JP7353258B2 - Hte電解槽またはsofc燃料電池のインターコネクタを構成する部品を製造するための改善された方法 - Google Patents

Hte電解槽またはsofc燃料電池のインターコネクタを構成する部品を製造するための改善された方法 Download PDF

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Description

本発明は、固体酸化物燃料電池(SOFC)の分野および水の高温電解の分野(HTE、「高温電解」の略語、またはHTSE、「高温蒸気電解」の略語)、また、固体酸化物(SOEC、「固体酸化物電解セル」の略語)の使用に関する。
本発明は、高温にさらされ、一方でHTE電解反応器において蒸気HO/H(湿った水素または蒸気に富む水素)に富むか、またはSOFCセルにおいてHに富むかいずれかの還元性雰囲気にさらされ、他方でHTE反応器においてOに富むか、またはSOFCセルにおいて空気に富むいずれかの酸化性雰囲気にさらされる相互接続デバイスを構成する金属合金またはセラミックで作られた部品に関し、その機能の1つはHTE電解槽反応器中の電流の通過を確保することである。電気および流体の相互接続デバイスは、インターコネクタまたは相互接続プレートとも呼ばれ、セルのスタック内の各電気化学セル(電解セル)およびHTE反応器を直列に接続し、その結果それぞれの生成物を組み合わせるデバイスである。したがって、インターコネクタは、電流を伝達および収集する機能を確保し、ガスの循環区画(分配および/または収集)の境界を定める。
これらの機能に加えて、インターコネクタは、HTE電解槽のカソード側で、蒸気HO/Hが豊富な雰囲気など、典型的には600~900℃の間の非常に高い温度範囲で、非常に活性(酸化または還元)になる可能性のある雰囲気での腐食に耐えることができなければならない。この腐食はこれらの電解槽の耐久性に悪影響を与える可能性がある。
さらに、インターコネクタは、これらの雰囲気において、カソード室として知られるカソードを備えた区画とアノード室として知られるアノードを備えた区画との間の良好な気密性を維持するために、電気化学セルのそれに近い熱機械的挙動を持たなければならない。
本発明は、とりわけ、チャンネルプレートタイプのインターコネクタとセルとの間のコンタクト層の製造を簡素化し、その製造コストを削減して、それを備えたHTE電解槽またはSOCF燃料電池の製造コストを削減し、また生産中の廃物を減らすことを目的とする。
本発明はまた、インターコネクタとそれが支持する電気化学セルとの間の電気的接触を改善することを目的とする。
SOFC燃料電池またはHTE電解槽は、それぞれが互いに重なった少なくとも3つのアノード/電解質/カソード層からなる固体酸化物電気化学セルを含む個々のユニットのスタックと、バイポーラプレートまたはインターコネクタとも呼ばれる金属合金で作られた相互接続プレートとからなる。インターコネクタの機能は、電流およびガスを各セルに流し(HTE電解槽では蒸気を注入して水素および酸素を抽出し、SOFCセルでは空気および水素を注入して水を抽出する)、アノード室とカソード室とを分離することであり、アノード室およびカソード室は、それぞれセルのアノード側およびカソード側においてガス流区画である。
高温、典型的には600~950℃の間で蒸気のHTE電解を実施するために、HO蒸気がカソード室に注入される。セルに印加された電流の影響下で、蒸気の形で水分子の解離が水素電極(カソード)と電解質との間の界面で起こる。この解離は二水素ガスHおよび酸素イオンを生成する。二水素は収集され、水素区画の出口で排出される。酸素イオンO は電解質を通って移動し、電解質と酸素電極(アノード)との間の界面で二酸素として再結合する。
SOFC燃料電池の機能を確保するために、空気(酸素)がカソード室に注入され、水素がアノード室に注入される。水素HはHイオンに変換され、アノードによって捕捉される電子を放出する。Hイオンはカソードに到達し、そこで空気の酸素から構成されるO イオンと結合して水を形成する。Hイオンおよび電子のカソードへの移動により、水素から連続電流が生成される。
