JP2016051699A - Fuel battery unit cell with interconnector and method of manufacturing the same, fuel battery stack - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池単セル、フレーム及びインタコネクタを積層してなるインタコネクタ付燃料電池単セル、そのインタコネクタ付燃料電池単セルを複数個積層してなる燃料電池スタック、及びインタコネクタ付燃料電池単セルの製造方法に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell single cell with an interconnector formed by stacking a fuel cell single cell, a frame and an interconnector, a fuel cell stack formed by stacking a plurality of fuel cell single cells with the interconnector, and a fuel with an interconnector The present invention relates to a method for manufacturing a battery single cell.
従来より、燃料電池として、例えば固体電解質層(固体酸化物層)を備えた固体酸化物形燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell ;SOFC)が知られている。この燃料電池は、発電の最小単位である単セルを複数積層してなる燃料電池スタックを備えている。 Conventionally, as a fuel cell, for example, a solid oxide fuel cell (SOFC) including a solid electrolyte layer (solid oxide layer) is known. This fuel cell includes a fuel cell stack formed by stacking a plurality of single cells that are the minimum unit of power generation.
具体的には、単セルは、空気極、燃料極及び固体電解質層を有して構成され、発電反応により電力を発生する。また、燃料電池では、単セルに加えて、フレーム、セパレータ及びインタコネクタを複数積層することによって燃料電池スタックが構成されている。フレーム、セパレータ及びインタコネクタは金属部材からなり、レーザ溶接等によって各部材を接合することで、インタコネクタ付燃料電池単セルが構成される。 Specifically, the single cell includes an air electrode, a fuel electrode, and a solid electrolyte layer, and generates electric power through a power generation reaction. In addition, in the fuel cell, a fuel cell stack is configured by stacking a plurality of frames, separators, and interconnectors in addition to a single cell. The frame, the separator, and the interconnector are made of metal members, and each member is joined by laser welding or the like to constitute a fuel cell single cell with an interconnector.
より詳しくは、フレームは、ステンレスなどを用い、単セルの側面を囲むように枠状に形成される。また、セパレータも、ステンレスなどによって形成されており、単セルを配置するための開口部を中央に有する矩形枠状をなしている。そして、セパレータの開口部の内側に単セルを配置した状態で単セルの周縁部にセパレータが接合され、セパレータ付単セルが構成される。セパレータ付単セルにおいて、セパレータは、反応ガス(酸化剤ガスや燃料ガス)が供給される空気室や燃料室を区画するための仕切り板として機能する。さらに、インタコネクタも、ステンレスなどによって板状に形成されており、インタコネクタによって単セルの導通が確保される。 More specifically, the frame is formed in a frame shape using stainless steel or the like so as to surround the side surface of the single cell. The separator is also formed of stainless steel or the like, and has a rectangular frame shape having an opening for placing a single cell in the center. And in the state which has arrange | positioned the single cell inside the opening part of a separator, a separator is joined to the peripheral part of a single cell, and a single cell with a separator is comprised. In a single cell with a separator, the separator functions as a partition plate for partitioning an air chamber or a fuel chamber to which a reaction gas (oxidant gas or fuel gas) is supplied. Further, the interconnector is also formed in a plate shape with stainless steel or the like, and the electrical connection of the single cell is secured by the interconnector.
セパレータ、フレーム及びインタコネクタには、ガス流路を構成するための複数の穴部が貫通形成されている。そして、セパレータ付単セル、フレーム及びインタコネクタを接合してインタコネクタ付燃料電池単セルを構成する際には、各穴部の周囲や外周部をレーザ溶接にて封止することでガス流路のシール性が確保されるようになっている。 The separator, the frame, and the interconnector are formed with a plurality of holes for forming a gas flow path. When a single cell with a separator, a frame, and an interconnector are joined to form a fuel cell single cell with an interconnector, a gas flow path is formed by sealing the periphery and outer periphery of each hole by laser welding. The sealing performance is ensured.
インタコネクタの形成材料であるステンレスは、クロムを含む金属材である。このため、インタコネクタにおいて、空気極に接するカソード側表面には、クロム被毒を防止するためのコーティング層が形成される(特許文献1等参照)。なお、特許文献1に開示されているコーティング層は、M系金属酸化物(Mn、Fe、Co及びNiから選択される少なくとも1種類の金属Mを含む酸化物)からなる導電性の酸化物被膜である。 Stainless steel, which is a material for forming the interconnector, is a metal material containing chromium. For this reason, in the interconnector, a coating layer for preventing chromium poisoning is formed on the cathode side surface in contact with the air electrode (see Patent Document 1 and the like). The coating layer disclosed in Patent Document 1 is a conductive oxide film made of an M-based metal oxide (an oxide containing at least one kind of metal M selected from Mn, Fe, Co, and Ni). It is.
また、特許文献2に開示されている燃料電池スタックでは、インタコネクタにおけるアノード側表面に、ニッケルを含む多孔質金属体からなる集電体を固着させるための接合層(コーティング層)が形成されている。さらに、特許文献3では、インタコネクタの両面(カソード側表面及びアノード側表面)に、コーティング層がそれぞれ形成されている。なお、アノード側表面に形成されるコーティング層は、ニッケルを含む材料(例えばNiOなど)からなる。この場合、発電時の高温環境下において燃料極に燃料ガス(水素H2)が供給されることで、コーティング層のNiOがNiとなり、インタコネクタと燃料極側集電体との接合性が向上される。
In the fuel cell stack disclosed in
ところで、インタコネクタ付燃料電池単セルでは、ガス流路を構成する穴部の周囲や外周部に沿ってレーザ溶接による溶接部が形成されるが、それら溶接部の全周に渡って、溶接不良(溶け込み不足、ブローホール、接合長不足)がない安定した溶接品質を得る必要がある。また、燃料電池は、高温(700℃〜1000℃程度の温度)かつ長時間使用するため、溶接部の耐久性も確保しなければならない。つまり、溶接部における耐熱性、耐摩耗性、耐食性が求められる。 By the way, in the fuel cell single cell with an interconnector, a welded part is formed by laser welding around the hole part and the outer peripheral part constituting the gas flow path. It is necessary to obtain a stable welding quality free from (poor penetration, blowhole, insufficient joint length). Further, since the fuel cell is used for a long time at a high temperature (a temperature of about 700 ° C. to 1000 ° C.), the durability of the welded portion must be ensured. That is, heat resistance, wear resistance, and corrosion resistance at the welded portion are required.
ところが、上記のようにステンレスからなるインタコネクタの表面にコーティング層を設けた場合、溶接性が悪化してしまう。ステンレスの表面にコーティング層が存在すると、コーティング層の金属成分は融点が低いため、溶接時に優先的に揮発する。その結果、インタコネクタとフレームとの溶接部において、スパッタやブローホールが発生し、溶接性が低下することで溶接不良となり、ガスのリーク不良等の問題が発生する。特に、インタコネクタの両面にコーティング層を形成する場合には、溶接性が極端に悪くなり、溶接不良が多発してしまう。また、インタコネクタの表面のコーティング層を除去すると、溶接性は改善するが、クロム被毒の問題が生じたり、溶接部における信頼性(耐摩耗性や耐食性)が低下したりするといった問題が生じてしまう。 However, when the coating layer is provided on the surface of the interconnector made of stainless steel as described above, the weldability deteriorates. When a coating layer is present on the surface of stainless steel, the metal component of the coating layer has a low melting point, and therefore volatilizes preferentially during welding. As a result, spatter and blowholes are generated at the welded portion between the interconnector and the frame, resulting in poor weldability due to poor weldability and problems such as gas leak failure. In particular, when coating layers are formed on both sides of the interconnector, the weldability is extremely deteriorated, resulting in frequent welding defects. In addition, removing the coating layer on the surface of the interconnector improves weldability, but causes problems such as chromium poisoning and reduced reliability (wear resistance and corrosion resistance) at the weld. End up.
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、溶接性の低下を抑えることができ、信頼性に優れたインタコネクタ付燃料電池単セル及び燃料電池スタックを提供することにある。また別の目的は、上記インタコネクタ付燃料電池単セルを製造するのに好適なインタコネクタ付燃料電池単セルの製造方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell unit cell with an interconnector and a fuel cell stack that can suppress a decrease in weldability and is excellent in reliability. is there. Another object is to provide a method of manufacturing a single fuel cell with an interconnector suitable for manufacturing the above single cell with an interconnector.
