JP2010520612A

JP2010520612A - 環境絶縁的な合金を有するクラッド銅ワイヤ

Info

Publication number: JP2010520612A
Application number: JP2009552905A
Authority: JP
Inventors: クラム，アーロン
Original assignee: アダプティブマテリアルズインク．
Priority date: 2007-03-07
Filing date: 2008-03-07
Publication date: 2010-06-10
Also published as: WO2008109817A1; EP2118952A1; US20080241605A1; EP2118952A4; US7887975B2

Abstract

燃料電池のための電流コレクタは、高伝導金属の内部コア４５と、環境絶縁材料である外部クラッド６０とを有する少なくとも１つのワイヤを備える。電流コレクタは酸化及び還元の両環境において利用される。
【選択図】図２

Description

［関連出願］
本願発明は、米国特許出願（出願番号６０／８９３，４０４、出願日２００７年３月７日）にかかる優先権を伴うものであり、その内容を本文に援用する。

燃料電池に使用するための電流コレクタ及びワイヤ相互接続部は、相互接続部及びワイヤの化学構造及び伝導性に影響を与える様々な環境にさらされる。特に、固体酸化物燃料電池において、電流コレクタシステムは、還元ガスにさらされる陰極電流コレクタと、酸化ガスにさらされる陽極電流コレクタと、両方の環境にさらされる陰極と陽極との間の相互接続部とを含む。様々な環境への耐性を与えるために、相互接続部と電流コレクタシステムの異なる部分に様々な金属組成物が使用され得る。

しかしながら、電流コレクタや相互接続部のように様々な異なる環境に用いられて、ワイヤの伝導性を維持する単ワイヤ組成物であることのみならず、様々な状況での環境保全性を有することが望まれている。

一形態において、高伝導金属の内部コアと、環境絶縁材料である外部クラッドとを有する少なくとも1つのワイヤを備える燃料電池のための電流コレクタが開示されている。電流コレクタは酸化及び還元の両環境において利用される。

別の形態において、高伝導金属の内部コアと、環境絶縁材料である外部クラッドとを有する少なくとも1つのワイヤを備える、固体酸化物燃料電池のための電流コレクタが開示されている。電流コレクタは酸化及び還元の両環境において利用される。少なくとも1つのワイヤは連続するセグメント（断片）からなる。

別の形態において、高伝導金属の内部コアと、環境絶縁材料である外部クラッドとを有する少なくとも1つのワイヤを備える、固体酸化物燃料電池のための電流コレクタが開示されている。電流コレクタは酸化及び還元の両環境において利用される。少なくとも1つのワイヤは複数の１つにまとめられたセグメントからなる。少なくとも1つのセグメントは、高伝導金属の内部コアと、環境絶縁材料である外部クラッドとを含む。

中心のコア及び外層を有するワイヤの端面図。コアと１つ以上の中間層と外層とを有するワイヤの端面図。機能部品の２次元構造と１つ以上の中間層と外層とを有するワイヤの端面図。異なるセグメントを繋ぎ合わせることで作られたワイヤ構成において軸方向での変化を有するワイヤの端面図。陰極と陽極とを含む電流コネクタの部分側面図。複数の燃料電池チューブと関連する複数の図５の電流コレクタを表す部分斜視図。銅のコア及びクロファのクラッドを有する電流コレクタにおける電圧対時間のグラフ。ワイヤの抵抗値及び銅等量を表した、様々な銅のコアの直径及びクロファのクラッドを有するワイヤに関する表と描写図。

燃料電池に使用される電流コレクタ１０の一実施形態を図５及び図６に示す。一形態において、燃料は、ハウジング（図示せず）内に配置された複数の燃料電池チューブ１５を有する固体酸化物燃料電池である。電流コレクタ１０は燃料電池チューブの陽極と陰極に接続され、電子の伝送を可能にする。図６に示すとおり、電流コレクタは、陰極部分２０と、陽極部分２５と、燃料電池チューブ１５の高温排気領域３５に位置する陰極部分２０と陽極部分２５の間の相互接続部３０とを含む。一形態において、電流コレクタ１０は少なくとも連続する部分を含んでいる。

