JP2009048788A - 燃料電池及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電解質・電極接合体の外周部外方に排出される排ガスによる影響を回避し、前記電解質・電極接合体とセパレータとの密着性を向上させるとともに、所望の集電性を確保することを可能にする。
【解決手段】燃料電池２０は、電解質・電極接合体３６とセパレータ３８とを備える。このうち、前記セパレータ３８におけるアノード電極３４に臨む側の端面面には、該セパレータ３８が排ガスに曝されることを阻止するための保護層９０が形成される。Ｎｉ及びＦｅを含有する混合層９２と、Ｃｒを主成分として含有するクロムリッチ層９４とを有するこの保護層９０は、セパレータ３８の外周部を、酸化雰囲気、水蒸気酸化雰囲気及び還元雰囲気から遮断する役割を営む。また、この保護層９０を介してセパレータ３８がアノード電極３４に部分的に密着することに伴い、アノード電極３４に燃料ガスを供給する燃料ガス通路５２を構成するための空間部５３が形成される。
【選択図】図４

Description

本発明は、アノード電極の中心部から外周部に向かって燃料ガスを供給する一方、カソード電極に沿って酸化剤ガスを供給し、さらに使用後の前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスが混在する排ガスを電解質・電極接合体の外周部外方に排出する燃料電池及びその製造方法に関する。

固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）では、電解質として酸化物イオン導電体、例えば、安定化ジルコニアを用いており、この電解質の両側にアノード電極及びカソード電極を配設した電解質・電極接合体（ＭＥＡ）を１組のセパレータ（バイポーラ板）によって挟持している。燃料電池は、通常、セパレータと電解質・電極接合体とが所定数だけ積層されたスタックとして構成されている。

この種の燃料電池として、前記セパレータがシールレス型であり且つスタックが容器に収容されたものがある。この場合、アノード電極に供給された燃料ガス及びカソード電極に供給された酸化剤ガスは、発電反応後に前記セパレータの外周部外方に排出される。このため、該セパレータの外周部外方では、未反応の燃料ガスと空気とが混合して燃焼し、この燃焼後に排ガスとして前記容器の外部に排出される。

発電の際、空気の供給流量は、燃料ガスの供給流量よりも多く設定される。このため、前記排ガス中には酸素が残存している。しかも、アノード電極には未反応の燃料ガスが存在し、さらに発電反応によってアノード電極に水蒸気が生成される。従って、セパレータにおけるアノード電極に臨む側の端面は還元雰囲気でありながら、該端面の外周部は、カソード電極側から回り込む酸素や水蒸気に曝される。すなわち、セパレータにおけるアノード電極に臨む側の端面の周囲には、還元雰囲気、酸化雰囲気、水蒸気酸化雰囲気が同時に存在する。

ここで、セパレータは、一般的にはステンレス鋼等の鉄系合金からなる。このため、酸化ないし水蒸気酸化によって該セパレータの表面にＦｅ酸化物やＣｒ酸化物が生成されてしまう。これにより該セパレータの電気伝導が低下するとともに、燃料ガスの圧力損失の増大や燃料ガス流れの不均一の他、酸化物が剥離して燃料電池内に飛散したり、電解質・電極構造体との接触抵抗が増大したりする等の問題が発生する。

そこで、特許文献１では、耐熱合金で構成されたセパレータの燃料極面側に湿式メッキ処理によってニッケルメッキ層を設け、これにより耐熱合金元素が酸化されることを防止することで電気抵抗の増大を阻止することが提案されている。

また、特許文献２記載の技術においては、セパレータが水蒸気酸化を受けることを回避するべく、セパレータの材質としてアルミニウムを含有するフェライト系ステンレス鋼を採用し、このアルミニウムを源として該セパレータの表面にアルミナ皮膜を形成するようにしている。

さらに、特許文献３、４には、金属製セパレータの表面に該金属製セパレータ由来の酸化物膜を形成し、さらに、この酸化物膜上に銀メッキを設ける技術が開示されている。

以上の従来技術は、セパレータに層ないし皮膜を形成するものであるが、その他、金属製セパレータとアノード電極との間に保護板を介装することも提案されている（例えば、特許文献５参照）。

特開平５−３６４２５号公報 特開２００６−２３６６００号公報 特開２００２−２８９２１５号公報 特開２００５−３２７４９９号公報 特開２００５−２５９６８４号公報

特許文献１記載の従来技術には、ニッケルメッキ層が酸化ないし水蒸気酸化されて酸化ニッケル層となる懸念がある。酸化ニッケルはｐ型半導体であり、電子の移動度が小さいので、多量に存在すると燃料電池の発電性能を低下させる原因となる。

また、特許文献２記載の従来技術のように絶縁体として周知のアルミナ皮膜を形成する場合、燃料電池の内部抵抗が上昇するとともにセパレータの集電性能が低下するという不具合を招く。

さらに、特許文献３、４記載の従来技術は銀メッキを行うものであり、このためにコストが高騰してしまう。

そして、特許文献５記載の従来技術には、保護板を介装するためにスタックの積層厚みが大きくなるという不具合がある。

その上、前記各従来技術のいずれにおいても、還元雰囲気、酸化雰囲気及び水蒸気酸化雰囲気の３つが同時に存在する環境下におけるセパレータの耐食性については、全く検討されていない。

本発明は上記した問題を解決するためになされたものであり、還元雰囲気、酸化雰囲気及び水蒸気酸化雰囲気の３つが同時に存在する場合であっても、スタックの積層厚みが大きくなったり、燃料電池の発電性能が低下したり、コストが高騰したりすることなく、セパレータの耐食性を向上させることが可能な燃料電池及びその製造方法を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明は、電解質をアノード電極とカソード電極とで挟持して構成される電解質・電極接合体がセパレータ同士の間に配設されるとともに、前記アノード電極の中心部から外周部に向かって燃料ガスを供給する一方、前記カソード電極に沿って酸化剤ガスを供給し、さらに使用後の前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスが混在する排ガスを前記電解質・電極接合体の外周部外方に排出する燃料電池であって、
前記セパレータがＣｒを含有する鉄系合金からなり、
且つ該セパレータにおける前記アノード電極を臨む側の端面に形成されて該セパレータが前記排ガスに曝されることを阻止する保護層を備え、
前記保護層は、前記セパレータから前記アノード電極に向かう方向に沿って、Ｎｉ及びＦｅを含有する混合層、Ｃｒを主成分とするクロムリッチ層をこの順序で有し、
前記混合層は、前記セパレータから前記アノード電極に向かうに従ってＮｉとＦｅの組成比が相対的に増減する傾斜層であることを特徴とする。

セパレータにこのような保護層を設けることにより、該セパレータを還元雰囲気及び酸化雰囲気から遮断することができる。換言すれば、還元雰囲気及び酸化雰囲気が同時に存在する環境下であっても、セパレータが腐食することを回避することができる。これに伴い、セパレータとアノード電極との間の接触抵抗が増加することや、燃料ガスの圧力損失が増大すること、さらには、燃料ガス流れが不均一となること、Ｆｅ酸化物が剥離して燃料電池内に飛散すること等を一括して回避することが可能となる。

しかも、最上層がクロムリッチ層であるので、このクロムリッチ層に含まれるＣｒが酸化して酸化クロムが生成したとしても、酸化ニッケルが生成する場合に比して電子の移動度が大きくなる。また、このクロムリッチ層は厚みが小さいので、セパレータとアノード電極との間の接触抵抗、ひいては燃料電池の内部抵抗がほとんど増加しない。その上、セパレータの集電性能が低下することもない。

さらに、銀メッキを行う必要がないので、コスト的に有利である。加えて、保護板等を介装する必要がないので、燃料電池の厚みが大きくなることも回避することができる。

なお、前記混合層は、クロムリッチ層に臨む側でニッケル及び／又はその酸化物を主体とし、且つセパレータに臨む側で鉄及び／又はその酸化物を主体とする傾斜層であることが好ましい。この場合、保護層の表層では鉄成分が若干存在するのみである。従って、Ｆｅ酸化物（錆）が生成することが著しく困難となるので、上記の諸問題が起こることを回避することが一層容易となる。

