JP5288099B2 - Metal member for solid oxide fuel cell - Google Patents

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Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池用金属部材に係り、更に詳細には、クロムを含む金属基材の表面にアルカリ土類金属酸化物を含む保護用被膜を備えた固体酸化物形燃料電池用金属部材、固体酸化物形燃料電池用インターコネクタ及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a metal member for a solid oxide fuel cell, and more particularly, a solid oxide fuel cell having a protective coating containing an alkaline earth metal oxide on the surface of a metal substrate containing chromium. The present invention relates to a metal member, an interconnector for a solid oxide fuel cell, and a manufacturing method thereof.

近年、固体酸化物形燃料電池においては発電要素であるセルの性能向上に伴い、比較的低温(800〜600℃)で運転(発電)できるようになりつつある。
運転温度の低温化に伴い、従来はセラミックス材料を使用していた固体酸化物形燃料電池用セパレータなどの構成部品に、耐熱性金属材料を使用できるようになってきている。
耐熱性金属材料とは、例えば、クロムを含むステンレス鋼やニッケル基合金などである。具体例としては、フェライト系ステンレス鋼やインコネル(登録商標)、ハステロイ(登録商標)などを挙げることができる。
In recent years, solid oxide fuel cells have been able to be operated (power generation) at a relatively low temperature (800 to 600 ° C.) with an improvement in the performance of cells that are power generation elements.
As the operating temperature is lowered, heat-resistant metal materials can be used for components such as separators for solid oxide fuel cells, which conventionally use ceramic materials.
The heat-resistant metal material is, for example, stainless steel containing nickel or a nickel-based alloy. Specific examples include ferritic stainless steel, Inconel (registered trademark), Hastelloy (registered trademark), and the like.

一方で、耐熱性合金材料に含まれるクロムやクロム酸化物は、運転(発電)環境下において揮発(蒸発)することが知られている。
そして、揮発(蒸発)したクロムなどは発電要素であるセルに到達するとセルの性質を変化させ、セル性能を劣化させる問題があることが知られている。
このようなセル性能の劣化の態様の一例として、例えば以下の具体例を挙げることができる。
ランタン−ストロンチウム−マンガン酸化物やランタン−ストロンチウム−コバルト酸化物、サマリウム−ストロンチウム−コバルト酸化物などは、空気極材料として、一般的に使用されている。
このような空気極材料に含まれるストロンチウム酸化物とクロムやクロム酸化物とが反応すると、クロム酸ストロンチウムが生成する。この化合物は酸素還元活性や導電性が不活性であるため、セル性能が劣化すると言われている。
On the other hand, it is known that chromium and chromium oxide contained in the heat resistant alloy material volatilize (evaporate) in an operating (power generation) environment.
Further, it is known that when volatile (evaporated) chromium or the like reaches a cell as a power generation element, the property of the cell is changed and the cell performance is deteriorated.
As an example of such an aspect of cell performance degradation, the following specific examples can be given.
Lanthanum-strontium-manganese oxide, lanthanum-strontium-cobalt oxide, samarium-strontium-cobalt oxide and the like are generally used as air electrode materials.
When strontium oxide contained in such an air electrode material reacts with chromium or chromium oxide, strontium chromate is generated. Since this compound is inactive in oxygen reduction activity and conductivity, cell performance is said to deteriorate.

クロム含有金属からのクロムやクロム酸化物の揮発(蒸発)を抑制するために、クロム含有金属の表面にチタン窒化物(TiN)系の被覆層をスパッタリングで形成した固体酸化物形燃料電池用セパレータが提案されている(特許文献1参照。)。   Solid oxide fuel cell separator in which a titanium nitride (TiN) coating layer is formed on the surface of the chromium-containing metal by sputtering in order to suppress the volatilization (evaporation) of chromium and chromium oxide from the chromium-containing metal. Has been proposed (see Patent Document 1).

特開2006−318652号公報JP 2006-318652 A

また、クロム含有金属からのクロムやクロム酸化物の揮発(蒸発)を抑制するために、クロム含有金属の表面にマンガン−コバルト酸化物の導電性保護膜を形成した固体酸化物形燃料電池用インターコネクタが提案されている(非特許文献1参照。)。   Further, in order to suppress the volatilization (evaporation) of chromium and chromium oxide from the chromium-containing metal, a solid oxide fuel cell interface in which a conductive protective film of manganese-cobalt oxide is formed on the surface of the chromium-containing metal. A connector has been proposed (see Non-Patent Document 1).

第七回 年次 固体エネルギー転換同盟 ワークショップ アンドピアー レビュー(7th Annual SECA Workshop and Peer Review)、(2006)7th Annual Solid Energy Conversion Alliance Workshop and Peer Review (7th Annual SECA Workshop and Peer Review), (2006)

しかしながら、上記特許文献1や非特許文献1に記載の固体酸化物形燃料電池セパレータやインターコネクタのように緻密な被覆層や導電性保護膜を形成しただけでは、クロムやクロム酸化物の揮発(蒸発)を十分に抑制することはできない。   However, only by forming a dense coating layer or conductive protective film like the solid oxide fuel cell separator or interconnector described in Patent Document 1 or Non-Patent Document 1, volatilization of chromium and chromium oxide ( (Evaporation) cannot be suppressed sufficiently.

本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、クロムやクロム酸化物などを原因とするセル性能の劣化を抑制ないし防止し得る固体酸化物形燃料電池用金属部材、固体酸化物形燃料電池用インターコネクタ及びその製造方法を提供することにある。   The present invention has been made in view of such problems of the prior art, and the object of the present invention is to provide solid oxidation that can suppress or prevent deterioration of cell performance caused by chromium, chromium oxide, or the like. The object is to provide a metal member for a physical fuel cell, an interconnector for a solid oxide fuel cell, and a method for manufacturing the same.

本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、クロムを含む金属基材の表面にアルカリ土類金属酸化物を含む保護用被膜を形成することなどにより、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。   As a result of intensive studies to achieve the above object, the present inventor can achieve the above object by forming a protective film containing an alkaline earth metal oxide on the surface of a metal substrate containing chromium. As a result, the present invention has been completed.

即ち、本発明の固体酸化物形燃料電池用金属部材は、クロムを含む金属基材と、該金属基材の表面に形成された、アルカリ土類金属酸化物を含む保護用被膜とを備え、保護用被膜が、アルミニウム酸化物及びケイ素酸化物を含むガラス状態の保護用被膜であることを特徴とする。 That is, the metal member for a solid oxide fuel cell of the present invention comprises a metal base material containing chromium, and a protective coating containing an alkaline earth metal oxide formed on the surface of the metal base material , The protective coating is characterized by being a protective coating in a glass state containing aluminum oxide and silicon oxide .

また、本発明の固体酸化物形燃料電池用インターコネクタは、クロムを含む金属セパレータと、該金属セパレータと電気的に接続され、クロムを含む金属集電体と、該金属セパレータの表面と該金属集電体の表面の非電極接触部位の少なくとも一部とに形成され、アルカリ土類金属酸化物を含む保護用被膜とを備えることを特徴とする。   In addition, an interconnector for a solid oxide fuel cell according to the present invention includes a metal separator containing chromium, a metal current collector electrically connected to the metal separator, the surface of the metal separator, and the metal. And a protective coating film formed on at least a part of the non-electrode contact portion on the surface of the current collector and containing an alkaline earth metal oxide.

