JP5395303B1 - Current collecting member and fuel cell - Google Patents

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Abstract

【課題】基材の第1導電性セラミックス膜から第2導電性セラミックス膜が剥離することを抑制可能な集電部材及びその集電部材を備える燃料電池を提供する。
【解決手段】集電部材200は、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、Cr主成分として含む第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1導電性セラミックス膜212は、柱状粒子によって構成されている。
【選択図】図2
A current collecting member capable of suppressing separation of a second conductive ceramic film from a first conductive ceramic film of a base material and a fuel cell including the current collecting member are provided.
A current collecting member includes a substrate and a second conductive ceramic film. The substrate 210 includes an alloy member 211 containing Fe and Cr, and a first conductive ceramic film 212 formed on the alloy member 211 and containing Cr 2 O 3 as a main component. The second conductive ceramic film 220 is formed on the first conductive ceramic film 212 and is made of a ceramic material containing Mn and Co. The first conductive ceramic film 212 is composed of columnar particles.
[Selection] Figure 2

Description

本発明は、集電部材及び集電部材を備える燃料電池に関する。   The present invention relates to a current collecting member and a fuel cell including the current collecting member.

従来、複数の燃料電池を電気的に直列接続するための集電部材として、鉄(Fe)とクロム(Cr)を含む合金製の基材が用いられている。基材の表面には、Crによって構成される第1導電性セラミックス膜が形成されている。
ここで、高温において基材からクロム含有ガスが発生することを抑制することを目的として、酸化クロム(Cr)と複合酸化物を形成する材料を含む第2導電性セラミックス膜を基材の表面に形成する手法が提案されている(特許文献1参照)。
Conventionally, an alloy base material containing iron (Fe) and chromium (Cr) has been used as a current collecting member for electrically connecting a plurality of fuel cells in series. A first conductive ceramic film made of Cr 2 O 3 is formed on the surface of the base material.
Here, for the purpose of suppressing the generation of chromium-containing gas from the base material at a high temperature, the second conductive ceramic film containing a material forming a composite oxide with chromium oxide (Cr 2 O 3 ) is used as the base material. There has been proposed a method of forming on the surface (see Patent Document 1).

特開2001−196077号公報JP 2001-196077 A

しかしながら、燃料電池の運転時には、温度昇降に伴う基材の伸縮によって、基材と第2導電性セラミックス膜の界面に応力が発生する。そのため、第2導電性セラミックス膜が基材から剥離するおそれがある。   However, during operation of the fuel cell, stress is generated at the interface between the base material and the second conductive ceramic film due to the expansion and contraction of the base material accompanying the temperature rise and fall. For this reason, the second conductive ceramic film may be peeled off from the substrate.

本発明は、上述の状況に鑑みてなされたものであり、基材の第1導電性セラミックス膜から第2導電性セラミックス膜が剥離することを抑制可能な集電部材及びその集電部材を備える燃料電池を提供することを目的とする。   This invention is made | formed in view of the above-mentioned situation, and is provided with the current collection member which can suppress that a 2nd conductive ceramic film peels from the 1st conductive ceramic film of a base material, and its current collection member. An object is to provide a fuel cell.

本発明に係る集電部材は、Fe及びCrを主成分として含む合金部材と、合金部材上に形成され、Crを主成分として含む第1導電性セラミックス膜と、を有する基材と、第1導電性セラミックス膜上に形成され、Mn及びCoを含む導電性酸化物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と、を備える。第1導電性セラミックス膜は、柱状粒子によって構成されている。 A current collecting member according to the present invention includes an alloy member containing Fe and Cr as main components, and a first conductive ceramic film formed on the alloy member and containing Cr 2 O 3 as a main component; And a second conductive ceramic film formed on the first conductive ceramic film and made of a conductive oxide ceramic material containing Mn and Co. The first conductive ceramic film is composed of columnar particles.

本発明によれば、基材の第1導電性セラミックス膜から第2導電性セラミックス膜が剥離することを抑制可能な集電部材及びその集電部材を備える燃料電池を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, a fuel cell provided with the current collection member which can suppress that a 2nd conductive ceramic film peels from the 1st conductive ceramic film of a base material, and the current collection member can be provided.

燃料電池の構成を示す断面図Sectional view showing the configuration of the fuel cell 集電部材の拡大断面図Enlarged sectional view of current collector EBSD像の模式図Schematic diagram of EBSD image 第1導電性セラミックス膜のEBSD像の模式図Schematic diagram of the EBSD image of the first conductive ceramic film EBSD像の一例An example of an EBSD image

<固体酸化物型燃料電池100の構成>
固体酸化物型燃料電池(以下、「燃料電池」と略称する)100の構成について、図面を参照しながら説明する。図1は、燃料電池100の構成を示す断面図である。
<Configuration of Solid Oxide Fuel Cell 100>
The configuration of a solid oxide fuel cell (hereinafter abbreviated as “fuel cell”) 100 will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of the fuel cell 100.

燃料電池100は、発電部10と、集電部材20と、を備える。   The fuel cell 100 includes a power generation unit 10 and a current collecting member 20.

(発電部10の構成)
発電部10は、燃料極11、固体電解質層12、空気極13を備える。発電部10は、セラミックス材料によって構成される薄板である。発電部10は、例えば、厚み30μm〜3mm、直径5mm〜50mmとすることができる。
(Configuration of power generation unit 10)
The power generation unit 10 includes a fuel electrode 11, a solid electrolyte layer 12, and an air electrode 13. The power generation unit 10 is a thin plate made of a ceramic material. The power generation unit 10 can have a thickness of 30 μm to 3 mm and a diameter of 5 mm to 50 mm, for example.

