JP2018206693A - Conductive member, electrochemical reaction unit and electrochemical reaction cell stack - Google Patents
Conductive member, electrochemical reaction unit and electrochemical reaction cell stack Download PDFInfo
- Publication number
- JP2018206693A JP2018206693A JP2017113331A JP2017113331A JP2018206693A JP 2018206693 A JP2018206693 A JP 2018206693A JP 2017113331 A JP2017113331 A JP 2017113331A JP 2017113331 A JP2017113331 A JP 2017113331A JP 2018206693 A JP2018206693 A JP 2018206693A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- coating layer
- layer
- electrochemical reaction
- power generation
- conductive member
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
Description
本明細書によって開示される技術は、導電性部材に関する。 The technique disclosed by this specification is related with an electroconductive member.
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1つとして、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発電単位(以下、「発電単位」という)は、燃料電池単セル(以下、「単セル」という)を備える。単セルは、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。 A solid oxide fuel cell (hereinafter referred to as “SOFC”) is known as one type of fuel cell that generates electricity using an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. A fuel cell power generation unit (hereinafter referred to as “power generation unit”), which is a constituent unit of SOFC, includes a fuel cell single cell (hereinafter referred to as “single cell”). The single cell includes an electrolyte layer and an air electrode and a fuel electrode facing each other in a predetermined direction (hereinafter referred to as “first direction”) with the electrolyte layer interposed therebetween.
発電単位は、また、単セルに対して上記第1の方向の一方側に配置され、FeとCrとを含有する金属(例えば、フェライト系ステンレス)により形成された導電性のインターコネクタを備える。インターコネクタは、空気極または燃料極に面するガス室を構成(区画)する。インターコネクタの表面上には、インターコネクタに含まれるCrが空気中の酸素と反応することにより、Cr酸化物(例えば、Cr2O3(クロミア))を含む酸化被膜層が形成される。 The power generation unit also includes a conductive interconnector disposed on one side of the first direction with respect to the single cell and formed of a metal (for example, ferritic stainless steel) containing Fe and Cr. The interconnector constitutes (compartments) a gas chamber facing the air electrode or the fuel electrode. On the surface of the interconnector, Cr contained in the interconnector reacts with oxygen in the air to form an oxide film layer containing Cr oxide (for example, Cr 2 O 3 (chromia)).
インターコネクタに含まれるCrが蒸散して単セルの電極に付着すると、電極における反応速度が低下する「Cr被毒」と呼ばれる現象が発生し、単セルの性能が低下するおそれがある。そのような単セルの性能低下を抑制するために、インターコネクタ(の表面上に形成された酸化被膜層)の表面上に、Co酸化物(例えば、MnCo2O4)を含む導電性の被覆層が形成された構成が知られている(例えば、特許文献1参照)。このような構成では、被覆層がインターコネクタからのCrの蒸散を抑制するため、電極のCr被毒による単セルの性能低下を抑制することができる。以下、インターコネクタと酸化被膜層と被覆層との積層体を、導電性部材という。 When Cr contained in the interconnector evaporates and adheres to the electrode of the single cell, a phenomenon called “Cr poisoning” in which the reaction rate at the electrode is reduced may occur, and the performance of the single cell may be reduced. In order to suppress such performance degradation of the single cell, a conductive coating containing Co oxide (for example, MnCo 2 O 4 ) on the surface of the interconnector (an oxide film layer formed on the surface of the interconnector) A structure in which a layer is formed is known (see, for example, Patent Document 1). In such a configuration, since the coating layer suppresses the transpiration of Cr from the interconnector, it is possible to suppress the deterioration of the performance of the single cell due to the Cr poisoning of the electrode. Hereinafter, the laminated body of an interconnector, an oxide film layer, and a coating layer is referred to as a conductive member.
発電単位は発電運転中に高温となるため、発電単位の運転に伴い、導電性部材中の酸化被膜層にうねりが生ずることがある。酸化被膜層にうねりが生ずると、その影響により、酸化被膜層の表面上に形成された被覆層における酸化被膜層に対向する表面とは反対側の表面にもうねりが生ずるおそれがある。被覆層の該表面にうねりが生ずると、例えば、導電性部材における被覆層により構成される表面上に配置されたシール部材との間の密着性が低下し、その結果、ガス室のガスシール性が低下して発電単位の性能が低下するおそれがある。 Since the power generation unit becomes a high temperature during the power generation operation, undulation may occur in the oxide film layer in the conductive member with the operation of the power generation unit. When waviness occurs in the oxide film layer, the influence may cause waviness on the surface of the coating layer formed on the surface of the oxide film layer opposite to the surface facing the oxide film layer. When waviness occurs on the surface of the coating layer, for example, the adhesion between the conductive member and the sealing member disposed on the surface constituted by the coating layer is lowered, and as a result, the gas sealing property of the gas chamber is reduced. May decrease and the performance of the power generation unit may decrease.
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」ともいう)の構成単位である電解セル単位を構成する導電性部材にも共通の課題である。なお、本明細書では、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ぶ。また、このような課題は、SOFCやSOECに限らず、他のタイプの電気化学反応単位にも共通の課題である。さらに、このような課題は、電気化学反応単位を構成する導電性部材に限らず、FeとCrとを含有する金属部材と、金属部材の表面上に配置され、Cr酸化物を含む酸化被膜層と、酸化被膜層の表面上に配置され、Co酸化物を含む被覆層とを備える導電性部材一般に共通の課題である。 Note that such a problem is that the conductivity of the electrolytic cell unit, which is a constituent unit of a solid oxide electrolytic cell (hereinafter also referred to as “SOEC”), which generates hydrogen using an electrolysis reaction of water. This is a problem common to sex members. In the present specification, the fuel cell power generation unit and the electrolysis cell unit are collectively referred to as an electrochemical reaction unit. Such a problem is not limited to SOFC and SOEC, but is common to other types of electrochemical reaction units. Furthermore, such a problem is not limited to the conductive member constituting the electrochemical reaction unit, but a metal member containing Fe and Cr, and an oxide film layer disposed on the surface of the metal member and containing Cr oxide And a conductive member that is disposed on the surface of the oxide coating layer and includes a coating layer containing a Co oxide.
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。 In this specification, the technique which can solve the subject mentioned above is disclosed.
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。 The technology disclosed in the present specification can be realized as, for example, the following forms.
