JP2019215978A - 電気化学セル用金属部材、セルスタック及びセルスタック装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被覆膜の剥離を抑制可能な電気化学セル用金属部材、セルスタック及びセルスタック装置を提供する。【解決手段】集電部材３０１は、クロムを含有する合金材料によって構成される基材３０２と、基材３０２を被覆する被覆膜３０４とを備える。基材３０２は、第１表面Ｓ１を有する基材本体部３０２ａと、基材本体部３０２ａから延びる第１腕部３０２ｂとを有する。第１腕部３０２ｂは、第１表面Ｓ１に垂直な断面において、第１表面Ｓ１と対向する。【選択図】図１０

Description

本発明は、電気化学セル用金属部材、セルスタック及びセルスタック装置に関するものである。

従来、複数の燃料電池セルが集電部材によって電気的に接続されたセルスタックと、各燃料電池セルを支持するマニホールドとを備えたセルスタック装置が知られている（特許文献１及び２参照）。集電部材及びマニホールドには、金属部材が用いられる。

特許文献１では、ステンレス鋼によって構成される基材からＣｒ（クロム）が揮発することを抑制するために、基材の表面を覆う被覆膜を有する金属部材が集電部材として用いられている。

特許文献２では、ステンレス鋼によって構成される基材からＣｒが揮発することを抑制するために、基材の表面を覆う被覆膜を有する金属部材がマニホールドとして用いられている。

国際公開第２０１３／１７２４５１号 特開２０１５−０３５４１８号公報

しかしながら、特許文献１，２に記載の金属部材では、セルスタック装置の作動／非作動が繰り返されると、被覆膜に応力がかかって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、被覆膜の剥離を抑制可能な電気化学セル用金属部材、セルスタック及びセルスタック装置を提供することを目的とする。

本発明に係る電気化学セル用金属部材は、クロムを含有する合金材料によって構成される基材と、基材を被覆する被覆膜とを備える。基材は、第１表面を有する基材本体部と、基材本体部から延びる第１腕部とを有する。第１腕部は、第１表面に垂直な断面において、第１表面と対向する。

本発明によれば、被覆膜の剥離を抑制可能な電気化学セル用金属部材、セルスタック及びセルスタック装置を提供することができる。

セルスタック装置の斜視図。 セルスタック装置の断面図。 燃料マニホールドの斜視図。 燃料電池セルの斜視図。 燃料電池セルの断面図。 図２の部分拡大図。 集電部材の斜視図。 図７のＡ−Ａ断面図。 図８の領域Ｒ１の拡大図。 図９の領域Ｒ２の拡大図。

以下、本発明に係る集電部材を用いたセルスタック装置の実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１は、セルスタック装置１００の斜視図である。図２は、セルスタック装置１００の断面図である。

図１及び図２に示すように、セルスタック装置１００は、燃料マニホールド２００と、複数の燃料電池セル３００（「電気化学セル」の一例）とを備える。

［燃料マニホールド］
図３は、燃料マニホールド２００の斜視図である。

図３に示すように、燃料マニホールド２００は、燃料ガス（例えば、水素など）を各燃料電池セル３００に分配するように構成されている。燃料マニホールド２００は、中空状であり、内部空間を有している。燃料マニホールド２００の内部空間には、導入管２０１を介して燃料ガスが供給される。燃料マニホールド２００は、互いに間隔をあけて並ぶ複数の挿入孔２０２を有している。各挿入孔２０２は、燃料マニホールド２００の天板２０３に形成されている。各挿入孔２０２は、燃料マニホールド２００の内部空間と外部に連通する。

［燃料電池セル］
図２に示すように、各燃料電池セル３００は、燃料マニホールド２００から延びている。詳細には、各燃料電池セル３００は、燃料マニホールド２００の天板２０３から上方（ｘ軸方向）に延びている。すなわち、各燃料電池セル３００の長手方向（ｘ軸方向）は、上方に延びている。各燃料電池セル３００の長手方向（ｘ軸方向）の長さは、１００〜３００ｍｍ程度とすることができる。

各燃料電池セル３００の基端部は、燃料マニホールド２００の挿入孔２０２に挿入されている。各燃料電池セル３００は、接合材１０１によって挿入孔２０２に固定されている。燃料電池セル３００は、挿入孔２０２に挿入された状態で、接合材１０１によって燃料マニホールド２００に固定されている。接合材１０１は、燃料電池セル３００と挿入孔２０２の隙間に充填される。接合材１０１としては、例えば、結晶化ガラス、非晶質ガラス、ろう材、及びセラミックスなどが挙げられる。結晶化ガラスとは、全体積に対する「結晶相が占める体積」の割合（結晶化度）が６０％以上であり、全体積に対する「非晶質相及び不純物が占める体積」の割合が４０％未満のガラスである。このような結晶化ガラスとしては、例えば、ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３系、ＳｉＯ_２−ＣａＯ系、又はＳｉＯ_２−ＭｇＯ系が挙げられる。

各燃料電池セル３００は、長手方向（ｘ軸方向）及び幅方向（ｙ軸方向）に広がる板状に形成されている。各燃料電池セル３００は、配列方向（ｚ軸方向）に間隔をあけて配列されている。隣り合う２つの燃料電池セル３００の間隔は特に制限されないが、１〜５ｍｍ程度とすることができる。隣り合う２つの燃料電池セル３００は、集電部材３０１によって電気的に接続されている。複数の燃料電池セル３００が集電部材３０１で接続されることによってセルスタックが形成されている。集電部材３０１の構成については後述する。

