JPH08255626A - Solid electrolyte fuel cell - Google Patents

Solid electrolyte fuel cell

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JPH08255626A
JPH08255626A JP7059357A JP5935795A JPH08255626A JP H08255626 A JPH08255626 A JP H08255626A JP 7059357 A JP7059357 A JP 7059357A JP 5935795 A JP5935795 A JP 5935795A JP H08255626 A JPH08255626 A JP H08255626A
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JP
Japan
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heat
fuel cell
ceramics
gas
oxidant gas
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Application number
JP7059357A
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Japanese (ja)
Inventor
Naoki Ito
直樹 伊藤
Keiichi Nakada
圭一 中田
Toshihiko Yoshida
利彦 吉田
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SEKIYU SANGYO KASSEIKA CENTER
Tonen General Sekiyu KK
Japan Petroleum Energy Center JPEC
Original Assignee
SEKIYU SANGYO KASSEIKA CENTER
Petroleum Energy Center PEC
Tonen Corp
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Publication date
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    • 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

Abstract

PURPOSE: To prevent the diffusion of chrome or the like to a cathode, and to prolong the lifetime of a cell by coating the surface of a heat exchanging material or the like, which is made of the heat resistant metal, with the ceramics protecting film. CONSTITUTION: This fuel cell 21 formed of a stack of unit cells, which are respectively formed by pinching the solid electrolyte with a fuel electrode and an oxidation electrode, is operated at, for example, 1,000 deg.C. Pipelines 23, 24, 25, 26 for supplying and discharging the reaction gas to the fuel electrode and the oxidation electrode are provided with a heat exchanging material, and the oxidant gas is heated by the heat of the reacted gas through the heat exchanging material. The pipelines and the heat exchanging material are made of the heat resistant alloy such as Ni-Cr group and Fe-Ni-Cr group, which includes Cr at 5% or more, or the cermet of this heat resistant alloy and ceramics such as alumina. Furthermore, the contact surface of the pipeline and the heat exchanging material with the oxidant gas is coated with the protecting film of ceramics such as alumina at 1-200μm so as to prevent the diffusion of the Cr component of the substance in the oxidation electrode through the oxidant gas.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、高緻密度、高強度を有
し、耐熱性、耐食性に優れ、しかも電池性能を低下させ
ることのない配管材及び場合により熱交換材を備えた固
体電解質型燃料電池に関するものである。
FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to a solid electrolyte having high density, high strength, excellent heat resistance and corrosion resistance, and which does not deteriorate battery performance, and optionally a heat exchange material. Type fuel cell.

【0002】[0002]

【従来の技術】燃料電池は、水素、一酸化炭素、炭化水
素等の燃焼性化学物質やそれを含有する燃料を活物質に
用い、該化学物質や燃料の酸化反応を電気化学的に行わ
せ、酸化過程におけるエネルギー変化を直接的に電気エ
ネルギーに変換させる電池であって、高いエネルギー変
換効率を期待しうるものである。
2. Description of the Related Art A fuel cell uses a combustible chemical substance such as hydrogen, carbon monoxide, or hydrocarbon or a fuel containing the same as an active material and causes an oxidation reaction of the chemical substance or the fuel to be performed electrochemically. A battery that directly converts energy changes in the oxidation process into electric energy, and is expected to have high energy conversion efficiency.

【0003】中でも特に高い効率を期待しうるものとし
て、近年、第一世代のリン酸型、第二世代の溶融炭酸塩
型に続く第三世代の固体電解質型燃料電池が注目されて
いる。この固体電解質型燃料電池は、1000℃付近と
いう高温で運転されるため、配管材や熱交換材には、通
常このような高温下でも高強度で、耐熱性、耐食性に優
れるクロム含有耐熱金属材が用いられている。
[0003] Among them, the third-generation solid oxide fuel cells, which follow the first-generation phosphoric acid type and the second-generation molten carbonate type, have been attracting attention in recent years as particularly high efficiency can be expected. Since this solid oxide fuel cell is operated at a high temperature of around 1000 ° C., it is usually used as a pipe material or a heat exchange material for a chromium-containing heat-resistant metal material that has high strength, heat resistance and corrosion resistance even under such a high temperature. Is used.

【0004】しかしながら、このクロム含有耐熱金属材
は、上記したような高温運転下では電池性能を低下させ
るという欠点がある。
However, this chromium-containing heat-resistant metal material has a drawback that it deteriorates the battery performance under high temperature operation as described above.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、このような
事情の下、高緻密度、高強度を有し、耐熱性、耐食性に
優れ、しかも電池性能を低下させることのない配管材や
熱交換材を備えた固体電解質型燃料電池を提供すること
を目的としてなされたものである。
Under the circumstances, the present invention has a high density, a high strength, excellent heat resistance and corrosion resistance, and a piping material or heat which does not deteriorate the battery performance. The purpose of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell provided with an exchange material.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】本発明者らは、前記の好
ましい性質を有する固体電解質型燃料電池用配管・熱交
換材を開発するために種々研究を重ねた結果、クロムを
含有する耐熱金属や、それとセラミックスのサーメット
をそのまま上記配管・熱交換材の素材として用いると、
配管・熱交換材自体としては良好な性能を発揮しても、
高温の酸化剤ガスと接触するとクロムやクロム酸化物が
酸化剤ガス中に拡散し、このクロム含有酸化剤ガスがカ
ソードと接触するとクロムがカソード中に拡散し、カソ
ード性能を低下させるため、電池性能が低下すること、
そこでこのような配管・熱交換材についてその酸化剤ガ
スと接する面にセラミックス保護膜を設けるとこれを抑
止しうることを見出し、この知見に基づいて本発明を完
成するに至った。
The inventors of the present invention have conducted various studies to develop a pipe / heat exchange material for a solid oxide fuel cell having the above-mentioned preferable properties, and as a result, a heat-resistant metal containing chromium. Or, if you use it and the cermet of ceramics as it is as a material for the above piping and heat exchange material,
Even if it shows good performance as a pipe / heat exchange material itself,
When contacting with a high temperature oxidant gas, chromium or chromium oxide diffuses into the oxidant gas, and when this chrome-containing oxidant gas contacts the cathode, chromium diffuses into the cathode, degrading the cathode performance, resulting in battery performance. Is reduced,
Therefore, it has been found that providing a ceramic protective film on the surface of such a pipe / heat exchange material that is in contact with the oxidant gas can prevent this, and has completed the present invention based on this finding.

【0007】すなわち、本発明は、(1)固体電解質材
を燃料電極及び酸化剤電極で挟持してなる単位電池の集
合体からなるスタック構造を有し、かつその燃料電極及
び酸化剤電極にそれぞれ反応ガスとしての燃料ガス及び
酸化剤ガスを供給するとともに、反応済みガスを排出す
る給排用配管材又は該配管材及び該配管材のうちの酸化
剤ガス供給用配管材に連結する、酸化剤ガスを高温にす
るための熱交換材を備えた固体電解質型燃料電池におい
て、酸化剤ガス供給用配管材又は該配管材及び上記熱交
換材として、クロムを5%以上含有する耐熱金属及び該
耐熱金属とセラミックスのサーメットの中から選ばれた
少なくとも1種から成る基材と、該基材の酸化剤ガス対
応面に設けたセラミックス保護膜とから成る被覆材を用
いたことを特徴とする固体電解質型燃料電池を提供する
ものである。
That is, the present invention has (1) a stack structure composed of an assembly of unit cells in which a solid electrolyte material is sandwiched between a fuel electrode and an oxidant electrode, and the fuel electrode and the oxidant electrode are respectively formed. An oxidant that supplies fuel gas and oxidant gas as a reaction gas and that is connected to a supply / discharge pipe material that discharges a reacted gas or a pipe material and an oxidant gas supply pipe material of the pipe material. In a solid oxide fuel cell provided with a heat exchange material for raising the temperature of a gas, a pipe material for supplying an oxidant gas or a heat-resistant metal containing 5% or more of chromium as the pipe material and the heat exchange material, and the heat-resistant material. A coating material comprising a base material made of at least one selected from cermets of metal and ceramics and a ceramics protective film provided on a surface of the base material corresponding to an oxidant gas is used. There is provided a solid oxide fuel cell that.

