JP2005251490A - Current collector and solid oxide fuel cell - Google Patents

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Shigeo Ibuka
重夫 井深
Keiko Kushibiki
圭子 櫛引
Yasushi Nakajima
靖志 中島
Noritoshi Sato
文紀 佐藤
Naoki Hara
直樹 原
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a current collector which is chemically stable in an oxidative and reducing high temperature atmosphere, which can be used for all of an air pole and a fuel electrode when applied to a fuel cell, which has further a low contact resistance and a small current collection loss, and which can improve the output performance of a battery; and to provide a solid oxide fuel cell using such a current collector. <P>SOLUTION: A metal carbide film F, such as, for example, a chromium carbide (CrC) and a vanadium carbide (VC) is formed on the front surface of a plate-like substrate B which has an unevenness on the contact surface with a fibrous or at least an electrode made of a metal material or a carbon material containing, for example, a carbon. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、燃料電池を始めとする各種の電池や蓄電池などに適用される集電体に係わり、特に、酸化性、還元性いずれの雰囲気においても、高温での安定性に優れ、作動温度が高い固体酸化物形燃料電池(SOFC)にとりわけ好適に用いられる集電体に関するものである。   The present invention relates to a current collector that is applied to various types of batteries such as fuel cells and storage batteries, and in particular, is excellent in stability at high temperatures and has an operating temperature in both oxidizing and reducing atmospheres. The present invention relates to a current collector particularly preferably used for a high solid oxide fuel cell (SOFC).

複数の単セルを積層して成る燃料電池スタックにおいては、所望の出力電圧を得るために、各単セルを直列あるいは並列に接続したり、あるいは集電効率を向上させたりするために集電体が用いられ、発電出力は当該集電体を介して外部回路に取り出される。
そして、固体酸化物形燃料電池においては、作動温度における耐熱性とガス透過性とを考慮して、AgやNiのような耐熱金属のメッシュやフェルトが集電体として用いられている。
In a fuel cell stack formed by stacking a plurality of single cells, in order to obtain a desired output voltage, a current collector is used to connect the single cells in series or in parallel, or to improve current collection efficiency. Is used, and the power generation output is taken out to an external circuit through the current collector.
In the solid oxide fuel cell, a heat-resistant metal mesh or felt such as Ag or Ni is used as a current collector in consideration of heat resistance and gas permeability at an operating temperature.

例えば、特許文献1には、銀を集電体の主材料として使用することが開示されており、銀フェルト、銀メッシュ、又は銀よりも高温強度に優れた金属繊維に銀メッキを施したものを空気極用の集電体とすることが記載されている。   For example, Patent Document 1 discloses that silver is used as a main material of a current collector, and silver felt is applied to silver felt, silver mesh, or metal fiber having a higher temperature strength than silver. Is used as a current collector for an air electrode.

また、特許文献2には、ニッケルフェルトを固体電解質型燃料電池の燃料極側通電体として使用するに際し、その焼結によるニッケル繊維間の隙間の縮小を防ぎ、もってガス透過性を確保するために、ニッケルフェルトの繊維表面に電解質材料を付着させることが記載されている。
特開2002−280026号公報 特開平07−045297号公報
Further, in Patent Document 2, when nickel felt is used as a fuel electrode side conductor of a solid oxide fuel cell, the gap between the nickel fibers is prevented from being reduced due to the sintering, thereby ensuring gas permeability. It is described that an electrolyte material is adhered to the surface of nickel felt fibers.
JP 2002-280026 A Japanese Patent Application Laid-Open No. 07-045297

しかしながら、銀を主材料として用いた上記引用文献1に記載の集電体においては、当該集電体が空気極用としての使用のみに限定されることばかりでなく、銀のマイグレーションによる電極性能の劣化が生じたり、コスト高となったりするという問題がある。さらに、金属繊維に銀メッキを施して使用する場合には、メッキ層の密着性などにも問題点がある。
一方、引用文献2に記載の集電体については、燃料極用としての使用に限定されることに加えて、ニッケル繊維の表面に担持した電解質自体の抵抗率がさほど低くないために、接触抵抗の低減にはほとんど貢献しないという問題があった。
However, in the current collector described in the above cited reference 1 using silver as a main material, not only the current collector is limited to use for an air electrode but also the electrode performance due to silver migration. There is a problem that deterioration occurs or costs increase. Further, when the metal fiber is used after being plated with silver, there is a problem in the adhesion of the plating layer.
On the other hand, the current collector described in the cited document 2 is not limited to use as a fuel electrode. In addition, the resistivity of the electrolyte supported on the surface of the nickel fiber is not so low. There has been a problem that it hardly contributes to the reduction of the above.

本発明は、Agを主材料として使用したり、繊維表面に電解質材料を付着させたニッケルフェルトを用いたりした従来の集電体における上記課題に着目してなされたものであって、その目的とするところは、酸化性及び還元性の高温雰囲気においても化学的に安定で、例えば燃料電池に適用した場合には、空気極、燃料極のいずれにも使用することができ、しかも接触抵抗が低く、集電損失を少なくして、電池の出力性能を向上させることができる集電体と、このような集電体を用いた固体酸化物形燃料電池(SOFC)を提供することにある。   The present invention has been made paying attention to the above-mentioned problems in conventional current collectors using Ag as a main material or using nickel felt having an electrolyte material attached to the fiber surface. However, it is chemically stable even in oxidizing and reducing high-temperature atmospheres. For example, when applied to a fuel cell, it can be used for both an air electrode and a fuel electrode, and has low contact resistance. An object of the present invention is to provide a current collector capable of reducing the current collection loss and improving the output performance of the battery, and a solid oxide fuel cell (SOFC) using such a current collector.

