JP2021153017A - Cell-cell connection member, solid oxide fuel cell, sofc monogeneration system, sofc cogeneration system, and manufacturing method of cell-cell connection member - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体酸化物形燃料電池用セルに用いられるセル間接続部材、及び、固体酸化物形燃料電池、及び、SOFCモノジェネレーションシステム、及び、SOFCコージェネレーションシステム、及び、セル間接続部材の製造方法に関する。 The present invention relates to an inter-cell connecting member used in a cell for a solid oxide fuel cell, a solid oxide fuel cell, an SOFC monogeneration system, an SOFC cogeneration system, and an inter-cell connecting member. Regarding the manufacturing method.
固体酸化物形燃料電池(以下、適宜「SOFC」と記載する。)用セルは、空気極及び燃料極を有する単セルとセル間接続部材とを備えて構成される。そして、セル間接続部材の一部分は燃料極に接合され、セル間接続部材の他の一部分は空気極に接合される。このようなSOFC用セルで利用されるセル間接続部材は、電子伝導性及び耐熱性に優れたステンレス鋼を用いて構成される金属基材を用いて製作される。 A cell for a solid oxide fuel cell (hereinafter, appropriately referred to as “SOFC”) is configured to include a single cell having an air electrode and a fuel electrode and an inter-cell connecting member. Then, a part of the cell-cell connecting member is joined to the fuel electrode, and the other part of the cell-cell connecting member is joined to the air electrode. The cell-to-cell connecting member used in such an SOFC cell is manufactured by using a metal base material made of stainless steel having excellent electron conductivity and heat resistance.
セル間接続部材のうち、燃料極側で用いられる部分では、セル間接続部材を構成するステンレス鋼から揮発するリンが、SOFC用セルの燃料極の主成分であるNiと反応して、燃料極からのNiの揮発を誘発するなどの劣化を引き起こす可能性がある。一例を挙げると、SOFC用セルの燃料極に用いられるNiは、高温作動条件下にてセル間接続部材から揮発したリン等の不純物と反応すると、一般的に金属状態のNiに対して蒸気圧は上昇する。そのため、燃料極材料(主にNiと電解質材料の酸化物のサーメット)中からNiが揮発し、燃料極中のNi金属ネットワークが分断され、電子伝導性が低下し、セル性能の低下(劣化)が起こる。この場合、セル間接続部材を構成する金属基材のステンレス鋼に含まれるリンは例えば数100ppm程度の低濃度であるが、燃料極の劣化を引き起こすことが報告されている。 In the part of the cell-to-cell connecting member used on the fuel electrode side, phosphorus volatilized from the stainless steel constituting the cell-cell connecting member reacts with Ni, which is the main component of the fuel electrode of the SOFC cell, to react with the fuel electrode. It may cause deterioration such as inducing volatilization of Ni from. As an example, Ni used for the fuel electrode of SOFC cells generally has a vapor pressure with respect to Ni in a metallic state when it reacts with impurities such as phosphorus volatilized from the cell-cell connection member under high temperature operating conditions. Rise. Therefore, Ni volatilizes from the fuel electrode material (mainly Ni and the cermet of the oxide of the electrolyte material), the Ni metal network in the fuel electrode is divided, the electron conductivity decreases, and the cell performance deteriorates (deteriorates). Occurs. In this case, phosphorus contained in the stainless steel of the metal base material constituting the cell-cell connecting member has a low concentration of, for example, about several hundred ppm, but it has been reported that it causes deterioration of the fuel electrode.
特許文献1(特許第3855043号公報)には、極低リンステンレス鋼の製造方法が記載されている。この製造方法を用いて製造したステンレス鋼をセル間接続部材の金属基材に用いることで、上述したような燃料極の劣化を抑制できる可能性がある。 Patent Document 1 (Patent No. 3855043) describes a method for producing ultra-low phosphorus stainless steel. By using the stainless steel manufactured by this manufacturing method as the metal base material of the cell-cell connecting member, there is a possibility that the deterioration of the fuel electrode as described above can be suppressed.
セル間接続部材のうち、空気極側で用いられる部分では、別の問題が発生する。具体的には、セル間接続部材を構成するステンレス鋼にはCrが含まれるため、空気極側で用いられる部分において、高温作動条件下にて耐酸化被膜であるCr2O3が形成される。この酸化被膜は高抵抗な層であり、燃料電池の発電出力を低下させたり、ステンレス鋼からのCrの蒸発によりSOFC用セルの空気極と反応し、電極性能を著しく低下させたりする等の耐久性への問題がある。 Another problem arises in the portion of the cell-to-cell connecting member that is used on the air electrode side. Specifically, since the stainless steel constituting the cell-cell connecting member contains Cr, an oxidation-resistant film Cr 2 O 3 is formed in the portion used on the air electrode side under high temperature operating conditions. .. This oxide film is a high-resistance layer, and has durability such as reducing the power generation output of the fuel cell and reacting with the air electrode of the SOFC cell due to the evaporation of Cr from stainless steel to significantly reduce the electrode performance. There is a problem with sexuality.
特許文献2(国際公開第2007/083627号)には、Crを含有するステンレス合金等の金属基材を用いて製作されるセル間接続部材と空気極とを接合した状態で焼成する焼成処理を行うにあたり、その合金又は酸化物におけるCr(VI)の酸化物の生成を抑制するCr(VI)酸化物抑制状態とすることが記載されている。このCr(VI)酸化物抑制状態とするためには、焼成処理を行う前に、合金又は酸化物の表面に、標準生成自由エネルギーがWO3以下である酸化物からなるn型半導体被膜を形成する被膜形成処理を行うことが記載されている。
このように、高抵抗なCr2O3の形成を抑制すること、及び、ステンレス鋼からのCrの蒸発による飛散を防止すること等の対策のため、金属基材の表面に電子伝導性の高いセラミックスコーティングを保護膜として形成することが行われている。このようなセラミックスコーティングを施すことで、金属基材の材料として、安価なステンレス鋼材を使用することができるようになった。
Patent Document 2 (International Publication No. 2007/083627) describes a firing process in which a cell-cell connecting member manufactured using a metal base material such as a stainless alloy containing Cr and an air electrode are bonded to each other. It is described that the alloy or oxide is in a Cr (VI) oxide-suppressed state in which the formation of Cr (VI) oxide is suppressed. In order to bring the Cr (VI) oxide to the suppressed state, an n-type semiconductor film made of an oxide having a standard free energy of WO 3 or less is formed on the surface of the alloy or oxide before the firing treatment. It is described that the film forming treatment is performed.
In this way, in order to suppress the formation of high-resistance Cr 2 O 3 and prevent scattering of Cr due to evaporation from stainless steel, the surface of the metal substrate has high electron conductivity. A ceramic coating is formed as a protective film. By applying such a ceramic coating, it has become possible to use an inexpensive stainless steel material as a material for a metal base material.
特許文献1に記載のように、リン濃度の低いステンレス鋼を製造する方法は提案されているが、そのようなステンレス鋼を用いるとセル間接続部材のコストが上昇するという問題がある。また、ステンレス鋼に含まれるリンを完全にゼロにすることはできない。
As described in
特許文献2に記載の手法は、セル間接続部材を構成する金属基材の表面のうち、固体酸化物形燃料電池用セルを構成する単セルの空気極に接合される側の表面への対策であり、燃料極に接合される側の表面への対策ではない。
The method described in
このように、従来の対策は、セル間接続部材を構成する金属基材の表面のうち、空気極に接合される側の表面への対策と、燃料極に接合される側の表面への対策とが別々に議論されてきた。つまり、セル間接続部材の表面のうち、燃料極に接合される側及び空気極に接合される側の両方を考慮したコーティング設計は行われていない。 As described above, the conventional countermeasures are a countermeasure for the surface of the metal base material constituting the cell-cell connecting member on the side bonded to the air electrode and a countermeasure for the surface bonded to the fuel electrode. Have been discussed separately. That is, the coating design is not performed in consideration of both the side bonded to the fuel electrode and the side bonded to the air electrode on the surface of the cell-cell connecting member.