【0008】また、本発明は、(2) 前記(1)項記
載の固体電解質型燃料電池に用いられる、クロムを5%
以上含有する耐熱金属から成る基材と、該基材の酸化剤
ガス対応面に設けたセラミックス保護膜とから成る固体
電解質型燃料電池用配管材、(3) 前記(1)項記載
の固体電解質型燃料電池に用いられる、クロムを5%以
上含有する耐熱金属から成る基材と、該基材の酸化剤ガ
ス対応面に設けたセラミックス保護膜とから成る固体電
解質型燃料電池用熱交換材、(4) 前記(1)項記載
の固体電解質型燃料電池に用いられる、クロムを5%以
上含有する耐熱金属とセラミックスのサーメットから成
る基材と、該基材の酸化剤ガス対応面に設けたセラミッ
クス保護膜とから成る固体電解質型燃料電池用配管材、
(5) 前記(1)項記載の固体電解質型燃料電池に用
いられる、クロムを5%以上含有する耐熱金属とセラミ
ックスのサーメットから成る基材と、該基材の酸化剤ガ
ス対応面に設けたセラミックス保護膜とから成る固体電
解質型燃料電池用熱交換材を提供するものである。
The present invention also provides (2) 5% chromium used in the solid oxide fuel cell according to the above item (1).
A piping material for a solid oxide fuel cell, comprising a base material made of the above-mentioned heat-resistant metal and a ceramics protective film provided on a surface of the base material corresponding to an oxidant gas, (3) The solid electrolyte according to the item (1). For a solid oxide fuel cell, comprising a base material made of a refractory metal containing 5% or more of chromium, and a ceramic protective film provided on a surface of the base material corresponding to an oxidant gas, which is used in a fuel cell for a fuel cell. (4) A base material, which is used in the solid oxide fuel cell according to the item (1) and is made of a cermet of refractory metal containing 5% or more of chromium and ceramics, and an oxidant gas-corresponding surface of the base material. A pipe material for a solid oxide fuel cell, which comprises a ceramic protective film,
(5) The solid electrolyte fuel cell according to the above (1) is provided with a base material made of a refractory metal containing 5% or more of chromium and cermet of ceramics, and a surface of the base material corresponding to an oxidant gas. A heat exchange material for a solid oxide fuel cell, which comprises a ceramics protective film.

【0009】本発明の好ましい実施態様としては、
(6) 耐熱金属がニッケル基合金及び鉄基合金の中か
ら選ばれた少なくとも1種である前記(1)項記載の固
体電解質型燃料電池、(7)セラミックスがアルミナ又
は希土類系複合酸化物である前記(1)項記載の固体電
解質型燃料電池、(8)耐熱金属がニッケル基合金及び
鉄基合金の中から選ばれた少なくとも1種である前記
(2)項又は(4)項記載の固体電解質型燃料電池用配
管材、(9) セラミックスがアルミナ又は希土類系複
合酸化物である前記(2)項又は(4)項記載の固体電
解質型燃料電池用配管材、(10) 耐熱金属がニッケル
基合金及び鉄基合金の中から選ばれた少なくとも1種で
ある前記(3)項又は(5)項記載の固体電解質型燃料
電池用熱交換材、(11) セラミックスがアルミナ又は
希土類系複合酸化物である前記(3)項又は(5)項記
載の固体電解質型燃料電池用熱交換材、(12) サーメ
ットにおける耐熱金属の体積比率が20〜60%である
前記(1)項、(6)項又は(7)項記載の固体電解質
型燃料電池、(13) サーメットにおける耐熱金属の体
積比率が20〜60%である前記(4)項又は(9)項
記載の固体電解質型燃料電池用配管材、(14) サーメ
ットにおける耐熱金属の体積比率が20〜60%である
前記(5)項又は(10)項記載の固体電解質型燃料電
池用熱交換材、(15) セラミックス保護膜の厚さが
0.1〜200μmである前記(1)項、(6)項、
(7)項及び(12)項のいずれかに記載の固体電解質
型燃料電池、(16) セラミックス保護膜の厚さが0.
1〜200μmである前記(2)項、(4)項、(8)
項、(9)項及び(13)項のいずれかに記載の固体電
解質型燃料電池用配管材、(17) セラミックス保護膜
の厚さが0.1〜200μmである前記(3)項、
(5)項、(10)項、(11)項及び(14)項のい
ずれかに記載の固体電解質型燃料電池用熱交換材、が挙
げられる。
In a preferred embodiment of the present invention,
(6) The solid electrolyte fuel cell according to (1) above, wherein the refractory metal is at least one selected from nickel-based alloys and iron-based alloys, and (7) the ceramic is alumina or a rare earth-based composite oxide. The solid oxide fuel cell according to (1) above, (8) The refractory metal is at least one selected from a nickel-based alloy and an iron-based alloy, and (2) or (4) above. Solid electrolyte fuel cell piping material, (9) The solid electrolyte fuel cell piping material according to the above (2) or (4), wherein the ceramic is alumina or a rare earth compound oxide, (10) The heat-resistant metal is The heat exchange material for a solid oxide fuel cell according to the above (3) or (5), which is at least one selected from nickel-based alloys and iron-based alloys, (11) the ceramic is alumina or a rare earth-based composite. Is an oxide The heat exchange material for a solid oxide fuel cell according to item (3) or (5), (12) the volume ratio of the refractory metal in the cermet is 20 to 60%, (1), (6) or (7) The solid oxide fuel cell, (13) The solid electrolyte fuel cell piping material according to (4) or (9), wherein the volume ratio of the refractory metal in the cermet is 20 to 60%. (14) The heat exchange material for a solid oxide fuel cell according to the item (5) or (10), wherein the volume ratio of the refractory metal in the cermet is 20 to 60%, (15) the thickness of the ceramic protective film is 0. 1 to 200 μm, the above item (1), item (6),
(7) The solid oxide fuel cell according to any one of (7) and (12), (16) The ceramic protective film has a thickness of 0.
1 to 200 μm, (2), (4) and (8)
Item, the pipe material for a solid oxide fuel cell according to any one of Items (9) and (13), (17) The thickness of the ceramic protective film is 0.1 to 200 μm, and the above (3) Item,
The heat exchange material for a solid oxide fuel cell according to any one of (5), (10), (11) and (14).

【0010】本発明の固体電解質型燃料電池は、固体電
解質材を燃料電極及び酸化剤電極で挟持してなる単位電
池の集合体からなるスタック構造を有し、かつその燃料
電極及び酸化剤電極にそれぞれ反応ガスとしての燃料ガ
ス及び酸化剤ガスを供給するとともに、反応済みガスを
排出する給排用配管材又は該配管材及び該配管材のうち
の酸化剤ガス供給用配管材に連結する、酸化剤ガスを高
温にするための熱交換材を備えたものであり、例えば縦
縞円筒型や横縞円筒型のような円筒型として公知のもの
でも、平板型として公知のものでも用いることができ
る。このうち平板型のものとしては、固体電解質板を燃
料電極及び酸化剤電極で挟持してなる単位電池を各電極
に各反応ガスが接触しうる流路を設けたセパレータを介
して集積し、その両端の固体電解質板の電極に対応する
反応ガスが接触しうる流路を設けた外部端子板を配設し
て成る固体電解質型燃料電池が好ましい。
The solid oxide fuel cell of the present invention has a stack structure composed of an assembly of unit cells in which a solid electrolyte material is sandwiched between a fuel electrode and an oxidant electrode, and the fuel electrode and the oxidant electrode are provided with the stack structure. The fuel gas and the oxidant gas as reaction gases are respectively supplied, and the supply / discharge pipe material for discharging the reacted gas or the pipe material and the oxidant gas supply pipe material of the pipe material are connected to each other, and the oxidation is performed. It is provided with a heat exchange material for raising the temperature of the agent gas, and may be a known type such as a vertical striped cylinder type or a horizontal striped cylindrical type or a flat plate type. Among them, as the flat plate type, a unit cell in which a solid electrolyte plate is sandwiched between a fuel electrode and an oxidant electrode is integrated through a separator provided with a flow path in which each reaction gas can contact each electrode, A solid oxide fuel cell is preferred in which an external terminal plate provided with a flow path that can contact the reaction gas corresponding to the electrodes of the solid electrolyte plates at both ends is provided.