更に、本発明の固体酸化物形燃料電池用インターコネクタの第1の製造方法は、上記本発明の固体酸化物形燃料電池用インターコネクタの一実施形態の製造方法の一例であって、以下の工程(A1)〜(A4)を含むことを特徴とする。
(A1):クロムを含む金属セパレータ基板とクロムを含む金属集電体とが電気的に接続された接合体につき、金属集電体の表面の電極接触部位にマスキング部材を配置する工程
(A2):マスキング部材が配置された接合体にアルカリ土類金属酸化物を含む保護用被膜形成材料を用いて成膜する工程
(A3):工程(A2)より後に実施され、マスキング部材を除去する工程
(A4):工程(A3)より後に実施され、マスキング除去部位に導電性材料を含む導電用被膜形成材料を用いて成膜する工程
Furthermore, the first manufacturing method of the solid oxide fuel cell interconnector of the present invention is an example of the manufacturing method of the above-described embodiment of the solid oxide fuel cell interconnector of the present invention. Steps (A1) to (A4) are included.
(A1): A step of disposing a masking member at the electrode contact portion on the surface of the metal current collector for the joined body in which the metal separator substrate containing chromium and the metal current collector containing chromium are electrically connected (A2) : Forming a film using a protective film-forming material containing an alkaline earth metal oxide on the joined body in which the masking member is disposed (A3): a step of removing the masking member after the step (A2) ( A4): A step of forming a film using a conductive film-forming material containing a conductive material at the masking removal site after the step (A3).

更にまた、本発明の固体酸化物形燃料電池用インターコネクタの第2の製造方法は、上記本発明の固体酸化物形燃料電池用インターコネクタの一実施形態の製造方法の他の例であって、以下の工程(B1)〜(B6)を含むことを特徴とする。
(B1):クロムを含む金属セパレータ基板にアルカリ土類金属酸化物を含む保護用被膜形成用材料を用いて成膜する工程
(B2):クロムを含む金属集電体の表面のうち電極接触部位にマスキング部材を配置する工程
(B3):マスキング部材が配置された金属集電体にアルカリ土類金属酸化物を含む保護用被膜形成材料を用いて成膜する工程
(B4):工程(B3)より後に実施され、マスキング部材を除去する工程
(B5):工程(B4)より後に実施され、マスキング除去部位に導電性材料を含む導電用被膜形成材料を用いて成膜する工程
(B6):工程(B4)より後に実施され、保護用被膜が成膜された金属セパレータ基板と保護用被膜が成膜された金属集電体とが電気的に接続するように接合する工程
Furthermore, the second manufacturing method of the solid oxide fuel cell interconnector of the present invention is another example of the manufacturing method of the embodiment of the above solid oxide fuel cell interconnector of the present invention. The following steps (B1) to (B6) are included.
(B1): Step of forming a film on the metal separator substrate containing chromium using a protective film-forming material containing an alkaline earth metal oxide (B2): Electrode contact site on the surface of the metal current collector containing chromium Step (B3) of disposing a masking member on: A step of forming a film using a protective film-forming material containing an alkaline earth metal oxide on the metal current collector on which the masking member is disposed (B4): Step (B3) A step (B5) of removing the masking member, which is performed later, and a step of forming a film using a conductive film-forming material containing a conductive material at the masking removal site (B6): step after the step (B4). (B4) A step of joining so that the metal separator substrate on which the protective film is formed and the metal current collector on which the protective film is formed are electrically connected to each other.

本発明によれば、クロムを含む金属基材の表面にアルカリ土類金属酸化物を含む保護用被膜を形成することなどとしたため、クロムやクロム酸化物などを原因とするセル性能の劣化を抑制ないし防止し得る固体酸化物形燃料電池用金属部材、固体酸化物形燃料電池用インターコネクタ及びその製造方法を提供することができる。   According to the present invention, since a protective coating containing an alkaline earth metal oxide is formed on the surface of a metal substrate containing chromium, the deterioration of cell performance caused by chromium or chromium oxide is suppressed. It is possible to provide a metal member for a solid oxide fuel cell, an interconnector for a solid oxide fuel cell, and a method for manufacturing the same.

以下、本発明の固体酸化物形燃料電池用金属部材について詳細に説明する。
上述の如く、本発明の固体酸化物形燃料電池用金属部材は、クロムを含む金属基材と、金属基材の表面に形成され、アルカリ土類金属酸化物を含む保護用被膜とを備えるものである。
保護用被膜は、クロムを含む金属基材からのクロムやクロム酸化物の揮発(蒸発)を抑制するだけでなく、保護用被膜に含まれるアルカリ土類金属酸化物がクロムやクロム酸化物を捕捉することができるため、クロムやクロム酸化物などを原因とするセル性能の劣化を抑制ないし防止し得るものとなる。
Hereinafter, the metal member for a solid oxide fuel cell of the present invention will be described in detail.
As described above, the metal member for a solid oxide fuel cell according to the present invention includes a metal substrate containing chromium, and a protective coating formed on the surface of the metal substrate and containing an alkaline earth metal oxide. It is.
The protective coating not only suppresses the volatilization (evaporation) of chromium and chromium oxide from the metal substrate containing chromium, but also the alkaline earth metal oxide contained in the protective coating captures chromium and chromium oxide. Therefore, deterioration of cell performance caused by chromium, chromium oxide or the like can be suppressed or prevented.

アルカリ土類金属酸化物の一例であるバリウム酸化物は、クロム酸バリウムとなってクロムなどを捕捉する。また、ストロンチウム酸化物は、クロム酸ストロンチウムとなってクロムなどを捕捉する。   Barium oxide, which is an example of an alkaline earth metal oxide, captures chromium and the like as barium chromate. The strontium oxide captures chromium and the like as strontium chromate.

一方、従来の緻密な被覆層や導電性保護膜は、例えばクラックなどの隙間から揮発(蒸発)したクロムなどを捕捉することができないため、セル性能が劣化してしまう。
なお、保護用被膜をX線光電子分光法により測定したところ、保護用被膜の金属基材界面、保護用被膜の内部及び保護用被膜の表面のうち、保護用被膜の表面におけるクロム酸バリウムの生成量が多かったことから、現時点においては、例えば不可避なクラックなどの隙間から揮発(蒸発)したクロムなどが捕捉されていると推測される。
On the other hand, since the conventional dense coating layer and conductive protective film cannot capture volatile (evaporated) chromium or the like from gaps such as cracks, the cell performance deteriorates.
In addition, when the protective film was measured by X-ray photoelectron spectroscopy, the formation of barium chromate on the surface of the protective film among the metal substrate interface of the protective film, the inside of the protective film, and the surface of the protective film Since the amount was large, it is presumed that, for example, chromium that has volatilized (evaporated) is captured from gaps such as inevitable cracks at the present time.

上記アルカリ土類金属酸化物としては、例えばベリリウム酸化物やマグネシウム酸化物、カルシウム酸化物、ストロンチウム酸化物、バリウム酸化物などを挙げることができる。これらはいずれか一種を含んでいればよく、二種以上が含まれていてもよい。   Examples of the alkaline earth metal oxide include beryllium oxide, magnesium oxide, calcium oxide, strontium oxide, and barium oxide. Any of these may be included, and two or more may be included.

例えば、バリウム酸化物は、保護用被膜において30〜60原子%の割合で含まれていることが好ましく、40〜50原子%の割合で含まれていることがより好ましい。バリウム酸化物の割合が30原子%未満である場合には、熱膨張率が低下し、ステンレス鋼等の表面に形成した場合、剥離などの原因となる。一方、バリウム酸化物の割合が60原子%を超える場合には、保護膜の膜強度が低下する。
また、カルシウム酸化物は、保護用被膜において1〜30原子%の割合で含まれていることが好ましく、2〜20原子%の割合で含まれていることがより好ましい。カルシウム酸化物の割合が1原子%未満である場合には、熱膨張率が低下し、ステンレス鋼等の表面に形成した場合、剥離などの原因となる。一方、カルシウム酸化物の割合が30原子%を超える場合には、膜強度が低下する。
更に、バリウム酸化物とカルシウム酸化物の双方を含有すると、熱膨張、膜強度の観点から好ましい。
For example, the barium oxide is preferably contained in the protective film at a rate of 30 to 60 atomic%, and more preferably contained at a rate of 40 to 50 atomic%. When the ratio of barium oxide is less than 30 atomic%, the coefficient of thermal expansion decreases, and when formed on the surface of stainless steel or the like, it causes peeling. On the other hand, when the proportion of barium oxide exceeds 60 atomic%, the film strength of the protective film decreases.
Moreover, it is preferable that the calcium oxide is contained in the protective film in a proportion of 1 to 30 atomic%, and more preferably in a proportion of 2 to 20 atomic%. When the ratio of calcium oxide is less than 1 atomic%, the coefficient of thermal expansion decreases, and when formed on the surface of stainless steel or the like, it causes peeling. On the other hand, when the proportion of calcium oxide exceeds 30 atomic%, the film strength decreases.
Furthermore, when both barium oxide and calcium oxide are contained, it is preferable from the viewpoint of thermal expansion and film strength.

