JP2008077913A - Inter-connector for fuel cell and cell stack - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は燃料電池,特に固体電解質型燃料電池に使用される燃料電池用インターコネクタ及びこれを使用した燃料電池用セルスタックに関する。 The present invention relates to a fuel cell interconnector used for a fuel cell, in particular, a solid oxide fuel cell, and a cell stack for a fuel cell using the same.
代表的な燃料電池の一つとして、固体酸化物型燃料電池〔SOFC(Solid Oxide Fuel Cells)〕がある。この燃料電池では、通常、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)などの焼結体からなる薄く脆い固体電解質層の一方の表面に燃料電極層を形成し、他方の表面に空気電極層を形成した3層構造の積層体が、単電池セルとして使用される。燃料電極としてはNiとYSZのサーメット、空気電極としてはランタンストロンチウムマンガナイト(LSM)などが使用される。いずれも多孔質の焼結体である。 One typical fuel cell is a solid oxide fuel cell (SOFC). In this fuel cell, normally, a fuel electrode layer is formed on one surface of a thin and brittle solid electrolyte layer made of a sintered body such as yttria stabilized zirconia (YSZ), and an air electrode layer is formed on the other surface. A laminated body having a structure is used as a single battery cell. Ni and YSZ cermet are used as the fuel electrode, and lanthanum strontium manganite (LSM) is used as the air electrode. Both are porous sintered bodies.
この単電池セルは、起電力が1V以下と低いために、通常は複数枚を厚み方向へ積層し、直列に接続して使用される。より具体的には、単電池セルの両面側に反応空間が形成されるように、単電池セルを間に挟みながらインターコネクタを板厚方向へ積層することにより、セルスタックが構成される。セルスタックは炉内に収容され、800〜1000℃という高温で運転される。 Since this single battery cell has an electromotive force as low as 1 V or less, it is usually used by stacking a plurality of sheets in the thickness direction and connecting them in series. More specifically, the cell stack is configured by stacking interconnectors in the thickness direction while sandwiching the unit cells so that reaction spaces are formed on both sides of the unit cells. The cell stack is housed in a furnace and operated at a high temperature of 800-1000 ° C.
インターコネクタは、電池セルを電気的に直列接続する導電板であると共に、燃料ガスと酸化ガスを分離するセパレータ板であり、優れた電気伝導性及び耐熱性を求められる。これらの観点から、インターコネクタの材質にはFe−Cr合金、特に耐熱性が高く熱膨張係数が比較的小さいフェライト系ステンレス鋼が多用されており、両表面には隣接する単電池セルとの間に反応空間を形成するためのガス分配溝が形成されている。 The interconnector is a conductive plate that electrically connects battery cells in series and is a separator plate that separates fuel gas and oxidizing gas, and is required to have excellent electrical conductivity and heat resistance. From these viewpoints, Fe-Cr alloy, especially ferritic stainless steel with high heat resistance and comparatively low thermal expansion coefficient, is often used as the material of the interconnector, and both surfaces are adjacent to adjacent battery cells. A gas distribution groove for forming a reaction space is formed.
燃料電池の運転では、炉内を運転温度に予熱後、炉内のセルスタックの中心部に水素リッチの燃料ガスと空気などの酸化ガスを供給する。セルスタック内に供給された燃料ガスは、単電池セルの一面側に形成された燃料電極側の反応空間を中心部から外周部へ流通する。また酸化ガスは、単電池セルの他面側に形成された空気電極側の反応空間を中心部から外周部へ流通する。こうして各単電池セルを挟んで両ガスが中心部から外周部へ流通することにより、各単電池セルで発電が行なわれる。運転温度は前述したとおり800〜1000℃である。 In the operation of the fuel cell, after preheating the inside of the furnace to the operating temperature, a hydrogen-rich fuel gas and an oxidizing gas such as air are supplied to the center of the cell stack in the furnace. The fuel gas supplied into the cell stack flows from the central part to the outer peripheral part in the reaction space on the fuel electrode side formed on one surface side of the unit cell. Moreover, oxidizing gas distribute | circulates from the center part to the outer peripheral part in the reaction space by the side of the air electrode formed in the other surface side of the single battery cell. In this way, both gases circulate from the central part to the outer peripheral part across each single battery cell, whereby electric power is generated in each single battery cell. The operating temperature is 800 to 1000 ° C. as described above.
このような構成になる従来の燃料電池では、そのセルスタックのインターコネクタに起因して次のような問題がある。 The conventional fuel cell having such a configuration has the following problems due to the interconnector of the cell stack.
セルスタックのインターコネクタがフェライト系ステンレス鋼等のFe−Cr合金であると、電池セルの空気電極側の反応空間を高温の加湿空気が流通することから、インターコネクタの空気電極側の表面に酸化スケール〔主にクロミア(Cr2 O3 )〕が形成される。この酸化スケールは優れた耐熱性を有し、インターコネクタを高温から保護すると共に、電気伝導度も比較的高く、電池セルの電気的な接続を阻害しない。酸化スケールの電気導電性が高いことも、Fe−Cr合金がインターコネクタに使用される大きな理由の一つである。 When the interconnector of the cell stack is an Fe-Cr alloy such as ferritic stainless steel, high-temperature humidified air flows through the reaction space on the air electrode side of the battery cell, so that the surface of the interconnector on the air electrode side is oxidized. A scale [mainly chromia (Cr 2 O 3 )] is formed. This oxide scale has excellent heat resistance, protects the interconnector from high temperatures, has a relatively high electrical conductivity, and does not hinder the electrical connection of the battery cells. The high electrical conductivity of the oxide scale is one of the major reasons why Fe—Cr alloys are used for interconnectors.
