JP6572349B1 - 電気化学セル用金属部材、及びこれを用いた電気化学セル組立体 - 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、及びこれを用いた電気化学セル組立体を提供する。【解決手段】集電部材３０１は、本体部３０２と、被覆膜３０３とを有する。本体部３０２は、第１主面Ｓ１、第２主面Ｓ２、側面Ｓ３、及び複数の凹部Ｓ４を有する。被覆膜３０３は、複数の凹部Ｓ４それぞれに入り込んでいる。複数の凹部Ｓ４は、側面Ｓ３の平面視において、所定の方向に沿って並ぶ。【選択図】図１０

Description

本発明は、電気化学セル用金属部材、及びこれを用いた電気化学セル組立体に関するものである。

従来、２つの燃料電池セルを電気的に接続する集電部材を備えるセルスタックが知られている（特許文献１参照）。特許文献１では、ステンレス鋼によって構成される基材を含む本体部と、本体部からＣｒ（クロム）が揮発することを抑制するために本体部を覆う被覆膜とを備える金属部材が集電部材として用いられている。

国際公開第２０１３／１７２４５１号

しかしながら、特許文献１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本体部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、及びこれを用いた電気化学セル組立体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、電気化学セルに接合される金属部材であって、クロムを含有する合金材料によって構成される基材を含む本体部と、本体部の少なくとも一部を覆う被覆層とを備える。本体部は、電気化学セル側を向く第１主面、第１主面と反対側の第２主面、第１主面と第２主面とに連なる側面、及び側面に形成される複数の凹部を有する。被覆層は、複数の凹部それぞれに入り込んでいる。複数の凹部は、側面の平面視において、所定の方向に沿って並ぶ。

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、及びこれを用いた電気化学セル組立体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。 集電部材を図９の矢印Ｘ方向から見た平面図。

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。

［集電部材の全体構成］
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、本発明に係る「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。なお、この第１燃料電池セル３００ａと、導電性接合材１０２と、集電部材３０１とによって、本発明に係る電気化学セル組立体が構成される。

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（具体的には、第１接合部ａ１）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、本体部３０２と、被覆膜３０３とを有する。

本体部３０２は、第１主面Ｓ１、第２主面Ｓ２、側面Ｓ３、及び複数の凹部Ｓ４を有する。なお、図９では、複数の凹部Ｓ４のうち１つの凹部Ｓ４だけが図示されている。

第１主面Ｓ１は、第１燃料電池セル３００ａ側を向いている。すなわち、第１主面Ｓ１は、第１燃料電池セル３００ａと対向する。第１主面Ｓ１は、ｘ−ｙ平面に沿って広がる。第１接合部３１１の第１主面Ｓ１は、第１燃料電池セル３００ａに導電性接合材１０２を介して接合される。

第２主面Ｓ２は、第１主面Ｓ１と反対側を向いている。すなわち、第２主面Ｓ２は、第１燃料電池セル３００ａと第２燃料電池セル３００ｂとの間の空間を向いている。従って、燃料電池セル３００の外側面に空気などの酸化剤ガスを流す際、第２主面Ｓ２は、この酸化剤ガスが流れる空間を向いている。第２主面Ｓ２は、ｘ−ｙ平面に沿って広がる。

側面Ｓ３は、第１主面Ｓ１と第２主面Ｓ２とに連なる。側面Ｓ３は、第１接合部３１１の厚さ方向（ｚ軸方向）に延びる面である。側面Ｓ３は、ｙ−ｚ平面に沿って広がる。側面Ｓ３は、略平面である。「略平面」とは、物理的に厳密な意味で平らな面だけでなく、微小な凹凸が存在する場合や、全体的或いは部分的に微小な歪みがある場合をも含むことを意味する。側面Ｓ３は、第１主面Ｓ１及び第２主面Ｓ２のそれぞれに対して傾斜していてよいし、第１主面Ｓ１及び第２主面Ｓ２のそれぞれに対して略垂直であってもよい。