【0011】さらに、本発明の固体電解質型燃料電池
は、酸化剤ガス供給用配管材又は該配管材及び上記熱交
換材として、クロムを5%以上含有する耐熱金属及び該
耐熱金属とセラミックスのサーメットの中から選ばれた
少なくとも1種から成る基材と、該基材の酸化剤ガス対
応面に設けたセラミックス保護膜とから成る被覆材を用
いることが重要である。本発明の固体電解質型燃料電池
において、好ましくは、給排用配管材すなわち酸化剤ガ
ス供給用配管材、反応済み酸化剤ガス排出用配管材、燃
料ガス供給用配管材、反応済み燃料ガス排出用配管材と
スタック型固体電解質型燃料電池との連結は、マニホー
ルドを介して行われる。
Further, the solid oxide fuel cell of the present invention comprises a heat-resistant metal containing 5% or more of chromium and a cermet of the heat-resistant metal and ceramics as a pipe material for supplying an oxidant gas or the pipe material and the heat exchange material. It is important to use a coating material composed of a base material made of at least one selected from the above and a ceramic protective film provided on the surface of the base material corresponding to the oxidant gas. In the solid oxide fuel cell of the present invention, preferably, a supply / discharge pipe material, that is, an oxidant gas supply pipe material, a reacted oxidant gas discharge pipe material, a fuel gas supply pipe material, a reacted fuel gas discharge The piping material and the stack type solid oxide fuel cell are connected to each other via a manifold.

【0012】本発明において用いられる酸化剤ガス供給
用配管材及び場合により用いられる熱交換材(以下、配
管・熱交換材という)において、その基材はクロムを5
%以上含有する耐熱金属(以下、含Cr耐熱金属とい
う)から成るか、あるいは含Cr耐熱金属とセラミック
スのサーメットから成る。含Cr耐熱金属としては、5
%以上好ましくは8〜30%のクロムを含有する耐熱合
金のみであってもよいし、クロムを含有する合金、好ま
しくは耐熱合金とニッケル、コバルト又は鉄のような耐
熱性の金属元素との混合物であって、この全量に対して
クロムを5%以上含有するものでもよい。耐熱合金は、
クロム以外にニッケル、コバルト及び鉄の中から選ばれ
た少なくとも1種の金属を含むものが好ましく、このよ
うなものとしては、好ましくはクロムを含むニッケル基
合金や鉄基合金が、特に好ましくはインコネル600、
ハステロイ800のようなNi‐Cr系合金や、SUS
410、SUS430、SUS630のようなFe‐N
i‐Cr系合金が挙げられる。これらの耐熱合金及び耐
熱性の金属元素はいずれも単独で用いてもよいし、また
2種以上を組み合わせて用いてもよい。
In the oxidant gas supply piping material used in the present invention and the heat exchange material optionally used (hereinafter referred to as piping / heat exchange material), the base material is chromium.
% Or more of a refractory metal (hereinafter referred to as Cr-containing refractory metal) or a cermet of Cr-containing refractory metal and ceramics. 5 as a Cr-containing heat-resistant metal
% Or more, preferably 8 to 30% of a heat-resistant alloy containing chromium, or an alloy containing chromium, preferably a mixture of a heat-resistant alloy and a heat-resistant metal element such as nickel, cobalt or iron. However, 5% or more of chromium may be contained in the total amount. The heat-resistant alloy is
Those containing at least one metal selected from nickel, cobalt and iron in addition to chromium are preferable, and as such, nickel-based alloys and iron-based alloys containing chromium are particularly preferable, and Inconel is particularly preferable. 600,
Ni-Cr alloys such as Hastelloy 800 and SUS
Fe-N like 410, SUS430, SUS630
An i-Cr type alloy is mentioned. Each of these heat-resistant alloys and heat-resistant metal elements may be used alone, or two or more kinds may be used in combination.

【0013】上記サーメットの一方の成分のセラミック
スは、耐熱性のものであれば特に限定されず、例えばア
ルミナ、シリカ、ジルコニア、安定化ジルコニア、チタ
ニアなどの酸化物系セラミックスや、ムライト、スピネ
ル、コージュライト等の複合セラミックス、炭化ケイ素
などの炭化物系セラミックス、窒化物系セラミックス、
ランタンクロマイト系複合酸化物やイットリウムクロマ
イト系複合酸化物のような希土類系複合酸化物、酸化第
二スズ、酸化インジウム、酸化亜鉛などが挙げられ、中
でも特にアルミナ、クリストバライトのようなシリカ、
スピネル、ランタンクロマイト系複合酸化物、イットリ
ウムクロマイト系複合酸化物が好ましい。これらのセラ
ミックスは単独で用いてもよいし、また2種以上を組み
合わせて用いてもよい。
The ceramic of one component of the cermet is not particularly limited as long as it is heat resistant, and for example, oxide ceramics such as alumina, silica, zirconia, stabilized zirconia, titania, mullite, spinel, and cordierite. Composite ceramics such as lights, carbide ceramics such as silicon carbide, nitride ceramics,
Rare earth complex oxides such as lanthanum chromite complex oxides and yttrium chromite complex oxides, stannic oxide, indium oxide, zinc oxide and the like, among others, alumina, silica such as cristobalite, among others,
Spinel, lanthanum chromite complex oxide, and yttrium chromite complex oxide are preferable. These ceramics may be used alone or in combination of two or more.

【0014】上記サーメットにおいて、含Cr耐熱金属
とセラミックスとの割合は適宜調整しうるが、好ましく
は含Cr耐熱金属の体積比率を20〜60%、より好ま
しくは30〜50%とするのがよい。また、含Cr耐熱
金属がマトリックスとして、セラミックスが分散質とし
て存在するものが好ましい。また、相対密度が90%以
上であるものが好ましい。
In the cermet, the ratio of the Cr-containing heat-resistant metal to the ceramics can be adjusted appropriately, but the volume ratio of the Cr-containing heat-resistant metal is preferably 20 to 60%, more preferably 30 to 50%. . Further, it is preferable that the Cr-containing refractory metal is present as a matrix and the ceramic is present as a dispersoid. Further, those having a relative density of 90% or more are preferable.

【0015】さらに、このサーメットとして、含Cr耐
熱金属の体積比率が20〜60%、好ましくは30〜5
0%であり、含Cr耐熱金属がマトリックスとして、セ
ラミックスが分散質として存在し、かつ相対密度が90
%以上であるもの、特にクロム含有ニッケル基合金とア
ルミナのサーメットであり、該合金の体積比率が35〜
45%であり、該合金がマトリックスとして、アルミナ
が分散質として存在し、かつ相対密度が90%以上であ
るものを用いると、25kgf/mm2以上の高い曲げ
強度をもたせることが可能となる。曲げ強度を高めるこ
とは、シール性を高め、薄板化を進める上でも重要であ
る。
Further, as the cermet, the volume ratio of the Cr-containing refractory metal is 20 to 60%, preferably 30 to 5.
0%, Cr-containing refractory metal as a matrix, ceramics as a dispersoid, and a relative density of 90.
% Or more, especially a cermet of a chromium-containing nickel-based alloy and alumina, and the volume ratio of the alloy is 35-35.
45%, when the alloy is used as a matrix, alumina is present as a dispersoid, and the relative density is 90% or more, it is possible to have a high bending strength of 25 kgf / mm 2 or more. Increasing the bending strength is also important for improving the sealing property and making the plate thinner.

【0016】本発明の配管・熱交換材においては、配管
・熱交換材の基体の酸化剤ガス対応面に、基体が酸化剤
ガスと直接接触しないように保護膜が設けられている。
この保護膜はセラミックスで形成され、固体電解質型燃
料電池の運転温度付近の高温下で酸化雰囲気中で安定で
あり、クロム又はその化合物の気相又は固相拡散を抑止
するのに役立つ。
In the pipe / heat exchange material of the present invention, a protective film is provided on the surface of the pipe / heat exchange material corresponding to the oxidant gas so that the base does not come into direct contact with the oxidant gas.
This protective film is made of ceramics, is stable in an oxidizing atmosphere at a high temperature near the operating temperature of the solid oxide fuel cell, and serves to prevent vapor phase or solid phase diffusion of chromium or its compounds.