しかしながら、その酸化スケールの主体をなすクロミア(Cr2 O3 )からCrO3 、CrO2 (OH)2 などのクロム化合物からなるクロム蒸気が発生する。これらのクロム蒸気〔CrO3 (g)、CrO2 (OH)2 (g)〕は、空気電極層の側に高抵抗のSrCrO4 等として析出し、徐々に電池特性を低下させる原因になる。クロム蒸気による電池性能の低下はクロム被毒と呼ばれており、インターコネクタにFe−Cr合金を用いる場合に解決しなければならない問題の一つである。 However, chromium vapor composed of chromium compounds such as CrO 3 and CrO 2 (OH) 2 is generated from chromia (Cr 2 O 3 ), which is the main component of the oxide scale. These chromium vapors [CrO 3 (g), CrO 2 (OH) 2 (g)] are deposited on the air electrode layer side as high-resistance SrCrO 4 or the like, and gradually deteriorate the battery characteristics. The decrease in battery performance due to chromium vapor is called chromium poisoning, and is one of the problems that must be solved when an Fe—Cr alloy is used for an interconnector.
この問題を解決するために、フェライト系ステンレス鋼等のFe−Cr合金からなるインターコネクタの表面に各種の化合物をコーティングすることは広く一般に行われている。Fe−Cr合金母材の表面に緻密なコーティング層が形成されれば、母材からのクロム蒸気の発生を効果的に抑制することができる。 In order to solve this problem, coating various compounds on the surface of an interconnector made of an Fe—Cr alloy such as ferritic stainless steel is widely performed. If a dense coating layer is formed on the surface of the Fe—Cr alloy base material, generation of chromium vapor from the base material can be effectively suppressed.
そして、そのコーティング技術の一つとして、ペロブスカイト型複合酸化物の緻密層をFe−Cr合金母材の表面に形成することは、例えば特許文献1により公知である。また、運転環境下で(Mn,Cr)3 O4 などのスピネル型複合酸化物の被覆層を表面に形成するFe−Cr合金(SUS430など)も開発されている。更に又、(Mn,Co)3 O4 などのCrを含まないスピネル型複合酸化物をFe−Cr合金母材の表面にコーティングする対策も知られている。 As one of the coating techniques, for example, Patent Document 1 discloses that a dense layer of a perovskite complex oxide is formed on the surface of an Fe—Cr alloy base material. In addition, an Fe—Cr alloy (such as SUS430) that forms a coating layer of a spinel type complex oxide such as (Mn, Cr) 3 O 4 on the surface in an operating environment has also been developed. Furthermore, a countermeasure is also known in which the surface of the Fe—Cr alloy base material is coated with a spinel type complex oxide not containing Cr such as (Mn, Co) 3 O 4 .
これらの従来対策を比較した場合、スピネル型複合酸化物の被覆層は、酸化雰囲気中での母材加熱や金属コーティング後の酸化雰囲気中での加熱により、容易に形成することができる。また、電気伝導度も良好で、クロミア(Cr2 O3 )より高いものさえある。しかし、母材がクロムを含む限り、使用過程で母材と被覆層の界面にクロミア(Cr2 O3 )が生成し、クロム被毒による電池性能の低下が避けられない。 When these conventional measures are compared, the spinel composite oxide coating layer can be easily formed by heating the base material in an oxidizing atmosphere or heating in an oxidizing atmosphere after metal coating. It also has good electrical conductivity, even higher than chromia (Cr 2 O 3 ). However, as long as the base material contains chromium, chromia (Cr 2 O 3 ) is generated at the interface between the base material and the coating layer in the course of use, and a decrease in battery performance due to chromium poisoning is inevitable.
一方、ペロブスカイト型複合酸化物は、スピネル型複合酸化物と比べると結晶構造において隙間が多く、イオンが拡散しやすいために、電気伝導度が良好であり、固体電解質型燃料電池における電極材料として多用されている。しかし、インターコネクタの母材表面に緻密な被覆層を形成するためには、電子ビーム蒸着、プラズマ溶射等による特別な成膜操作が必要であり、被覆層形成コストが嵩む。また膜厚を大きくするのが困難であり、使用過程で被覆層の剥離が生じ、クロム被毒が発生する問題がある。また、被覆層の剥離が生じずとも、母材がクロムを含む限り、使用過程で母材と被覆層の界面にクロミア(Cr2 O3 )が生成する危険性があり、剥離の有無に関係なくクロム被毒の問題は依然として残る。クロム被毒の問題は、スピネル型複合酸化物と比べて結晶密度が低く、隙間が多いため、より顕著である。 On the other hand, perovskite-type composite oxides have many gaps in the crystal structure compared to spinel-type composite oxides, and ions are easily diffused, so that electric conductivity is good, and they are widely used as electrode materials in solid oxide fuel cells. Has been. However, in order to form a dense coating layer on the surface of the interconnector base material, a special film forming operation such as electron beam vapor deposition or plasma spraying is required, which increases the cost of forming the coating layer. Further, it is difficult to increase the film thickness, and there is a problem that the coating layer is peeled off during the use process and chromium poisoning occurs. Even if the coating layer does not peel off, as long as the base material contains chromium, there is a risk that chromia (Cr 2 O 3 ) is generated at the interface between the base material and the coating layer in the course of use. The problem of chromium poisoning remains. The problem of chromium poisoning is more conspicuous because the crystal density is lower than that of the spinel complex oxide and there are many gaps.
本発明の目的は、固体電解質型燃料電池におけるクロム被毒を、長期間安定して抑制できる燃料電池用インターコネクタ、及びそのインターコネクタを使用することにより長期間安定した電池性能を発揮できる燃料電池用セルスタックを提供することにある。 An object of the present invention is to provide a fuel cell interconnector capable of stably suppressing chromium poisoning in a solid oxide fuel cell for a long period of time, and a fuel cell capable of exhibiting stable cell performance for a long period of time by using the interconnector. It is to provide a cell stack.
