JP2018037299A - インターコネクタおよびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】接着先との接着性がより高いインターコネクタおよびその製造法を提供することを目的とする。
【解決手段】インターコネクタEは、FeとCrを含む金属部材からなる基材21と、基材21の表面に形成され、Cr2O3を主成分とする酸化クロム層22と、酸化クロム層22の表面に形成され、Mn、Co、Fe、CrおよびOの元素を含んで構成される緻密層(第一層)23と、第一層23の表面に形成され、Mn、Co、FeおよびOの元素を含んで構成される多孔質層(第二層)24と、を備えたインターコネクタである。インターコネクタEは、第一層23の厚みは、2.5〜8μmであり、第二層24の空孔率は、25〜35%である。
【選択図】図2
【解決手段】インターコネクタEは、FeとCrを含む金属部材からなる基材21と、基材21の表面に形成され、Cr2O3を主成分とする酸化クロム層22と、酸化クロム層22の表面に形成され、Mn、Co、Fe、CrおよびOの元素を含んで構成される緻密層(第一層)23と、第一層23の表面に形成され、Mn、Co、FeおよびOの元素を含んで構成される多孔質層(第二層)24と、を備えたインターコネクタである。インターコネクタEは、第一層23の厚みは、2.5〜8μmであり、第二層24の空孔率は、25〜35%である。
【選択図】図2
Description
本発明は、インターコネクタおよびその製造方法に関する。
インターコネクタの一形式として、特許文献1に示されているものが知られている。特許文献1の集電部材20(インターコネクタ)は、特許文献1の図2に示すように、基材210と、第2導電性セラミックス膜220と、を備える。基材210は、Fe及びCrを含む合金部材211と、合金部材211上に形成され、Cr2O3によって構成される第1導電性セラミックス膜212と、を有する。第2導電性セラミックス膜220は、第1導電性セラミックス膜212上に形成され、Mn及びCoを含むセラミックス材料によって構成される。第2導電性セラミックス膜220は、外表面を形成する第1緻密層221と、第1緻密層221の内側に配置され、複数の閉気孔222Aを含む多孔質層222と、を有する。
この集電部材の製造方法は、次の通りである。合金部材211の表面にRFスパッタ装置を用いてCr2O3をスパッタリングし、その後大気雰囲気中で熱処理を行うことにより、合金部材211の表面にCr2O3の柱状粒子を成長させて、第1導電性セラミックス膜212を形成する。 次に、第1導電性セラミックス膜212の表面に、(Mn,Co)3O4を含むコーティング剤を複数回塗布/乾燥させる。この際、造孔剤を含むコーティング剤を複数回塗布/乾燥させた後に、造孔剤を含まないコーティング剤を複数回塗布/乾燥させる。このように造孔剤の有無を調整することによって、後述する焼き付け処理において第1緻密層221と多孔質層222の二層が形成される。
この集電部材の製造方法は、次の通りである。合金部材211の表面にRFスパッタ装置を用いてCr2O3をスパッタリングし、その後大気雰囲気中で熱処理を行うことにより、合金部材211の表面にCr2O3の柱状粒子を成長させて、第1導電性セラミックス膜212を形成する。 次に、第1導電性セラミックス膜212の表面に、(Mn,Co)3O4を含むコーティング剤を複数回塗布/乾燥させる。この際、造孔剤を含むコーティング剤を複数回塗布/乾燥させた後に、造孔剤を含まないコーティング剤を複数回塗布/乾燥させる。このように造孔剤の有無を調整することによって、後述する焼き付け処理において第1緻密層221と多孔質層222の二層が形成される。
インターコネクタの他の一形式として、特許文献2に示されているものが知られている。特許文献2のコーティング体は、特許文献2の図8に示すように、スピネル型結晶構造を有する遷移金属酸化物(MnCo2O4)を構成する各金属元素(Mn,Co)の粉末がコーティング膜の出発原料とされる。この粉末の混合物を含むペーストの膜がインターコネクタの表面に形成された状態でペーストを焼成して、コーティング膜が形成される。このコーティング体では、コーティング膜とインターコネクタとの境界部にて、インターコネクタに近い側から順に、Cr2O3を含んで構成されるクロミア層、Mn,Co,Fe,Cr,及びOの元素を含んで構成される第1層、及び、Mn,Co,Fe,及びOの元素を含んで構成される第2層が介在している。
インターコネクタの他の一形式として、特許文献3に示されているものが知られている。特許文献3の固体酸化物形燃料電池セルは、特許文献3の図1に示すように、固体電解質と、その一方の表面側に配置された燃料極層と、他方の表面側に配置された空気極層と、空気極層の表面上に配置された集電層とを少なくとも有してなる固体酸化物形燃料電池セルであって、空気極層がランタン及び鉄を含むランタンフェライト系ペロブスカイト酸化物、ランタン及びコバルトを含むランタンコバルト系ペロブスカイト酸化物、およびサマリウム及びコバルトを含むサマリウムコバルト系ペロブスカイト酸化物からなる群から選択されるものであり、集電層が銀、パラジウム、および酸化物を含んでなる多孔質の層であり、この集電層の空気層との界面付近以外の部分が20%以上70%以下の平均気孔率を有し、かつ空気極層との界面付近が前記平均気孔率の50%以上の値の平均気孔率を有している。
特許文献1に係る集電部材は、外表面(第1緻密層の外表面)が緻密であるため、接着先から剥離し易い。また、集電部材の製造工程は、工程数が多くかつ複雑であり、製造時間がかかる。
特許文献2に係るコーティング体は、第1層および第2層の空孔率が比較的小さいため、コーティング膜が接着先から剥離し易い。
特許文献3に係る集電層は、空気極層との界面付近の平均気孔率が50%以上であるため、集電層は接着先から剥離しにくい。しかし、集電層自体が壊れやすく接着境界でなく集電層内部にて剥離するおそれがあった。
特許文献2に係るコーティング体は、第1層および第2層の空孔率が比較的小さいため、コーティング膜が接着先から剥離し易い。
