WO2015108012A1 - 燃料電池カセット及び燃料電池スタック - Google Patents

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WO2015108012A1
WO2015108012A1 PCT/JP2015/050583 JP2015050583W WO2015108012A1 WO 2015108012 A1 WO2015108012 A1 WO 2015108012A1 JP 2015050583 W JP2015050583 W JP 2015050583W WO 2015108012 A1 WO2015108012 A1 WO 2015108012A1
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welding
frame
fuel cell
fuel
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良二 谷村
墨　泰志
堀田　信行
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日本特殊陶業株式会社
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    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell cassette in which a single cell, a separator, a frame, and an interconnector are stacked, and a fuel cell stack in which a plurality of the cassettes are stacked.
  • a solid oxide fuel cell Solid Oxide Fuel Cell
  • SOFC Solid Oxide Fuel Cell
  • This fuel cell includes a fuel cell stack formed by stacking a plurality of single cells that are the minimum unit of power generation.
  • the single cell includes an air electrode, a fuel electrode, and a solid electrolyte layer, and generates electric power through a power generation reaction.
  • the fuel cell stack is provided with a metal frame, an insulating frame, a separator, an interconnector, and the like, and a plurality of them are stacked.
  • the metal frame is made of a conductive material such as stainless steel and is formed in a frame shape so as to surround the side surface of the single cell.
  • the separator is also made of a conductive material such as stainless steel, and has a rectangular frame shape having an opening for placing a single cell in the center. And a separator is joined to the peripheral part of a single cell in the state which has arrange
  • the separator functions as a partition plate for partitioning an air chamber or a fuel chamber to which a reaction gas (oxidant gas or fuel gas) is supplied between single cells.
  • the interconnector is also formed in a plate shape from a conductive material such as stainless steel, and is disposed on both sides in the thickness direction of the single cell. And each interconnector ensures conduction between the single cells.
  • Patent Document 2 discloses a fuel cell in which separators are joined by welding. In this way, the metal members (separator, metal frame, interconnector, etc.) constituting the fuel cell stack are welded to form a joined body (fuel cell cassette), thereby preventing external leakage of the reaction gas. .
  • a manifold is formed in the fuel cell stack to allow reaction gas to flow.
  • the manifold is formed so as to penetrate in the stacking direction of the single cells in the fuel cell stack and to be connected (branched or assembled) to each single cell. That is, the separator, the metal frame, and the interconnector are formed with a plurality of holes for forming stack through holes in the manifold. Then, when joining the separator, the metal frame, and the interconnector, laser welding is performed on the portions around the hole portions and the outer peripheral portion of the metal frame. As a result, a fuel cell cassette is formed, and the anode space on the fuel chamber side to which fuel gas is supplied is sealed in the cassette.
  • an insulating frame 112 made of a mica sheet is disposed on the separator 110 at a position outside the cathode space (air chamber), and an oxidant gas (air) is placed on the insulating frame 112. ) Is formed.
  • the above-described solid oxide fuel cell is operated at a high temperature type of 1000 ° C. and an intermediate temperature type of 700 ° C. to 800 ° C.
  • the separator 110 is deformed due to the difference in thermal expansion of the members constituting the fuel cell cassette.
  • the portion of the gas flow path 114 formed in the insulating frame 112 as shown in FIG. 18, the amount of deformation of the separator 110 due to the difference in thermal expansion increases, and deformation that causes the flow to expand toward the flow path side occurs. As a result, the flow of the oxidant gas is hindered.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell cassette and a fuel cell stack capable of reliably suppressing deformation of the separator and maintaining good cell characteristics. There is.
  • a flat unit cell having a fuel electrode, an air electrode and an electrolyte layer, and a frame-shaped first cell arranged so as to surround the side surface of the unit cell.
  • a separator that is joined to a peripheral portion of the single cell and is disposed on one surface of the first frame, and that separates an oxidant gas in contact with the air electrode and a fuel gas in contact with the fuel electrode;
  • a fuel cell cassette comprising a laminate of a plate-like interconnector disposed on the other surface which is the back surface side of one surface where the separator is disposed in the first frame, wherein the separator and the first One frame is joined by welding, and in the separator, the second frame disposed on the other surface which is the back surface side of the one surface on which the first frame is disposed.
  • a gas flow path for flowing the oxidant gas and the fuel gas is formed in the second frame, and the separator is formed in a portion where the separator is exposed in the gas flow path.
  • a fuel cell cassette comprising a welded portion for fixing a portion exposed to the first frame to the first frame.
  • a welded portion is formed at a portion where the separator is exposed in the gas flow path formed in the portion of the second frame, and the separator is fixed to the first frame by the welded portion.
  • reaction gas oxidant gas or fuel gas
  • the separator is not deformed in the gas flow path, it is possible to prevent a short circuit between the single cells due to the deformation of the separator as in the prior art. As a result, a decrease in the utilization rate of the reaction gas in the single cell is prevented, and the battery characteristics can be maintained well.
  • a welded part for one gas flow path it may have a plurality of welding marks formed by welding. If it does in this way, the site
  • the separator is thinner than the interconnector. In this case, the separator is likely to be deformed (swelling or the like). However, since the separator can be fixed to the first frame by forming the weld as in the present invention, the separator in the gas flow path Deformation can be reliably suppressed.
  • the welded portion is a linear weld mark formed by welding, and may be provided in parallel to the direction in which the gas flow path extends. If it does in this way, a separator can be certainly fixed to the 1st frame without obstructing the flow of a reactive gas with a welding mark.
  • a welding part is a linear welding trace formed by welding, and may be provided so that several welding traces may cross
  • the first frame and the separator are each formed with a hole that constitutes a gas flow path for flowing an oxidant gas and a fuel gas, and a closed circuit-shaped weld mark that seals the periphery of the hole by welding is formed. May be.
  • a welding part is a linear welding trace formed by welding, and may be provided so that the welding trace around a hole part may be crossed.
  • a relatively large gas pressure (the pressure of the reaction gas flowing through the gas flow path) is applied in the vicinity of the hole constituting the gas flow path.
  • the separator can be reliably fixed to the first frame at a portion where a relatively large gas pressure is applied by forming the welded portion so as to intersect the weld mark around the hole portion as in the present invention. Therefore, deformation of the separator can be prevented.
  • the welding for joining the first frame and the separator may be laser welding.
  • the laser may be a fiber laser.
  • the line width of the welding mark can be set to 0.2 mm or less. Therefore, it is possible to reliably weld the separator to the first frame while suppressing thermal distortion.
  • welding may be performed by resistance welding or brazing.
  • the thickness of the separator constituting the single cell is preferably 0.04 mm or more and 0.3 mm or less.
  • the separator is thinner than 0.04 mm, the durability of the separator decreases.
  • the separator is thicker than 0.3 mm, the separator is hardly deformed. In this case, it is difficult to follow and deform the separator in the out-of-plane direction of the single cell. Therefore, by using a separator having a thickness of 0.04 mm or more and 0.3 mm or less, the oxidant gas and the fuel gas can be reliably separated.
  • the gas flow path in which the weld is formed may be a flow path for flowing oxidant gas or a flow path for flowing fuel gas.
  • the oxidant gas can be surely flowed through the gas flow path, so that a reduction in the utilization rate of the oxidant gas can be prevented.
  • the fuel gas can be reliably flowed through the gas flow path, so that a decrease in the utilization rate of the fuel gas can be prevented.
  • the first frame constituting the fuel cell cassette is a metal frame formed in a rectangular frame shape using a metal plate.