上記目的を達成するために、本発明者は固体電解質型燃料電池におけるインターコネクタの材質として純Ni、Ni基合金及びFe−Ni合金に着目した。これらのNi系金属材料は、耐熱性に優れることから一部ではインターコネクタの材質として考えられている。しかし、実際にはインターコネクタに使用されていない。それは、Ni母材の表面に形成される酸化スケールの電気導電性が低く、インターコネクタとしての基本性能が欠如する(セル電圧が定格に達しない)ことによる。この酸化スケールは、主に酸化ニッケル(NiO)である。 In order to achieve the above object, the present inventor has paid attention to pure Ni, a Ni-based alloy, and a Fe—Ni alloy as a material for an interconnector in a solid oxide fuel cell. These Ni-based metallic materials are considered as interconnector materials in part because of their excellent heat resistance. However, it is not actually used for an interconnector. This is because the oxide scale formed on the surface of the Ni base material has low electrical conductivity and lacks basic performance as an interconnector (cell voltage does not reach the rating). This oxide scale is mainly nickel oxide (NiO).
しかしながら、Ni系金属は、Crを含まなくても優れた耐熱性を発揮することができるのは事実である。また、Crが排除されることにより、クロム被毒の問題を根幹から解決することができる。このような可能性を重視して、本発明者はCrを含まない純NiやNi基合金、Fe−Ni合金をインターコネクタの母材とし、その母材で問題となる酸化スケールの電気導電性の低さをコーティング技術で解決することを企画し、様々な方面から多角的に実験、検討を行った。その結果、Crを含まないNi系金属からなる母材表面に特定のスピネル型複合酸化物を被覆層として形成するのが有効ことを、本発明者は知見した。 However, it is a fact that Ni-based metals can exhibit excellent heat resistance even without containing Cr. Further, by eliminating Cr, the problem of chromium poisoning can be solved fundamentally. Emphasizing this possibility, the present inventor made pure Ni, Ni-based alloy, and Fe-Ni alloy containing no Cr as the base material of the interconnector, and the electrical conductivity of the oxide scale, which is a problem with the base material. We planned to solve this lowness with coating technology, and conducted experiments and examinations from various perspectives. As a result, the present inventor has found that it is effective to form a specific spinel-type composite oxide as a coating layer on the surface of a base material made of a Ni-based metal not containing Cr.
本発明の燃料電池用インターコネクタは、かかる知見を基礎として完成されたものであり、固体電解質型燃料電池に使用されるインターコネクタであって、純Ni若しくはCrを含まないNi基合金又はFe−Ni合金を母材とし、当該母材の表面、好ましくは単電池セルの燃料電極層との対向面及び空気電極層との対向面に、金属元素としてCo、Cu、Mnの少なくとも1種、及びNiを含むスピネル型複合酸化物からなる被覆層を有する。 The fuel cell interconnector according to the present invention has been completed on the basis of such knowledge, and is an interconnector used for a solid oxide fuel cell, which does not contain pure Ni or Cr, or an Fe-based alloy or Fe- Ni alloy as a base material, at least one of Co, Cu, Mn as a metal element on the surface of the base material, preferably the face facing the fuel electrode layer of the unit cell and the face facing the air electrode layer, and It has a coating layer made of a spinel complex oxide containing Ni.
また、本発明の燃料電池用セルスタックは、固体電解質層の一方の表面に燃料電極層が形成され、他方の表面に空気電極層が形成された単電池セルを間に挟みながら、前記インターコネクタを板厚方向へ積層することにより形成されている。 The cell stack for a fuel cell according to the present invention includes the interconnector while sandwiching a single battery cell in which a fuel electrode layer is formed on one surface of a solid electrolyte layer and an air electrode layer is formed on the other surface. Are laminated in the thickness direction.
Co、Cu、Mnの少なくとも1種、及びNiを含むスピネル型複合酸化物からなる被覆層は、第1に、例えば母材表面にCo、Cu、Mnの少なくとも1種からなる金属を電解メッキ、無電解メッキ等により被覆し、酸化性雰囲気中で加熱処理することにより簡単に形成することができる。第2に、金属の電解メッキ、無電解メッキ等によると、その層厚を簡単に厚くすることができ、耐久性を高めることができる。 The coating layer made of a spinel complex oxide containing at least one of Co, Cu, and Mn and Ni is first electroplated with, for example, a metal made of at least one of Co, Cu, and Mn on the surface of the base material. It can be easily formed by coating with electroless plating or the like and heat-treating in an oxidizing atmosphere. Secondly, according to electrolytic plating or electroless plating of metal, the layer thickness can be easily increased, and durability can be enhanced.