この保護層は、例えば、セパレータに形成されたＮｉ含有皮膜に対して５５０〜８５０℃の熱処理を施すことで得ることが可能である。

また、セパレータを還元雰囲気、酸化雰囲気及び水蒸気酸化雰囲気から確実に遮断して該セパレータが腐食することを回避するとともに、アノード電極との間の接触抵抗を可及的に増加させないためには、保護層の厚みを１〜１００μｍに設定することが好ましい。

そして、セパレータは、１２〜３０ｗｔ％のＣｒを含有するものであることが好ましい。この場合、クロムリッチ層を具備する前記保護層を得ることが容易となるからである。

一方、アノード電極は、Ｎｉとジルコニアを含むＮｉ−Ｚｒ系サーメットからなるものであることが好ましい。この場合、混合層からクロムリッチ層を経由して拡散したニッケル成分と、アノード電極中のニッケル成分とが馴染み合い、その結果、アノード電極とセパレータとが保護層を介して一層強固に密着し合う。このためにアノード電極とセパレータが互いの熱膨張（又は熱収縮）を抑制し合うので、電解質・電極接合体が熱変形に起因して破損することを回避することができるようになる。

前記排ガスには、発電に伴って生じた水蒸気が混在していてもよい。この場合、セパレータの周囲には、還元雰囲気、酸化雰囲気及び水蒸気酸化雰囲気の３つが同時に存在することになる。このような過酷な環境下であっても、前記保護層が被覆されたセパレータでは、腐食が進行することが抑制される。すなわち、本発明によれば、還元雰囲気、酸化雰囲気及び水蒸気酸化雰囲気の３つが同時に存在する場合であっても、セパレータとアノード電極との間の接触抵抗が増加すること、燃料ガスの圧力損失が増大すること、燃料ガス流れが不均一となること、Ｆｅ酸化物が剥離して燃料電池内に飛散すること等を回避することができる。

また、本発明は、電解質をアノード電極とカソード電極とで挟持して構成される電解質・電極接合体がセパレータ同士の間に配設されるとともに、前記アノード電極の中心部から外周部に向かって燃料ガスを供給する一方、前記カソード電極に沿って酸化剤ガスを供給し、さらに使用後の前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスが混在する排ガスを前記電解質・電極接合体の外周部外方に排出する燃料電池の製造方法であって、
前記セパレータとして、Ｃｒを含有する鉄系合金からなるものを選定し、
該セパレータにおける前記アノード電極を臨む側の端面にＮｉ含有皮膜を形成し、
前記Ｎｉ含有皮膜に対して５５０〜８５０℃で熱処理を施すことによって、前記セパレータが前記排ガスに曝されることを阻止するとともに、該セパレータから前記アノード電極に向かう方向に沿って、Ｎｉ及びＦｅを含有する混合層、Ｃｒを主成分として含有するクロムリッチ層をこの順序で有し、且つ前記混合層が、前記セパレータから前記アノード電極に向かうに従ってＮｉとＦｅの組成比が相対的に増減する傾斜層である保護層を設けることを特徴とする。

このような過程を経ることにより、還元雰囲気及び酸化雰囲気、さらには水蒸気酸化雰囲気の３つが同時に存在する環境下であっても、これらの雰囲気からセパレータを遮断するとともにアノード電極との間の接触抵抗を増加させることがほとんどない保護層を形成することができる。

なお、熱処理は、セパレータ同士で前記電解質・電極接合体を挟持した後に行うようにすればよい。又は、セパレータに対して熱処理を施した後、該セパレータ同士で電解質・電極接合体を挟持するようにしてもよい。要するに、熱処理は、燃料電池を構成する前に行ってもよいし、構成した後に行ってもよい。後者の場合、熱処理は、燃料電池を所定の運転温度に昇温することで行うようにしてもよい。

また、本発明における「排ガス」は、アノード電極に発電反応のために供給された燃料ガスのうち、未反応のまま使用済みとなった燃料ガス、未反応のまま使用済みとなった燃料ガスと酸化剤ガスとが燃焼して生成された高温の反応ガス、発電反応によって生成された水蒸気、カソード電極からアノード電極へ回り込んだ酸化剤ガスのいずれか、又はこれらの２以上が混合された混合ガスを指称するものとする。

本発明によれば、セパレータにおけるアノード電極を臨む側の端面に保護層を設けるようにしているので、該セパレータが還元雰囲気及び酸化雰囲気、さらには水蒸気酸化雰囲気から遮断される。このため、排ガス中の酸化剤ガスがセパレータに回り込んだり、水蒸気が存在したりしても、該セパレータが酸化（腐食）することを阻止することができる。すなわち、セパレータの耐酸化性（耐食性）が向上する。同時に、酸化や水蒸気酸化によって酸化物皮膜が生成・飛散したり、さらに堆積したりすることが抑制されるので、その結果、燃料ガスの円滑な流れが確保されるとともに圧力損失が増加することが回避される。

以下、本発明に係る燃料電池及びその製造方法につき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池２０が、矢印Ａ方向に沿って複数積層された燃料電池スタック２２の概略斜視説明図である。

燃料電池２０は、固体電解質（固体酸化物）型燃料電池であり、定置用の他、車載用等の種々の用途に用いられる。燃料電池２０は、図２及び図３に示すように、例えば、安定化ジルコニア等の酸化物イオン導電体で構成される電解質３０の両面に、カソード電極３２及びアノード電極３４が設けられた電解質・電極接合体３６を備える。電解質・電極接合体３６は、円板状に形成される。

アノード電極３４は、例えば、Ｎｉ−Ｚｒ系サーメット材で構成される。図４に示すように、アノード電極３４は、積層方向である矢印Ａ方向に沿う膜厚がカソード電極３２に比して大きい。すなわち、この場合、電解質・電極接合体３６は、アノード電極３４を基板として電解質３０、カソード電極３２が順次積層されることによって形成される支持膜型である。

そして、この電解質・電極接合体３６は、セパレータ３８、３８で挟持され、これにより燃料電池２０が構成されている。

図２に示すように、セパレータ３８は、中央部に積層方向（矢印Ａ方向）に沿って燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔４０を形成する燃料ガス供給部４２を有する。この燃料ガス供給部４２から外方に等角度間隔ずつ離間して放射状に延在する複数の橋架部４４が設けられるとともに、各橋架部４４には、円板状の挟持部４６が一体的に設けられる。

各挟持部４６は、電解質・電極接合体３６と略同一寸法に設定されており、燃料ガスを供給するための燃料ガス導入口４８が、例えば、前記挟持部４６の中心又は中心に対して酸化剤ガスの流れ方向上流側に偏心した位置に設定される。挟持部４６同士は、切り欠き５０を介して分離されている。

図２及び図５に示すように、各挟持部４６のアノード電極３４に接触する面４６ａ上には、前記アノード電極３４の電極面に沿って燃料ガスを供給するための燃料ガス通路５２を形成する複数の突起部５４が設けられる。各挟持部４６のカソード電極３２に接触する面４６ｂ上には、前記カソード電極３２の電極面に沿って酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス通路５６を形成する複数の突起部５８が設けられる。

セパレータ３８のカソード電極３２に対向する面には、通路蓋部材６０が、例えば、ろう付けやレーザ溶接等により固着される。通路蓋部材６０は、平板状に構成されるとともに、中央部に燃料ガス供給連通孔４０を形成する燃料ガス供給部６２を備える。燃料ガス供給部６２から放射状に８本の橋架部６４が延在するとともに、各橋架部６４は、セパレータ３８の橋架部４４から挟持部４６の面にわたり燃料ガス導入口４８を覆って固着される。橋架部４４、６４間には、燃料ガス供給連通孔４０から燃料ガス導入口４８に連通する燃料ガス供給通路６５が形成される。

第１実施形態において、セパレータ３８は、１２〜３０ｗｔ％のＣｒを含有するＦｅ系合金、例えば、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１０Ｓ、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１６Ｌ、ＳＵＳ３１７、ＳＵＳ４３０、ＳＵＳ４３４等の各種ステンレス鋼からなる金属プレートで構成される。

そして、図４及び図５に示すように、このセパレータ３８には、アノード電極３４に臨む側の端面に、該セパレータ３８が排ガスに曝されることを阻止するための保護層９０が形成されている。

図４に示すように、保護層９０は２層からなる。すなわち、保護層９０は、セパレータ３８からアノード電極３４に向かう方向に沿って、Ｎｉ及びＦｅを含有する混合層９２、Ｃｒを主成分として含有するクロムリッチ層９４をこの順序で有する。

