JP6821613B2 - 導電性部材、電気化学反応単位および電気化学反応セルスタック - Google Patents
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Description
A−1.構成:
(燃料電池スタック100の構成)
図1は、本実施形態における燃料電池スタック100の構成を概略的に示す外観斜視図である。図1には、方向を特定するための互いに直交するXYZ軸を示している。本明細書では、便宜的に、Z軸正方向を上方向と呼び、Z軸負方向を下方向と呼ぶものとするが、燃料電池スタック100がそのような向きとは異なる向きで設置されてもよい。図2以降についても同様である。
一対のエンドプレート104,106は、導電性を有し、略矩形の平板形状の部材であり、例えばステンレスにより形成されている。一方のエンドプレート104は、最も上に位置する発電単位102の上側に配置され、他方のエンドプレート106は、最も下に位置する発電単位102の下側に配置されている。一対のエンドプレート104,106によって複数の発電単位102が押圧された状態で挟持されている。上側のエンドプレート104は、燃料電池スタック100のプラス側の出力端子として機能し、下側のエンドプレート106は、燃料電池スタック100のマイナス側の出力端子として機能する。
図2から図5は、発電単位102の構成を概略的に示す説明図である。図2には、図1、図4および図5のII−IIの位置における発電単位102の断面構成を示しており、図3には、図1、図4および図5のIII−IIIの位置における発電単位102の断面構成を示しており、図4には、図2のIV−IVの位置における発電単位102の断面構成を示しており、図5には、図2のV−Vの位置における発電単位102の断面構成を示している。
図2に示すように、酸化剤ガス導入マニホールド161に酸化剤ガスOGが供給されると、酸化剤ガスOGは、酸化剤ガス導入マニホールド161から各発電単位102の酸化剤ガス供給連通孔132を経て、空気室166に供給される。また、図3に示すように、燃料ガス導入マニホールド171に燃料ガスFGが供給されると、燃料ガスFGは、燃料ガス導入マニホールド171から各発電単位102の燃料ガス供給連通孔142を経て、燃料室176に供給される。
上述したように、集電部材200のコート136は、マンガンとコバルトとを含むスピネル型酸化物により形成されている。また、コート136におけるマンガン濃度とコバルト濃度との合計は90atm%以上である。マンガン濃度は、コート136の成分元素のうちの酸素を除く成分元素におけるマンガンの原子数割合(atm%)を意味する。コバルト濃度は、コート136の成分元素のうちの酸素を除く成分元素におけるコバルトの原子数割合(atm%)を意味する。例えば、コート136がMn1.5Co1.5O4により形成されている場合、コート136の成分元素のうちの酸素を除く成分元素は、マンガンとコバルトである。
<第1の要件>
「ベースコート部136Aのコバルト濃度」>「先端コート部136Bのコバルト濃度」
なお、コート136は、さらに、マンガン濃度に関し、次の第1の要件Aを満たすことが好ましい。
<第1の要件A>
「ベースコート部136Aにおけるマンガン濃度」<「先端コート部136Bにおけるマンガン濃度」
<第2の要件>
「ベースコート部136Aにおけるコバルト濃度」>「側面コート部136Cにおけるコバルト濃度」>「先端コート部136Bにおけるコバルト濃度」
なお、コート136は、さらに、マンガン濃度に関し、次の第2の要件Aを満たすことが好ましい。
<第2の要件A>
「ベースコート部136Aにおけるマンガン濃度」<「側面コート部136Cにおけるマンガン濃度」<「先端コート部136Bにおけるマンガン濃度」
<第3の要件>
45atm%≦「先端コート部136Bにおけるコバルト濃度」≦70atm%
なお、50atm%≦「先端コート部136Bにおけるコバルト濃度」≦67atm%であることがより好ましい。
<第4の要件>
「ベースコート部136Aにおけるコバルト濃度」−「先端コート部136Bにおけるコバルト濃度」≧2atm%
なお、「ベースコート部136Aにおけるコバルト濃度」−「先端コート部136Bにおけるコバルト濃度」≧5atm%であることがより好ましい。
上述したように、本実施形態の集電部材200のコート136は、酸素とマンガンとコバルトとを含んでいる。コート136は、マンガンを含んでいるため、高い導電性を有する。ただし、コート136におけるマンガン濃度(atm%)が高いほど、コート136の耐酸素透過性が低くなり、基材の酸化を抑制できなくなる。ここで、図2および図3に示すように、コート136のベースコート部136Aは、空気室166に露出している。このため、ベースコート部136Aの耐酸素透過性が低いと、空気室166内の空気が、ベースコート部136Aから透過し易くなるため、基材(集電体要素135の側面部135C)の酸化を抑制できなくなる。一方、コート136の先端コート部136Bは、空気室166に露出していない。このため、仮に、先端コート部136Bの耐酸素透過性が低くても、基材の酸化への影響は小さい。
