JP2006092837A - Current collecting member for fuel cell, its manufacturing method, fuel cell stack using it and the fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、複数の燃料電池セルを電気的に接続するための燃料電池用集電部材及びその製造方法、並びにこれを用いた燃料電池セルスタック、燃料電池に関する。 The present invention relates to a current collecting member for a fuel cell for electrically connecting a plurality of fuel cells, a method for manufacturing the same, a fuel cell stack using the same, and a fuel cell.
次世代エネルギーとして、近年、燃料電池セルのスタックを収納容器内に収容した燃料電池が種々提案されている。 In recent years, various fuel cells in which a stack of fuel cells is accommodated in a storage container have been proposed as next-generation energy.
図4は、従来の固体電解質型燃料電池のセルを示すもので、燃料電池セル1は、平板状の導電性支持基板10(内部が燃料ガス通路16となる)の外周面に、燃料極2、固体電解質3、空気極4を順次設けて構成されており、燃料極2、固体電解質3及び空気極4によって覆われていない導電性支持基板10の表面には、インターコネクタ5が設けられている。
FIG. 4 shows a cell of a conventional solid oxide fuel cell. The
上述した燃料電池セル1においては、一般に、燃料極2がNiとY2O3を含有するZrO2(YSZ)とから形成され、固体電解質3がY2O3を含有するZrO2(YSZ)から形成され、空気極4はランタンマンガネート系のペロブスカイト型複合酸化物から形成されている。また、インターコネクタ5は、燃料ガス及び空気等の酸素含有ガスで変質しにくく、導電性支持基板10の内部を流れる燃料ガスと空気極4の外側を流れる酸素含有ガスとを確実に遮断するために、緻密な導電性セラミックスから形成されている。そして、インターコネクタ5の外側には集電のためにP型半導体14が設けられている。
In the
燃料電池は、上記の構造を有する燃料電池セルを複数集めた燃料電池セルスタックを収納容器内に収容して構成され、燃料極5の内部に燃料ガス(水素)を流し、空気極2に接するように空気(酸素)を流して600〜900℃で発電される。このとき、高電圧を得るために燃料電池セル1は図5に示すように直列に配置され、燃料電池セル1の空気極4と隣り合う燃料電池セル1のP型半導体14の間には集電部材20が介装されている。集電部材20は、図1に示すように板状の部材を櫛刃状に加工し、隣り合う刃を交互に反対側に折り曲げて弾性を付与したような形状のものや、メッシュ状に形成されたもの、螺旋状のもの等が用いられる。そして、このような集電部材20としては、導電率の高い金属が採用され、さらに高温下で使用されることから、耐熱金属が望ましく採用される。ここで、導電率の高い耐熱金属としては、Crを10〜30wt%含有する金属が一般的に用いられる。
しかしながら、このCrを含有する金属からなる集電部材20を用いた燃料電池を長期間使用すると、集電部材20中のCrが集電部材20の外部に拡散してしまい、拡散したCrは空気極4と電解質3との界面に達し、活性を劣化させてしまう。この現象はいわゆるCr被毒といわれ、燃料電池セルの発電能力低下をまねく結果につながることとなる。
However, when the fuel cell using the current collecting
しかも、一般に集電部材20と空気極4および集電部材20とP型半導体14の間には、均一に接触させ集電能力を高めるために、接合材17として主にAgやPt、Pdなどの導電性金属ペーストや導電性セラミックスペーストを塗布、硬化させてなる接合材を使用しているが、例えばAg含有の接合材は上述のCr被毒を助長させてしまうという問題がある。
In addition, in general, Ag, Pt, Pd, etc. are mainly used as the bonding
一方、金属からなる集電部材を600℃以上で用いると表面酸化層が形成され、接触抵抗が著しく増加して、電力の抵抗損失を大きくし、燃料電池特性を悪化させてしまうという問題がある。この問題を解消するために、耐熱合金基材表面に金属複合酸化物La1−xM1 xM2O3(式中、M1はアルカリ土類金属、M2はCo、Fe、Mn、Ni 又はCr、0≦x<1である)を被覆して成ることを特徴とする耐熱部品(集電部材)が知られている。 On the other hand, when a current collecting member made of metal is used at 600 ° C. or higher, a surface oxide layer is formed, the contact resistance is remarkably increased, the resistance loss of power is increased, and the fuel cell characteristics are deteriorated. . In order to solve this problem, a metal composite oxide La 1-x M 1 x M 2 O 3 (wherein M 1 is an alkaline earth metal, M 2 is Co, Fe, Mn, A heat-resistant component (current collecting member) characterized by covering Ni or Cr, 0 ≦ x <1) is known.
しかしながら、この被覆構造では、集電部材の被覆層として緻密ではないペロブスカイト構造のものを採用しているためCrガスの拡散を防止することはできず、またアルカリ土類金属を含むものであるため、このアルカリ土類金属がCrガスの拡散を助長してしまうという問題がある。 However, in this coating structure, since a non-dense perovskite structure is adopted as the coating layer of the current collecting member, it is not possible to prevent the diffusion of Cr gas, and since it contains an alkaline earth metal, There is a problem that the alkaline earth metal promotes the diffusion of Cr gas.
