JP2009152016A - Protection film coating method on interconnector for solid oxide fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体酸化物形燃料電池用インターコネクタへの保護膜コーティング方法に関し、より具体的にはCrを含む耐熱合金材料を用いて構成された固体酸化物形燃料電池用インターコネクタに対して導電性セラミックス材料からなる保護膜をコーティングする方法に関する。 The present invention relates to a method for coating a protective film on an interconnector for a solid oxide fuel cell, and more specifically, to an interconnector for a solid oxide fuel cell configured using a heat-resistant alloy material containing Cr. The present invention relates to a method for coating a protective film made of a conductive ceramic material.
固体酸化物形燃料電池(以下、適宜“SOFC”と略称する)の単電池すなわちセルは、固体酸化物からなる電解質を挟んでアノード(燃料極)およびカソード(空気極、酸化剤として酸素が用いられる場合は酸素極)が配置され、カソード/電解質/アノードの三層ユニットで構成される。以下において、カソード側に酸化剤ガスとして空気を流す場合について説明するが、酸素富化空気や酸素を流す場合についても同様である。 A unit cell or cell of a solid oxide fuel cell (hereinafter abbreviated as “SOFC” where appropriate) uses an anode (fuel electrode) and a cathode (air electrode, oxygen as an oxidizing agent) with an electrolyte made of solid oxide sandwiched between them. If present, an oxygen electrode) is arranged and is composed of a cathode / electrolyte / anode three-layer unit. In the following, the case where air is flowed as the oxidant gas to the cathode side will be described, but the same applies to the case where oxygen-enriched air or oxygen is flowed.
SOFCは下記(1)〜(5)のような特長を有している。(1)作動温度が高いことにより、電極における電気化学反応が円滑に進行するためにエネルギーロスが少なく、発電効率が高い。(2)排熱温度が高いので、多段に利用することにより、さらに発電効率を高めることが可能である。(3)作動温度が天然ガスなどの炭化水素燃料を改質させるのに十分なほど高いので、改質反応を電池内部で行うことができる。このためリン酸形やポリマー形のような低温作動型の燃料電池では必要な燃料処理系(改質器+シフトコンバータ)を大幅に簡素化できる。(4)COも発電反応に関与させることができるため、燃料を多様化できる。(5)全部材が固体により構成されるので、リン酸形燃料電池や溶融炭酸塩形燃料電池において発生するような腐食や電解質の蒸散の問題がない。 SOFC has the following features (1) to (5). (1) Since the electrochemical reaction at the electrode proceeds smoothly due to the high operating temperature, there is little energy loss and the power generation efficiency is high. (2) Since the exhaust heat temperature is high, it is possible to further increase the power generation efficiency by using multiple stages. (3) Since the operating temperature is high enough to reform a hydrocarbon fuel such as natural gas, the reforming reaction can be performed inside the battery. For this reason, the fuel processing system (reformer + shift converter) necessary for low-temperature operating fuel cells such as phosphoric acid type and polymer type can be greatly simplified. (4) Since CO can be involved in the power generation reaction, fuel can be diversified. (5) Since all members are made of solid, there is no problem of corrosion or electrolyte evaporation that occurs in phosphoric acid fuel cells or molten carbonate fuel cells.
電解質材料としては、例えばイットリア安定化ジルコニア(YSZ)等のシート状焼結体が用いられ、アノードとしては、例えばニッケルとイットリア安定化ジルコニアの混合物(Ni/YSZサーメット)等の多孔質体が用いられ、カソードとしては、例えばSrドープのLaMnO3等の多孔質体が用いられ、通常、電解質材料の両面にアノードとカソードを焼き付けることによりセルが構成される。 As the electrolyte material, for example, a sheet-like sintered body such as yttria stabilized zirconia (YSZ) is used, and as the anode, a porous body such as a mixture of nickel and yttria stabilized zirconia (Ni / YSZ cermet) is used. For example, a porous body such as Sr-doped LaMnO 3 is used as the cathode, and the cell is usually formed by baking the anode and the cathode on both surfaces of the electrolyte material.
その作動時に、カソードに導入される空気中の酸素はカソードで酸化物イオン(O2-)となり、電解質を通ってアノードに至る。ここで、アノードに導入される燃料と反応して電子を放出し、電気と、水、二酸化炭素等の反応生成物とを生成する。カソードでの利用済み空気はカソードオフガスとして排出され、アノードでの利用済み燃料はアノードオフガスとして排出される。 During the operation, oxygen in the air introduced into the cathode becomes oxide ions (O 2− ) at the cathode and reaches the anode through the electrolyte. Here, it reacts with the fuel introduced into the anode and emits electrons to generate electricity and reaction products such as water and carbon dioxide. Spent air at the cathode is discharged as cathode offgas, and spent fuel at the anode is discharged as anode offgas.
