JP2015086408A - Method for manufacturing metal component, metal component, separator for solid oxide fuel cell, and solid oxide fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、金属部品の製造方法、金属部品、固体酸化物型燃料電池用セパレーターおよび固体酸化物型燃料電池に関するものである。 The present invention relates to a method for manufacturing a metal part, a metal part, a solid oxide fuel cell separator, and a solid oxide fuel cell.
燃料電池は、燃料と酸素とを電気化学的に反応させて電気エネルギーを取り出す発電装置であり、発電効率が高く、かつ、二酸化炭素、窒素酸化物、硫黄酸化物等の発生量が少ないことから、地球環境に優しい発電装置として研究、開発が進められている。
このような燃料電池は、用いられる電解質の種類により、リン酸型(PAFC)、溶融炭酸塩型(MCFC)、固体高分子型(PEFC)、固体酸化物型(SOFC)に分類される。このうち、電解質としてイオン導電性セラミックスを用いる固体酸化物型燃料電池は、非常に高い温度で運転されるため、白金等の高価な反応触媒を用いる必要がなく、コスト面で有利である。また、化石燃料の内部改質が可能なため、多様な燃料が適用可能であること、構成する構造物が固体であるため、小型化が比較的容易であること等の利点を有している。
A fuel cell is a power generation device that takes out electric energy by electrochemically reacting fuel and oxygen, and has high power generation efficiency and low generation amount of carbon dioxide, nitrogen oxide, sulfur oxide, etc. Research and development are underway as a power generation device that is friendly to the global environment.
Such fuel cells are classified into phosphoric acid type (PAFC), molten carbonate type (MCFC), solid polymer type (PEFC), and solid oxide type (SOFC) depending on the type of electrolyte used. Among these, a solid oxide fuel cell using ion conductive ceramics as an electrolyte is operated at a very high temperature, so that it is not necessary to use an expensive reaction catalyst such as platinum, which is advantageous in terms of cost. In addition, the internal reforming of fossil fuels is possible, so that various fuels can be applied, and since the constituent structure is solid, downsizing is relatively easy. .
固体酸化物型燃料電池は、電解質、燃料極および空気極の3層からなる単電池(セル)が、複数個直列に接続されることにより、1つのスタックを構成している。また、単電池同士の間にはセパレーターが介挿される。このセパレーターは、単電池同士を電気的に接続するとともに、燃料極との間に燃料ガスを、空気極との間に酸化剤ガスを、それぞれ供給するための流路を形成する。このため、セパレーターには、導電性とともに、単電池との間で気密性を維持する機能が必要とされる。 The solid oxide fuel cell constitutes one stack by connecting a plurality of unit cells (cells) composed of three layers of an electrolyte, a fuel electrode, and an air electrode in series. Moreover, a separator is inserted between the single cells. The separator electrically connects the single cells, and forms a flow path for supplying fuel gas to the fuel electrode and supplying oxidant gas to the air electrode. For this reason, the separator is required to have a function of maintaining airtightness with the unit cell as well as conductivity.
加えて、固体酸化物型燃料電池は、700〜1000℃という高温で運転されるため、セパレーターには十分な耐熱性も必要である。
固体酸化物型燃料電池用のセパレーターとしては、従来、導電性セラミックス製のものが多く用いられていたが、近年、金属製のものが開発され、使用例が多くなっている。
例えば、特許文献1には、プレス加工されたステンレス鋼材からなる固体酸化物型燃料電池用インターコネクタについて開示されている。プレス加工では、被加工物の表面に金型の形状が転写されることになるので、所望の形状のセパレーターを得ることができる。
In addition, since the solid oxide fuel cell is operated at a high temperature of 700 to 1000 ° C., the separator needs to have sufficient heat resistance.
Conventionally, many separators made of conductive ceramics have been used as separators for solid oxide fuel cells, but in recent years, those made of metal have been developed and used in many cases.
For example, Patent Document 1 discloses a solid oxide fuel cell interconnector made of a pressed stainless steel material. In the press working, the shape of the mold is transferred to the surface of the workpiece, so that a separator having a desired shape can be obtained.
ところが、プレス加工された被加工物には、加工による残留応力が生じる。この残留応力は経時的に緩和するが、それに伴ってセパレーターが徐々に変形する。その結果、セパレーターと単電池との気密性が損なわれ、流路に供給される燃料ガスや酸化剤ガスの漏洩を招くおそれがある。
また、このような経時的な変形を抑えるため、セパレーターの厚さを厚くすることも考えられている。しかしながら、セパレーターの厚さが厚くなると、スタックの厚さも厚くなり、燃料電池の小型化を図ることが難しくなる。
本発明の目的は、残留応力の発生を抑えつつ、薄型の金属部品を効率よく製造可能な金属部品の製造方法、残留応力が少ない金属部品、薄型でかつ残留応力が少ない固体酸化物型燃料電池用セパレーター、およびかかる固体酸化物型燃料電池用セパレーターを備える固体酸化物型燃料電池を提供することにある。
However, residual stress due to processing is generated in the pressed workpiece. Although this residual stress relaxes with time, the separator gradually deforms accordingly. As a result, the airtightness between the separator and the unit cell is impaired, and there is a risk of leakage of fuel gas or oxidant gas supplied to the flow path.
In order to suppress such deformation over time, it is also considered to increase the thickness of the separator. However, as the thickness of the separator increases, the stack also increases in thickness, making it difficult to reduce the size of the fuel cell.
An object of the present invention is to provide a metal part manufacturing method capable of efficiently producing a thin metal part while suppressing the occurrence of residual stress, a metal part with little residual stress, and a thin solid oxide fuel cell with little residual stress. And a solid oxide fuel cell comprising such a solid oxide fuel cell separator.
上記目的は、下記の本発明により達成される。
本発明の金属部品の製造方法は、CoまたはCrを主成分とする耐熱金属材料で構成され、表面に凹凸形状を有する金属部品を製造する方法であって、
前記耐熱金属材料の粉末と有機バインダーとを含むスラリーをシート状に成形し、シート状成形体を得るシート化工程と、
前記シート状成形体の表面に前記凹凸形状を形成する成形工程と、
前記シート状成形体を脱脂した後、焼成し、前記金属部品を得る焼成工程と、
を有することを特徴とする。
これにより、成形時の残留応力の発生が抑えられるため、薄型の金属部品を効率よく製造することができる。
The above object is achieved by the present invention described below.
The method for producing a metal part of the present invention is a method for producing a metal part having a concavo-convex shape on the surface, which is composed of a heat-resistant metal material mainly composed of Co or Cr,
Forming a slurry containing the powder of the heat-resistant metal material and an organic binder into a sheet, and forming a sheet-like molded body,
A molding step of forming the uneven shape on the surface of the sheet-shaped molded body;
After degreasing the sheet-like molded body, firing, firing step to obtain the metal parts,
It is characterized by having.
Thereby, since generation | occurrence | production of the residual stress at the time of shaping | molding is suppressed, a thin metal component can be manufactured efficiently.
本発明の金属部品の製造方法では、テープ成形機により前記スラリーをシート状に成形することが好ましい。
これにより、シート状成形体を効率よく安価に製造することができる。このため、金属部品の製造コストの削減と、製造工期の短縮とを図ることができる。
本発明の金属部品の製造方法では、前記成形工程において、前記シート状成形体の表面に成形型を転写することにより前記凹凸形状を形成することが好ましい。
これにより、寸法精度の高い凹凸形状を確実に形成することができる。また、成形型の凹凸面に沿って凹凸形状を形成するので、凹凸形状の表面が粗くなるのを防ぐことができる。
In the metal part manufacturing method of the present invention, it is preferable to form the slurry into a sheet by a tape molding machine.
Thereby, a sheet-like molded object can be manufactured efficiently and inexpensively. For this reason, it is possible to reduce the manufacturing cost of metal parts and shorten the manufacturing period.
In the metal part manufacturing method of the present invention, it is preferable that in the forming step, the uneven shape is formed by transferring a forming die onto the surface of the sheet-like formed body.
Thereby, the uneven | corrugated shape with high dimensional accuracy can be formed reliably. Moreover, since the concavo-convex shape is formed along the concavo-convex surface of the mold, it is possible to prevent the surface of the concavo-convex shape from becoming rough.
本発明の金属部品の製造方法では、前記耐熱金属材料における前記主成分の比率は、50質量%以上99.5質量%以下であることが好ましい。
このような材料は、特に耐熱性が高く、かつ導電性も高い材料であることから、例えば、優れた耐久性と高い発電特性(導電性)とを両立させた固体酸化物型燃料電池用セパレーター(金属部品)を実現することができる。
In the metal part manufacturing method of the present invention, the ratio of the main component in the refractory metal material is preferably 50% by mass or more and 99.5% by mass or less.
