JP2009283144A - 固体電解質形燃料電池のセパレータ表面処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単且つ経済的な工程で、品質の向上を図るとともに、コーティング層とセパレータとの密着性を向上させて耐久性を良好に確保することを可能にする。
【解決手段】セパレータ表面処理方法は、金属セパレータ２８のカソード電極２２に対向するカソード面６６ｂに、クロム飛散防止層１３０を被覆する第１工程と、前記第１工程により前記金属セパレータ２８のアノード電極２４に対向するアノード面６６ａに付着した前記クロム飛散防止層１３０を除去するとともに、前記アノード面６６ａを粗面化する第２工程と、前記第２工程の後、前記金属セパレータ２８の前記アノード面６６ａに、酸化防止層１３２を被覆する第３工程とを有している。
【選択図】図６

Description

本発明は、固体電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体と、クロムを含有する金属セパレータとが交互に積層される固体電解質形燃料電池のセパレータ表面処理方法に関する。

通常、固体電解質形燃料電池（特に、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ））は、電解質に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、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持している。この燃料電池は、通常、電解質・電極接合体とセパレータとが所定数だけ交互に積層された燃料電池スタックとして使用されている。

この種の固体電解質形燃料電池は、作動温度が比較的高温であるため、セパレータには、クロム（Ｃｒ）を含有する耐熱性合金を用いた金属セパレータが採用されている。

ところが、セパレータは、酸化雰囲気下で高温に曝されると、前記セパレータに含有しているクロムが析出し、前記セパレータから飛散するおそれがある。このため、飛散するクロムによってＭＥＡが劣化したり、セパレータ自体が劣化したりするという問題がある。

そこで、例えば、特許文献１に開示されている金属表面処理方法では、希土類元素を含む酸化物を構成する金属元素の含まれた金属塩を、グリセリン混合で粘度調整しながら合金表面にスプレー塗布することにより、固体電解質型燃料電池のセパレータを製造している。

また、特許文献２に開示されている固体電解質型燃料電池のセパレータでは、Ｃｒを含むＮｉ基合金又はＦｅ基合金である耐熱性合金からなり、少なくとも空気極側の表面に、酸化クロムと複合酸化物を形成するＮｉ、Ｍｎ、Ｆｅのいずれか、あるいは、これら元素の２以上の組み合わせの元素を含む材料をコーティングしてセパレータを形成している。

さらにまた、特許文献３に開示されている固体酸化物型燃料電池セパレータ材では、Ｃｒ：１１〜４０質量％のフェライト系ステンレス鋼を基材とし、膜厚：０．０５〜１００μｍ、Ｔｉ濃度：４０原子％以上のＴｉＮ被覆層が基材表面に形成されている。

特開平４−３２３３７９号公報 特開２００１−１９６０７７号公報 特開２００６−３１８６５２号公報

ところで、上記の特許文献１では、燃料極側に酸化物（異物）が付着すると、発電反応時にこの燃料極側が還元雰囲気下になるため、前記酸化物が反応して剥離し、品質低下が惹起するおそれがある。しかも、コーティング層とセパレータとを確実に密着させることができず、耐久性が低下するという問題がある。

また、上記の特許文献２及び特許文献３では、上記の特許文献１と同様に、セパレータに付着した異物の剥離による品質の低下やコーティング層の密着不良による耐久性の低下等が発生するという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つ経済的な工程で、品質の向上を図るとともに、コーティング層とセパレータとの密着性を向上させて耐久性を良好に確保することが可能な固体電解質形燃料電池のセパレータ表面処理方法を提供することを目的とする。

本発明は、固体電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体と、クロムを含有する金属セパレータとが交互に積層される固体電解質形燃料電池のセパレータ表面処理方法に関するものである。

このセパレータ表面処理方法は、金属セパレータのカソード電極に対向するカソード面に、クロム飛散防止層を被覆する第１工程と、前記第１工程により前記金属セパレータのアノード電極に対向するアノード面に付着した前記クロム飛散防止層を除去するとともに、前記アノード面を粗面化する第２工程と、前記第２工程の後、前記金属セパレータの前記アノード面に、酸化防止層を被覆する第３工程とを有している。