  • the second frame is an insulating frame made of an insulating material, for example, a mica frame formed into a rectangular frame shape using mica.
  • the welded portion is a linear shape formed so as to protrude beyond the inner end of the second frame toward the cell side.
  • the laser welding mark may be used.
  • the separator can be fixed to the first frame by laser welding marks in the vicinity of the outlet or the inlet of the gas flow path formed in the second frame, and the deformation of the separator can be reliably prevented.
  • the welded portion is formed so as not to protrude beyond the inner end of the second frame toward the cell side. It may be a linear laser welding mark. In this case, it is possible to avoid performing laser welding on a portion where the first frame does not exist.
  • a manifold formed in each fuel cell cassette has a vertical hole extending in the stacking direction of each cassette and a gas flow path connected to the vertical hole and connected to each single cell.
  • a gas flow path having a lateral hole portion extending in a direction orthogonal to the stacking direction to be assembled.
  • the welding part of this invention is formed in the site
  • the welded portion may have a linear laser welding trace perpendicular to the direction in which the horizontal hole extends, or a linear laser welding trace inclined with respect to the direction in which the horizontal hole extends. It may be.
  • the welded portion may have a laser welding mark formed in a mesh shape intersecting in the vertical and horizontal directions, or a welding mark formed in a dot shape with a predetermined interval in the vertical and horizontal directions. Also good.
  • the welding part may have a linear laser welding mark formed so that it may cross
  • FIG. 2 is a sectional view taken along line AA in FIG. 1.
  • the top view which shows the welding trace in a separator.
  • the top view of the fuel cell cassette which shows a gas flow path and a welding trace.
  • Sectional drawing which shows the welding trace in the site
  • Sectional drawing which shows a welding jig apparatus.
  • the fuel cell 1 of the present embodiment is a solid oxide fuel cell (SOFC).
  • the fuel cell 1 includes a fuel cell stack 3 in which a plurality of (for example, 20) fuel cell cassettes 2 are stacked.
  • the fuel cell stack 3 has a substantially rectangular parallelepiped shape with a length of 180 mm ⁇ width of 180 mm ⁇ height of 80 mm.
  • the fuel cell stack 3 has eight through holes 4 that penetrate the fuel cell stack 3 in the thickness direction.
  • the fastening bolts 5 are inserted into the four through holes 4 at the four corners of the fuel cell stack 3, and a nut (not shown) is screwed to the lower end portion of the fastening bolt 5 protruding from the lower surface of the fuel cell stack 3.
  • gas circulation fastening bolts 6 are inserted into the remaining four through holes 4, and nuts 7 are screwed onto both ends of the gas circulation fastening bolts 6 protruding from the upper and lower surfaces of the fuel cell stack 3.
  • nuts 7 are screwed onto both ends of the gas circulation fastening bolts 6 protruding from the upper and lower surfaces of the fuel cell stack 3.
  • each fuel cell cassette 2 includes a flat unit cell 11 that is a minimum unit of power generation, a separator 12, a fuel electrode frame 13 (first frame), and an interconnector 14. Are joined together, and each member is joined by welding. Further, the fuel cell cassette 2 has air that is disposed on the other surface 20 (upper surface in FIG. 2) on the back side of the one surface 19 (lower surface in FIG. 2) on the separator 12 in the separator 12. A pole insulating frame 15 (second frame) is further provided.
  • the single cell 11 includes an air electrode 21, a fuel electrode 22, and a solid electrolyte layer 23, and generates electric power through a power generation reaction.
  • the fuel electrode frame 13 is a substantially rectangular frame-shaped metal frame formed of a conductive material (for example, a metal plate such as stainless steel) having a thickness of about 2 mm, and is disposed so as to surround the side surface of the single cell 11. . That is, a rectangular opening 31 penetrating the fuel electrode frame 13 in the thickness direction is provided at the center of the fuel electrode frame 13, and the single cell 11 is disposed inside the opening 31. ing.
  • the separator 12 is formed of a conductive material having a thickness of 0.1 mm (for example, a metal plate such as stainless steel) and has a substantially rectangular frame shape having a rectangular opening 32 at the center.
  • the separator 12 is joined to the peripheral portion of the single cell 11 (solid electrolyte layer 23) by brazing using a brazing material containing silver, and is disposed on one surface 34 (upper surface in FIG. 2) of the fuel electrode frame 13. Is done.
  • the separator 12 functions as a partition plate between the cells 11 and separates the oxidant gas (air) in contact with the air electrode 21 and the fuel gas in contact with the fuel electrode 22.
  • the interconnector 14 is formed in a substantially rectangular plate shape with a conductive material having a thickness of about 0.8 mm (for example, a metal plate such as stainless steel).
  • the interconnector 14 is disposed on the other surface 35 (lower surface in FIG. 2) side which is the back surface side of the one surface 34 on which the separator 12 is disposed in the fuel electrode frame 13.
  • each interconnector 14 forms a gas flow path and conducts adjacent single cells 11.
  • the interconnector 14 disposed between the adjacent single cells 11 separates the adjacent single cells 11.
  • Both end plates 8 and 9 sandwich the fuel cell stack 3 and serve as output terminals for current output from the fuel cell stack 3.
  • the end plates 8 and 9 are thicker than the interconnector 14.
  • the air electrode insulating frame 15 is formed in a substantially rectangular frame shape by a mica sheet having a thickness of about 1.0 mm.
  • a rectangular opening 37 that penetrates the insulating frame 15 in the thickness direction is provided at the center of the air electrode insulating frame 15.
  • the solid electrolyte layer 23 constituting the single cell 11 is formed of a ceramic material (oxide) such as yttria stabilized zirconia (YSZ), and has a substantially rectangular plate shape with a thickness of 0.01 mm.
  • the solid electrolyte layer 23 is fixed to the lower surface of the separator 12 and is disposed so as to close the opening 32 of the separator 12.
  • the solid electrolyte layer 23 functions as an oxygen ion conductive solid electrolyte body.
  • An air electrode 21 in contact with the oxidant gas supplied to the fuel cell stack 3 is attached to the upper surface of the solid electrolyte layer 23, and the fuel supplied to the fuel cell stack 3 is also applied to the lower surface of the solid electrolyte layer 23.
  • a fuel electrode 22 in contact with the gas is attached. That is, the air electrode 21 and the fuel electrode 22 are disposed on both sides of the solid electrolyte layer 23.
  • the air electrode 21 is disposed in the opening 32 of the separator 12 so as not to contact the separator 12.
  • the fuel chamber 17 is formed below the separator 12 by the opening 31 of the fuel electrode frame 13 and the interconnector 14, and the opening 37 of the air electrode insulating frame 15, the interconnector 14 and the like.
  • an air chamber 18 is formed above the separator 12.
  • the air electrode 21 is formed in a rectangular plate shape by LSCF (La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3 ) which is a metal complex oxide. ing.
  • the fuel electrode 22 is formed in a rectangular plate shape from a mixture of nickel and yttria stabilized zirconia (Ni—YSZ).
  • the air electrode 21 functions as a cathode layer, and the fuel electrode 22 functions as an anode layer.
  • the air electrode 21 is electrically connected to the interconnector 14 by an air electrode side current collector 38, and the fuel electrode 22 is electrically connected to the interconnector 14 by a fuel electrode side current collector 39.
  • the fuel cell stack 3 (each fuel cell cassette 2) is formed with a manifold through which oxidant gas and fuel gas flow.
  • the manifold formed in the fuel cell stack 3 branches or collects a vertical hole portion extending in the stacking direction of each fuel cell cassette 2 and a gas flow path connected to the single hole 11 connected to the vertical hole portion. It preferably has a lateral hole portion extending in a direction orthogonal to the stacking direction.