図５に示すとおり、陰極部分２０は、柄２２に付けられた複数の毛２１を含む。毛２１は、柄２２と同材料で形成されるか、または、ニッケルのような異なる材料で形成される。毛は、柄２２に巻き付いている触媒のワイヤを含む。どのブラシの部分も、上述したワイヤから形成され、及び、燃料電池にブラシワイヤを付けるためのさらなる層を含んでいる。例えば、ブラシワイヤは、燃料電池にブラシワイヤを付けるのに用いられる前ロウ付け層を含み、そして、安定化した、または支持された燃料電池を提供する。あるいは、陰極部分２０が毛を含まず、焼結されるか、ロウ付けされるか、若しくは別の方法で、燃料電池チューブ１５の陰極に付けられている。柄２２は、単ワイヤ４０であるか、または、図５に示されるように一つにロウ付けされた複数のワイヤ４０を含んでいる。相互接続部３０は陰極部分２０の柄２２から延在しており、先に示したようにロウ付けされるか、ロウ付けされていない複合ワイヤ４０、または、単ワイヤ４０を含んでいる。陽極部分２５は、相互接続部３０から延在しており、図６に示すとおりワイヤ２３を用いる燃料電池チューブ１５に付けられているか、または、燃料電池チューブ１５の陽極が代替的に焼結されるか、ロウ付けされるか、若しくは別の方法で付けられている。陽極部分２５は、図に示されるように複合ワイヤ４０、または、単ワイヤ４０である。電流コレクタ１０は、陽極の酸化環境、陰極の還元環境及び相互接続部の混在する環境において利用され得る。このような電流コレクタは、連続する部分を少なくとも含んでおり、これによって、電流コレクタ１０のコスト、製造の複雑さ、工程数を削減する。

一形態では、電流コレクタ１０は、銅や銅合金のような高伝導材料の内部コア４５を有する少なくとも１つのワイヤ４０、及び、環境耐性材料である外層又はクラッド５０を含んでいる。ステンレス鋼、貴金属、ニッケル合金又はコバルト合金を含む環境耐性材料が用いられる。一形態では、環境耐性材料は高温ステンレス鋼である。例えば、好ましくは、“ＴｈｙｓｓｅｎＫｒｕｐｐ”により開発されたクロファ２２ＡＰＵを含むステンレス鋼である。クロファ２２ＡＰＵは、還元ガス中及び酸化ガス中の両方での使用に好適な特徴を有する。さらに、クロファ２２ＡＰＵの熱膨張は好ましいものであり、これは固体酸化物燃料電池部品において用いられる膨張と同様の動作膨張に合致する。クロファ２２ＡＰＵは、酸化時に形をなす保護酸化物皮膜の低クロム揮発性、及び、比較的良好な電気伝導性を有する。酸化フィルムは、マンガン−クロムスピネル酸化物を有するクロファ２２ＡＰＵ上に形成される。クロファ２２ＡＰＵは、７７．４％の鉄、２２％のクロム及び０．６％のマンガンからなる合金である。

クロファ２２ＡＰＵは、還元及び酸化の両状況に対する好適な環境適合特性を有するが、クロファ２２ＡＰＵは比較的電気伝導特性が悪い。銅のコア４５とクロファ２２ＡＰＵのクラッド５０を使用することで、クロファ２２ＡＰＵの環境耐性クラッドとともに、銅の低抵抗コアを有し得る。このようなワイヤ４０が様々な環境に対する保護と同様に改善された伝導性を提供する。