本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、導電性と耐熱性のあるCrを含有する金属からなる燃料電池用集電部材においてCr拡散を極力抑えることのできる燃料電池用集電部材及びその製造方法、並びにこれを用いた燃料電池セルスタック、燃料電池を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and a fuel cell current collecting member capable of suppressing Cr diffusion as much as possible in a fuel cell current collecting member made of a metal containing conductive and heat-resistant Cr, and An object of the present invention is to provide a manufacturing method thereof, a fuel cell stack using the same, and a fuel cell.
本発明者は鋭意検討の結果、Crを含有する合金からなる集電本体の表面に、Crの拡散を防止する金属元素の単一元素酸化物またはこの金属元素とCrとの化合物からなるCr拡散防止層を設けることにより、上記目的を達成することを見出し、本発明に到達した。 As a result of diligent study, the present inventor has found that a single element oxide of a metal element for preventing diffusion of Cr or a Cr diffusion composed of a compound of this metal element and Cr on the surface of a current collecting body made of an alloy containing Cr. The inventors have found that the object can be achieved by providing the prevention layer, and have reached the present invention.
すなわち本発明は、Crを含有する合金からなる集電本体の表面に、ペロブスカイト型構造を除く周期律表第4周期金属元素の単一元素酸化物または前記周期律表第4周期金属元素とCrとの複合酸化物からなるCr拡散防止層が設けられたことを特徴とする燃料電池用集電部材である。 That is, according to the present invention, a single element oxide of the fourth periodic metal element of the periodic table excluding the perovskite structure or the fourth periodic metal element of the periodic table and Cr is formed on the surface of the current collecting body made of an alloy containing Cr. A current collector for a fuel cell comprising a Cr diffusion preventing layer made of a composite oxide.
また本発明は、Crを含有する合金からなる集電本体の表面に、ペロブスカイト型構造を除く周期律表第4周期金属元素またはこの単一元素酸化物を含有する層を形成し、焼き付けてなることを特徴とする燃料電池用集電部材である。 In the present invention, a layer containing a fourth periodic metal element of the periodic table excluding the perovskite structure or a single element oxide thereof is formed and baked on the surface of a current collecting body made of an alloy containing Cr. This is a current collecting member for a fuel cell.
ここで、前記周期律表第4周期金属元素が、Fe、Co、Niの群から選ばれるいずれか1つであるのが好ましい。これらの単一元素酸化物、または、これらとCrとの複合酸化物において、特に優れたCr拡散防止効果が得られるからである。 Here, it is preferable that the fourth periodic metal element of the periodic table is any one selected from the group of Fe, Co, and Ni. This is because these single element oxides or composite oxides of these with Cr can provide a particularly excellent Cr diffusion preventing effect.
また本発明は、前記Cr拡散防止層のさらに外側に導電性セラミックス層が設けられたことを特徴とする燃料電池用集電部材である。このような燃料電池用集電部材では、導電性セラミックス層がアンカー効果を有することにより、燃料電池用集電部材と燃料電池セルとの分離を防止するとともに、より電圧低下を抑えることができる。 The present invention also provides a current collecting member for a fuel cell, wherein a conductive ceramic layer is further provided outside the Cr diffusion preventing layer. In such a current collecting member for a fuel cell, the conductive ceramic layer has an anchor effect, so that separation of the current collecting member for the fuel cell and the fuel cell can be prevented and voltage drop can be further suppressed.
また本発明は、複数の燃料電池セル間に前記燃料電池用集電部材を介装するとともに、前記複数の燃料電池セルと前記燃料電池用集電部材とをAg含有の接合材で接合し、前記複数の燃料電池セルを電気的に直列に接続してなる燃料電池セルスタックである。さらに本発明は、この燃料電池セルスタックが収納容器内に収納されてなる燃料電池である。このような燃料電池セルスタック及び燃料電池により、電圧低下の少ない長期信頼性に優れた燃料電池を得ることができる。 Further, the present invention interposes the fuel cell current collecting member between a plurality of fuel cells, and joins the plurality of fuel cells and the fuel cell current collecting member with a joining material containing Ag, It is a fuel cell stack formed by electrically connecting the plurality of fuel cells in series. Furthermore, the present invention is a fuel cell in which the fuel cell stack is accommodated in a storage container. By such a fuel cell stack and a fuel cell, a fuel cell excellent in long-term reliability with little voltage drop can be obtained.
さらに本発明は、Crを含有する合金からなる集電本体のエッジ部分を面取りした後、該集電本体の表面にペロブスカイト型構造を除く周期律表第4周期金属元素の単一元素酸化物または前記周期律表第4周期金属元素とCrとの複合酸化物からなるCr拡散防止層を設けることを特徴とする燃料電池用集電部材の製造方法である。このように、エッジ部分を面取りすることにより、表面全体に亘って確実にCr拡散防止層を形成することができる。 Furthermore, the present invention provides a single element oxide of a fourth periodic metal element in the periodic table excluding the perovskite structure on the surface of the current collector body after chamfering the edge portion of the current collector body made of an alloy containing Cr. A method for producing a current collecting member for a fuel cell, comprising providing a Cr diffusion preventing layer made of a complex oxide of a fourth periodic metal element and Cr in the periodic table. Thus, by chamfering the edge portion, the Cr diffusion preventing layer can be reliably formed over the entire surface.
