JP6924568B2 - Current collector and solid oxide fuel cell cell unit - Google Patents
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Description
本発明は、固体酸化物形燃料電池セルユニットに用いられる集電部材に関する。 The present invention relates to a current collector used in a solid oxide fuel cell cell unit.
燃料電池の一つに、固体電解質に固体酸化物を用いた固体酸化物形燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell:以下「SOFC」とも言う)がある。固体酸化物形燃料電池は、電解質として酸化物イオン導電性の固体電解質を用い、その両側に電極を取り付け、一方の側に燃料ガスを供給し、他方の側に酸化剤ガス(空気、酸素等)を供給して、これら燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電を行う燃料電池である。 One of the fuel cells is a solid oxide fuel cell (hereinafter also referred to as "SOFC") in which a solid oxide is used as a solid electrolyte. A solid oxide fuel cell uses an oxide ion conductive solid electrolyte as an electrolyte, has electrodes on both sides thereof, supplies fuel gas to one side, and oxidant gas (air, oxygen, etc.) on the other side. ) Is supplied, and power is generated by the reaction between these fuel gases and the oxidant gas.
固体酸化物形燃料電池は、発電により発生した起電力を外部に取り出し、この電力を利用するものである。外部に取り出す際、集電部材が用いられる。この集電部材は、隣り合う燃料電池セル間に設けられ、燃料電池セル同士を電気的に接続する部材である。 The solid oxide fuel cell takes out the electromotive force generated by power generation to the outside and uses this electric power. A current collector is used when taking out to the outside. This current collecting member is provided between adjacent fuel cell cells and is a member that electrically connects the fuel cell cells to each other.
集電部材の基材として、クロム(Cr)を含む合金を用いることが知られている。基材はクロムを含んでいるため、大気中に含まれる酸素により酸化され、表面にCr2O3層が形成されている。 It is known that an alloy containing chromium (Cr) is used as the base material of the current collector member. The substrate because it contains chromium, is oxidized by oxygen contained in the atmosphere, Cr 2 O 3 layer is formed on the surface.
集電部材は、燃料電池の運転中、高温環境下に曝されている。これにより、基材に含まれるクロムが拡散してしまい、空気極がクロム被毒してしまうということが知られている。これを防止するために、基材の表面に保護層を形成することが知られている。 The current collector member is exposed to a high temperature environment during the operation of the fuel cell. It is known that this causes the chromium contained in the base material to diffuse, and the air electrode is poisoned with chromium. In order to prevent this, it is known to form a protective layer on the surface of the base material.
特許文献1には、クロムを含む合金または酸化物の基材表面を電解研磨した後、電着塗装法により保護層を形成することが記載されている。基材を電解研磨することにより、基材の平滑性を保ち、被膜の塗りムラを抑制することができるため、ひびや剥離が生じにくい保護層を形成することが可能となることが記載されている。
特許文献2には、ステンレス鋼を主成分とする基材に酸化コバルトを主成分とする被膜を形成することにより、インターコネクタを製造する方法が記載されている。基材を電解研磨することにより表面粗さ(Ra)を1.2μm以下とすることが記載されている。
これまでは、基材の表面粗さを均一にすることにより、保護層の厚みムラを抑制できると考えられていた。しかしながら、ある程度の厚みのある保護層を形成する場合、基材の表面粗さを均一にするだけでは、保護層の厚みムラを抑制するのは困難であった。つまり、基材の表面粗さを均一にしたとしても、保護層に塗りムラが発生してしまうと、クラックや剥離が生じてしまうことが分かった。 Until now, it has been considered that uneven thickness of the protective layer can be suppressed by making the surface roughness of the base material uniform. However, when forming a protective layer having a certain thickness, it is difficult to suppress uneven thickness of the protective layer only by making the surface roughness of the base material uniform. That is, it was found that even if the surface roughness of the base material is made uniform, cracks and peeling occur when coating unevenness occurs on the protective layer.
従って、本発明は、基材表面に保護層を形成した集電部材において、厚みムラやクラックが生じるのを抑制することを目的としている。 Therefore, an object of the present invention is to suppress the occurrence of uneven thickness and cracks in the current collector member in which the protective layer is formed on the surface of the base material.
そして、本発明による集電部材は、クロムを含む金属基材と、前記金属基材の表面に形成されたCr2O3層と、前記Cr2O3層の表面に形成された保護層と、を有する集電部材であって、前記金属基材の表面粗さRa1と、前記Cr2O3層の表面粗さRa2と、前記保護層の表面粗さRa3の関係が、Ra1≦Ra3≦Ra2であり、前記保護層の厚みd3が1μm以上、23μm以下であり、Cr 2 O 3 層の厚みd 2 が0.05μm以上、2.2μm以下である。 The current collecting member according to the present invention includes a metal base material containing chromium, a Cr 2 O 3 layer formed on the surface of the metal base material, and a protective layer formed on the surface of the Cr 2 O 3 layer. , a current collecting member having a surface roughness Ra 1 of the metal substrate, the surface roughness Ra 2 of the Cr 2 O 3 layer, the relationship between the surface roughness Ra 3 of the protective layer, Ra a 1 ≦ Ra 3 ≦ Ra 2, wherein the protective layer thickness d 3 is 1μm or more state, and are less 23 .mu.m, Cr 2 O 3 layer thickness d 2 is 0.05μm or more, Ru der below 2.2 .mu.m.