本発明者らは、上記目的を達成するため、集電体として使用可能な各種材料やその表面処理方法などについて鋭意検討を重ねた結果、金属炭化物の導電性及び化学的安定性に着目し、適当な基材の表面に金属炭化物皮膜を形成することによって、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに到った。   In order to achieve the above object, the present inventors have conducted extensive studies on various materials that can be used as current collectors and surface treatment methods thereof, and as a result, focused on the conductivity and chemical stability of metal carbides. It has been found that the above object can be achieved by forming a metal carbide film on the surface of a suitable substrate, and the present invention has been completed.

本発明は、上記知見に基づくものであって、本発明の集電体は、基材表面に金属炭化物皮膜を形成して成ることを特徴とするものであって、例えば炭素を含有する金属材料や炭素材料から成る繊維状、あるいは少なくとも電極との接触面に凹凸を備えた板状の基材の表面に、例えば炭化クロム(CrC)や炭化バナジウム(VC)などのような金属炭化物皮膜を形成したものとすることができる。   The present invention is based on the above knowledge, and the current collector of the present invention is formed by forming a metal carbide film on the surface of a base material, for example, a metal material containing carbon For example, a metal carbide film such as chromium carbide (CrC) or vanadium carbide (VC) is formed on the surface of a fibrous substrate made of carbon or a carbon material, or at least the surface of a plate-like substrate having irregularities on the contact surface with the electrode. Can be.

また、本発明の固体酸化物形燃料電池は、上記集電体を適用したものであって、固体酸化物から成る電解質を挟持する2つの電極層の一方又は両方に本発明の上記集電体が接触していることを特徴としている。   The solid oxide fuel cell of the present invention is an application of the current collector, and the current collector of the present invention is provided on one or both of two electrode layers sandwiching an electrolyte made of a solid oxide. Is in contact.

一般に金属炭素物は、電気伝導性を有すると共に、原子間結合が強く、高温でも安定した特性を示すことから、適当な基材の表面にこのような金属炭素物の皮膜を形成することによって、基材の酸化や還元を防ぐことができ、周辺環境や雰囲気に拘わらず使用可能で、しかも低コストの集電体とすることができる。したがって、例えば固体酸化物形燃料電池に適用した場合には、空気極、燃料極のいずれにも使用することができ、長期に亘って優れた集電性能を発揮することができる。   In general, metal carbonaceous materials have electrical conductivity, strong interatomic bonds, and stable characteristics even at high temperatures. Therefore, by forming a film of such a metal carbonaceous material on the surface of an appropriate substrate, Oxidation and reduction of the substrate can be prevented, and it can be used regardless of the surrounding environment and atmosphere, and a low-cost current collector can be obtained. Therefore, for example, when applied to a solid oxide fuel cell, it can be used for both an air electrode and a fuel electrode, and can exhibit excellent current collecting performance over a long period of time.

なお、本発明の集電体は、上記したように高温特性に優れ、例えば600℃以上の高温で作動する固体酸化物形燃料電池に適用した場合に、特にその特性が効果的に発揮されることになるが、当該集電体の用途は、このような固体酸化物形燃料電池のみに限定される訳ではなく、これ以外の燃料電池はもとより、通常の一次電池や二次電池にも適用することができることは言うまでもない。   The current collector of the present invention is excellent in high temperature characteristics as described above. For example, when applied to a solid oxide fuel cell operating at a high temperature of 600 ° C. or higher, the current characteristics are effectively exhibited. However, the use of the current collector is not limited to such a solid oxide fuel cell, and is applicable not only to other fuel cells but also to normal primary batteries and secondary batteries. It goes without saying that you can do it.

以下、本発明の集電体について、さらに詳細に説明する。   Hereinafter, the current collector of the present invention will be described in more detail.

上記したように、金属炭素物は、電気伝導性を備え、高温でも化学的な安定性を示すものであって、本発明の集電体は、適当な基材の表面にこのような金属炭素物の皮膜を形成したものであるから、酸化性、還元性雰囲気を問わず、長期間の高温環境に耐え得るものとなる。   As described above, the metal carbon material has electrical conductivity and exhibits chemical stability even at high temperatures, and the current collector of the present invention has such a metal carbon on the surface of an appropriate substrate. Since it forms a film of a product, it can withstand a long-term high temperature environment regardless of the oxidizing or reducing atmosphere.

本発明の集電体における基材としては、例えば金属材料を使用することができ、その種類については、使用温度や雰囲気、加工性によって、最適なものを選ぶことが望ましい。
すなわち、常温から150℃程度で適用できる材料としては、例えば一般スチール材やSUS304材(オーステナイト系ステンレス鋼)などが容易に入手可能であるが、これらに限られるものではない。また、さらに高温で使用可能な合金としては、SUS430材(フェライト系ステンレス鋼)やFeCrSi、FeCrAlなどのFe−Cr系合金、さらにはSUS316材(Mo添加オーステナイト系ステンレス鋼)やインコネルなどのNi−Cr系合金が挙げられる。
As the base material in the current collector of the present invention, for example, a metal material can be used, and it is desirable to select an optimum material depending on the use temperature, atmosphere, and workability.
That is, as a material applicable from normal temperature to about 150 ° C., for example, a general steel material or a SUS304 material (austenite stainless steel) can be easily obtained, but is not limited thereto. Further, examples of alloys that can be used at higher temperatures include SUS430 (ferritic stainless steel), Fe—Cr alloys such as FeCrSi and FeCrAl, and SUS316 (Mo-added austenitic stainless steel) and Inconel and other Ni— A Cr-based alloy is mentioned.

