JP2019215987A - Alloy member, cell stack, and cell stack device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、合金部材、セルスタック及びセルスタック装置に関する。 The present invention relates to an alloy member, a cell stack, and a cell stack device.
従来、電気化学セルの一種である複数の燃料電池セルが集電部材によって電気的に接続されたセルスタックと、各燃料電池セルを支持するマニホールドとを備えたセルスタック装置が知られている(特許文献1及び2参照)。集電部材及びマニホールドには、合金部材が用いられる。
2. Description of the Related Art Conventionally, a cell stack device including a cell stack in which a plurality of fuel cells, which are a kind of electrochemical cells, are electrically connected by a current collecting member, and a manifold that supports each fuel cell is known (
特許文献1の集電部材では、Fe−Cr系合金やNi−Cr系合金などによって構成される基材からCrが揮発することを抑制するために、基材の表面上に形成された酸化クロム膜を覆う被覆膜が設けられている。
In the current collecting member of
しかしながら、特許文献1の集電部材では、基材と被覆膜との熱膨張係数が異なるため、被覆膜が酸化クロム膜とともに剥離するおそれがある。
However, in the current collecting member of
本発明は、上述の状況に鑑みてなされたものであり、被覆膜の剥離を抑制可能な合金部材、セルスタック及びセルスタック装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above situation, and an object of the present invention is to provide an alloy member, a cell stack, and a cell stack device that can suppress peeling of a coating film.
本発明に係る合金部材は、クロムを含有する合金材料によって構成される基材と、基材の表面の少なくとも一部を覆う酸化クロム膜と、酸化クロム膜の表面の少なくとも一部を覆う被覆膜とを備える。基材は、表面にそれぞれ形成された複数の凹部を有する。酸化クロム膜は、複数の凹部それぞれの内部に埋設された複数の埋設部を有する。複数の埋設部それぞれは、複数の凹部それぞれの開口でくびれている。基材の断面において、複数の埋設部の平均深さは、0.7μm以上である。 The alloy member according to the present invention includes a base made of an alloy material containing chromium, a chromium oxide film covering at least a part of the surface of the base, and a coating covering at least a part of the surface of the chromium oxide film. And a membrane. The substrate has a plurality of recesses formed on the surface. The chromium oxide film has a plurality of embedded portions embedded inside each of the plurality of concave portions. Each of the plurality of buried portions is constricted by an opening of each of the plurality of recesses. In the cross section of the base material, the average depth of the plurality of buried portions is 0.7 μm or more.
本発明によれば、被覆膜の剥離を抑制可能な合金部材、セルスタック及びセルスタック装置を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the alloy member which can suppress peeling of a coating film, a cell stack, and a cell stack apparatus can be provided.
[セルスタック装置100]
図1は、セルスタック装置100の斜視図である。セルスタック装置100は、マニホールド200と、セルスタック250とを備える。
[Cell Stack Device 100]
FIG. 1 is a perspective view of the
[マニホールド200]
図2は、マニホールド200の斜視図である。マニホールド200は、「合金部材」の一例である。
[Manifold 200]
FIG. 2 is a perspective view of the
マニホールド200は、燃料ガス(例えば、水素など)を各燃料電池セル300に分配するように構成されている。マニホールド200は、中空状であり、内部空間を有している。マニホールド200の内部空間には、導入管204を介して燃料ガスが供給される。
The