さらに、本発明による固体酸化物形燃料電池セルユニットは、燃料極と、固体電解質と、空気極と、を備え、前記空気極には上述の集電部材が電気的に接続されている。 Further, the solid oxide fuel cell unit according to the present invention includes a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode, and the above-mentioned current collecting member is electrically connected to the air electrode.
定義
本発明による燃料電池セルは、その形状も限定されず、例えば円筒状、板状、内部にガス流路を複数形成した中空板状などであってもよい。また、内側電極は支持体の表面に形成されていても良い。
Definition The shape of the fuel cell according to the present invention is not limited, and may be, for example, a cylindrical shape, a plate shape, or a hollow plate shape having a plurality of gas flow paths formed therein. Further, the inner electrode may be formed on the surface of the support.
集電部材
本発明において、集電部材は、クロムを含む金属基材と、前記金属基材の表面に形成されたCr2O3層と、前記Cr2O3層の表面に形成された保護層と、を有する集電部材であって、前記金属基材の表面粗さRa1と、前記Cr2O3層の表面粗さRa2と、前記保護層の表面粗さRa3の関係が、Ra1≦Ra3≦Ra2であり、前記保護層の厚みd3が1μm以上である。これにより、保護層に厚みムラが発生してしまうのを抑制し、クラックや剥離の無い集電部材を作製することが可能となる。
Current collector member In the present invention, the current collector member is a metal base material containing chromium, a Cr 2 O 3 layer formed on the surface of the metal base material, and a protection formed on the surface of the Cr 2 O 3 layer. a current collecting member having a layer, and a surface roughness Ra 1 of the metal substrate, the surface roughness Ra 2 of the Cr 2 O 3 layer, the relationship between the surface roughness Ra 3 of the protective layer , Ra 1 ≤ Ra 3 ≤ Ra 2 , and the thickness d 3 of the protective layer is 1 μm or more. As a result, it is possible to suppress the occurrence of uneven thickness in the protective layer and to produce a current collecting member without cracks or peeling.
本発明で用いられる集電部材10の例を図1に示す。図1において、1が金属基材であり、2がCr2O3層であり、3が保護層である。金属基材1の表面にCr2O3層2と保護層3とがこの順で形成されている。
An example of the
金属基材
本発明において、金属基材1はクロム(Cr)と鉄(Fe)を含む。金属基材1は、クロムを20mol%以上含むことが好ましい。また、鉄を70mol%以上含むことが好ましい。
Metal Substrate In the present invention, the
本発明において、金属基材1はクロムと鉄の他に、ニッケル(Ni)、タングステン(W)、マンガン(Mn)、アルミニウム(Al)、シリコン(Si)、ニオブ(Nb)、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、銅(Cu)などを含んでいても良い。
In the present invention, in addition to chromium and iron, the
本発明において、金属基材1はフェライト系ステンレス又はオーステナイト系ステンレスであることが好ましい。これにより、金属基材1を熱処理することによって表面にCr2O3を主成分とした酸化皮膜を形成できるため、金属基材1に含まれる鉄の酸化を防ぐことが出来る。さらに好ましくは、金属基材1はフェライト系ステンレスである。これにより燃料電池セルを構成する他の部材との熱膨張差を小さくすることができ、燃料電池の運転時に、熱膨張差に起因して発生するクラックを抑制することが出来る。
In the present invention, the
本発明において、金属基材1の表面粗さRa1は0.9μm以下であることが好ましい。さらに好ましくは表面粗さRa1が0.6μm以下である。これにより、金属基材1表面に緻密なCr2O3層2を形成することができ、金属基材1の耐酸化性を向上させることが出来る。
In the present invention, the surface roughness Ra 1 of the
本発明において、表面粗さは算術平均粗さ(Ra)を意味し、下記の方法で算出することが可能である。 In the present invention, the surface roughness means the arithmetic mean roughness (Ra) and can be calculated by the following method.
集電部材10から保護層3、Cr2O3層2、金属基材1を含めるように切り出し、樹脂埋めしたものを研磨した後、SEM(Scanning Electron Microscope)を用い観察する。100〜1000倍で撮影したSEM画像からJISB0601:1994に準拠した方法にて、算術平均粗さRaを算出する。なお、金属基材の表面粗さRa1は金属基材とCr2O3層またはボイド(空孔)との界面をなぞった輪郭曲線を用いて算出する。
A
Cr 2 O 3 層
本発明において、Cr2O3層2は主成分としてCr2O3(酸化クロム)を含む。なお、主成分とは、Cr2O3層2において、90mol%以上含むことを意味する。Cr2O3層2は、Cr2O3の他に、タングステン(W)、マンガン(Mn)、アルミニウム(Al)、シリコン(Si)、ニオブ(Nb)、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、銅(Cu)などを含んでいても良い。
Cr 2 O 3 layer In the present invention, Cr 2 O 3 layer 2 contains Cr 2 O 3 (chromium oxide) as a main component. The main component means that the Cr 2 O 3 layer 2 contains 90 mol% or more. Cr 2 O 3 layer 2, in addition to the Cr 2 O 3, tungsten (W), manganese (Mn), aluminum (Al), silicon (Si), niobium (Nb), titanium (Ti), zirconium (Zr) , Copper (Cu) and the like may be contained.