燃料電池セル３００は、複数の発電素子部１０と、支持基板２０とを備える。

［支持基板］
図４は、燃料電池セル３００の斜視図である。図５は、燃料電池セル３００の断面図である。

図４に示すように、支持基板２０は、支持基板２０の長手方向（ｘ軸方向）に沿って延びる複数のガス流路２１を内部に有している。各ガス流路２１は、支持基板２０の基端側から先端側に向かって延びている。各ガス流路２１は、互いに実質的に平行に延びている。なお、基端側とは、ガス流路のガス供給側を意味する。具体的には、燃料マニホールド２００に燃料電池セル３００を取り付けた場合において、その燃料マニホールド２００に近い側を意味する。また、先端側とは、ガス流路のガス供給側とは反対側を意味する。具体的には、燃料電池セル３００を燃料マニホールド２００に取り付けた場合において、その燃料マニホールド２００から遠い側を意味する。例えば、図２に示す例では、下側が基端側であり、上側が先端側となる。

図５に示すように、支持基板２０は、複数の第１凹部２２を有する。本実施形態において、各第１凹部２２は、支持基板２０の両主面に形成されているが、一方の主面にだけ形成されていてもよい。各第１凹部２２は支持基板２０の長手方向において互いに間隔をあけて配置されている。

支持基板２０は、電子伝導性を有さない多孔質の材料によって構成される。支持基板２０は、例えば、ＣＳＺ（カルシア安定化ジルコニア）から構成され得る。或いは、支持基板２０は、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）とから構成されてもよいし、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹ_２Ｏ_３（イットリア）とから構成されてもよいし、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）とＭｇＡｌ_２Ｏ_４（マグネシアアルミナスピネル）とから構成されてもよい。支持基板２０の気孔率は、例えば、２０〜６０％程度である。

［発電素子部］
各発電素子部１０は、支持基板２０に支持されている。本実施形態において、各発電素子部１０は、支持基板２０の両主面に形成されているが、一方の主面にだけ形成されていてもよい。各発電素子部１０は、支持基板２０の長手方向において、互いに間隔をあけて配置されている。すなわち、本実施形態に係る燃料電池セル３００は、いわゆる横縞型の燃料電池である。長手方向に隣り合う発電素子部１０は、インターコネクタ３１によって互いに電気的に接続されている。

発電素子部１０は、燃料極４、電解質５、及び空気極６を有している。また、発電素子部１０は、反応防止膜７をさらに有している。

［燃料極］
燃料極４は、電子伝導性を有する多孔質の材料から構成される焼成体である。燃料極４は、燃料極集電部４１と燃料極活性部４２とを有する。

燃料極集電部４１は、第１凹部２２内に配置されている。詳細には、燃料極集電部４１は、第１凹部２２内に充填されており、第１凹部２２と同様の外形を有する。燃料極集電部４１は、第２凹部４１１及び第３凹部４１２を有している。第２凹部４１１内には、燃料極活性部４２が配置されている。また、第３凹部４１２には、インターコネクタ３１が配置されている。

燃料極集電部４１は、電子伝導性を有する。燃料極集電部４１は、燃料極活性部４２よりも高い電子伝導性を有していることが好ましい。燃料極集電部４１は、酸素イオン伝導性を有していてもよいし、有していなくてもよい。

燃料極集電部４１は、例えば、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）とから構成され得る。或いは、燃料極集電部４１は、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹ_２Ｏ_３（イットリア）とから構成されてもよいし、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＣＳＺ（カルシア安定化ジルコニア）とから構成されてもよい。燃料極集電部４１の厚さ、及び第１凹部２２の深さは、５０〜５００μｍ程度である。

燃料極活性部４２は、酸素イオン伝導性を有するとともに、電子伝導性を有する。燃料極活性部４２は、燃料極集電部４１よりも酸素イオン伝導性を有する物質の含有率が大きい。詳細には、燃料極活性部４２における、気孔部分を除いた全体積に対する酸素イオン伝導性を有する物質の体積割合は、燃料極集電部４１における、気孔部分を除いた全体積に対する酸素イオン伝導性を有する物質の体積割合よりも大きい。

燃料極活性部４２は、例えば、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）とから構成され得る。或いは、燃料極活性部４２は、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＧＤＣ（ガドリニウムドープセリア）とから構成されてもよい。燃料極活性部４２の厚さは、５〜３０μｍである。

［電解質］
電解質５は、燃料極４上を覆うように配置されている。詳細には、電解質５は、あるインターコネクタ３１から隣のインターコネクタ３１まで長手方向に延びている。すなわち、支持基板２０の長手方向（ｘ軸方向）において、電解質５とインターコネクタ３１とが交互に連続して配置されている。電解質５は、支持基板２０の第１主面２３ａ及び第２主面２３ｂを覆うように構成されている。

電解質５は、イオン伝導性を有し且つ電子伝導性を有さない緻密な材料から構成される焼成体である。電解質５は、例えば、ＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）から構成され得る。或いは、電解質５は、ＬＳＧＭ（ランタンガレート）から構成されてもよい。電解質５の厚さは、例えば、３〜５０μｍ程度である。

［反応防止膜］
反応防止膜７は、緻密な材料から構成される焼成体である。反応防止膜７は、電解質５と空気極活性部６１との間に配置されている。反応防止膜７は、電解質５内のＹＳＺと空気極６内のＳｒとが反応して電解質５と空気極６との界面に電気抵抗が大きい反応層が形成される現象の発生を抑制するために設けられている。

反応防止膜７は、希土類元素を含むセリアを含んだ材料から構成されている。反応防止膜７は、例えば、ＧＤＣ＝（Ｃｅ，Ｇｄ）Ｏ_２（ガドリニウムドープセリア）から構成され得る。反応防止膜７の厚さは、例えば、３〜５０μｍ程度である。

［空気極］
空気極６は、電子伝導性を有する多孔質の材料から構成される焼成体である。空気極６は、電解質５を基準にして、燃料極４と反対側に配置されている。空気極６は、空気極活性部６１と空気極集電部６２とを有している。