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、コーティングを形成する手順が簡単でありながら、燃料極側及び空気極側の双方で良好な性能を示すセル間接続部材、及び、固体酸化物形燃料電池、及び、SOFCモノジェネレーションシステム、及び、SOFCコージェネレーションシステム、及び、セル間接続部材の製造方法を提供する点にある。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is an inter-cell connecting member that exhibits good performance on both the fuel electrode side and the air electrode side while the procedure for forming a coating is simple. , And, a solid oxide fuel cell, an SOFC monogeneration system, an SOFC cogeneration system, and a method for manufacturing an inter-cell connection member.
上記目的を達成するための本発明に係るセル間接続部材の特徴構成は、固体酸化物形燃料電池用セルに用いられるセル間接続部材であって、
ステンレス鋼を用いて構成される金属基材と、
前記金属基材の表面のうち、前記固体酸化物形燃料電池用セルを構成する単セルの燃料極に接合される側の表面と、前記単セルの空気極に接合される側の表面とに形成される、Ni及びCoを用いて構成される基材コーティング層と、
前記基材コーティング層の表面のうち、前記単セルの前記空気極に接合される側の表面に形成される、Mnを含む酸化物を用いて構成される保護膜とを備える点にある。
ここで、前記保護膜は、Mn酸化物及びCo−Mn系酸化物及びNi−Mn系酸化物及びCu−Mn系酸化物のうちの何れか一つを用いて構成できる。
The characteristic configuration of the cell-to-cell connecting member according to the present invention for achieving the above object is an inter-cell connecting member used in a cell for a solid oxide fuel cell.
A metal base material made of stainless steel and
On the surface of the metal base material, the surface on the side bonded to the fuel electrode of the single cell constituting the solid oxide fuel cell and the surface on the side bonded to the air electrode of the single cell. A base material coating layer composed of Ni and Co, which is formed,
The point is that the surface of the base material coating layer is provided with a protective film formed of an oxide containing Mn, which is formed on the surface of the single cell on the side bonded to the air electrode.
Here, the protective film can be formed by using any one of Mn oxide, Co-Mn-based oxide, Ni-Mn-based oxide, and Cu-Mn-based oxide.
上記特徴構成によれば、セル間接続部材を構成する金属基材の表面のうち、固体酸化物形燃料電池用セルを構成する単セルの燃料極に接合される側の表面、及び、空気極に接合される側の表面の両方に同じ基材コーティング層を付着させるので、基材コーティング層の形成時に金属基材をマスクなどで覆い隠す必要が無い。その結果、金属基材の表面に基材コーティング層を形成する手順が簡単になり、セル間接続部材の製造コストが低くなるという利点がある。
更に、セル間接続部材を構成する金属基材の表面のうち、固体酸化物形燃料電池用セルを構成する単セルの燃料極に接合される側の表面には、Ni及びCoを用いて構成される基材コーティング層が形成される。それにより、金属基材にリンが含まれていても、そのリンが金属基材から揮発することが抑制される。その結果、セル間接続部材が固体酸化物形燃料電池用セルの燃料極と接合された場合、リンが燃料極に悪影響を与えることを抑制できる。また、燃料極側の基材コーティング層のNi及びCoは、発電運転時には還元状態に曝されるため、金属状態で存在して十分な電子導電性を有することから、電気抵抗の増加は考慮しなくてよい。
また更に、セル間接続部材の金属基材の表面のうち、固体酸化物形燃料電池用セルを構成する単セルの空気極に接合される側の表面には、Ni及びCoを用いて構成される基材コーティング層が形成され、更にその基材コーティング層の表面には、Mnを含む酸化物を用いて構成される保護膜が形成される。つまり、セル間接続部材の金属基材の表面のうち、固体酸化物形燃料電池用セルを構成する単セルの空気極に接合される側の表面には、基材コーティング層及び保護膜とで構成されるNi及びCo及びMnを含む三元系の材料から成る層が形成されるので、高抵抗なCr2O3の形成の抑制や、金属基材からのCrの蒸発による飛散が防止される。
According to the above characteristic configuration, among the surfaces of the metal base material constituting the cell-cell connecting member, the surface on the side joined to the fuel electrode of the single cell constituting the solid oxide fuel cell, and the air electrode. Since the same base material coating layer is attached to both surfaces on the side to be joined to, it is not necessary to cover the metal base material with a mask or the like when forming the base material coating layer. As a result, there is an advantage that the procedure for forming the base material coating layer on the surface of the metal base material is simplified and the manufacturing cost of the cell-to-cell connecting member is low.
Further, among the surfaces of the metal base material constituting the cell-cell connecting member, the surface on the side bonded to the fuel electrode of the single cell constituting the solid oxide fuel cell is formed by using Ni and Co. The base material coating layer to be formed is formed. As a result, even if phosphorus is contained in the metal base material, the phosphorus is suppressed from volatilizing from the metal base material. As a result, when the cell-cell connecting member is joined to the fuel electrode of the solid oxide fuel cell, it is possible to prevent phosphorus from adversely affecting the fuel electrode. In addition, since Ni and Co in the base material coating layer on the fuel electrode side are exposed to a reduced state during power generation operation, they exist in a metallic state and have sufficient electronic conductivity, so an increase in electrical resistance is taken into consideration. It doesn't have to be.
Furthermore, on the surface of the metal base material of the cell-to-cell connecting member, the surface on the side joined to the air electrode of the single cell constituting the solid oxide fuel cell is formed by using Ni and Co. A base material coating layer is formed, and a protective film formed by using an oxide containing Mn is formed on the surface of the base material coating layer. That is, on the surface of the metal base material of the cell-to-cell connecting member, the surface on the side bonded to the air electrode of the single cell constituting the solid oxide fuel cell is formed with a base material coating layer and a protective film. Since a layer made of a ternary material containing Ni, Co, and Mn is formed, the formation of highly resistant Cr 2 O 3 is suppressed and the scattering of Cr from the metal substrate due to evaporation is prevented. NS.
このように、セル間接続部材の金属基材の、燃料極に接合される側の表面と空気極に接合される側の表面との両方に形成される基材コーティング層は、燃料極に接合される側の表面ではリンが金属基材から揮発することを抑制するという効果を発揮し、且つ、空気極に接合される側の表面では保護膜と共に、高抵抗なCr2O3の形成が抑制され、金属基材からのCrの蒸発による飛散が防止されるという効果を発揮する。つまり、本特徴構成では、セル間接続部材の表面のうち、燃料極に接合される側及び空気極に接合される側の両方を考慮したコーティング設計が行われることで、コーティングを形成する手順が簡単でありながら、燃料極側及び空気極側の双方で良好な性能を示すセル間接続部材を提供できる。 In this way, the base material coating layer formed on both the surface of the metal base material of the cell-cell connecting member on the side bonded to the fuel electrode and the surface on the side bonded to the air electrode is bonded to the fuel electrode. On the surface on the side to be bonded, the effect of suppressing the volatilization of phosphorus from the metal base material is exhibited, and on the surface on the side bonded to the air electrode, high resistance Cr 2 O 3 is formed together with the protective film. It is suppressed and exerts the effect of preventing scattering of Cr due to evaporation from the metal substrate. That is, in this feature configuration, the procedure for forming the coating is performed by considering both the side bonded to the fuel electrode and the side bonded to the air electrode on the surface of the cell-cell connecting member. It is possible to provide an inter-cell connecting member that is simple but exhibits good performance on both the fuel electrode side and the air electrode side.
本発明に係る固体酸化物形燃料電池の特徴構成は、上記セル間接続部材と前記単セルとを備える前記固体酸化物形燃料電池用セルが複数積層された点にある。 The characteristic configuration of the solid oxide fuel cell according to the present invention is that a plurality of cells for a solid oxide fuel cell including the cell-to-cell connecting member and the single cell are laminated.
上記特徴構成によれば、燃料極のリン被毒を抑制可能であり、且つ、空気極のCr被毒を抑制可能な固体酸化物形燃料電池を得ることができる。 According to the above characteristic configuration, it is possible to obtain a solid oxide fuel cell capable of suppressing phosphorus poisoning of the fuel electrode and suppressing Cr poisoning of the air electrode.
本発明に係るSOFCモノジェネレーションシステムの特徴構成は、上記固体酸化物形燃料電池を備え、前記固体酸化物形燃料電池で発生した電力を電力負荷に供給する点にある。 The characteristic configuration of the SOFC monogeneration system according to the present invention is that the solid oxide fuel cell is provided and the electric power generated by the solid oxide fuel cell is supplied to the electric power load.