ところで、従来のSOFCはその作動温度が800〜1000℃程度と高いが、最近ではそれ以下の低温である600〜800℃程度の範囲、例えば750℃程度の温度で作動するSOFCが開発されつつある。図1はそのうち平板形SOFCセルの態様例を説明する図で、断面図を示している。図1のとおり、セル1は、アノード2の上に電解質膜3が配置され、電解質膜3の上にカソード4が配置されて構成される。
By the way, a conventional SOFC has a high operating temperature of about 800 to 1000 ° C., but recently, an SOFC operating at a temperature of about 600 to 800 ° C., which is lower than that, for example, a temperature of about 750 ° C. is being developed. . FIG. 1 is a diagram for explaining an example of a flat SOFC cell and shows a cross-sectional view. As shown in FIG. 1, the
固体酸化物電解質として例えばジルコニア系やLaGaO3系などの電解質材料が用いられ、これを膜厚の厚いアノードで支持するように構成されており、支持膜式と称される。支持膜式においては、電解質膜の膜厚を薄く構成でき、その膜厚が例えば10μm程度となり、600〜800℃という低温ないし中温で運転できる。このため、インターコネクタなどの構成材料として耐熱合金、例えばステンレス鋼などの安価な材料の使用を可能とし、また小型化が可能であるなど各種利点を有する。 For example, a zirconia-based or LaGaO 3 -based electrolyte material is used as the solid oxide electrolyte, which is configured to be supported by a thick anode, and is called a support membrane type. In the support membrane type, the thickness of the electrolyte membrane can be reduced. The thickness of the membrane becomes, for example, about 10 μm, and it can be operated at a low or medium temperature of 600 to 800 ° C. For this reason, it is possible to use a heat-resistant alloy, such as stainless steel, as a constituent material for the interconnector or the like, and it has various advantages such as miniaturization.
SOFCセルは、その作動時に、カソード側に空気を流し、アノード側に燃料を流して、両電極を外部負荷に接続することで電力が得られる。セル一つでは高い電圧は得られないので、セルとセルをインターコネクタを介して交互に積層配置してスタック化される。すなわち、平板形SOFCスタックでは、隣接するセルを電気的に接続するとともに、カソードとアノードのそれぞれに空気と燃料とを分配し供給し排出する目的で、インターコネクタとセルとが交互に積層される。 When the SOFC cell is in operation, electric power is obtained by flowing air to the cathode side, flowing fuel to the anode side, and connecting both electrodes to an external load. Since a high voltage cannot be obtained with one cell, cells and cells are stacked by being alternately stacked via an interconnector. That is, in the flat SOFC stack, interconnectors and cells are alternately stacked for the purpose of electrically connecting adjacent cells and distributing, supplying, and discharging air and fuel to and from the cathode and anode, respectively. .
図2はその積層例、すなわち支持膜式平板形SOFCセルを積層する構成例を説明する図で、支持膜式平板形SOFCスタックの各部材について、その配置関係を示すため間隔を置いて示している。セル1を三個、その間にインターコネクタ5を二個、上方のセルの上面および下方のセルの下面にそれぞれインターコネクタ5(このインターコネクタは枠体でもある)を備えてスタックを構成した場合を示している。インターコネクタ5には、セルに空気および燃料を供給するための複数個の溝状のガス流路が形成されている。これらは、例えば荷重をかけることで積層される。
FIG. 2 is a diagram for explaining a stacking example, that is, a configuration example of stacking support membrane type flat SOFC cells, and showing each member of the support membrane type flat SOFC stack at intervals to show the arrangement relationship. Yes. A case where three
ところで、インターコネクタに対しては、下記(1)〜(8)という数多くの性質が求められる。(1)緻密であってガスを透過、漏洩しない。(2)電子導電性が大きい。(3)イオン導電性が小さい。(4)高温の酸化性、還元性、両雰囲気において材料自身が化学的に安定である。(5)二つの電極など接触する他の部材との反応や過度な相互拡散が起こらない。(6)他の電池構成材料と熱膨張率が整合している、(7)雰囲気の変動による寸法変化が小さい。(8)十分な強度を有する。 By the way, the interconnector is required to have many properties (1) to (8) below. (1) It is dense and does not permeate or leak gas. (2) High electronic conductivity. (3) Ion conductivity is small. (4) The material itself is chemically stable in both high-temperature oxidizing and reducing atmospheres. (5) Reaction with other members in contact such as two electrodes and excessive mutual diffusion do not occur. (6) The thermal expansion coefficient is consistent with other battery constituent materials. (7) The dimensional change due to the change in atmosphere is small. (8) It has sufficient strength.
そのように、インターコネクタには多くの厳しい要求があるため、その構成材料が限定される。これらの要求をなるべく多く満たすものとしてCrを含む耐熱合金が用いられる。作動温度が低温ないし中温(600〜850℃程度)のSOFCの場合にも、マニホールドやインターコネクタ用の材料として、Crを含む耐熱性合金を用いることが上記性質、性能面やコストの面から有利である。 As such, the interconnector has many strict requirements, limiting its constituent materials. In order to satisfy these requirements as much as possible, a heat-resistant alloy containing Cr is used. Even in the case of SOFC with a low or medium operating temperature (about 600 to 850 ° C.), it is advantageous from the viewpoint of the above properties, performance, and cost to use a heat-resistant alloy containing Cr as a material for manifolds and interconnectors. It is.
しかし、インターコネクタの構成材料としてCrを含む耐熱合金を用いた場合、SOFCの作動時の酸化雰囲気において、その表面に酸化クロム皮膜を形成するのが一般的である。酸化クロム皮膜は導電性があまり高くないため、そのまま続けて使用するとSOFCセルスタックの内部抵抗が高くなる。従来、その原因である酸化クロムの蒸気種の発生を防ぎ、その内部抵抗を防ぐ手段として、Cr合金表面に導電性セラミックスや銀合金などの導電性材料の保護膜を施すことが有効であると考えられている。 However, when a heat-resistant alloy containing Cr is used as the constituent material of the interconnector, it is common to form a chromium oxide film on the surface in an oxidizing atmosphere during operation of the SOFC. Since the chromium oxide film is not very conductive, the internal resistance of the SOFC cell stack increases when it is used as it is. Conventionally, it is effective to apply a protective film of a conductive material such as conductive ceramics or silver alloy on the surface of the Cr alloy as a means for preventing the generation of vapor species of chromium oxide which is the cause and preventing the internal resistance thereof. It is considered.
