JP6638104B2 - 合金部材、セルスタック及びセルスタック装置 - Google Patents

Description

本発明は、合金部材、セルスタック及びセルスタック装置に関する。

従来、電気化学セルの一種である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、合金部材が用いられる。

特許文献１の集電部材では、Ｆｅ−Ｃｒ系合金やＮｉ−Ｃｒ系合金など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、基材の表面上に形成された酸化クロム膜を覆う被覆膜が設けられている。

国際公開第２０１３／１７２４５１号

しかしながら、特許文献１の集電部材では、基材と被覆膜との熱膨張係数が異なるため、被覆膜が酸化クロム膜とともに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合金部材、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。

本発明に係る合金部材は、クロムを含有する合金材料によって構成される基材と、基材の少なくとも一部を覆う酸化クロム膜と、酸化クロム膜の少なくとも一部を覆う被覆膜とを備える。酸化クロム膜は、基材に接合される基材側表面に形成された凹部を有する。基材は、凹部内に埋設された埋設部を有する。酸化クロム膜の断面において、凹部の開口幅は埋設部の最大幅よりも小さい。

本発明によれば、被覆膜の剥離を抑制可能な合金部材、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。

第１実施形態に係るセルスタック装置の斜視図 第１実施形態に係るマニホールドの斜視図 第１実施形態に係るセルスタック装置の断面図 第１実施形態に係る燃料電池セルの斜視図 図４のＱ−Ｑ断面図 図２のＰ−Ｐ断面図 図６の領域Ａの拡大図 第１実施形態に係るマニホールドの製造方法の説明図 第１実施形態に係るマニホールドの製造方法の説明図 第１実施形態に係るマニホールドの製造方法の説明図 第１実施形態に係るマニホールドの製造方法の説明図 第２実施形態に係るマニホールドの構成を示す断面図 第２実施形態に係るマニホールドの製造方法の説明図 第２実施形態に係るマニホールドの製造方法の説明図 第２実施形態に係るマニホールドの製造方法の説明図 第２実施形態に係るマニホールドの製造方法の説明図

１．第１実施形態
［セルスタック装置１００］
図１は、セルスタック装置１００の斜視図である。セルスタック装置１００は、マニホールド２００と、セルスタック２５０とを備える。

［マニホールド２００］
図２は、マニホールド２００の斜視図である。マニホールド２００は、「合金部材」の一例である。

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。マニホールド２００は、中空状であり、内部空間を有している。マニホールド２００の内部空間には、導入管２０４を介して燃料ガスが供給される。

マニホールド２００は、天板２０１と、容器２０２とを有する。天板２０１は、平板状に形成される。容器２０２は、コップ状に形成される。天板２０１は、容器２０２の上方開口を塞ぐように配置される。

天板２０１は、接合材１０３（図２では不図示、図６参照）によって容器２０２に接合される。接合材１０３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。本実施形態において、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。

天板２０１には、複数の挿入孔２０３が形成されている。各挿入孔２０３は、燃料電池セル３００の配列方向（ｚ軸方向）に並べられる。各挿入孔２０３は、互いに間隔をあけて配置される。各挿入孔２０３は、マニホールド２００の内部空間と外部に連通する。

マニホールド２００の詳細な構成については後述する。

［セルスタック２５０］
図３は、セルスタック装置１００の断面図である。セルスタック２５０は、複数の燃料電池セル３００と、複数の集電部材３０１とを有する。

各燃料電池セル３００は、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、マニホールド２００の天板２０１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が、これに限られるものではない。

各燃料電池セル３００の基端部は、マニホールド２００の挿入孔２０３に挿入される。各燃料電池セル３００は、接合材１０１によって挿入孔２０３に固定される。燃料電池セル３００は、挿入孔２０３に挿入された状態で、接合材１０１によってマニホールド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２０３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。

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。

各燃料電池セル３００は、内部にガス流路１１を有している。セルスタック装置１００の運転中、マニホールド２００から各ガス流路１１に燃料ガス（水素など）が供給されるとともに、各燃料電池セル３００の外周に酸化剤ガス（空気など）が供給される。

隣接する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。集電部材３０１は、接合材１０２を介して、隣接する２つの燃料電池セル３００それぞれの基端側に接合される。接合材１０２は、例えば、（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種である。