燃料極11は、発電部10のアノードとして機能する。燃料極11は、固体電解質層12及び空気極13を支持する基板(換言すれば「支持体」)としての機能を有してもよい。燃料極11の厚みは、例えば10μm〜3mmとすることができる。燃料極11が基板として機能する場合、燃料極11の厚みは、固体電解質層12及び空気極13の厚みよりも大きくてもよい。また、燃料極11は、燃料極集電層と燃料極活性層とを含んでいる。燃料極集電層は、例えばNiO/Ni‐Y23によって構成することができ、燃料極活性層は、例えばNiO/Ni‐8YSZによって構成することができる。 The fuel electrode 11 functions as an anode of the power generation unit 10. The fuel electrode 11 may have a function as a substrate (in other words, “support”) that supports the solid electrolyte layer 12 and the air electrode 13. The thickness of the fuel electrode 11 can be set to, for example, 10 μm to 3 mm. When the fuel electrode 11 functions as a substrate, the thickness of the fuel electrode 11 may be larger than the thickness of the solid electrolyte layer 12 and the air electrode 13. The fuel electrode 11 includes an anode current collecting layer and an anode active layer. The anode current collecting layer can be made of, for example, NiO / Ni—Y 2 O 3 , and the anode active layer can be made of, for example, NiO / Ni-8YSZ.

固体電解質層12は、燃料極11と空気極13との間に配置される。固体電解質層12は、空気極13で生成される酸素イオンを透過させる機能を有している。固体電解質層12は、ジルコニウムを含んでいる。固体電解質層12は、ジルコニウムをジルコニア(ZrO)として含んでもよい。固体電解質層12は、ジルコニアを主成分として含んでいてもよい。固体電解質層12の材料としては、例えば、8YSZ(イットリア安定化ジルコニア)やScSZ(スカンジア安定化ジルコニア)などを用いることができる。 The solid electrolyte layer 12 is disposed between the fuel electrode 11 and the air electrode 13. The solid electrolyte layer 12 has a function of transmitting oxygen ions generated at the air electrode 13. The solid electrolyte layer 12 contains zirconium. The solid electrolyte layer 12 may contain zirconium as zirconia (ZrO 2 ). The solid electrolyte layer 12 may contain zirconia as a main component. As a material of the solid electrolyte layer 12, for example, 8YSZ (yttria stabilized zirconia), ScSZ (scandia stabilized zirconia), or the like can be used.

空気極13は、固体電解質層12上に配置される。空気極13は、発電部10のカソードとして機能する。空気極13は、緻密な固体電解質層12よりも多くの気孔を含む多孔質層である。空気極13は、例えばLSCF(ランタンストロンチウムコバルトフェライト:(LaSr)(CoFe)O)を主成分として含んでいてもよい。空気極13の厚みは、5μm〜50μmとすることができる。 The air electrode 13 is disposed on the solid electrolyte layer 12. The air electrode 13 functions as a cathode of the power generation unit 10. The air electrode 13 is a porous layer including more pores than the dense solid electrolyte layer 12. The air electrode 13 may contain, for example, LSCF (lanthanum strontium cobalt ferrite: (LaSr) (CoFe) O 3 ) as a main component. The thickness of the air electrode 13 can be set to 5 μm to 50 μm.

(集電部材20の構成)
集電部材20は、図1に示すように、凹部20Aを有する。凹部20Aは、導電性接着剤21を介して空気極13の表面に接続されている。発電時において、空気は、凹部20Aを通って空気極13に供給される。
(Configuration of current collecting member 20)
As shown in FIG. 1, the current collecting member 20 has a recess 20 </ b> A. The recess 20 </ b> A is connected to the surface of the air electrode 13 via the conductive adhesive 21. During power generation, air is supplied to the air electrode 13 through the recess 20A.

ここで、図2は、集電部材20の拡大断面図である。図2に示すように、集電部材20は、基材210と、第2導電性セラミックス膜220と、を備える。   Here, FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of the current collecting member 20. As shown in FIG. 2, the current collecting member 20 includes a base material 210 and a second conductive ceramic film 220.

基材210は、合金部材211と、第1導電性セラミックス膜212と、を有する。   The base 210 has an alloy member 211 and a first conductive ceramic film 212.

合金部材211は、Fe及びCrを含む板状部材である。合金部材211は、例えばフェライト系ステンレス部材によって構成することができる。合金部材211の厚みは、例えば0.3mm〜1mmとすることができる。   The alloy member 211 is a plate-like member containing Fe and Cr. The alloy member 211 can be made of, for example, a ferritic stainless steel member. The thickness of the alloy member 211 can be 0.3 mm-1 mm, for example.

第1導電性セラミックス膜212は、合金部材211の表面上に形成される。第1導電性セラミックス膜212は、Crを主成分として含有する。Crには、合金部材211や第2導電性セラミックス膜220を構成する元素が不純物として含有されていてもよい。第1導電性セラミックス膜212は、RF(radio-frequency)マグネトロンスパッタ装置を用いてCrターゲットをArスパッタリングし、反応ガス(例えば、酸素)との反応により酸化物を成膜することによって形成することができる。第1導電性セラミックス膜212の厚みは、例えば1μm〜20μmとすることができる。 The first conductive ceramic film 212 is formed on the surface of the alloy member 211. The first conductive ceramic film 212 contains Cr 2 O 3 as a main component. Cr 2 O 3 may contain an element constituting the alloy member 211 or the second conductive ceramic film 220 as an impurity. The first conductive ceramic film 212 is formed by Ar sputtering a Cr target using an RF (radio-frequency) magnetron sputtering apparatus and depositing an oxide by reaction with a reactive gas (for example, oxygen). Can do. The thickness of the first conductive ceramic film 212 can be set to 1 μm to 20 μm, for example.

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の表面上に形成される。第2導電性セラミックス膜220は、Mn及びCoを含むスピネル型の導電性酸化物セラミックス材料によって構成される。具体的に、第2導電性セラミックス膜220は、(Mn,Co)によって構成されていてもよい。(Mn,Co)には、Mn1.5Co1.5やMnCoなどが含まれる。また、第2導電性セラミックス膜220は、(MnFe1−X)Crを含んでいてもよい。 The second conductive ceramic film 220 is formed on the surface of the first conductive ceramic film 212. The second conductive ceramic film 220 is made of a spinel conductive oxide ceramic material containing Mn and Co. Specifically, the second conductive ceramic film 220 may be made of (Mn, Co) 3 O 4 . (Mn, Co) 3 O 4 includes Mn 1.5 Co 1.5 O 4 and Mn 2 Co 2 O 4 . Further, the second conductive ceramic film 220 may contain (Mn X Fe 1-X ) Cr 2 O 4 .