凹部Ｓ４は、側面Ｓ３に形成される。凹部Ｓ４には、被覆膜３０３の一部が入り込んでいる。側面Ｓ３に垂直な方向（ｘ軸方向）における凹部Ｓ４の深さは、均一であってもよいし、不均一であってもよい。凹部Ｓ４の最大深さは特に制限されないが、０．５〜５０μｍとすることができ、１〜４５μｍが好ましい。側面Ｓ３の平面視における凹部Ｓ４の形状及びサイズについては後述する。

本体部３０２は、基材３０２ａと、酸化クロム膜３０２ｂとによって構成される。

基材３０２ａ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３０２ａ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３０２ａ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３０２ａ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３０２ａ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３０２ａ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３０２ｂは、基材３０２ａ上に形成される。酸化クロム膜３０２ｂは、基材３０２ａを被覆する。酸化クロム膜３０２ｂは、基材３０２ａの一部を被覆していてもよいし、基材３０２ａの全体を被覆していてもよい。従って、第１主面Ｓ１、第２主面Ｓ２、及び側面Ｓ３それぞれは、全面が酸化クロム膜３０２ｂの外表面であってもよいし、一部が酸化クロム膜３０２ｂの外表面であり、かつ、残りの部分が基材３０２ａの外表面であってもよい。

酸化クロム膜３０２ｂは、酸化クロムによって構成される。酸化クロム膜３０２ｂ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３０３は、酸化クロム膜３０２ｂ上に形成される。被覆膜３０３は、本体部３０２を被覆する。具体的には、被覆膜３０３は、基材３０２ａ上に形成された酸化クロム膜３０２ｂを被覆している。被覆膜３０３は、本体部３０２の一部を被覆していてもよいし、本体部３０２の全体を被覆していてもよい。被覆膜３０３は、本体部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３０３は、基材３０２ａ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３０３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３０３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３０３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。

被覆膜３０３は、側面Ｓ３に形成された複数の凹部Ｓ４に入り込んでいる。そのため、被覆膜３０３のうち各凹部Ｓ４に入り込んだ部分が凹部Ｓ４に係止されることによってアンカー効果が生じて、本体部３０２に対する被覆膜３０３の密着力が向上する。その結果、被覆膜３０３が本体部３０２から剥離することを抑制できる。被覆膜３０３は、各凹部Ｓ４の全体に充填されていることが好ましいが、各凹部Ｓ４の一部だけに入り込んでいてもよい。

［複数の凹部］
次に、複数の凹部Ｓ４の構成について、図面を参照しながら説明する。図１０は、集電部材３０１を図９に示す矢印Ｘの方向から見た図であり、側面Ｓ３の平面図に相当する。ただし、図１０では、被覆膜３０３が省略されている。

複数の凹部Ｓ４は、本体部３０２の側面Ｓ３に形成される。複数の凹部Ｓ４は、側面Ｓ３の平面視において、所定の方向に沿って並んでいる。これによって、被覆膜３０３に所定の方向又は所定の方向に対して垂直な方向に応力がかかった場合に、各凹部Ｓ４に入り込んだ被覆層３０３に生じるアンカー効果で当該応力に耐えることができるため、被覆膜３０３の剥離を抑制することができる。

本実施形態において、「所定の方向」とは、第１主面Ｓ１と側面Ｓ３との境界線Ｌ１３に略平行な方向であり、図１０ではｙ軸方向である。境界線Ｌ１３は、平面視した側面Ｓ３の下辺である。ただし、境界線Ｌ１３は、複数の凹部Ｓ４が広がって配置される方向を規定できる程度の形状であればよく、直線状であってもよいし、部分的或いは全体的に湾曲及び／又は屈曲していてもよい。