特許文献3に係る集電層は、空気極層との界面付近の平均気孔率が50%以上であるため、集電層は接着先から剥離しにくい。しかし、集電層自体が壊れやすく接着境界でなく集電層内部にて剥離するおそれがあった。
本発明は、上述した問題を解決するためになされたものであり、接着先との接着性がより高いインターコネクタおよびその製造法を提供することを目的としている。
上記の課題を解決するため、請求項1に係るインターコネクタは、FeとCrを含む金属部材からなる基材と、基材の表面に形成され、Cr2O3を主成分とする酸化クロム層と、酸化クロム層の表面に形成され、Mn、Co、Fe、CrおよびOの元素を含んで構成される緻密層と、緻密層の表面に形成され、Mn、Co、FeおよびOの元素を含んで構成される多孔質層と、を備えたインターコネクタであって、緻密層の厚みは、2.5〜8μmであり、多孔質層の空孔率は、25〜35%である。
また、請求項2に係るインターコネクタの製造方法は、FeとCrを含む金属部材からなる基材と、基材の表面に形成され、Cr2O3を主成分とする酸化クロム層と、酸化クロム層の表面に形成され、Mn、Co、Fe、CrおよびOの元素を含んで構成される緻密層と、緻密層の表面に形成され、Mn、Co、FeおよびOの元素を含んで構成される多孔質層と、を備えたインターコネクタの製造方法であって、基材の表面に、Mn−Co系セラミックスの粉末を含むスラリーを塗布し、その後、大気雰囲気にて、所定温度範囲にて所定時間だけ1回のみ焼成する。
本発明のインターコネクタおよびその製造方法によれば、外表面は空孔率が25〜35%である多孔質層の表面であるため、接着先との接着性を高く維持することができる。また、多孔質層の空孔率は、25〜35%であるため、多孔質層自体ひいてはインターコネクタ自体が壊れることに起因する剥離を抑制することができる。よって、接着先との接着性がより高いインターコネクタおよびその製造方法を提供することができる。
以下、本発明のインターコネクタを燃料電池に適用した一実施形態について説明する。
(燃料電池)
本実施形態において、燃料電池10は、図1に示すように、平板型の燃料電池である。燃料電池10は、複数の単セルCが法線方向に沿って交互に積層した多層構造である。単セルCは、平らな薄膜状の電解質層13と、電解質層13の一方側(図示において下方側)に設けられた同様に平らな薄膜状のカソード層12と、電解質層13の他方側(図示において上方側)に設けられた同様に平らなアノード層11と、を備えた多層構造を有する。なお、図1においては、燃料電池10の一つの単セルCのみを示している。
本実施形態において、燃料電池10は、図1に示すように、平板型の燃料電池である。燃料電池10は、複数の単セルCが法線方向に沿って交互に積層した多層構造である。単セルCは、平らな薄膜状の電解質層13と、電解質層13の一方側(図示において下方側)に設けられた同様に平らな薄膜状のカソード層12と、電解質層13の他方側(図示において上方側)に設けられた同様に平らなアノード層11と、を備えた多層構造を有する。なお、図1においては、燃料電池10の一つの単セルCのみを示している。
(アノード層)
アノード層11は、所定の方法により供給される燃料ガスと電解質層13中を移動してきた酸素イオンとが接し、燃料ガスが酸化され電子を生成する電極反応が進行する燃料極である。燃料ガスとしては、代表的には水素を用いることができるが、メタン、プロパン等の炭化水素であっても構わない。
アノード層11は、所定の方法により供給される燃料ガスと電解質層13中を移動してきた酸素イオンとが接し、燃料ガスが酸化され電子を生成する電極反応が進行する燃料極である。燃料ガスとしては、代表的には水素を用いることができるが、メタン、プロパン等の炭化水素であっても構わない。
アノード層11は、従来公知の構成及び形態でよく、特に制限されない。好ましくは、アノード層11を形成する材料として、触媒活性、還元雰囲気下での安定性、コスト等を考慮して選定される金属材料の粉末に、適当な電解質層中のセラミックス材料の粉末を混合した公知のサーメットを用いることができる。代表的には、金属材料としての酸化ニッケル(NiO)に、セラミックス材料としてのイットリア安定化ジルコニア(YSZ)を混合したNi−YSZサーメットを挙げることができる。セラミックス材料として、YSZに代えて、スカンジア安定化ジルコニア(ScSZ)、ガドリニウムドープセリア(GDC)、サマリウムドープセリア(SDC)等を用いることもできる。金属材料として、Niに代えて、Fe、Co、Ru、Pd、Pt等を用いることもできる。
アノード層11は、燃料ガスを効率よく透過可能な多孔質体から構成されるのが好ましい。また、アノード層11は、単セルCの薄膜状の他層を支持する支持体としての機能を有していてもよい。アノード層11の厚みは、例えば10μm〜300μm程度であればよいが、アノード層11を支持体とする場合は、アノード層11の厚みを他層の厚みよりも大きく形成できる。
(電解質層)
電解質層13は、カソード層12で生成する酸素イオンをアノード層11に移動可能である。電解質層13は、以下の条件を満たす材料で形成されている。第一の条件は、還元・酸化両雰囲気下で作動温度にて安定であることであり、第二の条件は、高い酸素イオン伝導性及び低い電子導電性を有し、緻密な電解質層を容易に形成できることである。
電解質層13は、カソード層12で生成する酸素イオンをアノード層11に移動可能である。電解質層13は、以下の条件を満たす材料で形成されている。第一の条件は、還元・酸化両雰囲気下で作動温度にて安定であることであり、第二の条件は、高い酸素イオン伝導性及び低い電子導電性を有し、緻密な電解質層を容易に形成できることである。
電解質層13は、従来公知の構成及び形態でよく、特に制限されない。好ましくは、電解質層13を形成する材料としては、Y等の異原子価金属酸化物を添加して安定化したジルコニア(ZrO2)を用いることができる。異原子価金属酸化物として具体的には、Y2O3、Yb2O3、Sc2O3、Gd2O3、Sm2O3、CeO2等から選択される1種以上を用いることができる。中でも、Y2O3で安定化したイットリア安定化ジルコニア(YSZ)を好ましく用いることができる。また、電解質層13の厚みは、例えば30〔μm〕程度であればよい。
(カソード層)