本発明において、Cr2O3層2は、金属基材1の表面に形成されている。つまり、金属基材1と保護層3との間に形成されている。
In the present invention, the Cr 2 O 3 layer 2 is formed on the surface of the
本発明において、Cr2O3層2の膜厚d2は、0.05μm以上2.2μm以下であることが好ましく、0.1μm以上1.8μm以下であることがさらに好ましい。さらにより好ましくは0.4μm以上1.6μm以下である。これにより、Cr2O3層2から保護層3にクロムが拡散するため密着性が得られ、保護層3の剥離を防止できる。また、Cr2O3層2の抵抗が大きくなりすぎるのを抑制し、燃料電池の発電出力の低下を抑制できる。
In the present invention, the film thickness d 2 of the Cr 2 O 3 layer 2 is preferably 0.05 μm or more and 2.2 μm or less, and more preferably 0.1 μm or more and 1.8 μm or less. Even more preferably, it is 0.4 μm or more and 1.6 μm or less. As a result, chromium diffuses from the Cr 2 O 3 layer 2 to the
なお、Cr2O3層2の膜厚d2は、以下の方法により求めることができる。 The film thickness d 2 of the Cr 2 O 3 layer 2 can be obtained by the following method.
集電部材10から保護層3、Cr2O3層2、金属基材1を含めるように切り出し、樹脂埋めしたものを研磨する。その後、SEM(Scanning Electron Microscope)を用い、1000倍〜10000倍で撮影し、SEM画像を得る。得られたSEM画像から、Cr2O3層2の表面から金属基材1までの最短距離を3点測定し、平均値を取ったものをCr2O3層2の膜厚d2とする。
The
本発明において、Cr2O3層2の表面粗さRa2は1.5μm以下であることが好ましい。さらに好ましくは1.4μm以下である。さらにより好ましくは1.2μm以下である。これにより、保護層3の厚みムラの発生を抑制し、Cr2O3層2の表面にクラックの無い保護層3を形成することが可能となる。さらに、保護層3の剥離を抑制することができる。
In the present invention, the surface roughness Ra 2 of the Cr 2 O 3 layer 2 is preferably 1.5 μm or less. More preferably, it is 1.4 μm or less. Even more preferably, it is 1.2 μm or less. As a result, it is possible to suppress the occurrence of uneven thickness of the
本発明において、Cr2O3層2の表面粗さRa2は以下の方法で算出することができる。 In the present invention, the surface roughness Ra 2 of the Cr 2 O 3 layer 2 can be calculated by the following method.
集電部材10から保護層3、Cr2O3層2、金属基材1を含めるように切り出し、樹脂埋めしたものを研磨した後、SEM(Scanning Electron Microscope)を用い観察する。100〜1000倍で撮影したSEM画像からJISB0601:1994に準拠した方法にて、算術平均粗さRaを算出する。なお、Cr2O3層2の表面粗さRa2はCr2O3層2と保護層3またはボイド(空孔)との界面をなぞった輪郭曲線から算出する。
A
保護層
本発明において、保護層3はCr2O3層2の表面に形成されており、集電部材10の最表面を構成している。
Protective layer In the present invention, the
本発明において、保護層3の膜厚d3は、1μm以上である。また、1μm以上23μm以下であることが好ましく、1μm以上10μm以下であることがさらに好ましい。これによりCr2O3層2が露出してしまうのを防止できる。また、保護層3形成時にクラックが入ってしまうのを防止し、Cr2O3層2からクロムが蒸発するのを抑制することが可能である。
In the present invention, the film thickness d 3 of the
なお、保護層3の膜厚d3は、以下の方法により求めることができる。
The film thickness d 3 of the
集電部材から保護層3、Cr2O3層2、金属基材1を含めるように切り出し、樹脂埋めしたものを研磨した後、SEM(Scanning Electron Microscope)を用い観察する。100〜1000倍で撮影し、SEM画像を得る。得られた画像から、保護層3の表面からCr2O3層2までの最短距離を3点測定し、平均値を取ったものを保護層3の膜厚d3とする。
A
本発明において、保護層3は化学式AB2O4(ただし、A:Mn、Cuから選択される少なくとも1種類の金属元素、B:Co、Mnから選択される少なくとも1種類の金属元素)で表されるスピネル型結晶構造を有する遷移金属酸化物を主成分として含むことが好ましい。保護層3は、MnCo2O4を主成分として含むことがさらに好ましい。これによりCr2O3層2からのクロムの蒸発を抑制することが可能である。なお、主成分とは、保護層3において90mol%以上含むことを意味する。
In the present invention, the
本発明において、保護層3は表面粗さRa3が1μm以下であることが好ましい。さらに好ましくはRa3が0.9μm以下である。これにより、クラックの無い保護層3を形成することが可能となる。
In the present invention, the
本発明において、保護層3の表面粗さRa3は以下の方法で算出することができる。
In the present invention, the surface roughness Ra 3 of the
レーザー顕微鏡(例えばOlympus OLS4000)を用い、作製した集電部材10の保護層3の表面を100〜1000倍で撮影し、プロファイルを得る。このプロファイルからJISB0601:1994に準拠した方法にて、算術平均粗さRaを算出する。
Using a laser microscope (for example, Olympus OLS4000), the surface of the
本発明において、金属基材1の表面粗さRa1とCr2O3層2の表面粗さRa2と保護層3の表面粗さRa3はRa1≦Ra3≦Ra2を満たす。好ましくは、Ra1<Ra3<Ra2である。これにより、金属基材1の表面を均一にしつつ、集電部材10の最表面である保護層3の表面も均一にすることが可能である。したがって、保護層3の厚みムラの発生を抑制することができる。以上より、燃料電池の運転時において、集電部材の層間の熱膨張率差から生じる熱応力によるクラック発生を抑制できる。特に、保護層3の表面が均一であるため、保護層3の表面にクラックが生じるのを抑制できる。
In the present invention, the surface roughness Ra 3 of the surface roughness Ra 2 and the
空気極
本発明において、空気極は、燃料電池セルを構成可能なものであれば特に限定されないが、例えば、ペロブスカイト型酸化物が挙げられる。
Air electrode In the present invention, the air electrode is not particularly limited as long as it can form a fuel cell, and examples thereof include perovskite-type oxides.