尚、ペロブスカイト型構造を除く周期律表第4周期金属元素の単一元素酸化物とは、周期律表第4周期金属元素からなる酸化物を意味するものである。また、ペロブスカイト型構造を除く周期律表第4周期金属元素の単一元素酸化物または前記周期律表第4周期金属元素とCrとの複合酸化物とは、集電本体を構成するCrを含有する合金とは異なるものである。 The single element oxide of the fourth periodic metal element in the periodic table excluding the perovskite structure means an oxide composed of the fourth periodic metal element in the periodic table. In addition, the single element oxide of the fourth periodic metal element in the periodic table excluding the perovskite structure or the complex oxide of the fourth periodic metal element and Cr in the periodic table contains Cr constituting the current collector body. It is different from the alloy used.
本発明によれば、Crを含有する合金からなる集電本体からCrが拡散して空気極と電解質との界面に達するのを防ぎ、燃料電池の発電能力低下を抑えることができる。 According to the present invention, it is possible to prevent Cr from diffusing from the current collector body made of an alloy containing Cr and reaching the interface between the air electrode and the electrolyte, and to suppress a decrease in power generation capacity of the fuel cell.
以下、本発明の集電部材の実施形態を図面に基づいて説明する。
図1は本発明の集電部材20を示す斜視図であり、図2及び図3は図1に示す集電部材20のCr拡散防止層の被覆状態を示す説明図であって、図2は図1に示すA−A線断面図、図3は図1に示すB−B線部分断面図である。そして本発明は、Crを含有する合金からなる集電本体201の表面に、ペロブスカイト型構造を除く周期律表第4周期金属元素の単一元素酸化物または前記周期律表第4周期金属元素とCrとの複合酸化物からなるCr拡散防止層202が設けられたことを特徴とする集電部材20である。
Hereinafter, an embodiment of a current collecting member of the present invention will be described based on the drawings.
FIG. 1 is a perspective view showing a current collecting
本発明の集電部材20における集電本体201としては、導電性及び耐熱性の高いCrを10〜30wt%含有する合金、例えばFe−Cr系金属、Ni−Cr系金属等が採用される。ここで、集電部材20の形状としては、例えば耐熱性合金の板を櫛刃状に加工し、隣り合う刃を交互に反対側に折り曲げ、図1に示すような形状にしたもの、あるいはメッシュ状のものなどが挙げられるが特に限定はされない。
As the current collecting
そして、この集電本体201に含まれるCrの拡散を防止するために、集電本体201の表面にはペロブスカイト型構造を除く周期律表第4周期金属元素の単一元素酸化物または前記周期律表第4周期金属元素とCrとの複合酸化物からなるCr拡散防止層202が設けられている。上記単一元素酸化物またはCrとの複合酸化物からなるCr拡散防止層は、緻密に形成されるとともに、後述のようにCrを捕捉する効果を有している。ここで、周期律表第4周期の金属元素としては、Fe、Ni、Co等が好ましく採用できる。このとき、この金属元素の単一元素酸化物としてはFe2O3、NiO、Co3O4等が挙げられ、この金属元素とCrとの複合酸化物としてはFeCr2O4、CoCr2O4、NiCr2O4、CoCrO4、Co2CrO4等が挙げられる。
In order to prevent the diffusion of Cr contained in the
ここで、Crはガス化し、少しでも空隙があるとその空隙から拡散してしまうので、このCr拡散防止層202は、集電本体201の表面全面に設けられる必要がある。このとき、Cr拡散防止層202は、ディッピング(Cr拡散防止層用ペースト中に集電本体201を浸漬する浸漬塗布法)またはメッキにより、ペロブスカイト型構造を除く周期律表第4周期金属元素またはこの単一元素酸化物からなる層を形成し、焼き付けることにより、被覆される。
Here, Cr gasifies, and if there is any gap, it diffuses from the gap. Therefore, this Cr
尚、この焼付けは導電性セラミックス層を形成すると同時になされてもよい。 This baking may be performed simultaneously with the formation of the conductive ceramic layer.