空気極活性部６１は、反応防止膜７上に配置されている。空気極活性部６１は、酸素イオン伝導性を有するとともに、電子伝導性を有する。空気極活性部６１は、空気極集電部６２よりも酸素イオン伝導性を有する物質の含有率が大きい。詳細には、空気極活性部６１おける、気孔部分を除いた全体積に対する酸素イオン伝導性を有する物質の体積割合は、空気極集電部６２における、気孔部分を除いた全体積に対する酸素イオン伝導性を有する物質の体積割合よりも大きい。

空気極活性部６１は、例えば、ＬＳＣＦ＝（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ_３（ランタンストロンチウムコバルトフェライト）から構成され得る。或いは、空気極活性部６１は、ＬＳＦ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＦｅＯ_３（ランタンストロンチウムフェライト）、ＬＮＦ＝Ｌａ（Ｎｉ，Ｆｅ）Ｏ_３（ランタンニッケルフェライト）、又は、ＬＳＣ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ_３（ランタンストロンチウムコバルタイト）等から構成されてもよい。空気極活性部６１は、ＬＳＣＦから構成される第１層（内側層）とＬＳＣから構成される第２層（外側層）との２層によって構成されてもよい。空気極活性部６１の厚さは、例えば、１０〜１００μｍである。

空気極集電部６２は、空気極活性部６１上に配置されている。また、空気極集電部６２は、空気極活性部６１から、隣の発電素子部に向かって延びている。燃料極集電部４１と空気極集電部６２とは、発電領域から互いに反対側に延びている。発電領域とは、燃料極活性部４２と電解質５と空気極活性部６１とが重複する領域である。

空気極集電部６２は、電子伝導性を有する多孔質の材料から構成される焼成体である。空気極集電部６２は、空気極活性部６１よりも高い電子伝導性を有していることが好ましい。空気極集電部６２は、酸素イオン伝導性を有していてもよいし、有していなくてもよい。

空気極集電部６２は、例えば、ＬＳＣＦ＝（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ_３（ランタンストロンチウムコバルトフェライト）から構成され得る。或いは、空気極集電部６２は、ＬＳＣ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ_３（ランタンストロンチウムコバルタイト）から構成されてもよい。或いは、空気極集電部６２は、Ａｇ（銀）、Ａｇ−Ｐｄ（銀パラジウム合金）から構成されてもよい。空気極集電部６２の厚さは、例えば、５０〜５００μｍ程度である。

［インターコネクタ］
インターコネクタ３１は、支持基板２０の長手方向（ｘ軸方向）に隣り合う発電素子部１０を電気的に接続するように構成されている。詳細には、一方の発電素子部１０の空気極集電部６２は、他方の発電素子部１０に向かって延びている。また、他方の発電素子部１０の燃料極集電部４１は、一方の発電素子部１０に向かって延びている。そして、インターコネクタ３１は、一方の発電素子部１０の空気極集電部６２と、他方の発電素子部１０の燃料極集電部４１とを電気的に接続している。インターコネクタ３１は、燃料極集電部４１の第３凹部４１２内に配置されている。詳細には、インターコネクタ３１は、第３凹部４１２内に埋設されている。

インターコネクタ３１は、電子伝導性を有する緻密な材料から構成される焼成体である。インターコネクタ３１は、例えば、ＬａＣｒＯ_３（ランタンクロマイト）から構成され得る。或いは、インターコネクタ３１は、（Ｓｒ，Ｌａ）ＴｉＯ_３（ストロンチウムチタネート）から構成されてもよい。インターコネクタ３１の厚さは、例えば、１０〜１００μｍである。

［集電部材］
図６は、図２の部分拡大図である。図６では、セルスタック装置１００のうち各燃料電池セル３００の基端部付近が図示されている。

図６に示すように、隣接する２つの燃料電池セル３００（第１燃料電池セル３００ａ及び第２燃料電池セル３００ｂ）は、集電部材３０１によって電気的に接続される。集電部材３０１は、電気化学セル用金属部材の一例である。

集電部材３０１は、第１燃料電池セル３００ａと第２燃料電池セル３００ｂの間に配置される。集電部材３０１は、支持基板２０の両主面に配置された複数の発電素子部１０のうち、最も基端側に配置された基端側発電素子部１０ａよりも基端側に配置されている。

集電部材３０１は、第１燃料電池セル３００ａ及び第２燃料電池セル３００ｂそれぞれの基端側に接合される。詳細には、集電部材３０１は、導電性接合材１０２を介して、第１燃料電池セル３００ａの基端側発電素子部１０ａから延びる電気的接続部１１０と、第２燃料電池セル３００ｂの基端側発電素子部１０ａから延びる空気極集電部６２とに接合される。

導電性接合材１０２としては、周知の導電性セラミックス等を用いることができる。例えば、導電性接合材１０２は、（Ｍｎ，Ｃｏ）_３Ｏ_４、（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ_３、及び（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ_３などから選ばれる少なくとも１種によって構成することができる。

ここで、図７は、集電部材３０１の斜視図であり、図８は、図７のＡ−Ａ断面図である。図７では、集電部材３０１が第１燃料電池セル３００ａに接合された状態が示されている。図７では、第２燃料電池セル３００ｂが省略されているが、実際には第１燃料電池セル３００ａと対向するように第２燃料電池セル３００ｂが配置されている。

集電部材３０１は、第１接合部ａ１、第２接合部ａ２、第１連結部ｂ１、及び第２連結部ｂ２を有する。

第１接合部ａ１は、第１燃料電池セル３００ａに接合される。詳細には、第１接合部ａ１は、導電性接合材１０２によって、第１燃料電池セル３００ａの基端側発電素子部１０ａ（図６参照）から延びる電気的接続部１１０に接合される。なお、電気的接続部１１０は、第１接続部１１１と第２接続部１１２を有している。第１接続部１１１は、上述したインターコネクタ３１と同様の構成及び材質とすることができる。また、第２接続部１１２は、上述した空気極集電部６２と同様の材料から構成することができる。第２接続部１１２は、第１接続部１１１と電気的に接続されており、下方へと延びている。図８に示すように、第１接合部ａ１は、第１燃料電池セル３００ａの外表面Ｔａと対向する主面Ｓａを有する。