第3に、そのスピネル型複合酸化物はp型半導体の特性を示し、特に複数の原子価をもつ遷移金属のスピネル型複合酸化物となるため、ホッピング伝導機構により高い電気伝導性を示し、ペロブスカイト型複合酸化物と比べてイオンが拡散しにくいとはいえ、NiOと比べると格段に高い電気電導性を示す。第4に、スピネル型複合酸化物は又、結晶構造が酸素の最密充填構造で、密度的に極めて緻密な結晶構造であるため、ペロブスカイト型複合酸化物と比べて酸化物イオン(酸素イオン)、Niイオン、Coイオンが拡散しにくい。このため母材との反応性が低く、界面におけるNi系酸化スケールの生成が抑制される。しかも、この界面に形成される酸化スケールは、p型半導体の特性を示すスピネル型酸化物となるため、NiOより電気伝導度が良好である。これらのため、前記スピネル型複合酸化物は、インターコネクタの被覆層に適用して単電池セルの電気的接続を阻害しない。 Third, the spinel complex oxide exhibits the characteristics of a p-type semiconductor, and in particular, it becomes a spinel complex oxide of a transition metal having a plurality of valences. Therefore, the spinel complex oxide exhibits high electrical conductivity by a hopping conduction mechanism, and perovskite. Although it is difficult for ions to diffuse as compared with the type complex oxide, it exhibits much higher electrical conductivity than NiO. Fourth, since the spinel type complex oxide has a close-packed structure of oxygen and an extremely dense crystal structure in terms of density, the oxide ion (oxygen ion) compared to the perovskite type complex oxide. Ni ions and Co ions are difficult to diffuse. For this reason, the reactivity with a base material is low, and the production | generation of the Ni-type oxide scale in an interface is suppressed. In addition, since the oxide scale formed at this interface is a spinel oxide showing the characteristics of a p-type semiconductor, the electrical conductivity is better than that of NiO. For these reasons, the spinel complex oxide is applied to the coating layer of the interconnector and does not hinder the electrical connection of the single battery cell.
第5に、被覆層の耐熱性に優れ、燃料電池の過酷な運転環境から母材を保護する。そして第6に、母材がCrを含まないことから、単電池セルの空気電極側において、母材と被覆層との界面におけるクロミア(Cr2 O3 )の生成がなく、クロム被毒を生じる危険が皆無である。 Fifth, the heat resistance of the coating layer is excellent, and the base material is protected from the harsh operating environment of the fuel cell. Sixth, since the base material does not contain Cr, chromia (Cr 2 O 3 ) is not generated at the interface between the base material and the coating layer on the air electrode side of the single battery cell, resulting in chromium poisoning. There is no danger.
すなわち、Fe−Cr合金の表面にスピネル型複合酸化物の被覆層を形成した場合、界面に形成される酸化スケールはクロム被毒等の問題を生じる。これに対し、純Ni若しくはCrを含まないNi基合金又はFe−Ni合金の表面にスピネル型複合酸化物の被覆層を形成した場合、界面に形成される酸化スケールによる問題(クロム被毒、電気伝導度の低下等)は生じない。 That is, when a spinel-type composite oxide coating layer is formed on the surface of the Fe—Cr alloy, the oxide scale formed at the interface causes problems such as chromium poisoning. On the other hand, when a spinel-type composite oxide coating layer is formed on the surface of pure Ni or Cr-free Ni-based alloy or Fe-Ni alloy, problems due to oxide scale formed at the interface (chromium poisoning, electrical No decrease in conductivity occurs.
本発明のインターコネクタにおける母材の材質は、純Ni若しくはCrを含まないNi基合金又はFe−Ni合金である。Ni基合金におけるNi含有量は60重量%以上が好ましい。なぜなら、燃料電池に必要な耐熱性、耐食性を確保するためである。Ni以外の含有元素として好適なのはMo、Fe、Co、Cuなどである。典型的なNi基合金はパーマロイである。なお、これらの母材金属において、クロム被毒の原因にならない程度の微量のCrの含有は許容される。具体的には1重量%以下である。 The material of the base material in the interconnector of the present invention is a Ni-based alloy or Fe—Ni alloy that does not contain pure Ni or Cr. The Ni content in the Ni-based alloy is preferably 60% by weight or more. This is to ensure the heat resistance and corrosion resistance necessary for the fuel cell. Suitable elements other than Ni include Mo, Fe, Co, and Cu. A typical Ni-based alloy is permalloy. It should be noted that these base metals can contain a trace amount of Cr that does not cause chromium poisoning. Specifically, it is 1% by weight or less.
母材表面に被覆形成されるスピネル型複合酸化物は、例えば化学式1にて表わされる。このスピネル型複合酸化物は、Ni以外の金属元素として少なくともCo、Cu、Mnの一種を含有しており、電気伝導性に優れ、化学的安定性にも優れることは前述したとおりである。 The spinel type complex oxide formed on the surface of the base material is represented by, for example, Chemical Formula 1. As described above, the spinel-type composite oxide contains at least one of Co, Cu, and Mn as a metal element other than Ni, and has excellent electrical conductivity and chemical stability.
Co、Cu、Mn以外に含有可能な金属元素としては、例えばFeなどを挙げることができる。 Examples of metal elements that can be contained in addition to Co, Cu, and Mn include Fe.
このようなスピネル型複合酸化物の被覆層は、次のようにして母材表面に形成することができる。まず、母材金属の表面にCo、Cu、Mnの各金属又は合金を被覆する。又はMO(M=Co、Cu、Mn)、M3 O4 (M=Co、Cu、Mn)といった酸化物を被覆する。或いはM(OH)2 (M=Co、Cu、Mn)といった水酸化物を被覆する。 Such a spinel-type composite oxide coating layer can be formed on the surface of the base material as follows. First, the surface of the base metal is coated with each metal or alloy of Co, Cu, and Mn. Alternatively, an oxide such as MO (M = Co, Cu, Mn) or M 3 O 4 (M = Co, Cu, Mn) is coated. Alternatively, a hydroxide such as M (OH) 2 (M = Co, Cu, Mn) is coated.
被覆方法としては、金属の場合は無電解メッキ法、電解メッキ法、PVD法、スピンコート法、スプレーコーティング法、スクリーン印刷法などを挙げることかできる。酸化物、水酸化物の場合は電気メッキ法、スピンコート法、スプレーコーティング法、スクリーン印刷法などを挙げることができる。 Examples of the coating method include electroless plating method, electrolytic plating method, PVD method, spin coating method, spray coating method, and screen printing method in the case of metal. In the case of oxides and hydroxides, electroplating, spin coating, spray coating, screen printing, and the like can be exemplified.
