JP2014078485A - 集電部材及び燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】基材の第１導電性セラミックス膜から第２導電性セラミックス膜が剥離することを抑制可能な集電部材及びその集電部材を備える燃料電池を提供する。
【解決手段】集電部材２０は、基材２１０と、第２導電性セラミックス膜２２０と、を備える。基材２１０は、Ｆｅ及びＣｒを含む合金部材２１１と、合金部材２１１上に形成され、Ｃｒ_２Ｏ_３によって構成される第１導電性セラミックス膜２１２と、を有する。第２導電性セラミックス膜２２０は、第１導電性セラミックス膜２１２上に形成され、Ｍｎ及びＣｏを含むセラミックス材料によって構成される。第２導電性セラミックス膜２２０は、外表面を形成する第１緻密層２２１と、第１緻密層２２１の内側に配置され、複数の閉気孔２２２Ａを含む多孔質層２２２と、を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、集電部材及び集電部材を備える燃料電池に関する。

従来、複数の燃料電池を電気的に直列接続するための集電部材として、鉄（Ｆｅ）とクロム（Ｃｒ）を含む合金製の基材が用いられている。基材の表面には、Ｃｒ_２Ｏ_３によって構成される第１導電性セラミックス膜が形成されている。
ここで、高温において基材からクロム含有ガスが発生することを抑制することを目的として、酸化クロム（Ｃｒ_２Ｏ_３）と複合酸化物を形成する材料を含む第２導電性セラミックス膜を基材の表面に形成する手法が提案されている（特許文献１参照）。

特開２００１−１９６０７７号公報

しかしながら、燃料電池の運転時には、温度昇降に伴う基材の伸縮によって、基材と第２導電性セラミックス膜の界面に応力が発生する。そのため、第２導電性セラミックス膜が基材から剥離するおそれがある。

本発明は、上述の状況に鑑みてなされたものであり、基材の第１導電性セラミックス膜から第２導電性セラミックス膜が剥離することを抑制可能な集電部材及びその集電部材を備える燃料電池を提供することを目的とする。

本発明に係る集電部材は、Ｆｅ及びＣｒを主成分として含む合金部材と、合金部材上に形成され、Ｃｒ_２Ｏ_３を主成分として含む第１導電性セラミックス膜と、を有する基材と、第１導電性セラミックス膜上に形成され、Ｍｎ及びＣｏを含む導電性酸化物セラミックス材料によって構成される第２導電性セラミックス膜と、を備える。第２導電性セラミックス膜は、外表面を形成する第１緻密層と、第１緻密層の内側に配置され、複数の閉気孔を含む多孔質層と、を有する。

本発明によれば、基材の第１導電性セラミックス膜から第２導電性セラミックス膜が剥離することを抑制可能な集電部材及びその集電部材を備える燃料電池を提供することができる。

燃料電池の構成を示す断面図 集電部材の拡大断面図 ＥＢＳＤ像の模式図 第１導電性セラミックス膜のＥＢＳＤ像の模式図 ＥＢＳＤ像の一例

＜固体酸化物型燃料電池１００の構成＞
固体酸化物型燃料電池（以下、「燃料電池」と略称する）１００の構成について、図面を参照しながら説明する。図１は、燃料電池１００の構成を示す断面図である。

燃料電池１００は、発電部１０と、集電部材２０と、を備える。

（発電部１０の構成）
発電部１０は、燃料極１１、固体電解質層１２、空気極１３を備える。発電部１０は、セラミックス材料によって構成される薄板である。発電部１０は、例えば、厚み３０μｍ〜３ｍｍ、直径５ｍｍ〜５０ｍｍとすることができる。

燃料極１１は、発電部１０のアノードとして機能する。燃料極１１は、固体電解質層１２及び空気極１３を支持する基板（換言すれば「支持体」）としての機能を有してもよい。燃料極１１の厚みは、例えば１０μｍ〜３ｍｍとすることができる。燃料極１１が基板として機能する場合、燃料極１１の厚みは、固体電解質層１２及び空気極１３の厚みよりも大きくてもよい。また、燃料極１１は、燃料極集電層と燃料極活性層とを含んでいる。燃料極集電層は、例えばＮｉＯ/Ｎｉ‐Ｙ₂Ｏ₃によって構成することができ、燃料極活性層は、例えばＮｉＯ/Ｎｉ‐８ＹＳＺによって構成することができる。