(1)本明細書に開示される導電性部材は、FeとCrとを含有する金属部材と、前記金属部材の表面上に配置され、Cr酸化物を含む酸化被膜層と、前記酸化被膜層における前記金属部材に対向する表面とは反対側の表面上に配置され、Co酸化物を含む被覆層と、を備える導電性部材において、前記被覆層の厚さは、10μm以上であり、前記被覆層の気孔率は、6.0%以上であり、前記被覆層の断面における単位面積あたりの気孔数は、20個/1000μm2以上である。本導電性部材では、被覆層の厚さが比較的厚く、被覆層の気孔率が比較的高く、被覆層の断面における単位面積あたりの気孔数が比較的多い。そのため、本導電性部材によれば、使用中に加熱されることによって酸化被膜層にうねりが生じても、その影響によって被覆層における酸化被膜層に対向する表面とは反対側の表面にうねりが生ずることを抑制することができる。従って、本導電性部材によれば、例えば、導電性部材における被覆層により構成される表面上に配置されたシール部材との間の密着性の低下を抑制することができ、ガスシール性の低下を抑制することができる。 (1) A conductive member disclosed in the present specification includes a metal member containing Fe and Cr, an oxide film layer that is disposed on a surface of the metal member and includes Cr oxide, and the oxide film layer The conductive member is provided on a surface opposite to the surface facing the metal member, and includes a coating layer containing Co oxide, wherein the coating layer has a thickness of 10 μm or more, and the coating The porosity of the layer is 6.0% or more, and the number of pores per unit area in the cross section of the coating layer is 20/1000 μm 2 or more. In this conductive member, the thickness of the coating layer is relatively large, the porosity of the coating layer is relatively high, and the number of pores per unit area in the cross section of the coating layer is relatively large. Therefore, according to the present conductive member, even when the oxide film layer is swelled by being heated during use, the influence causes the swell on the surface of the coating layer opposite to the surface facing the oxide film layer. Occurrence can be suppressed. Therefore, according to the present conductive member, for example, it is possible to suppress a decrease in adhesion between the conductive member and the sealing member disposed on the surface constituted by the coating layer, and a decrease in gas sealing performance. Can be suppressed.
(2)上記導電性部材において、前記被覆層に含まれるCo酸化物は、スピネル型結晶構造を有する構成としてもよい。本導電性部材によれば、本導電性部材によれば、被覆層によって、酸化被膜層のさらなる成長を効果的に抑制することができると共に、金属部材に含有されるCrの拡散を効果的に抑制することができる。 (2) In the conductive member, the Co oxide included in the coating layer may have a spinel crystal structure. According to this conductive member, according to this conductive member, further growth of the oxide film layer can be effectively suppressed by the coating layer, and diffusion of Cr contained in the metal member can be effectively suppressed. Can be suppressed.
(3)上記導電性部材において、前記被覆層の気孔率は、40%以下である構成としてもよい。本導電性部材によれば、被覆層による酸化被膜層の成長抑制機能と金属部材からのCr拡散抑制機能とを確保しつつ、酸化被膜層に生じたうねりの影響によって被覆層における酸化被膜層に対向する表面とは反対側の表面にうねりが生ずることを抑制することができる。 (3) In the conductive member, the covering layer may have a porosity of 40% or less. According to this conductive member, while ensuring the growth suppression function of the oxide film layer by the coating layer and the Cr diffusion suppression function from the metal member, the oxide film layer in the coating layer is affected by the swell generated in the oxide film layer. It is possible to suppress the occurrence of waviness on the surface opposite to the facing surface.
(4)本明細書に開示される電気化学反応単位は、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に対して前記第1の方向の一方側に配置された上記導電性部材と、前記導電性部材における前記被覆層により構成される表面上に配置されたシール部材と、を備える。本電気化学反応単位によれば、導電性部材における被覆層により構成される表面上に配置されたシール部材との間の密着性の低下を抑制することができ、ガスシール性の低下に起因する性能低下を抑制することができる。 (4) The electrochemical reaction unit disclosed in this specification includes an electrochemical reaction unit cell including an electrolyte layer and an air electrode and a fuel electrode facing each other in a first direction with the electrolyte layer interposed therebetween, and the electric reaction unit cell. The said electroconductive member arrange | positioned with respect to a chemical reaction single cell at the one side of the said 1st direction, and the sealing member arrange | positioned on the surface comprised by the said coating layer in the said electroconductive member are provided. According to the present electrochemical reaction unit, it is possible to suppress a decrease in adhesion between the conductive member and the sealing member disposed on the surface constituted by the coating layer, resulting from a decrease in gas sealing performance. Performance degradation can be suppressed.
(5)上記電気化学反応単位において、前記電気化学反応単セルは、燃料電池単セルである構成としてもよい。本電気化学反応単位によれば、導電性部材における被覆層により構成される表面上に配置されたシール部材との間の密着性の低下を抑制することができ、ガスシール性の低下に起因する発電性能低下を抑制することができる。 (5) In the electrochemical reaction unit, the electrochemical reaction single cell may be a fuel cell single cell. According to the present electrochemical reaction unit, it is possible to suppress a decrease in adhesion between the conductive member and the sealing member disposed on the surface constituted by the coating layer, resulting from a decrease in gas sealing performance. A decrease in power generation performance can be suppressed.
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、導電性部材と電気化学反応単セル(燃料電池単セルまたは電解単セル)とを備える電気化学反応単位(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(燃料電池スタックまたは電解セルスタック)、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。 The technology disclosed in the present specification can be realized in various forms. For example, a conductive member, a conductive member, and an electrochemical reaction single cell (fuel cell single cell or electrolytic single cell) Reaction unit (fuel cell power generation unit or electrolysis cell unit), electrochemical reaction cell stack (fuel cell stack or electrolysis cell stack) comprising a plurality of electrochemical reaction units, a manufacturing method thereof, etc. It is possible.