  • the fuel supply path 50 includes a fuel supply hole 52 (longitudinal hole portion) extending in the axial direction at the center of the gas circulation fastening bolt 6 and a fuel supply lateral hole 53 (communication between the fuel supply hole 52 and the fuel chamber 17). Side hole portion).
  • the fuel discharge path 51 includes a fuel discharge hole 54 (longitudinal hole portion) extending along the axial direction at the center of the gas circulation fastening bolt 6, and a fuel discharge horizontal hole that communicates the fuel discharge hole 54 and the fuel chamber 17.
  • the fuel gas is supplied to the fuel chamber 17 through the fuel supply hole 52 and the fuel supply lateral hole 53 in order, and is discharged from the fuel chamber 17 through the fuel discharge lateral hole 55 and the fuel discharge hole 54 in order. Is done.
  • an air supply path for supplying air to the air chamber 18 of each single cell 11 and an air discharge path (not shown) for discharging air from the air chamber 18 are provided.
  • the air supply path has substantially the same structure as the fuel supply path 50, and includes an air supply hole (not shown) extending along the axial direction at the center of the gas distribution fastening bolt 6, an air supply hole, and air An air supply lateral hole (not shown) for communicating the chamber 18 is formed.
  • the air discharge path has substantially the same structure as the fuel discharge path 51, and includes an air discharge hole (not shown) extending in the axial direction at the center of the gas circulation fastening bolt 6, and an air discharge hole.
  • an air discharge lateral hole (not shown) for communicating the air chamber 18. Therefore, the air sequentially passes through the air supply hole (vertical hole portion) and the air supply horizontal hole (horizontal hole portion) and is supplied to the air chamber 18, and the air discharge horizontal hole (horizontal hole portion) and the air discharge hole ( It passes through the vertical holes) in order and is discharged from the air chamber 18.
  • FIG. 4 shows welds (welding marks 70 to 72, 77) with the fuel electrode frame 13 as viewed from the separator 12 side in the fuel cell cassette 2.
  • the separator 12 has a plurality of holes 60 formed through the edge.
  • the fuel electrode frame 13, the interconnector 14, and the air electrode insulating frame 15 are also formed with a plurality of holes 60 at the same position (see FIG. 3).
  • Each hole 60 constitutes a part of the through hole 4 (see FIG. 2) through which the fastening bolt 5 and the gas circulation fastening bolt 6 are inserted, and includes a circular hole 60a and an elliptical hole 60b. Including.
  • the elliptical hole 60b formed in the separator 12 and the fuel electrode frame 13 is a hole for forming the manifold described above. More specifically, in the elliptical hole 60b formed above and below the separator 12 of FIG. 4, the upper side is a hole for forming a gas flow path (fuel supply path 50) for fuel gas supply, The side is a hole for forming a gas flow path for fuel gas discharge (fuel discharge path 51). Further, in the elliptical holes 60b formed on the left and right of the separator 12, the left side is a hole for forming a gas flow path (air supply path) for supplying the oxidant gas, and the right side is the oxidant gas discharge.
  • a weld mark 70 (laser welding mark) having a closed circuit shape by laser welding is formed on the outer peripheral portion 65 of the separator 12 in order to join the fuel electrode frame 13.
  • closed circuit-shaped welding marks 71 and 72 (laser welding marks) by laser welding are also formed around each hole 60 (60a, 60d) in the separator 12.
  • the closed circuit-shaped weld mark 71 is formed along the outer shape of each hole 60a
  • the closed circuit-shaped weld mark 72 is formed along the outer shape of each branch hole 60d.
  • a closed circuit-shaped weld mark by laser welding is similarly formed.
  • the line width of the welding marks 70 to 72 on the surface of the interconnector 14 and the surface of the separator 12 is about 0.1 mm.
  • the members 12 to 14 of the fuel cell cassette 2 are joined by laser welding the separator 12 to the upper surface 34 of the fuel electrode frame 13 and laser welding the interconnector 14 to the lower surface 35 of the fuel electrode frame 13.
  • the hole 60 and the outer peripheral portion 65 are sealed by the closed circuit-shaped welding marks 70 to 72, whereby the fuel chamber 17 is formed as a closed space inside the fuel cell cassette 2. Yes.
  • the air electrode insulating frame 15 of the present embodiment has gas flow paths 75 and 76 for the oxidant gas (the air supply lateral hole 75 and the air discharge lateral hole 76 as lateral holes).
  • a plurality are formed.
  • three gas flow paths are provided at positions above and below the left and right elliptical hole portions 60b (the air supply hole portion and the air discharge hole portion) in the air electrode insulating frame 15.
  • 75 and 76 are formed. These gas flow paths 75 and 76 have a width of about 1.5 mm and a length of about 15 mm. As shown in FIGS.
  • linear weld marks 77 are formed by laser welding on the exposed portions of the separator 12 in the gas flow paths 75 and 76.
  • the welding mark 77 is provided linearly in parallel to the extending direction of the gas flow paths 75, 76 while being provided with one welding mark 77 for one gas flow path 75, 76.
  • the line width of each welding mark 77 is about 0.1 mm.
  • One end of the welding mark 77 is provided so as to intersect with the closed circuit-shaped laser welding mark 72 that seals the periphery of the branch hole 60d, and the other end of the welding mark 77 is the fuel electrode frame. 13 so as not to protrude beyond the inner end 78 of the cell. In this way, when the welding mark 77 is formed so as not to protrude to the cell side, laser welding is avoided from being performed on a portion where the fuel electrode frame 13 does not exist at the time of formation.
  • the air electrode insulating frame 15 is formed to have substantially the same external dimensions as the fuel electrode frame 13, and the position of the inner end 78 of the fuel electrode frame 13 coincides with the position of the inner end 79 of the air electrode insulating frame 15. Are arranged as follows.
  • the fuel gas is introduced into the fuel chamber 17 from the fuel supply path 50 while being heated to the operating temperature (about 700 ° C.), and the air supply path (the gas flow path 75).
  • Air is supplied to the air chamber 18 from a supply path including
  • hydrogen in the fuel gas and oxygen in the air react through the solid electrolyte layer 23 (power generation reaction), and DC power is generated with the air electrode 21 as the positive electrode and the fuel electrode 22 as the negative electrode.
  • a plurality of single cells 11 are stacked and connected in series, so that the upper end plate 8 electrically connected to the air electrode 21 becomes the positive electrode, and the fuel electrode 22
  • the lower end plate 9 that is electrically connected to the negative electrode is the negative electrode.
  • the single cell 11 is formed according to a conventionally known method. Specifically, a green sheet to be the solid electrolyte layer 23 is laminated on the green sheet to be the fuel electrode 22 and fired. Further, the material for forming the air electrode 21 is printed on the solid electrolyte layer 23 and then baked. At this point, the single cell 11 is formed.
  • the stainless plate is punched to form the separator 12 having the hole 60, the fuel electrode frame 13, and the interconnector 14.
  • the air electrode insulating frame 15 is formed by forming a mica sheet in a predetermined shape. Specifically, a commercially available mica sheet (a sheet made of a composite of mica and molding resin) is cut and formed into substantially the same outer shape as other members (such as the fuel electrode frame 13). At this time, a plurality of holes 60 (60a, 60b) and gas flow paths 75, 76 are formed in the air electrode insulating frame 15.