上述したコア４５、１つ以上の中間層５５及び外層６０を有する別の実施形態を図２に示す。様々な層は選択されて、酸化耐性を有する機能、触媒特性を有する機能、炭素形成を最小化する機能、ワイヤと近くの構造との接続を促進する機能、有害な元素及び化合物を除去または吸収するためのバリアを提供する機能、ワイヤに混入または残留する不要な元素または化合物のゲッター（捕捉物）として働く機能、ワイヤにおける反応物質の間のバリアとして働く機能、熱膨張率を調整する機能、または、ワイヤ４０の機械特性を強化する機能を提供する。

酸化環境において酸化形成を妨げる種々の材料を使用することで、コア４５、外層６０及び中間層５５の酸化耐性は達成される。種々の環境絶縁材料は、外層６０または中間層５５に使用され、ステンレス鋼、ニッケル合金、コバルト合金、及び貴金属が含まれる。一形態において、酸化耐性材料は金または白金であり、これらは中間層５５での環境絶縁層の酸化を防ぐ。別の好ましい実施形態は、動作中に構成要素間で電気的接続が必要な酸化環境における使用のために特注されたステンレス鋼の使用である。これら材料群には、ハインズ、Ｅ−ブライト、クロファ、ヘイストロイのような商取引上の名称についても限られることなく含まれる。酸化耐性材料は、中間層５５である環境絶縁層上に外層６０のような薄い蒸着層として設けられる。ここで、伝導性のある銅コア４５は電子伝送のための伝導路を提供し、中間層５５である環境絶縁材料は酸化耐性外層６０との合金化を防ぐ。

字句通り、追加層６５は、中間層５５または外層６０として働く１以上の層、または、中間層５５及び外層６０に加えられた１以上の層であり、コア４５、中間層５５、外層６０に関する様々な場所に位置する。追加層６５は、中間層５５若しくは外層６０と併せてまたは別々に、ワイヤ４０へ様々な特性を提供するように設定される。追加層６５は外層６０として位置するか、または、中間層５５として位置する。追加層６５は触媒機能を提供し得る。一形態において、追加層６５は、ニッケル、ルテニウム、白金、セリウム、パラジウム、及びジルコニウムのような金属触媒材料の群からの材料で形成される。この形態において、ワイヤ４０の追加層６５は反応触媒として直接的に働く。別の形態では、追加層６５は、連続するプロセスステップの間、加えられた触媒材料のための支持構造として働く１以上の層を提供するように設定される。

さらに、追加層６５は、ワイヤ４０とその近くの構造との間の接合を提供する手段として設計される。一形態では、追加層６５は、ワイヤとその近くの構造との間の接合のために適している真鍮混合物を含む。種々の真鍮混合物が利用される。追加層６５はまた、ワイヤ４０とその近くの構造との間を焼結接合するように設計された外層６０としての微粒子含有材料を含む。

追加層６５はまた、カーボン混合物を含む環境においてワイヤ４０の表面にカーボン堆積することへの耐性を提供するために選択された材料を含む。例えば、追加層６５はカーボンの形成を防ぐために用いられるフェライトステンレス鋼を含む。

追加層６５はまた、ワイヤ４０から周りの構造へのクロム及びクロム含有混合物の放出を削減する保護材として働く材料を含む。例えば、このような材料は、ランタン、セリア、マンガン、及び／または、コバルトであり、これらの単体及び／又はこれらの組合せである。追加層６５はまた、コア４５、中間層５５または外層６０における材料間の化学反応または合金化反応を制限する材料を含む。例えば、このような材料には、コアと他の構造の材料との反応を防ぐ、金及びステンレス合金が含まれる。さらに、追加層６５は、放出される混合物またはワイヤ４０に入り込む混合物における要素のためのゲッターとして働く材料を含む。適切なゲッター材料の選択は、利用される材料に基づいて選択される。好ましい一形態では、ワイヤ４０から周りの構造及び材料へのクロム及びクロム含有混合物の揮発を吸着するために、ランタン／ストロンチウム／マンガン（ＬＳＭ）の単体物か、または、ＬＳＭとイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）の複合体が使用される。

