーズに流すことができる。この結果、燃料電池カセット２における燃料ガスの利用率の低下が防止され、電池特性を良好に維持することができる。

（２）本実施の形態の燃料電池カセット２において、溶接部７２ａは、燃料極フレーム１３の内縁部７４から３ｍｍ程度離れた位置に形成されている。このようにすると、溶接時の位置ズレや、セパレータ１２及び燃料極フレーム１３の寸法の誤差等があった場合でも、燃料極フレーム１３の内縁部７４に沿ってセパレータ１２を確実に接合することができる。

（３）本実施の形態の燃料電池カセット２において、セパレータ１２及び燃料極フレーム１３には、ガス流路を構成する穴部６０（６０ａ〜６０ｄ）が形成され、溶接により穴部６０の周囲を封止する閉回路形状の溶接痕７１，７２が形成されている。そして、閉回路形状の溶接痕７２の一部が、燃料極フレーム１３の内縁部７４に沿って形成され、溶接部７２ａを兼ねている。このようにすると、穴部６０の周囲を封止する溶接と燃料極フレーム１３の内縁部７４に沿ってセパレータ１２を接合する溶接とを別々に行う必要がなく、製造工程の簡素化が可能となる。

（４）本実施の形態の燃料電池カセット２において、セパレータ１２の厚みは、インタコネクタ１４の厚みより薄くなっている。この場合、セパレータ１２が変形し易く、その変形によって燃料極フレーム１３との間に隙間が生じ易くなる。このように、薄いセパレータ１２を用いた場合でも、本実施の形態のように溶接部７２ａを形成することにより、燃料極フレーム１３の内縁部７４に沿ってセパレータ１２を確実に密着させることができ、ガス流路の外側に無駄な燃料ガスが流れるといった問題を防止することができる。

（５）本実施の形態の燃料電池カセット２では、セパレータ１２と燃料極フレーム１３とを接合する溶接は、ファイバーレーザによる溶接である。この場合、小さいスポットサイズに焦点を合わせることができるため、溶接痕７０〜７２の線幅を０．１ｍｍ程度とすることができる。従って、熱歪みを抑えつつ燃料極フレーム１３にセパレータ１２を確実に溶接することができ、燃料電池カセット２におけるシール性を十分に確保することができる。また、ファイバーレーザを用いることで、レーザ照射装置１０５の小型化が可能となる。

（６）本実施の形態の燃料電池カセット２において、燃料極フレーム１３の内縁部７４に沿って形成される溶接部７２ａは、燃料極フレーム１３の内縁部７４からの距離Ｄ１が分岐用穴部６０ｄからの距離Ｄ２よりも近くなっている。このようにすると、燃料極フレーム１３の内縁部７４の近傍でセパレータ１２を確実に密着させることができるため、ガス流路の外側に燃料ガスが流れることを確実に防止することができる。

なお、本発明の実施の形態は以下のように変更してもよい。

・上記実施の形態において、分岐用穴部６０ｄの周囲を封止する矩形状の溶接痕７２は、その長辺の長さが細長の穴部６０ｃに対応した長さとなっていたが、これに限定されるものではない。具体的には、燃料ガスを供給するガス流路は、例えば燃料極フレーム１３に溝を切ることで形成される。このガス流路の設計による燃料ガスの流配は、単セル１１のサイズなどによってその都度変更される。ここで、燃料ガスの拡散が大きく、単セル１１の面方向への広がりが大きい場合には、図７に示されるように、穴部６０ｃよりも長辺を長くして溶接痕８０を形成してもよい。なおこの場合、閉回路形状の溶接痕８０において、燃料極フレーム１３の内縁部７４に沿って形成される溶接部８０ａも長くなる。このようにすると、ガス流路に沿って燃料ガスを確実に流すことができる。