  • the resin component contained in the mica sheet evaporates by a heat treatment performed after being laminated together with other members. Further, the mica sheet seals each member by being sandwiched between other members (separator 12 and interconnector 14) when each fuel cell cassette 2 is bolted in the stacking direction.
  • the separator 12, the fuel electrode frame 13, and the interconnector 14 are joined by laser welding.
  • the welding jig apparatus 100 is placed with the separator 12 and the fuel electrode frame 13 overlapped while aligning the holes 60 in the separator 12 and the fuel electrode frame 13. It arrange
  • the separator 12 and the fuel electrode frame 13 are fixed by fastening the upper jig 101 and the lower jig 102 with fixing members (not shown) such as bolts, nuts, and clamp members.
  • An opening 103 is formed in the upper jig 101 of the welding jig apparatus 100 to expose the welded part. Then, the laser irradiation apparatus 105 is used to irradiate the laser L1 along the opening 103 of the upper jig 101 under predetermined irradiation conditions (for example, the output is about 150 W and the beam diameter is about 0.1 mm) (welding step). .
  • the laser L 1 is irradiated from the separator 12 side, and the separator 12 is laser-welded to the fuel electrode frame 13.
  • the laser irradiation device 105 for example, an irradiation device such as a fiber laser is used.
  • the fiber laser is a solid-state laser that irradiates a laser L1 having a wavelength of 1080 nm. Further, the welding jig apparatus 100 is moved in the horizontal direction by using an XY table (not shown) so that the laser L1 is irradiated along the opening 103 of the upper jig 101.
  • two types of upper jigs 101 are prepared and laser welding is performed in two steps. More specifically, for example, by using the first upper jig 101 and irradiating the laser L1 along the opening 103 of the upper jig 101, a closed circuit-shaped laser welding mark 70 in the outer peripheral portion 65 is formed. At the same time, among the laser welding marks 72 around the branching hole 60d, the welding marks of the vertical line portions are formed. Thereafter, the first upper jig 101 is replaced with the second upper jig 101, and the laser L1 is irradiated along the opening 103 of the second upper jig 101, so that the circular hole 60a is formed.
  • the welding trace of parts (curved part) other than a vertical line is formed among the laser welding traces 72 around the branching hole 60d. Further, at this time, a laser beam L1 is irradiated to a position where the separator 12 is exposed in the gas flow paths 75 and 76, and a linear laser welding mark 77 (welded part) that fixes the part to the fuel electrode frame 13 is formed. Form. As a result, the separator 12 and the fuel electrode frame 13 are joined.
  • the joined separator 12 and fuel electrode frame 13 are once removed from the welding jig apparatus 100. Then, the separator 12 is fixed to the solid electrolyte layer 23 of the single cell 11 by brazing. Specifically, after the brazing material is disposed on each of the solid electrolyte layer 23 and the separator 12, the brazing material is melted by heating at, for example, 850 to 1100 ° C. in an air atmosphere, The separator 12 is joined.
  • the interconnector 14 is laser welded to the front surface 35 side (back surface side) of the fuel electrode frame 13 using a welding jig apparatus similar to the above.
  • the laser irradiation apparatus 105 irradiates the laser L1 from the interconnector 14 side. Since the interconnector 14 is thicker than the separator 12, the interconnector 14 is laser welded to the fuel electrode frame 13 by irradiating the laser L 1 with the laser output being 300 W. As a result, a joined body of the metal members 12 to 14 constituting the fuel cell cassette 2 is formed.
  • the fuel cell cassette 2 is configured by laminating and laminating the joined body of the metal members 12 to 14 and the air electrode insulating frame 15, and the fuel cell cassette 2 is laminated and integrated to form a fuel cell cassette 2.
  • a battery stack 3 is formed.
  • the fastening bolts 5 are inserted into the four through holes 4 at the four corners of the fuel cell stack 3, and a nut (not shown) is screwed to the lower end portion of the fastening bolt 5 protruding from the lower surface of the fuel cell stack 3.
  • gas circulation fastening bolts 6 are inserted into the remaining four through holes 4, and nuts 7 are screwed onto both ends of the gas circulation fastening bolts 6 protruding from the upper and lower surfaces of the fuel cell stack 3.
  • each fuel cell cassette 2 is fixed in the fuel cell stack 3, and the fuel cell 1 is completed.
  • the gas flow paths 75 and 76 are formed in the portion of the air electrode insulating frame 15, and the welding traces are formed in the portions where the separator 12 is exposed in the gas flow paths 75 and 76. 77 is formed. Then, the exposed portion of the separator 12 is fixed to the fuel electrode frame 13 by the welding marks 77. In this way, even if a difference in thermal expansion between the fuel electrode frame 13 and the separator 12 occurs, deformation of the separator 12 in the gas flow paths 75 and 76 (such as swelling) is prevented. For this reason, it is possible to avoid the problem that the separator 12 is deformed in the gas flow paths 75 and 76 to obstruct the flow of the reaction gas as in the prior art.
  • the oxidant gas flows unbalanced with respect to the air electrode 21 of the single cell 11, and the oxidant gas can be efficiently distributed. Further, since the separator 12 is not deformed in the gas flow paths 75 and 76, it is possible to prevent a short circuit between the single cells 11 due to the deformation of the separator 12 as in the prior art. As a result, a decrease in the utilization rate of the oxidant gas in the single cell 11 is prevented, and the battery characteristics can be maintained favorably.
  • the thickness of the separator 12 is thinner than the thickness of the interconnector 14.
  • the separator 12 is likely to be deformed (swelling or the like), but since the separator 12 can be fixed to the fuel electrode frame 13 by forming the welding marks 77 as in the present embodiment, Deformation of the separator 12 in the flow paths 75 and 76 can be reliably suppressed.
  • linear linear weld marks 77 are provided in parallel to the extending direction of the gas flow paths 75 and 76. In this way, the separator 12 can be reliably fixed to the fuel electrode frame 13 without hindering the flow of the oxidant gas by the welding marks 77.
  • the separator 12 and the fuel electrode frame 13 are formed with holes 60 (60a to 60d) constituting the gas flow path, and the periphery of the hole 60 is formed by welding. Closed circuit-shaped weld marks 71 and 72 to be sealed are formed. In the gas flow paths 75 and 76, a welding mark 77 is provided so as to intersect with the welding mark 72 around the branch hole 60d. In the fuel cell cassette 2, a relatively large gas pressure (the pressure of the oxidant gas flowing through the gas flow path) is applied in the vicinity of the branch hole 60d.
  • the separator 12 can be attached to the fuel electrode frame at a portion where a relatively large gas pressure is applied. 13 can be securely fixed, and the deformation of the separator 12 can be prevented.
  • welding for joining the separator 12 and the fuel electrode frame 13 is welding by a fiber laser.
  • the line width of the welding marks 70 to 72, 77 can be set to about 0.1 mm. Therefore, the separator 12 can be reliably welded to the fuel electrode frame 13 while suppressing thermal distortion, and the sealing performance in the fuel cell cassette 2 can be sufficiently ensured.
  • the laser irradiation apparatus 105 can be downsized.
  • laser welding is performed in two steps using two types of upper jig 101, and the vertical line portion of laser welding trace 72 around branching hole 60d intersects it. Welding marks 77 are welded separately. If it does in this way, the crossing part of laser welding mark 72 and welding mark 77 can be formed reliably.
  • one weld mark 77 is formed for one gas flow path 75, 76.
  • a plurality of welding marks 83 may be formed for one gas flow path 81, 82.
  • gas flow paths 81 and 82 having a width equal to the long diameter of the hole 60b are formed in the air electrode insulating frame 15 shown in FIG.
