JP7522796B2 - 電気化学反応セルスタックおよび導電性部材 - Google Patents

Description

本明細書によって開示される技術は、電気化学反応セルスタックに関する。

水素と酸素との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池の種類の１つとして、固体酸化物を含む電解質層を備える固体酸化物形の燃料電池（以下、「ＳＯＦＣ」という）が知られている。ＳＯＦＣの構成単位である燃料電池単セル（以下、単に「単セル」という）は、電解質層と、電解質層を挟んで所定の方向(以下、「第１の方向」という)に互いに対向する空気極および燃料極とを含む。ＳＯＦＣは、一般に、単セルと、単セルの空気極側に配置され、空気極に電気的に接続される集電部材とを含む発電単位が、第１の方向に複数並べて配置された燃料電池スタックの形態で利用される。（例えば、特許文献１参照）。

集電部材は、Ｃｒを含む導電性の基材と、導電性のコートとを備える。基材は、単セルから離間して配置され、単セルと対向するベース表面を有するベース部と、ベース表面から単セル側に突出するとともに角部を含む突出部であって、空気極に電気的に接続される突出部と、を有している。コートは、基材のうち、ベース部のベース表面と突出部とを覆っている。

特開２０１９－１３９８９４号公報

従来の構成では、コートの厚さは、全体にわたって均一であった。このため、コートの厚さが相対的に薄いと、酸化雰囲気に向けられるベース表面とコート部分との界面に熱伝導性の低い酸化被膜（クロミア被膜）が成長し、その結果、例えば、ベース部と突出部との温度差に起因して集電部材が変形しやすくなる。一方、コートの厚さが相対的に厚いと、ベース部での酸化被膜の成長は抑制されるが、突出部の角部に応力が集中し、その結果、例えばコートの剥離が発生しやすくなる。

なお、このような課題は、水の電気分解反応を利用して水素の生成を行う固体酸化物形の電解セル（以下、「ＳＯＥＣ」という。）の構成単位である電解単セルを含む電解セル単位を複数備える電解セルスタックにも共通の課題である。なお、本明細書では、燃料電池単セルと電解単セルとをまとめて電気化学反応単セルと呼び、燃料電池発電単位と電解セル単位とをまとめて電気化学反応単位と呼び、燃料電池スタックと電解セルスタックとをまとめて電気化学反応セルスタックと呼ぶ。

本明細書では、上述した課題を解決することが可能な技術を開示する。

本明細書に開示される技術は、例えば、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本明細書に開示される電気化学反応セルスタックは、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つに備えられる前記集電部材は、前記電気化学反応単セルから離間して配置され、前記電気化学反応単セルと対向するベース表面を有するベース部と、前記ベース表面から前記電気化学反応単セル側に突出するとともに角部を含む突出部であって、前記空気極に電気的に接続される突出部と、を有し、かつ、Ｃｒ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ベース表面と前記突出部の前記角部とを覆う導電性のコートと、を備える導電性部材であって、前記コートのうち、前記ベース表面を覆う第１のコート部分の厚さは、前記突出部の前記角部を覆う第２のコート部分の厚さよりも厚い。

本電気化学反応セルスタックでは、酸化雰囲気に向けられるベース表面を覆う第１のコート部分の厚さが相対的に厚いため、例えば第１のコート部分の厚さが相対的に薄い構成に比べて、ベース表面と第１のコート部分との界面における酸化被膜（クロミア被膜）の成長を抑制することができる。また、応力集中しやすい突出部の角部を覆う第２のコート部分の厚さが相対的に薄いため、例えば第２のコート部分の厚さが相対的に厚い構成に比べて、角部への応力集中に伴うコートの剥離の発生を抑制することができる。すなわち、本電気化学反応セルスタックによれば、酸化被膜の成長を抑制しつつ、角部への応力集中に伴うコートの剥離の発生を抑制することができる。

（２）上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記基材の前記突出部は、さらに、前記空気極に電気的に接続される先端面を含み、前記角部は、前記先端面に隣接しており、前記コートのうち、前記先端面を覆う第３のコート部分の厚さは、前記第２のコート部分の厚さよりも厚い構成としてもよい。本電気化学反応セルスタックによれば、突出部の先端面を覆う第３のコート部分の厚さが第２のコート部分の厚さ以下である構成に比べて、突出部の先端面に酸化被膜が形成されることに起因して導電性部材と電気化学反応単セルとの間の導電性が低下することを抑制することができる。

（３）上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記第２のコート部分の厚さは、１μｍ以上、１５μｍ以下である構成としてもよい。本電気化学反応セルスタックによれば、第２のコート部分の厚さが１μｍ未満である構成に比べて、基材からのＣｒの拡散や酸化被膜の成長を抑制することができる。また、第２のコート部分の厚さが１５μｍを超える構成に比べて、角部への応力集中に伴うコートの剥離の発生を効果的に抑制することができる。

（４）上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記第１のコート部分は、その一部に多孔質部を有している構成としてもよい。本電気化学反応セルスタックによれば、第１のコート部分全体が緻密体である構成に比べて、Ｃｒの拡散や酸化被膜の成長を抑制しつつ、ベース部への応力発生に伴うコートの剥離の発生を抑制することができる。

（５）本明細書に開示される導電性部材は、ベース表面を有するベース部と、前記ベース表面から突出するとともに角部を有する突出部と、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ベース表面と前記突出部の前記角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、前記コートのうち、前記ベース表面を覆う第１のコート部分の厚さは、前記突出部の前記角部を覆う第２のコート部分の厚さよりも厚い。本導電性部材によれば、酸化被膜の成長を抑制しつつ、角部への応力集中に伴うコートの剥離の発生を抑制することができる。

なお、本明細書に開示される技術は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、導電性部材（集電部材）、電気化学反応単セルと集電部材とを備える複合体、電気化学反応単位（燃料電池発電単位または電解セル単位）、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、それらの製造方法等の形態で実現することが可能である。