A.実施形態:
A−1.構成:
(燃料電池スタック100の構成)
図1は、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り、図2は、図1(および後述する図6,7)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(および後述する図6,7)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。
A. Embodiment:
A-1. Constitution:
(Configuration of fuel cell stack 100)
FIG. 1 is a perspective view showing an external configuration of the
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。一対のエンドプレート104,106は、7つの発電単位102から構成される集合体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(上下方向)は、特許請求の範囲における第1の方向に相当する。
The
燃料電池スタック100を構成する各層(発電単位102、エンドプレート104,106)のZ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、一方のエンドプレート104から他方のエンドプレート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。
A plurality of (eight in the present embodiment) holes penetrating in the vertical direction are formed in the peripheral portion around the Z direction of each layer (
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と燃料電池スタック100の上端を構成するエンドプレート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と燃料電池スタック100の下端を構成するエンドプレート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導入マニホールド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。
The outer diameter of the shaft portion of each
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導入マニホールド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。
Further, as shown in FIGS. 1 and 3, the vicinity of the midpoint of one side (the side on the Y axis positive direction side of two sides parallel to the X axis) on the outer periphery of the
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、酸化剤ガス導入マニホールド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、酸化剤ガス導入マニホールド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、燃料ガス導入マニホールド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、燃料ガス導入マニホールド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。
The
(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、略矩形の平板形状の導電性部材であり、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。
(Configuration of
The pair of
(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5の上部には、発電単位102の一部分のYZ断面構成が拡大して示されている。また、図6は、図4のVI−VIの位置における発電単位102のXY断面構成を示す説明図であり、図7は、図4のVII−VIIの位置における発電単位102のXY断面構成を示す説明図である。
(Configuration of power generation unit 102)
4 is an explanatory diagram showing an XZ cross-sectional configuration of two
図4および図5に示すように、発電単位102は、単セル110と、セパレータ120と、空気極側フレーム130と、空気極側集電体134と、燃料極側フレーム140と、燃料極側集電体144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150とを備えている。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150におけるZ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。
As shown in FIGS. 4 and 5, the
インターコネクタ150は、略矩形の平板形状の導電性部材であり、FeとCrとを含有する金属(例えば、フェライト系ステンレス)により形成されている。インターコネクタ150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防止する。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150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150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150と同一部材である。また、燃料電池スタック100は一対のエンドプレート104,106を備えているため、燃料電池スタック100において最も上に位置する発電単位102は上側のインターコネクタ150を備えておらず、最も下に位置する発電単位102は下側のインターコネクタ150を備えていない(図2および図3参照)。
The
単セル110は、電解質層112と、電解質層112の上下方向(第1の方向)の一方側(下側)に配置された燃料極(アノード)116と、電解質層112の上下方向の他方側(上側)に配置された空気極(カソード)114と、電解質層112と空気極114との間に配置された中間層180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、中間層180)を支持する燃料極支持形の単セルである。
The
電解質層112は、Z方向視で略矩形の平板形状部材であり、緻密な層である。電解質層112は、例えば、YSZ(イットリア安定化ジルコニア)、ScSZ(スカンジア安定化ジルコニア)、SDC(サマリウムドープセリア)、GDC(ガドリニウムドープセリア)、ペロブスカイト型酸化物等の固体酸化物により形成されている。すなわち、本実施形態の単セル110(発電単位102)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。
The
空気極114は、Z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、多孔質な層である。空気極114は、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)、LSM(ランタンストロンチウムマンガン酸化物)、LNF(ランタンニッケル鉄))により形成されている。
The
燃料極116は、Z方向視で電解質層112と略同一の大きさの略矩形の平板形状部材であり、多孔質な層である。燃料極116は、例えば、Niと酸化物イオン伝導性セラミックス粒子(例えば、YSZ)とからなるサーメットにより形成されている。
The
中間層180は、略矩形の平板形状部材であり、GDC(ガドリニウムドープセリア)を含むように形成されている。中間層180は、空気極114から拡散した元素(例えば、Sr)が電解質層112に含まれる元素(例えば、Zr)と反応して高抵抗な物質(例えば、SrZrO3)が生成されることを抑制する。
The
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孔121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。セパレータ120における孔121の周囲部分は、電解質層112における空気極114の側の表面の周縁部に対向している。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、電解質層112(単セル110)と接合されている。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が抑制される。
The