そして上記課題を解決するための手段(手段1)としては、燃料極、空気極及び電解質層を有する平板状の燃料電池単セルと、枠内に電解質層、及び燃料極又は空気極の一部が配置される枠状のフレームと、前記フレームの一方の面に配置される板状のインタコネクタとを積層してなるインタコネクタ付燃料電池単セルであって、記フレーム及び前記インタコネクタが溶接部を介して接合され、前記フレームと対向する前記インタコネクタ表面にて前記溶接部を少なくとも除く領域には、第1コーティング層が形成され、前記インタコネクタ表面の裏側となる他方の表面の全体には第2コーティング層が形成されていることを特徴とするインタコネクタ付燃料電池単セルがある。 As means for solving the above problems (means 1), a flat plate fuel cell unit cell having a fuel electrode, an air electrode and an electrolyte layer, an electrolyte layer in the frame, and a part of the fuel electrode or air electrode A fuel cell single cell with an interconnector, in which a frame-shaped frame on which a frame is disposed and a plate-shaped interconnector disposed on one surface of the frame are stacked, and the frame and the interconnector are welded A first coating layer is formed on the surface of the interconnector surface that is joined via a portion and faces the frame at least except for the welded portion, and is formed on the entire other surface that is the back side of the interconnector surface. There is a fuel cell single cell with an interconnector characterized in that a second coating layer is formed.
手段1に記載の発明によると、フレームと対向するインタコネクタ表面にて溶接部には第1コーティング層が形成されていないので、従来技術のような溶接性の低下を抑えることができる。従って、インタコネクタとフレームとを溶接によって確実に接合することができ、溶接部における燃料ガス又は酸化剤ガスのリークを抑制することができる。また、インタコネクタ表面には、電極に電気的に接続される集電体が配置される。インタコネクタ表面において溶接部を少なくとも除く領域に第1コーティング層が形成されることで、その第1コーティング層によってインタコネクタと集電体との接触抵抗を低く抑えることが可能となる。さらに、溶接部に第2コーティング層の一部が混ざり込むことで、溶接部の耐久性が増す。具体的には、例えば第2コーティング層の成分にMnが含まれる場合、鋼中に不純物として存在し、溶接性の低下の原因となるSと結合し、溶接性が改善する。また、溶接時に脱酸剤としての機能の役割を果たし、溶接時の酸化を防ぐことができる。このため、燃料電池単セルの発電性能を良好な状態に維持することができ、製品信頼性を高めることができる。 According to the invention described in Means 1, since the first coating layer is not formed on the welded portion on the surface of the interconnector facing the frame, it is possible to suppress a decrease in weldability as in the prior art. Therefore, the interconnector and the frame can be reliably joined by welding, and leakage of fuel gas or oxidant gas at the welded portion can be suppressed. A current collector that is electrically connected to the electrodes is disposed on the surface of the interconnector. By forming the first coating layer on the interconnector surface in the region excluding at least the welded portion, the contact resistance between the interconnector and the current collector can be kept low by the first coating layer. Furthermore, the durability of the welded portion is increased by mixing a part of the second coating layer into the welded portion. Specifically, for example, when Mn is contained in the component of the second coating layer, it is present as an impurity in the steel and combined with S that causes a decrease in weldability, so that the weldability is improved. Moreover, it plays the role of a deoxidizer at the time of welding, and can prevent the oxidation at the time of welding. For this reason, the power generation performance of the single fuel cell can be maintained in a good state, and the product reliability can be improved.
ここで、集電体が多孔質金属体からなり、集電体と第1コーティング層とが同じ金属を含んで形成されることが好ましい。また、集電体と第1コーティング層とが同一の金属材料で形成されていてもよい。このように同じ金属を含んで集電体と第1コーティング層とを形成すると、第1コーティング層を介して集電体をインタコネクタに固着させることが可能となり、インタコネクタと集電体との接続抵抗を低く抑えることができる。 Here, the current collector is preferably made of a porous metal body, and the current collector and the first coating layer are preferably formed to contain the same metal. Further, the current collector and the first coating layer may be formed of the same metal material. When the current collector and the first coating layer are formed by including the same metal as described above, the current collector can be fixed to the interconnector via the first coating layer, and the interconnector and the current collector Connection resistance can be kept low.
インタコネクタはクロムを含む材料からなり、第2コーティング層は燃料極又は空気極がクロムによって被毒されるのを防止するための金属酸化物被膜で形成されていてもよい。この第2コーティング層を形成することによって、燃料極又は空気極のクロム被毒を確実に防止することができる。 The interconnector is made of a material containing chromium, and the second coating layer may be formed of a metal oxide film for preventing the fuel electrode or the air electrode from being poisoned by chromium. By forming this second coating layer, chromium poisoning of the fuel electrode or air electrode can be reliably prevented.
第2コーティング層の厚みは、第1コーティング層よりも薄いことが好ましい。具体的には、第2コーティング層の厚みは、5μm以下であることが好ましく、1μm以下であることがより好ましい。このように、第2コーティング層を薄くすることで、溶接性を高めることができるため、溶接部における燃料ガス又は酸化剤ガスのリークを確実に抑制することができる。さらに、第2コーティング層により、燃料極又は空気極のクロム被毒も確実に防止することができる。 The thickness of the second coating layer is preferably thinner than the first coating layer. Specifically, the thickness of the second coating layer is preferably 5 μm or less, and more preferably 1 μm or less. Thus, since the weldability can be improved by thinning the second coating layer, the leakage of the fuel gas or the oxidant gas in the welded portion can be reliably suppressed. Furthermore, chromium poisoning of the fuel electrode or the air electrode can be reliably prevented by the second coating layer.
フレームと対向するインタコネクタの表面は、フレームが接触する領域と、フレームが接触する領域よりも内側に位置するフレームに接触しない領域とに区分される。このインタコネクタの表面において、フレームに接触しない領域には、第1コーティング層が形成され、フレームに接触する領域には、クロム酸化物を含む膜が形成されていてもよい。具体的には、インタコネクタの表面において、フレームに接触しない領域には燃料極に電気的に接続される集電体が配置されていて、当該集電体はニッケルを含む金属体部分を有し、第1コーティング層は、ニッケルを含んでいてもよい。この場合、集電体の金属体部分と第1コーティング層とが同じ金属成分を含んでいるため、第1コーティング層によって集電体とインタコネクタとを確実に固着させることができる。従って、インタコネクタと集電体とにおける接触抵抗を低く抑えることができる。また、インタコネクタの表面にてフレームに接触する領域にクロム酸化物を含む膜が形成されることにより、発電時に不安定な被膜(異常被膜)の生成を防ぐことができる。また、フレームに接触する領域にクロム酸化物の膜を形成することで、クロムの揮発(移動)を抑えることができ、発電性能の低下を回避することができる。 The surface of the interconnector facing the frame is divided into a region where the frame contacts and a region which does not contact the frame located inside the region where the frame contacts. On the surface of the interconnector, a first coating layer may be formed in a region not in contact with the frame, and a film containing chromium oxide may be formed in a region in contact with the frame. Specifically, on the surface of the interconnector, a current collector that is electrically connected to the fuel electrode is disposed in a region that does not contact the frame, and the current collector has a metal part including nickel. The first coating layer may contain nickel. In this case, since the metal part of the current collector and the first coating layer contain the same metal component, the current collector and the interconnector can be reliably fixed by the first coating layer. Therefore, the contact resistance between the interconnector and the current collector can be kept low. In addition, since a film containing chromium oxide is formed in a region in contact with the frame on the surface of the interconnector, generation of an unstable film (abnormal film) during power generation can be prevented. In addition, by forming a chromium oxide film in a region in contact with the frame, it is possible to suppress the volatilization (movement) of chromium and to avoid a decrease in power generation performance.
溶接部は、レーザ溶接痕であってもよい。また、溶接部を形成するときのレーザとして、ファイバーレーザを用いてもよい。ファイバーレーザによる溶接では、小さいスポットサイズに焦点を合わせることができるため、線状の溶接部の線幅を0.2mm以下とすることができる。従って、熱歪みを抑えつつフレームにインタコネクタを確実に溶接することができる。なお、レーザによる溶接以外にも、抵抗溶接等によって溶接を行ってもよい。 The weld may be a laser weld mark. Moreover, you may use a fiber laser as a laser when forming a welding part. In the welding by the fiber laser, since it is possible to focus on a small spot size, the line width of the linear welded portion can be 0.2 mm or less. Therefore, the interconnector can be reliably welded to the frame while suppressing thermal distortion. In addition to laser welding, welding may be performed by resistance welding or the like.
フレームがアルミニウムを含むアルミ含有金属材を用いて形成されていてもよい。また、アルミ含有金属材は、1質量%以上10質量%以下の含有率でアルミニウムを含むことが好ましい。この場合、溶接部の表面にアルミナからなる酸化皮膜を形成することができ、溶接部の耐食性を高めることができる。 The frame may be formed using an aluminum-containing metal material containing aluminum. Moreover, it is preferable that an aluminum containing metal material contains aluminum with the content rate of 1 mass% or more and 10 mass% or less. In this case, an oxide film made of alumina can be formed on the surface of the welded portion, and the corrosion resistance of the welded portion can be improved.