実施形態における燃料電池スタック１００の外観構成を示す斜視図 図１のＩＩ－ＩＩの位置における燃料電池スタック１００のＸＺ断面構成を示す説明図 図１のＩＩＩ－ＩＩＩの位置における燃料電池スタック１００のＹＺ断面構成を示す説明図 図２に示す断面と同一の位置における互いに隣接する２つの発電単位１０２のＸＺ断面構成を示す説明図 図３に示す断面と同一の位置における互いに隣接する２つの発電単位１０２のＹＺ断面構成を示す説明図 図４におけるＸ１部分のＸＺ断面構成を拡大して示す説明図

Ａ．実施形態：
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の外観構成を示す斜視図である。図２は、図１のＩＩ－ＩＩの位置における燃料電池スタック１００のＸＺ断面構成を示す説明図であり、図３は、図１のＩＩＩ－ＩＩＩの位置における燃料電池スタック１００のＹＺ断面構成を示す説明図である。各図には、方向を特定するための互いに直交するＸＹＺ軸が示されている。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は実際にはそのような向きとは異なる向きで設置されてもよい。図４以降についても同様である。

燃料電池スタック１００は、複数の（本実施形態では７つの）燃料電池発電単位（以下、単に「発電単位」という。）１０２と、一対のターミナルプレート７０，８０と、一対の絶縁シート９２，９６と、一対のエンドプレート１０４，１０６とを備える。７つの発電単位１０２は、所定の配列方向（本実施形態では上下方向）に並べて配置されている。一対のターミナルプレート７０，８０のうちの一方（以下、「上側ターミナルプレート７０」という。）は、７つの発電単位１０２から構成される集合体（以下、「発電ブロック１０３」という。）の上側に配置されており、一対の絶縁シート９２，９６のうちの一方（以下、「上側絶縁シート９２」という。）は、上側ターミナルプレート７０の上側に配置されており、一対のエンドプレート１０４，１０６のうちの一方（以下、「上側エンドプレート１０４」という。）は、上側絶縁シート９２の上側に配置されている。また、一対のターミナルプレート７０，８０のうちの他方（以下、「下側ターミナルプレート８０」という。）は、発電ブロック１０３の下側に配置されており、一対の絶縁シート９２，９６のうちの他方（以下、「下側絶縁シート９６」という。）は、下側ターミナルプレート８０の下側に配置されており、一対のエンドプレート１０４，１０６のうちの他方（以下、「下側エンドプレート１０６」という。）は、下側絶縁シート９６の下側に配置されている。一対のターミナルプレート７０，８０は、発電ブロック１０３を上下から挟むように配置されている。なお、上記配列方向（Ｚ軸方向、上下方向）は、特許請求の範囲における第１の方向の一例である。

燃料電池スタック１００を構成する各層（発電単位１０２、ターミナルプレート７０，８０、エンドプレート１０４，１０６）のＺ軸方向回りの周縁部には、上下方向に貫通する複数の（本実施形態では８つの）孔が形成されており、各層に形成され互いに対応する孔同士が上下方向に連通して、上側エンドプレート１０４から下側エンドプレート１０６にわたって上下方向に延びる連通孔１０８を構成している。以下の説明では、連通孔１０８を構成するために燃料電池スタック１００の各層に形成された孔も、連通孔１０８と呼ぶ場合がある。

各連通孔１０８には上下方向に延びるボルト２２が挿通されており、ボルト２２とボルト２２の両側に嵌められたナット２４とによる上下方向の圧縮力によって、燃料電池スタック１００は締結されている。なお、図２および図３に示すように、ボルト２２の一方の側（上側）に嵌められたナット２４と上側エンドプレート１０４の上側表面との間、および、ボルト２２の他方の側（下側）に嵌められたナット２４と下側エンドプレート１０６の下側表面との間には、絶縁シート２６が介在している。ただし、後述のガス通路部材２７が設けられた箇所では、ナット２４と下側エンドプレート１０６の表面との間に、ガス通路部材２７とガス通路部材２７の上側および下側のそれぞれに配置された絶縁シート２６とが介在している。絶縁シート２６は、例えばマイカシートや、セラミック繊維シート、セラミック圧粉シート、ガラスシート、ガラスセラミック複合剤等により構成されている。

各ボルト２２の軸部の外径は各連通孔１０８の内径より小さい。そのため、各ボルト２２の軸部の外周面と各連通孔１０８の内周面との間には、空間が確保されている。図１および図２に示すように、燃料電池スタック１００のＺ軸方向回りの外周における１つの辺（Ｙ軸に平行な２つの辺の内のＸ軸正方向側の辺）の中点付近に位置するボルト２２（ボルト２２Ａ）と、そのボルト２２Ａが挿通された連通孔１０８とにより形成された空間は、燃料電池スタック１００の外部から酸化剤ガスＯＧが導入され、その酸化剤ガスＯＧを各発電単位１０２に供給するガス流路である酸化剤ガス供給マニホールド１６１として機能し、該辺の反対側の辺（Ｙ軸に平行な２つの辺の内のＸ軸負方向側の辺）の中点付近に位置するボルト２２（ボルト２２Ｂ）と、そのボルト２２Ｂが挿通された連通孔１０８とにより形成された空間は、各発電単位１０２の空気室１６６から排出されたガスである酸化剤オフガスＯＯＧを燃料電池スタック１００の外部へと排出する酸化剤ガス排出マニホールド１６２として機能する。なお、本実施形態では、酸化剤ガスＯＧとして、例えば空気が使用される。

また、図１および図３に示すように、燃料電池スタック１００のＺ軸方向回りの外周における１つの辺（Ｘ軸に平行な２つの辺の内のＹ軸正方向側の辺）の中点付近に位置するボルト２２（ボルト２２Ｄ）と、そのボルト２２Ｄが挿通された連通孔１０８とにより形成された空間は、燃料電池スタック１００の外部から燃料ガスＦＧが導入され、その燃料ガスＦＧを各発電単位１０２に供給する燃料ガス供給マニホールド１７１として機能し、該辺の反対側の辺（Ｘ軸に平行な２つの辺の内のＹ軸負方向側の辺）の中点付近に位置するボルト２２（ボルト２２Ｅ）と、そのボルト２２Ｅが挿通された連通孔１０８とにより形成された空間は、各発電単位１０２の燃料室１７６から排出されたガスである燃料オフガスＦＯＧを燃料電池スタック１００の外部へと排出する燃料ガス排出マニホールド１７２として機能する。なお、本実施形態では、燃料ガスＦＧとして、例えば都市ガスを改質した水素リッチなガスが使用される。