具体的なペロブスカイト型酸化物としては、La1−xSrxCoO3(但し、x=0.1〜0.3)及びLaCo1−xNixO3(但し、x=0.1〜0.6)などのランタンコバルト系酸化物、(La、Sr)FeO3系と(La、Sr)CoO3系の固溶体であるランタンコバルトフェライト系酸化物(La1−mSrmCo1−nFenO3(但し、0.05<m<0.50、0≦n≦1))、サマリウム及びコバルトを含むサマリウムコバルト系酸化物(Sm0.5Sr0.5CoO3)などが挙げられる。好ましくは、ランタンストロンチウムコバルタイトフェライト(LSCF)である。 Specific perovskite-type oxides include La 1-x Sr x CoO 3 (where x = 0.1 to 0.3) and LaCo 1-x Ni x O 3 (where x = 0.1 to 0). .6) lanthanum cobalt oxides, such as, (La, Sr) FeO 3 system and (La, Sr) CoO3 lanthanum cobalt ferrite-based oxide is a solid solution of (La 1-m Sr m Co 1-n Fe n O 3 (where 0.05 <m <0.50, 0 ≦ n ≦ 1)), samarium cobalt-based oxide containing samarium and cobalt (Sm 0.5 Sr 0.5 CoO 3 ) and the like can be mentioned. Preferred is lanthanum strontium cobaltite ferrite (LSCF).
本発明において、空気極は、単層であっても、複層であっても良い。複層の空気極である場合の例としては、例えば固体電解質の上に、空気極触媒層としてLa0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3を設け、燃料電池セルの最表層に空気極としてLa0.6Sr0.4Co0.8Fe0.2O3を設けた構成が挙げられる。 In the present invention, the air electrode may be a single layer or a plurality of layers. As an example of a multi-layered air electrode, for example, La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3 is provided as an air electrode catalyst layer on a solid electrolyte, and a fuel cell cell is provided. Examples thereof include a configuration in which La 0.6 Sr 0.4 Co 0.8 Fe 0.2 O 3 is provided as an air electrode on the outermost surface layer.
燃料極
本発明において、燃料極は、燃料電池セルを構成可能なものであれば特に限定されないが、例えば、NiO/ジルコニウム含有酸化物、NiO/セリウム含有酸化物などが挙げられる。ここで、NiO/ジルコニウム含有酸化物とは、NiOとジルコニウム含有酸化物とが、所定の比率で均一に混合されたものを意味する。また、NiO/セリウム含有酸化物とは、NiOとセリウム含有酸化物とが、所定の比率で均一に混合されたものを意味する。NiO/ジルコニウム含有酸化物のジルコニウム含有酸化物としては、例えばCaO、Y2O3、Sc2O3のうちの1種以上をドープしたジルコニウム含有酸化物などが挙げられる。また、NiO/セリウム含有酸化物のセリウム含有酸化物としては、一般式Ce1-yLnyO2(但し、LnはLa、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Sc、Yのいずれか1種又は2種以上の組み合わせであり、0.05≦y≦0.50)などが挙げられる。なお、NiOは燃料雰囲気下で還元されてNiとなるため、上述の混合物はそれぞれNi/ジルコニウム含有酸化物又はNi/セリウム含有酸化物となる。
Fuel electrode In the present invention, the fuel electrode is not particularly limited as long as it can form a fuel cell, and examples thereof include NiO / zirconium-containing oxide and NiO / cerium-containing oxide. Here, the NiO / zirconium-containing oxide means a mixture of NiO and a zirconium-containing oxide uniformly in a predetermined ratio. Further, the NiO / cerium-containing oxide means a mixture of NiO and cerium-containing oxide uniformly in a predetermined ratio. Examples of the zirconium-containing oxide of the NiO / zirconium-containing oxide include a zirconium-containing oxide doped with one or more of CaO, Y 2 O 3 , and Sc 2 O 3. Further, as the cerium-containing oxide of the NiO / cerium-containing oxide, the general formula Ce1-yLnyO2 (where Ln is La, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Any one or a combination of two or more of Lu, Sc, and Y, and 0.05 ≦ y ≦ 0.50) and the like can be mentioned. Since NiO is reduced to Ni in a fuel atmosphere, the above-mentioned mixture becomes a Ni / zirconium-containing oxide or a Ni / cerium-containing oxide, respectively.
本発明において燃料極は、単層であっても、複層であっても良い。複層の燃料極である場合の例としては、例えば支持体と向かい合う側にNi/YSZ(イットリア安定化ジルコニア)層を有する燃料極、または固体電解質と向かい合う側にNi/GDC(Gd2O3−CeO2)(燃料極触媒層として機能する)層を有した燃料極、さらにはこれら両方の層を有した燃料極が挙げられる。 In the present invention, the fuel electrode may be a single layer or a multi-layer. Examples of a multi-layer fuel electrode include a fuel electrode having a Ni / YSZ (yttria-stabilized zirconia) layer on the side facing the support, or a Ni / GDC (Gd 2 O 3) on the side facing the solid electrolyte. -CeO 2 ) A fuel electrode having a layer (which functions as a fuel electrode catalyst layer), and a fuel electrode having both of these layers can be mentioned.