マニホールド200は、天板201と、容器202とを有する。天板201は、平板状に形成される。容器202は、コップ状に形成される。天板201は、容器202の上方開口を塞ぐように配置される。
The
天板201は、接合材103(図2では不図示、図6参照)によって容器202に接合される。接合材103としては、例えば、結晶化ガラス、非晶質ガラス、ろう材、及びセラミックスなどが挙げられる。本実施形態において、結晶化ガラスとは、全体積に対する「結晶相が占める体積」の割合(結晶化度)が60%以上であり、全体積に対する「非晶質相及び不純物が占める体積」の割合が40%未満のガラスである。このような結晶化ガラスとしては、例えば、SiO2−B2O3系、SiO2−CaO系、又はSiO2−MgO系が挙げられる。
The
天板201には、複数の挿入孔203が形成されている。各挿入孔203は、燃料電池セル300の配列方向(z軸方向)に並べられる。各挿入孔203は、互いに間隔をあけて配置される。各挿入孔203は、マニホールド200の内部空間と外部に連通する。
A plurality of
マニホールド200の詳細な構成については後述する。
The detailed configuration of the
[セルスタック250]
図3は、セルスタック装置100の断面図である。セルスタック250は、複数の燃料電池セル300と、複数の集電部材301とを有する。
[Cell Stack 250]
FIG. 3 is a cross-sectional view of the
各燃料電池セル300は、マニホールド200から延びている。詳細には、各燃料電池セル300は、マニホールド200の天板201から上方(x軸方向)に延びている。すなわち、各燃料電池セル300の長手方向(x軸方向)は、上方に延びている。各燃料電池セル300の長手方向(x軸方向)の長さは、100〜300mm程度とすることができるが、これに限られるものではない。
Each
各燃料電池セル300の基端部は、マニホールド200の挿入孔203に挿入される。各燃料電池セル300は、接合材101によって挿入孔203に固定される。燃料電池セル300は、挿入孔203に挿入された状態で、接合材101によってマニホールド200に固定されている。接合材101は、燃料電池セル300と挿入孔203の隙間に充填される。接合材101としては、例えば、結晶化ガラス、非晶質ガラス、ろう材、及びセラミックスなどが挙げられる。
The base end of each
各燃料電池セル300は、長手方向(x軸方向)及び幅方向(y軸方向)に広がる板状に形成されている。各燃料電池セル300は、配列方向(z軸方向)に間隔をあけて配列されている。隣り合う2つの燃料電池セル300の間隔は特に制限されないが、1〜5mm程度とすることができる。
Each
各燃料電池セル300は、内部にガス流路11を有している。セルスタック装置100の運転中、マニホールド200から各ガス流路11に燃料ガス(水素など)が供給されるとともに、各燃料電池セル300の外周に酸化剤ガス(空気など)が供給される。
Each
隣接する2つの燃料電池セル300は、集電部材301によって電気的に接続されている。集電部材301は、接合材102を介して、隣接する2つの燃料電池セル300それぞれの基端側に接合される。接合材102は、例えば、(Mn,Co)3O4、(La,Sr)MnO3、及び(La,Sr)(Co,Fe)O3などから選ばれる少なくとも1種である。
Two
[燃料電池セル300]
図4は、燃料電池セル300の斜視図である。図5は、図4のQ−Q断面図である。
[Fuel cell 300]
FIG. 4 is a perspective view of the
燃料電池セル300は、支持基板10と、複数の発電素子部20と有する。
The
(支持基板10)
支持基板10は、支持基板10の長手方向(x軸方向)に沿って延びる複数のガス流路11を内部に有している。各ガス流路11は、支持基板10の基端側から先端側に向かって延びている。各ガス流路11は、互いに実質的に平行に延びている。
(Support substrate 10)
The
図5に示すように、支持基板10は、複数の第1凹部12を有する。本実施形態において、各第1凹部12は、支持基板10の両主面に形成されているが、一方の主面にだけ形成されていてもよい。各第1凹部12は支持基板10の長手方向において互いに間隔をあけて配置されている。
As shown in FIG. 5, the
支持基板10は、電子伝導性を有さない多孔質の材料によって構成される。支持基板10は、例えば、CSZ(カルシア安定化ジルコニア)から構成され得る。或いは、支持基板10は、NiO(酸化ニッケル)とYSZ(8YSZ)(イットリア安定化ジルコニア)とから構成されてもよいし、NiO(酸化ニッケル)とY2O3(イットリア)とから構成されてもよいし、MgO(酸化マグネシウム)とMgAl2O4(マグネシアアルミナスピネル)とから構成されてもよい。支持基板10の気孔率は、例えば、20〜60%程度である。
The
(発電素子部20)
各発電素子部20は、支持基板10に支持されている。本実施形態において、各発電素子部20は、支持基板10の両主面に形成されているが、一方の主面にだけ形成されていてもよい。各発電素子部20は、支持基板10の長手方向において、互いに間隔をあけて配置されている。すなわち、本実施形態に係る燃料電池セル300は、いわゆる横縞型の燃料電池セルである。長手方向に隣り合う発電素子部20は、インターコネクタ31によって互いに電気的に接続されている。
(Power generation element section 20)
Each power
発電素子部20は、燃料極4、電解質5、空気極6及び反応防止膜7を有する。
The power
燃料極4は、電子伝導性を有する多孔質の材料から構成される焼成体である。燃料極4は、燃料極集電部41と燃料極活性部42とを有する。
The
燃料極集電部41は、第1凹部12内に配置されている。詳細には、燃料極集電部41は、第1凹部12内に充填されており、第1凹部12と同様の外形を有する。燃料極集電部41は、第2凹部411及び第3凹部412を有している。第2凹部411内には、燃料極活性部42が配置されている。また、第3凹部412には、インターコネクタ31が配置されている。