［燃料電池セル３００］
図４は、燃料電池セル３００の斜視図である。図５は、図４のＱ−Ｑ断面図である。

燃料電池セル３００は、支持基板１０と、複数の発電素子部２０と有する。

（支持基板１０）
支持基板１０は、支持基板１０の長手方向（ｘ軸方向）に沿って延びる複数のガス流路１１を内部に有している。各ガス流路１１は、支持基板１０の基端側から先端側に向かって延びている。各ガス流路１１は、互いに実質的に平行に延びている。

図５に示すように、支持基板１０は、複数の第１凹部１２を有する。本実施形態において、各第１凹部１２は、支持基板１０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１２は支持基板１０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１０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１０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１０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１０の気孔率は、例えば、２０〜６０％程度である。

（発電素子部２０）
各発電素子部２０は、支持基板１０に支持されている。本実施形態において、各発電素子部２０は、支持基板１０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２０は、支持基板１０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セルである。長手方向に隣り合う発電素子部２０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２０は、燃料極４、電解質５、空気極６及び反応防止膜７を有する。

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１２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１２内に充填されており、第１凹部１２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１２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１０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１０の両主面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。

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。

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。

インターコネクタ３１は、支持基板１０の長手方向（ｘ軸方向）に隣り合う発電素子部２０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２０の空気極集電部６２は、他方の発電素子部２０に向かって延びている。また、他方の発電素子部２０の燃料極集電部４１は、一方の発電素子部２０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２０の空気極集電部６２と、他方の発電素子部２０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。

［マニホールド２００の詳細構成］
次に、マニホールド２００の詳細構成について、図面を参照しながら説明する。図６は、図２のＰ−Ｐ断面図である。図７は、図６の領域Ａの拡大図である。図７は、後述する基材２１０の表面２１０ａに垂直な断面に相当する。

図６に示すように、天板２０１と容器２０２は、接合材１０３によって接合されている。天板２０１と容器２０２の間には、燃料ガスが供給される内部空間Ｓ１が形成されている。

天板２０１は、基材２１０と、酸化クロム膜２１１と、被覆膜２１２とを有する。容器２０２は、基材２２０と、酸化クロム膜２２１と、被覆膜２２２とを有する。

天板２０１及び容器２０２は、それぞれ「合金部材」の一例である。基材２１０及び基材２２０は、それぞれ「基材」の一例である。酸化クロム膜２１１及び酸化クロム膜２２１は、それぞれ「酸化クロム膜」の一例である。被覆膜２１２及び被覆膜２２２は、それぞれ「被覆膜」の一例である。

容器２０２の構成は、天板２０１の構成と同様であるため、以下においては、図７を参照しながら、天板２０１の構成について説明する。

基材２１０は、板状に形成される。基材２１０は、平板状であってもよいし、曲板状であってもよい。基材２１０の厚みは特に制限されないが、例えば０．５〜４．０ｍｍとすることができる。

基材２１０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）やＮｉ−Ｃｒ系合金鋼などを用いることができる。基材２１０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２１０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２１０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２１０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２１０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。

図７に示すように、基材２１０は、表面２１０ａと、複数の埋設部２１０ｂとを有する。

表面２１０ａは、基材２１０の外側の表面である。基材２１０は、表面２１０ａにおいて酸化クロム膜２１１に接合される。図７において、表面２１０ａは略平面状に形成されているが、凹凸が形成されていてもよいし、全体的或いは部分的に湾曲又は屈曲していてもよい。

各埋設部２１０ｂは、表面２１０ａに形成される。各埋設部２１０ｂは、表面２１０ａから突出する。各埋設部２１０ｂは、後述する酸化クロム膜２１１の各凹部２１１ｃに埋設される。基材２１０は、埋設部２１０ｂを少なくとも１つ有していればよく、その個数は特に制限されない。埋設部２１０ｂの構成については後述する。

酸化クロム膜２１１は、基材２１０の表面２１０ａ上に形成される。酸化クロム膜２１１は、基材２１０の表面２１０ａの略全面を覆っていてもよいが、基材２１０の表面２１０ａの一部を覆っていてもよい。酸化クロム膜２１１は、酸化クロムを主成分として含有する。本実施形態において、組成物Ｘが物質Ｙを「主成分として含む」とは、組成物Ｘ全体のうち、物質Ｙが７０重量％以上を占めることを意味する。酸化クロム膜２１１の厚みは特に制限されないが、例えば０．１〜２０μｍとすることができる。