カソード層12は、電極内に導電される電子によって空気中の酸素を還元し、酸素イオンとして電解質層13に送り出す空気極である。カソード層12では、空気中の酸素が後述するインターコネクタEを介して電極内に導電される電子を受け取り、酸素イオンを生成する電極反応が進行し、酸素イオンを電解質層13に到達させる。カソード層12は、好ましくは、酸化雰囲気下での安定性を有し、ガスを効率よく透過可能な多孔質体から構成されている。酸化性のガスとしては、代表的には空気を用いることができるが、他の酸化性のガス(例えば酸素等)であっても構わない。
カソード層12は、電極内に導電される電子によって空気中の酸素を還元し、酸素イオンとして電解質層13に送り出す空気極である。カソード層12では、空気中の酸素が後述するインターコネクタEを介して電極内に導電される電子を受け取り、酸素イオンを生成する電極反応が進行し、酸素イオンを電解質層13に到達させる。カソード層12は、好ましくは、酸化雰囲気下での安定性を有し、ガスを効率よく透過可能な多孔質体から構成されている。酸化性のガスとしては、代表的には空気を用いることができるが、他の酸化性のガス(例えば酸素等)であっても構わない。
カソード層12は、従来公知の構成及び形態でよく、特に制限されない。好ましくは、カソード層12に用いられる材料としては、La、Sr、及びSmのうちから少なくとも1種以上をAサイトに含有し、Ca、Mn、Co、Fe、Cr、及びNiのうち少なくとも1種以上をBサイトに含有し、ペロブスカイト構造を有する酸化物を用いることができる。ペロブスカイト型酸化物は、Aサイト元素として、Ce、Pr、Nd、Euのランタノイド、Ca、Ba、Raのアルカリ土類金属、Na及びCdのうちから少なくとも1種以上をさらに含有しても構わない。ペロブスカイト型酸化物は、Bサイト元素として、Coを含有するコバルタイト系であれば好ましい。コバルタイト系のペロブスカイト型酸化物は、SOFCとしては低温作動条件で、カソード層12を形成する材料として適している。具体的には、LSC、LSCF、等を挙げることができる。
(SOFCの製造)
次に、本発明の燃料電池の製造方法について説明する。本実施形態の単セルCの製造方法は、公知の製法による。例えば、アノード層前駆体及び電解質層前駆体を積層し、予め共焼成して得られたアノード層及び電解質層から成るハーフセル積層体を得る。ハーフセル積層体の電解質層上に、カソード層前駆体を積層して焼成する方法によって製造することができる。
次に、本発明の燃料電池の製造方法について説明する。本実施形態の単セルCの製造方法は、公知の製法による。例えば、アノード層前駆体及び電解質層前駆体を積層し、予め共焼成して得られたアノード層及び電解質層から成るハーフセル積層体を得る。ハーフセル積層体の電解質層上に、カソード層前駆体を積層して焼成する方法によって製造することができる。
アノード層前駆体は、例えば、以下のように作製することができる。アノード層を形成するセラミックス材料粉末と金属材料粉末との混合粉末に、バインダと造孔剤と溶剤を加えて混合することによりスラリーを調製する。次に、このスラリーでグリーンシートを作製し、所定の形状に切断した後に乾燥する。これにより、グリーンシート状のアノード層前駆体が得られる。スラリーを調整するためのバインダとして、ポリビニルブチラールやエチルセルロース等、造孔剤として、ポリメタクリル酸メチル又はカーボン等の微粒子を、溶剤として、トルエン、ブタノールまたはエタノール等を好適に用いることができ、後述する各層前駆体のスラリーの調整に関しても同様である。
アノード層前駆体と同様に電解質層材料粉末を用いてスラリーを調製し、このスラリーをスクリーン印刷によってアノード層前駆体の表面上に積層し、乾燥させる。そして、アノード層前駆体及び電解質層前駆体を積層した材料を、これらの焼結に適した温度(例えば1300℃以上)及び時間をかけて共焼成し、アノード層11及び電解質層13が積層されたハーフセル積層体を得る。
そして、アノード層前駆体と同様に、カソード層12用の金属酸化物粉末を用いてスラリーを調製し、このスラリーをスクリーン印刷によってハーフセル積層体の電解質層13側の表面上に積層し、乾燥させる。ハーフセル積層体の上面にカソード層前駆体が積層された単セルCの前駆体を、好ましくは900℃以上1250℃以下の温度で、好ましくは1時間以上12時間以下の時間だけ保持することによって焼結する。これにより、SOFCの単セルCを製造できる。なお、各前駆体に他の前駆体を順に積層する方法については特に限定はなく、スクリーン印刷法の他に、スラリーコート法、テープキャスティング法、ドクタブレード法などを用いて積層することができる。
(インターコネクタ)
インターコネクタEは、燃料電池10の電極を構成するアノード層11または/およびカソード層12に接合剤31を介して接続されている。図1においては、インターコネクタEがカソード層12に接続されている状態を示している。
インターコネクタEは、隣接する単セルCの間に介装され、一方側に積層する単セルCのアノード層11と他方側に積層する単セルCのカソード層12とに挟まれるように各層11,12に接合されている。インターコネクタEは、一方側に接合する単セルCのアノード層11で電極反応が進行した結果生成する電子を集電して、他方側に接合する単セルCのカソード層12に供給すべく、それぞれの単セルCに電気的に接続されている。若しくは、燃料電池10の一端側の所定のインターコネクタEは、積層されている最も一端側の単セルCに電気的に接続されており、外部回路を介して供給される電子をカソード層12に供給する。また、他端側の所定のインターコネクタEは、積層されている最も他端側の単セルCに電気的に接続されており、アノード層11で生成する電子を外部回路に供給する。
なお、アノード層11とインターコネクタEとの間には、燃料ガスが流通する流路(図示省略)が形成され、カソード層12とインターコネクタEとの間には、酸化性のガスが流通する流路(図示省略)が形成されている。
インターコネクタEは、燃料電池10の電極を構成するアノード層11または/およびカソード層12に接合剤31を介して接続されている。図1においては、インターコネクタEがカソード層12に接続されている状態を示している。