第2コーティング層は、鉄族元素、クロム族元素及びマンガン族元素のうちから選択される少なくとも1つの遷移金属を含む金属酸化物からなる導電性の酸化物被膜である。具体的には、第2コーティング層は、第4周期元素である遷移金属のマンガン、鉄、コバルト、ニッケル、及びクロムから選択される少なくとも1種類の金属Mを含むM系金属酸化物からなる導電性の酸化物被膜であることが好ましい。このような金属酸化物により第2コーティング層を形成すると、燃料極又は空気極のクロム被毒を確実に防止することができる。 The second coating layer is a conductive oxide film made of a metal oxide containing at least one transition metal selected from iron group elements, chromium group elements, and manganese group elements. Specifically, the second coating layer is a conductive material made of an M-based metal oxide containing at least one kind of metal M selected from manganese, iron, cobalt, nickel, and chromium, which are transition metals that are the fourth periodic elements. It is preferable that it is an oxide film. When the second coating layer is formed of such a metal oxide, it is possible to reliably prevent chromium poisoning of the fuel electrode or the air electrode.
電解質層は、固体酸化物からなる固体電解質層であることが好ましい。固体電解質層の形成材料としては、例えばZrO2系セラミック、LaGaO3系セラミックなどが用いられる。 The electrolyte layer is preferably a solid electrolyte layer made of a solid oxide. As a material for forming the solid electrolyte layer, for example, ZrO 2 ceramic, LaGaO 3 ceramic, or the like is used.
空気極は、酸化剤となる酸化剤ガスと接触し、燃料電池単セルにおける正電極として機能する。ここで、空気極の形成材料としては、例えば、金属材料、金属の複合酸化物などを挙げることができる。金属材料の好適例としては、Pt、Au、Ag、Pd、Ir、Ru、Rh等やそれらの合金などがある。金属の複合酸化物の好適例としては、例えば、La、Pr、Sm、Sr、Ba、Co、Fe、Mnを含有する複合酸化物(La1−xSrxCoO3系複合酸化物、La1−xSrxFeO3系複合酸化物、La1−xSrxCo1−yFeyO3系複合酸化物、La1−xSrxMnO3系複合酸化物、Pr1−xBaxCoO3系複合酸化物、Sm1−xSrxCoO3系複合酸化物)などがある。
The air electrode is in contact with an oxidant gas serving as an oxidant, and functions as a positive electrode in a single fuel cell. Here, examples of the material for forming the air electrode include metal materials and metal composite oxides. Preferable examples of the metal material include Pt, Au, Ag, Pd, Ir, Ru, Rh, etc., and alloys thereof. Preferable examples of metal composite oxides include, for example, composite oxides containing La, Pr, Sm, Sr, Ba, Co, Fe, and Mn (La 1-x Sr x CoO 3 -based composite oxide, La 1 -x Sr x FeO 3-based composite oxide, La 1-x Sr x Co 1-y
燃料極は、還元剤となる燃料ガスと接触し、燃料電池単セルにおける負電極として機能する。ここで、燃料極の形成材料としては、例えば、希土類元素(Sc、Yなど)により安定化されたZrO2系セラミック、及び、希土類元素(Sm、Gdなど)をドープしたCeO2系セラミック等のうち、少なくとも1つのセラミック材料と、Pt、Au、Ag、Pd、Ir、Ru、Rh、Ni、Fe等の金属材料及びそれら金属材料の合金のうちの少なくとも1つと、を混合した金属セラミック材料の混合物(サーメット)を使用することができる。 The fuel electrode is in contact with a fuel gas serving as a reducing agent and functions as a negative electrode in a single fuel cell. Here, as the material for forming the fuel electrode, for example, ZrO 2 ceramics stabilized by rare earth elements (Sc, Y, etc.), CeO 2 ceramics doped with rare earth elements (Sm, Gd, etc.), etc. Among them, a metal ceramic material in which at least one ceramic material is mixed with at least one of metal materials such as Pt, Au, Ag, Pd, Ir, Ru, Rh, Ni, Fe and alloys of these metal materials. Mixtures (cermets) can be used.
また、上記課題を解決するための別の手段(手段2)としては、手段1に記載の前記インタコネクタ付燃料電池単セルを、複数個積層したことを特徴とする燃料電池スタックがある。 As another means (means 2) for solving the above-mentioned problem, there is a fuel cell stack in which a plurality of the interconnector-attached fuel cell single cells described in means 1 are stacked.
手段2に記載の発明によると、燃料電池スタックにおいて、各燃料電池単セルでの接合部位における溶接性や耐久性が高められるため、反応ガスがリークすることがなく、良好な電池特性を維持することができる。
According to the invention described in the
また、上記課題を解決するための別の手段(手段3)としては、手段1に記載のインタコネクタ付燃料電池単セルを製造する製造方法であって、ガス流路を構成する穴部がそれぞれ形成された前記フレーム及び前記インタコネクタを準備する準備ステップと、前記フレームと対向する前記インタコネクタの表面において少なくとも前記穴部の周囲であって前記溶接部となる領域を避けて前記第1コーティング層を形成するとともに、前記フレームと対向する前記インタコネクタ表面の裏側となる他方の表面の全体に前記第2コーティング層を形成するコーティングステップと、前記フレーム及び前記インタコネクタを重ね合わせて配置する配置ステップと、前記穴部の周囲であって前記溶接部となる領域にレーザを照射する溶接ステップとを含むことを特徴とするインタコネクタ付燃料電池単セルの製造方法がある。 Further, as another means (means 3) for solving the above-mentioned problem, there is provided a manufacturing method for manufacturing the interconnector-attached fuel cell unit cell described in means 1, wherein the holes constituting the gas flow path are respectively provided. A preparation step of preparing the formed frame and the interconnector, and the first coating layer avoiding a region around the hole and serving as the welded portion on the surface of the interconnector facing the frame; And a coating step for forming the second coating layer on the entire other surface which is the back side of the surface of the interconnector facing the frame, and an arrangement step of arranging the frame and the interconnector in an overlapping manner. And a welding step for irradiating a region around the hole and serving as the weld with a laser. There are provided methods for producing the interconnector with the fuel cell unit, characterized in Mukoto.
従って、手段3に記載の発明によると、コーティングステップでは、フレームと対向するインタコネクタの表面において少なくとも穴部の周囲であって溶接部となる領域を避けて第1コーティング層が形成される。そして、フレーム及びインタコネクタを重ね合わせて配置した後、溶接ステップにおいて、穴部の周囲であって溶接部となる領域にレーザが照射されることで、穴部の周囲を封止する閉回路形状の溶接部が形成される。このとき、溶接部には第1コーティング層が形成されていないので、従来技術のような溶接性の低下を抑えることができる。従って、インタコネクタとフレームとを溶接によって確実に接合することができる。
Therefore, according to the invention described in the
また、コーティングステップにおいて、フレームと対向するインタコネクタ表面に第1コーティング層の形成材料を塗布し、かつフレームと対向するインタコネクタ表面の裏側となる他方の表面に第2コーティング層の形成材料を塗布した後、熱処理を行って、第1コーティング層及び第2コーティング層を焼付けるとともに、フレームと対向するインタコネクタ表面において第1コーティング層の非形成領域に、クロム酸化物を含む膜を形成してもよい。 In the coating step, the first coating layer forming material is applied to the surface of the interconnector facing the frame, and the second coating layer forming material is applied to the other surface on the back side of the interconnector surface facing the frame. Then, a heat treatment is performed to bake the first coating layer and the second coating layer, and a film containing chromium oxide is formed in the non-formation region of the first coating layer on the interconnector surface facing the frame. Also good.
このようにすると、第1コーティング層及び第2コーティング層を別々に焼き付ける場合と比較して、製造コストを抑えることができる。また、インタコネクタの表面におい第1コーティング層の非形成領域には、クロム酸化物の膜が形成されるため、発電時に不安定な被膜(異常被膜)の生成を防ぐことができる。さらに、インタコネクタ表面においてクロム酸化物の膜を形成することで、クロムの揮発(移動)を抑えることができ、クロム被毒による発電性能の低下を回避することができる。 If it does in this way, compared with the case where a 1st coating layer and a 2nd coating layer are baked separately, manufacturing cost can be held down. In addition, since a chromium oxide film is formed in a region where the first coating layer is not formed on the surface of the interconnector, it is possible to prevent the generation of an unstable film (abnormal film) during power generation. Furthermore, by forming a chromium oxide film on the surface of the interconnector, it is possible to suppress the volatilization (migration) of chromium, and to avoid a decrease in power generation performance due to chromium poisoning.