燃料電池スタック１００には、４つのガス通路部材２７が設けられている。各ガス通路部材２７は、中空筒状の本体部２８と、本体部２８の側面から分岐した中空筒状の分岐部２９とを有している。分岐部２９の孔は本体部２８の孔と連通している。各ガス通路部材２７の分岐部２９には、ガス配管（図示せず）が接続される。また、図２に示すように、酸化剤ガス供給マニホールド１６１を形成するボルト２２Ａの位置に配置されたガス通路部材２７の本体部２８の孔は、酸化剤ガス供給マニホールド１６１に連通しており、酸化剤ガス排出マニホールド１６２を形成するボルト２２Ｂの位置に配置されたガス通路部材２７の本体部２８の孔は、酸化剤ガス排出マニホールド１６２に連通している。また、図３に示すように、燃料ガス供給マニホールド１７１を形成するボルト２２Ｄの位置に配置されたガス通路部材２７の本体部２８の孔は、燃料ガス供給マニホールド１７１に連通しており、燃料ガス排出マニホールド１７２を形成するボルト２２Ｅの位置に配置されたガス通路部材２７の本体部２８の孔は、燃料ガス排出マニホールド１７２に連通している。
（エンドプレート１０４，１０６の構成）
一対のエンドプレート１０４，１０６は、Ｚ軸方向視での外形が略矩形の平板状の部材であり、例えばステンレスにより形成されている。一対のエンドプレート１０４，１０６の中央付近には、それぞれ、Ｚ軸方向に貫通する孔３２，３４が形成されている。Ｚ軸方向視で、一対のエンドプレート１０４，１０６のそれぞれに形成された孔３２，３４の内周線は、後述する各単セル１１０を内包している。そのため、各ボルト２２およびナット２４によるＺ軸方向の圧縮力は、主として各発電単位１０２の周縁部（後述する各単セル１１０より外周側の部分）に作用する。

（絶縁シート９２，９６の構成）
一対の絶縁シート９２，９６は、Ｚ軸方向視での外形が略矩形の平板状の部材であり、例えばマイカシートや、セラミック繊維シート、セラミック圧粉シート、ガラスシート、ガラスセラミック複合剤等の絶縁性材料により構成されている。上側絶縁シート９２の中央付近には、上側エンドプレート１０４の孔３２に連通し、かつ、Ｚ軸方向に貫通する孔が形成されている。

（ターミナルプレート７０，８０の構成）
一対のターミナルプレート７０，８０は、Ｚ軸方向視での外形が略矩形の平板状の部材であり、例えばステンレスにより形成されている。上側ターミナルプレート７０の中央付近には、Ｚ軸方向に貫通する孔７１が形成されている。Ｚ軸方向視で、上側ターミナルプレート７０に形成された孔７１の内周線は、後述する各単セル１１０を内包している。なお、本実施形態では、Ｚ軸方向視で、上側ターミナルプレート７０に形成された孔７１の内周線は、上側エンドプレート１０４に形成された孔３２の内周線と略一致している。上側ターミナルプレート７０は、Ｚ軸方向視で、上側エンドプレート１０４の外周線から外側に突出した端子部７８を備えており、該端子部７８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する。また、下側ターミナルプレート８０は、Ｚ軸方向視で、下側エンドプレート１０６の外周線から外側に突出した端子部８８を備えており、該端子部８８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。

（発電単位１０２の構成）
図４は、図２に示す断面と同一の位置における互いに隣接する２つの発電単位１０２のＸＺ断面構成を示す説明図であり、図５は、図３に示す断面と同一の位置における互いに隣接する２つの発電単位１０２のＹＺ断面構成を示す説明図である。

図４および図５に示すように、発電単位１０２は、燃料電池単セル（以下、「単セル」という。）１１０と、単セル用セパレータ１２０と、空気極側フレーム１３０と、燃料極側フレーム１４０と、燃料極側集電部材１４８と、発電単位１０２の最上層および最下層を構成する一対のインターコネクタ１９０とを備えている。単セル用セパレータ１２０、空気極側フレーム１３０、燃料極側フレーム１４０、インターコネクタ１９０（より詳細には、後述するＩＣ用セパレータ１８０）におけるＺ軸方向回りの周縁部には、上述したボルト２２が挿通される連通孔１０８に対応する孔が形成されている。

単セル１１０は、電解質層１１２と、電解質層１１２を挟んでＺ軸方向に互いに対向する空気極１１４および燃料極１１６とを備える。なお、本実施形態の単セル１１０は、燃料極１１６で単セル１１０を構成する他の層（電解質層１１２、空気極１１４）を支持する燃料極支持形の単セルである。

電解質層１１２は、Ｚ軸方向視で略矩形の平板形状部材であり、固体酸化物（例えば、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア））を含むように構成されている。すなわち、本実施形態の単セル１１０は、電解質として固体酸化物を用いる固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）である。空気極１１４は、Ｚ軸方向視で電解質層１１２より小さい略矩形の平板形状部材であり、例えばペロブスカイト型酸化物（例えば、ＬＳＣＦ（ランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物））を含むように構成されている。燃料極１１６は、Ｚ軸方向視で電解質層１１２と略同じ大きさの略矩形の平板形状部材であり、例えば、Ｎｉ（ニッケル）、Ｎｉとセラミック粒子からなるサーメット、Ｎｉ基合金等により形成されている。