本実施形態において、「所定の方向に沿って並ぶ」とは、複数の凹部Ｓ４が所定の方向と平行な一直線上に配置される場合だけでなく、複数の凹部Ｓ４が全体として所定の方向に広がるように配置される場合をも含むことを意味する。従って、図１０に示すように、複数の凹部Ｓ４は、ｙ軸方向において互いに重なっていてもよいし、ｙ軸方向において互いに重ならないようにｚ軸方向にずれていてもよい。各凹部Ｓ４は、側面Ｓ３の平面視において、所定の方向において互いに離れていることが好ましい。ただし、各凹部Ｓ４は、２以上の凹部が連結することによって構成されていてもよい。この場合、連結した２つの凹部は、互いに深さ、平面視形状、及び平面視サイズが異なっていてもよい。

各凹部Ｓ４の平面形状は特に制限されず、矩形、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。

各凹部Ｓ４は、側面Ｓ３の平面視において、所定の方向（図１０では、ｙ軸方向）と交差する方向（図１０では、ｚ軸方向）に延びていることが好ましい。これによって、所定の方向に多くの凹部Ｓ４を並べるとともに、各凹部Ｓ４におけるアンカー効果を向上させることができる。各凹部Ｓ４が延びる方向は、所定の方向に対して垂直な方向であってもよい。各凹部Ｓ４は、互いに異なる方向に延びていてもよいし、同じ方向に延びていてもよい。

所定の方向（図１０では、ｙ軸方向）における各凹部Ｓ４の全幅Ｗ１は特に制限されないが、５〜１００μｍとすることができる。所定の方向に垂直な方向（図１０では、ｚ軸方向）における各凹部Ｓ４の全高Ｈ１は特に制限されないが、５〜３００μｍとすることができる。

ここで、側面Ｓ３は、図１０に示すように、第１主面Ｓ１側の第１領域Ｓ３１と、第２主面Ｓ２側の第２領域Ｓ３２とを有する。第１領域Ｓ３１は、第１主面Ｓ１と第２領域Ｓ３２とに連なる。第２領域Ｓ３２は、第２主面Ｓ２と第１領域Ｓ３１とに連なる。すなわち、第１領域Ｓ３１は、側面Ｓ３のうち第１燃料電池セル３００ａに近い領域であり、第２領域Ｓ２２は、側面Ｓ３のうち第１燃料電池セル３００ａから離れた領域である。第１領域Ｓ３１は、特に限定されるものではないが、例えば、側面Ｓ３のうち、１０〜９０％程度の範囲を占めている。第２領域Ｓ３２は、特に限定されるものではないが、例えば、側面Ｓ３のうち、１０〜９０％程度の範囲を占めている。第１領域Ｓ２１と第２領域Ｓ２２との境界は、第１主面Ｓ１と側面Ｓ３との境界線Ｌ１３に対して略平行な方向（すなわち、ｙ軸方向）に沿った線で規定される。

複数の凹部Ｓ４は、図１０に示すように、側面Ｓ３のうち第１領域Ｓ３１に配置されることが好ましい。すなわち、複数の凹部Ｓ４は、側面Ｓ３のうち第１燃料電池セル３００ａに近い領域に配置されることが好ましい。これによって、側面Ｓ３のうち第１燃料電池セル３００ａに近い領域における被覆膜３０３の剥離を抑制できるため、第１燃料電池セル３００ａへのＣｒ被毒を効果的に抑制することができる。

なお、凹部Ｓ４の形成方法は、特に限定されない。例えば、各凹部Ｓ４は、酸化クロム膜３０２ｂが形成される前の基材３０２ａ、又は、酸化クロム膜３０２ｂが形成された本体部３０２の側面に対して、サンドブラストを吹き付けることによって、或いは、エッチングを施すことによって形成することができる。

（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の実施形態である集電部材３０１を横縞型の燃料電池セル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など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。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、図７を参照しながら集電部材３０１の構成について説明したが、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３］
上記実施形態では、側面Ｓ３に形成された各凹部Ｓ４には、被覆層３０３の一部が入り込むこととしたが、側面Ｓ３には被覆層３０３が入り込んでいない凹部が形成されていてもよい。