これらの金属材料に関しては、後述するように、塩浴処理によって密着性の高い安定した金属炭化物の皮膜を形成することができることから、炭素を含有していることが望ましい。
なお、炭素を含まない、あるいは炭素含有量が少ない合金材料の場合には、例えば炭酸ガスや水素などの混合雰囲気中で熱処理するなど、予め浸炭処理を施しておくことによって、炭素含有金属と同様に扱うことができるようになる。
As described later, these metal materials preferably contain carbon since a stable metal carbide film having high adhesion can be formed by salt bath treatment.
In the case of an alloy material that does not contain carbon or has a low carbon content, for example, heat treatment in a mixed atmosphere of carbon dioxide gas, hydrogen, etc. Will be able to handle.

また、上記金属材料以外の基材材料としては、炭素材料を好適に使用することができる。炭素材料は、耐熱性に優れており、例えば後述するように、炭素繊維を用いて不織布や織物に成形しても弾力性を持たせることができ、SOFC用の集電体として最適なものとなる。なお、炭素材料自体は、本来酸化し易いものではあるが、本発明の集電体の場合には、その表面に金属炭素物皮膜を備えているので、燃料極用、空気極用のいずれにも支障なく使用することができる。   Moreover, as a base material other than the metal material, a carbon material can be preferably used. The carbon material is excellent in heat resistance. For example, as will be described later, the carbon material can be made elastic even if it is formed into a nonwoven fabric or a woven fabric using carbon fibers, and is optimal as a current collector for SOFC. Become. Although the carbon material itself is naturally easily oxidized, in the case of the current collector of the present invention, since the surface of the current collector is provided with a metal carbonaceous film, it is suitable for either the fuel electrode or the air electrode. Can be used without any problem.

このように、耐熱性に優れた金属材料や炭素材料を基材として使用することにより、高温領域でも使用可能な集電体とすることができる。   Thus, by using a metal material or carbon material having excellent heat resistance as a base material, a current collector that can be used even in a high temperature region can be obtained.

このような集電体を燃料電池用の集電体として使用する場合、燃料極に導入される水素や炭化水素系の燃料ガスと、空気極に導入される空気や酸素などの酸化性ガスがそれぞれの電極に効率よく供給される必要があることから、集電体は通気性を有することが必須の条件となる。
したがって、上記集電体の基材形状としては、繊維状をなしていること、あるいは板状をなしている場合には、その少なくとも電極との接触面に凹凸を備えていることが望ましい。
When such a current collector is used as a current collector for a fuel cell, hydrogen or hydrocarbon fuel gas introduced into the fuel electrode and oxidizing gas such as air or oxygen introduced into the air electrode Since it is necessary to supply efficiently to each electrode, it is an essential condition that the current collector has air permeability.
Therefore, as the base material shape of the current collector, it is desirable that when it is in the form of a fiber or a plate, at least the contact surface with the electrode is provided with irregularities.

すなわち、図1(a)に示すように、集電体1の基材Bの形状が板状の場合には、電極2又は3との接触面を凹凸状にすることによって、図1(b)及び(c)に示すように、空気極2あるいは燃料極3との間に隙間を形成することができ、これら電極2及び3との電気的導通を保持しながら、電極2及び3への通気性を確保することができるようになる。
この場合、これら凹凸の形状や大きさは、ガス流量やガス流速、電極の抵抗率、電極の多孔度、平板基材の強度、厚さなどに依存し、さらに電極との接触面積が極端に小さくならないように最適化することが望ましい。なお、これら図において符号4は電解質層を示す。
That is, as shown in FIG. 1 (a), when the shape of the base material B of the current collector 1 is plate-like, the contact surface with the electrode 2 or 3 is made uneven so that FIG. ) And (c), a gap can be formed between the air electrode 2 or the fuel electrode 3, and the electrical connection to the electrodes 2 and 3 can be maintained while the electrical connection to the electrodes 2 and 3 is maintained. Air permeability can be secured.
In this case, the shape and size of these irregularities depend on the gas flow rate, gas flow rate, electrode resistivity, electrode porosity, plate substrate strength, thickness, etc., and the contact area with the electrode is extremely large. It is desirable to optimize so that it does not become small. In these figures, reference numeral 4 indicates an electrolyte layer.

また、図2(a)に示すように、基材Bを繊維状のものとし、この表面に金属炭化物から成る皮膜Fを形成することによって、通気性を備えた集電体1とすることができ、図2(b)及び(c)に示すように、空気極2及び燃料極3との間の電気的導通と共に、通気性を確保することができる。   Moreover, as shown to Fig.2 (a), it can be set as the electrical power collector 1 with air permeability by making the base material B into a fibrous thing and forming the film | membrane F which consists of metal carbide on this surface. In addition, as shown in FIGS. 2B and 2C, air permeability can be ensured together with electrical conduction between the air electrode 2 and the fuel electrode 3.

このとき、繊維状の金属としては、圧延による細線のほか、電鋳製法と呼ばれる電着を利用して金属を成長させた後、その心線を除去したクラッド材料や、溶湯抽出法による線径40μm程度の金属繊維を利用することができる。
また、繊維状の炭素材料としては、例えばアクリル繊維を伸線しながら炭化させた線径7μm程度の炭素繊維を利用することができる。
At this time, as the fibrous metal, in addition to the fine wire by rolling, after growing the metal by using electrodeposition called electroforming, the cladding material from which the core wire was removed, or the wire diameter by the molten metal extraction method A metal fiber of about 40 μm can be used.
As the fibrous carbon material, for example, carbon fiber having a wire diameter of about 7 μm obtained by carbonizing acrylic fiber while drawing can be used.