図７に示すように、酸化クロム膜２１１は、基材側表面２１１ａと、被覆膜側表面２１１ｂと、複数の凹部２１１ｃとを有する。

基材側表面２１１ａは、酸化クロム膜２１１のうち基材２１０側の表面である。酸化クロム膜２１１は、基材側表面２１１ａにおいて基材２１０に接合される。被覆膜側表面２１１ｂは、酸化クロム膜２１１のうち被覆膜２１２側の表面である。酸化クロム膜２１１は、表面２１１ｂにおいて被覆膜２１２に接合される。図７において、基材側表面２１１ａ及び被覆膜側表面２１１ｂのそれぞれは略平面状に形成されているが、凹凸が形成されていてもよいし、全体的或いは部分的に湾曲又は屈曲していてもよい。

各凹部２１１ｃは、基材側表面２１１ａに形成される。各凹部２１１ｃは、基材側表面２１１ａに形成された開口Ｓ２から酸化クロム膜２１１の内部に向かって延びる。各凹部２１１ｃ内には、基材２１０の各埋設部２１０ｂが埋設される。酸化クロム膜２１１は、凹部２１１ｃを少なくとも１つ有していればよく、その個数は特に制限されない。凹部２１１ｃの構成については後述する。

被覆膜２１２は、酸化クロム膜２１１の被覆膜側表面２１１ｂの少なくとも一部を覆う。詳細には、被覆膜２１２は、酸化クロム膜２１１の被覆膜側表面２１１ｂのうち、セルスタック装置１００の運転中に酸化剤ガスと接触する領域の少なくとも一部を覆う。被覆膜２１２は、酸化クロム膜２１１のうち酸化剤ガスと接触する領域の全面を覆っていることが好ましい。被覆膜２１２の厚みは特に制限されないが、例えば３〜２００μｍとすることができる。

被覆膜２１２は、基材２１０からＣｒが揮発することを抑制する。これにより、各燃料電池セル３００の電極（本実施形態では、空気極６）がＣｒ被毒によって劣化することを抑制できる。

被覆膜２１２は、セラミックス材料によって構成することができ、適用箇所に応じて適宜好適な材料を選択することができる。導電性を求められる集電部材の被覆膜に適用する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や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が挙げられる。一方、絶縁性を求められる燃料マニホールドの被覆膜に適用するセラミックス材料としては、アルミナ、シリカ、ジルコニア、結晶化ガラスなどが挙げられる。ただし、被覆膜２１２は、Ｃｒの揮発を抑制できればよく、被覆膜２１２の構成材料は上記セラミックス材料に限られるものではない。

［埋設部２１０ｂと凹部２１１ｃの構成］
基材２１０の表面２１０ａに形成された埋設部２１０ｂと、酸化クロム膜２１１の基材側表面２１１ａに形成された凹部２１１ｃとの構成について、図７を参照しながら説明する。

各凹部２１１ｃは、開口Ｓ２に近づくほど窄まっている。すなわち、基材２１０の表面２１０ａに垂直な断面において、各凹部２１１ｃの幅は、開口Ｓ２付近で狭くなっている。

具体的には、酸化クロム膜２１１の厚み方向に沿った断面において、凹部２１１ｃの開口Ｓ２の開口幅Ｗ１は、酸化クロム膜２１１の埋設部２１０ｂの最大幅Ｗ２よりも小さい。開口Ｓ２の開口幅Ｗ１は、基材２１０の表面２１０ａに垂直な断面において、開口Ｓ２の縁を最短距離で結ぶ直線ＣＬの長さである。開口Ｓ２の開口幅Ｗ１は特に制限されないが、例えば０．３〜３０μｍとすることができる。埋設部２１０ｂに十分な強度を持たせることを考慮すると、開口幅Ｗ１は、０．５μｍ以上が好ましい。埋設部２１０ｂの最大幅Ｗ２は、基材２１０の表面２１０ａに垂直な断面において、直線ＣＬに平行な方向における埋設部２１０ｂの最大外径である。

