JP7249943B2 - 固体酸化物セルスタック中のインターコネクタとセルとの間の改善された接触 - Google Patents
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Description
-焼結助剤として作用する元素を含むコーティングでコーティングされた、酸化クロム層で被覆されたフェライト系ステンレス鋼インターコネクタ基板、
-固体酸化物セルの酸素電極または酸素側接触層、
を含み、
ここで、前記元素が酸素電極または酸素側接触層材料に対する焼結助剤として機能する、前記接触点。
-フェライト系ステンレス鋼インターコネクタ基板を提供する、
-焼結助剤として作用する元素を含むコーティングによりインターコネクタ基板の酸素側をコーティングする、
-固体酸化物セルを提供する、
-コーティングされたインターコネクタ基板と固体酸化物セルを空気中で熱処理することによって焼結する、
ステップを含み、
ここで、前記元素が酸素電極または酸素側接触層材料に対する焼結助剤として機能する。
その発明の欠点は、粉末冶金およびプラズマ溶射によるインターコネクタの製造が非常に高価でありそして時間がかかることである。さらに、上記の発明で使用されるインターコネクタは、フェライト系ステンレス鋼ではなく、900℃以上で動作する固体酸化物セル用に設計されたCFY(Cr-Fe-Y)合金である。
図2a、図2bおよび図2cは、本発明による、接触点、接触点の走査型電子顕微鏡(SEM)画像、および接触点にわたる電圧降下をそれぞれ示す。
図3aは、イオン交換被覆による構造体の上への第3の金属層の堆積を示し、これは図3bおよび図3cでさらに説明され、すべて本発明によるものである。
図4bも本発明によるものである、点分析(4b)を伴うEDX(エネルギー分散型X線分析)線走査(4a)を示す図である。
図1aは、従来技術と見なすことができるものであり、コーティングされた金属インターコネクタと固体酸化物セルとによって形成された接触点100の概略図を示す。クロミア形成フェライト系ステンレス鋼インターコネクタ101は、クロミア層102と、Co、MnおよびFeに富むがCrに乏しい酸化物コーティング103とによって被覆される。コーティングされたインターコネクタは、固体酸化物セルの酸素側接触層104と接触している。図1bはそのような接触点の走査型電子顕微鏡像を示す。顕微鏡写真から明らかなように、コーティング103と酸素側接触層104との間の界面を考慮すると、このような接触点の接着強度は比較的低い。このような接触点の電気的特性は、直径10mmの多孔質LSCFディスク、一辺20mmの厚さ0.3mmの被覆されたステンレス鋼インターコネクタのm正方形ピース、および直径10mmの別の多孔質LSCFディスクにより、空気中の高温まで評価した。ロードセルを介して3MPaの圧縮荷重をかけながら、1Aの直流を、構造体を通して加えた。バルクインターコネクタ鋼とバルクLSCFの抵抗は接触点抵抗よりはるかに低いので、構造を通る電圧降下は主に接触点の抵抗によって支配される。図1cによれば、このような接触点を通じる電圧降下は900℃で約5mV、800℃で14.5mV、そして750℃で28mVである。測定後、LSCFディスクをインターコネクタから取り外すことは比較的容易であり、接触点の比較的低い接着強度を示している。
図2aは、本発明によるコーティングされた金属インターコネクタおよび固体酸化物セルによって形成された接触点200の概略図を示す。クロミア形成フェライト系ステンレス鋼インターコネクタ101は、クロミア層102と、Co、Mn、Cu、およびFeに富むがCrに乏しい酸化物コーティング203とによって覆われる。コーティングされたインターコネクタは、固体酸化物セルの酸素側接触層104と接触している。図2bはそのような接触点の走査型電子顕微鏡像を示す。顕微鏡写真から明らかなように、このような接触点の接着強度は実施例1のものよりも著しく高いと予想される。注目すべきは、酸化物コーティング203が酸素側接触層104内に部分的に拡散しており、酸素側接触層104のいくつかの粒子が部分的にまたは完全にコーティングによってカプセル化されていることである。