第2導電性セラミックス膜220は、第1緻密層221と、多孔質層222と、第2緻密層223と、を有する。   The second conductive ceramic film 220 includes a first dense layer 221, a porous layer 222, and a second dense layer 223.

第1緻密層221は、第2導電性セラミックス膜220の外表面220Sを形成する。すなわち、第1緻密層221は、第2導電性セラミックス膜220の最外層である。第1緻密層221は、緻密質な構成を有する。第1緻密層221の気孔率は、多孔質層222の気孔率よりも低いことが好ましい。具体的に、第1緻密層221の気孔率は、例えば0.5%〜15%であることが好ましい。第1緻密層221の気孔率とは、第1緻密層221の断面において、単位面積当たりにおける気孔(閉気孔と開気孔を含む)の占有面積である。換言すれば、第1緻密層221の気孔率は、断面の所定範囲(例えば、500μm程度)における気孔の面積占有率である。第1緻密層221の厚みは、例えば0.5μm〜10μmとすることができ、特に、1μm以上であることが好ましい。 The first dense layer 221 forms the outer surface 220S of the second conductive ceramic film 220. That is, the first dense layer 221 is the outermost layer of the second conductive ceramic film 220. The first dense layer 221 has a dense structure. The porosity of the first dense layer 221 is preferably lower than the porosity of the porous layer 222. Specifically, the porosity of the first dense layer 221 is preferably 0.5% to 15%, for example. The porosity of the first dense layer 221 is the area occupied by pores (including closed pores and open pores) per unit area in the cross section of the first dense layer 221. In other words, the porosity of the first dense layer 221 is the area occupancy rate of the pores in a predetermined range of the cross section (for example, about 500 μm 2 ). The thickness of the first dense layer 221 can be, for example, 0.5 μm to 10 μm, and particularly preferably 1 μm or more.

多孔質層222は、第1緻密層221の内側、すなわち、第1緻密層221の基材210側に形成される。多孔質層222は、複数の閉気孔222Aを含んでいる。多孔質層222の閉気孔率は、20%以上70%以下であることが好ましい。閉気孔率とは、多孔質層222の断面において、単位面積当たりにおける複数の閉気孔222Aの占有面積である。換言すれば、多孔質層222の閉気孔率は、断面の所定範囲(例えば、500μm程度)における気孔の面積占有率である。複数の閉気孔222Aの平均円相当径は、0.3μm以上3.5μm以下であることが好ましい。 The porous layer 222 is formed inside the first dense layer 221, that is, on the substrate 210 side of the first dense layer 221. The porous layer 222 includes a plurality of closed pores 222A. The closed porosity of the porous layer 222 is preferably 20% or more and 70% or less. The closed porosity is an area occupied by the plurality of closed pores 222A per unit area in the cross section of the porous layer 222. In other words, the closed porosity of the porous layer 222 is the area occupation ratio of the pores in a predetermined range (for example, about 500 μm 2 ) of the cross section. The average equivalent circular diameter of the plurality of closed pores 222A is preferably 0.3 μm or more and 3.5 μm or less.

なお、本実施形態において円相当径とは、対象物の断面積と同じ面積を有する円の直径であり、平均円相当径とは、複数の対象物の円相当径の平均値である。   In this embodiment, the equivalent circle diameter is a diameter of a circle having the same area as the cross-sectional area of the object, and the average equivalent circle diameter is an average value of equivalent circle diameters of a plurality of objects.

また、多孔質層222は、複数の閉気孔222Aとは別に開気孔を含んでいてもよい。ただし、多孔質層222の開気孔率は、多孔質層222の閉気孔率よりも小さいことが好ましい。開気孔率とは、多孔質層222の断面において、単位面積当たりにおける開気孔の占有面積である。   Further, the porous layer 222 may include open pores separately from the plurality of closed pores 222A. However, the open porosity of the porous layer 222 is preferably smaller than the closed porosity of the porous layer 222. The open porosity is an area occupied by open pores per unit area in the cross section of the porous layer 222.

なお、多孔質層222の厚みは、例えば0.5μm〜10μmとすることができ、特に、1.0μm以上であることが好ましい。   The thickness of the porous layer 222 can be set to, for example, 0.5 μm to 10 μm, and particularly preferably 1.0 μm or more.

第2緻密層223は、多孔質層222の内側、すなわち、多孔質層222の基材210側に形成される。本実施形態において、第2緻密層223は、第2導電性セラミックス膜220の最内層である。第2緻密層223は、第1緻密層221と同様の緻密質な構成を有する。第2緻密層223の気孔率は、第1緻密層221の気孔率と同等であり、多孔質層222の気孔率よりも低いことが好ましい。第2緻密層223の厚みは、第1緻密層221の厚みよりも薄くてもよい。また、第2緻密層223の厚みは、多孔質層222の厚みよりも薄くてもよい。具体的に、第2緻密層223の厚みは、例えば0.1μm〜5μmとすることができ、特に、0.5μm以上であることが好ましい。   The second dense layer 223 is formed inside the porous layer 222, that is, on the substrate 210 side of the porous layer 222. In the present embodiment, the second dense layer 223 is the innermost layer of the second conductive ceramic film 220. The second dense layer 223 has a dense structure similar to that of the first dense layer 221. The porosity of the second dense layer 223 is equivalent to the porosity of the first dense layer 221 and is preferably lower than the porosity of the porous layer 222. The thickness of the second dense layer 223 may be smaller than the thickness of the first dense layer 221. The thickness of the second dense layer 223 may be smaller than the thickness of the porous layer 222. Specifically, the thickness of the second dense layer 223 can be, for example, 0.1 μm to 5 μm, and particularly preferably 0.5 μm or more.