HTE電解槽の機能条件はSOFC燃料電池の機能条件と非常に似ているので、同じ技術的制約、すなわち主に、異なる材料(セラミックと金属合金)のスタックの熱サイクルに関する機械的強度、アノード室とカソード室との間の気密性の維持、金属インターコネクタの経年劣化に対する耐性、およびスタックの様々な界面でのオーム損失の最小化、が見られる。
クロミア形成フェライト系ステンレス鋼は、SOFC高温燃料電池における合金としてすでに成功裏に使用されていることを考えると、HTE電解槽にとって最も有望なインターコネクタ合金の1つである(非特許文献1-3)。これらのインターコネクタ合金の中で、ThyssenKrupp VDM社からFe-22%Crに基づくCrofer 22 APUおよびCrofer 22 Hという商品名の、またはSandvik社からFe-22%Crに基づくSanergyHTという商品名の商品が、または代替的に600~900℃の間の動作温度用のAPERAM社によるK41Xという商品名の製品が、すでに販売されている。
このタイプの合金は、セル材料の熱膨張係数の領域で熱膨張係数を持ち、他の金属材料と比較して比較的優れた耐食性を有し得る。それにもかかわらず、それは、第一に、酸化からそれを保護し、酸化側で電極を空気で汚染し、その機能を著しく低下させる動作条件下でのCrの蒸発を防ぐことを目的とした特定の数のコーティング、および、第二に、インターコネクタとセルとの間の電気抵抗を最小限にすることを可能にするコーティング、を必要とする。
これらの合金の空気中での酸化に対する耐性は、クロムに富む酸化物(クロミアCrおよびスピネル酸化物(Cr、Mn))の表面層の形成によって確保されることが知られている(非特許文献4)。
しかしながら、そのようなベア合金では、酸素電極に面するインターコネクタ、すなわち、SOCFカソードインターコネクタおよびHTEアノードインターコネクタへの適用において、動作要件が経時的に完全に満たされないことが知られている。第一に、電流の収集に関連する面積固有抵抗(ASR)が、酸素電極側で高くなりすぎるように見える(非特許文献1、3)。さらに、水素電極側の湿った水素のASRは、空気中のASRよりも大きい(非特許文献5)。さらに、動作温度でのクロミアCrの揮発性により、HTE酸素電極(HTEアノード)の汚染が生じ、SOFC酸素電極(SOFCカソード)で観察されたものに匹敵する性能の低下を伴う。
文献は、一方ではSOFCセルインターコネクタのコーティング、他方では酸素電極に面するインターコネクタの面のコーティングについて説明する(非特許文献6)。これらのコーティングは、クロムの蒸発を制限し、電子伝導を確保し、空気中、すなわちSOFCセルのカソード室内の雰囲気中の合金の酸化に対する優れた耐性を確保するというだけの機能を有する。これらのコーティングの中で、2つの導電性セラミック層の、インターコネクタの形状に一致する堆積物を生成することが知られている。層の1つは金属合金を酸化から保護する機能を持つ保護層として知られており(酸化区画)、第2のものはインターコネクタとセルとの間の電気的接触を改善するために電気的コンタクト層として知られており、その平坦性または表面仕上げはしばしば不完全であり、測定された不均一性または表面仕上げ欠陥は場合により最大40マイクロメートルの範囲である。
インターコネクタの形状に関して、図1、図1A、および図1Bは、HTE電解槽中およびSOFC燃料電池中の両方で一般的に使用されるチャンネルプレート1を示している。電極における電流の伝達または収集は、関係する電極と直接機械的に接触している歯またはリブ10によって実施される。HTE電解槽のカソードでの蒸気の導入またはアノードでの排ガスの導入、SOCFセルでのカソードでの空気(O)の導入、またはアノードでの水素の導入は、図1において矢印で表される。HTE電解槽におけるカソードで生成された水素またはアノードで生成された酸素の収集、SOFCセルにおけるカソードで生成された水またはアノードでの過剰水素の収集は、セルのスタックに共通の、一般にマニホールドとして知られている流体接続部に現れるチャンネル11によって実施される。これらのインターコネクタの構造は、導入と収集の2つの機能(ガス/電流)の間の妥協点を実現するように作られている。
別の相互接続プレート1がすでに提案されている(非特許文献7)。図2に示すように、流体の循環は矢印で表されている。その構造は櫛型である。