また、上記保護用被膜としては、アルカリ土類金属酸化物の他にアルミニウム酸化物やケイ素酸化物などを含むガラス状態の保護用被膜を適用する。
通常、従来の緻密な被覆層や導電性保護膜を構成するセラミックス材料の熱膨張率は、金属基材の熱膨張率と著しい差を有するが、このような組成のガラス状態の保護用被膜は、その組成を調整することにより、その熱膨張率を金属基材の熱膨張率とほぼ一致させることができる。
なお、このような組成のガラス状態の保護用被膜は、比較的容易に成膜できる。また、緻密な被覆層や導電性保護膜を形成するセラミックス材料と比較して安価な材料である。
Further, as the protective film, that apply a protective coating of glass state, including aluminum oxide or silicon oxide in addition to the A alkaline earth metal oxides.
Usually, the thermal expansion coefficient of a ceramic material constituting a conventional dense coating layer or conductive protective film has a significant difference from the thermal expansion coefficient of a metal base material. By adjusting the composition, the coefficient of thermal expansion can be made substantially coincident with the coefficient of thermal expansion of the metal substrate.
Note that a glassy protective film having such a composition can be formed relatively easily. Moreover, it is an inexpensive material compared with a ceramic material that forms a dense coating layer or a conductive protective film.

更に、上記保護用被膜の具体例としては、例えば、バリウム酸化物(BaO)を30〜60原子%、好ましくは35〜50原子%、カルシウム酸化物(CaO)を1〜30原子%、好ましくは3〜10原子%、アルミニウム酸化物(Al)を2〜6原子%、好ましくは3〜5原子%、ケイ素酸化物を(SiO)を15〜45原子%、好ましくは15〜25原子%、ホウ素酸化物(B)を1〜10原子%、好ましくは3〜10原子%の割合で含むガラス状態の保護用被膜を挙げることができる。なお、保護用被膜としての性能を阻害しない範囲で他の化合物(例えば、マグネシア、酸化バナジウムなど。)を含有していてもよい。
このような組成のガラス状態の保護用被膜は、クロムやクロム酸化物などを原因とするセル性能の劣化をより抑制ないし防止し得るものとなる。
Furthermore, specific examples of the protective coating include, for example, barium oxide (BaO) of 30 to 60 atomic%, preferably 35 to 50 atomic%, and calcium oxide (CaO) of 1 to 30 atomic%, preferably 3-10 atomic%, aluminum oxide (Al 2 O 3 ) 2-6 atomic%, preferably 3-5 atomic%, silicon oxide (SiO 2 ) 15-45 atomic%, preferably 15-25 A protective film in a glass state containing 1% to 10% by atom, preferably 3 to 10% by atom of boron oxide (B 2 O 3 ) can be given. In addition, you may contain other compounds (for example, magnesia, vanadium oxide, etc.) in the range which does not inhibit the performance as a protective film.
The protective coating in a glass state having such a composition can further suppress or prevent deterioration of cell performance caused by chromium, chromium oxide or the like.

更にまた、上記保護用被膜の具体例としては、例えば、保護用被膜の熱膨張率と金属基材の熱膨張率との差が5×10−7−1以下である保護用被膜を挙げることができる。
このような熱膨張率差であると、新たなクラックが生じにくく、クロムやクロム酸化物などを原因とするセル性能の劣化をより抑制ないし防止し得るものとなる。
Furthermore, specific examples of the protective coating include a protective coating in which the difference between the thermal expansion coefficient of the protective coating and the thermal expansion coefficient of the metal substrate is 5 × 10 −7 K −1 or less. be able to.
With such a difference in coefficient of thermal expansion, new cracks are unlikely to occur, and cell performance deterioration caused by chromium, chromium oxide, or the like can be further suppressed or prevented.

また、上記金属基材としては、例えば、クロム(Cr)を15〜30質量%の割合で含むステンレス鋼を挙げることができる。
クロムの割合が15質量%未満である場合には、耐熱性、耐酸化性が劣ることがある。一方、クロムの割合が30質量%を超える場合には、価格や加工性に問題がある。
なお、特に限定されるものではないが、フェライト系ステンレス鋼を用いることが望ましい。また、金属基材としては、これに限定されるものではなく、クロムを含むニッケル基合金など種々の耐熱性合金を適用することができる。
Moreover, as said metal base material, the stainless steel which contains chromium (Cr) in the ratio of 15-30 mass% can be mentioned, for example.
When the ratio of chromium is less than 15% by mass, heat resistance and oxidation resistance may be inferior. On the other hand, when the ratio of chromium exceeds 30% by mass, there is a problem in price and workability.
Although not particularly limited, it is desirable to use ferritic stainless steel. Moreover, as a metal base material, it is not limited to this, Various heat resistant alloys, such as a nickel base alloy containing chromium, can be applied.

また、本発明の固体酸化物形燃料電池用金属部材は、上記金属基材の表面に形成され、導電性材料を含む導電用被膜を備えることができる。
このような導電性材料を含む導電用被膜を有することにより、導電性の確保を必要とする部位にも好適に用いることができる。
導電性材料としては、例えば銀、銅、これらを含む合金などを挙げることができるが、必ずしもこれらに限定されるものではない。即ち、例えば白金、パラジウムや銀とセラミックスの混合材料などを適用することもできる。
Moreover, the metal member for solid oxide fuel cells of the present invention can be provided with a conductive film formed on the surface of the metal substrate and containing a conductive material.
By having a conductive film containing such a conductive material, it can be suitably used for a portion that needs to ensure conductivity.
Examples of the conductive material include silver, copper, and alloys containing these, but are not necessarily limited thereto. That is, for example, platinum, palladium, a mixed material of silver and ceramics, or the like can be applied.

更に、上記導電用被膜としては、例えば、アルカリ土類金属酸化物を含む導電用被膜を適用することができる。
このようなアルカリ土類金属酸化物を含む導電用被膜を有することにより、保護用被膜と導電用被膜との間におけるクラックが生じにくく、クロムやクロム酸化物などを原因とするセル性能の劣化をより抑制ないし防止し得るものとなる。
Furthermore, as the conductive film, for example, a conductive film containing an alkaline earth metal oxide can be applied.
By having a conductive film containing such an alkaline earth metal oxide, cracks between the protective film and the conductive film are less likely to occur, and cell performance is deteriorated due to chromium, chromium oxide, or the like. It can be further suppressed or prevented.

ここで、固体酸化物形燃料電池用金属部材としては、例えばセパレータ、集電体、インターコネクタなどを挙げることができるが、必ずしもこれらに限定されるものではない。即ち、例えばクロムを含むガス通気用配管金属基材からクロムやクロム酸化物が揮発(蒸発)し得るような高温環境下にさらされ、揮発(蒸発)したクロムなどが空気極材料に到達し得るような空気流路を構成する金属部材などに適用することもできる。   Here, examples of the metal member for a solid oxide fuel cell include a separator, a current collector, and an interconnector, but are not necessarily limited thereto. That is, for example, the gas vent pipe metal substrate containing chromium is exposed to a high-temperature environment where chromium and chromium oxide can volatilize (evaporate), and the vaporized (evaporated) chromium can reach the air electrode material. The present invention can also be applied to a metal member constituting such an air flow path.

