JP6735568B2 - Cell stack manufacturing method - Google Patents

Cell stack manufacturing method Download PDF

Info

Publication number
JP6735568B2
JP6735568B2 JP2016033567A JP2016033567A JP6735568B2 JP 6735568 B2 JP6735568 B2 JP 6735568B2 JP 2016033567 A JP2016033567 A JP 2016033567A JP 2016033567 A JP2016033567 A JP 2016033567A JP 6735568 B2 JP6735568 B2 JP 6735568B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
protective film
layer
cobalt
base material
metal base
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2016033567A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2016195101A (en
Inventor
孝之 中尾
孝之 中尾
井上 修一
修一 井上
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Osaka Gas Co Ltd
Original Assignee
Osaka Gas Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Osaka Gas Co Ltd filed Critical Osaka Gas Co Ltd
Publication of JP2016195101A publication Critical patent/JP2016195101A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP6735568B2 publication Critical patent/JP6735568B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Fuel Cell (AREA)

Description

本発明は、属基材の表面の一部分にCoおよびMn成分を含有する無機酸化物粒子を主材とする保護膜材料層を湿式成膜する成膜工程、護膜材料層および属基材を焼結して金属基材に保護膜を形成する焼結工程、保護膜に対して接合材からなる接合層を設けて固体酸化物形燃料電池(以下、適宜「SOFC」と記載する。)の単セルを接合する接合工程、保護膜が形成された金属基材と接合層と単セルとをともに焼結して接合するスタッキング工程、を順に行うセルスタックの製造方法に関する。 The present invention is a film forming process to wet a protective film material layer to the inorganic oxide particles containing a portion of Co and Mn components of the surface of the gold Shokumotozai main material, retaining Mamorumaku material layer and metallic A sintering process of sintering a base material to form a protective film on a metal base material, and providing a bonding layer made of a bonding material on the protective film to form a solid oxide fuel cell (hereinafter appropriately referred to as “SOFC”) And (b) a bonding step of bonding the single cells, and a stacking step of sintering and bonding the metal base material on which the protective film is formed, the bonding layer, and the single cells together , and to a method for manufacturing a cell stack .

かかるSOFC用セルは、電解質膜の一方面側に空気極を接合するとともに、同電解質膜の他の部分側に燃料極を接合してなる単セルを、空気極または燃料極に対して電子の授受を行う一対の電子伝導性の金属基材(セル間接続部材)により挟み込んだ構造を有する。
そして、このようなSOFC用セルは、例えば700〜900℃程度の作動温度で作動し、空気極側から燃料極側への電解質膜を介した酸化物イオンの移動に伴って、一対の電極間に起電力が発生し、その起電力を外部に取り出し利用することができる。
In such a SOFC cell, a single cell in which an air electrode is joined to one surface side of the electrolyte membrane and a fuel electrode is joined to the other part side of the electrolyte membrane is used as an electron cell for the air electrode or the fuel electrode. It has a structure in which it is sandwiched between a pair of electron-conducting metallic base materials (inter-cell connecting members) that perform transfer.
Then, such a SOFC cell operates at an operating temperature of, for example, about 700 to 900° C., and the movement of oxide ions from the air electrode side to the fuel electrode side through the electrolyte membrane causes a gap between the pair of electrodes. Electromotive force is generated in the electromotive force, and the electromotive force can be taken out and used.

近年の開発の進展に伴い、SOFCの作動温度が下がってきている。従来の燃料電池の作動温度は1000℃程度であり、耐熱性の観点からランタンクロマイトに代表される金属酸化物が使用されていたが、最近は作動温度が700℃〜800℃まで下がっており、金属基材が使用できるようになってきた。金属基材の使用により、コストダウン、ロバスト性の向上が期待できる。 With the progress of development in recent years, the operating temperature of SOFC is decreasing. A conventional fuel cell has an operating temperature of about 1000° C., and a metal oxide represented by lanthanum chromite has been used from the viewpoint of heat resistance, but recently, the operating temperature has dropped to 700° C. to 800° C., Metal substrates have become available. The use of a metal base material can be expected to reduce costs and improve robustness.

また、SOFC用セルで利用される金属基材の表面に、単一系酸化物に不純物をドープしてなるn型半導体保護膜を形成し、このような保護膜形成処理を行うことによって、合金中に含まれるCrが、飛散し易い6価の酸化物へと酸化されることを抑制することが行われる場合がある(例えば、特許文献1参照。)。 Further, an n-type semiconductor protective film formed by doping a single oxide with impurities is formed on the surface of a metal base material used in a SOFC cell, and an alloy is formed by performing such a protective film forming treatment. There is a case where Cr contained therein is suppressed from being oxidized into a hexavalent oxide that easily scatters (for example, refer to Patent Document 1).

しかし、このようなSOFC用セルで利用される金属基材の表面に、保護膜を形成する場合、上記実情からCr飛散の影響を受ける空気極側に導電性の保護膜を形成する必要があるが、燃料極側には、導電性等の観点から保護膜を形成しない構成を採用する場合がある。このような場合、金属基材の表面の一部分に保護膜を形成する際に、その保護膜の成膜時に焼結工程を経ると、金属基材の他の部分は、高温の焼結温度に晒されるため、酸化を受けて、Cr23やMnCr24などからなるCrを含む酸化被膜が形成されてしまうことがある。このような酸化被膜が形成されると、酸化被膜が高抵抗であるため、金属基材の他の部分における抵抗が大きくなり、SOFCとしての発電出力が大きく低下するという問題がある。 However, when forming a protective film on the surface of a metal substrate used in such a SOFC cell, it is necessary to form a conductive protective film on the side of the air electrode that is affected by Cr scattering from the above circumstances. However, there is a case where a structure in which a protective film is not formed on the fuel electrode side is adopted from the viewpoint of conductivity and the like. In such a case, when the protective film is formed on a part of the surface of the metal base material, if the sintering step is performed during the formation of the protective film, the other part of the metal base material is heated to a high sintering temperature. Since it is exposed, it may be oxidized to form an oxide film containing Cr such as Cr 2 O 3 or MnCr 2 O 4 . When such an oxide film is formed, since the oxide film has a high resistance, there is a problem in that the resistance in other portions of the metal base material becomes large and the power generation output as the SOFC greatly decreases.

そこで、保護膜の焼結条件を種々調整することによって金属基材の他の部分(保護膜を形成しない部分)に酸化被膜が生じにくくなるようにすることが検討されている(例えば特許文献2参照)。 Therefore, other parts to Rukoto as oxide coating (portions not forming the protective film) hardly occurs has been studied (for example, Patent Document metal substrate by various adjusting sintering conditions of the protective film 2).

国際公開第2007/083627号International Publication No. 2007/083627 特開2009−152016号公報JP, 2009-152016, A

たとえば、アルゴンなどの不活性ガス雰囲気や高真空雰囲気などの低酸素分圧雰囲気で保護膜を焼結する技術があるが、アルゴンは安価なガスとはいえず、量産時のプロセスコストは高止まりする可能性がある。 For example, there is a technology to sinter the protective film in an atmosphere of an inert gas such as argon or a low oxygen partial pressure atmosphere such as a high vacuum atmosphere, but argon is not an inexpensive gas and the process cost during mass production remains high. there's a possibility that.

また、本発明者らによると、このように作成された保護膜は、保護膜材料のスピネル酸化物が還元を受け、抵抗の高い組成に変換されてしまう場合があることが明らかになっている。 According to the present inventors, it has been clarified that in the protective film thus formed, the spinel oxide of the protective film material may be reduced and converted into a composition having high resistance. ..

したがって、本発明は上記実状に鑑み、金属基材の表面の一部分に保護膜を形成するに際して、その保護膜を確実に焼結することができ、しかも、使用状態で低抵抗なスピネル構造となる、簡便なセルスタックの製造方法を提供することを目的とする。 Therefore, in view of the above circumstances, the present invention can reliably sinter the protective film when forming the protective film on a part of the surface of the metal base material, and has a low-resistance spinel structure in use. An object of the present invention is to provide a simple cell stack manufacturing method.

〔構成1〕
上記目的を達成するための本発明のセルスタックの製造方法の特徴構成は、
属基材の表面の一部分にCoおよびMn成分を含有する無機酸化物粒子を主材とする保護膜材料層を湿式成膜する成膜工程、
前記保護膜材料層および前記金属基材を焼結して前記金属基材に保護膜を形成する焼結工程、
前記保護膜に対して接合材からなる接合層を設けて固体酸化物形燃料電池の単セルを接合する接合工程、
前記保護膜が形成された前記金属基材と前記接合層と前記単セルとをともに焼結して接合するスタッキング工程、を順に行うセルスタックの製造方法であって、
前記焼結工程は、不活性ガス雰囲気下又は還元雰囲気下において前記保護膜材料層および前記金属基材を焼結して前記金属基材に前記保護膜を形成する工程であり、
前記接合工程は、前記保護膜と前記接合層との間に、金属コバルトを含有してなるコバルト補充層を設けた状態で、前記保護膜に対して前記接合層にて前記単セルを接合する工程である点にある。
[Configuration 1]
The characteristic configuration of the method for manufacturing the cell stack of the present invention for achieving the above object is
Deposition step of wet a protective film material layer to the inorganic oxide particles containing Co and Mn components in a portion of the surface of the gold Shokumotozai main material,
A sintering step of sintering the protective film material layer and the metal base material to form a protective film on the metal base material;
A bonding step of bonding a single layer of a solid oxide fuel cell by providing a bonding layer made of a bonding material to the protective film,
A stacking step of sequentially sintering and bonding the metal base material, the bonding layer, and the single cell on which the protective film is formed, which is a method of manufacturing a cell stack ,
The sintering step is a step of forming the protective film on the metal base material by sintering the protective film material layer and the metal base material under an inert gas atmosphere or a reducing atmosphere ,
In the bonding step, the unit cell is bonded to the protective film with the bonding layer in a state where a cobalt replenishing layer containing metallic cobalt is provided between the protective film and the bonding layer. It is a process.

〔作用効果1〕
たとえば、SOFCに用いられる金属基材の一方面に保護膜を形成するとともに、保護膜に空気極を接合形成してある平板形燃料電池セルは、スタック構造の燃料電池セルを構成する際に、金属基材の一方面に保護膜を形成して、SOFCの運転に伴い金属基材が加熱されても、金属基材から揮発、飛散する成分が空気極に悪影響を与えないように保護膜を介在させた状態で、空気極、固体電解質、燃料極の積層構造を形成することができる。また、金属基材の他の部分に上記積層された燃料極を接続して積層することによって、燃料極と金属基材とを直接導電する形態で接続することができる。また、SOFCに用いられる金属基材には、他にも部分的に保護膜を形成する部材があり、本発明は、金属基材の形状によらず、また、上記保護膜に空気極を接合形成してある燃料電池セルに限らず、いわゆる燃料と空気を隔てるセパレータとしての役割を果たすために使われる部材、すなわち片側が燃料雰囲気、反対側が空気雰囲気で使われる部材等、金属基材の一部分に保護膜を形成してなる部材を備えるセルスタックに適用できる。
[Operation effect 1]
For example, a flat plate type fuel battery cell in which a protective film is formed on one surface of a metal base material used for SOFC and an air electrode is bonded to the protective film is used when a fuel battery cell having a stack structure is formed. A protective film is formed on one surface of the metal base material, and even if the metal base material is heated by the operation of SOFC, a protective film is formed so that the components volatilized and scattered from the metal base material do not adversely affect the air electrode. A laminated structure of the air electrode, the solid electrolyte, and the fuel electrode can be formed with the interposition. Also, by connecting and stacking the stacked fuel electrode on another portion of the metal base material, the fuel electrode and the metal base material can be directly connected to each other in a conductive form. Further, the metal base material used for SOFC has a member that partially forms a protective film, and the present invention does not depend on the shape of the metal base material, and the air electrode is bonded to the protective film. Not only the formed fuel cells but also a member used to serve as a so-called separator for separating fuel and air, that is, a member used on one side in a fuel atmosphere and the other side in an air atmosphere. The present invention can be applied to a cell stack including a member having a protective film formed thereon.