金属等の被覆を終えた母材は酸化性雰囲気中で加熱する。これにより被覆物が焼成乃至共焼成され、母材表面にスピネル型複合酸化物の被覆層が形成される。ここにおける加熱は、インターコネクタをセルスタックに組み上げた後の運転に先立つ予熱で兼用することかできるが、膜特性を上げるためにはセルスタックに組み上げる前のインターコネクタ単体の段階で専用加熱を行うのが好ましい。 The base material that has been coated with metal or the like is heated in an oxidizing atmosphere. As a result, the coating is fired or co-fired, and a spinel complex oxide coating layer is formed on the surface of the base material. Heating here can be combined with preheating prior to operation after assembling the interconnector into the cell stack, but in order to improve film characteristics, dedicated heating is performed at the stage of the interconnector alone before assembling into the cell stack. Is preferred.
加熱条件、加熱雰囲気としては、酸化性雰囲気での800℃以上、48時間以上が適当である。なぜなら、母材表面に形成された被覆層と母材との間で相互拡散するための温度及び時間を必要とするからである。 As heating conditions and heating atmosphere, 800 ° C. or higher and 48 hours or longer in an oxidizing atmosphere are appropriate. This is because a temperature and a time for interdiffusion between the coating layer formed on the surface of the base material and the base material are required.
スピネル型複合酸化物の被覆層の層厚は50μm以下が好ましい。なぜなら、母材との相互拡散による被覆層の減少等を考慮すると厚い方が好ましいが、厚くなり過ぎると、母材との熱膨張差による被覆層のクラックや剥離が発生するからである。下限については、前述した母材との相互拡散による被覆層の減少の観点から0.5μm以上が好ましい。特に好ましい層厚は、上限については20μm以下、下限については1μm以上である。 The thickness of the spinel complex oxide coating layer is preferably 50 μm or less. This is because a thicker layer is preferable in consideration of a decrease in the coating layer due to mutual diffusion with the base material, but cracking or peeling of the coating layer due to a difference in thermal expansion from the base material occurs when the thickness is too large. About a minimum, 0.5 micrometer or more is preferable from a viewpoint of the reduction | decrease of the coating layer by the mutual diffusion with the base material mentioned above. The particularly preferred layer thickness is 20 μm or less for the upper limit and 1 μm or more for the lower limit.
本発明の燃料電池用インターコネクタは、Crを含まないNi系金属母材の表面に、金属元素としてCo、Cu、Mnの少なくとも1種、及びNiを含むスピネル型複合酸化物からなる被覆層が形成されていることにより、ガスセパレーターに要求される高い耐熱性を示すと共に、単電池セルの電気的接続に支障のない電気伝導性を示し、なおかつクロム被毒による電池性能の低下を長期間にわたって安定的に阻止することができる。 The fuel cell interconnector of the present invention has a coating layer made of a spinel complex oxide containing Ni, at least one of Co, Cu, and Mn as metal elements, on the surface of a Ni-based metal base material that does not contain Cr. By being formed, it exhibits the high heat resistance required for gas separators, electric conductivity that does not hinder the electrical connection of single battery cells, and deterioration in battery performance due to chromium poisoning over a long period of time. It can be stably prevented.
また本発明の燃料電池用セルスタックは、単電池セルを間に挟みながら本発明のインターコネクタを板厚方向へ積層した構成を採用することにより、機械強度面での耐久性に優れ、しかもクロム被毒による電池性能の低下のない安定な性能を長期間にわたって発揮し続けることができる。 In addition, the fuel cell stack of the present invention employs a structure in which the interconnectors of the present invention are laminated in the plate thickness direction with a single battery cell sandwiched therebetween, thereby providing excellent durability in terms of mechanical strength and chromium. Stable performance without deterioration of battery performance due to poisoning can be continued for a long period of time.
以下に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図1は本発明の一実施形態を示す燃料電池用セルスタックの模式縦断面図である。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic longitudinal sectional view of a fuel cell stack showing one embodiment of the present invention.
本発明のインターコネクタ10は、固体電解質型燃料電池のセルスタックに使用される。セルスタックは、円板状の単電池セル20を間に挟みながら、同じく円板状のインターコネクタ10を板厚方向に積層することにより構成されている。 The interconnector 10 of the present invention is used for a cell stack of a solid oxide fuel cell. The cell stack is configured by laminating the disk-shaped interconnectors 10 in the thickness direction while sandwiching the disk-shaped single battery cells 20 therebetween.
単電池セル20は、固体電解質層21の一方の表面に燃料電極層22が積層され、他方の表面に空気電極層23が積層された3層構造の薄い円板である。固体電解質層21は例えばYSZからなり、その厚みは5〜30μmである。YSZの熱膨張係数は後述のサーメットより小さい約10×10-6K-1である。燃料電極層22は、例えばNiとYSZのサーメットからなり、その厚みは0.5〜2mmである。サーメットの熱膨張係数はフェライト系ステンレス鋼と同じ約12×10-6K-1である。通常は固体電解質と燃料電極を同時に焼結する共焼結法が採用され、その焼結温度は1300℃前後である。空気電極層23は、例えばLSMからなり、その厚みは20〜50μmである。LSMの焼成温度は900℃程度、熱膨張係数は前記YSZと同等の約10×10-6K-1である。 The unit cell 20 is a thin disk having a three-layer structure in which a fuel electrode layer 22 is laminated on one surface of a solid electrolyte layer 21 and an air electrode layer 23 is laminated on the other surface. The solid electrolyte layer 21 is made of, for example, YSZ and has a thickness of 5 to 30 μm. The thermal expansion coefficient of YSZ is about 10 × 10 −6 K −1 smaller than cermet described later. The fuel electrode layer 22 is made of, for example, Ni and YSZ cermet and has a thickness of 0.5 to 2 mm. The thermal expansion coefficient of cermet is about 12 × 10 −6 K −1 which is the same as that of ferritic stainless steel. Usually, a co-sintering method in which the solid electrolyte and the fuel electrode are simultaneously sintered is employed, and the sintering temperature is around 1300 ° C. The air electrode layer 23 is made of, for example, LSM and has a thickness of 20 to 50 μm. The firing temperature of LSM is about 900 ° C., and the thermal expansion coefficient is about 10 × 10 −6 K −1 equivalent to YSZ.