以下、固体酸化物形燃料電池用金属部材の一実施形態であるインターコネクタについて図面を参照しながら詳細に説明する。
図1は、固体酸化物形燃料電池の一例の模式的な断面状態を示す説明図である。同図に示すように、固体酸化物形燃料電池は、セル支持プレート20に搭載され、発電要素であるセル10と、インターコネクタ30とを備える。
発電要素であるセル10は、電解質11とこれを挟持する空気極13と燃料極15とを備える。
また、セル10は、セル支持プレート20に支持されている。
更に、本発明の一実施形態であるインターコネクタ30は、クロムを含む金属セパレータ31と、空気極側において、金属セパレータ31と電気的に接続され、クロムを含む金属集電体33と、燃料極側において、金属セパレータ31と電気的に接続される金属集電体35と、金属セパレータ31の表面と金属集電体33の表面の非電極接触部位の少なくとも一部とに形成されたアルカリ土類金属酸化物を含む保護用被膜37とを備える。
図2は、図1に示す金属集電体の電極接触部位の模式的な断面状態を示す説明図である。同図に示すように、金属集電体33は、非電極接触部位の表面にアルカリ土類金属酸化物を含む保護用被膜37を備え、電極接触部位の表面には保護用被膜を備えていない。
Hereinafter, an interconnector which is an embodiment of a metal member for a solid oxide fuel cell will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic cross-sectional state of an example of a solid oxide fuel cell. As shown in the figure, the solid oxide fuel cell is mounted on a cell support plate 20 and includes a cell 10 that is a power generation element and an interconnector 30.
A cell 10 that is a power generation element includes an electrolyte 11, an air electrode 13 that sandwiches the electrolyte 11, and a fuel electrode 15.
The cell 10 is supported by the cell support plate 20.
Furthermore, an interconnector 30 according to an embodiment of the present invention includes a metal separator 31 containing chromium, a metal current collector 33 containing chromium, electrically connected to the metal separator 31 on the air electrode side, and a fuel electrode. Side, a metal current collector 35 electrically connected to the metal separator 31, and an alkaline earth formed on the surface of the metal separator 31 and at least a part of the non-electrode contact portion on the surface of the metal current collector 33 And a protective coating 37 containing a metal oxide.
FIG. 2 is an explanatory view showing a schematic cross-sectional state of the electrode contact portion of the metal current collector shown in FIG. As shown in the figure, the metal current collector 33 includes a protective coating 37 containing an alkaline earth metal oxide on the surface of the non-electrode contact portion, and does not include a protective coating on the surface of the electrode contact portion. .

ここで、発電要素であるセル10において、電解質11には、例えば8YSZ(8mol%イットリア安定化ジルコニア)を用いることができる。また、空気極13には、例えばランタン−ストロンチウム−マンガン酸化物やランタン−カルシウム−マンガン酸化物、ランタン−ストロンチウム−コバルト酸化物、ランタン−カルシウム−コバルト酸化物、サマリウム−ストロンチウム−コバルト酸化物、ランタン−ストロンチウム−マンガン−コバルト酸化物、ランタン−ストロンチウム−マンガン−鉄酸化物などを用いることができる。更に、燃料極15には、例えばNi−8YSZを用いることができる。   Here, in the cell 10 as the power generation element, for example, 8YSZ (8 mol% yttria stabilized zirconia) can be used as the electrolyte 11. The air electrode 13 includes, for example, lanthanum-strontium-manganese oxide, lanthanum-calcium-manganese oxide, lanthanum-strontium-cobalt oxide, lanthanum-calcium-cobalt oxide, samarium-strontium-cobalt oxide, and lanthanum. -Strontium-manganese-cobalt oxide, lanthanum-strontium-manganese-iron oxide, etc. can be used. Furthermore, for example, Ni-8YSZ can be used for the fuel electrode 15.

また、セル支持プレート20には、例えば、フェライト系ステンレス鋼やイットリア安定化ジルコニアやマグネシウム安定化ジルコニア等のセラミックス薄板を用いることができる。このセル支持プレート20は、熱膨張率が電解質11の熱膨張率に近く、セル10に良好に接着して接合薄板化することができるほか、耐熱性に優れると共に、高温環境においても剛性を保ってセル10を安定して支持することができる。また、このセル支持プレート20は、強度や靭性に優れて変形に強いため、50〜100μm程度の薄板化が可能であり、これにより燃料電池ひいてはスタックの体積や熱容量を低減し得る。   The cell support plate 20 may be a ceramic thin plate such as ferritic stainless steel, yttria-stabilized zirconia, or magnesium-stabilized zirconia. The cell support plate 20 has a thermal expansion coefficient close to that of the electrolyte 11 and can be well bonded to the cell 10 to form a thin joint plate. Further, the cell support plate 20 has excellent heat resistance and maintains rigidity even in a high temperature environment. Thus, the cell 10 can be stably supported. Further, since the cell support plate 20 has excellent strength and toughness and is resistant to deformation, the cell support plate 20 can be thinned to about 50 to 100 μm, thereby reducing the volume and heat capacity of the fuel cell and thus the stack.

更に、燃料極側の金属集電体35には、例えばNi製フェルトやNi製メッシュなどを用いることができる。   Furthermore, for the metal current collector 35 on the fuel electrode side, for example, Ni felt or Ni mesh can be used.

図3は、固体酸化物形燃料電池の他の例の模式的な断面状態を示す説明図である。なお、先の実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
ここで、本発明の一実施形態であるインターコネクタは、更に、金属集電体33の表面の電極接触部位の少なくとも一部に形成され、導電性材料を含む導電用被膜39を備える。
図4は、図3に示す金属集電体の電極接触部位の模式的な断面状態を示す説明図である。同図に示すように、金属集電体33は、非電極接触部位の表面にアルカリ土類金属酸化物を含む保護用被膜37を備え、電極接触部位の表面に導電性材料を含む導電用被膜39を備えている。
FIG. 3 is an explanatory view showing a schematic cross-sectional state of another example of the solid oxide fuel cell. Note that the same components as those of the previous embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
Here, the interconnector according to an embodiment of the present invention further includes a conductive coating 39 formed on at least a part of the electrode contact portion on the surface of the metal current collector 33 and containing a conductive material.
FIG. 4 is an explanatory view showing a schematic cross-sectional state of the electrode contact portion of the metal current collector shown in FIG. As shown in the figure, the metal current collector 33 includes a protective coating 37 containing an alkaline earth metal oxide on the surface of the non-electrode contact portion, and a conductive coating containing a conductive material on the surface of the electrode contact portion. 39 is provided.

次に、上記のインターコネクタの製造方法の若干の具体例について詳細に説明する。
固体酸化物形燃料電池用インターコネクタの第1の製造方法としては、(A1):クロムを含む金属セパレータ基板とクロムを含む金属集電体とが電気的に接続された接合体につき、金属集電体の表面の電極接触部位にマスキング部材を配置する工程、(A2):マスキング部材が配置された接合体にアルカリ土類金属酸化物を含む保護用被膜形成材料を用いて成膜する工程、(A3):工程(A2)より後に実施され、マスキング部材を除去する工程、及び(A4):工程(A3)より後に実施され、マスキング除去部位に導電性材料を含む導電用被膜形成材料を用いて成膜する工程を含むものを挙げることができる。
Next, some specific examples of the manufacturing method of the interconnector will be described in detail.
The first manufacturing method of the solid oxide fuel cell interconnector is as follows: (A1): For a joined body in which a metal separator substrate containing chromium and a metal current collector containing chromium are electrically connected, A step of disposing a masking member at an electrode contact portion on the surface of the electric body, (A2): a step of forming a film using a protective film-forming material containing an alkaline earth metal oxide on the joined body on which the masking member is disposed; (A3): implemented after step (A2) to remove the masking member, and (A4): implemented after step (A3), using a conductive film-forming material containing a conductive material at the masking removal site. And a process including a film forming step.