インターコネクタEは、隣接する単セルCの間に介装され、一方側に積層する単セルCのアノード層11と他方側に積層する単セルCのカソード層12とに挟まれるように各層11,12に接合されている。インターコネクタEは、一方側に接合する単セルCのアノード層11で電極反応が進行した結果生成する電子を集電して、他方側に接合する単セルCのカソード層12に供給すべく、それぞれの単セルCに電気的に接続されている。若しくは、燃料電池10の一端側の所定のインターコネクタEは、積層されている最も一端側の単セルCに電気的に接続されており、外部回路を介して供給される電子をカソード層12に供給する。また、他端側の所定のインターコネクタEは、積層されている最も他端側の単セルCに電気的に接続されており、アノード層11で生成する電子を外部回路に供給する。
なお、アノード層11とインターコネクタEとの間には、燃料ガスが流通する流路(図示省略)が形成され、カソード層12とインターコネクタEとの間には、酸化性のガスが流通する流路(図示省略)が形成されている。
インターコネクタEは、基材21、Cr2O3層22、第一層23、および第二層24から構成されている。
基材21は、FeとCrを含む金属部材からなる。基材21は、例えば、Fe−Crの所定形状の金属板を用いることができる。なお、基材21は、例えば、Crを含む他の金属部材で構成するようにしてもよい。
基材21は、FeとCrを含む金属部材からなる。基材21は、例えば、Fe−Crの所定形状の金属板を用いることができる。なお、基材21は、例えば、Crを含む他の金属部材で構成するようにしてもよい。
Cr2O3層(以下、酸化クロム層という場合もある)22は、基材21の表面に形成され、Cr2O3を主成分とする。
第一層23は、Cr2O3層の表面に形成され、Mn、Co、Fe、CrおよびOの元素を含んで構成される緻密層である。第一層23は、緻密質な構成を有する。第一層23の空孔率は、第二層24の空孔率よりも低いことが好ましい。具体的に、第一層23の空孔率は、例えば0.5%〜15%であることが好ましい。第一層23の空孔率とは、第一層23の断面において、単位面積当たりにおける空孔の占有面積である。換言すれば、第一層23の空孔率は、断面の所定範囲(例えば、100〜1000μm2程度)における空孔の面積占有率である。
第一層23の厚みは、2μm〜10μmとすることが好ましく、特に、2.5μm〜8μmであることが好ましい。
第一層23の厚みは、2μm〜10μmとすることが好ましく、特に、2.5μm〜8μmであることが好ましい。
第二層24は、第一層23の表面に形成され、Mn、Co、FeおよびOの元素を含んで構成される多孔質層である。多孔質層は、複数の空孔を含んでいる。第二層24の空孔率は、25%以上37%以下であることが好ましく、特に25%以上35%以下であることが好ましい。空孔率とは、第二層24の断面において、単位面積当たりにおける複数の空孔の占有面積である。換言すれば、第二層24の空孔率は、断面の所定範囲(例えば、100〜1000μm2程度)における空孔の面積占有率である。
第二層24の厚みは、2.5μm〜30μmとすることが好ましく、特に、2.6μm〜27μmであることが好ましい。
なお、空孔とは、第一層23および第二層24内に形成されている空間(空隙、気孔)である。
上述した第一層23と第二層24とからコーティング膜25が構成される。このコーティング膜25の膜厚である全体膜厚は、5μm〜35μmとすることが好ましく、特に5.5〜33μmであることが好ましい。
第二層24の厚みは、2.5μm〜30μmとすることが好ましく、特に、2.6μm〜27μmであることが好ましい。
なお、空孔とは、第一層23および第二層24内に形成されている空間(空隙、気孔)である。
上述した第一層23と第二層24とからコーティング膜25が構成される。このコーティング膜25の膜厚である全体膜厚は、5μm〜35μmとすることが好ましく、特に5.5〜33μmであることが好ましい。
接合剤31は、メタル系では銀系材料、セラミック系では導電性セラミック材料が用いられる。例えば、導電性セラミック材料として、La−Sr−Co−Fe系ペロブスカイト型複合酸化物が挙げられている。接合剤31は、銀系材料または導電性セラミック材料の粉末にバインダが加えられて作製される接合用のペーストが、インターコネクタEと燃料電池10の電極との間に塗布され焼成されて形成されるものである。
(インターコネクタの製造方法)
次に、本発明のインターコネクタEの製造方法について説明する。インターコネクタEの基材21として、例えば、Fe−Crの所定形状の金属板を用いることができる。この基材21にスラリーを所定の膜厚(初期膜厚)だけ塗布し、乾燥させ、その後、焼成する方法によって、インターコネクタEを製造することができる。
次に、本発明のインターコネクタEの製造方法について説明する。インターコネクタEの基材21として、例えば、Fe−Crの所定形状の金属板を用いることができる。この基材21にスラリーを所定の膜厚(初期膜厚)だけ塗布し、乾燥させ、その後、焼成する方法によって、インターコネクタEを製造することができる。
スラリーは、以下の材料をボールミルで所定時間(例えば48時間)以上混合して調製する。
主剤は、Mn−Co系セラミックス粉末であり、例えば、Mn1.5Co1.5O4、MnCo2O4またはFe,Cuなどを含有させたMnCo1.9Fe0.1O4などがある。このとき、平均粒径は0.5umである。
溶剤は、2−ブタン(MEK(メチルエチルケトン))、エタノールである。
ほかの材料は、所定のバインダ(例えば、ポリビニルアルコール)、分散剤(例えば、フタル酸ジ(2−エチルヘキシル)(フタル酸ビス(2−エチルヘキシル)))である。
主剤は、Mn−Co系セラミックス粉末であり、例えば、Mn1.5Co1.5O4、MnCo2O4またはFe,Cuなどを含有させたMnCo1.9Fe0.1O4などがある。このとき、平均粒径は0.5umである。
溶剤は、2−ブタン(MEK(メチルエチルケトン))、エタノールである。
ほかの材料は、所定のバインダ(例えば、ポリビニルアルコール)、分散剤(例えば、フタル酸ジ(2−エチルヘキシル)(フタル酸ビス(2−エチルヘキシル)))である。