固体電解質層１２は、燃料極１１と空気極１３との間に配置される。固体電解質層１２は、空気極１３で生成される酸素イオンを透過させる機能を有している。固体電解質層１２は、ジルコニウムを含んでいる。固体電解質層１２は、ジルコニウムをジルコニア（ＺｒＯ_２）として含んでもよい。固体電解質層１２は、ジルコニアを主成分として含んでいてもよい。固体電解質層１２の材料としては、例えば、８ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）やＳｃＳＺ（スカンジア安定化ジルコニア）などを用いることができる。

空気極１３は、固体電解質層１２上に配置される。空気極１３は、発電部１０のカソードとして機能する。空気極１３は、緻密な固体電解質層１２よりも多くの気孔を含む多孔質層である。空気極１３は、例えばＬＳＣＦ（ランタンストロンチウムコバルトフェライト：（ＬａＳｒ）（ＣｏＦｅ）Ｏ_３）を主成分として含んでいてもよい。空気極１３の厚みは、５μｍ〜５０μｍとすることができる。

（集電部材２０の構成）
集電部材２０は、図１に示すように、凹部２０Ａを有する。凹部２０Ａは、導電性接着剤２１を介して空気極１３の表面に接続されている。発電時において、空気は、凹部２０Ａを通って空気極１３に供給される。

ここで、図２は、集電部材２０の拡大断面図である。図２に示すように、集電部材２０は、基材２１０と、第２導電性セラミックス膜２２０と、を備える。

基材２１０は、合金部材２１１と、第１導電性セラミックス膜２１２と、を有する。

合金部材２１１は、Ｆｅ及びＣｒを含む板状部材である。合金部材２１１は、例えばフェライト系ステンレス部材によって構成することができる。合金部材２１１の厚みは、例えば０．３ｍｍ〜１ｍｍとすることができる。

第１導電性セラミックス膜２１２は、合金部材２１１の表面上に形成される。第１導電性セラミックス膜２１２は、Ｃｒ_２Ｏ_３を主成分として含有する。Ｃｒ_２Ｏ_３には、合金部材２１１や第２導電性セラミックス膜２２０を構成する元素が不純物として含有されていてもよい。第１導電性セラミックス膜２１２は、ＲＦ（radio-frequency）マグネトロンスパッタ装置を用いてＣｒターゲットをＡｒスパッタリングし、反応ガス（例えば、酸素）との反応により酸化物を成膜することによって形成することができる。第１導電性セラミックス膜２１２の厚みは、例えば１μｍ〜２０μｍとすることができる。

第２導電性セラミックス膜２２０は、第１導電性セラミックス膜２１２の表面上に形成される。第２導電性セラミックス膜２２０は、Ｍｎ及びＣｏを含むスピネル型の導電性酸化物セラミックス材料によって構成される。具体的に、第２導電性セラミックス膜２２０は、（Ｍｎ，Ｃｏ）_３Ｏ_４によって構成されていてもよい。（Ｍｎ，Ｃｏ）_３Ｏ_４には、Ｍｎ_１．５Ｃｏ_１．５Ｏ_４やＭｎ_２Ｃｏ_２Ｏ_４などが含まれる。また、第２導電性セラミックス膜２２０は、（Ｍｎ_ＸＦｅ_１−Ｘ）Ｃｒ_２Ｏ_４を含んでいてもよい。