コーティングステップでは、ゾル状の形成材料をスプレー処理によって吹き付けることにより、インタコネクタの各表面に第1コーティング層及び第2コーティング層を形成してもよい。このようにすると、インタコネクタの各表面に、第1コーティング層及び第2コーティング層を効率よく確実に形成することができる。 In the coating step, the first coating layer and the second coating layer may be formed on each surface of the interconnector by spraying a sol-form forming material by a spray process. In this way, the first coating layer and the second coating layer can be efficiently and reliably formed on each surface of the interconnector.
コーティングステップでは、熱処理として、還元雰囲気下での熱処理(還元処理)と酸化雰囲気下での熱処理(酸化処理)とを行う。なお、熱処理における加熱温度は、例えば500℃以上1150℃以下である。この熱処理を行うことによって、インタコネクタの各表面に第1コーティング層及び第2コーティング層を確実に形成することができる。 In the coating step, heat treatment in a reducing atmosphere (reduction treatment) and heat treatment in an oxidizing atmosphere (oxidation treatment) are performed as the heat treatment. In addition, the heating temperature in heat processing is 500 degreeC or more and 1150 degrees C or less, for example. By performing this heat treatment, the first coating layer and the second coating layer can be reliably formed on each surface of the interconnector.
以下、本発明を燃料電池スタックに具体化した一実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。 Hereinafter, an embodiment in which the present invention is embodied in a fuel cell stack will be described in detail with reference to the drawings.
図1及び図2に示されるように、本実施の形態の燃料電池スタック3は、固体酸化物形燃料電池(SOFC)のスタックである。燃料電池スタック3は、インタコネクタ付燃料電池単セル2を複数個(例えば20個)積層してなる。燃料電池スタック3には、インタコネクタ付燃料電池単セル2の積層方向における両端部(図1では上端部と下端部)に、エンドプレート8,9が配置されている。さらに、燃料電池スタック3の周縁部には、同スタック3を厚さ方向(図1及び図2では上下方向)に貫通する複数の貫通穴4が形成されている。なお、燃料電池スタック3の四隅にある4つの貫通穴4に締結ボルト5を挿通させ、燃料電池スタック3の下面から突出する締結ボルト5の下端部分にナット(図示略)を螺着させる。また、残り4つの貫通穴4にガス流通用締結ボルト6を挿通させ、燃料電池スタック3の上面及び下面から突出するガス流通用締結ボルト6の両端部分にナット7を螺着させる。その結果、燃料電池スタック3において複数のインタコネクタ付燃料電池単セル2が固定される。また、燃料電池スタック3の両端部に配置されるエンドプレート8,9は、燃料電池スタック3から出力される電流の出力端子となっている。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
図2及び図3に示されるように、各インタコネクタ付燃料電池単セル2は、発電の最小単位である平板状の燃料電池単セル11(以下、単に「単セル」ともいう)と、セパレータ12と、燃料極フレーム13と、インタコネクタ14とを積層し、各部材を溶接にて接合してなる接合体である。また、隣接するインタコネクタ付燃料電池単セル2において、一方(図2,3では下方)のインタコネクタ付燃料電池単セル2のセパレータ12と他方(図2,3では上方)のインタコネクタ付燃料電池単セル2のインタコネクタ14との間には空気極絶縁フレーム15が介在されている。
As shown in FIGS. 2 and 3, each interconnector-equipped fuel cell
単セル11は、空気極21、燃料極22及び固体電解質層23を有して構成され、発電反応により電力を発生する。セパレータ12は、厚さ0.1mmで形成されており、矩形状の開口部30を中央部に有する略矩形枠状をなしている。本実施の形態では、セパレータ12は、アルミニウムを含むフェライト系ステンレス鋼(例えば、NCA−1等のアルミ含有金属材:「NCA−1」は日新製鋼株式会社の製品名)を用いて形成されている。セパレータ12は、銀を含むロウ材を用いたロウ付けによって単セル11(固体電解質層23)の周縁部に接合されるとともに、燃料極フレーム13の一方の面34(図2では上面)に配置される。セパレータ12は、セル11間の仕切り板として機能し、空気極21に接する酸化剤ガス(空気)及び燃料極22に接する燃料ガスを分離する。
The
燃料極フレーム13は、厚さが2mm程度の導電性材料によって形成された略矩形枠状の部材であり、単セル11の側面を囲むように配置される。つまり、燃料極フレーム13の中央部には、同燃料極フレーム13を厚さ方向に貫通する矩形状の開口部31が設けられており、その開口部31よりも内側(枠内)に、単セル11を構成する空気極21、燃料極22及び固体電解質層23の一部が配置されている。本実施の形態において、燃料極フレーム13は、セパレータ12と同じ材料(例えば、NCA−1)を用いて形成されている。
The
インタコネクタ14は、厚さが0.8mm程度の導電性材料によって略矩形板状に形成されている。本実施の形態のインタコネクタ14は、クロムを含むステンレス鋼であってアルミニウムを殆ど含まないフェライト系合金(例えば、Crofer22H等のアルミ非含有金属材:「Crofer」はThyssenKrupp VDM GmbH社の登録商標)を用いて形成されている。インタコネクタ14は、燃料極フレーム13においてセパレータ12が配置される面34(図2では上面)の裏側となる一方の面35(図2では下面)に配置される。燃料電池スタック3において複数のインタコネクタ付燃料電池単セル2が積層された状態では、インタコネクタ14は、単セル11の厚み方向の両側に一対配置される。そして、各インタコネクタ14により板厚方向での単セル11間の導通が確保される。
The
空気極絶縁フレーム15は、厚さ1.0mm程度の絶縁材料であるマイカシートによって略矩形枠状に形成されている。空気極絶縁フレーム15の中央部には、同絶縁フレーム15を厚さ方向に貫通する矩形状の開口部37が設けられている。
The air
固体電解質層23は、例えばイットリア安定化ジルコニア(YSZ)などのセラミック材料(酸化物)によって、矩形板状に形成されている。固体電解質層23は、セパレータ12の下面に固定されるとともに、セパレータ12の開口部30を塞ぐように配置されている。固体電解質層23は、酸素イオン伝導性固体電解質体として機能するようになっている。なお、固体電解質層23の厚さは、10μm程度である。
The
また、固体電解質層23の上面には、燃料電池スタック3に供給された酸化剤ガスに接する空気極21が形成され、固体電解質層23の下面には、同じく燃料電池スタック3に供給された燃料ガスに接する燃料極22が形成されている。即ち、空気極21及び燃料極22は、固体電解質層23を挟んで両側に配置されている。また、空気極21は、セパレータ12の開口部30内に配置され、セパレータ12と接触しないようになっている。なお、本実施の形態では、燃料極フレーム13の開口部31、インタコネクタ14等によってセパレータ12の下方に燃料室17が形成されるとともに、空気極絶縁フレーム15の開口部37、インタコネクタ14等によってセパレータ12の上方に空気室18が形成されている。
An
本実施の形態の単セル11において、空気極21は、金属の複合酸化物であるLSCF(La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3)によって矩形板状に形成されている。また、燃料極22は、ニッケルとイットリア安定化ジルコニアとの混合物(Ni−YSZ)によって矩形板状に形成されている。空気極21は、空気極側集電体38によってインタコネクタ14に電気的に接続され、燃料極22は、燃料極側集電体39によってインタコネクタ14に電気的に接続されている。本実施の形態において、空気極側集電体38は、インタコネクタ14と一体的に形成されている。なお、空気極側集電体38は、インタコネクタ14とは別部材で形成されていてもよい。また、燃料極側集電体39は、燃料ガスの通過が可能なように、例えばニッケル製の金属体からなる。本実施の形態において、燃料極側集電体39は、金属体部分でスペーサー40を挟み込んで略U字状に折り曲げられた形で金属体部分がインタコネクタ14と燃料極22との間を電気的に接続するように配置されている。