また、このような繊維状金属、あるいは炭素繊維を用いて、不織布や織物とすることができ、これによって良好なガス透過性と、大きな接触面積を兼ね備えた集電体の形成が可能となる。さらにこれら繊維材料を利用することにより、弾力性を確保することが可能であることから、電極との接触状態を良好なものとすることができる。   Further, such a fibrous metal or carbon fiber can be used to form a nonwoven fabric or a woven fabric, which makes it possible to form a current collector having both good gas permeability and a large contact area. Furthermore, since it is possible to ensure elasticity by using these fiber materials, the contact state with the electrode can be improved.

さらに、基材として用いる繊維状金属及び炭素の繊維径としては、1〜100μmの範囲であることが望ましい。
繊維径は、上記したように、金属繊維では、一般に40μm程度、炭素繊維では7μm程度のものが中心であるが、100μmを超えると柔軟性が損なわれ、電極表面との接触面積が小さくなって接触抵抗が増加し、繊維状基材を採用する意味がなくなる。また、線径の小さい繊維体を利用することにより、接触抵抗を低減させることが可能となるが、1μmに満たない繊維は、製造が困難になる一方、これ以上細径化しても接触抵抗がさほど低くはならないことによる。
Furthermore, the fiber diameter of the fibrous metal and carbon used as the base material is preferably in the range of 1 to 100 μm.
As described above, the fiber diameter is generally about 40 μm for metal fibers and about 7 μm for carbon fibers, but if it exceeds 100 μm, flexibility is lost and the contact area with the electrode surface is reduced. Contact resistance increases, and the meaning of adopting a fibrous base material is lost. In addition, it is possible to reduce the contact resistance by using a fiber body having a small wire diameter. However, it is difficult to produce a fiber having a diameter of less than 1 μm. This is because it is not so low.

また、本発明においては、上記基材の表面に形成する金属炭化物として、CrC、VC又はTiCであることが望ましい。なお、これら炭化物の2種以上を混合した状態で用いることもできる。
このような金属炭化物は、金属プレスや鋳造用の金型の表面皮膜として使用されており、強度及び耐熱性に優れると共に、高い導電性を有しており、接触抵抗の低減が可能となる。
In the present invention, it is desirable that the metal carbide formed on the surface of the substrate is CrC, VC or TiC. In addition, it can also be used in the state which mixed 2 or more types of these carbide | carbonized_materials.
Such a metal carbide is used as a surface film of a metal mold for press or casting, has excellent strength and heat resistance, and has high conductivity, and can reduce contact resistance.

特に、CrCは、高温酸化雰囲気中でも高い電気伝導性を備えており、高温環境で使用する集電体用の皮膜として最適である。また、VCやTiCについても、同様の導電性を持っていることから、皮膜としての利用が可能である。   In particular, CrC has high electrical conductivity even in a high-temperature oxidizing atmosphere, and is optimal as a film for a current collector used in a high-temperature environment. Moreover, since VC and TiC have the same conductivity, they can be used as a film.

このような炭化物皮膜は、例えばPVD法やCVD法の気相成膜法や塩浴処理によって形成することができる。
しかし、PVD法やCVD法などの気相成膜法では、その表面のみに炭化物皮膜が形成され、内部にまで被覆することが難しいことから、板状の基材に適用することはできても、不織布や織物などに成形した後の繊維状基材に、炭化物皮膜を形成するには不向きである。
Such a carbide film can be formed by, for example, a vapor phase film formation method such as a PVD method or a CVD method, or a salt bath treatment.
However, in a vapor deposition method such as PVD method or CVD method, a carbide film is formed only on the surface, and it is difficult to cover the inside, so that it can be applied to a plate-like substrate. It is unsuitable for forming a carbide film on a fibrous base material after being formed into a nonwoven fabric or a woven fabric.

これに対し、塩浴処理は、高温の溶融金属塩に基材を浸漬し、当該基材に含まれる炭素と反応させることによって基材表面に金属炭化物皮膜を形成させるものであって、不織布や織物などに成形した後の繊維状基材の表面にも、皮膜を形成させることができる。
ここで、塩浴処理とは、金属粉末を添加した溶融塩中に基材を浸漬することによって、基材に含まれる炭素と溶融塩中の金属とを反応させ、基材表面に金属炭化物の皮膜を形成させる手法であって、強固な皮膜を密着性良く形成できることから、プレスや鋳造用の金型のコーティング法として用いられる場合が多い。
On the other hand, the salt bath treatment is to form a metal carbide film on the surface of the substrate by immersing the substrate in a high-temperature molten metal salt and reacting with carbon contained in the substrate. A film can also be formed on the surface of the fibrous base material after being formed into a woven fabric or the like.
Here, the salt bath treatment is to immerse the base material in the molten salt to which the metal powder is added, thereby causing the carbon contained in the base material to react with the metal in the molten salt, and the surface of the base material is made of metal carbide. It is a technique for forming a film, and since a strong film can be formed with good adhesion, it is often used as a coating method for press or casting dies.