また、セパレータ表面処理方法は、第１工程の前に、金属セパレータのカソード面を粗面化する工程を有することが好ましい。このため、金属セパレータのカソード面に付着した異物を除去することができ、前記カソード面の品質を向上させることが可能になる。しかも、粗面化されたカソード面にクロム飛散防止層を被覆するため、クロム飛散防止材が凹凸部分に浸入硬化し、アンカー効果によって前記クロム飛散防止層と金属セパレータとの密着性が良好に向上する。

さらに、第１工程は、金属セパレータのカソード面に、クロム飛散防止層を溶射により被覆する一方、第３工程は、前記金属セパレータのアノード面に、酸化防止層を溶射により被覆することが好ましい。従って、クロム飛散防止層及び酸化防止層は、比較的容易に厚膜状に形成されるとともに、ひび割れ等が惹起することがなく、固体電解質形燃料電池の耐久性の向上が図られる。

さらにまた、クロム飛散防止層は、スピネル型複合酸化物であることが好ましい。これにより、金属セパレータからクロムが析出して飛散することによる電解質・電極接合体の劣化を抑制することができ、固体電解質形燃料電池の耐久性を向上させることが可能になる。

また、酸化防止層は、少なくともＮｉ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ａｕ又はＡｇのいずれかであることが好ましい。このため、金属セパレータの酸化を抑制することができ、固体電解質形燃料電池の耐久性の向上が図られる。

さらに、固体電解質形燃料電池は、平板型固体酸化物形燃料電池であることが好ましい。従って、シールレス構造の高温型燃料電池に適用することにより、特に高温環境による金属セパレータからのクロムの析出を、クロム飛散防止層を介して確実に抑制する一方、酸化剤ガスの回り込みによる前記金属セパレータの酸化を、酸化防止層を介して良好に抑制することができ、固体電解質形燃料電池の耐久性の向上が図られる。

本発明によれば、金属セパレータのカソード電極に対向するカソード面に、クロム飛散防止層を被覆している。従って、金属セパレータからクロムが析出し飛散することによる電解質・電極接合体の劣化を抑制することができ、固体電解質形燃料電池の耐久性を向上させることが可能になる。

さらに、第１工程により金属セパレータのアノード電極に対向するアノード面に付着したクロム飛散防止層を除去するとともに、前記アノード面を粗面化している。このため、金属セパレータのアノード面に付着した異物や第１工程で前記アノード面に付着したクロム飛散防止層を除去することができ、前記金属セパレータの品質の向上が図られる。

さらにまた、第２工程の後、金属セパレータのアノード面に、酸化防止層を被覆するため、前記金属セパレータの酸化を抑制して固体電解質形燃料電池の耐久性を向上させることができる。しかも、第２工程の後に、第３工程を行うため、粗面化されたアノード面の凹凸部分に酸化防止材が浸入硬化し、アンカー効果によって前記酸化防止層と金属セパレータとの密着性が良好に向上する。

図１は、本発明の実施形態に係るセパレータ表面処理方法が適用される燃料電池１０を、矢印Ａ方向に複数積層した燃料電池スタック１２の概略斜視説明図であり、図２は、前記燃料電池スタック１２の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面図である。

燃料電池１０は、固体電解質形燃料電池であり、定置用の他、車載用等の種々の用途に用いられている。燃料電池１０は、図３及び図４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（電解質板）２０の両面に、カソード電極２２及びアノード電極２４が設けられた電解質・電極接合体（ＭＥＡ）２６を備える。電解質・電極接合体２６は、円板状に形成されるとともに、少なくとも外周端面部には、酸化剤ガス及び燃料ガスの進入や排出を阻止するためにバリアー層（図示せず）が設けられている。

燃料電池１０は、電解質・電極接合体２６と金属セパレータ２８とが交互に積層されるとともに、各金属セパレータ２８間に複数、例えば、４個の前記電解質・電極接合体２６が、この金属セパレータ２８の中心部である燃料ガス供給連通孔３０を中心に同心円上に配列される。

金属セパレータ２８は、図３に示すように、クロムを含有する、例えば、フェライト系ステンレス（ＳＵＳ４３０）等の板金である金属プレート等の第１プレート２８ａ及び第２プレート２８ｂがろう付け、レーザ溶接又は拡散接合等により接合されて構成される。第１プレート２８ａは、中央部に燃料ガス供給連通孔３０を形成する第１燃料ガス供給部３２を有する。この第１燃料ガス供給部３２から外方に等角度間隔（９０゜間隔）ずつ離間して放射状に延在する４本の第１橋架部３４を介して比較的大径な第１挟持部３６が一体的に設けられる。第１燃料ガス供給部３２と各第１挟持部３６との中心間距離は、同一距離に設定される。