Since such a material is a material having particularly high heat resistance and high conductivity, for example, a solid oxide fuel cell separator that achieves both excellent durability and high power generation characteristics (conductivity). (Metal parts) can be realized.
本発明の金属部品の製造方法では、前記金属部品は、固体酸化物型燃料電池用セパレーターであることが好ましい。
これにより、優れた耐久性と高い発電特性とを両立させた固体酸化物型燃料電池用セパレーターを容易に製造することができる。
本発明の金属部品は、CoまたはCrを主成分とする耐熱金属材料の粉末の焼結体で構成され、ビッカース硬度が250以上であり、伸びが40%以下であり、表面に凹凸形状を有することを特徴とする。
これにより、残留応力が少ないことから形状変化が抑えられるため、寸法精度の高い金属部品が得られる。
In the metal part manufacturing method of the present invention, the metal part is preferably a solid oxide fuel cell separator.
This makes it possible to easily manufacture a solid oxide fuel cell separator that achieves both excellent durability and high power generation characteristics.
The metal part of the present invention is composed of a sintered body of a heat-resistant metal material powder mainly composed of Co or Cr, has a Vickers hardness of 250 or more, an elongation of 40% or less, and has an uneven shape on the surface. It is characterized by that.
Thereby, since there is little residual stress and a shape change is suppressed, a metal component with high dimensional accuracy is obtained.
本発明の固体酸化物型燃料電池用セパレーターは、本発明の金属部品を備えることを特徴とする。
これにより、寸法精度の高い固体酸化物型燃料電池用セパレーターが得られる。
本発明の固体酸化物型燃料電池は、本発明の固体酸化物型燃料電池用セパレーターを備えることを特徴とする。
これにより、信頼性の高い固体酸化物型燃料電池が得られる。
The separator for a solid oxide fuel cell according to the present invention includes the metal component according to the present invention.
As a result, a solid oxide fuel cell separator with high dimensional accuracy can be obtained.
The solid oxide fuel cell of the present invention includes the separator for a solid oxide fuel cell of the present invention.
Thereby, a solid oxide fuel cell with high reliability can be obtained.
以下、本発明の金属部品の製造方法、金属部品、固体酸化物型燃料電池用セパレーターおよび固体酸化物型燃料電池について、添付図面に示す好適実施形態に基づいて詳細に説明する。
[固体酸化物型燃料電池]
まず、本発明の固体酸化物型燃料電池の実施形態について説明する。また、本発明の金属部品の実施形態として、この固体酸化物型燃料電池に含まれるセパレーターについて説明する。
Hereinafter, a metal part manufacturing method, a metal part, a solid oxide fuel cell separator and a solid oxide fuel cell of the present invention will be described in detail based on preferred embodiments shown in the accompanying drawings.
[Solid oxide fuel cell]
First, an embodiment of the solid oxide fuel cell of the present invention will be described. Moreover, the separator contained in this solid oxide fuel cell is demonstrated as embodiment of the metal component of this invention.
図1は、本発明の固体酸化物型燃料電池の実施形態を示す斜視図である。
図1に示す固体酸化物型燃料電池1(以下、省略して「燃料電池1」ともいう。)は、いわゆる平板型と呼ばれるものであり、多数のセル(単電池)2と、セル2同士の間に介挿されるセパレーター(本発明の固体酸化物型燃料電池用セパレーター)3と、を積層してなるスタック4と、スタック4上に設けられた上押え板5と、スタック4の下に設けられた下押え板6と、を備えている。
FIG. 1 is a perspective view showing an embodiment of a solid oxide fuel cell of the present invention.
A solid oxide fuel cell 1 (hereinafter, also referred to as “fuel cell 1” for brevity) shown in FIG. 1 is a so-called flat plate type, and includes a large number of cells (unit cells) 2 and cells 2. A stack 4 formed by laminating a separator 3 (a separator for a solid oxide fuel cell according to the present invention) interposed between the upper plate, an
セル2は、それぞれが燃料電池として発電する能力を有する。このようなセル2を複数直列に接続してスタック4を形成することにより、十分に高い電圧を得ることができる。
上押え板5および下押え板6は、スタック4を上下から押えることにより、セル2とセパレーター3との間を確実に密着させる。これにより、セパレーター3を介したセル2同士の電気的な接続性を高め、接触抵抗を低減するとともに、セル2とセパレーター3との密着性を高め、層間からガスが漏出するのを抑制することができる。
Each cell 2 has the ability to generate electricity as a fuel cell. A sufficiently high voltage can be obtained by forming a stack 4 by connecting a plurality of such cells 2 in series.
The
以下、セル2およびセパレーター3についてさらに詳述する。
図2は、図1に示すセル2と、図1に示すセパレーター(本発明の固体酸化物型燃料電池用セパレーター)3と、を示す分解斜視図である。また、図3は、図2に示すセパレーターの側面の正面図である。
図2に示すセル2は、燃料極(アノード)21と、電解質層22と、空気極(カソード)23とが、下方からこの順で積層されてなる積層体で構成されている。また、図2に示すセル2の下方には、下側セパレーター(本発明の固体酸化物型燃料電池用セパレーター)31が積層され、図2に示すセル2の上方には、上側セパレーター(本発明の固体酸化物型燃料電池用セパレーター)32が積層されている。なお、下側セパレーター31と上側セパレーター32とは同一構造のものである。
Hereinafter, the cell 2 and the
2 is an exploded perspective view showing the cell 2 shown in FIG. 1 and the separator (the separator for a solid oxide fuel cell of the present invention) 3 shown in FIG. FIG. 3 is a front view of the side surface of the separator shown in FIG.
The cell 2 shown in FIG. 2 includes a stacked body in which a fuel electrode (anode) 21, an electrolyte layer 22, and an air electrode (cathode) 23 are stacked in this order from below. Further, a lower separator (solid oxide fuel cell separator of the present invention) 31 is laminated below the cell 2 shown in FIG. 2, and an upper separator (present invention) is placed above the cell 2 shown in FIG. The solid oxide fuel cell separator 32) is laminated. The
また、下側セパレーター31および上側セパレーター32は、それぞれ平面視でセル2と同じ形状を有する板状体で構成されている。
このうち、下側セパレーター31の上面、すなわち図2に示すセル2の燃料極21に臨む面には、並列する複数の溝(凹凸形状)313が形成されている。これらの溝313は、その長手方向の端部が、図2に示す下側セパレーター31の側面311(図3(a)参照)と、この側面311に対向する側面315とに、それぞれ開放するよう構成されている。これにより、各溝313は、側面311または側面315に向けてガスが供給されたとき、このガスを流すことのできる流路として機能する。その結果、下側セパレーター31は、溝313に燃料ガスを流すことにより、燃料極21に対して燃料ガスを確実に作用させることができる。
Further, the
Among these, on the upper surface of the
一方、下側セパレーター31の下面、すなわち図2に示すセル2の下方に隣り合うセル(図示せず)に臨む面には、やはり並列する複数の溝(凹凸形状)314が形成されている。これらの溝314は、その長手方向の端部が、図2に示す下側セパレーター31の側面312(図3(b)参照)と、この側面312に対向する側面316とに、それぞれ開放するよう構成されている。これにより、各溝314は、側面312または側面316に向けてガスが供給されたとき、このガスを流すことのできる流路として機能する。その結果、下側セパレーター31は、溝314に酸化剤ガスを流すことにより、セル2の下方に隣り合う空気極に対して酸化剤ガスを確実に作用させることができる。
On the other hand, a plurality of parallel grooves (concavo-convex shapes) 314 are formed on the lower surface of the
また、上側セパレーター32の上面、すなわち図2に示すセル2の上方に隣り合う図示しないセルに臨む面には、並列する複数の溝(凹凸形状)323が形成されている。これらの溝323は、その長手方向の端部が、図2に示す上側セパレーター32の側面321と、この側面321に対向する側面325とに、それぞれ開放するよう構成されている。これにより、各溝323は、側面321または側面325に向けてガスが供給されたとき、このガスを流すことのできる流路として機能する。その結果、上側セパレーター32は、溝323に燃料ガスを流すことにより、セル2の上方に隣り合う燃料極に対して燃料ガスを確実に作用させることができる。
In addition, a plurality of parallel grooves (uneven shape) 323 are formed on the upper surface of the
一方、上側セパレーター32の下面、すなわち図2に示すセル2の空気極23に臨む面には、並列する複数の溝(凹凸形状)324が形成されている。これらの溝324は、その長手方向の端部が、図2に示す上側セパレーター32の側面321と、この側面321に対向する側面325とに、それぞれ開放するよう構成されている。これにより、各溝324は、側面322または側面326に向けてガスが供給されたとき、このガスを流すことのできる流路として機能する。その結果、上側セパレーター32は、溝324に酸化剤ガスを流すことにより、空気極23に対して酸化剤ガスを確実に作用させることができる。
On the other hand, on the lower surface of the
ここで、固体酸化物型燃料電池1の動作原理について説明する。
固体酸化物型燃料電池1を動作させるには、燃料ガスと酸化剤ガスとが必要である。燃料ガスとしては、水素ガスや一酸化炭素ガス等が用いられる。一方、酸化剤ガスとしては、空気等が用いられる。
例えば燃料ガスとして水素ガスを用いた場合、燃料極21では、
H2+O2-→H2O+2e-
という反応が生じる。
Here, the operation principle of the solid oxide fuel cell 1 will be described.