なお、第1緻密層221、多孔質層222及び第2緻密層223それぞれの界面は、各層間の気孔率の違いから認識することができる。   Note that the interfaces of the first dense layer 221, the porous layer 222, and the second dense layer 223 can be recognized from the difference in porosity between the layers.

また、図2に示すように、集電部材20は、複数のカーケンダルボイド230を有する。複数のカーケンダルボイド230は、基材210と第2導電性セラミックス膜220との界面P付近に形成される。本実施形態において、界面Pは、基材210の第1導電性セラミックス膜212と第2導電性セラミックス膜220の第2緻密層223との間に形成される。複数のカーケンダルボイド230は、界面Pに沿って並べられている。複数のカーケンダルボイド230の少なくとも一部は、基材210内に形成されていてもよいし、第2導電性セラミックス膜220内に形成されていてもよい。複数のカーケンダルボイド230の平均円相当径は、0.05μm以上0.5μm以下であることが好ましい。   Further, as shown in FIG. 2, the current collecting member 20 has a plurality of Kirkendall voids 230. The plurality of Kirkendall voids 230 are formed in the vicinity of the interface P between the substrate 210 and the second conductive ceramic film 220. In the present embodiment, the interface P is formed between the first conductive ceramic film 212 of the substrate 210 and the second dense layer 223 of the second conductive ceramic film 220. The plurality of Kirkendall voids 230 are arranged along the interface P. At least some of the plurality of Kirkendall voids 230 may be formed in the substrate 210 or may be formed in the second conductive ceramic film 220. The average equivalent circle diameter of the plurality of Kirkendall voids 230 is preferably 0.05 μm or more and 0.5 μm or less.

<第1導電性セラミックス膜212及び第2導電性セラミックス膜220の粒子>
次に、第1導電性セラミックス膜212及び第2導電性セラミックス膜220の粒子について、図面を参照しながら説明する。図3は、電子線後方散乱回折(EBSD;Electron Backscatter Diffraction)法による解析で得られたEBSD像である。EBSD法によれば、結晶方位の不連続性を観測することができ、所定の結晶方位差が観測されたラインを粒界とみなして粒子像を描画することができる。所定の結晶方位差は任意に設定可能であるが、例えば15度程度に設定されていればよい。
<Particles of First Conductive Ceramic Film 212 and Second Conductive Ceramic Film 220>
Next, the particles of the first conductive ceramic film 212 and the second conductive ceramic film 220 will be described with reference to the drawings. FIG. 3 is an EBSD image obtained by analysis using an electron backscatter diffraction (EBSD) method. According to the EBSD method, discontinuity of crystal orientation can be observed, and a particle image can be drawn by regarding a line where a predetermined crystal orientation difference is observed as a grain boundary. Although the predetermined crystal orientation difference can be arbitrarily set, it may be set to about 15 degrees, for example.

図3に示すように、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に比べて粗大な粒子によって構成されている。すなわち、第2導電性セラミックス膜220を構成するセラミックス粒子の平均円相当径は、第1導電性セラミックス膜212を構成するCrの平均円相当径よりも大きい。具体的に、第2導電性セラミックス膜220を構成するセラミックス粒子の平均円相当径は、0.5μm以上2.5μm以下であることが好ましい。また、第1導電性セラミックス膜212を構成するCrの平均円相当径は、0.15μm以上0.8μm以下であることが好ましい。 As shown in FIG. 3, the second conductive ceramic film 220 is composed of coarse particles compared to the first conductive ceramic film 212. That is, the average equivalent circle diameter of the ceramic particles constituting the second conductive ceramic film 220 is larger than the average equivalent circle diameter of Cr 2 O 3 constituting the first conductive ceramic film 212. Specifically, the average equivalent circular diameter of the ceramic particles constituting the second conductive ceramic film 220 is preferably 0.5 μm or more and 2.5 μm or less. The average equivalent circle diameter of Cr 2 O 3 constituting the first conductive ceramic film 212 is preferably 0.15 μm or more and 0.8 μm or less.

また、図3に示すように、第1緻密層221を構成するセラミックス粒子の平均円相当径は、多孔質層222を構成するセラミックス粒子の平均円相当径よりも大きい。具体的に、第1緻密層221を構成するセラミックス粒子の平均円相当径は、0.8μm以上3.5μm以下であることが好ましい。また、多孔質層222を構成するセラミックス粒子の平均円相当径は、0.5μm以上2.0μm以下であることが好ましい。   As shown in FIG. 3, the average equivalent circle diameter of the ceramic particles constituting the first dense layer 221 is larger than the average equivalent circle diameter of the ceramic particles constituting the porous layer 222. Specifically, the average equivalent circular diameter of the ceramic particles constituting the first dense layer 221 is preferably 0.8 μm or more and 3.5 μm or less. The average equivalent circular diameter of the ceramic particles constituting the porous layer 222 is preferably 0.5 μm or more and 2.0 μm or less.

ここで、図4は、第1導電性セラミックス膜212のEBSD像の模式図である。   Here, FIG. 4 is a schematic diagram of an EBSD image of the first conductive ceramic film 212.

図4に示すように、第1導電性セラミックス膜212は、柱状粒子によって構成される。柱状粒子は、厚み方向に沿って延びるように配置されている。   As shown in FIG. 4, the first conductive ceramic film 212 is composed of columnar particles. The columnar particles are arranged so as to extend along the thickness direction.

柱状粒子の平均長径は、0.5μm以上3.0μm以下が好ましく、柱状粒子の平均短径は、0.1μm以上1.0μm以下が好ましい。そして、柱状粒子において、平均長径の平均短径に対するアスペクト比(平均長径/平均短径)は、1.5以上10以下が好ましい。また、柱状粒子の平均円相当径は、0.15μm以上0.8μm以下であることがより好ましい。   The average major axis of the columnar particles is preferably from 0.5 μm to 3.0 μm, and the average minor axis of the columnar particles is preferably from 0.1 μm to 1.0 μm. In the columnar particles, the aspect ratio (average major axis / average minor axis) of the average major axis to the average minor axis is preferably 1.5 or more and 10 or less. The average equivalent circle diameter of the columnar particles is more preferably from 0.15 μm to 0.8 μm.