・上記実施の形態において、各穴部６０（６０ａ〜６０ｄ）の周囲を封止する閉回路形状の溶接痕７１，７２の形状を適宜変更してもよい。その具体例を図８〜図１０に示している。図８では、セパレータ１２及び燃料極フレーム１３の上下に配置される楕円形状の穴部６０ｂの周囲に、矩形状の溶接痕８１が形成されている。また、図９では、上側の円形状の穴部６０ａの周囲に矩形状の溶接痕８２が形成されるとともに、下側の楕円形状の穴部６０ｂの周囲に矩形状の溶接痕８１が形成されている。さらに、図１０では、上下に配置される４つの円形状の穴部６０ａの周囲に矩形状の溶接痕８２が形成されている。これら溶接痕８１，８２を形成した場合でも、ガス流路に沿って燃料ガスを確実に流すことができる。

・上記実施の形態において、閉回路形状の溶接痕７２の一部７２ａが、燃料極フレーム１３の内縁部７４に沿って形成された溶接部を兼ねるものであったが、これに限定されるものではない。図１１に示されるように、閉回路形状の溶接痕８３とは別に、燃料極フレーム１３の内縁部７４に沿って溶接部８５を形成してもよい。この溶接部８５は、内縁部７４と平行に形成された直線的な溶接痕である。なお、閉回路形状の溶接痕８３と溶接部８５とを別々に設ける場合、溶接部８５は、点線状の溶接痕であってもよい。また、溶接部８５は、直線的な線状の溶接痕に限定されるものではなく、波線状やギザギザ状の溶接痕としてもよい。

・上記実施の形態では、ファイバーレーザを用いたレーザ溶接を行うものであったが、ファイバーレーザ以外に、炭酸ガスレーザやＹＡＧレーザを用いたレーザ溶接にて溶接部７０〜７２，８０〜８３，８５を形成してもよい。さらに、レーザ溶接以外に、例えばシームレス溶接（抵抗溶接）やロウ付けなどの他の手法によって溶接部７０〜７２，８０〜８３，８５を形成してもよい。

・上記実施の形態では、固体酸化物形燃料電池に具体化するものであったが、これ以外に溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）などの他の燃料電池に具体化してもよい。

次に、特許請求の範囲に記載された技術的思想のほかに、前述した実施の形態によって把握される技術的思想を以下に列挙する。

（１）手段１において、前記セパレータの厚みは、０．０４ｍｍ以上０．３ｍｍ以下であることを特徴とする燃料電池カセット。

（２）手段１において、前記閉回路形状の前記溶接痕は、矩形状に形成され、前記フレームの内縁部に平行な長辺を有することを特徴とする燃料電池カセット。

（３）手段１において、前記溶接部は、レーザにより形成される線状の溶接痕であり、その溶接痕の線幅は、０．２ｍｍ以下であることを特徴とする燃料電池カセット。

（４）技術的思想（３）において、前記レーザは、ファイバーレーザであることを特徴とする燃料電池カセット。

（５）手段１において、前記電解質層は、固体酸化物からなる固体電解質層であることを特徴とする燃料電池カセット。

（６）手段２において、各燃料電池カセットに形成される前記ガス流路は、前記燃料電池カセットの積層方向に延設される縦孔部と、前記縦孔部に接続されてそれぞれの前記単セルに繋がるガス流路を分岐または集合すべく前記積層方向と直交する方向に延設される横孔部とを有するマニホールド形状の流路であり、前記フレーム及び前記セパレータに形成される前記穴部は、前記縦孔部と前記横孔部との分岐箇所に対応する分岐用穴部を含み、前記分岐用穴部の周囲を封止する前記閉回路形状の前記溶接痕は、前記分岐用穴部の外形形状とは異なる形状を有することを特徴とする燃料電池スタック。

（７）技術的思想（６）において、前記フレームの内縁部に沿って形成される前記溶接部は、前記フレームの内縁部からの距離が前記分岐用穴部からの距離よりも近いことを特徴とする燃料電池スタック。