The anode
燃料極集電部41は、電子伝導性を有する。燃料極集電部41は、燃料極活性部42よりも高い電子伝導性を有していることが好ましい。燃料極集電部41は、酸素イオン伝導性を有していてもよいし、有していなくてもよい。
The fuel electrode
燃料極集電部41は、例えば、NiO(酸化ニッケル)とYSZ(8YSZ)(イットリア安定化ジルコニア)とから構成され得る。或いは、燃料極集電部41は、NiO(酸化ニッケル)とY2O3(イットリア)とから構成されてもよいし、NiO(酸化ニッケル)とCSZ(カルシア安定化ジルコニア)とから構成されてもよい。燃料極集電部41の厚さ、及び第1凹部12の深さは、50〜500μm程度である。
The fuel electrode
燃料極活性部42は、酸素イオン伝導性を有するとともに、電子伝導性を有する。燃料極活性部42は、燃料極集電部41よりも酸素イオン伝導性を有する物質の含有率が大きい。詳細には、燃料極活性部42における、気孔部分を除いた全体積に対する酸素イオン伝導性を有する物質の体積割合は、燃料極集電部41における、気孔部分を除いた全体積に対する酸素イオン伝導性を有する物質の体積割合よりも大きい。
The fuel electrode
燃料極活性部42は、例えば、NiO(酸化ニッケル)とYSZ(8YSZ)(イットリア安定化ジルコニア)とから構成され得る。或いは、燃料極活性部42は、NiO(酸化ニッケル)とGDC(ガドリニウムドープセリア)とから構成されてもよい。燃料極活性部42の厚さは、5〜30μmである。
The fuel electrode
電解質5は、燃料極4上を覆うように配置されている。詳細には、電解質5は、あるインターコネクタ31から隣のインターコネクタ31まで長手方向に延びている。すなわち、支持基板10の長手方向(x軸方向)において、電解質5とインターコネクタ31とが交互に連続して配置されている。電解質5は、支持基板10の両主面を覆うように構成されている。
The electrolyte 5 is disposed so as to cover the
電解質5は、イオン伝導性を有し且つ電子伝導性を有さない緻密な材料から構成される焼成体である。電解質5は、例えば、YSZ(8YSZ)(イットリア安定化ジルコニア)から構成され得る。或いは、電解質5は、LSGM(ランタンガレート)から構成されてもよい。電解質5の厚さは、例えば、3〜50μm程度である。 The electrolyte 5 is a fired body made of a dense material having ion conductivity and no electron conductivity. The electrolyte 5 can be composed of, for example, YSZ (8YSZ) (yttria-stabilized zirconia). Alternatively, the electrolyte 5 may be composed of LSGM (lanthanum gallate). The thickness of the electrolyte 5 is, for example, about 3 to 50 μm.
空気極6は、電子伝導性を有する多孔質の材料から構成される焼成体である。空気極6は、電解質5を基準にして、燃料極4と反対側に配置されている。空気極6は、空気極活性部61と空気極集電部62とを有している。
The air electrode 6 is a fired body made of a porous material having electron conductivity. The air electrode 6 is disposed on the side opposite to the
空気極活性部61は、反応防止膜7上に配置されている。空気極活性部61は、酸素イオン伝導性を有するとともに、電子伝導性を有する。空気極活性部61は、空気極集電部62よりも酸素イオン伝導性を有する物質の含有率が大きい。詳細には、空気極活性部61おける、気孔部分を除いた全体積に対する酸素イオン伝導性を有する物質の体積割合は、空気極集電部62における、気孔部分を除いた全体積に対する酸素イオン伝導性を有する物質の体積割合よりも大きい。
The cathode
空気極活性部61は、例えば、LSCF=(La,Sr)(Co,Fe)O3(ランタンストロンチウムコバルトフェライト)から構成され得る。或いは、空気極活性部61は、LSF=(La,Sr)FeO3(ランタンストロンチウムフェライト)、LNF=La(Ni,Fe)O3(ランタンニッケルフェライト)、又は、LSC=(La,Sr)CoO3(ランタンストロンチウムコバルタイト)等から構成されてもよい。空気極活性部61は、LSCFから構成される第1層(内側層)とLSCから構成される第2層(外側層)との2層によって構成されてもよい。空気極活性部61の厚さは、例えば、10〜100μmである。
The cathode
空気極集電部62は、空気極活性部61上に配置されている。また、空気極集電部62は、空気極活性部61から、隣の発電素子部に向かって延びている。燃料極集電部41と空気極集電部62とは、発電領域から互いに反対側に延びている。発電領域とは、燃料極活性部42と電解質5と空気極活性部61とが重複する領域である。
The air electrode
空気極集電部62は、電子伝導性を有する多孔質の材料から構成される焼成体である。空気極集電部62は、空気極活性部61よりも高い電子伝導性を有していることが好ましい。空気極集電部62は、酸素イオン伝導性を有していてもよいし、有していなくてもよい。
The air electrode
空気極集電部62は、例えば、LSCF=(La,Sr)(Co,Fe)O3(ランタンストロンチウムコバルトフェライト)から構成され得る。或いは、空気極集電部62は、LSC=(La,Sr)CoO3(ランタンストロンチウムコバルタイト)から構成されてもよい。或いは、空気極集電部62は、Ag(銀)、Ag−Pd(銀パラジウム合金)から構成されてもよい。空気極集電部62の厚さは、例えば、50〜500μm程度である。