  • a plurality of welding marks 83 parallel to the extending direction of the gas flow paths 81 and 82 (lateral hole portions) are formed in the gas flow paths 81 and 82 where the separator 12 is exposed. Even in this case, the exposed portion of the separator 12 can be reliably fixed to the fuel electrode frame 13 in the gas flow paths 81 and 82, so that the deformation of the separator 12 can be prevented.
  • linear welding marks 77 and 83 parallel to the extending direction of the gas flow paths 75, 76, 81 and 82 (lateral hole portions) are formed as the welding portions.
  • a linear welding mark 85 perpendicular to the direction Y1 in which the gas flow path 81 (lateral hole portion) extends may be formed.
  • a linear weld mark 86 that is inclined with respect to the direction Y ⁇ b> 1 in which the gas flow path 81 (lateral hole portion) extends may be formed as the weld portion.
  • welding marks 87 may be formed as a welded portion in a mesh shape that intersects the vertical and horizontal directions of the gas flow path 81 (horizontal hole portion). Furthermore, the welded portion is not limited to a linear weld mark, and as shown in FIG. 12, a plurality of dots are formed at predetermined intervals in the vertical and horizontal directions of the gas flow path 81 (horizontal hole portion). A welding mark 88 may be formed. In this manner, by forming the plurality of welds 85 to 88 for one gas flow path 81, the exposed portion of the separator 12 in the gas flow path 81 can be reliably fixed to the fuel electrode frame 13. And the deformation of the separator 12 in the gas flow path 81 can be prevented.
  • the welding mark 77 is formed for each of the gas flow paths 75 and 76, but is not limited to this, and intersects with the plurality of gas flow paths 75 and 76.
  • a relatively long linear welding mark may be formed.
  • a linear welding mark is formed in a crank shape or a zigzag shape, and a part thereof is exposed in the gas flow paths 75 and 76. Even in this case, the exposed portion of the separator 12 in the gas flow paths 75 and 76 can be fixed to the fuel electrode frame 13, and deformation of the separator 12 can be prevented.
  • the fuel electrode frame 13 and the air electrode insulating frame 15 are formed with the same outer dimensions, but the present invention is not limited to this.
  • the inner end 78 of the fuel electrode frame 13 may be arranged so as to protrude beyond the inner end 79 of the air electrode insulating frame 15 to the cell side.
  • a linear welding mark is formed at a portion where the separator 12 is exposed in the gas flow paths 75 and 76 so as to protrude from the inner end 79 of the air electrode insulating frame 15 to the cell side. 77 is formed.
  • the separator 12 is fixed to the fuel electrode frame 13 by the welding marks 77 in the vicinity of the outlet of the gas passage 75 formed in the air electrode insulating frame 15 and in the vicinity of the inlet of the gas passage 76. And the deformation of the separator 12 can be reliably prevented.
  • the inner end 79 of the air electrode insulating frame 15 may be disposed so as to protrude beyond the inner end 78 of the fuel electrode frame 13 to the cell side.
  • the portions where the separator 12 is exposed in the gas flow paths 75 and 76 are linear so as not to protrude from the inner end 79 of the air electrode insulating frame 15 to the cell side.
  • a welding mark 77 is formed. When the welding mark 77 is formed in this way, it is possible to avoid laser welding on a portion where the fuel electrode frame 13 does not exist.
  • the welding marks 77, 83, 85 to 88 are formed by laser welding using a fiber laser.
  • laser welding using a carbon dioxide gas laser or a YAG laser is used.
  • a weld may be formed at.
  • the welded portion may be formed by other methods such as seamless welding (resistance welding) or brazing.
  • the invention is embodied in a solid oxide fuel cell.
  • other fuel cells such as a molten carbonate fuel cell (MCFC) may be embodied in addition to this.
  • MCFC molten carbonate fuel cell
  • the fuel cell cassette according to (4) means 1, wherein the first frame is a metal frame formed in a rectangular frame shape using a metal plate.
  • the inner end of the first frame is disposed so as to protrude to the cell side from the inner end of the second frame, and the welded portion is more than the inner end of the second frame.
  • a fuel cell cassette which is a linear laser welding mark formed so as to protrude from the side.
  • the inner end of the second frame is disposed so as to protrude beyond the inner end of the first frame toward the cell side, and the welded portion is located closer to the cell than the inner end of the second frame.
  • a fuel cell cassette which is a linear laser welding mark formed so as not to protrude to the side.
  • the manifold formed in each fuel cell cassette has a vertical hole extending in the stacking direction of the fuel cell cassette, and the fuel cell connected to the vertical hole.