単電池セル20の中心部には、燃料ガス及び酸化ガスをそれぞれ通過させるために2種類の貫通孔が設けられている。 Two types of through holes are provided in the central portion of the unit cell 20 in order to allow the fuel gas and the oxidizing gas to pass therethrough.
インターコネクタ10は、単電池セル20と同じ外径の金属円板であり、純Ni、Crを含まないNi基合金又はFe−Ni合金からなる。インターコネクタ10の中心部には、単電池セル20の貫通孔に対応する燃料ガス用及び酸化ガス用の各貫通孔が設けられている。インターコネクタ10の厚みは0.5〜2.5mmが好ましく、1.0〜2.0mmが特に好ましい。薄すぎると半径方向の熱伝導性の低下により温度勾配が生じ、インターコネクタの熱歪みや熱応力によるセル割れが生じる。反対に厚すぎる場合は材料費のコストアップやスタック容量の増加を招く。 The interconnector 10 is a metal disk having the same outer diameter as that of the single battery cell 20 and is made of Ni-based alloy or Fe—Ni alloy not containing pure Ni and Cr. At the center of the interconnector 10, fuel gas and oxidant gas through holes corresponding to the through holes of the unit cells 20 are provided. The thickness of the interconnector 10 is preferably 0.5 to 2.5 mm, particularly preferably 1.0 to 2.0 mm. If it is too thin, a temperature gradient is generated due to a decrease in thermal conductivity in the radial direction, and cell cracking due to thermal distortion or thermal stress of the interconnector occurs. On the other hand, if it is too thick, the material cost increases and the stack capacity increases.
インターコネクタ10は、積層された所定枚数の複数の単電池セル20を電気的に直列接続すると共に、単電池セル20の両面側に反応空間を形成するためのもので、エンドプレートを兼ねる両端のものを除き同じ構造である。両端のものを除くインターコネクタ10、すなわち2枚の単電池セル20,20に挟まれるインターコネクタ10は、単電池セル20の燃料電極側の表面に対向する表面に、燃料ガスを中心部の貫通孔から外周部へ拡散させながら流通させる燃料ガス用のガス分配溝11を有している。また、単電池セル10の空気電極側の表面に対向する表面には、空気等の酸化ガスを中心部の貫通孔から外周部へ拡散させながら流通させる酸化ガス用のガス分配溝12が設けられている。 The interconnector 10 is used to electrically connect a plurality of stacked unit battery cells 20 in series and to form reaction spaces on both sides of the battery cell 20. It is the same structure except for things. The interconnector 10 excluding those at both ends, that is, the interconnector 10 sandwiched between the two unit cells 20, 20 penetrates the fuel gas through the center of the unit cell 20 on the surface facing the fuel electrode side surface. It has a gas distribution groove 11 for fuel gas that circulates while being diffused from the hole to the outer periphery. Further, a gas distribution groove 12 for oxidizing gas is provided on the surface of the single battery cell 10 facing the air electrode side surface to allow the oxidizing gas such as air to flow while diffusing from the through hole in the central portion to the outer peripheral portion. ing.
両端のインターコネクタ10,10の一方は、単電池セル20の燃料電極側の表面に接触し、その表面には、燃料ガスを中心部の貫通孔から外周部へ拡散させながら流通させる燃料ガス用のガス分配溝11が設けられている。他方は単電池セル20の空気電極側の表面に接触し、その表面には、酸化ガスを中心部の貫通孔から外周部へ拡散させながら流通させる酸化ガス用のガス分配溝12が設けられている。 One of the interconnectors 10 and 10 at both ends is in contact with the surface of the unit cell 20 on the fuel electrode side, and on the surface, the fuel gas is circulated while diffusing from the central through hole to the outer periphery. Gas distribution grooves 11 are provided. The other is in contact with the surface of the unit cell 20 on the air electrode side, and the surface is provided with a gas distribution groove 12 for oxidizing gas that circulates while diffusing the oxidizing gas from the central through hole to the outer periphery. Yes.
各インターコネクタ10の両表面には、(Co,Ni)3 O4 、(Mn,Ni)3 O4 、(Cu,Ni)3 O4 などで示されるスピネル型複合酸化物の被覆層13が形成されている。この被覆層13は、インターコネクタ10の母材であるNi系金属の表面にCo、Mn、Cuなどを電解メッキ又は無電解メッキした後、その母材を高温酸化性雰囲気下に保持することにより形成されている。被覆層13の厚みは50μm以下である。 On both surfaces of each interconnector 10, a spinel-type composite oxide coating layer 13 represented by (Co, Ni) 3 O 4 , (Mn, Ni) 3 O 4 , (Cu, Ni) 3 O 4, or the like is formed. Is formed. The coating layer 13 is formed by electrolytically or electrolessly plating Co, Mn, Cu, or the like on the surface of a Ni-based metal that is a base material of the interconnector 10, and then holding the base material in a high-temperature oxidizing atmosphere. Is formed. The thickness of the coating layer 13 is 50 μm or less.