また、固体酸化物形燃料電池用インターコネクタの第2の製造方法としては、(B1):クロムを含む金属セパレータ基板にアルカリ土類金属酸化物を含む保護用被膜形成用材料を用いて成膜する工程、(B2):クロムを含む金属集電体の表面のうち電極接触部位にマスキング部材を配置する工程、(B3):マスキング部材が配置された金属集電体にアルカリ土類金属酸化物を含む保護用被膜形成材料を用いて成膜する工程、(B4):工程(B3)より後に実施され、マスキング部材を除去する工程、(B5):工程(B4)より後に実施され、マスキング除去部位に導電性材料を含む導電用被膜形成材料を用いて成膜する工程、及び(B6):工程(B4)より後に実施され、保護用被膜が成膜された金属セパレータ基板と保護用被膜が成膜された金属集電体とが電気的に接続するように接合する工程を含むものを挙げることができる。   In addition, as a second manufacturing method of an interconnector for a solid oxide fuel cell, (B1): forming a film using a protective film forming material containing an alkaline earth metal oxide on a metal separator substrate containing chromium. (B2): a step of disposing a masking member on the electrode contact portion of the surface of the metal current collector containing chromium, (B3): an alkaline earth metal oxide on the metal current collector on which the masking member is disposed (B4): a step performed after the step (B3) and removing the masking member, (B5): a step performed after the step (B4) and removing the masking. A step of forming a film using a conductive film-forming material containing a conductive material at a site; and (B6): a metal separator substrate formed after the step (B4) and having a protective film formed thereon, and a protective coating There can be mentioned those with the formed metal current collector comprises a step of bonding to electrically connect.

金属セパレータ基板と金属集電体とは、電気的に接続される必要があり、例えば溶接やロウ付けを好適に利用することができる。
また、金属セパレータ基板や金属集電体への保護用被膜の形成方法としては、例えばスパッタ法やCVD法、スラリーコート法、電気泳動法など各種の成膜方法を利用することができる。
更に、保護用被膜を形成する際に使用するマスキング部材としては、通常のマスクの他、マスキング剤を利用することができる。なお、マスキング剤を使用した場合には、ブラスト処理や酸化処理、溶解処理など各種のマスキング除去処理を利用することができる。
更にまた、金属集電体への導電用被膜の形成方法としては、例えばスパッタ法やCVD法、スラリーコート法、電気泳動法など各種の成膜方法を利用することができる。
なお、導電用被膜を形成する際に、上記保護用被膜上に導電用被膜を形成しないようにするには、上記同様のマスキング部材を利用することができる。
また、金属セパレータ基板と金属集電体とは、電気的に接続し得れば接合工程の順序はいずれであってもよい。
The metal separator substrate and the metal current collector need to be electrically connected, and for example, welding or brazing can be suitably used.
As a method for forming a protective film on the metal separator substrate or the metal current collector, various film forming methods such as sputtering, CVD, slurry coating, and electrophoresis can be used.
Furthermore, as a masking member used when forming the protective film, a masking agent can be used in addition to a normal mask. When a masking agent is used, various masking removal processes such as a blast process, an oxidation process, and a dissolution process can be used.
Furthermore, as a method for forming a conductive film on the metal current collector, various film forming methods such as sputtering, CVD, slurry coating, and electrophoresis can be used.
In order to prevent the conductive film from being formed on the protective film when the conductive film is formed, the same masking member as described above can be used.
In addition, the order of the bonding steps may be any as long as the metal separator substrate and the metal current collector can be electrically connected.

以下、本発明を実施例及び比較例により更に詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples and comparative examples.

(実施例1)
図1に示すような固体酸化物形燃料電池を作製した。
具体的には、発電要素であるセルにおいて、燃料極(基板)は、材料としてNi−8YSZ(8mol%イットリア安定化ジルコニア)を用い、厚みを800μmとした。また、電解質は、材料として8YSZを用い、厚みを30μmとした。更に、空気極は、LSCF(ランタン−ストロンチウム−コバルト−鉄酸化物)を用い、厚み30μmとした。
Example 1
A solid oxide fuel cell as shown in FIG. 1 was produced.
Specifically, in the cell serving as the power generation element, the fuel electrode (substrate) was made of Ni-8YSZ (8 mol% yttria stabilized zirconia) as a material and had a thickness of 800 μm. The electrolyte used was 8YSZ as the material and had a thickness of 30 μm. Furthermore, the air electrode was made of LSCF (lanthanum-strontium-cobalt-iron oxide) and had a thickness of 30 μm.

また、セル支持プレートは、厚み500μmのフェライト系ステンレス鋼を用い、これを金属系ロウ材を使用してセルに接合した。   The cell support plate was made of ferritic stainless steel having a thickness of 500 μm, and this was joined to the cell using a metal brazing material.

更に、インターコネクタにおいて、板状の金属セパレータ基板は、材料としてFe−22質量%Cr(フェライト系ステンレス鋼)を用いた。また、空気極側の網状の金属集電体としては、材料としてFe−22質量%Cr(フェライト系ステンレス鋼)を用い、これを金属セパレータ基板に溶接により電気的に接続するように接合した。更に、燃料極側の網状の金属集電体としては、材料としてNiを用い、これを溶接により金属セパレータ基板に電気的に接続するように接合した。更にまた、アルカリ土類金属酸化物を含む保護用被膜は、材料としてアルカリ土類金属酸化物を含む保護用被膜形成材料を用い、バリウム酸化物とカルシウム酸化物とケイ素酸化物とアルミニウム酸化物とホウ素酸化物とをBaO:CaO:SiO:Al:B=56原子%:9.0原子%:22原子%:6.0原子%:7.0原子%の割合で含むガラス状態の保護用被膜を、空気極側の金属セパレータ基板の表面及び金属集電体の表面の非電極接触部位に成膜した。
なお、金属セパレータ基板等と保護用被膜との熱膨張率差は3×10−7−1であった。
Further, in the interconnector, the plate-like metal separator substrate was made of Fe-22 mass% Cr (ferritic stainless steel) as a material. Moreover, as a net-like metal current collector on the air electrode side, Fe-22 mass% Cr (ferritic stainless steel) was used as a material, and this was joined so as to be electrically connected to a metal separator substrate by welding. Furthermore, as the net-like metal current collector on the fuel electrode side, Ni was used as a material, and this was joined so as to be electrically connected to the metal separator substrate by welding. Furthermore, the protective coating containing an alkaline earth metal oxide uses a protective coating forming material containing an alkaline earth metal oxide as a material, and contains barium oxide, calcium oxide, silicon oxide, and aluminum oxide. Boron oxide and BaO: CaO: SiO 2 : Al 2 O 3 : B 2 O 3 = 56 atomic%: 9.0 atomic%: 22 atomic%: 6.0 atomic%: 7.0 atomic% The protective film in a glass state was formed on the surface of the metal separator substrate on the air electrode side and the non-electrode contact site on the surface of the metal current collector.
The difference in thermal expansion coefficient between the metal separator substrate and the protective film was 3 × 10 −7 K −1 .

なお、空気極側のエンドプレートとして、板状の金属基板にFe−22質量%Cr(フェライト系ステンレス鋼)の網状の金属集電体を接合したものを用い、燃料極側のエンドプレートとして、板状の金属基板にNiの網状の金属集電体を接合したものを用いた。   In addition, as an end plate on the air electrode side, an end plate on the fuel electrode side is used by joining a plate-like metal substrate to a net-like metal current collector of Fe-22 mass% Cr (ferritic stainless steel). A plate-shaped metal substrate joined with a Ni net-like metal current collector was used.

得られたセルとインターコネクタとエンドプレートとを用いて、セル数が10個のスタック構造体を構築して、本例の固体酸化物形燃料電池を得た。   Using the obtained cell, interconnector, and end plate, a stack structure having 10 cells was constructed to obtain a solid oxide fuel cell of this example.

(実施例2)
図3に示すような固体酸化物形燃料電池を作製した。
具体的には、発電要素であるセルにおいて、燃料極(基板)は、材料としてNi−8YSZ(8mol%イットリア安定化ジルコニア)を用い、厚みを800μmとした。また、電解質は、材料として8YSZを用い、厚みを30μmとした。更に、空気極は、LSCF(ランタン−ストロンチウム−コバルト−鉄酸化物)を用い、厚み30μmとした。
(Example 2)
A solid oxide fuel cell as shown in FIG. 3 was produced.
Specifically, in the cell serving as the power generation element, the fuel electrode (substrate) was made of Ni-8YSZ (8 mol% yttria stabilized zirconia) as a material and had a thickness of 800 μm. The electrolyte used was 8YSZ as the material and had a thickness of 30 μm. Furthermore, the air electrode was made of LSCF (lanthanum-strontium-cobalt-iron oxide) and had a thickness of 30 μm.