In order to operate the solid oxide fuel cell 1, a fuel gas and an oxidant gas are required. As the fuel gas, hydrogen gas, carbon monoxide gas, or the like is used. On the other hand, air or the like is used as the oxidant gas.
For example, when hydrogen gas is used as the fuel gas, the
H 2 + O 2− → H 2 O + 2e −
This reaction occurs.
一方、酸化剤ガスに含まれる酸素ガスは、空気極23において、
1/2O2+2e-→O2-
という反応に供される。
そして、空気極23において発生した酸素イオン(O2-)は、電解質層22を通過して燃料極21へと移動する。一方、燃料極21では、移動した酸素イオンと水素とが反応し、電子を発生させる。この電子が外部回路を経由して空気極23へと移動する。
以上のようにして燃料電池1は発電することができる。
On the other hand, the oxygen gas contained in the oxidant gas is
1 / 2O 2 + 2e − → O 2−
It is subjected to the reaction.
Then, oxygen ions (O 2− ) generated in the
The fuel cell 1 can generate power as described above.
なお、この動作原理で発電できる電圧は、1つのセル2当たりで通常0.3V以上1.0V以下程度である。したがって、セル2を直列に複数重ねることにより、十分に高い電圧を得ることができる。
したがって、複数のセル2を積層して四角柱状のスタック4を構成したとき、各セル2において燃料ガスを供給する流路は、四角柱の4つの面のうち、1つの面に全て開口することになるので、この面全体に燃料ガスを供給するようにすれば、簡単な構成で、各セル2に燃料ガスを分配することができる。また、4つの面のうち、燃料ガスを供給する面に対向する面では、反応後の燃料ガス、例えば水蒸気等を排出することができる。
Note that the voltage that can be generated by this operating principle is usually about 0.3 V to 1.0 V per cell 2. Therefore, a sufficiently high voltage can be obtained by stacking a plurality of cells 2 in series.
Therefore, when a plurality of cells 2 are stacked to form a quadrangular prism-shaped stack 4, the flow path for supplying fuel gas in each cell 2 is all open on one of the four surfaces of the quadrangular prism. Therefore, if the fuel gas is supplied to the entire surface, the fuel gas can be distributed to each cell 2 with a simple configuration. Of the four surfaces, the fuel gas after reaction, such as water vapor, can be discharged from the surface facing the surface that supplies the fuel gas.
同様に、各セル2において酸化剤ガスを供給する流路は、四角柱の4つの面のうち、燃料ガスを供給する面に隣り合う面に開口することになる。このため、この面全体に酸化剤ガスを供給するようにすれば、簡単な構成で、各セル2に酸化剤ガスを分配することができる。また、4つの面のうち、酸化剤ガスを供給する面に対向する面では、反応後の酸化剤ガス、例えば窒素等を排出することができる。 Similarly, the flow path for supplying the oxidant gas in each cell 2 opens in a surface adjacent to the surface for supplying the fuel gas among the four surfaces of the quadrangular prism. For this reason, if oxidant gas is supplied to this whole surface, oxidant gas can be distributed to each cell 2 with a simple configuration. Of the four surfaces, the surface that faces the surface that supplies the oxidant gas can discharge the oxidant gas after the reaction, such as nitrogen.
以上のことから、下側セパレーター31では、平面視において、溝313と溝314とが交差しているので、燃料ガスを供給する面と酸化剤ガスを供給する面とを自ずと分けることができ、上述した簡単な構成を容易に実現することができる。同様に、上側セパレーター32では、平面視において、溝323と溝324とが交差しているので、上述した簡単な構成を容易に実現することができる。
From the above, in the
以下、セル2の各部についてさらに詳述する。
燃料極21、電解質層22および空気極23は、それぞれ平面視形状が四角形である板状をなしている。
燃料極21の構成材料としては、例えば、希土類元素およびNiが添加されたジルコニア、希土類元素およびNiが添加された酸化セリウム等が挙げられる。希土類元素としては、例えば、Y、Lu(ルテチウム)、Yb、Tm(ツリウム)、Er(エルビウム)、Ho(ホルミウム)、Dy(ジスプロシウム)、Gd、Sm、Pr(プラセオジム)からなる群より選択される少なくとも1種の元素が挙げられ、燃料極21には、これらの希土類元素が酸化物として添加される。具体的には、ニッケル添加イットリア安定化ジルコニア(Ni−YSZ)、ニッケル添加サマリア安定化ジルコニア(Ni−SSZ)、ニッケル添加スカンジア安定化ジルコニア(Ni−ScSZ)のような金属Niと電解質を構成する材料との混合物等が挙げられる。
Hereinafter, each part of the cell 2 will be described in more detail.
The
Examples of the constituent material of the
燃料極21の平均厚さは、特に限定されないが、5μm以上800μm以下程度であるのが好ましく、10μm以上500μm以下程度であるのがより好ましい。燃料極21の平均厚さを前記範囲内に設定することで、燃料電池1の薄型化を図りつつ、高温下における燃料極21の耐久性をより高めることができる。
なお、燃料極21は、ガス透過性を有する必要があるので、その開気孔率は15%以上であるのが好ましく、20%以上40%以下程度であるのがより好ましい。
The average thickness of the
In addition, since the
電解質層22の構成材料としては、例えば、スカンジア安定化ジルコニア(ScSZ)、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)、サマリア安定化ジルコニア(SSZ)、コバルト添加ランタンガレート系酸化物(LSGMC)等が挙げられる。
電解質層22の平均厚さは、特に限定されないが、5μm以上800μm以下程度であるのが好ましく、10μm以上500μm以下程度であるのがより好ましい。電解質層22の平均厚さを前記範囲内に設定することで、燃料電池1の薄型化および酸素イオンの通過効率の向上を図りつつ、高温下における電解質層22の耐久性をより高めることができる。
Examples of the constituent material of the electrolyte layer 22 include scandia-stabilized zirconia (ScSZ), yttria-stabilized zirconia (YSZ), samaria-stabilized zirconia (SSZ), and cobalt-added lanthanum gallate oxide (LSGMC).
The average thickness of the electrolyte layer 22 is not particularly limited, but is preferably about 5 μm or more and 800 μm or less, and more preferably about 10 μm or more and 500 μm or less. By setting the average thickness of the electrolyte layer 22 within the above range, the durability of the electrolyte layer 22 at high temperatures can be further increased while reducing the thickness of the fuel cell 1 and improving the passage efficiency of oxygen ions. .
なお、電解質層22は、ガスの透過を防止するという観点から、相対密度が93%以上であるのが好ましく、95%以上であるのがより好ましい。
空気極23の構成材料としては、例えば、ランタンニッケルフェライト(LNF)、ランタンマンガネート(LSM)、ランタンストロンチウムコバルタイト(LSC)、ランタンストロンチウムコバルタイトフェライト(LSCF)、ランタンストロンチウムフェライト(LSF)、サマリウムストロンチウムコバルタイト(SSC)等が挙げられる。
The electrolyte layer 22 preferably has a relative density of 93% or more, and more preferably 95% or more, from the viewpoint of preventing gas permeation.