上記特徴構成によれば、発電性能の高い固体酸化物形燃料電池を用いて、その固体酸化物形燃料電池で発生した電力を電力負荷に供給するSOFCモノジェネレーションシステムを実現できる。 According to the above characteristic configuration, it is possible to realize an SOFC monogeneration system that supplies the electric power generated by the solid oxide fuel cell to the electric power load by using the solid oxide fuel cell having high power generation performance.
本発明に係るSOFCコージェネレーションシステムの特徴構成は、上記固体酸化物形燃料電池を備え、前記固体酸化物形燃料電池で発生した電力及び熱を電力負荷及び熱負荷に供給する点にある。 The characteristic configuration of the SOFC cogeneration system according to the present invention is that the solid oxide fuel cell is provided and the power and heat generated by the solid oxide fuel cell are supplied to the power load and the heat load.
上記特徴構成によれば、発電性能の高い固体酸化物形燃料電池を用いて、その固体酸化物形燃料電池で発生した電力及び熱を電力負荷及び熱負荷に供給するSOFCコージェネレーションシステムを実現できる。 According to the above characteristic configuration, it is possible to realize an SOFC cogeneration system that supplies the power and heat generated by the solid oxide fuel cell to the power load and the heat load by using the solid oxide fuel cell having high power generation performance. ..
本発明に係るセル間接続部材の製造方法の特徴構成は、固体酸化物形燃料電池用セルに用いられるセル間接続部材の製造方法であって、
ステンレス鋼を用いて構成される金属基材の表面のうち、前記固体酸化物形燃料電池用セルを構成する単セルの燃料極に接合される側の表面と、前記単セルの空気極に接合される側の表面とに、Ni及びCoを用いて構成される基材コーティング層を成膜する成膜工程と、
前記基材コーティング層の表面のうち、前記単セルの前記空気極に接合される側の表面に、Mnを含む酸化物を用いて構成される保護膜を形成する保護膜形成工程とを有する点にある。
The characteristic configuration of the method for manufacturing an inter-cell connecting member according to the present invention is a method for manufacturing an inter-cell connecting member used in a cell for a solid oxide fuel cell.
Of the surface of the metal base material made of stainless steel, the surface on the side to be joined to the fuel electrode of the single cell constituting the solid oxide fuel cell and the air electrode of the single cell are joined. A film forming step of forming a substrate coating layer composed of Ni and Co on the surface on the side to be formed.
A point having a protective film forming step of forming a protective film formed by using an oxide containing Mn on the surface of the base material coating layer on the side of the single cell to be joined to the air electrode. It is in.
上記特徴構成によれば、成膜工程により、セル間接続部材を構成する金属基材の表面のうち、燃料極に接合される側の表面、及び、空気極に接合される側の表面の両方に同じ基材コーティング層を付着させるので、基材コーティング層の形成時に金属基材をマスクなどで覆い隠す必要が無い。その結果、金属基材の表面に基材コーティング層を形成する手順が簡単になり、セル間接続部材の製造コストが低くなるという利点がある。
更に、その成膜工程では、セル間接続部材を構成する金属基材の表面のうち、固体酸化物形燃料電池用セルを構成する単セルの燃料極に接合される側の表面には、Ni及びCoを用いて構成される基材コーティング層が形成される。それにより、金属基材にリンが含まれていても、そのリンが金属基材から揮発することが抑制される。その結果、セル間接続部材が固体酸化物形燃料電池用セルの燃料極と接合された場合、リンが燃料極に悪影響を与えることを抑制できる。また、燃料極側の基材コーティング層のNi及びCoは、発電運転時には還元状態に曝されるため、金属状態で存在して十分な電子導電性を有することから、電気抵抗の増加は考慮しなくてよい。
また更に、セル間接続部材の金属基材の表面のうち、固体酸化物形燃料電池用セルを構成する単セルの空気極に接合される側の表面には、Ni及びCoを用いて構成される基材コーティング層が形成され、更にその基材コーティング層の表面には、Mnを含む酸化物を用いて構成される保護膜が形成される。つまり、セル間接続部材の金属基材の表面のうち、固体酸化物形燃料電池用セルを構成する単セルの空気極に接合される側の表面には、基材コーティング層及び保護膜とで構成されるNi及びCo及びMnを含む三元系の材料から成る層が形成されるので、高抵抗なCr2O3の形成の抑制や、金属基材からのCrの蒸発による飛散が防止される。
According to the above characteristic configuration, both the surface of the metal base material constituting the cell-cell connecting member and the surface of the side bonded to the fuel electrode and the surface of the side bonded to the air electrode are formed by the film forming process. Since the same base material coating layer is attached to the base material coating layer, it is not necessary to cover the metal base material with a mask or the like when forming the base material coating layer. As a result, there is an advantage that the procedure for forming the base material coating layer on the surface of the metal base material is simplified and the manufacturing cost of the cell-to-cell connecting member is low.
Further, in the film forming step, Ni And Co are used to form a substrate coating layer. As a result, even if phosphorus is contained in the metal base material, the phosphorus is suppressed from volatilizing from the metal base material. As a result, when the cell-cell connecting member is joined to the fuel electrode of the solid oxide fuel cell, it is possible to prevent phosphorus from adversely affecting the fuel electrode. In addition, since Ni and Co in the base material coating layer on the fuel electrode side are exposed to a reduced state during power generation operation, they exist in a metallic state and have sufficient electronic conductivity, so an increase in electrical resistance is taken into consideration. It doesn't have to be.
Furthermore, on the surface of the metal base material of the cell-to-cell connecting member, the surface on the side joined to the air electrode of the single cell constituting the solid oxide fuel cell is formed by using Ni and Co. A base material coating layer is formed, and a protective film formed by using an oxide containing Mn is formed on the surface of the base material coating layer. That is, on the surface of the metal base material of the cell-to-cell connecting member, the surface on the side bonded to the air electrode of the single cell constituting the solid oxide fuel cell is formed with a base material coating layer and a protective film. Since a layer made of a ternary material containing Ni, Co, and Mn is formed, the formation of highly resistant Cr 2 O 3 is suppressed and the scattering of Cr from the metal substrate due to evaporation is prevented. NS.
このように、セル間接続部材の金属基材の、燃料極に接合される側の表面と空気極に接合される側の表面との両方に形成される基材コーティング層は、燃料極に接合される側の表面ではリンが金属基材から揮発することを抑制するという効果を発揮し、且つ、空気極に接合される側の表面では保護膜と共に、高抵抗なCr2O3の形成が抑制され、金属基材からのCrの蒸発による飛散が防止されるという効果を発揮する。つまり、本特徴構成では、セル間接続部材の表面のうち、燃料極に接合される側及び空気極に接合される側の両方を考慮したコーティング設計が行われることで、コーティングを形成する手順が簡単でありながら、燃料極側及び空気極側の双方で良好な性能を示すセル間接続部材の製造方法を提供できる。 In this way, the base material coating layer formed on both the surface of the metal base material of the cell-cell connecting member on the side bonded to the fuel electrode and the surface on the side bonded to the air electrode is bonded to the fuel electrode. On the surface on the side to be bonded, the effect of suppressing the volatilization of phosphorus from the metal base material is exhibited, and on the surface on the side bonded to the air electrode, high resistance Cr 2 O 3 is formed together with the protective film. It is suppressed and exerts the effect of preventing scattering of Cr due to evaporation from the metal substrate. That is, in this feature configuration, the procedure for forming the coating is performed by considering both the side bonded to the fuel electrode and the side bonded to the air electrode on the surface of the cell-cell connecting member. It is possible to provide a method for manufacturing an inter-cell connecting member which is simple but exhibits good performance on both the fuel electrode side and the air electrode side.