スラリーの塗布は、ディッピング法により行われている。ディッピング法は、基材21をスラリーに浸けた後、引き上げる方法である。例えば、ディップコーティング装置を使用する。ディップコーティング装置は、塗布対象物を一定の速度で引き上げることができる。引き上げ速度は、10〜50mm/sが好ましい。塗布回数は、1〜3回が好ましい。また、数回塗布する場合には、前回塗布した層が乾燥した後、次回塗布を行うことが好ましい。ただし、乾燥しすぎるのは好ましくないため、乾燥後所定時間内に次回塗布の開始を行うのが好ましい。なお、塗布は、スクリーン印刷法、スラリーコート法、テープキャスティング法、ドクタブレード法などを用いることができる。
焼成は、例えば、電気炉で行うことが好ましい。すなわち、大気中(大気雰囲気すなわち大気圧)にて焼成されるのが好ましい。焼成の際において、昇降温速度は、70〜130℃/時間であることが好ましく、100℃/時間であることが特に好ましい。また、焼成の条件は、温度が950〜1050℃の範囲(所定温度範囲)が好ましく、時間が10〜32時間(所定時間)の範囲が好ましい。
このように焼成することにより、基材21のCr成分が基材21に塗布されているコーティング膜内に拡散するため、基材21側から緻密化し、基材21側に緻密層である第一層23が形成され、その外側に第二層24が形成される。
以下、本発明の実施例について表1を参照して説明する。以下の実施例は、本発明を具体的に実施した例を示すものであり、本発明が以下の実施例に限定されるものではない。
<第一実施例>
基材21を上記スラリーに浸けた後、30mm/sで引き上げることで、基材21にスラリーを塗布した。塗布回数は1回である。このときの塗布膜厚が初期膜厚である。初期膜厚と乾燥後の膜厚はほとんど変化なく、乾燥後の膜厚が若干小さくなることもある。その後、スラリーが塗布されている基材21を、焼成温度が980℃であり、焼成時間が10時間である焼成条件にて焼成する。その結果、全体膜厚が5.6μmであるインターコネクタEが形成される。形成されたインターコネクタEの断面を図2に示す。このとき、第一層23の膜厚は、3.0μmであり、第二層24の膜厚は2.6μmである。全体膜厚に対する第一層23の割合は、54.8%である。第二層24の空孔率は31.4%である。
なお、塗布膜厚は、スラリーが塗布されている膜厚のことである。この塗布膜厚は、引き上げ速度が遅いほど厚くなり、塗布回数が多いほど厚くなる。また、塗布膜厚は、スラリーの粘性(粘度)が高いほど厚くなる。よって、塗布膜厚は、引き上げ速度、塗布回数、スラリーの粘性などを調整することにより、調製することが可能となる。
基材21を上記スラリーに浸けた後、30mm/sで引き上げることで、基材21にスラリーを塗布した。塗布回数は1回である。このときの塗布膜厚が初期膜厚である。初期膜厚と乾燥後の膜厚はほとんど変化なく、乾燥後の膜厚が若干小さくなることもある。その後、スラリーが塗布されている基材21を、焼成温度が980℃であり、焼成時間が10時間である焼成条件にて焼成する。その結果、全体膜厚が5.6μmであるインターコネクタEが形成される。形成されたインターコネクタEの断面を図2に示す。このとき、第一層23の膜厚は、3.0μmであり、第二層24の膜厚は2.6μmである。全体膜厚に対する第一層23の割合は、54.8%である。第二層24の空孔率は31.4%である。
なお、塗布膜厚は、スラリーが塗布されている膜厚のことである。この塗布膜厚は、引き上げ速度が遅いほど厚くなり、塗布回数が多いほど厚くなる。また、塗布膜厚は、スラリーの粘性(粘度)が高いほど厚くなる。よって、塗布膜厚は、引き上げ速度、塗布回数、スラリーの粘性などを調整することにより、調製することが可能となる。
<第二実施例>
基材21を上記スラリーに浸けた後、30mm/sで引き上げることで、基材21にスラリーを塗布した。塗布回数は2回である。その後、スラリーが塗布されている基材21を、焼成温度が1000℃であり、焼成時間が10時間である焼成条件にて焼成する。その結果、全体膜厚が11.2μmであるインターコネクタEが形成される。形成されたインターコネクタEの断面を図3に示す。このとき、第一層23の膜厚は、3.7μmであり、第二層24の膜厚は7.5μmである。全体膜厚に対する第一層23の割合は、34.0%である。第二層24の空孔率は32.5%である。
基材21を上記スラリーに浸けた後、30mm/sで引き上げることで、基材21にスラリーを塗布した。塗布回数は2回である。その後、スラリーが塗布されている基材21を、焼成温度が1000℃であり、焼成時間が10時間である焼成条件にて焼成する。その結果、全体膜厚が11.2μmであるインターコネクタEが形成される。形成されたインターコネクタEの断面を図3に示す。このとき、第一層23の膜厚は、3.7μmであり、第二層24の膜厚は7.5μmである。全体膜厚に対する第一層23の割合は、34.0%である。第二層24の空孔率は32.5%である。
<第三実施例>
基材21を上記スラリーに浸けた後、20mm/sで引き上げることで、基材21にスラリーを塗布した。塗布回数は1回である。その後、スラリーが塗布されている基材21を、焼成温度が950℃であり、焼成時間が32時間である焼成条件にて焼成する。その結果、全体膜厚が6.3μmであるインターコネクタEが形成される。形成されたインターコネクタEの断面を図4に示す。このとき、第一層23の膜厚は、2.5μmであり、第二層24の膜厚は3.8μmである。全体膜厚に対する第一層23の割合は、41.3%である。第二層24の空孔率は31.7%である。
基材21を上記スラリーに浸けた後、20mm/sで引き上げることで、基材21にスラリーを塗布した。塗布回数は1回である。その後、スラリーが塗布されている基材21を、焼成温度が950℃であり、焼成時間が32時間である焼成条件にて焼成する。その結果、全体膜厚が6.3μmであるインターコネクタEが形成される。形成されたインターコネクタEの断面を図4に示す。このとき、第一層23の膜厚は、2.5μmであり、第二層24の膜厚は3.8μmである。全体膜厚に対する第一層23の割合は、41.3%である。第二層24の空孔率は31.7%である。
<第四実施例>