この被覆層13は、隣接する2つの単電池セル20,20間に配置されるインターコネクタ10においては、それらの単電池セル20,20を電気的に接続する必要から両表面に必要であるが、一方の表面のみを単電池セル20に対向させる両端のインターコネクタ10,10においては、ガス分配溝11,12が設けられる対向面にのみ設ければよく、必ずしも両面に設ける必要はない。 In the interconnector 10 disposed between two adjacent unit cells 20, 20, the coating layer 13 is necessary on both surfaces because it is necessary to electrically connect the unit cells 20, 20. In the interconnectors 10 and 10 at both ends where only one surface is opposed to the unit cell 20, it is only necessary to provide it on the opposing surfaces where the gas distribution grooves 11 and 12 are provided, and it is not always necessary to provide them on both surfaces.
そしてセルスタックは、所定枚数のインターコネクタ10,10・・を、各間に単電池セル20を挟みながら積み重ね、図示されない連結ロッドなどで固定することにより構成されている。 The cell stack is configured by stacking a predetermined number of interconnectors 10, 10,... With the single battery cells 20 sandwiched therebetween, and fixing them with a connecting rod (not shown).
こうして組み立てられたセルセルスタックの特徴は以下のとおりである。 The characteristics of the cell cell stack assembled in this way are as follows.
セルスタックを図示されない炉内で運転温度に予熱し、単電池セル20の燃料電極22と燃料電極側のインターコネクタ10との間に水素リッチの燃料ガスを中心部から外周部へむけて流通させると共に、単電池セル20の空気電極23と空気電極側のインターコネクタ10との間に空気などの酸化ガスを中心部から外周部へむけて流通させる。これにより各単電池セル20で発電が行われる。各単電池セル20はインターコネクタ10により直列に接続されている。運転温度は例えば800℃である。 The cell stack is preheated to an operating temperature in a furnace (not shown), and hydrogen-rich fuel gas is circulated from the central part to the outer peripheral part between the fuel electrode 22 of the unit cell 20 and the interconnector 10 on the fuel electrode side. At the same time, an oxidizing gas such as air is circulated from the central portion to the outer peripheral portion between the air electrode 23 of the single battery cell 20 and the interconnector 10 on the air electrode side. As a result, power is generated in each single battery cell 20. Each single battery cell 20 is connected in series by an interconnector 10. The operating temperature is, for example, 800 ° C.
ここで、インターコネクタ10は純Ni、Crを含まないNi基合金又はFe−Ni合金からなる。これらの金属は耐熱性に優れると共に、それ自体の電気伝導度が高いために、隣接する単電池セル20,20間でガスセパレーター及び電気的接続部材として機能する。特に、各インターコネクタ10においては、単電池セル20の燃料電極側の表面及び空気電極側の表面に(Co,Ni)3 O4 、(Mn,Ni)3 O4 、(Cu,Ni)3 O4 などで示されるスピネル型複合酸化物の被覆層が形成されている。 Here, the interconnector 10 is made of Ni-based alloy or Fe—Ni alloy not containing pure Ni and Cr. Since these metals are excellent in heat resistance and have high electrical conductivity, they function as gas separators and electrical connection members between adjacent unit cells 20 and 20. In particular, in each interconnector 10, (Co, Ni) 3 O 4 , (Mn, Ni) 3 O 4 , (Cu, Ni) 3 are formed on the surface of the unit cell 20 on the fuel electrode side and on the air electrode side. A spinel-type complex oxide coating layer such as O 4 is formed.
この被覆層が存在しないと、燃料電池の運転温度でインターコネクタ10の表面に酸化スケールが形成される。この酸化スケールは電気伝導性が悪く、電圧降下による電池性能の低下を引き起こす。しかるに、前記セルスタックにおいては、インターコネクタ10の表面に(Co,Ni)3 O4 などで示されるスピネル型複合酸化物の被覆層13が形成されている。この被覆層13は前記酸化スケールと比べて電気伝導度が高く、電圧降下による電池性能の低下を生じない。また、インターコネクタ10の母材からも被覆層13からもCrが排除されているために、単電池セル20の空気電極側においてクロム被毒が生じない。更に、被覆層13は緻密で安定性が高いために、母材と被覆層13との界面におけるイオンの拡散が生じにくい。このため界面における酸化スケールの発生が抑制される。そして、単電池セル20の空気電極側においてクロム被毒が生じないこと、及び燃料電極側及び空気電極側の界面において高抵抗の酸化スケールの発生が抑制されることにより、電池性能の経時的な低下が回避され、長期間安定な電池性能が維持される。 Without this coating layer, an oxide scale is formed on the surface of the interconnector 10 at the operating temperature of the fuel cell. This oxide scale has poor electrical conductivity and causes a decrease in battery performance due to a voltage drop. However, in the cell stack, a coating layer 13 of a spinel-type complex oxide indicated by (Co, Ni) 3 O 4 or the like is formed on the surface of the interconnector 10. The covering layer 13 has higher electrical conductivity than the oxide scale, and does not cause deterioration of battery performance due to voltage drop. Further, since Cr is excluded from both the base material of the interconnector 10 and the covering layer 13, chromium poisoning does not occur on the air electrode side of the single battery cell 20. Furthermore, since the coating layer 13 is dense and highly stable, ion diffusion hardly occurs at the interface between the base material and the coating layer 13. For this reason, generation | occurrence | production of the oxide scale in an interface is suppressed. In addition, since the chromium poisoning does not occur on the air electrode side of the unit cell 20 and the generation of high-resistance oxide scale at the interface between the fuel electrode side and the air electrode side is suppressed, A decrease is avoided, and stable battery performance is maintained for a long time.
図2は本発明のインターコネクタを使用した燃料電池の電池性能を他のインターコネクタを使用した燃料電池の電池性能と比較して示したグラフである。 FIG. 2 is a graph showing the cell performance of a fuel cell using the interconnector of the present invention compared with the cell performance of a fuel cell using another interconnector.