ディッピングの場合、Cr拡散防止層202は周期律表第4周期金属元素と、所望のバインダ、溶媒等の有機成分とからなるペースト中に集電本体201を浸漬し、それを乾燥し、焼き付けることにより形成されるが、このCr拡散防止層202の厚みは、5〜50μmが好ましく、より好ましくは10〜30μmである。ディッピング時のエアーの巻き込みなどにより空隙が生じる場合があるが、厚みが5μm未満であると、この空隙を確実に塞ぐことができず、ここを通ってCrが拡散してしまうおそれがあり、50μmを超えると、集電本体201との熱膨張差により亀裂が生じてしまうおそれがあり、また内部が乾燥しにくくなり製造効率が悪くなってしまい、さらに導電性も低下してしまうというおそれがあるからである。
In the case of dipping, the Cr
一方、メッキの場合、Cr拡散防止層202は通常行われるメッキ法により集電本体201の表面にメッキ膜を形成することにより形成され、メッキ膜表面に導電性セラミックス層を形成した後、メッキ膜と導電性セラミック膜とを同時に焼き付けて形成される。このCr拡散防止層202の厚みは、3〜30μmが好ましく、より好ましくは5〜20μmである。厚みが3μm未満であると、ディッピングのようにエアーを巻き込むことはないが、ちょっとした汚れによりメッキのかからない部分が発生するおそれがあり、30μmを超えると、集電本体201との熱膨張差による亀裂が生じるおそれがあるからである。ここで、メッキの場合はディッピングよりも緻密に形成されるが故に、厚みの上限が低めに設定される傾向がある。
On the other hand, in the case of plating, the Cr
尚、Cr拡散防止層202の形成にあたり、メッキに比べて安価なディッピングが採用されやすい。ここで、図1に示すような形状の集電部材20を作成する場合、櫛刃状部分の加工にあたり通常エッチング処理やカッターによる押し切りなどを施すが、これらの方法によってはエッジ部分が形成されてしまい、ディッピングによりCr拡散防止層を設けようとするとこのエッジ部分にうまくCr拡散防止層が形成されないおそれがある。そこで、Cr拡散防止層を設ける前処理として、エッジ部分にはサンドブラストや超音波加工機などによりC面やR面等の面取り処理が施されるのが好ましい。
In forming the Cr
さらに、Cr拡散防止層202のさらに外側に導電性セラミックス層(図示しない)が設けられるのが好ましい。燃料電池セルと集電部材は、主にAg含有の接合材を介して接合されるが、Cr拡散防止層202の外側に導電性セラミックス層が設けられていないと、Cr拡散防止層の表面が平滑であることから、集電部材20と接合材が剥離してしまうおそれがある。これに対し、導電性セラミックス層を設けることにより、導電性セラミックス層がアンカー効果を有する。この導電性セラミックス層は、Cr拡散防止層202の全面に通常ディッピングにより形成され、厚みは10〜50μmであるのが好ましい。10μm未満であると空隙が形成されるおそれがあり、50μmを超えると亀裂が生じてしまうおそれがあるからである。導電性セラミックスとしては、導電性を有するものであれば特に限定されないが、所謂ABO3型のぺロブスカイト型酸化物、例えばLa0.6Sr0.4Co0.4Fe0.6O3、La0.6Sr0.4Co1.0O3、La0.6Sr0.4Mn1.0O3などが好ましく採用される。
Furthermore, it is preferable that a conductive ceramic layer (not shown) is provided further outside the Cr
次に、Crの拡散防止について詳しく述べる。
燃料電池により発電させるために、本発明の集電部材は600〜1000℃の高温下で使用されることとなるが、このとき集電本体201からはCrがCrガスとなって拡散する。
Next, prevention of Cr diffusion will be described in detail.
In order to generate electric power with the fuel cell, the current collecting member of the present invention is used at a high temperature of 600 to 1000 ° C. At this time, Cr diffuses from the
ここで、集電本体201の表面にペロブスカイト型構造を除く周期律表第4周期金属元素の単一元素酸化物からなるCr拡散防止層が設けられている場合、集電本体201から拡散したCrガスは、集電本体201とCr拡散防止層202との界面付近においてCr2O3の膜を形成するか、Cr2O3膜の外側にCr拡散防止層202として含まれる金属元素とCrとの化合物を生成する。このように、CrガスはCr拡散防止層202で捕捉されるので、Crガスが空気極と電解質との界面にまで達するのを防止することができる。
Here, in the case where a Cr diffusion prevention layer made of a single element oxide of the fourth periodic metal element excluding the perovskite structure is provided on the surface of the
また、集電本体201の表面にペロブスカイト型構造を除く周期律表第4周期金属元素とCrとの複合酸化物からなるCr拡散防止層202が設けられている場合、このCr拡散防止層202はちょうど上記単一元素酸化物からなるCr拡散防止層がCrガスを捕捉して金属元素とCrとの化合物を生成したような状態であり、これ以上金属とCrとの化合物を生成することができず、集電本体201とCr拡散防止層202との界面付近においてCr2O3の膜を形成するにとどまる。
これにより、Crガスが空気極と電解質との界面にまで達するのを防止することができる。
Further, when the Cr
Thereby, Cr gas can be prevented from reaching the interface between the air electrode and the electrolyte.