［変形例４］
上記実施形態において、複数の凹部Ｓ４は、側面Ｓ３のうち第１領域Ｓ３１に配置されることしたが、複数の凹部Ｓ４の一部が、側面Ｓ３のうち第２領域Ｓ３２に配置されていてもよい。

［変形例５］
上記実施形態において、複数の凹部Ｓ４は、側面Ｓ３のうち第１領域Ｓ３１に配置されることとしたが、側面Ｓ３のうち第２領域Ｓ３２に配置されていてもよい。

［変形例６］
上記実施形態において、複数の凹部Ｓ４は、側面Ｓ３の平面視において、第１主面Ｓ１と側面Ｓ３との境界線Ｌ１３に略平行な方向（すなわち、ｙ軸方向）に沿って並ぶこととしたが、これに限られない。複数の凹部Ｓ４は、側面Ｓ３の平面視において、第１主面Ｓ１から第２主面Ｓ２に向かう方向（すなわち、ｚ軸方向）に沿って並んでいてもよい。この場合には、被覆膜３０３にｚ軸方向又はｚ軸方向に対して垂直な方向に応力がかかった場合に、各凹部Ｓ４に入り込んだ被覆層３０３に生じるアンカー効果で当該応力に耐えることができるため、被覆膜３０３の剥離を抑制することができる。なお、複数の凹部Ｓ４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。

［変形例７］
第２領域Ｓ３２における表面粗さは、第１領域Ｓ３１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Ｓ３のうち、第１領域Ｓ３１よりも第２領域Ｓ３２の方に重点的に被覆膜３０３が形成されやすくなる。この結果、第２領域Ｓ３２は確実に被覆膜３０３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Ｓ３２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Ｓ３２における被覆膜３０３の厚さは、第１領域Ｓ３１における被覆膜３０３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Ｓ３１における被覆膜３０３の厚さは、第２領域Ｓ３２における被覆膜３０３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、本体部３０２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３０２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Ｓ３２における表面粗さは、第１及び第２主面Ｓ２における表面粗さよりも大きいことが好ましい。

［変形例８］
第１領域Ｓ３１における表面粗さは、第２領域Ｓ３２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Ｓ３のうち、第１領域Ｓ３１における表面粗さが第２領域Ｓ３２における表面粗さよりも大きいため、第１領域Ｓ３１において被覆膜３０３の剥離を抑制することができる。また、第２領域Ｓ３２の表面粗さが第１領域Ｓ３１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Ｓ３２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Ｓ３１における被覆膜３０３の厚さは、第２領域Ｓ３２における被覆膜３０３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、本体部３０２がクロムを含む金属の場合に、本体部３０２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Ｓ３２における被覆膜３０３の厚さは、第１領域Ｓ３１における被覆膜３０３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Ｓ３１における表面粗さは、第１及び第２主面Ｓ２における表面粗さよりも大きいことが好ましい。

［変形例９］
第２主面Ｓ２の面積は、第１主面Ｓ１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Ｓ２は、第１主面Ｓ１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Ｓ１と同じ面積の第２主面Ｓ２を有する集電部材３０１に比べて、第２主面Ｓ２をより確実に被覆膜３０３で覆うことができる。また、第１主面Ｓ１は第２主面Ｓ２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Ｓ３は、第２主面Ｓ２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Ｓ３は、傾斜していない場合に比べて被覆膜３０３との接合面積が大きくなるため、被覆膜３０３との接合強度を向上させることができる。また、第２主面Ｓ２と少なくとも一方の側面Ｓ３とがなす角度は、鈍角であることが好ましい。第２主面Ｓ２と側面Ｓ３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Ｓ２と側面Ｓ３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３０３の形成を容易にし、より確実に被覆膜３０３を形成することができる。