なお、凹部２１１ｃの幅が開口Ｓ２付近で狭くなっている限り、凹部２１１ｃの形状は特に制限されない。

各埋設部２１０ｂは、基材２１０の各凹部２１１ｃ内に配置される。各埋設部２１０ｂは、各凹部２１１ｃの全体に充填されていてもよいし、各凹部２１１ｃの一部分に配置されていてもよい。

各埋設部２１０ｂは、開口Ｓ２付近で細くなっている。具体的には、上述のとおり、酸化クロム膜２１１の厚み方向に沿った断面において、凹部２１１ｃの開口Ｓ２の開口幅Ｗ１は、酸化クロム膜２１１の埋設部２１０ｂの最大幅Ｗ２よりも小さい。このようなボトルネック構造によって、各埋設部２１０ｂが各凹部２１１ｃに係止されてアンカー効果が生じるため、酸化クロム膜２１１の基材２１０に対する密着力を向上させることができる。その結果、被覆膜２１２が酸化クロム膜２１１とともに基材２１０から剥離することを抑制できる。

埋設部２１０ｂの深さＤ１は特に制限されないが、例えば０．５〜３０μｍとすることができる。埋設部２１０ｂの深さＤ１とは、図７に示すように、開口Ｓ２の開口幅Ｗ１を規定する直線ＣＬ１に垂直な方向における埋設部２１０ｂの最大寸法である。埋設部２１０ｂのアンカー効果をより向上させることを考慮すると、深さＤ１は、０．５μｍ以上が好ましく、１．０μｍ以上がより好ましく、２．０μｍ以上が更に好ましい。図７に示すように、酸化クロム膜２１１が埋設部２１０ｂを複数有する場合、埋設部２１０ｂの深さＤ１は、埋設部２１０ｂごとに異なっていてもよいし、同じであってもよい。

埋設部２１０ｂの最大幅Ｗ２は特に制限されないが、例えば０．５〜３５μｍとすることができる。埋設部２１０ｂのアンカー効果をより向上させることを考慮すると、埋設部２１０ｂの最大幅Ｗ２は、開口Ｓ２の開口幅Ｗ１の１０１％以上が好ましく、１０５％以上がより好ましく、１１０％以上が特に好ましい。図７に示すように、酸化クロム膜２１１が埋設部２１０ｂを複数有する場合、埋設部２１０ｂの最大幅Ｗ２は、埋設部２１０ｂごとに異なっていてもよいし、同じであってもよい。

基材２１０の表面２１０ａに垂直な断面において、表面２１０ａに平行な面方向における埋設部２１０ｂの「存在個数」は、３個／１０ｍｍ以上であることが好ましい。これによって、酸化クロム膜２１１にかかる応力を分散させることができるため、酸化クロム膜２１１及び被覆膜２１２に軽微な欠陥が生じることを抑制できる。

面方向における埋設部２１０ｂの「存在個数」とは、基材２１０の表面２１０ａに垂直な断面において、表面２１０ａの単位長さ当たりに設けられた埋設部２１０ｂの個数である。埋設部２１０ｂの存在個数は、上述したＦＥ−ＳＥＭ画像上において、埋設部２１０ｂの全個数を表面２１０ａの全長（延べ長さ）で除した値である。埋設部２１０ｂの個数を数える場合、ＦＥ−ＳＥＭ画像に一部分だけ写っている埋設部２１０ｂも１個として数える。ただし、深さＤ１が０．５μｍ以下の埋設部２１０ｂは、応力分散効果への寄与が小さいため、埋設部２１０ｂの存在個数を算出する際には除外するものとする。

面方向における埋設部２１０ｂの存在個数は、１００個／ｍｍ以下であることがより好ましい。これによって、凹部２１１ｃ同士が連結してしまうことを抑制できるため、各凹部２１１ｃの形状を長期間にわたって維持することができる。

埋設部２１０ｂの「円相当径」は特に制限されないが、０．５〜３５μｍとすることができる。埋設部２１０ｂの「円相当径」とは、上述したＦＥ−ＳＥＭ画像上において、埋設部２１０ｂと同じ面積を有する円の直径である。埋設部２１０ｂの面積を求める際、埋設部２１０ｂの基端部は、開口Ｓ２の開口幅Ｗ１を規定する直線ＣＬ１によって画定されるものとする。