このチャンネルプレートまたは櫛型構造のプレートの主な欠点は、それらを製造するための技術に関連している。結果的に、これらのプレート構造は、生成されたガスの収集、およびガス分配チャンネルのバルクでの機械加工による形成の領域のために、典型的には5から10mmの厚い材料の厚さを必要とする。このような機械加工されたプレートの正確な再現図を図3に示す。材料と機械加工のコストは高く、機械加工されるチャンネルのピッチの細かさに直接関係している。より具体的には、チャンネル間の距離は1mm未満である。
絞り加工され、レーザー溶接によって組み立てられた、典型的には0.5~2mmの薄いシート金属の使用はすでに試されている。絞り加工されたシート金属を組み立てて得られたこのようなプレートの正確な再現図を図4に示す。この手法には、出発材料のコストを限定するという利点があるが、機械加工によるものほど高レベルのチャンネルの細かさを実現することはできない。具体的には、チャンネルの深さ、単位歯の幅、および歯の間のピッチの製造の可能性は限られている。さらに、絞り加工工作機械据え付けのコストにより大量生産が必要となる。
セルとインターコネクタとの間の電気的接触およびセルへの流体の管理を改善することを目的として、多くの開発が実現されてきた。
特に、本出願人による仏国特許第2996065号明細書は、インターコネクタとして、金属合金製の基材を含み、そのベース元素が鉄(Fe)またはニッケル(Ni)であり、主要な平坦面の1つが厚い金属またはセラミック層でコーティングされた、溝付きの、チャンネルの境界を定める、HO蒸気、H;O、排ガスなどのガスの分配および/または収集に適した、部品を開示している。
出願人は、特に酸素電極(HTEにおけるアノード、SOFCセルのカソード)の側面において、ストロンチウムをドープしたマンガン酸ランタンに基づくセラミック製の厚いコンタクト層でこの方法を用いた。この方法は、固体酸化物(SOEC/SOFC)向けのスタックで優れた均一性を備えた良好な性能を提供し、製造コストを削減する。
この仏国特許第2996065号明細書に記載されているように、この厚い層を生成するために、ホットプレスによる堆積を実行し、続いて、ガスの分配および/または収集に適したチャンネルの境界を定めるように実施されるレーザーアブレーションによる溝作成のステップを行うことができる。この技術は、セラミック層の厚さの良好な制御、およびチャンネルの形状の良好な再現性を可能にするため、好ましいものであった。
より具体的には、セラミック層は、ストロンチウムをドープしたマンガン酸ランタン(LSM)、分散剤、様々な溶媒、および可塑剤の混合物のストリップキャスティングによって事前に製造される。
LSMのストリップが得られたら、それはホットプレスを行うことによって金属基材の平坦な面の1つに配置される。
実際のところ、発明者らは、現在のホットプレス法が最適ではないことを観察することができた。実は、図5に示すように、溶媒の蒸発中に、インターコネクタの金属基材とLSMの未処理ストリップとの間に気泡が形成されることが明らかになった。この図5では、気泡(B)は、金属基材12とインターコネクタ1のLSMストリップ13との間に閉じ込められている。
実際、これらの気泡は、LSMストリップのインターコネクタへの良好な接着を妨げる。
そして、これらの領域では、レーザーアブレーションによる溝作成の間、その製造中のチャンネルの層間剥離の現象のリスクが高くなる。この現象は、下にある基材12から完全に剥離した未処理ストリップの部分130が見られる図6に明確に示されている。
本発明者らは、この層間剥離現象により、大量生産における廃物が最大50%にまで及ぶ可能性があると推定した。
仏国特許第2996065号明細書
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したがって、特に大量生産中の廃物を減らすために、仏国特許第2996065号明細書の教示に従って製造されたSOFCセルまたはHTE電解槽のインターコネクタを改善する必要がある。
本発明の目的は、この必要性を少なくとも部分的に満たすことである。