例えば、炭化クロム(CrC)の場合、KClやBaClなどから成る約1000℃の溶融塩にクロム(Cr)を混ぜて、この中に基材を浸漬させる。この手法の場合、基材に含まれる炭素と溶融塩中のクロムが反応することにより炭化クロムの皮膜が形成されることから、基材中に炭素を含有していることが条件となる。
このとき、溶融塩は温度が高いほど流動性が高いことから、不織布や織物となった繊維材料の内部や、複雑な構造物に皮膜を形成する場合は、なるべく温度が高いほうが望ましい。さらに、深い塩浴槽を用い、基材を深い位置まで沈めることによって、基材に作用する圧力が高くなり、これによって繊維構造物の内部や複雑な構造物の細部にまで浴剤が入り込み、このような部分の皮膜処理が可能になる。なお、このような繊維集合体内部まで被覆する手法としては、化学的気相拡散(CVI)などがあるが、これらの製法では成膜レートが非常に遅く、生産性にかける難点がある。
For example, in the case of chromium carbide (CrC), chromium (Cr) is mixed in a molten salt of about 1000 ° C. made of KCl, BaCl 2 or the like, and the base material is immersed therein. In the case of this method, a chromium carbide film is formed by a reaction between carbon contained in the base material and chromium in the molten salt, so that the base material contains carbon.
At this time, since the molten salt has higher fluidity as the temperature is higher, it is desirable that the temperature be as high as possible when forming a film on the inside of a fibrous material such as a nonwoven fabric or a woven fabric or on a complicated structure. In addition, by using a deep salt bath and sinking the substrate to a deep position, the pressure acting on the substrate is increased, so that the bath agent gets into the interior of the fiber structure and the details of the complex structure. Such a film can be processed. In addition, as a method of covering the inside of such a fiber assembly, there is chemical vapor diffusion (CVI) or the like. However, these manufacturing methods have a very slow film formation rate and have a difficulty in productivity.

このように、塩浴法によって基材を被覆することにより、密着性の高い金属炭化物層を形成することが可能となる。
特に、燃料電池が車載された場合、スタックに振動が伝わり電極と集電体が摩擦する可能性があり、また頻繁な起動、停止による熱ショックにも耐える必要があることから、当該集電体を燃料電池に適用する場合には、このように密着性の高い皮膜が望ましいことになる。また、この手法は湿式法であることから、不織布や織物などでも内部まで被覆することが可能となり、炭素繊維などの酸化に弱い材料でも使用可能となる。
Thus, a metal carbide layer having high adhesion can be formed by coating the base material by the salt bath method.
In particular, when a fuel cell is mounted on a vehicle, vibration may be transmitted to the stack and the electrode and current collector may rub, and it is necessary to withstand heat shock due to frequent starting and stopping. Thus, a film having such a high adhesion is desirable. Further, since this method is a wet method, it is possible to cover the inside even with a nonwoven fabric or a woven fabric, and it is also possible to use a material that is vulnerable to oxidation such as carbon fiber.

上記した本発明の集電体の用途としては、特に限定されず、種々の発電装置や電池、蓄電池などに広く適用することができるが、燃料電池、中でもとりわけ作動温度が高く、材料的な制約条件が厳しい固体酸化物形燃料電池用の集電体としても好適に使用することができる。   The application of the current collector of the present invention described above is not particularly limited and can be widely applied to various power generation devices, batteries, storage batteries, etc., but fuel cells, among others, operating temperature is particularly high, and material restrictions It can also be suitably used as a current collector for a solid oxide fuel cell under severe conditions.

すなわち、図1(a)あるいは図2(a)に示したように、例えば、凹凸を有する板状あるいは繊維状の基材Bの表面に金属炭化物皮膜Fを形成して成る集電体1を、図1(b)及び(c)あるいは図2(b)及び(c)に示したように、固体電解質4を空気極2と燃料極3とで挟持して成る電池要素における上記空気極2又は燃料極3、あるいはその両方に当接させることによって、本発明の固体酸化物形燃料電池とすることができる。
なお、上記固体酸化物形燃料電池において、固体電解質4としては、例えばYSZ(イットリア安定化ジルコニア)、SSZ(スカンジウム安定化ジルコニア)、SDC(サマリウム・ドープ・セリア)など、また、空気極2としては、Pt、Agなどの金属材料や、LSM(La1−XSrMnO)、LCM(La1−XCaMnO)、LSC(La1−XSrCoO)、SSC(Sm1−XSrCoO)などの複合酸化物、さらに燃料極3としては、Pt、Ni、Cuなどの金属材料や、Ni−SDC、Ni−YSZ、Cu−CeO(セリア)などのサーメット材料、あるいはこれらの混合材料から成るものを使用することができる。
That is, as shown in FIG. 1 (a) or 2 (a), for example, a current collector 1 formed by forming a metal carbide film F on the surface of a plate-like or fibrous substrate B having irregularities is formed. 1 (b) and 1 (c) or 2 (b) and 2 (c), the air electrode 2 in the battery element in which the solid electrolyte 4 is sandwiched between the air electrode 2 and the fuel electrode 3 is used. Or it can be set as the solid oxide fuel cell of this invention by making it contact | abut to the fuel electrode 3 or both.
In the solid oxide fuel cell, examples of the solid electrolyte 4 include YSZ (yttria stabilized zirconia), SSZ (scandium stabilized zirconia), SDC (samarium-doped ceria), and the air electrode 2. It is, Pt, or a metal material such as Ag, LSM (La 1-X Sr X MnO 3), LCM (La 1-X Ca X MnO 3), LSC (La 1-X Sr X CoO 3), SSC (Sm 1-X Sr X CoO 3 ) and the like, and the fuel electrode 3 includes metal materials such as Pt, Ni, and Cu, and cermets such as Ni—SDC, Ni—YSZ, and Cu—CeO 2 (ceria). A material or a mixture of these materials can be used.