金属基材の表面の一部分に保護膜材料を湿式成膜する成膜工程を行うと、金属基材の表面の一部分に被膜を形成することができる。この保護膜材料は、無機酸化物粒子を主材とするが、無機酸化物粒子のみをスラリー状にして保護膜を形成したとしても、その無機酸化物粒子同士および金属基材との密着性が不十分であり、その後の焼結工程を経ても十分に焼結が進まず密着性も高くなりづらいため、バインダを含有した保護膜材料が有利に利用できる。 By performing the film forming step of wet-forming the protective film material on a part of the surface of the metal base material, a coating can be formed on a part of the surface of the metal base material. This protective film material has inorganic oxide particles as a main material, but even if only the inorganic oxide particles are slurried to form a protective film, the adhesion between the inorganic oxide particles and the metal base material is high. Since it is insufficient and the sintering does not proceed sufficiently even after the subsequent sintering step and the adhesion is unlikely to increase, a protective film material containing a binder can be advantageously used.

この被膜を焼結すると、保護膜材料層は、CoおよびMn成分を含有する無機酸化物粒子を主材とするものであるから、Co1.5Mn1.54、Co2MnO4に代表されるようなスピネル酸化物構造を形成し、Cr被毒等に耐性の高い保護膜が得られる。しかし、不活性ガス雰囲気下又は還元雰囲気下で焼結を行った場合、CoおよびMn成分は、価数が変化し、酸素欠陥を生じることで、電荷補償を行うが、その限界を超えると、結晶構造が崩壊し、低価数の酸化物もしくは金属にまで還元されて、二相共存した膜が形成される。例えば、Co2MnO4が、高温還元雰囲気でCoとMnOに分解されることが明らかになっている。また、本発明者らの実験的知見によると、CoおよびMn成分を含有する無機酸化物が、高温還元雰囲気でCoとMnOに分解される現象は、保護膜材料層における金属基材の表面と離間した表面側で優先的に生起する反応であることが分かっている。 When this coating is sintered, the protective film material layer is mainly composed of inorganic oxide particles containing Co and Mn components, and therefore is represented by Co 1.5 Mn 1.5 O 4 and Co 2 MnO 4. A protective film having a high spinel oxide structure and high resistance to Cr poisoning can be obtained. However, when sintering is performed in an inert gas atmosphere or a reducing atmosphere , the valences of the Co and Mn components change, and oxygen defects are generated, thereby performing charge compensation, but when the limit is exceeded, The crystal structure collapses and is reduced to a low valence oxide or metal to form a two-phase coexisting film. For example, it has been revealed that Co 2 MnO 4 is decomposed into Co and MnO in a high temperature reducing atmosphere. Further, according to the experimental findings of the present inventors, the phenomenon that an inorganic oxide containing Co and Mn components is decomposed into Co and MnO in a high-temperature reducing atmosphere is caused by the surface of the metal substrate in the protective film material layer. It has been found that this is a reaction that occurs preferentially on the surface side that is separated.

ここで、MnOは絶縁材料であり、MnO相の形成環境は発電出力に大きく影響を及ぼす懸念がある。ところが、本発明者らのさらなる研究によると、MnO相が金属Co成分を含有している場合、大気中などの酸素雰囲気で熱を受けることにより、スピネル酸化物構造を再生し、緻密でかつ十分な導電性を確保することができる保護膜として利用可能であることが見出され、実験的にも確認されている。 Here, MnO is an insulating material, and the environment in which the MnO phase is formed may significantly affect the power generation output. However, according to further studies by the present inventors, when the MnO phase contains a metallic Co component, it is heated in an oxygen atmosphere such as the air to regenerate the spinel oxide structure, and it is dense and sufficient. It has been found that it can be used as a protective film capable of ensuring excellent electrical conductivity, and has been experimentally confirmed.

そこで、不活性ガス雰囲気下又は還元雰囲気下において焼結工程を行った保護膜材料層と接合層との間に、金属コバルトを含有してなるコバルト補充層を設けた状態とすると、得られる保護膜のなかで接合層に近接した部分に金属コバルトを含有するコバルト補充層を配置した状態となっている。そのため得られた保護膜は、金属基材から離間した表面側に生成されたMnO相が大気中などの酸素雰囲気で熱を受けた際に、保護膜材料表面に近接した金属コバルトを含有してなるコバルト補充層と反応し、電子導電性の高いスピネル酸化物構造を再生しやすい構造とすることができる。また、保護膜のMnO欠乏層となる保護膜材料層の金属基材表面側は、MnO欠乏Co−Mnスピネル酸化物構造が形成されるが、電子導電性は低下せず、発電性能に悪影響を与えにくい状態に維持できる構造とすることができる。 Therefore, when a cobalt replenishment layer containing metallic cobalt is provided between the bonding layer and the protective film material layer that has been subjected to the sintering process in an inert gas atmosphere or a reducing atmosphere , the protection obtained can be obtained. In the film, a cobalt supplement layer containing metallic cobalt is arranged in a portion close to the bonding layer. Therefore, the obtained protective film contains metallic cobalt close to the surface of the protective film material when the MnO phase generated on the surface side separated from the metal substrate receives heat in an oxygen atmosphere such as the air. Can react with the cobalt supplementary layer to form a spinel oxide structure having a high electron conductivity and can be easily regenerated. Further, a MnO-deficient Co—Mn spinel oxide structure is formed on the metal substrate surface side of the protective film material layer which becomes the MnO-deficient layer of the protective film, but the electronic conductivity does not decrease and the power generation performance is adversely affected. It is possible to have a structure that can be maintained in a state where it is difficult to give.

さらに、得られる保護膜のなかでMnO相が生成しやすい金属基材から離間した表面側部分は、焼結工程後、スピネル酸化物構造を再生するまでの間高抵抗な結晶構造となっているが、金属コバルトを含有するコバルト補充層と一体化することにより金属コバルトと反応し、低抵抗なCo−Mnスピネル相を再形成することで、経時的に抵抗が減少していく。また、コバルト補充層と保護膜材料層との結合性についても、コバルト補充層から保護膜材料層にCoが保護膜材料層からコバルト補充層にMnが相互拡散することで、電気的、機械的接合強度が高くなり、低抵抗と密着強度を向上させた構成とすることができる。また、コバルト補充層と接合層との結合性については、通電試験による抵抗値や試験後の断面SEM分析結果からも剥離等なく、電気的・機械的接合強度が十分高いことを発明者らは確認している。 Further, in the protective film obtained, the surface side portion separated from the metal base material in which the MnO phase is easily generated has a high-resistance crystal structure after the sintering step until the spinel oxide structure is regenerated. However, when integrated with the cobalt replenishment layer containing metallic cobalt, it reacts with metallic cobalt and reforms a low-resistance Co—Mn spinel phase, whereby the resistance gradually decreases. Regarding the bondability between the cobalt replenishment layer and the protective film material layer, Co and Co from the cobalt replenishment layer to the protective film material layer and Mn from the protective film material layer to the cobalt replenishment layer are electrically and mechanically dispersed. The bonding strength is increased, and the structure can have a low resistance and an improved adhesion strength. Regarding the bondability between the cobalt replenishment layer and the bonding layer, the inventors found that the electrical/mechanical bonding strength was sufficiently high without peeling or the like from the resistance value by the current application test and the cross-sectional SEM analysis result after the test. I'm confirming.

〔構成2〕
また、前記接合工程が、前記保護膜の表面に、金属コバルトを含有してなるコバルト補充層を設けるコバルト補充層形成工程と、前記コバルト補充層を形成してなる前記保護膜と前記単セルとの間に前記接合層を形成する接合層形成工程とを含むものとすることができる。
[Configuration 2]
Further, the joining step includes a cobalt supplement layer forming step of providing a cobalt supplement layer containing metallic cobalt on the surface of the protective film, the protective film formed of the cobalt supplement layer, and the unit cell . And a bonding layer forming step of forming the bonding layer therebetween.

〔作用効果2〕
金属コバルトを含有するコバルト補充層としては、接合層とは、別途調整したものとしてもよいし、接合層を調整する際に、保護膜材料層の金属基材から離間した表面側に配置し、同時に熱処理をおこなってもよい。
[Function and effect 2]
The cobalt replenishing layer containing metallic cobalt, the bonding layer, may be prepared separately, when adjusting the bonding layer, the protective film material layer is disposed on the surface side away from the metal base material, You may heat-process simultaneously.

しかし、補充層形成工程、接合層形成工程を順に行うことにより、接合層とは別途、金属コバルトを含有してなるコバルト補充層を設けるコバルト補充層形成工程を実行するものとすれば、簡便にかつ均一な厚さのコバルト補充層を形成しやすいので好ましい。 However, if the cobalt replenishment layer forming step of providing the cobalt replenishment layer containing metallic cobalt separately from the joining layer is performed by sequentially performing the replenishment layer forming step and the joining layer forming step, it is easy to perform. In addition, a cobalt replenishing layer having a uniform thickness is easily formed, which is preferable.

要するにスタッキング工程を行う段階で、前記保護膜材料層と前記接合層との間に、保護膜材料層に比して金属コバルトを多く含有してなる層が位置する状態としてあれば、その金属コバルトを多く含有してなる層をコバルト補充層と呼ぶものである。 In short, in the step of performing the stacking step, if a layer containing a large amount of metallic cobalt as compared with the protective film material layer is located between the protective film material layer and the bonding layer, the metallic cobalt A layer containing a large amount of is called a cobalt supplement layer.

〔構成3〕
前記金属基材が、フェライト系ステンレス鋼製であってもよい。
[Configuration 3]
The metal base material may be made of ferritic stainless steel.

〔作用効果3〕
金属基材としては、耐熱性が高くSOFCの運転環境に耐える材料が好適と考えられ、オーステナイト系、フェライト系等のステンレス鋼や、インコネル等のNi基合金が好ましく、中でもフェライト系ステンレス鋼はSOFCの他の構成部材との熱膨張率の整合性や耐熱性に優れる。ただし、フェライト系ステンレス鋼は、Cr成分を含んでおり、このCr成分の飛散を防止するために保護膜を形成して空気極を接合することが好ましいので、本発明のセルスタックの製造方法を適用することにより、金属基材の酸化を抑制しかつ保護膜の変質を抑制することができ、特にフェライト系ステンレス鋼製金属基材の利用機会を増やすことにつながり、高性能のSOFCセルを安価に提供するうえで有利である。
[Operation effect 3]
As the metal base material, a material having high heat resistance and capable of withstanding an operating environment of SOFC is considered to be suitable, and austenite-based, ferritic-based stainless steel or Ni-based alloy such as Inconel is preferable, and ferritic stainless steel is SOFC. It has excellent thermal expansion coefficient matching with other components and heat resistance. However, ferritic stainless steel includes a Cr component, since it is preferable to bond the formed and air electrode protective layer to prevent scattering of the Cr component, the method of manufacturing the cell stack of the present invention By applying it, it is possible to suppress the oxidation of the metal base material and suppress the deterioration of the protective film, which leads to an increase in the use opportunities of the ferritic stainless steel metal base material, and the high-performance SOFC cell is inexpensive. It is advantageous to provide to.

〔構成4〕
前記無機酸化物粒子が、Co−Mn系スピネル酸化物を主成分とする金属酸化物とすることができる。
[Configuration 4]
The inorganic oxide particles can be a metal oxide containing Co—Mn spinel oxide as a main component.