Examples of the constituent material of the
空気極23の平均厚さは、特に限定されないが、5μm以上800μm以下程度であるのが好ましく、10μm以上500μm以下程度であるのがより好ましい。空気極23の平均厚さを前記範囲内に設定することで、燃料電池1の薄型化を図りつつ、高温下における空気極23の耐久性をより高めることができる。
なお、空気極23は、ガス透過性を有する必要があるので、その開気孔率は20%以上であるのが好ましく、30%以上50%以下程度であるのがより好ましい。
また、燃料極21、電解質層22および空気極23の平面視形状は、四角形に限定されず、五角形や六角形のような多角形、真円、楕円、長円のような円形等であってもよい。
The average thickness of the
In addition, since the
Further, the planar shape of the
次に、下側セパレーター31および上側セパレーター32についてさらに詳述する。なお、これらは互いに同じ構造なので、以下の説明では、下側セパレーター31についてのみ説明し、上側セパレーター32についてはその説明を省略する。
下側セパレーター31の構成材料は、CoまたはCrを主成分とする耐熱金属材料である。
Next, the
The constituent material of the
このような耐熱金属材料は、含まれる元素のうち、CoまたはCrの比率(質量比)が最も大きい材料のことをいう。このような材料は、高温下耐腐食性や高温下耐酸化性といった耐熱性に優れていることから、下側セパレーター31は、燃料電池1の高温運転時においてもその機能を損なうことなく、薄型化が図られる。このため、燃料電池1の薄型化および小型化を図ることができる。
Such a refractory metal material refers to a material having the largest ratio (mass ratio) of Co or Cr among the contained elements. Since such a material is excellent in heat resistance such as corrosion resistance under high temperature and oxidation resistance under high temperature, the
また、耐熱金属材料においては、CoまたはCrの比率が50質量%以上99.5質量%以下であるのが好ましく、60質量%以上98質量%以下であるのがより好ましい。このような材料は、特に耐熱性が高く、かつ導電性も高い材料であることから、下側セパレーター31に適用された場合でも、優れた耐久性と高い発電特性とを両立させた下側セパレーター31を実現することができる。
In the refractory metal material, the ratio of Co or Cr is preferably 50% by mass or more and 99.5% by mass or less, and more preferably 60% by mass or more and 98% by mass or less. Since such a material is a material having particularly high heat resistance and high conductivity, even when applied to the
Coを主成分とする耐熱金属材料としては、Coが主成分である金属材料であればいかなる材料であってもよいが、例えば、Co以外の添加元素として、B、C、Fe、Ni、Cr、Mo、W、Nb、Ta、Ti、Al、Zr、Re、Y、Hf、V等が挙げられ、これらのうちの1種または2種以上が適宜組み合わされて添加されてもよい。また、これらの添加元素の含有率は、Cの含有率が0.03質量%以上0.9質量%以下程度であるのが好ましく、Feの含有率が0.5質量%以上20質量%以下程度であるのが好ましく、Niの含有率が3質量%以上35質量%以下程度であるのが好ましく、Crの含有率が3質量%以上40質量%以下程度であるのが好ましく、Moの含有率が3質量%以上10質量%以下程度であるのが好ましく、Wの含有率が3質量%以上20質量%以下程度であるのが好ましく、Nbの含有率が1質量%以上5質量%以下程度であるのが好ましく、Taの含有率が2質量%以上10質量%以下程度であるのが好ましく、Tiの含有率が0.2質量%以上2質量%以下程度であるのが好ましく、Alの含有率が0.2質量%以上5質量%以下程度であるのが好ましい。 The refractory metal material containing Co as a main component may be any material as long as it is a metal material containing Co as a main component. For example, as an additive element other than Co, B, C, Fe, Ni, Cr , Mo, W, Nb, Ta, Ti, Al, Zr, Re, Y, Hf, V, and the like, and one or more of these may be added in appropriate combination. The content of these additive elements is preferably such that the C content is about 0.03 to 0.9% by mass, and the Fe content is 0.5 to 20% by mass. The content of Ni is preferably about 3% by mass to 35% by mass, the content of Cr is preferably about 3% by mass to 40% by mass, and the content of Mo The rate is preferably about 3% by mass to 10% by mass, the W content is preferably about 3% by mass to 20% by mass, and the Nb content is 1% by mass to 5% by mass. The content of Ta is preferably about 2% by mass to 10% by mass, the content of Ti is preferably about 0.2% by mass to 2% by mass, Al Is about 0.2% by mass or more and 5% by mass or less. It is preferable to that.
Crを主成分とする耐熱金属材料としては、Crが主成分である金属材料であればいかなる材料であってもよいが、例えば、Cr以外の添加元素としても、B、C、Fe、Ni、Cr、Mo、W、Nb、Ta、Ti、Al、Zr、Re、Y、Hf、V等が挙げられ、これらのうちの1種または2種以上が適宜組み合わされて添加されてもよい。また、これらの添加元素の含有率は、Cの含有率が0.001質量%以上1質量%以下程度であるのが好ましく、Feの含有率が0.1質量%以上50質量%以下程度であるのが好ましく、Wの含有率が0.2質量%以上15質量%以下程度であるのが好ましく、Tiの含有率が0.3質量%以上5質量%以下程度であるのが好ましく、Moの含有率が1質量%以上5質量%以下程度であるのが好ましく、Reの含有率が0.1質量%以上3質量%以下程度であるのが好ましく、Vの含有率が0.1質量%以上3質量%以下程度であるのが好ましい。
また、上記耐熱金属材料には、これらの添加元素に加え、製造過程で不可避的に混入する不純物が含まれていてもよい。
The refractory metal material mainly composed of Cr may be any material as long as it is a metal material mainly composed of Cr. For example, as an additive element other than Cr, B, C, Fe, Ni, Cr, Mo, W, Nb, Ta, Ti, Al, Zr, Re, Y, Hf, V and the like may be mentioned, and one or more of these may be added in appropriate combination. The content of these additive elements is preferably such that the C content is about 0.001 to 1% by mass, and the Fe content is about 0.1 to 50% by mass. Preferably, the W content is preferably about 0.2% by mass to 15% by mass, the Ti content is preferably about 0.3% by mass to 5% by mass, Mo The content of is preferably about 1% by mass to 5% by mass, the content of Re is preferably about 0.1% by mass to 3% by mass, and the content of V is 0.1% by mass. % Or more and preferably about 3% by mass or less.
In addition to these additive elements, the refractory metal material may contain impurities inevitably mixed in the manufacturing process.
また、下側セパレーター31に形成された溝313および溝314の深さは、下側セパレーター31の最大厚さに応じて適宜設定されるが、好ましくは最大厚さの5%以上40%以下程度であるのが好ましく、7%以上35%以下程度であるのがより好ましい。溝313および溝314の深さをそれぞれ前記範囲内に設定することにより、下側セパレーター31の機械的強度を十分に確保しつつ、燃料ガスや酸化剤ガスの流通抵抗を十分に抑えることができる。
The depths of the
なお、下側セパレーター31の厚さは、10μm以上1000μm以下程度であるのが好ましく、20μm以上500μm以下程度であるのがより好ましい。このような厚さの下側セパレーター31は、十分な機械的強度を維持しつつ、燃料電池1の薄型化および小型化を図ることができる。
また、下側セパレーター31を平面視したときの溝313や溝314の面積占有率は、それぞれ15%以上80%以下程度であるのが好ましく、20%以上70%以下程度であるのがより好ましい。溝313や溝314の面積占有率を前記範囲内に設定することにより、下側セパレーター31の機械的強度を十分に確保しつつ、燃料ガスと燃料極21との接触面積および酸化剤ガスと空気極23との接触面積を十分に確保することができるので、薄型でかつ発電効率の高い燃料電池1が得られる。
また、図2に示す溝313は、平面視で直線状をなしているが、その形状は特に限定されず、途中で曲がっていたり、分岐していたり、複数の溝313が互いに交差していたりしてもよい。また、図2には図示されていないものの、溝314についても、溝313と同様である。
The thickness of the
The area occupancy of the
In addition, the
また、下側セパレーター31のビッカース硬度は、250以上であるのが好ましく、300以上1000以下であるのがより好ましい。このような硬度の下側セパレーター31は、表面にキズ等が生じ難く、このため、ガスのリーク等を発生させ難く、信頼性の高いものとなる。また、耐摩耗性に優れるものとなるため、燃料ガスや酸化剤ガスの流速を上げても、下側セパレーター31の摩耗を抑制し、長期間にわたって高い耐久性を有する下側セパレーター31が得られる。なお、下側セパレーター31のビッカース硬度が前記上限値を上回る場合、下側セパレーター31の靭性が低下するおそれがあるので、取り扱い性や信頼性を高めるという観点からビッカース硬度は前記上限値以下であるのが好ましい。
The Vickers hardness of the
下側セパレーター31のビッカース硬度は、JIS Z 2244に規定された試験方法に準拠して測定される。
また、下側セパレーター31の伸びは、40%以下であるのが好ましく、2%以上30%以下であるのがより好ましい。このような伸びの下側セパレーター31は、変形し難いものとなるため、ガスのリークや接触不良等の不具合を発生させ難くなり、より信頼性の高いものとなる。なお、下側セパレーター31の伸びが前記下限値を下回る場合、下側セパレーター31の靭性が低下するおそれがあるので、取り扱い性や信頼性を高めるという観点から伸びは前記下限値以上であるのが好ましい。
下側セパレーター31の伸び(破断伸び)は、JIS Z 2241に規定された試験方法に準拠して測定される。
The Vickers hardness of the
In addition, the elongation of the
The elongation (breaking elongation) of the
なお、本発明によれば、微細な耐熱金属粉末を用いて下側セパレーター31を製造するため、焼結体(下側セパレーター31)中に生成される金属結晶の粒径が小さくなる。このため、下側セパレーター31のビッカース硬度は、従来に比べて高くなり、伸びは、従来に比べて小さくなる。したがって、本発明によれば、高温下でも変形し難い下側セパレーター31が得られるので、長期にわたって安定的に発電可能な燃料電池1を実現することができる。
In addition, according to this invention, since the
以上、本発明の固体酸化物型燃料電池の実施形態、本発明の金属部品の実施形態および本発明の固体酸化物型燃料電池用セパレーターの実施形態についてそれぞれ説明したが、本発明の金属部品は、セパレーター以外のものにも適用可能である。本発明の金属部品が適用可能なものとしては、例えば、ガスタービンやジェットエンジン等のタービンブレード、エンジンの吸気バルブおよび排気バルブ、ロッカーアーム、ターボチャージャーベーン等が挙げられる。 As described above, the embodiment of the solid oxide fuel cell of the present invention, the embodiment of the metal component of the present invention, and the embodiment of the separator for the solid oxide fuel cell of the present invention have been described. It can also be applied to other than separators. Applicable metal parts of the present invention include, for example, turbine blades such as gas turbines and jet engines, engine intake and exhaust valves, rocker arms, turbocharger vanes, and the like.