<集電部材20の製造方法>
次に、集電部材20の製造方法について説明する。
<The manufacturing method of the current collection member 20>
Next, a method for manufacturing the current collecting member 20 will be described.

まず、フェライト系ステンレスによって構成される所定サイズの合金部材211を準備する。   First, an alloy member 211 having a predetermined size made of ferritic stainless steel is prepared.

次に、合金部材211の表面にRFスパッタ装置を用いてCrをスパッタリングし、その後大気雰囲気中で熱処理(例えば、850〜1050℃、1−20時間)を行う。これによって、合金部材211の表面にCrを主成分とする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。 Next, Cr 2 O 3 is sputtered on the surface of the alloy member 211 using an RF sputtering apparatus, and then heat treatment (for example, 850 to 1050 ° C., 1 to 20 hours) is performed in an air atmosphere. As a result, columnar particles containing Cr 2 O 3 as a main component are grown on the surface of the alloy member 211 to form the first conductive ceramic film 212.

次に、第1導電性セラミックス膜212の表面に、(Mn,Co)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。このように造孔材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。また、造孔材の粒径を適宜選択することによって、多孔質層222における閉気孔の平均円相当径を調整可能である。 Next, a coating agent containing (Mn, Co) 3 O 4 is applied / dried a plurality of times on the surface of the first conductive ceramic film 212. At this time, a coating agent containing a pore forming agent is applied / dried a plurality of times, and then a coating agent not containing a pore forming agent is applied / dried a plurality of times. By adjusting the presence or absence of the pore former in this manner, two layers of the first dense layer 221 and the porous layer 222 are formed in the baking process described later. Further, the average equivalent circle diameter of the closed pores in the porous layer 222 can be adjusted by appropriately selecting the particle size of the pore former.

次に、所定条件で多層のコーティング剤を焼き付ける。以下の3ステップは、コーティング剤の焼き付け条件の一例である。   Next, a multilayer coating agent is baked under predetermined conditions. The following three steps are examples of baking conditions for the coating agent.

・ 900〜1100℃、1〜20時間、大気雰囲気での焼成処理
・ 900〜1100℃、1〜20時間、1〜10%加湿還元雰囲気での還元処理
・ 900〜1100℃、1〜10時間、大気雰囲気での再酸化処理
<作用及び効果>
(1)本実施形態に係る基材210の第1導電性セラミックス膜212は、柱状粒子によって構成されている。
900-1100 ° C., 1-20 hours, firing in air atmosphere 900-1100 ° C., 1-20 hours, reduction treatment in 1-10% humidified reducing atmosphere 900-1100 ° C., 1-10 hours Reoxidation treatment in the atmosphere <Action and effect>
(1) The first conductive ceramic film 212 of the substrate 210 according to the present embodiment is composed of columnar particles.

従って、第1導電性セラミックス膜212が例えば球状粒子によって構成されている場合に比べて、第1導電性セラミックス膜212が面方向の応力を受けて変形しやすい。そのため、燃料電池100の運転時の温度昇降に伴って基材210が伸縮した場合に、基材210と第2導電性セラミックス膜220の界面に発生する応力を緩和できる。これによって、第2導電性セラミックス膜220が第1導電性セラミックス膜から剥離することを抑制できる。   Therefore, compared with the case where the first conductive ceramic film 212 is composed of, for example, spherical particles, the first conductive ceramic film 212 is easily deformed by receiving stress in the surface direction. Therefore, when the base material 210 expands and contracts as the temperature rises and falls during operation of the fuel cell 100, the stress generated at the interface between the base material 210 and the second conductive ceramic film 220 can be relaxed. Thereby, it is possible to suppress the second conductive ceramic film 220 from being peeled from the first conductive ceramic film.

<その他の実施形態>
(A)上記実施形態において、第2導電性セラミックス膜220は、第2緻密層223を有することとしたが、第2緻密層223を有していなくてもよい。この場合、基材210と第2導電性セラミックス膜220の界面Pは、多孔質層222と第1導電性セラミックス膜212の間に形成される。従って、複数のカーケンダルボイド230は、多孔質層222と第1導電性セラミックス膜212の間に配置されることとなる。
<Other embodiments>
(A) In the above embodiment, the second conductive ceramic film 220 has the second dense layer 223, but may not have the second dense layer 223. In this case, the interface P between the substrate 210 and the second conductive ceramic film 220 is formed between the porous layer 222 and the first conductive ceramic film 212. Accordingly, the plurality of Kirkendall voids 230 are disposed between the porous layer 222 and the first conductive ceramic film 212.

(B)上記実施形態では特に触れていないが、燃料電池100の基本構造としては、燃料極支持型、平板形、円筒形、縦縞型、横縞型、片端保持型、両端保持型などの構造を採用しうる。   (B) Although not particularly mentioned in the above embodiment, the basic structure of the fuel cell 100 includes a fuel electrode support type, a flat plate type, a cylindrical shape, a vertical stripe type, a horizontal stripe type, a single-end holding type, and a double-end holding type. Can be adopted.

(C)上記実施形態では、集電部材の一例として、空気極13に接続される集電部材20の構成について説明したが、これに限られるものではない。本発明に係る集電部材は、2つの燃料電池セルに挟まれるセパレータであってもよい。この場合、セパレータは、一方の燃料電池セルの空気極と、他方の燃料電池セルの燃料極と、に接続される。本発明によれば、このようなセパレータの耐久性を向上させることもできる。   (C) Although the configuration of the current collecting member 20 connected to the air electrode 13 has been described as an example of the current collecting member in the above embodiment, the present invention is not limited to this. The current collecting member according to the present invention may be a separator sandwiched between two fuel cells. In this case, the separator is connected to the air electrode of one fuel battery cell and the fuel electrode of the other fuel battery cell. According to the present invention, the durability of such a separator can also be improved.