固体電解質
本発明において、固体電解質は、燃料電池セルを構成可能なものであれば特に限定されないが、例えば、ランタンガレート系酸化物、固溶種としてY、Ca、Scのいずれか1種以上を固溶した安定化ジルコニアなどが挙げられる。固体電解質は、好適にはSr及びMgがドープされたランタンガレート系酸化物であり、より好適には一般式La1−aSraGa1−b−cMgbCocO3(但し、0.05≦a≦0.3、0<b<0.3、0≦c≦0.15)で表されるランタンガレート系酸化物(LSGM)である。本発明の一つの好ましい態様によれば、固体電解質と燃料極の間に、反応抑制層として、セリアにLaを固溶させたセリウム系酸化物(Ce1−xLaxO2(但し、0.3<x<0.5))を設けてもよい。反応抑制層は、好ましくはCe0.6La0.4O2である。
Solid Electrolyte In the present invention, the solid electrolyte is not particularly limited as long as it can form a fuel cell, and for example, a lanthanum gallate oxide and one or more of Y, Ca, and Sc as a solid solution species are used. Examples include solid-dissolved stabilized zirconia. The solid electrolyte is preferably a lanthanum gallate-based oxide Sr and Mg-doped, more preferably the general formula La in 1-a Sr a Ga 1- b-c Mg b Co c O 3 ( where, 0 It is a lanthanum gallate-based oxide (LSGM) represented by 0.05 ≦ a ≦ 0.3, 0 <b <0.3, 0 ≦ c ≦ 0.15). According to one preferred embodiment of the present invention, a cerium oxide (Ce 1-x La x O 2 (where 0) in which La is dissolved in ceria as a reaction suppressing layer between the solid electrolyte and the fuel electrode is used. .3 <x <0.5)) may be provided. The reaction suppression layer is preferably Ce 0.6 La 0.4 O 2 .
本発明において固体電解質は、単層であっても、複層であっても良い。固体電解質が複層である場合の例としては、例えば燃料極とLSGMからなる固体電解質の間にCe0.6La0.4O2などの反応抑制層を設けた構成が挙げられる。 In the present invention, the solid electrolyte may be a single layer or a multi-layer. As an example of the case where the solid electrolyte is a multi-layer, for example, there is a configuration in which a reaction suppression layer such as Ce 0.6 La 0.4 O 2 is provided between the fuel electrode and the solid electrolyte composed of LSGM.
燃料電池セル
図2は本発明の固体酸化物形燃料電池セルの断面の一態様を示す模式図であり、内側電極を燃料極としたタイプについて示した。本発明における固体酸化物形燃料電池セル210は、例えば多孔質支持体201と、(第一/第二)燃料極202、(第一/第二)固体電解質203と、(第一/第二)空気極204と、集電層205から構成される。ここで、(第一/第二)とは、「単層又は二以上の層であって、二層の場合は第一層と第二層とを有する」ことを意味する。本発明の固体酸化物形燃料電池セルにおいて、各層の好ましい厚さは、多孔質支持体が0.5〜2mm、燃料極が10〜200μm、燃料極触媒層が0〜30μm、反応抑制層が0〜20μm、固体電解質が5〜60μm、空気極触媒層が0〜50μm、空気極が10〜200μmである。
Fuel cell cell FIG. 2 is a schematic view showing an aspect of a cross section of the solid oxide fuel cell of the present invention, and shows a type in which an inner electrode is used as a fuel electrode. The solid
図3は、本発明による燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。図に示すように、燃料電池セルユニット16は、燃料電池セル84と、この燃料電池セル84の上下方向端部にそれぞれ接続された内側電極端子86とを備えてなる。燃料電池セル84は、上下方向に延びる管状構造体であり、内部に燃料ガス流路88を形成する円筒形の多孔質支持体91上に内側電極層90と、外側電極層92と、内側電極層90と外側電極層92との間にある固体電解質94とを備えてなる。
FIG. 3 is a partial cross-sectional view showing the fuel cell unit according to the present invention. As shown in the figure, the fuel cell unit 16 includes a fuel cell 84 and inner electrode terminals 86 connected to the vertical ends of the fuel cell 84, respectively. The fuel cell 84 is a tubular structure extending in the vertical direction, and has an
燃料電池セル84の上端側と下端側に取り付けられた内側電極端子86は、同一構造であるため、ここでは、上端側に取り付けられた内側電極端子86について具体的に説明する。内側電極層90の上部90aは、固体電解質94と外側電極層92に対して露出された外周面90bと上端面90cとを備える。内側電極端子86は、導電性のシール材96を介して内側電極層90の外周面90bと接続され、さらに、内側電極層90の上端面90cとは直接接触することにより、内側電極層90と電気的に接続されている。内側電極端子86の中心部には、内側電極層90の燃料ガス流路88と連通する燃料ガス流路98が形成されている。
Since the inner electrode terminals 86 attached to the upper end side and the lower end side of the fuel cell 84 have the same structure, the inner electrode terminals 86 attached to the upper end side will be specifically described here. The upper 90a of the
内側電極端子86は、燃料電池セル84の上下端部をそれぞれ包囲するように設けられ、燃料電池セル84により発電された電力を燃料電池セル84から取り出すための集電部材として機能する。 The inner electrode terminals 86 are provided so as to surround the upper and lower ends of the fuel cell 84, respectively, and function as a current collecting member for extracting the electric power generated by the fuel cell 84 from the fuel cell 84.