追加層６５はまた、機械特性の強化を提供する材料を含む。一実施形態では、高温でのワイヤのクリープ耐性を強化するために、タングステンまたは別の高温要素または合金が使用される。他の実施形態では、所望の動作環境においてワイヤ剛性、引張強度、熱膨張率、強靭性、または延性を強化するために、１以上の層に金属要素または合金が使用される。

図３を参照すると、ワイヤ４０の構造の配列や形状の要素は、様々な２次元パターンに構成されうる。図３に示すとおり、非同心状の層設計を用いることで、前節で述べた多くの機能が達成される。図３の実施形態は、ワイヤ４０のクリープ耐性を強化するために構成される一連の３つの中心ワイヤを表している。中間層５５として働く高伝導母体中に３つの中心ワイヤが含まれる。化学反応及び合金化の防ぐ材料を有する追加層６５が高伝導材料中間層５５と外層６０としての環境耐性層との間で用いられる。また、別の追加層６５は環境耐性のための材料を含む。追加層６５は、ワイヤ４０の最大引張強度を強化するために一連の第二構造７０を含む。図３における外層６０は、ワイヤ４０とその周りの構造との間の結合層として働く（図示せず）。

参照する図４に電流コレクタ１０として用いられるワイヤ４０の一部を表している。図４のワイヤ４０は複数のセグメント７５を含み、これらが結合して電流コレクタ１０を形成する。図４に示される実施形態において、ワイヤ４０の３つのセグメント７５が連続して結合されている。しかしながらセグメント７５の数は実施形態に限定されない。セグメント７５は、異なるコア４５、中間層５５、追加層６５及び外層６０を含む、異なる構造を有している。

参照する図７に燃料電池の電圧プロットと時間の関係のグラフを表す。例示のデータは、銅のコア４５及びクロファの環境面での保護クラッド５０を有するワイヤ４０からのものである。ワイヤ４０は、陰極２０、陽極２５及び相互接続部３０における連続する構造を有する電流コレクタ１０として利用される。上側のプロット線は、ＬＳＭ（ランタン／ストロンチウム／マンガン）−ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）の陽極を有する燃料電池に関するものであり、下側のプロット線は、ＬＳＭの陽極に関するものである。プロットから見て分かるように、電流コレクタは、電池電圧において顕著な劣化なしに１０００時間近い持続力を有する。それに比較して、連続する銅材料からなる電流コレクタは数分で劣化する。

参照する図８に、種々の銅コア４５の直径及びクロファの環境絶縁クラッド５０を有する各ワイヤ４０についての表を示す。表が示すとおり、銅コア４５及びクロファの環境絶縁クラッド５０を有するワイヤ４０は、低い抵抗に相対して高い銅等量を有する。このようなワイヤは、良好な伝導性を提供するための電流コレクタとして使用され、そして、酸化及び還元の両環境において使用される。

上述した実施形態は、固体酸化物燃料電池において様々に応用にされる。ワイヤは、電流コレクタ及び様々なセグメントを結合する溶接継ぎ手の必要性を排除する相互接続ワイヤとして使用され、ワイヤは酸化及び還元環境においても両立して使用される。あるいは、ワイヤの一部が、燃料電池の一部分において使用され、そして、燃料電池の別の部分に結合又は溶接される。例えば、陰極の電流コレクタは、ワイヤから形成され、そして、適当な相互接続部を用いる陽極の電流コレクタに結合される。

発明は図示により表される。使用された技術用語は、限定というよりむしろ、本質的に記述の言語の範疇にあるように意図されることが理解されよう。上述の教示を踏まえて、発明の多くの改変例とバリエーションを実行可能である。従って、添付した請求項の目的の範囲内において、具体的に記載された以外の発明が実施されよう。