単セル用セパレータ１２０は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の貫通孔１２１が形成されたフレーム状の導電性部材であり、例えば、金属により形成されている。単セル用セパレータ１２０の板厚は、比較的薄く、例えば０．０５ｍｍ以上、０．２ｍｍ以下程度である。単セル用セパレータ１２０における貫通孔１２１を取り囲む部分（以下、「貫通孔周囲部」という。）は、単セル１１０（電解質層１１２）の周縁部における上側の表面に対向している。単セル用セパレータ１２０は、その対向した部分に配置されたロウ材（例えばＡｇロウ）により形成された接合部１２４により、単セル１１０（電解質層１１２）と接合されている。従って、単セル用セパレータ１２０は、接合部１２４を介して単セル１１０に接続されていると言える。単セル用セパレータ１２０により、空気極１１４に面する空気室１６６と燃料極１１６に面する燃料室１７６とが区画され、単セル１１０の周縁部における一方の電極側から他方の電極側へのガスのリーク（クロスリーク）が抑制される。

インターコネクタ１９０は、空気極側集電部１５０と、ＩＣ用セパレータ１８０とを有する導電性の部材である。空気極側集電部１５０の構成については後述する。インターコネクタ１９０は、燃料極１１６が面する燃料室１７６（の一部）を画定している。なお、また、空気極側集電部１５０とＩＣ用セパレータ１８０とが一体の部材として形成されていてもよい。

図４に示すように、インターコネクタ１９０（の空気極側集電部１５０）のうち、燃料室１７６を画定する表面Ｓ１には、Ｚ軸負方向（Ｚ軸方向の燃料極１１６に対して空気極１１４とは反対の方向）に凹む溝部１９１が複数形成されている。各溝部１９１は、空気極側集電部１５０のうち、Ｚ軸正方向側の部分により形成されている。

各発電単位１０２において、上側のインターコネクタ１９０（の空気極側集電部１５０）は、単セル１１０に対して上側に配置されている。上側のインターコネクタ１９０（の各空気極側集電部１５０）は、例えばスピネル型酸化物により構成された導電性接合材１９６を介して、単セル１１０の空気極１１４に接合されており、これにより単セル１１０の空気極１１４に電気的に接続されている。また、各発電単位１０２において、下側のインターコネクタ１９０は、単セル１１０に対して燃料室１７６を挟んで下側に配置されており、後述する燃料極側集電部材１４８を介して、単セル１１０の燃料極１１６に電気的に接続されている。インターコネクタ１９０は、発電単位１０２間の電気的導通を確保すると共に、発電単位１０２間での反応ガスの混合を抑制する。なお、本実施形態では、２つの発電単位１０２が隣接して配置されている場合、１つのインターコネクタ１９０は、隣接する２つの発電単位１０２に共有されている。すなわち、ある発電単位１０２における上側のインターコネクタ１９０は、その発電単位１０２の上側に隣接する他の発電単位１０２における下側のインターコネクタ１９０と同一部材である。発電単位１０２を構成する各インターコネクタ１９０は、燃料極１１６に対してＺ軸方向の空気極１１４とは反対側に位置している。また、燃料電池スタック１００はターミナルプレート８０を備えているため、燃料電池スタック１００において最も下側に位置する発電単位１０２は下側のインターコネクタ１９０を備えていない（図２および図３参照）。

ＩＣ用セパレータ１８０は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の貫通孔１８１が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、金属により形成されている。ＩＣ用セパレータ１８０の板厚は、比較的薄く、例えば０．０５ｍｍ以上、０．２ｍｍ以下程度である。ＩＣ用セパレータ１８０は、Ｚ軸方向において単セル用セパレータ１２０と対向している。ＩＣ用セパレータ１８０における貫通孔１８１を取り囲む部分（以下、「貫通孔周囲部」という。）は、インターコネクタ１９０の空気極側集電部１５０の周縁部における上側の表面に例えば溶接により接合されている。ある発電単位１０２に含まれる一対のＩＣ用セパレータ１８０のうち、上側のＩＣ用セパレータ１８０は、該発電単位１０２の空気室１６６と、該発電単位１０２に対して上側に隣り合う他の発電単位１０２の燃料室１７６とを区画する。また、ある発電単位１０２に含まれる一対のＩＣ用セパレータ１８０のうち、下側のＩＣ用セパレータ１８０は、該発電単位１０２の燃料室１７６と、該発電単位１０２に対して下側に隣り合う他の発電単位１０２の空気室１６６とを区画する。このように、ＩＣ用セパレータ１８０により、発電単位１０２の周縁部における発電単位１０２間のガスのリークが抑制される。なお、燃料電池スタック１００において最も上側に位置する発電単位１０２の上側のインターコネクタ１９０のＩＣ用セパレータ１８０は、ターミナルプレート７０に電気的に接続されている。

図４および図５に示すように、空気極側フレーム１３０は、中央付近にＺ軸方向に貫通する略矩形の孔１３１が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、マイカ等の絶縁体により形成されている。空気極側フレーム１３０の孔１３１は、空気極１１４に面する空気室１６６（の一部）を構成する。空気極側フレーム１３０は、単セル用セパレータ１２０の周縁部における上側の表面と、上側のＩＣ用セパレータ１８０の周縁部における下側の表面とに接触しており、両者の間のガスシール性（すなわち、空気室１６６のガスシール性）を確保するシール部材として機能する。また、空気極側フレーム１３０によって、発電単位１０２に含まれる一対のＩＣ用セパレータ１８０間（すなわち、一対のインターコネクタ１９０間）間が電気的に絶縁される。また、空気極側フレーム１３０には、酸化剤ガス供給マニホールド１６１と空気室１６６とを連通する酸化剤ガス供給連通流路１３２と、空気室１６６と酸化剤ガス排出マニホールド１６２とを連通する酸化剤ガス排出連通流路１３３とが形成されている。