第２導電性セラミックス膜２２０は、第１緻密層２２１と、多孔質層２２２と、第２緻密層２２３と、を有する。

第１緻密層２２１は、第２導電性セラミックス膜２２０の外表面２２０Ｓを形成する。すなわち、第１緻密層２２１は、第２導電性セラミックス膜２２０の最外層である。第１緻密層２２１は、緻密質な構成を有する。第１緻密層２２１の気孔率は、多孔質層２２２の気孔率よりも低いことが好ましい。具体的に、第１緻密層２２１の気孔率は、例えば０．５％〜１５％であることが好ましい。第１緻密層２２１の気孔率とは、第１緻密層２２１の断面において、単位面積当たりにおける気孔（閉気孔と開気孔を含む）の占有面積である。換言すれば、第１緻密層２２１の気孔率は、断面の所定範囲（例えば、５００μｍ^２程度）における気孔の面積占有率である。第１緻密層２２１の厚みは、例えば０．５μｍ〜１０μｍとすることができ、特に、１μｍ以上であることが好ましい。

多孔質層２２２は、第１緻密層２２１の内側、すなわち、第１緻密層２２１の基材２１０側に形成される。多孔質層２２２は、複数の閉気孔２２２Ａを含んでいる。多孔質層２２２の閉気孔率は、２０％以上７０％以下であることが好ましい。閉気孔率とは、多孔質層２２２の断面において、単位面積当たりにおける複数の閉気孔２２２Ａの占有面積である。換言すれば、多孔質層２２２の閉気孔率は、断面の所定範囲（例えば、５００μｍ^２程度）における気孔の面積占有率である。複数の閉気孔２２２Ａの平均円相当径は、０．３μｍ以上３．５μｍ以下であることが好ましい。

なお、本実施形態において円相当径とは、対象物の断面積と同じ面積を有する円の直径であり、平均円相当径とは、複数の対象物の円相当径の平均値である。

また、多孔質層２２２は、複数の閉気孔２２２Ａとは別に開気孔を含んでいてもよい。ただし、多孔質層２２２の開気孔率は、多孔質層２２２の閉気孔率よりも小さいことが好ましい。開気孔率とは、多孔質層２２２の断面において、単位面積当たりにおける開気孔の占有面積である。

なお、多孔質層２２２の厚みは、例えば０．５μｍ〜１０μｍとすることができ、特に、１．０μｍ以上であることが好ましい。

第２緻密層２２３は、多孔質層２２２の内側、すなわち、多孔質層２２２の基材２１０側に形成される。本実施形態において、第２緻密層２２３は、第２導電性セラミックス膜２２０の最内層である。第２緻密層２２３は、第１緻密層２２１と同様の緻密質な構成を有する。第２緻密層２２３の気孔率は、第１緻密層２２１の気孔率と同等であり、多孔質層２２２の気孔率よりも低いことが好ましい。第２緻密層２２３の厚みは、第１緻密層２２１の厚みよりも薄くてもよい。また、第２緻密層２２３の厚みは、多孔質層２２２の厚みよりも薄くてもよい。具体的に、第２緻密層２２３の厚みは、例えば０．１μｍ〜５μｍとすることができ、特に、０．５μｍ以上であることが好ましい。

なお、第１緻密層２２１、多孔質層２２２及び第２緻密層２２３それぞれの界面は、各層間の気孔率の違いから認識することができる。

また、図２に示すように、集電部材２０は、複数のカーケンダルボイド２３０を有する。複数のカーケンダルボイド２３０は、基材２１０と第２導電性セラミックス膜２２０との界面Ｐ付近に形成される。本実施形態において、界面Ｐは、基材２１０の第１導電性セラミックス膜２１２と第２導電性セラミックス膜２２０の第２緻密層２２３との間に形成される。複数のカーケンダルボイド２３０は、界面Ｐに沿って並べられている。複数のカーケンダルボイド２３０の少なくとも一部は、基材２１０内に形成されていてもよいし、第２導電性セラミックス膜２２０内に形成されていてもよい。複数のカーケンダルボイド２３０の平均円相当径は、０．０５μｍ以上０．５μｍ以下であることが好ましい。