In the
図3及び図4に示されるように、燃料極フレーム13と対向するインタコネクタ14の表面41において、燃料極フレーム13に接触しない領域R1には、燃料極側集電体39をインタコネクタ14に固着させるための第1コーティング層42が形成されている。第1コーティング層42は、燃料極側集電体39を構成する金属と同じ金属(具体的には、ニッケル)を含む酸化物(NiO)からなる。第1コーティング層42の厚みは、10μm程度である。また、インタコネクタ14の表面41において、燃料極フレーム13が接触する領域R2には、クロム酸化物(Cr2O3)からなる酸化膜43(クロミア被膜)が形成されている。この酸化膜43の厚みは1μm程度である。さらに、燃料極フレーム13と対向するインタコネクタ14の表面41の裏側となる他方の表面44の全体には、空気極21がクロムによって被毒されるのを防止するための第2コーティング層45が形成されている。第2コーティング層45は、例えばマンガン及びコバルトを含むスピネル型の金属酸化物被膜からなる。第2コーティング層45の厚みは、第1コーティング層42よりも薄く、5μm以下である。
As shown in FIGS. 3 and 4, the fuel electrode side
燃料電池スタック3には、酸化剤ガス及び燃料ガスを流すガス流路が形成されている。具体的には、図2に示されるように、燃料電池スタック3のガス流路として、各単セル11の燃料室17に燃料ガスを供給する燃料供給経路50と、燃料室17から燃料ガスを排出する燃料排出経路51とが形成されている。燃料供給経路50は、ガス流通用締結ボルト6の中心部において軸方向に沿って延びる燃料供給孔52と、燃料供給孔52及び燃料室17を連通させる燃料供給横孔53とによって構成されている。また、燃料排出経路51は、ガス流通用締結ボルト6の中心部において軸方向に沿って延びる燃料排出孔54と、燃料排出孔54及び燃料室17を連通させる燃料排出横孔55とによって構成されている。よって、燃料ガスは、燃料供給孔52及び燃料供給横孔53を順番に通過して燃料室17に供給され、燃料排出横孔55及び燃料排出孔54を順番に通過して燃料室17から排出される。
The
さらに燃料電池スタック3のガス流路として、各単セル11の空気室18に空気を供給する空気供給経路(図示略)と、空気室18から空気を排出する空気排出経路(図示略)とを備えている。空気供給経路は、燃料供給経路50と略同様の構造を有しており、ガス流通用締結ボルト6の中心部において軸方向に沿って延びる空気供給孔(図示略)と、空気供給孔及び空気室18を連通させる空気供給横孔(図示略)とによって構成されている。また、空気排出経路は、燃料排出経路51と略同様の構造を有しており、ガス流通用締結ボルト6の中心部において軸方向に沿って延びる空気排出孔(図示略)と、空気排出孔及び空気室18を連通させる空気排出横孔(図示略)とによって構成されている。よって、空気は、空気供給孔及び空気供給横孔を順番に通過して空気室18に供給され、空気排出横孔及び空気排出孔を順番に通過して空気室18から排出される。
Further, as a gas flow path of the
本実施の形態において、インタコネクタ付燃料電池単セル2を構成するセパレータ12、燃料極フレーム13及びインタコネクタ14などの平板状の金属部材は、レーザ溶接によって各々接合されている。図5には、インタコネクタ付燃料電池単セル2において、インタコネクタ14側から見た燃料極フレーム13との溶接部70,71を示している。
In the present embodiment, flat metal members such as the
図5に示されるように、インタコネクタ14には、外縁部に複数の穴部60が貫通形成されている。セパレータ12、燃料極フレーム13及び空気極絶縁フレーム15にも、同じ位置に複数の穴部60が貫通形成されている(図3参照)。各穴部60は、締結ボルト5やガス流通用締結ボルト6を挿通させる貫通穴4(図2参照)の一部を構成するものであり、円形状の穴部60aと楕円形状の穴部60bとを含む。
As shown in FIG. 5, the
ここで、インタコネクタ14や燃料極フレーム13等に形成される楕円形状の穴部60bは、上述したガス流路を形成するための穴部である。より詳しくは、図5のインタコネクタ14の上下(図5においての上下方向を指す)に形成される楕円形状の穴部60bにおいて、上側は燃料ガス供給用のガス流路(燃料供給経路50)を形成するための穴部であり、下側は燃料ガス排出用のガス流路(燃料排出経路51)を形成するための穴部である。また、インタコネクタ14の左右(図5においての左右方向を指す)に形成される楕円形状の穴部60bにおいて、左側は酸化剤ガス供給用のガス流路(空気供給経路)を形成するための穴部であり、右側は酸化剤ガス排出用のガス流路(空気排出経路)を形成するための穴部である。
Here, the
図5及び図6に示されるように、インタコネクタ14の外周部65には、燃料極フレーム13と接合するために、レーザ溶接による閉回路形状の溶接部70(線状のレーザ溶接痕)が形成されている。さらに、インタコネクタ14における各穴部60bの周囲にも、レーザ溶接による閉回路形状の溶接部71が形成されている。また、セパレータ12にも、燃料極フレーム13と接合するために、レーザ溶接による閉回路形状の溶接部72,73が同様に形成されている。なお、インタコネクタ14の表面44及びセパレータ12の表面における溶接部70〜73の線幅は0.1mm程度であり、燃料極フレーム13の表面34,35から70μm程度の深さまで溶接部70〜73が形成されている。
As shown in FIGS. 5 and 6, the outer
燃料極フレーム13に対向するインタコネクタ14の表面41において、溶接部70,71には第1コーティング層42は設けられておらず、第1コーティング層42の成分を含まずに各溶接部70,71が形成される。また、インタコネクタ14の表面44には第2コーティング層45が設けられているため、溶接時に第2コーティング層45の成分が溶融して攪拌される結果、第2コーティング層45の成分を含んだ状態で溶接部70,71が形成される。
On the
次に、燃料電池スタック3の製造方法を説明する。
Next, a method for manufacturing the
先ず、所定の導電性材料(Crofer22H)からなる金属板を打ち抜くことにより、穴部60(60a,60b)を有するインタコネクタ14を形成する。また、プレス加工や切削加工などを行うことでインタコネクタ14の表面44に空気極側集電体38を形成する。同様に、所定の材料(NCA−1)からなる金属板を打ち抜くことにより、穴部60(60a,60b)を有する燃料極フレーム13及びセパレータ12を形成する。また、マイカシートを所定形状に形成することにより、穴部60(60a,60b)を有する空気極絶縁フレーム15を形成する。このようにして、ガス流路を構成する各穴部60が形成されたセパレータ12、燃料極フレーム13、インタコネクタ14及び空気極絶縁フレーム15を準備する(準備ステップ)。
First, the
次に、セパレータ12付の単セル11を、従来周知の手法に従って形成する。具体的には、燃料極22となるグリーンシート上に固体電解質層23となるグリーンシートを積層し、焼成する。そして、固体電解質層23上に空気極21の形成材料を印刷する。さらに、固体電解質層23の外周部にロウ材を塗布した後、大気雰囲気下で、例えば850〜1100℃で加熱することでロウ材を溶融させて、固体電解質層23にセパレータ12をロウ付けする。また、このロウ付け時の加熱処理によって空気極21が焼成されて固体電解質層23の表面に焼き付けられる。この結果、セパレータ12を接合した単セル11が作製される。
Next, the
また、インタコネクタ14の各表面41,44に第1コーティング層42及第2コーティング層45を形成する(コーティングステップ)。ここでは、先ず、燃料極フレーム13に対向するインタコネクタ14の表面41において、燃料極フレーム13が接触する外側の領域R2にマスク材を配置する。その状態で、燃料極フレーム13に接触しない内側の領域R1に、第1コーティング層45を形成するためのゾル状の形成材料(NiO)をスプレー処理によって吹き付ける。また、インタコネクタ14において、燃料極フレーム13と対向するインタコネクタ14の表面41の裏側となる他方の表面44に第2コーティング層45を形成するためのゾル状の形成材料(MnCo2O4)をスプレー処理によって吹き付ける。
Further, the
その後、熱処理として、還元雰囲気下での熱処理(還元処理)と酸化雰囲気下での熱処理(酸化処理)とを順番に行う。なお、還元処理としては、水蒸気濃度を3%とし、水素を5%含有する窒素中にて1000℃、4時間の条件で熱処理を行う。また、酸化処理として、大気雰囲気下において1000℃、2時間の条件で熱処理を行う。これら熱処理を行うことで、燃料極フレーム13と対向するインタコネクタ14の表面41において、燃料極フレーム13に接触しない内側の領域R1に、ニッケル酸化膜(NiO)からなる第1コーティング層42が焼き付けられる(図4参照)。また、インタコネクタ14において、燃料極フレーム13と対向する表面41の裏側となる他方の表面44の全体に、スピネル型の結晶構造を有する(Mn,Co)O4の金属酸化物被膜からなる第2コーティング層45が焼き付けられる。さらに、燃料極フレーム13と対向するインタコネクタ14の表面41において、燃料極フレーム13が接触する外側の領域R2である第1コーティング層42の非形成領域に、クロム酸化物(Cr2O3)からなる酸化膜43が形成される(図4参照)。