図3はその概略を説明する図で、図3(a)は図2に示すようなインターコネクタの斜視図である。図3(b)は、図3(a)に示すようなインターコネクタに導電性コーティング層6を設けた場合の側面図〔図3(c)を左側または右側から見た図に相当する〕、図3(c)は、同じく導電性コーティング層6を設けた、その空気流通用の複数個の溝がある側の側面図である。図3(b)〜(c)のとおり、Crを含む耐熱合金製インターコネクタの表面を導電性材料でコーティングすることで、すなわちその表面に導電性の保護膜を設けることにより、合金表面の酸化物スケール層すなわち酸化クロム層の表面への露出を避け、酸化クロムの蒸気種の発生を防いでいる。
FIG. 3 is a diagram for explaining the outline, and FIG. 3 (a) is a perspective view of the interconnector as shown in FIG. FIG. 3B is a side view when the
ところで、Crを含む耐熱合金表面に導電性材料として導電性セラミックスを緻密に成膜するには1000℃以上の高温で焼結しなければならない。しかし、そのような高温ではCr含有合金がもたないため、より低温で焼結するような工夫が必要となる。しかもディッピング等の安価な方法が望まれる。そこで、非特許文献1、2のような方法が提案されている。
By the way, in order to densely form conductive ceramics as a conductive material on the surface of a heat-resistant alloy containing Cr, it must be sintered at a high temperature of 1000 ° C. or higher. However, since there is no Cr-containing alloy at such a high temperature, a device for sintering at a lower temperature is required. In addition, an inexpensive method such as dipping is desired. Therefore, methods such as
非特許文献1においては、Ce0.9Gd0.1O1.95(以下、適宜“CGO”と略称する)に焼結助剤(Li)を添加することで、Ce0.9Gd0.1O1.95の焼結温度を下げることに成功している。具体的には、CGOの緻密体に対してCGO膜をコーティングするに際して、CGOに硝酸リチウム(LiNO3)を5モル%添加することにより、CGOの緻密体に対するCGOの焼結温度を1200℃から800℃まで低減させている。
In
非特許文献2では、Mn1.5Co1.5O4をフェライト系ステンレス鋼の表面に成膜する際、還元処理を取り入れることにより、緻密な成膜が可能としている。しかし、酸化物膜であるMn1.5Co1.5O4膜は比較的緻密にはなっているものの、同膜には多数の孔があり、完全には緻密になっておらず、このレベルでは未だ実用に供することはできない。
In
本発明は、従来における、構成材料として耐熱合金を用いるインターコネクタに関する以上の問題を解決するためになされたものであり、Crを含む耐熱合金材料を用いて構成された固体酸化物形燃料電池用インターコネクタに対して導電性セラミックス材料からなる保護膜を緻密にコーティングする方法を提供することを目的とするものである。 The present invention has been made to solve the above-described problems related to interconnectors using a heat-resistant alloy as a constituent material, and is for a solid oxide fuel cell configured using a heat-resistant alloy material containing Cr. It is an object of the present invention to provide a method for densely coating a protective film made of a conductive ceramic material on an interconnector.
本発明は、Crを含む耐熱合金材料を用いて構成された固体酸化物形燃料電池用インターコネクタに対する導電性セラミックス材料からなる保護膜のコーティング方法であって、前記導電性セラミックス材料に低温焼結助剤を添加したスラリーを前記Crを含む耐熱合金材料の表面に塗布した後、700〜900℃において還元処理を行い、次いで空気雰囲気中750〜850℃で焼成することを特徴とする固体酸化物形燃料電池用インターコネクタに対する保護膜のコーティング方法である。 The present invention relates to a method for coating a protective film made of a conductive ceramic material on a solid oxide fuel cell interconnector composed of a heat-resistant alloy material containing Cr, and the conductive ceramic material is sintered at a low temperature. A solid oxide characterized in that a slurry to which an auxiliary agent is added is applied to the surface of the heat-resistant alloy material containing Cr, followed by reduction treatment at 700 to 900 ° C., and then firing at 750 to 850 ° C. in an air atmosphere. A method for coating a protective film on an interconnector for a fuel cell.
本発明によれば、以下(1)〜(3)の効果が得られる。
(1)Crを含む耐熱合金材料の表面に緻密な導電性セラミックス材料からなる保護膜を形成することができる。
(2)導電性セラミックス材料として粒径の大きい導電性セラミックス材料を使用することができるため、作業工程を少なくでき、大量生産しやすい。
(3)導電性セラミックス材料として粒径の大きい導電性セラミックス材料を使用することができるため、製造コストを大幅に下げることができる。
According to the present invention, the following effects (1) to (3) can be obtained.
(1) A protective film made of a dense conductive ceramic material can be formed on the surface of a heat-resistant alloy material containing Cr.
(2) Since a conductive ceramic material having a large particle size can be used as the conductive ceramic material, the number of work steps can be reduced and mass production is easy.
(3) Since a conductive ceramic material having a large particle size can be used as the conductive ceramic material, the manufacturing cost can be significantly reduced.