図4〜6に示すように、空気極側フレーム130は、中央付近に上下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を構成する。空気極側フレーム130は、セパレータ120における電解質層112に対向する側とは反対側の表面の周縁部と、インターコネクタ150における空気極114に対向する側の表面の周縁部とに接触しており、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に含まれる一対のインターコネクタ150間が電気的に絶縁される。また、空気極側フレーム130には、酸化剤ガス導入マニホールド161と空気室166とを連通する酸化剤ガス供給連通孔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孔133とが形成されている。
As shown in FIGS. 4 to 6, the air
図4,5,7に示すように、燃料極側フレーム140は、中央付近に上下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を構成する。燃料極側フレーム140は、セパレータ120における電解質層112に対向する側の表面の周縁部と、インターコネクタ150における燃料極116に対向する側の表面の周縁部とに接触している。また、燃料極側フレーム140には、燃料ガス導入マニホールド171と燃料室176とを連通する燃料ガス供給連通孔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孔143とが形成されている。
As shown in FIGS. 4, 5, and 7, the fuel
図4,5,7に示すように、燃料極側集電体144は、燃料室176内に配置されている。燃料極側集電体144は、インターコネクタ対向部146と、電極対向部145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とを備えており、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。電極対向部145は、燃料極116における電解質層112に対向する側とは反対側の表面に接触しており、インターコネクタ対向部146は、インターコネクタ150における燃料極116に対向する側の表面に接触している。ただし、上述したように、燃料電池スタック100において最も下に位置する発電単位102は下側のインターコネクタ150を備えていないため、当該発電単位102におけるインターコネクタ対向部146は、下側のエンドプレート106に接触している。燃料極側集電体144は、このような構成であるため、燃料極116とインターコネクタ150(またはエンドプレート106)とを電気的に接続する。なお、電極対向部145とインターコネクタ対向部146との間には、例えばマイカにより形成されたスペーサー149が配置されている。そのため、燃料極側集電体144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、燃料極側集電体144を介した燃料極116とインターコネクタ150(またはエンドプレート106)との電気的接続が良好に維持される。
As shown in FIGS. 4, 5 and 7, the fuel electrode side
図4〜6に示すように、空気極側集電体134は、空気室166内に配置されている。空気極側集電体134は、複数の略四角柱状の集電体要素135から構成されており、FeとCrとを含有する金属(例えば、フェライト系ステンレス)により形成されている。空気極側集電体134は、空気極114における電解質層112に対向する側とは反対側の表面と、インターコネクタ150における空気極114に対向する側の表面とに接触している。ただし、上述したように、燃料電池スタック100において最も上に位置する発電単位102は上側のインターコネクタ150を備えていないため、当該発電単位102における空気極側集電体134は、上側のエンドプレート104に接触している。空気極側集電体134は、このような構成であるため、空気極114とインターコネクタ150(またはエンドプレート104)とを電気的に接続する。
As shown in FIGS. 4 to 6, the air electrode side
なお、図4および図5に示すように、本実施形態では、空気極側集電体134(集電体要素135)とインターコネクタ150とは一体の部材として形成されている。すなわち、該一体の部材(以下、「金属部材190」と呼ぶ)の内、上下方向(Z軸方向)に直交する平板形状の部分がインターコネクタ150として機能し、該平板形状の部分から空気極114に向けて突出するように形成された複数の集電体要素135が空気極側集電体134として機能する。
As shown in FIGS. 4 and 5, in the present embodiment, the air electrode side current collector 134 (current collector element 135) and the
図5に示すように、金属部材190の表面上には、Cr酸化物(例えば、Cr2O3(クロミア))を含む酸化被膜層194が形成されている。酸化被膜層194は、金属部材190に含まれるCrが大気中の酸素と反応することにより形成される。
As shown in FIG. 5, an
また、図4および図5に示すように、酸化被膜層194における金属部材190に対向する表面とは反対側の表面上には、Co酸化物を含む導電性の被覆層196が配置されている。被覆層196は、スピネル型結晶構造を有し、例えば、CrとMnとFeとNiとCuとZnとの少なくとも1つの元素を含有するCo酸化物(例えば、CrCo2O4、MnCo2O4、FeCo2O4、NiCo2O4、CuCo2O4、ZnCo2O4、ZnMnCoO4等)により形成されていることが好ましい。被覆層196は、酸素の透過を抑制するため、電気抵抗の高い酸化被膜層194の成長を抑制することができ、その結果、導電性部材200の電気抵抗の上昇(すなわち、発電単位102の性能低下)を抑制することができる。また、被覆層196は、金属部材190からのCrの蒸散を抑制するため、単セル110の電極(例えば空気極114)のCr被毒の発生を抑制することができ、その結果、発電単位102の性能低下を抑制することができる。
Further, as shown in FIGS. 4 and 5, a
図4および図5に示すように、空気極114と(酸化被膜層194および被覆層196に覆われた)空気極側集電体134(集電体要素135)とは、導電性の接合層138により接合されている。接合層138は、例えば、スピネル型結晶構造を有する酸化物(例えば、Mn1.5Co1.5O4やMnCo2O4、ZnCo2O4、ZnMn2O4、ZnMnCoO4、CuMn2O4)により形成されている。接合層138により、空気極114と空気極側集電体134とが電気的に接続される。先に、空気極側集電体134は空気極114の表面と接触していると説明したが、正確には、空気極側集電体134と空気極114との間には接合層138が介在している。
As shown in FIGS. 4 and 5, the
以下の説明では、金属部材190(インターコネクタ150と空気極側集電体134との一体部材)と、金属部材190の表面上に形成された酸化被膜層194と、酸化被膜層194における金属部材190に対向する表面とは反対側の表面上に形成された被覆層196とを、まとめて導電性部材200と呼ぶ。導電性部材200は、接合層138を介して空気極114に電気的に接続されており、また、燃料極側集電体144を介して燃料極116に電気的に接続されている。
In the following description, metal member 190 (integrated member of
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、酸化剤ガス導入マニホールド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導入マニホールド161に供給され、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、燃料ガス導入マニホールド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導入マニホールド171に供給され、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を介して、燃料室176に供給される。
A-2. Operation of the fuel cell stack 100:
As shown in FIGS. 2 and 4, the oxidant gas OG is supplied through a gas pipe (not shown) connected to the
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は接合層138を介して導電性部材200(金属部材190、酸化被膜層194、被覆層196の集合体)に電気的に接続され、燃料極116は燃料極側集電体144を介して導電性部材200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。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エンドプレート104,106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。
When the oxidant gas OG is supplied to the