第１接合部ａ１は、平板状に形成される。ｚ軸方向における第１接合部ａ１の厚みは特に制限されないが、例えば０．１〜２．０ｍｍとすることができる。本実施形態において、第１接合部ａ１は、幅方向に延びる矩形に形成されているが、第１接合部ａ１の形状に特に制限はなく、三角以上の多角形、円形、楕円形、或いは、これら以外の複雑形状であってもよい。

第１接合部ａ１には、複数の第１貫通孔ｃ１が形成される。図８に示すように、各第１貫通孔ｃ１は、主面Ｓａに連なる内壁面Ｓｃを有する。各第１貫通孔ｃ１には、導電性接合材１０２が充填されている。これによって、第１燃料電池セル３００ａに対する第１接合部ａ１の接合力を向上させることができる。導電性接合材１０２は、各第１貫通孔ｃ１から外側に突出していてもよく、さらに第１接合部ａ１の外表面上に広がっていてもよい。

本実施形態において、各第１貫通孔ｃ１は、幅方向に沿って延びる矩形状に形成されているが、各第１貫通孔ｃ１の形状に特に制限はなく、円形、楕円形、三角以上の多角形、又は、これら以外の複雑形状であってもよい。また、本実施形態では、３個の第１貫通孔ｃ１が設けられているが、第１貫通孔ｃ１の個数及び位置は適宜変更可能である。

第２接合部ａ２は、第１接合部ａ１と電気的に接続される。第２接合部ａ２は、第２燃料電池セル３００ｂに接合される。詳細には、第２接合部ａ２は、導電性接合材１０２によって、第２燃料電池セル３００ｂの基端側発電素子部１０ａ（図６参照）から延びる空気極集電部６２に接合される。第２接合部ａ２は、配列方向において第１接合部ａ１と対向する。

第２接合部ａ２は、平板状に形成される。ｚ軸方向における第２接合部ａ２の厚みは特に制限されないが、例えば０．１〜２．０ｍｍとすることができる。本実施形態において、第２接合部ａ２は、第１接合部ａ１と同様の形状を有しているが、第１接合部ａ１と異なる形状であってもよい。第２接合部ａ２の形状に特に制限はなく、三角以上の多角形、円形、楕円形、或いは、これら以外の複雑形状であってもよい。

第２接合部ａ２には、複数の第２貫通孔ｃ２が形成される。各第２貫通孔ｃ２には、導電性接合材１０２が充填されている。これによって、第２燃料電池セル３００ｂに対する第２接合部ａ２の接合力を向上させることができる。導電性接合材１０２は、各第２貫通孔ｃ２から外側に突出していてもよく、さらに第２接合部ａ２の外表面上に広がっていてもよい。

本実施形態において、各第２貫通孔ｃ２は、幅方向に沿って延びる矩形状に形成されているが、各第２貫通孔ｃ２の形状に特に制限はなく、円形、楕円形、三角以上の多角形、又は、これら以外の複雑形状であってもよい。また、本実施形態では、３個の第２貫通孔ｃ２が設けられているが、第２貫通孔ｃ２の個数及び位置は適宜変更可能である。

第１及び第２連結部ｂ１，ｂ２は、それぞれ第１接合部ａ１と第２接合部ａ２とに連結される。本実施形態において、第１及び第２連結部ｂ１，ｂ２は、それぞれ湾曲しているが、これに限られない。第１及び第２連結部ｂ１，ｂ２は、それぞれ平板状であってもよいし、少なくとも１箇所で屈曲する形状であってもよい。

また、本実施形態では、第１及び第２連結部ｂ１，ｂ２が、集電部材３０１の両端部に配置されているが、第１及び第２連結部ｂ１，ｂ２の位置は特に制限されない。

［集電部材の内部構成］
次に、集電部材３０１の詳細な構成について、図面を参照しながら説明する。図９は、図８の領域Ｒ１の拡大図である。

集電部材３０１は、基材３０２と、酸化クロム膜３０３と、被覆膜３０４とを有する。

基材３０２は、Ｃｒ（クロム）を含有する合金材料によって構成される。このような金属材料としては、Ｆｅ−Ｃｒ系合金鋼（ステンレス鋼など）及びＮｉ−Ｃｒ系合金鋼などを用いることができる。基材３０２におけるＣｒの含有率は特に制限されないが、４〜３０質量％とすることができる。

基材３０２は、Ｔｉ（チタン）やＡｌ（アルミニウム）を含有していてもよい。基材３０２におけるＴｉの含有率は特に制限されないが、０．０１〜１．０ａｔ．％とすることができる。基材３０２におけるＡｌの含有率は特に制限されないが、０．０１〜０．４ａｔ．％とすることができる。基材３０２は、ＴｉをＴｉＯ_２（チタニア）として含有していてもよいし、ＡｌをＡｌ_２Ｏ_３（アルミナ）として含有していてもよい。

酸化クロム膜３０３は、基材３０２上に形成される。酸化クロム膜３０３は、基材３０２を被覆する。酸化クロム膜３０３は、基材３０２の一部を被覆していてもよいし、基材３０２の全体を被覆していてもよい。

酸化クロム膜３０３は、酸化クロムによって構成される。酸化クロム膜３０３の厚みは特に制限されないが、例えば０．５〜１０μｍとすることができる。

被覆膜３０４は、酸化クロム膜３０３上に形成される。被覆膜３０４は、基材３０２を被覆する。具体的には、被覆膜３０４は、基材３０２上に形成された酸化クロム膜３０３を被覆している。被覆膜３０４は、基材３０２の一部を被覆していてもよいし、基材３０２の全体を被覆していてもよい。被覆膜３０４は、基材３０２のうちセルスタック装置１００の作動中に酸化剤ガスと接触する領域を被覆していることが好ましい。