これを行うために、本発明は、その態様の1つにおいて、燃料電池(SOFC)または高温電解槽(HTE)のインターコネクタを構成することを意図する部品の製造方法に関し、該方法は以下のステップを含む。
(a)クロミア形成タイプの金属合金で作られた基材を準備する段階であって、基材のベース元素は鉄(Fe)またはニッケル(Ni)であり、基材が2つの主要な平面を有する、基材を準備する段階と、
(b)厚いセラミック層をテープキャスティングする段階と、
(c)テープキャストされた厚いセラミック層の材料の1つまたは複数の場所での局所的な除去の段階と、
(d)厚い未処理セラミック層テープをホットプレスする段階と、
(e)HO蒸気、H;空気などのガスの分配および/または収集に適したチャンネルの境界を定めるように厚いセラミック層に溝を作成する段階。
有利な実施形態によれば、段階(c)は、レーザーアブレーションによって、好ましくはCOレーザーによって実施される。レーザーアブレーションにより、除去段階を迅速に、規則的に、正確に実施することができる。
有利には、除去された材料領域は、以下の特徴のうちの1つまたは複数を有する孔を形成する。
・各孔の表面積は10-9~10mm、好ましくは10-5mmのオーダーである。
・孔の数は1cmあたり0.01から1000個の間、好ましくは1cmあたり1個であり、表面の孔が大きいほど孔の数が少なくなることが理解される。
別の有利な実施形態によれば、除去された材料領域は、厚いセラミック層の表面に均一に分布し、これにより、材料の除去が容易になる。
「均一に分布した」という表現は、除去された材料領域が厚いセラミック層の表面上で等方性の分布に従うことを意味すると理解される。したがって、所与の除去された材料領域のすぐ隣の除去された材料領域の分布は、厚い層の端部に位置するものを除いて、すべての除去された材料領域について同一である。
好ましくは、除去された材料領域はそれぞれ、金属基材上に開口する円筒形を有する。
好ましくはまた、段階(e)は、ホットプレスする段階(d)を実施する前に、レーザーアブレーションによって実施される。コンタクト層の下に存在するインターコネクタの基材の劣化を避けるために、ホットプレスの前にレーザーアブレーションを実施することが好ましい。
別の有利な実施形態によれば、未処理セラミック層をホットプレスする段階(d)は、60から130℃の間の温度で実施される。
有利には、未処理セラミック層をホットプレスする段階(d)は、2時間未満の時間で実施される。
本発明の別の主題は、ここで説明した製造方法に従って得られた部品であり、厚いセラミック層の材料は、式La1-xSrMOのマンガン酸ランタン(M(遷移金属)はNi、Fe、Co、Mn、Cr)を、単独でまたは混合物として、または式LnNiOのニッケル酸ランタン(Lnは、La、Nd、Pr)などの層状構造の材料、または別の導電性ペロブスカイト酸化物、または500から1000℃の間で動作する燃料電池用の任意の酸素電極から選択される。
好ましくは、セラミック層の厚さは30から800μmの間である。
本発明の文脈において、「厚い層」という用語は、「薄膜」技術によって得られた層の厚さよりも厚い層を意味し、典型的には、厚さは2から15μmの間であることが指摘される。
したがって、本発明は本質的に、ホットプレスの間に部分的にでも蒸発し得る、熱風、結合剤、溶剤または可塑剤などの揮発性材料の蒸発を促進する未処理テープ材料が無い領域を作成し、気泡現象を除くか、または少なくとも制限することにある。
したがって、テープキャスティングの後、好ましくはマイクロメートルスケールでの個別の材料除去がテープ上で実施される。
ホットプレスする段階の後、気泡現象は発生しない。
本発明により、ホットプレスの実施のための時間はかなり短縮され得る。
本発明には多くの利点があり、その中でも以下に言及することができる:
・工業的に実施可能な方法である。
・ホットプレスする段階の時間が大幅に短縮されることに起因して、方法全体の時間が大幅に節約され、仏国特許第2996065号明細書に従う方法と比較して、典型的には最大60倍まで節約される。
・セラミックテープの補給に費やす材料と時間が節約される。
・典型的には1%未満である、非常に低い製品廃物率を示す。
本発明の他の利点および特徴は、以下の図を参照して非限定的な例示として与えられた本発明の実施例の詳細な説明を読むことにより、より明確に明らかになるであろう。