本発明において、内側電極端子86として、本発明の集電部材10を用いることが可能である。なお、図では、内側電極端子86を燃料電池セル84の両端に設けた態様であるが、上端側又は下端側に本発明の集電部材10を内側電極端子86として設け、片端から集電するようにしても良い。
In the present invention, the current collecting
固体酸化物形燃料電池セルユニットの製造方法
本発明による固体酸化物形燃料電池セルユニット16は、公知の方法に準じて従って、適宜製造することができる。好ましい製造方法を示せば下記のとおりである。
Method for Manufacturing Solid Oxide Fuel Cell Cell Unit The solid oxide fuel cell unit 16 according to the present invention can be appropriately manufactured according to a known method. The preferred production method is as follows.
本発明において、集電部材10は以下の方法で製造することが好ましい。
In the present invention, the current collecting
まず、準備した金属基材1の表面処理を行う。表面処理としては、機械研磨、化学研磨、電解研磨、酸洗浄、不動態化処理が挙げられる。これらのうち、電解研磨が好ましい。これにより金属基材表面の凹凸を無くすことにより表面を滑らかにし、金属基材の表面に緻密なCr2O3層を形成することが可能となる。
First, the surface treatment of the prepared
次に、表面処理を行った金属基材1を大気で500℃〜900℃の熱処理を行い、Cr2O3層2を形成する。
Then, the
次に、Cr2O3層2の表面に保護層3を形成するためのコーティング液を塗布する。
Next, a coating liquid for forming the
保護層3を形成するためのコーティング液は、化学式AB2O4(ただし、A:Mn、Cuから選択される少なくとも1種類の金属元素、B:Co、Mnから選択される少なくとも1種類の金属元素)で表されるスピネル型結晶構造を有する遷移金属酸化物の粉末と、溶媒と、バインダーとを混合することによって得ることができる。コーティング液には、目的に応じて、適宜必要な材料を添加することが可能である。
The coating liquid for forming the
塗布は、スラリー液をコーティングするスラリーコート法、テープキャスティング法、ドクターブレード法、転写法などにより好ましく行うことができる。また印刷手法も利用可能であり、スクリーン印刷法やインクジェット法などを用いることができる。これらのうち、欠陥が少なく複雑形状でも均一な膜厚を形成できるため、スラリーコート法を用いることが好ましい。 The coating can be preferably carried out by a slurry coating method for coating a slurry liquid, a tape casting method, a doctor blade method, a transfer method or the like. A printing method can also be used, and a screen printing method, an inkjet method, or the like can be used. Of these, it is preferable to use the slurry coating method because it has few defects and can form a uniform film thickness even in a complicated shape.
次に、大気で700℃〜900℃の熱処理を行うことで保護層3を形成する。以上より、集電部材10を得ることができる。
Next, the
空気極、固体電解質および燃料極は、各原料粉末に、溶媒(水、アルコールなど)、分散剤、バインダー等の成形助剤を添加してスラリーを作製し、それをコーティングし、乾燥した後、焼成(1100℃以上1400℃未満)することによって得ることができる。コーティングは、スラリー液をコーティングするスラリーコート法、テープキャスティング法、ドクターブレード法、転写法などにより好ましく行うことができる。また印刷手法も利用可能であり、スクリーン印刷法やインクジェット法などを用いることができる。 For the air electrode, solid electrolyte and fuel electrode, a slurry is prepared by adding a molding aid such as a solvent (water, alcohol, etc.), a dispersant, a binder, etc. to each raw material powder, coated with the slurry, dried, and then dried. It can be obtained by firing (1100 ° C. or higher and lower than 1400 ° C.). The coating can be preferably performed by a slurry coating method for coating a slurry liquid, a tape casting method, a doctor blade method, a transfer method or the like. A printing method can also be used, and a screen printing method, an inkjet method, or the like can be used.
焼成は、各電極及び固体電解質を形成する都度行ってもよいが、複数の層を一度に焼成する「共焼成」を行うことも可能である。また、固体電解質がドーパントの拡散等により変性しないように、焼成は酸化雰囲気下で行なうことが好ましい。より好適には、空気と酸素との混合ガスを用い、酸素濃度20質量%以上30質量%以下の雰囲気で焼成を行う。 The firing may be performed each time each electrode and the solid electrolyte are formed, but it is also possible to perform "co-firing" in which a plurality of layers are fired at once. Further, the firing is preferably performed in an oxidizing atmosphere so that the solid electrolyte is not denatured due to diffusion of the dopant or the like. More preferably, firing is performed in an atmosphere having an oxygen concentration of 20% by mass or more and 30% by mass or less using a mixed gas of air and oxygen.
本発明の好ましい態様によれば、内側電極に燃料極を、外側電極に空気極を用いる場合、燃料極と固体電解質とを共焼成した後、空気極を成形し、共焼成よりも低い温度で焼成する。 According to a preferred embodiment of the present invention, when a fuel electrode is used for the inner electrode and an air electrode is used for the outer electrode, the fuel electrode and the solid electrolyte are co-fired, and then the air electrode is formed at a temperature lower than that of co-firing. Bake.