混合層９２は、ＮｉやＦｅ、及びこれらの各々の酸化物や複合酸化物を主体とする。図６、図７にそれぞれ示されるＮｉ、Ｆｅの濃度分布の深さ方向プロファイルから諒解されるように、Ｎｉはアノード電極３４側で多く且つセパレータ３８に接近するにつれて少なくなり、一方、Ｆｅはセパレータ３８側で多く且つアノード電極３４に接近するにつれて少なくなる。すなわち、ＦｅとＮｉは、一方の組成比が多くなると他方が少なくなる、相対的に増減する関係にある。

混合層９２上のクロムリッチ層９４は、Ｃｒ及びその酸化物（特にＣｒ₂Ｏ₃）を主体とする層である。このクロムリッチ層９４、換言すれば、主体であるＣｒ及びその酸化物は、セパレータ３８に構成元素として含まれるＣｒを源として生成したものである。

ここで、Ｃｒの濃度分布の深さ方向プロファイルを図８に示す。この図８から、クロムリッチ層９４においてはＣｒの濃度が最大であり、該クロムリッチ層９４の主成分であることが分かる。なお、セパレータ３８中のＣｒは、該セパレータ３８の材質（ステンレス鋼等）の構成元素として含まれるものである。

以上のように構成された保護層９０の好ましい厚みは、１〜１００μｍである。１μｍ未満であると、セパレータ３８を酸化ないし水蒸気酸化から保護する効果が乏しくなることがある。一方、１００μｍを超えると、保護層９０が比較的剥離し易くなるとともに、該保護層９０の抵抗が大きくなる。保護層９０の一層好適な厚みは、１〜７５μｍである。

なお、クロムリッチ層９４は存在していればよく、その厚みは特に限定されるものではない。すなわち、例えば、数ｎｍ程度と極めて小さな厚みであってもよい。また、厚みは、最大でも５μｍとすれば十分である。換言すれば、クロムリッチ層９４の好適な厚みは、０を超え５μｍ以下である。

この保護層９０を介してセパレータ３８がアノード電極３４に圧接されると、アノード電極３４に燃料ガスを供給する燃料ガス通路５２を構成するための空間部５３が形成される（図４参照）。

図５に示すように、各セパレータ３８間には、燃料ガス供給連通孔４０をシールするための絶縁シール６６が設けられる。燃料電池２０には、挟持部４６の外方に位置して積層方向（矢印Ａ方向）に沿って酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給通路６８が設けられる一方、燃料ガス供給部４２の周囲には、使用済みの燃料ガス及び酸化剤ガスを排出する排ガス通路７０が形成される。

図１に示すように、燃料電池スタック２２における燃料電池２０の積層方向両端には、エンドプレート７４ａ、７４ｂが配置される。エンドプレート７４ａの形状は略円板状であり、その中央部には、燃料ガス供給連通孔４０に対応して孔部７６が設けられる。また、この孔部７６の周囲には、排ガス通路７０に対応して複数の孔部７８が設けられる。エンドプレート７４ａ、７４ｂ間は、ねじ孔８０に螺合する図示しないボルトにより矢印Ａ方向に締め付けられている。

この燃料電池２０は、以下のようにして製造することができる。

先ず、Ｃｒを１２〜３０ｗｔ％含む鉄系合金、好適には上記したようなステンレス鋼を原材料として選定し、例えば、プレス加工によってセパレータ３８を作製する。

次に、前記セパレータ３８の挟持部４６における少なくともアノード電極３４に臨む側の端面（突起部５４が設けられている端面）に、保護層９０を設ける。なお、セパレータ３８には、必要に応じてマスキングを施すようにしてもよい。この場合、例えば、テープやパラフィン等を用いてマスキングを行えばよい。

次に、セパレータ３８に対し、キシレン等（酸やアルカリを組み合わせた数種類の薬品で行ってもよい）による脱脂処理や不動態皮膜の除去処理を施す。これにより活性化されたセパレータ３８の表面には、電気メッキによってニッケルからなる薄膜状の電気メッキ層が形成される（ストライクニッケルメッキ）。この電気メッキ層は、後工程のメッキの密着性を向上させるものであり、その厚みは１μｍ以下が好ましい。

このようにしてニッケル電気メッキ処理が施されたセパレータ３８に対し、引き続いてニッケル無電解メッキ処理が施される。このニッケル無電解メッキ処理に際しての諸条件は、形成されるニッケル皮膜の厚みが１〜１００μｍの間となるように設定される。ニッケル皮膜の厚みが１０μｍ以下となる条件がより好ましく、５μｍ以下となる条件がさらに好ましい。

その際、メッキ用ニッケル槽に添加される主な元素は、Ｐ（リン）、Ｗ（タングステン）、Ｂ（ホウ素）又はＣｏ（コバルト）等であるとともに、ニッケル濃度が８０ｗｔ％以上に設定される。従って、ニッケル皮膜は、純粋なニッケルではなく、例えば、９４ｗｔ％Ｎｉ−６ｗｔ％（Ｗ，Ｂ）等の組成比を有するものである。ここで、６ｗｔ％（Ｗ，Ｂ）は、ＷとＢの合計が６ｗｔ％であることを表す。

なお、一般的なニッケルメッキを行う際には、９０ｗｔ％Ｎｉ−１０ｗｔ％Ｐ等の中間層を形成し、その上にニッケル皮膜を設けることが通例であるが、第１実施形態においては、前記中間層を形成することなく、ニッケル皮膜が直接積層される。

さらに、メッキ処理後のセパレータ３８に対し、水洗の後、１２０〜１５０℃の温度で１時間の焼成（ベーキング）処理が実施される。この焼成処理により、ニッケル皮膜と電気メッキ層との密着性が向上するとともに、ニッケル皮膜がアモルファスと結晶の複合組織となる。

この時点で、セパレータ３８に対して熱処理を施すようにしてもよい。なお、熱を受けることによってセパレータ３８が変形すること等を回避するため、熱処理の温度を５５０〜８５０℃とすることが好ましく、６５０〜８００℃とすることがより好ましい。

この熱処理に伴い、セパレータ３８（Ｃｒ含有鉄系合金）の構成元素であるＦｅ及びＣｒがニッケル皮膜側に向かって拡散し始める。Ｆｅはニッケル皮膜内に若干進入し、Ｎｉを押し出す。これにより、Ｎｉがセパレータ３８から離間するに従って濃度が高く、且つＦｅがセパレータ３８に接近するに従って濃度が高くなる混合層９２が形成される。

一方、Ｃｒは、ニッケル皮膜ないし混合層９２を通過し、最終的に、ニッケル皮膜ないし混合層９２上にクロムリッチ層９４を形成する。クロムリッチ層９４の厚みは０を超え５μｍ以下であり、例えば、数ｎｍ〜２μｍ程度である。

以上により、混合層９２とクロムリッチ層９４を具備する保護層９０が得られるに至る。混合層９２中のＦｅ、Ｎｉ、及びクロムリッチ層９４中のＣｒは酸素と結合し、結局、酸化物となる。

次に、セパレータ３８を構成する各挟持部４６に電解質・電極接合体３６を載置する。これにより、アノード電極３４と、前記挟持部４６に突起部５４を覆って形成された保護層９０とが部分的に密着し、これらの間に形成される空間部５３により燃料ガス通路５２が形成される（図４参照）。

さらに、電解質・電極接合体３６のカソード電極３２上に別のセパレータ３８を載置すれば、燃料電池２０が構成される。

又は、セパレータ３８に対して熱処理を施すことなく燃料電池２０を構成し、その後、燃料電池２０に対して熱処理を施すようにしてもよい。この場合においても、熱処理の好適な温度は５５０〜８５０℃であり、一層好適な温度は６５０〜８００℃である。

このように製造される燃料電池２０を組み込む燃料電池スタック２２の動作について、以下に説明する。

発電に先んじて、燃料電池スタック２２が所定の運転温度まで昇温される。

上記のようにして形成されたクロムリッチ層９４は、緻密ではない。従って、燃料電池２０に対して熱処理が施された際、ないし燃料電池スタック２２が運転に際して昇温された際、混合層９２に含まれるＮｉがクロムリッチ層９４を経由してアノード電極３４側に拡散する。一方、アノード電極３４がＮｉ−Ｚｒ系サーメット材で構成されている場合、該アノード電極３４中にもＮｉが含まれている。これらのＮｉ同士が馴染み合い、その結果、アノード電極３４とセパレータ３８とが一層強固に密着される。