従来技術によるHTE電解槽の相互接続プレートの概略正面図である。 図1による相互接続プレートの詳細な断面図である。 図1Aと同様の図であり、プレートを通過する電流線を示す。 従来技術による電解槽の別の相互接続プレートの概略正面図である。 機械加工によって得られた、図1によるプレートの正確な再現図である。 絞り加工によって得られた、図1によるプレートの正確な再現図である。 仏国特許第2996065号明細書による方法に従ってホットプレスする段階が実施された後の、厚いLSM層の側面の正確な正面再現図である。 仏国特許第2996065号明細書による方法に従ってチャンネルの溝作成段階が実施された後の、厚いLSM層の側面の正確な正面再現図である。 本発明による厚いセラミック層からの材料の局所的な除去の段階を示す概略図である。 本発明の方法によるホットプレスする段階の前の厚いLSM層の側面の正確な正面再現図である。
先行技術に関連する図1から6については、これ以前にすでに述べている。
したがって、以下では詳細には説明しない。
図7は、本発明による後者のテープキャスティングの後に行われる、厚いセラミック層13からの材料の局所的な除去の例を示す。
この材料の除去の目的は、図5に示すような、およびその結果として図6に示されるような、観察された気泡現象を抑制、または少なくとも軽減することである。
厚い層を持たない領域14は、好ましくは、層13全体に均一に分布し、好ましくは、下にある金属合金基材上に開口する円筒形を有する。
対象となる用途、すなわち、SOFC燃料電池およびHTE電解槽において本発明の方法に従って得られた、そのチャンネルを備えた厚いセラミック層の一例を製造するための様々な段階を以下に説明する。
段階(a):1.5mmの厚さを有する、CROFER 22 APUタイプの市販のフェライト合金からなる基材12が提供される。
段階(b):未処理LSMストリップの製造。
分散剤として0.8重量%のオレイン酸を有する重量60gの式La0.8Sr0.2MnOのマンガン酸ランタンの化合物、溶媒としての15.7%の2-ブタノンおよび15.7%のエタノールから混合物が準備される。
混合物は遊星ミルで粉砕される。遊星ミルの運転サイクルは次のとおりである。
・回転速度:400rpm;
・時間:1時間。
次に、重量3.2gのポリビニルブチラール(PVB90)および溶媒としての5.5gのポリエチレングリコール(PEG400)を、粉砕された混合物に加え、次いで、遊星ミルを使用してすべてを混合する。遊星ミルの運転サイクルは次のとおりである。
・回転速度:200rpm;
・時間:10時間。
次に、混合物は、ロールタイプのミキサーを使用して脱気される。ロールミキサーの運転サイクルは次のとおりである。
・回転速度:20rpm;
・時間:24時間。
脱気後に得られた懸濁液は、スクレーパーブレードを使用してテープとしてキャストされる。ブレードの有効高さは1000μmである。キャスト速度は1.5m/分である。一度乾燥したテープの剥離を促進するために、シリコーン処理されたポリマー(ポリエステル)のシート上にキャスティングが行われる。
次に、キャスティングによって得られた未処理テープの乾燥が、周囲空気中で3時間行われる。
LSMの乾燥した未処理テープは、最終的に、テープを支持するSOFCセルの空気電極に対応するサイズに切断される。切断は、例えば、レーザー切断テーブルを使用して実施することができる。
段階(c):COレーザーを使用したレーザーアブレーションにより、テープキャストされた厚いセラミック層から材料が除去される。
図8に示されるように、材料を持たない領域14は円筒形を有し、層13の表面全体に均一に分布している。
例として、これらの領域14のそれぞれは、0.1mmの直径を有し、領域14の密度は、1cmあたり約1個である。
段階(d):ホットプレスする段階
次に、LSMの未処理テープが基材12上に配置され、次いで、プレスを使用してホットプレスすることによってそれに溶接される。LSMの未処理テープの厚さは325μmである。
プレスの運転サイクルは次のとおりである。
・プレス力:1kg/mm
・プレス時間:2時間;
・2つのプレスプレートの制御温度:80℃