燃料極側フレーム１４０は、中央付近にＺ軸方向に貫通する略矩形の孔１４１が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、金属により形成されている。燃料極側フレーム１４０の孔１４１は、燃料極１１６に面する燃料室１７６（の一部）を構成する。燃料極側フレーム１４０は、単セル用セパレータ１２０の周縁部における下側の表面と、下側のＩＣ用セパレータ１８０の周縁部における上側の表面とに接触している。また、燃料極側フレーム１４０には、燃料ガス供給マニホールド１７１と燃料室１７６とを連通する燃料ガス供給連通流路１４２と、燃料室１７６と燃料ガス排出マニホールド１７２とを連通する燃料ガス排出連通流路１４３とが形成されている。

燃料極側集電部材１４８は、燃料室１７６内に配置されている。燃料極側集電部材１４８は、導電性部１４４と弾性部１４９とを有する。導電性部１４４は、燃料極１１６とインターコネクタ１９０とを電気的に接続する部分であり、例えば、ニッケルやニッケル合金、ステンレス等により形成されている。導電性部１４４は、燃料極１１６の下側の表面に接触した電極対向部１４５と、インターコネクタ１９０の上側の表面に接触したインターコネクタ対向部１４６と、電極対向部１４５とインターコネクタ対向部１４６とをつなぐ連接部１４７とを有している。また、弾性部１４９は、燃料極側集電部材１４８の弾性を確保するための部分であり、例えば、マイカ等により形成されている。導電性部１４４のうちのインターコネクタ対向部１４６は、Ｚ軸方向においてインターコネクタ１９０と弾性部１４９との間に配置され、導電性部１４４のうちの電極対向部１４５は、Ｚ軸方向において燃料極１１６と弾性部１４９との間に配置されている。これにより、燃料極側集電部材１４８が温度サイクルや反応ガス圧力変動による発電単位１０２の変形に追随し、燃料極側集電部材１４８を介した燃料極１１６とインターコネクタ１９０との電気的接続が良好に維持される。

Ａ－２．燃料電池スタック１００の動作：
図２および図４に示すように、酸化剤ガス供給マニホールド１６１の位置に設けられたガス通路部材２７の分岐部２９に接続されたガス配管（図示せず）を介して酸化剤ガスＯＧが供給されると、酸化剤ガスＯＧは、ガス通路部材２７の分岐部２９および本体部２８の孔を介して酸化剤ガス供給マニホールド１６１に供給され、酸化剤ガス供給マニホールド１６１から各発電単位１０２の酸化剤ガス供給連通流路１３２を介して、空気室１６６に供給される。また、図３および図５に示すように、燃料ガス供給マニホールド１７１の位置に設けられたガス通路部材２７の分岐部２９に接続されたガス配管（図示せず）を介して燃料ガスＦＧが供給されると、燃料ガスＦＧは、ガス通路部材２７の分岐部２９および本体部２８の孔を介して燃料ガス供給マニホールド１７１に供給され、燃料ガス供給マニホールド１７１から各発電単位１０２の燃料ガス供給連通流路１４２を介して、燃料室１７６に供給される。

各発電単位１０２の空気室１６６に酸化剤ガスＯＧが供給され、燃料室１７６に燃料ガスＦＧが供給されると、単セル１１０において酸化剤ガスＯＧおよび燃料ガスＦＧの電気化学反応による発電が行われる。この発電反応は発熱反応である。各発電単位１０２において、単セル１１０の空気極１１４は上側のインターコネクタ１９０に電気的に接続され、燃料極１１６は燃料極側集電部材１４８を介して下側のインターコネクタ１９０（または、ターミナルプレート８０）に電気的に接続されている。すなわち、燃料電池スタック１００に含まれる複数の発電単位１０２は、電気的に直列に接続されている。また、最も上側に位置する発電単位１０２の上側のインターコネクタ１９０は、ターミナルプレート７０に電気的に接続されており、最も下側に位置する発電単位１０２は、燃料極側集電部材１４８を介してターミナルプレート８０に電気的に接続されている。そのため、燃料電池スタック１００の出力端子として機能するターミナルプレート７０，８０から、各発電単位１０２において生成された電気エネルギーが取り出される。なお、ＳＯＦＣは、比較的高温（例えば７００℃から１０００℃）で発電が行われることから、起動後、発電により発生する熱で高温が維持できる状態になるまで、燃料電池スタック１００が加熱器（図示せず）により加熱されてもよい。

図２および図４に示すように、各発電単位１０２の空気室１６６から酸化剤ガス排出連通流路１３３を介して酸化剤ガス排出マニホールド１６２に排出された酸化剤オフガスＯＯＧは、酸化剤ガス排出マニホールド１６２の位置に設けられたガス通路部材２７の本体部２８および分岐部２９の孔を経て、当該分岐部２９に接続されたガス配管（図示せず）を介して燃料電池スタック１００の外部に排出される。また、図３および図５に示すように、各発電単位１０２の燃料室１７６から燃料ガス排出連通流路１４３を介して燃料ガス排出マニホールド１７２に排出された燃料オフガスＦＯＧは、燃料ガス排出マニホールド１７２の位置に設けられたガス通路部材２７の本体部２８および分岐部２９の孔を経て、当該分岐部２９に接続されたガス配管（図示しない）を介して燃料電池スタック１００の外部に排出される。

なお、本実施形態におけるガスフロー方式は、Ｚ軸方向視で、酸化剤ガス供給連通流路１３２から酸化剤ガス排出連通流路１３３に向かう酸化剤ガスＯＧの流れ方向と、燃料ガス供給連通流路１４２から燃料ガス排出連通流路１４３に向かう燃料ガスＦＧの流れ方向とが略直交する、いわゆるクロスフロー方式である。

Ａ－３．空気極側集電部１５０の構成：
図６は、図４におけるＸ１部分（空気極側集電部１５０）のＸＺ断面構成を拡大して示す説明図である。図６に示すように、空気極側集電部１５０は、導電性の基材１５２と、導電性のコート１９４とを有する導電性部材である。