【0017】このようなセラミックスとしては、例えば
アルミナ、シリカ、ジルコニア、イットリア安定化ジル
コニアのようなドープされた安定化ジルコニア、チタニ
ア等の酸化物系セラミックスや、ムライト、スピネル、
コージュライト等の複合セラミックス、炭化ケイ素など
の炭化物系セラミックス、窒化物系セラミックス、各種
ガラス材料などが挙げられ、中でもアルミナ、シリカ、
ジルコニア、安定化ジルコニア、窒化ケイ素が好まし
い。
Examples of such ceramics include oxide-based ceramics such as alumina, silica, zirconia, doped stabilized zirconia such as yttria-stabilized zirconia, titania, mullite, spinel, and the like.
Examples include composite ceramics such as cordierite, carbide-based ceramics such as silicon carbide, nitride-based ceramics, and various glass materials. Among them, alumina, silica,
Zirconia, stabilized zirconia and silicon nitride are preferred.

【0018】上記保護膜は、ガスタイト性、特に酸化雰
囲気からの遮蔽性に優れ、ひびや剥がれを生じないなど
の要求特性を備えることが求められる。また、保護膜に
おいて、緻密度などの膜質と膜厚とは、同等の効果を得
るのに、膜質が緻密であればあるほど膜厚をより薄くし
うるという関係にある。膜厚は、配管・熱交換材基体に
おけるクロムの含量や存在形態等にもよるが、通常0.
1〜200μmであり、相対密度を考慮すると、それが
90%以上の緻密な場合で0.1〜10μm、90%未
満の場合で10〜200μmである。膜厚が厚すぎると
基体とセラミックスとの熱膨張特性差によりひびや剥離
を生じやすくなり密着性が低下するし、また薄すぎると
ガスタイト性に問題が生じ、基体表面を酸化雰囲気から
完全に遮蔽することが難しく本発明の効果が十分に達成
されない。
The above-mentioned protective film is required to have required characteristics such as excellent gas tightness, particularly excellent shielding from an oxidizing atmosphere, and no cracking or peeling. Further, in the protective film, the film quality such as the density and the film thickness have a relationship that the film thickness can be made thinner as the film quality becomes more dense, in order to obtain the same effect. The film thickness depends on the chromium content and the form of existence in the piping / heat exchange material substrate, but is usually 0.
Considering the relative density, it is 0.1 to 10 μm when the density is 90% or more, and 10 to 200 μm when the density is less than 90%. If the film thickness is too thick, the difference in thermal expansion characteristics between the substrate and the ceramics tends to cause cracking or peeling, resulting in poor adhesion.If it is too thin, gas tightness will be a problem, and the substrate surface will be completely shielded from the oxidizing atmosphere. However, the effect of the present invention is not sufficiently achieved.

【0019】本発明の配管・熱交換材の製造は次のよう
にして行われる。すなわち、(13)前記配管・熱交換
材の基体を作製したのち、この基体の酸化剤ガスと相対
する面にセラミックスを被着させることによって保護膜
を設ける。
The piping / heat exchange material of the present invention is manufactured as follows. That is, (13) after the substrate of the pipe / heat exchange material is prepared, the protective film is provided by depositing ceramics on the surface of the substrate facing the oxidant gas.

【0020】上記基体が上記サーメットから成るばあい
には、基体の作製は以下のようにして行われる。含Cr
耐熱金属や含Cr耐熱金属源と、セラミックスやセラミ
ックス源を粉末状で混合したのち、混合物を加圧成形
し、非酸化性雰囲気下、例えば還元性雰囲気下や不活性
雰囲気下などで、あるいは真空中で焼成することによっ
て得られる。
When the substrate is made of the cermet, the substrate is manufactured as follows. Cr-containing
After mixing the refractory metal or Cr-containing refractory metal source with ceramics or ceramics source in powder form, the mixture is pressure-molded, and the mixture is pressure-molded in a non-oxidizing atmosphere such as a reducing atmosphere or an inert atmosphere or in a vacuum. Obtained by firing in.

【0021】中でも、含Cr耐熱金属の体積比率が20
〜60%であり、含Cr耐熱金属がマトリックスとし
て、セラミックスが分散質として存在し、しかも相対密
度が90%以上であるサーメットから成る基体は、好適
には、(14)(a)非造粒の耐熱合金粉末と(b)セ
ラミックス粉末を造粒して調製されたセラミックス造粒
体を、各平均粒径が次の関係式 セラミックス粉末の粒径<耐熱合金粉末(a)の粒径<
セラミックス造粒体(b)の粒径を満たすように選定
し、これらを混合したのち、混合物を加圧成形し、非酸
化性雰囲気下、例えば還元性雰囲気下や不活性雰囲気下
などで、あるいは真空中で焼成することによって得られ
る。
Above all, the volume ratio of the Cr-containing refractory metal is 20.
-60%, a Cr-containing refractory metal as a matrix, ceramics as a dispersoid, and a relative density of 90% or more, and a base made of cermet is preferably (14) (a) non-granulated The average particle size of the ceramic granules prepared by granulating the heat-resistant alloy powder of (b) and the ceramic powder of (b) is as follows: Particle size of ceramic powder <particle size of heat-resistant alloy powder (a) <
The ceramic granules (b) are selected so as to satisfy the particle size thereof, and these are mixed, and then the mixture is pressure-molded, and the mixture is subjected to a non-oxidizing atmosphere, for example, a reducing atmosphere or an inert atmosphere, or Obtained by firing in vacuum.

【0022】この好適方法をさらに説明すると、先ず前
記のようにして選定した各粉粒を完全に混合する。この
際(b)の造粒物を破壊しないように留意する。次い
で、得られた混合物を、加圧成形、例えば冷間静水圧プ
レス成形あるいは熱間静水圧プレス成形などを施したの
ち、保護膜用セラミックスが焼結し、かつ上記基体が溶
融しない温度範囲で、非酸化性雰囲気下、例えば還元雰
囲気下や不活性ガス雰囲気下などで、あるいは真空中で
焼成する。還元雰囲気下で焼成する場合、雰囲気中の水
素濃度については特に制限はないが、好ましくは0.1
〜5%程度とするのがよい。また、焼成温度は1100
〜1500℃の範囲内とするのが好ましい。セラミック
スの焼結性は、その粉体の粒径にも依存するので、一次
粒径が0.05〜5μmの比較的細かいものを用いると
焼結性を向上させることができる。
To further explain this preferred method, first, the powder particles selected as described above are thoroughly mixed. At this time, be careful not to break the granulated product of (b). Then, the obtained mixture is subjected to pressure molding, for example, cold isostatic pressing or hot isostatic pressing, and then the protective film ceramics is sintered, and in the temperature range in which the substrate does not melt. Firing is performed in a non-oxidizing atmosphere, such as a reducing atmosphere or an inert gas atmosphere, or in vacuum. When firing in a reducing atmosphere, the hydrogen concentration in the atmosphere is not particularly limited, but is preferably 0.1.
It is good to be about 5%. The firing temperature is 1100.
It is preferably in the range of -1500 ° C. Since the sinterability of ceramics also depends on the particle size of the powder, the sinterability can be improved by using a relatively fine primary particle size of 0.05 to 5 μm.

【0023】また、配管・熱交換材の基体をサーメット
で形成する場合、上記のように所定形状に加圧成形する
ことなく、焼成してサーメットを製造し、次いでこれを
所定形状に成形してもよい。
When the substrate of the pipe / heat exchange material is formed of cermet, the cermet is manufactured by firing without press-molding into a predetermined shape as described above, and then formed into a predetermined shape. Good.

【0024】次いで、配管・熱交換材の基体の酸化剤ガ
ス対応面にそれが酸化剤ガスと直接接触しないようにセ
ラミックスを成膜させる。この成膜法としては、スパッ
タリング法、CVD法のような蒸着法、プラズマ溶射法
のような溶射法、アルコキシド法や有機金属化合物法の
ような溶液塗布法などが用いられ、中でも溶液塗布法が
配管内部などの入り組んだ箇所にも塗布しうるので好ま
しい。
Then, a ceramic film is formed on the surface of the substrate of the pipe / heat exchange material corresponding to the oxidizing gas so that it does not come into direct contact with the oxidizing gas. As the film forming method, a sputtering method, a vapor deposition method such as a CVD method, a thermal spraying method such as a plasma spraying method, a solution coating method such as an alkoxide method or an organometallic compound method, and the like are used. Among them, the solution coating method is used. It is preferable because it can be applied to complicated places such as inside the pipe.

【0025】溶液塗布法としては、所定基体にポリシロ
キサン、ポリシラザン及びポリジルコノキサンの中から
選ばれた少なくとも1種の溶液を塗布し、次いで焼成す
る方法が好ましい。
The solution coating method is preferably a method in which a predetermined substrate is coated with at least one solution selected from polysiloxane, polysilazane and polyzirconoxane, and then baked.