［変形例１０］
本体部３０２は、第１主面Ｓ１と側面Ｓ３とがなす角部から第１主面Ｓ１が向く方向に突出する突起部と、第２主面Ｓ２と側面Ｓ３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３０２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３０２と被覆膜３０３との密着性を向上させることができる。この結果、被覆膜３０３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３０３の形成が容易となり、被覆膜３０３をより確実に形成することができる。

［変形例１１］
本体部３０２は、第２主面Ｓ２と側面Ｓ３とがなす角部から第２主面Ｓ２が向く方向に突出する突起部と、第１主面Ｓ１と側面Ｓ３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Ｓ１と側面Ｓ３とを連結しているため、第１主面Ｓ１と側面Ｓ３とが直接連結されて角部を構成する従来の本体部３０２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Ｓ２と側面Ｓ３とがなす角部から第２主面Ｓ２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１２］
側面Ｓ３は、第１領域Ｓ３１と第２領域Ｓ３２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３０３との密着性を向上させることができるため、本体部３０２からの被覆膜３０３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Ｓ２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３０２の一対の側面Ｓ３は、第２主面Ｓ２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Ｓ２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Ｓ２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Ｓ１が向く方向を向いている。この場合、本体部３０２の一対の側面Ｓ３は、第１主面Ｓ１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Ｓ１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Ｓ１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Ｓ３と直交する方向に沿って側面Ｓ３を見た場合において、第１領域Ｓ３１の第２主面Ｓ２側の端部と、第２領域Ｓ３２の第１主面Ｓ１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３０３との密着性がより向上するため、本体部３０２からの被覆膜３０３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 本体部
Ｓ１ 第１主面
Ｓ２ 第２主面
Ｓ３ 側面
Ｓ３１ 第１領域
Ｓ３２ 第２領域
Ｓ４ 凹部
３０２ａ 基材
３０２ｂ 酸化クロム膜
３０３ 被覆膜

Claims (6)

1. 固体酸化物型電気化学セルに接合される金属部材であって、
   クロムを含有する合金材料によって構成される基材を含む本体部と、
   前記本体部の少なくとも一部を覆う被覆層と、
   を備え、
   前記本体部は、前記固体酸化物型電気化学セル側を向く第１主面、前記第１主面と反対側の第２主面、前記第１主面と前記第２主面とに連なる側面、及び前記側面に形成される複数の凹部を有し、
   前記被覆層は、前記複数の凹部それぞれに入り込んでおり、
   前記複数の凹部は、前記側面の平面視において、所定の方向に沿って並び、
   前記複数の凹部のうち少なくとも１つの凹部は、前記側面の平面視において、前記所定の方向と交差する方向に延びており、
   前記少なくとも１つの凹部の前記所定の方向における幅は、前記少なくとも１つの凹部の前記所定の方向に対して垂直な方向における高さよりも小さい、
   固体酸化物型電気化学セル用金属部材。
2. 前記所定の方向は、前記第１主面と前記側面との境界線に略平行な方向である、
   請求項１に記載の固体酸化物型電気化学セル用金属部材。
3. 前記側面は、前記第１主面側の第１領域と、前記第２主面側の第２領域とを有し、
   前記複数の凹部は、前記側面のうち前記第１領域及び前記第２領域のいずれかに配置される、
   請求項１又は２に記載の固体酸化物型電気化学セル用金属部材。
4. 前記複数の凹部は、前記側面の平面視において、互いに離れている、
   請求項１乃至３のいずれかに記載の固体酸化物型電気化学セル用金属部材。
5. 前記複数の凹部のうち少なくとも１つは、２以上の凹部が連結することによって構成されている、
   請求項１乃至３のいずれかに記載の固体酸化物型電気化学セル用金属部材。
6. 固体酸化物型電気化学セルと、
   前記請求項１乃至５のいずれかに記載の固体酸化物型電気化学セル用金属部材と、
   前記固体酸化物型電気化学セル用金属部材を前記固体酸化物型電気化学セルに接合する導電性接合材と、
   を備える、
   固体酸化物型電気化学セル組立体。

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