本発明は、Crを含む耐熱合金材料を用いて構成された固体酸化物形燃料電池用インターコネクタに対する導電性セラミックス材料からなる保護膜のコーティング方法である。そして、導電性セラミックス材料に低温焼結助剤を添加したスラリーをCrを含む耐熱合金材料の表面に塗布した後、700〜900℃において還元処理を行い、次いで空気雰囲気中750〜850℃で焼成することを特徴とする。 The present invention is a method for coating a protective film made of a conductive ceramic material on an interconnector for a solid oxide fuel cell configured using a heat-resistant alloy material containing Cr. And after apply | coating the slurry which added the low-temperature sintering auxiliary agent to the electrically conductive ceramic material on the surface of the heat-resistant alloy material containing Cr, a reduction process is performed at 700-900 degreeC, and it baked at 750-850 degreeC in an air atmosphere then It is characterized by doing.
本発明におけるCrを含む耐熱合金材料としては、固体酸化物形燃料電池用インターコネクタとして使用されるCrを含む耐熱合金材料であれば何れも使用される。例えば下掲(1)〜(3)のような材料が挙げられるが、これらに限定されない。
(1) C:0.02%(mass%、以下同じ)、Mn:0.50%、Ni:0.26%、Cr:21.97%、Zr:0.22%、La:0.04%、Si:0.40%、Al:0.21%、Fe:バランス
(2) C:0.03%、Mn:0.47%、Ni:0.26%、Cr:22.14%、Zr:0.20%、La:0.04%、Si:0.40%、Al:0.21%、Fe:バランス
(3) C:0.02%、Mn:0.48%、Ni:0.33%、Cr:22.04%、Zr:0.20%、La:0.08%、Low Si、Low Al、Fe:バランス
As the heat-resistant alloy material containing Cr in the present invention, any heat-resistant alloy material containing Cr used as a solid oxide fuel cell interconnector can be used. For example, the following materials (1) to (3) may be mentioned, but the material is not limited thereto.
(1) C: 0.02% (mass%, the same applies hereinafter), Mn: 0.50%, Ni: 0.26%, Cr: 21.97%, Zr: 0.22%, La: 0.04 %, Si: 0.40%, Al: 0.21%, Fe: Balance (2) C: 0.03%, Mn: 0.47%, Ni: 0.26%, Cr: 22.14%, Zr: 0.20%, La: 0.04%, Si: 0.40%, Al: 0.21%, Fe: balance (3) C: 0.02%, Mn: 0.48%, Ni: 0.33%, Cr: 22.04%, Zr: 0.20%, La: 0.08%, Low Si, Low Al, Fe: Balance
本発明における導電性セラミックス材料としては、MnXCo3-XO4(0<x<3)、MnXFe3-XO4(0<x<3)、ZnXMn3-XO4(0<x<3)、CuXMn3-XO4(0<x<3)またはCoXFe3-XO4(0<x<3)を使用する。このうち、MnXCo3-XO4(0<x<3)の例としてはMnCo2O4、Mn1.5Co1.5O4、Mn2CoO4等が挙げられ、MnXFe3-XO4(0<x<3)の例としてはMnFe2O4等が挙げられ、ZnXMn3-XO4(0<x<3)の例としてはZnMn2O4等が挙げられ、CuXMn3-XO4(0<x<3)の例としてはCu1.4Mn1.6O4等が挙げられ、CoXFe3-XO4(0<x<3)の例としてはCoFe2O4等が挙げられる。これらはスピネルと同型の結晶構造をもつ材料である。
Examples of the conductive ceramic material in the present invention include Mn X Co 3 -X O 4 (0 <x <3), Mn X Fe 3 -X O 4 (0 <x <3), Zn X Mn 3 -X O 4 (0 <x <3), using a Cu X Mn 3-X O 4 (0 <x <3) or Co X Fe 3-X O 4 (0 <x <3). Among these, examples of Mn X Co 3-X O 4 (0 <x <3) include MnCo 2 O 4 , Mn 1.5 Co 1.5 O 4 , Mn 2 CoO 4, etc., and Mn X Fe 3-X O 4 (0 <x <3) is exemplified by MnFe 2 O 4 and the like, and Zn X Mn 3 -X O 4 (0 <x <3) is exemplified by ZnMn 2 O 4 and Cu. X Mn 3-X O 4 ( 0 <x <3) examples of include Cu 1.4 Mn 1.6 O 4 and the like, Co X Fe 3-X O 4
本発明における低温焼結助剤としてはLi化合物を使用する。Li化合物の例としては酸化リチウム、水酸化リチウム、硝酸リチウム、炭酸リチウム、酢酸リチウム、ハロゲン化リチウムなどが挙げられるが、これらに限定されない。これらLi化合物は、後述還元処理で還元されてLiとなり、これに続く後述空気雰囲気での焼成時に、従来に比べてより低温で導電性セラミックス材料を緻密に焼結する役割をする。なお、低温焼結助剤における“低温”とは、その“従来に比べてより低温で”における当該低温の意味である。 Li compound is used as the low temperature sintering aid in the present invention. Examples of the Li compound include, but are not limited to, lithium oxide, lithium hydroxide, lithium nitrate, lithium carbonate, lithium acetate, and lithium halide. These Li compounds are reduced to Li by a reduction treatment described later, and serve to densely sinter the conductive ceramic material at a lower temperature than before when firing in an air atmosphere described later. The “low temperature” in the low temperature sintering aid means the low temperature in “at a lower temperature than in the past”.