【0026】このポリシロキサンとしては、例えば一般
式 −(SiR12−O)− (式中のR1及びR2は水素原子又は炭化水素基である)
で表わされる繰り返し単位を有するものなどが挙げられ
る。また、ポリシラザンとしては、例えば一般式 −(SiR34−NR5)− (式中のR3、R4及びR5はそれぞれ独立して水素原
子、アルキル基、アルケニル基、シクロアルキル基、ア
リール基、アラルキル基、アルキルシリル基、アルキル
アミノ基又はアルコキシ基である。ただし、R3、R4
びR5の少なくとも1つは水素原子である)で表わされ
る繰り返し単位を有するものなどが挙げられる。これら
の式中の炭化水素基として好ましいのはメチル基であ
る。
Examples of the polysiloxane include, for example, the general formula — (SiR 1 R 2 —O) — (wherein R 1 and R 2 are hydrogen atoms or hydrocarbon groups).
Those having a repeating unit represented by Examples of the polysilazane include, for example, the general formula — (SiR 3 R 4 —NR 5 ) — (wherein R 3 , R 4 and R 5 are each independently a hydrogen atom, an alkyl group, an alkenyl group, a cycloalkyl group, An aryl group, an aralkyl group, an alkylsilyl group, an alkylamino group or an alkoxy group, provided that at least one of R 3 , R 4 and R 5 is a hydrogen atom) and the like. To be A methyl group is preferred as the hydrocarbon group in these formulas.

【0027】また、ポリジルコノキサンは、一般式
(I) −(ZrMM′−O)n− (I) 〔式中のM及びM′は、それぞれ独立して水酸基、R又
はOR(ここでRは炭化水素基である)であるか、配位
子であり、nは2ないし5である〕で表わされる鎖状構
造を主として有する化合物であって、好ましくは一般式
(II) R6−(ZrMM′−O)n−R7 (II) (式中のM、M′及びnは前記と同じ意味を有し、R6
及びR7は炭化水素基、アシルオキシル基又はヒドロカ
ルビルオキシ基である)で表わされる化合物であり、中
でも特に一般式(I)又は一般式(II)中のM及び
M′で示される基について、その一方がヒドロキシル
基、他方がOR又はR基であるもの、中でもOR又はR
で示される基が、炭素数3以上のもの、とりわけ立体障
害を生じるもの、例えばシクロペンタジエニル基、フェ
ニル基、ジヒドロキノイド基などや、配位子、中でも立
体障害を生じるもの、とりわけ多座配位子、特にアセト
酢酸エチルなどのアセト酢酸エステル、エチレングリコ
ールなどのジオール、アセチルアセトンなどのβ‐ジケ
トンであるものが挙げられる。また一般式(II)中の
6及びR7で示される基については、炭化水素基として
はアルキル基、中でもイソプロピル基、プロピル基、メ
チルペンチル基が、アシルオキシル基としてはアセトキ
シル基やベンゾイルオキシル基が、またヒドロカルビル
オキシル基としてはメトキシル基、イソプロポキシル
基、フェノキシ基、ベンジルオキシ基が好適である。ま
た、ポリジルコノキサンは、上記鎖状構造の一部が、該
構造中のM基やM′基等が脱離したもの同士が架橋し三
次元重合した構造のものであってもよい。
The polyzirconoxane is represented by the general formula (I)-(ZrMM'-O) n- (I) [wherein M and M'independently represent a hydroxyl group, R or OR (wherein R is a hydrocarbon group) or a ligand, and n is 2 to 5], and a compound mainly having a chain structure represented by the formula (II) R 6 (ZrMM'-O) n -R 7 (II) (M in the formula, M 'and n are as defined above, R 6
And R 7 is a hydrocarbon group, an acyloxyl group or a hydrocarbyloxy group), and particularly, for the groups represented by M and M ′ in the general formula (I) or the general formula (II), One of which is a hydroxyl group and the other is an OR or R group, especially OR or R
The group represented by is one having 3 or more carbon atoms, particularly one that causes steric hindrance, such as a cyclopentadienyl group, a phenyl group, a dihydroquinoid group, or a ligand, particularly one that causes steric hindrance, especially a polydentate group. Examples include ligands, particularly acetoacetic acid esters such as ethyl acetoacetate, diols such as ethylene glycol, and β-diketones such as acetylacetone. Further, regarding the groups represented by R 6 and R 7 in the general formula (II), the hydrocarbon group is an alkyl group, especially an isopropyl group, a propyl group and a methylpentyl group, and the acyloxyl group is an acetoxyl group or benzoyloxyl group. As the group, and as the hydrocarbyloxyl group, a methoxyl group, an isopropoxyl group, a phenoxy group and a benzyloxy group are preferable. Further, the polyzirconoxane may have a structure in which a part of the above-mentioned chain-like structure is three-dimensionally polymerized by cross-linking the M-group and M'group in the structure are eliminated.

【0028】ポリジルコノキサンは、一般式(I)又は
一般式(II)中の添字nが2〜5であるものである。
このnが大きすぎると成膜時のクラックが増加するし、
またnが1の場合にはほぼアルコキシドと同じ性質を呈
し、不安定となる。
The polyzirconoxane has a subscript n of 2 to 5 in the general formula (I) or the general formula (II).
If this n is too large, cracks during film formation increase,
Further, when n is 1, it exhibits almost the same properties as alkoxide and becomes unstable.

【0029】ポリジルコノキサンは、好ましくはイット
リウム、ガドリニウム又はイッテルビウムを含有する金
属含有有機化合物と併用される。この金属含有有機化合
物としては、例えばトリ‐(π‐シクロペンタジエニ
ル)イットリウム、トリフェニルイットリウム、トリ‐
(π‐シクロペンタジエニル)イッテルビウム、ビス
(2,4‐シクロペンタジエン‐1‐イル)フェニルイ
ッテルビウム、トリ‐(π‐シクロペンタジエニル)ガ
ドリニウム、ビス(2,4‐シクロペンタジエン‐1‐
イル)フェニルガドリニウム、イットリウムアセテー
ト、イットリウムアルコキシドなどの有機金属化合物、
トリス(アセチルアセトナト)イットリウムなどの錯体
が挙げられ、中でもイットリウムを含有するものが好ま
しく、特にトリス(アセチルアセトナト)イットリウム
が好ましい。
The polyzirconoxane is preferably used in combination with a metal-containing organic compound containing yttrium, gadolinium or ytterbium. Examples of the metal-containing organic compound include tri- (π-cyclopentadienyl) yttrium, triphenyl yttrium, tri-
(Π-Cyclopentadienyl) ytterbium, bis (2,4-cyclopentadien-1-yl) phenyl ytterbium, tri- (π-cyclopentadienyl) gadolinium, bis (2,4-cyclopentadiene-1-
Yl) phenylgadolinium, yttrium acetate, yttrium alkoxide and other organometallic compounds,
Examples thereof include complexes such as tris (acetylacetonato) yttrium. Among them, those containing yttrium are preferable, and tris (acetylacetonato) yttrium is particularly preferable.

【0030】この併用の場合、ポリジルコノキサンと上
記金属含有有機化合物の使用量比については、好適に
は、後続の焼成処理後のL2/ZrO(ここでL
はY、Gd又はYbである)がモル比で0.03〜0.
15、好ましくは0.05〜0.1、特に0.07〜
0.09となるように選ばれる。
In the case of this combined use, the ratio of the polyzirconoxane and the metal-containing organic compound used is preferably L 2 O 3 / ZrO 2 (where L
Is Y, Gd or Yb) in a molar ratio of 0.03 to 0.
15, preferably 0.05 to 0.1, especially 0.07 to
It is chosen to be 0.09.