〔作用効果4〕
前記保護膜としては、Co−Mn系スピネル酸化物が、高導電性かつSOFCセル材料と熱膨張係数が一致、Cr成分の飛散抑制に特に有効であることが知られている。そのため、本発明のセルスタックの製造方法を適用することにより、金属基材の酸化を抑制しかつ保護膜の変質を抑制することができ、金属基材からのCr飛散防止をより一層抑制することができるようになるので、高性能のSOFCセルを提供するうえで有利である。
[Operation effect 4]
As the protective film, Co—Mn-based spinel oxide is known to have high conductivity and a coefficient of thermal expansion that matches that of the SOFC cell material, and is particularly effective for suppressing the scattering of Cr components. Therefore, by applying the cell stack manufacturing method of the present invention, it is possible to suppress the oxidation of the metal base material and the deterioration of the protective film, and further suppress the prevention of Cr scattering from the metal base material. Therefore, it is advantageous in providing a high-performance SOFC cell.

Co−Mn系スピネル酸化物を主成分とする金属酸化物としては、たとえば、コバルトマンガン系酸化物CoxMny4(0<x、y≦3、x+y=3)または、亜鉛コバルトマンガン系酸化物ZnzCoxMny4(0<x、y、z<3、x+y+z=3)からなる金属酸化物微粒子が用いられる。 The metal oxide mainly composed of Co-Mn-based spinel oxide, such as cobalt-manganese oxide Co x Mn y O 4 (0 <x, y ≦ 3, x + y = 3) or zinc-cobalt-manganese-based oxide Zn z Co x Mn y O 4 (0 <x, y, z <3, x + y + z = 3) metal oxide fine particles made is used.

〔構成5〕
前記無機酸化物粒子が、Co1.5Mn1.54、Co2MnO4から選ばれる少なくとも一種を主成分とするものであれば特に好ましい。
[Configuration 5]
It is particularly preferable that the inorganic oxide particles have at least one selected from Co 1.5 Mn 1.5 O 4 and Co 2 MnO 4 as a main component.

〔作用効果5〕
Co−Mn系スピネル酸化物を主成分とする金属酸化物として、さらに具体的には、Zn(Co,Mn)O4、Co1.5Mn1.54、CoMn24、MnCo24などを主成分として含有するものが好適に用いられる。その中でも、前記無機酸化物粒子として、Co1.5Mn1.54、Co2MnO4は高導電性かつSOFCセル材料と熱膨張係数が一致しており、Co−Mn系スピネル酸化物のなかでもCr成分の飛散抑制に特に有効である。
[Function and effect 5]
As a metal oxide containing a Co—Mn-based spinel oxide as a main component, more specifically, Zn(Co,Mn)O 4 , Co 1.5 Mn 1.5 O 4 , CoMn 2 O 4 , MnCo 2 O 4 or the like is used. Those containing as the main component are preferably used. Among them, as the inorganic oxide particles, Co 1.5 Mn 1.5 O 4 and Co 2 MnO 4 are highly conductive and have a thermal expansion coefficient matching that of the SOFC cell material, and Cr is one of the Co—Mn spinel oxides. It is particularly effective in suppressing the scattering of components.

〔構成6〕
前記焼結工程は、500℃〜1050℃で行うことができる。
[Configuration 6]
The sintering process may be performed at 500°C to 1050°C.

〔作用効果6〕
前記焼結工程における焼結温度は、金属基材や、保護膜の組成によって異なるが、概して500℃以上であれば、保護膜材料層に必要的に適宜添加されるアクリル系バインダ等を分解消失させることができる。一方、あまり高温になると、金属基材の表面に高抵抗膜が形成されやすくなり劣化が進むおそれが生じることや、保護膜材料が金属基材から剥離しやすくなるなどの問題が生じやすくなることから1050℃以下とすることが好ましい。
[Function and effect 6]
The sintering temperature in the sintering step varies depending on the composition of the metal base material and the protective film, but if it is generally 500° C. or higher, the acrylic binder and the like that are appropriately added to the protective film material layer are decomposed and disappeared. Can be made. On the other hand, if the temperature becomes too high, a high resistance film is likely to be formed on the surface of the metal base material, which may lead to deterioration, and problems such as easy peeling of the protective film material from the metal base material are likely to occur. To 1050° C. or lower is preferable.

このように、金属基材の表面の一部分に保護膜を形成するに際して、その保護膜を金属基材の他の部分に悪影響を与えにくい状態で、確実に焼結することができ、しかも、保護膜の導電性を維持して、金属基材および接合層との接合強度を高くし得る、簡便なセルスタックの製造方法を提供できるようになり、高性能なSOFCセル製造に寄与することができるようになった。 In this way, when forming the protective film on a part of the surface of the metal base material, the protective film can be reliably sintered in a state in which it does not adversely affect other parts of the metal base material, It is possible to provide a simple cell stack manufacturing method capable of maintaining the conductivity of the film and increasing the bonding strength between the metal base material and the bonding layer, which can contribute to high-performance SOFC cell manufacturing. It became so.

固体酸化物形燃料電池の概略図Schematic of solid oxide fuel cell 固体酸化物形燃料電池のセル間接続部材の使用形態を示す図The figure which shows the usage form of the cell connecting member of a solid oxide fuel cell. 保護膜を形成したセル間接続部材試験片の断面図Sectional view of inter-cell connection member test piece with protective film 保護膜を形成したセル間接続部材試験片の断面図Sectional view of inter-cell connection member test piece with protective film 保護膜の断面のSEM、EPMA図SEM and EPMA diagram of cross section of protective film 保護膜のXRD図XRD diagram of protective film 保護膜の抵抗変化を示すグラフGraph showing resistance change of protective film 酸化コバルトが還元される雰囲気の温度圧力限界を示すグラフGraph showing the temperature and pressure limit of the atmosphere in which cobalt oxide is reduced 保護膜の抵抗変化を示すグラフGraph showing resistance change of protective film 保護膜の断面のSEM図SEM diagram of cross section of protective film 保護膜の断面のSEM図SEM diagram of cross section of protective film

以下に、本発明の実施形態にかかるセルスタックの製造方法を説明する。尚、以下に好適な実施形態を記すが、これら実施形態はそれぞれ、本発明をより具体的に例示するために記載されたものであって、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々変更が可能であり、本発明は、以下の記載に限定されるものではない。 The method for manufacturing the cell stack according to the embodiment of the present invention will be described below. The preferred embodiments will be described below, but these embodiments are described for more specifically illustrating the present invention, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. However, the present invention is not limited to the following description.

<固体酸化物形燃料電池(SOFC)>
料電池用部材としてのSOFC用セル間接続部材を含むセルスタックの製造方法の実施の形態について、図面に基づいて説明する。燃料電池用部材は、固体酸化物形燃料電池のセルスタックで用いられるものである。なお、金属基材に形成された保護膜に空気極を接合形成する場合に限らず、部分的に保護膜を形成してある金属基材に広く適用でき、これらを総称して、燃料電池用部材と呼ぶ。
図1および図2に示すSOFC用セルCは、酸化物イオン伝導性の固体酸化物の緻密体からなる電解質膜30の一方面側に、酸化物イオンおよび電子伝導性の多孔体からなる空気極31を接合するとともに、同電解質膜30の他方面側に電子伝導性の多孔体からなる燃料極32を接合してなる単セル3を備える。
さらに、SOFC用セルCは、この単セル3を、空気極31または燃料極32に対して電子の授受を行うとともに空気および水素を供給するための溝2が形成された一対の電子伝導性の合金からなる金属基材11としてのセル間接続部材1により、適宜外周縁部においてガスシール体を挟持した状態で挟み込んだ構造を有する。そして、空気極31側の上記溝2が、空気極31とセル間接続部材1とが密着配置されることで、空気極31に空気を供給するための空気流路2aとして機能し、一方、燃料極32側の上記溝2が、燃料極32とセル間接続部材1とが密着配置されることで、燃料極32に水素を供給するための燃料流路2bとして機能する。セル間接続部材1はインターコネクタとセルC間を電気的に接続する部材が接続された構成となることもある。なお、42は接合材42aからなる接合層42であり、セル間接続部材1と空気極31との間の電気的な接続を担保するために使用される。
<Solid oxide fuel cell (SOFC)>
The embodiment of the manufacturing method of the cell stack including the SOFC cell joined member as a member for fuel cell, it will be described with reference to the drawings. The fuel cell member is used in a cell stack of a solid oxide fuel cell. Not only when the air electrode is bonded to the protective film formed on the metal base material, but also widely applicable to the metal base material where the protective film is partially formed. It is called a member.
The SOFC cell C shown in FIGS. 1 and 2 has an air electrode made of a porous body having oxide ions and electron conductivity on one surface side of an electrolyte membrane 30 made of a dense body of oxide oxide conductive solid oxide. The unit cell 3 is formed by joining 31 and a fuel electrode 32 formed of an electron conductive porous body on the other surface side of the electrolyte membrane 30.
Further, the SOFC cell C has a pair of electron-conducting cells in which the single cell 3 is provided with a groove 2 for exchanging electrons with the air electrode 31 or the fuel electrode 32 and for supplying air and hydrogen. The inter-cell connecting member 1 serving as the metal base material 11 made of an alloy has a structure in which the gas seal body is sandwiched appropriately at the outer peripheral edge portion. The groove 2 on the side of the air electrode 31 functions as an air flow path 2a for supplying air to the air electrode 31 due to the air electrode 31 and the inter-cell connecting member 1 being arranged in close contact with each other. The groove 2 on the side of the fuel electrode 32 functions as a fuel flow path 2b for supplying hydrogen to the fuel electrode 32 by closely disposing the fuel electrode 32 and the inter-cell connecting member 1. The inter-cell connection member 1 may have a configuration in which a member that electrically connects the interconnector and the cell C is connected. Reference numeral 42 denotes a bonding layer 42 made of a bonding material 42a, which is used to secure the electrical connection between the inter-cell connecting member 1 and the air electrode 31.

なお、上記SOFC用セルCを構成する各要素で利用される一般的な材料について説明を加えると、例えば、上記空気極31の材料としては、LaMO3(例えばM=Mn,Fe,Co)中のLaの一部をアルカリ土類金属AE(AE=Sr,Ca)で置換した(La,AE)MO3のペロブスカイト型酸化物を利用することができ、上記燃料極32の材料としては、Niとイットリア安定化ジルコニア(YSZ)とのサーメットを利用することができ、さらに、電解質膜30の材料としては、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)を利用することができる。接合材42aとしては、空気極31と類似のペロブスカイト型酸化物やスピネル型酸化物を利用することができる。 In addition, when a general material used in each element constituting the SOFC cell C is added, for example, the material of the air electrode 31 is LaMO 3 (for example, M=Mn, Fe, Co). The perovskite type oxide of (La,AE)MO 3 in which a part of La of is substituted with an alkaline earth metal AE (AE=Sr,Ca) can be used, and the fuel electrode 32 is made of Ni. And yttria-stabilized zirconia (YSZ) can be used, and as the material of the electrolyte membrane 30, yttria-stabilized zirconia (YSZ) can be used. As the bonding material 42a, a perovskite type oxide or a spinel type oxide similar to the air electrode 31 can be used.

さらに、これまで説明してきたSOFC用セルCでは、セル間接続部材1の材料としては、電子伝導性および耐熱性の優れた材料であるフェライト系ステンレス鋼であるFe−Cr合金や、オーステナイト系ステンレス鋼であるFe−Cr−Ni合金や、ニッケル基合金であるNi−Cr合金などのように、Crを含有する合金または酸化物が利用されている。 Further, in the SOFC cell C described so far, as the material of the inter-cell connecting member 1, a Fe-Cr alloy that is a ferritic stainless steel that is a material having excellent electronic conductivity and heat resistance, or an austenitic stainless steel. Alloys or oxides containing Cr such as Fe-Cr-Ni alloy which is steel and Ni-Cr alloy which is nickel-based alloy are used.