被覆膜３０４は、基材３０２からのＣｒの揮発を抑えることによって、各燃料電池セル３００の空気極６におけるＣｒ被毒を抑制する。被覆膜３０４を構成する材料としては、セラミックス材料を用いることができる。セラミックス材料の具体的な種類は、適用箇所に応じて適宜選択することができる。本実施形態では、集電部材３０１に導電性が求められるため、セラミックス材料としては、ＬａおよびＳｒを含有するペロブスカイト形複合酸化物、Ｍｎ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｆｅ，Ｃｕ等の遷移金属から構成されるスピネル型複合酸化物などを用いることができる。ただし、被覆膜３０４は、Ｃｒの揮発を抑制できればよく、その構成材料はセラミックス材料に限られない。被覆膜３０４の厚みは特に制限されないが、例えば１〜２００μｍとすることができる。

［基材の構成］
次に、集電部材３０１のうち基材３０２の構成について、図面を参照しながら説明する。図１０は、図９の領域Ｒ２の拡大図である。

基材３０２は、基材本体部３０２ａと、第１腕部３０２ｂと、第２腕部３０２ｃとを有する。

基材本体部３０２ａは、基材３０２の大部分を占める本体である。基材本体部３０２ａは、第１表面Ｓ１を有する。第１表面Ｓ１は、基材本体部３０２ａの外表面である。図１０に示すように、第１表面Ｓ１のうち第１腕部３０２ｂと対向する領域は、基材本体部３０２ａの内側に向かって斜めに形成されている。同様に、第１表面Ｓ１のうち第２腕部３０２ｃと対向する領域は、基材本体部３０２ａの内側に向かって斜めに形成されている。また、第１表面Ｓ１のうち第２腕部３０２ｃに連なる領域（図１０の上側）と、第１表面Ｓ１のうち第１腕部３０２ｂに連なる領域（図１０の下側）との間には、段差が形成されている。

第１腕部３０２ｂは、基材本体部３０２ａに接続される。第１腕部３０２ｂは、基材本体部３０２ａと一体的に形成される。第１腕部３０２ｂは、基材本体部３０２ａから延びる。第１腕部３０２ｂの基端部は固定端であり、第１腕部３０２ｂの先端部は自由端である。第１腕部３０２ｂの基端部とは、第１腕部３０２ｂのうち基材本体部３０２ａに接続される側の端部であり、第１腕部３０２ｂの先端部とは、基端部と反対側の端部である。

第１腕部３０２ｂは、図１０に示すように、第１表面Ｓ１に垂直な断面において、基材本体部３０２ａの第１表面Ｓ１と対向している。すなわち、第１腕部３０２ｂは、基材本体部３０２ａの第１表面Ｓ１上に寝かされている。従って、第１腕部３０２ｂは、第１表面Ｓ１を平面視したとすれば、第１表面Ｓ１と重なるように観察される。

このように、基材本体部３０２ａから延びる第１腕部３０２ｂが基材本体部３０２ａと重なっているため、セルスタック装置１００の作動／非作動が繰り返されて被覆膜３０４に応力がかかると、それに応じて第１腕部３０２ｂが被覆膜３０４とともに微小に動くことができる。これによって、被覆膜３０４にかかる応力を緩和できるため、被覆膜３０４が基材３０２から剥離してしまうことを抑制できる。

第１腕部３０２ｂの少なくとも一部は、第１表面Ｓ１から離れていることが好ましい。すなわち、基材本体部３０２ａと第１腕部３０２ｂとの間には隙間が存在することが好ましい。これによって、第１腕部３０２ｂの可動性を向上させることができるため、被覆膜３０４の剥離をより抑制できる。図１０では、基材本体部３０２ａと第１腕部３０２ｂとの隙間に被覆膜３０４が入り込んでいるが、酸化クロム膜３０３が充填されていてもよいし、空隙になっていてもよい。ただし、基材本体部３０２ａと第１腕部３０２ｂとの間には隙間が存在しなくてもよい。

第１腕部３０２ｂの全長Ｌ１は、第１腕部３０２ｂの最大厚みＴ１よりも大きいことが好ましい。これによって、第１腕部３０２ｂの可動性を向上させることができるため、被覆膜３０４の剥離をより抑制できる。第１腕部３０２ｂの全長Ｌ１とは、図１０に示すように、基材本体部３０２ａと第１腕部３０２ｂとの境界をｘ軸方向に平行な仮想線Ｘ１によって規定した場合において、ｘ軸方向に平行な方向における第１腕部３０２ｂの中点を連ねた線の長さである。第１腕部３０２ｂの最大厚みＴ１とは、基材本体部３０２ａと第１腕部３０２ｂとの境界をｘ軸方向に平行な仮想線Ｘ１によって規定した場合において、ｘ軸方向に平行な方向における第１腕部３０２ｂの最大厚みである。第１腕部３０２ｂの全長Ｌ１は、第１腕部３０２ｂの最大厚みＴ１の２倍以上が特に好ましい。これによって、第１腕部３０２ｂの可動性を特に向上させることができる。第１腕部３０２ｂの全長Ｌ１は特に制限されないが、例えば５〜１００μｍとすることができる。第１腕部３０２ｂの最大厚みＴ１は特に制限されないが、例えば１〜２０μｍとすることができる。

このような第１腕部３０２ｂは、例えばプレス加工によって、基材本体部３０２ａの第１表面Ｓ１に斜めに傷を入れることによって形成できる。或いは、第１腕部３０２ｂは、ブラスト処理やプレス加工により第１表面Ｓ１から突出した凸部を形成し、ローラー等により第１腕部の基端側から先端側に凸部を伸ばすことによって形成できる。

第２腕部３０２ｃは、基材本体部３０２ａに接続される。第２腕部３０２ｃは、基材本体部３０２ａと一体的に形成される。第２腕部３０２ｃは、基材本体部３０２ａから延びる。第２腕部３０２ｃの基端部は固定端であり、第２腕部３０２ｃの先端部は自由端である。