複数の集電部材のサンプルを作製し、作製された複数の集電部材のサンプルを用いて性能評価を行った。図6は、性能評価結果を示す説明図である。
図6に示すように、性能評価は、集電部材のサンプルA〜Lを対象として行った。サンプルA〜Lは、いずれも、上述の基材およびコート136を備えており、コート136におけるマンガン濃度およびコバルト濃度の少なくとも一方の値が互いに異なる。サンプルA〜Lのコート136は、いずれも、コート136におけるマンガン濃度とコバルト濃度との合計が略100atm%である。このため、例えばコート136におけるコバルト濃度がW(atm%)である場合、コート136におけるマンガン濃度は、100−W(atm%)である。
集電部材の各サンプルA〜Lのコートにおけるマンガン濃度およびコバルト濃度は、走査型電子顕微鏡(SEM)に付属されたエネルギー分散型X線分光器(EDS)を用いて元素分析することにより、特定することができる。
図6に示すように、サンプルAでは、酸化被膜Sの厚さは3.8μmであったのに対して、サンプルBでは、酸化被膜Sの厚さは3.5μmであった。この評価結果から、第1の要件A(「ベースコート部136Aにおけるマンガン濃度」<「先端コート部136Bにおけるマンガン濃度」)を満たすことによって、集電部材200全体としての耐酸化性が向上することが分かる。なお、サンプルAとサンプルBとでは、先端コート部136Bにおけるコバルト濃度(マンガン濃度)が同じ値であるため、先端コート部136Bの電気伝導率は同じ値(27S/cm)であった。
本明細書で開示される技術は、上述の各実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態に変形することができ、例えば次のような変形も可能である。
Claims (5)
- 第1の表面を有するベース部と、前記ベース部の前記第1の表面から突出する突出部と、を含む導電性の基材と、
前記基材のうち、少なくとも、前記ベース部の前記第1の表面と前記突出部とを覆う導電性のコートと、を備える導電性部材において、
前記導電性部材は、固体酸化物を含む電解質層と前記電解質層を挟んで第1の方向に互いに対向する空気極および燃料極とを含む電気化学反応単セルの前記空気極側に配置され、前記空気極に電気的に接続される集電部材であり、
前記コートは、酸素とマンガンとコバルトとを含むスピネル型酸化物により形成されており、
前記コートの成分元素のうちの酸素を除く成分元素におけるマンガン濃度(atm%)と、前記コートの成分元素のうちの酸素を除く成分元素におけるコバルト濃度(atm%)と、の合計が90atm%以上であり、
前記コートのうち、前記突出部の突出方向の先端部を覆う第2のコート部における前記コバルト濃度は、50atm%以上、かつ、75atm%以下であり、かつ、前記コートのうち、前記ベース部の前記第1の表面を覆う第1のコート部における前記コバルト濃度より低い、
ことを特徴とする導電性部材。 - 請求項1に記載の導電性部材において、さらに、
前記コートのうち、前記突出部における前記先端部と前記ベース部との間に位置する側面部を覆う第3のコート部における前記コバルト濃度は、前記第1のコート部における前記コバルト濃度より低く、かつ、前記第2のコート部における前記コバルト濃度より高い、
ことを特徴とする導電性部材。 - 請求項1または請求項2に記載の導電性部材において、
前記第1のコート部における前記コバルト濃度と前記第2のコート部における前記コバルト濃度との差は、2atm%以上である、
ことを特徴とする導電性部材。 - 固体酸化物を含む電解質層と前記電解質層を挟んで第1の方向に互いに対向する空気極および燃料極とを含む電気化学反応単セルと、
前記電気化学反応単セルの前記空気極側に配置され、前記空気極に電気的に接続される集電部材と、を備える電気化学反応単位であって、
前記集電部材は、請求項1から請求項3までのいずれか一項に記載の導電性部材である、
ことを特徴とする電気化学反応単位。 - 固体酸化物を含む電解質層と前記電解質層を挟んで第1の方向に互いに対向する空気極および燃料極とを含む電気化学反応単セルと、前記電気化学反応単セルの前記空気極側に配置され、前記空気極に電気的に接続される集電部材と、を備える複数の電気化学反応単位を備える電気化学反応セルスタックにおいて、
前記複数の電気化学反応単位の少なくとも1つは、請求項4に記載の電気化学反応単位である、
ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。
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