基材21を上記スラリーに浸けた後、20mm/sで引き上げることで、基材21にスラリーを塗布した。塗布回数は2回である。その後、スラリーが塗布されている基材21を、焼成温度が980℃であり、焼成時間が10時間である焼成条件にて焼成する。その結果、全体膜厚が15.5μmであるインターコネクタEが形成される。形成されたインターコネクタEの断面を図5に示す。このとき、第一層23の膜厚は、3.4μmであり、第二層24の膜厚は12.1μmである。全体膜厚に対する第一層23の割合は、21.0%である。第二層24の空孔率は35.1%である。
基材21を上記スラリーに浸けた後、20mm/sで引き上げることで、基材21にスラリーを塗布した。塗布回数は2回である。その後、スラリーが塗布されている基材21を、焼成温度が980℃であり、焼成時間が10時間である焼成条件にて焼成する。その結果、全体膜厚が15.5μmであるインターコネクタEが形成される。形成されたインターコネクタEの断面を図5に示す。このとき、第一層23の膜厚は、3.4μmであり、第二層24の膜厚は12.1μmである。全体膜厚に対する第一層23の割合は、21.0%である。第二層24の空孔率は35.1%である。
<第五実施例>
基材21を上記スラリーに浸けた後、20mm/sで引き上げることで、基材21にスラリーを塗布した。塗布回数は3回である。その後、スラリーが塗布されている基材21を、焼成温度が1000℃であり、焼成時間が10時間である焼成条件にて焼成する。その結果、全体膜厚が31.1μmであるインターコネクタEが形成される。形成されたインターコネクタEの断面を図6に示す。このとき、第一層23の膜厚は、4.0μmであり、第二層24の膜厚は27.1μmである。全体膜厚に対する第一層23の割合は、12.6%である。第二層24の空孔率は34.3%である。
基材21を上記スラリーに浸けた後、20mm/sで引き上げることで、基材21にスラリーを塗布した。塗布回数は3回である。その後、スラリーが塗布されている基材21を、焼成温度が1000℃であり、焼成時間が10時間である焼成条件にて焼成する。その結果、全体膜厚が31.1μmであるインターコネクタEが形成される。形成されたインターコネクタEの断面を図6に示す。このとき、第一層23の膜厚は、4.0μmであり、第二層24の膜厚は27.1μmである。全体膜厚に対する第一層23の割合は、12.6%である。第二層24の空孔率は34.3%である。
<第六実施例>
基材21を上記スラリーに浸けた後、25mm/sで引き上げることで、基材21にスラリーを塗布した。塗布回数は3回である。その後、スラリーが塗布されている基材21を、焼成温度が1050℃であり、焼成時間が16時間である焼成条件にて焼成する。その結果、全体膜厚が32.9μmであるインターコネクタEが形成される。形成されたインターコネクタEの断面を図7に示す。このとき、第一層23の膜厚は、7.9μmであり、第二層24の膜厚は25.0μmである。全体膜厚に対する第一層23の割合は、23.9%である。第二層24の空孔率は26.9%である。
基材21を上記スラリーに浸けた後、25mm/sで引き上げることで、基材21にスラリーを塗布した。塗布回数は3回である。その後、スラリーが塗布されている基材21を、焼成温度が1050℃であり、焼成時間が16時間である焼成条件にて焼成する。その結果、全体膜厚が32.9μmであるインターコネクタEが形成される。形成されたインターコネクタEの断面を図7に示す。このとき、第一層23の膜厚は、7.9μmであり、第二層24の膜厚は25.0μmである。全体膜厚に対する第一層23の割合は、23.9%である。第二層24の空孔率は26.9%である。
<第一比較例>
基材21を上記スラリーに浸けた後、15mm/sで引き上げることで、基材21にスラリーを塗布した。塗布回数は3回である。その後、スラリーが塗布されている基材21を、焼成温度が900℃であり、焼成時間が10時間である焼成条件にて焼成する。その結果、全体膜厚が40.7μmであるインターコネクタEが形成される。形成されたインターコネクタEの断面を図8に示す。このとき、第一層23の膜厚は、0.7μmであり、第二層24の膜厚は40.0μmである。全体膜厚に対する第一層23の割合は、1.8%である。第二層24の空孔率は34.6%である。
基材21を上記スラリーに浸けた後、15mm/sで引き上げることで、基材21にスラリーを塗布した。塗布回数は3回である。その後、スラリーが塗布されている基材21を、焼成温度が900℃であり、焼成時間が10時間である焼成条件にて焼成する。その結果、全体膜厚が40.7μmであるインターコネクタEが形成される。形成されたインターコネクタEの断面を図8に示す。このとき、第一層23の膜厚は、0.7μmであり、第二層24の膜厚は40.0μmである。全体膜厚に対する第一層23の割合は、1.8%である。第二層24の空孔率は34.6%である。
<第二比較例>
基材21を上記スラリーに浸けた後、15mm/sで引き上げることで、基材21にスラリーを塗布した。塗布回数は2回である。その後、スラリーが塗布されている基材21を、焼成温度が900℃であり、焼成時間が10時間である焼成条件にて焼成する。その結果、全体膜厚が21.4μmであるインターコネクタEが形成される。形成されたインターコネクタEの断面を図9に示す。このとき、第一層23の膜厚は、0.8μmであり、第二層24の膜厚は17.6μmである。全体膜厚に対する第一層23の割合は、3.8%である。第二層24の空孔率は36.9%である。
基材21を上記スラリーに浸けた後、15mm/sで引き上げることで、基材21にスラリーを塗布した。塗布回数は2回である。その後、スラリーが塗布されている基材21を、焼成温度が900℃であり、焼成時間が10時間である焼成条件にて焼成する。その結果、全体膜厚が21.4μmであるインターコネクタEが形成される。形成されたインターコネクタEの断面を図9に示す。このとき、第一層23の膜厚は、0.8μmであり、第二層24の膜厚は17.6μmである。全体膜厚に対する第一層23の割合は、3.8%である。第二層24の空孔率は36.9%である。
[評価]
実施例の評価を比較例と比較しながら説明する。評価項目は、ASR(面積比抵抗)の増加の有無、および密着性である。