各発電単位102の空気室166から排出された酸化剤オフガスOOGは、図2および図4に示すように、酸化剤ガス排出連通孔133を介して酸化剤ガス排出マニホールド162に排出され、さらに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、各発電単位102の燃料室176から排出された燃料オフガスFOGは、図3および図5に示すように、燃料ガス排出連通孔143を介して燃料ガス排出マニホールド172に排出され、さらに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。
The oxidant off-gas OOG discharged from the
A−3.被覆層196の詳細構成:
図8は、本実施形態の発電単位102を構成する被覆層196の詳細構成を概念的に示す説明図である。図8のA欄には、初期状態における発電単位102の一部分(図5のX1部)のYZ断面構成が示されており、図8のB欄には、長期耐久後(発電運転後)における発電単位102の同部分のYZ断面構成が示されている。
A-3. Detailed configuration of coating layer 196:
FIG. 8 is an explanatory diagram conceptually showing the detailed structure of the
本実施形態の発電単位102では、被覆層196の厚さT1は、10μm以上であり、比較的厚い。また、被覆層196の気孔率は、6.0%以上であり、被覆層196中に気孔VOが比較的多く存在する。また、被覆層196の断面における単位面積あたりの気孔数は、20個/1000μm2以上であり、被覆層196における気孔VOの偏りが比較的小さい(すなわち、被覆層196における気孔VOの分散性が比較的高い)。このような構成の被覆層196は、例えば、熱処理によって金属部材190上に被覆層196を形成する際の昇温速度を、1℃/分〜6℃/分の範囲に制御することにより製造することができる。
In the
本実施形態の発電単位102では、被覆層196が上記のような構成であるため、以下に説明するように、被覆層196における酸化被膜層194に対向する表面とは反対側の表面(以下、「第1の表面F1」という)にうねりが生ずることを抑制することができ、その結果、空気室166のガスシール性の低下に起因する発電単位102の性能低下を抑制することができる。
In the
図9は、比較例の発電単位102Xを構成する被覆層196の詳細構成を概念的に示す説明図である。図9のA欄には、初期状態における発電単位102Xの一部分(図8のA欄に示された部分に相当する部分)のYZ断面構成が示されており、図9のB欄には、長期耐久後(発電運転後)における発電単位102Xの同部分のYZ断面構成が示されている。図9のA欄に示すように、比較例の発電単位102Xでは、被覆層196の厚さT1が比較的薄く(例えば、10μm未満であり)、被覆層196の気孔率が比較的低く(例えば、6.0%未満であり)、被覆層196の断面における単位面積あたりの気孔数が比較的少ない(例えば、20個/1000μm2未満である)。
FIG. 9 is an explanatory diagram conceptually showing the detailed structure of the
ここで、発電単位102(102X)は、発電運転中に高温となる。そのため、図9のB欄に示すように、発電単位102(102X)の使用(発電運転)に伴い、導電性部材200中の酸化被膜層194にうねりが生ずることがある。上述したように、比較例の発電単位102Xでは、被覆層196の厚さT1が比較的薄く、被覆層196の気孔率が比較的低く、被覆層196の断面における単位面積あたりの気孔数が比較的少ない。そのため、酸化被膜層194にうねりが生ずると、該うねりを被覆層196によって効果的に吸収することができず、被覆層196における酸化被膜層194に対向する表面とは反対側の表面(第1の表面F1)にもうねりが生ずる。そのため、導電性部材200における被覆層196により構成される表面(第1の表面F1)と、該第1の表面F1上に配置されたシール部材としての空気極側フレーム130との間の密着性が低下し、空気室166のガスシール性が低下する。その結果、被覆層196の第1の表面F1と空気極側フレーム130との間において、空気室166から外部への酸化剤ガスOGのリークが発生し、発電単位102Xの性能が低下するおそれがある。
Here, the power generation unit 102 (102X) becomes high temperature during the power generation operation. Therefore, as shown in the B column of FIG. 9, undulation may occur in the
これに対し、本実施形態の発電単位102では、被覆層196の厚さT1が比較的厚く、被覆層196の気孔率が比較的高く、被覆層196の断面における単位面積あたりの気孔数が比較的多い。そのため、図8のB欄に示すように、発電単位102の使用(発電運転)に伴い酸化被膜層194にうねりが生じても、該うねりを被覆層196によって効果的に吸収することができ、被覆層196における酸化被膜層194に対向する表面とは反対側の表面(第1の表面F1)にうねりが生ずることを抑制することができる。そのため、導電性部材200における被覆層196により構成される表面(第1の表面F1)と、該第1の表面F1上に配置されたシール部材としての空気極側フレーム130との間の密着性が確保され、空気室166のガスシール性の低下を抑制することができる。その結果、被覆層196の第1の表面F1と空気極側フレーム130との間において、空気室166から外部への酸化剤ガスOGのリークの発生を抑制することができ、発電単位102の性能が低下することを抑制することができる。
On the other hand, in the
以上説明したように、本実施形態の発電単位102を構成する導電性部材200は、FeとCrとを含有する金属部材190と、金属部材190の表面上に配置され、Cr酸化物を含む酸化被膜層194と、酸化被膜層194における金属部材190に対向する表面とは反対側の表面上に配置され、Co酸化物を含む被覆層196とを備え、被覆層196の厚さは10μm以上であり、被覆層196の気孔率は6.0%以上であり、被覆層196の断面における単位面積あたりの気孔数は、20個/1000μm2以上である。そのため、本実施形態の発電単位102を構成する導電性部材200によれば、発電単位102の使用(発電運転)に伴い酸化被膜層194にうねりが生じても、その影響によって被覆層196における酸化被膜層194に対向する表面とは反対側の表面(第1の表面F1)にうねりが生ずることを抑制することができる。従って、本実施形態の発電単位102を構成する導電性部材200によれば、導電性部材200における被覆層196により構成される表面(第1の表面F1)上に配置されたシール部材(空気極側フレーム130)との間の密着性の低下を抑制することができ、空気室166のガスシール性の低下に起因する発電単位102の性能低下を抑制することができる。
As described above, the
なお、被覆層196に含まれるCo酸化物は、スピネル型結晶構造を有することが好ましい。このような構成によれば、被覆層196によって、酸化被膜層194のさらなる成長を効果的に抑制することができると共に、金属部材190に含有されるCrの拡散を効果的に抑制することができる。被覆層196による酸化被膜層194の成長抑制のために、被覆層196に含まれるCo酸化物は、CrとMnとFeとNiとCuとZnとの少なくとも1つの元素を含有することがさらに好ましい。
Note that the Co oxide included in the
また、被覆層196の気孔率は、40%以下であることが好ましい。このような構成によれば、被覆層196による酸化被膜層194の成長抑制機能と金属部材190からのCr拡散抑制機能とを確保しつつ、酸化被膜層194に生じたうねりの影響によって被覆層196における酸化被膜層194に対向する表面とは反対側の表面(第1の表面F1)にうねりが生ずることを抑制することができる。また、被覆層196の気孔率は、20%以下であることがさらに好ましい。このような構成によれば、被覆層196による酸化被膜層194の成長抑制機能と金属部材190からのCr拡散抑制機能とをさらに効果的に確保しつつ、被覆層196における第1の表面F1にうねりが生ずることを抑制することができる。
Further, the porosity of the
また、被覆層196の抵抗の増大を抑制するために、被覆層196の厚さは20μm以下であることが好ましく(15μm以下であることがより好ましく)、被覆層196の断面における単位面積あたりの気孔数は、平均60個/1000μm2以下であることが好ましい(平均55個/1000μm2以下であることがより好ましい)。
In order to suppress an increase in the resistance of the
A−4.性能評価:
上述したように、本実施形態の燃料電池スタック100を構成する各発電単位102は、被覆層196の構成に特徴がある。以下、被覆層196の構成に関して行った性能評価について説明する。図10は、性能評価結果を示す説明図である。
A-4. Performance evaluation:
As described above, each
図10に示すように、本性能評価には、発電単位102の3つのサンプル(サンプルS1〜S3)を用いた。各サンプルは、被覆層196の構成(厚さ、気孔率、断面における単位面積あたりの気孔数)が互いに異なる。なお、断面における単位面積あたりの気孔数については、断面積1μm2あたりの気孔数を求め、それを1000倍して断面積1000μm2あたりの気孔数に換算した。
As shown in FIG. 10, three samples (samples S1 to S3) of the