(D)上記実施形態では、発電部10は、燃料極11と固体電解質層12と空気極13とによって構成されることとしたが、これに限られるものではない。例えば、発電部10は、固体電解質層12と空気極13との間におけるカチオン拡散を抑制するためのバリア層を備えていてもよい。   (D) In the above embodiment, the power generation unit 10 is configured by the fuel electrode 11, the solid electrolyte layer 12, and the air electrode 13. However, the present invention is not limited to this. For example, the power generation unit 10 may include a barrier layer for suppressing cation diffusion between the solid electrolyte layer 12 and the air electrode 13.

(E)上記実施形態では、合金部材211は、板状部材であることとしたが、これに限られるものではない。合金部材211は、例えば網状部材などであってもよい。   (E) In the above embodiment, the alloy member 211 is a plate-like member, but is not limited thereto. The alloy member 211 may be a mesh member, for example.

(F)上記実施形態では、RFスパッタ装置を用いてCrをスパッタリングすることでCrの柱状粒子を形成することとしたが、これに限られるものではない。このようなCrの柱状粒子は、合金部材211の表面に高温熱処理を施すことによる酸化処理によっても形成することができる。 (F) In the above embodiment, the Cr 2 O 3 columnar particles are formed by sputtering Cr 2 O 3 using an RF sputtering apparatus, but the present invention is not limited to this. Such columnar particles of Cr 2 O 3 can also be formed by oxidation treatment by subjecting the surface of the alloy member 211 to high-temperature heat treatment.

(サンプルNo.1〜No.19の作製)
以下のようにして、サンプルNo.1〜19に係る集電部材と燃料電池セルを作製した。
(Production of sample No. 1 to No. 19)
Sample no. Current collecting members and fuel cells according to 1 to 19 were produced.

まず、FeとCrを主成分として含有するフェライト系ステンレス板を準備した。   First, a ferritic stainless steel plate containing Fe and Cr as main components was prepared.

次に、ステンレス板の表面にCrを主成分とする第1導電性セラミックス膜を形成した。サンプルNo.1では、予め合成されたCr粒子を所定の粒度に粉砕及び調整した原料を用いて作製したスラリーを塗布した後に乾燥及び焼成することによって、球状粒子によって構成される第1導電性セラミックス膜を形成した。サンプルNo.2〜No.19では、RFマグネトロンスパッタ装置(日電アネルバ製、SPF−210H)によって金属Crターゲット(純度:99.9%以上)を用いた反応性スパッタリング(反応ガス:Ar+Oの混合ガス(O/Ar比:0.2〜0.6)、スパッタ圧力:2〜10×10−3Torr、基板温度:常温〜200℃)により成膜した後に熱処理(温度:600〜700℃、処理時間:1〜5hr)を行って、柱状粒子によって構成される第1導電性セラミックス膜を形成した。 Next, a first conductive ceramic film mainly composed of Cr 2 O 3 was formed on the surface of the stainless steel plate. Sample No. 1, the first conductive ceramics composed of spherical particles by applying a slurry prepared using raw materials obtained by pulverizing and adjusting pre-synthesized Cr 2 O 3 particles to a predetermined particle size, followed by drying and firing. A film was formed. Sample No. 2 to No. 19, reactive sputtering (reaction gas: mixed gas of Ar + O 2 (O 2 / Ar ratio) using a metal Cr target (purity: 99.9% or more) using an RF magnetron sputtering apparatus (manufactured by Nidec Anelva, SPF-210H). : 0.2 to 0.6), sputtering pressure: 2 to 10 × 10 −3 Torr, substrate temperature: normal temperature to 200 ° C., and then heat treatment (temperature: 600 to 700 ° C., treatment time: 1 to 5 hr) ) To form a first conductive ceramic film composed of columnar particles.

次に、3μm以上の粗大粒子を気流式分級機にて除去した平均粒径0.8μmの(Mn,Co)粉末を準備した。 Next, (Mn, Co) 3 O 4 powder having an average particle size of 0.8 μm was prepared by removing coarse particles of 3 μm or more with an airflow classifier.

次に、溶媒としてのテルピネオール、セルロース系バインダ、分散剤及び造孔剤を(Mn,Co)粉末に添加して多孔質層用スラリーを作製した。また、テルピネオール、セルロース系バインダ及び分散剤を(Mn,Co)粉末に添加して緻密層用スラリーを作製した。 Next, terpineol as a solvent, a cellulose binder, a dispersant, and a pore former were added to the (Mn, Co) 3 O 4 powder to prepare a slurry for a porous layer. Further, a terpineol, a cellulose binder and a dispersant were added to the (Mn, Co) 3 O 4 powder to prepare a dense layer slurry.

次に、第1導電性セラミックス膜の表面に、第2導電性セラミックス膜を形成した。サンプルNo.1〜10では、緻密層のみで第2導電性セラミックス膜を構成するために、緻密層用スラリーのみを複数回塗布/乾燥させた。サンプルNo.11〜16では、多孔質層上に第1緻密層を形成するために、多孔質層用スラリーを複数回塗布/乾燥させた後に、緻密層用スラリーを複数回塗布/乾燥させた。サンプルNo.17〜19では、第1緻密層の内側に多孔質層と第2緻密層を形成するために、緻密層用スラリーと多孔質層用スラリーと緻密層用スラリーを順番に複数回塗布/乾燥させた。なお、塗布はスラリーディッピング法(浸漬時間10〜300sec、昇降速度0.1〜10mm/sec)により実施し、乾燥は温風乾燥(120℃、30min)により実施した。温風乾燥機を使うことで成膜表面を積極的に乾燥させ、膜内部に溶媒分を残留させることで、焼成後の膜内部に気孔を残存させることが容易となる。   Next, a second conductive ceramic film was formed on the surface of the first conductive ceramic film. In Sample Nos. 1 to 10, only the dense layer slurry was applied / dried a plurality of times in order to form the second conductive ceramic film only with the dense layer. In Samples Nos. 11 to 16, in order to form the first dense layer on the porous layer, the porous layer slurry was applied / dried several times, and then the dense layer slurry was applied / dried several times. . In Samples Nos. 17 to 19, in order to form the porous layer and the second dense layer inside the first dense layer, the dense layer slurry, the porous layer slurry, and the dense layer slurry are sequentially applied a plurality of times. / Dried. In addition, application | coating was implemented by the slurry dipping method (immersion time 10-300 sec, raising / lowering speed 0.1-10 mm / sec), and drying was implemented by warm air drying (120 degreeC, 30 min). By using a hot air drier, the film formation surface is actively dried, and the solvent component remains in the film, so that it becomes easy to leave pores in the film after baking.