Thereafter, as heat treatment, heat treatment (reduction treatment) in a reducing atmosphere and heat treatment (oxidation treatment) in an oxidizing atmosphere are sequentially performed. Note that as the reduction treatment, heat treatment is performed at 1000 ° C. for 4 hours in nitrogen containing 3% of water vapor and 5% of hydrogen. Further, as the oxidation treatment, heat treatment is performed under conditions of 1000 ° C. for 2 hours in an air atmosphere. By performing these heat treatments, the
次に、セパレータ12及び燃料極フレーム13をレーザ溶接により接合する。具体的には、単セル11に接合されているセパレータ12と燃料極フレーム13とにおける各穴部60の位置合わせを行う。そして、図7に示されるように、セパレータ12及び燃料極フレーム13を重ね合わせた状態で溶接治具装置100(上治具101と下治具102との間)に配置する(配置ステップ)。さらに、図示しない固定部材(ボルト、ナット、クランプ部材など)によって上治具101と下治具102とを締め付けることでセパレータ12及び燃料極フレーム13を固定する。
Next, the
溶接治具装置100の上治具101には、溶接部72,73を露呈させる開口部103が形成されている。そして、レーザ照射装置105を用い、所定の照射条件(例えば、出力が150W、ビーム径が0.1mm程度)にて上治具101の開口部103に沿ってレーザL1を照射する(溶接ステップ)。ここでは、セパレータ12側から、穴部60の周囲や外周部65に沿ってレーザL1が照射される。このレーザL1の照射熱によって、セパレータ12の材料(NCA−1)と燃料極フレーム13の材料(NCA−1)とを溶融させることで、燃料極フレーム13にセパレータ12をレーザ溶接する。この結果、穴部60の周囲や外周部65を封止する閉回路形状の溶接部72,73が形成される。
In the
なお、レーザ照射装置105としては、例えばファイバーレーザなどの照射装置が用いられる。ファイバーレーザは、波長が1080nmのレーザL1を照射する固体レーザである。また、図示しないX−Yテーブルを用いて溶接治具装置100を水平方向に移動させることで、上治具101の開口部103に沿ってレーザL1を照射するように構成している。
As the
その後、上記と同様の溶接治具装置を用い、レーザ溶接により燃料極フレーム13にインタコネクタ14を接合する。具体的には、燃料極フレーム13及びインタコネクタ14における各穴部60の位置合わせを行いつつ燃料極フレーム13及びインタコネクタ14を重ね合わせた状態で配置する(配置ステップ)。そして、燃料極フレーム13の表面35側(裏面側)にインタコネクタ14をレーザ溶接する(溶接ステップ)。ここでは、レーザ照射装置105により、インタコネクタ14側から、穴部60の周囲や外周部65に沿ってレーザL1が照射される。なお、インタコネクタ14は、セパレータ12よりも厚いため、レーザ出力を300Wとした状態でレーザL1を照射する。そして、レーザL1の照射熱によって、インタコネクタ14の材料(アルミ非含有金属材であるCrofer22H)と燃料極フレーム13の材料(アルミ含有金属材であるNCA−1)とを溶融させることで、燃料極フレーム13にインタコネクタ14をレーザ溶接する。この結果、穴部60の周囲や外周部65を封止する閉回路形状の溶接部70,71が形成される。このように溶接ステップを行うことで、各部材11〜14の接合体であるインタコネクタ付燃料電池単セル2が作製される。
Thereafter, the
そして、インタコネクタ付燃料電池単セル2と空気極絶縁フレーム15とを交互に複数積層して一体化することにより、燃料電池スタック3を形成する。さらに、燃料電池スタック3の四隅にある4つの貫通穴4に締結ボルト5を挿通させ、燃料電池スタック3の下面から突出する締結ボルト5の下端部分にナット(図示略)を螺着させる。また、残り4つの貫通穴4にガス流通用締結ボルト6を挿通させ、燃料電池スタック3の上面及び下面から突出するガス流通用締結ボルト6の両端部分にナット7を螺着させる。その結果、各インタコネクタ付燃料電池単セル2が固定され、燃料電池スタック3が完成する。
Then, the
上記のように製造した燃料電池スタック3において、例えば、稼働温度(700℃程度)に加熱した状態で、燃料供給経路50から燃料室17に燃料ガスを導入するとともに、空気供給経路から空気室18に空気を供給する。その結果、燃料ガス中の水素と空気中の酸素とが固体電解質層23を介して反応(発電反応)し、空気極21を正極、燃料極22を負極とする直流の電力が発生する。なお、本実施の形態の燃料電池スタック3は、インタコネクタ付燃料電池単セル2を複数積層して直列に接続しているため、空気極21に電気的に接続される上側エンドプレート8が正極となり、燃料極22に電気的に接続される下側エンドプレート9が負極となる。
In the
また、上記の製造方法において、インタコネクタ14の各表面41,44における第1コーティング層42及び第2コーティング層45の形成条件を変更してインタコネクタ付燃料電池単セル2の複数のサンプル(No.1〜No.7)を作製し、それぞれの溶接性及び耐久信頼性を確認した。その結果を表1に示している。なお、溶接性としては、各溶接部70,71におけるガスのリークの有無(リーク性)を確認した。また、燃料電池スタック3の稼動温度である700℃程度の高温の熱が繰り返し加わるような耐久試験を行い、溶接部70,71の耐久信頼性を確認した。
表1に示されるように、No.1のサンプルでは、インタコネクタ14の各表面41,44の溶接部70,71に第1コーティング層42及び第2コーティング層45を設けずにレーザ溶接を行い、インタコネクタ付燃料電池単セル2を作製した(図8参照)。No.2のサンプルでは、インタコネクタ14において溶接部70,71となる一方の表面41の領域R2に10μmの厚さの第1コーティング層42を設け他方の表面44に厚さが5μmの第2コーティング層45を設けてレーザ溶接を行い、インタコネクタ付燃料電池単セル2を作製した(図9参照)。No.3のサンプルでは、インタコネクタ14の一方の表面41の領域R2に第1コーティング層42を設けずに他方の表面44に厚さが5μmの第2コーティング層45を設けてレーザ溶接を行い、インタコネクタ付燃料電池単セル2を作製した(図6参照)。No.4のサンプルでは、インタコネクタ14の一方の表面41の領域R2に厚さが10μmの第1コーティング層42を設け他方の表面44に第2コーティング層45を設けずにレーザ溶接を行い、インタコネクタ付燃料電池単セル2を作製した。No.5のサンプルでは、インタコネクタ14の一方の表面41の領域R2に厚さが10μmの第1コーティング層42を設け他方の表面44に厚さが3μmの第2コーティング層45を設けてレーザ溶接を行い、インタコネクタ付燃料電池単セル2を作製した。No.6のサンプルでは、インタコネクタ14の一方の表面41の領域R2に第1コーティング層42を設けずに他方の表面44に厚さが3μmの第2コーティング層45を設けてレーザ溶接を行い、インタコネクタ付燃料電池単セル2を作製した。No.7のサンプルでは、インタコネクタ14の一方の表面41の領域R2に第1コーティング層42を設けずに他方の表面44に厚さが1μmの第2コーティング層45を設けてレーザ溶接を行い、インタコネクタ付燃料電池単セル2を作製した。
As shown in Table 1, no. In the sample 1, laser welding is performed without providing the
表1に示されるように、溶接部70,71の一方の表面41に第1コーティング層42を設けたNo.2、No.4、No.5の各サンプルでは、溶接性が悪化して溶接部70,71においてガスのリークが発生した。また、溶接部70,71における他方の表面44に第2コーティング層45を設けないNo.1、No.4のサンプルでは、溶接部70,71における耐久信頼性(クロムの揮発性、耐磨耗性、腐食性)を確保することができなかった。
As shown in Table 1, No. 1 in which the
これに対して、No.3、No.6、No.7のサンプル(本実施の形態のインタコネクタ付燃料電池単セル2)のように、一方の表面41の領域R2に第1コーティング層42を設けずに他方の表面44に厚さが5μm以下の第2コーティング層45を設けたものでは、リーク性及び耐久信頼性が良好な状態となっていることが確認された。また、No.7のサンプルのように、第2コーティング層45を薄くすると、溶接性がより向上されることが確認された。
In contrast, no. 3, no. 6, no. As in sample 7 (fuel
従って、本実施の形態によれば以下の効果を得ることができる。 Therefore, according to the present embodiment, the following effects can be obtained.