各第１挟持部３６は、電解質・電極接合体２６と略同一寸法の円板形状に設定されており、互いに分離して構成される。第１挟持部３６には、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給孔３８が、例えば、前記第１挟持部３６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。

各第１挟持部３６のアノード電極２４に接触する面３６ａには、前記アノード電極２４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４０が形成される。面３６ａには、燃料ガス通路４０を通って使用された燃料ガスを排出するそれぞれ一対の燃料ガス排出孔４２ａ、４２ｂ及び４２ｃと、アノード電極２４に接触するとともに、前記燃料ガスが燃料ガス供給孔３８から前記燃料ガス排出孔４２ａ、４２ｂ及び４２ｃに直線状に流れることを阻止する迂回路形成用の円弧状壁部４４とが設けられる。

燃料ガス排出孔４２ａ、４２ｂ及び４２ｃは、同一の開口面積を有し、第１挟持部３６と第１橋架部３４との連結部側に且つ前記第１橋架部３４を挟んで両側にそれぞれ等間隔ずつ離間して設けられる。

円弧状壁部４４は、略馬蹄形状（一部を切り欠いた円弧状）を有し、その内部に燃料ガス供給孔３８が配置される。面３６ａには、燃料ガス通路４０側に突出してアノード電極２４の外周縁部に接触する外縁周回用凸部４６と、前記アノード電極２４に接触する複数の突起部４８とが設けられる。

外縁周回用凸部４６は、燃料ガス排出孔４２ａ〜４２ｃに対応して一部が切り欠かれた略リング状を有するとともに、突起部４８は、面３６ａに、例えば、エッチングにより形成される中実部、又はプレスにより形成される中空部で構成される。

第１挟持部３６には、電解質・電極接合体２６の発電による電力を取り出すため又は前記電解質・電極接合体２６の状態を計測するための複数の突出部５０が設けられる。

図５及び図６に示すように、各第１挟持部３６のカソード電極２２側の面３６ｂは、略平坦面に形成されており、この面３６ｂ側には、第２プレート２８ｂが、例えば、ろう付け、レーザ溶接又は拡散接合等により接合される。

第２プレート２８ｂは、図３に示すように、中央部に燃料ガス供給連通孔３０を形成する第２燃料ガス供給部５２を備える。第２燃料ガス供給部５２には、補強用のボス部５３が所定数だけ設けられる。第２燃料ガス供給部５２から放射状に４本の第２橋架部５４が延在するとともに、前記第２燃料ガス供給部５２から各第２橋架部５４には、燃料ガス供給連通孔３０から燃料ガス供給孔３８に連通する燃料ガス供給通路５６が形成される。燃料ガス供給通路５６は、例えば、エッチング又はプレスにより形成される。

各第２橋架部５４には、比較的大径な第２挟持部５８が一体的に設けられ、前記第２挟持部５８には、エッチング又はプレス等により複数の突起部６０が設けられる。第２挟持部５８には、突起部６０によりカソード電極２２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６２が形成されるとともに、前記突起部６０は、集電部を構成する（図３及び図６参照）。

金属セパレータ２８は、第１燃料ガス供給部３２及び第２燃料ガス供給部５２が接合されて構成される燃料ガス供給部６４と、第１橋架部３４及び第２橋架部５４が接合されて構成される橋架部６５と、第１挟持部３６及び第２挟持部５８が接合されて構成される挟持部６６とを設ける。挟持部６６は、アノード電極２４に対向するアノード面６６ａと、カソード電極２２に対向するカソード面６６ｂとを有する。

図６に示すように、酸化剤ガス通路６２は、電解質・電極接合体２６の内側周端部と第１及び第２挟持部３６、５８の内側周端部との間から矢印Ｂ方向に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給連通孔６８に連通する。この酸化剤ガス供給連通孔６８は、各第１及び第２挟持部３６、５８の内方と各第１及び第２橋架部３４、５４との間に位置して積層方向（矢印Ａ方向）に延在し、酸化剤ガス供給部を構成している。

各金属セパレータ２８間には、燃料ガス供給連通孔３０をシールするための絶縁シール７０が設けられる。絶縁シール７０は、例えば、マイカ材やセラミック材等、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で形成されている。絶縁シール７０は、燃料ガス供給連通孔３０を電解質・電極接合体２６に対してシールする機能を有する。