そして、複数のSOFC用セルCが積層配置された状態で、複数のボルトおよびナットにより積層方向に押圧力を与えて挟持され、セルスタックとなる。
このセルスタックにおいて、積層方向の両端部に配置されたセル間接続部材1は、燃料流路2bまたは空気流路2aの一方のみが形成されるものであればよく、その他の中間に配置されたセル間接続部材1は、一方の面に燃料流路2bが形成され他方の面に空気流路2aが形成されるものを利用することができる。なお、かかる積層構造のセルスタックでは、上記セル間接続部材1をセパレータと呼ぶ場合がある。
このようなセルスタックの構造を有するSOFCを一般的に平板形SOFCと呼ぶ。本実施形態では、一例として平板形SOFCについて説明するが、本願発明は、その他の構造のSOFCについても適用可能である。
Then, in the state in which the plurality of SOFC cells C are stacked and arranged, a pressing force is applied in the stacking direction by the plurality of bolts and nuts so as to be sandwiched to form a cell stack.
In this cell stack, the inter-cell connecting members 1 arranged at both ends in the stacking direction may be those in which only one of the fuel flow passage 2b and the air flow passage 2a is formed, and are arranged in the middle of the other. As the inter-cell connecting member 1, it is possible to use one in which the fuel flow path 2b is formed on one surface and the air flow path 2a is formed on the other surface. In addition, in the cell stack having such a laminated structure, the inter-cell connection member 1 may be referred to as a separator.
An SOFC having such a cell stack structure is generally called a flat plate SOFC. In the present embodiment, a flat plate SOFC will be described as an example, but the present invention is also applicable to SOFCs having other structures.

そして、このようなSOFC用セルCを備えたSOFCの作動時には、図2に示すように、空気極31に対して隣接するセル間接続部材1に形成された空気流路2aを介して空気を供給するとともに、燃料極32に対して隣接するセル間接続部材1に形成された燃料流路2bを介して水素を供給し、例えば800℃〜1000℃程度の作動温度で作動する。すると、空気極31においてO2が電子e-と反応してO2-が生成され、そのO2-が電解質膜30を通って燃料極32に移動し、燃料極32において供給されたH2がそのO2-と反応してH2Oとe-とが生成されることで、一対のセル間接続部材1の間に起電力Eが発生し、その起電力Eを外部に取り出し利用することができる。 Then, when the SOFC including the SOFC cell C is operated, as shown in FIG. 2, air is supplied through the air flow path 2a formed in the inter-cell connecting member 1 adjacent to the air electrode 31. While supplying the hydrogen, hydrogen is supplied to the fuel electrode 32 through the fuel flow path 2b formed in the inter-cell connecting member 1 adjacent to the fuel electrode 32, and operates at an operating temperature of, for example, about 800°C to 1000°C. Then, the air electrode 31 O 2 electrons e - are reacting with O 2- is generated, the O 2- passes through the electrolyte membrane 30 to move to the fuel electrode 32, H 2 supplied in the fuel electrode 32 React with the O 2− to generate H 2 O and e , thereby generating an electromotive force E between the pair of inter-cell connecting members 1 and extracting the electromotive force E to the outside for use. be able to.

<セル間接続部材>
セル間接続部材1は、図1、図3に示すように、例えば、フェライト系ステンレス合金製のセル間接続部材用の金属基材11(以下単に金属基材11と呼ぶ場合もある)の一方側の表面に保護膜12を設けて構成してある。そして、各単セル3の間に空気流路2a、燃料流路2bを形成しつつ接続可能にする溝板状に形成してある。基材11の表面には、酸化被膜13が形成されている。
<Cell connecting member>
As shown in FIGS. 1 and 3, one of the inter-cell connecting members 1 is, for example, one of the metal base materials 11 (hereinafter sometimes simply referred to as the metal base material 11) for the inter-cell connecting members made of ferritic stainless alloy. A protective film 12 is provided on the surface on the side. Further, an air flow path 2a and a fuel flow path 2b are formed between each unit cell 3 and are formed in a groove plate shape which enables connection. An oxide film 13 is formed on the surface of the base material 11.

<保護膜>
保護膜12は、図3に示すように、たとえば、Crを22%、Mnを約0.1〜0.5%含むフェライト系ステンレス鋼等からなる金属基材11の一方側表面に、保護膜材料層12aとしての電着塗膜を形成する電着工程(成膜工程の一例)を行い、保護膜材料層12aとしての電着塗膜を金属基材11とともに焼結させて金属酸化物からなる保護膜12を形成する焼結工程を行うことにより形成されている。
<Protective film>
As shown in FIG. 3, the protective film 12 is formed on one surface of the metal substrate 11 made of ferritic stainless steel containing 22% Cr and 0.1 to 0.5% Mn. An electrodeposition step (an example of a film forming step) of forming an electrodeposition coating film as the material layer 12a is performed, and the electrodeposition coating film as the protective film material layer 12a is sintered together with the metal base material 11 to remove metal oxide. The protective film 12 is formed by performing a sintering process for forming the protective film 12.

この焼結工程は、500℃以上1050℃以下の温度で、熱力学的にCo34がCoに還元される酸素分圧以下であることが好ましい。このような還元雰囲気であれば、無機酸化物として含まれる酸化コバルト(Co34やCoO)が金属Coまで還元される雰囲気であり、コバルトを焼結可能な500℃〜1050℃の温度範囲において簡易に実現できる圧力範囲である。(図8参照、例えば、950℃においては酸素分圧1.69×10-9atm以下となる。)還元雰囲気は金属基材11の他方側表面に金属基材11の酸化被膜等が形成されにくい条件にて行う。低酸素分圧雰囲気としては、不活性ガス雰囲気や還元雰囲気等、定法により調整することができる。 In this sintering step, it is preferable that the temperature is 500° C. or higher and 1050° C. or lower and the oxygen partial pressure at which Co 3 O 4 is thermodynamically reduced to Co or less is set. In such a reducing atmosphere, cobalt oxide (Co 3 O 4 or CoO) contained as an inorganic oxide is an atmosphere in which metal Co is reduced, and a temperature range of 500° C. to 1050° C. at which cobalt can be sintered. It is a pressure range that can be easily realized. (Refer to FIG. 8, for example, at 950° C., the oxygen partial pressure is 1.69×10 −9 atm or less.) In the reducing atmosphere, the oxide film of the metal substrate 11 is formed on the other surface of the metal substrate 11. Perform under difficult conditions. The low oxygen partial pressure atmosphere can be adjusted by an ordinary method such as an inert gas atmosphere or a reducing atmosphere.

<保護膜材料層>
保護膜材料層12aは、たとえば、無機酸化物粒子からなる保護膜材料としてのZnCoMnO4、Co15Mn154、CoMn24、MnCo24等のCo−Mn系スピネル酸化物を主成分とする金属酸化物と、アクリル系バインダとしてのポリアクリル酸等のアニオン型樹脂とを質量比で(金属酸化物微粒子:アニオン型樹脂)=(0.5:1)〜(2:1)の割合で含有している混合液を用いて、アニオン電着塗装法により保護膜材料層12aとしての電着塗膜を形成する電着工程(成膜工程の一例)を行うことにより形成される。
<Protective film material layer>
The protective film material layer 12a is formed of, for example, ZnCoMnO 4 , Co 1 . 5 Mn 1 . 5 O 4 , CoMn 2 O 4 , MnCo 2 O 4 and other metal oxides containing Co—Mn-based spinel oxide as a main component and polyacrylic acid and other anionic resins as acrylic binders in a mass ratio. (Metal oxide fine particles: anion-type resin)=(0.5:1) to (2:1) is used as a protective film material layer 12a by anion electrodeposition coating method using a mixed solution. It is formed by performing an electrodeposition step of forming an electrodeposition coating film (an example of a film forming step).

以下に保護膜12の具体的な製造方法を詳述するが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, a specific method for manufacturing the protective film 12 will be described in detail, but the present invention is not limited to the following examples.

<実施例>
成膜工程では、形状が断面長方形の単純形状である金属基材11の試験片に、必要に応じて脱脂処理、酸洗処理、電解研磨などを施した後、保護膜材料の混合液に浸漬し、通電を行うことによって、金属基材11表面に未硬化の保護膜材料層12aとしての電着塗膜が形成される。
得られた保護膜材料層12aは金属基材11とともに低酸素分圧雰囲気下において焼結される。
<Example>
In the film forming step, a test piece of a metal base material 11 having a simple shape with a rectangular cross section is subjected to degreasing treatment, pickling treatment, electrolytic polishing, etc., if necessary, and then immersed in a mixed liquid of a protective film material. Then, by applying electricity, an electrodeposition coating film as the uncured protective film material layer 12a is formed on the surface of the metal substrate 11.
The obtained protective film material layer 12a is sintered together with the metal substrate 11 in a low oxygen partial pressure atmosphere.

〔1〕 金属基材の前処理
電着塗装を行うに先立って、各電極には以下の1〜7を順に行う前処理を行った。
1. 電解洗浄剤による陰極電解
(アクチベータS(シミズ社製)100g/L、40℃、10A/dm2、30秒)
2. 水洗
3. 電解洗浄剤による陽極電解
(アクチベータS(シミズ社製)100g/L、40℃、10A/dm2、30秒)
4. 水洗
5. 酸中和(硝酸200mL/L)
6. 水洗
7. 純水洗
[1] Pretreatment of Metal Substrate Prior to performing electrodeposition coating, each electrode was subjected to the following pretreatments in which 1 to 7 were sequentially performed.
1. Cathodic electrolysis with an electrolytic cleaner (Activator S (Shimizu) 100 g/L, 40° C., 10 A/dm2, 30 seconds)
2. Wash with water 3. Anodic electrolysis with electrolytic cleaning agent (Activator S (manufactured by Shimizu) 100 g/L, 40° C., 10 A/dm2, 30 seconds)
4. Washing with water 5. Acid neutralization (nitric acid 200 mL/L)
6. Washing with water 7. Wash with pure water

また、陽極とする金属基材11の試験片には、別途、脱脂処理、酸洗処理などを施してもよい。
脱脂処理は、たとえば、金属基材11の表面にアルカリ水溶液を供給することにより行われる。アルカリ水溶液の供給は、たとえば、金属基材11にアルカリ水溶液を噴霧するかまたは金属基材11をアルカリ水溶液に浸漬させることにより行われる。アルカリとしては金属の脱脂に常用されるものを使用でき、たとえば、リン酸ナトリウム、リン酸カリウムなどのアルカリ金属のリン酸塩などが挙げられる。アルカリ水溶液中のアルカリ濃度は、たとえば、処理する金属の種類、金属基材11の汚れの度合いなどに応じて適宜決定される。さらにアルカリ水溶液には、陰イオン性界面活性剤、非イオン性界面活性剤などの界面活性剤の適量が含まれていてもよい。脱脂は、20〜50℃程度の温度下(アルカリ水溶液の液温)に行われ、1〜5分程度で終了する。
Further, the test piece of the metal base material 11 serving as the anode may be separately subjected to degreasing treatment, pickling treatment and the like.
The degreasing treatment is performed, for example, by supplying an alkaline aqueous solution to the surface of the metal base material 11. The alkaline aqueous solution is supplied, for example, by spraying the alkaline aqueous solution on the metal substrate 11 or by immersing the metallic substrate 11 in the alkaline aqueous solution. As the alkali, those commonly used for degreasing metals can be used, and examples thereof include alkali metal phosphates such as sodium phosphate and potassium phosphate. The alkali concentration in the alkaline aqueous solution is appropriately determined depending on, for example, the type of metal to be treated and the degree of contamination of the metal base material 11. Further, the alkaline aqueous solution may contain an appropriate amount of a surfactant such as an anionic surfactant or a nonionic surfactant. Degreasing is performed at a temperature of about 20 to 50° C. (liquid temperature of the alkaline aqueous solution), and is completed in about 1 to 5 minutes.