また、図10に示すように、気孔率および気孔数については、被覆層196を厚さ方向に上層部(酸化被膜層194に最も近い部分)、中層部、下層部(空気極側フレーム130に最も近い部分)に3分割し、各部の値を算出した。各サンプルにおいて、気孔数は、各部(上層部、中層部、下層部)でばらつきが少なかった。すなわち、サンプルS1では、各部(上層部、中層部、下層部)の気孔数の標準偏差は12.9であった(平均値は50.8個/1000μm2であった)。同様に、サンプルS2では、標準偏差は7.1であり(平均値は35.5個/1000μm2であり)、サンプルS3では、標準偏差は5.7であった(平均値は30.0個/1000μm2であった)。よって、本発明における各サンプルは、各部(上層部、中層部、下層部)において、気孔が偏ることなく満遍なく分布していると言える。
Further, as shown in FIG. 10, regarding the porosity and the number of pores, the
本性能評価では、各サンプルに対して1000℃で200時間の熱処理を行った後、被覆層196の第1の表面F1(図8参照)の高低差Δhを測定した。この高低差Δhは、以下のように特定するものとした。すなわち、被覆層196のSEMによる断面画像(視野100μm)を取得し、視野の両端における被覆層196と酸化被膜層194との境界点を特定し、2つの境界点を結ぶ直線を基準線とする。被覆層196の第1の表面F1を表す線上において、基準線からの距離が最も遠い点を最高点とし、基準線からの距離が最も近い点を最低点として、最高点における基準線からの距離と最低点における基準線からの距離との差分を高低差Δhとした。高低差Δhが3.5μm以上である場合には、被覆層196の第1の表面F1のうねりが大きく、ガスシール性が低下するおそれがあるとして、不合格(×)と判定した。また、高低差Δhが3.5μm未満である場合には、被覆層196の第1の表面F1のうねりが小さく、ガスシール性が確保されるとして、合格(〇)と判定した。
In this performance evaluation, each sample was heat-treated at 1000 ° C. for 200 hours, and then the height difference Δh of the first surface F1 (see FIG. 8) of the
なお、本性能評価では、その他に、上記断面画像において、被覆層196の第1の表面F1の長さL1と、酸化被膜層194における被覆層196に対向する側の表面の長さL2とを測定し、長さL2に対する長さL1の比率(L1/L2)を表面長比Cとして算出した。表面長比Cが比較的大きいことは、被覆層196の第1の表面F1の長さL1が比較的長いこと、すなわち、被覆層196の第1の表面F1のうねりの程度が比較的大きいことを意味する。反対に、表面長比Cが比較的小さいことは、被覆層196の第1の表面F1の長さL1が比較的短いこと、すなわち、被覆層196の第1の表面F1のうねりの程度が比較的小さいことを意味する。
In this performance evaluation, in addition, in the cross-sectional image, the length L1 of the first surface F1 of the
図10に示すように、サンプルS3では、被覆層196の第1の表面F1の高低差Δhが3.75μmであったため、不合格(×)と判定された。サンプルS3では、被覆層196の構成が、厚さT1が比較的薄く(10μm未満であり)、気孔率が比較的低く(6.0%未満であり)、単位面積あたりの気孔数が少ない(平均30個/1000μm2以下である)構成である。そのため、サンプルS3では、熱処理によって酸化被膜層194に生じたうねりを被覆層196によって効果的に吸収することができず、被覆層196の第1の表面F1にもうねりが生じたものと考えられる。
As shown in FIG. 10, in the sample S3, the height difference Δh of the first surface F1 of the
これに対し、サンプルS1およびS2では、被覆層196の第1の表面F1の高低差Δhが、それぞれ1.20μmおよび2.58μmであったため、合格(〇)と判定された。サンプルS1およびS2では、被覆層196の構成が、厚さT1が比較的厚く(10μm以上であり)、気孔率が比較的高く(6.0%以上であり)、単位面積あたりの気孔数が多い(20個/1000μm2以上であり、平均30個/1000μm2超である)構成である。そのため、サンプルS1およびS2では、熱処理によって酸化被膜層194に生じたうねりを被覆層196によって効果的に吸収することができ、被覆層196の第1の表面F1におけるうねりの発生を抑制することができたものと考えられる。
On the other hand, in samples S1 and S2, the height difference Δh of the first surface F1 of the
以上説明した性能評価により、被覆層196の厚さT1が10μm以上であり、被覆層196の気孔率が6.0%以上であり、被覆層196の断面における単位面積あたりの気孔数が20個/1000μm2以上であれば、酸化被膜層194にうねりが生じても、その影響によって被覆層196における酸化被膜層194に対向する表面とは反対側の表面(第1の表面F1)にうねりが生ずることを抑制することができ、第1の表面F1上に配置されたシール部材(空気極側フレーム130)との間の密着性の低下を抑制することによってガスシール性の低下を抑制することができることが確認された。なお、被覆層196の断面における単位面積あたりの気孔数は、平均30個/1000μm2超であることがより好ましい。
According to the performance evaluation described above, the thickness T1 of the
なお、図10に示すように、サンプルS1およびS2では、酸化被膜層194における被覆層196に対向する側の表面の長さL2に対する被覆層196の第1の表面F1の長さL1の比率(L1/L2)である表面長比Cが89%未満であった。そのため、表面長比Cが89%未満であれば、被覆層196の第1の表面F1にうねりが生ずることを抑制することができると言える。
As shown in FIG. 10, in the samples S1 and S2, the ratio of the length L1 of the first surface F1 of the
A−5.被覆層196の分析方法:
被覆層196の厚さT1の特定方法は、下記の通りである。まず、鋼材(インターコネクタ150)と被覆層196との境界と、被覆層196の表面(空気極側フレーム130側の表面)とが同じ画像内に収まるように、倍率1000倍のSEM画像を取得する。次に、SEM画像における鋼材の両端を結ぶ仮想境界線を設定すると共に、仮想境界線に直交する複数の(例えば10本の)仮想直線を設定する。各仮想直線上において、仮想境界線との交点と被覆層196の表面との交点との間の距離を、該仮想直線上における被覆層196の厚さとする。各仮想直線上における被覆層196の厚さの平均値を、最終的な被覆層196の厚さT1とする。
A-5. Method for analyzing coating layer 196:
A method for specifying the thickness T1 of the
また、被覆層196の気孔率の特定方法は、下記の通りである。まず、被覆層196の断面全体が画像内に収まるように、倍率1000〜3000倍でSEM画像を取得し、該SEM画像を二値化する。なお、SEM画像の二値化の際には、二値化前後で気孔のサイズが一致するように、二値化の閾値を調整する。次に、二値化後の画像において、被覆層196全体の面積、および、気孔の合計面積を算出し、気孔の合計面積/被覆層196全体の面積×100を、被覆層196の気孔率とする。なお、上述したように、本実施形態では、被覆層196を厚さ方向に上層部、中層部、下層部に3分割し、各部の気孔率を算出した。
Moreover, the specific method of the porosity of the
また、被覆層196の断面における単位面積あたりの気孔数の特定方法は、下記の通りである。まず、上記気孔率の特定方法と同様に、SEM画像を取得し、該SEM画像を二値化する。次に、二値化後の画像において、被覆層196の面積を算出すると共に、気孔の数をカウントする。気孔の数/被覆層196の面積を、被覆層196の断面における単位面積あたりの気孔数とする。なお、上述したように、本実施形態では、被覆層196を厚さ方向に上層部、中層部、下層部に3分割し、各部の単位面積あたりの気孔数を算出した。また、本実施形態では、断面積1μm2あたりの気孔数を求め、それを1000倍して断面積1000μm2あたりの気孔数に換算した。
The method for specifying the number of pores per unit area in the cross section of the
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。
B. Variation:
The technology disclosed in the present specification is not limited to the above-described embodiment, and can be modified into various forms without departing from the gist thereof. For example, the following modifications are possible.