以下、図面を参照して本発明の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池(SOFC)用セルで用いられるセル間接続部材1及びその製造方法及び固体酸化物形燃料電池について説明する。
図1は固体酸化物形燃料電池用セルの概略図である。図2は固体酸化物形燃料電池の作動時の反応の説明図である。図1及び図2に示すように、SOFC用セル(固体酸化物形燃料電池用セル)Cは、単セル3とセル間接続部材1とを備えて構成される。単セル3は、空気極31と燃料極32とを備えており、具体的には、酸素イオン伝導性の固体酸化物の緻密体からなる電解質膜30の一方面側に、酸素イオンおよび電子伝導性の多孔体からなる空気極31を接合するとともに、同電解質膜30の他方面側に電子伝導性の多孔体からなる燃料極32を接合して形成される。
Hereinafter, the cell-to-
FIG. 1 is a schematic view of a solid oxide fuel cell. FIG. 2 is an explanatory diagram of the reaction during operation of the solid oxide fuel cell. As shown in FIGS. 1 and 2, the SOFC cell (solid oxide fuel cell) C includes a
SOFC用セルCは、この単セル3を、空気極31または燃料極32に対して電子の授受を行うとともに空気および水素を供給するための溝2が形成された一対の電子伝導性のセル間接続部材1により、適宜外周縁部においてガスシール体を挟持した状態で挟み込んだ構造を有する。空気極31とセル間接続部材1とが密着配置されることで、空気極31の側の溝2が空気極31に空気を供給するための空気流路2aとして機能する。燃料極32とセル間接続部材1とが密着配置されることで、燃料極32の側の上記溝2が燃料極32に水素を供給するための燃料流路2bとして機能する。
In the SOFC cell C, the
上記単セル3を構成する各要素で利用される一般的な材料について説明を加えると、例えば、空気極31の材料としては、LaMO3(例えばM=Mn,Fe,Co,Ni)中のLaの一部をアルカリ土類金属AE(AE=Sr,Ca)で置換した(La,AE)MO3のペロブスカイト型酸化物などを利用できる。燃料極32の材料としては、例えばNiとイットリア安定化ジルコニア(YSZ)とのサーメットなどを利用でき、電解質膜30の材料としては、例えばイットリア安定化ジルコニア(YSZ)などを利用できる。
To add a description of the general material used in each element constituting the
そして、複数のSOFC用セルCが積層配置された状態で、複数のボルトおよびナットにより積層方向に押圧力を与えて挟持され、セルスタックとなる。このようにして、セル間接続部材1と単セル3とを備えるSOFC用セルCが複数積層された固体酸化物形燃料電池(セルスタック)が得られる。このセルスタックにおいて、積層方向の両端部に配置されたセル間接続部材1は、燃料流路2bまたは空気流路2aの一方のみが形成されるものであればよく、その他の中間に配置されたセル間接続部材1は、一方の面に燃料流路2bが形成され、他方の面に空気流路2aが形成されるものを利用できる。なお、このような積層構造のセルスタックでは、上記セル間接続部材1をセパレータと呼ぶ場合がある。
Then, in a state where the plurality of SOFC cells C are stacked and arranged, the cells are sandwiched by applying a pressing force in the stacking direction by a plurality of bolts and nuts to form a cell stack. In this way, a solid oxide fuel cell (cell stack) in which a plurality of SOFC cells C including the cell-to-
セルスタックは、燃料ガス(水素)を供給するマニホールドに、ガラスシール材等の接着材により取り付けられる。ガラスシール材としては、例えば結晶化ガラスが用いられる。ガラスシール材は、マニホールドの接着の他、単セル3とセル間接続部材1の間など、封止(シール)が必要な箇所に用いられる。このようなセルスタックの構造を有する固体酸化物形燃料電池を一般的に平板形固体酸化物形燃料電池と呼ぶ。本実施形態では、一例として平板形固体酸化物形燃料電池について説明するが、本発明はその他の構造の固体酸化物形燃料電池についても適用可能である。
The cell stack is attached to a manifold that supplies fuel gas (hydrogen) with an adhesive such as a glass sealant. As the glass sealing material, for example, crystallized glass is used. The glass sealing material is used in places where sealing is required, such as between the
このようなSOFC用セルCを備えた固体酸化物形燃料電池(セルスタック)の作動時には、図2に示すように、空気極31に対して隣接するセル間接続部材1に形成された空気流路2aを介して空気を供給するとともに、燃料極32に対して隣接するセル間接続部材1に形成された燃料流路2bを介して水素を供給し、例えば800℃程度の作動温度で作動する。すると、空気極31において酸素分子O2が電子e−と反応して酸素イオンO2−が生成され、そのO2−が電解質膜30を通って燃料極32に移動し、燃料極32において供給されたH2がそのO2−と反応してH2Oとe−とが生成されることで、一対のセル間接続部材1の間に起電力Eが発生し、その起電力Eを外部に取り出し利用できる。
When the solid oxide fuel cell (cell stack) provided with the SOFC cell C is operated, as shown in FIG. 2, the air flow formed in the cell-to-
<セル間接続部材1>
図3は、セル間接続部材1の構造を示す断面図である。図示するように、セル間接続部材1は、ステンレス鋼を用いて構成される金属基材11と、金属基材11の表面のうち、SOFC用セルCを構成する単セル3の燃料極32に接合される側の表面と、単セル3の空気極31に接合される側の表面とに形成される、Ni及びCoを用いて構成される基材コーティング層13と、基材コーティング層13の表面のうち、単セル3の空気極31に接合される側の表面に形成される、Mnを含む酸化物を用いて構成される保護膜12とを備える。
<Cell-to-
FIG. 3 is a cross-sectional view showing the structure of the cell-to-
つまり、本実施形態のセル間接続部材1の製造方法は、ステンレス鋼を用いて構成される金属基材11の表面のうち、SOFC用セルCを構成する単セル3の燃料極32に接合される側の表面と、単セル3の空気極31に接合される側の表面とに(図3の場合は、金属基材11の表面全体に)、Ni及びCoを用いて構成される基材コーティング層13を成膜する成膜工程と、基材コーティング層13の表面のうち、単セル3の空気極31に接合される側の表面に、Mnを含む酸化物を用いて構成される保護膜12を形成する保護膜形成工程とを有する。
That is, in the method for manufacturing the cell-to-
セル間接続部材1の金属基材11としては、フェライト系ステンレス鋼が用いられることが多いが、耐熱性により優れたオーステナイト系ステンレス鋼であるFe−Cr−Ni合金や、ニッケル基合金であるNi−Cr合金などが用いられることもある。また、合金ではなく、(La,Ca)CrO3(カルシウムドープランタンクロマイト)に代表される金属酸化物が用いられることもある。後述するように、金属基材11を構成するステンレス鋼には微量のリンが含まれている。
Ferrite-based stainless steel is often used as the metal base material 11 of the cell-
<基材コーティング層13>
上述したように、金属基材11の表面のうち、SOFC用セルCを構成する単セル3の燃料極32に接合される側の表面と空気極31に接合される側の表面との両方には基材コーティング層13が形成されている。尚、図3に示した例のように、基材コーティング層13は、金属基材11の表面全体に形成されていてもよい。基材コーティング層13は、Ni(ニッケル)及びCo(コバルト)を金属基材11にコーティングすることにより形成してある。基材コーティング層13の膜厚は適宜設定可能であり、例えば5μmなどである。基材コーティング層13の成膜法としては、めっき法、電着塗装法、スパッタリング法等を利用できる。
<
As described above, on both the surface of the metal base material 11 on the side bonded to the
<保護膜12>
上述したように、金属基材11の表面のうち、SOFC用セルCを構成する単セル3の空気極31に接合される側の表面には保護膜12が形成されている。保護膜12は、導電性セラミックス材料を含有する塗膜形成用材料を、金属基材11にコーティングすることにより保護膜12を厚膜として形成してある。厚膜の膜厚としては、0.1μm〜100μmが好適である。
<
As described above, the
保護膜12の成膜法としては、下記のようなものが挙げられる。
例えば、ウエットコーティング法あるいは、ドライコーティング法によって形成することができる。ウエットコーティング法としては、スクリーン印刷法、ドクターブレード法、スプレーコート法、インクジェット法、スピンコート法、ディップコート、電気めっき法、無電解めっき法、電着塗装法等が例示できる。また、ドライコーティング法としては、例えば蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、化学気相成長(CVD)法、電気化学気相成長(EVD)法、イオンビーム法、レーザーアブレーション法、大気圧プラズマ成膜法、減圧プラズマ成膜法、溶射法等が例示できる。
Examples of the film forming method for the
For example, it can be formed by a wet coating method or a dry coating method. Examples of the wet coating method include a screen printing method, a doctor blade method, a spray coating method, an inkjet method, a spin coating method, a dip coating method, an electroplating method, an electroless plating method, and an electrodeposition coating method. Examples of the dry coating method include a vapor deposition method, a sputtering method, an ion plating method, a chemical vapor deposition (CVD) method, an electrochemical vapor deposition (EVD) method, an ion beam method, a laser ablation method, and an atmospheric pressure plasma. Examples thereof include a film forming method, a reduced pressure plasma film forming method, and a thermal spraying method.