フェライト系ステンレス鋼インターコネクタ基板101の表面上の金属コーティングは、最初にインターコネクタ基板の酸素側をCoまたはNiのストライク層301でコーティングし、続いてCoからなる追加の層302をストライク層301上に、電着することによって形成される。インターコネクタ基板101とコーティング層301および302とを含む構造の上に、イオン交換被覆によってCuの第3の金属層303を堆積させる(図3a)。Cu層303の厚さは、約100~200nmである。接触点200を形成するために、このようにして形成された被覆インターコネクタ304を800℃を超える温度で固体酸化物セルの酸素側接触点層104と接触させる。このステップは、図3bおよび図3cにおいてAとして説明されている。この温度で、金属コーティング301、302、および303は酸化され、Coストライク層の場合にはCo、Mn、Cu、およびFeに富む酸化物コーティング203を形成し(図3b)、Niストライク層の場合、少量のNiを有するCo、Mn、Cu、Feに富む酸化物コーティング204を形成する(図3c)。また同時に、酸化物コーティング203または204中のCuの一部が固体酸化物セルの酸素側接触層104中に拡散すし、焼結助剤として作用する。これにより、酸化物コーティングが203である場合に、接触点200(図2a)が形成される。図4aおよび4bにおいて、EDX(エネルギー分散型X線分析)線走査は、酸化物コーティング203および酸素側接触層104の界面を横切って点分析が示されており、酸化物コーティング203からのCuの一部が酸素側接触層104内に拡散していることを示している。
Claims (10)
- 固体酸化物セルと固体酸化物スタックのインターコネクタの間の接触点であって、
前記接触点が、
-焼結助剤として作用する元素を含むコーティングでコーティングされた、酸化クロム層で被覆されたフェライト系ステンレス鋼インターコネクタ基板、
-固体酸化物セルの酸素電極または酸素側接触層、
を含み、
ここで、前記元素が酸素電極または酸素側接触層材料に対する焼結助剤として機能し、
焼結助剤として作用する前記元素がCuであり、
インターコネクタコーティングが、前記酸素電極または前記酸素側接触層に部分的に拡散しており、
金属インターコネクタ上の前記コーティングが、Coの酸化物、Mnの酸化物、Cuの酸化物およびFeの酸化物を含む、前記接触点。 - インターコネクタコーティング内の焼結助剤として作用する前記元素の一部が、隣接する酸素電極または前記酸素側接触層に拡散している、請求項1に記載の接触点。
- 前記酸素電極または酸素側接触層材料が、ペロブスカイト、ダブルペロブスカイト、またはラドレスデン-ポッパー相材料を含む、請求項1または2に記載の接触点。
- 界面の接着強度が、電解質と前記固体酸化物セルのバリア層との間の接着強度と同程度の大きさである、請求項1~3のいずれか一項に記載の接触点。
- 750℃の空気中、1.27A/cm2の直流電流密度下、3MPaの圧縮荷重下で測定した場合に、前記接触点間の電圧降下が、25mV未満である、請求項1~4のいずれか一項に記載の接触点。
- 固体酸化物セルスタックの動作温度が500℃~900℃、好ましくは550℃~850℃である、請求項1~5のいずれか一項に記載の接触点。
- インターコネクタ上のコーティングと固体酸化物セル(SOC)の酸素電極または酸素側接触層との間に、請求項1~6のいずれか一つに記載の接触点を形成するための方法であって、
-フェライト系ステンレス鋼インターコネクタ基板を提供する、
-焼結助剤として作用するCuを含むコーティングによりインターコネクタ基板の酸素側をコーティングする、
-固体酸化物セルを提供する、
-コーティングされたインターコネクタ基板と固体酸化物セルを空気中で熱処理することによって焼結する、
ステップを含み、
ここで、前記元素が酸素電極または酸素側接触層材料に対する焼結助剤として機能する前記方法。 - Cuを含むコーティングによりコーティングする前に、インターコネクタ基板の酸素側をCoまたはNiでコーティングすることを含む、請求項7に記載の方法。
- 焼結助剤として作用するCuを含むコーティングの厚さが100~200nmである、請求項7または8に記載の方法。
- 前記熱処理が、800℃を超える温度において空気中で行われる、請求項7~9のいずれか一つに記載の方法。
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