脱脂後、金属基材11を水洗され、次の酸洗処理に供される。その他、酸性浴に浸漬する脱脂、気泡性浸漬脱脂、電解脱脂などを適宜組み合わせて実施することもできる。酸洗処理は、たとえば、金属基材11の表面に酸水溶液を供給することにより行われる。酸水溶液の供給は、脱脂処理におけるアルカリ水溶液の供給と同様に、金属基材11への酸水溶液の噴霧、金属基材11の酸水溶液への浸漬などにより行われる。酸としては金属の酸洗に常用されるものを使用でき、たとえば、硫酸、硝酸、リン酸などが挙げられる。酸水溶液中の酸濃度は、たとえば、金属基材11の種類などに応じて適宜決定される。酸洗処理は、20〜30℃程度の温度下(酸水溶液の液温)に行われ、15〜60秒程度で終了する。 After degreasing, the metal substrate 11 is washed with water and subjected to the next pickling treatment. In addition, degreasing by dipping in an acidic bath, aerated dipping degreasing, electrolytic degreasing and the like can be appropriately combined and carried out. The pickling treatment is performed, for example, by supplying an aqueous acid solution to the surface of the metal substrate 11. The supply of the acid aqueous solution is performed by spraying the acid aqueous solution onto the metal base material 11 or immersing the metal base material 11 in the acid aqueous solution, as in the case of supplying the alkali aqueous solution in the degreasing treatment. As the acid, those commonly used for pickling metals can be used, and examples thereof include sulfuric acid, nitric acid and phosphoric acid. The acid concentration in the acid aqueous solution is appropriately determined depending on, for example, the type of the metal substrate 11. The pickling treatment is performed at a temperature of about 20 to 30° C. (liquid temperature of the aqueous acid solution) and is completed in about 15 to 60 seconds.

金属基材11にはこのほかに、スケール除去処理、防錆処理などを施してもよい。これらの処理の後、金属基材11を70〜120℃程度の温度下に乾燥させて次の行程に供する。 In addition to this, the metal substrate 11 may be subjected to scale removal treatment, rust prevention treatment, and the like. After these treatments, the metal base material 11 is dried at a temperature of about 70 to 120° C. and subjected to the next step.

〔3〕成膜工程(3−1)アニオン型樹脂の合成
1,4ジオキサン50部を、還流冷却器と温度計と撹拌機と滴下ロートとを付けた4つ口フラスコ中で約82℃に加熱し、撹拌しながら滴下ロートから下記表1に示す混合物と1,4ジオキサン50部を3時間かけて連続滴下する。
滴下完了後同温度でさらに3時間反応を続行して、アニオン性をもつアクリル樹脂バインダ(固形分50%)を合成する。得られたアニオン型樹脂のTgは、−27℃(計算上の推定値)、分子量MW12万〜15万であった。
[3] Film-forming step (3-1) Synthesis of anion type resin 50 parts of 1,4 dioxane were heated to about 82° C. in a four-necked flask equipped with a reflux condenser, a thermometer, a stirrer and a dropping funnel. While heating and stirring, the mixture shown in Table 1 below and 50 parts of 1,4 dioxane were continuously added dropwise over 3 hours from a dropping funnel.
After the dropping is completed, the reaction is continued at the same temperature for 3 hours to synthesize an anionic acrylic resin binder (solid content 50%). The Tg of the obtained anion-type resin was −27° C. (estimated value by calculation), and the molecular weight was MW 120,000 to 150,000.

アニオン型樹脂の化学的性状については、Tg:−50℃〜+25℃および分子量(MW質量平均分子量):5万〜20万の範囲内が好適である。一般にアニオン型樹脂のTgは+20℃前後、MWは3万〜7万程度である。なお、多量の無機微粒子を電気泳動共析させて、電解ガスを局所発生させて共析率を向上するためには、低Tgで高分子量のアニオン型樹脂とすることが好ましい。Tgが−50℃以下の場合、析出塗膜の粘性が強すぎ焼付硬化後に流動が大きく、+25℃以上になると流動性が低下しCo2MnO4微粒子共析時に発生したガス跡を消すことができずピンホール状となる。MWが5万以下ではCo2MnO4微粒子の分散性が低下する。また20万以上になると流動性が低下し塗膜中のCo2MnO4微粒子の均一な分散が悪くなり、見た目も不均一な外観となる。 Regarding the chemical properties of the anionic resin, Tg: −50° C. to +25° C. and molecular weight (MW mass average molecular weight): preferably in the range of 50,000 to 200,000. Generally, Tg of an anion type resin is around +20° C. and MW is about 30,000 to 70,000. In order to electrophoretically deposit a large amount of inorganic fine particles and locally generate an electrolytic gas to improve the eutectoid rate, it is preferable to use a high Tg high molecular weight anionic resin. When Tg is -50°C or less, the viscosity of the deposited film is too strong and the fluidity is large after bake hardening, and when it is +25°C or more, the fluidity decreases and the gas traces generated during the co-deposition of Co 2 MnO 4 fine particles may be erased. It cannot be formed and becomes a pinhole. When the MW is 50,000 or less, the dispersibility of Co 2 MnO 4 fine particles decreases. On the other hand, when it is 200,000 or more, the fluidity is lowered, the uniform dispersion of Co 2 MnO 4 fine particles in the coating film is deteriorated, and the appearance becomes nonuniform.

また後述のシラン系カップリング剤を用いて、アニオン型樹脂と金属酸化物微粒子とをカップリング反応させると、Co2MnO4微粒子に代表される金属酸化物微粒子の析出効率を飛躍的に向上させることができる。 Further, when the anion-type resin and the metal oxide fine particles are subjected to a coupling reaction using a silane coupling agent described below, the deposition efficiency of the metal oxide fine particles typified by Co 2 MnO 4 fine particles is dramatically improved. be able to.

(3−2)混合液の作成
シラン系カップリング剤として、イソシアネート官能性シラン(OCN-36-Si(OC253)を用い、この溶剤nMP(nメチルピロリドン)3質量部と(1)で作成したアニオン型樹脂120質量部と溶剤nMP(nメチルピロリドン)60部を混ぜた後、スズ系触媒(DBTDL0.2部)を添加し60℃で1時間反応させることにより、シラン系カップリング剤のイソシアネート基とアニオン型樹脂のOH基が反応し、シラン系カップリング剤がアニオン型樹脂に付加する。(表2第一成分)
(3-2) as a mixture of creating a silane coupling agent, isocyanate-functional silane (OCN - C 3 H 6- Si (OC 2 H 5) 3) used, the solvent nMP (n-methylpyrrolidone) 3 Weight Parts and 120 parts by mass of the anion-type resin prepared in (1) and 60 parts of solvent nMP (n-methylpyrrolidone) were mixed, and then a tin-based catalyst (DBTDL 0.2 part) was added and reacted at 60° C. for 1 hour. The isocyanate group of the silane coupling agent reacts with the OH group of the anion type resin to add the silane coupling agent to the anion type resin. (Table 2 first component)

Co2MnO4微粒子(平均粒径0.5μm)100質量部と溶剤nMP(nメチルピロリドン)200部と3ミリ径のジルコニアビーズ750質量部を混合し、撹拌機で湿式分散を行いスラリー状のCo2MnO4微粒子を得る。(表3第二成分) 100 parts by mass of Co 2 MnO 4 fine particles (average particle size 0.5 μm), 200 parts by mass of solvent nMP (n-methylpyrrolidone) and 750 parts by mass of zirconia beads having a diameter of 3 mm were mixed and wet-dispersed with a stirrer to form a slurry. Co 2 MnO 4 fine particles are obtained. (Table 3 second component)

第二成分の中に第一成分を添加し均一混合する。
さらに、トリエチルアミン1.4質量部と溶剤nMP(nメチルピロリドン)10質量部と消泡剤(サーフィノール104)10質量部を添加し攪拌する。
均一混合した後、イオン交換水500質量部を少しずつ加えて、Co2MnO4微粒子とアニオン型樹脂との混合液を作成する。24時間攪拌し、シラン系カップリング剤の加水分解反応を促したのち、イオン交換処理で不純物を除去し、pH9.0±0.2浴電導度200±50μS/cmの混合液が得られる。得られた分散液は、Co2MnO4微粒子:樹脂=1:1(質量比)の混合液として用いられる。
The first component is added to the second component and mixed uniformly.
Further, 1.4 parts by mass of triethylamine, 10 parts by mass of a solvent nMP (n-methylpyrrolidone) and 10 parts by mass of an antifoaming agent (Surfynol 104) are added and stirred.
After uniform mixing, 500 parts by mass of ion-exchanged water is added little by little to prepare a mixed solution of Co 2 MnO 4 fine particles and anion type resin. After stirring for 24 hours to promote the hydrolysis reaction of the silane coupling agent, impurities are removed by ion exchange treatment to obtain a mixed solution having a pH of 9.0±0.2 bath conductivity of 200±50 μS/cm. The obtained dispersion liquid is used as a mixed liquid of Co 2 MnO 4 fine particles:resin=1:1 (mass ratio).

なお、下記の配合物第一成分および第二成分の混合割合を変えることでCo2MnO4微粒子:樹脂=0.5:1(質量比)〜2:1(質量比)の作成ができる。 It should be noted that Co 2 MnO 4 fine particles:resin=0.5:1 (mass ratio) to 2:1 (mass ratio) can be prepared by changing the mixing ratio of the first component and the second component of the following formulation.

(3−3)電着塗装
上記(3−2)で作成したアニオン型分散剤組成物をその中の分散剤粒子が、電着液1リットル当り100gになるように分散させ、25℃の溶液において、直流電圧40Vで30秒間、スターラ撹拌(20rpm)下で電着塗装を行った。
なお、電着塗装は下記のようにして行った。
(3-3) Electrodeposition coating The anionic dispersant composition prepared in the above (3-2) is dispersed so that the dispersant particles therein will be 100 g per liter of the electrodeposition liquid, and the solution at 25° C. In the above, the electrodeposition coating was carried out at a DC voltage of 40 V for 30 seconds under stirring with a stirrer (20 rpm).
The electrodeposition coating was performed as follows.

前処理を行った金属基材11の試験片を、25℃の溶液において、金属基材11をプラス、対極としてSUS304の極板をマイナスの極性とし、直流電圧40Vで30秒間、スターラ撹拌(20rpm)して通電を行うことによって、金属基材11表面に未硬化の電着塗膜が形成される。
なお、電着電圧、電着時間を変更することにより電着塗膜の膜厚をコントロールできる。
The test piece of the pretreated metal base material 11 was placed in a solution at 25° C. with the metal base material 11 as a positive electrode and the electrode plate of SUS304 as a counter electrode with a negative polarity, and a stirrer stirring (20 rpm) at a DC voltage of 40 V for 30 seconds. ) And applying electricity, an uncured electrodeposition coating film is formed on the surface of the metal substrate 11.
The film thickness of the electrodeposition coating film can be controlled by changing the electrodeposition voltage and the electrodeposition time.

電着工程後の金属基材11は、通電槽から取り出され、加熱処理が施される。この未硬化の電着塗膜が形成された金属基材11に加熱処理することによって、金属基材11表面に硬化した電着塗膜が形成されたセル間接続部材1が得られる。 The metal base material 11 after the electrodeposition step is taken out from the energization bath and subjected to heat treatment. By heat-treating the metal base material 11 on which the uncured electrodeposition coating film is formed, the inter-cell connecting member 1 having the cured electrodeposition coating film on the surface of the metal base material 11 is obtained.