［マニホールド２００の製造方法］
第１実施形態に係るマニホールド２００の製造方法について、図面を参照しながら説明する。なお、容器２０２の製造方法は、天板２０１の製造方法と同様であるため、以下においては、天板２０１の製造方法について説明する。

まず、図８に示すように、平板状の基材２１０を準備する。

次に、図９に示すように、例えば基材２１０の表面２１０ａを点状にマスキング（不図示）した上で、ショットピーニング又はサンドブラストによって、基材２１０の表面２１０ａに複数の凸部２１０ｃを形成する。この際、研磨剤の照射速度や角度を制御することによって、各凸部２１０ｃの形状及び高さを調整し、マスク材のサイズにより各凸部２１０ｃの幅を調整する。また、面方向における凸部２１０ｃの個数を調整することによって、面方向における埋設部２１０ｂの存在個数を制御できる。凸部の形成後、用いたマスク材の材質に応じた方法によりマスキングを除去する。

次に、図１０に示すように、基材２１０の表面２１０ａ上に酸化クロムペーストを塗布して、基材２１０を大気雰囲気で熱処理（８００〜９００℃、５〜２０時間）することによって、基材２１０の表面２１０ａ上に酸化クロム膜２１１を形成する。これによって、酸化クロム膜２１１の各凹部２１１ｃ内に埋設された埋設部２１０ｂが形成される。

次に、図１１に示すように、酸化クロム膜２１１上にセラミックス材料ペーストを塗布して、熱処理（８００〜９００℃、１〜５時間）することによって、被覆膜２１２を形成する。

２．第２実施形態
第２実施形態に係る天板２０１（「合金部材」の一例）の構成について、図面を参照しながら説明する。本実施形態では、天板２０１の酸化クロム膜２１１が環状凸部を有する点において、上記第１実施形態と相違している。以下、当該相違点について主に説明する。

酸化クロム膜２１１は、基材側表面２１１ａと、複数の環状凸部２１１ｄと、複数の凹部２１１ｃとを有する。

環状凸部２１１ｄは、基材側表面２１１ａに形成される。環状凸部２１１ｄは、基材２１０の内部に向かって突出している。基材側表面２１１ａを平面視した場合、環状凸部２１１ｄは環状に形成されている。環状凸部２１１ｄの平面形状は、典型的には円形の環状であるが、多角形の環状であってもよく、それ以外の複雑形の環状であってもよい。環状凸部２１１ｄの先端部には、凹部２１１ｃの開口Ｓ２が形成される。

酸化クロム膜２１１の厚み方向において、環状凸部２１１ｄの突出高さは特に制限されないが、０．５〜３０μｍとすることができる。酸化クロム膜２１１の厚み方向に垂直な面方向において、環状凸部２１１ｄの全幅は特に制限されないが、０．５〜３０μｍとすることができる。

凹部２１１ｃは、環状凸部２１１ｄの内部に形成される。凹部２１１ｃは、部分的に基材側表面２１１ａより内側に配置されていてもよいし、全体が基材側表面２１１ａより外側に配置されていてもよい。凹部２１１ｃの幅は、開口Ｓ２に近づくほど狭くなっている。

埋設部２１０ｂは、酸化クロム膜２１１の凹部２１１ｃに埋設される。従って、埋設部２１０ｂは、環状凸部２１１ｄの内部に配置される。埋設部２１０ｂは、凹部２１１ｃの全体に充填されていてもよいし、凹部２１１ｃの一部分に配置されていてもよい。

埋設部２１０ｂは、凹部２１１ｃの開口Ｓ２付近で細くなっている。具体的には、酸化クロム膜２１１の厚み方向に沿った断面において、凹部２１１ｃの開口幅Ｗ１は、酸化クロム膜２１１の埋設部２１０ｂの最大幅Ｗ２よりも小さい。このようなボトルネック構造によって、埋設部２１０ｂが凹部２１１ｃに係止されアンカー効果が生まれるため、酸化クロム膜２１１の基材２１０に対する密着力を向上させることができる。その結果、被覆膜２１２が基材２１０から剥離することを抑制できる。

凹部２１１ｃの開口幅Ｗ１、埋設部２１０ｂの最大幅Ｗ２、埋設部２１０ｂの深さＤ１、埋設部２１０ｂの存在個数、埋設部２１０ｂの円相当径などについては、上記第１実施形態にて説明したとおりである。