このようにして密着し合ったアノード電極３４とセパレータ３８は、互いの熱による膨張（又は収縮）を抑制する。すなわち、アノード電極３４はセパレータ３８に押圧されることによって熱膨張（又は熱収縮）することが抑制され、一方、セパレータ３８はアノード電極３４に押圧されることによって熱膨張（又は熱収縮）することが抑制される。このため、電解質・電極接合体３６が熱変形に起因して破損することを回避することができる。

燃料電池スタック２２が所定の温度に到達する前に予め、図１に示すように、エンドプレート７４ａの孔部７６から燃料ガス（例えば、水素含有ガス）が供給されるとともに、燃料電池２０の外周側に設けられた酸化剤ガス供給通路６８から酸化剤ガスである酸素含有ガス（以下、空気ともいう）が供給される。

燃料ガスは、図５に示すように、燃料ガス供給部４２から橋架部４４内の燃料ガス供給通路６５に沿って移動し、挟持部４６に形成された燃料ガス導入口４８から複数の突起部５４により形成された燃料ガス通路５２に導入される。燃料ガス導入口４８は、各電解質・電極接合体３６のアノード電極３４の略中心位置に設定されている。このため、燃料ガスは、燃料ガス導入口４８からアノード電極３４の略中心に供給され、燃料ガス通路５２に沿って該アノード電極３４の外周部に向かって移動する。

一方、酸化剤ガスは、電解質・電極接合体３６の外側周端部と挟持部４６の外側周端部との間から矢印Ｂ方向に流入し、酸化剤ガス通路５６に送られる。酸化剤ガス通路５６では、電解質・電極接合体３６のカソード電極３２の外側周端部（セパレータ３８の外側周端部）側から内側周端部（セパレータ３８の中央部）に向かって酸化剤ガスが流動する。

従って、電解質・電極接合体３６では、アノード電極３４の電極面の中心側から周端部側に向かって燃料ガスが供給されるとともに、カソード電極３２の電極面の一方向（矢印Ｂ方向）に向かって酸化剤ガスが供給される。

燃料電池スタック２２が所定の温度に到達すると、多量の酸化物イオンが電解質３０を通ってアノード電極３４に活発に移動するようになり、化学反応により発電が行われる。上記したように、セパレータ３８とアノード電極３４とが強固に密着しているために両者間の接触抵抗が小さいので、この発電の際、集電が効率よく営まれる。

各電解質・電極接合体３６の外周部に排出される排ガスは、排ガス通路７０を介して積層方向に移動し、燃料電池スタック２２から排出される。

その際、酸化剤ガスは、通常、各電解質・電極接合体３６に対して空気過剰状態で供給されており、前記電解質・電極接合体３６の外周で未反応の燃料ガスを混在して燃焼する前後、さらに燃焼しながら、酸素が残存した状態でカソード電極３２からアノード電極３４へ回り込んでくる。さらに、アノード電極３４には、発電反応によって水蒸気が生成しており、未反応のまま使用済みとなった燃料ガスも残っている。この酸素や水蒸気、使用済みとなった燃料ガスを含有する高温の排ガスにより、セパレータ３８の外周部は、酸化雰囲気、水蒸気酸化雰囲気及び還元雰囲気が同時に存在する厳しい環境となっている。これら酸化雰囲気、水蒸気酸化雰囲気及び還元雰囲気に電解質・電極接合体３６、特にセパレータ３８の外周部が曝されるため、該セパレータ３８の外周部は、酸化及び水蒸気酸化を受け易く、同時に還元反応も起こり得る環境下にある。

しかしながら、第１実施形態では、図４及び図５に示すように、セパレータ３８に保護層９０が形成されている。このため、排ガス中の酸化剤ガスが、電解質・電極接合体３６の外周を回り込んでアノード電極３４及びセパレータ３８の外周部に入り込み、水蒸気が存在していても、該セパレータ３８が酸化や水蒸気酸化されることを阻止することができる。

従って、セパレータ３８の耐酸化性が向上するとともに、酸化や水蒸気酸化による堆積物の生成や飛散が抑制され、燃料ガス通路５２に沿って燃料ガスの円滑な流れが確保される。特に、セパレータ３８の表面がＣｒを主体とするクロムリッチ層９４で被覆されているので、該表面にＦｅ酸化物が発生することが回避される。このため、アノード電極３４とセパレータ３８との間の接触抵抗が増加することを回避することができる。同時に、Ｆｅ酸化物が発生することに起因して燃料ガスの圧力損失が増加することも回避することができる。

しかも、クロムリッチ層９４の厚みが極めて小さいため、該クロムリッチ層９４を設けたことに伴って接触抵抗が著しく増加することもない。

図９は、本発明の第２実施形態に係る製造方法の説明図である。なお、第２実施形態では、第１実施形態と同様に燃料電池スタック２２を用いている。

この第２実施形態では、セパレータ３８におけるアノード電極３４に臨む側の端面に、保護層９０ａが形成される。そして、システム昇温時（稼動初期段階）において、セパレータ３８の複数の突起部５４は、アノード電極３４内に入り込んでいる。

このように、第２実施形態では、セパレータ３８の突起部５４がアノード電極３４に入り込んで密着するため、互いの動きを抑制することができる。従って、熱変形による電解質・電極接合体３６の破損等を確実に抑制することが可能になるという効果が得られる。

なお、保護層９０、９０ａは、１μｍ以下の薄膜に形成することが困難であるとともに、膜厚が薄すぎると、酸化抑制効果が得られない。これにより、膜厚は、好ましくは、１μｍ以上に設定される。

一方、膜厚が厚くなると、電気抵抗が増大して接触抵抗が大きくなり、導通及び集電による損失が大きくなってしまう。さらに、コーティング層の界面で熱膨張係数の差による剥離が発生し易くなるとともに、ピンホール等の形成を防止して安定した皮膜を形成することが困難であり、且つコストが高騰するおそれがある。従って、保護層９０、９０ａは、１００μｍ以下に設定されることが好ましい。

図１０は、本発明の第３実施形態に係る燃料電池１００が、矢印Ａ方向に複数積層された燃料電池スタック１０２の概略斜視説明図である。なお、第１実施形態に係る燃料電池２０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第４〜第６実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。

燃料電池１００は、図１１及び図１２に示すように、単一の電解質・電極接合体３６を挟持するセパレータ１０４を備える。セパレータ１０４は、第１及び第２プレート１０６、１０８と、前記第１及び第２プレート１０６、１０８間に配設される第３プレート１１０とを備える。第１〜第３プレート１０６、１０８及び１１０は、例えば、ステンレス鋼等の板金で構成され、前記第３プレート１１０の両面に、前記第１プレート１０６と前記第２プレート１０８とが、例えば、ろう付けにより接合される。

図１１に示すように、第１プレート１０６は、積層方向（矢印Ａ方向）に沿って燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔４０が形成される第１燃料ガス供給部１１２を備え、この第１燃料ガス供給部１１２には、幅狭な第１橋架部１１４を介して比較的大径な第１挟持部１１６が一体的に設けられる。第１挟持部１１６は、電解質・電極接合体３６のアノード電極３４と略同一寸法に設定されている。

第１挟持部１１６のアノード電極３４に接触する面には、燃料ガス通路５２を形成するための多数の突起部５４ａが外周縁部近傍から中心部にわたって設けられるとともに、前記第１挟持部１１６の外周縁部には、略リング状突起部５４ｂが設けられる。突起部５４ａ及び略リング状突起部５４ｂは、集電部を構成する。

第１挟持部１１６の中央には、アノード電極３４の略中央部に向かって燃料ガスを供給するための燃料ガス導入口４８が形成される。なお、突起部５４ａは、略リング状突起部５４ｂと同一平面内に複数の凹部を形成することによって構成してもよい。第１挟持部１１６のアノード電極３４に向かう面には、突起部５４ａ及び略リング状突起部５４ｂを覆って保護層９０が形成される。

第２プレート１０８は、積層方向（矢印Ａ方向）に沿って酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔６８ａが形成される第１酸化剤ガス供給部１１８を備える。この第１酸化剤ガス供給部１１８には、幅狭な第２橋架部１２０を介して比較的大径な第２挟持部１２２が一体的に設けられる。