電着塗装は、公知の方法に従い、たとえば、混合液を満たした通電槽中に金属基材11を完全にまたは部分的に浸漬して陽極とし、通電することにより実施される。
電着塗装条件も特に制限されず、金属基材11である金属の種類、混合液の種類、通電槽の大きさおよび形状、得られるセル間接続部材1の用途などの各種条件に応じて広い範囲から適宜選択できるが、通常は、浴温度(混合液温度)10〜50℃程度、印加電圧10〜450V程度、電圧印加時間1〜10分程度、混合液の液温10〜45℃とすればよい。
The electrodeposition coating is carried out according to a known method, for example, by immersing the metal substrate 11 completely or partially in an energizing tank filled with a mixed solution to form an anode, and energizing.
The conditions for electrodeposition coating are not particularly limited, and are wide according to various conditions such as the type of metal that is the metal base material 11, the type of mixed solution, the size and shape of the energizing tank, the intended use of the inter-cell connecting member 1. The temperature can be appropriately selected from the range, but usually, the bath temperature (mixed solution temperature) is about 10 to 50° C., the applied voltage is about 10 to 450 V, the voltage application time is about 1 to 10 minutes, and the mixed solution temperature is about 10 to 45° C. Good.

加熱処理は、電着塗膜を乾燥させる予備乾燥と、電着塗膜を硬化させる硬化加熱とを含み、予備乾燥後に硬化加熱が行われる。予備乾燥は、60〜140℃程度の加熱下に行われ、3〜30分程度で終了する。硬化加熱は、150〜220℃程度の加熱下に行われ、10〜60分程度で終了する。このようにして、混合液による電着塗膜が得られる。 The heat treatment includes preliminary drying for drying the electrodeposition coating film and curing heating for curing the electrodeposition coating film, and curing heating is performed after the preliminary drying. The preliminary drying is performed under heating at about 60 to 140° C. and is completed in about 3 to 30 minutes. Curing heating is performed under heating at about 150 to 220° C., and is completed in about 10 to 60 minutes. In this way, an electrodeposition coating film with the mixed liquid is obtained.

〔4〕焼結工程
混合液としてCo2MnO4微粒子(粒子径0.5μm):樹脂=2:1(質量比)のものを用いて形成した電着塗膜を、5%H2/N2ガスを流通させた酸素分圧1.69×10-9atm(1atm=980hPa)以下の低酸素分圧雰囲気下で、電気炉中において500℃〜1050℃程度に保持してアクリル樹脂を分解消失させる。具体的には、950℃で2hr保持してアクリル樹脂を分解消失させるとともに、Co2MnO4粒子の焼結および金属基材11の試験片の表面との反応を起こさせる焼結工程を行う。その結果、金属基材11に対して密着力があり、かつ緻密な保護膜12を形成した(図4(a)参照)。得られた保護膜12を5%H2/N2ガスを流通する条件下で、室温まで冷却して取り出したところ、割れ、剥がれ等の不具合がない良好な外観であった。
[4] Sintering Step An electrodeposition coating film formed by using Co 2 MnO 4 fine particles (particle diameter 0.5 μm):resin=2:1 (mass ratio) as a mixed liquid was added with 5% H 2 /N. 2 Under the low oxygen partial pressure atmosphere of oxygen partial pressure of 1.69×10 −9 atm (1 atm=980 hPa) or less, the acrylic resin is decomposed by keeping at about 500° C. to 1050° C. in an electric furnace. Make it disappear. Specifically, the acrylic resin is held at 950° C. for 2 hours to decompose and disappear the acrylic resin, and the sintering step of sintering the Co 2 MnO 4 particles and reacting with the surface of the test piece of the metal substrate 11 is performed. As a result, a dense protective film 12 having an adhesive force to the metal base material 11 was formed (see FIG. 4A). When the protective film 12 thus obtained was cooled to room temperature and taken out under the condition of flowing 5% H 2 /N 2 gas, it had a good appearance with no defects such as cracking or peeling.

保護膜12を形成した金属基材11の裏面の酸化状態を評価するため、テスターで電気抵抗を測定した。その結果、1Ω以下(0.21〜0.23Ω)と低抵抗であることを確認するとともに、大部分は金属光沢が残っていることを確認した。 In order to evaluate the oxidation state of the back surface of the metal base material 11 on which the protective film 12 was formed, the electrical resistance was measured with a tester. As a result, it was confirmed that the resistance was 1 Ω or less (0.21 to 0.23 Ω), which was low, and that most of the metal gloss remained.

なお、金属基材11上に形成した保護膜12のSEM写真を、図5に示す。
図より、保護膜12のうち、金属基材11に近い表面部分にコバルト成分が高濃度に含有され、金属基材11から離間した表面側にマンガン成分が高濃度に含有されていることがわかる。また、保護膜12の金属基材11から離間した表面側にコバルト補充層41として供給されたコバルトは、マンガン成分と反応してCo−Mn系スピネル構造を再生するのに寄与しているものと考えられる。
A SEM photograph of the protective film 12 formed on the metal substrate 11 is shown in FIG.
From the figure, it can be seen that in the protective film 12, the cobalt component is contained in a high concentration on the surface portion close to the metal base material 11, and the manganese component is contained in a high concentration on the surface side separated from the metal base material 11. .. Further, the cobalt supplied as the cobalt replenishment layer 41 to the surface side of the protective film 12 separated from the metal base material 11 reacts with the manganese component and contributes to regenerate the Co—Mn-based spinel structure. Conceivable.

得られた保護膜12の断面は、緻密な保護膜12が形成されていることが分かった。この保護膜12を観察すると、保護膜12のうち、金属基材11に近い表面部分にコバルト成分が高濃度に含有され、金属基材11から離間した表面側にMnOが高濃度に含有されているものと考えられた。また、保護膜12の金属基材11近傍組織のXRDを測定したところ図6の様になっており、保護膜12の先の焼結に用いた還元雰囲気では、保護膜12が一旦還元作用を受けて、酸化コバルト(Co34やCoO)が金属コバルトに、Mn34がMnOに還元された状態で焼結したものと考えられる。 It was found that a dense protective film 12 was formed in the cross section of the obtained protective film 12. When this protective film 12 is observed, a cobalt component is contained in a high concentration in the surface portion of the protective film 12 close to the metal base material 11, and MnO is contained in a high concentration on the surface side separated from the metal base material 11. Was considered to be present. Further, when the XRD of the structure of the protective film 12 in the vicinity of the metal substrate 11 is measured, the result is as shown in FIG. 6, and in the reducing atmosphere used for the previous sintering of the protective film 12, the protective film 12 once exhibits a reducing action. Therefore, it is considered that cobalt oxide (Co 3 O 4 or CoO) was sintered in the state of being reduced to metallic cobalt and Mn 3 O 4 was reduced to MnO.

〔接合工程〕
保護膜12に対して接合材42aからなる接合層42を設けて隣接する単セル3に設けられた空気極31との間を接合する接合工程を行う。
接合工程は、前記保護膜12の表面に、金属コバルトを含有してなるコバルト補充層41を設けるコバルト補充層形成工程と、前記コバルト補充層41を形成してなる前記保護膜12と他セルとして隣接する単セル3の空気極31との間に前記接合層42を形成する接合層形成工程とを順に行う。
[Joining process]
A bonding step is performed in which the bonding layer 42 made of the bonding material 42a is provided on the protective film 12 and the bonding layer 42 is bonded to the air electrode 31 provided in the adjacent single cell 3.
The bonding step includes a cobalt supplement layer forming step of providing a cobalt supplement layer 41 containing metallic cobalt on the surface of the protective layer 12, and the protective layer 12 formed of the cobalt supplement layer 41 and another cell. The bonding layer forming step of forming the bonding layer 42 between the air electrodes 31 of the adjacent single cells 3 is sequentially performed.

<コバルト補充層>
コバルト補充層41は、定法に従い、金属コバルト粒子41aを主成分として、グリセリン等の溶剤41bに分散させてペースト状にした金属コバルトペーストを、低酸素分圧で焼成した保護膜12の表面に塗布したのち、溶剤41bを揮発除去して塗膜状に形成する(図4(b)参照)。
<Cobalt supplement layer>
The cobalt replenishment layer 41 is formed by applying a metallic cobalt paste, which is composed of metallic cobalt particles 41a as a main component and is dispersed in a solvent 41b such as glycerin to form a paste, on the surface of the protective film 12 fired at a low oxygen partial pressure according to a conventional method. After that, the solvent 41b is volatilized and removed to form a coating film (see FIG. 4B).

〔コバルト補充層形成工程〕
具体的には、コバルトペーストとして、金属コバルト粒子41aを出発原料とし、グリセリンを溶剤41bとして重量比1:1で混合したものをコバルトペーストとして用いた。金属基材11の表面に均一な厚み0.5mmのコバルトペーストを塗布し、室温で乾燥しコバルト補充層41を形成することができた。
[Cobalt supplement layer forming step]
Specifically, as the cobalt paste, a mixture of metal cobalt particles 41a as a starting material and glycerin as a solvent 41b at a weight ratio of 1:1 was used as the cobalt paste. A cobalt paste having a uniform thickness of 0.5 mm was applied on the surface of the metal base material 11 and dried at room temperature to form the cobalt replenishment layer 41.

なお、コバルト補充層形成工程はペーストの塗布に代えて、スプレー、スパッタリング、CVD法、AD法、溶射、PLD法、ディップコートや電着塗装としてもよいし、メッキによっても作成することができる。また、金属コバルトペーストやディップコートによるディップ液などには、他の成分を含有してもよく、たとえば、コバルト以外に保護膜材料と同一あるいは類似の成分を含有してなり、保護膜材料層12aよりも金属コバルトの含有率の高い無機材料を主成分とする組成とすることもできる。 The cobalt replenishment layer forming step may be performed by spraying, sputtering, CVD method, AD method, thermal spraying, PLD method, dip coating, electrodeposition coating, or plating instead of applying paste. Further, the metallic cobalt paste or the dip coating by dip coating may contain other components, for example, the same or similar components as the protective film material other than cobalt, and the protective film material layer 12a. A composition containing an inorganic material having a higher content rate of metallic cobalt than the main component can also be used.

<接合層>
得られたコバルト補充層41の表面側に、接合材42aを主成分として、グリセリン等の溶剤42bに分散させてペースト状にした接合材ペーストをからなる接合層42を設ける。(図4(c)参照)接合材42aとしては、空気極31と類似のペロブスカイト型酸化物やスピネル型酸化物を利用することができる。具体的に接合層42を構成する接合材42aとしては、La,Sr,Pr,Sm,Fe,Co,Mn,およびNiから選ばれる金属を含むペロブスカイト型酸化物を主材とする、空気極31と近似する組成の導電性セラミックス材料が好適に用いられる。
<Joining layer>
On the surface side of the obtained cobalt replenishment layer 41, a bonding layer 42 made of a bonding material paste, which is mainly composed of the bonding material 42a and is dispersed in a solvent 42b such as glycerin to form a paste, is provided. (See FIG. 4C) As the bonding material 42a, a perovskite type oxide or a spinel type oxide similar to the air electrode 31 can be used. Specifically, as the bonding material 42a forming the bonding layer 42, the air electrode 31 mainly composed of a perovskite type oxide containing a metal selected from La, Sr, Pr, Sm, Fe, Co, Mn, and Ni. A conductive ceramic material having a composition similar to that is preferably used.