【0031】上記ポリマーの溶液の調製に用いられる有
機溶媒については特に制限はないが、メタノール、エタ
ノール、イソプロピルアルコール、ブタノールなどのア
ルコール、酢酸エチルなどのエステル、テトラヒドロフ
ランなどのエーテル、キシレン、トルエン、ベンゼンな
どの炭化水素が好ましい。
The organic solvent used for preparing the solution of the above-mentioned polymer is not particularly limited, but alcohols such as methanol, ethanol, isopropyl alcohol and butanol, esters such as ethyl acetate, ethers such as tetrahydrofuran, xylene, toluene and benzene. Hydrocarbons such as

【0032】上記ポリマーの溶液の中でも、ポリジルコ
ノキサンのアルコール溶液特にメタノール溶液は、曳糸
性を有する黄色の透明で粘稠な液体であり、溶媒添加で
粘度を大きく変化させることができ、塗布に適した粘度
を調整することができる点で有利である。しかも、この
ポリジルコノキサンは、従来のジルコニウムイソプロポ
キシドのようなアルコキシドを用いる成膜技術において
は、塗布時に空気中の湿気程度で加水分解が起こりゲル
化してしまうため、使用しうる雰囲気が制限される上
に、歩留まりも低いという欠点があるのに対し、空気中
でも室温程度であればゲル化速度が遅く、塗布時にゲル
化し、白濁することがなく、例えば25℃、50%加湿
雰囲気においては2時間程度でゲル化することはなく、
ほとんど透明な状態を維持しうるので、成膜素材として
優れたものである。
Among the above polymer solutions, polyzirconoxane alcohol solutions, especially methanol solutions, are yellow, transparent and viscous liquids having spinnability, and the viscosity can be greatly changed by adding a solvent. It is advantageous in that the viscosity suitable for coating can be adjusted. Moreover, this polyzirconoxane has a usable atmosphere in a film-forming technique using a conventional alkoxide such as zirconium isopropoxide because it is hydrolyzed and gelated due to the humidity in the air during application. In addition to the limitation, it has a drawback that the yield is low. On the other hand, even in the air, at room temperature, the gelation rate is slow, gelation does not occur at the time of application, and white turbidity does not occur. Does not gel in about 2 hours,
Since it can maintain a nearly transparent state, it is an excellent film forming material.

【0033】上記ポリマーの溶液の塗布方法について
は、刷毛塗り法、スクリーン印刷法、スピンコーティン
グ法、ディッピング法、ドクターブレード法、泳動法、
スプレー法などの常法が用いられる。
As the method for applying the solution of the above-mentioned polymer, brush coating method, screen printing method, spin coating method, dipping method, doctor blade method, migration method,
A conventional method such as a spray method is used.

【0034】上記ポリマーの溶液の塗布量は、溶液のポ
リマー濃度、上記基材の塗布面積、表面荒さ等により影
響されるが、後段の焼成工程により形成される被膜が厚
さ0.1〜200μmの薄膜になるように調整される。
The coating amount of the above polymer solution is influenced by the polymer concentration of the solution, the coating area of the above substrate, the surface roughness, etc., but the thickness of the coating film formed by the subsequent baking step is 0.1 to 200 μm. Is adjusted to be a thin film.

【0035】本発明方法においては、上記ポリマーの液
の塗布後、焼成前に、必要に応じ乾燥し、場合によりさ
らに水による加湿処理を施すか、あるいは熱分解処理す
ることにより、あるいはこのような操作を繰り返すこと
により、固化膜を形成させるのが好ましく、特にこのよ
うな固化膜の形成は上記ポリマーとしてポリジルコノキ
サンを用いた場合に有利である。
In the method of the present invention, after the application of the polymer solution and before firing, if necessary, drying may be carried out and, if necessary, further moistening treatment with water or thermal decomposition treatment, or It is preferable to form a solidified film by repeating the operation. Particularly, the formation of such a solidified film is advantageous when polyzirconoxane is used as the polymer.

【0036】乾燥処理は、上記ポリマーの種類や分子
量、このポリマーの溶液の濃度、溶媒の種類、塗布量等
により左右されるが、通常0〜200℃で5分〜2時間
行われ、例えば上記ポリマーとしてポリジルコノキサン
を用いた場合、好ましくは10〜40℃で10〜60分
行われる。
The drying treatment is usually carried out at 0 to 200 ° C. for 5 minutes to 2 hours, although it depends on the kind and molecular weight of the above-mentioned polymer, the concentration of the solution of the polymer, the kind of solvent, the coating amount and the like. When polyzirconoxane is used as the polymer, it is preferably carried out at 10 to 40 ° C. for 10 to 60 minutes.

【0037】水による加湿処理は、好ましくは50〜8
0℃の飽和水蒸気雰囲気中で行われる。中でも、上記ポ
リマーとしてポリジルコノキサンを用いた場合、この加
湿処理により一般式(I)又は一般式(II)中の基
M、M′等が加水分解で脱離され、白濁、ゲル化し、酸
化ジルコニウム前駆体が形成され固化する。ポリジルコ
ノキサンは室温で粘稠な液体であり、温度上昇に伴い粘
度が低下するが、酸化ジルコニウム膜前駆体にはこのよ
うな特性はない。この処理を1回行っただけでは膜厚が
所望の厚みまで達しない場合は、さらに上記と同様の塗
布、加湿処理を繰り返して所望の厚さとする。
The humidification treatment with water is preferably 50 to 8
It is carried out in a saturated steam atmosphere at 0 ° C. Among them, when polyzirconoxane is used as the polymer, the groups M and M ′ in the general formula (I) or the general formula (II) are eliminated by hydrolysis by this humidification treatment, and the white turbidity and gelation occur. A zirconium oxide precursor forms and solidifies. Polyzirconoxane is a viscous liquid at room temperature, and its viscosity decreases with increasing temperature, but the zirconium oxide film precursor does not have such characteristics. If the film thickness does not reach the desired thickness by performing this process only once, the same coating and humidifying processes as described above are repeated to obtain the desired thickness.

【0038】固化膜を形成するための別法として用いら
れる熱分解処理は、好ましくは空気雰囲気下、加熱する
ことによって行われる。加熱温度は上記ポリマーの種類
等により様々であり、例えばポリジルコノキサンの場合
200〜500℃、好ましくは300〜400℃であ
る。この処理を1回行っただけでは膜厚が所望の厚みま
で達しない場合は、さらに上記と同様の塗布、熱分解処
理を繰り返して所望の厚さとする。
The thermal decomposition treatment used as another method for forming the solidified film is preferably carried out by heating in an air atmosphere. The heating temperature varies depending on the type of the above-mentioned polymer, and is, for example, 200 to 500 ° C, preferably 300 to 400 ° C in the case of polyzirconoxane. If the film thickness does not reach the desired thickness by performing this treatment only once, the same coating and thermal decomposition treatments as described above are repeated to obtain the desired thickness.

【0039】このようにして得られる固化膜は、所望の
被膜の前駆体であり、架橋、三次元重合が進行したもの
と推測される。この塗膜の厚さは、0.05〜100μ
m、好ましくは0.05〜5μm、より好ましくは0.
05〜2μmである。
The solidified film thus obtained is a precursor of a desired film, and it is presumed that crosslinking and three-dimensional polymerization proceeded. The thickness of this coating film is 0.05 to 100 μm.
m, preferably 0.05 to 5 μm, more preferably 0.
It is 05-2 micrometers.

【0040】次いで、上記ポリマーの溶液の塗布後、あ
るいはさらに固化膜の形成後、焼成することが必要であ
る。焼成処理においては、上記ポリマーが酸化ケイ素、
窒化ケイ素及び酸化ジルコニウムの中から選ばれた少な
くとも1種に分解され、所定薄膜を被覆形成するよう
に、焼成温度及び焼成時間が制御されるが、通常、焼成
温度は高温型燃料電池の運転温度以上、好ましくは酸化
ケイ素、窒化ケイ素及び酸化ジルコニウムの中から選ば
れた少なくとも1種が十分に結晶化する温度以上、特に
1000〜1300℃の範囲であり、焼成時間は1〜1
0時間、好ましくは1〜4時間の範囲である。
Next, it is necessary to bake after coating the solution of the above-mentioned polymer or further forming a solidified film. In the firing treatment, the polymer is silicon oxide,
The calcination temperature and calcination time are controlled so that the calcination temperature and calcination time are decomposed into at least one selected from silicon nitride and zirconium oxide, and the predetermined thin film is formed as a coating. Normally, the calcination temperature is the operating temperature of a high temperature fuel cell. As described above, preferably at least one selected from silicon oxide, silicon nitride and zirconium oxide is at a temperature at which it is sufficiently crystallized, particularly in the range of 1000 to 1300 ° C., and the firing time is 1 to 1
It is in the range of 0 hours, preferably 1 to 4 hours.