The air electrode
反応防止膜7は、緻密な材料から構成される焼成体である。反応防止膜7は、電解質5と空気極活性部61との間に配置されている。反応防止膜7は、電解質5内のYSZと空気極6内のSrとが反応して電解質5と空気極6との界面に電気抵抗が大きい反応層が形成される現象の発生を抑制するために設けられている。
The
反応防止膜7は、希土類元素を含むセリアを含んだ材料から構成されている。反応防止膜7は、例えば、GDC=(Ce,Gd)O2(ガドリニウムドープセリア)から構成され得る。反応防止膜7の厚さは、例えば、3〜50μm程度である。
The
インターコネクタ31は、支持基板10の長手方向(x軸方向)に隣り合う発電素子部20を電気的に接続するように構成されている。詳細には、一方の発電素子部20の空気極集電部62は、他方の発電素子部20に向かって延びている。また、他方の発電素子部20の燃料極集電部41は、一方の発電素子部20に向かって延びている。そして、インターコネクタ31は、一方の発電素子部20の空気極集電部62と、他方の発電素子部20の燃料極集電部41とを電気的に接続している。インターコネクタ31は、燃料極集電部41の第3凹部412内に配置されている。詳細には、インターコネクタ31は、第3凹部412内に埋設されている。
The
インターコネクタ31は、電子伝導性を有する緻密な材料から構成される焼成体である。インターコネクタ31は、例えば、LaCrO3(ランタンクロマイト)から構成され得る。或いは、インターコネクタ31は、(Sr,La)TiO3(ストロンチウムチタネート)から構成されてもよい。インターコネクタ31の厚さは、例えば、10〜100μmである。
The
[マニホールド200の詳細構成]
次に、マニホールド200の詳細構成について、図面を参照しながら説明する。図6は、図2のP−P断面図である。図7は、図6の領域Aの拡大図である。図7は、後述する基材210の表面210aに垂直な断面に相当する。
[Detailed Configuration of Manifold 200]
Next, a detailed configuration of the manifold 200 will be described with reference to the drawings. FIG. 6 is a sectional view taken along the line PP of FIG. FIG. 7 is an enlarged view of a region A in FIG. FIG. 7 corresponds to a cross section perpendicular to a
図6に示すように、天板201と容器202は、接合材103によって接合されている。天板201と容器202の間には、燃料ガスが供給される内部空間S1が形成されている。
As shown in FIG. 6, the
天板201は、基材210と、酸化クロム膜211と、被覆膜212とを有する。容器202は、基材220と、酸化クロム膜221と、被覆膜222とを有する。
The
天板201及び容器202は、それぞれ「合金部材」の一例である。基材210及び基材220は、それぞれ「基材」の一例である。酸化クロム膜211及び酸化クロム膜221は、それぞれ「酸化クロム膜」の一例である。被覆膜212及び被覆膜222は、それぞれ「被覆膜」の一例である。
The
容器202の構成は、天板201の構成と同様であるため、以下においては、図7を参照しながら、天板201の構成について説明する。
Since the configuration of the
基材210は、板状に形成される。基材210は、平板状であってもよいし、曲板状であってもよい。基材210の厚みは特に制限されないが、例えば0.1〜2.0mmとすることができる。
The
基材210は、Cr(クロム)を含有する合金材料によって構成される。このような金属材料としては、Fe−Cr系合金鋼(ステンレス鋼など)やNi−Cr系合金鋼などを用いることができる。基材210におけるCrの含有率は特に制限されないが、4〜30質量%とすることができる。
The
基材210は、Ti(チタン)やAl(アルミニウム)を含有していてもよい。基材210におけるTiの含有率は特に制限されないが、0.01〜1.0at.%とすることができる。基材210におけるAlの含有率は特に制限されないが、0.01〜0.4at.%とすることができる。基材210は、TiをTiO2(チタニア)として含有していてもよいし、AlをAl2O3(アルミナ)として含有していてもよい。
The
図7に示すように、基材210は、表面210aと、複数の凹部210bとを有する。表面210aは、基材210の外側の表面である。基材210は、表面210aにおいて酸化クロム膜211に接合される。図7において、表面210aは略平面状に形成されているが、凹凸が形成されていてもよいし、全体的或いは部分的に湾曲又は屈曲していてもよい。
As shown in FIG. 7, the
各凹部210bは、表面210aに形成される。各凹部210bは、表面210aに形成された開口S2から基材210の内部に向かって延びる。各凹部210b内には、後述する酸化クロム膜211の各埋設部211bが埋設される。
Each
各凹部210bは、開口S2に近づくほど窄まっている。すなわち、基材210の表面210aに垂直な断面において、各凹部210bの幅は、開口S2付近で狭くなっている。開口S2の幅W1は、当該断面において、開口S2の縁を最短距離で結ぶ直線CLの長さである。開口S2の幅W1は特に制限されないが、例えば0.3〜30μmとすることができる。後述する各埋設部211bに十分な強度を持たせることを考慮すると、幅W1は、0.5μm以上が好ましい。
Each
なお、凹部210bの幅が開口S2付近で狭くなっている限り、凹部210bの形状は特に制限されない。
Note that the shape of the