本発明の集電部材20は、これと燃料電池セルがAg含有の接合材により接合されて、複数の燃料電池用集電部材と燃料電池セルが交互に直列に配置されてなる燃料電池セルスタック(図示しない)に好ましく使用できる。さらに、この燃料電池セルスタックが収納容器内に収納されてなる燃料電池(図示しない)に好ましく使用できる。
The current collecting
以下燃料電池セル1について説明する。
燃料電池セル1は、図4に示すように、内部に適当な間隔で複数の燃料ガス通路10aが形成された平板状の支持基板10を備え、この支持基板10上に各種の部材が設けられた構造を有している。
Hereinafter, the
As shown in FIG. 4, the
支持基板10は、横断面が平坦部と平坦部の両端の弧状部とからなっている。平坦部の対向する一対の面の一方とその両側の弧状部を覆うように燃料極層2が設けられており、さらに、この燃料極層2を覆うように、緻密質な固体電解質層3が積層されており、この固体電解質層3の上には、燃料極層2に対応するように、空気極4が積層されている。また、燃料極層2及び固体電極層3が積層されていない平坦部の他方の面には、インターコネクタ5が形成されている。図4から明らかな通り、燃料極層2及び固体電解質層3は、インターコネクタ5の両サイドにまで延びており、支持基板10の表面が外部に露出しないように構成されている。
The
このような構造の燃料電池セル1では、燃料極層2の空気極4と対面している部分が燃料極として作動して発電する。即ち、空気極4の外側に空気等の酸素含有ガスを流し、且つ支持基板10内のガス通路に燃料ガス(水素)を流し、所定の作動温度まで加熱することにより、空気極4で下記式(1)の電極反応を生じ、また燃料極層2の燃料極となる部分では例えば下記式(2)の電極反応を生じることによって発電する。
空気極: 1/2O2+2e− → O2− (固体電解質) …(1)
燃料極: O2− (固体電解質)+ H2 → H2O+2e− …(2)
かかる発電によって生成した電流は、支持基板10に取り付けられているインターコネクタ5を介して集電される。
In the
Air electrode: 1 / 2O 2 + 2e − → O 2− (solid electrolyte) (1)
Fuel electrode: O 2− (solid electrolyte) + H 2 → H 2 O + 2e − (2)
The current generated by the power generation is collected through the
ここで、支持基板10は、燃料ガスを燃料極まで透過させるためにガス透過性であること、及びインターコネクタを介しての集電を行うために導電性であることが要求されるが、このような要求を満たすと同時に、同時焼成により生じる不都合を回避するために、鉄属金属成分と特定の希土類酸化物とから支持基板10を構成する。
Here, the
鉄族金属成分は、支持基板10に導電性を付与するためのものであり、鉄族金属単体であってもよいし、また鉄族金属酸化物、鉄族金属の合金もしくは合金酸化物であってもよい。鉄族金属には、鉄、ニッケル及びコバルトがあり、本発明では、何れをも使用することができるが、安価であること及び燃料ガス中で安定であることからNi及び/またはNiOを鉄族成分として含有していることが好ましい。
The iron group metal component is for imparting conductivity to the
また希土類酸化物成分は、支持基板10の熱膨張係数を、固体電解質層3を形成している安定化ジルコニアと近似させるために使用されるものであり、高い導電率を維持し且つ固体電解質層3等への拡散を防止するために、希土類元素を含む酸化物Y2O3、Yb2O3が、上記鉄族成分と組合せで使用される。
The rare earth oxide component is used for approximating the thermal expansion coefficient of the
特に支持基板10の熱膨張係数を安定化ジルコニアと近似させるという点で、上述した鉄族成分は、支持基板10中に35〜65体積%の量で含まれ、希土類酸化物は、支持基板10中に35〜65体積%の量で含まれていることが好適である。
In particular, the iron group component described above is included in the
上記のような鉄族金属成分と希土類酸化物とから構成される支持基板10は、燃料ガス透過性を有していることが必要であるため、通常、開気孔率が30%以上、特に35乃至50%の範囲にあることが好適である。また、支持基板10の導電率は、300S/cm以上、特に440S/cm以上であることが好ましい。
Since the
また、支持基板10の平坦部の長さは、通常、15〜35mm、弧状部の長さ(弧の長さ)は、3〜8mm程度であり、支持基板10の厚みは(平坦部の両面の間隔)は2.5〜5mm程度であることが望ましい。
The length of the flat portion of the
燃料極層2は、前述した式(2)の電極反応を生じせしめるものであり、それ自体公知の多孔質の導電性セラミックスから形成される。例えば、希土類元素が固溶しているZrO2と、Ni及び/またはNiOとから形成される。この希土類元素が固溶しているZrO2(安定化ジルコニア)としては、以下に述べる固体電解質層3の形成に使用されているものと同様のものを用いるのがよい。
The
また、図4の例では、この燃料極層2は、インターコネクタ5の両サイドにまで延びているが、空気極4に対面する位置に存在して燃料極が形成されていればよいため、例えば空気極4が設けられている側の平坦部にのみ燃料極層2が形成されていてもよい。
Further, in the example of FIG. 4, the
この燃料極層2上に設けられている固体電解質層3は、一般に3〜15モル%の希土類元素が固溶したZrO2(通常、安定化ジルコニア)と呼ばれる緻密質なセラミックスから形成されている。希土類元素としては、Sc,Y,La,Ce,Pr,Nd,Pm,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Luを例示することができるが、安価であるという点からY、Ybが望ましい。
The
空気極4は、所謂ABO3型のペロブスカイト型酸化物からなる導電性セラミックスから形成される。かかるペロブスカイト型酸化物としては、遷移金属ペロブスカイト型酸化物、特にAサイトにLaを有するLaMnO3系酸化物、LaFeO3系酸化物、LaCoO3系酸化物の少なくとも1種が好適であり、600〜1000℃程度の作動温度での電気伝導性が高いという点からLaFeO3系酸化物が特に好適である。尚、上記ペロブスカイト型酸化物においては、AサイトにLaと共にSrなどが存在していてもよいし、さらにBサイトには、FeとともにCoやMnが存在していてもよい。
The
支持基板10上に設けられているインターコネクタ5は、一般に、ランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物(LaCrO3系酸化物)が使用される。また、支持基板10の内部を通る燃料ガス及び支持基板10の外部を通る酸素含有ガスのリークを防止するため、かかる導電性セラミックスは緻密質でなければならず、例えば93%以上、特に95%以上の相対密度を有していることが好適である。
The
インターコネクタ5の外面(上面)には、P型半導体層14を設けることが好ましい。インターコネクタ5には、導電性の集電部材(図示しない)が接続されるが、集電部材を直接インターコネクタ5に直接接続すると、非オーム接触により、電位降下が大きくなってしまい、集電性能が低下してしまう。このようなP型半導体としては、遷移金属ペロブスカイト型酸化物を例示することができる。
A P-
ここで、燃料電池セルの製造方法について説明する。
先ず、Ni等の鉄族金属或いはその酸化物粉末と、Y2O3などの希土類酸化物の粉末と、有機バインダーと、溶媒とを混合してスラリーを調製し、このスラリーを用いての押出成形により、支持基板成形体を作製し、これを乾燥する。
Here, the manufacturing method of a fuel cell is demonstrated.