作製した集電部材10の内面に銀ペーストを塗布し、この内側に燃料電池セルの端部を挿入する。その後、700〜900℃で大気中にて焼成することにより、固体酸化物形燃料電池セルユニット16を作製することができる。
A silver paste is applied to the inner surface of the produced
固体酸化物形燃料電池セルスタック
本発明によれば、本発明による固体酸化物形燃料電池セルユニットを備えた固体酸化物形燃料電池セルスタックが提供される。図4は、固体酸化物形燃料電池セルスタックを示す斜視図である。図4に示すように、燃料電池セルスタック14は、16本の燃料電池セルユニット16を備え、これらの燃料電池セルユニット16の下端側及び上端側が、それぞれ、セラミック製の下支持板(図示せず)及び上支持板100により支持されている。これらの下支持板及び上支持板100には、内側電極端子86が貫通可能な貫通穴がそれぞれ形成されている。
Solid Oxide Fuel Cell Cell Stack According to the present invention, there is provided a solid oxide fuel cell cell stack including the solid oxide fuel cell cell unit according to the present invention. FIG. 4 is a perspective view showing a solid oxide fuel cell stack. As shown in FIG. 4, the fuel cell stack 14 includes 16 fuel cell units 16, and the lower end side and the upper end side of the fuel cell unit 16 are made of ceramic lower support plates (shown, respectively). It is supported by the
さらに、燃料電池セルユニット16には、集電体102及び外部端子104が取り付けられている。この集電体102は、燃料極である内側電極90に取り付けられた内側電極端子86と電気的に接続される燃料極用接続部102aと、空気極である外側電極92の外周面全体と電気的に接続される空気極用接続部102bとにより一体的に形成されている。空気極用接続部102bは、外側電極92の表面を上下方向に延びる鉛直部102cと、この鉛直部102cから外側電極92の表面に沿って水平方向に延びる多数の水平部102dとから形成されている。また、燃料極用接続部102aは、空気極用接続部102bの鉛直部から燃料電池セルユニット16の上下方向に位置する内側電極端子86に向って斜め上方又は斜め下方に向って直線的に延びている。
Further, a
また、各燃料電池セルユニット16の外側電極層92(空気極)の外表面全体には、空気極側の電極として、銀製の薄膜が形成されている。この薄膜の表面に空気極用接続部102bが接触することにより、集電体102は空気極全体と電気的に接続される。
Further, a silver thin film is formed on the entire outer surface of the outer electrode layer 92 (air electrode) of each fuel cell unit 16 as an electrode on the air electrode side. When the air
さらに、燃料電池セルスタック14の端(図4では左端の奥側及び手前側)に位置する2個の燃料電池セルユニット16の上側端及び下側端の内側電極端子86には、それぞれ外部端子104が接続されている。これらの外部端子104は、隣接する燃料電池セルスタック14の端にある燃料電池セルユニット16の外部端子104(図示せず)に接続され、上述したように、160本の燃料電池セルユニット16の全てが直列接続されるようになっている。
Further, the inner electrode terminals 86 at the upper end and the lower end of the two fuel cell units 16 located at the ends of the fuel cell stack 14 (the back side and the front side of the left end in FIG. 4) are external terminals, respectively. 104 is connected. These
本発明を以下の実施例によってさらに詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。 The present invention will be described in more detail with reference to the following examples, but the present invention is not limited to these examples.
集電部材の作製
集電部材を以下の方法により作製した。
Preparation of current collector member A current collector member was produced by the following method.
金属基材として表1に示す組成の金属を用いた。この金属基材に表面処理として電解研磨を1〜100秒行った。表面処理を行った金属基材を大気で500〜900℃で1〜10時間の熱処理を行い、Cr2O3層を形成した。 A metal having the composition shown in Table 1 was used as the metal base material. This metal substrate was subjected to electrolytic polishing as a surface treatment for 1 to 100 seconds. The metal substrate was subjected to a surface treatment was heat-treated for 1 to 10 hours at 500 to 900 ° C. in the air to form a Cr 2 O 3 layer.
次に、Cr2O3層の表面に保護層を形成するためのコーティング液を塗布した。コーティング液は、MnCo2O4粉末と、溶媒と、バインダーとを混合させたものとした。このコーティング液を、Cr2O3層の表面に、スラリーコート法により塗布した後、乾燥機にて乾燥させ、室温にて冷却後、850℃で2時間焼成して、保護層を形成した。以上より、各サンプルを得た。 Next, a coating liquid for forming a protective layer was applied to the surface of the Cr 2 O 3 layer. The coating liquid was a mixture of MnCo 2 O 4 powder, a solvent, and a binder. This coating liquid was applied to the surface of the Cr 2 O 3 layer by a slurry coating method, dried in a dryer, cooled at room temperature, and then fired at 850 ° C. for 2 hours to form a protective layer. From the above, each sample was obtained.
なお、金属基材の表面粗さRa1は電解研磨時間を変更することによって制御した。Cr2O3層の粗さRa2および厚みd2は熱処理の温度および時間を変更することによって制御した。保護層の粗さRa3および厚みd3は保護層を形成するためのコーティング液の濃度および塗布重量を変更することによって制御した。 The surface roughness Ra 1 of the metal substrate was controlled by changing the electrolytic polishing time. The roughness Ra 2 and the thickness d 2 of the Cr 2 O 3 layer were controlled by changing the temperature and time of the heat treatment. The roughness Ra 3 and the thickness d 3 of the protective layer were controlled by changing the concentration of the coating liquid for forming the protective layer and the coating weight.
得られたサンプルの表面粗さおよび厚みは下記の方法により求めた。結果を表2に示す。 The surface roughness and thickness of the obtained sample were determined by the following methods. The results are shown in Table 2.