しかし、ドライコーティング法として、CVD・EVD法や溶射法等は、保護膜形成のためのプロセスが複雑となる、保護膜12の組成が安定しない等の欠点があるため、これらの方法に代えて、レーザーアブレーション法により保護膜12を形成することも考えられている。また、レーザーアブレーション法を採用すると、CVD・EVD法や溶射法に比べて、製造コストが高くなるため、現実的には、安価に保護膜12を製造できる技術として、ウエットコーティング法が採用される場合が多い。
However, as the dry coating method, the CVD / EVD method, the thermal spraying method, etc. have drawbacks such as the complicated process for forming the protective film and the unstable composition of the
例えば、電着塗装法を適用すれば、下記のような手法で保護膜12を形成することができる。
金属酸化物微粒子を電着液1リットル当り100gになるように分散し、ポリアクリル酸等のアニオン型樹脂を含有している混合液を用いて電着塗装を行った。ここでは、(金属酸化物微粒子:アニオン型樹脂)=(1:1)(質量比)とした。混合液を用い、金属基材11をプラス、対極としてSUS304の極板にマイナスの極性として通電を行うことによって、金属基材11の表面のうち、SOFC用セルCを構成する単セル3の空気極31に接合される側の表面に未硬化の電着塗膜が形成される。電着塗装は、公知の方法に従い、例えば、混合液を満たした通電槽中に金属基材11を完全にまたは部分的に浸漬して陽極とし、通電することにより実施される。電着塗装条件も特に制限されず、金属基材11である金属の種類、混合液の種類、通電槽の大きさおよび形状、得られるセル間接続部材1の用途などの各種条件に応じて広い範囲から適宜選択できるが、通常は、浴温度(混合液温度)10〜40℃程度、印加電圧を10〜450V程度、電圧印加時間を1〜10分程度、混合液の液温10〜40℃とすればよい。なお、電着電圧、電着時間を変更することにより電着塗膜の膜厚をコントロールできる。また、金属基材11に対して、種々前処理を行うこともできる。この未硬化の電着塗膜が形成された金属基材11に加熱処理することによって、金属基材11表面に硬化した電着塗膜が形成される。加熱処理は、電着塗膜を乾燥させる予備乾燥と、電着塗膜を硬化させる硬化加熱とを含み、予備乾燥後に硬化加熱が行われる。その後、電気炉を使用して1000℃で2時間焼成し、その後徐冷してセル間接続部材1を得た。
For example, if the electrodeposition coating method is applied, the
The metal oxide fine particles were dispersed so as to be 100 g per liter of the electrodeposition solution, and electrodeposition coating was performed using a mixed solution containing an anionic resin such as polyacrylic acid. Here, (metal oxide fine particles: anionic resin) = (1: 1) (mass ratio). By using a mixed liquid and energizing the electrode plate of SUS304 with the metal base material 11 as a positive and the counter electrode as a negative polarity, the air of the
保護膜形成用材料として用いられる金属酸化物の微粒子としては、Mnを含む酸化物からなる金属酸化物微粒子が用いられる。具体的には、保護膜形成用材料として用いられる金属酸化物の微粒子としては、Mn(マンガン)酸化物及びCo−Mn系(コバルトマンガン系)酸化物及びNi−Mn系(ニッケルマンガン系)酸化物及びCu−Mn系(銅マンガン系)酸化物のうちの何れか一つが用いられる。 As the fine particles of the metal oxide used as the material for forming the protective film, metal oxide fine particles made of an oxide containing Mn are used. Specifically, the fine particles of the metal oxide used as the material for forming the protective film include Mn (manganese) oxide, Co-Mn-based (cobalt-manganese-based) oxide, and Ni-Mn-based (nickel-manganese-based) oxidation. Any one of a substance and a Cu-Mn-based (copper-manganese-based) oxide is used.
以上のように、金属基材11の表面のうち、SOFC用セルCを構成する単セル3の燃料極32に接合される側の表面及び空気極31に接合される側の表面には基材コーティング層13が形成され、その基材コーティング層13の表面のうち、SOFC用セルCを構成する単セル3の空気極31に接合される側の表面には保護膜12が形成されたセル間接続部材1が得られる。このように、本実施形態のセル間接続部材1では、金属基材11の表面のうち、燃料極32に接合される側の表面と、空気極31に接合される側の表面との両方に基材コーティング層13が付着してもよいので、即ち、基材コーティング層13の形成時に金属基材11をマスクなどで覆い隠す必要が無いので、成膜工程において金属基材11の表面に基材コーティング層13を形成する手順が簡単になる。その結果、セル間接続部材1の製造コストが低くなるという利点がある。
As described above, among the surfaces of the metal base material 11, the surface of the
<接合材による接着・接合>
上述のように作製したセル間接続部材1と単セル3とを順次直列に接合することによって燃料電池のセルスタックを形成する。具体的には、保護膜12が形成されたセル間接続部材1の空気極31の側の表面を、接合材4を用いてSOFC用セルCを構成する単セル3の空気極31に接着接合する。
<Adhesion / joining with joining materials>
The cell stack of the fuel cell is formed by sequentially joining the cell-to-
接合材4としては、Co−Mn系酸化物CoxMnyO4(0<x、y<3、x+y=3)からなる保護膜12に対して、Co−Mn系酸化物CoxMnyO4(0≦x、y≦3、x+y=3)の接合材、より具体的には、保護膜12の形成材料が(Co,Mn)O4である場合、接合材4として、Co1.5Mn1.5O4、Co2MnO4、Co3O4等の酸化物材料を用いることができ、保護膜12の形成材料がCoxMnyO4(0<x、y<3、x+y=3)である場合、接合材が、Cox+αMny−αO4(0≦x、y、α≦3、x+y=3)、より具体的には、保護膜12の形成材料がCo1.5Mn1.5O4である場合、接合材4として、Co2MnO4、Co3O4等の酸化物材料を用いることができる。これらの材料は後述の実験例より、保護膜12と空気極31との間を、燃料電池の通電条件下で元素拡散が生じ、保護膜12の形成材料との間に拡散接合が生じる保護膜12の形成材料と同系酸化物材料からなる接合材4で接着接合する構成となるように選択することが好ましい。
すなわち、接合材4を選択すれば、燃料電池の通電条件下で元素拡散が生じ、保護膜12の形成材料との間に拡散接合が生じるものと考えられる。
また、保護膜12の焼成には例えば1000℃などでの加熱を要するのに対し、接合材4による接着・接合は、燃料電池の作動温度〜950℃などの低温で行うことができる。これは、金属基材11と保護膜12との接合には比較的高温(燃料電池の使用温度よりもやや高い温度)が必要であるのに対して、空気極31と接合材4、接合材4と保護膜12の接着接合には、拡散接合が期待できることから比較的低温で可能になるものと考えられる。
As the bonding material 4, Co-Mn-based oxide Co x Mn y O 4 (0 <x, y <3, x + y = 3) with respect to the
That is, it is considered that if the bonding material 4 is selected, element diffusion occurs under the energizing conditions of the fuel cell, and diffusion bonding occurs between the bonding material 4 and the material forming the
Further, while firing the
<燃料極32に接合される側の表面に基材コーティング層13を設けたことによる効果>
以下に、セル間接続部材1を製造する際に用いる金属基材11の表面のうち、SOFC用セルCを構成する単セル3の燃料極32に接合される側の表面に基材コーティング層13を設けたことの効果を記載する。ここでは、金属基材11の表面に基材コーティング層13を形成した後で熱処理を施したサンプル(実施例1)、基材コーティング層13を形成していない金属基材11に熱処理を施していないサンプル(比較例1)、基材コーティング層13を形成していない金属基材11に熱処理を施したサンプル(比較例2)を作製し、ICP分析を行った。
<Effect of providing the base
Below, of the surface of the metal base material 11 used in manufacturing the cell-to-
実施例1及び比較例2のサンプルに対する熱処理は、セルスタック製造時及び燃料電池の運転時にセル間接続部材1が受ける熱履歴を模擬するために行った。具体的には、セル間接続部材1と単セル3とを用いてセルスタックを形成するときに受ける熱の影響(製造時熱履歴)と、セルスタックを用いて発電運転するときに受ける熱の影響(運転時熱履歴)とを考慮している。そして、製造時熱履歴を模擬するものとして、実施例1及び比較例2のサンプルに対して、セル間接続部材1に保護膜12を形成するための焼成を模擬する大気中での800℃の加熱と、セルスタックの還元を模擬する還元雰囲気(水素雰囲気)での700℃の加熱とをそれぞれ2時間ずつ行うという処理を施した。運転時熱履歴を模擬するものとして、水素/水蒸気雰囲気にて後述する温度条件及び時間条件で処理を施した。