第２挟持部１２２は、電解質・電極接合体３６のカソード電極３２に接する面に、酸化剤ガス通路５６を形成するための複数の突起部５８が面内全面にわたって形成される（図１３参照）。第２挟持部１２２の中央部には、酸化剤ガスをカソード電極３２の略中央部に向かって供給するための酸化剤ガス導入口１２４が形成される。

第３プレート１１０は、燃料ガス供給連通孔４０が形成される第２燃料ガス供給部１２６と、酸化剤ガス供給連通孔６８ａが形成される第２酸化剤ガス供給部１２８とを備える。第２燃料ガス供給部１２６及び第２酸化剤ガス供給部１２８は、幅狭な第３及び第４橋架部１３０、１３２を介して比較的大径な第３挟持部１３４と一体的に構成される。第３挟持部１３４は、第１及び第２挟持部１１６、１２２と同一直径に設定される。

第３プレート１１０の第１プレート１０６に向かう面において、第２燃料ガス供給部１２６には、燃料ガス供給連通孔４０に連通する複数のスリット状通路１３６が放射状に形成される。燃料ガス供給連通孔４０から通路１３６を介して第３橋架部１３０及び第３挟持部１３４の面内に燃料ガス供給通路６５が形成される。第３挟持部１３４には、複数の突起部１３８が形成され、この突起部１３８は、燃料ガス供給通路６５の一部を構成する。

第３プレート１１０の第２プレート１０８に接する面において、第２酸化剤ガス供給部１２８には、酸化剤ガス供給連通孔６８ａに連通する複数のスリット状通路１４０が放射状に形成される。酸化剤ガス供給連通孔６８ａから通路１４０を介して第３挟持部１３４には、酸化剤ガス供給通路１４２が形成され、この酸化剤ガス供給通路１４２は、前記第３挟持部１３４の周縁部によって閉塞される。

第１プレート１０６が第３プレート１１０の一方の面にろう付けされることにより、第１及び第３プレート１０６、１１０間には、燃料ガス供給連通孔４０に連通する燃料ガス供給通路６５が設けられる。この燃料ガス供給通路６５は、第１及び第３挟持部１１６、１３４間に該第１挟持部１１６を挟んでアノード電極３４の電極面を覆い、且つ燃料ガスが供給されることにより前記第１挟持部１１６を前記アノード電極３４に圧接可能な燃料ガス圧力室１４６を構成する（図１３参照）。電解質・電極接合体３６の外周外方には、使用済みの燃料ガス及び酸化剤ガスを排出する排ガス通路７０が設けられる。

第２プレート１０８が第３プレート１１０にろう付けされることにより、第２及び第３プレート１０８、１１０間には、酸化剤ガス供給連通孔６８ａに連通する酸化剤ガス供給通路１４２が形成される。この酸化剤ガス供給通路１４２は、第２及び第３挟持部１２２、１３４間に該第２挟持部１２２を挟んでカソード電極３２の電極面を覆い、且つ酸化剤ガスが供給されることにより前記第２挟持部１２２を前記カソード電極３２に圧接可能な酸化剤ガス圧力室１４８を構成する（図１３参照）。

セパレータ１０４は、第１プレート１０６の第１挟持部１１６と、第２プレート１０８の第２挟持部１２２と、第３プレート１１０の第３挟持部１３４とが接合されることにより、円板状の挟持部１５０を構成する。挟持部１５０には、第１及び第３橋架部１１４、１３０が接合されて構成される橋架部１５２と、第２及び第４橋架部１２０、１３２が接合されて構成される橋架部１５４とが連結される。

橋架部１５２には、第１燃料ガス供給部１１２と第２燃料ガス供給部１２６とが接合されて形成される燃料ガス供給部１５６が連結される。橋架部１５４には、第１酸化剤ガス供給部１１８と第２酸化剤ガス供給部１２８が接合されて形成される酸化剤ガス供給部１５８が連結される。

図１１に示すように、各セパレータ１０４間には、燃料ガス供給連通孔４０をシールするための絶縁シール１５９ａと、酸化剤ガス供給連通孔６８ａをシールするための絶縁シール１５９ｂとが設けられる。絶縁シール１５９ａ、１５９ｂは、例えば、マイカ材やセラミック材で形成されている。

図１０に示すように、燃料電池スタック１０２は、複数の燃料電池１００の積層方向両端にエンドプレート１６０ａ、１６０ｂを配置する。エンドプレート１６０ａもしくはエンドプレート１６０ｂは、締付手段１６２と電気的に絶縁される。エンドプレート１６０ａには、燃料電池１００の燃料ガス供給連通孔４０に連通する第１配管１６４と、酸化剤ガス供給連通孔６８ａに連通する第２配管１６６とが接続される。エンドプレート１６０ａ、１６０ｂには、電解質・電極接合体３６よりも燃料ガス供給連通孔４０及び酸化剤ガス供給連通孔６８ａに近接する位置に、矢印Ａ方向に積層された電解質・電極接合体３６とセパレータ１０４とに積層方向に締付荷重を付与する締付手段１６２が配設される。

締付手段１６２は、燃料ガス供給連通孔４０の両側及び酸化剤ガス供給連通孔６８ａの両側に位置してエンドプレート１６０ａ、１６０ｂに形成されるボルト孔１６８を備える。各ボルト孔１６８に締付ボルト１７０が挿入されるとともに、各締付ボルト１７０の先端にナット１７２が螺合することによって、燃料電池スタック１０２が締め付け保持される。

このように構成される燃料電池スタック１０２の動作について、以下に説明する。

図１０に示すように、エンドプレート１６０ａに接続されている第１配管１６４から燃料ガス供給連通孔４０に燃料ガスが供給されるとともに、前記エンドプレート１６０ａに接続された第２配管１６６から酸化剤ガス供給連通孔６８ａに酸化剤ガスが供給される。

燃料ガス供給連通孔４０に供給された燃料ガスは、図１３に示すように、積層方向（矢印Ａ方向）に移動しながら、各燃料電池１００を構成するセパレータ１０４内の燃料ガス供給通路６５に供給される。燃料ガスは、燃料ガス供給通路６５に沿って第１及び第３挟持部１１６、１３４間に形成された燃料ガス圧力室１４６に導入され、複数の突起部１３８間を移動して第１挟持部１１６の中央部に形成される燃料ガス導入口４８に導入される。

燃料ガス導入口４８は、各電解質・電極接合体３６のアノード電極３４の中心位置に対応して設けられている。このため、燃料ガスは、燃料ガス導入口４８から燃料ガス通路５２に供給され、アノード電極３４内を中心部から外周部に向かって流動する。

一方、酸化剤ガス供給連通孔６８ａに供給される酸化剤ガスは、セパレータ１０４内の酸化剤ガス供給通路１４２を移動し、第２及び第３挟持部１２２、１３４間に形成された酸化剤ガス圧力室１４８に供給される。さらに、酸化剤ガスは、第２挟持部１２２の中心位置に設けられる酸化剤ガス導入口１２４に導入される。

酸化剤ガス導入口１２４は、各電解質・電極接合体３６のカソード電極３２の中心位置に対応して設けられている。このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス導入口１２４から酸化剤ガス通路５６に供給され、カソード電極３２の中心部から外周部に向かって流動する。

従って、各電解質・電極接合体３６では、アノード電極３４の中心部から外周部に向かって燃料ガスが供給されるとともに、カソード電極３２の中心部から外周部に向かって酸化剤ガスが供給され、発電が行われる。そして、発電に使用された燃料ガス及び酸化剤ガスは、排ガスとして挟持部１５０の外周部から排気される。

第３実施形態においては、図１３に示すように、セパレータ３８を構成する第１プレート１０６の第１挟持部１１６に保護層９０が形成されている。このため、第３実施形態では、上記の第１及び第２実施形態と同様の効果が得られる。

図１４は、本発明の第４実施形態に係る燃料電池２００の分解斜視説明図である。

燃料電池２００は、図１４に示すように、一対のセパレータ２０４間に複数（例えば、４個）の電解質・電極接合体３６を挟んで構成される。セパレータ２０４間には、このセパレータ２０４の中心部である燃料ガス供給連通孔４０を中心にして等角度間隔ずつ離間し且つ前記燃料ガス供給連通孔４０と同心円上に４個の電解質・電極接合体３６が配置される。