酸化クロム膜211は、基材210の表面上に形成される。酸化クロム膜211は、基材210の表面の略全面を覆っていてもよいが、基材210の表面の少なくとも一部を覆っていてもよい。酸化クロム膜211は、酸化クロムを主成分として含有する。
The
図7に示すように、酸化クロム膜211は、表面211aと、複数の埋設部211bとを有する。表面211aは、酸化クロム膜211の外側の表面である。酸化クロム膜211は、表面211aにおいて被覆膜212と接合される。
As shown in FIG. 7, the
各埋設部211bは、基材210の各凹部210b内に配置される。各埋設部211bは、各凹部210bの全体に充填されていてもよいし、各凹部210bの一部分に配置されていてもよい。
Each buried
各埋設部211bは、各凹部210bの開口S2においてくびれている。すなわち、各埋設部211bは、開口S2付近で局所的に細くなっている。このようなボトルネック構造によって、各埋設部211bが各凹部210bに係止されてアンカー効果が生じる。
Each buried
本実施形態において、「埋設部211bが開口S2においてくびれている」とは、基材210の表面210aに垂直な断面において、埋設部211bの幅W2が開口S2の幅W1よりも大きいことを意味する。埋設部211bの幅W2とは、開口S2の幅W1を規定する直線CLに平行な方向における埋設部211bの最大寸法である。
In the present embodiment, “the embedded
ここで、複数の埋設部211bの「平均深さ」は、0.7μm以上である。これにより、複数の埋設部211b全体として十分なアンカー効果を発揮させることができるため、酸化クロム膜211の基材210に対する密着力を向上させることができる。その結果、被覆膜212が酸化クロム膜211とともに基材210から剥離することを抑制できる。
Here, the “average depth” of the plurality of embedded
複数の埋設部211bの「平均深さ」とは、FE−SEM(電界放射型走査型電子顕微鏡)によって1000−20000倍に拡大した画像から無作為に選出した10個の埋設部211bそれぞれの深さD1を算術平均した値である。埋設部211bの深さD1とは、開口S2の幅W1を規定する直線CLに垂直な方向における埋設部211bの最大寸法である。ただし、深さD1が0.1μm未満の埋設部211bは、アンカー効果が軽微であり被覆膜212の剥離抑制効果への寄与が小さいため、複数の埋設部211bの平均深さを算出する際には除外するものとする。
The “average depth” of the plurality of embedded
複数の埋設部211bの平均深さは、1.0μm以上が好ましく、1.5μm以上がより好ましい。また、複数の埋設部211bの平均深さは、30μm以下が好ましい。
The average depth of the plurality of embedded
各埋設部211bの深さD1は特に制限されないが、例えば0.5〜30μmとすることができる。平均深さの算出に用いた10個の埋設部211bそれぞれの深さD1の標準偏差は、0.2以上であることが好ましい。これにより、複数の埋設部211b全体としてのアンカー効果をより向上させることができる。平均深さに対する深さD1の標準偏差の比率(いわゆる、変動係数)は特に制限されないが、例えば0.1〜0.95とすることができ、0.2以上0.9以下が好ましい。
The depth D1 of each embedded
平均深さの算出に用いた10個の埋設部211bにおいて、深さD1の最大値と最小値との差は特に制限されないが、例えば0.5〜29μmとすることができ、1〜25μmが好ましい。
In the ten buried
また、複数の埋設部211bの「平均幅」は、特に制限されないが、例えば0.5〜35μmとすることができる。複数の埋設部211bの「平均幅」とは、平均深さの算出に用いた10個の埋設部211bそれぞれの幅W2を算術平均した値である。
The “average width” of the plurality of embedded
複数の埋設部211b全体としてのアンカー効果をより向上させることを考慮すると、複数の埋設部211bの平均幅は、0.5μm以上が好ましく、0.7μm以上がより好ましい。
In consideration of further improving the anchor effect of the plurality of embedded
各埋設部211bの幅W2は特に制限されないが、例えば0.5〜35μmとすることができる。各埋設部211bのアンカー効果をより向上させることを考慮すると、埋設部211bの幅W2は、開口S2の幅W1の101%以上が好ましく、105%以上がより好ましく、110%以上が特に好ましい。
The width W2 of each embedded
平均幅の算出に用いた10個の埋設部211bそれぞれの幅W2の標準偏差は、0.2以上であることが好ましい。これにより、複数の埋設部211b全体としてのアンカー効果をより向上させることができる。平均幅に対する幅W2の標準偏差の比率(いわゆる、変動係数)は特に制限されないが、例えば0.1〜0.95とすることができ、0.2以上0.9以下が好ましい。
The standard deviation of the width W2 of each of the ten embedded
平均幅の算出に用いた10個の埋設部211bにおいて、幅W2の最大値と最小値との差は特に制限されないが、例えば0.5〜34μmとすることができ、1〜30μmが好ましい。
In the ten embedded
基材210の表面210aに垂直な断面において、表面210aに平行な面方向における埋設部211bの「存在個数」は、3個/10mm以上であることが好ましい。これによって、酸化クロム膜211にかかる応力を分散させることができるため、酸化クロム膜211及び被覆膜212に軽微な欠陥が生じることを抑制できる。
In a cross section perpendicular to the