基材１５２は、例えばフェライト系ステンレス等のＣｒ（クロム）を含む金属により形成されている。基材１５２は、略平板形状のベース部１５４と、ベース部１５４から空気極１１４側に突出した複数の略柱状の突出部１３４とを有している。ベース部１５４は、単セル１１０（空気極１１４）から離間して配置され、単セル１１０（空気極１１４）と対向するベース表面１５３を有している。複数の突出部１３４は、上下方向（Ｚ方向）に直交する面方向（Ｘ方向、Ｙ方向）において互いに間隔を空けつつ、ベース表面１５３から突出するように形成されている。以下、突出部１３４における空気極１１４側の表面のうち、空気極１１４に電気的に接続される平坦状の先端面を、突出部１３４の先端面１３４Ｃといい、先端面１３４Ｃの両側に位置する一対の角部の表面を、突出部１３４の角表面１３４Ｂといい、角表面１３４Ｂとベース表面１５３とをつなぐ側面を、突出部１３４の側面１３４Ｄという。

コート１９４は、例えばスピネル型酸化物により構成された導電性の被覆層である。図４から図６に示すように、コート１９４は、突出部１３４における空気極１１４側の表面全体を覆っている。具体的には、コート１９４は、ベースコート部分１９４Ａと、角コート部分１９４Ｂと、先端コート部分１９４Ｃと、側面コート部分１９４Ｄとを有している。ベースコート部分１９４Ａは、ベース部１５４のベース表面１５３を覆っている。角コート部分１９４Ｂは、突出部１３４の角表面１３４Ｂを覆っている。先端コート部分１９４Ｃは、突出部１３４の先端面１３４Ｃを覆っている。側面コート部分１９４Ｄは、突出部１３４の側面１３４Ｄを覆っている。ベースコート部分１９４Ａは、特許請求の範囲における第１のコート部分の一例であり、角コート部分１９４Ｂは、特許請求の範囲における第２のコート部分の一例であり、先端コート部分１９４Ｃは、特許請求の範囲における第３のコート部分の一例である。

コート１９４は、厚さに関して、次の第１の要件を満たしている。
＜第１の要件＞
「ベースコート部分１９４Ａの厚さＤ１は、角コート部分１９４Ｂの厚さＤ２よりも厚い。」
ベースコート部分１９４Ａの厚さＤ１と角コート部分１９４Ｂの厚さＤ２との差は、例えば１μｍ以上であることが好ましく、２μｍ以上であることがさらに好ましい。なお、コート１９４における各部分の厚さの大小比較の方法は、次の通りである。空気極側集電部１５０の複数のＸＺ断面について、各部分（少なくとも一箇所）の厚さを測定し、それら複数のＸＺ断面における各部分の厚さの平均値を算出する。そして、各部分の平均値同士を大小比較することで、各部分の厚さを大小比較する。

コート１９４は、厚さに関して、さらに、次の第２の要件を満たしていることが好ましい。
＜第２の要件＞
「先端コート部分１９４Ｃの厚さＤ３は、角コート部分１９４Ｂの厚さＤ２よりも厚い。」
先端コート部分１９４Ｃの厚さＤ３と角コート部分１９４Ｂの厚さＤ２との差は、例えば１μｍ以上であることが好ましく、２μｍ以上であることがさらに好ましい。

コート１９４は、厚さに関して、さらに、次の第３の要件を満たしていることが好ましい。
＜第３の要件＞
「角コート部分１９４Ｂの厚さＤ２は、１μｍ以上、１５μｍ以下である。」

コート１９４は、さらに、次の第４の要件を満たしていることが好ましい。
＜第４の要件＞
「ベースコート部分１９４Ａは、その一部に多孔質部２００を有している。」
すなわち、ベースコート部分１９４Ａの一部は、多孔質部２００で構成されている。図６の例では、ベースコート部分１９４Ａは、ベース表面１５３上に形成された緻密部２１０と、その緻密部２１０の表面に形成された多孔質部２００とを有している。多孔質部２００の気孔率は、緻密部２１０の気孔率よりも高く、例えば、１０％以上、４０％以下である。なお、緻密部２１０の気孔率は、側面コート部分１９４Ｄ等の気孔率と同じである。

コート１９４は、厚さに関して、さらに、次の第５の要件を満たしていることが好ましい。
＜第５の要件＞
「側面コート部分１９４Ｄの厚さＤ４は、角コート部分１９４Ｂの厚さＤ２よりも厚い。」
側面コート部分１９４Ｄの厚さＤ４と角コート部分１９４Ｂの厚さＤ２との差は、例えば１μｍ以上であることが好ましく、２μｍ以上であることがさらに好ましい。

コート１９４は、厚さに関して、さらに、次の第６の要件を満たしていることが好ましい。
＜第６の要件＞
「先端コート部分１９４Ｃの厚さＤ３は、側面コート部分１９４Ｄの厚さＤ４よりも厚い。」
先端コート部分１９４Ｃの厚さＤ３と側面コート部分１９４Ｄの厚さＤ４との差は、例えば１μｍ以上であることが好ましく、２μｍ以上であることがさらに好ましい。

空気極側集電部１５０の製造方法は次の通りである。例えばフェライト系ステンレス製の基材１５２を準備し、スピネル型結晶構造を有する酸化物（例えばＭｎＣｏ_２Ｏ_４）のペーストを基材１５２の表面に塗布し、焼成する。ペーストを塗布する際、１５２の各箇所に塗布されたペーストの重量を確認しながら塗布量を調整することにより、各コート部分の厚さに差が生じるようにする。これにより、上記第１～第３、第５、第６の要件を満たす空気極側集電部１５０を作製することができる。また、第４の要件の多孔質部２００については、上記ペーストに造孔材を添加することにより形成することができる。