First, a slurry is prepared by mixing an iron group metal such as Ni or its oxide powder, a rare earth oxide powder such as Y 2 O 3 , an organic binder, and a solvent, and extrusion using this slurry. A support substrate molded body is produced by molding and dried.
次に、燃料極層形成用材料(Ni或いはNiO粉末と安定化ジルコニア粉末)、有機バインダー及び溶媒を混合してスラリーを調製し、このスラリーを用いて燃料極層用のシートを作製する。また、燃料極層用のシートを作製する代りに、燃料極形成用材料を溶媒中に分散したペーストを、上記で形成された支持基板成形体の所定位置に塗布し乾燥して、燃料極層用のコーティング層を形成してもよい。 Next, a fuel electrode layer forming material (Ni or NiO powder and stabilized zirconia powder), an organic binder, and a solvent are mixed to prepare a slurry, and a sheet for the fuel electrode layer is prepared using this slurry. Further, instead of producing a sheet for the fuel electrode layer, a paste in which the fuel electrode forming material is dispersed in a solvent is applied to a predetermined position of the formed support substrate and dried, and then the fuel electrode layer is formed. A coating layer may be formed.
さらに、安定化ジルコニア粉末と、有機バインダーと、溶媒とを混合してスラリーを調製し、このスラリーを用いて固体電解質層用シートを作製する。 Furthermore, a stabilized zirconia powder, an organic binder, and a solvent are mixed to prepare a slurry, and a solid electrolyte layer sheet is prepared using this slurry.
上記のようにして形成された支持基板成形体、燃料極用シート及び固体電解質層用シートを、例えば図4に示すような層構造となるように積層し、乾燥する。この場合、支持基板成形体の表面に燃料極層用のコーティング層が形成されている場合には、固体電解質層用シートのみを支持基板成形体に積層し、乾燥すればよい。 The support substrate molded body, the fuel electrode sheet, and the solid electrolyte layer sheet formed as described above are laminated so as to have a layer structure as shown in FIG. 4, for example, and dried. In this case, when the coating layer for the fuel electrode layer is formed on the surface of the support substrate molded body, only the solid electrolyte layer sheet may be laminated on the support substrate molded body and dried.
この後、インターコネクタ用材料(例えば、LaCrO3系酸化物粉末)、有機バインダー及び溶媒を混合してスラリーを調製し、インターコネクタ用シートを作製する。 Thereafter, the interconnector material (e.g., LaCrO 3 based oxide powder), an organic binder and a solvent were mixed to prepare a slurry, to produce the interconnector sheet.
このインターコネクタ用シートを、上記で得られた積層体の所定位置にさらに積層し、焼成用積層体を作製する。 This interconnector sheet is further laminated at a predetermined position of the laminate obtained above to produce a firing laminate.
次いで、上記の焼成用積層体を脱バインダー処理し、酸素含有雰囲気中、1300〜1600℃で同時焼成し、得られた焼結体の所定の位置に、空気極形成用材料(例えば、LaFeO3系酸化物粉末)と溶媒を含有するペースト、及び必要により、P型半導体層形成用材料(例えば、LaFeO3系酸化物粉末)と溶媒を含むペーストを、ディッピング等により塗布し、1000〜1300℃で焼き付ける。
以上のような工程を経て、燃料電池セルが作成される。
Next, the above-mentioned fired laminate is subjected to binder removal treatment, and co-fired at 1300 to 1600 ° C. in an oxygen-containing atmosphere, and an air electrode forming material (for example, LaFeO 3) And paste containing a P-type semiconductor layer forming material (for example, LaFeO 3 -based oxide powder) and a solvent by dipping or the like, if necessary. Bake with.
A fuel cell is produced through the above processes.