【0041】以上のようにして、クラックのない酸化ケ
イ素、窒化ケイ素又は酸化ジルコニウムの中から選ばれ
た少なくとも1種の被膜をワンパスあるいは従来より少
ない繰り返し工程で、形成させることができる。
As described above, it is possible to form at least one kind of coating film selected from crack-free silicon oxide, silicon nitride or zirconium oxide by one pass or by repeating steps less than the conventional one.

【0042】形成された被膜は平坦で極めて緻密であ
り、所定基材表面に強固に密着されているので、基材表
面は緻密膜で被覆、保護され、高強度である。また、形
成された被膜は、必要に応じ、膜の付着性や緻密度を向
上させる等のため焼成処理を施してもよい。このように
して、所定の保護膜を設けた配管・熱交換材を製造する
ことができる。
The formed coating film is flat and extremely dense, and firmly adheres to the surface of a predetermined base material. Therefore, the surface of the base material is covered and protected with a dense film and has high strength. Further, the formed coating film may be subjected to a firing treatment, if necessary, in order to improve the adhesiveness and the denseness of the film. In this way, the pipe / heat exchange material provided with the predetermined protective film can be manufactured.

【0043】[0043]

【発明の効果】本発明は、配管・熱交換材において、ク
ロム含有耐熱金属やそれを含むサーメット材による優れ
た性質、すなわち高緻密度、高強度を有し、優れた耐熱
性や耐食性を示し、特にサーメット材を用いた場合では
金属とセラミックスとの組成比を適宜変えることにより
熱膨張率等の熱膨張特性を調整しうるという良好な配管
・熱交換材物性を保持しながら、さらにセラミックス保
護膜により配管・熱交換材の構成成分のクロムやその酸
化物などの化合物の拡散を抑止しうることから、クロム
含有酸化剤ガスによるカソードへのクロムの拡散等の悪
影響のおそれを防止しうるので、良好な電池性能を長時
間にわたり維持しうるという顕著な効果を奏する。特
に、保護膜を溶液塗布法で成膜すると、配管内部などの
入り組んだ箇所にも塗布がゆきわたるので好ましく、さ
らにこの塗布される溶液としてポリシロキサン、ポリシ
ラザン又はポリジルコノキサンの溶液を用いると保護膜
の密着性や平滑性等の被覆性や緻密性に優れるので有利
である。
INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention has excellent heat resistance and corrosion resistance in pipes and heat exchange materials, which have excellent properties due to the chromium-containing heat-resistant metal and the cermet material containing the same, that is, high density and high strength. In particular, when a cermet material is used, it is possible to adjust the thermal expansion characteristics such as the coefficient of thermal expansion by appropriately changing the composition ratio of the metal and the ceramic, while maintaining good physical properties of the piping and heat exchange material, while further protecting the ceramic. Since the membrane can prevent the diffusion of compounds such as chromium and its oxides which are the constituents of the piping and heat exchange material, it is possible to prevent the adverse effect of the diffusion of chromium to the cathode due to the chromium-containing oxidant gas. The remarkable effect is that good battery performance can be maintained for a long time. In particular, it is preferable to form the protective film by a solution coating method, because the coating can spread even to complicated places such as the inside of the pipe. Further, if a solution of polysiloxane, polysilazane or polyzirconoxane is used as the coating solution, it is protected. It is advantageous because it is excellent in covering property such as adhesion and smoothness of the film and denseness.

【0044】また、本発明は、配管・熱交換材に適切な
素材を用いることにより、その熱膨張率などの熱膨張特
性を電池材料とほぼ等しく整合させることが可能であ
る。例えば、電池本体の素材が主にジルコニア系のもの
である場合、配管・熱交換材の素材として熱膨張率がジ
ルコニア系素材より高い含Cr耐熱金属とジルコニア系
素材より低いアルミナ、ランタンクロマイト系複合酸化
物、イットリウムクロマイト系複合酸化物などのセラミ
ックスのサーメットを用いるとよい。このように熱膨張
特性を整合させることにより、燃料電池における各部材
の強固な接合が可能となり、ガス封止の安定性が向上
し、電池特性が向上する。特に、配管・熱交換材におい
て、サーメット材として、含Cr耐熱金属の体積比率が
20〜60%であり、かつ含Cr耐熱金属がマトリック
スとして、セラミックスが分散質として存在し、かつ相
対密度が90%以上である前記複合体を用いた場合に
は、配管・熱交換材自体として、強度を一層向上させる
ことが可能となり、さらに優れた性能を発揮しうるので
有利である。
Further, according to the present invention, by using an appropriate material for the pipe and the heat exchange material, it is possible to match the thermal expansion characteristics such as the coefficient of thermal expansion with the battery material almost equally. For example, when the material of the battery body is mainly zirconia-based material, the heat resistance of the pipe and heat exchange material is higher than that of zirconia-based material, such as Cr-containing refractory metal, and lower than that of zirconia-based material, lanthanum chromite composite. Ceramics cermets such as oxides and yttrium chromite composite oxides may be used. By matching the thermal expansion characteristics in this way, it becomes possible to firmly join the respective members in the fuel cell, the stability of gas sealing is improved, and the cell characteristics are improved. In particular, in the piping / heat exchange material, the volume ratio of the Cr-containing heat-resistant metal is 20 to 60% as the cermet material, the Cr-containing heat-resistant metal is the matrix, the ceramics are present as the dispersoid, and the relative density is 90%. When the above-mentioned composite having a content of 10% or more is used, the strength of the pipe / heat exchange material itself can be further improved, and further excellent performance can be exhibited, which is advantageous.

【0045】[0045]

【実施例】次に実施例によって本発明をさらに詳細に説
明するが、本発明はこれらの例によって何ら限定されも
のではない。
The present invention will be described in more detail by way of examples, which should not be construed as limiting the invention thereto.

【0046】実施例 図1の集合様式に従い、3段直列セルの固体電解質型燃
料電池を作製した。固体電解質板11にはイットリアを
8モル%添加したジルコニアである安定化ジルコニア製
の50×50×0.2mmの板状物を用いた。空気通路
側にLa0.8Sr0.2MnO3粉末(平均粒径約5μm)
をスラリー塗布法で厚さ0.1mmに塗布してカソード
12とし、水素通路側にNiとジルコニアの重量比1対
1のサーメット混合粉末をスラリー塗布法で厚さ0.1
mmに塗布してアノード13とした。セパレータ14及
び外部端子15,16はランタンクロマイトから成るも
のを用いた。この固体電解質板11とセパレータ14と
外部端子15,16を図1のように積層し、固体電解質
板11とセパレータ14の間及び固体電解質板11と外
部端子15,16の間に電池の運転温度付近で軟化する
ガラスを挟んでガス封止用とした。このガラスとしては
電池の運転温度付近までの高温で水素に対して耐還元性
があり、空気に対して耐酸化性があり、また耐水蒸気性
のあるものを選ぶ。次いで、図2に示すように、こうし
て集積した電池21に円筒型のアルミナ製マニホールド
22を取り付け、マニホールドと電池の間にはガラスを
挟んでガス封止用とした。電気の取り出し部には白金リ
ード線を溶接して電気的に接続した。
Example A solid oxide fuel cell of a three-stage series cell was produced according to the assembly mode of FIG. As the solid electrolyte plate 11, a 50 × 50 × 0.2 mm plate made of stabilized zirconia, which is zirconia to which 8 mol% of yttria was added, was used. La 0.8 Sr 0.2 MnO 3 powder (average particle size about 5 μm) on the air passage side
To a thickness of 0.1 mm by a slurry coating method to form a cathode 12, and a cermet mixed powder having a weight ratio of Ni to zirconia of 1: 1 is applied to the hydrogen passage side to a thickness of 0.1 mm by a slurry coating method.
Then, the anode 13 was formed by applying the coating solution to the thickness of mm. The separator 14 and the external terminals 15 and 16 were made of lanthanum chromite. The solid electrolyte plate 11, the separator 14 and the external terminals 15 and 16 are laminated as shown in FIG. 1, and the operating temperature of the battery is between the solid electrolyte plate 11 and the separator 14 and between the solid electrolyte plate 11 and the external terminals 15 and 16. Glass for softening in the vicinity was sandwiched for gas sealing. As this glass, a glass that is resistant to hydrogen reduction at high temperatures up to the operating temperature of the battery, resistant to oxidation to air, and resistant to water vapor is selected. Next, as shown in FIG. 2, a cylindrical alumina-made manifold 22 was attached to the battery 21 thus integrated, and glass was sandwiched between the manifold and the battery for gas sealing. A platinum lead wire was welded and electrically connected to the electrical outlet.