このように、耐熱性の高い基材を使用し、電気伝導性を備え、耐熱性及び化学的安定性の高い金属炭化物皮膜を形成することにより、空気極2及び燃料極3のいずれにも使用することができ、高温環境下でも電極との良好な接触が得られ、接触抵抗の低減が可能となる。また、特に繊維材料を利用した場合において、良好な通気性が確保できることから、反応抵抗の低減が可能となる。
なお、固体酸化物形燃料電池においては、空気極のCr被毒が問題となる場合があるが、CrCは炭素との結合が非常に強いため、金属炭化物としてCrCを成膜したものを通電体として当該電池に適用したとしても、上記炭化物が解離し、電極性能の劣化を引き起こす可能性は極めて低いものと考えられる。
In this way, by using a base material with high heat resistance, having a conductivity, and forming a metal carbide film with high heat resistance and chemical stability, it is used for both the air electrode 2 and the fuel electrode 3. Thus, good contact with the electrode can be obtained even in a high temperature environment, and the contact resistance can be reduced. In particular, when a fiber material is used, good air permeability can be ensured, so that reaction resistance can be reduced.
In a solid oxide fuel cell, Cr poisoning of the air electrode may be a problem. However, since CrC has a very strong bond with carbon, a current-carrying member made of CrC as a metal carbide film is formed. Even if it is applied to the battery, it is considered that the possibility that the carbides dissociate and the electrode performance deteriorates is extremely low.

以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。なお、本発明は、これらの実施例のみに限定されることはない。   Hereinafter, the present invention will be specifically described based on examples. In addition, this invention is not limited only to these Examples.

(実施例1)
まず、オーステナイト系ステンレス鋼SUS304材から成る40×4×3mmの角柱形試験片を用意し、当該試験片に対して、CO、CO、H、HOを含む混合ガス雰囲気中において、1000℃×2時間の浸炭処理を施し、その後750〜950℃の温度から急冷して溶体化処理を施した。
次に、KCl、BaClを含む塩浴剤を深さ1mの炉中において1050℃で溶融し、金属クロム粉末を添加したのち、上記試験片を炉の底部まで浸漬することによって、試験片表面に厚さ3μmのCrC皮膜を形成した。
(Example 1)
First, a 40 × 4 × 3 mm prismatic test piece made of austenitic stainless steel SUS304 material is prepared, and in the mixed gas atmosphere containing CO 2 , CO, H 2 , and H 2 O with respect to the test piece, Carburizing treatment was performed at 1000 ° C. for 2 hours, and then a solution treatment was performed by rapidly cooling from a temperature of 750 to 950 ° C.
Next, a salt bath containing KCl and BaCl 2 is melted at 1050 ° C. in a furnace having a depth of 1 m, and after adding the metal chromium powder, the test piece is immersed in the bottom of the furnace to obtain a surface of the test piece. A CrC film having a thickness of 3 μm was formed.

そして、高圧温水と超音波洗浄によって、塩浴処理後の試験片から塩浴剤を除去した後、Ptプローブによる4端子測定によって各温度における抵抗率を測定し、炭化クロム皮膜抵抗率の温度依存性を調査すると共に、同様の試験片にスパッタ法によってITO(インジウム−錫酸化物)及びGa添加ZnOを3μm厚さにそれぞれ成膜した試料によって、これら酸化物における抵抗率の温度依存性を同様に調査した。これらの結果を図3に示す。   And after removing salt bath agent from the test piece after salt bath treatment by high-pressure hot water and ultrasonic cleaning, the resistivity at each temperature is measured by 4-terminal measurement with a Pt probe, and the temperature dependence of the chromium carbide film resistivity In addition, the temperature dependence of the resistivity of these oxides is the same by using a sample in which ITO (indium-tin oxide) and Ga-added ZnO are formed to a thickness of 3 μm by sputtering on the same test piece. Investigated. These results are shown in FIG.

図3の結果から明らかなように、これら酸化物(ITO及びGa−doped ZnO)では、200ないし400℃を超えたのち、抵抗率が急激に増大するのに対し、CrCでは、室温付近における抵抗率が上記酸化物よりも低く、しかもその値が800℃までほとんど変化しないことが確認された。   As is apparent from the results of FIG. 3, in these oxides (ITO and Ga-doped ZnO), the resistivity rapidly increases after exceeding 200 to 400 ° C., whereas in CrC, the resistance near room temperature is increased. It was confirmed that the rate was lower than that of the above oxide, and the value hardly changed up to 800 ° C.

(実施例2)
Cを添加したFe−Cr−Si系耐熱合金から成る金属繊維不織布(平均繊維径:40μm)を上記実施例1と同様の塩浴中に浸漬し、繊維表面に厚さ3μmのCrC皮膜を形成した。
(Example 2)
A metal fiber nonwoven fabric (average fiber diameter: 40 μm) made of an Fe—Cr—Si heat-resistant alloy with C added is immersed in the same salt bath as in Example 1 to form a CrC film having a thickness of 3 μm on the fiber surface. did.