  • a gas passage having a horizontal hole extending in a direction perpendicular to the stacking direction so as to branch or gather the gas flow path connected to the gas flow path, and the weld is formed in a portion exposed in the horizontal hole.
  • the welded portion has a linear laser welding mark formed so as to intersect with the plurality of the lateral hole portions.

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Abstract

セパレータの変形を確実に抑えることができ、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を提供する。 燃料電池カセット２は、平板状の単セル１１、セパレータ１２、燃料極フレーム、インタコネクタ及び空気極絶縁フレーム１５を積層することで構成されている。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は溶接にて接合される。空気極絶縁フレーム１５には、酸化剤ガスを流すガス流路７５，７６が形成されている。ガス流路７５，７６内においてセパレータ１２が露出する部位に溶接痕７７が形成され、溶接痕７７によってセパレータ１２の露出する部位が燃料極フレームに固定される。

Description

燃料電池カセット及び燃料電池スタック
 　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、金属フレーム、絶縁フレーム、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。
 　金属フレームは、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、従来の平板型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、金属フレーム、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が形成されている。具体的には、マニホールドは、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、セパレータ、金属フレーム及びインタコネクタには、マニホールドにおけるスタック貫通孔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、金属フレーム及びインタコネクタを接合する際には、各穴部の周囲及び金属フレームの外周部となる部分をレーザ溶接する。この結果、燃料電池カセットが形成され、そのカセット内にて燃料ガスが供給される燃料室側のアノード空間が封止される。
 　また、図１７に示されるように、セパレータ１１０上であってカソード空間（空気室）の外側となる位置に、マイカシートからなる絶縁フレーム１１２が配置され、その絶縁フレーム１１２に酸化剤ガス（空気）を流すガス流路１１４が形成されている。
特開２００９－９８０２号公報 特開２０１１－１６１４５０号公報
 　ところで、上述した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。燃料電池に対してこのような高温の熱が繰り返し加わる耐久試験を行うと、燃料電池カセットを構成する部材の熱膨張差に伴い、セパレータ１１０が変形する。特に、絶縁フレーム１１２に形成されたガス流路１１４の部分では、図１８に示されるように、熱膨張差によるセパレータ１１０の変形量が大きくなり、流路側に膨らむような変形（フクレ）が発生して酸化剤ガスの流れを阻害してしまう。このため、空気極に供給される酸化剤ガスの分配が不均一となり、そのガスの利用率が低下してしまう。また、図１９に示されるように、ガス流路１１５の幅が広い場合にセパレータ１１０の変形（フクレ）が大きくなると、隣り合う単セル間での短絡が発生し、燃料電池スタックの発電機能が停止してしまうといった問題が懸念される。
 　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、セパレータの変形を確実に抑えることができ、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第１フレームと、前記単セルの周縁部に接合されるとともに、前記第１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、前記第１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第１フレームが溶接にて接合されるとともに、前記セパレータにおいて、前記第１フレーム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第２フレームを更に有し、前記第２フレームの部分に、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ており、前記ガス流路内において前記セパレータが露出する部位に形成され、前記セパレータの露出する部位を前記第１フレームに固定する溶接部を備える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、第２フレームの部分に形成されたガス流路内において、セパレータが露出する部位に溶接部が形成され、その溶接部によってセパレータが第１フレームに固定される。このように、溶接部によってセパレータの露出する部位を固定することにより、第１フレームとセパレータとの熱膨張差が生じた場合であっても、ガス流路内におけるセパレータの変形（フクレ等）が防止される。このため、従来のようにガス流路内においてセパレータが変形して反応ガスの流れを阻害するといった問題を回避することができる。従って、単セルの電極に対して反応ガス（酸化剤ガスまたは燃料ガス）が偏って流れることが回避され、反応ガスの流配を効率よく行うことができる。また、ガス流路内においてセパレータが変形しないため、従来のようにセパレータの変形による単セル間での短絡も防止することができる。この結果、単セル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。
 　１つのガス流路に対する溶接部として、溶接により形成される複数の溶接痕を有していてもよい。このようにすると、ガス流路内においてセパレータの露出する部位を第１フレームに確実に固定することができる。
 　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、セパレータの変形（フクレ等）が発生し易くなるが、本発明のように溶接部を形成することにより、第１フレームにセパレータを固定することができるため、ガス流路内におけるセパレータの変形を確実に抑えることができる。
 　溶接部は、溶接により形成される線状の溶接痕であり、ガス流路の延びる方向に対して平行に設けられていてもよい。このようにすると、溶接痕によって、反応ガスの流れを妨げることなくセパレータを第１フレームに確実に固定することができる。また、溶接部は、溶接により形成される線状の溶接痕であり、複数の溶接痕が交差するように設けられていてもよい。このようにしても、セパレータを第１フレームに確実に固定することができ、ガス流路内におけるセパレータの変形を抑えることができる。
 　第１フレーム及びセパレータには、酸化剤ガス及び燃料ガスを流すガス流路を構成する穴部が、それぞれ形成されるとともに、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、溶接部は、溶接により形成される線状の溶接痕であり、穴部の周囲の溶接痕に交差するよう設けられていてもよい。本発明の燃料電池カセットにおいて、ガス流路を構成する穴部の近傍には比較的大きなガス圧（ガス流路を流れる反応ガスの圧力）が加わる。このため、本発明のように穴部の周囲における溶接痕に交差するように溶接部を形成することで、比較的大きなガス圧が加わる部位においてセパレータを第１フレームに確実に固定することができるため、セパレータの変形を防止することができる。
 　第１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、熱歪みを抑えつつ第１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以下であることが好ましい。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。
 　溶接部が形成されるガス流路は、酸化剤ガスを流す流路であってもよいし、燃料ガスを流す流路であってもよい。酸化剤ガスを流すガス流路に溶接部が形成される場合、そのガス流路を通じて酸化剤ガスを確実に流すことができるため、酸化剤ガスの利用率の低下を防止することができる。また、燃料ガスを流すガス流路に溶接部が形成される場合、そのガス流路を通じて燃料ガスを確実に流すことができるため、燃料ガスの利用率の低下を防止することができる。
 　燃料電池カセットを構成する第１フレームは、金属板を用いて矩形枠状に形成された金属製フレームである。一方、第２フレームは、絶縁材料からなる絶縁フレームであり、例えばマイカを用いて矩形枠状に形成されたマイカ製フレームである。
 　第１フレームの内端が第２フレームの内端よりもセル側にはみ出すように配設される場合、溶接部は、第２フレームの内端よりもセル側にはみ出るように形成された線状のレーザ溶接痕であってもよい。この場合、第２フレームに形成されたガス流路の出口付近や入口付近において、レーザ溶接痕によりセパレータを第１フレームに固定することができ、セパレータの変形を確実に防止することができる。
 　第２フレームの内端が第１フレームの内端よりもセル側にはみ出すように配設される場合、溶接部は、第２フレームの内端よりもセル側にはみ出さないように形成された線状のレーザ溶接痕であってもよい。この場合、第１フレームの存在しない箇所に対してレーザ溶接が行われることを回避することができる。
 　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、手段１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２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マニホールドは、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ガス流路である。そして、本発明の溶接部は、マニホールドを構成する横孔部内に露出する部位に形成される。
 　溶接部は、横孔部の延びる方向に対して垂直な線状のレーザ溶接痕を有していてもよいし、横孔部の延びる方向に対して傾斜した線状のレーザ溶接痕を有していてもよい。また、溶接部は、縦横方向に交差する網目状に形成されたレーザ溶接痕を有していてもよいし、縦横方向に所定間隔を開けてドット状に形成された溶接痕を有していてもよい。さらに、溶接部は、複数の横孔部に対して交差するように形成された線状のレーザ溶接痕を有していてもよい。このように溶接部を形成した場合でも、ガス流路内において、セパレータの露出する部位を第１フレームに確実に固定することができ、セパレータの変形を抑えることができる。