＜第１導電性セラミックス膜２１２及び第２導電性セラミックス膜２２０の粒子＞
次に、第１導電性セラミックス膜２１２及び第２導電性セラミックス膜２２０の粒子について、図面を参照しながら説明する。図３は、電子線後方散乱回折（ＥＢＳＤ；Electron Backscatter Diffraction）法による解析で得られたＥＢＳＤ像である。ＥＢＳＤ法によれば、結晶方位の不連続性を観測することができ、所定の結晶方位差が観測されたラインを粒界とみなして粒子像を描画することができる。所定の結晶方位差は任意に設定可能であるが、例えば１５度程度に設定されていればよい。

図３に示すように、第２導電性セラミックス膜２２０は、第１導電性セラミックス膜２１２に比べて粗大な粒子によって構成されている。すなわち、第２導電性セラミックス膜２２０を構成するセラミックス粒子の平均円相当径は、第１導電性セラミックス膜２１２を構成するＣｒ_２Ｏ_３の平均円相当径よりも大きい。具体的に、第２導電性セラミックス膜２２０を構成するセラミックス粒子の平均円相当径は、０．５μｍ以上２．５μｍ以下であることが好ましい。また、第１導電性セラミックス膜２１２を構成するＣｒ_２Ｏ_３の平均円相当径は、０．１５μｍ以上０．８μｍ以下であることが好ましい。

また、図３に示すように、第１緻密層２２１を構成するセラミックス粒子の平均円相当径は、多孔質層２２２を構成するセラミックス粒子の平均円相当径よりも大きい。具体的に、第１緻密層２２１を構成するセラミックス粒子の平均円相当径は、０．８μｍ以上３．５μｍ以下であることが好ましい。また、多孔質層２２２を構成するセラミックス粒子の平均円相当径は、０．５μｍ以上２．０μｍ以下であることが好ましい。

ここで、図４は、第１導電性セラミックス膜２１２のＥＢＳＤ像の模式図である。

図４に示すように、第１導電性セラミックス膜２１２を構成するＣｒ_２Ｏ_３粒子は、柱状である。Ｃｒ_２Ｏ_３粒子は、厚み方向に沿って延びるように配置されている。

Ｃｒ_２Ｏ_３粒子の平均長径は、０．５μｍ以上３．０μｍ以下である。Ｃｒ_２Ｏ_３粒子の平均短径は、０．１μｍ以上１．０μｍ以下である。そして、Ｃｒ_２Ｏ_３粒子において、平均長径の平均短径に対するアスペクト比（平均長径/平均短径）は、１．５以上１０以下である。また、Ｃｒ_２Ｏ_３粒子の平均円相当径は、０．１５μｍ以上０．８μｍ以下である。

＜集電部材２０の製造方法＞
次に、集電部材２０の製造方法について説明する。

まず、フェライト系ステンレスによって構成される所定サイズの合金部材２１１を準備する。

次に、合金部材２１１の表面にＲＦスパッタ装置を用いてＣｒ_２Ｏ_３をスパッタリングし、その後大気雰囲気中で熱処理（例えば、８５０〜１０５０℃、１−２０時間）を行う。これによって、合金部材２１１の表面にＣｒ_２Ｏ_３の柱状粒子を成長させて、第１導電性セラミックス膜２１２を形成する。

次に、第１導電性セラミックス膜２１２の表面に、（Ｍｎ，Ｃｏ）_３Ｏ_４を含むコーティング剤を複数回塗布/乾燥させる。この際、造孔剤を含むコーティング剤を複数回塗布/乾燥させた後に、造孔剤を含まないコーティング剤を複数回塗布/乾燥させる。このように造孔材の有無を調整することによって、後述する焼き付け処理において第１緻密層２２１と多孔質層２２２の二層が形成される。また、造孔材の粒径を適宜選択することによって、多孔質層２２２における閉気孔の平均円相当径を調整可能である。

次に、所定条件で多層のコーティング剤を焼き付ける。以下の３ステップは、コーティング剤の焼き付け条件の一例である。
・ ９００〜１１００℃、１〜２０時間、大気雰囲気での焼成処理
・ ９００〜１１００℃、１〜２０時間、１〜１０％加湿還元雰囲気での還元処理
・ ９００〜１１００℃、１〜１０時間、大気雰囲気での再酸化処理