(1)本実施の形態では、燃料極フレーム13と対向するインタコネクタ14の表面41にてレーザ溶接による溶接部70,71には第1コーティング層42が形成されていない。ここで、溶接部70,71に第1コーティング層42が形成されている場合、第1コーティング層42の金属成分は融点が低いため、溶接時には優先的に揮発する。この場合、インタコネクタ14と燃料極フレーム13との溶接部70,71において、スパッタやブローホールが発生し、溶接性が低下する。これに対して、本実施の形態では、溶接部70,71には第1コーティング層42が形成されていないため、従来技術のような溶接性の低下を抑えることができる。従って、インタコネクタ14と燃料極フレーム13とをレーザ溶接によって確実に接合することができる。また、インタコネクタ14の表面41において燃料極フレーム13に接触しない領域R1に第1コーティング層42が形成されることで、第1コーティング層42によってインタコネクタ14と燃料極側集電体39との接触抵抗を低く抑えることが可能となる。特に、本実施の形態の燃料極側集電体39は、ニッケルの金属体からなり、第1コーティング層41はニッケルの酸化膜(NiO)からなる。このため、発電時の高温環境下において燃料極22に燃料ガス(水素H2)が供給されることで、第1コーティング層42のNiOがNiとなり、そのNiによってインタコネクタ14と燃料極側集電体39とが固着してそれらの接合性を向上させることができる。
(1) In the present embodiment, the
(2)本実施の形態では、インタコネクタ14はクロムを含むステンレス材料からなり、インタコネクタ14の他方の表面44の全体には、マンガン及びコバルトを含むスピネル型の第2コーティング層45が形成されている。このように、インタコネクタ14の表面44に第2コーティング層45を形成することによって、空気極21のクロム被毒を確実に防止することができる。またこの場合、溶接部70,71に第2コーティング層45の一部が混ざり込むことで、溶接部70,71の耐久性(耐摩耗性や耐食性)が増す。このため、燃料電池スタック3の発電性能を良好な状態に維持することができ、製品信頼性を高めることができる。
(2) In the present embodiment, the
(3)本実施の形態では、インタコネクタ14において、表面44に形成される第2コーティング層45の厚みは、表面41に形成される第1コーティング層41の厚みよりも薄く、5μm以下となっている。ここで、第2コーティング層45を厚く形成する場合、第2コーティング層45の金属成分は融点が低いため、溶接時に優先的に揮発することで、溶接部70,71においてスパッタやブローホールが発生し易くなり、溶接性が低下する。これに対して、本実施の形態のように、第2コーティング層45を薄くすることで、溶接性を高めることができるため、溶接部70,71における燃料ガス又は酸化剤ガスのリークを確実に回避することができる。また、第2コーティング層45を5μm以下と薄くすることで、溶接部70,71の耐食性の低下を回避することができる。
(3) In the present embodiment, in the
(4)本実施の形態では、燃料極フレーム13と対向するインタコネクタ14の表面41において、燃料極フレーム13が接触する領域R2には、クロム酸化物からなる酸化膜43が形成されている。この場合、インタコネクタ14の表面41において、発電時に不安定な被膜(異常被膜)の生成を防ぐことができる。また、インタコネクタ14の表面41において燃料極フレーム13が接触する領域R2に酸化膜43を形成することで、クロムの揮発(移動)を抑えることができ、発電性能の低下を回避することができる。
(4) In the present embodiment, an
(5)本実施の形態では、セパレータ12、燃料極フレーム13及びインタコネクタ14はファイバーレーザを用いたレーザ溶接により接合されている。ファイバーレーザによる溶接では、小さいスポットサイズに焦点を合わせることができるため、線状の溶接部70〜73の線幅を0.1mm程度とすることができる。従って、熱歪みを抑えつつ燃料極フレーム13にインタコネクタ14やセパレータ12を確実に溶接することができる。
(5) In the present embodiment, the
(6)本実施の形態では、燃料極フレーム13がアルミニウムを含むアルミ含有金属材(NCA−1)を用いて形成されている。この場合、燃料極フレーム13とインタコネクタ14とを接合する際に、溶接部70,71は、燃料極フレーム13のアルミ含有金属材とインタコネクタ14のアルミ非含有金属材とが溶融しそれらが攪拌される結果、アルミニウムを含んだ状態で形成される。このようにすると、溶接部70,71の表面にアルミナからなる酸化皮膜が形成されるため、その耐食性を高めることができる。
(6) In the present embodiment, the
(7)本実施の形態では、コーティングステップにおいて、燃料極フレーム13と対向するインタコネクタ14の各表面41,44に第1コーティング層42及び第2コーティング層45が同時に焼き付けられる。このようにすると、第1コーティング層42及び第2コーティング層45を別々に焼き付ける場合と比較して、製造コストを抑えることができる。
(7) In the present embodiment, in the coating step, the
なお、本発明の実施の形態は以下のように変更してもよい。 In addition, you may change embodiment of this invention as follows.
・上記実施の形態では、燃料極フレーム13と対向するインタコネクタ14の表面41において、燃料極フレーム13が接触する領域R2には、第1コーティング層42を設けていなかったが、これに限定されるものではない。図10に示されるように、燃料極フレーム13が接触する領域R2において、溶接部70,71を避けて第1コーティング層42を設けてもよい。また、上記実施の形態では、インタコネクタ14の表面41において、燃料極フレーム13に接触しない領域R1の全体に第1コーティング層42を設けていたが、これに限定されものではない。インタコネクタ14の表面41の領域R1において、少なくとも燃料極側集電体39の接触部位に第1コーティング層42を設ければよく、例えばその接触部位に島状の第1コーティング層42を設けてもよい。
In the above embodiment, the
・上記実施の形態では、インタコネクタ14の表面41において、燃料極フレーム13に接触する領域R2にマスク材を配置して燃料極フレーム13に接触しない領域R1に第1コーティング層42を形成していたが、これに限定されるものではない。具体的には、インタコネクタ14の表面41の全体に第1コーティング層42を形成した後、サンドブラスト処理によって、溶接部70,71となる箇所の表面にある第1コーティング層42を除去してもよい。また、溶接時よりも低い出力でレーザを照射して、溶接部70,71となる箇所の表面にある第1コーティング層42を除去するようにしてもよい。
In the above embodiment, the mask material is disposed on the
・上記実施の形態では、インタコネクタ14の表面に、ゾル状の形成材料をスプレー処理によって吹き付けることで各コーティング層42,45を形成していたが、これ以外に、めっき、スピンコート、溶射などの手法によって各コーティング層42,45を形成してもよい。
In the above embodiment, the coating layers 42 and 45 are formed by spraying a sol-form forming material on the surface of the
・上記実施の形態では、ファイバーレーザを用いたレーザ溶接によって燃料極フレーム13とインタコネクタ14とを接合していたが、ファイバーレーザ以外に、炭酸ガスレーザやYAGレーザを用いたレーザ溶接にて接合してもよい。さらに、レーザ溶接以外に、例えばシームレス溶接(抵抗溶接)などの他の手法によって燃料極フレーム13とインタコネクタ14とを接合してもよい。
In the above embodiment, the
・上記実施の形態では、固体酸化物形燃料電池に具体化するものであったが、これ以外に溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)などの他の燃料電池に具体化してもよい。 In the above embodiment, the solid oxide fuel cell is embodied. However, other fuel cells such as a molten carbonate fuel cell (MCFC) may be embodied.
次に、特許請求の範囲に記載された技術的思想のほかに、前述した実施の形態によって把握される技術的思想を以下に列挙する。 Next, in addition to the technical ideas described in the claims, the technical ideas grasped by the embodiments described above are listed below.
(1)手段1において、前記フレームと対向する前記インタコネクタ表面の裏側となる他方の表面の全体には、前記燃料極又は前記空気極が前記クロムによって被毒されるのを防止するための金属酸化物被膜からなる第2コーティング層が形成されており、前記第2コーティング層は、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、及びクロムから選択される少なくとも1種類の金属Mを含むM系金属酸化物からなる導電性の酸化物被膜であることを特徴とするインタコネクタ付燃料電池単セル。 (1) In the means 1, the metal for preventing the fuel electrode or the air electrode from being poisoned by the chromium on the entire other surface on the back side of the surface of the interconnector facing the frame A second coating layer made of an oxide film is formed. The second coating layer is made of an M-based metal oxide containing at least one metal M selected from manganese, iron, cobalt, nickel, and chromium. A fuel cell unit cell with an interconnector, characterized in that it is a conductive oxide film.
(2)手段1において、前記フレームと対向する前記インタコネクタ表面の裏側となる他方の表面の全体には、前記燃料極又は前記空気極が前記クロムによって被毒されるのを防止するための金属酸化物被膜からなる第2コーティング層が形成されており、前記第2コーティング層は、鉄族元素、クロム族元素及びマンガン族元素のうちから選択される少なくとも1つの遷移金属を含む金属酸化物からなる導電性の酸化物被膜であることを特徴とするインタコネクタ付燃料電池単セル。 (2) In the means 1, the metal for preventing the fuel electrode or the air electrode from being poisoned by the chromium on the entire other surface which is the back side of the surface of the interconnector facing the frame A second coating layer made of an oxide film is formed, and the second coating layer is made of a metal oxide containing at least one transition metal selected from an iron group element, a chromium group element, and a manganese group element. A fuel cell unit cell with an interconnector, characterized in that it is a conductive oxide film.