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平面図。 ガス流路及び溶接痕を示す燃料電池カセットの平面図。 ガス流路内においてセパレータの露出する部位における溶接痕を示す断面図。 溶接治具装置を示す断面図。 １つのガス流路に複数の溶接痕が形成された別の実施の形態の燃料電池カセットを示す平面図。 ガス流路に対して垂直に形成された別の実施の形態の溶接部を示す平面図。 ガス流路に対して傾斜して形成された別の実施の形態の溶接部を示す平面図。 ガス流路において網目状に形成された別の実施の形態の溶接部を示す平面図。 ガス流路においてドット状に形成された別の実施の形態の溶接部を示す平面図。 燃料極フレームの内端が空気極絶縁フレームの内端よりもはみ出すように配置された別の実施の形態の燃料電池カセットを示す断面図。 図１３の燃料電池カセットにおける溶接痕を示す平面図。 空気極絶縁フレームの内端が燃料極フレームの内端よりもはみ出すように配置された別の実施の形態の燃料電池カセットを示す断面図。 図１５の燃料電池カセットにおける溶接痕を示す平面図。 従来の絶縁フレームに形成されるガス流路を示す断面図。 幅が狭いガス流路内におけるセパレータの変形を示す断面図。 幅が広いガス流路内におけるセパレータの変形を示す断面図。
 　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１は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）である。燃料電池１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（第１フレーム）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、燃料電池カセット２は、セパレータ１２において、燃料極フレーム１３が配置される一方の表面１９（図２では下面）の裏面側となる他方の表面２０（図２では上面）に配置される空気極絶縁フレーム１５（第２フレーム）を更に有している。
 　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金属製フレームであり、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（Ｌａ０．６Ｓｒ０．４Ｃｏ０．２Ｆｅ０．８Ｏ３）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マニホールドが形成されている。燃料電池スタック３に形成されるマニホールドは、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のマニホールドとして、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のマニホールドとして、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１８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７０～７２，７７）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がそれぞれ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、上述したマニホールド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、マニホールド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（レーザ溶接痕）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（レーザ溶接痕）が形成されている。閉回路形状の溶接痕７１は、各穴部６０ａの外形形状に沿って形成されており、閉回路形状の溶接痕７２は、各分岐用穴部６０ｄの外形形状に沿って形成されている。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の各部材１２～１４が接合される。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。
 　図５に示されるように、本実施の形態の空気極絶縁フレーム１５には、酸化剤ガスのガス流路７５，７６（横孔部としての空気供給横孔７５及び空気排出横孔７６）が複数形成されている。本実施の形態では、空気極絶縁フレーム１５において左右の楕円形状の穴部６０ｂ（空気供給用の穴部及び空気排出用の穴部）の上方及び下方となる位置にそれぞれ３本ずつガス流路７５，７６が形成されている。これらガス流路７５，７６の幅は１．５ｍｍ程度であり、長さは１５ｍｍ程度である。そして、図４～図６に示されるように、これらガス流路７５，７６内においてセパレータ１２の露出する部位に、レーザ溶接による線状の溶接痕７７（溶接部としてのレーザ溶接痕）が形成されている。溶接痕７７は、１つのガス流路７５，７６に対して１つの溶接痕７７が設けられるとともに、ガス流路７５，７６の延びる方向に対して平行に直線的に設けられている。各溶接痕７７の線幅は０．１ｍｍ程度である。これら溶接痕７７を設けることにより、ガス流路７５，７６内においてセパレータ１２の露出する部位が燃料極フレーム１３に固定される。
 　溶接痕７７の一方の端部は、分岐用穴部６０ｄの周囲を封止する閉回路形状のレーザ溶接痕７２に交差するよう設けられるとともに、溶接痕７７の他方の端部は、燃料極フレーム１３の内端７８よりもセル側にはみ出さないように設けられている。このように、セル側にはみ出さないように溶接痕７７を形成する場合、その形成時において燃料極フレーム１３の存在しない箇所に対してレーザ溶接が行われることが回避される。なお、空気極絶縁フレーム１５は、燃料極フレーム１３と外形寸法がほぼ等しく形成されており、燃料極フレーム１３の内端７８の位置と空気極絶縁フレーム１５の内端７９の位置とが一致するように配置されている。
 　上記のように構成した燃料電池１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（ガス流路７５を含む供給経路）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、燃料電池１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）と略同じ外形形状に形成する。このとき、空気極絶縁フレーム１５には、複数の穴部６０（６０ａ，６０ｂ）とガス流路７５，７６とが形成される。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７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（配置ステップ）。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（溶接ステップ）。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。
 　本実施の形態の溶接ステップでは、２種類の上治具１０１を準備し、２回に分けてレーザ溶接を行っている。より詳しくは、例えば第１の上治具１０１を用い、その上治具１０１の開口部１０３に沿ってレーザＬ１を照射することにより、外周部６５における閉回路形状のレーザ溶接痕７０を形成するとともに、分岐用穴部６０ｄの周囲のレーザ溶接痕７２のうち、縦線の部分の溶接痕を形成する。その後、第１の上治具１０１から第２の上治具１０１に交換し、第２の上治具１０１の開口部１０３に沿ってレーザＬ１を照射することにより、円形状の穴部６０ａの周囲のレーザ溶接痕７１を形成するとともに、分岐用穴部６０ｄの周囲のレーザ溶接痕７２のうち、縦線以外の部分（曲線の部分）の溶接痕を形成する。またこのとき、ガス流路７５，７６内におけるセパレータ１２の露出する部位となる位置にレーザＬ１を照射し、その部位を燃料極フレーム１３に固定する直線状のレーザ溶接痕７７（溶接部）を形成する。この結果、セパレータ１２と燃料極フレーム１３とが接合される。
 　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（裏面側）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、燃料電池カセット２を構成する金属部材１２～１４の接合体が形成される。
 　そして、金属部材１２～１４の接合体と空気極絶縁フレーム１５とを重ね合わせて積層することで燃料電池カセット２を構成し、その燃料電池カセット２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、燃料電池１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、空気極絶縁フレーム１５の部分にガス流路７５，７６が形成され、各ガス流路７５，７６内においてセパレータ１２が露出する部位に溶接痕７７が形成されている。そして、その溶接痕７７によって、セパレータ１２の露出する部位が燃料極フレーム１３に固定される。このようにすると、燃料極フレーム１３とセパレータ１２との熱膨張差が生じた場合であっても、ガス流路７５，７６内におけるセパレータ１２の変形（フクレ等）が防止される。このため、従来のようにガス流路７５，７６内においてセパレータ１２が変形して反応ガスの流れを阻害するといった問題を回避することができる。従って、単セル１１の空気極２１に対して酸化剤ガスが偏って流れることが回避され、酸化剤ガスの流配を効率よく行うことができる。また、ガス流路７５，７６内においてセパレータ１２が変形しないため、従来のようにセパレータ１２の変形による単セル１１間での短絡も防止することができる。この結果、単セル１１における酸化剤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、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の変形（フクレ等）が発生し易くなるが、本実施の形態のように溶接痕７７を形成することにより、燃料極フレーム１３にセパレータ１２を固定することができるため、ガス流路７５，７６内におけるセパレータ１２の変形を確実に抑えることができる。
 　（３）本実施の形態の燃料電池カセット２では、線状の直線的な溶接痕７７がガス流路７５，７６の延びる方向に対して平行に設けられている。このようにすると、溶接痕７７によって酸化剤ガスの流れを妨げることなくセパレータ１２を燃料極フレーム１３に確実に固定することができる。
 　（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、ガス流路７５，７６内において、分岐用穴部６０ｄの周囲の溶接痕７２に交差するように溶接痕７７が設けられている。燃料電池カセット２において、分岐用穴部６０ｄの近傍には比較的大きなガス圧（ガス流路を流れる酸化剤ガスの圧力）が加わる。このため、本実施の形態のように分岐用穴部６０ｄの周囲における溶接痕７２に交差するように溶接痕７７を形成することで、比較的大きなガス圧が加わる部位においてセパレータ１２を燃料極フレーム１３に確実に固定することができ、セパレータ１２の変形を防止することができる。