＜作用及び効果＞
（１）本実施形態に係る第２導電性セラミックス膜２２０は、外表面２２０Ｓを形成する第１緻密層２２１と、第１緻密層２２１の内側に形成される多孔質層２２２と、を有する。多孔質層２２２は、複数の閉気孔２２２Ａを含む。

従って、燃料電池１００の運転時の温度昇降によって基材２１０が伸縮した場合に、第２導電性セラミックス膜２２０の内部に発生する応力を多孔質層２２２によって緩和することができる。これによって、第２導電性セラミックス膜２２０と基材の界面に剥離が発生することを抑制できる。

また、第２導電性セラミックス膜２２０内の発生応力が過度に大きい場合には、多孔質層２２２内の閉気孔２２２Ａを基点とするクラック（特に、膜厚方向に垂直な方向に延びるクラック）を優先的に形成することができる。これによって、第１緻密層２２１にクラックが発生することを抑制することができるため、バリア膜としての第２導電性セラミックス膜２２０の機能を維持することができる。

（２）本実施形態に係る集電部材２０は、第２導電性セラミックス膜２２０と第１導電性セラミックス膜２１２との間に形成される複数のカーケンダルボイド２３０を備える。

従って、基材２１０が伸縮した場合に、第２導電性セラミックス膜２２０と基材２１０との間に発生する応力をカーケンダルボイド２３０によって緩和することができる。そのため、基材２１０と第２導電性セラミックス膜２２０の間にクラックが発生することや、基材２１０から第２導電性セラミックス膜２２０が剥離することを抑制することができる。

（３）本実施形態に係る第２導電性セラミックス膜２２０は、多孔質層２２２の内側に形成される第２緻密層２２３を有する。

従って、第１緻密層２２１と第２緻密層２２３によって多孔質層２２２が挟み込まれるため、第２導電性セラミックス膜２２０の全体としての強度を向上させることができる。

＜その他の実施形態＞
（Ａ）上記実施形態において、第２導電性セラミックス膜２２０は、第２緻密層２２３を有することとしたが、第２緻密層２２３を有していなくてもよい。この場合、基材２１０と第２導電性セラミックス膜２２０の界面Ｐは、多孔質層２２２と第１導電性セラミックス膜２１２の間に形成される。従って、複数のカーケンダルボイド２３０は、多孔質層２２２と第１導電性セラミックス膜２１２の間に配置されることとなる。

（Ｂ）上記実施形態では特に触れていないが、燃料電池１００の基本構造としては、燃料極支持型、平板形、円筒形、縦縞型、横縞型、片端保持型、両端保持型などの構造を採用しうる。

（Ｃ）上記実施形態では、集電部材の一例として、空気極１３に接続される集電部材２０の構成について説明したが、これに限られるものではない。本発明に係る集電部材は、２つの燃料電池セルに挟まれるセパレータであってもよい。この場合、セパレータは、一方の燃料電池セルの空気極と、他方の燃料電池セルの燃料極と、に接続される。本発明によれば、このようなセパレータの耐久性を向上させることもできる。

（Ｄ）上記実施形態では、発電部１０は、燃料極１１と固体電解質層１２と空気極１３とによって構成されることとしたが、これに限られるものではない。例えば、発電部１０は、固体電解質層１２と空気極１３との間におけるカチオン拡散を抑制するためのバリア層を備えていてもよい。

（Ｅ）上記実施形態では、合金部材２１１は、板状部材であることとしたが、これに限られるものではない。合金部材２１１は、例えば網状部材などであってもよい。

（Ｆ）上記実施形態では、ＲＦスパッタ装置を用いてＣｒ_２Ｏ_３をスパッタリングすることでＣｒ_２Ｏ_３の柱状粒子を形成することとしたが、これに限られるものではない。このようなＣｒ_２Ｏ_３の柱状粒子は、合金部材２１１の表面に高温熱処理を施すことによる酸化処理によっても形成することができる。