(3)手段1において、前記フレームと対向する前記インタコネクタ表面の裏側となる他方の表面の全体には、前記燃料極又は前記空気極が前記クロムによって被毒されるのを防止するための金属酸化物被膜からなる第2コーティング層が形成されており、前記第2コーティング層は、第4周期元素である遷移金属を含む金属酸化物からなる導電性の酸化物被膜であることを特徴とするインタコネクタ付燃料電池単セル。 (3) In the means 1, the metal for preventing the fuel electrode or the air electrode from being poisoned by the chromium on the entire other surface on the back side of the surface of the interconnector facing the frame A second coating layer made of an oxide film is formed, and the second coating layer is a conductive oxide film made of a metal oxide containing a transition metal that is a fourth periodic element. Single fuel cell with interconnector.
(4)手段1において、前記フレームと対向する前記インタコネクタ表面の裏側となる他方の表面の全体には、前記燃料極又は前記空気極が前記クロムによって被毒されるのを防止するための金属酸化物被膜からなる第2コーティング層が形成されており、前記第2コーティング層は、マンガンとコバルトとを含むことを特徴とするインタコネクタ付燃料電池単セル。 (4) In the means 1, the metal for preventing the fuel electrode or the air electrode from being poisoned by the chromium on the entire other surface which is the back side of the surface of the interconnector facing the frame A fuel cell unit cell with an interconnector, wherein a second coating layer made of an oxide film is formed, and the second coating layer contains manganese and cobalt.
(5)技術的思想(1)乃至(4)のいずれかにおいて、前記第2コーティング層の厚みは、1μm以下であることを特徴とするインタコネクタ付燃料電池単セル。 (5) In any of the technical ideas (1) to (4), the thickness of the second coating layer is 1 μm or less.
(6)手段1において、前記フレームがアルミニウムを含むアルミ含有金属材を用いて形成されることを特徴とするインタコネクタ付燃料電池単セル。 (6) The fuel cell unit cell with an interconnector according to means 1, wherein the frame is formed using an aluminum-containing metal material containing aluminum.
(7)技術的思想(6)において、前記アルミ含有金属材は、1質量%以上10質量%以下の含有率でアルミニウムを含むことを特徴とするインタコネクタ付燃料電池単セル。 (7) In the technical idea (6), the aluminum-containing metal material contains aluminum at a content of 1% by mass or more and 10% by mass or less.
(8)手段1において、前記溶接部は線状のレーザ溶接痕であり、その線幅は0.2mm以下であることを特徴とするインタコネクタ付燃料電池単セル。 (8) The interconnector-attached fuel cell single cell according to means 1, wherein the welded portion is a linear laser welding mark, and the line width is 0.2 mm or less.
(9)手段1において、前記電解質層は、固体酸化物からなる固体電解質層であることを特徴とするインタコネクタ付燃料電池単セル。 (9) The fuel cell single cell with an interconnector according to means 1, wherein the electrolyte layer is a solid electrolyte layer made of a solid oxide.
(10)手段4において、前記コーティングステップでは、ゾル状の前記形成材料をスプレー処理によって吹き付けることにより、前記インタコネクタの各表面に前記第1コーティング層及び前記第2コーティング層を形成することを特徴とするインタコネクタ付燃料電池単セルの製造方法。
(10) In the
(11)手段4において、前記コーティングステップでは、前記熱処理として、還元雰囲気下での熱処理と酸化雰囲気下での熱処理とを行うことを特徴とするインタコネクタ付燃料電池単セルの製造方法。
(11) The method of manufacturing a fuel cell unit cell with an interconnector, wherein, in the
(12)手段4において、前記熱処理における加熱温度は、500℃以上1150℃以下であることを特徴とするインタコネクタ付燃料電池単セルの製造方法。
(12) In the
2…インタコネクタ付燃料電池単セル
3…燃料電池スタック
11…燃料電池単セルとしての単セル
13…フレームとしての燃料極フレーム
14…インタコネクタ
21…空気極
22…燃料極
23…固体電解質層
35…フレームの一方の面
39…集電体としての燃料極側集電体
41…インタコネクタの表面
42…第1コーティング層
43…クロム酸化物を含む膜としての酸化膜
44…インタコネクタの他方の表面
45…第2コーティング層
60,60a,60b…穴部
70,71…接合部位としての溶接部
L1…レーザ
R1…フレームに接触しない領域
R2…フレームに接触する領域
2 ... Fuel cell single cell with
Claims (10)
枠内に電解質層、及び燃料極又は空気極の一部が配置される枠状のフレームと、
前記フレームの一方の面に配置される板状のインタコネクタと
を積層してなるインタコネクタ付燃料電池単セルであって、
前記フレーム及び前記インタコネクタが溶接部を介して接合され、
前記フレームと対向する前記インタコネクタ表面にて前記溶接部を少なくとも除く領域には、第1コーティング層が形成され、
前記インタコネクタ表面の裏側となる他方の表面の全体には第2コーティング層が形成されている
ことを特徴とするインタコネクタ付燃料電池単セル A planar fuel cell single cell having a fuel electrode, an air electrode and an electrolyte layer;
A frame-like frame in which a part of the electrolyte layer and the fuel electrode or the air electrode is disposed in the frame;
A fuel cell single cell with an interconnector formed by laminating a plate-like interconnector disposed on one surface of the frame,
The frame and the interconnector are joined via a weld,
A first coating layer is formed in a region excluding at least the weld on the surface of the interconnector facing the frame,
A fuel cell single cell with an interconnector, wherein a second coating layer is formed on the entire other surface which is the back side of the interconnector surface
前記第2コーティング層は前記燃料極又は前記空気極が前記クロムによって被毒されるのを防止するための金属酸化物被膜からなることを特徴とする請求項1に記載のインタコネクタ付燃料電池単セル。 The interconnector is made of a material containing chromium,
2. The fuel cell with interconnector according to claim 1, wherein the second coating layer is made of a metal oxide film for preventing the fuel electrode or the air electrode from being poisoned by the chromium. cell.
前記フレームに接触しない領域には、前記第1コーティング層が形成され、
前記フレームに接触する領域には、クロム酸化物を含む膜が形成されている
ことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載のインタコネクタ付燃料電池単セル。 The surface of the interconnector facing the frame is divided into a region where the frame contacts and a region which does not contact a frame located inside the region where the frame contacts,
The first coating layer is formed in a region not in contact with the frame,
The fuel cell single cell with an interconnector according to any one of claims 1 to 3, wherein a film containing chromium oxide is formed in a region in contact with the frame.
ガス流路を構成する穴部がそれぞれ形成された前記フレーム及び前記インタコネクタを準備する準備ステップと、
前記フレームと対向する前記インタコネクタの表面において少なくとも前記穴部の周囲であって前記溶接部となる領域を避けて前記第1コーティング層を形成するとともに、前記フレームと対向する前記インタコネクタ表面の裏側となる他方の表面の全体に前記第2コーティング層を形成するコーティングステップと、
前記フレーム及び前記インタコネクタを重ね合わせて配置する配置ステップと、
前記穴部の周囲であって前記溶接部となる領域にレーザを照射する溶接ステップと
を含むことを特徴とするインタコネクタ付燃料電池単セルの製造方法。 A manufacturing method for manufacturing the interconnector-equipped fuel cell unit cell according to any one of claims 1 to 7,
A preparation step of preparing the frame and the interconnector each having a hole portion constituting a gas flow path;
Forming the first coating layer on the surface of the interconnector facing the frame at least around the hole and avoiding the region to be the welded portion, and the back side of the interconnector surface facing the frame A coating step for forming the second coating layer on the entire other surface,
An arrangement step of superposing the frame and the interconnector;
And a welding step of irradiating a region around the hole and serving as the welded portion with a laser.
前記フレームと対向する前記インタコネクタ表面に前記第1コーティング層の形成材料を塗布し、かつ前記フレームと対向する前記インタコネクタ表面の裏側となる他方の表面に前記第2コーティング層の形成材料を塗布した後、
熱処理を行って、前記第1コーティング層及び前記第2コーティング層を焼付けるとともに、前記フレームと対向する前記インタコネクタ表面において前記第1コーティング層の非形成領域に、クロム酸化物を含む膜を形成する
ことを特徴とする請求項9に記載のインタコネクタ付燃料電池単セルの製造方法。 In the coating step,
The material for forming the first coating layer is applied to the surface of the interconnector facing the frame, and the material for forming the second coating layer is applied to the other surface on the back side of the surface of the interconnector facing the frame. After
The first coating layer and the second coating layer are baked by performing a heat treatment, and a film containing chromium oxide is formed in a region where the first coating layer is not formed on the surface of the interconnector facing the frame. The manufacturing method of the fuel cell single cell with an interconnector of Claim 9 characterized by the above-mentioned.
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