尚、燃料電池セルスタックは上記燃料電池セルを集電部材とともにマニホールドに交互に直列に複数配置し、燃料電池セルとマニホールドの接続部をガラスなどにより封止することにより作成される。 The fuel cell stack is formed by arranging a plurality of the above fuel cells together with the current collecting member in series on the manifold, and sealing the connection between the fuel cells and the manifold with glass or the like.
そして、燃料電池は上記複数のセルスタックを収納容器内に配置し、発電に使用すために燃料電池セルに送るための燃料ガス導入管、空気導入管を配管することにより作成される。 The fuel cell is prepared by arranging the plurality of cell stacks in a storage container and piping a fuel gas introduction pipe and an air introduction pipe for sending the fuel cell to the fuel cell for use in power generation.
以下、燃料電池セル及び集電部材を実際に作製し、本発明の集電部材を評価した。
まず、燃料電池セルを作成するために、平均粒径0.5μmのNiO粉末或いはNi粉末と、Y2O3粉末(平均粒径は0.8〜1.0μm)を、焼成後における体積比率が、焼成後にNiOは、Ni換算で65体積%となり、Y2O3は35体積%となるように混合した。
Hereinafter, the fuel cell and the current collecting member were actually produced, and the current collecting member of the present invention was evaluated.
First, in order to create a fuel cell, a volume ratio after firing NiO powder or Ni powder having an average particle size of 0.5 μm and Y 2 O 3 powder (average particle size is 0.8 to 1.0 μm). However, after firing, NiO was mixed at 65 volume% in terms of Ni, and Y 2 O 3 was mixed at 35 volume%.
上記の混合粉末に、増孔剤、有機バインダー(ポリビニルアルコール)と、水(溶媒)とを混合して形成した支持基板用スラリーを直方体状に押出成形し、扁平状の支持基板用成形体を作製し、これを乾燥した。得られた成形体を脱バインダー処理し、大気中にて1000℃で仮焼した。 A support substrate slurry formed by mixing the above-mentioned mixed powder with a pore-forming agent, an organic binder (polyvinyl alcohol) and water (solvent) is extruded into a rectangular parallelepiped shape, and a flat support substrate molded body is obtained. Prepared and dried. The obtained molded body was debindered and calcined at 1000 ° C. in the air.
次に、8モル%Y2O3を含有するZrO2(YSZ)粉末と、NiO粉末と、有機バインダー(アクリル樹脂)と、溶媒(トルエン)とを混合したスラリーを用いて燃料極層形成用シートを作製し、また、上記YSZ粉末と、有機バインダー(アクリル樹脂)と、トルエンからなる溶媒とを混合したスラリーを用いて、固体電解質層用シートを作製し、これらのシートを積層した。この積層シートを、上記支持基板用成形体に、その両端間が所定間隔をおいて離間するように巻き付け、乾燥した。 Next, for forming a fuel electrode layer using a slurry obtained by mixing ZrO 2 (YSZ) powder containing 8 mol% Y 2 O 3 , NiO powder, organic binder (acrylic resin), and solvent (toluene). A sheet was prepared, and a sheet for a solid electrolyte layer was prepared using a slurry in which the YSZ powder, an organic binder (acrylic resin), and a solvent made of toluene were mixed, and these sheets were laminated. The laminated sheet was wound around the support substrate molded body so that both ends thereof were separated from each other with a predetermined interval, and dried.
一方、平均粒径2μmのLaCrO3系酸化物粉末と、有機バインダー(アクリル樹脂)と、溶媒(トルエン)とを混合したスラリーを用いて、インターコネクタ用シートを作製し、このシートを、上記積層シートにおける支持基板用成形体の露出部分に積層し、支持基板用成形体、燃料極層用シート、固体電解質層用シートからなる焼結用積層シートを作製した。次に、この焼結用積層シートを脱バインダー処理し、大気中にて1500℃で同時焼成した。 On the other hand, an interconnector sheet was prepared using a slurry in which an LaCrO 3 oxide powder having an average particle diameter of 2 μm, an organic binder (acrylic resin), and a solvent (toluene) was mixed. A laminated sheet for sintering was prepared by laminating on the exposed portion of the support substrate molded body in the sheet, and comprising a support substrate molded body, a fuel electrode layer sheet, and a solid electrolyte layer sheet. Next, the laminated sheet for sintering was subjected to binder removal treatment and co-fired at 1500 ° C. in the atmosphere.
得られた焼結体を、平均粒径2μmのLa0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3(LSCF)粉末と、溶媒(ノルマルパラフィン)をからなるペースト中に浸漬し、焼結体に形成されている固体電解質層の表面に空気極用コーティング層を設け、同時に、上記ペーストを焼結体に形成されているインターコネクタの外面に塗布し、P型半導体用コーティング層を設け、さらに、1150℃で焼き付け、図4に示すような燃料電池セルを作製した。 The obtained sintered body was immersed in a paste made of La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3 (LSCF) powder having an average particle diameter of 2 μm and a solvent (normal paraffin). The air electrode coating layer is provided on the surface of the solid electrolyte layer formed on the sintered body, and at the same time, the paste is applied to the outer surface of the interconnector formed on the sintered body, and the P-type semiconductor coating layer is formed. Was further baked at 1150 ° C. to produce a fuel cell as shown in FIG.