本発明においては、導電性セラミックス材料に低温焼結助剤を添加したスラリーをCrを含む耐熱合金材料の表面に塗布した後、700〜900℃の温度範囲において還元処理を行い、次いで空気雰囲気中750〜850℃の温度範囲で焼成する。 In the present invention, a slurry obtained by adding a low-temperature sintering aid to a conductive ceramic material is applied to the surface of a heat-resistant alloy material containing Cr, and then subjected to a reduction treatment in a temperature range of 700 to 900 ° C., and then in an air atmosphere Bake in the temperature range of 750-850 ° C.
本発明における、導電性セラミックス材料に対する低温焼結助剤の添加量は、導電性セラミックス材料100モル%に対して3モル%以上であるのがよく、その範囲は好ましくは3〜8モル%の範囲である。 In the present invention, the amount of the low-temperature sintering aid added to the conductive ceramic material may be 3 mol% or more with respect to 100 mol% of the conductive ceramic material, and the range is preferably 3 to 8 mol%. It is a range.
(1) まず、導電性セラミックス材料、低温焼結助剤を含むスラリーの作製は、溶媒として水または水とアルコールの混合溶媒を使用し、これに導電性セラミックス材料、低温焼結助剤、有機バインダー、分散剤を混合し、ボールミル等により十分攪拌してスラリーとする。 (1) First, a slurry containing a conductive ceramic material and a low-temperature sintering aid uses water or a mixed solvent of water and alcohol as a solvent, and the conductive ceramic material, low-temperature sintering aid, organic A binder and a dispersant are mixed and sufficiently stirred with a ball mill or the like to form a slurry.
(2) 次いで、そのスラリーをCrを含む耐熱合金材料の表面に塗布する。この塗布はスクリーン印刷法、ディッピング法などにより行うことができる。 (2) Next, the slurry is applied to the surface of the heat-resistant alloy material containing Cr. This coating can be performed by a screen printing method, a dipping method, or the like.
(3) 次いで、700〜900℃において還元処理を行う。還元処理の温度はより好ましくは750〜850℃である。還元処理時の還元雰囲気としては水素を含むガス雰囲気とする。その好ましい例としては水素を含む窒素雰囲気が挙げられる。また、還元処理の時間は、Crを含む耐熱合金材料の表面とその表面上に塗布したスラリー中の成分を十分還元できる時間であればよく、好ましくは12〜24時間である。低温焼結助剤であるLi化合物は還元処理によりLiに還元される。 (3) Next, reduction treatment is performed at 700 to 900 ° C. The temperature of the reduction treatment is more preferably 750 to 850 ° C. The reducing atmosphere during the reduction treatment is a gas atmosphere containing hydrogen. A preferable example thereof is a nitrogen atmosphere containing hydrogen. Moreover, the time of a reduction process should just be the time which can fully reduce | restore the component in the surface of the heat-resistant alloy material containing Cr, and the slurry apply | coated on the surface, Preferably it is 12 to 24 hours. The Li compound that is a low-temperature sintering aid is reduced to Li by a reduction treatment.
(4) 次いで、空気雰囲気中750〜850℃で焼成する。空気雰囲気中での焼成時間は12〜24時間である。 (4) Next, firing is performed at 750 to 850 ° C. in an air atmosphere. The firing time in the air atmosphere is 12 to 24 hours.
本発明においては、以上(1)〜(4)の工程により、SOFC用インターコネクタの構成材料であるCrを含む耐熱合金材料の表面に緻密な導電性セラミックス材料からなる保護膜を形成することができる。 In the present invention, a protective film made of a dense conductive ceramic material can be formed on the surface of the heat-resistant alloy material containing Cr, which is a constituent material of the SOFC interconnector, by the steps (1) to (4). it can.
こうして構成したインターコネクタを前述図3を用いて説明すると、図3中、5は“Crを含む耐熱合金材料”、6はその表面にコーティングされた保護層すなわち“導電性セラミックス材料からなる保護層”である。図3(b)〜(c)ではインターコネクタの下面に保護層を配しているが、必要に応じて側面、上面のいずれか、またはその両方にも配することができる。また、図3では平板型SOFC用インターコネクタに対する適用例を示しているが、本発明の保護層はそれ以外の形式のSOFC用インターコネクタにも適用される。 The interconnector thus constructed will be described with reference to FIG. 3. In FIG. 3, 5 is a “heat-resistant alloy material containing Cr”, 6 is a protective layer coated on the surface thereof, ie, a “protective layer made of a conductive ceramic material”. ". In FIGS. 3B to 3C, the protective layer is disposed on the lower surface of the interconnector. However, it can be disposed on either the side surface, the upper surface, or both as required. FIG. 3 shows an application example to a flat plate type SOFC interconnector, but the protective layer of the present invention is also applied to other types of SOFC interconnectors.
前述非特許文献1のとおり、セラミックス表面にCGO膜を成膜する際にCGOに焼結助剤(Li)を添加することでCGOの焼結温度を下げることに成功し、非特許文献2のとおり、フェライト系ステンレス鋼の表面にMn1.5Co1.5O4膜を形成する際に還元処理を取り入れることにより緻密な成膜が可能としているが、本発明においては、焼結助剤(Li)と還元処理とを利用することにより、Crを含む耐熱合金材料の表面に緻密な導電性セラミックス材料からなる保護膜を形成するものある。
As described in
以下、実験例を基に本発明をさらに詳しく説明するが、本発明が実験例に限定されないことはもちろんである。ここでは、代表例として導電性セラミックス材料としてMnCo2O4を使用した実験例とCoFe2O4を使用した実験例を記載している。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on experimental examples, but the present invention is not limited to the experimental examples. Here, as a representative example, an experimental example using MnCo 2 O 4 as a conductive ceramic material and an experimental example using CoFe 2 O 4 are described.