[金属部品の製造方法]
次に、本発明の金属部品の製造方法の実施形態について説明する。
図4〜6は、それぞれ本発明の金属部品の製造方法の実施形態を適用した固体酸化物型燃料電池用セパレーターの製造方法を説明するための図である。
本実施形態に係る金属部品の製造方法は、CoまたはCrを主成分とする耐熱金属材料の粉末(耐熱金属粉末)と有機バインダーとを含むスラリーをシート状に成形した後、乾燥させることによりシート状成形体を得るシート化工程と、シート状成形体の表面に凹凸形状を形成する成形工程と、シート状成形体を脱脂した後、焼成し、金属部品を得る焼成工程と、を有する。以下、各工程について順次説明する。
[Manufacturing method of metal parts]
Next, an embodiment of a method for producing a metal part of the present invention will be described.
4-6 is a figure for demonstrating the manufacturing method of the separator for solid oxide fuel cells to which embodiment of the manufacturing method of the metal component of this invention is applied, respectively.
The method of manufacturing a metal part according to the present embodiment includes forming a sheet containing a heat-resistant metal material powder (heat-resistant metal powder) containing Co or Cr as a main component and an organic binder into a sheet, and then drying the sheet. A sheet forming step for obtaining a sheet-like formed body, a forming step for forming an uneven shape on the surface of the sheet-like formed body, and a firing step for degreasing the sheet-like formed body and then firing to obtain a metal part. Hereinafter, each process will be described sequentially.
[1]シート化工程
まず、シート化工程に供される耐熱金属粉末を製造する。
耐熱金属粉末は、例えば、アトマイズ法(例えば、水アトマイズ法、ガスアトマイズ法、高速回転水流アトマイズ法等)、還元法、カルボニル法、粉砕法等の各種粉末化法により製造されたものである。
[1] Sheeting process First, a heat-resistant metal powder used in the sheeting process is manufactured.
The heat-resistant metal powder is produced by various powdering methods such as an atomizing method (for example, a water atomizing method, a gas atomizing method, a high-speed rotating water atomizing method, etc.), a reduction method, a carbonyl method, and a pulverization method.
このうち、アトマイズ法により製造されたものであるのが好ましく用いられ、水アトマイズ法または高速回転水流アトマイズ法により製造されたものであるのがより好ましく用いられる。アトマイズ法は、溶融金属(溶湯)を、高速で噴射された流体(液体または気体)に衝突させることにより、溶湯を微粉化するとともに冷却して、金属粉末を製造する方法である。金属粉末をこのようなアトマイズ法によって製造することにより、極めて微小な粉末を効率よく製造することができる。また、得られる粉末の粒子形状が表面張力の作用により球形状に近くなる。このため、シート化工程においてシート化されたとき、充填率が高いシート状成形体が得られる。その結果、薄型でも機械的特性に優れたセパレーターが得られる。 Of these, those manufactured by the atomizing method are preferably used, and those manufactured by the water atomizing method or the high-speed rotating water atomizing method are more preferably used. The atomizing method is a method for producing a metal powder by causing molten metal (molten metal) to collide with a fluid (liquid or gas) jetted at high speed, thereby pulverizing and cooling the molten metal. By producing metal powder by such an atomizing method, extremely fine powder can be efficiently produced. Moreover, the particle shape of the obtained powder becomes close to a spherical shape due to the effect of surface tension. For this reason, when formed into a sheet in the sheet forming step, a sheet-like molded body having a high filling rate is obtained. As a result, it is possible to obtain a separator having excellent mechanical properties even if it is thin.
なお、アトマイズ法として水アトマイズ法を用いた場合、溶融金属に向けて噴射される水(以下、「アトマイズ水」という。)の圧力は、特に限定されないが、好ましくは75MPa以上120MPa以下(750kgf/cm2以上1200kgf/cm2以下)程度とされ、より好ましくは90MPa以上120MPa以下(900kgf/cm2以上1200kgf/cm2以下)程度とされる。 When the water atomizing method is used as the atomizing method, the pressure of water sprayed toward the molten metal (hereinafter referred to as “atomized water”) is not particularly limited, but is preferably 75 MPa or more and 120 MPa or less (750 kgf / cm 2 or more and 1200 kgf / cm 2 or less), more preferably 90 MPa or more and 120 MPa or less (900 kgf / cm 2 or more and 1200 kgf / cm 2 or less).
また、アトマイズ水の水温も、特に限定されないが、好ましくは1℃以上20℃以下程度とされる。
さらに、アトマイズ水は、溶湯の落下経路上に頂点を有し、外径が下方に向かって漸減するような円錐状に噴射される場合が多い。この場合、アトマイズ水が形成する円錐の頂角θは、10°以上40°以下程度であるのが好ましく、15°以上35°以下程度であるのがより好ましい。これにより、前述したような組成の金属粉末を、確実に製造することができる。
The temperature of the atomized water is not particularly limited, but is preferably about 1 ° C. or higher and 20 ° C. or lower.
Furthermore, atomized water is often sprayed in a conical shape having an apex on the molten metal drop path and the outer diameter gradually decreasing downward. In this case, the apex angle θ of the cone formed by the atomized water is preferably about 10 ° to 40 °, more preferably about 15 ° to 35 °. Thereby, the metal powder having the composition as described above can be reliably produced.
また、水アトマイズ法(特に高速回転水流アトマイズ法)によれば、とりわけ速く溶湯を冷却することができる。このため、各粒子の組成の均一化が図られ、均質なセパレーターが得られる。
アトマイズ法において溶湯を冷却する際の冷却速度は、1×104℃/s以上であるのが好ましく、1×105℃/s以上であるのがより好ましい。このような急速な冷却により、金属結晶の粒径がとりわけ小さく、機械的特性に優れたセパレーターを製造可能な金属粉末が得られる。
Moreover, according to the water atomization method (especially high-speed rotation water flow atomization method), a molten metal can be cooled especially rapidly. For this reason, the composition of each particle is made uniform and a homogeneous separator is obtained.
The cooling rate when the molten metal is cooled in the atomization method is preferably 1 × 10 4 ° C./s or more, and more preferably 1 × 10 5 ° C./s or more. By such rapid cooling, a metal powder capable of producing a separator having a particularly small particle size of metal crystals and excellent mechanical properties can be obtained.
次いで、この耐熱金属粉末を用いてスラリーを調製する。
スラリーは、耐熱金属粉末、有機バインダーおよび溶媒等を混合することにより調製される。
耐熱金属粉末の平均粒径は、特に限定されないが、0.5μm以上30μm以下程度であるのが好ましく、1μm以上20μm以下程度であるのがより好ましい。このような粒径の耐熱金属粉末を用いることにより、薄く成形した場合であっても、十分な機械的特性を有するセパレーター3が得られる。
Next, a slurry is prepared using the refractory metal powder.
The slurry is prepared by mixing a refractory metal powder, an organic binder, a solvent, and the like.
The average particle size of the refractory metal powder is not particularly limited, but is preferably about 0.5 μm to 30 μm, and more preferably about 1 μm to 20 μm. By using the heat-resistant metal powder having such a particle size, the
有機バインダーとしては、例えば、メチルセルロース、エチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラール、アクリル樹脂、エマルジョン等を含む各種有機材料が挙げられる。
また、溶媒としては、有機バインダーを溶解または分散し得るものであれば、特に限定されないが、水の他、テルピネオール、ブチルカルビトール、アセトン、トルエン等の有機溶媒が用いられる。
Examples of the organic binder include various organic materials including methyl cellulose, ethyl cellulose, hydroxyethyl cellulose, polyvinyl alcohol, polyvinyl butyral, acrylic resin, emulsion, and the like.
The solvent is not particularly limited as long as it can dissolve or disperse the organic binder. In addition to water, organic solvents such as terpineol, butyl carbitol, acetone, and toluene are used.