The heat treatment for the samples of Example 1 and Comparative Example 2 was performed in order to simulate the heat history received by the cell-to-
〔実施例1のサンプル:基材コーティング層13あり〕
金属基材11として汎用ステンレス材料(SUS445J1相当)を用い、その表面にNiをめっき法により成膜することで基材コーティング層13を形成した。その後、製造時熱履歴を模擬するものとして、大気中800℃、還元雰囲気(水素雰囲気)700℃でそれぞれ2時間ずつ焼成するという処理を施した。更に、運転時熱履歴を模擬するものとして、水素/水蒸気雰囲気にて熱処理を所定時間(24時間、48時間、300時間)施した。この熱処理時の温度は850℃又は900℃である。
[Sample of Example 1: With base material coating layer 13]
A general-purpose stainless steel material (corresponding to SUS445J1) was used as the metal base material 11, and Ni was formed on the surface of the metal base material 11 by a plating method to form a base
尚、この実施例1で用いている基材コーティング層13は、Coを含んでいないため、Ni及びCoを用いて構成されたものではないが、原理的にはNiが存在していれば問題ない(Coが悪影響を及ぼさない)と考えられる。つまり、基材コーティング層13がNiを用いて構成される場合に得られる効果は、基材コーティング層13がNi及びCoを用いて構成される場合に得られる効果と同様であると考えられるため、この実施例1ではNiを用いて構成される基材コーティング層13を用いた結果を示す。
Since the base
〔比較例1のサンプル:基材コーティング層13なし〕
金属基材11として汎用ステンレス材料(SUS445J1相当)を用いた。その表面にはNiを成膜していない(基材コーティング層13を形成していない)。この比較例1のサンプルには、製造時熱履歴を模擬する熱処理及び運転時熱履歴を模擬する熱処理の何れの熱処理も施していない。
[Sample of Comparative Example 1: No base material coating layer 13]
A general-purpose stainless steel material (corresponding to SUS445J1) was used as the metal base material 11. Ni is not formed on the surface (the base
〔比較例2のサンプル:基材コーティング層13なし〕
金属基材11として汎用ステンレス材料(SUS445J1相当)を用いた。その表面にはNiを成膜していない(基材コーティング層13を形成していない)。その後、製造時熱履歴を模擬するものとして、大気中800℃、還元雰囲気(水素雰囲気)700℃でそれぞれ2時間ずつ焼成するという処理を施した。更に、運転時熱履歴を模擬するものとして、水素/水蒸気雰囲気にて熱処理を所定時間(24時間、300時間)施した。この熱処理時の温度は850℃又は900℃である。
[Sample of Comparative Example 2: No base material coating layer 13]
A general-purpose stainless steel material (corresponding to SUS445J1) was used as the metal base material 11. Ni is not formed on the surface (the base
ICP分析では、各サンプルについて、5mm角、0.4mm厚みの試験片を用意し、全量溶解して、各試験片に含まれているリン(P)の濃度を検出した。以下の表1及び表2にはICPの分析結果を示す。 In the ICP analysis, a test piece having a thickness of 5 mm square and 0.4 mm was prepared for each sample, and the whole amount was dissolved to detect the concentration of phosphorus (P) contained in each test piece. Tables 1 and 2 below show the results of ICP analysis.
先ず、比較例1のサンプルと、実施例1及び比較例2のサンプルとに対する水素/水蒸気雰囲気での熱処理時間が0時間の場合との違いは、実施例1及び比較例2に対しては製造時熱履歴を模擬する熱処理を行っているのに対して、比較例1のサンプルはその熱処理を行っていない点である。そして、表1及び表2から分かるように、比較例1のサンプルのリン濃度(280ppm)と比較して、水素/水蒸気雰囲気での熱処理時間が0時間である場合の比較例2のサンプルのリン濃度は220ppmと低くなっている。つまり、製造時熱履歴を模擬する熱処理によって、金属基材11の表面からのリンの揮発が大きく生じると言えることが分かった。 First, the difference between the sample of Comparative Example 1 and the heat treatment time of the samples of Example 1 and Comparative Example 2 in a hydrogen / steam atmosphere of 0 hours is that the samples of Example 1 and Comparative Example 2 are manufactured. While the heat treatment that simulates the thermal history is performed, the sample of Comparative Example 1 is not subjected to the heat treatment. Then, as can be seen from Tables 1 and 2, the phosphorus concentration of the sample of Comparative Example 2 is compared with the phosphorus concentration (280 ppm) of the sample of Comparative Example 1 when the heat treatment time in the hydrogen / steam atmosphere is 0 hour. The concentration is as low as 220 ppm. That is, it was found that the heat treatment simulating the heat history during production causes a large amount of phosphorus volatilization from the surface of the metal base material 11.
また、実施例1のサンプルについて着目すると、表1及び表2から分かるように、比較例1のサンプルのリン濃度(280ppm)と比較して、水素/水蒸気雰囲気での熱処理時間が0時間である場合の実施例1のサンプルのリン濃度は190ppmと低くなっている。これは、製造時熱履歴を模擬する熱処理のうち、大気中での加熱処理を行っている間に、金属基材11の表面から僅かにNiと化学結合したリンが消失したためと考えられる。但し、製造時熱履歴を模擬する熱処理のうちの、大気中での加熱処理は、セル間接続部材1に保護膜12を形成するための焼成を模擬する処理である、即ち、セル間接続部材1と単セル3とを接合していない状態で行われる処理であるので、リンが燃料極32に悪影響を与えることはない。
Focusing on the sample of Example 1, as can be seen from Tables 1 and 2, the heat treatment time in the hydrogen / steam atmosphere is 0 hours as compared with the phosphorus concentration (280 ppm) of the sample of Comparative Example 1. The phosphorus concentration of the sample of Example 1 in the case is as low as 190 ppm. It is considered that this is because, among the heat treatments simulating the heat history during production, phosphorus chemically bonded to Ni slightly disappeared from the surface of the metal base material 11 during the heat treatment in the atmosphere. However, among the heat treatments that simulate the heat history during manufacturing, the heat treatment in the atmosphere is a process that simulates firing for forming the
実施例1の基材コーティング層13を形成したサンプルでは、運転時熱履歴を模擬した水素/水蒸気雰囲気での熱処理温度に関わらず、水素/水蒸気雰囲気で熱処理した前後でのリン濃度の差はほぼ無かった。つまり、実施例1の基材コーティング層13を形成したサンプルでは、運転時熱履歴を模擬した熱処理によっては、金属基材11からのリンの揮発がほぼ生じないと言えることがわかった。
In the sample in which the base
それに対して、比較例2のサンプルでは、水素/水蒸気雰囲気での熱処理温度が850℃の場合には300時間の熱処理によってリン濃度が220ppmから120ppmまで減少し、水素/水蒸気雰囲気での熱処理温度が900℃の場合には24時間の熱処理によってリン濃度が220ppmから100ppmまで減少した。つまり、比較例2の基材コーティング層13を形成していないサンプルでは、運転時熱履歴を模擬した熱処理より、金属基材11からのリンの揮発が大きく生じると言えることが分かった。