最初にASRの増加の有無について説明する。
ASRは、接触面積×抵抗で算出することができる。接触面積は、インターコネクタEと燃料電池10の単セルCの電極とが接触する部分の面積である。抵抗は、電圧/電流で表されるので、試料に定電流にて定電圧を印加することで、計測することができる(例えば、四端子測定法、二端子測定法などがある)。
試料の焼成直後のASRを測定し、その後、同じ試料を所定時間(例えば100時間)だけ所定温度(例えば800℃)にて加熱した直後のASRを測定し、両測定値の差を算出することで、ASRの増加の有無を算出することができる。
実施例の評価を比較例と比較しながら説明する。評価項目は、ASR(面積比抵抗)の増加の有無、および密着性である。
最初にASRの増加の有無について説明する。
ASRは、接触面積×抵抗で算出することができる。接触面積は、インターコネクタEと燃料電池10の単セルCの電極とが接触する部分の面積である。抵抗は、電圧/電流で表されるので、試料に定電流にて定電圧を印加することで、計測することができる(例えば、四端子測定法、二端子測定法などがある)。
試料の焼成直後のASRを測定し、その後、同じ試料を所定時間(例えば100時間)だけ所定温度(例えば800℃)にて加熱した直後のASRを測定し、両測定値の差を算出することで、ASRの増加の有無を算出することができる。
第一実施例〜第六実施例については、表1に示すように、ASRの増加は認められない、すなわち、ASRの変化はない。これに対して、第一比較例および第二比較例については、ASRの増加が認められる。詳述すると、第一実施例〜第六実施例においては、緻密層である第一層23の厚みが2〜10μmであるため、高温度下にて雰囲気中酸素が基材21に拡散するのを抑制することができる。よって、酸化クロム層22が成長するのを抑制することができるため、導電性の低下を抑制することができる。その結果、時間経過に伴う酸化によってASRが増加するのを抑制することができる。一方、第一比較例および第二比較例においては、緻密層である第一層23の厚みが0.7〜0.8μmであるため、雰囲気中酸素が基材21に比較的容易に拡散することとなる。よって、酸化クロム層22が成長するのを抑制することができないため、導電性の低下を抑制することができない。その結果、時間経過に伴う酸化によってASRが増加することとなる。
なお、高温度下であっても雰囲気中酸素が基材21に拡散するのを抑制することができ、酸化クロム層22が成長するのを抑制することができる。よって、比較的低温度(例えば室温)下においても、同様に雰囲気中酸素が基材21に拡散するのを抑制することができ、酸化クロム層22が成長するのを抑制することができる。
なお、高温度下であっても雰囲気中酸素が基材21に拡散するのを抑制することができ、酸化クロム層22が成長するのを抑制することができる。よって、比較的低温度(例えば室温)下においても、同様に雰囲気中酸素が基材21に拡散するのを抑制することができ、酸化クロム層22が成長するのを抑制することができる。
次に密着性について説明する。密着試験は、次のように行われる。
燃料電池の単セルCのアノード層11またはカソード層12にインターコネクタEの第二層24を接合剤31を介して接合した試料を作製する。
試料に対して、比較的低温(例えば室温)と比較的高温(例えば800℃)との間にて昇温・降温を繰り返す熱サイクルを所定回数(例えば、30回)だけ行った後に、試料の外観に剥離、膨脹、割れなどがあるか否かを確認する。特に、第二層24の剥離の有無、第二層24の膨脹の有無、第二層24の割れの有無など、を確認する。
燃料電池の単セルCのアノード層11またはカソード層12にインターコネクタEの第二層24を接合剤31を介して接合した試料を作製する。
試料に対して、比較的低温(例えば室温)と比較的高温(例えば800℃)との間にて昇温・降温を繰り返す熱サイクルを所定回数(例えば、30回)だけ行った後に、試料の外観に剥離、膨脹、割れなどがあるか否かを確認する。特に、第二層24の剥離の有無、第二層24の膨脹の有無、第二層24の割れの有無など、を確認する。
第一実施例〜第六実施例については、第二層24の剥離などはなく、密着性は良好である。これに対して、第一比較例については、第二層24の剥離などはなく、密着性は良好である。しかし、第二比較例については、第二層24の割れがあり、密着性は良好でない。詳述すると、第一実施例〜第六実施例においては、多孔質層である第二層24の空孔率が25〜35%であるため、多孔質層自体の強度を向上させ多孔質層自体を確保することができるので、第二層24内での破壊が容易に発生しない。また、第二層24の外表面側は多孔質であり、接合剤31とのアンカー効果による接合強度が向上するとともに、熱膨脹係数差による熱応力を軽減することができる。よって、第二層24と接合剤31との剥離、基材21(または第一層23)と第二層24との剥離を抑制することができる。一方、第二比較例においては、多孔質層である第二層24の空孔率が35%より大きく、多孔質層自体の強度が弱いため、燃料電池10の動作時の熱応力により、多孔質層が破壊する可能性がある。また、多孔質層である第二層24の空孔率が25%より小さい場合には、接合剤31との間で十分なアンカー効果が得られず、動作時の熱応力により、第二層24が接合剤31との界面で剥離する可能性がある。
以上、詳述したとおり、本発明に係るインターコネクタEは、FeとCrを含む金属部材からなる基材21と、基材21の表面に形成され、Cr2O3を主成分とする酸化クロム層22と、酸化クロム層22の表面に形成され、Mn、Co、Fe、CrおよびOの元素を含んで構成される緻密層(第一層)23と、第一層23の表面に形成され、Mn、Co、FeおよびOの元素を含んで構成される多孔質層(第二層)24と、を備えたインターコネクタである。インターコネクタEは、第一層23の厚みは、2.5〜8μmであり、第二層24の空孔率は、25〜35%である。