また、セル支持プレートは、厚み500μmのフェライト系ステンレス鋼を用い、これを金属系ロウ材を使用してセルに接合した。   The cell support plate was made of ferritic stainless steel having a thickness of 500 μm, and this was joined to the cell using a metal brazing material.

更に、インターコネクタにおいて、板状の金属セパレータ基板は、材料としてFe−22質量%Cr(フェライト系ステンレス鋼)を用いた。また、空気極側の網状の金属集電体としては、材料としてFe−22質量%Crを用い、これを金属セパレータ基板に溶接により電気的に接続するように接合した。更に、燃料極側の網状の金属集電体としては、材料としてNiを用い、これを溶接により金属セパレータ基板に電気的に接続するように接合した。更にまた、アルカリ土類金属酸化物を含む保護用被膜は、材料としてアルカリ土類金属酸化物を含む保護用被膜形成材料を用い、バリウム酸化物とカルシウム酸化物とケイ素酸化物とアルミニウム酸化物とホウ素酸化物とをBaO:CaO:SiO:Al:B=36原子%:16原子%:45原子%:2.0原子%:1.0原子%の割合で含むガラス状態の保護用被膜を、空気極側の金属セパレータ基板の表面及び金属集電体の表面の非電極接触部位に成膜した。一方、導電性材料を含む導電用被膜は、材料としてAgCu合金を用い、AgCu合金を含む導電用被膜を、空気極側の金属集電体の表面の電極接触部位に成膜した。
なお、金属セパレータ基板等と保護用被膜との熱膨張率差は3×10−7−1であった。
Further, in the interconnector, the plate-like metal separator substrate was made of Fe-22 mass% Cr (ferritic stainless steel) as a material. Moreover, as a net-like metal current collector on the air electrode side, Fe-22 mass% Cr was used as a material, and this was joined so as to be electrically connected to a metal separator substrate by welding. Furthermore, as the net-like metal current collector on the fuel electrode side, Ni was used as a material, and this was joined so as to be electrically connected to the metal separator substrate by welding. Furthermore, the protective coating containing an alkaline earth metal oxide uses a protective coating forming material containing an alkaline earth metal oxide as a material, and contains barium oxide, calcium oxide, silicon oxide, and aluminum oxide. Glass containing boron oxide at a ratio of BaO: CaO: SiO 2 : Al 2 O 3 : B 2 O 3 = 36 atomic%: 16 atomic%: 45 atomic%: 2.0 atomic%: 1.0 atomic% The protective film in a state was formed on the non-electrode contact sites on the surface of the metal separator substrate on the air electrode side and on the surface of the metal current collector. On the other hand, the conductive film containing a conductive material was made of an AgCu alloy as a material, and the conductive film containing an AgCu alloy was formed on the electrode contact portion on the surface of the metal current collector on the air electrode side.
The difference in thermal expansion coefficient between the metal separator substrate and the protective film was 3 × 10 −7 K −1 .

なお、空気極側のエンドプレートとして、板状の金属基板にFe−22質量%Cr(フェライト系ステンレス鋼)の網状の金属集電体を接合したものを用い、燃料極側のエンドプレートとして、板状の金属基板にNiの網状の金属集電体を接合したものを用いた。   In addition, as an end plate on the air electrode side, an end plate on the fuel electrode side is used by joining a plate-like metal substrate to a net-like metal current collector of Fe-22 mass% Cr (ferritic stainless steel). A plate-shaped metal substrate joined with a Ni net-like metal current collector was used.

得られたセルとインターコネクタとエンドプレートとを用いて、セル数が10個のスタック構造体を構築して、本例の固体酸化物形燃料電池を得た。   Using the obtained cell, interconnector, and end plate, a stack structure having 10 cells was constructed to obtain a solid oxide fuel cell of this example.

(実施例3)
図3に示すような固体酸化物形燃料電池を作製した。
具体的には、発電要素であるセルにおいて、燃料極(基板)は、材料としてNi−8YSZ(8mol%イットリア安定化ジルコニア)を用い、厚みを800μmとした。また、電解質は、材料として8YSZを用い、厚みを30μmとした。更に、空気極は、LSCF(ランタン−ストロンチウム−コバルト−鉄酸化物)を用い、厚み30μmとした。
(Example 3)
A solid oxide fuel cell as shown in FIG. 3 was produced.
Specifically, in the cell serving as the power generation element, the fuel electrode (substrate) was made of Ni-8YSZ (8 mol% yttria stabilized zirconia) as a material and had a thickness of 800 μm. The electrolyte used was 8YSZ as the material and had a thickness of 30 μm. Furthermore, the air electrode was made of LSCF (lanthanum-strontium-cobalt-iron oxide) and had a thickness of 30 μm.

また、セル支持プレートは、厚み500μmのフェライト系ステンレス鋼を用い、これを金属系ロウ材を使用してセルに接合した。   The cell support plate was made of ferritic stainless steel having a thickness of 500 μm, and this was joined to the cell using a metal brazing material.

更に、インターコネクタにおいて、板状の金属セパレータ基板は、材料としてFe−22質量%Cr(フェライト系ステンレス鋼)を用いた。また、空気極側の網状の金属集電体としては、材料としてFe−22質量%Crを用い、これを金属セパレータ基板にロウ付けにより電気的に接続するように接合した。更に、燃料極側の網状の金属集電体としては、材料としてNiを用い、これを溶接により金属セパレータ基板に電気的に接続するように接合した。更にまた、アルカリ土類金属酸化物を含む保護用被膜は、材料としてアルカリ土類金属酸化物を含む保護用被膜形成材料を用い、バリウム酸化物とカルシウム酸化物とケイ素酸化物とアルミニウム酸化物とホウ素酸化物とをBaO:CaO:SiO:Al:B=56原子%:9.0原子%:22原子%:6.0原子%:7.0原子%の割合で含むガラス状態の保護用被膜を、空気極側の金属セパレータ基板の表面及び金属集電体の表面の非電極接触部位に成膜した。一方、導電性材料を含む導電用被膜は、材料としてAgCu合金及び保護用被膜形成材料の混合物を用い、AgCu合金及びアルカリ土類金属酸化物を含む導電用被膜を、空気極側の金属集電体の表面の電極接触部位に成膜した。 Further, in the interconnector, the plate-like metal separator substrate was made of Fe-22 mass% Cr (ferritic stainless steel) as a material. Further, as the net-like metal current collector on the air electrode side, Fe-22 mass% Cr was used as a material, and this was joined so as to be electrically connected to the metal separator substrate by brazing. Furthermore, as the net-like metal current collector on the fuel electrode side, Ni was used as a material, and this was joined so as to be electrically connected to the metal separator substrate by welding. Furthermore, the protective coating containing an alkaline earth metal oxide uses a protective coating forming material containing an alkaline earth metal oxide as a material, and contains barium oxide, calcium oxide, silicon oxide, and aluminum oxide. Boron oxide and BaO: CaO: SiO 2 : Al 2 O 3 : B 2 O 3 = 56 atomic%: 9.0 atomic%: 22 atomic%: 6.0 atomic%: 7.0 atomic% The protective film in a glass state was formed on the surface of the metal separator substrate on the air electrode side and the non-electrode contact site on the surface of the metal current collector. On the other hand, a conductive film containing a conductive material uses a mixture of an AgCu alloy and a protective film-forming material as a material, and a conductive film containing an AgCu alloy and an alkaline earth metal oxide is used as a metal current collector on the air electrode side. A film was formed on the electrode contact site on the body surface.