【0047】マニホールド22には、酸化剤ガス供給用
配管材23、反応済み酸化剤ガス排出用配管材24、燃
料ガス供給用配管材25、反応済み燃料ガス排出用配管
材26を配設した。酸化剤ガス供給用配管材としては、
インコネル600から成る配管材基材における酸化剤ガ
スに相対されるようになる面すべてに、キシレンに溶解
させたポリシラザン〔重量平均分子量700、繰り返し
単位:−[Si(CH 32−NH]−〕の10%溶液か
ら成るポリシラザン溶液を塗布し、90℃で焼成して厚
さ1μmで相対密度95%のシリカ膜を保護膜として設
けたものを用いた。このようにして作製した固体電解質
型燃料電池を加熱し、1000℃に保持してアノード側
に水素、カソード側に酸化剤ガスとして空気を流し、5
A定常運転で1000時間発電させた。この運転による
最終電池出力について、その運転初期からの劣化率を測
定し、この運転直後のカソード中のCr含有量を測定し
た。その結果を表1に示す。
The manifold 22 is for supplying an oxidant gas.
Piping material 23, piping material 24 for discharging reacted oxidant gas, combustion
Material gas supply pipe material 25, pipe for discharging reacted fuel gas
The material 26 was arranged. As the oxidant gas supply pipe material,
Oxidizer gas in piping material substrate made of Inconel 600
Soluble in xylene on all surfaces that will be exposed to
Polysilazane [weight average molecular weight 700, repeated
Unit:-[Si (CH 3)2-NH]-] 10% solution?
Apply a polysilazane solution consisting of
A silica film with a relative density of 95% and a thickness of 1 μm is provided as a protective film.
I used a digit. Solid electrolyte prepared in this way
Type fuel cell is heated and kept at 1000 ℃, and the anode side
Hydrogen as the oxidant gas on the cathode side and 5
Power was generated for 1000 hours in A steady operation. By this driving
For the final battery output, measure the deterioration rate from the beginning of operation.
The Cr content in the cathode immediately after this operation was measured.
Was. The results are shown in Table 1.

【0048】比較例 酸化剤ガス供給用配管材をインコネル600自体から成
るものに代えた以外は実施例と同様にして電池を作製
し、発電させ、電池出力の劣化率及びカソード中のCr
含有量を測定した。その結果を表1に示す。
COMPARATIVE EXAMPLE A battery was produced in the same manner as in the example except that the oxidant gas supply piping was replaced with Inconel 600 itself, and the power was generated, the deterioration rate of the battery output and the Cr content in the cathode.
The content was measured. Table 1 shows the results.

【0049】[0049]

【表1】 [Table 1]

【0050】これより、比較例の保護膜なしの配管材を
用いた場合には電池性能の劣化が著しく、カソード中の
Cr含有量も多いのに対し、実施例の保護膜を設けた配
管材を用いた場合には電池性能はほとんど劣化せず、カ
ソード中のCr含有量も少なく抑えられていることが分
かり、このことからセラミックス保護膜によりカソード
中へのCrの拡散が防止でき、電池性能を長時間にわた
って維持できることが分かる。
From the above, when the pipe material without the protective film of the comparative example is used, the battery performance is remarkably deteriorated and the Cr content in the cathode is large, whereas the pipe material with the protective film of the embodiment is provided. It was found that the battery performance was hardly deteriorated when Cr was used, and the Cr content in the cathode was suppressed to a low level. From this, it is possible to prevent the diffusion of Cr into the cathode by the ceramic protective film, and to improve the battery performance. It can be seen that can be maintained for a long time.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】 平板型の固体電解質型燃料電池の1例の展開
斜視説明図。
FIG. 1 is an exploded perspective view showing an example of a flat plate solid oxide fuel cell.

【図2】 図1の電池にマニホールドを配設した燃料電
池の斜視説明図。
FIG. 2 is a perspective explanatory view of a fuel cell in which a manifold is arranged in the cell of FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11 固体電解質板 12 カソード 13 アノード 14 セパレータ 15、16 外部端子 21 電池 22 マニホールド 23 酸化剤ガス供給用配管材 24 反応済み酸化剤ガス排出用配管材 25 燃料ガス供給用配管材 26 反応済み燃料ガス排出用配管材 11 Solid Electrolyte Plate 12 Cathode 13 Anode 14 Separator 15, 16 External Terminal 21 Battery 22 Manifold 23 Oxidant Gas Supply Piping Material 24 Reacted Oxidant Gas Discharge Piping Material 25 Fuel Gas Supply Piping Material 26 Reacted Fuel Gas Discharge Piping material

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 吉田 利彦 埼玉県入間郡大井町西鶴ケ岡一丁目3番1 号 東燃株式会社総合研究所内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Toshihiko Yoshida 1-3-1 Nishitsurugaoka, Oi-cho, Iruma-gun, Saitama Tonen Research Institute

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 固体電解質材を燃料電極及び酸化剤電極
で挟持してなる単位電池の集合体からなるスタック構造
を有し、かつその燃料電極及び酸化剤電極にそれぞれ反
応ガスとしての燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するとと
もに、反応済みガスを排出する給排用配管材又は該配管
材及び該配管材のうちの酸化剤ガス供給用配管材に連結
する、酸化剤ガスを高温にするための熱交換材を備えた
固体電解質型燃料電池において、酸化剤ガス供給用配管
材又は該配管材及び上記熱交換材として、クロムを5%
以上含有する耐熱金属及び該耐熱金属とセラミックスの
サーメットの中から選ばれた少なくとも1種から成る基
材と、該基材の酸化剤ガス対応面に設けたセラミックス
保護膜とから成る被覆材を用いたことを特徴とする固体
電解質型燃料電池。
1. A stack structure comprising an assembly of unit cells in which a solid electrolyte material is sandwiched between a fuel electrode and an oxidant electrode, and the fuel electrode and the oxidant electrode each have a fuel gas as a reaction gas and Supplying and discharging oxidant gas, and connecting / disconnecting piping material for discharging the reacted gas or piping material and piping material for oxidizing gas supply of the piping material, for heating the oxidizing gas to high temperature In a solid oxide fuel cell equipped with a heat exchange material, 5% of chromium is used as a pipe material for supplying an oxidant gas or the pipe material and the heat exchange material.
A covering material comprising a base material made of at least one selected from the above heat-resistant metals and cermets of the heat-resistant metals and ceramics, and a ceramic protective film provided on the surface of the base material corresponding to the oxidant gas. A solid oxide fuel cell characterized by the following.
【請求項2】 請求項1記載の固体電解質型燃料電池に
用いられる、クロムを5%以上含有する耐熱金属及び該
耐熱金属とセラミックスのサーメットの中から選ばれた
少なくとも1種から成る基材と、該基材の酸化剤ガス対
応面に設けたセラミックス保護膜とから成る固体電解質
型燃料電池用配管材。
2. A base material for use in the solid oxide fuel cell according to claim 1, comprising a heat-resistant metal containing 5% or more of chromium and at least one selected from cermets of the heat-resistant metal and ceramics. A pipe material for a solid oxide fuel cell, comprising a ceramic protective film provided on the surface of the base material corresponding to the oxidant gas.
【請求項3】 請求項1記載の固体電解質型燃料電池に
用いられる、クロムを5%以上含有する耐熱金属及び該
耐熱金属とセラミックスのサーメットの中から選ばれた
少なくとも1種から成る基材と、該基材の酸化剤ガス対
応面に設けたセラミックス保護膜とから成る固体電解質
型燃料電池用熱交換材。
3. A base material for use in the solid oxide fuel cell according to claim 1, comprising at least one selected from a heat-resistant metal containing 5% or more of chromium and a cermet of the heat-resistant metal and ceramics. A heat exchange material for a solid oxide fuel cell, comprising a ceramic protective film provided on the surface of the base material corresponding to the oxidant gas.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009534538A (en) * 2006-04-26 2009-09-24 テクニカル ユニヴァーシティー オブ デンマーク Multilayer coating
US9966578B2 (en) 2008-08-19 2018-05-08 General Electric Company Seal ring and associated method

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