次に、塗布/乾燥させたスラリーに焼き付け処理を行うことによって第2導電性セラミックス膜を形成した。具体的に、焼き付け処理には、脱脂処理(600℃/2hr)、大気雰囲気での焼成処理(最高温度1000℃/2hr)、水素雰囲気での還元熱処理(最高温度1000℃/10hr、4%加湿)、及び大気雰囲気での再酸化処理(最高温度1000℃/5hr)が含まれる。以上により、サンプルNo.1〜No.19に係る集電部材が完成した。   Next, a second conductive ceramic film was formed by baking the applied / dried slurry. Specifically, the baking treatment includes degreasing treatment (600 ° C./2 hr), baking treatment in the air atmosphere (maximum temperature 1000 ° C./2 hr), reduction heat treatment in hydrogen atmosphere (maximum temperature 1000 ° C./10 hr, 4% humidification) ), And reoxidation treatment in an air atmosphere (maximum temperature 1000 ° C./5 hr). Thus, the current collecting members according to samples No. 1 to No. 19 were completed.

次に、サンプルNo.1〜No.19に係る集電部材を、別途作製した発電部の空気極に導電性接着剤を介して接続した。以上により、サンプルNo.1〜No.19に係る燃料電池セルが完成した。   Next, the current collecting members according to Samples No. 1 to No. 19 were connected to the air electrode of the power generation unit separately manufactured via a conductive adhesive. Thus, the fuel cells according to samples No. 1 to No. 19 were completed.

(第1熱サイクル試験)
サンプルNo.1〜19に係る燃料電池セルについて、燃料極側に窒素ガス、空気極側に空気を供給しながら750℃まで昇温し、750℃に達した時点で燃料極に水素ガスを供給しながら還元処理を3時間行った。続いて、各サンプルを常温から750℃まで200℃/hrで昇温させた後に750℃から常温まで100℃/hrで降温させるサイクルを10回繰り返した。
(First thermal cycle test)
Regarding the fuel cells according to sample Nos. 1 to 19, the temperature was raised to 750 ° C. while supplying nitrogen gas to the fuel electrode side and air to the air electrode side, and hydrogen gas was supplied to the fuel electrode when the temperature reached 750 ° C. The reduction treatment was performed for 3 hours. Subsequently, a cycle in which each sample was heated from room temperature to 750 ° C. at 200 ° C./hr and then cooled from 750 ° C. to room temperature at 100 ° C./hr was repeated 10 times.

(第2熱サイクル試験)
サンプルNo.11〜19に係る燃料電池セルについて、常温から750℃まで400℃/hrで昇温させた後に750℃から常温まで200℃/hrで降温させるサイクルを5回繰り返した。
(Second thermal cycle test)
For the fuel cells according to Samples Nos. 11 to 19, the cycle of raising the temperature from room temperature to 750 ° C. at 400 ° C./hr and then lowering the temperature from 750 ° C. to room temperature at 200 ° C./hr was repeated 5 times.

(EBSD測定)
次に、サンプルNo.1〜19の断面の5個所をEBSD装置(TSL製 OIM)で測定することによって5枚のEBSD像を得た。EBSD像では、15度以上の結晶方位差が観測されたラインを粒界とみなして粒子を描画した。サンプルNo.17〜19に係るEBSD像の一例を図5に示す。
(EBSD measurement)
Next, five EBSD images were obtained by measuring five portions of the cross sections of sample Nos. 1 to 19 with an EBSD apparatus (TSL OIM). In the EBSD image, a line in which a crystal orientation difference of 15 degrees or more was observed was regarded as a grain boundary, and the particle was drawn. An example of an EBSD image according to sample Nos. 17 to 19 is shown in FIG.

そして、サンプルNo.1〜No.19のEBSD像を観察することによって、表1に示すように、第1導電性セラミックス膜と第2導電性セラミックス膜の界面における剥離の有無を確認した。また、サンプルNo.2〜19のEBSD像を観察することによって、表1に示すように、第1導電性セラミックス膜を構成する柱状粒子の平均長径、平均短径、アスペクト比(平均長径/平均短径)及び平均円相当径を測定した。さらに、サンプルNo.2〜19のSEM像を観察することによって、表1に示すように、第1緻密層、多孔質層及び第2緻密層の厚みを測定した。   Then, by observing the EBSD images of samples No. 1 to No. 19, as shown in Table 1, the presence or absence of peeling at the interface between the first conductive ceramic film and the second conductive ceramic film was confirmed. Further, by observing the EBSD images of Sample Nos. 2 to 19, as shown in Table 1, the average major axis, the average minor axis, and the aspect ratio (average major axis / average) of the columnar particles constituting the first conductive ceramic film The minor axis) and the average equivalent circle diameter were measured. Furthermore, by observing SEM images of Sample Nos. 2 to 19, the thicknesses of the first dense layer, the porous layer, and the second dense layer were measured as shown in Table 1.