［マニホールド２００の製造方法］
第２実施形態に係る天板２０１の製造方法について、図面を参照しながら説明する。

まず、図１３に示すように、平板状の基材２１０を準備する。

次に、図１４に示すように、例えば基材２１０の表面２１０ａを点状にマスキング（不図示）した上で、ショットピーニング又はサンドブラストによって、基材２１０の表面２１０ａに複数の凸部２１０ｃを形成する。この際、研磨剤の照射速度や角度を制御することによって、各凸部２１０ｃの形状及び高さを調整し、マスク材のサイズにより各凸部２１０ｃの幅を調整する。また、面方向における凸部２１０ｃの個数を調整することによって、面方向における埋設部２１０ｂの存在個数を制御できる。

続いて、図１４に示すように、マスク材の外周に沿ってレーザー微細加工することによって、基材２１０の凸部２１０ｃを取り囲むように環状凹部２１０ｄを形成する。この際、レーザーの角度を調整することにより環状凹部２１０ｄの開口幅を調整することができる。環状凹部２１０ｄの形成後、マスク材の材質に応じた方法によりマスキングを除去する。

次に、図１５に示すように、基材２１０の表面２１０ａ上に酸化クロムペーストを塗布して、基材２１０を大気雰囲気で熱処理（８００〜９００℃、５〜２０時間）することによって、基材２１０の表面２１０ａ上に酸化クロム膜２１１を形成する。これにより、酸化クロム膜２１１の各凹部２１１ｃ内に埋設された埋設部２１０ｂが基材２１０に形成されるとともに、基材２１０の各環状凹部２１０ｄ内に埋設された環状凸部２１１ｄが酸化クロム膜２１１に形成される。

次に、図１６に示すように、酸化クロム膜２１１上にセラミックス材料ペーストを塗布して、熱処理（８００〜９００℃、１〜５時間）することによって、被覆膜２１２を形成する。

（他の実施形態）
本発明は以上の実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない範囲で種々の変形又は変更が可能である。

［変形例１］
上記第１及び第２実施形態では、本発明に係る合金部材をマニホールド２００に適用することとしたが、これに限られるものではない。本発明に係る合金部材は、セルスタック装置１００及びセルスタック２５０の一部を構成する部材として用いることができる。例えば、本発明に係る合金部材は、燃料電池セル３００と電気的に接続される集電部材３０１に好適に用いることができる。

［変形例２］
上記第１及び第２実施形態において、セルスタック２５０は、横縞型の燃料電池を有することとしたが、いわゆる縦縞型の燃料電池を有していてもよい。縦縞型の燃料電池は、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。

［変形例３］
上記第１及び第２実施形態では、本発明にかかる合金部材を電気化学セルの一例である燃料電池のセルスタックに適用した場合について説明したが、本発明にかかる合金部材は、水蒸気から水素と酸素を生成する電解セルを含む電気化学セルのセルスタックに適用可能である。

１００ セルスタック装置
２００ マニホールド
２０１ 天板
２１０ 基材
２１０ａ 表面
２１０ｂ 埋設部
２１１ 酸化クロム膜
２１１ａ 基材側表面
２１１ｂ 被覆膜側表面
２１１ｃ 凹部
２１１ｄ 環状凸部
２１２ 被覆膜
２５０ セルスタック

Claims (3)

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、
   前記基材の少なくとも一部を覆う酸化クロム膜と、
   前記酸化クロム膜の少なくとも一部を覆う被覆膜と、
   を備え、
   前記酸化クロム膜は、前記基材に接合される基材側表面に形成された凹部を有し、
   前記基材は、前記凹部内に埋設された埋設部を有し、
   前記酸化クロム膜の断面において、前記凹部の開口幅は、前記埋設部の最大幅よりも小さく、
   前記凹部は、前記酸化クロム膜のうち前記基材側の表面に形成された環状凸部の内部に形成されている、
   合金部材。
2. 電気化学セルと、
   請求項１に記載の合金部材と、
   を備え、
   前記合金部材は、前記電気化学セルと電気的に接続される集電部材である、
   セルスタック。
3. 電気化学セルと、
   請求項１に記載の合金部材と、
   を備え、
   前記合金部材は、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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