燃料電池１０には、第１及び第２挟持部３６、５８の外方に位置して排ガス排出連通孔７２が形成される。この排ガス排出連通孔７２は、電解質・電極接合体２６に供給されて反応に使用された燃料ガス及び酸化剤ガスを、排ガスとして積層方向に排出する排ガス排出部を構成する。各第１及び第２挟持部３６、５８間には、必要に応じて、空気制御板７３が配設される。

図１及び図２に示すように、燃料電池スタック１２は、複数の燃料電池１０の積層方向一端に、略円板状の第１エンドプレート７４ａが配置されるとともに、積層方向他端に、隔壁７５を介装して小径且つ略円板状の複数の第２エンドプレート７４ｂと、大径且つ略リング状の固定リング７４ｃとが配置される。隔壁７５は、排ガスが燃料電池１０の外部に拡散することを阻止する機能を有する一方、第２エンドプレート７４ｂは、各電解質・電極接合体２６の積層位置に対応して４つ配設される。

第１エンドプレート７４ａ及び固定リング７４ｃは、複数の孔部７６を有する。孔部７６及びボルト挿入用カラー部材７７に挿入されるボルト７８及び前記ボルト７８に螺合するナット８０を介し、第１エンドプレート７４ａと固定リング７４ｃとが締め付け固定される。

第１エンドプレート７４ａには、燃料ガス供給連通孔３０に連通する単一の燃料ガス供給パイプ８２と、各酸化剤ガス供給連通孔６８に連通するキャビティ８３ａを設けるケーシング８３と、前記ケーシング８３に接続されて前記キャビティ８３ａに連通する単一の酸化剤ガス供給パイプ８４とが設けられる。

第１エンドプレート７４ａには、複数のボルト７８、ナット８８ａ、８８ｂ及び板状カラー部材９０を介して支持プレート９２が固定される。支持プレート９２と第１エンドプレート７４ａとの間には、第１及び第２燃料ガス供給部３２、５２に締め付け荷重を付与する第１荷重付与部９４と、各電解質・電極接合体２６に締め付け荷重を付与する第２荷重付与部９８とが設けられ、これらにより荷重付与機構が構成される。

第１荷重付与部９４は、燃料ガス供給連通孔３０から燃料ガスが漏れることを阻止するために燃料電池１０の中央部（第１及び第２燃料ガス供給部３２、５２の中央部）に配置される押圧部材１００を備え、この押圧部材１００は、４つの第２エンドプレート７４ｂの配列中心近傍に位置して前記燃料電池１０に隔壁７５を介して押圧する。押圧部材１００には、第１受け部材１０２ａ及び第２受け部材１０２ｂを介して第１スプリング１０４が配置される。第２受け部材１０２ｂには、第１押圧ボルト１０６の先端が当接する。第１押圧ボルト１０６は、支持プレート９２に形成された第１ねじ孔１０８に螺合するとともに、第１ナット１１０を介して位置調整可能に固定される。

第２荷重付与部９８は、第２エンドプレート７４ｂに各電解質・電極接合体２６に対応して配置される第３受け部材１１２ａを備える。第３受け部材１１２ａは、ピン１１４を介して第２エンドプレート７４ｂに位置決め支持される。第３受け部材１１２ａに第２スプリング１１６の一端が当接する一方、前記第２スプリング１１６の他端が第４受け部材１１２ｂに当接する。第４受け部材１１２ｂには、第２押圧ボルト１１８の先端が当接する。第２押圧ボルト１１８は、支持プレート９２に形成された第２ねじ孔１２０に螺合するとともに、第２ナット１２２を介して位置調整可能に固定される。

このように構成される燃料電池スタック１２において、金属セパレータ２８の表面を処理する方法について、図７に示すフローチャートに沿って以下に説明する。

先ず、第１プレート２８ａと第２プレート２８ｂとが、溶接等によって接合されて、金属セパレータ２８が製造される（ステップＳ１）。次いで、金属セパレータ２８では、各第１挟持部３６に形成されている燃料ガス供給孔３８や燃料ガス供給部６４がテープ部材等によってマスキングされる（ステップＳ２）。