また集電部材は、まず、厚さ0.4mmのFe-Cr系耐熱性合金の板を櫛刃状に加工し、隣り合う刃を交互に反対側に折り曲げ、図1に示す形状の集電本体を作成し、サンドブラスト機にて集電本体の角部を面取りした。その後、Fe2O3、Co3O4またはNiの粉末とアクリル系バインダーと希釈材としてのトルエンとを重量比で3:2:1.5になるように調合し、Cr拡散防止層の原料(原料1)を作製した。また、La0.6Sr0.4Co0.4Fe0.6O3(LSCF)の粉末を同様にアクリル系バインダーおよび希釈材としてトルエンに重量比3:2:1になるように調合し、導電性セラミックス層の原料(原料2)を作製した。そして、原料1を前記形状の集電本体にディッピングした。その後、130℃で1時間、500℃で2時間脱バインダー処理した後、1050℃で2時間、炉内で焼付を行った。その後、原料2を塗布し、同様の温度仕様で焼付を行った。尚、原料1がFe2O3の場合は、原料1により形成されるCr拡散防止層はFe2O3またはFeとCrとの複合酸化物であり、原料1がNiOの場合は、原料1により形成されるCr拡散防止層はNiOまたはNiとCrとの複合酸化物であり、原料1がCo3O4の場合は、原料1により形成されるCr拡散防止層はCo3O4またはCoとCrとの複合酸化物から構成されていた。このとき、Cr拡散防止層の厚みは20μm、導電性セラミックス層の厚みは20μmであった。
Further, the current collecting member is formed by first processing a 0.4 mm-thick Fe—Cr heat-resistant alloy plate into a comb blade shape, and alternately bending adjacent blades to the opposite side, thereby collecting the current as shown in FIG. The main body was made and the corners of the current collector main body were chamfered with a sandblast machine. Thereafter, Fe 2 O 3 , Co 3 O 4 or Ni powder, an acrylic binder, and toluene as a diluent are mixed at a weight ratio of 3: 2: 1.5, and the raw material for the Cr diffusion prevention layer is prepared. (Raw material 1) was produced. Similarly, a powder of La 0.6 Sr 0.4 Co 0.4 Fe 0.6 O 3 (LSCF) was prepared in a weight ratio of 3: 2: 1 to toluene as an acrylic binder and diluent. A raw material (raw material 2) for the conductive ceramic layer was prepared. And the
そして、後述の評価試験をするために、図6に示すように、このCr拡散防止層の形成された集電部材20の表面にAg−Pd系ペースト(後述の熱処理により接合材17となる)を塗布するとともに、燃料電池セルの空気極およびP型半導体の表面にも同じAg−Pd系ペーストを塗布し、集電部材20を空気極4表面に配置した。また、電流印加用導線301および測定用導線302が接続されたPtからなるメッシュ30を、燃料電池セル及び集電部材20を挟持するように配置するとともに、このメッシュ30が落ちないように絶縁管32で被覆されたPt線31でこれらを縛り、この状態で試験炉の中に入れ850℃まで温度を上げ2時間保持した。その保持中に燃料電池セル内に、最初窒素を200cc/min、水素を100cc/min流した。その後徐々に量を変化させ、2時間後に窒素を遮断、水素を200cc/min流れるように制御した。その状態でさらに6時間保持した。その後炉内温度を250℃に下げ、燃料電池セルの電極間に8.98Aの電流を流し、発電を行った。そして、1000hr後の電圧をCr拡散防止層の形成されていないサンプル(No.1及びNo.2)と比較し、劣化を確認した。その結果を表1に示す。
表1からわかるように、Cr拡散防止層及び導電性セラミックス層を設けていないサンプルNo.1は1000hr後の電圧低下率が41.2%であり、Cr拡散防止層を設けずに導電性セラミックス層のみを設けたサンプルNo.2は1000hr後の電圧低下率が10.2%と悪い結果であったのに対し、サンプルNo.3〜8は1000hr後の電圧低下率が10%以下と良好な結果であった。このように、集電部材表面にCr拡散防止層を設けることにより、Cr被毒を無くすることができ、電圧低下率も良好な値とすることができる。尚、サンプルNo.3〜5は導電性セラミックス層がアンカー効果を有することにより、サンプルNo.6〜8に比してよい電圧低下率が得られている。 As can be seen from Table 1, the sample No. in which the Cr diffusion preventing layer and the conductive ceramic layer were not provided. No. 1 has a voltage drop rate of 41.2% after 1000 hours, and sample No. 1 in which only the conductive ceramic layer was provided without providing the Cr diffusion prevention layer. 2 had a bad voltage drop rate of 10.2% after 1000 hours. 3 to 8 were good results with a voltage drop rate of 10% or less after 1000 hours. Thus, by providing the Cr diffusion preventing layer on the surface of the current collecting member, Cr poisoning can be eliminated and the voltage drop rate can be set to a good value. Sample No. Samples Nos. 3 to 5 have sample nos. The voltage drop rate which may be compared with 6-8 is obtained.
20・・・集電部材
201・・・集電本体
202・・・Cr拡散防止層
20 ... Current collecting
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