Claims

酸化及び還元の両環境で利用される燃料電池用電流コレクタであって、
高伝導金属の内部コアと、環境絶縁材料からなる外部クラッドとを有する少なくとも1つのワイヤを備えていることを特徴とする電流コレクタ。
前記燃料電池が固体酸化物燃料電池であることを特徴とする請求項１に記載の電流コレクタ。
少なくとも一部が連続した要素から形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電流コレクタ。
環境絶縁材料の前記外部クラッドが、電気伝導性の酸化物層を形成することを特徴とする請求項１に記載の電流コレクタ。
前記外部クラッドは、クロファ、４４１ステンレス鋼、２０−３０％クロムフェライト鋼、４３０ステンレス鋼、エブライト、アルメル、ＭＰＮＬＴ３５、ハユー２３０、摂氏８００度かそれ以上の温度耐性を有し、酸化及び還元の両環境への耐性を有するステンレス鋼、ニッケル合金、コバルト合金、及び、貴金属からなる群から選択されることを特徴とする請求項１に記載の電流コレクタ。
前記内部コアは、銅、銅合金、金、銀、白金、ニッケル、及び、高伝導性を有する金属からなる群から選択されることを特徴とする請求項１に記載の電流コレクタ。
前記内部コアを囲む中間層を更に備え、前記中間層は外層によって囲まれていることを特徴とする請求項１に記載の電流コレクタ。
前記中間層は環境絶縁材料から形成され、前記外層は酸化耐性材料から形成されていることを特徴とする請求項７に記載の電流コレクタ。
前記ワイヤの横断面は非円形であることを特徴とする請求項７に記載の電流コレクタ。
結合層、触媒層、保護層、触媒支持層、カーボン含有種を含む環境でのカーボンの堆積及び形成を抑制する層、焼結接合層、クロム蒸発に対するバリア層、少なくとも１つのワイヤに混入または残留する種のためのゲッター層、ワイヤをそれ自身にまたは隣り合った材料に結合させるために設計された真鍮材を含む層、及び、高温でのクリープ耐性を提供する層からなる群から選択される少なくとも１つの追加層を備えていることを特徴とする請求項７に記載の電流コレクタ。
前記中間層または前記外層のうちの１つ又は複数が、前記ワイヤの外部から内部に向かう導電経路を提供することを特徴とする請求項７に記載の電流コレクタ。
前記内部コア、前記中間層、前記外層、及び、前記追加層のうちの１つ又は複数が、２次元パターンで構成されることを特徴とする請求項１０に記載の電流コレクタ。
前記内部コア、前記中間層、前記外層、及び、前記追加層のうちの１つ又は複数が、非同心円状に配列されていることを特徴とする請求項１０に記載の電流コレクタ。
前記少なくとも１つのワイヤが１つにまとめられた複数のセグメントを有し、前記セグメントの少なくとも１つが高伝導金属の内部コアと環境絶縁材料である外部クラッドとを有していることを特徴とする請求項１に記載の電流コレクタ。
酸化及び還元の両環境で利用される固体酸化物燃料電池用電流コレクタであって、
高伝導金属の内部コアと、環境絶縁材料である外部クラッドとを有する少なくとも1つのワイヤを備え、前記少なくとも１つのワイヤが連続するセグメントから形成されていることを特徴とする電流コレクタ。
前記少なくとも１つのワイヤに付けられた追加のワイヤのセグメントをさらに備えることを特徴とする請求項１５に記載の電流コレクタ
酸化及び還元の両環境で利用される固体酸化物燃料電池用電流コレクタであって、
高伝導金属の内部コアと、環境絶縁材料である外部クラッドとを有する少なくとも1つのワイヤを備え、前記少なくとも１つのワイヤが１つにまとめられた複数のセグメントから形成され、前記セグメントの少なくとも１つが高伝導金属の内部コアと環境絶縁材料である外部クラッドとを有していることを特徴とする電流コレクタ。