〈実験例1:導電性セラミックス材料=MnCo2O4〉
〈(1)導電性セラミックス材料スラリーの作製〉
導電性セラミックス材料:MnCo2O4の油性スラリーを作製した。MnCo2O4の粉末(d50=1μm、比表面積=2.3m2/g)、LiNO3、有機バインダー、分散剤、エタノールを混合し、卓上ボールミルで10日間攪拌し、MnCo2O4の油性スラリーを作製した。MnCo2O4の油性スラリーとして、MnCo2O4に対するLiNO3の添加割合を変えた各種油性スラリーを作製した。
<Experimental example 1: conductive ceramic material = MnCo 2 O 4 >
<(1) Preparation of conductive ceramic material slurry>
An oily slurry of conductive ceramic material: MnCo 2 O 4 was prepared. MnCo of 2 O 4 powder (d50 = 1 [mu] m, a
MnCo2O4は導電性セラミックス材料であり、LiNO3は低温焼結助剤である。このうち、MnCo2O4粉末の比表面積は2.3m2/gであるのに対して、前記非特許文献1のCGO粉末の比表面積は30−35m2/gであり、MnCo2O4粉末の粒径はCGO粉末に比べて格段に大きい。
MnCo 2 O 4 is a conductive ceramic material, and LiNO 3 is a low temperature sintering aid. Among these, the specific surface area of MnCo 2 O 4 powder is 2.3 m 2 / g, whereas the specific surface area of CGO powder of
〈(2)インターコネクタ材料への導電性セラミックス材料スラリーの塗布〉
Crを含む耐熱合金材料〔日立金属(株)製、ZMG(登録商標)232L。組成:C=0.02%(mass%、以下同じ)、Mn=0.48%、Ni=0.33%、Cr=22.04%、Zr=0.20%、La=0.08%、Si=微量、Al=微量、Fe=バランス〕の板体を複数個用意した。各板体の表面寸法は1cm×1cm(=1cm2)である。
<(2) Application of conductive ceramic material slurry to interconnector material>
Heat-resistant alloy material containing Cr [manufactured by Hitachi Metals, Ltd., ZMG (registered trademark) 232L. Composition: C = 0.02% (mass%, the same applies hereinafter), Mn = 0.48%, Ni = 0.3%, Cr = 22.04%, Zr = 0.20%, La = 0.08% , Si = trace, Al = trace, Fe = balance]. The surface dimension of each plate is 1 cm × 1 cm (= 1 cm 2 ).
それら各板体毎に、その表面に、前記〈(1)導電性セラミックス材料スラリーの作製〉で作製した、MnCo2O4に対するLiNO3の添加割合を異にした油性スラリーをスクリーシ印刷により塗布した。塗布後、溶媒であるエタノールを100℃前後にした恒温槽により乾燥した。こうして、各板体毎にそれぞれ、MnCo2O4に対するLiNO3の添加割合が異なるスラリーを塗膜、乾燥した各サンプルを作製した。 For each of these plates, an oily slurry prepared in the above-mentioned <(1) Preparation of conductive ceramic material slurry> with a different addition ratio of LiNO 3 to MnCo 2 O 4 was applied to the surface by screech printing. . After the application, it was dried in a thermostatic bath where the solvent, ethanol, was kept at around 100 ° C. In this way, each sample was prepared by coating and drying slurry with different addition ratios of LiNO 3 to MnCo 2 O 4 for each plate.
〈(3)還元処理〉
〈(2)インターコネクタ材料への導電性セラミックス材料スラリーの塗布〉で得た各サンプルを電気炉中、水素を含む窒素雰囲気〔N296%に対してH24%(容量%)を含む雰囲気〕において、800℃で20時間還元処理した。この処理でLiNO3はLiに還元される。LiNO3中のLi+は1価であるのでLiNO3としてのモル%はLiでも同じである。
<(3) Reduction treatment>
<(2) Application of slurry of conductive ceramic material to interconnector material> Each sample obtained in an electric furnace contains nitrogen atmosphere containing hydrogen [N 2 96% to H 2 4% (capacity%)] Atmosphere)] at 800 ° C. for 20 hours. In this process, LiNO 3 is reduced to Li. Since Li + in LiNO 3 is monovalent, the mol% as LiNO 3 is the same in Li.
〈(4)焼成処理〉
〈(3)還元処理〉後の各サンプルを電気炉中で、空気雰囲気において、800℃で12〜24時間の範囲の各時間で焼成した。
<(4) Firing treatment>
<(3) Reduction treatment> Each sample after was fired in an electric furnace in an air atmosphere at 800 ° C. for 12 to 24 hours.
〈作製した各サンプルのSEMによる観察1〉
以上(1)〜(4)の工程で作製した各サンプルについて、その表面及び断面をSEM(走査電子顕微鏡)により観察した。その結果、各板体の表面に緻密なMnCo2O4膜が形成していることがわかった。図4は、その一例として、MnCo2O4に対するLiNO3の添加量5モル%のサンプル(空気雰囲気中での焼成処理時間=20時間)についての表面及び断面のSEM写真である。図4中、左図は表面SEM写真(倍率=5000倍)、右図は断面SEM写真(倍率=3500倍)である。
<
About each sample produced at the process of (1)-(4) above, the surface and the cross section were observed by SEM (scanning electron microscope). As a result, it was found that a dense MnCo 2 O 4 film was formed on the surface of each plate. FIG. 4 is an SEM photograph of a surface and a cross section of a sample (calcination treatment time in air atmosphere = 20 hours) with an addition amount of LiNO 3 to MnCo 2 O 4 as an example. In FIG. 4, the left figure is a surface SEM photograph (magnification = 5000 times), and the right figure is a cross-sectional SEM photograph (magnification = 3500 times).