Ａ－４．本実施形態の効果：
以上説明したように、本実施形態に係る燃料電池スタック１００では、ベースコート部分１９４Ａの厚さＤ１は、角コート部分１９４Ｂの厚さＤ２よりも厚い（第１の要件）。すなわち、酸化雰囲気に向けられるベース表面１５３を覆うベースコート部分１９４Ａの厚さＤ１が相対的に厚いため、例えばベースコート部分１９４Ａの厚さＤ１が相対的に薄い構成に比べて、ベース表面１５３とベースコート部分１９４Ａとの界面における酸化被膜（クロミア被膜）の成長を抑制することができる。また、応力（熱応力）集中しやすい突出部１３４の角部（角表面１３４Ｂ）を覆う角コート部分１９４Ｂの厚さＤ２が相対的に薄いため、例えば角コート部分１９４Ｂの厚さＤ２が相対的に厚い構成に比べて、角部への応力集中に伴うコートの剥離の発生を抑制することができる。すなわち、本実施形態によれば、酸化被膜の成長を抑制しつつ、突出部１３４の角部への応力集中に伴うコート１９４の剥離の発生を抑制することができる。

本実施形態では、先端コート部分１９４Ｃの厚さＤ３は、角コート部分１９４Ｂの厚さＤ２よりも厚い（第２の要件）。このため、本実施形態によれば、先端コート部分１９４Ｃの厚さＤ３が角コート部分１９４Ｂの厚さＤ２以下である構成に比べて、突出部１３４の先端面１３４Ｃに酸化被膜が形成されることに起因して空気極側集電部１５０と単セル１１０との間の導電性が低下することを抑制することができる。

本実施形態では、角コート部分１９４Ｂの厚さＤ２は、１μｍ以上、１５μｍ以下である（第３の要件）。このため、本実施形態によれば、角コート部分１９４Ｂの厚さＤ２が１μｍ未満である構成に比べて、基材１５２からのＣｒの拡散や酸化被膜の成長を抑制することができる。また、角コート部分１９４Ｂの厚さＤ２が１５μｍを超える構成に比べて、突出部１３４の角部への応力集中に伴うコート１９４の剥離の発生を効果的に抑制することができる。

本実施形態では、ベースコート部分１９４Ａは、その一部に多孔質部２００を有している（第４の要件）。このため、本実施形態によれば、ベースコート部分１９４Ａ全体が緻密体である構成に比べて、コート１９４の厚さによるＣｒの拡散や酸化被膜の成長を抑制しつつ、ベース部１５４への応力発生に伴うコート１９４の剥離の発生を抑制することができる。特に本実施形態ではベースコート部分１９４Ａの表面側が多孔質（多孔質部２００）であり、界面側が緻密（緻密部２１０）であるため、基材１５２との密着性が高く剥がれにくい。

本実施形態では、側面コート部分１９４Ｄの厚さＤ４は、角コート部分１９４Ｂの厚さＤ２よりも厚い（第５の条件）。このため、本実施形態によれば、突出部１３４の側面１３４Ｄでの酸化被膜の成長を抑制しつつ、突出部１３４の角部への応力集中に伴うコート１９４の剥離の発生を抑制することができる。

本実施形態では、先端コート部分１９４Ｃの厚さＤ３は、側面コート部分１９４Ｄの厚さＤ４よりも厚い（第６の要件）。このため、本実施形態によれば、突出部１３４の先端面１３４Ｃに酸化被膜が形成されることに起因して空気極側集電部１５０と単セル１１０との間の導電性が低下することを抑制することができる。

Ｂ．変形例：
本明細書で開示される技術は、上述の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。

上記実施形態における燃料電池スタック１００の構成や燃料電池スタック１００を構成する各部分の構成は、あくまで一例であり、種々変形可能である。例えば、空気極側集電部１５０（インターコネクタ１９０）の形状やサイズも特に限定されるものではない。例えば、空気極側集電部１５０は、溝部１９１が形成されていない構成でもよい。また、インターコネクタ１９０は、空気極側集電部１５０とＩＣ用セパレータ１８０とが一体形成された構成でもよい。空気極側集電部１５０の突出部１３４の角部は、面取りされた形状であってもよい。

空気極側集電部１５０は、上記第２の要件から第６の要件のうちの少なくとも１つを満たさなくてもよい。また、上記実施形態において、ベースコート部分１９４Ａは、ベース表面１５３上に多孔質部２００が形成され、多孔質部２００の表面に緻密部２１０が形成された構成でもよい。また、ベースコート部分１９４Ａは、三層以上の構成でもよい。

上記実施形態において、燃料電池スタック１００に含まれる単セル１１０の個数（発電単位１０２の個数）は、あくまで一例であり、単セル１１０の個数は燃料電池スタック１００に要求される出力電圧等に応じて適宜決められる。また、上記実施形態における各部材を構成する材料は、あくまで例示であり、各部材が他の材料により構成されていてもよい。例えばコート１９４の形成材料は、スピネル型酸化物に限らず、少なくとも酸化被膜（クロミア被膜）よりも導電性が高く、かつ、酸化被膜の成長を抑制する効果を奏する材料であればよい。

また、上記実施形態の燃料電池スタック１００は、クロスフロータイプのＳＯＦＣであるが、本明細書に開示される技術は、コフロータイプのＳＯＦＣにも同様に適用可能である。また、本明細書に開示される技術は、カウンターフロータイプのＳＯＦＣにも同様に適用可能である。

また、本発明を、特開２０１８－１９５４１４号公報に記載されているような、金属支持型（メタルサポート型）の単セル１１０を備える構成に適用してもよい。この構成においても、上記実施形態と同様の効果が得られる。

また、上記実施形態では、燃料ガスに含まれる水素と酸化剤ガスに含まれる酸素との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池スタック１００を対象としているが、本明細書に開示される技術は、水の電気分解反応を利用して水素の生成を行う固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ）の構成単位である電解単セルを複数備える電解セルスタックにも同様に適用可能である。なお、電解セルスタックの基本的な構成は、例えば特開２０１６－８１８１３号公報に記載されているように公知であるが、おおよそ以下の通りである。すなわち、電解セルスタックの構成は、上述した実施形態の燃料電池スタック１００の構成において、「発電単位」を「電解セル単位」と読み替え、「単セル」を「電解単セル」と読み替え、「酸化剤ガス供給マニホールド」を「空気排出マニホールド」と読み替え、「酸化剤ガス排出マニホールド」を「空気供給マニホールド」と読み替え、「燃料ガス供給マニホールド」を「水素排出マニホールド」と読み替え、「燃料ガス排出マニホールド」を「水蒸気供給マニホールド」と読み替え、「酸化剤ガス供給連通流路」を「空気排出連通流路」と読み替え、「酸化剤ガス排出連通流路」を「空気供給連通流路」と読み替え、「燃料ガス供給連通流路」を「水素排出連通流路」と読み替え、「燃料ガス排出連通流路」を「水蒸気供給連通流路」と読み替えた構成である。