（サンプルNo.１〜No.３２の作製）
以下のようにして、サンプルＮｏ．１〜３２に係る集電部材と燃料電池セルを作製した。

まず、ＦｅとＣｒを主成分として含有するフェライト系ステンレス板を準備した。

次に、ステンレス板の表面にＲＦマグネトロンスパッタ装置（日電アネルバ製、ＳＰＦ−２１０Ｈ）によって金属Ｃｒターゲット（純度：９９．９％以上）を用いた反応性スパッタリング（反応ガス：Ａｒ＋Ｏ_２の混合ガス（O_２／Ａｒ比：０．２〜０．６）、スパッタ圧力：２〜１０×１０^−３Ｔｏｒｒ、基板温度：常温〜２００℃）により成膜し、その後に熱処理（温度：６００〜７００℃、処理時間：１〜５ｈｒ）を行った。これにより、ステンレス板の表面に柱状のＣｒ_２Ｏ_３粒子によって構成されるＣｒ_２Ｏ_３膜を形成した。

次に、３μｍ以上の粗大粒子を気流式分級機にて除去した平均粒径０．８μｍの（Ｍｎ，Ｃｏ）_３Ｏ_４粉末を準備した。

次に、溶媒としてのテルピネオール、セルロース系バインダ、分散剤及び造孔剤を（Ｍｎ，Ｃｏ）_３Ｏ_４粉末に添加して多孔質層用スラリーを作製した。また、テルピネオール、セルロース系バインダ及び分散剤を（Ｍｎ，Ｃｏ）_３Ｏ_４粉末に添加して緻密層用スラリーを作製した。

次に、Ｃｒ_２Ｏ_３膜の表面に、多孔質層用スラリー及び/又は緻密層用スラリーを複数回塗布/乾燥させた。塗布はスラリーディッピング法（浸漬時間１０〜３００ｓｅｃ、昇降速度０．１〜１０ｍｍ／ｓｅｃ）により実施し、乾燥は温風乾燥（１２０℃、３０ｍｉｎ）により実施した。温風乾燥機を使うことで成膜表面を積極的に乾燥させ、膜内部に溶媒分を残留させることで、焼成後の膜内部に気孔を残存させることが容易となる。

なお、表１に示すように、水準１では、緻密層のみで第２導電性セラミックス膜を構成するために、緻密層用スラリーのみを複数回塗布/乾燥させた。また、水準２では、多孔質層のみで第２導電性セラミックス膜を構成するために、多孔質層用スラリーのみを複数回塗布/乾燥させた。また、水準３〜１０では、多孔質層上に緻密層を形成するために、多孔質層用スラリーを複数回塗布/乾燥させた後に、緻密層用スラリーを複数回塗布/乾燥させた。また、表１乃至表３に示すように、水準１１〜３２では、第１緻密層と第２緻密層の間に多孔質層を形成するために、緻密層用スラリーと多孔質層用スラリーを順番に複数回塗布/乾燥させた後に、再度、緻密層用スラリーを複数回塗布/乾燥させた。

次に、塗布/乾燥させたスラリーに焼き付け処理を行うことによって第２導電性セラミックス膜を形成した。具体的に、焼き付け処理には、脱脂処理（６００℃/２ｈｒ）、大気雰囲気での焼成処理（最高温度１０００℃/２ｈｒ）、水素雰囲気での還元熱処理（最高温度１０００℃/１０ｈｒ、４％加湿）、及び大気雰囲気での再酸化処理（最高温度１０００℃/５ｈｒ）が含まれる。以上により、サンプルNo.１〜No.３２に係る集電部材が完成した。

次に、サンプルNo.１〜No.３２に係る集電部材を、別途作製した発電部の空気極に導電性接着剤を介して接続した。以上により、サンプルNo.１〜No.３２に係る燃料電池セルが完成した。