セパレータ２０４は、例えば、ステンレス鋼等の板金で構成される第１プレート２０６及び第２プレート２０８を有する。第１プレート２０６及び第２プレート２０８は、互いに拡散接合、レーザ溶接又はろう付け等により接合される。第１プレート２０６及び第２プレート２０８は、金属プレートに代えて、例えば、カーボンプレート等（接合方法は省略する）で構成してもよい。

図１４及び図１５に示すように、第１プレート２０６は、中央部に積層方向（矢印Ａ方向）に沿って燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔４０が形成される第１燃料ガス供給部２１０ａを有する。この第１燃料ガス供給部２１０ａから外方に等角度間隔ずつ離間して放射状に延在する４つの第１橋架部２１２ａを介し、比較的大径な第１挟持部２１４ａが一体に設けられる。第１挟持部２１４ａは、電解質・電極接合体３６と略同一寸法に設定されるとともに、各第１挟持部２１４ａには、短尺な第２橋架部２１６ａを介して環状の第１筐体部２１８ａが一体に設けられる。

第１挟持部２１４ａのアノード電極３４に接触する面には、前記アノード電極３４の電極面に沿って燃料ガスを供給するための燃料ガス通路５２を形成する複数の突起部２２０が設けられる。突起部２２０は、集電部を構成する。第１挟持部２１４ａの略中央には、燃料ガス供給連通孔４０側に偏心しアノード電極３４の略中央部に向かって燃料ガスを供給するための燃料ガス導入口４８が形成される。第１挟持部２１４ａのアノード電極３４に接触する面には、突起部２２０を覆って保護層９０が形成される。

第１筐体部２１８ａは、酸化剤ガスを酸化剤ガス供給通路１４２に供給するための酸化剤ガス供給連通孔６８ａが積層方向に形成される酸化剤ガス供給部２２２を有する。第１筐体部２１８ａには、複数のボルト挿入用孔部２２４が所定角度間隔ずつ離間して設けられる。燃料ガス供給連通孔４０、第１橋架部２１２ａ、第１挟持部２１４ａ、第２橋架部２１６ａ及び酸化剤ガス供給連通孔６８ａは、セパレータ面方向に沿って直線上に配置される。

図１４及び図１６に示すように、第２プレート２０８は、中央部に燃料ガス供給連通孔４０が形成される第２燃料ガス供給部２１０ｂを有する。この第２燃料ガス供給部２１０ｂから外方に等角度間隔ずつ離間して放射状に延在する４つの第１橋架部２１２ｂを介して比較的大径な第２挟持部２１４ｂが一体に設けられる。第２挟持部２１４ｂは、第１挟持部２１４ａと同様に、電解質・電極接合体３６と略同一寸法に設定されるとともに、各第２挟持部２１４ｂには、短尺な第２橋架部２１６ｂを介して環状の第２筐体部２１８ｂが一体に設けられる。

第２燃料ガス供給部２１０ｂの第１燃料ガス供給部２１０ａと接合される面には、燃料ガス供給連通孔４０に連通する複数の溝部２３６が、前記燃料ガス供給連通孔４０を中心にして放射状に形成される。各溝部２３６は、周溝２３８に一体に連通するとともに、前記周溝２３８には、４本の燃料ガス供給通路６５が連通する。各燃料ガス供給通路６５は、各第１橋架部２１２ｂから各第２挟持部２１４ｂの中央部近傍に延在し、第１プレート２０６の燃料ガス導入口４８に対応して終端する。

第２筐体部２１８ｂには、酸化剤ガス供給連通孔６８ａが積層方向に形成される酸化剤ガス供給部２２２と、ボルト挿入用孔部２２４とが設けられる。この第２筐体部２１８ｂの第１筐体部２１８ａに接合される面には、酸化剤ガス供給連通孔６８ａから供給される酸化剤ガスを充填するための充填室２６０が形成される。

充填室２６０は、各第２橋架部２１６ｂから各第２挟持部２１４ｂの中央部近傍まで延在する酸化剤ガス供給通路１４２に連通する。酸化剤ガス供給通路１４２の先端には、第２挟持部２１４ｂを貫通する酸化剤ガス導入口１２４が連通する。

第１プレート２０６には、複数の突起部２２０が、例えば、エッチングにより形成されるとともに、第２プレート２０８には、溝部２３６、周溝２３８、燃料ガス供給通路６５、充填室２６０及び酸化剤ガス供給通路１４２が、例えば、エッチングにより形成される。

セパレータ２０４は、図１５に示すように、第１プレート２０６の第１挟持部２１４ａと、第２プレート２０８の第２挟持部２１４ｂとが接合されることにより、円板状の挟持部２１４を構成する。挟持部２１４には、第１橋架部２１２ａ、２１２ｂが接合されて構成される第１橋架部２１２と、第２橋架部２１６ａ、２１６ｂが接合されて構成される第２橋架部２１６とが連結される。

第１橋架部２１２には、第１燃料ガス供給部２１０ａと第２燃料ガス供給部２１０ｂとが接合されて形成される燃料ガス供給部２１０が連結される。第２橋架部２１６には、第１筐体部２１８ａと第２筐体部２１８ｂとが接合されて形成される酸化剤ガス供給部２２２が連結される。

図１４に示すように、第２プレート２０８のカソード電極３２に向かう面には、変形可能な弾性通路部、例えば、導電性フェルト部材（金属フェルト等の導電性不織布）２６２が配設される。このフェルト部材２６２により、第２挟持部２１４ｂとカソード電極３２との間には、酸化剤ガス通路５６が形成される。なお、フェルト部材２６２に代えて、メッシュ部材（金属メッシュ等の導電性織布）、発泡金属、エキスパンドメタル、パンチングメタル又はプレスエンボスメタル等を採用してもよい。電解質・電極接合体３６の外周部には、反応後の燃料ガス及び酸化剤ガスを排ガスとして排出するための排ガス通路７０が設けられる。

図１７に示すように、各セパレータ２０４間には、燃料ガス供給連通孔４０をシールするための第１絶縁シール２６３ａと、酸化剤ガス供給連通孔６８ａをシールするための第２絶縁シール２６３ｂとが設けられる。第１絶縁シール２６３ａ及び第２絶縁シール２６３ｂは、シール性が高く、硬質で潰れ難い、例えば、地殻成分系素材、硝子系素材、粘土とプラスチックの複合素材等が使用される。また、第２絶縁シール２６３ｂは、熱エネルギの拡散を阻止する断熱部材であることが好ましい。

このように構成される燃料電池２００の動作について、以下に説明する。

燃料ガス供給連通孔４０に供給された燃料ガスは、図１５及び図１７に示すように、積層方向（矢印Ａ方向）に移動しながら、各燃料電池２００を構成するセパレータ２０４の第２プレート２０８に形成された溝部２３６から周溝２３８を介して各燃料ガス供給通路６５に供給される（図１４参照）。燃料ガスは、燃料ガス供給通路６５に沿って移動した後、第１プレート２０６に形成された燃料ガス導入口４８から燃料ガス通路５２に導入される。

燃料ガス導入口４８は、各電解質・電極接合体３６のアノード電極３４の略中心位置に対応して設けられている。従って、燃料ガスは、燃料ガス導入口４８からアノード電極３４に供給され、このアノード電極３４の略中心部から外周部に向かって燃料ガス通路５２を流動する。

一方、酸化剤ガス供給連通孔６８ａに供給される空気は、第１プレート２０６の第１筐体部２１８ａと第２プレート２０８の第２筐体部２１８ｂとの間に設けられる充填室２６０に一旦充填される。この充填室２６０には、酸化剤ガス供給通路１４２が連通しており、酸化剤ガスは、各酸化剤ガス供給通路１４２に沿って挟持部２１４の中心側に移動する。

第２挟持部２１４ｂの中心近傍には、酸化剤ガス導入口１２４が連通するとともに、前記酸化剤ガス導入口１２４は、電解質・電極接合体３６のカソード電極３２の略中心位置に対応して設けられている。これにより、空気は、図１７に示すように、酸化剤ガス導入口１２４からカソード電極３２に供給され、このカソード電極３２の略中心部から外周部に向かってフェルト部材２６２に形成された酸化剤ガス通路５６を流動する。

従って、各電解質・電極接合体３６では、アノード電極３４の略中心部から外周部に向かって燃料ガスが供給されるとともに、カソード電極３２の略中心部から外周部に向かって空気が供給され、発電が行われる。そして、発電に使用された燃料ガス及び空気は、排ガスとして各電解質・電極接合体３６の外周部から排ガス通路７０に排気される。