なお、空気極側のエンドプレートとして、板状の金属基板にFe−22質量%Cr(フェライト系ステンレス鋼)の網状の金属集電体を接合したものを用い、燃料極側のエンドプレートとして、板状の金属基板にNiの網状の金属集電体を接合したものを用いた。   In addition, as an end plate on the air electrode side, an end plate on the fuel electrode side is used by joining a plate-like metal substrate to a net-like metal current collector of Fe-22 mass% Cr (ferritic stainless steel). A plate-shaped metal substrate joined with a Ni net-like metal current collector was used.

得られたセルとインターコネクタとエンドプレートとを用いて、セル数が10個のスタック構造体を構築して、本例の固体酸化物形燃料電池を得た。   Using the obtained cell, interconnector, and end plate, a stack structure having 10 cells was constructed to obtain a solid oxide fuel cell of this example.

(比較例1)
図5に示すような固体酸化物形燃料電池を作製した。
具体的には、発電要素であるセルにおいて、燃料極(基板)は、材料としてNi−8YSZ(8mol%イットリア安定化ジルコニア)を用い、厚みを800μmとした。また、電解質は、材料として8YSZを用い、厚みを30μmとした。更に、空気極は、LSCF(ランタン−ストロンチウム−コバルト−鉄酸化物)を用い、厚み30μmとした。
(Comparative Example 1)
A solid oxide fuel cell as shown in FIG. 5 was produced.
Specifically, in the cell serving as the power generation element, the fuel electrode (substrate) was made of Ni-8YSZ (8 mol% yttria stabilized zirconia) as a material and had a thickness of 800 μm. The electrolyte used was 8YSZ as the material and had a thickness of 30 μm. Furthermore, the air electrode was made of LSCF (lanthanum-strontium-cobalt-iron oxide) and had a thickness of 30 μm.

また、セル支持プレートは、厚み500μmのフェライト系ステンレス鋼を用い、これを金属系ロウ材を使用してセルに接合した。   The cell support plate was made of ferritic stainless steel having a thickness of 500 μm, and this was joined to the cell using a metal brazing material.

更に、インターコネクタにおいて、板状の金属セパレータ基板は、材料としてFe−22質量%Cr(フェライト系ステンレス鋼)を用いた。また、空気極側の網状の金属集電体としては、材料としてFe−22質量%Crを用い、これを金属セパレータ基板にロウ付けにより電気的に接続するように接合した。更に、燃料極側の網状の金属集電体としては、材料としてNiを用い、これを溶接により金属セパレータ基板に電気的に接続するように接合した。   Further, in the interconnector, the plate-like metal separator substrate was made of Fe-22 mass% Cr (ferritic stainless steel) as a material. Further, as the net-like metal current collector on the air electrode side, Fe-22 mass% Cr was used as a material, and this was joined so as to be electrically connected to the metal separator substrate by brazing. Furthermore, as the net-like metal current collector on the fuel electrode side, Ni was used as a material, and this was joined so as to be electrically connected to the metal separator substrate by welding.

なお、空気極側のエンドプレートとして、板状の金属基板にFe−22質量%Cr(フェライト系ステンレス鋼)の網状の金属集電体を接合したものを用い、燃料極側のエンドプレートとして、板状の金属基板にNiの網状の金属集電体を接合したものを用いた。   In addition, as an end plate on the air electrode side, an end plate on the fuel electrode side is used by joining a plate-like metal substrate to a net-like metal current collector of Fe-22 mass% Cr (ferritic stainless steel). A plate-shaped metal substrate joined with a Ni net-like metal current collector was used.

得られたセルとインターコネクタとエンドプレートとを用いて、セル数が10個のスタック構造体を構築して、本例の固体酸化物形燃料電池を得た。   Using the obtained cell, interconnector, and end plate, a stack structure having 10 cells was constructed to obtain a solid oxide fuel cell of this example.

[性能評価]
得られた各例の固体酸化物形燃料電池において、下記条件下で発電試験を行い、セル性能の一例である出力密度を測定した。得られた結果のうち実施例2と比較例1の結果を図6に示す。
[Performance evaluation]
In each of the obtained solid oxide fuel cells, a power generation test was performed under the following conditions, and an output density as an example of cell performance was measured. Of the obtained results, the results of Example 2 and Comparative Example 1 are shown in FIG.

(試験条件)
・空気極側に空気を通気し、燃料極側に水素−30体積%窒素ガスを通気した。
・発電温度は750℃とした。
(Test conditions)
-Air was ventilated to the air electrode side, and hydrogen-30% by volume nitrogen gas was aerated to the fuel electrode side.
・ Power generation temperature was 750 ° C.

図6より、本発明の範囲に属する実施例2は、本発明外の比較例1と比較して、長時間の発電試験においても出力密度の劣化が抑制されていることが分かる。これにより、セル性能の耐久性が向上していることが分かる。
なお、実施例1及び3についても、実施例2とほぼ同じ傾向を示す結果が得られた。
As can be seen from FIG. 6, in Example 2 belonging to the scope of the present invention, the deterioration of the output density is suppressed even in the long-time power generation test, as compared with Comparative Example 1 outside the present invention. Thereby, it turns out that durability of cell performance is improving.
In addition, also about Example 1 and 3, the result which shows a tendency almost the same as Example 2 was obtained.

以上、本発明を若干の実施形態及び実施例によって説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形が可能である。
例えば、上記のインターコネクタの実施形態を説明するに際し、セル支持プレートがフェライト系ステンレス鋼やセラミックス製であるものを適用した例を用いて説明したが、例えばクロムを含む金属基材の全面又は空気極側の表面にアルカリ土類金属酸化物を含む保護用被膜を形成したセル支持プレートを適用することもできる。なお、このようなアルカリ土類金属酸化物を含む保護用被膜を備えたセル支持プレートは、本発明の固体酸化物形燃料電池用セパレータの範囲に含まれる。
As mentioned above, although this invention was demonstrated with some embodiment and an Example, this invention is not limited to these, A various deformation | transformation is possible within the range of the summary of this invention.
For example, in describing the embodiment of the interconnector described above, an example in which the cell support plate is made of ferritic stainless steel or ceramics has been described. However, for example, the entire surface of a metal substrate containing chromium or air A cell support plate in which a protective film containing an alkaline earth metal oxide is formed on the surface on the pole side can also be applied. In addition, the cell support plate provided with the protective film containing such an alkaline earth metal oxide is included in the range of the solid oxide fuel cell separator of the present invention.

また、上記のインターコネクタの実施形態を説明するに際し、セル支持プレートを適用した複室型の固体酸化物形燃料電池を例に挙げて説明したが、セル支持プレートがない単室型の固体酸化物形燃料電池についても、本発明を適用することができる。なお、このような場合には、例えば、燃料極側の金属集電体についても、空気極側の金属集電体と同様のクロムを含む金属集電体を用いることができる。また、金属セパレータ基板の燃料極側の表面にもアルカリ土類金属酸化物を含む保護用被膜を形成することができ、更に、金属集電体の表面にアルカリ土類金属酸化物を含む保護用被膜や導電性材料を含む導電用被膜を形成することができる。   Further, in describing the embodiment of the above interconnector, a multi-chamber solid oxide fuel cell to which a cell support plate is applied has been described as an example, but a single-chamber solid oxide without a cell support plate has been described. The present invention can also be applied to a physical fuel cell. In such a case, for example, a metal current collector containing chromium similar to the metal current collector on the air electrode side can be used for the metal current collector on the fuel electrode side. Further, a protective coating containing an alkaline earth metal oxide can be formed on the surface of the metal separator substrate on the fuel electrode side, and further, a protective film containing an alkaline earth metal oxide on the surface of the metal current collector can be formed. A conductive film including a film or a conductive material can be formed.

固体酸化物形燃料電池の一例の模式的な断面状態を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the typical cross-sectional state of an example of a solid oxide fuel cell. 図1に示す金属集電体の電極接触部位の模式的な断面状態を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the typical cross-sectional state of the electrode contact site | part of the metal collector shown in FIG. 固体酸化物形燃料電池の他の例の模式的な断面状態を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the typical cross-sectional state of the other example of a solid oxide fuel cell. 図3に示す金属集電体の電極接触部位の模式的な断面状態を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the typical cross-sectional state of the electrode contact site | part of the metal collector shown in FIG. 固体酸化物形燃料電池の更に他の例の模式的な断面状態を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the typical cross-sectional state of the further another example of a solid oxide fuel cell. 発電試験の結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of a power generation test.