面方向における埋設部211bの「存在個数」とは、基材210の表面210aに垂直な断面において、表面210aの単位長さ当たりに設けられた埋設部211bの個数である。埋設部211bの存在個数は、上述したFE−SEM画像上において、埋設部211bの全個数を表面210aの全長(延べ長さ)で除した値である。埋設部211bの個数を数える場合、FE−SEM画像に一部分だけ写っている埋設部211bも1個として数える。ただし、深さD1が0.5μm未満の埋設部211bは、応力分散効果への寄与が小さいため、埋設部211bの存在個数を算出する際には除外するものとする。
The “presence number” of the embedded
面方向における埋設部211bの存在個数は、100個/mm以下であることがより好ましい。これによって、凹部210b同士が連結してしまうことを抑制できるため、各凹部210bの形状を長期間にわたって維持することができる。
The number of the buried
複数の埋設部211bの「平均円相当径」は特に制限されないが、0.5〜35μmとすることができる。複数の埋設部211bの「平均円相当径」とは、平均深さの算出に用いた10個の埋設部211bそれぞれの「円相当径」を算術平均した値である。「円相当径」とは、上述したFE−SEM画像上において、埋設部211bと同じ面積を有する円の直径である。埋設部211bの面積を求める際、埋設部211bの基端部は、開口S2の幅W1を規定する直線CLによって規定されるものとする。
The “average equivalent circle diameter” of the plurality of buried
被覆膜212は、酸化クロム膜211の表面211aの少なくとも一部を覆う。詳細には、被覆膜212は、酸化クロム膜211の表面211aのうち、セルスタック装置100の運転中に酸化剤ガスと接触する領域の少なくとも一部を覆う。被覆膜212は、酸化クロム膜211のうち酸化剤ガスと接触する領域の全面を覆っていることが好ましい。被覆膜212の厚みは特に制限されないが、例えば1〜200μmとすることができる。
The
被覆膜212は、基材210の表面からCrが揮発することを抑制する。これにより、各燃料電池セル300の電極(本実施形態では、空気極6)がCr被毒によって劣化することを抑制できる。
The
被覆膜212は、セラミックス材料であり、適用箇所に応じて適宜好適な材料を選択することができる。導電性を求められる集電部材の被覆膜に適用するセラミックス材料としては、LaおよびSrを含有するペロブスカイト形複合酸化物やMn,Co,Ni,Fe,Cu等の遷移金属から構成されるスピネル型複合酸化物が挙げられる。一方、絶縁性を求められる燃料マニホールドの被覆膜に適用するセラミックス材料としては、アルミナ、シリカ、ジルコニア、結晶化ガラスなどが挙げられる。ただし、被覆膜212は、Crの揮発を抑制できればよく、被覆膜212の構成材料は上記セラミックス材料に限られるものではない。
The
[マニホールド200の製造方法]
マニホールド200の製造方法について、図面を参照しながら説明する。なお、容器202の製造方法は、天板201の製造方法と同様であるため、以下においては、天板201の製造方法について説明する。
[Manufacturing method of manifold 200]
A method for manufacturing the manifold 200 will be described with reference to the drawings. Since the method of manufacturing the
まず、図8に示すように、基材210の表面210aに複数の凹部210bを形成する。例えばショットピーニング、サンドブラスト又はウェットブラストを用いることによって、所定形状の凹部210bを効率的に形成することができる。この際、各凹部210bの深さ及び幅を調整することによって、後工程で形成される複数の埋設部211bの平均深さ、深さD1の標準偏差、深さD1の最大値と最小値の差、平均幅、平均円相当径などを制御できる。また、面方向における凹部210bの個数を調整することによって、面方向における埋設部211bの存在個数を制御できる。
First, as shown in FIG. 8, a plurality of
次に、図9に示すように、基材210の表面210a上でローラーを転がすことによって、凹部210cの開口S2周辺を平坦にしつつ、開口S2を狭くする。この際、ローラーによる押圧力を調整することによって、開口S2の幅W1を調整することができる。
Next, as shown in FIG. 9, by rolling a roller on the
次に、図10に示すように、基材210の表面210a上に酸化クロムペーストを塗布して各凹部210c内に酸化クロムペーストを充填した後、基材210を大気雰囲気で熱処理(800〜900℃、5〜20時間)することによって、基材210の表面210a上及び各凹部210b内に酸化クロム膜211を形成する。これによって、各凹部210c内に埋設された埋設部211bが形成される。
Next, as shown in FIG. 10, after applying a chromium oxide paste on the
次に、図11に示すように、酸化クロム膜211上にセラミックス材料ペーストを塗布して、熱処理(800〜900℃、1〜5時間)することによって、被覆膜212を形成する。
Next, as shown in FIG. 11, a
(他の実施形態)
本発明は以上の実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない範囲で種々の変形又は変更が可能である。
(Other embodiments)
The present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications or changes can be made without departing from the scope of the present invention.