そして、このようにして得られたCrC皮膜形成後の不織布を集電体として、固体酸化物形燃料電池セル(30mm径)の空気極(ランタン、ストロンチウム、コバルトを含むペロブスカイト構造の酸化物:1.2mm径)に押し付けると共に、燃料極側にはPtメッシュを押し付けることにより発電評価を行った。
その結果、両電極にPtメッシュを押し付けた場合に較べて、電池出力が約20%向上していることが確認された。なお、発電評価後の不織布にCrC皮膜の剥離などといった不具合は発生していなかった。
Then, using the thus obtained non-woven fabric after forming the CrC film as a current collector, an oxide of a perovskite structure containing a lanthanum, strontium, and cobalt of a solid oxide fuel cell (30 mm diameter): 1 .2 mm diameter) and power generation evaluation was performed by pressing a Pt mesh on the fuel electrode side.
As a result, it was confirmed that the battery output was improved by about 20% compared to the case where Pt mesh was pressed against both electrodes. In addition, defects such as peeling of the CrC film did not occur in the nonwoven fabric after power generation evaluation.

(実施例3)
上記実施例2で得られたCrC皮膜形成後の不織布を集電体として、上記燃料電池セルの燃料極(酸化ニッケルと安定化ジルコニアのサーメット)側に押し付け、空気極側にはPtメッシュを押し付けることにより、同様の発電評価を行った。
その結果、両電極にPtメッシュを押し付けた場合に較べて、電池出力が約10%向上していることが確認された。
(Example 3)
Using the non-woven fabric after CrC film formation obtained in Example 2 as a current collector, the fuel cell is pressed against the fuel electrode (nickel oxide and stabilized zirconia cermet) side, and the Pt mesh is pressed against the air electrode side Thus, the same power generation evaluation was performed.
As a result, it was confirmed that the battery output was improved by about 10% compared to the case where Pt mesh was pressed against both electrodes.

(実施例4)
フェライト系ステンレス鋼SUS430から成る厚さ1mmの板材に対し、ガスの流れる方向に、凸部の幅:0.5mm、凹部の幅:0.5mm、深さ:0.5mmの溝を形成した。そして、当該板材に浸炭処理を施した後、上記実施例1と同様の塩浴中に浸漬することによって、板材表面に厚さ3μmのCrC皮膜を形成した。
Example 4
A groove having a width of the convex portion: 0.5 mm, a width of the concave portion: 0.5 mm, and a depth: 0.5 mm was formed in the gas flow direction on a plate material made of ferritic stainless steel SUS430 and having a thickness of 1 mm. And after giving the carburizing process to the said board | plate material, it immersed in the salt bath similar to the said Example 1, and formed the CrC film | membrane with a thickness of 3 micrometers on the board | plate surface.

次に、このようなCrC皮膜形成後の板材を集電体として、上記固体酸化物形燃料電池セルの空気極に押し付けると共に、燃料極側にはPtメッシュを押し付けることにより発電評価を行ったところ。両電極にPtメッシュを押し付けた場合とほぼ同等の電池出力が得られることが確認された。なお、当該板状集電体の製造コストは、Ptメッシュの10分の1程度であることから、集電体のコスト低減が可能になり、燃料電池の低コスト化に寄与することができる。   Next, the plate material after such CrC film formation was used as a current collector and pressed against the air electrode of the solid oxide fuel cell, and the power generation evaluation was performed by pressing a Pt mesh on the fuel electrode side. . It was confirmed that a battery output substantially equivalent to that obtained when Pt mesh was pressed against both electrodes was obtained. In addition, since the manufacturing cost of the said plate-shaped collector is about 1/10 of Pt mesh, the cost of a collector can be reduced and it can contribute to the cost reduction of a fuel cell.

(実施例5)
上記実施例4で得られたCrC皮膜形成後の板材を集電体として、上記燃料電池セルの燃料極側に押し付けると共に、空気極側にはPtメッシュを押し付けることにより、同様の発電評価を行った。
その結果、両電極にPtメッシュを押し付けた場合と同程度の電池出力が得られ、コストの観点からPtメッシュに較べて優位性を有することが確認された。
(Example 5)
The same power generation evaluation was performed by pressing the plate material after the CrC film formation obtained in Example 4 as a current collector to the fuel electrode side of the fuel cell and pressing the Pt mesh on the air electrode side. It was.
As a result, a battery output comparable to that obtained when Pt mesh was pressed against both electrodes was obtained, and it was confirmed that it has an advantage over Pt mesh from the viewpoint of cost.

(実施例6)
平均繊維径7μm、平均長さ20mmの炭素繊維を用いて、厚さ4mm、繊維密度600g/mの不織布を作製し、当該不織布を上記実施例1と同様の塩浴中に浸漬し、炭素繊維表面に厚さ3μmのCrC皮膜を形成した。このようにして得られたCrC被覆後の炭素繊維の走査型電子顕微鏡による拡大断面写真を図4(a)及び(b)に示す。
(Example 6)
Using a carbon fiber having an average fiber diameter of 7 μm and an average length of 20 mm, a non-woven fabric having a thickness of 4 mm and a fiber density of 600 g / m 2 is prepared, and the non-woven fabric is immersed in the same salt bath as in Example 1 to obtain carbon. A CrC film having a thickness of 3 μm was formed on the fiber surface. FIGS. 4A and 4B show enlarged cross-sectional photographs of the carbon fibers after the CrC coating obtained as described above, using a scanning electron microscope.