スラリー中の有機バインダーの含有率は、その組成等に応じて適宜設定されるものの、1質量%以上5質量%以下程度であるのが好ましい。また、スラリー中の溶媒の含有率は、その組成等に応じて適宜設定されるものの、10質量%以上50質量%以下程度であるのが好ましい。
また、スラリー中には、上述したものの他、必要に応じて分散剤、可塑剤、酸化防止剤、防錆剤等の各種添加物が添加されていてもよい。この場合、これらの添加物の総量は、スラリー中の10質量%以下となるように設定されるのが好ましい。
スラリーの粘度は、特に限定されないが、室温において0.1Pa・s以上100Pa・s以下であるのが好ましい。
Although the content rate of the organic binder in a slurry is suitably set according to the composition etc., it is preferable that it is about 1 mass% or more and 5 mass% or less. Moreover, although the content rate of the solvent in a slurry is suitably set according to the composition etc., it is preferable that it is about 10 mass% or more and 50 mass% or less.
Moreover, in addition to what was mentioned above, various additives, such as a dispersing agent, a plasticizer, antioxidant, and a rust inhibitor, may be added in the slurry. In this case, the total amount of these additives is preferably set to be 10% by mass or less in the slurry.
The viscosity of the slurry is not particularly limited, but is preferably 0.1 Pa · s or more and 100 Pa · s or less at room temperature.
次に、調製したスラリーをシート状に成形し、図4(a)に示すシート状成形体(グリーンシート)301を得る。
この成形には、例えば、グラビアコート法、バーコート法、スクリーン印刷法、ディップ法、スピンコート法、スプレーコート法、リバースロールコート法、ドクターブレードコート法等の各種シート化成形法が用いられる。
Next, the prepared slurry is formed into a sheet shape to obtain a sheet-like formed body (green sheet) 301 shown in FIG.
For this forming, for example, various sheet forming methods such as a gravure coating method, a bar coating method, a screen printing method, a dip method, a spin coating method, a spray coating method, a reverse roll coating method, a doctor blade coating method, and the like are used.
得られるシート状成形体の厚さは、製造しようとするセパレーター3の厚さに応じて適宜設定されるが、一例として100μm以上10mm以下程度であるのが好ましく、300μm以上8mm以下程度であるのがより好ましい。
なお、図4(a)に示すシート状成形体301は、連続的に成形されることにより、長尺状のものとなる。このため、ロール状に巻き取ることができ、保管、運搬等に適したものとなる。
Although the thickness of the obtained sheet-like molded object is suitably set according to the thickness of the
In addition, the sheet-like molded
また、シート状成形体301の製造には、テープ成形機を用いるのが好ましい。テープ成形機を用いることで、シート状成形体301を効率よく安価に製造することができる。このため、セパレーター3の製造コストの削減と、製造工期の短縮とを図ることができる。
次いで、図4(a)に示すシート状成形体301を矩形状に打ち抜く。これにより、図4(b)に示す矩形状のシート状成形体302が得られる。矩形状のシート状成形体302の形状や大きさは、製造しようとするセパレーター3の形状や大きさに応じて適宜設定される。したがって、シート状成形体302の形状は、矩形状に限定されない。
Moreover, it is preferable to use a tape molding machine for manufacture of the sheet-like molded
Next, the sheet-like molded
[2]成形工程
次に、得られたシート状成形体302の上面に溝303を形成するとともに、下面に溝304を形成する。すなわち、シート状成形体302の表面に凹凸形状を形成する。
この成形には、いかなる方法も用いられるが、例えば、成形型を転写する方法、成形型にスラリーを流し入れる方法、機械加工やレーザー加工により不要部分を除去する方法等が挙げられる。このうち、成形型を転写する方法が好ましく用いられる。具体的には、図5に示すように、シート状成形体302の上面に成形型393を押し付けるとともに、シート状成形体302の下面に成形型394を押し付ける。これにより、成形型393の凹凸形状がシート状成形体302の上面に転写されるとともに、成形型394の凹凸形状がシート状成形体302の下面に転写される。その結果、図6(a)に示すセパレーター用成形体30が得られる。このような方法によれば、寸法精度の高い凹凸形状を確実に形成することができる。また、成形型393、394の凹凸面に沿って凹凸形状を形成するので、凹凸形状の表面が粗くなるのを防ぐことができる。その結果、最終的に、ガスの流通抵抗が小さい溝を備えたセパレーター3を得ることができる。加えて、セパレーター3の表面粗さが粗くなると、そこを起点にした割れや折れ等が発生するおそれがあるが、上述した方法によれば、機械的特性の高いセパレーター3を得ることができる。
[2] Forming Step Next, the
Any method can be used for this molding. Examples thereof include a method of transferring a molding die, a method of pouring a slurry into the molding die, and a method of removing unnecessary portions by machining or laser processing. Of these, the method of transferring the mold is preferably used. Specifically, as shown in FIG. 5, the
なお、シート状成形体302については、塑性変形性を有するものとなるよう、その乾燥度合いが予め設定されていてもよい。乾燥条件は、一例として乾燥温度が50℃以上150℃以下であり、乾燥時間が1分以上30分以下である。
また、凹凸形状を形成した後のセパレーター用成形体30に対して同様の乾燥条件で乾燥を行うことにより、凹凸形状の保形性を高めることができる。
なお、成形型393と成形型394は、シート状成形体302に対して同時に押し付けるのが好ましい。これにより、特に薄いセパレーター用成形体30を形成する場合であっても、寸法精度の高いものを効率よく形成することができる。
In addition, about the sheet-like molded
Moreover, the shape retention property of an uneven | corrugated shape can be improved by drying on the drying condition with respect to the molded
Note that the
[3]焼成工程
次に、得られたセパレーター用成形体30に対し、脱脂処理を施す。
この脱脂処理としては、例えば、セパレーター用成形体30を加熱する方法、有機バインダーを分解するガスにセパレーター用成形体30を曝す方法等が挙げられる。
セパレーター用成形体30を加熱する方法を用いる場合、セパレーター用成形体30の加熱条件は、有機バインダーの組成や配合量によって若干異なるものの、温度100℃以上750℃以下×0.1時間以上20時間以下程度であるのが好ましく、150℃以上600℃以下×0.5時間以上15時間以下程度であるのがより好ましい。これにより、セパレーター用成形体30を焼結させることなく、セパレーター用成形体30の脱脂を必要かつ十分に行うことができる。その結果、脱脂体の内部に有機バインダー成分が多量に残留してしまうのを確実に防止することができる。
また、セパレーター用成形体30を加熱する際の雰囲気は、特に限定されず、水素のような還元性ガス雰囲気、窒素、アルゴンのような不活性ガス雰囲気、大気のような酸化性ガス雰囲気、またはこれらの雰囲気を減圧した減圧雰囲気等が挙げられる。
[3] Firing step Next, the obtained separator molded
As this degreasing process, the method of heating the molded
When the method of heating the molded body for
Further, the atmosphere when heating the separator molded
一方、有機バインダーを分解するガスとしては、例えば、オゾンガス等が挙げられる。
なお、このような脱脂工程は、脱脂条件の異なる複数の過程(ステップ)に分けて行うことにより、セパレーター用成形体30中の有機バインダーをより速やかに、そして、セパレーター用成形体30に残存させないように分解・除去することができる。
また、必要に応じて、脱脂体に対して切削、研磨、切断等の機械加工を施すようにしてもよい。脱脂体は、硬度が比較的低く、かつ比較的可塑性に富んでいるため、脱脂体の形状が崩れるのを防止しつつ、容易に機械加工を施すことができる。このような機械加工によれば、最終的に寸法精度の高いセパレーター3を容易に得ることができる。
On the other hand, examples of the gas that decomposes the organic binder include ozone gas.
In addition, such a degreasing process is divided into a plurality of steps (steps) having different degreasing conditions, so that the organic binder in the separator molded
Moreover, you may make it perform machining, such as cutting, grinding | polishing, and cutting | disconnection with respect to a degreased body as needed. Since the degreased body is relatively low in hardness and relatively rich in plasticity, it can be easily machined while preventing the shape of the degreased body from collapsing. According to such machining, the
次いで、得られた脱脂体を焼成して図6(b)に示す焼結体(セパレーター3)を得る。
この焼結により、耐熱金属粉末は、粒子同士の界面で拡散が生じ、焼結に至る。その結果、セパレーター用成形体30の形状を維持しつつ、緻密な焼結体が得られる。
焼成温度は、セパレーター用成形体30および脱脂体の製造に用いた耐熱金属粉末の組成や粒径等によって異なるが、一例として980℃以上1330℃以下程度とされる。また、好ましくは1050℃以上1260℃以下程度とされる。
Next, the obtained degreased body is fired to obtain a sintered body (separator 3) shown in FIG.