On the other hand, in the sample of Comparative Example 2, when the heat treatment temperature in the hydrogen / steam atmosphere was 850 ° C., the phosphorus concentration was reduced from 220 ppm to 120 ppm by the heat treatment for 300 hours, and the heat treatment temperature in the hydrogen / steam atmosphere was increased. At 900 ° C., the phosphorus concentration was reduced from 220 ppm to 100 ppm by heat treatment for 24 hours. That is, it was found that in the sample in which the base
以上のように、実施例1のサンプルでは、表1及び表2に示したように、製造時熱履歴を模擬する熱処理によって金属基材11からリンが揮発していると思われるが、運転時熱処理を模擬する熱処理によって金属基材11からリンが揮発することは効果的に防止されている。従って、金属基材11の表面のうち、少なくとも単セル3の燃料極32に接合される側の表面に基材コーティング層13が形成されたセル間接続部材1を用いることで、実際の固体酸化物形燃料電池でも燃料極32のリン被毒を抑制可能だと考えられる。
As described above, in the sample of Example 1, as shown in Tables 1 and 2, it is considered that phosphorus is volatilized from the metal base material 11 by the heat treatment simulating the heat history during production, but during operation. The volatilization of phosphorus from the metal base material 11 by the heat treatment simulating the heat treatment is effectively prevented. Therefore, by using the cell-to-
<空気極31に接合される側の表面に基材コーティング層13及び保護膜12を設けたことによる効果>
以下に、セル間接続部材1を製造する際に用いる金属基材11の表面のうち、SOFC用セルCを構成する単セル3の空気極31に接合される側の表面に基材コーティング層13を設け、更に基材コーティング層13の表面に保護膜12を設けたことの効果を記載する。ここでは、以下の表3に示すように、金属基材11の表面に基材コーティング層13及び保護膜12を形成したサンプル(実施例3,4)、基材コーティング層13を形成し、保護膜12を形成していないサンプル(比較例3)、基材コーティング層13を形成せず、保護膜12に相当する膜を形成したサンプル(比較例4)、を作製し、電気抵抗を測定した。
<Effect of providing the base
Below, of the surface of the metal base material 11 used in manufacturing the cell-to-
〔実施例2のサンプル〕
金属基材11として汎用ステンレス材料(SUS445J1相当)を用い、その表面にNiCO2O4を含む材料をディップコーティングにより成膜し、還元雰囲気(1000℃)で熱処理することで、金属状態のNi及びCoを用いて構成される基材コーティング層13を形成した。更に、その基材コーティング層13の表面にNi2MnO4を含む材料をディップコーティングにより成膜し、大気雰囲気(1000℃)で熱処理することで、Ni−Mn系酸化物(Ni2MnO4)を用いて構成される保護膜12を形成した。
[Sample of Example 2]
A general-purpose stainless steel material (equivalent to SUS445J1) is used as the metal base material 11, and a material containing NiCO 2 O 4 is formed on the surface by dip coating and heat-treated in a reducing atmosphere (1000 ° C.) to obtain Ni in a metallic state and The base
〔実施例3のサンプル〕
金属基材11として汎用ステンレス材料(SUS445J1相当)を用い、その表面にNiCO2O4を含む材料をディップコーティングにより成膜し、還元雰囲気(1000℃)で熱処理することで、金属状態のNi及びCoを用いて構成される基材コーティング層13を形成した。更に、その基材コーティング層13の表面にCu2MnO4を含む材料をディップコーティングにより成膜し、大気雰囲気(1000℃)で熱処理することで、Cu−Mn系酸化物(Cu2MnO4)を用いて構成される保護膜12を形成した。
[Sample of Example 3]
A general-purpose stainless steel material (equivalent to SUS445J1) is used as the metal base material 11, and a material containing NiCO 2 O 4 is formed on the surface by dip coating and heat-treated in a reducing atmosphere (1000 ° C.) to obtain Ni in a metallic state and The base
〔比較例3のサンプル〕
金属基材11として汎用ステンレス材料(SUS445J1相当)を用い、その表面にNiCO2O4を含む材料をディップコーティングにより成膜し、還元雰囲気(1000℃)で熱処理することで、金属状態のNi及びCoを用いて構成される基材コーティング層13を形成した。尚、この比較例3のサンプルでは、基材コーティング層13の表面には保護膜12を形成していない。
[Sample of Comparative Example 3]
A general-purpose stainless steel material (equivalent to SUS445J1) is used as the metal base material 11, and a material containing NiCO 2 O 4 is formed on the surface by dip coating and heat-treated in a reducing atmosphere (1000 ° C.) to obtain Ni in a metallic state and The base
〔比較例4のサンプル〕
金属基材11として汎用ステンレス材料(SUS445J1相当)を用い、その表面にCo2MnO4を含む材料をディップコーティングにより成膜し、大気雰囲気(1000℃)で熱処理することで、Cu−Mn系酸化物(Cu2MnO4)を用いて構成される保護膜12を形成した。尚、この比較例4のサンプルでは、基材コーティング層13を形成していない。
[Sample of Comparative Example 4]
A general-purpose stainless steel material (equivalent to SUS445J1) is used as the metal base material 11 , a material containing Co 2 MnO 4 is formed on the surface by dip coating, and heat treatment is performed in an atmospheric atmosphere (1000 ° C.) to oxidize Cu-Mn. A
表4に600〜900℃での実施例及び比較例の抵抗値の温度依存性の結果を示す。
実施例2のサンプルは、比較例3及び比較例4のサンプルと比較して低抵抗な結果を示した。実施例2のサンプルは、2回の熱処理を経て、金属基材11の表面に厚みのある2層の膜(基材コーティング層13及び保護膜12)を形成したにも関わらず低い抵抗値を示している。つまり、セル間接続部材1の金属基材11の表面に、基材コーティング層13及び保護膜12により構成されるNi及びCo及びMnを含む三元系の材料から成る層が形成されることで、高抵抗なCr2O3の形成を抑制できるという利点、及び、金属基材11からのCrの蒸発による飛散を防止できるという利点が得られるのに加えて、低抵抗という利点が得られることを考慮すると、実施例2のサンプルは比較例3,4のサンプルよりも非常に高性能であると言える。
実施例3のサンプルは、比較例3,4のサンプルと比較して抵抗値はわずかに上昇した。但し、実施例3のサンプルも、高抵抗なCr2O3の形成を抑制できるという利点、及び、金属基材11からのCrの蒸発による飛散を防止できるという利点が得られることを考慮すると、比較例3,4のサンプルと比較して性能が低いとは言えない。
Table 4 shows the temperature-dependent results of the resistance values of Examples and Comparative Examples at 600 to 900 ° C.
The sample of Example 2 showed a low resistance result as compared with the sample of Comparative Example 3 and Comparative Example 4. The sample of Example 2 has a low resistance value even though two thick films (base
The resistance value of the sample of Example 3 was slightly increased as compared with the samples of Comparative Examples 3 and 4. However, considering that the sample of Example 3 also has an advantage that the formation of high-resistance Cr 2 O 3 can be suppressed and an advantage that the scattering of Cr due to evaporation from the metal base material 11 can be prevented can be obtained. It cannot be said that the performance is low as compared with the samples of Comparative Examples 3 and 4.