さらに、ステップＳ３に進んで、金属セパレータ２８のカソード面６６ｂにサンドブラスト処理が施される。このため、カソード面６６ｂに付着した異物が除去されるとともに、前記カソード面６６ｂが粗面化され、この粗面化された前記カソード面６６ｂにクロム飛散防止層１３０が被覆される（第１工程）。

具体的には、大気圧プラズマ溶射法（ＡＰＳ）を採用し、スピネル型複合酸化物の粉末材料を溶融して挟持部６６のカソード面６６ｂに溶射することにより、図８に示すように、クロム飛散防止層１３０が設けられる（ステップＳ４）。このクロム飛散防止層１３０は、１０μｍ〜３０μｍの厚さを有する平滑面に形成される。

スピネル型複合酸化物としては、例えば、ＬａＣｏＯ₃（ランタン・コバルト系複合酸化物）、ＬａＣｒＯ₃（ランタン・クロム系複合酸化物）、ＬａＭｎＯ₃（ランタン・マンガン系複合酸化物）、ＬＳＭ（ランタン・ストロンチウム・マンガン系複合酸化物）、ＬＳＣＭ（ランタン・ストロンチウム・コバルト・マンガン系複合酸化物）等が用いられる。

金属セパレータ２８のカソード面６６ｂにクロム飛散防止層１３０が形成された後、ステップＳ５に進んで、前記金属セパレータ２８のアノード面６６ａにサンドブラスト処理が施される。従って、アノード面６６ａに付着したクロム飛散防止層１３０が除去されるとともに、前記アノード面６６ａが粗面化される（第２工程）。

粗面化されたアノード面６６ａには、酸化防止層１３２が被覆される（第３工程）。具体的には、上記の大気圧プラズマ溶射法により、酸化防止材が溶融されてアノード面６６ａに溶射される。これにより、図９に示すように、アノード面６６ａには、酸化防止層１３２が、例えば１０μｍ〜３０μｍの膜厚を有して形成される（ステップＳ６）。この酸化防止材は、少なくともＮｉ（ニッケル）、Ｐｔ（白金）、Ｔｉ（チタン）、Ａｕ（金）またはＡｇ（銀）のいずれかが用いられる。

そして、ステップＳ７に進んで、各挟持部６６の燃料ガス供給孔３８を閉塞していたテープ部材を除去することにより、金属セパレータ２８の表面処理が終了する。

この場合、本実施形態では、金属セパレータ２８を構成する各挟持部６６のカソード面６６ｂに、クロム飛散防止層１３０を被覆している。このため、各挟持部６６からクロムが析出して飛散することによる電解質・電極接合体２６の劣化を抑制するとともに、カソード面６６ｂ自体の劣化を抑制することができる。これにより、燃料電池１０の耐久性を向上させることが可能になる。

さらに、カソード面６６ｂにクロム飛散防止層１３０を被覆する際に、アノード面６６ａにも前記クロム飛散防止層１３０が付着し易い。従って、ステップＳ４が終了した後、ステップＳ５に進んで、アノード面６６ａにサンドブラスト処理を施すことによって、前記アノード面６６ａに付着したクロム飛散防止層１３０を除去することができ、金属セパレータ２８の品質の向上が図られる。

ここで、アノード面６６ａにクロム飛散防止層１３０、例えば、ＬａＣｏＯ₃が付着した状態で、燃料電池１０が使用されると、このアノード面６６ａは、還元雰囲気であるため、ＬａＣｏＯ₃が分解して飛散し易い。このため、通路内や図示しない周辺機器、配管等に詰まり等が発生して、圧力損失が増加するおそれがある。しかも、電解質・電極接合体２６のアノード電極２４やカソード電極２２に付着して発電性能が低下するおそれがある。

従って、ステップＳ５において、アノード面６６ａにサンドブラスト処理が施されることによって、上記の不具合を回避することが可能になる。その上、サンドブラスト処理によって、アノード面６６ａが粗面化されるため、このアノード面６６ａに酸化防止層１３２を被覆する際、酸化防止材がアノード面６６ａの凹凸部分に侵入して硬化し、アンカー効果によって前記酸化防止層１３２と金属セパレータ２８との密着性が良好に向上するという効果が得られる。

その際、電解質・電極接合体２６は、平板状を有しており、シールレス構造が採用されている。このため、アノード面６６ａには、カソード面６６ｂ側から空気の回り込みによる酸化が発生し易い。しかしながら、アノード面６６ａに酸化防止層１３２が設けられるため、このアノード面６６ａの酸化が良好に回避される。