[変形例1]
上記実施形態では、本発明に係る合金部材をマニホールド200に適用することとしたが、これに限られるものではない。本発明に係る合金部材は、セルスタック装置100及びセルスタック250の一部を構成する部材として用いることができる。例えば、本発明に係る合金部材は、燃料電池セル300と電気的に接続される集電部材301に好適に用いることができる。
[Modification 1]
In the above embodiment, the alloy member according to the present invention is applied to the manifold 200, but the invention is not limited to this. The alloy member according to the present invention can be used as a member constituting a part of the
[変形例2]
上記実施形態において、セルスタック250は、横縞型の燃料電池を有することとしたが、いわゆる縦縞型の燃料電池を有していてもよい。縦縞型の燃料電池は、導電性の支持基板と、支持基板の一主面上に配置される発電部(燃料極、固体電解質層及び空気極)と、支持基板の他主面上に配置されるインターコネクタとを備える。
[Modification 2]
In the above embodiment, the
[変形例3]
上記実施形態において、基材210の凹部210bは、表面210aに直接形成されることとしたが、図12に示すように、表面210aに形成された環状凸部210cの内側に形成されていてもよい。このような環状凸部210cは、図9に示したローラーの押圧力を弱めることによって形成することができる。このように凹部210bが環状凸部210cの内側に形成されている場合であっても、被覆膜212が酸化クロム膜211とともに基材210から剥離することを抑制できる。
[Modification 3]
In the above embodiment, the
[変形例4]
上記実施形態では、本発明にかかる合金部材を電気化学セルの一例である燃料電池のセルスタックに適用した場合について説明したが、本発明にかかる合金部材は、水蒸気から水素と酸素を生成する電解セルを含む電気化学セルのセルスタックに適用可能である。
[Modification 4]
In the above embodiment, the case where the alloy member according to the present invention is applied to a cell stack of a fuel cell, which is an example of an electrochemical cell, has been described. The present invention is applicable to a cell stack of an electrochemical cell including the cell.
以下において本発明の実施例について説明する。ただし、本発明は以下に説明する実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, examples of the present invention will be described. However, the present invention is not limited to the examples described below.
(実施例1〜14および比較例1〜3)
以下のようにして、実施例1〜14および比較例1〜3に係る合金部材を作製した。
(Examples 1 to 14 and Comparative Examples 1 to 3)
The alloy members according to Examples 1 to 14 and Comparative Examples 1 to 3 were produced as follows.
まず、表1に示す合金部材(SUS430、SUS445J1、又は、SUS316)を打ち抜き加工することによって、20mm×40mm×0.5mmの基材をサンプルごとに作製した。 First, a base material of 20 mm × 40 mm × 0.5 mm was prepared for each sample by punching out an alloy member (SUS430, SUS445J1, or SUS316) shown in Table 1.
次に、ショットピーニングにより基材の表面に複数の凹部を形成した。この際、各凹部の深さを調整することによって、後工程で形成される複数の埋設部の平均深さと、深さの標準偏差と、深さの最大値と最小値の差とをサンプルごとに変更した。 Next, a plurality of recesses were formed on the surface of the substrate by shot peening. At this time, by adjusting the depth of each recess, the average depth, the standard deviation of the depth, and the difference between the maximum value and the minimum value of the depth for each sample are adjusted for each sample. Changed to
次に、基材の表面上でローラーを転がすことによって、各凹部の開口部の幅を狭くした。 Next, the width of the opening of each recess was reduced by rolling a roller on the surface of the substrate.
次に、基材表面に酸化クロムペーストを塗布して凹部内に酸化クロムペーストを充填した後、大気雰囲気で熱処理(900℃、1時間)することによって、基材の表面上及び各凹部内に酸化クロム膜を形成した。これによって、各凹部内に埋設された埋設部211bを形成した。
Next, a chromium oxide paste is applied to the surface of the base material, and the recess is filled with the chromium oxide paste, and then heat-treated in an air atmosphere (900 ° C., 1 hour), so that the surface of the base material and each recess are formed. A chromium oxide film was formed. As a result, a buried
次に、表1に示すセラミックス材料スラリー(結晶化ガラス、又は、(Mn,Co)3O4)を酸化クロム膜上に塗布して熱処理(800−1000℃、1−20時間)することによって被覆膜を形成した。 Next, a ceramic material slurry (crystallized glass or (Mn, Co) 3 O 4 ) shown in Table 1 is applied on the chromium oxide film and heat-treated (800-1000 ° C., 1-20 hours). A coating film was formed.