〔接合層形成工程〕
コバルト補充層41を室温乾燥後、コバルト補充層41の表面に接合材ペーストを塗布し、接合層42を形成した。前記接合層42がペースト状に維持された状態で前記接合層42に、他セルとしての隣接する単セル3の空気極31が接合される形態で、複数の単セル3が接続された状態とされる。
[Joining layer forming step]
After the cobalt replenishment layer 41 was dried at room temperature, the bonding material paste was applied to the surface of the cobalt replenishment layer 41 to form the bonding layer 42. A state in which a plurality of single cells 3 are connected in a form in which the air electrode 31 of an adjacent single cell 3 as another cell is bonded to the bonding layer 42 in a state where the bonding layer 42 is maintained in a paste state. To be done.

〔スタッキング工程〕
この複数の単セル3は、全体として焼結されて、セルスタック(SOFCセル3)とされる。セルCの焼結は、を1000℃〜1150℃で2時間の条件で行われ、これにより接合層42が焼結されるとともに、複数の単セル3が一体に接合される(図4(d)参照)。
[Stacking process]
The plurality of single cells 3 are sintered as a whole to form a cell stack (SOFC cell 3). The cell C is sintered at 1000° C. to 1150° C. for 2 hours, whereby the bonding layer 42 is sintered and the plurality of unit cells 3 are integrally bonded (FIG. 4(d). )reference).

一般的に、SOFCのスタッキング工程においては、コーティングを焼結させたセル間接続部材1と単セル3を交互に積層させ、その間に導電性の接合層42を挟み込み、また、必要な部分にガスシール材(ガラス等)を塗布したのちに熱処理を行い、接合層42と単セル3/セル間接続部材1の密着強度を高めたりシール材を焼結させてガスリークを担保したりする。
この工程はスタックの構造、設計思想により異なるが、500℃以上、1050℃以下で行われることが一般的である(1050℃を超えると合金のセル間接続部材1の劣化が起きてしまう)。そこで、得られたセル間接続部材1を大気中800℃の環境下に置き、保護膜12の抵抗変化を測定したところ、図7のようになった。比較として上記実施形態におけるセル間接続部材1(実施例)にかえ、保護膜12の表面側にコバルト補充層41を設けずに、焼結後の厚さが同程度の保護膜12に形成したもの(比較例)についても同様に保護膜12の抵抗変化を測定した。
Generally, in the stacking process of SOFC, the inter-cell connecting member 1 and the single cell 3 whose coating is sintered are alternately laminated, the conductive bonding layer 42 is sandwiched between them, and the gas is added to a necessary portion. After applying a sealing material (such as glass), heat treatment is performed to increase the adhesion strength between the bonding layer 42 and the unit cell 3/inter-cell connecting member 1 or to sinter the sealing material to ensure gas leakage.
Although this step depends on the structure and design concept of the stack, it is generally performed at 500° C. or higher and 1050° C. or lower (when it exceeds 1050° C., the inter-cell connecting member 1 of the alloy deteriorates). Therefore, when the obtained inter-cell connecting member 1 was placed in the environment of 800° C. in the atmosphere and the resistance change of the protective film 12 was measured, the result was as shown in FIG. 7. As a comparison, instead of the inter-cell connection member 1 (Example) in the above-described embodiment, the cobalt replenishment layer 41 was not provided on the surface side of the protective film 12, and the protective film 12 having the same thickness after sintering was formed. The resistance change of the protective film 12 was similarly measured for the product (comparative example).

図7より、比較例の保護膜12が、初期において高い抵抗値を示し、経時的にも大きく変化しない。これに対し、実施例の保護膜12は、初期において金属コバルトに起因する低い抵抗値を示し、使用環境において次第に抵抗値が上昇するものの150mΩcm2程度の抵抗値で安定化する。比較例の保護膜12において生成したMnOの高抵抗な成分が、焼結時のCo成分の拡散によりスピネル構造に再構成されずにそのまま残存するために、保護膜12全体として高抵抗となっている。これに対して、実施例においては、金属コバルトが消費されつつMnOがCo−Mn系スピネル酸化物構造に変換されたことにより初期的には抵抗値が上昇するものの、低い抵抗値で安定したものと説明することができる。 From FIG. 7, the protective film 12 of the comparative example shows a high resistance value at the initial stage and does not change significantly with time. On the other hand, the protective film 12 of the example shows a low resistance value due to metallic cobalt in the initial stage, and although the resistance value gradually increases in the use environment, it is stabilized at a resistance value of about 150 mΩcm 2 . The high-resistance component of MnO generated in the protective film 12 of the comparative example remains as it is without being reconfigured into the spinel structure due to the diffusion of the Co component during sintering, so that the entire protective film 12 has a high resistance. There is. On the other hand, in the examples, although the resistance value is initially increased by converting MnO to the Co—Mn-based spinel oxide structure while consuming metallic cobalt, the resistance value is stable at a low resistance value. Can be explained.

すなわち、低酸素分圧雰囲気下において焼結させた保護膜12と接合層42との間に、金属コバルトを含有してなるコバルト補充層41を設けることにより、燃料電池用部材の使用環境において、焼結により初期に保護膜12中に生成するMnOをCo−Mn系スピネル酸化物構造に変換して、緻密かつ低抵抗で安定なCr成分の飛散を抑制可能な保護膜12として使用できることが明らかになった。 That is, by providing the cobalt replenishment layer 41 containing metallic cobalt between the protective film 12 and the bonding layer 42, which are sintered under a low oxygen partial pressure atmosphere, in the use environment of the fuel cell member, It is clear that MnO which is initially formed in the protective film 12 by sintering is converted into a Co—Mn-based spinel oxide structure and can be used as the protective film 12 which is dense and has low resistance and can suppress stable scattering of Cr components. Became.

〔別実施例〕
上記実施形態において、無機酸化物粒子としてCo2MnO4を用いたが、Co15Mn154を用いても同様に燃料電池用部材の使用環境において、焼結により初期に保護膜12中に生成するMnOをCo−Mn系スピネル酸化物構造に変換することができることが実験的に明らかになっており、Co−Mn系スピネル酸化物を主成分とする金属酸化物であれば、同様に緻密かつ低抵抗で安定な保護膜12としてCr成分の飛散を抑制できる緻密な保護膜12として使用できるものと考えられる。このようなCo−Mn系スピネル酸化物としては、Zn(Co,Mn)O4、Co1.5Mn1.54、CoMn24、MnCo24などを主成分として含有するものが好適に用いられる。
[Another embodiment]
In the above described embodiment, the Co 2 MnO 4 as the inorganic oxide particles, Co 1. 5 Mn 1 . It has been experimentally shown that even if 5 O 4 is used, MnO initially formed in the protective film 12 by sintering can be converted into a Co—Mn-based spinel oxide structure in the use environment of the fuel cell member. It has been clarified that if the metal oxide contains Co—Mn-based spinel oxide as the main component, the dense protective film 12 can similarly suppress the scattering of the Cr component as the protective film 12 that is dense and has low resistance and is stable. It is thought that it can be used as. Such CoMn spinel oxides, using Zn (Co, Mn) O 4 , Co 1.5 Mn 1.5 O 4, CoMn 2 O 4, MnCo 2 O , etc. suitably those containing as a main component 4 To be

上記実施形態において、コバルト補充層41は、金属基材11に金属コバルトを含有するペースト材料を塗布することにより形成したが、金属コバルトを分散させた金属コバルト分散液を用いたディップコートや電着塗装によってもコバルト補充層41を形成することができる。たとえば、ディップコートに用いるディップ液として、金属コバルト粉末とメトキシプロパノール、ヒドロキシプロピルセルロースをそれぞれ重量比5:10:1の割合で混合したものとし、保護膜12の上に1回もしくは2回ディップコートし、室温乾燥したものをコバルト補充層41とすることができる。
なお、下記組成の金属コバルト分散液を用いて保護膜12にディップコートによりコバルト補充層41を形成し、焼結した保護膜12を作成した場合、保護膜12の金属基材11近傍における初期の抵抗値が約90mΩcm2程度となり、ペーストを塗布した上記実施例(125.6mΩcm2)に優る低い抵抗値を示すことが明らかとなっている。
In the above embodiment, the cobalt replenishment layer 41 was formed by applying a paste material containing metallic cobalt to the metal base material 11. However, dip coating or electrodeposition using a metallic cobalt dispersion liquid in which metallic cobalt is dispersed. The cobalt supplement layer 41 can also be formed by painting. For example, as a dip solution used for dip coating, metal cobalt powder, methoxypropanol, and hydroxypropyl cellulose are mixed at a weight ratio of 5:10:1, and the dip coating is performed once or twice on the protective film 12. The cobalt replenishment layer 41 may be dried at room temperature.
In addition, when the cobalt replenishment layer 41 is formed on the protective film 12 by dip coating using the metallic cobalt dispersion liquid having the following composition and the sintered protective film 12 is formed, when the protective film 12 is initially formed in the vicinity of the metal substrate 11, The resistance value is about 90 mΩcm 2, and it is clear that the resistance value is lower than that of the above-mentioned example (125.6 mΩcm 2 ) coated with the paste.

また、保護膜12層にコバルトメッキを行ったり、スプレー、スパッタリング、CVD法、AD法、溶射、PLD法、ディップコートや電着塗装により金属コバルトを主成分とするコバルト補充層41を作成することもできる。 Further, the protective film 12 layer may be plated with cobalt, or the cobalt replenishment layer 41 containing metallic cobalt as a main component may be formed by spraying, sputtering, CVD method, AD method, thermal spraying, PLD method, dip coating or electrodeposition coating. Can also

〔長期の抵抗変化の測定〕
図9は、図7に示した実施例および比較例の抵抗変化の測定を、4000時間を越えて行った結果を示すグラフである。図9には、図7の測定に用いたセル間接続部材1と同一サンプルの結果を「実施例第1サンプル」「比較例サンプル」として示し、上述の別実施例のサンプルについての結果を「実施例第2サンプル」として併せて示している。
[Measurement of long-term resistance change]
FIG. 9 is a graph showing the results of measuring the resistance change of the example and the comparative example shown in FIG. 7 over 4000 hours. In FIG. 9, the results of the same sample as the inter-cell connecting member 1 used in the measurement of FIG. 7 are shown as “Example 1st sample” and “Comparative example sample”, and the results of the samples of other examples described above are “ The second sample of the example" is also shown.

比較例サンプルおよび実施例第1サンプルにおいて、1300時間付近と2700時間付近で抵抗値が突発的に増加しているが、これは抵抗変化の測定を中断して抵抗値を測定するプローブを着脱したことによる。比較例サンプルは、1000時間までは徐々に抵抗値が低下したが、1000時間経過後は抵抗値の変化は収束し、4000時間経過後は160mΩcm2程度の抵抗値で推移している。実施例第1サンプルは、1000時間経過後から抵抗値が減少傾向となり、3800時間付近で120mΩcm2程度の抵抗値となった。実施例第2サンプルは、500時間程度までは実施例第1サンプルと同様に抵抗値が増加したが、以降は一貫して減少傾向にあり、4000時間経過後は100mΩcm2程度の抵抗値で推移している。以上の結果から、比較例サンプルに比べて実施例第1サンプルおよび実施例第2サンプルは、抵抗値がより小さく、長期に渡ってSOFCの使用環境下に置かれても抵抗値が増加せず、安定して使用できることが確認された。 In the sample of the comparative example and the first sample of the example, the resistance value suddenly increased near 1300 hours and 2700 hours. This is because the measurement of the resistance change was interrupted and the probe for measuring the resistance value was attached and detached. It depends. The resistance value of the comparative sample gradually decreased until 1000 hours, but after 1000 hours, the change in resistance value converged, and after 4000 hours, the resistance value remained at about 160 mΩcm 2 . The resistance value of the first sample of the embodiment tended to decrease after 1000 hours, and the resistance value was about 120 mΩcm 2 at around 3800 hours. The resistance value of the second sample of the example increased like that of the first sample of the example until about 500 hours, but after that, the resistance value consistently decreased, and after the lapse of 4000 hours, the resistance value changed to about 100 mΩcm 2. doing. From the above results, the resistance value of the first sample and the second sample of the embodiment is smaller than that of the comparative sample, and the resistance value does not increase even when placed in a SOFC use environment for a long period of time. It was confirmed that it can be used stably.