上記実施形態における単セル110、発電単位102または燃料電池スタック100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、上記実施形態では、インターコネクタ150と空気極側集電体134(集電体要素135)とが一体部材(金属部材190)であるとしているが、インターコネクタ150と空気極側集電体134とが別部材であってもよい。その場合において、本発明は、金属部材としてのインターコネクタ150と酸化被膜層194と被覆層196とから構成される導電性部材にも適用可能である。
The configuration of the
また、上記実施形態では、インターコネクタ150の空気極114側の表面が被覆層196に覆われているとしているが、空気極114側の表面に代えて、または空気極114側の表面と共に、インターコネクタ150の燃料極116側の表面が被覆層196により覆われているとしてもよい。この場合において、被覆層196の構成を上記実施形態と同様の構成とすれば、燃料室176のガスシール性の低下を抑制することができる。
In the above embodiment, the surface on the
また、上記実施形態では、単セル110が中間層180を備えているが、単セル110が中間層180を備えないとしてもよい。また、上記実施形態において、燃料電池スタック100に含まれる発電単位102の個数は、あくまで一例であり、発電単位102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。
In the above embodiment, the
また、上記実施形態において説明した被覆層196の構成は、燃料電池スタック100に含まれるすべての発電単位102において採用されていてもよいし、燃料電池スタック100に含まれる一部の発電単位102のみにおいて採用されていてもよい。
Further, the configuration of the
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SOFCを対象としているが、本発明は、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セル単位や、複数の電解セル単位を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ためここでは詳述しないが、概略的には上述した実施形態における燃料電池スタック100と同様の構成である。すなわち、上述した実施形態における燃料電池スタック100を電解セルスタックと読み替え、発電単位102を電解セル単位と読み替え、単セル110を電解単セルと読み替えればよい。ただし、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116がマイナス(陰極)となるように両電極間に電圧が印加されると共に、連通孔108を介して原料ガスとしての水蒸気が供給される。これにより、各電解セル単位において水の電気分解反応が起こり、燃料室176で水素ガスが発生し、連通孔108を介して電解セルスタックの外部に水素が取り出される。このような構成の電解セル単位および電解セルスタックにおいても、上述した構成の被覆層196を採用することにより、被覆層196における酸化被膜層194に対向する表面とは反対側の表面(第1の表面F1)にうねりが生ずることを抑制することができ、空気室166および/または燃料室176におけるガスシール性の低下に起因する性能低下を抑制することができる。
In the above embodiment, the SOFC that generates electricity using the electrochemical reaction between hydrogen contained in the fuel gas and oxygen contained in the oxidant gas is targeted. The present invention can be similarly applied to an electrolytic cell unit that is a constituent unit of a solid oxide electrolytic cell (SOEC) that generates hydrogen by using hydrogen, and an electrolytic cell stack including a plurality of electrolytic cell units. The configuration of the electrolysis cell stack is well known as described in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-81813, and therefore will not be described in detail here, but is roughly the same as the
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、本発明は、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。また、本発明は、電気化学反応単位を構成する導電性部材に限らず、FeとCrとを含有する金属部材と、金属部材の表面上に配置され、Cr酸化物を含む酸化被膜層と、酸化被膜層の表面上に配置され、Co酸化物を含む被覆層とを備える導電性部材一般に適用可能である。 In the above embodiment, the solid oxide fuel cell (SOFC) has been described as an example. However, the present invention is applicable to other types of fuel cells (or electrolytic cells) such as a molten carbonate fuel cell (MCFC). Applicable. In addition, the present invention is not limited to a conductive member constituting an electrochemical reaction unit, but a metal member containing Fe and Cr, an oxide film layer disposed on the surface of the metal member and containing a Cr oxide, It is generally applicable to a conductive member that is disposed on the surface of an oxide film layer and includes a coating layer containing Co oxide.
22:ボルト 24:ナット 26:絶縁シート 27:ガス通路部材 28:本体部 29:分岐部 100:燃料電池スタック 102:燃料電池発電単位 104:エンドプレート 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:セパレータ 121:孔 124:接合部 130:空気極側フレーム 131:孔 132:酸化剤ガス供給連通孔 133:酸化剤ガス排出連通孔 134:空気極側集電体 135:集電体要素 138:接合層 140:燃料極側フレーム 141:孔 142:燃料ガス供給連通孔 143:燃料ガス排出連通孔 144:燃料極側集電体 145:電極対向部 146:インターコネクタ対向部 147:連接部 149:スペーサー 150:インターコネクタ 161:酸化剤ガス導入マニホールド 162:酸化剤ガス排出マニホールド 166:空気室 171:燃料ガス導入マニホールド 172:燃料ガス排出マニホールド 176:燃料室 180:中間層 190:金属部材 194:酸化被膜層 196:被覆層 200:導電性部材 22: Bolt 24: Nut 26: Insulating sheet 27: Gas passage member 28: Body portion 29: Branch portion 100: Fuel cell stack 102: Fuel cell power generation unit 104: End plate 106: End plate 108: Communication hole 110: Single cell 112: Electrolyte layer 114: Air electrode 116: Fuel electrode 120: Separator 121: Hole 124: Joint part 130: Air electrode side frame 131: Hole 132: Oxidant gas supply communication hole 133: Oxidant gas discharge communication hole 134: Air Polar side current collector 135: Current collector element 138: Bonding layer 140: Fuel electrode side frame 141: Hole 142: Fuel gas supply communication hole 143: Fuel gas discharge communication hole 144: Fuel electrode side current collector 145: Electrode facing Part 146: Interconnector facing part 147: Connection part 149: Spacer 50: Interconnector 161: Oxidant gas introduction manifold 162: Oxidant gas discharge manifold 166: Air chamber 171: Fuel gas introduction manifold 172: Fuel gas discharge manifold 176: Fuel chamber 180: Intermediate layer 190: Metal member 194: Oxide film Layer 196: Covering layer 200: Conductive member
Claims (6)
前記金属部材の表面上に配置され、Cr酸化物を含む酸化被膜層と、
前記酸化被膜層における前記金属部材に対向する表面とは反対側の表面上に配置され、Co酸化物を含む被覆層と、
を備える導電性部材において、
前記被覆層の厚さは、10μm以上であり、
前記被覆層の気孔率は、6.0%以上であり、
前記被覆層の断面における単位面積あたりの気孔数は、20個/1000μm2以上であることを特徴とする、導電性部材。 A metal member containing Fe and Cr;
An oxide film layer disposed on the surface of the metal member and containing Cr oxide;
A coating layer that is disposed on a surface opposite to the surface facing the metal member in the oxide coating layer and includes a Co oxide;
In a conductive member comprising:
The coating layer has a thickness of 10 μm or more,
The porosity of the coating layer is 6.0% or more,
The conductive member characterized in that the number of pores per unit area in the cross-section of the coating layer is 20/1000 μm 2 or more.
前記被覆層に含まれるCo酸化物は、スピネル型結晶構造を有することを特徴とする、導電性部材。 The conductive member according to claim 1,
The conductive member, wherein the Co oxide contained in the coating layer has a spinel crystal structure.
前記被覆層の気孔率は、40%以下であることを特徴とする、導電性部材。 In the conductive member according to claim 1 or 2,
The conductive member according to claim 1, wherein a porosity of the covering layer is 40% or less.