符号の説明Explanation of symbols

10 セル
11 電解質
13 空気極
15 燃料極
20 セル支持プレート
30 インターコネクタ
31 金属セパレータ
33,35 金属集電体
37 保護用被膜
39 導電用被膜
10 Cell 11 Electrolyte 13 Air Electrode 15 Fuel Electrode 20 Cell Support Plate 30 Interconnector 31 Metal Separator 33, 35 Metal Current Collector 37 Protective Coating 39 Conductive Coating

Claims (11)

クロムを含む金属基材と、
上記金属基材の表面に形成され、アルカリ土類金属酸化物を含む保護用被膜と、
を備え
上記保護用被膜が、アルミニウム酸化物及びケイ素酸化物を含むガラス状態の保護用被膜である
ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池用金属部材。
A metal substrate containing chromium;
A protective coating formed on the surface of the metal substrate and containing an alkaline earth metal oxide;
Equipped with a,
The metal member for a solid oxide fuel cell, wherein the protective coating is a protective coating in a glass state containing aluminum oxide and silicon oxide .
上記保護用被膜が、バリウム酸化物(BaO)を30〜60原子%、カルシウム酸化物(CaO)を1〜30原子%、アルミニウム酸化物(Al)を2〜6原子%、ケイ素酸化物(SiO)を15〜45原子%、ホウ素酸化物(B)を1〜10原子%の割合で含むことを特徴とする請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池用金属部材。 The protective film is composed of 30 to 60 atomic percent barium oxide (BaO), 1 to 30 atomic percent calcium oxide (CaO), 2 to 6 atomic percent aluminum oxide (Al 2 O 3 ), and silicon oxide. 2. The metal for a solid oxide fuel cell according to claim 1 , comprising 15 to 45 atomic% of a product (SiO 2 ) and 1 to 10 atomic% of boron oxide (B 2 O 3 ). Element. 上記保護用被膜は、該保護用被膜の熱膨張率と上記金属基材の熱膨張率との差が5×10−7−1以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載の固体酸化物形燃料電池用金属部材。 The protective coating according to claim 1 or 2, wherein the difference between the thermal expansion coefficients of the metal substrate of the protective film is 5 × 10 -7 K -1 or less Metal member for solid oxide fuel cell. 上記金属基材が、クロム(Cr)を15〜30質量%の割合で含むステンレス鋼であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つの項に記載の固体酸化物形燃料電池用金属部材。 4. The solid oxide fuel cell according to claim 1 , wherein the metal base material is stainless steel containing chromium (Cr) at a ratio of 15 to 30 mass%. Metal member. 上記金属基材の表面に形成され、導電性材料を含む導電用被膜を備えることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つの項に記載の固体酸化物形燃料電池用金属部材。 The metal member for a solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 4, further comprising a conductive film that is formed on a surface of the metal substrate and includes a conductive material. 上記導電用被膜が、アルカリ土類金属酸化物を含むことを特徴とする請求項5に記載の固体酸化物形燃料電池用金属部材。 6. The metal member for a solid oxide fuel cell according to claim 5 , wherein the conductive film contains an alkaline earth metal oxide. セパレータ、集電体又はインターコネクタであることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1つの項に記載の固体酸化物形燃料電池用金属部材。 It is a separator, a collector, or an interconnector, The metal member for solid oxide fuel cells as described in any one of Claims 1-6 characterized by the above-mentioned. クロムを含む金属セパレータ基板と、
上記金属セパレータ基板と電気的に接続され、クロムを含む金属集電体と、
上記金属セパレータ基板の表面と上記金属集電体の表面の非電極接触部位の少なくとも一部とに形成され、アルカリ土類金属酸化物を含む保護用被膜と、
を備えることを特徴とする固体酸化物形燃料電池用インターコネクタ。
A metal separator substrate containing chromium;
A metal current collector electrically connected to the metal separator substrate and containing chromium;
A protective coating formed on the surface of the metal separator substrate and at least a part of the non-electrode contact portion of the surface of the metal current collector, comprising an alkaline earth metal oxide;
An interconnector for a solid oxide fuel cell, comprising:
上記金属集電体の表面の電極接触部位の少なくとも一部に形成され、導電性材料を含む導電用被膜を備えることを特徴とする請求項8に記載の固体酸化物形燃料電池用インターコネクタ。 The interconnector for a solid oxide fuel cell according to claim 8 , further comprising a conductive film formed on at least a part of an electrode contact portion on the surface of the metal current collector and including a conductive material. 請求項9に記載の固体酸化物形燃料電池用インターコネクタの製造方法であって、以下の工程(A1)〜(A4)
(A1):クロムを含む金属セパレータ基板とクロムを含む金属集電体とが電気的に接続された接合体につき、上記金属集電体の表面の電極接触部位にマスキング部材を配置する工程、
(A2):上記マスキング部材が配置された接合体にアルカリ土類金属酸化物を含む保護用被膜形成材料を用いて成膜する工程、
(A3):上記工程(A2)より後に実施され、上記マスキング部材を除去する工程、
(A4):上記工程(A3)より後に実施され、マスキング除去部位に導電性材料を含む導電用被膜形成材料を用いて成膜する工程、
を含むことを特徴とする固体酸化物形燃料電池用インターコネクタの製造方法。
It is a manufacturing method of the interconnector for solid oxide fuel cells of Claim 9 , Comprising: The following processes (A1)-(A4)
(A1): A step of disposing a masking member at an electrode contact site on the surface of the metal current collector, with respect to the joined body in which the metal separator substrate containing chromium and the metal current collector containing chromium are electrically connected,
(A2): A step of forming a film using a protective film-forming material containing an alkaline earth metal oxide on the joined body in which the masking member is disposed,
(A3): a step that is performed after the step (A2) and removes the masking member;
(A4): a step that is performed after the step (A3) and is formed using a conductive film-forming material containing a conductive material at the masking removal site;
A method for producing an interconnector for a solid oxide fuel cell, comprising:
請求項9に記載の固体酸化物形燃料電池用インターコネクタの製造方法であって、以下の工程(B1)〜(B6)
(B1):クロムを含む金属セパレータ基板にアルカリ土類金属酸化物を含む保護用被膜形成用材料を用いて成膜する工程、
(B2):クロムを含む金属集電体の表面のうち電極接触部位にマスキング部材を配置する工程、
(B3):上記マスキング部材が配置された金属集電体にアルカリ土類金属酸化物を含む保護用被膜形成材料を用いて成膜する工程、
(B4):上記工程(B3)より後に実施され、上記マスキング部材を除去する工程、
(B5):上記工程(B4)より後に実施され、マスキング除去部位に導電性材料を含む導電用被膜形成材料を用いて成膜する工程、
(B6):上記工程(B4)より後に実施され、上記保護用被膜が成膜された金属セパレータ基板と上記保護用被膜が成膜された金属集電体とが電気的に接続するように接合する工程、
を含むことを特徴とする固体酸化物形燃料電池用インターコネクタの製造方法。
It is a manufacturing method of the interconnector for solid oxide fuel cells of Claim 9 , Comprising: The following processes (B1)-(B6)
(B1): A step of forming a film on a metal separator substrate containing chromium using a protective film-forming material containing an alkaline earth metal oxide,
(B2): A step of disposing a masking member at the electrode contact portion of the surface of the metal current collector containing chromium,
(B3): A step of forming a film using a protective film-forming material containing an alkaline earth metal oxide on the metal current collector on which the masking member is disposed,
(B4): a step that is performed after the step (B3) and removes the masking member;
(B5): a step that is performed after the step (B4) and is formed using a conductive film-forming material containing a conductive material at the masking removal site;
(B6): After the step (B4), the metal separator substrate on which the protective film is formed and the metal current collector on which the protective film is formed are joined so as to be electrically connected. The process of
A method for producing an interconnector for a solid oxide fuel cell, comprising:
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