２…燃料電池カセット
３…燃料電池スタック
１１…単セル
１２…セパレータ
１３…フレームとしての燃料極フレーム
１４…インタコネクタ
２１…空気極
２２…燃料極
２３…電解質層としての固体電解質層
３４…フレームの一方の表面
３５…フレームの他方の表面
５０…ガス流路としての燃料供給経路
５１…ガス流路としての燃料排出経路
６０，６０ａ〜６０ｄ…穴部
７０〜７２，７２ａ，８０，８０ａ，８１，８２，８３，８５…溶接部
７４…内縁部
Ｌ１…レーザ

Claims (8)

1. 燃料極、空気極及び電解質層を有する平板状の単セルと、
   前記単セルの側面を囲むように配置される枠状のフレームと、
   前記単セルの周縁部に接合されるとともに、前記フレームの一方の表面に配置されて、前記空気極に接する酸化剤ガス及び前記燃料極に接する燃料ガスを分離するセパレータと、
   前記フレームにおいて前記セパレータが配置される一方の表面の裏面側となる他方の表面に配置される板状のインタコネクタと、
   を積層してなる燃料電池カセットであって、
   前記セパレータ及び前記フレームが溶接にて接合されるとともに、前記酸化剤ガス及び前記燃料ガスを流すガス流路が形成され、
   前記フレーム及び前記セパレータには、前記ガス流路を構成する穴部が形成されるとともに、
   前記フレームの開口部内には、前記ガス流路を構成し、前記燃料ガスを前記フレームの内縁部に沿って流すための空間が形成され、
   前記フレーム及び前記セパレータを接合する溶接部は、
   前記フレームの内縁部に沿って形成されるとともに、前記ガス流路に沿って形成される溶接部を有し、
   前記フレームの内縁部に沿って形成される前記溶接部は、前記フレームの内縁部からの距離が前記穴部からの距離よりも近い
   ことを特徴とする燃料電池カセット。
2. 前記溶接部は、前記フレームの内縁部から０．７５ｍｍ以上２０ｍｍ以下の範囲内となる位置に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池カセット。
3. 前記フレーム及び前記セパレータには、溶接により前記穴部の周囲を封止する閉回路形状の溶接痕が形成され、
   前記閉回路形状の前記溶接痕の一部が、前記フレームの内縁部に沿って形成され、前記溶接部を兼ねることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池カセット。
4. 前記閉回路形状の前記溶接痕は、前記穴部の外形形状と異なる形状を有することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池カセット。
5. 前記セパレータの厚みは、前記インタコネクタの厚みより薄いことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池カセット。
6. 前記溶接は、レーザによる溶接であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の燃料電池カセット。
7. 燃料極、空気極及び電解質層を有する平板状の単セルと、
   前記単セルの側面を囲むように配置される枠状のフレームと、
   前記単セルの周縁部に接合されるとともに、前記フレームの一方の表面に配置されて、前記空気極に接する酸化剤ガス及び前記燃料極に接する燃料ガスを分離するセパレータと、
   前記フレームにおいて前記セパレータが配置される一方の表面の裏面側となる他方の表面に配置される板状のインタコネクタと、
   を積層してなる燃料電池カセットであって、
   前記セパレータ及び前記フレームが溶接にて接合されるとともに、前記酸化剤ガス及び前記燃料ガスを流すガス流路が形成され、
   前記フレーム及び前記セパレータを接合する溶接部は、
   前記フレームの内縁部に沿って形成されるとともに、前記ガス流路に沿って形成される溶接部を有するとともに、
   前記フレーム及び前記セパレータには、前記ガス流路を構成する穴部が形成され、溶接により前記穴部の周囲を封止する閉回路形状の溶接痕が形成され、
   前記閉回路形状の前記溶接痕は、前記穴部の外形形状と異なる形状を有し、
   前記閉回路形状の前記溶接痕の一部が、前記フレームの内縁部に沿って形成され、前記溶接部を兼ねる
   ことを特徴とする燃料電池カセット。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の前記燃料電池カセットを、複数個積層したことを特徴とする燃料電池スタック。

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