本発明のインターコネクタEによれば、外表面は空孔率が25〜35%である多孔質層(第二層)24の表面であるため、接着先(例えば燃料電池10の単セルCの電極)との接着性(密着性)を高く維持することができる。また、多孔質層(第二層)24の空孔率は、25〜35%であるため、多孔質層(第二層)24自体ひいてはインターコネクタE自体が壊れることに起因する剥離を抑制することができる。よって、接着先との接着性がより高いインターコネクタEを提供することができる。
また、本発明に係るインターコネクタEは、緻密層である第一層23の厚みが2〜10μmであるため、雰囲気中酸素が基材21に拡散するのを抑制することができる。よって、酸化クロム層22が成長するのを抑制することができるため、導電性の低下を抑制することができる。その結果、時間経過に伴う酸化によってASRが増加するのを抑制することができる。よって、燃料電池10の内部抵抗を比較的小さくすることにより、燃料電池10の発電効率を高く維持することができる。
また、本発明に係るインターコネクタEの製造方法は、FeとCrを含む金属部材からなる基材21と、基材21の表面に形成され、Cr2O3を主成分とする酸化クロム層22と、酸化クロム層22の表面に形成され、Mn、Co、Fe、CrおよびOの元素を含んで構成される緻密層(第一層)23と、第一層23の表面に形成され、Mn、Co、FeおよびOの元素を含んで構成される多孔質層(第二層)24と、を備えたインターコネクタEの製造方法である。インターコネクタEの製造方法は、基材21の表面に、Mn−Co系セラミックスの粉末を含むスラリーを塗布し、その後、大気雰囲気にて、所定温度範囲にて所定時間だけ1回のみ焼成する。
本発明のインターコネクタEの製造方法によれば、外表面は空孔率が25〜35%である多孔質層(第二層)24の表面であるため、接着先との接着性を高く維持することができる。また、多孔質層(第二層)24の空孔率は、25〜35%であるため、多孔質層(第二層)24自体ひいてはインターコネクタE自体が壊れることに起因する剥離を抑制することができる。よって、接着先との接着性がより高いインターコネクタEの製造方法を提供することができる。
また、本発明のインターコネクタEの製造方法によれば、製造工程が簡単となり、比較的短時間かつ比較的低コストとなる。第一層23と第二層24の工程を複数の分けることなく、すなわち、第一層23と第二層24のスラリーは同一であるため、一つの塗布工程ですむ。
また、スラリーの塗布膜厚(初期膜厚)は、5〜35μmである。これによれば、形成されたインターコネクタEは、第一層23の厚みは、2.5〜8μmとなり、第二層24の空孔率は、25〜35%とすることが可能となる。よって、上述したインターコネクタEの作用効果を得ることができる。
また、焼成条件として、燃焼温度の所定温度範囲は、950〜1050℃であり、燃焼時間の所定時間は、10〜32時間の範囲内である。これによれば、形成されたインターコネクタEは、第一層23の厚みは、2.5〜8μmとなり、第二層24の空孔率は、25〜35%とすることが可能となる。よって、上述したインターコネクタEの作用効果を得ることができる。
なお、本発明に係るインターコネクタEは、種々の構造の燃料電池に用いることができ、平板型の単セルを積層した構造に限られない。円筒型や、円筒の周面を押し潰した中空扁平な筒型の単セルを備える燃料電池であっても好ましく適用することができる。また、燃料電池は、固体酸化物型燃料電池に限らず、いわゆるリン酸型、固体高分子型などの種々の燃料電池に用いることができる。
10…燃料電池、11…アノード層、12…カソード層、13…電解質層、21…基材、22…Cr2O3層(酸化クロム層)、23…第一層(緻密層)、24…第二層(多孔質層)、25…コーティング膜、31…接合剤、C…単セル、E…インターコネクタ。
Claims (4)
- FeとCrを含む金属部材からなる基材と、
前記基材の表面に形成され、Cr2O3を主成分とする酸化クロム層と、
前記酸化クロム層の表面に形成され、Mn、Co、Fe、CrおよびOの元素を含んで構成される緻密層と、
前記緻密層の表面に形成され、Mn、Co、FeおよびOの元素を含んで構成される多孔質層と、
を備えたインターコネクタであって、
前記緻密層の厚みは、2〜10μmであり、
前記多孔質層の空孔率は、25〜35%であるインターコネクタ。 - FeとCrを含む金属部材からなる基材と、
前記基材の表面に形成され、Cr2O3を主成分とする酸化クロム層と、
前記酸化クロム層の表面に形成され、Mn、Co、Fe、CrおよびOの元素を含んで構成される緻密層と、
前記緻密層の表面に形成され、Mn、Co、FeおよびOの元素を含んで構成される多孔質層と、
を備えたインターコネクタの製造方法であって、
前記基材の表面に、Mn−Co系セラミックスの粉末を含むスラリーを塗布し、
その後、大気雰囲気にて、所定温度範囲にて所定時間だけ1回のみ焼成するインターコネクタの製造方法。 - 前記スラリーの塗布膜厚は、5〜35μmである請求項2記載のインターコネクタの製造方法。
- 前記所定温度範囲は、950〜1050℃であり、
前記所定時間は、10〜32時間の範囲内である請求項2または請求項3記載のインターコネクタの製造方法。
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JP2020149971A (ja) * | 2019-03-07 | 2020-09-17 | 日本碍子株式会社 | 電気化学セル |
JP2020149970A (ja) * | 2019-03-07 | 2020-09-17 | 日本碍子株式会社 | 電気化学セル |
WO2023002718A1 (ja) * | 2021-07-21 | 2023-01-26 | 住友電気工業株式会社 | 導電部材、燃料電池および電解装置 |
-
2016
- 2016-08-31 JP JP2016169838A patent/JP2018037299A/ja active Pending
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WO2023002718A1 (ja) * | 2021-07-21 | 2023-01-26 | 住友電気工業株式会社 | 導電部材、燃料電池および電解装置 |
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