(熱サイクル試験後の被覆膜の剥離)
各サンプルに対して熱サイクル試験を実施した。具体的には、温度800℃まで昇温速度300℃/hrにて昇温して1hrキープした後に300℃/hrから50℃まで降温するサイクルを10回繰り返した。
(Removal of coating film after thermal cycle test)
A thermal cycle test was performed on each sample. Specifically, a cycle of increasing the temperature to 800 ° C. at a rate of 300 ° C./hr, keeping the temperature for 1 hour, and then decreasing the temperature from 300 ° C./hr to 50 ° C. was repeated 10 times.
そして、熱サイクル試験を実施した後、各サンプルについて被覆膜の剥離の有無を確認した。具体的には、基材の断面をFE−SEMで3000倍に拡大した画像において、酸化クロム膜とともに被覆膜が基材から剥離していないか否かを確認した。確認結果を表1に示す。表1では、FE−SEMによる断面観察において微小な剥離のあったものが△と評価され、微小な剥離が確認されなかったものが○と評価されている。 Then, after performing the heat cycle test, the presence or absence of peeling of the coating film was confirmed for each sample. Specifically, in an image in which the cross section of the substrate was magnified 3000 times by FE-SEM, it was confirmed whether or not the coating film was peeled off from the substrate together with the chromium oxide film. The results are shown in Table 1. In Table 1, those with microscopic peeling in cross-sectional observation by FE-SEM are evaluated as Δ, and those without microscopic peeling are evaluated as ○.
また、FE−SEM画像上において無作為に選出した10個の埋設部について、平均深さと、深さの標準偏差と、深さの最大値と最小値の差とを算出した。 In addition, the average depth, the standard deviation of the depth, and the difference between the maximum value and the minimum value of the depth were calculated for ten buried portions randomly selected on the FE-SEM image.
表1に示すように、基材の表面に形成された複数の凹部の開口でくびれた複数の埋設部を酸化クロム膜が有し、複数の埋設部の平均深さが0.7μm以上である実施例1〜14では、比較例1〜3に比べて被覆膜の剥離を抑制することができた。このような結果が得られたのは、好適な平均深さを有する複数の埋設部全体として十分なアンカー効果を発揮させることによって、酸化クロム膜の基材に対する密着力を向上させることができたからである。 As shown in Table 1, the chromium oxide film has a plurality of embedded portions narrowed by openings of a plurality of concave portions formed on the surface of the base material, and the average depth of the plurality of embedded portions is 0.7 μm or more. In Examples 1 to 14, the peeling of the coating film could be suppressed as compared with Comparative Examples 1 to 3. Such a result was obtained because the adhesion of the chromium oxide film to the substrate could be improved by exhibiting a sufficient anchor effect as a whole of the plurality of buried portions having a suitable average depth. It is.
100 セルスタック装置
200 マニホールド
201 天板
210 基材
210a 表面
210b 凹部
211 酸化クロム膜
211a 表面
211b 埋設部
212 被覆膜
250 セルスタック
REFERENCE SIGNS
Claims (5)
前記基材の表面の少なくとも一部を覆う酸化クロム膜と、
前記酸化クロム膜の表面の少なくとも一部を覆う被覆膜と、
を備え、
前記基材は、前記表面にそれぞれ形成された複数の凹部を有し、
前記酸化クロム膜は、前記複数の凹部それぞれの内部に埋設された複数の埋設部を有し、
前記複数の埋設部それぞれは、前記複数の凹部それぞれの開口でくびれており、
前記基材の断面において、前記複数の埋設部の平均深さは、0.7μm以上である、
合金部材。 A substrate composed of an alloy material containing chromium;
A chromium oxide film covering at least part of the surface of the substrate;
A coating film covering at least a part of the surface of the chromium oxide film,
With
The base material has a plurality of recesses respectively formed on the surface,
The chromium oxide film has a plurality of embedded portions embedded inside each of the plurality of recesses,
Each of the plurality of buried portions is narrowed at an opening of each of the plurality of recesses,
In the cross section of the base material, the average depth of the plurality of embedded portions is 0.7 μm or more,
Alloy members.
請求項1に記載の合金部材。 The standard deviation of the depth of each of the plurality of buried portions is 0.2 or more,
The alloy member according to claim 1.
請求項1に記載の合金部材。 The difference between the maximum value and the minimum value of the depth of each of the plurality of buried portions is 0.5 μm or more.
The alloy member according to claim 1.
請求項1乃至3のいずれかに記載の合金部材と、
を備え、
前記合金部材は、前記電気化学セルと電気的に接続される集電部材である、
セルスタック。 An electrochemical cell;
An alloy member according to any one of claims 1 to 3,
With
The alloy member is a current collecting member electrically connected to the electrochemical cell,
Cell stack.
請求項1乃至3のいずれかに記載の合金部材と、
を備え、
前記合金部材は、前記電気化学セルの基端部を支持するマニホールドである、
セルスタック装置。 An electrochemical cell;
An alloy member according to any one of claims 1 to 3,
With
The alloy member is a manifold that supports a base end of the electrochemical cell,
Cell stack equipment.
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