（熱サイクル試験）
サンプルNo.１〜３２に係る燃料電池セルについて、燃料極側に窒素ガス、空気極側に空気を供給しながら７５０℃まで昇温し、７５０℃に達した時点で燃料極に水素ガスを供給しながら還元処理を３時間行った。続いて、各サンプルを常温から７５０℃まで２００℃／ｈｒで昇温させた後に７５０℃から常温まで１００℃／ｈｒで降温させるサイクルを１０回繰り返した。

（ＥＢＳＤ測定）
次に、サンプルNo.１〜No.３２の断面の５個所をＥＢＳＤ装置（ＴＳＬ製 ＯＩＭ）で測定することによって５枚のＥＢＳＤ像を得た。ＥＢＳＤ像では、１５度以上の結晶方位差が観測されたラインを粒界とみなして粒子を描画した。サンプルNo.１１〜No.３２に係るＥＢＳＤ像の一例を図５に示す。

そして、サンプルNo.１〜No.１７のＥＢＳＤ像を観察することによって、表１に示すように、第２導電性セラミックス膜とＣｒ_２Ｏ_３層の界面における剥離の有無を確認した。また、サンプルNo.１〜No.１７のＥＢＳＤ像を解析することによって、表１に示すように、第２導電性セラミックス膜のうち多孔質層における閉気孔率と、閉気孔の平均円相当径とを算出した。なお、閉気孔率として、多孔質層断面の単位面積当たりにおける閉気孔の占有面積を算出した。また、閉気孔の平均円相当径として、各閉気孔の断面積を有する円の直径の平均値を算出した。

また、サンプルNo.１８〜No.２５の外観を観察することによって、表２に示すように、集電部材の角部（すなわち、集電部材の外周）において第２導電性セラミックス膜がＣｒ_２Ｏ_３層から剥離しているか否かを確認した。また、サンプルNo.１８〜No.２５のＥＢＳＤ像を解析することによって、表２に示すように、第２導電性セラミックス膜を構成するセラミックス粒子の平均円相当径と、Ｃｒ_２Ｏ_３層おけるＣｒ_２Ｏ_３粒子の平均円相当径と、を算出した。

また、サンプルNo.２６〜No.３２の燃料電池セルの断面像を観察することによって、表３に示すように、集電部材のうち空気極に接合される部分においてクラックが発生しているか否かを確認した。また、サンプルNo.２６〜No.３２のＥＢＳＤ像を解析することによって、第２導電性セラミックス膜のうち第１緻密層を構成するセラミックス粒子の平均円相当径と、第２導電性セラミックス膜のうち多孔質層を構成するセラミックス粒子の平均円相当径と、を算出した。

表１に示すように、サンプルNo.３〜No.１７に係る集電部材では、第２導電性セラミックス膜とＣｒ_２Ｏ_３層の界面における剥離を抑制できることが確認された。これは、燃料電池セルの運転時の温度昇降による基材の伸縮で発生する応力を多孔質層によって緩和できたためである。従って、第２導電性セラミックス膜が多孔質層と緻密層の積層構造を有する方が好ましいことがわかった。

また、サンプルNo.４〜No.９及びNo.１２〜No.１６に係る集電部材では、５枚のＥＢＳＤ像のいずれにおいても剥離は確認されなかった。従って、多孔質層の閉気孔率は１０％以上６０％以下が好ましく、また、閉気孔の平均円相当径は０．３μｍ以上３．５μｍ以下が好ましいことがわかった。

表２に示すように、サンプルNo.１９〜No.２４に係る燃料電池セルでは、集電部材の角部において剥離は確認されなかった。従って、第２導電性セラミックス膜を構成するセラミックス粒子の平均円相当径は、Ｃｒ_２Ｏ_３層を構成するＣｒ_２Ｏ_３粒子の平均円相当径よりも大きい方が好ましいことがわかった。具体的に、第２導電性セラミックス膜を構成するセラミックス粒子の平均円相当径は０．５μｍ以上２．５μｍ以下が好ましく、また、Ｃｒ_２Ｏ_３層を構成するＣｒ_２Ｏ_３粒子の平均円相当径は０．１５μｍ以上０．８μｍ以下が好ましいことがわかった。