第２腕部３０２ｃは、図１０に示すように、第１表面Ｓ１に垂直な断面において、第１腕部３０２ｂの第２表面Ｓ２と対向している。すなわち、第２腕部３０２ｃは、第１腕部３０２ｂの第２表面Ｓ２上に寝かされている。従って、第２腕部３０２ｃは、基材本体部３０２ａの第１表面Ｓ１を平面視した場合、第１腕部３０２ｂの第２表面Ｓ２と重なるように配置されている。第１腕部３０２ｂの第２表面Ｓ２とは、第１腕部３０２ｂのうち基材本体部３０２ａと反対側の外表面である。

このように、基材本体部３０２ａから延びる第２腕部３０２ｃが第１腕部３０２ｂと重なっているため、被覆膜３０４に応力がかかった場合に、第１腕部３０２ｂだけでなく第２腕部３０２ｃも被覆膜３０４とともに動くことができる。これによって、被覆膜３０４にかかる応力を更に緩和できるため、被覆膜３０４が基材３０２から剥離してしまうことを更に抑制できる。

本実施形態では、第２腕部３０２ｃの先端部側が第１腕部３０２ｂの第２表面Ｓ２と対向し、第２腕部３０２ｃの基端部側が基材本体部３０２ａの第１表面Ｓ１と対向しているが、第２腕部３０２ｃの全体が第１腕部３０２ｂの第２表面Ｓ２と対向していてもよい。

第２腕部３０２ｃの少なくとも一部は、第１腕部３０２ｂの第２表面Ｓ２から離れていることが好ましい。すなわち、第１腕部３０２ｂと第２腕部３０２ｃとの間には隙間が存在することが好ましい。これによって、第２腕部３０２ｃの可動性を向上させることができるため、被覆膜３０４の剥離をより抑制できる。図１０では、第１腕部３０２ｂと第２腕部３０２ｃとの隙間に被覆膜３０４が入り込んでいるが、酸化クロム膜３０３が充填されていてもよいし、空隙になっていてもよい。ただし、第１腕部３０２ｂと第２腕部３０２ｃとの間には隙間が存在しなくてもよい。

第２腕部３０２ｃの全長Ｌ２は、第２腕部３０２ｃの最大厚みＴ２よりも大きいことが好ましい。これによって、第２腕部３０２ｃの可動性を向上させることができるため、被覆膜３０４の剥離をより抑制できる。第２腕部３０２ｃの全長Ｌ２及び最大厚みＴ２は、上述した第１腕部３０２ｂの全長Ｌ１及び最大厚みＴ１と同様に定義される。第２腕部３０２ｃの全長Ｌ２は、第２腕部３０２ｃの最大厚みＴ２の２倍以上が特に好ましい。これによって、第２腕部３０２ｃの可動性を特に向上させることができる。第２腕部３０２ｃの全長Ｌ２は特に制限されないが、例えば５〜１００μｍとすることができる。第２腕部３０２ｃの最大厚みＴ２は特に制限されないが、例えば１〜２０μｍとすることができる。

このような第２腕部３０２ｃは、例えばプレス加工によって、第１腕部３０２ｂの第２表面Ｓ２に斜めに傷を入れることによって形成できる。或いは、第２腕部３０２ｃは、ブラスト加工やプレス加工により第１表面Ｓ１から突出した凸部を並べて形成し、ローラー等により腕部の基端側から先端側に凸部を伸ばすことによって形成できる。

また、図１０には図示されていないが、基材３０２には、第１腕部３０２ｂと同様の構成を有する複数の腕部が設けられることが好ましい。複数の腕部それぞれは、第１腕部３０２ｂと同様、被覆膜３０４にかかる応力を緩和するように作用する。この複数の腕部は、基材本体部３０２ａの第１表面Ｓ１を平面視した場合、所定方向（例えば、ｙ軸方向又はｚ軸方向）に並んでいることが好ましい。これによって、被覆膜３０４に所定方向（例えば、ｙ軸方向又はｚ軸方向）の応力がかかりやすい場合に、当該応力を複数の腕部で効果的に緩和させることができるため、被覆膜３０４の剥離を特に抑制することができる。なお、複数の腕部は、ｙ軸方向及びｚ軸方向に限らず、例えばｙ軸方向に対して傾斜した方向に並んでいてもよい。

（実施形態の変形例）
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。

［変形例１］
上記実施形態では、本発明に係る電気化学セル用金属部材を横縞型の燃料電池セルの集電部材３０１に適用した場合について説明したが、いわゆる縦縞型の燃料電池セルの集電部材にも適用することができる。縦縞型の燃料電池セルは、導電性の支持基板と、支持基板の一主面上に配置される発電部（燃料極、固体電解質層及び空気極）と、支持基板の他主面上に配置されるインターコネクタとを備える。また、本発明に係る電気化学セル用金属部材は、燃料電池のほか、固体酸化物型の電解セルを含む固体酸化物型の電気化学セルにも適用可能である。

［変形例２］
上記実施形態では、本発明に係る電気化学セル用金属部材を集電部材３０１に適用した場合について説明したが、燃料マニホールド２００にも適用することができる。ただし、燃料マニホールド２００には絶縁性が求められるため、被覆膜３０４を構成するセラミックス材料としては、例えばアルミナ、シリカ、ジルコニア、及び結晶化ガラスなどを用いることができる。また、本発明に係る電気化学セル用金属部材は、セルスタック装置１００の周辺部材（例えば、燃料配管、空気配管、空気マニホールドなど）にも適用することができる。

［変形例３］
上記実施形態では、本発明に係る電気化学セル用金属部材を集電部材３０１に適用することとしたが、集電部材３０１の具体的な構成は適宜変更可能である。例えば、集電部材３０１は、３以上の接合部を有していてもよいし、接合部には貫通孔が形成されていなくてもよい。