金属基材の表面粗さRa 1 およびCr 2 O 3 層の粗さRa 2
各サンプルから保護層、Cr2O3層、金属基材を含めるように切り出し、樹脂埋めしたものを研磨した後、SEMを用い観察した。100〜1000倍で撮影したSEM画像からJISB0601:1994に準拠した方法にて、算術平均粗さRaを算出した。なお、金属基材の表面粗さRa1は金属基材とCr2O3層またはボイド(空孔)との界面をなぞった輪郭曲線を用いて算出した。Cr2O3層の表面粗さRa2はCr2O3層と保護層またはボイド(空孔)との界面をなぞった輪郭曲線から算出した。
Surface Roughness of Metal Substrate Ra 1 and Cr 2 O 3 Layer Roughness Ra 2
Protective layer from each sample, Cr 2 O 3 layer, cut to include a metal substrate, after polishing the those buried resin, was observed with SEM. The arithmetic mean roughness Ra was calculated from the SEM image taken at 100 to 1000 times by a method based on JISB0601: 1994. The surface roughness Ra 1 of the metal substrate was calculated using the contour curve tracing the interface between the metal substrate and the Cr 2 O 3 layer or voids (pores). Surface roughness of the Cr 2 O 3 layer Ra 2 was calculated from the outline curve tracing the interface between the Cr 2 O 3 layer and the protective layer or voids (pores).
保護層の粗さRa 3
レーザー顕微鏡(例えばOlympus OLS4000)を用い、作製したサンプルの保護層の表面を100〜1000倍で撮影し、プロファイルを得た。このプロファイルからJISB0601:1994に準拠した方法にて、算術平均粗さRaを算出し、これを保護層の粗さRa3とした。
Protective layer roughness Ra 3
Using a laser microscope (for example, Olympus OLS4000), the surface of the protective layer of the prepared sample was photographed at a magnification of 100 to 1000 to obtain a profile. The arithmetic mean roughness Ra was calculated from this profile by a method based on JISB0601: 1994, and this was designated as the roughness Ra 3 of the protective layer.
Cr 2 O 3 層の厚みd 2 および保護層の厚みd 3
各サンプルから保護層、Cr2O3層、金属基材を含めるように切り出し、樹脂埋めしたものを研磨した後、SEM(Scanning Electron Microscope)を用い観察した。100〜1000倍で撮影し、SEM画像を得た。Cr2O3層の膜厚d2は、得られたSEM画像から、Cr2O3層の表面から金属基材までの最短距離を3点測定し、平均値を取ったものをCr2O3層2の膜厚d2とした。保護層の膜厚d3は、得られた画像から、保護層の表面からCr2O3層2までの最短距離を3点測定し、平均値を取ったものを保護層の膜厚d3とした。
Cr 2 O 3 layer thickness d 2 and protective layer thickness d 3
Protective layer from each sample, Cr 2 O 3 layer, cut to include a metal substrate, after polishing the those buried resin, was observed with SEM (Scanning Electron Microscope). The image was taken at 100 to 1000 times to obtain an SEM image. Cr 2 O 3 layer thickness d 2 of, from the obtained SEM image was measured three points the shortest distance from the surface of the Cr 2 O 3 layer to the metal substrate, those taking the average value Cr 2 O three
(評価)
作製した集電部材の表面である保護層の表面を実体顕微鏡にて10倍で観察し、表面クラックの有無およびCr2O3層の露出の有無を評価した。結果を表2に示す。
・表面クラック
有り:1つでもクラックがあるもの
無し:クラックが無いもの
・Cr2O3層の露出
有り:1ヶ所でも露出している部分があるもの
無し:露出している部分が無いもの
(evaluation)
The surface of the protective layer, which is the surface of the prepared current collector, was observed with a stereomicroscope at a magnification of 10 to evaluate the presence or absence of surface cracks and the presence or absence of exposure of the Cr 2 O 3 layer. The results are shown in Table 2.
・ Surface cracks: No cracks: No cracks ・ Cr 2 O 3 layer exposed: No exposed parts: No exposed parts
1 金属基材
2 Cr2O3層
3 保護層
10 集電部材
14 固体酸化物形燃料電池セルスタック
16 固体酸化物形燃料電池セルユニット
84 燃料電池セル
86 内側電極端子
88 燃料ガス流路
90 内側電極層
91 支持体
92 外側電極層
94 固体電解質
1
Claims (6)
前記金属基材の表面に形成されたCr2O3層と、
前記Cr2O3層の表面に形成された保護層と、を有する集電部材であって、
前記金属基材の表面粗さRa1と、前記Cr2O3層の表面粗さRa2と、前記保護層の表面粗さRa3の関係が、Ra1≦Ra3≦Ra2であり、
前記保護層の厚みd3が1μm以上、23μm以下であり、
前記Cr2O3層の厚みd2が0.05μm以上、2.2μm以下である、集電部材。 With a metal substrate containing chromium,
And Cr 2 O 3 layer was made form the surface of the metal substrate,
A current collector having a protective layer formed on the surface of the Cr 2 O 3 layer.
Wherein a surface roughness Ra 1 of the metal substrate, the surface roughness Ra 2 of the Cr 2 O 3 layer, the relationship between the surface roughness Ra 3 of the protective layer is a Ra 1 ≦ Ra 3 ≦ Ra 2 ,
The thickness d 3 of the protective layer is 1 μm or more and 23 μm or less.
A current collector having a Cr 2 O 3 layer thickness d 2 of 0.05 μm or more and 2.2 μm or less.
前記空気極には請求項1〜5のいずれか1項に記載の集電部材が電気的に接続されている固体酸化物形燃料電池セルユニット。 It has a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode.
A solid oxide fuel cell cell unit in which the current collecting member according to any one of claims 1 to 5 is electrically connected to the air electrode.
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