また、カソード面６６ｂには、クロム飛散防止層１３０が被覆される前に、サンドブラスト処理が行われて粗面化されている。これにより、カソード面６６ｂに付着していた異物を除去することができ、前記カソード面６６ｂの品質を向上させることが可能になる。しかも、粗面化されたカソード面６６ｂにクロム飛散防止層１３０を被覆するため、クロム飛散防止材が凹凸部分に侵入して硬化し、アンカー効果によって前記クロム飛散防止層１３０と金属セパレータ２８との密着性が良好に向上するという利点がある。

さらにまた、カソード面６６ｂには、クロム飛散防止層１３０が大気圧プラズマ溶射により被覆される一方、アノード面６６ａには、酸化防止層１３２が大気圧プラズマ溶射によって被覆されている。従って、クロム飛散防止層１３０及び酸化防止層１３２は、比較的容易に厚膜状（１０μｍ〜３０μｍ）に形成されるとともに、ひび割れ等が惹起することがなく、燃料電池１０の耐久性の向上が図られる。

また、クロム飛散防止層１３０は、スピネル型複合酸化物を用いており、金属セパレータ２８からクロムが析出して飛散することによる電解質・電極接合体２６の劣化を抑制することができ、燃料電池１０の耐久性を向上させることが可能になる。

さらに、酸化防止層１３２は、少なくともＮｉ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ａｕ又はＡｇのいずれかであり、金属セパレータ２８の酸化を抑制することができ、燃料電池１０の耐久性の向上が図られる。

さらにまた、燃料電池１０は、平板型固体電解質形燃料電池である。従って、特に、高温環境による金属セパレータ２８からのクロムの析出を、クロム飛散防止層１３０を介して確実に抑制する一方、空気の回り込みによる前記金属セパレータ２８の酸化を酸化防止層１３２を介して良好に抑制することができ、燃料電池１０の耐久性の向上が図られる。

なお、本実施形態では、カソード面６６ｂに、予め、サンドブラスト処理を施しているが（ステップＳ３）、このサンドブラスト処理を不要にすることも可能である。その場合、前記カソード面６６ｂには、クロム飛散防止層１３０がイオンプレーティングにより被覆されるようにすることも可能である。

ところで、図７中、ステップＳ２の後に、アノード面６６ａのサンドブラスト処理を施した後（ステップＳ５）、前記アノード面６６ａに酸化防止層１３２を被覆し（ステップＳ６）、次いで、カソード面６６ｂにサンドブラスト処理を施し（ステップＳ３）、さらに、前記カソード面６６ｂにクロム飛散防止層１３０を被覆する（ステップＳ４）とも考えられる。

しかしながら、アノード面６６ａ側の処理が行われた後、カソード面６６ｂ側の処理を施すと、このカソード面６６ｂに被覆されたクロム飛散防止層１３０がアノード面６６ａ側にも付着して残存し易い。これにより、上記のように、還元雰囲気で使用されるアノード面６６ａでは、クロム飛散防止層１３０が分解して飛散し易い。このため、通路内や図示しない周辺機器、配管等に詰まり等が発生して、圧力損失が増加するおそれがある。しかも、電解質・電極接合体２６のアノード電極２４やカソード電極２２に付着して発電性能が低下するおそれがある。

これに対して、最終的に、アノード面６６ａ側の処理を行う場合には、このアノード面６６ａに被覆される酸化防止層１３２の一部が、カソード面６６ｂ側に付着して残存し易い。ところが、カソード面６６ｂは、使用時に酸化雰囲気となり、酸化防止層１３２が付着していても問題となることはない。これにより、本実施形態では、ステップＳ１〜ステップＳ７の順に行うことにより、上記の効果が得られる。

次に、燃料電池スタック１２の動作について、以下に説明する。

図１に示すように、第１エンドプレート７４ａに接続されている燃料ガス供給パイプ８２から燃料ガス供給連通孔３０には、燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤ガス供給パイプ８４からキャビティ８３ａを介して各酸化剤ガス供給連通孔６８には、酸素含有ガスである空気が供給される。

図６に示すように、燃料ガスは、燃料電池スタック１２の燃料ガス供給連通孔３０に沿って積層方向（矢印Ａ方向）に移動しながら、各燃料電池１０に設けられる燃料ガス供給通路５６に沿って金属セパレータ２８の面方向に移動する。