表1に示すように、サンプルNo.2〜19では、第1熱サイクル試験後における甚大な剥離を抑制できた。このような結果が得られたのは、界面に発生した応力を柱状粒子によって構成される第1導電性セラミックス膜で緩和できたためである。
また、表1に示すように、サンプルNo.3〜9,11〜19では、第1熱サイクル試験後における軽微な剥離を抑制できた。従って、柱状粒子の平均長径は、0.5μm以上3.0μm以下であり、柱状粒子の平均短径は、0.1μm以上1.0μm以下であり、かつ、アスペクト比は、1.5以上10以下が好ましいことが分かった。また、このことから、柱状粒子の平均円相当径は、0.15μm以上0.8μm以下が好ましいことも分かった。
また、表1に示すように、サンプルNo.12〜15では、第2熱サイクル試験後における軽微な剥離を抑制できた。従って、第1緻密層の内側に多孔質層が形成されている場合には、第1緻密層の厚みは、0.5μm以上10μm以下が好ましく、多孔質層の厚みは、0.5μm以上10μm以下が好ましいことがわかった。
As shown in Table 1, Samples Nos. 2 to 19 were able to suppress enormous peeling after the first thermal cycle test. Such a result was obtained because the stress generated at the interface could be relaxed by the first conductive ceramic film constituted by the columnar particles.
Further, as shown in Table 1, Samples Nos. 3 to 9 and 11 to 19 were able to suppress slight peeling after the first thermal cycle test. Therefore, the average major axis of the columnar particles is 0.5 μm or more and 3.0 μm or less, the average minor axis of the columnar particles is 0.1 μm or more and 1.0 μm or less, and the aspect ratio is 1.5 or more and 10 or less. The following have been found to be preferred. From this, it was also found that the average equivalent circle diameter of the columnar particles is preferably 0.15 μm or more and 0.8 μm or less.
Moreover, as shown in Table 1, in Sample Nos. 12 to 15, slight peeling after the second thermal cycle test could be suppressed. Therefore, when the porous layer is formed inside the first dense layer, the thickness of the first dense layer is preferably 0.5 μm to 10 μm, and the thickness of the porous layer is 0.5 μm to 10 μm. The following were found to be preferred.

100 固体酸化物型燃料電池
10 発電部
11 燃料極
12 固体電解質層
13 空気極
20 集電部材
210 基材
211 合金部材
212 第1導電性セラミックス膜
220 第2導電性セラミックス膜
221 第1緻密層
222 多孔質層
223 第2緻密層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Solid oxide fuel cell 10 Power generation part 11 Fuel electrode 12 Solid electrolyte layer 13 Air electrode 20 Current collecting member 210 Base material 211 Alloy member 212 First conductive ceramic film 220 Second conductive ceramic film 221 First dense layer 222 Porous layer 223 second dense layer

Claims (9)

Fe及びCrを主成分として含む合金部材と、前記合金部材上に形成され、Crを主成分として含む第1導電性セラミックス膜と、を有する基材と、
前記第1導電性セラミックス膜上に形成され、Mn及びCoを含む導電性酸化物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と、
を備え、
前記第1導電性セラミックス膜は、複数の柱状粒子によって構成されている、
集電部材。
A base material comprising: an alloy member containing Fe and Cr as main components; and a first conductive ceramic film formed on the alloy member and containing Cr 2 O 3 as a main component;
A second conductive ceramic film formed on the first conductive ceramic film and made of a conductive oxide ceramic material containing Mn and Co;
With
The first conductive ceramic film is composed of a plurality of columnar particles.
Current collecting member.
前記複数の柱状粒子の平均長径は、0.5μm以上3.0μm以下であり、
前記複数の柱状粒子の平均短径は、0.1μm以上1.0μm以下であり、
前記平均長径の前記平均短径に対するアスペクト比は、1.5以上10以下である、
請求項1に記載の集電部材。
The average major axis of the plurality of columnar particles is 0.5 μm or more and 3.0 μm or less,
The average minor axis of the plurality of columnar particles is 0.1 μm or more and 1.0 μm or less,
The aspect ratio of the average major axis to the average minor axis is 1.5 or more and 10 or less.
The current collecting member according to claim 1.
前記複数の柱状粒子の平均円相当径は、0.15μm以上0.8μm以下である、
請求項2に記載の集電部材。
The average equivalent circle diameter of the plurality of columnar particles is 0.15 μm or more and 0.8 μm or less.
The current collecting member according to claim 2.
前記第2導電性セラミックス膜は、外表面を形成する第1緻密層と、前記第1緻密層の内側に配置され、複数の閉気孔を含む多孔質層と、を有する、
請求項1乃至3のいずれかに記載の集電部材。
The second conductive ceramic film includes a first dense layer that forms an outer surface, and a porous layer that is disposed inside the first dense layer and includes a plurality of closed pores.
The current collecting member according to claim 1.
前記第1緻密層の厚みは、0.5μm以上10μm以下である、
請求項4に記載の集電部材。
The thickness of the first dense layer is not less than 0.5 μm and not more than 10 μm.
The current collecting member according to claim 4.
前記多孔質層の厚みは、0.5μm以上10μm以下である、
請求項4又は5に記載の集電部材。
The thickness of the porous layer is 0.5 μm or more and 10 μm or less.
The current collecting member according to claim 4 or 5.
前記第2導電性セラミックス膜は、前記多孔質層の内側に配置される第2緻密層を有し、
前記第2緻密層は、前記第1緻密層よりも薄い、
請求項4乃至6のいずれかに記載の集電部材。
The second conductive ceramic film has a second dense layer disposed inside the porous layer,
The second dense layer is thinner than the first dense layer;
The current collecting member according to claim 4.
前記第2緻密層の厚みは、0.1μm以上5μm以下である、
請求項7に記載の集電部材。
The thickness of the second dense layer is not less than 0.1 μm and not more than 5 μm.
The current collecting member according to claim 7.
請求項1に記載の集電部材と、
燃料極と空気極と固体電解質層とをそれぞれ有する第1及び第2発電部と、
を備え、
前記集電部材は、前記第1発電部の前記空気極と前記第2発電部の前記燃料極とに電気的に接続されている、
燃料電池。
A current collecting member according to claim 1;
First and second power generation units each having a fuel electrode, an air electrode, and a solid electrolyte layer;
With
The current collecting member is electrically connected to the air electrode of the first power generation unit and the fuel electrode of the second power generation unit,
Fuel cell.
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