［変形例４］
上記実施形態では、図９及び図１０を参照しながら、基材本体部３０２ａの第１表面Ｓ１のうち第１貫通孔ｃ１を向いた領域に形成された第１腕部３０２ｂ及び第２腕部３０２ｃについて説明したが、第１腕部３０２ｂ及び第２腕部３０２ｃが形成される位置は特に限られない。例えば、第１腕部３０２ｂ及び第２腕部３０２ｃは、基材本体部３０２ａの第１表面Ｓ１のうち燃料電池セル３００を向いた領域に形成されていてもよい。

［変形例５］
集電部材３０１は、基材３０２及び酸化クロム膜３０３によって構成される本体部を有する。本体部は、第１燃料電池セル３００ａ側を向く第１主面と、第１主面と反対側の第２主面と、第１主面及び第２主面に連なる側面とを有する。側面は、第１燃料電池セル３００ａ側の第１領域と、第１燃料電池セル３００ａと反対側の第２領域とを含む。第１領域は、側面のうち１０〜９０％程度の範囲を占める。第２領域は、側面のうち１０〜９０％程度の範囲を占める。

ここで、第２領域における表面粗さは、第１領域における表面粗さよりも大きくすることができる。この構成によれば、集電部材３０１の側面のうち、第１領域よりも第２領域の方に重点的に被覆膜３０４が形成されやすくなる。この結果、第２領域は確実に被覆膜３０４によって覆われるため、第１燃料電池セル３００ａの外側面に酸化剤ガスが供給されても、第２領域における酸化を抑制することができる。

本変形例において、第２領域における被覆膜３０４の厚さは、第１領域における被覆膜３０４の厚さよりも厚いことが好ましい。このように構成することで、酸化剤ガスに晒され易い領域で、さらに酸化を抑制することができる。また、第１領域における被覆膜３０４の厚さは、第２領域における被覆膜３０４の厚さよりも厚いことが好ましい。このように構成することで、基材本体部３０２ａがクロムを含む金属の場合に、第１燃料電池セル３００ａに近い側の領域において本体部からのクロムの揮発をより抑制することによって、第１燃料電池セル３００ａにおけるクロム被毒をより抑制することができる。また、第２領域における表面粗さは、第１及び第２主面における表面粗さよりも大きいことが好ましい。

［変形例６］
集電部材３０１は、基材３０２及び酸化クロム膜３０３によって構成される本体部を有する。本体部は、第１燃料電池セル３００ａ側を向く第１主面と、第１主面と反対側の第２主面と、第１主面及び第２主面に連なる側面とを有する。側面は、第１燃料電池セル３００ａ側の第１領域と、第１燃料電池セル３００ａと反対側の第２領域とを含む。第１領域は、側面のうち１０〜９０％程度の範囲を占める。第２領域は、側面のうち１０〜９０％程度の範囲を占める。

ここで、第１領域における表面粗さは、第２領域における表面粗さよりも大きくすることができる。この構成によれば、集電部材３０１の側面のうち、第１領域における表面粗さが第２領域における表面粗さよりも大きいため、第１領域において被覆膜３０４の剥離を抑制することができる。また、第２領域の表面粗さが第１領域の表面粗さよりも小さいため、第１燃料電池セル３００ａの外側面に酸化剤ガスを流したときに酸化され易い第２領域の表面積を小さくして酸化を抑制できる。

本変形例において、第１領域における被覆膜３０４の厚さは、第２領域における被覆膜３０４の厚さよりも厚いことが好ましい。このように構成することで、基材本体部３０２ａがクロムを含む金属の場合に、本体部からのクロムの揮発をより抑制することによって、第１燃料電池セル３００ａにおけるクロム被毒をより抑制することができる。また、第２領域における被覆膜３０４の厚さは、第１領域における被覆膜３０４の厚さよりも厚いことが好ましい。このように構成することで、酸化剤ガスに晒され易い領域で、さらに酸化を抑制することができる。また、第１領域における表面粗さは、第１及び第２主面における表面粗さよりも大きいことが好ましい。

［変形例７］
集電部材３０１は、基材３０２及び酸化クロム膜３０３によって構成される本体部を有する。本体部は、第１燃料電池セル３００ａ側を向く第１主面と、第１主面と反対側の第２主面と、第１主面及び第２主面に連なる一対の側面とを有する。

ここで、第２主面の面積は、第１主面の面積よりも小さくすることができる。この構成によれば、集電部材３０１の一対の主面のうち、酸化剤ガスに晒される側にある第２主面は、第１主面よりも面積が小さくなっている。このため、従来のように第１主面と同じ面積の第２主面を有する集電部材３０１に比べて、第２主面をより確実に被覆膜３０４で覆うことができる。また、第１主面は第２主面よりも面積を大きいため、集電部材３０１と第１燃料電池セル３００ａとの接合面積が大きくなり、電気抵抗を小さくすることができる。

本変形例において、第１主面に垂直な断面において、一対の側面は、第２主面に向かって互いに近付くように傾斜することが好ましい。この構成によれば、一対の側面は、傾斜していない場合に比べて被覆膜３０４との接合面積が大きくなるため、被覆膜３０４との接合強度を向上させることができる。また、第２主面と少なくとも一方の側面とがなす角度は、鈍角であることが好ましい。第２主面と側面との境界部である角部は、第１燃料電池セル３００ａの外側面に流れる酸化剤ガスに露出され易い位置に配置される。この第２主面と側面との角部の角度を鈍角とすることによって、この角部への被覆膜３０４の形成を容易にし、より確実に被覆膜３０４を形成することができる。

［変形例８］
集電部材３０１は、基材３０２及び酸化クロム膜３０３によって構成される本体部を有する。本体部は、第１燃料電池セル３００ａ側を向く第１主面と、第１主面と反対側の第２主面と、第１主面及び第２主面に連なる側面とを有する。