燃料ガスは、燃料ガス供給通路５６から第１挟持部３６に形成された燃料ガス供給孔３８を通って燃料ガス通路４０に導入される。燃料ガス供給孔３８は、各電解質・電極接合体２６のアノード電極２４の略中心位置に設定されている。このため、燃料ガスは、燃料ガス供給孔３８からアノード電極２４の略中心に供給された後、燃料ガス通路４０に沿って前記アノード電極２４の外周部に向かって移動する。

一方、酸化剤ガス供給連通孔６８に供給された空気は、電解質・電極接合体２６の内側周端部と第１及び第２挟持部３６、５８の内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６２に送られる。酸化剤ガス通路６２では、電解質・電極接合体２６のカソード電極２２の内側周端部（金属セパレータ２８の中央部）側から外側周端部（金属セパレータ２８の外側周端部側）に向かって空気が流動する。

従って、電解質・電極接合体２６では、アノード電極２４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２２の電極面の一方向（矢印Ｂ方向）に向かって空気が供給される。その際、酸化物イオンが電解質２０を通ってアノード電極２４に移動し、化学反応により発電が行われる。

なお、各電解質・電極接合体２６の外周部に排出される主に発電反応後の空気を含む排ガスは、オフガスとして排ガス排出連通孔７２を介して燃料電池スタック１２から排出される（図１参照）。

本発明の実施形態に係るセパレータ表面処理方法が適用される燃料電池を、複数積層した燃料電池スタックの概略斜視説明図である。 前記燃料電池スタックの、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面図である。 前記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。 前記燃料電池を構成するセパレータの平面説明図である。 前記燃料電池の動作を説明する概略断面説明図である。 前記セパレータ表面処理方法を説明するフローチャートである。 前記セパレータにクロム飛散防止層を被覆する際の説明図である。 前記セパレータに酸化防止層を被覆する際の説明図である。

符号の説明

１０…燃料電池 １２…燃料電池スタック
２０…電解質 ２２…カソード電極
２４…アノード電極 ２６…電解質・電極接合体
２８…金属セパレータ ３０…燃料ガス供給連通孔
３２、５２、６４…燃料ガス供給部 ３４、５４、６５…橋架部
３６、５８、６６…挟持部 ３８…燃料ガス供給孔
４０…燃料ガス通路 ６６ａ…アノード面
６６ｂ…カソード面 １３０…クロム飛散防止層
１３２…酸化防止層

Claims (6)

1. 固体電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体と、クロムを含有する金属セパレータとが交互に積層される固体電解質形燃料電池のセパレータ表面処理方法であって、
   前記金属セパレータの前記カソード電極に対向するカソード面に、クロム飛散防止層を被覆する第１工程と、
   前記第１工程により前記金属セパレータの前記アノード電極に対向するアノード面に付着した前記クロム飛散防止層を除去するとともに、前記アノード面を粗面化する第２工程と、
   前記第２工程の後、前記金属セパレータの前記アノード面に、酸化防止層を被覆する第３工程と、
   を有することを特徴とする固体電解質形燃料電池のセパレータ表面処理方法。
2. 請求項１記載のセパレータ表面処理方法において、前記第１工程の前に、前記金属セパレータの前記カソード面を粗面化する工程を有することを特徴とする固体電解質形燃料電池のセパレータ表面処理方法。
3. 請求項２記載のセパレータ表面処理方法において、前記第１工程は、前記金属セパレータの前記カソード面に、前記クロム飛散防止層を溶射により被覆する一方、
   前記第３工程は、前記セパレータの前記アノード面に、前記酸化防止層を溶射により被覆することを特徴とする固体電解質形燃料電池のセパレータ表面処理方法。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のセパレータ表面処理方法において、前記クロム飛散防止層は、スピネル型複合酸化物であることを特徴とする固体電解質形燃料電池のセパレータ表面処理方法。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のセパレータ表面処理方法において、前記酸化防止層は、少なくともＮｉ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ａｕ又はＡｇのいずれかであることを特徴とする固体電解質形燃料電池のセパレータ表面処理方法。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載のセパレータ表面処理方法において、前記固体電解質形燃料電池は、平板型固体酸化物形燃料電池であることを特徴とする固体電解質形燃料電池のセパレータ表面処理方法。

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