図１８は、本発明の第５実施形態に係る燃料電池２８０の分解斜視説明図である。

燃料電池２８０は、２個の電解質・電極接合体３６を挟持するセパレータ２８２を備える。セパレータ２８２は、セパレータ１０４と同様に３枚のプレート（図示せず）により構成される。セパレータ２８２は、図１８に示すように、それぞれ電解質・電極接合体３６を挟持する円板状の第１挟持部１５０ａと第２挟持部１５０ｂとを備える。

第１挟持部１５０ａ及び第２挟持部１５０ｂには、橋架部１５２ａ、１５２ｂを介して燃料ガス供給部１５６が連結されるとともに、橋架部１５４ａ、１５４ｂを介して酸化剤ガス供給部１５８に連結される。橋架部１５２ａ、１５２ｂ内には、燃料ガス供給通路６５ａ、６５ｂが形成されるとともに、橋架部１５４ａ、１５４ｂ内には、酸化剤ガス供給通路１４２ａ、１４２ｂが形成される。

第１挟持部１５０ａと電解質・電極接合体３６との間には、燃料ガス通路５２ａ及び酸化剤ガス通路５６ａが形成される一方、第２挟持部１５０ｂと前記電解質・電極接合体３６との間には、燃料ガス通路５２ｂ及び酸化剤ガス通路５６ｂが形成される。

第１挟持部１５０ａ及び第２挟持部１５０ｂのアノード電極３４に向かう面には、保護層９０が形成される。保護層９０は、各アノード電極３４に部分的に密着し、燃料ガス通路５２ａ、５２ｂが形成される。

このように構成される第５実施形態では、上記の第１〜第４実施形態と同様の効果を有する。さらに、セパレータ２８２は、２つの電解質・電極接合体３６を挟持し、且つ、各電解質・電極接合体３６に燃料ガスを供給する燃料ガス供給通路６５ａ、６５ｂ及び酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給通路１４２ａ、１４２ｂが、全て同一の長さに設定されている。このため、各電解質・電極接合体３６に対して燃料ガス及び酸化剤ガスを均等に配分することができるとともに、発電出力を高めることが可能になる。

図１９は、本発明の第６実施形態に係る燃料電池３００の分解斜視説明図である。

燃料電池３００は、複数、例えば、１６個の電解質・電極接合体３６をセパレータ３０２により挟んで構成される。セパレータ３０２の面内には、このセパレータ３０２の中心部である燃料ガス供給連通孔４０と同心円上に８個の電解質・電極接合体３６が配列される内周側配列層Ｐ１と、この内周側配列層Ｐ１の外周に８個の電解質・電極接合体３６が配列される外周側配列層Ｐ２とが設けられる。

セパレータ３０２は、図１９及び図２０に示すように、互いに積層される複数枚、例えば、２枚のプレート３０４、３０６を備える。プレート３０４、３０６は、例えば、ステンレス鋼等の板金で構成されており、それぞれ波形外周部３０４ａ、３０６ａを設ける。

プレート３０４、３０６の中央側には、燃料ガス供給連通孔４０を形成する第１及び第２燃料ガス供給部３０８ａ、３０８ｂが設けられる。第１及び第２燃料ガス供給部３０８ａ、３０８ｂには、４つの排ガス通路７０を設けるためにそれぞれ４つの第１及び第２橋架部３１０ａ、３１０ｂが連結される。

図１９及び図２１に示すように、プレート３０４、３０６には、燃料ガス供給連通孔４０に対して放射状に突起部３１２ａ、３１２ｂが設けられるとともに、前記突起部３１２ａ、３１２ｂ間には、前記燃料ガス供給連通孔４０に連通する燃料ガス供給通路６５が形成される。

図２１に示すように、突起部３１２ａ、３１２ｂは、先端を結ぶ仮想円が内周側配列層Ｐ１の中心線と、外周側配列層Ｐ２の中心線とを形成する。内周側配列層Ｐ１に沿って８個の電解質・電極接合体３６が配列される一方、外周側配列層Ｐ２の中心線に沿って８個の電解質・電極接合体３６が配列される。

突起部３１２ａの先端側周囲には、それぞれ３個の酸化剤ガス導入口１２４がプレート３０４を貫通して形成される。プレート３０４には、内周側配列層Ｐ１及び外周側配列層Ｐ２に沿って配列される各電解質・電極接合体３６に向かって突出し、各電解質・電極接合体３６に接する第１突起部３１４が膨出成形される。

プレート３０６には、内周側配列層Ｐ１及び外周側配列層Ｐ２に沿って配列される各電解質・電極接合体３６に向かって突出し、各電解質・電極接合体３６に接する第２突起部３１６が膨出成形される。第２突起部３１６は、第１突起部３１４よりも径方向及び高さ方向の各寸法が小さく設定されている（図２２参照）。プレート３０６には、燃料ガス供給通路６５に連通する燃料ガス導入口４８が貫通形成される。この燃料ガス供給通路６５は、燃料ガス導入口４８から燃料ガス通路５２に連通する。

プレート３０４とプレート３０６との間には、突起部３１２ａ、３１２ｂとの間に対応して燃料ガス供給通路６５が形成されるとともに、前記突起部３１２ａ、３１２ｂの外方に対応して酸化剤ガス供給通路１４２が形成される。この酸化剤ガス供給通路１４２は、プレート３０４に形成された酸化剤ガス導入口１２４から酸化剤ガス通路５６に連通する。

セパレータ３０２は、第１及び第２燃料ガス供給部３０８ａ、３０８ｂが接合されることにより燃料ガス供給部を一体に形成するとともに、第１及び第２橋架部３１０ａ、３１０ｂが接合されることにより橋架部を一体に構成する。

セパレータ３０２の面内には、内周側配列層Ｐ１に沿って配列される８個の電解質・電極接合体３６を挟持する８つの挟持部３２０ａと、外周側配列層Ｐ２に沿って配列される８個の電解質・電極接合体３６を挟持する８つの挟持部３２０ｂとが構成される。セパレータ３０２では、少なくともアノード電極３４に接する挟持部３２０ａ、３２０ｂの面に、保護層９０が形成される。

一方のセパレータ３０２を構成するプレート３０４と他方のセパレータ３０２を構成するプレート３０６とにより、電解質・電極接合体３６が挟持される。具体的には、図２２に示すように、電解質・電極接合体３６を挟んで互いに対向するプレート３０４、３０６には、第１突起部３１４及び第２突起部３１６が膨出成形されており、前記第１突起部３１４と前記第２突起部３１６とによって前記電解質・電極接合体３６が挟持される。

電解質・電極接合体３６と一方のセパレータ３０２を構成するプレート３０６との間には、燃料ガス供給通路６５から燃料ガス導入口４８を介して連通する燃料ガス通路５２が形成される。電解質・電極接合体３６と他方のセパレータ３０２を構成するプレート３０４との間には、酸化剤ガス供給通路１４２から酸化剤ガス導入口１２４を介して連通する酸化剤ガス通路５６が形成される。

このように構成される燃料電池３００の動作について、以下に説明する。

図２０及び図２２に示すように、燃料ガスは、突起部３１２ａ、３１２ｂ間に形成された燃料ガス供給通路６５に沿って移動し、各燃料ガス導入口４８を介して燃料ガス通路５２に導入される。燃料ガス導入口４８は、各電解質・電極接合体３６のアノード電極３４の中心位置に対応して設けられており、燃料ガス通路５２に導入された燃料ガスは、前記アノード電極３４の中心部から外周に向かって流動する。

一方、酸化剤ガス供給通路１４２に供給された酸化剤ガスは、酸化剤ガス導入口１２４から酸化剤ガス通路５６に導入され、電解質・電極接合体３６のカソード電極３２の中心部から外周に沿って流動する（図２０及び図２２参照）。

従って、各電解質・電極接合体３６では、アノード電極３４の中心部から外周に向かって燃料ガスが供給されるとともに、カソード電極３２の中心部から外周に向かって酸化剤ガスが供給される。その際、酸素イオンが電解質３０を通ってアノード電極３４に移動し、化学反応により発電が行われる。