〔保護膜の断面のSEM観察〕
上述した長期の抵抗変化の測定を行った後、実施例第2サンプルと比較例サンプルを切断し、断面をSEM(電子顕微鏡)で観察した。実施例第2サンプルの結果を図10に、比較例サンプルの結果を図11に示す。図10に示す実施例第2サンプルでは、基材11と保護膜12との間にクラック等は見られず、セル間接続部材1を長期に渡って使用しても基材11と保護膜12との間の接合が強固に保たれることが示された。なおコバルト補充層41と接合層42との間の境界は、判別不可能な状態となっており、コバルト補充層41と接合層42との間で元素拡散が生じていることが伺われる。図11の比較例サンプルと図10の実施例第2サンプルとの間で酸化被膜13について比較すると、比較例サンプルに比べて実施例第2サンプルの方が酸化被膜13が薄い。酸化被膜13が薄い理由はコバルト補充層41から保護膜12側にコバルトが元素拡散しており、保護膜12をより緻密な膜として形成させたことから、酸化被膜13の成長を抑制しているためと考えられる。酸化被膜13が薄いことにより電気抵抗は小さくなるから、実施例第2サンプルの方がセル間接続部材1として好適であるといえる。
[SEM observation of cross section of protective film]
After measuring the long-term resistance change described above, the second sample of the example and the sample of the comparative example were cut, and the cross section was observed with an SEM (electron microscope). The result of the second example sample is shown in FIG. 10, and the result of the comparative example sample is shown in FIG. In the second sample of the example shown in FIG. 10, cracks and the like were not seen between the base material 11 and the protective film 12, and even if the inter-cell connecting member 1 was used for a long period of time, the base material 11 and the protective film 12 were not used. It was shown that the bond between and was kept strong. The boundary between the cobalt replenishing layer 41 and the bonding layer 42 is in an indistinguishable state, and it can be seen that element diffusion has occurred between the cobalt replenishing layer 41 and the bonding layer 42. When comparing the oxide film 13 between the comparative example sample of FIG. 11 and the example second sample of FIG. 10, the oxide film 13 of the example second sample is thinner than that of the comparative example sample. The reason why the oxide film 13 is thin is that cobalt is elementally diffused from the cobalt replenishment layer 41 to the protective film 12 side, and the protective film 12 is formed as a denser film, thus suppressing the growth of the oxide film 13. It is thought to be because. It can be said that the second sample of the example is more suitable as the inter-cell connecting member 1 because the electric resistance is reduced due to the thin oxide film 13.

1 :セル間接続部材
2 :溝
2a :空気流路
2b :燃料流路
3 :単セル
11 :金属基材
12 :保護膜
30 :電解質膜
31 :空気極
32 :燃料極
C :セル
1: Cell connecting member 2: Groove 2a: Air flow path 2b: Fuel flow path 3: Single cell 11: Metal substrate 12: Protective film 30: Electrolyte film 31: Air electrode 32: Fuel electrode C: Cell

Claims (6)

属基材の表面の一部分にCoおよびMn成分を含有する無機酸化物粒子を主材とする保護膜材料層を湿式成膜する成膜工程、
前記保護膜材料層および前記金属基材を焼結して前記金属基材に保護膜を形成する焼結工程、
前記保護膜に対して接合材からなる接合層を設けて固体酸化物形燃料電池の単セルを接合する接合工程、
前記保護膜が形成された前記金属基材と前記接合層と前記単セルとをともに焼結して接合するスタッキング工程、を順に行うセルスタックの製造方法であって、
前記焼結工程は、不活性ガス雰囲気下又は還元雰囲気下において前記保護膜材料層および前記金属基材を焼結して前記金属基材に前記保護膜を形成する工程であり、
前記接合工程は、前記保護膜と前記接合層との間に、金属コバルトを含有してなるコバルト補充層を設けた状態で、前記保護膜に対して前記接合層にて前記単セルを接合する工程であるセルスタックの製造方法。
Deposition step of wet a protective film material layer to the inorganic oxide particles containing Co and Mn components in a portion of the surface of the gold Shokumotozai main material,
A sintering step of sintering the protective film material layer and the metal base material to form a protective film on the metal base material;
A bonding step of bonding a single layer of a solid oxide fuel cell by providing a bonding layer made of a bonding material to the protective film,
A stacking step of sequentially sintering and bonding the metal base material, the bonding layer, and the single cell on which the protective film is formed, which is a method of manufacturing a cell stack ,
The sintering step is a step of forming the protective film on the metal base material by sintering the protective film material layer and the metal base material under an inert gas atmosphere or a reducing atmosphere ,
In the bonding step, the unit cell is bonded to the protective film with the bonding layer in a state where a cobalt replenishing layer containing metallic cobalt is provided between the protective film and the bonding layer. A method of manufacturing a cell stack , which is a step.
前記接合工程が、前記保護膜の表面に、金属コバルトを含有してなるコバルト補充層を設けるコバルト補充層形成工程と、前記コバルト補充層を形成してなる前記保護膜と前記単セルとの間に前記接合層を形成する接合層形成工程とを含む請求項1に記載のセルスタックの製造方法。 A step of forming a cobalt supplement layer containing a cobalt supplement layer containing metallic cobalt on the surface of the protective layer; and a step of forming the cobalt supplement layer with the protective film and the unit cell. The method for manufacturing a cell stack according to claim 1, further comprising: a bonding layer forming step of forming the bonding layer on the substrate. 前記金属基材が、フェライト系ステンレス鋼製である請求項1または2に記載のセルスタックの製造方法。 The method for manufacturing a cell stack according to claim 1, wherein the metal base material is made of ferritic stainless steel. 前記無機酸化物粒子が、Co−Mn系スピネル酸化物を主成分とする金属酸化物である請求項1〜3のいずれか一項に記載のセルスタックの製造方法。 The method for producing a cell stack according to claim 1, wherein the inorganic oxide particles are a metal oxide containing a Co—Mn spinel oxide as a main component. 前記無機酸化物粒子が、Co1.5Mn1.54およびCo2MnO4から選ばれる少なくとも一種を主成分とするものである請求項4に記載のセルスタックの製造方法。 The method for producing a cell stack according to claim 4, wherein the inorganic oxide particles have at least one selected from Co 1.5 Mn 1.5 O 4 and Co 2 MnO 4 as a main component. 前記焼結工程を、500℃〜1050℃で行う請求項1〜5のいずれか一項に記載のセルスタックの製造方法。 The method for manufacturing a cell stack according to claim 1, wherein the sintering step is performed at 500° C. to 1050° C. 6.
JP2016033567A 2015-03-31 2016-02-24 Cell stack manufacturing method Active JP6735568B2 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2015074145 2015-03-31
JP2015074145 2015-03-31

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2016195101A JP2016195101A (en) 2016-11-17
JP6735568B2 true JP6735568B2 (en) 2020-08-05

Family

ID=57323705

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2016033567A Active JP6735568B2 (en) 2015-03-31 2016-02-24 Cell stack manufacturing method

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP6735568B2 (en)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6821613B2 (en) * 2018-02-08 2021-01-27 森村Sofcテクノロジー株式会社 Conductive members, electrochemical reaction units and electrochemical reaction cell stack
EP3961777A4 (en) * 2019-04-24 2023-09-20 Kyocera Corporation Cell, cell stack device, module, and module housing device
JP7254755B2 (en) * 2020-11-20 2023-04-10 森村Sofcテクノロジー株式会社 Manufacturing method of electrochemical reaction cell stack
CN114318248A (en) * 2021-12-17 2022-04-12 国家能源集团新能源有限责任公司 Preparation method and application of manganese-cobalt spinel coating

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
ATE502409T1 (en) * 2007-01-09 2011-04-15 Univ Denmark Tech Dtu PRODUCTION METHOD FOR A MULTI-LAYER BARRIER LAYER STRUCTURE FOR A SOLID OXIDE FUEL CELL
JP5283896B2 (en) * 2007-12-19 2013-09-04 東京瓦斯株式会社 Method of coating protective film on interconnector for solid oxide fuel cell
US8163434B2 (en) * 2008-08-28 2012-04-24 General Electric Company Barrier coatings for interconnects; related devices, and methods of forming
JP2010113955A (en) * 2008-11-06 2010-05-20 Tokyo Electric Power Co Inc:The Interconnector for solid oxide fuel cell, manufacturing method thereof, and solid oxide fuel cell
JP5044628B2 (en) * 2009-11-09 2012-10-10 日本碍子株式会社 Coating body
KR101220744B1 (en) * 2010-12-28 2013-01-09 주식회사 포스코 Separator of solid oxide fuel cell and method for manufacturing the same
US9452475B2 (en) * 2012-03-01 2016-09-27 Bloom Energy Corporation Coatings for SOFC metallic interconnects
JP6173074B2 (en) * 2013-07-02 2017-08-02 大阪瓦斯株式会社 Method for forming protective film

Also Published As

Publication number Publication date
JP2016195101A (en) 2016-11-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5607903B2 (en) Barrier coating for interconnect, related apparatus and forming method
JP6735568B2 (en) Cell stack manufacturing method
JP5731683B2 (en) Cell connecting member, cell for solid oxide fuel cell, and electrodeposition coating used for production thereof
JP5572146B2 (en) Protective film forming method, cell connecting member, and solid oxide fuel cell
JP2007529855A (en) Conductive steel-ceramic composite and method for producing the same
JP2010113955A (en) Interconnector for solid oxide fuel cell, manufacturing method thereof, and solid oxide fuel cell
JP6742105B2 (en) Method for manufacturing member for fuel cell
JP5451469B2 (en) Manufacturing method of fuel cell interconnector
JP5770659B2 (en) Solid oxide fuel cell and inter-cell connecting member
CN112609141B (en) Protective coating for fuel cell connector and method for preparing same
EP2491608A1 (en) Interconnector for a high-temperature solid oxide fuel cell and electrolyser
JP6289170B2 (en) Inter-cell connecting member joining structure and inter-cell connecting member joining method
CN105332029B (en) A kind of preparation method of conductive anti-corrosion cobalt-manganese spinel coating
JPH1092446A (en) Solid electrolyte type fuel cell
US20120064436A1 (en) Interconnecting plate for solid oxide fuel cell and manufacturing method thereof, and solid oxide fuel cell using the interconnecting plate
JP7080060B2 (en) Cell-to-cell connection member, solid oxide fuel cell cell, solid oxide fuel cell, SOFC monogeneration system, and SOFC cogeneration system
JP6584097B2 (en) Inter-cell connecting member joining method and method for producing solid oxide fuel cell
JP6486107B2 (en) Manufacturing method of fuel cell member
JP5832405B2 (en) Method for forming protective film, method for manufacturing cell connecting member, and method for manufacturing cell for solid oxide fuel cell
JP7357577B2 (en) Inter-cell connection member, solid oxide fuel cell, SOFC monogeneration system, SOFC cogeneration system, and method for manufacturing inter-cell connection member
JP6906310B2 (en) Manufacturing method of solid oxide fuel cell
Seabaugh et al. Oxide Protective Coatings for Solid Oxide Fuel Cell Interconnects
JP2015011958A (en) Protective film formation method
JP6910172B2 (en) Manufacturing method of cell-to-cell connection member
JP6742104B2 (en) Method for producing inter-cell connecting member, and method for producing solid oxide fuel cell cell

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20181205

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20191118

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20191126

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20200121

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20200616

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20200714

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6735568

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150