以上のように、本実施形態では、セル間接続部材1を構成する金属基材11の表面のうち、燃料極32に接合される側の表面、及び、空気極31に接合される側の表面の両方に同じ基材コーティング層13を付着させるので、基材コーティング層13の形成時に金属基材11をマスクなどで覆い隠す必要が無い。その結果、金属基材11の表面に基材コーティング層13を形成する手順が簡単になり、セル間接続部材1の製造コストが低くなるという利点がある。加えて、セル間接続部材1の金属基材11の、燃料極32に接合される側の表面と空気極31に接合される側の表面との両方に形成される基材コーティング層13は、燃料極32に接合される側の表面ではリンが金属基材11から揮発することを抑制するという効果を発揮し、且つ、空気極31に接合される側の表面では保護膜12と共に、高抵抗なCr2O3の形成が抑制され、金属基材11からのCrの蒸発による飛散が防止されるという効果を発揮する。
As described above, in the present embodiment, among the surfaces of the metal base material 11 constituting the cell-to-
尚、セル間接続部材1の表面のうち、空気極31に接合される側の表面の性能だけを考慮するのであれば、空気極31に接合される側の表面に、Ni−Co−Mnを含む三元系の材料を1回で(1層で)成膜するという手法もある。但し、その手法を採用した場合には、セル間接続部材1の表面のうち、燃料極32に接合される側の表面にもNi−Co−Mnを含む材料が成膜されてしまうため、セル間接続部材1の燃料極側の表面にMnが析出し、SOFC作動温度範囲における燃料極側の還元雰囲気ではMnは酸化物として存在するため、高抵抗を示すという問題がある。
そのため、本実施形態では、金属基材11の表面に、1層目に燃料極側のコーティングとして性能・耐久面で良好なNi−Co(基材コーティング層13)を形成し、空気極側では、1層目の基材コーティング層13の表面の2層目にMnを含む酸化物(保護膜12)を形成した。つまり、セル間接続部材1の表面のうち、燃料極32に接合される側及び空気極31に接合される側の両方を考慮したコーティング設計が行われることで、コーティングを形成する手順が簡単でありながら、燃料極側及び空気極側の双方で良好な性能を示すセル間接続部材1を提供できる。
If only the performance of the surface of the cell-
Therefore, in the present embodiment, Ni—Co (base material coating layer 13) having good performance and durability as a coating on the fuel electrode side is formed on the surface of the metal base material 11 as a coating on the fuel electrode side, and on the air electrode side. An oxide containing Mn (protective film 12) was formed on the second layer of the surface of the first base
図4は、上述の方法で製造したSOFC用セルCを搭載する固体酸化物形燃料電池(セルスタック)を備えるシステムの構成を示す図である。特に、図4に示すのは、固体酸化物形燃料電池(SOFC)20を備え、その固体酸化物形燃料電池20で発生した電力及び熱を電力負荷及び熱負荷に供給するSOFCコージェネレーションシステムの構成を示す図である。この固体酸化物形燃料電池20は、上述のように製造されたSOFC用セルCが複数積層されたセルスタックを有する。また、図示は省略するが、固体酸化物形燃料電池20には、燃料極32に供給される水素などの燃料ガスを、都市ガスなどの炭化水素を改質して製造するための改質装置を併設してもよい。
FIG. 4 is a diagram showing a configuration of a system including a solid oxide fuel cell (cell stack) equipped with a SOFC cell C manufactured by the above method. In particular, FIG. 4 shows an SOFC cogeneration system including a solid oxide fuel cell (SOFC) 20 and supplying the electric power and heat generated by the solid
固体酸化物形燃料電池20から出力される電力は、インバータ等の電力変換器24を介して、商用電力系統21に接続されている電力線22に供給される。この電力線22には、固体酸化物形燃料電池20が設置されている施設で利用される照明機器や空調機器などの様々な電力負荷装置23が接続される。つまり、電力負荷装置23での電力負荷に対して、商用電力系統21及び固体酸化物形燃料電池20のうちの少なくとも一方から電力が供給される。
The electric power output from the solid
固体酸化物形燃料電池20から排出される熱は、固体酸化物形燃料電池20が設置されている施設に設置されている給湯装置や暖房装置などの様々な熱負荷装置26の熱負荷に対して供給される。また、図示するように、蓄熱媒体を貯える蓄熱装置25を設けておけば、固体酸化物形燃料電池20から排出された熱をその蓄熱媒体で回収して蓄熱装置25で蓄えることもできる。そして、熱負荷装置26で熱需要が発生したときに、蓄熱装置25から熱負荷装置26へと熱供給を行うことができる。
The heat discharged from the solid
<別実施形態>
<1>
上記実施形態では、本発明のセル間接続部材1、及び、固体酸化物形燃料電池、及び、SOFCコージェネレーションシステム、及び、セル間接続部材1の製造方法について具体例を挙げて説明したが、その構成は適宜変更可能である。
例えば、各材料の組成などは適宜変更可能である。
また、基材コーティング層13及び保護膜12の成膜方法も適宜選択できる。例えば、ステンレス鋼を用いて構成される金属基材11の表面に基材コーティング層13としてのNi−Coをめっき法により成膜し、その後、保護膜12としてのCo−Mn系酸化物を例えば電着塗装等で成膜してもよい。この場合、金属基材11にNi−Coをめっきしても金属基材11の電子導電性は失われないことから、2層目の保護膜12においても電着塗装や電気めっき等の電気化学的手法による製膜は可能となる。
<Another Embodiment>
<1>
In the above embodiment, the cell-
For example, the composition of each material can be changed as appropriate.
Further, the film forming method of the base
<2>
上記実施形態では、固体酸化物形燃料電池(セルスタック)を備えたコージェネレーションシステムを構築する例を説明したが、固体酸化物形燃料電池を備えたモノジェネレーションシステムを構築することもできる。即ち、固体酸化物形燃料電池を備え、固体酸化物形燃料電池で発生した電力を電力負荷に供給するSOFCモノジェネレーションシステムを構築することもできる。
<2>
In the above embodiment, an example of constructing a cogeneration system including a solid oxide fuel cell (cell stack) has been described, but a monogeneration system including a solid oxide fuel cell can also be constructed. That is, it is also possible to construct an SOFC monogeneration system including a solid oxide fuel cell and supplying the electric power generated by the solid oxide fuel cell to the electric power load.
<3>
上記実施形態(別実施形態を含む、以下同じ)で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用でき、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変できる。
<3>
The configurations disclosed in the above embodiment (including other embodiments, the same shall apply hereinafter) can be applied in combination with the configurations disclosed in other embodiments as long as there is no contradiction, and are disclosed in the present specification. The embodiment is an example, and the embodiment of the present invention is not limited to this, and can be appropriately modified without departing from the object of the present invention.
本発明は、コーティングを形成する手順が簡単でありながら、燃料極側及び空気極側の双方で良好な性能を示すセル間接続部材、及び、固体酸化物形燃料電池、及び、SOFCモノジェネレーションシステム、及び、SOFCコージェネレーションシステム、及び、セル間接続部材の製造方法に利用できる。 According to the present invention, a cell-cell connection member, a solid oxide fuel cell, and an SOFC monogeneration system that exhibit good performance on both the fuel electrode side and the air electrode side while the procedure for forming a coating is simple. , And SOFC cogeneration system, and can be used for manufacturing methods of cell-cell connecting members.
1 セル間接続部材
3 単セル
11 金属基材
12 保護膜
13 基材コーティング層
20 固体酸化物形燃料電池(セルスタック)
31 空気極
32 燃料極
C 固体酸化物形燃料電池用セル(SOFC用セル)
1 Cell-to-
31
Claims (6)
ステンレス鋼を用いて構成される金属基材と、
前記金属基材の表面のうち、前記固体酸化物形燃料電池用セルを構成する単セルの燃料極に接合される側の表面と、前記単セルの空気極に接合される側の表面とに形成される、Ni及びCoを用いて構成される基材コーティング層と、
前記基材コーティング層の表面のうち、前記単セルの前記空気極に接合される側の表面に形成される、Mnを含む酸化物を用いて構成される保護膜とを備えるセル間接続部材。 An inter-cell connection member used in solid oxide fuel cell cells.
A metal base material made of stainless steel and
On the surface of the metal base material, the surface on the side bonded to the fuel electrode of the single cell constituting the solid oxide fuel cell and the surface on the side bonded to the air electrode of the single cell. A base material coating layer composed of Ni and Co, which is formed,
An inter-cell connection member including a protective film formed of an oxide containing Mn, which is formed on the surface of the base material coating layer on the side of the single cell to be joined to the air electrode.
ステンレス鋼を用いて構成される金属基材の表面のうち、前記固体酸化物形燃料電池用セルを構成する単セルの燃料極に接合される側の表面と、前記単セルの空気極に接合される側の表面とに、Ni及びCoを用いて構成される基材コーティング層を成膜する成膜工程と、
前記基材コーティング層の表面のうち、前記単セルの前記空気極に接合される側の表面に、Mnを含む酸化物を用いて構成される保護膜を形成する保護膜形成工程とを有するセル間接続部材の製造方法。 A method for manufacturing an inter-cell connection member used in a cell for a solid oxide fuel cell.
Of the surface of the metal base material made of stainless steel, the surface on the side to be joined to the fuel electrode of the single cell constituting the solid oxide fuel cell and the air electrode of the single cell are joined. A film forming step of forming a substrate coating layer composed of Ni and Co on the surface on the side to be formed.
A cell having a protective film forming step of forming a protective film formed by using an oxide containing Mn on the surface of the base material coating layer on the side of the single cell to be joined to the air electrode. Manufacturing method of connecting member.
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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2020
- 2020-03-24 JP JP2020053116A patent/JP7357577B2/en active Active
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Publication number | Publication date |
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JP7357577B2 (en) | 2023-10-06 |
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