ここで、本体部は、第１主面と側面とがなす角部から第１主面が向く方向に突出する突起部と、第２主面と側面とを連結する湾曲面とをさらに有していてもよい。この構成によれば、本体部は第１燃料電池セル３００ａ側に突出する突起部を有しているため、本体部と被覆膜３０４との密着性を向上させることができる。この結果、被覆膜３０４が剥離することを抑制することができる。また、突起部とは反対側の角部は、湾曲面によって形成されているため、被覆膜３０４の形成が容易となり、被覆膜３０４をより確実に形成することができる。

［変形例９］
集電部材３０１は、基材３０２及び酸化クロム膜３０３によって構成される本体部を有する。本体部は、第１燃料電池セル３００ａ側を向く第１主面と、第１主面と反対側の第２主面と、第１主面及び第２主面に連なる側面とを有する。

ここで、本体部は、第２主面と側面とがなす角部から第２主面が向く方向に突出する突起部と、第１主面と側面とを連結する湾曲面とをさらに有していてもよい。この構成によれば、第１燃料電池セル３００ａ側において、湾曲面によって第１主面と側面とを連結しているため、第１主面と側面とが直接連結されて角部を構成する従来の本体部に比べて、電流が集中することを抑制することができる。この結果、この部分における酸化を抑制することができる。また、第２主面と側面とがなす角部から第２主面が向く方向に突起部が突出しているため、この突起部が優先的に酸化されて他の部分の酸化を抑制することができる。

［変形例１０］
集電部材３０１は、基材３０２及び酸化クロム膜３０３によって構成される本体部を有する。本体部は、第１燃料電池セル３００ａ側を向く第１主面と、第１主面と反対側の第２主面と、第１主面及び第２主面に連なる側面とを有する。側面は、第１燃料電池セル３００ａ側の第１領域と、第１燃料電池セル３００ａと反対側の第２領域とを含む。第１領域は、側面のうち１０〜９０％程度の範囲を占める。第２領域は、側面のうち１０〜９０％程度の範囲を占める。

ここで、側面は、第１領域と第２領域との間に形成される段差部を有していてもよい。この構成によれば、段差部が被覆膜３０４との密着性を向上させることができるため、本体部からの被覆膜３０４の剥離を抑制することができる。

本変形例において、段差部は、第２主面が向く方向を向いていることが好ましい。この場合、第１主面に垂直な断面において、本体部の一対の側面は、第２主面に向かって互いに近付くように傾斜することが好ましい。段差部が向く方向と第２主面が向く方向とがなす角度が４５度以内であれば、段差部は第２主面が向く方向を向いていると言える。また、段差部は、第１主面が向く方向を向いている。この場合、第１主面に垂直な断面において、本体部の一対の側面は、第１主面に向かって互いに近付くように傾斜することが好ましい。段差部が向く方向と第１主面が向く方向とがなす角度が４５度以内であれば、段差部は第１主面が向く方向を向いていると言える。

本変形例において、側面と直交する方向に沿って側面を見た場合において、第１領域の第２主面側の端部と、第２領域の第１主面側の端部とが互いに重複するように段差部が構成されることが好ましい。この構成によれば、段差部と被覆膜３０４との密着性がより向上するため、本体部からの被覆膜３０４の剥離をより確実に抑制することができる。

１００ セルスタック
１０２ 導電性接合材
２００ 燃料マニホールド
３００ 燃料電池セル
３００ａ 第１燃料電池セル
３００ｂ 第２燃料電池セル
３０１ 集電部材
３０２ 基材
３０２ａ 基材本体部
Ｓ１ 第１表面
３０２ｂ 第１腕部
Ｓ２ 第２表面
３０２ｃ 第２腕部
３０３ 酸化クロム膜
３０４ 被覆膜

Claims (8)

1. クロムを含有する合金材料によって構成される基材と、
   前記基材を被覆する被覆膜と、
   を備え、
   前記基材は、
   第１表面を有する基材本体部と、
   前記基材本体部から延びる第１腕部と、
   を有し、
   前記第１腕部は、前記第１表面に垂直な断面において、前記第１表面と対向する、
   電気化学セル用金属部材。
2. 前記第１腕部の少なくとも一部は、前記第１表面に垂直な断面において前記第１表面から離れている、
   請求項１に記載の電気化学セル用金属部材。
3. 前記基材は、前記基材本体部から延びる第２腕部を有し
   前記第２腕部は、前記第１表面に垂直な断面において、前記第１腕部の第２表面と対向する
   請求項１又は２に記載の電気化学セル用金属部材。
4. 前記基材は、前記第１腕部を含む複数の腕部を有し、
   前記複数の腕部それぞれは、前記基材本体部から延び、前記第１表面に垂直な断面において前記第１表面と対向し、
   前記複数の腕部は、前記第１表面の平面視において所定方向に並んでいる、
   請求項１乃至３のいずれかに記載の電気化学セル用金属部材。
5. 前記第１表面に垂直な断面において、前記第１腕部の全長は、前記第１腕部の最大厚みよりも大きい、
   請求項１乃至４のいずれかに記載の電気化学セル用金属部材。
6. 前記第１表面に垂直な断面において、前記第１腕部の前記全長は、前記第１腕部の前記最大厚みの２倍以上である、
   請求項５に記載の電気化学セル用金属部材。
7. ２つの電気化学セルと、
   請求項１乃至６のいずれかに記載の電気化学セル用金属部材と、
   を備え、
   前記電気化学セル用金属部材は、前記２つの電気化学セルを電気的に接続する集電部材である、
   セルスタック。
8. 電気化学セルと、
   請求項１乃至６のいずれかに記載の電気化学セル用金属部材と、
   を備え、
   前記電気化学セル用金属部材は、前記電気化学セルの基端部を支持するマニホールドである、
   セルスタック装置。

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