そして、このようにして得られたCrC皮膜形成後の炭素繊維不織布を集電体として、上記固体酸化物形燃料電池セルの空気極に押し付けると共に、燃料極側にはPtメッシュを押し付けることにより発電評価を行った結果、両電極にPtメッシュを押し付けた場合に較べて、電池出力が約15%向上していることが確認された。
また、当該炭素繊維不織布から成る集電体を燃料極に押し付け、空気極側にはPtメッシュを押し付けることにより発電評価を行った結果、両電極にPtメッシュを押し付けた場合に較べて、電池出力が約20%向上していることが確認された。なお、発電評価後の不織布にCrC皮膜の剥離は認められなかった。
Then, the carbon fiber non-woven fabric after CrC film formation obtained in this way is used as a current collector and pressed against the air electrode of the solid oxide fuel cell, and power is generated by pressing a Pt mesh on the fuel electrode side. As a result of the evaluation, it was confirmed that the battery output was improved by about 15% compared to the case where Pt mesh was pressed against both electrodes.
Moreover, as a result of performing power generation evaluation by pressing the current collector made of the carbon fiber non-woven fabric against the fuel electrode and pressing the Pt mesh on the air electrode side, the battery output is compared with the case where the Pt mesh is pressed against both electrodes. Was confirmed to be improved by about 20%. In addition, peeling of the CrC film | membrane was not recognized by the nonwoven fabric after power generation evaluation.

(a)電極との接触面に凹凸を備えた板状基材に金属炭化物被膜を形成した集電体の構造を示す模式図である。(b)図1(a)に示した集電体を空気極側に配置したセル構造を示す概略断面図である。(c)図1(a)に示した集電体を燃料極側に配置したセル構造を示す概略断面図である。(A) It is a schematic diagram which shows the structure of the electrical power collector which formed the metal carbide film in the plate-shaped base material provided with the unevenness | corrugation in the contact surface with an electrode. (B) It is a schematic sectional drawing which shows the cell structure which has arrange | positioned the electrical power collector shown to Fig.1 (a) to the air electrode side. (C) It is a schematic sectional drawing which shows the cell structure which has arrange | positioned the electrical power collector shown to Fig.1 (a) to the fuel electrode side. (a)繊維状基材の表面に金属炭化物被膜を形成した集電体の構造を示す模式図である。(b)図2(a)に示した集電体を空気極側に配置したセル構造を示す概略断面図である。(c)図2(a)に示した集電体を燃料極側に配置したセル構造を示す概略断面図である。(A) It is a schematic diagram which shows the structure of the electrical power collector which formed the metal carbide film in the surface of the fibrous base material. (B) It is a schematic sectional drawing which shows the cell structure which has arrange | positioned the electrical power collector shown to Fig.2 (a) to the air electrode side. (C) It is a schematic sectional drawing which shows the cell structure which has arrange | positioned the electrical power collector shown to Fig.2 (a) to the fuel electrode side. 炭化クロムの抵抗率に及ぼす温度の影響を酸化物の場合と比較して示すグラフである。It is a graph which shows the influence of the temperature which acts on the resistivity of chromium carbide compared with the case of an oxide. (a)表面に炭化クロム皮膜を形成した炭素繊維の状態を示す断面写真である。(b)図4(a)をさらに拡大した拡大断面写真である。(A) It is a cross-sectional photograph which shows the state of the carbon fiber which formed the chromium carbide membrane | film | coat on the surface. (B) It is the expanded cross-section photograph which expanded FIG. 4 (a) further.

符号の説明Explanation of symbols

B 基材
F 金属炭化物皮膜
1 集電体
2 空気極(電極層)
3 燃料極(電極層)
4 電解質
B Base material F Metal carbide film 1 Current collector 2 Air electrode (electrode layer)
3 Fuel electrode (electrode layer)
4 electrolyte

Claims (10)

基材表面に金属炭化物皮膜を形成して成ることを特徴とする集電体。   A current collector formed by forming a metal carbide film on a substrate surface. 上記基材が炭素を含有する金属材料から成ることを特徴とする請求項1に記載の集電体。   The current collector according to claim 1, wherein the substrate is made of a metal material containing carbon. 上記基材が炭素材料から成ることを特徴とする請求項1に記載の集電体。   The current collector according to claim 1, wherein the substrate is made of a carbon material. 上記基材が少なくとも電極との接触面に凹凸を備えた板状をなしていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つの項に記載の集電体。   The current collector according to any one of claims 1 to 3, wherein the base material has a plate shape having at least a contact surface with an electrode. 上記基材が繊維状をなしていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つの項に記載の集電体。   The current collector according to any one of claims 1 to 3, wherein the base material has a fibrous shape. 上記繊維状基材の直径が1〜100μmであることを特徴とする請求項5に記載の集電体。   The current collector according to claim 5, wherein the fibrous substrate has a diameter of 1 to 100 μm. 上記金属炭化物皮膜がCrC、VC及びTiCから成る群より選ばれた少なくとも1種の炭化物を含んでいることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1つの項に記載の集電体。   The current collector according to claim 1, wherein the metal carbide film contains at least one carbide selected from the group consisting of CrC, VC, and TiC. 上記金属炭化物皮膜が塩浴処理により形成されていることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1つの項に記載の集電体。   The current collector according to any one of claims 1 to 7, wherein the metal carbide film is formed by a salt bath treatment. 請求項1〜8のいずれか1つの項に記載の集電体が用いてあることを特徴とする燃料電池。   A fuel cell, wherein the current collector according to any one of claims 1 to 8 is used. 固体酸化物から成る電解質を触媒機能を備えた2つの電極層で挟持した固体酸化物形燃料電池において、請求項1〜8のいずれか1つの項に記載の集電体が上記電極層の一方又は両方の表面に接触していることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
A solid oxide fuel cell in which an electrolyte composed of a solid oxide is sandwiched between two electrode layers having a catalytic function, wherein the current collector is one of the electrode layers. Or a solid oxide fuel cell characterized by contacting both surfaces.
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