左図は、右図SEM写真中、保護膜の表面(すなわち、厚みを持つ保護膜のうちの表面。なお、右図SEM写真中、上方の厚さ約2.1cmの層は樹脂層である)を拡大したものに相当している。左図のとおり、MnCo2O4の粒子の粒径が揃っており、その粒子が均等乃至ほぼ均等に分布している。右図は断面のSEM写真であるが、右図のとおり、保護膜は均質乃至ほぼ均質に形成している。 The left figure is the surface of the protective film (that is, the surface of the protective film having a thickness in the right figure SEM photograph. In the right figure SEM photograph, the upper layer having a thickness of about 2.1 cm is a resin layer. ). As shown in the left figure, the particle diameters of the MnCo 2 O 4 particles are uniform, and the particles are evenly or almost uniformly distributed. The right figure is a cross-sectional SEM photograph, but as shown in the right figure, the protective film is formed homogeneously or almost uniformly.
〈作製した各サンプルのSEMによる観察2〉
以上(1)〜(4)の工程で作製した各サンプルについて、MnCo2O4(導電性セラミックス材料)に対するLiNO3(低温焼結助剤)の添加量如何による相違について観察した。図5は、そのうち、LiNO3の添加量2モル%、3モル%、5モル%のサンプルについての表面SEM写真(倍率=300倍)、断面SEM写真(倍率=3500倍)を示したものである。
<Observation of each produced sample by
For each sample prepared in the above steps (1) to (4) were observed for differences due to the addition amount whether the LiNO 3 (low temperature sintering aid) for MnCo 2 O 4 (conductive ceramic material). FIG. 5 shows a surface SEM photograph (magnification = 300 times) and a cross-sectional SEM photograph (magnification = 3500 times) of a sample having 2 mol%, 3 mol%, and 5 mol% of LiNO 3 added. is there.
図5における左図中、下部の写真はLiNO3添加量2モル%のサンプルの断面SEM写真、図5における中図(中央部の図)中、下部の写真はLiNO3添加量3モル%のサンプルの断面SEM写真、図5における右図中、下部の写真はLiNO3添加量5モル%のサンプルの断面SEM写真である。また、図5における左図、中図、右図の各上部の写真はそれぞれ保護膜の表面SEM写真である。 In the left figure in FIG. 5, the lower photograph is a cross-sectional SEM photograph of a sample having a LiNO 3 addition amount of 2 mol%, and in the middle figure (center figure) in FIG. 5, the lower photograph is a LiNO 3 addition amount of 3 mol%. The cross-sectional SEM photograph of the sample, and the lower photograph in the right figure in FIG. 5, is a cross-sectional SEM photograph of the sample with the LiNO 3 addition amount of 5 mol%. Further, the upper photographs in the left, middle, and right diagrams in FIG. 5 are surface SEM photographs of the protective film.
図5のとおり、LiNO3添加量2モル%のサンプルでは、断面に比較的大きな孔が観察される。LiNO3添加量3モル%のサンプルでは、断面に細孔がまばらに観察されるが、全体としては緻密になっていることがわかる。LiNO3添加量5モル%のサンプルでは、断面に細孔は観察されず、全体として緻密且つ均質になっていることがわかる。このことから、LiNO3添加量3モル%以上であれば所期の保護膜が形成できると解される。 As shown in FIG. 5, comparatively large pores are observed in the cross section in the sample with the LiNO 3 addition amount of 2 mol%. In the sample with 3 mol% of LiNO 3 added, pores are sparsely observed in the cross section, but it can be seen that the sample is dense as a whole. In the sample with the added amount of LiNO 3 of 5 mol%, pores are not observed in the cross section, and it can be seen that the sample is dense and homogeneous as a whole. From this, it is understood that the desired protective film can be formed if the added amount of LiNO 3 is 3 mol% or more.
〈作製した各サンプルのSEMによる観察3〉
前記(1)〜(4)の工程のうち〈(1)導電性セラミックス材料スラリーの作製〉におけるボールミル時間の如何による結果について観察した。
<Observation of each produced sample by
Of the steps (1) to (4), the results of the ball mill time in <(1) Preparation of conductive ceramic material slurry> were observed.
〈(1)導電性セラミックス材料スラリーの作製〉における卓上ボールミルでの攪拌時間を1日間、4日間とし、LiNO3添加量5モル%とし、この点以外は前記(1)〜(4)の工程と同じくして各サンプルを作製した。卓上ボールミルでの攪拌時間を10日間としたサンプルは前記〈(1)導電性セラミックス材料スラリーの作製〉で作製したものである。これら各サンプルについて、その表面及び断面をSEMにより観察した。 The stirring time in the table-top ball mill in <(1) Preparation of conductive ceramic material slurry> is set to 1 day and 4 days, and the addition amount of LiNO 3 is set to 5 mol%. Except for this point, the steps (1) to (4) above Each sample was prepared in the same manner as above. The sample in which the stirring time in the table-top ball mill was 10 days was prepared in the above-mentioned <(1) Preparation of conductive ceramic material slurry>. About each of these samples, the surface and the cross section were observed by SEM.