図2の縦軸は燃料電池における単電池セル電圧、横軸は運転時間であり、両者の関係を、本発明のインターコネクタを使用した燃料電池、Fe−Cr合金からなるインターコネクタを使用した燃料電池、純Niからなる無被覆のインターコネクタを使用した燃料電池について示している。 The vertical axis in FIG. 2 is the unit cell voltage in the fuel cell, and the horizontal axis is the operating time. The relationship between the two is the fuel cell using the interconnector of the present invention, and the fuel using the interconnector made of Fe—Cr alloy. It shows a fuel cell using a battery and an uncoated interconnector made of pure Ni.
本発明のインターコネクタは、厚みが1.5mm、直径が120mmの純Niからなる円板状母材の両表面に(Co,Ni)3 O4 からなる厚みが5μmの被覆層を形成したものである。この被覆層は、純Niからなる円板状母材の両表面に無電解メッキによりCoを被覆し、その円板状母材を800℃×48時間の酸化性加熱雰囲気中に保持することにより形成した。Fe−Cr合金からなるインターコネクタは、(Mn,Cr)3 O4 からなるスピネル型複合酸化物の被覆層を運転環境で表面に形成するフェライト系ステンレス鋼(SUS430)により形成されている。純Niからなる無被覆のインターコネクタは、本発明のインターコネクタにおける母材と同じものである。 In the interconnector of the present invention, coating layers having a thickness of 5 μm made of (Co, Ni) 3 O 4 are formed on both surfaces of a disk-shaped base material made of pure Ni having a thickness of 1.5 mm and a diameter of 120 mm. It is. This coating layer is obtained by coating Co on both surfaces of a disk-shaped base material made of pure Ni by electroless plating and holding the disk-shaped base material in an oxidizing heating atmosphere at 800 ° C. for 48 hours. Formed. The interconnector made of Fe—Cr alloy is made of ferritic stainless steel (SUS430) that forms a coating layer of spinel type complex oxide made of (Mn, Cr) 3 O 4 on the surface in an operating environment. The uncoated interconnector made of pure Ni is the same as the base material in the interconnector of the present invention.
セルスタックは80枚の単電池セルを積層して構成されており、図示されない炉内に収容されて燃料電池を構成している。運転条件は各燃料電池間で同一とした。 The cell stack is configured by stacking 80 single battery cells, and is housed in a furnace (not shown) to form a fuel cell. The operating conditions were the same for each fuel cell.
図2から分かるように、純Niからなるインターコネクタを使用の場合、表面に形成される高抵抗の酸化スケールのため、運転開始当初よりセル電圧が低く、定格電圧(0.7V)に達しない。スピネル型複合酸化物の被覆層を運転環境で表面に形成するFe−Cr合金(SUS430)により形成されたインターコネクタを使用の場合、そのスピネル型複合酸化物の電気伝導性が良好なため、運転開始当初は定格を超えるセル電圧が得られる。しかし、運転が続くにつれてセル電圧が低下する。これは母材とスピネル型複合酸化物の界面にクロミア(Cr2 O3 )が生成し、これから発生したクロム蒸気が単電池セルの空気電極に移行し、空気電極で高抵抗のSrCrO4 が生じる、いわゆるクロム被毒を生じたためである。 As can be seen from FIG. 2, when using an interconnector made of pure Ni, the cell voltage is low from the beginning of operation and does not reach the rated voltage (0.7V) due to the high-resistance oxide scale formed on the surface. . In the case of using an interconnector formed of a Fe-Cr alloy (SUS430) that forms a coating layer of a spinel type complex oxide on the surface in an operating environment, the electrical conductivity of the spinel type complex oxide is good. Initially, a cell voltage exceeding the rating can be obtained. However, the cell voltage decreases as the operation continues. This is because chromia (Cr 2 O 3 ) is generated at the interface between the base material and the spinel-type complex oxide, and chromium vapor generated from the chromia is transferred to the air electrode of the unit cell, and high-resistance SrCrO 4 is generated at the air electrode. This is because of the so-called chromium poisoning.
これらに対し、純Niからなる母材の表面に(Co,Ni)3 O4 からなるスピネル型複合酸化物の被覆層を形成した本発明のインターコネクタを使用の場合、運転開始当初のセル電圧はFe−Cr合金(SUS430)製のインターコネクタ使用の場合よりも低い。これはNi系複合酸化物の電気伝導度がCr系複合酸化物の電気伝導度より若干低いことによる。しかし、母材からも被覆層からもCrが排除されているため、空気電極側におけるクロム被毒の原因となるCr系酸化スケール(クロミア)が生成されない。このため、クロム被毒によるセル電圧の経時的な低下が生じず、長時間の運転中、定格セル電圧が維持される。 On the other hand, when the interconnector of the present invention in which the coating layer of the spinel type complex oxide made of (Co, Ni) 3 O 4 is formed on the surface of the base material made of pure Ni, the cell voltage at the start of operation is used. Is lower than when using an interconnector made of Fe-Cr alloy (SUS430). This is because the electrical conductivity of the Ni-based composite oxide is slightly lower than that of the Cr-based composite oxide. However, since Cr is excluded from both the base material and the coating layer, Cr-based oxide scale (chromia) that causes chromium poisoning on the air electrode side is not generated. For this reason, the cell voltage does not decrease with time due to chromium poisoning, and the rated cell voltage is maintained during long-time operation.
10 インターコネクタ
11,12 ガス分配溝
13 被覆層
20 単電池セル
21 固体電解質層
22 燃料電極層
23 空気電極層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Interconnector 11,12 Gas distribution groove 13 Coating layer 20 Single battery cell 21 Solid electrolyte layer 22 Fuel electrode layer 23 Air electrode layer
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