各電解質・電極接合体３６の外周に移動した反応後の燃料ガス及び酸化剤ガス（排ガス）は、セパレータ３０２の中心部側に移動する。セパレータ３０２の中心部近傍には、排ガスマニホールドを構成する４つの排ガス通路７０が形成されており、排ガスがこの排ガス通路７０から外部に排出される。

この場合、第６実施形態では、上記の第１〜第５実施形態と同様の効果が得られる。しかも、セパレータ３０２の中央に設けられている第１及び第２燃料ガス供給部３０８ａ、３０８ｂから内周側配列層Ｐ１に沿って配列される８個の電解質・電極接合体３６に供給される燃料ガスの経路長さを等しくするとともに、外周側配列層Ｐ２に沿って配列される８個の電解質・電極接合体３６に供給される燃料ガスの経路長さを等しくすることができる。これにより、各電解質・電極接合体３６の発電状態を均一に維持することができ、良好な発電出力が効率的に得られるという効果がある。

なお、上記の第１〜第６実施形態では、電解質・電極接合体３６として、アノード電極３４を基板として電解質３０とカソード電極３２を積層する支持膜型のものを例示して説明したが、電解質３０を基板として該電解質３０の両端面にアノード電極３４及びカソード電極３２をそれぞれ積層する自立膜型であってもよい。

また、電解質３０とカソード電極３２及び／又はアノード電極３４との間に中間層を介装するようにしてもよい。

さらにまた、保護層９０をセパレータ３８に形成する手法は、上記した無電解メッキに特に限定されるものではなく、化学的気相成長（ＣＶＤ）法、物理的気相成長（ＰＶＤ）法、スクリーン印刷、蒸着等、公知の成膜法を採用することができる。

本発明の第１実施形態に係る燃料電池が複数積層された燃料電池スタックの概略斜視説明図である。 前記燃料電池の分解斜視図である。 前記燃料電池のガス流れ状態を示す一部分解斜視説明図ある。 前記燃料電池を構成する電解質・電極構造体及びセパレータの説明図である。 前記燃料電池の動作を説明する概略断面説明図である。 保護層及びセパレータにおけるＮｉの濃度分布を示す深さ方向プロファイルである。 保護層及びセパレータにおけるＦｅの濃度分布を示す深さ方向プロファイルである。 保護層及びセパレータにおけるＣｒの濃度分布を示す深さ方向プロファイルである。 本発明の第２実施形態に係る製造方法の説明図である。 本発明の第３実施形態に係る燃料電池が複数積層された燃料電池スタックの概略斜視説明図である。 前記燃料電池の分解斜視図である。 前記燃料電池のガス流れ状態を示す一部分解斜視説明図ある。 前記燃料電池を構成する電解質・電極構造体及びセパレータの説明図である。 本発明の第４実施形態に係る燃料電池の分解斜視説明図である。 前記燃料電池のガス流れ状態を示す一部分解斜視説明図である。 セパレータを構成する第２プレートの説明図である。 前記燃料電池の動作を説明する概略断面説明図である。 本発明の第５実施形態に係る燃料電池の分解斜視説明図である。 本発明の第６実施形態に係る燃料電池の分解斜視説明図である。 前記燃料電池のガス流れ状態を示す一部分解斜視説明図である。 前記セパレータの分解斜視説明図である。 前記燃料電池の動作を説明する概略断面説明図である。

符号の説明

２０、１００、２００、２８０、３００…燃料電池
２２、１０２…燃料電池スタック ３０…電解質
３２…カソード電極 ３４…アノード電極
３６…電解質・電極接合体
３８、１０４、２０４、２８２、３０２…セパレータ
４０…燃料ガス供給連通孔
４２、６２、１１２、１２６、１５６、２１０、２１０ａ、２１０ｂ、３０８ａ、３０８ｂ…燃料ガス供給部
４４、６４、１１４、１２０、１３０、１３２、１５２、１５２ａ、１５２ｂ、１５４、１５４ａ、１５４ｂ、２１２、２１２ａ、２１２ｂ、２１６、２１６ａ、２１６ｂ、３１０ａ、３１０ｂ…橋架部
４６、１１６、１２２、１３４、１５０、１５０ａ、１５０ｂ、２１４、２１４ａ、２１４ｂ、３２０ａ、３２０ｂ…挟持部
４８…燃料ガス導入口 ５２、５２ａ、５２ｂ…燃料ガス通路
５４、５８、５４ａ、２２０、３１２ａ、３１２ｂ、３１６…突起部
５６、５６ａ、５６ｂ…酸化剤ガス通路
６５…燃料ガス供給通路
６８、１４２、１４２ａ、１４２ｂ…酸化剤ガス供給通路
６８ａ…酸化剤ガス供給連通孔 ７０…排ガス通路
９０…保護層 ９２…混合層
９４…クロムリッチ層
１０６、１０８、１１０、２０６、２０８、３０４、３０６…プレート
１１８、１２８、１５８、２２２…酸化剤ガス供給部
１２４…酸化剤ガス導入口 ２１８ａ、２１８ｂ…筐体部

Claims (10)

1. 電解質をアノード電極とカソード電極とで挟持して構成される電解質・電極接合体がセパレータ同士の間に配設されるとともに、前記アノード電極の中心部から外周部に向かって燃料ガスを供給する一方、前記カソード電極に沿って酸化剤ガスを供給し、さらに使用後の前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスが混在する排ガスを前記電解質・電極接合体の外周部外方に排出する燃料電池であって、
   前記セパレータがＣｒを含有する鉄系合金からなり、
   且つ該セパレータにおける前記アノード電極を臨む側の端面に形成されて該セパレータが前記排ガスに曝されることを阻止する保護層を備え、
   前記保護層は、前記セパレータから前記アノード電極に向かう方向に沿って、Ｎｉ及びＦｅを含有する混合層、Ｃｒを主成分として含有するクロムリッチ層をこの順序で有し、
   前記混合層は、前記セパレータから前記アノード電極に向かうに従ってＮｉとＦｅの組成比が相対的に増減する傾斜層であることを特徴とする燃料電池。
2. 請求項１記載の燃料電池において、前記混合層は、前記クロムリッチ層に臨む側でニッケル及び／又はその酸化物を主体とし、前記セパレータに臨む側で鉄及び／又はその酸化物を主体とする傾斜層であることを特徴とする燃料電池。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池において、前記保護層は、前記セパレータに形成されたＮｉ含有皮膜に対して５５０〜８５０℃で熱処理が施されることによって得られたものであることを特徴とする燃料電池。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記保護層の厚みが１〜１００μｍであることを特徴とする燃料電池。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記セパレータは、１２〜３０ｗｔ％のＣｒを含有するものであることを特徴とする燃料電池。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記アノード電極は、Ｎｉとジルコニアを含むＮｉ−Ｚｒ系サーメットからなることを特徴とする燃料電池。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記排ガスに、発電に伴って生じた水蒸気が混在することを特徴とする燃料電池。
8. 電解質をアノード電極とカソード電極とで挟持して構成される電解質・電極接合体がセパレータ同士の間に配設されるとともに、前記アノード電極の中心部から外周部に向かって燃料ガスを供給する一方、前記カソード電極に沿って酸化剤ガスを供給し、さらに使用後の前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスが混在する排ガスを前記電解質・電極接合体の外周部外方に排出する燃料電池の製造方法であって、
   前記セパレータとして、Ｃｒを含有する鉄系合金からなるものを選定し、
   該セパレータにおける前記アノード電極を臨む側の端面にＮｉ含有皮膜を形成し、
   前記Ｎｉ含有皮膜に対して５５０〜８５０℃で熱処理を施すことによって、前記セパレータが前記排ガスに曝されることを阻止するとともに、該セパレータから前記アノード電極に向かう方向に沿って、Ｎｉ及びＦｅを含有する混合層、Ｃｒを主成分として含有するクロムリッチ層をこの順序で有し、且つ前記混合層が、前記セパレータから前記アノード電極に向かうに従ってＮｉとＦｅの組成比が相対的に増減する傾斜層である保護層を設けることを特徴とする燃料電池の製造方法。
9. 請求項８記載の製造方法において、前記セパレータ同士で前記電解質・電極接合体を挟持した後に前記熱処理を行うことを特徴とする燃料電池の製造方法。
10. 請求項８記載の製造方法において、前記セパレータに対して前記熱処理を施した後、該セパレータ同士で前記電解質・電極接合体を挟持することを特徴とする燃料電池の製造方法。

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