 　（５）本実施の形態において、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７０～７２，７７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）本実施の形態の溶接ステップでは、穴部６０の周囲に沿ってレーザＬ１を照射して穴部６０の周囲を封止する閉回路形状のレーザ溶接痕７１，７２を形成している。またこのとき、ガス流路７５，７６内におけるセパレータ１２の露出する部位となる位置にレーザＬ１を照射して溶接痕７７を形成し、セパレータ１２の露出する部位を燃料極フレーム１３に固定している。このようにすると、穴部６０の周囲のガス流路の封止とセパレータ１２の固定とを同じレーザ溶接にて行うことができるため、燃料電池カセット２を効率よく製造することができる。また、本実施の形態では、２種類の上治具１０１を用いて２回に分けてレーザ溶接を行い、分岐用穴部６０ｄの周囲のレーザ溶接痕７２のうち縦線の部分と、それと交差する溶接痕７７とを別々に溶接している。このようにすると、レーザ溶接痕７２と溶接痕７７との交差部分を確実に形成することができる。
 　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。
 　・上記実施の形態の燃料電池カセット２において、１つのガス流路７５，７６に対して１つの溶接痕７７が形成されていたが、これに限定されるものではなく、図８に示されるように、１つのガス流路８１，８２に対して複数の溶接痕８３を形成してもよい。具体的には、図８に示す空気極絶縁フレーム１５には、穴部６０ｂの長径と等しい幅を有するガス流路８１，８２が形成されている。そして、ガス流路８１，８２においてセパレータ１２の露出する部位には、ガス流路８１，８２（横孔部）の延びる方向に平行な複数本の溶接痕８３が形成されている。このようにしても、ガス流路８１，８２内において、セパレータ１２の露出する部位を燃料極フレーム１３に確実に固定することができるため、セパレータ１２の変形を防止することができる。
 　・上記実施の形態の燃料電池カセット２では、溶接部として、ガス流路７５，７６，８１，８２（横孔部）の延びる方向に平行な線状の溶接痕７７，８３を形成していたが、図９に示されるように、ガス流路８１（横孔部）の延びる方向Ｙ１に対して垂直な線状の溶接痕８５を形成してもよい。さらに、図１０に示されるように、溶接部としては、ガス流路８１（横孔部）の延びる方向Ｙ１に対して傾斜した線状の溶接痕８６を形成してもよい。また、図１１に示されるように、溶接部として、ガス流路８１（横孔部）の縦横方向に交差する網目状に溶接痕８７を形成してもよい。さらには、溶接部は、線状の溶接痕に限定されるものではなく、図１２に示されるように、ガス流路８１（横孔部）の縦横方向に所定間隔を開けてドット状に複数の溶接痕８８を形成してもよい。このように、１つのガス流路８１に対して複数の溶接部８５～８８を形成することで、ガス流路８１内においてセパレータ１２の露出する部位を燃料極フレーム１３に確実に固定することができ、ガス流路８１内でのセパレータ１２の変形を防止することができる。
 　・上記実施の形態の燃料電池カセット２では、ガス流路７５，７６毎に溶接痕７７が形成されていたが、これに限定されるものではなく、複数のガス流路７５，７６に交差するよう比較的長い線状の溶接痕を形成してもよい。なおこの場合、線状の溶接痕をクランク状やジグザグ状に形成してその一部が各ガス流路７５，７６にて露出するように形成する。このようにしても、ガス流路７５，７６内において、セパレータ１２の露出する部位を燃料極フレーム１３に固定することができ、セパレータ１２の変形を防止することができる。
 　・上記実施の形態では、燃料極フレーム１３と空気極絶縁フレーム１５とが同じ外形寸法で形成されていたがこれに限定されるものではない。例えば、図１３に示されるように、燃料極フレーム１３の内端７８が空気極絶縁フレーム１５の内端７９よりもセル側にはみ出すように配設されていてもよい。この場合、図１４に示されるように、ガス流路７５，７６内におけるセパレータ１２の露出する部位には、空気極絶縁フレーム１５の内端７９よりもセル側にはみ出るように線状の溶接痕７７が形成される。このように溶接痕７７を形成すると、空気極絶縁フレーム１５に形成されたガス流路７５の出口付近やガス流路７６の入口付近において、溶接痕７７によりセパレータ１２を燃料極フレーム１３に固定することができ、セパレータ１２の変形を確実に防止することができる。また、図１５に示されるように、空気極絶縁フレーム１５の内端７９が燃料極フレーム１３の内端７８よりもセル側にはみ出すように配設してもよい。この場合、図１６に示されるように、ガス流路７５，７６内におけるセパレータ１２の露出する部位には、空気極絶縁フレーム１５の内端７９よりもセル側にはみ出さないように線状の溶接痕７７が形成される。このように溶接痕７７を形成すると、燃料極フレーム１３の存在しない箇所に対してレーザ溶接が行われることを回避することができる。
 　・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によって溶接痕７７，８３，８５～８８（溶接部）を形成していたが、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、前記溶接部は、前記溶接により形成される線状の溶接痕であり、複数の前記溶接痕が交差するよう設けられてい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。
 　（３）手段１において、前記溶接部が形成される前記ガス流路は、前記酸化剤ガスを流す流路であることを特徴とする燃料電池カセット。
 　（４）手段１において、前記第１フレームは、金属板を用いて矩形枠状に形成された金属製フレーム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、前記第２フレームは、マイカを用いて矩形枠状に形成されたマイカ製フレームであることを特徴とする燃料電池カセット。
 　（６）手段１において、前記第１フレームの内端が前記第２フレームの内端よりもセル側にはみ出すように配設され、前記溶接部は、前記第２フレームの内端よりも前記セル側にはみ出るように形成された線状のレーザ溶接痕であることを特徴とする燃料電池カセット。
 　（７）手段１において、前記第２フレームの内端が前記第１フレームの内端よりもセル側にはみ出すように配設され、前記溶接部は、前記第２フレームの内端よりも前記セル側にはみ出さないように形成された線状のレーザ溶接痕であることを特徴とする燃料電池カセット。
 　（８）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。
 　（９）手段２において、各燃料電池カセットに形成される前記マニホールドは、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燃料電池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ガス流路であり、前記溶接部は、前記横孔部内に露出する部位に形成されることを特徴とする燃料電池スタック。
 　(１０)技術的思想（９）において、前記溶接部は、前記横孔部の延びる方向に対して垂直な線状のレーザ溶接痕を有することを特徴とする燃料電池スタック。
 　(１１)技術的思想（９）において、前記溶接部は、前記横孔部の延びる方向に対して傾斜した線状のレーザ溶接痕を有することを特徴とする燃料電池スタック。
 　(１２)技術的思想（９）において、前記溶接部は、縦横方向に交差する網目状に形成されたレーザ溶接痕を有することを特徴とする燃料電池スタック。
 　(１３)技術的思想（９）において、前記溶接部は、縦横方向に所定間隔を開けてドット状に形成された溶接痕を有することを特徴とする燃料電池スタック。
 　(１４)技術的思想（９）において、前記溶接部は、複数の前記横孔部に対して交差するように形成された線状のレーザ溶接痕を有することを特徴とする燃料電池スタック。
 　(１５)手段１に記載の燃料電池カセットの製造方法であって、前記ガス流路を構成する穴部が形成された前記セパレータ及び前記第１フレームを準備し、前記穴部の位置を合わせつつ前記セパレータ及び前記第１フレームを重ね合わせて配置する配置ステップと、前記穴部の周囲に沿ってレーザを照射して前記穴部の周囲を封止する閉回路形状のレーザ溶接痕を形成するとともに、前記ガス流路内における前記セパレータの露出する部位となる位置にレーザを照射して、前記セパレータの露出する部位を前記第１フレームに固定する前記溶接部を形成する溶接ステップとを含むことを特徴とする燃料電池カセットの製造方法。
 　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…第１フレームとしての燃料極フレーム
　１４…インタコネクタ
　１５…第２フレームとしての空気極絶縁フレーム
　１９…セパレータの一方の表面
 　２０…セパレータの他方の表面
 　２１…空気極
 　２２…燃料極
 　２３…電解質層としての固体電解質層
 　３４…第１フレームの一方の表面
 　３５…第１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
 　７２…閉回路形状の溶接痕
 　７５，７６，８１，８２…ガス流路
 　７７，８３，８５～８８…溶接部としての溶接痕
 　Ｌ１…レーザ

Claims (7)

  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第１フレームと、
     　前記単セルの周縁部に接合されるとともに、前記第１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、
     　前記第１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第１フレームが溶接にて接合されるとともに、
     　前記セパレータにおいて、前記第１フレーム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第２フレームを更に有し、
     　前記第２フレームの部分に、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ており、
     　前記ガス流路内において前記セパレータが露出する部位に形成され、前記セパレータの露出する部位を前記第１フレームに固定する溶接部を備えることを特徴とする燃料電池カセット。
  2.  　１つの前記ガス流路に対する前記溶接部として、溶接により形成される複数の溶接痕を有す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または２に記載の燃料電池カセット。
  4.  　前記溶接部は、溶接により形成される線状の溶接痕であり、前記ガス流路の延びる方向に対して平行に設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池カセット。
  5.  　前記第１フレーム及び前記セパレータには、前記酸化剤ガス及び前記燃料ガスを流すガス流路を構成する穴部が、それぞれ形成されるとともに、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、
     　前記溶接部は、前記溶接により形成される線状の溶接痕であり、前記穴部の周囲の溶接痕に交差するよう設けられている
     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.  　請求項１乃至６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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