電解セルスタックの運転の際には、空気極１１４がプラス（陽極）で燃料極（水素極）１１６がマイナス（陰極）となるように、電解セルスタックに電圧が印加される。また、ガス通路部材２７を介して水蒸気供給マニホールドに原料ガスとしての水蒸気が供給される。なお、供給される水蒸気に、水素ガスが含まれていてもよい。水蒸気供給マニホールドに供給された水蒸気は、水蒸気供給マニホールドから各電解セル単位の水蒸気供給連通流路を介して燃料室１７６に供給され、各電解単セルにおける水の電気分解反応に供される。各電解単セルにおける水の電気分解反応により燃料室１７６で発生した水素ガスは、余った水蒸気と共に水素排出連通流路を介して水素排出マニホールドに排出され、水素排出マニホールドからガス通路部材２７を経て電解セルスタックの外部に取り出される。

また、電解セルスタックの運転の際には、電解セルスタックの温度の制御等のために、必要により空気が電解セルスタックの内部に供給される。この場合には、ガス通路部材２７を介して空気供給マニホールドに供給された空気が、空気供給マニホールドから各電解セル単位の空気供給連通流路を介して、空気室１６６に供給される。空気室１６６に供給された空気は、空気極１１４で生成される酸素とともに空気排出連通流路を介して空気排出マニホールドに排出され、空気排出マニホールドからガス通路部材２７を経て電解セルスタックの外部に排出される。

このような構成の電解セルスタックにおいても、上記実施形態における燃料電池スタック１００と同様の構成を採用することにより、上記実施形態における燃料電池スタック１００の作用効果と同様の作用効果を奏する。

また、上記実施形態では、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）を例に説明したが、本明細書に開示される技術は、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）といった他のタイプの燃料電池（または電解セル）にも適用可能である。さらに、電気化学反応セルスタックに用いられる集電部材に限らず、ベース部と突出部とを含む導電性の基材と、少なくともベース部のベース表面と突出部の角部とを覆う導電性のコートと、を備える導電性部材に対して本発明を適用してもよい。

２２：ボルト ２４：ナット ２６，９２，９６：絶縁シート ２７：ガス通路部材 ２８：本体部 ２９：分岐部 ３２，３４：孔 ７０，８０：ターミナルプレート ７１，１３１，１４１：孔 ７８，８８：端子部 ８０：ターミナルプレート １００：燃料電池スタック １０２：発電単位 １０３：発電ブロック １０４，１０６：エンドプレート １０８：連通孔 １１０：単セル １１２：電解質層 １１４：空気極 １１６：燃料極 １２０：単セル用セパレータ １２１，１８１：貫通孔 １２４：接合部 １３０：空気極側フレーム １３２：酸化剤ガス供給連通流路 １３３：酸化剤ガス排出連通流路 １３４：突出部 １３４Ｂ：角表面 １３４Ｃ：先端面 １３４Ｄ：側面 １４０：燃料極側フレーム １４２：燃料ガス供給連通流路 １４３：燃料ガス排出連通流路 １４４：導電性部 １４５：電極対向部 １４６：インターコネクタ対向部 １４７：連接部 １４８：燃料極側集電部材 １４９：弾性部 １５０：空気極側集電部 １５２：基材 １５３：ベース表面 １５４：ベース部 １６１：酸化剤ガス供給マニホールド １６２：酸化剤ガス排出マニホールド １６６：空気室 １７１：燃料ガス供給マニホールド １７２：燃料ガス排出マニホールド １７６：燃料室 １８０：ＩＣ用セパレータ １９０：インターコネクタ １９１：溝部 １９４：コート １９４Ａ：ベースコート部分 １９４Ｂ：角コート部分 １９４Ｃ：先端コート部分 １９４Ｄ：側面コート部分 １９６：導電性接合材 ２００：多孔質部 ２１０：緻密部

Claims (4)

1. 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つに備えられる前記集電部材は、
   前記電気化学反応単セルから離間して配置され、前記電気化学反応単セルと対向するベース表面を有するベース部と、前記ベース表面から前記電気化学反応単セル側に突出するとともに角部を含む突出部であって、前記空気極に電気的に接続される突出部と、を有し、かつ、Ｃｒ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ベース表面と前記突出部の前記角部とを覆う導電性のコートと、を備える導電性部材であって、
   前記コートのうち、前記ベース表面を覆う第１のコート部分の厚さは、前記突出部の前記角部を覆う第２のコート部分の厚さよりも厚く、
   前記第１のコート部分は、その一部に多孔質部を有している、
   ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。
2. 請求項１に記載の電気化学反応セルスタックにおいて、
   前記基材の前記突出部は、さらに、前記空気極に電気的に接続される先端面を含み、前記角部は、前記先端面に隣接しており、
   前記コートのうち、前記先端面を覆う第３のコート部分の厚さは、前記第２のコート部分の厚さよりも厚い、
   ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。
3. 請求項１または請求項２に記載の電気化学反応セルスタックにおいて、
   前記第２のコート部分の厚さは、１μｍ以上、１５μｍ以下である、
   ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。
4. ベース表面を有するベース部と、前記ベース表面から突出するとともに角部を有する突出部と、を含み、かつ、Ｃｒ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ベース表面と前記突出部の前記角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、
   前記コートのうち、前記ベース表面を覆う第１のコート部分の厚さは、前記突出部の前記角部を覆う第２のコート部分の厚さよりも厚く、
   前記第１のコート部分は、その一部に多孔質部を有している、
   ことを特徴とする導電性部材。

Images