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に対して前記第1の方向の一方側に配置された請求項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と、
前記導電性部材における前記被覆層により構成される表面上に配置されたシール部材と、
を備えることを特徴とする、電気化学反応単位。 An electrochemical reaction unit,
An electrochemical reaction unit cell including an electrolyte layer and an air electrode and a fuel electrode facing each other in a first direction across the electrolyte layer;
The conductive member according to any one of claims 1 to 3, which is disposed on one side of the first direction with respect to the electrochemical reaction single cell;
A sealing member disposed on a surface constituted by the coating layer in the conductive member;
An electrochemical reaction unit comprising:
前記電気化学反応単セルは、燃料電池単セルであることを特徴とする、電気化学反応単位。 The electrochemical reaction unit according to claim 4,
The electrochemical reaction unit cell is a fuel cell unit cell, an electrochemical reaction unit.
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または請求項5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。 In an electrochemical reaction cell stack comprising a plurality of electrochemical reaction units arranged side by side in the first direction,
The electrochemical reaction cell stack according to claim 4, wherein at least one of the plurality of electrochemical reaction units is the electrochemical reaction unit according to claim 4.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2017113331A JP2018206693A (en) | 2017-06-08 | 2017-06-08 | Conductive member, electrochemical reaction unit and electrochemical reaction cell stack |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2017113331A JP2018206693A (en) | 2017-06-08 | 2017-06-08 | Conductive member, electrochemical reaction unit and electrochemical reaction cell stack |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2018206693A true JP2018206693A (en) | 2018-12-27 |
Family
ID=64958081
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2017113331A Pending JP2018206693A (en) | 2017-06-08 | 2017-06-08 | Conductive member, electrochemical reaction unit and electrochemical reaction cell stack |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2018206693A (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2021096964A (en) * | 2019-12-18 | 2021-06-24 | 日本特殊陶業株式会社 | Interconnector member and method for manufacturing interconnector member |
JP7520742B2 (en) | 2021-02-03 | 2024-07-23 | 東芝エネルギーシステムズ株式会社 | Interconnector with protective layer, cell stack and fuel cell including said interconnector with protective layer |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2006092837A (en) * | 2004-09-22 | 2006-04-06 | Kyocera Corp | Current collecting member for fuel cell, its manufacturing method, fuel cell stack using it and the fuel cell |
JP2011099159A (en) * | 2009-11-09 | 2011-05-19 | Ngk Insulators Ltd | Coating body |
JP2013118177A (en) * | 2011-10-31 | 2013-06-13 | Osaka Gas Co Ltd | Solid oxide fuel cell |
JP2014078485A (en) * | 2012-09-21 | 2014-05-01 | Ngk Insulators Ltd | Collector member and fuel cell |
JP2017010710A (en) * | 2015-06-19 | 2017-01-12 | 日本特殊陶業株式会社 | Electrochemical reaction unit and fuel cell stack |
-
2017
- 2017-06-08 JP JP2017113331A patent/JP2018206693A/en active Pending
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2006092837A (en) * | 2004-09-22 | 2006-04-06 | Kyocera Corp | Current collecting member for fuel cell, its manufacturing method, fuel cell stack using it and the fuel cell |
JP2011099159A (en) * | 2009-11-09 | 2011-05-19 | Ngk Insulators Ltd | Coating body |
JP2013118177A (en) * | 2011-10-31 | 2013-06-13 | Osaka Gas Co Ltd | Solid oxide fuel cell |
JP2014078485A (en) * | 2012-09-21 | 2014-05-01 | Ngk Insulators Ltd | Collector member and fuel cell |
JP2017010710A (en) * | 2015-06-19 | 2017-01-12 | 日本特殊陶業株式会社 | Electrochemical reaction unit and fuel cell stack |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2021096964A (en) * | 2019-12-18 | 2021-06-24 | 日本特殊陶業株式会社 | Interconnector member and method for manufacturing interconnector member |
JP7390648B2 (en) | 2019-12-18 | 2023-12-04 | 日本特殊陶業株式会社 | Interconnector member and method for manufacturing interconnector member |
JP7520742B2 (en) | 2021-02-03 | 2024-07-23 | 東芝エネルギーシステムズ株式会社 | Interconnector with protective layer, cell stack and fuel cell including said interconnector with protective layer |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US10665870B2 (en) | Electrochemical reaction unit and fuel cell stack | |
JP6279519B2 (en) | Fuel cell stack and single fuel cell | |
JP6290471B1 (en) | Electrochemical reaction cell and electrochemical reaction cell stack | |
WO2017069033A1 (en) | Interconnector-electrochemical reaction single cell composite body, and electrochemical reaction cell stack | |
JP2018206693A (en) | Conductive member, electrochemical reaction unit and electrochemical reaction cell stack | |
JP6917182B2 (en) | Conductive members, electrochemical reaction units, and electrochemical reaction cell stacks | |
JP2018018694A (en) | Electrochemical reaction unit and electrochemical reaction cell stack | |
JP7236966B2 (en) | Electrochemical reaction cell stack | |
JP2018137206A (en) | Electrochemical reaction unit and electrochemical reaction cell stack | |
JP2017152282A (en) | Fuel cell power generation unit and fuel cell stack | |
JP2017014048A (en) | Joint material precursor, electrochemical reaction cell stack, and their production methods | |
JP7187382B2 (en) | Electrochemical reaction unit and electrochemical reaction cell stack | |
JP7324983B2 (en) | INTERCONNECTOR MEMBER AND METHOD FOR MANUFACTURING INTERCONNECTOR MEMBER | |
JP2018137204A (en) | Electrochemical reaction unit and electrochemical reaction cell stack | |
JP2018147714A (en) | Electrochemical reaction single cell and electrochemical reaction cell stack | |
JP6878257B2 (en) | Current collector-electrochemical reaction single cell complex and electrochemical reaction cell stack | |
JP2018088332A (en) | Electrochemical reaction single cell and electrochemical reaction cell stack | |
CN108701839B (en) | Electrochemical reaction single cell and electrochemical reaction cell stack | |
JP2018037331A (en) | Electrochemical reaction cell stack | |
JP6734707B2 (en) | Current collecting member-electrochemical reaction single cell composite and electrochemical reaction cell stack | |
JP6821613B2 (en) | Conductive members, electrochemical reaction units and electrochemical reaction cell stack | |
JP2017154968A (en) | Joint material precursor, electrochemical reaction cell stack, and their production methods | |
JP6774230B2 (en) | Current collector-electrochemical reaction single cell complex and electrochemical reaction cell stack | |
JP6616121B2 (en) | Fuel cell single cell and fuel cell stack | |
JP2023180295A (en) | Electrochemical reaction single cell and electrochemical reaction cell stack |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A711 | Notification of change in applicant |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A712 Effective date: 20191224 |
|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20200515 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20210428 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20210608 |
|
A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20211130 |