図6はそれら各サンプルの表面及び断面のSEM写真である。これらのうち、左図、中図、右図の各上部の写真はそれぞれ表面SEM写真(倍率=300倍)、左図、中図、右図の各下部の写真はそれぞれ断面SEM写真(倍率=3500倍)である。 FIG. 6 is an SEM photograph of the surface and cross section of each sample. Of these, the upper, left, middle, and right photographs are the surface SEM photographs (magnification = 300 times), and the lower, middle, and right pictures are the cross-sectional SEM photographs (magnification =). 3500 times).
図6中、左図のとおり、卓上ボールミルでの攪拌時間を1日間としたサンプルでは、断面に比較的大きな孔が観察され、また表面に比較的大きな粒子が観察される。また、卓上ボールミルでの攪拌時間を4日間としたサンプルでは、その断面は、攪拌時間1日間のサンプルの断面に比べると大きな孔は少ないが、その表面には、攪拌時間1日間のサンプルと同様に比較的大きな粒子が観察される。 As shown in the left figure in FIG. 6, in the sample in which the stirring time in the table ball mill is 1 day, relatively large holes are observed in the cross section and relatively large particles are observed on the surface. In addition, in the sample with a stirring time of 4 days on the table ball mill, the cross section has fewer large holes than the cross section of the sample with the stirring time of 1 day, but the surface is the same as the sample with the stirring time of 1 day. Relatively large particles are observed.
これに対して、攪拌時間10日間のサンプルでは、その断面に細孔は観察されず、全体として緻密且つ均質になっていることがわかる。また、表面には比較的大きな粒子が僅かに観察されるだけである。このことから、導電性セラミックス材料スラリーの作製時におけるボールミルでの攪拌時間はおおよそ10時間またはそれ以上であればよいものと解される。 In contrast, in the sample with a stirring time of 10 days, no pores are observed in the cross section, and it can be seen that the sample is dense and uniform as a whole. In addition, only a few relatively large particles are observed on the surface. From this, it is understood that the stirring time in the ball mill at the time of producing the conductive ceramic material slurry may be about 10 hours or more.
〈実験例2:導電性セラミックス材料=CoFe2O4〉
導電性セラミックス材料としてCoFe2O4の粉末(d50=1μm、比表面積=2.5m2/g)を使用し、前述実験例1における〈(1)導電性セラミックス材料スラリーの作製〉〜〈(4)焼成処理〉と同様にして、LiNO3添加量2モル%、3モル%、5モル%の各サンプルを作製し、その表面及び断面をSEM(走査電子顕微鏡)により観察した。その結果、実験例1におけるMnCo2O4の場合と同様の傾向を示し、LiNO3の添加量3モル%以上では、CoFe2O4の粒子の粒径が揃い、保護膜が均質乃至ほぼ均質に形成していることがわかった。
<Experimental example 2: conductive ceramic material = CoFe 2 O 4 >
CoFe 2 O 4 powder (d50 = 1 μm, specific surface area = 2.5 m 2 / g) was used as the conductive ceramic material, and <(1) Preparation of conductive ceramic material slurry> to <( 4) Each sample with LiNO 3 addition amount of 2 mol%, 3 mol%, and 5 mol% was prepared in the same manner as in the firing treatment>, and the surface and the cross section thereof were observed with an SEM (scanning electron microscope). As a result, the same tendency as in the case of MnCo 2 O 4 in Experimental Example 1 is shown. When the addition amount of LiNO 3 is 3 mol% or more, the particle diameter of CoFe 2 O 4 is uniform, and the protective film is homogeneous or almost homogeneous. It was found that it was formed.
図7は、その一例として、CoFe2O4に対するLiNO3の添加量5モル%のサンプル(空気雰囲気中での焼成処理時間=20時間)についての表面及び断面のSEM写真である。図7中、左図は表面SEM写真(倍率=300倍)、右図は断面SEM写真(倍率=3500倍)である。 FIG. 7 is an SEM photograph of the surface and cross section of a sample (calcination treatment time in air atmosphere = 20 hours) with an addition amount of LiNO 3 to CoFe 2 O 4 as an example. In FIG. 7, the left figure is a surface SEM photograph (magnification = 300 times), and the right figure is a cross-sectional SEM photograph (magnification = 3500 times).
左図は、右図SEM写真中、保護膜の表面(すなわち、厚みを持つ保護膜のうちの表面。なお、右図SEM写真中、上方の厚さ約2cmの層は樹脂層である)を拡大したものに相当している。左図のとおり、CoFe2O4の粒子の粒径が揃っており、その粒子が均等乃至ほぼ均等に分布している。右図は断面のSEM写真である。右図のとおり、保護膜は均質乃至ほぼ均質に形成されている。 The left figure shows the surface of the protective film in the right SEM photograph (that is, the surface of the protective film having a thickness. In the right SEM picture, the upper layer having a thickness of about 2 cm is a resin layer). It corresponds to the enlarged one. As shown in the left figure, the particle diameters of CoFe 2 O 4 particles are uniform, and the particles are evenly or almost uniformly distributed. The right figure is a cross-sectional SEM photograph. As shown in the right figure, the protective film is formed homogeneously or almost uniformly.
1 セル
2 アノード(燃料極)
3 電解質膜
4 カソード(空気極)
5 インターコネクタ
6 導電性材料コーティング層
1
3 Electrolyte membrane 4 Cathode (air electrode)
5
Claims (9)
The method for coating a protective film on an interconnector for a solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the firing time in the air atmosphere is 12 to 24 hours.
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