Due to this sintering, the heat-resistant metal powder is diffused at the interface between the particles, resulting in sintering. As a result, a dense sintered body can be obtained while maintaining the shape of the separator molded
The firing temperature varies depending on the composition, particle size, and the like of the heat-resistant metal powder used in the production of the separator molded
また、焼成時間は、0.2時間以上7時間以下とされるが、好ましくは1時間以上6時間以下程度とされる。
なお、焼成工程においては、途中で焼結温度や後述する焼成雰囲気を変化させるようにしてもよい。
焼成条件をこのような範囲に設定することにより、焼結が進み過ぎて過焼結となり、結晶組織が肥大化するのを防止しつつ、脱脂体全体を十分に焼結させることができる。その結果、高密度であり、かつ特に機械的特性に優れた焼結体を得ることができる。
また、焼成の際の雰囲気は、特に限定されないが、耐熱金属粉末の著しい酸化を防止することを考慮した場合、水素のような還元性ガス雰囲気、アルゴンのような不活性ガス雰囲気、またはこれらの雰囲気を減圧した減圧雰囲気等が好ましく用いられる。
The firing time is 0.2 hours or more and 7 hours or less, and preferably 1 hour or more and 6 hours or less.
In the firing step, the sintering temperature or a firing atmosphere described later may be changed during the firing process.
By setting the firing conditions in such a range, the entire defatted body can be sufficiently sintered while preventing oversintering due to excessive progress of sintering and enlargement of the crystal structure. As a result, a sintered body having a high density and particularly excellent mechanical properties can be obtained.
In addition, the atmosphere at the time of firing is not particularly limited, but in consideration of preventing significant oxidation of the refractory metal powder, a reducing gas atmosphere such as hydrogen, an inert gas atmosphere such as argon, or these A reduced-pressure atmosphere or the like in which the atmosphere is reduced is preferably used.
以上のようにして得られたセパレーター3は、従来のようなプレス加工によって得られたものや、切削のような機械加工によって得られたものと比べて、残留応力が小さいものとなる。すなわち、プレス加工では、耐熱金属材料に対して塑性変形を生じさせるため、前述したように加工に伴う応力が残留し、それが経時的に緩和することによってセパレーター3の経時的な変形をもたらす。また、機械加工でも、加工ツールとの干渉によって、加工領域に応力が残留する。これに対し、上述した方法によれば、比較的柔らかいシート状成形体302に対して成形を行うため、セパレーター3内に応力が残留し難い。そのため、経時的な変形の少ないセパレーター3が得られる。また、上述した方法では、変形が抑えられるため、より薄いセパレーター3であっても確実に製造することができる。
The
一方、CoまたはCrを主成分とする耐熱金属材料は、硬度が比較的高く、延性が比較的小さいため、プレス成形において寸法精度を高めることが困難である。また、被削性も低いことから、効率よく高精度の機械加工を施すことも困難である。
これに対し、上述した本発明に係る方法によれば、このような耐熱金属材料を用いた場合であっても、寸法精度の高いセパレーター3を効率よく製造することができる。すなわち、耐熱金属材料の合金組成によらず、著しい残留応力を発生させることなく、成形型の凹凸形状をシート状成形体に対して忠実に再現することができるので、製造されるセパレーター3は経時的な寸法変化が抑えられたものとなる。
On the other hand, a refractory metal material containing Co or Cr as a main component has a relatively high hardness and a relatively low ductility, so that it is difficult to increase the dimensional accuracy in press molding. In addition, since machinability is low, it is difficult to efficiently perform highly accurate machining.
On the other hand, according to the above-described method according to the present invention, the
さらに、セパレーター3は、上面と下面とで溝の形状が異なっている。このような場合、従来のプレス加工や機械加工では、残留応力の発生がより顕著になるが、本発明によれば、このような場合であっても応力の残留を確実に抑制し、経時的な変形の少ないセパレーター3を得ることができる。なお、このようなセパレーター3は、セル2との密着性が高く、かつ薄型であってもガスの漏出を確実に抑制し得るものとなる。したがって、セパレーター3を用いることにより、小型でかつ信頼性の高い燃料電池1を得ることができる。
Furthermore, the
このようにして得られた焼結体の相対密度は、97%以上であるのが好ましく、98%以上であるのがより好ましい。このような範囲の相対密度を有する焼結体は、粉末冶金技術を利用することで目的とする形状に限りなく近い形状を有するものとなる。このため、機械的特性が高く、かつ寸法精度の高いセパレーター3が得られる。
以上、本発明の金属部品の製造方法、金属部品、固体酸化物型燃料電池用セパレーターおよび固体酸化物型燃料電池について、好適な実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。
The relative density of the sintered body thus obtained is preferably 97% or more, and more preferably 98% or more. A sintered body having a relative density in such a range has a shape that is almost as close to the target shape as possible by using powder metallurgy technology. For this reason, the
As mentioned above, although the manufacturing method of the metal component of this invention, the metal component, the separator for solid oxide fuel cells, and the solid oxide fuel cell were demonstrated based on suitable embodiment, this invention is limited to this. It is not a thing.
例えば、前記実施形態に係るセパレーターでは、上面と下面とで溝の形状が異なっているが、本発明はこのような形態に限定されず、上面と下面とで溝の形状が同じであってもよい。
また、焼成工程後の焼結体には、必要に応じて追加処理を施すようにしてもよい。追加処理としては、例えば、熱間等方圧加圧処理(HIP処理)等が挙げられる。
For example, in the separator according to the embodiment, the shape of the groove is different between the upper surface and the lower surface. However, the present invention is not limited to such a form, and the shape of the groove is the same between the upper surface and the lower surface. Good.
Moreover, you may make it give an additional process to the sintered compact after a baking process as needed. Examples of the additional process include a hot isostatic pressing process (HIP process).
次に、本発明の具体的実施例について説明する。
1.固体酸化物型燃料電池用セパレーターの製造
(実施例1)
[1]まず、原材料を高周波誘導炉で溶融するとともに、高速回転水流アトマイズ法(各表では、「回転水」と表記する。)により粉末化して耐熱金属粉末を得た。次いで、目開き150μmの標準ふるいを用いて分級した。得られた耐熱金属粉末の合金組成は以下の通りである。
Fe:20質量%、Mo:5質量%以上、V:0.5質量%、Cr:残部
なお、合金組成の特定には、SPECTRO社製固体発光分光分析装置(スパーク発光分析装置)、モデル:SPECTROLAB、タイプ:LAVMB08Aを用いた。
Next, specific examples of the present invention will be described.
1. Production of solid oxide fuel cell separator (Example 1)
[1] First, the raw material was melted in a high-frequency induction furnace and pulverized by a high-speed rotating water stream atomization method (in each table, expressed as “rotating water”) to obtain a heat-resistant metal powder. Subsequently, classification was performed using a standard sieve having an opening of 150 μm. The alloy composition of the obtained refractory metal powder is as follows.
Fe: 20% by mass, Mo: 5% by mass or more, V: 0.5% by mass, Cr: balance For specifying the alloy composition, a solid emission spectroscopic analyzer (spark emission analyzer) manufactured by SPECTRO, model: SPECTROLAB, type: LAVMB08A was used.
[2]次に、得られた耐熱金属粉末と有機バインダー(ポリビニルブチラール)をトルエンおよびエタノール(以上、溶媒)に溶解してスラリーを調製した。なお、スラリーにおける有機バインダーの量は3質量%とし、スラリーにおける溶媒の量は30質量%とした。
[3]次に、テープ成形機によりスラリーをシート状に成形し、長尺のシート状成形体を得た。
次いで、シート状成形体を矩形状に打ち抜き、矩形状のシート状成形体を得た。
[4]次に、図5に示すように、シート状成形体の上下から成形型を押し付け、セパレーター用成形体を得た。
[2] Next, the obtained heat-resistant metal powder and organic binder (polyvinyl butyral) were dissolved in toluene and ethanol (above, solvent) to prepare a slurry. The amount of the organic binder in the slurry was 3% by mass, and the amount of the solvent in the slurry was 30% by mass.
[3] Next, the slurry was formed into a sheet with a tape forming machine to obtain a long sheet-like formed body.
Subsequently, the sheet-like molded body was punched into a rectangular shape to obtain a rectangular sheet-shaped molded body.
[4] Next, as shown in FIG. 5, a molding die was pressed from above and below the sheet-like molded body to obtain a molded body for a separator.
[5]次に、このセパレーター用成形体を以下の脱脂条件で脱脂し、脱脂体を得た。
<脱脂条件>
・加熱温度 :470℃
・加熱時間 :1時間
・加熱雰囲気:アルゴン雰囲気
[5] Next, this separator molded body was degreased under the following degreasing conditions to obtain a degreased body.