室温まで冷却した後、LSMの未処理テープとフェライト鋼の薄いシートの間に準備されたアセンブリをプレスから取り外す。
段階(e):溝の製造
溝の作成は、LSMの未処理テープのレーザーアブレーションによって実施される。アブレーションは、最大出力50ワットまでの可変出力のCOレーザーを備えたフラットベッドプロッターを使用して実施される。レーザーの移動速度も可変であり、最大速度は2cm/sである。そのような機器の使用は、その可変動作特性によって、未処理テープを構成するポリマーを多かれ少なかれ深く燃焼させる、すなわちアブレーションを実施することを可能にし、したがって関連する必要量のLSMを放出することを可能にするので、特に有利である。結果的に、多かれ少なかれ深い溝(くぼみ)を掘ることができる。必要に応じて、未処理テープ上でのCOレーザーの数回の通過を実施して、溝の深さおよび/または幅を多かれ少なかれ増加させることができる。
この段階(e)の後、このように製造された構成要素1の廃物率は1%未満であることが観察される。
本発明は、ここで説明した例に限定されない。 特に、図示された例の特徴は、示されていない変形態様の範囲で組み合わせることができる。
しかしながら、本発明の範囲から逸脱することなく、他の変形態様および改善態様が想定され得る。
1 チャンネルプレート
10 リブ
11 チャンネル
12 基材
13 セラミック層
14 材料を持たない領域
130 未処理ストリップの部分

Claims (11)

  1. 燃料電池(SOFC)または高温電解槽(HTE)のインターコネクタを構成することを意図する部品(1)の製造方法であって、以下のステップ:
    (a)クロミア形成タイプの金属合金(12)で作られた基材を準備する段階であって、基材のベース元素は鉄(Fe)またはニッケル(Ni)であり、基材が2つの主要な平面を有する、基材を準備する段階と、
    (b)厚いセラミック層(13)をテープキャスティングする段階と、
    (c)ホットプレスする段階の間の揮発性材料の蒸発を促進するための、テープキャストされた厚いセラミック層の材料の1つまたは複数の場所(14)での局所的な除去の段階と、
    (d)前記厚いセラミック層を前記基材に溶接するために、厚いセラミック層テープをホットプレスする段階と、
    (e)ガスの分配および/または収集に適したチャンネルの境界を定めるように厚いセラミック層に溝を作成する段階と、
    を含む方法。
  2. 段階(c)が、レーザーアブレーションによって実施される、請求項1に記載の方法。
  3. 段階(c)が、COレーザーによって実施される、請求項2に記載の方法。
  4. 材料を局所的に除去した場所が、孔を形成しており、各孔の開口の表面積が、10-9~10mmの間である、請求項1から3の何れか一項に記載の方法。
  5. 材料を局所的に除去した場所が、厚いセラミック層の表面に均一に分布している、請求項1から4の何れか一項に記載の方法。
  6. 材料を局所的に除去した場所が、それぞれ金属基材上に開口する円筒形を有する、請求項1から5の何れか一項に記載の方法。
  7. 段階(e)が、ホットプレスする段階(d)を実施する前に、レーザーアブレーションによって実施される、請求項1から6の何れか一項に記載の方法。
  8. セラミック層をホットプレスする段階(d)が、60から130℃の間の温度で実施される、請求項1から7の何れか一項に記載の方法。
  9. セラミック層をホットプレスする段階(d)が、2時間未満の時間で実施される、請求項1から8の何れか一項に記載の方法。
  10. 請求項1から9に何れか一項に記載の製造方法に従って得られた部品であり、厚いセラミック層の材料が、単独または混合物としての式La1-xSrMOのマンガン酸ランタン(Mは、Ni、Fe、Co、Mn、Crの中から選択される遷移金属である)、または式LnNiOのニッケル酸ランタン(Lnは、La、Nd、Prの中から選択される)、または導電性ペロブスカイト酸化物から選択される、部品。
  11. セラミック層の厚さが、30から800μmの間である、請求項10に記載の部品。
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