表３に示すように、サンプルNo.２７〜No.３１に係る燃料電池セルでは、集電部材のうち空気極に接合された部分におけるクラックは確認されなかった。従って、第１緻密層を構成するセラミックス粒子の平均円相当径は、多孔質層を構成するセラミックス粒子の平均円相当径よりも大きい方が好ましいことがわかった。具体的に、第１緻密層を構成するセラミックス粒子の平均円相当径は０．８μｍ以上３．５μｍ以下が好ましく、また、多孔質層を構成するセラミックス粒子の平均円相当径は０．５μｍ以上２．０μｍ以下が好ましいことがわかった。

１００ 固体酸化物型燃料電池
１０ 発電部
１１ 燃料極
１２ 固体電解質層
１３ 空気極
２０ 集電部材
２１０ 基材
２１１ 合金部材
２１２ 第１導電性セラミックス膜
２２０ 第２導電性セラミックス膜
２２１ 第１緻密層
２２２ 多孔質層
２２３ 第２緻密層

Claims (10)

1. Ｆｅ及びＣｒを主成分として含む合金部材と、前記合金部材上に形成され、Ｃｒ_２Ｏ_３を主成分として含む第１導電性セラミックス膜と、を有する基材と、
   前記第１導電性セラミックス膜上に形成され、Ｍｎ及びＣｏを含む導電性酸化物セラミックス材料によって構成される第２導電性セラミックス膜と、
   を備え、
   前記第２導電性セラミックス膜は、外表面を形成する第１緻密層と、前記第１緻密層の内側に配置され、複数の閉気孔を含む多孔質層と、を有する、
   集電部材。
2. 前記多孔質層の閉気孔率は、１０％以上６０％以下である、
   請求項１に記載の集電部材。
3. 前記複数の閉気孔の平均円相当径は、０．３μｍ以上３．５μｍ以下である、
   請求項１又は２に記載の集電部材。
4. 前記第２導電性セラミックス膜は、前記多孔質層の内側に配置される第２緻密層を有する、
   請求項１乃至３のいずれかに記載の集電部材。
5. 電子線後方散乱回折法によって１５度以上の結晶方位差が観測されたラインを粒界とした場合、前記第２導電性セラミックス膜を構成するセラミックス粒子の平均円相当径は、前記第１導電性セラミックス膜を構成するＣｒ_２Ｏ_３の平均円相当径よりも大きい、
   請求項１乃至４のいずれかに記載の集電部材。
6. 前記第２導電性セラミックス膜を構成するセラミックス粒子の平均円相当径は、０．５μｍ以上２．５μｍ以下であり、
   前記第１導電性セラミックス膜を構成するＣｒ_２Ｏ_３の平均円相当径は、０．１５μｍ以上０．８μｍ以下である、
   請求項５に記載の集電部材。
7. 電子線後方散乱回折法によって１５度以上の結晶方位差が観測されたラインを粒界とした場合、前記第１緻密層を構成するセラミックス粒子の平均円相当径は、前記多孔質層を構成するセラミックス粒子の平均円相当径よりも大きい、
   請求項１乃至６のいずれかに記載の集電部材。
8. 前記第１緻密層を構成するセラミックス粒子の平均円相当径は、０．８μｍ以上３．５μｍ以下であり、
   前記多孔質層を構成するセラミックス粒子の平均円相当径は、０．５μｍ以上２．０μｍ以下である、
   請求項７に記載の集電部材。
9. 前記第２導電性セラミックス膜を構成する導電性酸化物セラミックス材料は、（Ｍｎ,Ｃｏ）_３Ｏ_４である、
   請求項１乃至８のいずれかに記載の集電部材。
10. 請求項１に記載の集電部材と、
    燃料極と空気極と固体電解質層とをそれぞれ有する第１及び第２発電部と、
    を備え、
    前記集電部材は、前記第１発電部の前記空気極と前記第２発電部の前記燃料極とに電気的に接続されている、
    燃料電池。