<Degreasing conditions>
・ Heating temperature: 470 ° C
・ Heating time: 1 hour ・ Heating atmosphere: Argon atmosphere
[6]次に、得られた脱脂体を、以下の焼成条件で焼成し、焼結体(セパレーター)を得た。
<焼成条件>
・加熱温度 :1100℃
・加熱時間 :3時間
・加熱雰囲気:アルゴン雰囲気
なお、得られた焼結体は、平面視で正方形をなす、縦100mm×横100mm×最大厚さ3mmの板状体である。また、上面および下面に形成された溝は、図2に示す形状の溝であり、その深さは0.5mm、幅は1mm、溝同士の間隔も1mmであった。
[6] Next, the obtained degreased body was fired under the following firing conditions to obtain a sintered body (separator).
<Baking conditions>
・ Heating temperature: 1100 ° C
-Heating time: 3 hours-Heating atmosphere: Argon atmosphere In addition, the obtained sintered compact is a plate-shaped body which makes a square by planar view and is 100 mm long x 100 mm wide x 3 mm in maximum thickness. Moreover, the groove | channel formed in the upper surface and the lower surface is a groove | channel of the shape shown in FIG. 2, The depth was 0.5 mm, the width | variety was 1 mm, and the space | interval of grooves was 1 mm.
(実施例2)
耐熱金属粉末として以下の合金組成のものを用いるようにした以外は、実施例1と同様にして焼結体を得た。
C:0.1質量%、Fe:5質量%、Cr:28質量%、Mo:7質量%、Co:残部
(実施例3)
耐熱金属粉末として以下の合金組成のものを用いるようにした以外は、実施例1と同様にして焼結体を得た。
Co:15質量%、Mo:2質量%、V:0.5質量%、Cr:残部
(実施例4)
耐熱金属粉末として以下の合金組成のものを用いるようにした以外は、実施例1と同様にして焼結体を得た。
C:0.05質量%、Cr:40質量%、Mo:6質量%、Co:残部
(Example 2)
A sintered body was obtained in the same manner as in Example 1 except that the heat-resistant metal powder having the following alloy composition was used.
C: 0.1% by mass, Fe: 5% by mass, Cr: 28% by mass, Mo: 7% by mass, Co: remainder (Example 3)
A sintered body was obtained in the same manner as in Example 1 except that the heat-resistant metal powder having the following alloy composition was used.
Co: 15% by mass, Mo: 2% by mass, V: 0.5% by mass, Cr: balance (Example 4)
A sintered body was obtained in the same manner as in Example 1 except that the heat-resistant metal powder having the following alloy composition was used.
C: 0.05 mass%, Cr: 40 mass%, Mo: 6 mass%, Co: remainder
(比較例1)
まず、表1に示す組成の耐熱金属材料の溶製材を用意した。
次いで、用意した溶製材にプレス加工を施し、実施例1と同じ形状のセパレーターを得た。
(比較例2)
まず、表1に示す組成の耐熱金属材料の溶製材を用意した。
次いで、用意した溶製材に対し、フライス盤を用いて切削加工を施し、実施例1と同じ形状のセパレーターを得た。
(Comparative Example 1)
First, a refractory metal material having the composition shown in Table 1 was prepared.
Next, the prepared melted material was pressed to obtain a separator having the same shape as in Example 1.
(Comparative Example 2)
First, a refractory metal material having the composition shown in Table 1 was prepared.
Next, the prepared melted material was cut using a milling machine to obtain a separator having the same shape as in Example 1.
(比較例3)
まず、表1に示す組成の耐熱金属材料の溶製材を用意した。
次いで、用意した溶製材にプレス加工を施し、実施例2と同じ形状のセパレーターを得た。
(比較例4)
まず、表1に示す組成の耐熱金属材料の溶製材を用意した。
次いで、用意した溶製材に対し、フライス盤を用いて切削加工を施し、実施例2と同じ形状のセパレーターを得た。
(Comparative Example 3)
First, a refractory metal material having the composition shown in Table 1 was prepared.
Next, the prepared melted material was pressed to obtain a separator having the same shape as in Example 2.
(Comparative Example 4)
First, a refractory metal material having the composition shown in Table 1 was prepared.
Next, the prepared melted material was cut using a milling machine to obtain a separator having the same shape as in Example 2.
2.固体酸化物型燃料電池用セパレーターの評価
2.1 耐熱試験
各実施例および各比較例で得られたセパレーターについて、以下の条件で耐熱試験を行った。
<耐熱試験の条件>
・加熱温度 :850℃
・加熱時間 :100時間
・加熱雰囲気:大気(水蒸気量20%)
次いで、試験後のセパレーターについて、試験前からの寸法変化(最大反り量)を測定し、以下の評価基準にしたがって評価した。
2. 2. Evaluation of Solid Oxide Fuel Cell Separator 2.1 Heat Resistance Test The heat resistance test was performed on the separators obtained in each Example and each Comparative Example under the following conditions.
<Conditions for heat test>
・ Heating temperature: 850 ° C
・ Heating time: 100 hours ・ Heating atmosphere: air (water vapor amount 20%)
Subsequently, about the separator after a test, the dimensional change (maximum curvature amount) from before a test was measured, and it evaluated in accordance with the following evaluation criteria.
<寸法変化の評価基準>
◎:最大反り量が試験前の1倍以上1.25倍未満である
○:最大反り量が試験前の1.25倍以上1.5倍未満である
△:最大反り量が試験前の1.5倍以上2倍未満である
×:最大反り量が試験前の2倍以上である
以上の評価結果を表1に示す。
<Evaluation criteria for dimensional change>
A: The maximum warpage amount is 1 to 1.25 times before the test. ○: The maximum warpage amount is 1.25 times to less than 1.5 times before the test. Δ: The maximum warpage amount is 1 before the test. It is 5 times or more and less than 2 times. X: The maximum warpage amount is 2 times or more before the test.
2.2 ビッカース硬度の測定
各実施例および各比較例で得られたセパレーターについて、JIS Z 2244に規定されたビッカース硬さ試験の試験方法に準じて、室温でのビッカース硬度を測定した。
測定結果を表1に示す。
2.3 伸びの測定
各実施例および各比較例で得られたセパレーターについて、JIS Z 2241に規定された金属材料引張試験方法に準じて、室温での伸びを測定した。
測定結果を表1に示す。
2.2 Measurement of Vickers Hardness Vickers hardness at room temperature was measured for the separators obtained in each Example and each Comparative Example according to the test method of Vickers hardness test specified in JIS Z 2244.
The measurement results are shown in Table 1.
2.3 Measurement of Elongation For the separators obtained in each Example and each Comparative Example, the elongation at room temperature was measured in accordance with the metal material tensile test method defined in JIS Z 2241.
The measurement results are shown in Table 1.
表1から明らかなように、各実施例で得られたセパレーターは、耐熱試験を経ても寸法変化量を小さく抑えられることが認められた。
一方、各比較例で得られたセパレーターは、耐熱試験による寸法変化量が比較的大きいことが認められた。
また、実施例1と同じ組成の耐熱金属材料の溶製材についても、比較例1、2と同様、プレス加工や切削加工を施し、セパレーターを得たが、いずれも耐熱試験が×に相当し、ビッカース硬度は750未満、伸びが10〜12%であった。
As is clear from Table 1, it was confirmed that the separators obtained in each example can keep the dimensional change small even after the heat resistance test.
On the other hand, the separator obtained in each comparative example was found to have a relatively large dimensional change by the heat resistance test.
Moreover, about the ingot of the heat-resistant metal material having the same composition as that of Example 1 as well as Comparative Examples 1 and 2, press working and cutting were performed to obtain a separator. The Vickers hardness was less than 750 and the elongation was 10 to 12%.
1……固体酸化物型燃料電池 2……セル 21……燃料極 22……電解質層 23……空気極 3……セパレーター 31……下側セパレーター 311……側面 312……側面 313……溝 314……溝 315……側面 316……側面 32……上側セパレーター 321……側面 322……側面 323……溝 324……溝 325……側面 326……側面 30……セパレーター用成形体 301……シート状成形体 302……シート状成形体 303……溝 304……溝 393……成形型 394……成形型 4……スタック 5……上押え板 6……下押え板
1 ... Solid oxide fuel cell 2 ...
Claims (8)
前記耐熱金属材料の粉末と有機バインダーとを含むスラリーをシート状に成形し、シート状成形体を得るシート化工程と、
前記シート状成形体の表面に前記凹凸形状を形成する成形工程と、
前記シート状成形体を脱脂した後、焼成し、前記金属部品を得る焼成工程と、
を有することを特徴とする金属部品の製造方法。 A method of manufacturing a metal part having a concavo-convex shape on the surface, composed of a heat-resistant metal material mainly composed of Co or Cr,
Forming a slurry containing the powder of the heat-resistant metal material and an organic binder into a sheet, and forming a sheet-like molded body,
A molding step of forming the uneven shape on the surface of the sheet-shaped molded body;
After degreasing the sheet-like molded body, firing, firing step to obtain the metal parts,
A method for producing a metal part, comprising:
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